KR101894076B1 - 천연가스의 액화 시스템 및 액화 방법 - Google Patents

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고이치로 사카이
티모시 쯔엉
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
치요다가코겐세츠가부시키가이샤
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    • F25J2220/68—Separating water or hydrates
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    • F25J2230/08—Cold compressor, i.e. suction of the gas at cryogenic temperature and generally without afterstage-cooler
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/20—Integrated compressor and process expander; Gear box arrangement; Multiple compressors on a common shaft
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    • F25J2230/22—Compressor driver arrangement, e.g. power supply by motor, gas or steam turbine
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    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/60—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being (a mixture of) hydrocarbons
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel
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    • F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/12—External refrigeration with liquid vaporising loop
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/18—External refrigeration with incorporated cascade loop
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/60—Closed external refrigeration cycle with single component refrigerant [SCR], e.g. C1-, C2- or C3-hydrocarbons
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/66—Closed external refrigeration cycle with multi component refrigerant [MCR], e.g. mixture of hydrocarbons

Abstract

[과제] 원료 가스의 팽창에 의해 팽창기에서 발생한 동력을 이용하여 압축기의 토출압을 증대시킴과 아울러, 냉각기에 요구되는 냉각능을 저감한다. [해결수단] 천연가스의 액화 시스템(1)이, 가압 상태에서 얻어진 천연가스를 원료 가스로 하여 팽창시킴으로써 동력을 발생시키는 제1 팽창기(3)와, 제1 팽창기에서의 팽창에 의해 감압된 원료 가스를 냉각하는 제1 냉각기(11, 12)와, 제1 냉각기에 의해 냉각된 원료 가스를 증류함으로써, 원료 가스 중의 중질분을 저감 또는 제거하는 증류 장치(15)와, 제1 팽창기에서 발생한 동력을 이용함으로써, 증류 장치에서 중질분이 저감 또는 제거된 원료 가스를 압축하는 제1 압축기(4)와, 제1 압축기에 의해 압축된 원료 가스를 냉매와의 열교환에 의해 액화하는 액화 장치(21)를 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

천연가스의 액화 시스템 및 액화 방법{Natural gas liquefying system and liquefying method}
본 발명은 천연가스를 냉각하여 액화 천연가스를 생성하는 천연가스의 액화 시스템 및 액화 방법에 관한 것이다.
가스전 등으로부터 채취되는 천연가스는, 액화 기지 등에서 액화됨으로써 LNG(액화 천연가스)로서 저장이나 수송이 행해진다. 약 -162℃까지 냉각된 LNG는 천연가스(기체)에 비해 용적이 대폭으로 저감되고, 또한 고압으로 저장할 필요가 없는 등의 이점이 있다. 일반적으로 천연가스의 액화 처리에서는, 원료 가스에 포함되는 수분, 산성 가스 성분 및 수은 등의 불순물이 미리 제거되고, 더욱이 비교적 응고점이 높은 중질분(벤젠, 펜탄 이상의 C5+ 탄화 수소 등)이 제거된 후 원료 가스가 액화된다.
종래 천연가스를 액화하는 수단으로서 팽창 밸브 또는 터빈에 의한 팽창이나, 저비점의 냉매(메탄, 에탄 및 프로판 등의 경질 탄화 수소를 포함함)에 의한 열교환 등을 이용한 수많은 기술이 개발되어 있다. 예를 들어, 불순물이 미리 제거된 원료 가스를 냉각하는 냉각기와, 이 냉각기에 의해 냉각된 원료 가스를 등엔트로피 팽창시키는 팽창기와, 이 팽창기에 의해 감압된 원료 가스를 메탄 및 중질분의 임계 압력 이하에서 증류하는 증류 장치와, 팽창기와 공통의 샤프트를 마련함으로써 팽창기에서 발생하는 팽창의 힘을 동력원으로 하여 증류 장치로부터의 유출 가스를 압축하는 압축기와, 압축기에 의해 압축된 유출 가스를 혼합 냉매와의 열교환에 의해 액화하는 액화 장치(주 열교환기)를 구비한 천연가스의 액화 시스템이 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 미국특허 제4065278호 명세서
그런데, 상기 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 종래의 천연가스의 액화 시스템에서는, 액화 장치(주 열교환기)의 부하를 경감하여 액화 처리의 효율을 높이기 위해 압축기의 토출압을 보다 높이는(즉, 액화 장치에 도입되는 원료 가스의 압력을 높이는) 것이 바람직하다.
한편, 압축기의 토출압을 높이려면 보다 큰 동력이 필요한데, 상기 종래 기술에서는 냉각기에 의해 냉각된 원료 가스를 팽창기에서 팽창시키는 구성이기 때문에, 팽창기에서 발생하는 동력은 비교적 작고, 그 동력을 이용하여 압축기의 토출압을 높이는 것은 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 종래 기술에서는 원료 가스를 팽창기에서 팽창시키기 전에 냉각기에 의한 냉각을 실시하기 때문에, 냉각기에 요구되는 냉각능은 비교적 커져 냉각용 설비 비용이나 운전 비용이 높아지는 문제도 있다.
더욱이 상기 종래 기술에서는 냉각기에 의한 원료 가스의 냉각에 의해 원료 가스 중에 응축 성분이 발생하기 때문에, 냉각기로부터의 원료 가스를 팽창기에 도입하기 전에 원료 가스 중의 응축 성분을 분리(제거)하기 위한 기액 분리조(gas-liquid separation vassel)를 마련할 필요가 있을 수 있다. 게다가 압축기로부터의 원료 가스의 온도가 상승하기 때문에, 액화 장치의 중간부 입구 온도와 냉매의 온도차가 커져 냉각기에 요구되는 냉각능을 증가시키게 된다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 원료 가스의 팽창에 의해 팽창기에서 발생한 동력을 이용하여 압축기의 토출압을 증대시킴과 아울러, 냉각기에 요구되는 냉각능을 저감하는 것을 가능하게 하는 천연가스의 액화 시스템 및 액화 방법을 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명의 제1 측면에서는, 천연가스를 냉각하여 액화 천연가스를 생성하는 천연가스의 액화 시스템(1)으로서, 가압 상태에서 얻어진 천연가스를 원료 가스로 하여 팽창시킴으로써 동력을 발생시키는 제1 팽창기(3)와, 상기 제1 팽창기에서의 팽창에 의해 감압된 상기 원료 가스를 냉각하는 제1 냉각기(11, 12)와, 상기 제1 냉각기에 의해 냉각된 상기 원료 가스를 증류함으로써, 상기 원료 가스 중의 중질분을 저감 또는 제거하는 증류 장치(15)와, 상기 제1 팽창기에서 발생한 동력을 이용함으로써, 상기 증류 장치에서 상기 중질분이 저감 또는 제거된 상기 원료 가스를 압축하는 제1 압축기(4)와, 상기 제1 압축기로 도입된 원료 가스와 상기 제1 압축기에 의해 압축된 원료 가스의 열교환을 위한 제2 열교환기와, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 상기 원료 가스를 냉매와의 열교환에 의해 액화하는 액화 장치(21)를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 제1 측면에 의한 천연가스의 액화 시스템에서는, 제1 냉각기에 의해 냉각되기 전의 원료 가스의 팽창에 의해 제1 팽창기에서 발생한 동력을 이용하여 제1 압축기의 토출압을 증대시킴과 아울러, 제1 냉각기에 요구되는 냉각능을 저감하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제2 측면에서는, 상기 증류 장치에 도입되는 상기 원료 가스와 상기 증류 장치로부터의 탑정 유출물(塔頂留出物)간의 열교환을 행하는 열교환기(69)를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
이 제2 측면에 의한 천연가스의 액화 시스템에서는, 액화 장치에 도입되는 원료 가스의 온도 레벨이 적정 범위보다 낮아질 수 있는 경우에도, 증류 장치에 도입되는 원료 가스와의 열교환에 의해 증류 장치로부터의 탑정 유출물의 온도를 높임으로써 원료 가스의 온도를 액화 장치에서의 도입 위치의 온도에 가깝게 할 수 있다.
