KR102046306B1 - 액화 천연 가스를 사용하여 액화 질소 가스를 제조하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

액화 천연 가스(LNG)를 냉매로 사용하여 액화 질소(LIN)를 제조하기 위한 시스템 및 방법이 본원 명세서에 개시된다. LIN은, 하나 이상의 열 교환기에서 하나 이상의 질소 가스 스트림과 둘 이상의 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해 제조될 수 있으며, 여기서, 상기 LNG 스트림들은 압력이 상이하다.

Description

액화 천연 가스를 사용하여 액화 질소 가스를 제조하기 위한 시스템 및 방법
관련된 출원에 대한 상호 참조
본 특허출원은 2015년 7월 10일에 출원되고 발명의 명칭이 "액화 천연 가스를 사용하여 액화 질소 가스를 제조하기 위한 시스템 및 방법"인 미국 특허출원 제62/191,130호에 대해 우선권을 주장하며, 이의 전문은 인용에 의해 본원에 포함된다.
액화 천연 가스("LNG")는 천연 가스의 공급이 풍부한 지역으로부터 천연 가스에 대한 수요가 많은 먼 지역에 천연 가스를 공급할 수 있도록 해왔다. 통상적인 LNG 사이클은 다음을 포함한다: (a) 물, 황 화합물, 및 이산화탄소와 같은 오염 물질을 제거하기 위한 천연 가스 자원의 초기 처리; (b) 상기 천연 가스로부터 프로판, 부탄 및 펜탄과 같은 중질 탄화수소 가스의 분리(여기서, 상기 분리는 자체 냉각, 외부 냉각을 포함하는 다양한 실시 가능한 방법, 또는 린 오일(lean oil) 등에 의해 실시 가능함); (c) 액화 천연 가스를 형성하기 위한, 대기압 근처 및 약 -160℃에서 상기 천연 가스의 냉동; (d) 선박 또는 탱커로 LNG 제품을 시장 위치로 운송; (e) 천연 가스가 천연 가스 고객에게 분배될 수 있는 압력으로의, 재가스화(regasification) 플랜트에서 LNG의 재가압 및 재가스화. 통상적인 LNG 사이클의 단계 (c)는 일반적으로, 종종 온실 가스 배출을 생성할 수 있는 대형 가스 터빈 구동기에 의해 동력을 공급받는, 대형 냉동 압축기의 사용을 필요로 하는 외부 냉각을 사용한다. 따라서, 액화 플랜트에 필요한 광범위한 기초 시설을 설치하기 위해서는 일반적으로 많은 자본 투자가 필요하다. LNG 사이클의 단계 (e)는 일반적으로, 극저온 펌프를 사용하고, 이후 해수와 같은 중간 유체를 통한 열 교환에 의해 또는 LNG를 기화하기 위한 천연 가스의 일부의 연소에 의해 LNG를 가압된 천연 가스로 재가스화하는, 요구되는 압력으로의 LNG의 재가압 단계를 포함한다.
액화 질소 가스("LIN")와 같이 다른 위치에서 생성된 저온 냉매는 천연 가스를 액화시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제3,400,547호는 시장으로부터, 천연 가스를 액화시키기 위해 액체 질소 또는 액체 공기가 사용되는 현장으로의 액체 질소 또는 액체 공기의 운송을 기재하고 있다. LNG는, 액화 질소 또는 공기를 현장으로 수송하기 위해 사용되는 동일한 극저온 캐리어의 탱크로 시장으로 다시 운송된다. LNG의 재가스화는 시장에서 실시되며, 여기서, 현장으로 운송하기 위한 질소 또는 공기를 액화하기 위해 재가스화 공정으로부터의 과도한 냉각이 사용된다.
하지만, 가스 판매용 파이프라인으로 도입하기 위해서는 LNG의 재가스화로부터의 천연 가스가 보다 더 높은 압력(예를 들어, 800psi 초과)이어야 하므로, LIN의 생산과 천연 가스의 재가압 둘 다에 필요한 총 에너지는 통상적인 공정을 사용하여 LNG를 생산하는데 필요한 에너지보다 상당히 클 수 있다. 따라서, LNG의 재가스화로부터 LNG 및 고압 천연 가스를 생산하기 위한 보다 에너지 효율적인 방법의 개발에 대한 요구가 있다.
또한, 미국 특허 제3,400,547호의 공정은 완전한 LNG 가치 사슬(value chain)의 통합을 필요로 한다. 즉, LIN을 저온 냉매로 사용하는 LNG의 생산, 천연 가스 자원 장소로의 LIN의 운송, 재가스화 장소로의 LNG의 운송, 및 LNG의 재가스화로부터 사용가능한 엑서지(exergy)를 사용하는 LIN의 생산이 통합되어야 한다. 이러한 가치 사슬은 미국 특허출원 공보 제2010/0319361호 및 제2010/0251763호에 추가로 개시된다.
LIN을 유일한 냉매로 사용하는 가스 자원 위치에서의 LNG의 생산은 1:1 초과의 LIN 대 LNG 비율을 필요로 할 수 있다. 이러한 이유로, 재가스화 장소에서의 LIN의 생산은, 이렇게 LIN을 사용하여 생산된 LNG만이, 필요한 양의 질소를 액화시키기 위해 요구되는 것을 보장하기 위해 1:1 초과의 LIN 대 LNG 비율이 유리하다. LNG 플랜트 및 재가스화 플랜트 둘 다에서 LIN 대 LNG의 비율을 맞추면, 추가 생산 공급원으로부터 LNG가 필요하지 않으므로 LNG 가치 사슬을 보다 쉽게 통합할 수 있다.
영국 특허출원 공보 제2,333,148호는 LIN을 생성하기 위해 LNG의 기화가 사용되는 공정이 개시되어 있으며, 여기서 사용되는 LIN 대 LNG 비율은 1.2:1 초과이다. 영국 특허출원 공보 제2,333,148호에서, LNG는 대기압에 가깝게 기화된다. 따라서, LNG가 가스 판매용 파이프라인에 도입될 때의 표준화된 압력이 800psi 초과여야 하기 때문에, 천연 가스를 파이프라인 압력으로 압축하는 데 상당한 양의 에너지가 필요하다. 따라서, 요구되는 천연 가스 압축량을 최소화하기 위해 기화 전에 앞서 LNG를 보다 더 높은 압력으로 펌핑되게 하는 방법을 필요로 한다.
영국 특허 제1,376,678호 및 미국 특허 제5,139,547호 및 제5,141,543호는 LNG의 기화에 앞서 LNG가 먼저 파이프라인 수송 압력으로 가압되는 방법을 개시한다. 이들 문헌에서, LNG의 기화는 질소 가스를 응축시키는데 사용되며, 상기 질소 가스를 350psi 이상의 압력으로 다중스테이지 압축하기 위한 단간 냉각수(interstage coolant)로 사용된다. 천연 가스의 기화 및 가온을 사용하는 질소 가스의 단간 냉각은, 질소 가스가 냉간 압축되게 하여 압축 에너지를 상당히 감소시킨다. 하지만, 이들 문헌에는, LIN 및 고압 천연 가스를 생산하기 위해 0.5:1 미만의 LIN 대 LNG 비율이 사용된다. 이러한 낮은 LIN 대 LNG 비율은 재가스화 플랜트와 LNG 플랜트가 지점-대-지점 통합되게 하지 않는데, 이는 LIN을 유일한 냉매로 사용하여 LNG를 생산하기 위해 일반적으로 1:1 이상의 LIN 대 LNG 비율이 요구되기 때문이다.
미국 특허출원 공보 제2010/0319361호는, 하나의 생산 현장에서의 LNG 생산에 필요한 LIN을 생산하기 위해, 다수의 생산원으로부터의 LNG가 사용되는 방법을 개시한다. 하지만, 이러한 다중-공급원 LNG 가치 사슬 배열은 LNG 가치 사슬을 상당히 복잡하게 한다.
따라서, LNG의 재가스화로부터 LIN 및 고압 천연 가스를 생산하기 위한 에너지 효율적인 방법을 개발할 필요가 남아있다. 1:1 초과, 보다 바람직하게는 1.2:1 초과의 LIN 대 LNG 비율을 이용할 수 있는 통합된 방법이 추가로 필요하다.
다른 배경 참고 문헌은 영국 특허 제1596330호, 영국 특허 제2172388호, 미국 특허 제3,878,689호, 미국 특허 제5,950,453호, 미국 특허 제7,143,606호, 및 PCT 공개 제WO 2014/078092호를 포함한다.
[도면의 간단한 설명]
도 1은, 파이프라인 수송용 LIN 및 가압 천연 가스가 둘 이상의 열 교환기에서 1개 이상의 질소 가스 스트림과 2개 이상의 LNG 스트림(각각의 LNG 스트림은 압력이 상이함)과의 간접 열 교환에 의해 생성되는 시스템을 도시한다.
도 2는, 파이프라인 수송용 LIN 및 가압 천연 가스가, 단일 다중-스트림(single multi-stream) 열 교환기에서 질소 가스 스트림과 압력이 상이한 2개의 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해 생성되는 시스템을 도시한다.
