KR101810709B1 - 일체형 예냉 혼합 냉매 시스템 및 방법 - Google Patents

일체형 예냉 혼합 냉매 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

고압 액체 및 증기 스트림이 형성되도록, 제 1 및 최종 압축 및 냉각 사이클을 이용하여 혼합 냉매를 압축 및 냉각시키는 단계를 포함하는 열 교환기에서 가스를 냉각 및 액화시키기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 고압 액체 및 증기 스트림은 열 교환기에서 냉각되고 그 후 팽창되어, 주 냉각 스트림이 열 교환기에서 제공되게 된다. 혼합 냉매는 제 1 및 최종 압축 및 냉각 사이클 사이에서 냉각되고 평형을 이루어, 예냉 액체 스트림이 형성되고 열 교환기에서 과냉각된다. 그 후 이 스트림은 팽창되어, 예냉 냉각 스트림으로 열 교환기를 통과한다. 가스의 스트림은 주 냉각 스트림 및 예냉 냉각 스트림과 역류 열 교환되는 열 교환기를 통과하여, 가스가 냉각된다.

Description

일체형 예냉 혼합 냉매 시스템 및 방법{INTEGRATED PRE-COOLED MIXED REFRIGERANT SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 가스를 냉각 또는 액화시키기 위한 프로세스 및 시스템에 관한 것이며, 특히, 가스를 냉각 또는 액화시키기 위한 개선된 혼합 냉매 시스템 및 방법에 관한 것이다.
주로 메탄인 천연 가스와 그외 다른 가스들은 저장 및 수송을 위해 압력 하에 액화된다. 액화로 인한 부피 감소는 더욱 실용적이고 경제적인 설계의 컨테이너를 사용할 수 있게 한다. 액화는 일반적으로, 하나 이상의 냉각 사이클에 의한 간접적 열 교환을 통해 가스를 냉각시킴으로써 달성된다. 이러한 냉각 사이클은 냉매 성능의 효율 요건 및 장비 요건의 복잡도로 인해 장비 비용 및 작동 측면에서 비용이 많이 든다. 따라서, 개선된 냉각 효율 및 저렴한 작동 비용과 함께 낮은 복잡도를 갖는 가스 냉각 및 액화 시스템이 필요하다.
천연 가스의 액화는 대략 -160℃ 내지 -170℃로 천연 가스 스트림을 냉각시킨 후 압력을 대략 주변 압력으로 하강시키는 과정을 필요로 한다. 도 1은 60바 압력의 메탄과, 35바 압력의 메탄과, 35바 압력의 메탄 및 에탄의 혼합물에 대한 전형적인 온도-엔탈피 곡선을 도시한다. S-자형 곡선에 대해 3개의 영역이 존재한다. 약 -75℃ 이상에서 가스는 과열 냉각(de-superheating)되고, -90℃ 이하에서 액체는 과냉(subcolling)된다. 그 사이의 비교적 평탄한 영역은 가스가 액체로 응축되는 영역이다. 60바 곡선이 임계 압력 위에 있기 때문에, 단 하나의 상만이 존재하지만, 임계 온도 근처에서 비열이 크고, 냉각 곡선은 낮은 압력 곡선과 유사하다. 5% 에탄을 함유한 곡선은 이슬점 및 거품점을 라운드-오프(round off)시키는 불순물 효과를 보여준다.
냉각 프로세스는 천연 가스를 액화시키기 위한 냉각을 공급하는 데 필요하고, 가장 효율적인 프로세스는 전체 범위에 걸쳐 몇도 내로 도 1의 냉각 곡선을 밀접하게 따르는 가열 곡선을 가질 것이다. 그러나, S-자형 냉각 곡선과 큰 온도 범위 때문에, 이러한 냉각 프로세스는 설계하기 어렵다. 평탄한 기화 곡선 때문에, 순수 성분 냉매 프로세스는 2-상 영역에서 가장 잘 작동하지만, 기울어진 기화 곡선 때문에 다-성분 냉매 프로세스는 과열 냉각 및 과냉 영역에 대해 더 적절하다. 이러한 두 가지 타입의 프로세스와 이 두 프로세스의 조합이, 천연 가스 액화용으로 개발되어 있다.
직렬, 멀티레벨, 순수 성분 사이클은 프로필렌, 에틸렌, 메탄, 및 질소와 같은 냉매와 함께 최초에 사용되었다. 충분한 레벨을 가질 때, 이러한 사이클은 도 1에 도시되는 냉각 곡선에 근사하는 알짜 가열 곡선을 생성할 수 있다. 그러나, 레벨 수가 증가하는 만큼 추가적인 압축기 트레인이 요구되기 때문에 기계적 복잡도가 지배적인 요인이 된다. 이러한 프로세스는 또한, 순수 성분 냉매가 천연 가스 냉각 곡선을 따르는 대신에 일정 온도에서 기화하고 냉각 밸브는 가역적으로 액체를 증기로 플래싱(flash)하기 때문에, 열역학적으로 비효율적이다. 이러한 이유로, 자본비를 절감하고 에너지 소모를 줄이며 조작성(operability)을 개선시키기 위해, 개선된 프로세스가 추구된다.
Manley의 미국특허 제5,746,066호는 직렬 멀티레벨 순수 성분 프로세스의 열역학적 비효율성을 제거하는, 에틸렌 회수용의 유사한 냉각 수요에 적용되는 바와 같은 직렬, 멀티레벨, 혼합 냉매 프로세스를 설명한다. 이는 가스 냉각 곡선을 따르는 온도 상승 시에 냉매가 기화하고 액체 냉매가 플래시 이전에 과냉각되어 열역학적 가역성을 감소시키기 때문이다. 추가적으로, 순수 냉매 프로세스의 경우 3개 또는 4개의 냉매 사이클이 요구되는 데 반해, 단 2개의 서로 다른 냉매 사이클이 요구되기 때문에 기계적 복잡도가 낮은 편이다. Newton의 미국특허 제4,525,185호, Liu, 등의 미국특허 제4,545,795호, Paradowski, 등의 미국특허 제4,689,063호, 및 Fischer, 등의 미국특허 제6,041,619호는 Stone, 등의 미국특허출원공보 제2007/0227185호 및 Hulsey, 등의 미국특허출원공보 제2007/0283718호에서와 같이, 천연 가스 액화에 적용되는 이러한 테마에 대한 변형예들을 제시한다.
직렬, 멀티레벨, 혼합 냉매 프로세스는 가장 효율적이라고 알려져 있지만, 더 쉽게 작동할 수 있는, 더 간단하고 효율적인 프로세스가 대부분의 플랜트에 요망된다.
Swenson의 미국특허 제4,033,735호는, 냉매 프로세스에 대해 단 하나의 압축기만을 요하고 기계적 복잡도를 추가적으로 감소시키는 단일 혼합 냉매 프로세스를 설명한다. 그러나, 2가지 주요한 이유로, 이 프로세스는 상술한 직렬, 멀티레벨, 혼합 냉매 프로세스에 비해 좀 더 많은 동력을 소모한다.