본 발명의 제3 측면에서는, 상기 제1 압축기에 도입되는 상기 원료 가스와 상기 제1 압축기에서 압축된 후의 상기 원료 가스간의 열교환을 행하는 제2 열교환기(79)를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
이 제3 측면에 의한 천연가스의 액화 시스템에서는, 제1 압축기에 의한 압축 후에 액화 장치에 도입되는 원료 가스의 온도 레벨이 적정 범위보다 높아질 수 있는 경우에도, 제1 압축기에 도입되는 원료 가스와의 열교환에 의해 제1 압축기로부터의 원료 가스를 냉각함으로써, 원료 가스의 온도를 액화 장치에서의 도입 위치의 온도에 가깝게 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 천연가스의 액화 시스템에서 원료 가스의 팽창에 의해 팽창기에서 발생한 동력을 이용하여 압축기의 토출압을 증대시킴과 아울러, 냉각기에 요구되는 냉각능을 저감하는 것이 가능해진다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 2는 제1 실시형태에 대응하는 제1 참고예로서 종래의 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 3은 제1 실시형태에 대응하는 제2 참고예로서 종래의 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 4는 제1 실시형태의 제1 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 5는 제1 실시형태의 제2 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 6은 제1 실시형태의 제3 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 7은 제1 실시형태의 제4 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 8은 제2 실시형태에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 9는 제2 실시형태의 제1 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
도 10은 제1 실시형태의 제5 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도이다. 또한, 나중에 나타내는 표 1은 제1 실시형태에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리에 관련된 시뮬레이션 결과(표 2~표 12에 대해서도 동일)이다. 표 1에는, 제1 실시형태에 관한 액화 시스템(1)에서 액화 처리되는 천연가스(이하, 원료 가스라고 함)의 온도, 압력, 유량 및 각 성분의 몰 분율 등의 일례를 나타낸다. 표 1에서 (i)-(ix) 란은, 도 1 중에 각각 동일한 번호 (i)-(ix)가 부여된 액화 시스템(1)의 각 위치에서의 수치를 나타내고 있다.
본 실시형태에서는, 원료 가스로서 약 80~98mol%의 메탄을 포함하는 천연가스가 이용된다. 또한, 원료 가스에는 중출분으로서 0.1mol% 이상의 C5+ 탄화 수소 및 1ppm mol 이상의 BTX(벤젠, 톨루엔, 크실렌) 중 적어도 한쪽이 포함되어 있다. 원료 가스에서 메탄 이외의 성분의 상세는 표 1((i)란)에 나타내는 바와 같다. 또, 본 명세서에서의 용어 「원료 가스」는 엄밀하게 기체 상태에 있는 것을 의미하는 것은 아니고, 액화 시스템(1)에서 액화 처리되는 대상(처리 도중을 포함함)을 가리키는 것이다.
액화 시스템(1)에서는, 원료 가스가 라인(L1)을 통해 수분 제거 장치(2)에 공급되고, 여기서 빙결 등에 의한 트러블을 방지하기 위해 원료 가스 중의 수분이 제거된다. 여기서, 수분 제거 장치(2)에 공급되는 원료 가스는 약 20℃의 온도, 약 5,830kPaA의 압력, 약 720,000kg/hr의 유량이다. 수분 제거 장치(2)는, 흡습제(몰레큘러 시브 등)가 충전된 탈수탑으로 이루어지고, 원료 가스 중의 수분을 바람직하게는 0.1ppm mol 미만으로 하도록 탈수 처리한다. 또, 수분 제거 장치(2)로서는 원료 가스 중의 수분을 원하는 비율 이하로 제거 가능하면 다른 공지의 장치를 채용해도 된다.
여기서는 상세한 설명을 생략하지만, 액화 시스템(1)에는 수분 제거 장치(2)의 전 공정으로서 천연가스 컨덴세이트를 분리하는 분리 설비, 탄산 가스나 황화 수소 등의 산성 가스 성분을 제거하는 산성 가스 제거 설비, 수은을 제거하는 수은 제거 설비 등의 공지의 설비를 마련하는 것이 가능하다. 수분 제거 장치(2)에는, 통상적으로, 이들 각 설비에 의해 불순물이 제거된 원료 가스가 공급된다. 수분 제거 장치(2)에 공급되는 원료 가스는, 바람직하게는 50ppm mol 미만의 이산화탄소(CO2), 4ppm mol 미만의 황화 수소(H2S), 20mg/N㎥ 미만의 유황분, 10ng/N㎥ 미만의 수은이 되도록 전처리된다.
또, 원료 가스의 공급원은 특별히 한정되는 것은 아니고, 액화 시스템(1)에서는 예를 들어 셰일 가스, 타이트 샌드 가스, 콜 베드 메탄 등에서 채취한 가압 상태에서 얻어진 가스를 원료 가스로서 이용할 수 있다. 또한, 액화 시스템(1)에의 원료 가스의 공급 방법으로서는 가스전 등으로부터의 배관을 통한 공급뿐만 아니라 저장 탱크 등에 일단 저장된 가스를 공급해도 된다.
수분 제거 장치(2)에서 수분이 제거된 원료 가스는 라인(L2)을 통해 제1 팽창기(3)에 보내진다. 제1 팽창기(3)는, 유동하는 원료 가스를 등엔트로피적으로 팽창시킴으로써, 원료 가스의 압력을 저감하여 팽창의 힘에 기초한 동력(혹은 에너지)을 취출하기 위한 터빈 장치로 이루어진다. 이 제1 팽창기(3)에 의한 팽창 공정(제1 팽창 공정)에서, 원료 가스의 압력 및 온도는 저하된다. 제1 팽창기(3)는 나중에 상세히 서술하는 제1 압축기(4)와 동축의 샤프트(5)를 가지고 있고, 이에 의해 제1 팽창기(3)에서 발생하는 동력을 제1 압축기(4)의 동력으로서 이용하는 것이 가능하게 되어 있다. 또, 제1 팽창기(3)의 회전수가 제1 압축기(4)의 회전수보다 낮은 경우에는, 제1 팽창기(3)와 제1 압축기(4)의 사이에 증속기 등을 마련할 수 있다. 제1 팽창기(3)로부터 배출된 원료 가스의 온도는 약 8.3℃까지 저하되고, 압력은 약 4,850kPaA까지 저하된다. 통상 제1 팽창기(3)로부터 배출된 원료 가스의 압력은 3,000kPaA-5,500kPaA(30bara-55bara)의 범위에 있고, 보다 바람직하게는 3,500kPaA-5,000kPaA(35bara-50bara)의 범위에 있다.
제1 팽창기(3)로부터의 원료 가스는 라인(L3)을 통해 냉각기(11)에 보내진다. 냉각기(11)의 하류 측에는 냉각기(12)가 접속되어 냉각기군(제1 냉각기)이 구성되어 있다. 원료 가스는, 제1 냉각기(11, 12)에서의 냉매와의 열교환(제1 냉각 공정)에 의해 순차적으로 냉각된다. 통상 제1 냉각기(11, 12)에 의해 냉각된 원료 가스의 온도는 -20℃--50℃의 온도 범위에 있고, 보다 바람직하게는 -25℃--35℃의 온도 범위에 있다. 또, 액화 시스템(1)에 도입되는 원료 가스가 비교적 고압(예를 들어, 100bara 이상)인 경우에는, 제1 팽창기(3)에서의 원료 가스의 출구 온도가 비교적 저온(예를 들어, -30℃ 정도)이 되기 때문에, 제1 냉각기(11, 12)를 생략 한 구성도 가능하다. 또한, 이러한 증류 장치(15)의 상류 측에서 냉각기의 생략은 후술하는 도 5 내지 7 등에 도시된 구성에서도 마찬가지로 적용 가능하다.