도 3은, 파이프라인 수송용 LIN 및 가압 천연 가스가, 질소 가스 스트림과 압력이 상이한 4개의 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해 생성되는 시스템을 도시한다.
도 4는, 도 3의 시스템을 이용하는, 질소 가스 스트림의 냉각 곡선 모델 및 4개의 LNG 스트림의 복합 가온 곡선 모델을 도시한다.
액화 질소 스트림과 같은 액화 가스 스트림의 제조방법이 본 명세서에 제공된다. 예를 들어, 상기 방법은 액체 천연 가스(LNG) 재가스화 설비에서 액화 질소 가스(LIN) 스트림을 생성하는 방법을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 상기 방법은 (a) 질소 가스 스트림을 제공하는 단계; (b) 2개 이상의 LNG 스트림을 제공하는 단계로서, 각각의 LNG 스트림의 압력이 서로 독립적이며 서로 상이한, 단계; (c) 하나 이상의 열 교환기에서 상기 질소 가스 스트림과 상기 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해, 상기 질소 가스 스트림을 액화하는 단계; (d) 상기 2개의 LNG 스트림의 적어도 일부를 기화하여, 2개 이상의 천연 가스 스트림을 생성하는 단계; 및 (e) 상기 2개의 천연 가스 스트림 중 적어도 하나를 압축하여, 압축된 천연 가스를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이제 본 발명에서 채택된 바람직한 양태 및 정의를 포함하는 본 발명의 다양한 특정 양태 및 버전이 설명될 것이다. 하기 상세한 설명이 특정한 바람직한 양태들을 제공하지만, 당해 기술 분야의 숙련가는 이러한 양태들이 예시적일 뿐이며, 본 발명은 다른 방식으로 실시될 수 있음을 이해할 것이다. "발명"에 대한 모든 언급은 하나 이상의, 하지만 반드시 전부는 아닌, 청구범위에 의해 한정된 양태들을 나타낼 수 있다. 표제의 사용은 단지 편의를 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
본원의 상세한 설명 및 청구범위 내의 모든 수치는 "약" 또는 "대략"에 의해 나타낸 값을 개질하며, 당해 기술 분야의 숙련가에 의해 예상되는 실험 오차 및 편차를 고려한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은, "자동 냉동(auto-refrigeration)"은 압력 감소를 통해 유체가 냉각되는 공정을 나타낸다. 액체의 경우, 자동 냉동은 증발에 의한 액체의 냉각을 나타내며, 이는 압력의 감소에 상응한다. 보다 구체적으로는, 액체의 일부는, 스로틀링(throttling) 장비를 통과하는 동시에 압력의 감소를 겪음에 따라 증기로 플래싱된다(flashed). 그 결과, 증기 및 잔류 액체 둘 다는 감소된 압력에서의 액체의 포화 온도로 냉각된다. 예를 들어, 천연 가스의 자동 냉동은 천연 가스를 이의 비점으로 유지하여 실시되어, 끓는 동안 열이 손실됨에 따라 천연 가스가 냉각될 수 있다. 이러한 과정은 "플래시 증발(flash evaporation)"로도 나타낸다.
본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "압축기"는 작용(work)을 적용함으로써 가스의 압력을 증가시키는 기기를 의미한다. "압축기" 또는 "냉매 압축기"는 가스 스트림의 압력을 증가시킬 수 있는 임의의 유닛, 장비, 또는 장치를 포함한다. 여기에는 단일 압축 공정 또는 단계를 갖는 압축기, 또는 다중스테이지 압축 또는 단계를 갖는 압축기, 또는 보다 특정하게는 단일 케이싱(casing) 또는 쉘 내의 다중스테이지 압축기가 포함된다. 증발된 스트림은 상이한 압력으로 압축기에 제공될 수 있다. 냉각 공정의 일부 스테이지 또는 단계는 병렬, 직렬 또는 둘 다로 연결된 둘 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 본 발명은, 특히 임의의 냉매 회로에서의 압축기 또는 압축기들의 유형 또는 배치에 의해 제한되지 않는다.
본원에서 사용된 바와 같은, "냉각"은 예를 들어 임의의 적당한 양에 의해 물질의 온도 및/또는 내부 에너지를 낮추고/낮추거나 강하시키는(dropping) 것을 광범위하게 의미한다. 냉각은 약 1℃ 이상, 약 5℃ 이상, 약 10℃ 이상, 약 15℃ 이상, 약 25℃ 이상, 약 35℃ 이상, 약 50℃ 이상, 약 75℃ 이상, 약 85℃ 이상, 약 95℃ 이상, 또는 약 100℃ 이상의 온도 강하를 포함할 수 있다. 냉각은 임의의 적합한 열 싱크(heat sink), 예를 들어, 증기 생성, 열수 가열, 냉각수, 공기, 냉매, 다른 공정 스트림(통합), 및 이들의 조합들을 사용할 수 있다. 하나 이상의 냉각원이 결합되고/결합되거나 단계적으로 실시되어(cascade) 원하는 유출구 온도에 도달할 수 있다. 냉각 단계는 임의의 적합한 장비 및/또는 장치가 장착된 냉각 유닛을 사용할 수 있다. 일부 양태에 따라, 냉각은 간접 열 교환, 예를 들어 하나 이상의 열 교환기들을 포함할 수 있다. 다르게는, 냉각은 공정 스트림 내로 직접 분사되는 액체와 같은 증발성(기화열) 냉각 및/또는 직접 열 교환을 사용할 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "팽창 장비"는 라인(예를 들어, 액체 스트림, 증기 스트림, 또는 액체 및 증기 둘 다를 함유하는 다중상(multiphase) 스트림) 중의 유체의 압력을 감소시키기에 적합한 하나 이상의 장비를 나타낸다. 특정 유형의 팽창 장비가 구체적으로 언급되지 않는 한, 팽창 장비는 (1) 적어도 부분적으로 등엔탈피 수단일 수 있거나, (2) 적어도 부분적으로 등엔트로피 수단일 수 있거나, (3) 등엔트로피 수단 및 등엔탈피 수단 둘 다의 조합일 수 있다. 천연 가스의 등엔탈피 팽창에 적합한 장비는 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 일반적으로 수동 또는 자동으로 작동되는 스로틀링 장비, 예를 들면 밸브, 제어 밸브, 줄-톰슨(JT) 밸브, 또는 벤츄리 장비를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 천연 가스의 등엔트로피 팽창에 적합한 장비는 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 일반적으로 이러한 팽창으로부터의 작용을 추출하거나 유도하는 팽창기 또는 터보 팽창기와 같은 장치를 포함한다. 액체 스트림의 등엔트로피 팽창에 적합한 장치는 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 일반적으로 팽창기, 유압 팽창기, 액체 터빈, 또는 이러한 팽창으로부터의 작용을 추출하거나 유도하는 터보 팽창기와 같은 장치를 포함한다. 등엔트로피 수단 및 등엔탈피 수단 둘 다의 조합의 예는 병렬 연결된 줄-톰슨 밸브 및 터보 팽창기일 수 있으며, 이들은 단독으로 사용할 수 있거나 J-T 밸브와 터보 팽창기 둘 다를 동시에 사용할 수 있다. 등엔탈피 또는 등엔트로피 팽창은 전체-액체상, 전체-증기상 또는 혼합된 상으로 실시될 수 있으며, 증기 스트림 또는 액체 스트림으로부터 다중상 스트림(증기상 및 액상 둘 다를 갖는 스트림)으로 또는 초기 상과는 상이한 단일상 스트림으로의 상 변화를 용이하게 하기 위해 실시될 수 있다. 본 명세서의 도면의 설명에서, 임의의 도면에서의 하나 이상의 팽창 장비에 대한 참조는, 반드시 각각의 팽창 장비가 동일한 유형 또는 크기라는 것을 의미하지는 않는다.
용어 "가스"는 "증기"와 호환가능하게 사용되며, 액체 또는 고체 상태와 구별되는 기체 상태의 물질 또는 물질들의 혼합물로 정의된다. 마찬가지로, 용어 "액체"는 가스 또는 고체 상태와 구별되는 액체 상태의 물질 또는 물질들의 혼합물을 의미한다.