첫 번째로, 도 1에 도시되는 전형적인 천연 가스 냉각 곡선을 밀접하게 따르는 알짜 가열 곡선을 발생시킬 단일 혼합 냉매 조성을 찾아내는 것이, 불가능하지 않다 하더라도, 어렵다. 이러한 냉매는 비교적 높고 낮은 비등 성분의 범위로부터 구성되어야 하고, 그 비등 온도는 상평형에 의해 열역학적으로 제약된다. 추가적으로, 더 높은 비등 성분은, 최저 온도에서 동결되면 안되기 때문에 제한된다. 이러한 이유로, 비교적 큰 온도 차이가 냉각 프로세스의 여러 지점에서 반드시 발생한다. 도 2는 Swenson의 '735 특허의 프로세스에 대한 전형적인 복합 가열 및 냉각 곡선을 보여준다.
두 번째로, 단일 혼합 냉매 프로세스의 경우, 더 높은 비등 성분들만이 프로세스의 냉각된 부분의 웜 엔드(warmer end)에서 냉각을 제공함에도 불구하고, 냉매 내 모든 성분들이 최저 온도 레벨에 놓인다. 이는 저온에서 "비활성"인 이러한 성분들을 냉각 및 재가열할 에너지를 필요로한다. 이는 직렬, 멀티레벨, 순수 성분 냉각 프로세스 또는 직렬, 멀티레벨, 혼합 냉매 프로세스를 갖는 경우에 해당하지 않는다.
이러한 두 번째의 비효율성을 완화시키고, 그리고 또한, 첫 번째 문제점을 해결하기 위해, 단일 혼합 냉매로부터 중유분(heavier fraction)을 분리시키고, 더 높은 냉각 온도 레벨에서 중유분을 이용하며, 그 후 이를 후속 압축에 대한 경유분(lighter fraction)과 재조합시키는 수많은 해법들이 발전되었다. Podbielniak의 미국특허 제2,041,725호는 주변 온도 아래에서 여러 상분리 스테이지를 통합시키는 이를 행하는 한가지 방식을 설명한다. Podbielniak의 미국특허 제2,041,725호는 이를 행하는 한가지 방식을 설명하며, 이는 주변 온도 아래에서 여러 상분리 스테이지를 통합한다. Perret의 미국특허 제3,364,685호, Sarsten의 미국특허 제4,057,972호, Garrier, 등의 미국특허 제4,274,849호, Fan, 등의 미국특허 제4,901,533호, Ueno, 등의 미국특허 제5,644,931호, Ueno, 등의 미국특허 제5,813,250호, Arman, 등의 미국특허 제6,065,305호, Roberts, 등의 미국특허 제6,347,531호, 및 Schmidt의 미국특허출원공보 제2009/0205366호 또한 이 테마에 대한 변형예를 보여준다. 조심스럽게 설계할 때, 이들은 평형이 아닐 때의 스트림의 재조합이 열역학적으로 비효율적이라 하더라도, 에너지 효율을 개선시킬 수 있다. 이는 경유분 및 중유분이 고압에서 분리되고 저압에서 재결합될 때마다, 열역학적 손실이 발생하고 이는 궁극적으로 동력 소모를 증가시킨다. 따라서, 이러한 분리의 수가 최소화되어야 한다. 이러한 모든 프로세스는 경유분으로부터 중유분을 분리시키기 위해 냉각 프로세스의 여러 위치에서 간단한 증기/액체 평형을 이용한다.
그러나, 간단한 일 스테이지 증기/액체 평형 분리는 환류(reflux)를 갖는 복수 평형 스테이지를 이용하여 달성될 수 있는 것만큼의 유분을 농축시키지 않는다. 높은 농도는 특정 범위의 온도에 걸쳐 냉각을 제공할 조성을 분리시킴에 있어서 더 큰 정확도를 가능하게 한다. 이는 도 1의 S-자형 냉각 곡선을 따르는 프로세스 능력을 개선시킨다. Gauthier의 미국특허 제4,586,942호 및 Stockmann, 등의 미국특허 제6,334,334호는 서로 다른 온도 영역의 냉각에 대해 사용되는 분리된 유분을 추가적으로 농축시키기 위해, 그래서, 전체 프로세스의 동역학적 효율을 개선시키기 위해, 위 주변 압축기 트레인에서 분별화(fractionation)가 어떻게 이용될 수 있는 지를 설명한다. 유분을 농축시키고 기화 온도 범위를 감소시키는 두 번째 이유는 프로세스의 냉각부를 떠날 때 완전히 기화됨을 보장하기 위해서다. 이는 냉매의 잠열을 완전히 이용하고 하향 압축기 내로 액체의 동반을 배제한다. 이와 같은 동일 이유로, 중유분의 액체가 통상적으로, 프로세스의 일부분으로 경유분의 냉매 내로 재-주입된다. 중유분의 분별은, 재-주입 시의 플래싱(flashing)을 감소시키고, 2상 유체의 기계적 분배를 개선시킨다.
Stone, 등의 미국특허출원공보 제2007/0227185호에 제시된 바와 같이, 프로세스의 냉각부로부터 부분 기화된 냉각 스트림을 제거하는 방식이 알려져 있다. Stone, 등은 2개의 분리된 혼합 냉매를 요구하는, 직렬, 멀티레벨, 혼합 냉매 프로세스의 범주에서 (열역학적인 이유가 아니라) 기계적인 이유로 이를 행한다. 추가적으로, 부분 기화된 냉각 스트림은 압축 직전에 앞서 분리된 기체 유분과의 재결합시 완전 기화된다.
도 1은 35바 및 60바 압력에서의 메탄과, 35바 압력에서의 메탄 및 에탄의 혼합물에 대한 온도-엔탈피 곡선을 그래프 방식으로 표현하고,
도 2는 종래 프로세스 및 시스템에 대한 복합 가열 및 냉각 곡선을 그래프 방식으로 표현하며,
도 3은 발명의 프로세스 및 시스템의 일 실시예를 설명하는 프로세스 흐름 및 개략도이고,
도 4는 도 3의 프로세스 및 시스템에 대한 복합 가열 및 냉각을 그래프 방식으로 표현하며,
도 5는 발명의 프로세스 및 시스템의 제 2 실시예를 설명하는 프로세스 흐름 및 개략도이고,
도 6은 발명의 프로세스 및 시스템의 제 3 실시예를 설명하는 프로세스 흐름 및 개략도이며,
도 7은 발명의 프로세스 및 시스템의 제 4 실시예를 설명하는 프로세스 흐름 및 개략도이며,
도 8은 도 2 및 도 4의 복합 가열 및 냉각 곡선의 웜 엔드(warm end)의 확대도를 제공하는 그래프 표현이다.
본 발명에 따르면, 아래 상세하게 설명되는 바와 같이, 중유분의 간단한 평형 분리는, 중유분이 프로세스의 주 열 교환기를 떠남에 따라 완전히 기화되지 않을 경우 혼합 냉매 프로세스 효율을 현저하게 개선시키기에 충분하다. 이는 압축부에 소정의 액체 냉매가 존재하여, 사전에 분리되고 고압으로 펌핑되어야 함을 의미한다. 액체 냉매가 냉매의 기화된 경유분과 혼합될 때, 압축기 흡입 가스는 크게 냉각되고 요구되는 압축기 동력은 추가적으로 감소한다. 중간 스테이지 중 중유분의 평형 분리는 또한 제 2 스테이지 압축기(또는 높은 스테이지 압축기)에 대한 부하를 감소시켜서 프로세스 효율을 개선시킨다. 무거운 성분의 냉매는 또한, 프로세스의 콜드 엔드(cold end)로부터 빠져나와, 냉매 동결의 가능성을 감소시킨다.