본 실시형태에서는, C3-MR(C3-MR: Propane(C3) pre-cooled Mixed Refrigerant) 방식을 채용하고 있고, 제1 냉각기(11, 12)에서 프로판을 냉매로 하여 원료 가스를 예냉함과 아울러, 나중에 상세히 서술하는 혼합 냉매를 이용한 냉동 사이클로 원료 가스의 액화 및 극저온까지의 과냉각을 행한다. 제1 냉각기(11, 12)에는 각각 중압(MP) 및 저압(LP)의 프로판 냉매(C3R)가 이용되고, 원료 가스는 이들 제1 냉각기(11, 12)에서 단계적(여기서는, 2단계)으로 냉각된다. 도시는 생략되어 있지만, 제1 냉각기(11, 12)는 프로판 냉매용 압축기나 응축기 등을 구비한 공지의 냉동 사이클의 일부를 구성한다.
또, 액화 시스템(1)에서는 C3-MR 방식에 한정하지 않고, 비점이 다른 복수의 냉매(메탄, 에탄, 프로판 등)에 의해 개별적인 냉동 사이클을 구성하는 캐스케이드 방식, 에탄 및 프로판 등의 혼합 냉매를 예냉 프로세스에 사용하는 DMR(Double Mixed Refrigerant) 방식과 예냉, 액화 및 과냉각의 각 사이클에 대해 다른 계열의 혼합 냉매를 이용하여 단계적으로 열교환을 행하는 MFC(Mixed Fluid Cascade) 방식 등 다른 공지의 방식을 채용할 수 있다.
냉각기(12)로부터의 원료 가스는 라인(L4)을 통해 증류 장치(15)에 보내진다. 이 때, 원료 가스의 압력은 제1 팽창기(3)에서의 팽창 등에 의해 메탄 및 중질 분의 임계 압력 이하가 되도록 하면 좋다. 증류 장치(15)는, 내부에 복수의 선반단을 구비한 증류탑으로 이루어지고, 원료 가스에 포함되는 중질분을 제거한다(증류 공정). 중질분을 포함하는 액체는, 증류 장치(15)의 탑 바닥에 접속된 라인(L5)을 통해 배출된다. 라인(L5)으로부터 외부에 배출되는 중질분을 포함하는 액체는, 약 177℃의 온도, 약 20,000kg/hr의 유량이다. 여기서, 「중질분」은 특히 비교적 응고점이 높은 벤젠이나 C5+ 탄화 수소 등의 고비점 성분을 가리키는데, 메탄 이외의 C2+ 탄화 수소 등을 포함할 수 있다. 또한, 라인(L5)에는 리보일러(16)를 구비한 순환부가 마련되어 있고, 이에 의해 증류 장치(15)의 탑 바닥으로부터 배출되는 액체의 일부는 외부로부터 리보일러(16)에 공급되는 증기(혹은 오일)와의 열교환에 의해 가열된 후에 다시 증류 장치(15)로 순환한다.
한편, 증류 장치(15)에서는, 저비점 성분인 메탄을 주성분으로 하는 원료 가스(경질분)가 탑정 유출물로서 분리되고, 이 원료 가스는 라인(L6))을 통해 액화 장치(21) 내에 일단 도입되고 관 회로(22a, 22b)에서 냉각된다. 여기서, 라인(L6))에 송출되는 원료 가스는 약 -45.6℃의 온도, 약 4,700kPaA의 압력이다. 또한, 증류 장치(15)에 의해 중질분이 제거된 원료 가스는 0.1mol% 미만의 C5+, 1ppm mol 미만의 BTX(벤젠, 톨루엔, 크실렌)가 된다. 원료 가스는 관 회로(22a, 22b)를 흐름으로써 약 -65.2℃의 온도까지 냉각되고, 그 후 액화 장치(21)로부터 라인(L7)을 통해 제1 기액 분리조(23)에 보내진다.
나중에 상세히 서술하지만, 액화 시스템(1)의 주 열교환기를 이루는 액화 장치(21)는, 원료 가스 및 냉매를 흘려보내는 전열관(관속; 管束)이 코일 형상으로 감긴 상태로 셸에 포함된 스풀 감김(Spool Wound)형 열교환기로 이루어진다. 액화 장치(21) 내에는, 혼합 냉매가 도입되는 하부(바닥부)에 위치하고 가장 온도(여기서는 온도 영역)가 높은 난온 영역(Z1)과, 중간부에 위치하고 난온 영역(Z1)보다 온도가 낮은 중간 영역(Z2)과, 액화된 원료 가스가 배출되는 상부에 위치하고 가장 온도가 낮은 냉온 영역(Z3)이 마련되어 있다. 또한, 제1 실시형태에서는, 난온 영역(Z1)은 고온측 난온 영역(Z1a)과 저온측 난온 영역(Z1b)으로 구성된다. 관 회로(22a, 22b)는, 나중에 상세히 서술하는 혼합 냉매가 흐르는 관 회로(42a, 42b) 및 관 회로(51a, 51b)와 함께 난온 영역(Z1a, Z1b)에 각각 배치된 관속을 구성한다. 또, 본 실시형태에서는, 고온측 난온 영역(Z1a)은 냉각되는 원료 가스의 상류(입구) 측에서 약 -35℃, 원료 가스의 하류(출구) 측에서 약 -50℃가 되고, 저온측 난온 영역(Z1b)은 원료 가스의 상류 측에서 약 -50℃, 원료 가스의 하류 측에서 약 -65℃가 되고, 중간 영역(Z2)은 원료 가스의 상류 측에서 약 -65℃, 원료 가스의 하류 측에서 약 -135℃가 되고, 냉온 영역(Z3)은 원료 가스의 상류 측에서 약 -135℃, 원료 가스의 하류 측에서 약 -155℃가 되도록 각각 설정된다. 단, 각 영역에서의 상류측 및 하류측 온도는 반드시 여기에 나타낸 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 각 온도의 값은 소정의 범위(예를 들어, ±5℃ 정도의 범위)에서 변동할 수 있다.
제1 기액 분리조(23)는, 원료 가스 중의 액상 성분(응축 성분)을 분리하고, 그 액상 성분을 구성하는 탄화 수소 등의 액체를 라인(L8)에 마련된 환류 펌프(24)에 의해 다시 증류 장치(15)로 순환한다. 한편, 제1 기액 분리조(23)에서 기상 성분을 구성하는 메탄을 주성분으로 하는 원료 가스는 라인(L9)을 통해 제1 압축기(4)에 보내진다. 여기서, 라인(L8)에 송출되는 원료 가스는 약 83,500kg/hr의 유량이고, 라인(L6))에 송출되는 원료 가스는 약 780,000kg/hr의 유량이다. 제1 기액 분리조(23)에 대해서는 후술하는 혼합 냉매나 에틸렌 냉매를 이용하여 냉각 가능하다.
제1 압축기(4)는, 가스를 압축하는 날개 바퀴를 제1 팽창기(3)와 동축의 샤프트(5)에 장착한 일단형 원심 압축기이다. 제1 압축기(4)에 의한 압축 공정(제1 압축 공정)에 의해 압축된 원료 가스는 라인(L10))을 통해 액화 장치(21)에 도입된다. 제1 압축기(4)로부터 라인(L10))에 송출되는 원료 가스는 약 -51℃의 온도, 약 5,500kPaA의 압력이다. 액화 장치(21)에 도입되는 원료 가스는, 제1 압축기(4)에 의해 적어도 5,171kPaA를 넘는 압력까지 압축되는 것이 바람직하다.