"열 교환기"는 열 에너지 또는 냉 에너지를 하나의 매질로부터 또 다른 매질로, 예를 들어, 둘 이상의 명확하게 구별되는 유체들 사이에서 전달할 수 있는 임의의 장치를 광범위하게 의미한다. 열 교환기에는 "직접 열 교환기" 및 "간접 열 교환기"가 포함된다. 따라서, 열 교환기는 임의의 적합한 설계, 예를 들어 병류식 또는 역류식 열 교환기, 간접 열 교환기(예를 들어, 나권형 열 교환기 또는 판-핀(plate-fin) 열 교환기, 예를 들어 평행류 판-핀형(brazed aluminum plate fin type)), 간접 접촉 열 교환기, 쉘-앤드-튜브(shell-and-tube) 열 교환기, 나선형, 헤어핀형, 코어형, 코어-앤드-케틀(core-and-kettle)형, 이중 파이프형 또는 임의의 다른 유형의 공지된 열 교환기일 수 있다. "열 교환기"는 하나 이상의 스트림이 이를 통과하도록, 그리고 하나 이상의 냉매 라인들 사이 및 하나 이상의 피드 스트림들 사이의 직접 또는 간접 열 교환에 영향을 미치도록 맞춰진 임의의 컬럼, 타워, 유닛 또는 다른 배열을 나타낼 수도 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "간접 열 교환"은 어떠한 물리적 접촉 없이 2개의 유체를 열 교환 관계가 되게 하거나 상기 유체들을 서로 상호혼합하는 것을 의미한다. 코어-인-케틀(core-in-kettle) 열 교환기 및 평행류 판-핀형 열 교환기는 간접 열 교환을 용이하게 하는 장치의 예이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "천연 가스"는 원유 웰(가스 관련됨)로부터 또는 지하 가스-포함 제형(가스 비관련됨)으로부터 수득된 다중 성분 가스를 나타낸다. 천연 가스의 조성 및 압력은 상당히 상이할 수 있다. 일반적인 천연 가스 스트림은 주요한 성분으로서 메탄(C1)을 함유한다. 천연 가스 스트림은 에탄(C2), 보다 고분자량의 탄화수소, 및 하나 이상의 산성 가스를 함유할 수도 있다. 천연 가스는 물, 질소, 황화철, 왁스, 및 원유와 같은 소량의 오염 물질을 함유할 수도 있다.
충분히 고압이고(예를 들어, 800psia 이상) 따라서 파이프라인 수송에 적합한 LIN 및 천연 가스가, 하나 이상의 열 교환기 내에서 1개 이상의 질소 가스 스트림과 2개 이상의 LNG 스트림(여기서, LNG 스트림들은 압력이 상이하다)과의 간접 열 교환에 의해 생성되는 시스템 및 공정이 본원에 개시된다. 일부 양태에서, LIN 및 고압 천연 가스는, 다중-스트림 열 교환기에서 1개 이상의 질소 가스 스트림과 3개 이상 또는 4개 이상의 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해 생성되며, 여기서, 각각의 LNG 스트림은 다른 LNG 스트림과 압력이 상이하다.
예를 들어, 단일 LNG 스트림은, 예를 들어 하나 이상의 펌프를 사용하여 중간 압력으로 가압될 수 있다. 중간 압력 LNG 스트림은 2개 이상의 LNG 스트림으로 분할된다. LNG 스트림들 중 적어도 하나는, 예를 들어 하나 이상의 팽창 장비, 예를 들어 밸브, 유압 터빈, 또는 당해 기술 분야에 공지된 다른 장비를 사용하여 압력이 감소된다. 이후, 감압된 LNG 스트림(들)은 하나 이상의 열 교환기로 운반된다. 중간 압력인 LNG 스트림들 중 적어도 하나는, 하나 이상의 펌프를 사용하여 중간 압력보다 높은 압력, 예를 들어, 천연 가스 판매용 파이프라인 압력 이상의 압력으로 추가로 가압된다. 이후, 추가로 가압된 LNG 스트림(들)은 하나 이상의 열 교환기로 파이프수송된다(piped). 2개 이상의 LNG 스트림은 하나 이상의 열 교환기 내에서 1개 이상의 질소 가스 스트림과의 간접 열 교환이 실시되어, 이에 의해 상기 질소 가스 스트림이 액화되어 LIN을 형성한다.
바람직한 양태에서, 단일 LNG 스트림이 시스템에 도입된다. 일부 양태에서, 시스템에 도입되는 LNG 스트림은 압력이 14psia 초과 또는 15psia 초과이다. 시스템에 도입되는 LNG 스트림은 압력이 65psia 미만, 55psia 미만, 45psia 미만, 35psia 미만, 25psia 미만, 또는 20psia 미만일 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 시스템에 도입되는 LNG 스트림은 압력이 약 14 내지 약 25psia, 약 15 내지 25psia, 또는 LNG를 수송하기 위한 일반적인 압력, 예를 들어 약 17psia일 수 있다.
이후, LNG 스트림은 하나 이상의 펌프를 사용하여 중간 압력으로 가압된다. 중간 압력은 50psia 초과, 60psia 초과, 70psia 초과, 또는 75psia 초과일 수 있다. 중간 압력은 250psia 미만, 200psia 미만, 175psia 미만, 또는 150psia 미만일 수 있다. 일부 양태에서, 중간 가압된 LNG 스트림은 50 내지 200psia, 70 내지 150psia, 또는 75 내지 100psia의 압력일 수 있다.
이후, 가압된 LNG 스트림은 2개 이상의 스트림으로 분할된다. 예를 들어, 가압된 LNG 스트림은 3개 또는 4개의 LNG 스트림으로 분할될 수 있다. 이후, 가압된 LNG 스트림들 중 하나를 제외한 모두는, 하나 이상의 팽창 장비, 예를 들어, 밸브, 유압 터빈, 또는 장비들의 조합을 사용하여 감압되며, 여기서, 각각의 감소된 압력은 다른 감소된 압력과는 상이하다. 따라서, 가압된 LNG 스트림이 3개의 LNG 스트림으로 분할되는 양태에서, 2개의 LNG 스트림이 하나 이상의 밸브를 사용하여 상이한 압력으로 감압되고, 1개의 LNG 스트림은 감압되지 않거나 중간 압력으로 유지된다. 유사하게는, 가압된 LNG 스트림이 4개의 LNG 스트림으로 분할되는 양태에서, 3개의 LNG 스트림이 하나 이상의 밸브를 사용하여 상이한 압력으로 감압되고, 1개의 LNG 스트림은 감압되지 않거나 중간 압력으로 유지된다. 감압되지 않은 LNG 스트림은 중간 압력으로 유지될 수 있거나, 하나 이상의 펌프를 사용하여 천연 가스 판매용 파이프라인 압력 이상의 압력, 예를 들어, 800psia 초과, 또는 1200psia 초과의 압력으로 가압될 수 있다.
가압된 LNG 스트림이 4개 이상의 스트림으로 분할되는 양태에서, 각각의 스트림의 압력은 서로 상이하다. 예를 들어, 제1 LNG 스트림의 압력은 10 내지 35pisa, 15 내지 30psia, 또는 20 내지 25psia의 값으로 감소될 수 있다. 제2 LNG 스트림의 압력은 30 내지 60psia, 35 내지 55psia, 또는 40 내지 50psia일 수 있다. 제3 LNG 스트림의 압력은 50psia 내지 중간 압력, 50 내지 100psia, 60 내지 90psia, 또는 65 내지 80psia일 수 있다. 제4 LNG 스트림은 중간 압력을 유지할 수 있거나, 하나 이상의 펌프를 사용하여 천연 가스 판매용 파이프라인 압력 이상의 압력, 예를 들어 800psia 초과, 900psia 초과, 1000psia 초과, 1100psia 초과, 또는 1200psia 초과의 압력으로 가압될 수 있다.
감압된 LNG 스트림 및 추가로 가압된 LNG 스트림은 모두 하나 이상의 열 교환기로 파이프수송되며, 바람직한 양태에서는 단일 다중-스트림 극저온 열 교환기로 파이프수송된다. LNG 스트림은, 마찬가지로 열 교환기로 파이프수송되는 질소 가스 스트림과의 간접 열 교환을 거친다. 적합한 열 교환기는 평행류형 알루미늄 열 교환기(brazed aluminum type heat exchanger), 나권형(spiral wound type) 열 교환기, 및 인쇄 회로형(printed circuit type) 열 교환기를 포함할 수 있는 극저온 열 교환기를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 적합한 열 교환기는 LNG 스트림들 간의 간접 열 교환을 방지하거나 최소화하는 동시에 LNG 스트림들과 질소 가스 스트림 간에 간접 열 교환이 이뤄지게 할 것이다. 질소 가스 스트림은 열 교환기 내에서 적어도 부분적으로 액화되어, 20mol% 미만, 15mol% 미만, 10mol% 미만, 7mol% 미만, 5mol% 미만, 3mol% 미만, 2mol% 미만, 또는 1mol% 미만의 스트림이 증기상으로 잔류한다.
열 교환기로 파이프수송되는 질소 가스 스트림의 압력은 200psia 초과, 상기 질소 가스 스트림의 임계점 압력 초과, 700psia 초과, 800psia 초과, 900psia 초과, 1000psia 초과, 1100psia 초과, 또는 1200psia 초과일 수 있다.
질소 가스 스트림의 조성은, 70% 이상의 질소, 75% 이상의 질소, 80% 이상의 질소, 85% 이상의 질소, 90% 이상의 질소, 또는 95% 이상의 질소일 수 있다. 질소 가스 스트림은 다른 기체 불순물, 예를 들어 공기 중에서 발견되는 다른 성분, 예를 들어 산소, 아르곤, 및 이산화탄소를 포함할 수 있다.