더욱이, 독립적인 예냉 냉각 루프의 중유분 이용은 열 교환기의 웜 엔드에서 가열/냉각 곡선을 거의 닫히게 하여, 더욱 효율적인 냉각 이용을 제시한다. 이는 도 8에 가장 잘 나타나며, 도 2(열린 곡선) 및 도 4(닫힌 곡선)로부터의 곡선들이 +40℃ 내지 -40℃로 제한된 온도 범위에서 동일 축 상에 그려진다.
발명의 시스템 및 방법의 일 실시예를 설명하는 프로세스 흐름 및 개략도가 도 3에 제공된다. 실시예의 작동이 이제 도 3을 참조하여 설명될 것이다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 시스템은, 웜 엔드(7) 및 콜드 엔드(8)를 갖는 (6)으로 일반적으로 표시되는 멀티-스트림 열 교환기를 포함한다. 열 교환기는 열 교환기 내 냉각 스트림과 열 교환을 통한 열 제거를 통해 냉각 통로(5)에서 액화되는 고압 천연 가스 피드 스트림(9)을 수용한다. 그 결과, 액체 천연 가스 생성물의 스트림(10)이 생성된다. 열 교환기의 멀티-스트림 설계는 여러 스트림을 단일 교환기 내로 편리하고 에너지 효율적으로 통합시킨다. 적절한 열 교환기는 미국, Texas, The Woodlands에 소재한 Chart Energy & Chmicals, Inc. 사의 제품을 구매할 수 있다. Chart Energy & Chemicals, Inc. 사의 플레이트 및 핀 멀티-스트림 열 교환기는 물리적으로 컴팩트하다는 추가적인 장점을 제공한다.
열 교환기(6)를 포함한, 도 3의 시스템은, 종래 기술에서 알려진 가상선(13)으로 표시된 다른 가스 처리 옵션을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 처리 옵션은 가스 스트림으로 하여금 열 교환기를 한번 이상 빠져나갔다가 재유입되는 것을 요구할 수 있고, 예를 들어, 천연 가스 액체 회수 또는 질소 거부를 포함할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 시스템 및 방법이 천연 가스의 액화 측면에서 아래에 설명되지만, 에어 또는 질소를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 천연 가스와는 다른 가스의 냉각, 액화, 및/또는 처리에 사용될 수 있다.
열 제거는 도 3에 도시되는 시스템의 나머지 부분과 단일 혼합 냉매를 이용하여 열 교환기에서 달성된다. 아래 설명되는 바와 같이, 시스템의 냉각부의 스트림의 냉매 조성, 조건, 및 흐름이 표 1에 제시된다.
도 3의 우상부를 참조하면, 제 1 스테이지 압축기(11)는 저압 증기 냉매 스트림(12)을 수용하고 이를 중간 압력으로 압축한다. 스트림(14)은 그 후 제 1 스테이지 후-냉각기(16)로 이동하고 여기서 냉각된다. 후-냉각기(16)는 예를 들어, 열 교환기일 수 있다. 결과적인 중간 압력 혼합상 냉매 스트림(18)은 인터스테이지 드럼(interstage drum)(22)으로 전달된다. 인터스테이지 드럼(22)이 도시되지만, 다른 타입의 용기, 사이클론 방식 분리기(cyclonic separator), 증류 유닛, 합체 분리기(coalescing separator), 또는 메시 또는 날개형 연무 제거기를 포함한, 대안의 분리 장치가 사용될 수 있다. 인터스테이지 드럼(22)은 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 펌프(26)에 의해 제공되는 중간 압력 액체 냉매 스트림(24)을 또한 수용한다. 대안의 실시예에서, 스트림(24)은 대신에 후-냉각기(16) 상류의 스트림(14)과, 또는, 후-냉각기(16) 하류의 스트림(18)과 조합될 수 있다.
스트림(18, 24)은 인터스테이지 드럼(22)에서 조합되고 평형을 이루어서, 분리된 중간 압력 증기 스트림(28)이 드럼(22)의 증기 유출구를 빠져나가고, 중간 압력 액체 스트림(32)이 드럼의 액체 유출구를 빠져나간다. 따뜻한 중유분(warm and heavy fraction)인 중간 압력 액체 스트림(32)은, 드럼(22)의 액체 측부를 빠져나와서, 열 교환기(6)의 예냉 액체 통로(33)에 유입되고, 또한 열 교환기를 통과하는 아래 설명되는 다양한 냉각 스트림과 열 교환에 의해 과냉된다. 결과적인 스트림(34)은 열 교환기를 빠져나오고 팽창 밸브(36)를 통해 플래싱된다. 팽창 밸브(36)에 대한 대안으로서, 터빈 또는 오리피스(orifice)를 포함한, 그러나, 이에 제한되지 않는, 다른 타입의 팽창 장치가 사용될 수 있다. 결과적인 스트림(38)은 열 교환기(6)에 재유입되어, 예냉 냉각 통로(39)를 통해 추가적인 냉각을 제공한다. 스트림(42)은 상당한 액체 유분을 갖는 2-상 혼합물로 열 교환기의 웜 엔드(70)를 빠져나온다.
중간 압력 증기 스트림(28)은 드럼(22)의 증기 유출구로부터 제 2 또는 최종 스테이지 압축기(44)로 이동하여, 고압으로 압축된다. 스트림(46)은 압축기(44)를 빠져나오고 제 2 또는 최종 스테이지 후-냉각기(48)를 통해 이동하여 냉각된다. 결과적인 스트림(52)은 축압기(accumulator) 드럼(54)에서 분리되는 기상 및 액상을 모두 지닌다. 축압기 드럼(54)이 도시되지만, 다른 타입의 용기, 사이클론 타입 분리기, 증류 유닛, 합체 분리기 또는 메시 또는 날개형 연무 제거기를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 대안의 분리 장치가 사용될 수 있다. 고압 증기 냉매 스트림(56)은 드럼(54)의 증기 유출구를 빠져나와 열 교환기(6)의 웜 측부로 이동한다. 고압 액체 냉매 스트림(58)은 드럼(54)의 액체 유출구를 빠져나와 열 교환기(6)의 웜 엔드로 또한 이동한다. 제 1 스테이지 압축기(11) 및 제 1 스테이지 후-냉각기(48)는 최종 압축 및 냉각 사이클을 구성한다. 그러나, 각각의 냉각 사이클 스테이지가 대안으로서 복수의 압축기 및/또는 후-냉각기를 특징으로 할 수 있다.
따뜻한, 고압, 증기 냉매 스트림(56)은 열 교환기(6)의 고압 증기 통로(59)를 통해 이동함에 따라, 냉각되고, 응측되며, 과냉각된다. 그 결과, 스트림(62)은 열 교환기(6)의 콜드 엔드를 빠져나간다. 스트림(62)은 팽창 밸브(64)를 통해 플래싱되고 스트림(66)으로 열 교환기에 재유입되어, 주 냉각 통로(65)를 통과하는 스트림(67)으로 냉각을 제공한다. 팽창 밸브(64)에 대한 대안으로서, 터빈 또는 오리피스를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 다른 타입의 팽창 장치가 사용될 수 있다.