라인(L10))은 액화 장치(21) 내의 난온 영역(Z1b)에 배치된 관 회로(30)에 접속되고, 더욱이 이 관 회로(30)의 상단측은 중간 영역(Z2)에 배치된 관 회로(31) 및 냉온 영역(Z3)에 배치된 관 회로(32)에 차례대로 접속되어 있다. 원료 가스는 이들 관 회로(31) 및 관 회로(32)를 통과하여 액화 및 과냉각된 후, 라인(L11)에 마련된 팽창 밸브(33)를 통과하여 저장용 LNG 탱크(도시생략)에 보내진다. 액화 장치(21)에 의한 액화 단계에서, 최종적으로 팽창 밸브(33)를 통과한 후의 원료 가스는 약 -162℃의 온도, 약 120kPaA의 압력이다.
액화 장치(21) 안을 흐르는 원료 가스는, 혼합 냉매를 이용한 냉동 사이클을 이용하여 냉각된다. 본 실시형태에서는, 혼합 냉매로서 메탄, 에탄 및 프로판을 포함하는 탄화수소 혼합물에 질소를 더한 것이 이용되지만, 이에 한정하지 않고, 원하는 냉각능을 확보 가능한 한에서 다른 공지의 성분을 이용할 수 있다.
액화 장치(21)에서는, 고압(HP)의 혼합 냉매(MR)가 라인(L12)을 통해 냉매 세퍼레이터(41)에 공급된다. 냉매 세퍼레이터(41)의 액상 성분을 구성하는 혼합 냉매는 라인(L13)을 통해 액화 장치(21)에 도입되고, 그 후 액화 장치(21) 안을 상방으로 향하여 난온 영역(Z1a, Z1b)에 각각 배치된 관 회로(42a, 42b) 및 중간 영역(Z2)에 배치된 관 회로(43)를 차례대로 흐르고, 나아가 라인(L14)에 마련된 팽창 밸브(44)를 통과하여 팽창하고, 그 일부는 플래시 증발한다.
이어서, 팽창 밸브(44)를 통과한 혼합 냉매는, 중간 영역(Z2)의 상부에 배치된 스프레이 헤더(45)로부터 하향으로(즉, 액화 장치(21) 내의 원료 가스의 흐름에 대해 향류가 되도록) 토출된다. 스프레이 헤더(45)로부터 토출되는 혼합 냉매는, 중간 영역(Z2)에 배치된 관 회로(31), 관 회로(43) 및 후술하는 관 회로(52)에 의해 구성되는 중간부 관속과 난온 영역(Z1)에 배치된 관 회로(22a, 22b), 관 회로(30), 관 회로(42a, 42b) 및 후술하는 관 회로(51a, 51b)에 의해 구성되는 하부 관속과 각각 열교환하면서 하방으로 흐른다.
한편, 냉매 세퍼레이터(41)의 기상 성분을 구성하는 혼합 냉매는 라인(L15)을 통해 액화 장치(21)에 도입되고, 그 후 액화 장치(21) 안을 상방으로 향하여 난온 영역(Z1a, Z1b)에 각각 배치된 관 회로(51a, 51b), 중간 영역(Z2)에 배치된 관 회로(52) 및 냉온 영역(Z3)에 배치된 관 회로(53)를 차례대로 흐르고, 나아가 라인(L16)에 마련된 팽창 밸브(54)를 통과하여 팽창하고, 그 일부는 플래시 증발한다.
팽창 밸브(54)를 통과한 혼합 냉매는 메탄의 비점 이하의 온도(여기서는 약 -167℃)까지 냉각되어 있고, 냉온 영역(Z3)의 상부에 배치된 스프레이 헤더(55)로부터 하향으로(즉, 액화 장치(21) 내의 원료 가스의 흐름에 대해 향류가 되도록) 토출된다. 스프레이 헤더(55)로부터 토출되는 혼합 냉매는, 냉온 영역(Z3)에 배치된 관 회로(32) 및 관 회로(53)에 의해 구성되는 상부 관속과 열교환하면서 하방으로 흐르고, 나아가 하방에 위치하는 스프레이 헤더(45)로부터 토출된 혼합 냉매와 서로 혼합된 후, 중간 영역(Z2)에 배치된 관 회로(31), 관 회로(43) 및 관 회로(52)에 의해 구성되는 중간부 관속과 난온 영역(Z1)에 배치된 관 회로(22a, 22b), 관 회로(30), 관 회로(42a, 42b) 및 후술하는 관 회로(51a, 51b)에 의해 구성되는 하부 관속과 각각 열교환하면서 하방으로 흐른다.
스프레이 헤더(45) 및 스프레이 헤더(55)로부터 토출된 혼합 냉매는, 최종적으로 액화 장치(21)의 바닥부에 접속된 라인(L17)을 통해 저압(LP)의 혼합 냉매(MP)의 가스로서 배출된다. 상술한 액화 장치(21)에 마련된 혼합 냉매에 관한 설비(냉매 세퍼레이터(41) 등)는, 여기서는 도시하지 않은 공지의 구성을 가지는 혼합 냉매용 냉동 사이클의 일부를 구성하고, 라인(L17)으로부터의 혼합 냉매는 압축기나 응축기 등을 거쳐 다시 라인(L12)을 통해 냉매 세퍼레이터(41)로 순환된다.
이상과 같이, 액화 시스템(1)에 도입된 원료 가스는 팽창 공정, 냉각 공정, 증류 공정, 압축 공정 및 액화 공정 등을 거쳐 효과적으로 액화 처리된다. 이러한 액화 시스템(1)은, 예를 들어 가스전 등으로부터 채취된 원료 가스로부터 메탄을 주성분으로 하는 액화 천연가스(LNG)를 생성하기 위한 베이스·로드 액화 기지에 적용할 수 있다.
Figure 112016104462514-pat00001
(제1 및 제2 참고예)
도 2 및 도 3의 구성도에는, 각각 본 발명의 제1 실시형태에 대응하는 제1 및 제2 참고예로서 종래의 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타낸다. 도 2 및 도 3에 도시된 액화 시스템(101, 201)에서는, 제1 실시형태에 관한 액화 시스템(1)에 대응하는 구성요소에 대해서는 각각 동일한 부호가 부여되어 있다. 또한, 표 2 및 표 3에는 표 1과 마찬가지로 각각 제1 및 제2 참고예로서의 액화 시스템(101, 201)에서의 원료 가스의 온도, 압력, 유량 및 각 성분의 몰 분율 등의 일례가 나타나 있다. 또, 제2 참고예의 액화 시스템(201)은 상술한 특허문헌 1(미국특허 제4065278호 명세서)의 종래 기술에 기초하여 구성된 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 참고예의 액화 시스템(101)에서는, 상술한 제1 실시형태의 액화 시스템(1)에서의 제1 팽창기(3) 및 제1 압축기(4)는 마련되지 않고, 수분 제거 장치(2)로부터의 원료 가스는 라인(L101)을 통해 냉각기(110)에 보내진다. 냉각기(110)의 하류 측에는 냉각기(11) 및 냉각기(12)가 차례대로 접속되어 냉각기군이 구성되어 있고, 원료 가스는 3대의 냉각기(110, 11, 12)에서의 냉매와의 열교환에 의해 순차적으로 냉각된다. 냉각기(110, 11, 12)에는 각각 고압(HP), 중압(MP) 및 저압(LP)의 프로판 냉매가 이용되고, 원료 가스는 이들 냉각기(110, 11, 12)에서 단계적(여기서는 3단계)으로 냉각된다. 최하류의 냉각기(12)로부터 송출되는 원료 가스는 약 -34.5℃의 온도, 약 5,680kPaA의 압력이다. 이 원료 가스는 라인(L4)에 마련된 팽창 밸브(113)에서의 팽창에 의해 감압된 후, 증류 장치(15)에 도입된다.
또한, 액화 시스템(101)에서는, 제1 기액 분리조(23)에서 기상 성분을 구성하는 메탄을 주성분으로 하는 원료 가스는 라인(L102)을 통해 액화 장치(21) 내의 중간 영역(Z2)에 배치된 관 회로(31)에 도입된다. 여기서, 제1 기액 분리조(23)로부터 라인(L102)에 송출되는 원료 가스는 약 -65.3℃의 온도, 약 4,400kPaA의 압력이다.