다중-스트림 열 교환기로 도입되는 LNG 스트림들의 압력, 유속, 및 열 교환기 유출구 온도는, 질소 가스 스트림의 냉각 곡선을 LNG 스트림의 가온 곡선 또는 복합 가온 곡선에 가깝게 맞추도록 선택할 수 있다. 일부 양태에서, 추가로 가압된 LNG 스트림의 열 교환기 유출구 온도가 -150℃ 초과, -140℃ 초과, -130℃ 초과, -120℃ 초과, -115℃ 초과, -110℃ 초과, -105℃ 초과, -100℃ 초과, -75℃ 초과, -50℃ 초과, 0℃ 초과, 또는 20℃ 초과인 것이 바람직하다. 일부 양태에서, 추가로 가압된 LNG 스트림의 열 교환기 유출구 온도는 -150 내지 20℃, -140 내지 0℃, -130 내지 -50℃, 또는 -120 내지 -75℃일 수 있다. 일단 기화된 추가로 가압된 LNG 스트림은 가스 판매용 파이프라인에 도입되기에 충분한 압력일 수 있거나, 추가적인 압축을 필요로 하지 않는 재가스화 플랜트 내에서 이용될 수 있다. 감압된 LNG 스트림의 열 교환기 유출구 온도는 -50℃ 미만, -75℃ 미만, -100℃ 미만, -105℃ 미만, -110℃ 미만, 또는 -115℃ 미만인 것이 바람직하다. 일부 양태에서, 감압된 LNG 스트림의 열 교환기 유출구 온도는 -50 내지 -150℃, -75 내지 -125℃, 또는 -80 내지 -100℃이다. 감압된 LNG 스트림은 하나 이상의 열 교환기 내에서 완전히 또는 부분적으로 기화될 수 있다.
하나 이상의 열 교환기를 빠져나온 후, 감압된 LNG 스트림은 이의 액체 및 기체 성분으로 분리될 수 있다. 감압된 LNG 스트림의 액체 성분은 추가로 가압된 LNG 스트림의 압력 이상의 압력으로 펌핑된 후, 하나 이상의 열 교환기로 재순환될 수 있다. 감압된 LNG 스트림의 가스 성분은 가압된 가스를 판매용 가스 파이프라인에 도입하기에 적합한 압력으로 또는 재가스화 플랜트 내에서 압축된 가스를 사용하기에 적합한 압력으로 압축기에서 가압될 수 있다. 기체를 분배하기에 앞서, 가압된 가스를 기화되고 추가로 가압된 LNG 스트림의 일부 또는 전부와 혼합하는 것이 종종 바람직하다. 바람직한 양태에서, 감압된 LNG 스트림의 열 교환기 유출구 온도는, 압축 동안 모든 가스의 중간냉각을 필요로 하지 않으면서 사용에 적합한 압력으로 가스를 냉간 압축시킬 수 있도록 충분히 낮다.
일부 양태에서, 추가로 가압된 LNG 스트림의 전부 또는 일부는, 하나 이상의 열 교환기를 통해 유동한 후, 하나 이상의 제2 열 교환기로 파이프수송될 수 있다. 다르게는, 추가로 가압된 LNG 스트림의 전부 또는 일부는, 하나 이상의 열 교환기를 우회할 수 있고, 하나 이상의 제2 열 교환기에 직접 파이프수송될 수 있다. 하나 이상의 제2 열 교환기는, 질소 가스 스트림의 압축에 앞서, 추가로 가압된 LNG 스트림의 1개 이상의 질소 가스 스트림과의 간접 열 교환을 위해 사용할 수 있다. 추가로 가압된 LNG 스트림을 사용하는 1개 이상의 질소 가스 스트림의 냉각은, 1개 이상의 질소 가스 스트림의 하나 이상의 압축 스테이지 전에 발생할 수 있다. 추가로 가압된 LNG 스트림을 사용하는 1개 이상의 질소 가스 스트림의 냉각은, 질소 가스 스트림의 중간냉각 및/또는 후냉각 후에 발생할 수 있다. 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 가스의 중간냉각 및 후냉각은 환경과의 간접 열 교환에 의한 압축 후, 가스로부터 열을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 환경으로부터의 공기 또는 물을 사용하여 열을 제거하는 것이 일반적이다. 1개 이상의 질소 가스 스트림의 압축에 앞선, 추가로 가압된 LNG 스트림의 전부 또는 일부를 사용하는 1개 이상의 질소 가스 스트림의 냉각은, 0℃ 미만, -10℃ 미만, -20℃ 미만, -30℃ 미만, -40℃ 미만, 또는 -50℃ 미만의 흡입 온도에서 1개 이상의 질소 가스를 압축되게 할 수 있다. 1개 이상의 질소 가스 스트림의 냉간 압축은 상기 가스의 압축 에너지를 상당히 감소시킨다.
본원에 개시된 공정은 2개 이상의 LNG 스트림을 이용하여 1개 이상의 질소 스트림을 1개 이상의 LIN 스트림으로 액화시키는 이점을 가지며, 여기서, 상기 기화된 LNG 스트림의 요구되는 압축이 선행 기술보다 현저히 작을 수 있다. 예를 들어, GB 특허출원 제2,333,148호는 LNG의 기화가 LIN을 생성하는데 사용되는 공정을 개시한다. GB 특허출원 제2,333,148호의 방법은 1.2:1 초과인 LIN 대 LNG 비율이 LIN을 생성하는데 사용된다는 이점을 갖는다. 하지만, 영국 특허출원 제2,333,148호는 단일 LNG 스트림이 대기압에 가깝게 기화된다는 단점을 가진다. 천연 가스는 고압(800psi 초과)에서 가스 판매용 파이프라인에 수용되어야 하기 때문에, 파이프라인 압력으로 천연 가스를 가압하려면 상당한 양의 압축이 필요하다. 대기압에 근처로의 천연 가스 스트림의 압축은 대부분 각 압축 스테이지 후에 발생하는 상당한 양의 천연 가스 스트림의 중간냉각 및 후냉각을 포함하는 다중 압축 스테이지의 사용을 포함할 것이다. 이러한 천연 가스 스트림의 압축은 재가스화 플랜트 내의 압축기 및 냉각기에 상당한 자본 투자를 필요로 한다. 이는 LIN을 생산하기 위해 LNG를 재가스화할 때 사용가능한 엑서지의 이용에서의 임의의 열역학적 이점을 제거할 가능성이 가장 높은 에너지 집약적인 공정일 수도 있다. 영국 특허출원 공보 제2,333,148호와 대조적으로, 본원에 개시된 시스템 및 방법은 전체 LNG 유동 중 일부의 압축만을 필요로 한다. 본 발명의 일부 양태에서, 감압된 LNG 스트림은 전체 LNG 유동의 20% 미만, 전체 LNG 유동의 15% 미만, 또는 전체 LNG 유동의 10% 미만을 구성한다. 본 발명의 시스템 및 방법의 또 다른 이점은 감압된 LNG 스트림 가스의 압축이 -50℃ 미만의 온도에서 발생할 수 있다는 점이다. 감압된 LNG 스트림 가스의 냉간 압축은 가스를 압축하는데 필요한 에너지의 양을 상당히 감소시킨다.
예를 들어, LNG 스트림이 4개의 스트림으로 분할되는 양태에서, 3개의 감압된 스트림은 전체 LNG 유동의 20% 미만, 17% 미만, 15% 미만, 12% 미만, 또는 10% 미만을 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 가장 낮은 압력의 LNG 스트림은 전체 LNG 유동의 5% 미만, 4% 미만, 3% 미만, 2% 미만, 또는 1% 미만을 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 두 번째로 낮은 압력의 LNG 스트림은 전체 LNG 유동의 7% 미만, 6% 미만, 5% 미만, 4% 미만, 3% 미만, 또는 2% 미만을 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 세 번째로 낮은 압력의 LNG 스트림은 전체 LNG 유동의 10% 미만, 9% 미만, 8% 미만, 7% 미만, 또는 6% 미만을 구성할 수 있다. 일부 양태에서, 최고 압력의 LNG 스트림은 전체 LNG 유동의 80% 초과, 82% 초과, 84% 초과, 86% 초과, 88% 초과, 또는 90% 초과를 구성할 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은, 2개 이상의 LNG 스트림을 이용하여, 1개 이상의 질소 가스 스트림을 액화시켜 1개 이상의 LNG 스트림을 형성하는 추가적인 이점을 가지며, 여기서, 전체 LIN 대 LNG 비율은 1:1 초과이다. 예를 들어, 영국 특허 제1,376,678호 및 미국 특허 제5,139,547호 및 제5,141,543호는, LNG의 기화에 앞서 먼저 LNG가 파이프라인 수송 압력으로 가압되는 방법을 개시한다. 이러한 참조문헌에서, LNG의 기화는 질소 가스를 응축하는데 사용되며, 적어도 350psi 초과의 압력으로의 질소 기체의 다단 압축들 사이의 중간냉각기 내의 냉각수로 사용된다. 천연 가스의 기화 및 가온을 사용하는 질소 가스의 중간냉각은 이의 압축 에너지를 상당히 감소시키는, 질소 가스의 냉간 압축을 허용한다. 3개의 이러한 참조문헌 모두에 개시된 방법 및 공정은 0.5:1 미만의 LIN 대 LNG의 비율이 LIN 및 고압 천연 가스를 생산하는 데 사용된다는 단점을 가진다. 이러한 낮은 LIN 대 LNG 비율은 재가스화 플랜트와 LNG 플랜트를 지점-대-지점 통합되지 않게 하는데, 이는 LIN을 유일한 냉매로 사용하여 LNG를 생산하기 위해 일반적으로 1:1 초과의 LIN 대 LNG 비율을 필요로 하기 때문이다. 영국 특허 제1,376,678호 및 미국 특허 제5,139,547호 및 제5,141,543호에 개시된 재가스화 플랜트에서, LIN으로부터 생성된 LNG 외에 통상적인 LNG 플랜트로부터 공급된 LNG가 사용될 필요가 있다. 이에 반해, 본원에 개시된 시스템 및 방법은 1:1 초과의 LIN 대 LNG 비율을 사용하여 LIN의 에너지 효율적인 생산을 가능하게 하는 이점을 갖는다. LNG 플랜트 및 재가스화 플랜드 둘 다에서의 LIN 대 LNG 비율을 맞추는 것은, 통상적인 생산원으로부터의 LNG가 필요 없기 때문에 LNG 가치 사슬의 통합을 용이하게 한다. 또한, 이러한 시스템 및 방법의 특정 양태는, 공정 효율을 개선하기 위해, 질소 가스 스트림의 압축에 앞서 질소 가스 스트림을 냉각시키는데 사용될 LNG 스트림들 중 하나 이상을 기화되게 한다.