따뜻한 고압 액체 냉매 스트림(58)은 열 교환기(6)에 유입되고 고압 액체 통로(69)에서 과냉된다. 결과적인 스트림(68)은 열 교환기를 빠져나오고, 팽창 밸브(72)를 통해 플래싱된다. 팽창 밸브(72)에 대한 대안으로서, 터빈 또는 오리피스를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 다른 타입의 팽창 장치가 사용될 수 있다. 결과적인 스트림(74)은 열 교환기(60)에 재유입되어 주 냉각 통로(65)에서 스트림(67)과 결합 및 조합되어 스트림(76)으로 추가적인 냉각을 제공하고, 과열 증기 스트림(78)으로 열 교환기(6)의 웜 단부를 빠져나간다.
상술한 바와 같이, 과열 증기 스트림(78)과, 상당한 액체 유분을 갖는 2-상 혼합물인 스트림(42)은 각각 증기 및 혼합상 유입구를 통해 저압 흡입 드럼(82)에 유입되고, 저압 흡입 드럼에서 조합되고 평형을 이룬다. 흡입 분리 장치로서 흡입 드럼(82)이 도시되지만, 다른 타입의 용기, 사이클론 방식 분리기, 증류 유닛, 합체 분리기, 또는 메시 또는 날개형 연무 제거기를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 대안의 분리 장치가 사용될 수 있다. 그 결과, 저압 증기 냉매 스트림(12)이 드럼(82)의 증기 유출구를 빠져나간다. 상술한 바와 같이, 스트림(12)은 제 1 스테이지 압축기(11)의 유입구로 이동한다. 압축기(11)의 흡입 유입구에서의 흡입 드럼(82)에서, 혼합상 스트림(42)과, 상당히 다른 조성의 증기를 포함하는 스트림(78)과의 혼합은, 압축기로 이동하는 증기 스트림(따라서, 압축기 자체)의 온도를 하강시키는 부분 플래시 냉각 효과를 생성하고, 따라서, 작동에 요구되는 동력을 감소시킨다.
혼합의 플래시 냉각 효과에 의해 온도가 또한 하강한 저압 액체 냉매 스트림(84)은 드럼(82)의 액체 유출구를 빠져나가고, 펌프(26)에 의해 중간 압력으로 펌핑된다. 상술한 바와 같이, 펌프로부터의 유출 스트림(24)은 인터스테이지 드럼(22)으로 이동한다.
그 결과, 본 발명에 따르면, 스트림(32, 34, 38, 42)을 포함하는 예냉 냉매 루프가 열 교환기(6)의 웜 측부에 유입되고 상당한 액체 유분을 갖고 빠져나간다. 부분적으로 액체 스트림(42)은 스트림(78)으로부터 소모된 냉매 증기와 조합되어, 흡입 드럼(82)에서 평형 및 분리를 이루고 압축기(11)에서 결과적인 증기가 압축되며, 펌프(26)에 의해 액체의 펌핑이 이루어진다. 흡입 드럼(82)에서의 평형은 열 및 물질 전달에 의해, 압축기(11)에 유입되는 스트림의 온도를 감소시키고, 따라서, 압축기에 의한 동력 이용을 감소시킨다.
도 3의 프로세스에 대한 복합 가열 및 냉각 곡선이 도 4에 도시된다. Swenson의 미국특허 제4,033,735호에 기재된 것과 유사한, 최적화된 단일 혼합 냉매 프로세스에 대해 도 2의 곡선들과의 비교는, 복합 가열 및 냉각 곡선이 함께 가까이 놓여있고, 따라서, 약 5%만큼 압축기 동력을 감소시킨다는 점을 보여준다. 이는 플랜트의 자본비를 감소시키고, 관련 환경적 방출물과 함께 에너지 소모를 감소시킨다. 이러한 이점들은 소형에서 중형까지의 액체 천연 가스 플랜트에 대해 연간 수백만 달러의 비용 절감을 안겨줄 수 있다.
도 4는 도 3의 시스템 및 방법이 냉각 곡선의 열 교환기 웜 엔드의 개략적인 닫힘(near closure)으로 나타남을 또한 도시한다(도 8 참조). 이는 중간 압력 중유분 액체가 나머지 냉매에 비해 높은 온도에서 비등하고, 따라서, 웜 엔드 열 교환기 냉각에 잘 들어맞기 때문이다. 열 교환기 내 경유분 냉매와는 별도로 중간 압력 중유분 액체를 비등시킴으로써, 더 높은 비등 온도를 얻을 수 있고, 이는 더욱 "닫힌"(closed) (따라서 더욱 효율적인) 곡선의 웜 엔드를 도출할 수 있다. 더욱이, 열 교환기의 콜드 엔드로부터 중유분을 제거하는 것은 동결 발생의 방지를 돕는다.
상술한 실시예는 초임계 압력에서 대표적인 천연 가스 피드에 대한 것이다. 최적 냉매 조성 및 작동 조건은 서로 다른 압력에서 다른, 덜 순수한, 천연 가스를 액화시킬 때 변할 것이다. 그러나, 프로세스의 장점은 열역학적 효율성 때문에 유지된다.
발명의 시스템 및 방법의 제 2 실시예를 나타내는 프로세스 흐름 및 개략도가 도 5에 제공된다. 도 5의 실시예에서, 과열된 증기 스트림(78) 및 2-상 혼합 스트림(42)이, 도 3의 흡입 드럼(82) 대신에 (102)로 표시되는 혼합 장치에서 조합된다. 혼합 장치(102)는 예를 들어, 정적 믹서, 스트림(78, 42)이 유입되는 단일 파이프 세그먼트, 열 교환기(6)의 패킹 또는 헤더일 수 있다. 혼합 장치(102)를 떠난 후, 조합되고 혼합된 스트림(78, 42)은 저압 흡입 드럼(104)의 단일 유입구로 스트림(106)으로 이동한다. 흡입 드럼(104)이 도시되지만, 다른 타입의 용기, 사이클론 방식 분리기, 증류 유닛, 합체 분리기 또는 메시 또는 날개형 연무 제거기를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 대안의 분리 장치가 사용될 수 있다. 스트림(106)이 흡입 드럼(104)에 유입될 때, 증기 및 액체상이 분리되어, 도 3의 실시예에 대해 앞서 설명한 바와 같이, 저압 액체 냉매 스트림(84)이 드럼(104)의 액체 유출구를 빠져나가게 되고, 저압 증기 스트림(12)이 드럼(104)의 증기 유출구를 빠져나가게 된다. 도 5의 실시예의 나머지 부분은, 표 1의 데이터가 다를 수 있지만, 도 3의 실시예에 대해 설명한 바와 동일한 성분 및 작동을 특징으로 한다.
