KR20050102102A - 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체의 제거 - Google Patents

기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체의 제거 Download PDF

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Abstract

상승 압력에서 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체를 제거하여 낮은 천연 가스 액체 함량을 갖는 기체 생성물 스트림을 얻는 것이
(a) 냉각된 천연 가스 (3) 를 하부 제거부 (7) 및 상부 흡수부 (8) 로 구성되는 세정 장치 (6) 안으로 도입하는 단계,
(b) 상기 세정 장치로부터 오버헤드 스트림 (12) 을 제거하는 단계,
(c) 상기 오버헤드 스트림 (12) 을 부분적으로 응축 (14) 하고, 상기 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림을 기체 생성물 스트림 (20) 및 액체 환류 스트림 (21) 로 분리하는 단계,
(d) 상기 액체 환류 스트림 (21) 을 제1 환류 스트림 (22) 및 제2 환류 스트림 (23) 으로 분리하는 단계,
(e) 상기 제1 환류 스트림 (22) 을 상기 세정 장치 (6) 의 흡수부 (8) 의 상부로 도입하는 단계, 그리고
(f) 상기 제2 환류 스트림 (23) 을 제거부 (7) 의 상부에 도입하고, 상기 세정 장치 (6) 의 바닥으로부터 무거운 성분이 풍부한 액체 바닥 스트림 (10) 을 제거하는 단계
를 포함한다.

Description

기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체의 제거{REMOVING NATURAL GAS LIQUIDS FROM A GASEOUS NATURAL GAS STREAM}
본 발명은 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체의 제거에 관한 것이다. 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서, 천연 가스 액체라는 용어는 액화 석유 가스 성분 및 천연 가솔린과 같은 무거운 탄화수소 (heavier hydrocarbon) 를 지칭하기 위하여 사용된다.
천연 가스 액체는 제거되는 데, 이는 천연 가스 액체가 경제적 가치를 지니기 때문이며, 또한 천연 가스 액체의 제거는 천연 가스 스트림의 가열치 (heating value) 를 감소시키기 때문이다.
천연 가스 액체가 제거될 천연 가스 스트림의 몰조성비의 예를 들면 다음과 같다. 메탄 86 몰%, 에탄 6 몰%, 프로판 4 몰%, 부탄 플러스 1 몰%, 그리고 나머지는 질소, 이산화탄소, 헬륨 등의 다른 성분으로 되어 있다.
본 발명은 특히, 예를 들어 3 MPa (절대 압력) 보다 크며, 그리고 약 7 MPa (절대 압력) 인 천연 가스의 임계 압력보다는 낮은 상승 압력 (elevated pressure) 에서 천연 가스 스트림으로부터 상기 천연 가스 액체를 제거하는 것에 관한 것이다.
천연 가스 스트림으로부터 무거운 탄화수소를 제거하는 방법은 미국 특허 제5,325,673호에 개시되어 있다. 이 특허는 무거운 탄화수소를 제거하는 것에 의해 액화를 위한 천연 가스 스트림을 전처리하는 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법은
(a) 상부 농축부 및 하부 제거부를 갖는 세정 장치 (scrub column) 안으로 천연 가스 공급 스트림을 도입하는 단계,
(b) 상기 세정 장치의 상부 농축부 안으로 도입된 액체 환류 스트림 (liquid reflux stream) 에 상기 공급 스트림을 접촉시켜서 상기 공급 스트림으로부터 C5 + 탄화수소를 흡수하는 단계,
(c) C2 - C4 탄화수소를 포함하며 그리고 약 1 ppm 미만 농도의 C6 + 탄화수소 농도를 갖는 오버헤드 증기 생성물을 회수하는 (recover) 단계,
(d) 상기 세정 장치의 하부 내에 있는 액체의 일부를 재가열시켜서 (reboil) 상기 공급 스트림으로부터 가벼운 탄화수소를 제거하는 단계,
(e) C5 + 가 많은 액체 바닥 생성물 (liquid bottom product) 을 회수하는 단계, 그리고
(f) 상기 세정 장치을 작동시켜 상기 오버헤드 생성물 중의 C2 - C4 탄화수소를 주로 얻는 단계
를 포함한다.
상기 공지된 공정은 C6 + 탄화수소의 농도가 매우 낮은 오버헤드 생성물을 얻기 위한 것이지만, 그러나 상기 오버헤드 생성물은 여전히 상당한 양의 에탄, 프로판 및 부탄을 포함하고 있다.
