KR20070022788A - 혼합 냉매 액화 공정 - Google Patents

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엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

본 발명은 천연 가스 스트림의 액화 방법에 관한 것이다. 하나의 양태에서, 장해 방법은 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고; 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고; 증기상 냉매를 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고; 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시킴을 포함한다. 또 다른 양태에서, 당해 방법은 액상 냉매 스트림을 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 분획을 1중량% 이상 보유함을 추가로 포함한다.
천연 가스, 액화 방법, 혼합 성분 냉매, 증기상 냉매, 액상 냉매, 열 교환 영역.

Description

혼합 냉매 액화 공정{Mixed refrigerant liquefaction process}
본원은 2004년 6월 23일자로 출원된 미국 가특허원 제60/565,589호의 이권을 청구한다.
본 발명의 양태는 일반적으로 혼합 성분 냉매들을 사용하여 천연 가스 등의 기체 스트림을 액화시키는 방법에 관한 것이다.
천연 가스는 주요 에너지 소비국으로 공급하기 위하여 일반적으로 액화시켜 수송한다. 천연 가스를 액화시키기 위해서는, 우선 공급 기체를 가공하여 오염물 및 적어도 펜탄보다 무거운 탄화수소를 제거한다. 이어서, 통상적으로 상승된 압력에서 이러한 정제된 기체를 하나 이상의 냉각 순환에 의해 간접적인 열 교환을 통하여 냉각시킨다. 이러한 냉각 순환은 필요한 장치의 복잡성 및 냉매의 효율 성능으로 인하여 자본 경비 및 작동 면에서 비용이 많이 든다. 따라서, 냉동 효율성을 개선시키고, 장치 크기를 감소시키며, 작동 경비를 감소시키는 방법이 요구된다.
요약
천연 가스 스트림의 액화 방법이 제공된다. 하나의 양태에서, 당해 방법은 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고; 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 및 액상 냉매를 생성하고; 증기상 냉매를 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고; 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시킴을 포함한다.
또 다른 양태에서, 당해 방법은 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환기에 위치시키고; 열 교환 영역으로부터 혼합 성분 냉매의 2개 이상의 측면 스트림을 회수하고; 혼합 성분 냉매의 측면 스트림을 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 및 액상 냉매를 생성하고; 증기상 냉매를 열 교환기 주위에서 압축 단위로 우회시키고; 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시킴을 포함한다.
또 다른 양태에서, 당해 방법은 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환기에 위치시키고; 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성하고; 증기상 냉매 스트림을 열 교환기 주위에서 압축 단위로 우회시키고; 액상 냉매 스트림을 열 교환 영역으로 통과시키고; 열 교환 영역 내에서 액상 냉매 스트림을 부분 증발시켜 액상 분획을 1중량% 이상 보유함을 포함한다.
또 다른 양태에서, 당해 방법은 제1 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 제1 열 교환 영역에 위치시키고; 제1 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성하고; 증기상 냉매 스트림을 제1 열 교환기 주위에서 압축 단위로 우회시키고; 액상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역으로 통과시켜 공정 스트림을 냉각시키고; 제2 혼합 성분 냉매를 냉각된 공정 스트림과 함께 제2 열 교환 영역에 위치시켜 공정 스트림을 액화시킴을 포함한다.
또 다른 양태에서, 당해 방법은 제1 혼합 성분 냉매를 제1 열 교환 영역에 위치시키고; 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성하고; 증기상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고; 액상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역으로 회귀시켜 기체 스트림을 냉각시키고; 제2 혼합 냉매 성분을 냉각된 공정 스트림과 함께 제2 열 교환 영역에 위치시키고; 제2 혼합 냉매 성분을 단일 압력 수준에서 증발시켜 기체 스트림을 액화시킴을 포함한다.
또 다른 양태에서, 당해 방법은 액상 냉매를 포함하는 혼합 냉매 성분 스트림을 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고, 액상 냉매 스트림이 완전히 증발되기 전에 열 교환을 중단함을 포함한다.
다른 양태에서, 당해 방법은 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시킴으로써 천연 가스 스트림을 액화시키고; 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고; 하나 이상의 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고; 열 교환 영역 내에서 액상 냉매를 부분 증발시켜 액체 상을 보유함을 포함한다. 또 다른 양태에서, 당해 방법은 혼합 성 분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고; 열 교환 영역으로부터 혼합 냉매 성분의 2개 이상의 측면 스트림을 회수하고; 혼합 성분 냉매의 측면 스트림을 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고; 적어도 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고; 액상 냉매를 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 상을 보유함을 포함한다.