발명의 시스템 및 방법의 제 3 실시예를 나타내는 프로세스 흐름 및 개략도가 도 6에 제공된다. 도 6의 실시예에서, 열 교환기(6)로부터의 2-상 혼합 스트림(42)은 리턴 드럼(return drum)(120)으로 이동한다. 결과적인 증기상은 저압 흡입 드럼(124)의 제 1 증기 유입구로 리턴 증기 스트림(122)으로 이동한다. 열 교환기(6)로부터의 과열 증기 스트림(78)은 저압 흡입 드럼(124)의 제 2 증기 유입구로 이동한다. 조합된 스트림(126)은 흡입 드럼(124)의 증기 유출구를 빠져나간다. 드럼(120, 124)은 대안으로서, 리턴 분리기 드럼 및 흡입 드럼 기능을 수행하는 단일 드럼 또는 용기 내로 조합될 수 있다. 더욱이, 다른 타입의 용기, 사이클론 방식 분리기, 증류 유닛, 합체 분리기 또는 메시 또는 날개형 연무 제거기를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 대안의 타입의 분리 장치가 드럼(120, 124)을 대체할 수 있다.
제 1 스테이지 압축기(131)는 저압 증기 냉매 스트림(126)을 수용하고, 이를 중간 압력으로 압축한다. 압축된 스트림(132)은 그 후 제 1 스테이지 후-냉각기(134)로 이동하여 냉각된다. 또한, 리턴 분리기 드럼(120)의 액체 유출구로부터의 액체가 펌프(138)로 리턴 액체 스트림(136)으로 이동하고, 결과적인 스트림(142)은 그 후 제 1 스테이지 후-냉각기(134)로부터 상류의 스트림(132)과 합쳐진다.
제 1 스테이지 후-냉각기(134)를 떠나는 중간 압력 혼합상 냉매 스트림(144)은 인터스테이지 드럼(146)으로 이동한다. 인터스테이지 드럼(146)이 도시되지만, 다른 타입의 용기, 사이클론 방식 분리기, 증류 유닛, 합체 분리기, 또는 메시, 또는 날개형 연무 제거기를 포함한, 그러나 이에 제한되지 않는, 대안의 분리 장치가 이용될 수 있다. 분리된 중간 압력 증기 스트림(28)은 인터스테이지 드럼(146)의 증기 유출구를 빠져나가고, 중간 압력 액체 스트림(32)은 드럼의 액체 유출구를 빠져나간다. 도 3의 실시예와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 중간 압력 증기 스트림(28)은 제 2 스테이지 압축기(44)로 이동하고, 따뜻한 중유분인 중간 압력 액체 스트림(32)은 열 교환기(6)로 이동한다. 도 6의 실시예의 나머지 부분은 표 1의 데이터가 다를 수 있지만, 도 3의 실시예에 대해 설명한 것과 동일한 성분 및 작동을 특징으로 한다. 도 6의 실시예는 드럼(124)에서의 냉각을 제공하지 않고, 따라서, 제 1 스테이지 압축기 흡입 스트림(126)의 냉각을 제공하지 않는다. 그러나, 효율 개선 측면에서, 저온 압축기 흡입 스트림은 압축기 흡입에 대한 감소 증기 몰 유량을 위해 거래된다. 압축기 흡입에 대한 감소된 증기 유량은 도 3의 실시예의 냉각된 압축기 흡입 스트림에 의해 제공되는 감소와 대략 동등한 압축기 동력 요건의 감소를 제공한다. 도 3의 실시예의 펌프(26)에 비해 펌프(138)의 동력 요건의 관련 증가가 존재하지만, 펌프 동력 증가는 압축기 동력 절감에 비해 매우 미미하다(대략 1/100).
도 7에 도시되는 발명의 시스템 및 방법의 제 4 실시예에서, 도 3의 시스템에는 (202, 204, 및/또는, 206)으로 표시되는 하나 이상의 예냉 시스템이 선택적으로 제공된다. 물론, 도 5 또는 도 6의 실시예에, 또는 발명의 시스템의 다른 실시예에, 도 7의 예냉 시스템이 제공될 수 있다. 예냉 시스템(202)은 열 교환기(6) 이전에 쳔연 가스 스트림(9)을 예냉하기 위한 것이다. 예냉 시스템(204)은 제 1 스테이지 후-냉각기(16)로부터 인터스테이지 드럼(22)으로 이동함에 따라 혼합상 스트림(18)의 인터스테이지 예냉을 위한 것이다. 예냉 시스템(206)은 제 2 스테이지 후-냉각기(48)로부터 축압기 드럼(54)으로 이동함에 따라 혼합상 스트림(52)의 방출 예냉을 위한 것이다. 도 7의 실시예의 나머지 부분은, 표 1의 데이터가 다를 수 있으나, 도 3의 실시예에 대해 설명한 것과 동일한 성분 및 작동을 특징으로 한다.
각각의 예냉 시스템(202, 204, 206)은 작동을 위해 열 교환기(6) 내에 통합되거나 열 교환기(6) 상에 지지될 수 있고, 또는, 예를 들어, 제 2 멀티-스트림 열 교환기일 수 있는 칠러(chiller)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 예냉 시스템(202, 204, 및/또는 206) 중 2개, 또는 3개 전부가 단일 멀티-스트림 열 교환기에 통합될 수 있다. 당 분야에 알려져 있는 임의의 예냉 시스템이 사용될 수 있지만, 도 7의 예냉 시스템 각각은 예냉 시스템 냉매로 프로판과 같은 단일 성분 냉매 또는 제 2 혼합 냉매를 이용하는 칠러를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 잘 알려진 프라판 C3-MR 예냉 프로세스 또는 듀얼 혼합 냉매 프로세스가, 단일 압력 또는 복수 압력에서 기화되는 예냉 냉매와 함께, 사용될 수 있다. 다른 적절한 단일 성분 냉매의 예는, N-부탄, 이소-부탄, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, 암모니아, 프레온, 또는 물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
예냉 시스템(202)의 제공에 추가하여, 도 7의 시스템(또는 그외 다른 시스템 실시예의 임의의 시스템)은 액화 시스템 또는 제 2 혼합 냉매 시스템과 같은 하류 프로세스를 위한 예냉 시스템으로 기능할 수 있다. 열 교환기의 냉각 통로에서 냉각되는 가스는 제 2 혼합 냉매 또는 단일 성분 혼합 냉매일 수도 있다.
발명의 바람직한 실시예가 도시 및 설명되었으나, 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 범위를 갖는 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 변형예 및 변화가 구현될 수 있음이 당 업자에게 명백할 것이다.
