KR19990087179A - 액화천연가스내의 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법 - Google Patents

액화천연가스내의 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법 Download PDF

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앨베르투스 빌헬무스 요안네스 지스트라텐
쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

액화천연가스를 액화압에서 외부 열교환기 (3) 의 고온측 (2) 으로 통과시켜 냉각된 액화천연가스 (6) 를 수득하고, 냉각된 액화천연가스를 중간압으로 동적 팽창 (9) 시키고, 저압으로 정적 팽창 (10) 시켜, 팽창된 유체 (15) 를 수득하고, 팽창된 유체를, 접촉 구획 (25) 이 분별 칼럼의 상부 및 하부 사이에 배열된 분별 칼럼 (20) 의 상부로 도입하고; 디렉트 사이드 스트림 (32) 를 저압에서 외부 열교환기 (3) 의 냉측 (30) 으로 통과시켜, 가열된 2-상 유체 (36) 를 수득하고; 가열된 2-상 유체를 분별 칼럼 (20) 의 하부 (28) 로 도입하여, 증기를 접촉 구획 (25)를 통해 위쪽으로 흐르게 하고; 팽창된 유체의 액체를 접촉 구획 (25) 를 통해 아래쪽으로 흐르게 하고; 분별 칼럼 (20) 의 하부로부터는 저비점을 갖는 성분의 감소된 함량을 갖는 액체 생성물 스트림을 회수하고, 분별 칼럼의 상부로부터는 저비점을 갖는 성분이 풍부한 기체 스트림을 회수하는 것을 포함하는 액화천연가스 (1) 내 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법.