Figure 112016104462514-pat00002
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 참고예의 액화 시스템(201)은 제1 참고예의 액화 시스템(101)을 개량한 것으로, 팽창기(3) 및 압축기(4)가 마련되어 있다. 그러나, 액화 시스템(201)에서는, 팽창기(3)는 상술한 제1 실시형태에서의 액화 시스템(1)의 제1 팽창기(3)와는 달리 냉각기군(여기서는 3대의 냉각기(110, 11, 12))의 하류 측에 배치되어 있다. 액화 시스템(201)에서는, 냉각기(12)로부터 송출된 원료 가스는 라인(L202)을 통해 세퍼레이터(213)에 보내져 기액 분리된다. 세퍼레이터(213)에서 기상 성분을 구성하는 원료 가스는 라인(L203)을 통해 팽창기(3)에 보내지고, 팽창기(3)에서 팽창한 후 라인(L204)을 통해 증류 장치(15)에 보내진다. 한편, 세퍼레이터(213)에서 액상 성분을 구성하는 액체는 팽창 밸브(214)가 마련된 라인(L205)에 송출된다. 그 액체는 팽창 밸브(214)에서 팽창한 후, 팽창기(3)로부터의 원료 가스와 함께 라인(L204)을 통해 증류 장치(15)에 보내진다.
액화 시스템(201)에 있어서, 증류 장치(15)보다 하류측의 구성에 대해서는 제1 실시형태의 경우와 거의 마찬가지이지만, 압축기(4)로부터 라인(L10))에 송출된 원료 가스는 약 -54.7℃의 온도, 약 5,120kPaA의 압력이다.
Figure 112016104462514-pat00003
이러한 제1 및 제2 참고예와 상술한 본 발명을 비교하면, 본 발명에 관한 액화 시스템(1)에서는 제1 냉각기(11, 12)보다 상류 측에 제1 팽창기(3)가 배치되어 있기 때문에, 제2 참고예의 액화 시스템(201)과 같이 팽창기(3)가 냉각기(110, 11, 12)의 하류 측에 배치된 경우에 비해 보다 고온·고압의 원료 가스를 팽창시켜 보다 큰 동력을 발생시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 제1 압축기(4)를 보다 효과적으로 구동할(즉, 제1 압축기(4)의 토출 압력을 증대시킬) 수 있고, 액화 장치(21)에 도입하는 원료 가스의 압력이 높아져 액화 장치(21)에서의 액화 처리의 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 액화 시스템(1)에서는 제1 팽창기(3)를 냉각기군(제1 냉각기(11, 12))보다 상류 측에 배치함으로써, 제1 팽창기(3)에서의 팽창에 의해 원료 가스의 온도가 저하되기 때문에, 냉각기군의 냉각능을 저감하는(즉, 제2 참고예에서의 냉각기(110)를 생략하는) 것이 가능해지는 이점도 있다. 더욱이 액화 시스템(1)에서는, 냉각기군과 팽창기(3)의 사이에서 원료 가스 중의 응축 성분을 분리(제거)하기 위한 기액 분리 장치(세퍼레이터(213))를 생략하는 것이 가능하다.
(제1 실시형태의 제1, 제2 및 제3 변형예)
도 4, 도 5 및 도 6은, 각각 본 발명의 제1 실시형태의 제1, 제2 및 제3 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도이다. 또, 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 액화 시스템(1)에서는, 제1 실시형태(다른 변형예를 포함함)에 관한 액화 시스템(1)과 마찬가지의 구성요소에 대해서는 각각 동일한 부호를 부여하고, 이하에서 언급하는 사항을 제외하고 상세한 설명을 생략한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 변형예에 의한 액화 시스템(1)에서는 라인(L4)과 라인(L9)의 사이에 열교환기(69)가 마련되어 있다. 이에 의해, 제1 기액 분리조(23)에서 기상 성분으로서 분리된 라인(L9)을 흐르는 원료 가스는, 냉각기(12)로부터 증류 장치(15)에 도입되는 라인(L4)을 흐르는 원료 가스와의 열교환에 의해 가열된 후에 제1 압축기(4)에 도입된다. 제1 압축기(4)에 의해 압축된 원료 가스는 라인(L10))을 통해 액화 장치(21)에 도입된다. 라인(L10))의 하류 측은, 액화 장치(21)에서 가장 온도가 높은 난온 영역(Z1)에 배치된 관 회로(30)에 접속되어 있다. 관 회로(30)는, 증류 장치(15)의 탑정 유출물이 도입되는 관 회로(22), 혼합 냉매가 흐르는 관 회로(42) 및 관 회로(51)와 함께, 난온 영역(Z1)에 배치된 관속을 구성한다.
이러한 구성에 의해, 제1 변형예에서는 라인(L10))을 통해 액화 장치(21)에 도입되는 원료 가스의 온도 레벨이 적정 범위보다 낮아질 수 있는 경우에도, 열교환기(69)에서의 열교환에 의해 원료 가스의 온도를 적절히 높일 수 있다. 즉, 제1 변형예에서는, 압축 후의 라인(L10))에서의 원료 가스의 온도를 액화 장치(21)에서의 도입 위치(관 회로(30))의 온도에 가깝게 할(바람직하게는 10℃ 이내로 할) 수 있고, 그 결과 액화 장치(21)의 열적 부하를 경감(열 응력의 발생 등을 억제)하는 것이 가능해진다.
또, 제1 변형예에서의 열교환기(69)의 배치(즉, 증류 장치(15)에 도입되는 라인(L4)을 흐르는 원료 가스와의 열교환 대상)에 대해서는, 압축 후의 라인(L10))에서의 원료 가스의 온도를 액화 장치(21)의 도입 위치의 온도에 가깝게 하는 것이 가능한 한에서 여러 가지 변경이 가능하다. 예를 들어, 도 5에 도시된 제2 변형예에 의한 액화 시스템(1)에서는, 라인(L4)과 라인(L10))의 사이에 열교환기(69)가 마련된다. 이에 의해, 제1 압축기(4)에 의해 압축된 라인(L10))을 흐르는 원료 가스는, 라인(L4)을 흐르는 원료 가스와의 열교환에 의해 가열된 후에 액화 장치(21)에 도입된다. 이 제2 변형예의 구성에서는, 열교환기(69)에서 가열된 원료 가스는 제1 압축기(4) 등을 통하지 않고 액화 장치(21)에 도입되기 때문에, 액화 장치(21)에 도입시의 원료 가스의 온도를 제어하기 쉬운 이점이 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 변형예에 의한 액화 시스템(1)에서는 라인(L4)과 라인(L6))의 사이에 열교환기(69)가 마련된다. 이에 의해, 증류 장치(15)로부터 탑정 유출물로서 분리된 라인(L6))을 흐르는 원료 가스는, 라인(L4)을 흐르는 원료 가스와의 열교환에 의해 가열된 후에 액화 장치(21)(관 회로(22)) 내에 도입된다. 이 제3 변형예에서는, 특히 원료 가스로서 표 1에 나타낸 바와 같은 중질분(고급 탄화수소 함유량)이 비교적 적은 천연가스(빈가스)가 이용되고, 증류 후의 라인(L6))을 흐르는 원료 가스의 온도 레벨이 적정 범위보다 낮아질 수 있는 경우에도, 열교환기(69)에서의 열교환에 의해 원료 가스의 온도를 적절히 높일 수 있다.
(제1 실시형태의 제4 변형예)
도 7은, 본 발명의 제1 실시형태의 제4 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도이다. 또, 도 7에 도시된 액화 시스템(1)에서는, 제1 실시형태(다른 변형예를 포함함)에 관한 액화 시스템(1)과 마찬가지의 구성요소에 대해서는 각각 동일한 부호를 부여하고, 이하에서 언급하는 사항을 제외하고 상세한 설명을 생략한다.