이제 본 발명을 도면을 참조하여 예를 들어 자세히 설명하며, 상기 도면은
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예의 흐름도를 개략적으로 도시하며,
도 2 는 본 발명의 제 2 실시예의 흐름도를 개략적으로 도시한다.
우선 도 1 을 참조한다. 본질적으로 산성 가스가 없으며, 천연 가스 액체 (C2 - C4 탄화수소 및 C5 + 탄화수소) 를 포함하는 기상 천연 가스 스트림이 도관 (1) 을 통해 열교환기 (2) 에 공급되며 이 열교환기에서 상기 스트림이 부분적으로 응축된다. 부분적으로 응축된 천연 가스는 도관 (3) 을 통해 세정 장치 (6) 의 바닥에 공급된다. 세정 장치 안으로 들어가는 상기 천연 가스의 압력은 3 ~ 약 7 MPa (절대 압력) 사이이며, 그리고 온도는 0℃ ~ -20℃ 이다.
세정 장치 (6) 는 천연 가스가 공급되는 압력에서 작동한다. 세정 장치 (6) 는 하부 제거부 (7) 및 중간부 (9) 를 사이에 두고 상기 제거부 (7) 로부터 떨어져 있는 상부 흡수부 (8) 를 포함한다. 제거부 (7) 는 1 ~ 4 개의 이론적 분리 단 (stage) 을 포함하며 흡수부 (8) 는 4 ~ 10 개의 이론적 단을 포함한다. 상기 이론적 분리 단은 접촉 트레이 (tray) 또는 적절한 패킹재 (packing material) 로 제공될 수 있다.
상기 천연 가스 스트림의 기상분 (gaseous fraction) 은 세정 장치 (6) 안에서 제거부 (7) 및 흡수부 (8) 를 통과하여 상승할 수 있다. 천연 가스 스트림의 액상분 (liquid fraction) 은 도관 (10) 을 통해 세정 장치 (6) 로부터 제거된다.
세정 장치 (6) 의 상부로부터 오버헤드 스트림이 도관 (12) 을 통해 제거되며, 상기 오버헤드 스트림은 천연 가스 액체의 함량이 감소되어 있다. 상기 오버헤드 스트림은 열교환기 (14) 내에서 부분적으로 응축되며, 그리고 분리 용기 (17) 내에서 액체 스트림 및 기체 생성물 스트림으로 분리된다. 기체 생성물 스트림은 도관 (20) 을 통해 상기 분리 용기 (17) 로부터 제거되어 상기 기체 생성물 스트림의 액화를 위한 장치 (도시되지 않음) 에 전달된다. 상기 액체 스트림은 도관 (21) 을 통해 제거된다. 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림의 온도는 -25 ~ -65 ℃ 이며, 그리고 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림내의 액체의 양은 전체 오버헤드 스트림에 대해 10 ~ 35 몰 % 이다. 적절하게는 도관 (20) 을 통해 제거된 기체 생성물 스트림은 다른 곳으로 운반되기 전에, 열교환기 (14) 에 공급되어 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축하기 위한 저온을 제공한다.
상기 액체 스트림의 일부가 제1 환류 스트림으로서 도관 (22) 을 통해서 흡수부 (8) 위의 세정 장치 (6) 상부에 흡수제로서 도입된다. 상기 액체는 제거부 (7) 로부터 온 가스와 흡수부 (8) 에서 대향류 접촉 (counter-current contact) 을 하게된다. 메탄보다 무거운 성분은 흡수제로서 작용하는 제1 환류 스트림에 의해 가스로부터 제거된다.
상기 액체 스트림의 나머지는 제2 환류 스트림으로서 도관 (23) 을 통해 제거부 (7) 위에 있는 세정 장치 (6) 의 중간부 (9) 안으로 도입된다. 제거부 (7) 에서, 흡수부 (8) 에서 하강하는 제2 환류 스트림 및 액체는 천연가스 스트림의 올라오는 기상분과 대향류 접촉을 하게 된다. 상기 기상분은 상기 액체 스트림으로부터 가벼운 성분 (메탄 및 에탄) 을 제거한다. 그런 다음에, 가벼운 성분의 농도가 낮은 액체 스트림은 도관 (10) 을 통해 세정 장치 (6) 의 바닥으로부터 제거된다.