Description

액화천연가스내의 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법
본 발명은 액화천연가스내의 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 저비점을 갖는 성분은 일반적으로, 질소, 헬륨 및 수소이며, 이들 성분은 또한 '경성분(light components)'이라 불리기도 한다. 이러한 방법에서, 액화천연가스를 액화압에서 액화하고, 이어서 액화천연가스의 압력을 감소시키고 분리하여, 저압에서 저비점을 갖는 성분의 감소된 함량을 갖는 액화천연가스를 수득하고, 이 액화천연가스를 더 처리하거나 저장할 수 있다. 따라서 상기 방법은 두 가지 목적을 충족시키는데, 첫째는, 액화천연가스의 압력을 저압으로 감소시키는 것이고, 둘째는, 액화천연가스로부터 저비점을 갖는 성분을 포함한 기체 스트림을 분리하여 남은 액화천연가스가 충분히 낮은 함량의 저비점을 갖는 성분을 갖도록 확실히 하는 것이다. 일반적으로, 저비점을 갖는 성분, 특히 질소의 함량은 2 내지 15 몰 % 이상에서 1 몰 % 미만으로 감소된다. 상기 방법은 때때로 엔드 플래쉬 방법 (end flash method) 이라고 불린다.
천연가스의 액화압은 일반적으로 3.0 내지 6.0 MPa 의 범위이다. 저압은 액화압 미만이며, 예를 들면 0.3 MPa 미만, 적당하게는 약 대기압, 0.10 내지 0.15 MPa 사이이다.
국제 특허 출원 공보 WO 제 93/08 436 호는 액화천연가스내의 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 하기 단계를 포함한다:
(a) 액화천연가스를 액화압에서 또는 중간압에서 외부 열교환기의 고온측으로 통과시켜 냉각된 액화천연가스를 수득하고, 냉각된 액화천연가스가 저압으로 팽창되도록 하여 팽창된 유체를 수득하고, 팽창된 유체를, 접촉 구획이 분별 칼럼의 상부와 하부 사이에 배열된 분별 칼럼의 상부로 도입하고;
(b) 액화천연가스 분획을 외부 열교환기의 냉측을 통해 분별 칼럼으로부터 회수하여 가열된 2-상 유체를 수득하고;
(c) 가열된 2-상 유체를 분별 칼럼의 하부로 도입하고, 증기를 접촉 구획을 통하여 위쪽으로 흐르게 하고;
(e) 팽창된 유체의 액체를 접촉 구획을 통하여 아래쪽으로 흐르게 하고;
(f) 분별 칼럼의 하부로부터는 저비점을 갖는 성분의 감소된 함량을 함유한 액체 생성물 스트림을 회수하고, 분별 칼럼의 상부로부터는 저비점을 갖는 성분이 풍부한 기체 스트림을 회수하고,
여기서, 액화압으로부터 중간압으로는 동적 팽창을 수행하고, 중간압으로부터 저압으로는 정적 팽창을 수행한다.
중간압은 액화압과 저압 사이이고, 동적 팽창중에 증발을 실질적으로 피할 수 있도록 선택된다.
공지된 방법에서, 외부 열교환기에서 가열된, 분별 칼럼으로부터 회수된 분획은 스트립핑을 위한 증기를 제공한다. 이 분획은 접촉 구획내의 레벨에서 분별 칼럼으로부터 제거된 정상 사이드 스트림 (normal side stream) 이며, 상기 접촉 구획은 팽창된 유체가 분별 칼럼의 상부로 도입되는 레벨 아래에 배열된다. 예를 들어 접촉 구획이 접촉 트레이를 포함한다면, 분획을 인접한 접촉 트레이 사이의 레벨로부터 제거한다. 결과적으로, 분획은 그것이 분획 칼럼으로부터 제거되기 전에, 분별 칼럼을 통하여 상승하는 증기와 친밀하게 접촉된다. 이러한 친밀한 접촉의 결과로 물질 및 열이 액체와 증기 사이에서 교환된다. 따라서, 액체 조성이 변화될 뿐만 아니라, 액체가 가열된다.
본 발명의 명세서에서, 용어 '기체' 및 '증기'는 서로 구분없이 사용될 것이다.
본 출원인은 상기 방법을 향상시키고, 이용가능한 가장 차가운 유체를 외부 열교환기의 냉측으로 통과시키는 방법을 제공하려 노력하였다.
이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 액화천연가스내의 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법은 하기 단계를 포함한다:
(a) 액화천연가스를 액화압에서 또는 중간압에서 외부 열교환기의 고온측으로 통과시켜 냉각된 액화천연가스를 수득하고, 냉각된 액화천연가스가 저압으로 팽창되도록 하여 팽창된 유체를 수득하고, 팽창된 유체를, 접촉 구획이 분별 칼럼의 상부와 하부 사이에 배열된 분별 칼럼의 상부로 도입하고;
(b) 디렉트 사이드 스트림을 저압에서 외부 열교환기의 냉측으로 통과시켜 가열된 2-상 유체를 수득하고;
(c) 가열된 2-상 유체를 분별 칼럼의 하부로 도입하고, 증기를 접촉 구획을 통하여 위쪽으로 흐르게 하고;
(d) 팽창된 유체의 액체를 접촉 구획을 통하여 아래쪽으로 흐르게 하고;
(e) 분별 칼럼의 하부로부터는 저비점을 갖는 성분의 감소된 함량을 갖는 액체 생성물 스트림을 회수하고, 분별 칼럼의 상부로부터는 저비점을 갖는 성분이 풍부한 기체 스트림을 회수하고,
여기서, 액화압으로부터 중간압으로는 동적 팽창을 수행하고, 중간압으로부터 저압으로는 정적 팽창을 수행한다.
본 발명의 명세서 및 청구항에서, '디렉트 사이드 스트림'의 표현은 분별 칼럼내 접촉 구획의 상부 스트림 (upstream) 인 지점에서, 적당하게는 외부 열교환기의 하부 스트림 (downstream) 이며 분별 칼럼내 접촉 구획의 상부 스트림인 지점에서 액화천연가스로부터 분리된 그의 액체 부분을 말하는 것이다.
본 발명의 이점은 분별 칼럼의 접촉 구획에 액체 로우드(load)를 감소시키고, 결과적으로 스트립핑 계수가 증가하고, 따라서, 스트립핑 효율이 증가한다는 것이다.
이제, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이다. 여기서, 도 1 은 본 발명의 첫번째 구현예를 나타내며;
도 2 는 본 발명의 두번째 구현예를 나타내며;
도 3 은 본 발명의 세번째 구현예를 나타내며; 도 4 는 선 IV-IV 을 따라 확대하여 그린, 도 3 의 교차-구획(cross-section) 을 나타낸다.