이 제4 변형예에서는, 상술한 제3 변형예와 유사한 구성을 가지는데, 라인(L9)과 라인(L10))의 사이에 열교환기(79)가 더 마련되고, 라인(L10)) 상에 저압(LP)의 프로판 냉매(C3R)를 이용하는 냉각기(80)가 더 마련되어 있다. 이에 의해, 제1 압축기(4)로부터 송출되는 원료 가스는 냉각기(80)에서 냉각되고, 나아가 제1 압축기(4)로 향하여 라인(L9)을 흐르는 원료 가스와의 열교환에 의해 냉각된 후에 액화 장치(21) 내에 도입된다. 여기서는, 라인(L10))의 하류 측은 중간 영역(Z2)에 배치된 관 회로(31)에 접속되어 있다.
이와 같이, 제4 변형예에서는 제1 압축기(4)로부터 송출되는 원료 가스를 중간 영역(Z2)에 도입 가능해진다. 이에 의해, 난온 영역(Z1)의 관속을 3개의 관 회로(22), 관 회로(42) 및 관 회로(51)에 의해, 또한 중간 영역(Z2)의 관속을 3개의 관 회로(31), 관 회로(43) 및 관 회로(52)에 의해 각각 구성하는 것이 가능해진다. 그 결과, 제4 변형예에서는 액화 장치(21)를 스풀 감김형 열교환기로 구성하는 경우에, 제3 변형예의 구성에 비해 난온 영역(Z1) 및 난온 영역(Z1)에서 관 회로의 배치(각 영역에서 수량의 치우침)가 적정화되고 액화 장치(21)의 대형화를 회피할 수 있는 이점이 있다. 또, 냉각기(80)에서는 제1 냉각기(11, 12)에서 이용되는 프로판 냉매를 이용하지만, 이에 한정하지 않고 공냉식 또는 수냉식 냉각기를 이용해도 된다.
(제1 실시형태의 제5 변형예)
도 10은, 본 발명의 제1 실시형태의 제5 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도이다. 또, 도 10에 도시된 액화 시스템(1)에서는, 제1 실시형태(다른 변형예를 포함함)에 관한 액화 시스템(1)과 마찬가지의 구성요소에 대해서는 각각 동일한 부호를 부여하고, 이하에서 언급하는 사항을 제외하고 상세한 설명을 생략한다.
이 제5 변형예에서는, 상술한 제4 변형예와 유사한 구성을 가지는데, 제4 변형예에서의 냉각기(80)가 생략되고, 또한 증류 장치(15)로부터의 라인(L6)과 제1 압축기(4)로부터의 라인(L10)의 사이에 열교환기(100)가 더 마련되어 있다. 이에 의해, 제1 압축기(4)로부터 라인(L10)에 송출되는 원료 가스는 냉각기(80)에서 냉각되는 것 대신에 증류 장치(15)로부터 라인(L6)에 송출되는 원료 가스(탑정 유출물)에 의해 냉각된 후에, 제4 변형예와 마찬가지로 열교환기(79)에 도입된다. 한편, 증류 장치(15)로부터의 원료 가스는 열교환 후에 라인(L6)을 통해 액화 장치(21) 내에 일단 도입되고 관 회로(22)에서 냉각된다. 이러한 구성에 의해, 제5 변형예에서는, 제4 변형예에서의 냉각기(80)에 의한 원료 가스의 냉각을 열교환기(100)에서의 열교환에 의해 보충할(냉각기(80)를 생략할) 수 있다. 또, 제5 변형예에서는 제4 변형예에서의 열교환기(69)에 대해서도 생략하고 있지만, 경우에 따라서는 제4 변형예와 마찬가지로 열교환기(69)를 마련하고, 증류 장치(15)로부터 라인(L6)에 송출되는 원료 가스가 열교환기(69)를 통해 열교환기(100)에 도입되는 구성으로 해도 된다.
(제2 실시형태)
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도이다. 또, 도 8에 도시된 액화 시스템(1)에서는, 제1 실시형태에 관한 액화 시스템(1)과 마찬가지의 구성요소에 대해서는 각각 동일한 부호를 부여하고, 이하에서 언급하는 사항을 제외하고 상세한 설명을 생략한다.
제2 실시형태의 액화 시스템(1)에서는, 원료 가스로서 약 88mol%의 메탄을 포함하는 부가스가 이용된다. 이 액화 시스템(1)에서는, 증류 장치(15)의 탑정 유출물로서 분리된 원료 가스는 라인(L19)을 통해 제1 압축기(4)에 직접 도입되어 압축된다. 그 후, 원료 가스는 제1 압축기(4)로부터 라인(L20)을 통해 난온 영역(Z1)에 배치된 관 회로(22)에 보내져 예비적으로 냉각된 후, 나아가 라인(L21)을 통해 제1 기액 분리조(23)에 도입된다.
제1 기액 분리조(23)는, 원료 가스 중의 액상 성분(응축 성분)을 분리하고, 그 액상 성분을 구성하는 탄화수소 등의 액체를 라인(L22)에 마련된 팽창 밸브(89)를 통해 다시 증류 장치(15)로 순환한다. 한편, 제1 기액 분리조(23)에서 기상 성분을 구성하는 메탄을 주성분으로 하는 원료 가스는 라인(L23)을 통해 액화 장치(21) 내의 관 회로(31)에 보내진다.
이러한 제2 실시형태의 액화 시스템(1)에서는, 제1 압축기(4)의 하류 측에 제1 기액 분리조(23)를 마련하고, 제1 압축기(4)로부터의 원료 가스를 난온 영역(Z1)에 배치된 관 회로(22)를 통과시켜 제1 기액 분리조(23)에 도입하는 구성으로 하였기 때문에, 원료 가스의 온도 레벨을 액화 장치(21)의 난온 영역(Z1)의 온도 레벨에 가깝게 할 수 있고, 나아가 원료 가스를 액화 장치(21)의 난온 영역(Z1)(관 회로(22))에서 냉각한 후에, 제1 기액 분리조(23)로부터의 기상 성분을 액화 장치(21)의 중간 영역(Z2)(관 회로(31))에 도입하는 구성으로 하였기 때문에, 원료 가스의 온도 레벨을 액화 장치(21)의 중간 영역(Z2)의 온도 레벨에 용이하게 가깝게 할 수 있다. 나아가 제1 기액 분리조(23)로부터의 원료 가스를 제1 압축기(4)에 의해 압송 가능해지기 때문에, 상술한 제1 실시형태 등에서 제1 기액 분리조(23)로부터 증류 장치(15)에의 순환 경로(라인(L21))에 마련한 환류 펌프(24)를 생략할 수 있는 이점도 있다.
액화 장치(21)에서 원료 가스의 액화에는, 압축기(4)의 토출압을 보다 높이는(즉, 액화 장치(21)에 도입되는 원료 가스의 압력을 높이는) 것이 유리하다. 그러나, 제1 실시형태 등과 같이 증류 장치(15)의 탑정 유출물을 액화 장치(21)에 의해 일단 냉각한 후에 제1 기액 분리조(23)에서 기액 분리하고, 그 기상 성분을 제1 압축기(4)에 의해 압축하고 나서 액화 장치(21)에 도입하는 구성에서는, 액화 장치(21) 전의 제1 압축기(4)에서 원료 가스의 온도가 상승하기 때문에, 원료 가스의 조성, 압력 및 공급량 등의 조건에 따라서는 원료 가스의 온도 레벨이 액화 장치(21)에의 도입을 위한 적절한 범위를 벗어나고, 이에 의해 액화 장치(21)의 열적 부하가 커지는 문제가 있다. 이러한 문제는, 액화 장치(21)에의 원료 가스의 도입 위치를 변경함으로써 해소 가능하지만, 원료 가스의 도입 위치의 변경이 용이하지 않은 스풀 감김형 열교환기 등을 주 열교환기로서 이용하는 경우에는 그 열교환기의 구조상 대처할 수 없는 경우가 있다. 그래서, 본 실시형태와 같이 증류 장치(15)의 탑정 유출물로서 분리된 원료 가스가 라인(L19)을 통해 제1 압축기(4)에 직접 도입되어 압축되는 구성으로 하고, 제1 압축기(4)에서 압축된 원료 가스를 액화 장치(21)의 난온 영역(Z1)에서 냉각한 후에 제1 기액 분리조(23)에서 기액 분리하고, 그 기상 성분을 액화 장치(21)의 중간 영역(Z2)(난온 영역(Z1)의 하류)에 도입함으로써, 원료 가스의 온도 레벨을 적절한 범위로 유지하는 것이 가능(즉, 원료 가스의 온도 레벨을 액화 장치(21)에서의 도입 위치의 온도 레벨에 가깝게 하도록 조절하는 것이 용이)해진다.