본원에 개시된 시스템 및 방법의 다양한 양태를 설명하였지만, 본 발명의 추가적인 특정 양태는 도면을 참조하여 설명되는 하기 단락에 언급되는 것들을 포함한다. 일부 특징이 단 하나의 도면(예를 들어, 도 1, 도 2, 또는 도 3)을 참조하여 설명되지만, 이들은 다른 도면에도 동일하게 적용될 수 있으며, 다른 도면 또는 상기 논의와 함께 사용될 수 있다.
도 1은, 파이프라인 수송용 LIN 및 가압 천연 가스가 하나 이상의 열 교환기에서 1개 이상의 질소 가스 스트림과 2개 이상의 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해 생성되는 시스템을 도시하며, 여기서, 각각의 LNG 스트림은 압력이 상이하다. 질소 가스 스트림(111)이 상기 시스템에 제공된다. 질소 가스 스트림(111)은 질소 가스를 포함하며, 산소와 같은 불순물을 1000ppm 미만, 750ppm 미만, 500ppm 미만, 250ppm 미만, 200ppm 미만, 150ppm 미만, 100ppm 미만, 75ppm 미만, 50ppm 미만, 25ppm 미만, 20ppm 미만, 15ppm 미만, 10ppm 미만, 또는 5ppm 미만의 불순물을 함유할 수 있다. 질소 가스 스트림(111)은 임의의 사용가능한 공급원으로부터 제공될 수 있으며, 예를 들어 막 분리, 압력 스윙 흡착 분리, 또는 극저온 공기 분리와 같이 공기로부터 질소 가스를 분리하기 위한 일반적으로 공지된 산업 공정으로부터 제공될 수 있다. 일부 바람직한 양태에서, 질소 가스 스트림(111)은 극저온 공기 분리 시스템으로부터 제공된다. 이러한 시스템은 높은 양(예를 들어, 100MSCFD 초과)으로 고순도 질소 가스 스트림(예를 들어, 10ppm 미만의 O2와 같은 불순물)을 제공할 수 있기 때문에 바람직할 수 있다. 질소 가스 스트림(111)은 대기압 초과, 25psia 초과, 50psia 초과, 75psia 초과, 100psia 초과, 125psia 초과, 150 psia 초과, 또는 200psia 초과의 압력으로 시스템에 제공될 수 있다.
질소 가스 스트림(111)은 압축기(120)로 전달 또는 수송, 예를 들어 파이프수송될 수 있다. 압축기(120)는 질소 가스 스트림의 압력을 200psia 초과, 300psia 초과, 400psia 초과, 500psia 초과, 600psia 초과, 700psia 초과, 800psia 초과, 900psia 초과, 또는 1000psi 초과의 압력으로 증가시킨다. 일부 양태에서, 압축기(120)는 질소 가스 스트림의 압력을, 상기 질소 가스 스트림의 임계점 압력 초과의 압력으로 증가시킨다. 질소 가스 스트림의 압축은 단일 스테이지 또는 다중 스테이지의 압축에서 발생할 수 있다. 일부 양태에서, 압축기가 병렬, 직렬 또는 둘 다인 하나 이상의 압축기가 사용될 수 있다. 이후, 고압 질소 가스 스트림(112)은 2개의 스트림(112a 및 112b)으로 분할될 수 있으며, 이후 이들 스트림은 열 교환기(121 및 122)로 파이프수송되어, 고압 LIN 스트림(113)을 형성하기 위한 LNG 스트림의 기화를 포함하는 열 교환에 의해 액화된다.
도 1을 참조하면, LNG 스트림(101)이 시스템에 도입되고 중간 압력으로 가압되어 중간 압력 LNG 스트림(102)을 형성한다. LNG 스트림(101)은 당해 기술 분야에 공지된 수단, 예를 들어 펌프(123)를 이용하여 가압될 수 있다. 중간 압력 LNG 스트림(102)은 2개 이상의 LNG 스트림인, 제1 LNG 스트림(103) 및 제2 세트 LNG 스트림(104)으로 분할된다. 제1 LNG 스트림(103)은 하나 이상의 밸브(124)를 통한 유동에 의해 감압되어, 감압된 LNG 스트림(105)을 형성할 수 있다. 감압된 LNG 스트림(105)의 압력은 800psia 미만, 700psia 미만, 600psia 미만, 500psia 미만, 400psia 미만, 300psia 미만, 250psia 미만, 200psia 미만, 175psia 미만, 또는 150psia 미만일 수 있다. 감소된 LNG 스트림(105)의 압력은 5psia 초과, 10psia 초과, 15psia 초과, 20psia 초과, 또는 25psia 초과일 수 있다. 일부 양태에서, 감소된 LNG 스트림(105)의 압력은 약 10 내지 약 300psia, 또는 약 15 내지 200psia일 수 있다. 이후, 감압된 LNG 스트림(105)은, 상기 감압된 LNG 스트림(105)이 질소 가스 스트림(112a)과의 열 교환에 의해 기화되는 제1 열 교환기(121)로 운반된다. 열 교환기(121)를 떠날 때의 기화되고 감압된 LNG 스트림(107)의 유출구 온도는 -50℃ 미만, -75℃ 미만, -80℃ 미만, -85℃ 미만, -90℃ 미만, -95℃ 미만, 또는 -100℃ 미만일 수 있다. 이후, 기화되고 감압된 LNG 스트림(107)은 압축기(125)에서 800psia 초과의 압력으로 냉간 압축되어 압축된 천연 가스 스트림(108)을 형성할 수 있다. 기화되고 감압된 LNG 스트림(107)의 압축은 단일 스테이지 또는 다중 스테이지의 압축으로 일어날 수 있다. 제2 LNG 스트림(104)은 펌프(126)에서 펌핑되어 증가 가압된 LNG 스트림(106)을 생성한다. 증가 가압된 LNG 스트림(106)의 압력은 800psia 초과, 850psia 초과, 900psia 초과, 또는 1000psia 초과일 수 있다. 이후, 압력 증가된 LNG 스트림(106)은, LNG 스트림이 질소 가스 스트림(112b)과의 열 교환에 의해 기화되는 제2 열 교환기(122)로 파이프수송된다. 기화되고 압력 증가된 LNG 스트림(109)은 -10℃ 초과, 0℃ 초과, 10℃ 초과, 15℃ 초과, 또는 20℃ 초과의 유출구 온도를 가질 수 있다. 기화되고 증가 가압된 LNG 스트림(109)은 압축된 천연 가스 스트림(108)과 결합되어, 가스 판매용 파이프라인으로의 수송에 적합한 고압 천연 가스 스트림(110)을 형성할 수 있다.