적절하게는, 도관 (23) 내의 제2 환류 스트림의 양은 분리 용기 (17) 로부터 제거되는 액체 스트림의 10 ~ 95 질량 % 사이이다.
또한 탄화수소 액체는 도관 (25) 을 통해 흡수부 (8) 의 상부로 도입될 수 있다. 적합한 탄화수소 액체는 부탄이다. 이 추가적인 흡수제의 양은 적절하게는 도관 (22) 을 통해 공급되는 액체 양의 1 ~ 4 배이다. 상기 추가의 흡수제는 적절하게는 부탄 플러스 성분으로 이루어진다.
이제 도 2를 참조한다. 도 1 을 참조하여 설명된 부분은 동일한 도면 부호를 가지며 여기서는 설명되지 않는다. 도관 (10) 을 통해 제거된 액체 바닥 스트림 (liquid bottom stream) 은 제거 장치 (stripping column, 30) 의 상부에 도입되어, 상기 액체 바닥 스트림으로부터 메탄 및 에탄과 같은 기체 성분이 제거된다. 제거 장치 (30) 은 적어도 하나의 이론적 분리단을 포함하는 제거부 (33) 을 갖는다. 적절하게는 상기 제거부 (33) 은 2 ~ 10 개의 이론적 분리단을 포함한다. 제거 장치 (30) 내의 압력은 2 ~ 3.5 MPa (절대 압력) 이다. 상기 액체 바닥 스트림의 압력 저하를 위해서, 도관 (10) 은 압력 저하 밸브 (34) 를 포함한다.
제거 장치 (30) 의 바닥으로부터 액체 스트림이 도관 (35) 을 통해 제거된다. 액체 바닥 스트림의 일부는 리보일러 (36) 내에서 증발되며, 생성된 증기는 제거 장치 (30) 의 바닥으로 도입된다. 나머지는 도관 (38) 을 통해서 저장소 (도시되지 않음) 또는 다른 처리부 (도시되지 않음) 로 보내어진다.
제거 장치 (30) 의 상부로부터 기체 오버헤드 스트림이 도관 (40) 을 통해 제거된다. 상기 기체 오버헤드 스트림은 열교환기 (43) 내에서 부분적으로 응축되어 부분적으로 응축된 기체 오버헤드 스트림이 얻어진다. 상기 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림은 분리기 (46) 내에서 액상분 및 기상분으로 분리된다. 액상분은 도관 (48) 을 통해 제거되어 환류로서 제거 장치 (30) 의 상부로 도입된다. 상기 기상분은 도관 (50) 을 통해 제거되어 기체 생성물 스트림에 부가된다. 선택적으로, 오버헤드 기상분의 압력은 압축기 (53) 에 의해 상기 기체 생성물 스트림의 압력까지 상승된다.
적절하게는 도관 (20) 을 통해 제거된 기체 생성물 스트림의 적어도 일부가 열교환기 (14) 에 공급되어 오버헤드 스트림 (12) 을 부분적으로 응축하기위한 저온을 제공한다.
적절하게는 기체 오버헤드는, 도관 (20) 을 통해 열교환기 (43) 에 공급된 기체 생성물 스트림과의 간접 열교환에 의해 부분적으로 응축된다.
적합하게는 도관 (10) 을 통해 세정 장치 (6) 로부터 제거된 상기 액체 바닥 스트림은 열교환기 (55) 내에서 기체 생성물 스트림과의 간접적 열교환을 통해 냉각된다.
열교환기 (2) 내에서 도관 (1) 안의 천연 가스 스트림은 부분적으로 응축되며, 적절하게는 이는 기체 생성물 스트림과의 간접 열교환에 의해 이루어진다.
적절하게는 세정 장치 (6) 의 상부에 공급된 탄화수소 액체는 오버헤드 기상분과의 간접 열교환에 의해 열교환기 (57) 내에서 냉각된다.
세 개의 계산된 예를 참조하여 본 발명을 더 설명한다. 본 발명을 따르지 않은 제1 에에서, 도관 (22) 을 통한 환류만이 세정 장치 (6) 의 상부에 공급된다. 본 발명에 따른 제2 예에서, 환류는 도관 (22, 23) 을 통해 공급되며, 본 발명에 따른 제3 예에서 추가적인 탄화수소 액체가 도관 (25) 을 통해 공급된다. 각 예의 조건은 천연 가스 액체의 회수를 최대화하도록 선택되었다.