서문 및 정의
이제 상세한 설명을 제공한다. 첨부한 청구항 각각은 개별적인 발명을 정의하며, 이는 침해 목적으로 청구항에 명시된 다양한 요소 또는 제한에 대한 상당물을 포함하는 것으로 인정된다. 상황에 따라, 아래의 "발명"이라는 모든 언급은 일부 경우에는 특정 양태만을 나타낼 수 있다. 다른 경우에는 "발명"이라는 언급이 하나 이상이나 반드시 전체는 아닌 청구항의 주제(subject matter)를 말하는 것으로 인정된다. 본 발명 각각을 이제 특정한 양태, 버젼 및 실시예를 포함하여 아래에 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 양태, 버젼 및 실시예로 한정되지 않으며, 이는 당해 특허의 정보가 이용 가능한 다른 정보 및 기술과 결합되는 경우, 당업자가 본 발명을 실시하고 사용할 수 있음을 포함한다. 본원에 사용된 다양한 용어가 아래에 정의되어 있다. 청구항에 사용된 용어가 아래에 정의되지 않는 한도 내에서는, 용어에 공개 인쇄물 및 발행된 특허 문헌에 반영되어 있는 바와 같이 관련 분야 종사자에게 제시되는 가장 광범위한 정의가 제시되어야 한다.
용어 "혼합 성분 냉매"와 "MCR"은 혼용되며 2개 이상의 냉매 성분을 함유하는 혼합물을 의미한다. 본원에 기재된 MCR의 예는 "제1 MCR" 및 "제2 MCR"이다.
용어 "냉매 성분"은 저온에서 열을 흡수하고 고온에서 열을 거부하는 열 전달용으로 사용되는 물질을 의미한다. 예를 들면, 압축 냉각 시스템에서의 "냉매 성분"은 증발을 통하여 저온 및 저압에서 열을 흡수하고 응축을 통하여 고온 및 고압에서 열을 거부한다. 예시적인 냉매 성분은, 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 탄소수 1 내지 5의 알칸, 알켄 및 알킨, 질소, 염소화 탄화수소, 불소화 탄화수소, 기타 할로겐화 탄화수소 및 이들의 혼합물 또는 배합물을 포함한다.
용어 "천연 가스"는 경질 탄화수소 기체 또는 하나 이상의 경량의 탄화수소 기체의 혼합물을 의미한다. 예시적인 경질 탄화수소 기체는, 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 이의 이성체, 이의 불포화물, 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 용어 "천연 가스"는 어느 정도의 불순물, 예를 들면, 질소, 황화수소, 이산화탄소, 황화카보닐, 머캅탄 및 물을 추가로 포함할 수 있다. 천연 가스의 정확한 조성(%)은 저장 원료 및 임의의 예비 가공 단계, 예를 들면, 아민 추출 또는 분자 씨브를 통한 건조에 따라 변화한다. "천연 가스" 조성물의 적어도 한 예는 메탄 약 55mol% 이상을 함유하는 기체이다.
용어 "기체" 및 "증기"는 혼용되며 액체 또는 고체 상태와 구별되는 기체 상태의 물질 또는 물질의 혼합물을 의미한다.
용어 "부분 증발된"은 100% 증기가 아닌 물질의 혼합물을 포함할 수 있는 물질을 말한다. "부분 증발된" 스트림은 증기 상과 액체 상을 둘 다 가질 수 있다. "부분 증발된" 스트림의 적어도 한 예는 액체 상을 1중량% 이상, 2중량% 이상, 3중량% 이상, 4중량% 이상 또는 5중량% 이상 갖고 잔여량은 증기 상인 스트림을 포함한다. 하나 이상의 특정 양태에서, "부분 증발된" 스트림은 적어도 1중량% 이상, 3중량% 이상 또는 10중량% 이상 90중량% 이하, 97중량% 이하 또는 99중량% 이하의 범위로 액체 상을 갖는다.
용어 "열 교환 영역"은 열 전이를 용이하게 하기 위한 당해 기술분야에 공지된 장치의 유사한 또는 상이한 어느 한 유형 또는 이의 조합을 의미한다. 예를 들면, "열 교환 영역"은 하나 이상의 나선형 권취 유형 교환기, 플레이트-핀(plate-fin) 유형의 교환기, 쉘 및 튜브형 교환기 또는 본원에서 아래에 보다 상세히 기재된 공정 조건에 견딜 수 있는 당해 기술분야에 공지된 어느 다른 유형의 교환기 내에 함유되거나 적어도 부분적으로 함유될 수 있다.