열 교환기(121 및 122)를 빠져나가는 고압 LIN 스트림(113a 및 113b)은 하나의 스트림(113)으로 결합될 수 있으며, 이후 열 교환기(127)에서 추가로 냉각될 수 있다. 일부 양태에서, 고압 LIN 스트림(113a 및 113b)은 각각이 열 교환기(127) 내로 개별적으로 도입되는 반면, 다른 양태에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 열 교환기로 도입되기 전에 고압 LIN 스트림이 결합된다. 일부 양태에서, 고압 LIN 스트림(113)은 플래시 가스 열 교환기(127)에서 과냉각되어, 과냉각된 고압 LIN 스트림(114)을 형성한다. 이후, 과냉각된 고압 LIN 스트림(114)은 2상 유압 터빈, 단일상 유압 터빈, 밸브, 또는 당해 기술 분야에 공지된 다른 일반적인 장비를 사용하여 압력을 감소시킬 수 있다. 바람직한 양태에서, 과냉각된 고압 LIN 스트림(114)은 감압의 마지막 스테이지를 위한 2상 유압 터빈(128)을 사용하여 압력을 감소시킨다. 이후, 감압된 LIN 스트림(115)은 질소 플래쉬 가스 스트림(117)으로서의 증기 성분 및 생성물 LIN 스트림(116)으로서의 액체 성분으로 분리될 수 있다. 이어서, 질소 플래쉬 가스 스트림(117)은, 간접 열 교환을 통해 고압 LIN 스트림(113)을 냉각시키는데 이용될 수 있는 플래쉬 가스 교환기(127)로 되돌려질 수 있다. 이후, 가온된 질소 플래시 가스 스트림(118)은 재순환된 질소 가스 스트림(119)을 사용하여 냉간 압축될 수 있다. 가온된 질소 플래시 가스 스트림의 압축은 단일 스테이지 또는 다중 스테이지의 압축(129)에서 발생할 수 있다. 이후, 재순환된 질소 가스 스트림(119)은 질소 가스 스트림 압축 스테이지들 중 하나(120) 전에 질소 가스 스트림(111)과 혼합될 수 있다.
도 2는, 단일 다중-스트림 열 교환기(221)가 이용되는 양태를 도시한다. 이러한 양태는 LNG 스트림 및 LIN 스트림을 수송하기 위해 보다 적은 파이프수송을 필요로 한다는 이점을 갖는다. 도 1의 시스템과 유사하게, 도 2에서, LNG 스트림(201)은 시스템에 도입되고, 중간 압력으로 가압된다(223). 중간 압력 LNG 스트림(202)은 제1 LNG 스트림(203) 및 제2 LNG 스트림(204)으로 분할된다. 제1 LNG 스트림(203)은 하나 이상의 밸브(224)를 통해 유동함으로써 감압되어, 감압된 LNG 스트림(205)을 형성하고, 이후 다중-스트림 열 교환기(221)로 도입된다. 이후, 다중-스트림 열 교환기(221)를 빠져나가는 기화되고 감압된 LNG 스트림(207)은, 압축기(225)에서 800psia 초과의 압력으로 냉간 압축되어 압축 천연 가스 스트림(208)을 형성할 수 있다. 제2 LNG 스트림(204)은 펌프(226)로 펌핑되어, LNG 스트림이 질소 가스 스트림(212)과의 열 교환에 의해 기화되는 다중-스트림 열 교환기(221)로 도입되는 증가 가압된 LNG 스트림(206)을 생성한다. 다중-스트림 열 교환기(221)를 빠져나가는 증가 가압된 LNG 스트림(209)은, 압축된 천연 가스 스트림(208)과 결합되어 가스 판매용 파이프라인으로의 수송에 적합한 고압 천연 가스 스트림(210)을 형성할 수 있다.
도 1과 유사하게, 도 2 또한 시스템에 도입되고 압축기(220)로 파이프수송되는 질소 가스 스트림(211)을 도시한다. 압축된 고압 질소 가스(212)는, LNG 스트림의 기화를 포함하는 열 교환에 의해 액화되는 다중-스트림 열 교환기(221)로 도입되어, 고압 LIN 스트림(213)을 형성한다. 이후, 고압 LIN 스트림(213)은 플래시 가스 교환기(227)에서 과냉각되어, 과냉각된 고압 LIN 스트림(214)을 형성한다. 이후, 과냉각된 고압 LIN 스트림(214)의 압력은 2상 유압 터빈에서와 같이 감소(228)되어, 감압된 LIN 스트림(215)을 형성할 수 있다. 이후, 감압된 LIN 스트림(215)은 질소 플래시 가스 스트림(217) 및 생성물 LIN 스트림(216)으로 분리될 수 있다. 이후, 질소 플래시 가스 스트림(217)은, 간접 열 교환을 통해 고압 LIN 스트림(213)을 냉각시키는데 이용될 수 있는 플래시 가스 교환기(227)로 되돌려질 수 있다. 이후, 가온된 질소 플래시 가스 스트림(218)은, 재순환된 질소 가스 스트림(219)으로 냉간 압축(229)될 수 있으며, 이는 이후 질소 가스 스트림의 압축 스테이지들 중 하나(220) 전에 질소 가스 스트림(211)과 혼합될 수 있다.
도 3은, 파이프라인 수송을 위한 LIN 및 가압된 천연 가스가, 질소 가스 스트림과 및 압력이 상이한 4개의 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해 생성되는 시스템을 도시한다. 주요 LNG 스트림(301)은 중간 압력으로 가압되어(328), 중간 압력 LNG 스트림(302)을 형성한다. 중간 압력 LNG 스트림(302)은 압력이 50 내지 200psia, 60 내지 175psia, 또는 75 내지 150psia일 수 있다. 중간 압력 LNG 스트림은 4개의 LNG 스트림들인, 제1 LNG 스트림(303), 제2 LNG 스트림(304), 제3 LNG 스트림(305), 및 제4 LNG 스트림(306)으로 분할된다. 제1 LNG 스트림, 제2 LNG 스트림, 및 제3 LNG 스트림은, 하나 이상의 밸브(329, 330 및 331)를 사용하여 각각 제1 감압된 LNG 스트림(307), 제2 감압된 LNG 스트림(308), 및 제3 감압된 LNG 스트림(309)을 생성한다. 제1 감압된 LNG 스트림(307)의 압력은 15 내지 30psia일 수 있다. 제2 감압된 LNG 스트림(308)의 압력은 30 내지 60psia일 수 있다. 제3 감압된 LNG 스트림(309)의 압력은 50psia 내지 중간 압력일 수 있다. 제1 감압된 LNG 스트림, 제2 감압된 LNG 스트림, 및 제3 감압된 LNG 스트림의 압력은 서로 독립적이며 서로 상이하다. 제4 LNG 스트림(306)은 하나 이상의 펌프(332)를 사용하여, 800psia 초과일 수 있는 압력, 또는 보다 유사하게는 900psia 초과, 1000psia 초과, 1100psia 초과, 또는 1200psia 초과일 수 있는 압력으로 가압되어 추가로 가압된 LNG 스트림(310)을 형성한다. 3개의 감압된 LNG 스트림(307, 308, 및 309) 및 추가로 가압된 LNG 스트림(310)은 모두 단일 다중-스트림 극저온 열 교환기(333)로 파이프수송된다. 적합한 극저온 열 교환기는 평행류형 알루미늄 열 교환기, 나권형 열 교환기, 및 인쇄 회로형 열 교환기를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 적합한 유형의 열 교환기는 LNG 스트림들 간의 간접 열 교환을 방지하거나 최소화하면서, 4개의 LNG 스트림(307, 308, 309 및 310)과 질소 가스 스트림(320)이 간접적으로 열 교환되게 할 것이다. 제1 감압된 LNG 스트림(307), 제2 감압된 LNG 스트림(308), 및 제3 감압된 LNG 스트림(309)은, 각각 제1 기화되고 감압된 LNG 스트림(311), 제2 기화되고 감압된 LNG 스트림(312), 및 제3 기화되고 감압된 LNG 스트림(312)으로서 다중-스트림 극저온 열 교환기(333)를 빠져나간다. 감압된 LNG 스트림의 압력, 유속 및 열 교환기 유출구 온도는, 열 교환기 내에서의 온도 대 열 전달 곡선을 가깝게 맞출 수 있도록 선택될 수 있다. 기화되고 감압된 LNG 스트림의 온도는 -50℃ 미만, -60℃ 미만, -70℃ 미만, -80℃ 미만, -90℃ 미만, 또는 -100℃ 미만인 것이 바람직하다. 기화되고 감압된 LNG 스트림은 극저온 열 교환기 내에서 완전히 또는 부분적으로 기화될 수 있다. 열 교환기(333)를 빠져나온 후, 기화되고 감압된 LNG 스트림은 이들의 액체 및 가스 성분으로 분리될 수 있다. 기화되고 감압된 LNG 스트림의 액체 성분은, 추가로 가압된 LNG 스트림의 압력 이상의 압력으로 펌핑된 후, 극저온 열 교환기(단순성을 위해 도 3에 도시되지 않음)로 다시 재순환될 수 있다. 기화되고 감압된 LNG 스트림의 가스 성분은, 압축된 천연 가스 스트림(314)을 판매용 가스 파이프라인(316)으로 도입하기에 적합한 압력으로 또는 압축된 천연 가스 스트림을 재가스화 플랜트 내에서 사용하기에 적합한 압력으로 압축기(334)에서 가압될 수 있다. 압축된 천연 가스 스트림에 대한 적합한 압력은 800psia 초과, 900psia 초과, 1000psia 초과, 1100psia 초과, 또는 1200psia 초과일 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 기화되고 감압된 LNG 스트림의 온도는, 압축 동안 어떠한 가스의 중간냉각도 필요로 하지 않고 사용하기에 적합한 압력으로 가스를 냉간 압축할 수 있도록 충분히 낮다. 가스 판매용 파이프라인 또는 다른 사용자에게 가스를 분배하기에 앞서 고압 천연 가스 스트림(316)을 형성하기 위해, 압축된 천연 가스 스트림이, 기화되고 추가로 가압된 LNG 스트림(315)의 일부 또는 전부와 혼합되는 것이 종종 바람직하다.