(제2 실시형태의 제1 변형예)
도 9는, 본 발명의 제2 실시형태의 제1 변형예에 관한 천연가스의 액화 시스템에서의 액화 처리의 흐름을 나타내는 구성도이다. 또, 도 9에 도시된 액화 시스템(1)에서는, 제1 실시형태에 관한 액화 시스템(1)과 마찬가지의 구성요소에 대해서는 각각 동일한 부호를 부여하고, 이하에서 언급하는 사항을 제외하고 상세한 설명을 생략한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 실시형태의 제1 변형예에 의한 액화 시스템(1)에서는, 라인(L4)과 라인(L20)의 사이에 열교환기(69)가 마련되어 있다. 이에 의해, 제1 압축기(4)로부터 송출된 라인(L20)을 흐르는 원료 가스는, 라인(L4)을 흐르는 원료 가스와의 열교환에 의해 가열된 후에 액화 장치(21)의 난온 영역(Z1)에 배치된 관 회로(22)에 도입된다. 이 제2 실시형태의 제1 변형예에서는, 열교환기(69)에서 가열된 원료 가스는 제1 압축기(4) 등을 통하지 않고 액화 장치(21)에 도입되기 때문에, 액화 장치(21)에의 도입시의 원료 가스의 온도를 제어하기 쉬운 이점이 있다.
또, 상술한 제2 실시형태의 제1 변형예에서의 열교환기(69)의 배치에 대해서는, 압축 후의 라인(L20)에서의 원료 가스의 온도를 액화 장치(21)의 도입 위치의 온도에 가깝게 하는 것이 가능한 한에서 여러 가지 변경이 가능하다.
이상, 본 발명을 특정 실시형태에 기초하여 설명하였지만, 이들 실시형태는 어디까지나 예시로서, 본 발명은 이들 실시형태에 의해 한정되는 것은 아니다. 상술한 각 실시형태에 나타낸 본 발명에 관한 천연가스의 액화 시스템 및 액화 방법의 각 구성요소는 반드시 모두가 필수는 아니며, 적어도 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한에서 적절히 취사선택하는 것이 가능하다. 또한, 각 실시형태에 나타낸 구성요소의 조합은 반드시 필수는 아니며, 적어도 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한에서 복수의 실시형태의 구성요소를 적절히 선택하여 이용할 수 있다.
1 액화 시스템
2 수분 제거 장치
3, 3a 제1 팽창기
3b 제2 팽창기
4, 4a 제1 압축기
4b 제3 압축기
5 샤프트
10, 11, 12 제1 냉각기
15 증류 장치
21 액화 장치
23 제1 기액 분리조
33 팽창 밸브
41 냉매 세퍼레이터
44 팽창 밸브
45 스프레이 헤더
54 팽창 밸브
55 스프레이 헤더
69 열교환기
79 열교환기
80 냉각기
Z1 난온 영역
Z2 중간 영역
Z3 냉온 영역

Claims (34)

  1. 천연가스 피드(natural gas feed)를 냉각하는 방법으로서,
    (a-1) 가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하는 단계;
    (a) 감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 (a-1) 단계에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키는 단계;
    (b-1) 상기 (a) 단계에서의 상기 감압된 원료 가스를 냉각시키는 단계;
    (b) 탑정 유출물(塔頂留出物; top fraction)과 탑 바닥 배출물(塔底排出物; bottom fraction)을 생성하도록 상기 (b-1) 단계에서 냉각된 상기 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하는 단계;
    (c) 냉각된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 탑정 유출물을 냉각하는 단계;
    (d) 상기 냉각된 탑정 유출물을 기상 성분과 액상 성분으로 분리하는 단계;
    (e) 압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 기상 성분의 압력을 증가시키는 단계; 및
    (f) 적어도 냉각 압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 기상 성분과 상기 압축된 원료 가스 사이에서 열교환시키는 단계;를 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (f) 단계에서의 상기 냉각 압축된 원료 가스를 적어도 부분적으로 액화시키는 단계를 더 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (f) 단계 전에, 상기 (e) 단계에서의 압축된 원료 가스를 냉각하는 단계를 더 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 스풀 감김(Spool Wound)형 열교환기의 난온 영역으로 탑정 유출물을 도입함으로써 상기 탑정 유출물이 냉각되는 천연가스 피드 냉각 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 (f) 단계에서의 냉각 압축된 원료 가스는, 상기 냉각 압축된 원료 가스를 상기 스풀 감김형 열교환기의 중간 영역으로 도입함으로써, 더 냉각되는 천연가스 피드 냉각 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (b) 단계에서의 중질분의 제거는 증류 장치에서 행해지는 천연가스 피드 냉각 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (d) 단계에서의 상기 액상 성분을 상기 증류 장치로 순환시키는 단계를 더 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 (c) 단계 전에, 상기 (b) 단계에서의 상기 탑정 유출물과 상기 감압된 원료 가스 사이에서 열교환시키는 단계를 더 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 (f) 단계는, 상기 (d) 단계에서의 상기 기상 성분과 상기 (e) 단계에서의 상기 압축된 원료 가스와 상기 (a) 단계에서의 상기 감압된 원료 가스 사이에서 열교환시키는 단계를 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  11. 천연가스 피드를 냉각하는 방법으로서,
    (a-1) 가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하는 단계;
    (a) 감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 (a-1) 단계에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키는 단계;
    (b-1) 상기 (a) 단계에서의 상기 감압된 원료 가스를 냉각시키는 단계;
    (b) 탑정 유출물과 탑 바닥 배출물을 생성하도록 상기 (b-1) 단계에서 냉각된 상기 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하는 단계;
    (c) 적어도 열교환된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 감압된 원료 가스와 상기 탑정 유출물 사이에서 열교환시키는 단계;
    (d) 냉각된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 열교환된 탑정 유출물을 냉각하는 단계;
    (e) 상기 냉각된 탑정 유출물을 기상 성분과 액상 성분으로 분리하는 단계;
    (f) 압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 기상 성분의 압력을 증가시키는 단계; 및
    (g) 압축된 원료 가스를 냉각하는 단계;를 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 (g) 단계에서, 상기 압축된 원료 가스를 적어도 하나의 열교환기로 도입함으로써, 상기 압축된 원료 가스가 냉각되는 천연가스 피드 냉각 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 (b) 단계에서의 중질분의 제거는 증류 장치에서 행해지는 천연가스 피드 냉각 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 (e) 단계에서의 상기 액상 성분을 상기 증류 장치로 순환시키는 단계를 더 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  16. 천연가스 피드를 냉각하는 방법으로서,
    (a-1) 가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하는 단계;
    (a) 감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 (a-1) 단계에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키는 단계;
    (b-1) 상기 (a) 단계에서의 상기 감압된 원료 가스를 냉각시키는 단계;
    (b) 탑정 유출물과 탑 바닥 배출물을 생성하도록 상기 (b-1) 단계에서 냉각된 상기 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하는 단계;
    (c) 냉각된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 탑정 유출물을 냉각하는 단계;
    (d) 상기 냉각된 탑정 유출물을 기상 성분과 액상 성분으로 분리하는 단계;
    (e) 압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 기상 성분의 압력을 증가시키는 단계; 및
    (f) 적어도 열교환된 압축 원료 가스를 생성하도록 상기 (b) 단계에서의 중질분 제거 전에, 상기 (e) 단계에서의 상기 압축된 원료 가스와 상기 (a) 단계에서 생성된 상기 감압된 원료 가스 사이에서 열교환시키는 단계;를 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  17. 삭제