도 1 을 참조한다. 액화천연가스를 액화압에서 도관 1 을 통하여 외부 열교환기 3 의 고온측 2 로 공급한다. 외부 열교환기 3 에서 액화천연가스를 간접 열교환기에 의해 냉각시켜 냉각된 액화천연가스를 수득한다. 냉각된 액화천연가스를 도관 6을 통하여 팽창 단위 8 로 공급하여 (이 팽창 단위 8 은 냉각된 액화천연가스를 액화압으로부터 중간압으로 동적 팽창시키는 터보 팽창기 9 의 형태로 액체를 동적 팽창시키는 장치 및 냉각된 액화천연가스를 중간압으로부터 저압으로 정적 팽창시키는 스로틀 밸브 10 을 포함한다.) 팽창된 유체를 수득한다. 터보 팽창기 9 및 스로틀 밸브 10 은 연결 도관 13 에 의해 연결되어 있다. 이어서, 팽창된 유체를 도관 15 를 통하여 저압에서 작동하는 분별 칼럼 20 으로 공급한다.
팽창된 유체를 입구 21 을 통하여 분별 칼럼 20 의 상부 22 로 도입한다. 분별칼럼 20 은, 접촉 구획 25 가 분별 칼럼 20 의 상부 22 와 하부 28 사이에 배열되어 있다. 접촉 구획 25 는 축방향으로 간격을 두고 떨어진 다수의 접촉 트레이에 의하여, 또는 기체와 액체 사이의 친밀한 접촉을 제공하는 패킹물질에 의하여 형성될 수 있고, 접촉 트레이의 수 또는 패킹물질의 높이는 최소한 이론 평형 단계, 적당하게는 3 내지 10 단계에 의해 제공되는 분별에 상응하는 분별을 제공하도록 선택된다.
외부 열교환기 3 에서, 액화천연가스를 저압에서, 외부 열교환기 3 의 냉측 30 을 통과하는 디렉트 사이드 스트림과의 간접 열 교환에 의해 냉각시켜 가열된 2-상 유체를 수득한다.
냉각된 액화천연가스의 일부를 중간압에서 취하고 저온으로 정적 팽창시킴으로써 디렉트 사이드 스트림을 수득한다. 이 부분을 교차점 31 에서 냉각된 액화천연가스로부터 제거하여 스로틀 밸브 34 가 장착된 도관 32 를 통하여 열교환기 3 의 냉측 30 으로 공급한다.
가열된 2-상 유체를 저압에서 도관 36 을 통하여 분별 칼럼 20 으로 통과시키고, 이를 입구 40 을 통하여 분별 칼럼 20 의 하부 28 로 도입한다. 가열된 2-상 유체로부터 증기를 접촉 구획 25 를 통하여 위쪽으로 흐르게 한다.
팽창된 유체의 액체를 접촉 구획 25를 통하여 아래쪽으로, 증기에 대해 역흐름으로 흐르게 한다.
저비점을 갖는 성분을 감소된 양으로 함유하는 액체 생성물 스트림을 도관 45 를 통하여 분별 칼럼 20 의 하부로부터 회수하고, 저비점을 갖는 성분이 풍부한 기체 스트림을 도관 47 을 통하여 분별 칼럼 20 의 상부로부터 회수한다.
디렉트 사이드 스트림을 교차점 13 에서 냉각된 액화천연가스로부터 제거하고 이를 분별하지 않았으므로, 이는 가열되지 않은 것이다. 더욱이, 분별 칼럼을 통해 아래쪽으로 흐르는 액체의 양은 액화천연가스내의 액체의 양에서 디렉트 사이드 스트림의 양을 뺀 것이므로, 분별 칼럼내의 액체 로우드가 감소되며, 따라서 스트립핑 효율이 향상된다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 액화천연가스가 액화압에서 외부 열교환기 3 의 고온측 2를 통과하도록, 터보 팽창기 9 를 외부 열교환기 3 의 하부 스트림에 배열한다. 대안적인 구현예 (나타내지 않음) 에서는, 액화천연가스가 중간압에서 외부 열교환기 3 의 고온측 2 를 통과하도록, 터보 팽창기를 직접 열교환기의 상부 스트림에 배열한다.
이제, 본 발명의 대안적인 구현예를 나타내는 도 2 를 참조한다. 도 1 에 나타낸 부분에 해당하는 부분은 동일한 참조 번호를 갖는다.
도 2 의 구현예는 디렉트 사이드 스트림을 다른 방법으로 수득한다는 점에서만 도 1 에 나타낸 것과 다르며, 나머지는 동일하므로, 통상적인 조작은 상세히 논의하지 않을 것이다. 도 2 의 구현예에서, 디렉트 사이드 스트림을 하기와 같이 수득한다. 중간압에서 냉각된 액화천연가스의 일부를 교차점 31 에서 냉각된 액화천연가스로부터 제거하고, 스로틀 밸브 34 가 장착된 도관 32 를 통하여 분리기 50 으로 공급한다. 분리기 50 에서, 증기를 상기 냉각된 액화천연가스의 일부로부터 제거하고, 이 액체를 도관 51 을 통하여 열교환기 3 의 냉측 30 으로 통과시킨다.
적당하게는 증기를 도관 52 를 통과시키고, 이것이 분별 칼럼 20 으로 들어가기 전에, 교차점 53 에서 팽창된 유체에 첨가한다.
이제, 도 2 의 향상된 구현예를 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다. 도 1 에 나타낸 부분에 해당하는 부분은 동일한 참조 번호를 가지며, 다른 특징을 갖는 조작만 설명할 것이다.
이 향상된 구현예에서, 분별 칼럼 20 의 상부 22 로부터 사이드 스트림을 회수함으로써 디렉트 사이드 스트림을 수득한다. 이 목적을 위해 부분적 인출(draw-off) 트레이 60 을, 팽창된 유체를 도입하는 레벨 아래이고 접촉 구획 25 위인, 분별 칼럼 20 의 상부 22 에 배열한다. 부분적 인출 트레이는 중앙 트로프(trouph) 62 (도 4 참조) 및 중앙 트로프 61 안으로 열려진 다수의 사이드 트로프 62 를 포함한다. 분별 칼럼 20 은 부분적 인출 트레이 60 에 의해 수집된 액체를 회수하기 위한 출구 (나타내지 않음) 가 장착되어 있다.
통상적인 조작 중에, 팽창된 유체를 입구 21 을 통하여 분별 칼럼 20 으로 도입하고, 액체 하부 스트림의 일부를 부분적 인출 트레이 60 에 의해 수집하고, 디렉트 사이드 스트림으로서 도관 65 를 통하여 외부 열교환기로 통과시킨다. 참조 번호 60 으로 지정한 부분적 인출 트레이는 친밀한 기체/액체 접촉을 제공하지 않는 트레이이다. 따라서, 이 트레이로부터 회수한 액체는 이 트레이로 들어가는 액체와 동일한 조성을 가지며, 결과적으로, 이 트레이를 떠나는 증기 및 액체는 서로 평형을 이루지 않는다. 그러므로, 이와 같은 부분적 인출 트레이는 이론적 평형 단계가 아니다.
디렉트 사이드 스트림은 액화천연가스의 양을 기준으로 10 내지 60 몰 % 이다.
공지된 방법에 대한 본 발명의 방법의 이점은, 외부 열교환기의 하부 스트림이며 분별 칼럼내 접촉 구획의 상부 스트림인 지점에서, 액화천연가스로부터 분리된 액화천연가스의 액체 부분인 디렉트 사이드 스트림을 분별하지 않으므로, 이것이 이용가능한 가장 차가운 스트림이라는 점이다.
본 발명의 또 다른 이점은 분별 칼럼의 접촉 구획내 액체 로우드가 감소되고, 결과적으로 스트립핑 계수가 증가하며, 따라서 스트립핑 효율이 증가한다는 점이다.