용어 "압축 단위"는 압축 장치의 어느 한 유형 또는 유사하거나 상이한 유형의 조합을 의미하며, 물질 또는 물질의 혼합물 압축용으로 당해 기술분야에 공지된, 보조 장치를 포함할 수 있다. "압축 단위"는 하나 이상의 압축 단계를 이용할 수 있다. 예시적인 압축기는, 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 양의 배치형, 예를 들면, 왕복 및 회전 압축기, 및 동적 유형, 예를 들면, 원심분리 및 축류 압축기를 포함할 수 있다. 예시적인 보조 장치는, 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 흡인 넉-아웃 용기(suction knock-out vessel), 방출 쿨러(cooler) 또는 칠러(chiller), 재순환 쿨러 또는 칠러 및 이들의 임의 조합을 포함한다.
특정 양태
다양한 특정 양태를 아래에 기재하며, 이들중 적어도 일부는 또한 청구항에 인용된다. 예를 들면, 하나 이상의 양태는 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고, 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 및 액상 냉매를 생성하는 방법에 관한 것이다. 증기 냉매는 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고, 액상 냉매는 열 교환 영역으로 통과시킨다.
하나 이상의 기타 특정 양태는 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환기에 위치시키고, 열 교환 영역으로부터 혼합 성분 냉매의 2개 이상의 측면 스트림을 회수함으로써 천연 가스 스트림을 액화시키는 방법에 관한 것이다. 혼합 성분 냉매의 측면 스트림은 이어서 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 및 액상 냉매를 생성한다. 증기상 냉매는 열 교환기 주위에서 압축 단위로 우회시키고, 액상 냉매는 열 교환 영역으로 통과시킨다.
또 다른 특정 양태는 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환기에 위치시키고, 하나 이상의 압력 수준에서 혼합 성분 냉매를 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성함으로써 천연 가스 스트림을 액화시키는 방법에 관한 것이다. 증기상 냉매 스트림은 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시킨다. 액상 냉매 스트림은 열 교환 영역으로 통과시키고, 열 교환 영역 내에서 액상 냉매 스트림을 부분 증발시켜 1중량% 이상의 액상 분획을 보유한다.
또 다른 특정 양태는 제1 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 제1 열 교환 영역에 위치시키고, 제1 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성함으로써 천연 가스 스트림을 액화시키는 방법에 관한 것이다. 증기상 냉매 스트림은 제1 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고, 액상 냉매 스트림은 제1 열 교환 영역으로 통과시켜 공정 스트림을 냉각시킨다. 제2 혼합 성분 냉매는 냉각된 공정 스트림과 함께 제2 열 교환 영역에 위치시켜 공정 스트림을 액화시킨다.
또 다른 특정 양태는 제1 혼합 성분 냉매를 제1 열 교환 영역에 위치시키고, 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성함으로써 천연 가스 스트림을 액화시키는 방법에 관한 것이다. 증기상 냉매 스트림은 제1 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고, 액상 냉매 스트림은 제1 열 교환 영역으로 통과시켜 기체 스트림을 냉각시킨다. 제2 혼합 냉매 성분은 냉각된 공정 스트림과 함께 제2 열 교환 영역에 위치시키고, 단일 압력 수준에서 증발시켜 기체 스트림을 액화시킨다.
또 다른 특정 양태는 혼합 성분 냉매 스트림을 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시킴으로써 천연 가스의 공정 스트림을 냉각시키는 방법에 관한 것이다. 냉매 스트림은 액상 냉매를 포함하고, 열 교환을 증단한 다음 액상 냉매 스트림을 완전히 증발시킨다.
다른 양태에서는, 증기상 냉매 스트림 또는 스트림들을 열 교환기 또는 교환기들로 우회할 필요가 없고/없거나 압축 단위로 직접 보낼 필요가 없다. 이러한 양태에서, 증기상 스트림 또는 스트림들은 예를 들면, 열 교환기 또는 교환기들로 회귀시킬 수 있거나, 열 교환기 또는 교환기들을 우회하고 압축 단위 이외의 장치로 보낼 수 있다. 따라서, 본 방법의 양태는 증기상 냉매 스트림 또는 스트림들을 열 교환기 또는 교환기들로 우회시키지 않고/않거나 압축 단위로 직접 보내지 않는, 본원에 기재된 임의 양태의 개질을 포함한다. 이러한 양태는 예를 들면, 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고; 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고; 적어도 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고; 열 교환 영역 내에서 액상 냉매를 부분 증발시켜 액체 상을 보유함으로써 천연 가스 스트림을 액화시키는 방법을 포함한다. 이러한 양태는 또한 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고; 열 교환 영역으로부터의 혼합 성분 냉매의 2개 이상의 측면 스트림을 회수하고; 혼합 성분 냉매의 측면 스트림을 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고; 적어도 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고; 열 교환 영역 내의 액상 냉매를 부분 증발시켜 액체 상을 보유함을 포함한다.