상기 예들에서, 제거 장치는 8 개의 이론적 분리단을 포함한다. 본 발명에 따른 두 예에서, 제거부 (7) 는 두 개의 이론적 분리단을 포함하며 그리고 흡수부 (8) 는 6 개의 이론적 분리단을 포함한다.
결과를 아래 표 1-8 에 요약하였다.
표에서, 몰유량은 kmol/s 단위이며, 질량유량은 kg/s 단위, 온도는 ℃ 단위, 압력은 MPa (절대 압력), 그리고 몰조성비 (molar composition) 는 mol % 단위이다. 부탄 플러스 성분은 부탄, 이소-부탄, 펜탄, 이소-펜탄, 헥산 및 헵탄이다. 조성에서 언급된 다른 성분은 물, 질소, 황화수소, 이산화탄소 및 헬륨이다.
표 1 은 도관 (3) 을 통하여 공급되는 부분적으로 응축된 공급물에 관한 데이타.
표 2 는 도관 (12) 를 통해 세정 장치의 상부로부터 제거된 오버헤드 스트림에 관한 데이타. 내부 순환 (internal recycle) 으로 인해 도관 (3) 내에서의 유량보다 유량이 크다.
표 3 은 도관 (22) 을 통해 세정 장치 (6) 의 상부에 공급되는 환류에 관한 데이타.
표 4 는 도관 (23) 을 통해 세정 장치 (6) 내의 제거부 (7) 의 상부에 공급되는 환류에 관한 데이타.
표 5 는 도관 (25) 을 통해 세정 장치 (6) 의 상부에 공급되는 탄화수소 액체에 관한 데이타.
표 6 은 도관 (20) 을 통해 제거된 기체 생성물 스트림에 관한 데이타.
표 7 은 세정 장치 (6) 의 바닥으로부터 도관 (10) 을 통해 제거되는 공급 가스의 액상분에 관한 데이타.
상기 결과는 도 8 에서 도관 (10) 을 통해 세정 장치 (6) 의 바닥으로부터 제거된 액체 스트림 내의 탄화수소 함량을 비교하여 요약될 수 있다.
표 8 은 도관 (1) 을 통해 공급되는 공급물 (feed) 의 성분의 퍼센트로서, 도관 (10) 을 통해 제거된 액체 스트림의 조성 (마지막 예에서 도관 (25) 를 통해 공급되는 흡수 액체를 고려).
상기 결과는 환류 스트림을 두 개의 환류 스트림으로 분리하는 것의 유리한 효과를 보여주며, 세정 장치 (6) 의 상부에 공급되는 제1 환류 스트림 및 제거부 (7) 의 상부에 공급되는 제2 환류 스트림으로 분리하면 천연 가스 액체의 회수에 유리한 효과를 얻을 수 있음을 보여준다.
본 발명에 따른 방법은 처리 후 파이프라인으로 도입되며 이 파이프라인을 통해서 사용자에게 운송되는 천연 가스로부터 무거운 성분을 제거하기 위하여 사용될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 방법은 처리 후 천연 가스 액화 장치에 공급되는 천연 가스로부터 무거운 성분을 제거하기위하여 사용되는 것이 적절하다.
본 발명은 고압 분리 (High-pressure separation) 를 이용하여 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체를 제거하는 방법을 제공하며, 이러한 방법으로 프로판을 많이 회수할 수 있고, 그리고 메탄 및 에탄을 많이 제거할 수 있다. 또한 본원 발명은 리보일러 (reboiler) 가 필요없는 천연 가스 액체 제거 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 위하여, 천연 가스 액체의 함량이 감소된 기체 생성물을 얻기 위해 상승 압력에서 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체를 제거하기 위한 본 발명에 따른 방법은,
(a) 상기 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계,
(b) 각 부분이 하나 이상의 이론적 단 (theoretical stage) 을 포함하는 하부 제거부 및 상부 흡수부를 갖는 세정 장치 (scrub column) 의 바닥에 상기 냉각된 천연 가스 스트림을 도입하는 단계,
(c) 상기 세정 장치를 통해 천연 가스가 상승하도록 하고, 그리고 상기 세정 장치의 상부로부터 오버헤드 스트림을 제거하는 단계,
(d) 상기 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축하고, 그리고 상기 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림을 천연 가스 액체의 함량이 감소된 기체 스트림 및 액체 환류 스트림으로 분리하고, 그리고 천연 가스 액체의 함량이 감소된 기체 생성물 스트림으로서 상기 기체 스트림을 제거하는 단계,
(e) 상기 액체 환류 스트림을 제1 환류 스트림 및 제2 환류 스트림으로 분리하는 단계,
(f) 상기 제1 환류 스트림을 상기 세정 장치의 흡수부의 상부에 도입하는 단계,
(g) 상기 제2 환류 스트림을 상기 제거부의 상부에 도입하여 원하는 가벼운 기체 성분을 제거하는 단계, 그리고
(h) 상기 세정 장치의 바닥으로부터 무거운 성분이 풍부한 액체 바닥 스트림을 제거하는 단계
를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 적절하게 탄화수소 액체를 흡수부의 상부에 도입하는 단계를 더 포함한다.