Claims (5)

  1. 하기 단계를 포함하는, 액화천연가스내에 저비점을 갖는 성분의 양을 감소시키는 방법:
    (a) 액화천연가스를 액화압에서 또는 중간압에서 외부 열교환기의 고온측을 통과시켜 냉각된 액화천연가스를 수득하고, 냉각된 액화천연가스가 저압으로 팽창되도록 하여 팽창된 유체를 수득하고, 팽창된 유체를, 접촉 구획이 분별 칼럼의 상부와 하부 사이에 배열된 분별 칼럼의 상부로 도입하고;
    (b) 디렉트 사이드 스트림을 저압에서 외부 열교환기의 냉측을 통과시켜 가열된 2-상 유체를 수득하고;
    (c) 가열된 2-상 유체를 분별 칼럼의 하부로 도입하고, 증기를 접촉 구획을 통하여 위쪽으로 흐르게 하고;
    (d) 팽창된 유체의 액체를 접촉 구획을 통하여 아래쪽으로 흐르게 하고;
    (e) 분별 칼럼의 하부로부터 저비점을 갖는 성분의 감소된 함량을 함유한 액체 생성물 스트림을 회수하고, 분별 칼럼의 상부로부터 저비점을 갖는 성분이 풍부한 기체 스트림을 회수하고,
    여기서, 액화압으로부터 중간압으로는 동적으로 팽창을 수행하고, 중간압으로부터 저압으로는 정적으로 팽창을 수행한다.
  2. 제 1 항에 있어서, 중간압에서 냉각된 액화천연가스의 일부를 취하여 저압으로 정적 팽창시킴으로써 디렉트 사이드 스트림을 수득하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 디렉트 사이드 스트림이, 중간압에서 냉각된 액화천연가스의 일부를 취하여 저압으로 정적 팽창시켜 2-상 유체를 수득하고, 2-상 유체로부터 증기를 제거함으로써 수득된 액체인 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 팽창된 유체가 분별 칼럼속으로 들어가기 전에, 증기를 팽창된 유체에 첨가하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 사이드 스트림을 분별 칼럼의 상부로부터 회수함으로써 디렉트 사이드 스트림을 수득하는 방법.
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