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Claims (80)

  1. 혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템에 있어서,
    a) 웜 엔드(warm end) 및 콜드 엔드(cold end)를 포함하는 열 교환기로서, 상기 웜 엔드는 가스의 피드(feed)를 수용하도록 구성되는 피드 가스 유입구를 갖고, 상기 콜드 엔드는 생성물이 상기 열 교환기를 빠져나가기 위한 생성물 유출구를 가지며, 상기 열 교환기는 상기 피드 가스 유입구 및 상기 생성물 유출구와 연통되는 냉각 통로와, 예냉 액체 통로와, 상기 냉각 통로와 역류(countercurrent) 열 교환하도록 구성된 예냉 냉각 통로와, 고압 증기 통로 및 고압 액체 통로 중 적어도 어느 하나를 가지는 고압 통로와, 상기 냉각 통로와 역류 열 교환하도록 구성되고 상기 예냉 냉각 통로와 독립적인 주 냉각 통로를 더 포함하는, 상기 열 교환기와,
    b) 증기 유출구를 갖는 흡입 분리 장치와,
    c) 상기 흡입 분리 장치의 증기 유출구와 유체 연통되는 흡입 유입구, 및 유출구를 갖는 제 1 스테이지 압축기와,
    d) 상기 제 1 스테이지 압축기의 유출구와 유체 연통되는 유입구, 및 유출구를 갖는 제 1 스테이지 후-냉각기와,
    e) 상기 제 1 스테이지 후-냉각기의 유출구와 유체 연통되는 유입구와, 상기 열 교환기의 고압 통로와 유체 연통되는 증기 유출구와, 상기 열 교환기의 예냉 액체 통로와 유체 연통되는 액체 유출구를 갖는 인터스테이지 분리 장치와,
    f) 상기 열 교환기의 예냉 액체 통로와 유체 연통되는 유입구와, 상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 연통되는 유출구를 갖는 제 1 팽창 장치와,
    g) 상기 열 교환기의 고압 통로와 유체 연통되는 유입구와, 상기 열 교환기의 주 냉각 통로와 연통되는 유출구를 갖는 제 2 팽창 장치를 포함하며,
    h) 상기 예냉 냉각 통로는 예냉 냉각 통로의 유출구를 통하여 상기 예냉 냉각 통로를 빠져나가는 혼합상 스트림을 생성하도록 구성되고, 상기 주 냉각 통로는 주 냉각 통로의 유출구를 통하여 상기 주 냉각 통로를 빠져나가는 과열 증기 스트림을 생성하도록 구성되며,
    i) 상기 흡입 분리 장치는 상기 열 교환기의 주 냉각 통로의 유출구 및 상기 예냉 냉각 통로의 유출구와 또한 유체 연통되고, 상기 제 1 스테이지 압축기의 동력 소모를 감소시키기 위해 상기 혼합상 스트림 및 상기 과열 증기 스트림은 상기 제 1 스테이지 압축기의 흡입 유입구 이전에 결합되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 예냉 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드를 통과하지만 콜드 엔드는 통과하지 않으며, 상기 주 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드 및 콜드 엔드를 통과하며, 상기 인터스테이지 분리 장치는 중유분(heavy fraction)의 냉매를 함유한 액체 스트림을 생성하도록 구성되어, 가스의 냉각 곡선의 웜 엔드 및 냉매에 대한 냉각 곡선의 웜 엔드가, 혼합상 스트림을 생성하는 상기 예냉 냉각 통로와 증기 스트림을 생성하는 상기 주 냉각 통로에 의해 함께 보다 밀접하게 움직이는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치는 상기 열 교환기의 주 냉각 통로와 연통되는 증기 유입구와, 상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 연통되는 혼합상 유입구를 특징으로 함으로써, 상기 주 냉각 통로로부터의 증기 스트림과 상기 예냉 냉각 통로로부터의 혼합상 스트림이 흡입 분리 장치에서 조합 및 평형화되어, 냉각된 증기 스트림을 상기 제 1 스테이지 압축기의 흡입 유입구에 제공하여 상기 제 1 스테이지 압축기의 동력 소모를 감소시키는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각된 증기 스트림은 열 전달 및 질량 전달에 의해 제공되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치는 액체 유출구를 특징으로 하고,
    상기 혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템은 상기 흡입 분리 장치의 액체 유출구와 연통하는 유입구 및 상기 인터스테이지 분리 장치와 유체 연통하는 유출구를 갖는 펌프를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 통로, 상기 고압 통로 및 상기 주 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드 및 콜드 엔드를 통과하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 예냉 액체 통로 및 상기 예냉 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드를 통과하지만, 상기 열 교환기의 콜드 엔드는 통과하지 않는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 예냉 액체 통로 및 상기 예냉 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드를 통과하지만, 상기 열 교환기의 콜드 엔드는 통과하지 않는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스가 천연 가스인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 생성물이 액화 천연 가스인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성물은 액화 가스인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스의 피드를 수용 및 냉각시키도록 구성되고, 상기 열 교환기의 가스 피드 유입구로 냉각된 가스를 지향시키도록 구성되는 제 1 예냉 시스템을 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 예냉 시스템은 단일 성분 냉매를 예냉 시스템 냉매로 이용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단일 성분 냉매가 프로판인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 예냉 시스템은 제 2 혼합 냉매를 예냉 시스템 냉매로 이용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지 압축기의 유출구와 상기 인터스테이지 분리 장치의 유입구 사이의 회로에 제 2 예냉 시스템을 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 예냉 시스템이 단일 예냉 시스템 내에 포함되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지 압축기의 유출구와 상기 인터스테이지 분리 장치의 유입구 사이의 회로에 예냉 시스템을 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 예냉 시스템은 단일 성분 냉매를 예냉 시스템 냉매로 이용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 단일 성분 냉매는 프로판인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 예냉 시스템은 제 2 혼합 냉매를 예냉 시스템 냉매로 이용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치는 유입구를 특징으로 하고,
    상기 혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템은 혼합 장치를 더 포함하며,
    상기 혼합 장치는 상기 열 교환기의 주 냉각 통로와 유체 연통되는 증기 유입구와, 상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 연통하는 혼합상 유입구를 구비함으로써, 상기 주 냉각 통로로부터의 증기 스트림과 상기 예냉 냉각 통로로부터의 혼합상 스트림이 상기 혼합 장치에서 조합 및 혼합되며, 상기 혼합 장치는, 조합 및 혼합된 스트림이 상기 흡입 분리 장치에 제공되도록 상기 흡입 분리 장치의 유입구와 연통되는 유출구를 더 구비하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 혼합 장치가 정적 믹서(static mixer)를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 혼합 장치가 파이프 세그먼트를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 혼합 장치가 상기 열 교환기의 헤더(header)를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 유체 연통되는 유입구, 상기 흡입 분리 장치와 연통되는 증기 유출구, 및 상기 인터스테이지 분리 장치와 연통되는 액체 유출구를 갖는 리턴 분리 장치(return separation device)를 더 포함하여,
    상기 제 1 스테이지 압축기의 흡입 유입구는 상기 제 1 스테이지 압축기의 동력 요건을 감소시키도록 감소된 증기 몰 유량을 수용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 인터스테이지 분리 장치와 상기 리턴 분리 장치의 액체 유출구 사이의 회로에 펌프를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 리턴 분리 장치 및 상기 인터스테이지 분리 장치는 드럼인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    리턴 드럼 및 인터스테이지 드럼이 단일 드럼으로 조합되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치 및 상기 인터스테이지 분리 장치는 드럼인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 팽창 장치는 팽창 밸브인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  32. 혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템에 있어서,
    a) 웜 엔드(warm end) 및 콜드 엔드(cold end)를 포함하는 열 교환기로서, 상기 웜 엔드는 가스의 피드(feed)를 수용하도록 구성되는 피드 가스 유입구를 갖고, 상기 콜드 엔드는 생성물이 상기 열 교환기를 빠져나가기 위한 생성물 유출구를 가지며, 상기 열 교환기는 상기 피드 가스 유입구와 상기 생성물 유출구 사이에서 연장되는 냉각 통로와, 예냉 액체 통로와, 상기 냉각 통로와 역류(countercurrent) 열 교환하도록 구성된 예냉 냉각 통로와, 고압 증기 통로와, 고압 액체 통로와, 상기 냉각 통로와 역류 열 교환하도록 구성되고 상기 예냉 냉각 통로와 독립적인 주 냉각 통로를 더 포함하는, 상기 열 교환기와,