Claims (10)

  1. 천연 가스 액체의 함량이 감소된 기체 생성물 스트림을 얻기 위해 상승 압력 (elevated pressure) 에서 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체를 제거하기 위한 방법으로서,
    (a) 상기 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계,
    (b) 각 부분이 하나 이상의 이론적 단 (theoretical stage) 을 포함하는 하부 제거부 및 상부 흡수부를 갖는 세정 장치 (scrub column) 의 바닥에 상기 냉각된 천연 가스 스트림을 도입하는 단계,
    (c) 상기 세정 장치를 통해 천연 가스가 상승하도록 하고, 그리고 상기 세정 장치의 상부로부터 오버헤드 스트림을 제거하는 단계,
    (d) 상기 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축하고, 그리고 상기 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림을 천연 가스 액체의 함량이 감소된 기체 스트림 및 액체 환류 스트림으로 분리하고, 그리고 천연 가스 액체의 함량이 감소된 기체 생성물 스트림으로서 상기 기체 스트림을 제거하는 단계,
    (e) 상기 액체 환류 스트림을 제1 환류 스트림 및 제2 환류 스트림으로 분리하는 단계,
    (f) 상기 제1 환류 스트림을 상기 세정 장치의 흡수부의 상부에 도입하는 단계,
    (g) 상기 제2 환류 스트림을 상기 제거부의 상부에 도입하여 원하는 가벼운 기체 성분을 제거하는 단계, 그리고
    (h) 상기 세정 장치의 바닥으로부터 무거운 성분이 풍부한 액체 바닥 스트림을 제거하는 단계
    를 포함하는 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체를 제거하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (d) 에서 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축하는 것은 기체 생성물 스트림의 적어도 일부와의 간접 열교환에 의한 냉각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하나 이상의 이론적 분리단을 갖는 제거 장치의 상부에 상기 액체 바닥 스트림을 저압에서 도입하는 단계,
    일부가 증발될 액체 스트림을 제거 장치의 바닥으로부터 제거하며 상기 일부를 상기 제거 장치의 바닥에 도입하는 단계,
    상기 제거 장치의 상부로부터 기체 오버헤드 스트림을 제거하는 단계,
    상기 기체 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축시키고 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림을 액상분 및 기상분으로 분리하는 단계,
    상기 액상분을 제거 장치의 상부에 도입하는 단계, 및
    상기 오버헤드 이상분을 상기 기체 생성물 스트림에 추가하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기체 오버헤드는 상기 기체 생성물 스트림과의 간접 열교환에 의해 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 세정 장치로부터 나온 액체 바닥 스트림은 상기 기체 생성물 스트림과의 간접적 교환에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천연 가스 스트림은 상기 기체 생성물 스트림과의 간접 열교환에 의해 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    탄화수소 액체를 상기 흡수부의 상부에 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄화수소 액체를 상기 흡수부의 상부에 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상승 압력에서 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체를 제거하여 감소된 천연 가스 액체 함량을 갖는 기체 생성물 스트림을 얻는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄화수소 액체는 상기 오버헤드 기상분과의 간접 열교환에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 기체 천연 가스 스트림으로부터 천연 가스 액체를 제거하여 천연 가스 액체의 함량이 감소된 기체 생성물 스트림을 얻고, 그리고 상기 기체 생성물 스트림을 액화하여 액화 천연 가스를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연 가스 액화 방법.
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