  18. 천연가스 피드를 냉각하는 방법으로서,
    (a-1) 가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하는 단계;
    (a) 감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 (a-1) 단계에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키는 단계;
    (b-1) 상기 (a) 단계에서의 상기 감압된 원료 가스를 냉각시키는 단계;
    (b) 탑정 유출물과 탑 바닥 배출물을 생성하도록 증류 장치에서, 상기 (b-1) 단계에서 냉각된 상기 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하는 단계;
    (c) 냉각된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 탑정 유출물을 냉각하고 부분적으로 액화시키는 단계;
    (d) 상기 냉각된 탑정 유출물을, 기상 성분과 액상 성분을 생성하도록 분리하는 단계;
    (e) 상기 액상 성분을 상기 증류 장치로 순환시키는 단계;
    (f) 적어도 열교환된 기상 성분을 생성하도록 상기 감압된 원료 가스와 상기 기상 성분 사이에서 열교환시키는 단계; 및
    (g) 압축된 원료 가스를 생성하도록, 상기 열교환된 기상 성분의 압력을 증가시키는 단계;를 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  19. 삭제
  20. 천연가스 피드를 냉각하는 방법으로서,
    (a-1) 가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하는 단계;
    (a) 감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 (a-1) 단계에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키는 단계;
    (b-1) 상기 (a) 단계에서의 감압된 원료 가스를 냉각시키는 단계;
    (b) 탑정 유출물과 탑 바닥 배출물을 생성하도록 상기 (b-1) 단계에서 냉각된 상기 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하는 단계;
    (c) 압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 탑정 유출물의 압력을 증가시키는 단계; 및
    (d) 적어도 냉각 압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 탑정 유출물과 상기 압축된 원료 가스 사이에서 열교환시키는 단계;를 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  21. 삭제
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 (d) 단계에서의 열교환 전에, 상기 (c) 단계에서의 상기 압축된 원료 가스를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 천연가스 피드 냉각 방법.
  23. 천연가스 피드를 액화하는 시스템으로서,
    가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하기 위한 수분 제거 장치;
    감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 수분 제거 장치에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키기 위한 제1 팽창기;
    상기 제1 팽창기에서의 팽창에 의해 감압된 상기 감압된 원료 가스를 냉각시키기 위한 제1 냉각기;
    탑정 유출물과 탑 바닥 배출물을 생성하도록 상기 제1 냉각기에 의해서 냉각된 상기 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하기 위한 증류 장치;
    냉각된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 탑정 유출물을 냉각하기 위한 제1 열교환기;
    상기 냉각된 탑정 유출물을 기상 성분과 액상 성분으로 분리하기 위한 제1 기액 분리조(gas-liquid separation vassel);
    압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 기상 성분을 압축시키기 위한 제1 압축기; 및
    상기 기상 성분과 상기 압축된 원료 가스 사이에서 열교환시키기 위한 제2 열교환기;를 포함하는 천연가스 피드 액화 시스템.
  24. 삭제
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 압축된 원료 가스를 상기 제2 열교환기로의 도입 전에 냉각하기 위한 제2 냉각기를 더 포함하는 천연가스 피드 액화 시스템.
  26. 청구항 23에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 스풀 감김형 열교환기의 난온 영역인 천연가스 피드 액화 시스템.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 압축된 원료 가스가 상기 제2 열교환기를 통과한 후에, 상기 압축된 원료 가스를 냉각하기 위한 제3 열교환기를 더 구비하며, 상기 제3 열교환기는 상기 스풀 감김형 열교환기의 중간 영역인 천연가스 피드 액화 시스템.
  28. 청구항 23에 있어서,
    상기 액상 성분을 환류물로서 상기 제1 기액 분리조로부터 상기 증류 장치로 순환시키기 위한 배관을 더 포함하는 천연가스 피드 액화 시스템.
  29. 청구항 23에 있어서,
    상기 증류 장치로부터의 탑정 유출물과 상기 감압된 원료 가스 사이에서 열교환시키기 위한 제4 열교환기;를 더 포함하는 천연가스 피드 액화 시스템.
  30. 청구항 23에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 기상 성분과 상기 압축된 원료 가스와 상기 감압된 원료 가스 사이에서 열교환시키는 천연가스 피드 액화 시스템.
  31. 청구항 23에 있어서,
    상기 제1 팽창기는 동력을 발생시키며, 상기 제1 압축기는 상기 제1 팽창기에서 발생된 동력을 이용하는 천연가스 피드 액화 시스템.
  32. 천연가스 피드를 액화하는 시스템으로서,
    가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하기 위한 수분 제거 장치;
    감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 수분 제거 장치에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키기 위한 제1 팽창기;
    상기 제1 팽창기에서의 팽창에 의해 감압된 상기 감압된 원료 가스를 냉각시키기 위한 제1 냉각기;
    탑정 유출물과 탑 바닥 배출물을 생성하도록 상기 제1 냉각기에 의해서 냉각된 상기 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하기 위한 증류 장치;
    적어도 열교환된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 탑정 유출물과 상기 감압된 원료 가스 사이에서 열교환시키기 위한 제1 열교환기;
    냉각된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 열교환된 탑정 유출물을 냉각하기 위한 제2 열교환기;
    상기 냉각된 탑정 유출물을 기상 성분과 액상 성분으로 분리하기 위한 제1 기액 분리조; 및
    압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 기상 성분을 압축하기 위한 제1 압축기;를 포함하는 천연가스 피드 액화 시스템.
  33. 삭제
  34. 천연가스 피드를 액화하는 시스템으로서,
    가압 상태에서 상기 천연가스 피드로서 공급된 원료 가스로부터 수분을 제거하기 위한 수분 제거 장치;
    감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 수분 제거 장치에 의해서 수분이 제거된 후 냉각되지 않고 공급된 상기 원료 가스의 압력을 감소시키기 위한 제1 팽창기;
    냉각 감압된 원료 가스를 생성하도록 상기 제1 팽창기에서의 팽창에 의해 감압된 상기 감압된 원료 가스를 냉각시키기 위한 제1 냉각기;
    탑정 유출물과 탑 바닥 배출물을 생성하도록 상기 제1 냉각기에 의해서 냉각된 상기 냉각 감압된 원료 가스로부터 중질분을 제거하기 위한 증류 장치;
    냉각된 탑정 유출물을 생성하도록 상기 탑정 유출물을 냉각시키기 위한, 스풀 감김형 열교환기의 난온 영역;
    상기 냉각된 탑정 유출물을 기상 성분과 액상 성분으로 분리하기 위한 제1 기액 분리조;
    상기 액상 성분을 상기 증류 장치로 순환시키기 위한 배관 시스템;
    압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 기상 성분을 압축시키기 위한 제1 압축기;
    냉각 압축된 원료 가스를 생성하도록 상기 압축된 원료 가스를 냉각시키기 위한 제2 냉각기;
    더 냉각 압축된 원료 가스를 생성하도록, 상기 냉각 압축된 원료 가스와 상기 기상 성분 사이에서 열교환시키기 위한 제3 열교환기; 및
    상기 더 냉각 압축된 원료 가스를 적어도 부분적으로 액화시키기 위한, 상기 스풀 감김형 열교환기의 중간 영역;을 포함하는 천연가스 피드 액화 시스템.
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