    b) 증기 유출구를 갖는 흡입 분리 장치와,
    c) 상기 흡입 분리 장치의 증기 유출구와 유체 연통되는 흡입 유입구, 및 유출구를 갖는 제 1 스테이지 압축기와,
    d) 상기 제 1 스테이지 압축기의 유출구와 유체 연통되는 유입구, 및 유출구를 갖는 제 1 스테이지 후-냉각기와,
    e) 상기 제 1 스테이지 후-냉각기의 유출구와 유체 연통되는 유입구와, 증기 유출구와, 상기 열 교환기의 예냉 액체 통로와 유체 연통되는 액체 유출구를 갖는 인터스테이지 분리 장치와,
    f) 상기 열 교환기의 예냉 액체 통로와 유체 연통되는 유입구와, 상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 연통되는 유출구를 갖는 제 1 팽창 장치와,
    g) 상기 인터스테이지 분리 장치의 증기 유출구와 유체 연통되는 흡입 유입구, 및 유출구를 갖는 최종 스테이지 압축기와,
    h) 상기 최종 스테이지 압축기의 유출구와 유체 연통되는 유입구, 및 유출구를 갖는 최종 스테이지 후-냉각기와,
    i) 상기 최종 스테이지 후-냉각기의 유출구와 유체 연통되는 유입구와, 상기 열 교환기의 고압 증기 통로와 유체 연통되는 증기 유출구와, 상기 열 교환기의 고압 액체 통로와 유체 연통되는 액체 유출구를 갖는 축압기 분리 장치(accumulator separation device)와,
    j) 상기 열 교환기의 고압 증기 통로와 유체 연통되는 유입구와, 상기 열 교환기의 주 냉각 통로와 유체 연통되는 유출구를 갖는 제 2 팽창 장치와,
    k) 상기 열 교환기의 고압 액체 통로와 유체 연통되는 유입구와, 상기 열 교환기의 주 냉각 통로와 유체 연통되는 유출구를 갖는 제 3 팽창 장치를 포함하며,
    l) 상기 예냉 냉각 통로는 예냉 냉각 통로의 유출구를 통하여 상기 예냉 냉각 통로를 빠져나가는 혼합상 스트림을 생성하도록 구성되고, 상기 주 냉각 통로는 주 냉각 통로의 유출구를 통하여 상기 주 냉각 통로를 빠져나가는 과열 증기 스트림을 생성하도록 구성되며,
    m) 상기 흡입 분리 장치는 상기 열 교환기의 주 냉각 통로의 유출구 및 상기 예냉 냉각 통로의 유출구와 또한 유체 연통되고, 상기 제 1 스테이지 압축기의 동력 소모를 감소시키기 위해 상기 혼합상 스트림 및 상기 과열 증기 스트림은 상기 제 1 스테이지 압축기의 흡입 유입구 이전에 결합되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 예냉 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드를 통과하고 상기 콜드 엔드는 통과하지 않으며, 상기 주 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드 및 콜드 엔드를 통과하며, 상기 인터스테이지 분리 장치는 중유분의 냉매를 함유한 액체 스트림을 생성하도록 구성되어, 상기 가스의 냉각 곡선의 웜 엔드 및 상기 냉매에 대한 냉각 곡선의 웜 엔드는 혼합상 스트림을 생성하는 상기 예냉 냉각 통로 및 증기 스트림을 생성하는 상기 주 냉각 통로에 의해 함께 보다 밀접하게 움직이는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치는 상기 열 교환기의 주 냉각 통로와 연통되는 증기 유입구와, 상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 연통되는 혼합상 유입구를 특징으로 함으로써, 상기 주 냉각 통로로부터의 증기 스트림과 상기 예냉 냉각 통로로부터의 혼합상 스트림이 흡입 분리 장치에서 조합 및 평형화되어, 냉각된 증기 스트림을 상기 제 1 스테이지 압축기의 흡입 유입구에 제공하여 상기 제 1 스테이지 압축기의 동력 소모를 감소시키는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 냉각된 증기 스트림은 열 전달 및 질량 전달에 의해 제공되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치는 액체 유출구를 특징으로 하고,
    상기 혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템은 상기 흡입 분리 장치의 액체 유출구와 연통하는 유입구 및 상기 인터스테이지 분리 장치와 유체 연통하는 유출구를 갖는 펌프를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 냉각 통로 및 주 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드 및 콜드 엔드를 통과하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 예냉 액체 통로 및 상기 예냉 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드를 통과하지만, 상기 열 교환기의 콜드 엔드는 통과하지 않는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  39. 제 32 항에 있어서,
    상기 예냉 액체 통로 및 상기 예냉 냉각 통로는 상기 열 교환기의 웜 엔드를 통과하지만, 상기 열 교환기의 콜드 엔드는 통과하지 않는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  40. 제 32 항에 있어서,
    상기 가스는 천연 가스인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 생성물은 액화 천연 가스인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  42. 제 32 항에 있어서,
    상기 생성물은 액화 가스인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  43. 제 32 항에 있어서,
    상기 가스의 피드를 수용 및 냉각시키도록 구성되고, 상기 열 교환기의 가스 피드 유입구로 냉각된 가스를 지향시키도록 구성되는 제 1 예냉 시스템을 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 예냉 시스템은 단일 성분 냉매를 예냉 시스템 냉매로 이용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 단일 성분 냉매가 프로판인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  46. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 예냉 시스템은 제 2 혼합 냉매를 예냉 시스템 냉매로 이용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  47. 제 43 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지 압축기의 유출구와 상기 인터스테이지 분리 장치의 유입구 사이의 회로에 제 2 예냉 시스템을 더 포함하고,
    상기 최종 스테이지 후-냉각기의 유출구와 상기 축압기 분리 장치의 유입구 사이의 회로에 제 3 예냉 시스템을 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 및 제 3 예냉 시스템이 단일 예냉 시스템 내에 포함되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  49. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지 압축기의 유출구와 상기 인터스테이지 분리 장치의 유입구 사이의 회로에 예냉 시스템을 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  50. 제 32 항에 있어서,
    상기 최종 스테이지 후-냉각기의 유출구와 상기 축압기 분리 장치의 유입구 사이의 회로에 예냉 시스템을 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  51. 제 32 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치는 유입구를 특징으로 하고,
    상기 혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템은 혼합 장치를 더 포함하며,
    상기 혼합 장치는 상기 열 교환기의 주 냉각 통로와 유체 연통되는 증기 유입구와, 상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 연통하는 혼합상 유입구를 구비함으로써, 상기 주 냉각 통로로부터의 증기 스트림과 상기 예냉 냉각 통로로부터의 혼합상 스트림이 상기 혼합 장치에서 조합 및 혼합되며, 상기 혼합 장치는, 조합 및 혼합된 스트림이 상기 흡입 분리 장치에 제공되도록 상기 흡입 분리 장치의 유입구와 연통되는 유출구를 더 구비하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 혼합 장치가 정적 믹서를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  53. 제 51 항에 있어서,
    상기 혼합 장치가 파이프 세그먼트를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  54. 제 51 항에 있어서,
    상기 혼합 장치는 상기 열 교환기의 헤더를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  55. 제 32 항에 있어서,
    상기 열 교환기의 예냉 냉각 통로와 유체 연통되는 유입구, 상기 흡입 분리 장치와 연통되는 증기 유출구, 및 상기 인터스테이지 분리 장치와 연통하는 액체 유출구를 갖는 리턴 분리 장치를 더 포함하여,
    상기 제 1 스테이지 압축기의 흡입 유입구는 상기 제 1 스테이지 압축기의 동력 요건을 감소시키도록 감소된 증기 몰 유량을 수용하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 인터스테이지 분리 장치와 상기 리턴 분리 장치의 액체 유출구 사이의 회로에 펌프를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  57. 제 55 항에 있어서,
    상기 리턴 분리 장치 및 상기 인터스테이지 분리 장치는 드럼인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  58. 제 57 항에 있어서,
    리턴 드럼 및 인터스테이지 드럼이 단일 드럼으로 조합되는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  59. 제 32 항에 있어서,
    상기 흡입 분리 장치, 상기 인터스테이지 분리 장치 및 상기 축압기 분리 장치가 드럼인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  60. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 및 제 3 팽창 장치가 팽창 밸브인
    혼합 냉매로 가스를 냉각하기 위한 시스템.