추가로 가압된 LNG 스트림(310)은, 이후 하나 또는 둘 이상의 열 교환기(336 및 337)로 파이프수송되어 질소 가스 스트림 냉각 곡선의 보다 더 따뜻한 말단에서 질소 가스 스트림을 추가로 냉각시킬 수 있는 스트림(335)으로서 다중-스트림 극저온 열 교환기(333)를 빠져나간다. 추가로 가압된 LNG 스트림의 압력, 유속, 및 열 교환기 유출구 온도는, 열 교환기 내에서의 온도 대 열 전달 곡선이 근접하게 맞춰지도록 선택될 수 있다. 기화되고 추가로 가압된 LNG 스트림(315)의 온도는 0℃ 초과, 10℃ 초과, 15℃ 초과, 또는 20℃초과인 것이 바람직하다.
도 3은, 시스템에 도입되는 질소 가스 스트림(317)을 도시한다. 질소 가스 스트림은 재순환된 질소 가스 스트림(327)과 혼합될 수 있다. 본 명세서에서 여전히 질소 가스 스트림으로 나타내는 가스 혼합물은, 이후 하나 이상의 열 교환기(337)로 파이프수송될 수 있으며, 이는 추가로 가압된 LNG 스트림(335)의 전부 또는 일부와의 간접 열 교환에 의해 냉각되어 중간냉각된 질소 가스 스트림(318)을 형성할 수 있다. 추가로 가압된 LNG 스트림은, 다중-스트림 극저온 열 교환기를 통한 유동 후 하나 이상의 열 교환기로 파이프수송될 수 있거나, 또는 비도시된 일부 양태에서는, 다중-스트림 극저온 열 교환기를 우회하고 열 교환기로 직접적으로 진행될 수 있다. 일부 양태에서, 추가로 가압된 LNG 스트림을 사용하는 질소 가스 스트림의 냉각은, 질소 가스 스트림의 하나 이상의 압축 스테이지 전에 발생할 수 있다. 일부 양태에서, 추가로 가압된 LNG 스트림을 사용하는 질소 가스 스트림의 냉각은, 질소 가스 스트림의 환경과의 냉각 후에 발생할 수 있다. 중간냉각된 질소 가스 스트림은 0℃ 미만, -10℃ 미만, -20℃ 미만, -30℃ 미만, -40℃ 미만, -50℃ 미만의 온도를 가질 수 있다. 중간냉각된 질소 가스 스트림의 냉간 압축은 상기 가스의 압축 에너지를 상당히 감소시킨다. 도 3은, 중간냉각된 질소 가스 스트림(318)이 이후에 부스터 압축기(338)로 파이프수송되어 고압 질소 가스 스트림(319)을 형성하는 것을 도시한다. 고압 질소 가스 스트림(319)의 압력은 200psia 초과, 또는 상기 질소 가스 스트림의 임계점 압력 초과, 또는 1000psia 초과이다. 중간냉각된 질소 가스 스트림의 압축은 단일 스테이지 또는 다중 스테이지의 압축에서 발생할 수 있다. 이후, 고압 질소 가스 스트림(319)은 하나 이상의 열 교환기(336)로 파이프수송될 수 있으며, 이는 추가로 가압된 LNG 스트림(335)의 전부 또는 일부와의 간접 열 교환에 의해 냉각되어 후냉각된 질소 가스 스트림(320)을 형성한다. 일부 양태에서, 추가로 가압된 LNG 스트림을 사용하는 고압 질소 가스 스트림의 냉각은, 질소 가스 스트림을 환경과 냉각시킨 후에 발생할 수 있다. 후냉각된 질소 가스 스트림(320)은 0℃ 미만, -10℃ 미만, -20℃ 미만, -30℃ 미만, -40℃ 미만, 또는 -50℃ 미만의 온도를 가질 수 있다. 이후, 후냉각된 질소 가스 스트림(320)은 다중-스트림 극저온 열 교환기(333)로 파이프수송되며, 이는 기화되는 LNG 스트림(307, 308, 309 및 310)과의 열 교환에 의해 고압 LIN 스트림(321)으로 액화된다.
도 3에 도시된 LIN 스트림(321)은 플래시 가스 교환기(339)에서 추가로 과냉각될 수 있다. 과냉각된 고압 LIN 스트림(322)은 2상 유압 터빈, 단일상 유압 터빈, 밸브, 또는 당해 기술 분야에 공지된 다른 일반적인 장비들 중 하나 이상의 조합(340)을 사용하여 압력이 감소된다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 과냉각된 고압 LIN 스트림은 이의 감압의 마지막 스테이지를 위해 2상 유압 터빈을 사용하여 압력을 감소시킨다. 이후, 감압된 LIN 스트림(323)은 질소 플래시 가스 스트림(325)으로서의 이의 증기 성분 및 생성물 LIN 스트림(324)으로서의 이의 액체 성분으로 분리된다. 질소 플래시 가스 스트림은 플래시 가스 교환기(339)로 보내지며, 상기 교환기는 간접 열 교환을 통해 고압 LIN 스트림(321)을 냉각시키는 역할을 한다. 이후, 가온된 질소 플래시 가스 스트림(326)은 재순환된 질소 가스 스트림(327)으로 냉간 압축된다(341). 가온된 질소 플래시 가스 스트림의 압축은 단일 스테이지 또는 다중 스테이지의 압축에서 발생할 수 있다. 이후, 재순환된 질소 가스 스트림(327)은, 하나 이상의 질소 가스 스트림의 압축 스테이지 전에 질소 가스 스트림(317)과 혼합된다.
실시예
도 3에서와 같이 구성된 시스템의 질소 가스 스트림 및 LNG 스트림에 의해 나타나는 냉각 곡선을 모델링하기 위한 모의실험이 실시됐다. 도 4는, 도 3의 시스템을 이용하는 4개의 LNG 스트림의 복합 가온 곡선(402)과 함께 질소 가스 스트림에 대한 냉각 곡선(401)을 도시한다. 상기 모의실험에서, 질소 가스 스트림(315)은 1295psia의 압력으로 다중-스트림 열 교환기(333)에 도입된다. 제1 감압된 LNG 스트림(307)은 22.4psia의 압력으로 열 교환기에 도입되고, -118℃의 온도로 열 교환기를 빠져나간다(311). 제2 감압된 LNG 스트림(308)은 42.5psia의 압력으로 열 교환기에 도입되고, -118℃의 온도로 열 교환기를 빠져나간다(312). 제3 감압된 LNG 스트림(309)은 74psia의 압력으로 열 교환기에 도입되고, -118℃의 온도로 열 교환기를 빠져나간다(313). 추가로 가압된 LNG 스트림(310)은 1230psi의 압력으로 열 교환기에 도입되고, -98.5℃의 온도로 열 교환기를 빠져나간다(335). 제1 감압된 LNG 스트림, 제2 감압된 LNG 스트림, 및 제3 감압된 LNG 스트림은 각각 전체 LNG 유동의 0.93%, 1.9%, 및 5.23%를 구성한다. 추가로 가압된 LNG 스트림은 LNG 유동의 나머지 잔여량(91.94%)을 구성한다. 본 실시예에 대해, 열 교환기는 2℃의 최소 접근 온도에 맞게 설계되었다. 48.1MW의 열 부하(heat duty)에 대해 2.884℃의 로그 평균 온도 차이를 보였다. 도 4에서 확인되는 바와 같이, 각 스트림 중의 LNG의 압력과 양을 변화시킴으로써, 4개의 LNG 스트림의 복합 가온 곡선이 질소 가스 스트림의 냉각 곡선과 근사해질 수 있다. 이는 LIN을 형성하고 LNG의 재가스화 시, 시스템의 엑서지를 효율적으로 사용하게 한다.
특정 양태들 및 특징들은 수치 상한의 세트 및 수치 하한의 세트를 사용하여 설명되었다. 달리 명시되지 않는 한, 임의의 하한으로부터 임의의 상한까지의 범위가 고려될 수 있음이 이해된다. 모든 수치는 "약" 또는 "대략"의 나타낸 값이며, 당해 기술 분야의 숙련가가 예상할 수 있는 실험 오차 및 편차를 고려한다.
본원에 인용된 모든 특허, 시험 절차, 및 기타 문헌은, 이러한 개시가 본원 출원과 일치하지 않는 정도 및 이러한 포함이 허용되는 모든 사법권을 참조로 하여 완전히 포함된다.