  61. 웜 엔드(warm end) 및 콜드 엔드(cold end)를 갖는 열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법에 있어서,
    a) 제 1 및 최종 압축 및 냉각 사이클을 이용하여 혼합 냉매를 압축 및 냉각시키는 단계와,
    b) 고압 액체 스트림 및 고압 증기 스트림이 형성되도록, 상기 제 1 및 최종 압축 및 냉각 사이클 이후 상기 혼합 냉매를 평형화 및 분리하는 단계와,
    c) 주 냉각 스트림이 상기 열 교환기에 제공되도록, 상기 고압 액체 스트림 및 고압 증기 스트림을 냉각 및 팽창시키는 단계와,
    d) 예냉 액체 스트림이 형성되도록, 제 1 압축 및 냉각 사이클과 최종 압축 및 냉각 사이클 사이에서 상기 혼합 냉매를 평형화 및 분리하는 단계와,
    e) 상기 예냉 액체 스트림이 냉각되도록, 상기 주 냉각 스트림과의 역류 열 교환 상태로 상기 열 교환기를 통해 상기 예냉 액체 스트림을 통과시키는 단계와,
    f) 예냉 냉각 스트림이 형성되도록, 냉각된 예냉 액체 스트림을 팽창시키는 단계와,
    g) 상기 열 교환기를 통해 상기 예냉 냉각 스트림을 통과시키는 단계와,
    h) 상기 주 냉각 스트림 및 상기 예냉 냉각 스트림과의 역류 열 교환 상태로 상기 열 교환기를 통해 상기 가스의 스트림을 통과시켜서, 상기 가스가 냉각되고 상기 예냉 냉각 스트림으로부터 혼합상 스트림이 생성되며, 상기 주 냉각 스트림으로부터 과열 증기 스트림이 생성되는 단계와,
    i) 제 1 압축 및 냉각 사이클 압축기의 동력 소모를 감소시키기 위해 하강한 온도의 증기 스트림이 상기 제 1 압축 및 냉각 사이클 압축기에 제공되도록 상기 과열 증기 스트림 및 상기 혼합상 스트림을 상기 제 1 압축 및 냉각 사이클 이전에 결합하는 단계를 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 단계 h)의 결과로, 상기 주 냉각 스트림이 증기 스트림을 제공하고, 상기 예냉 냉각 스트림이 2-상 스트림을 제공하며,
    상기 방법은,
    i) 온도 감소 증기 스트림이 제 1 압축 및 냉각 사이클 압축기에 제공되어 상기 제 1 압축 및 냉각 사이클 압축기의 온도를 낮추도록, 상기 제 1 압축 및 냉각 사이클 이전에 상기 증기 스트림 및 상기 2-상 스트림을 혼합하는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  63. 제 62 항에 있어서,
    j) 온도 감소 증기 스트림 및 냉각 액체 스트림이 생성되도록, 상기 증기 스트림 및 상기 2-상 스트림을 평형화 및 분리하는 단계와,
    k) 상기 최종 압축 및 냉각 사이클 이전에 상기 냉각 액체 스트림이 상기 혼합 냉매와 재결합하도록 상기 냉각 액체 스트림을 펌핑하는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  64. 제 61 항에 있어서,
    i) 리턴 증기 스트림 및 리턴 액체 스트림이 생성되도록, 상기 혼합상 스트림을 평형화 및 분리하는 단계와,
    j) 조합된 스트림이 생성되어 상기 제 1 압축 및 냉각 사이클로 지향되도록, 상기 리턴 증기 스트림 및 상기 주 냉각 스트림으로부터의 증기 스트림을 평형화 및 분리하는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 최종 압축 및 냉각 사이클 이전에 상기 리턴 액체 스트림이 상기 혼합 냉매와 재결합하도록 상기 리턴 액체 스트림을 펌핑하는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  66. 제 61 항에 있어서,
    상기 단계 c)는, 상기 고압 증기 스트림 및 고압 액체 스트림이 냉각되도록, 상기 주 냉각 스트림 및 상기 예냉 냉각 스트림과의 역류 열 교환 상태로 상기 열 교환기를 통해 상기 고압 증기 스트림 및 고압 액체 스트림을 통과시키는 단계를 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  67. 제 61 항에 있어서,
    상기 가스는 천연 가스인
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  68. 제 61 항에 있어서,
    상기 제 1 및 최종 압축 및 냉각 사이클의 압축 및 냉각과 그 일부분이 압축기 및 열 교환기에 의해 달성되는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  69. 제 61 항에 있어서,
    상기 가스 스트림 및 상기 주 냉각 스트림은 상기 열 교환기의 웜 엔드 및 콜드 엔드 양자 모두를 통과하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 예냉 냉각 스트림은 상기 열 교환기의 웜 엔드를 통과하지만, 상기 열 교환기의 콜드 엔드는 통과하지 않는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  71. 제 61 항에 있어서,
    상기 단계 c) 및 상기 단계 f)의 팽창은 팽창 장치에 의해 달성되는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  72. 제 71 항에 있어서,
    상기 팽창 장치는 팽창 밸브인
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  73. 제 61 항에 있어서,
    상기 가스가 상기 단계 h)에서 또한 액화되는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  74. 제 61 항에 있어서,
    예냉된 가스의 스트림을 상기 열 교환기를 통해 통과시키기 전에 상기 가스를 예냉하는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  75. 제 61 항에 있어서,
    상기 제 1 압축 및 냉각 사이클 이후에 상기 혼합 냉매를 예냉하는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  76. 제 61 항에 있어서,
    상기 최종 압축 및 냉각 사이클 이후에 상기 혼합 냉매를 예냉하는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  77. 제 61 항에 있어서,
    단계 h)로부터의 냉각된 가스를 하류의 혼합 냉매 시스템에서 더 냉각시키는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  78. 제 61 항에 있어서,
    단계 h)로부터의 냉각된 가스를 하류의 혼합 냉매 시스템에서 액화시키는 단계를 더 포함하는
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  79. 제 61 항에 있어서,
    상기 가스는 혼합 냉매인
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
  80. 제 61 항에 있어서,
    상기 가스는 단일 성분 냉매인
    열 교환기에서 가스를 냉각시키는 방법.
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