상기한 내용은 본 발명의 양태들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 양태 및 추가 양태는 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않고 고안될 수 있으며, 이의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (30)

  1. 가스 가공 시설(gas processing facility)에서 액화 제1 가스 스트림을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    (a) 제1 가스 스트림을 제공하는 단계;
    (b) 액화 제2 가스 스트림을 제공하는 단계로서, 상기 제2 가스는 상기 제1 가스 스트림과는 상이하고, 상기 액화 제2 가스 스트림은 상기 가스 가공 시설과는 상이한 위치에서 제2 가스 스트림의 액화로부터 제조되는, 단계;
    (c) 상기 액화 제2 가스 스트림을, 적어도 제1의 액화 제2 가스 스트림 및 제2의 액화 제2 가스 스트림으로 분할하는 단계;
    (d) 상기 제1의 액화 제2 가스 스트림을 감압시켜, 상기 제1의 액화 제2 가스 스트림의 압력을 상기 제2의 액화 제2 가스 스트림의 압력 미만이 되게 하는 단계;
    (e) 상기 제1의 액화 제2 가스 스트림과 상기 제2의 액화 제2 가스 스트림을 수용하는 단일 다중-스트림 열 교환기 내에서 상기 제1 가스 스트림과 상기 제1의 액화 제2 가스 스트림 및 상기 제2의 액화 제2 가스 스트림과의 간접 열 교환에 의해, 상기 제1 가스 스트림을 액화하여 액화 제1 가스 스트림을 형성하는 단계로서, 상기 제1의 액화 제2 가스 스트림 및 상기 제2의 액화 제2 가스 스트림이 단일 다중-스트림 열 교환기의 차가운 말단에서 제1 가스 스트림과 열 교환하는, 단계;
    (f) 상기 제1의 액화 제2 가스 스트림의 적어도 일부를 기화하여, 제1의 제2 가스 스트림을 형성하는 단계;
    (g) 상기 제2의 액화 제2 가스 스트림의 적어도 일부를 기화하여, 제2의 제2 가스 스트림을 형성하는 단계;
    (h) 상기 제1의 제2 가스 스트림 및 상기 제2의 제2 가스 스트림 중 적어도 하나를 압축하여, 압축된 제2 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 액화 천연 가스(LNG) 재가스화(regasification) 시설에서 액화 질소 가스(LIN) 스트림을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    (a) 질소 가스 스트림을 제공하는 단계;
    (b) 2개 이상의 LNG 스트림들을 제공하는 단계로서, 각각의 LNG 스트림의 압력이 서로 독립적이며 서로 상이한, 단계;
    (c) 하나 이상의 열 교환기에서 상기 질소 가스 스트림과 상기 LNG 스트림들과의 간접 열 교환에 의해, 상기 질소 가스 스트림을 액화하는 단계로서, 상기 하나 이상의 열 교환기가 2개 이상의 LNG 스트림들을 수용하는 단일 다중-스트림 열 교환기이고, 상기 2개 이상의 LNG 스트림들이 단일 다중-스트림 열 교환기의 차가운 말단에서 질소 가스 스트림과 열 교환하는, 단계;
    (d) 상기 2개의 LNG 스트림들의 적어도 일부를 기화하여, 2개 이상의 천연 가스 스트림들을 생성하는 단계;
    (e) 상기 2개의 천연 가스 스트림들 중 적어도 하나를 압축하여, 압축된 천연 가스를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 질소 가스 스트림이 70% 초과의 질소를 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 질소 가스 스트림이 50psia 초과의 압력으로 제공되는, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 열 교환기로 제공되기 전에 상기 질소 가스 스트림을 200psia 초과의 압력으로 압축하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 질소 가스 스트림이 1000psi 초과의 압력으로 압축되는, 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 LNG 스트림들이 LIN을 유일한 냉매로 사용하는 LNG 생산 시설에서 생산되는, 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 압축된 천연 가스 스트림들 중 적어도 하나가 천연 가스 판매용 파이프라인으로 향하는, 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 LNG 스트림들 중 적어도 하나가 50 내지 200psi의 압력으로 제공되는, 방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 2개 이상의 LNG 스트림들 중 적어도 하나가 감압되어 감압된 LNG 스트림들을 형성하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 LNG 스트림들의 감압이 하나 이상의 밸브, 하나 이상의 유압 터빈, 또는 이들의 조합들을 사용하여 실시되는, 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 감압된 LNG 스트림들 중 적어도 하나가 10 내지 30psi의 압력을 갖는, 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 감압된 LNG 스트림들 중 적어도 하나가 30 내지 60psi의 압력을 갖는, 방법.
  14. 제2항에 있어서, 상기 2개 이상의 LNG 스트림들 중 적어도 하나가, 하나 이상의 펌프를 사용하여 가압되어, 추가로 가압된 LNG 스트림들을 형성하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 추가로 가압된 LNG 스트림들 중 적어도 하나가 800psi 이상의 압력을 갖는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 추가로 가압된 LNG 스트림들 중 적어도 하나가 1200psi 이상의 압력을 갖는, 방법.
  17. 제2항에 있어서, 상기 열 교환기가 평행류형 알루미늄 열 교환기(brazed aluminum type heat exchanger), 나권형(spiral wound type) 열 교환기, 인쇄 회로형(printed circuit type) 열 교환기, 또는 이들의 조합들인, 방법.
  18. 제2항에 있어서, 상기 2개 이상의 천연 가스 스트림들 중 적어도 하나의 온도가 -50℃ 미만인, 방법.
  19. 제2항에 있어서, 상기 2개 이상의 천연 가스 스트림들 중 적어도 하나의 온도가 -100℃ 미만인, 방법.
  20. 액화 천연 가스(LNG) 재가스화 시설에서 액화 질소 가스(LIN) 스트림을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    (a) 질소 가스 스트림을 제공하는 단계;
    (b) 액화 천연 가스(LNG) 스트림을 제공하는 단계;
    (c) 상기 LNG 스트림을, 적어도 제1 LNG 스트림, 제2 LNG 스트림, 제3 LNG 스트림, 및 제4 LNG 스트림으로 분할하는 단계;
    (d) 상기 제1 LNG 스트림, 제2 LNG 스트림, 및 제3 LNG 스트림을 감압하여, 상기 제1 LNG 스트림의 압력을 10 내지 35psia로, 상기 제2 LNG 스트림의 압력을 30 내지 60psia로, 상기 제3 LNG 스트림의 압력을 50 내지 100psia로 하는 단계;
    (e) 상기 질소 가스 스트림을, 상기 제1 LNG 스트림, 제2 LNG 스트림, 제3 LNG 스트림 및 제4 LNG 스트림을 수용하는 단일 다중-스트림 열 교환기 내에서 상기 질소 가스 스트림과 상기 제1 LNG 스트림, 제2 LNG 스트림, 제3 LNG 스트림, 및 제4 LNG 스트림과의 간접 열 교환에 의해 액화하여, 액화 질소 스트림을 형성하는 단계로서, 상기 제1 LNG 스트림, 제2 LNG 스트림, 제3 LNG 스트림 및 제4 LNG 스트림이 단일 다중-스트림 열 교환기의 차가운 말단에서 질소 가스 스트림과 열 교환하는, 단계;
    (f) 상기 제1 LNG 스트림, 제2 LNG 스트림, 제3 LNG 스트림, 및 제4 LNG 스트림의 적어도 일부를 기화하여, 제1 천연 가스 스트림, 제2 천연 가스 스트림, 제3 천연 가스 스트림, 및 제4 천연 가스 스트림을 형성하는 단계;
    (g) 상기 제1 천연 가스 스트림, 제2 천연 가스 스트림, 제3 천연 가스 스트림, 및 제4 천연 가스 스트림 중 적어도 하나를 압축하여, 압축된 천연 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 단계 (b)에 제공되는 상기 LNG 스트림이 14 내지 25psia의 압력으로 제공되는, 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 단계 (c) 전에, 단계 (b)의 상기 LNG 스트림을 50 내지 200psia의 압력으로 가압하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제20항 또는 제21항에 있어서, 단계 (c)의 상기 제4 LNG 스트림의 압력을 800psia 초과의 압력으로 증가시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제20항 또는 제21항에 있어서, 단계 (e)에서 상기 열 교환기로 도입되는 상기 질소 가스 스트림의 압력이 1000psia 초과의 압력인, 방법.
  25. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 열 교환기의 유출구에서의 상기 제1 천연 가스 스트림, 제2 천연 가스 스트림, 및 제3 천연 가스 스트림의 온도가 -120 내지 -75℃인, 방법.
  26. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 열 교환기의 유출구에서의 상기 제4 천연 가스 스트림의 온도가 -80 내지 -100℃인, 방법.
  27. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 제1 LNG 스트림이 전체 LNG 유동의 5% 미만을 구성하는, 방법.
  28. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 제2 LNG 스트림이 전체 LNG 유동의 7% 미만을 구성하는, 방법.
  29. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 제3 LNG 스트림이 전체 LNG 유동의 10% 미만을 구성하는, 방법.
  30. 삭제
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