도면의 특정 양태
도면에 나타낸 특정 양태를 이제 설명한다. 청구항은 도면의 측면으로 한정된다고 해석하지 않아야 한다는 것이 강조된다. 도 1은 적어도 부분 증발된 혼합 성분 냉매를 이용하여 공정 스트림 또는 공급 기체를 냉각 또는 액화시키는 냉각방법을 도식적으로 나타낸다. 도 2는 내부에 함유된 2개 이상의 열 교환 영역을 갖는 열 교환기를 이용하여 공정 스트림 또는 공급 기체를 냉각 또는 액화시키는 냉각방법을 도식적으로 나타낸다. 도 3은 2개의 혼합 성분 냉매를 이용하여 공정 스트림 또는 공급 기체를 냉각 또는 액화시키는 냉각방법을 도식적으로 나타낸다. 도 4는 액상 냉매 수집 시스템을 이용하는 공정 스트림 또는 공급 기체를 냉각시키는 또 다른 방법을 도식적으로 나타낸다. 이러한 냉각방법은 액화 천연 가스("LNG")를 제조하는 부냉각시킨 천연 기체의 공정 스트림 또는 공급 기체에 관한 것이므로 설명의 간단성 및 용이성을 위하여, 당해 방법을 본원에서 추가로 설명한다.
도 1
도 1은 적어도 부분적으로 증발된 혼합 성분 냉매를 이용하여 공정 스트림 또는 공급 기체를 적어도 냉각시키는 냉각방법(5)를 도식적으로 나타낸다. 공급 기체 스트림(12)은 열 교환기(10) 내에서 혼합 성분 냉매("MCR") 스트림(30)과 함께 열 교환기에 위치시킨다. 아래에 보다 상세히 설명한 바와 같이, MCR 스트림(30)을 팽창시키고 냉각시켜 열 교환기(10) 내의 공급 기체 스트림(12)으로부터 열을 제거한다. 나타내지는 않았지만, 냉각을 요하는 추가의 공정 스트림을 열 교환기(10)로 진입시킬 수 있다. 이러한 추가의 스트림의 비제한적 예는 기타의 냉매 스트림, 이후의 공정 단계에서 스트림(12)의 기체와 블렌딩되는 탄화수소 스트림 및 하나 이상의 분별 공정 단계와 통합되는 스트림을 포함한다.
도 1에 나타낸 바와 같은 열 교환기(10)는 하나 이상의 열 교환 영역을 함유하는 단일 단위이다. 나타내지는 않았지만, 아래에 기재한 바와 같이, 열 교환기(10)는 단일 단위 내에 함유될 수 있는 2개 이상의 열 교환 영역, 예를 들면, 2, 3, 4 또는 5개의 열 교환 영역을 포함할 수 있거나, 각각의 영역은 개별 단위에 함유될 수 있다.
공급 기체 스트림(12)은 바람직하게는 천연 가스이고 메탄을 55mol% 이상, 65mol% 이상 또는 75mol% 이상 함유할 수 있다. MCR 스트림(30)은 탄소수 1 내지 5의 하나 이상의 알칸, 알켄 및 알킨, 질소, 염소화 탄화수소, 불소화 탄화수소, 기타 할로겐화 탄화수소 및 이들의 혼합물 또는 배합물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 특정 양태에서, MCR 스트림(30)은 에탄과 프로판의 혼합물이다. 하나 이상의 특정 양태에서, MCR 스트림(30)은 에탄, 프로판 및 이소부탄의 혼합물이다. 하나 이상의 특정 양태에서, MCR 스트림(30)은 메탄, 에탄 및 질소의 혼합물이다.
MCR 스트림(30)은 열 교환 영역(10)에서 냉각시키고 스트림(40)으로서 열 교환 영역(10)을 빠져나간다. 스트림(40)은 팽창 장치(45)를 사용하여 팽창시키고 2상 스트림(50)(즉, 증기 상과 액체 상을 갖는 스트림)을 생성한다. 예시적인 팽창 장치는, 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 밸브, 조절 밸브, 줄 톰슨(Joule Thompson) 밸브, 벤투리(Venturi) 장치, 액체 팽창기, 수압 터빈 등을 포함한다. 바람직하게는, 팽창 장치(45)는 자동 구동 팽창 밸브 또는 줄 톰슨형 밸브이다. 이어서, 2상 스트림(50)을 분리기(55) 내에서 분리하여 증기 스트림(60) 및 액체 스트림(65)을 생성한다. 바람직하게는, 2상 스트림(50)은 순간 분리(flash separation)시킨다. 증기 스트림(60)은 열 교환 영역(10)으로 우회하여 압축 단위(75)로 직접 보내어진다.
감압 및 이에 따른 냉각 후, 액체 스트림(65)을 열 교환 영역(10)으로 회귀시키고, 당해 영역에서 이는 공정 기체 스트림(12) 및 MCR 스트림(30)과의 열 교환으로 인하여 완전 증발 또는 부분 증발된다. 이러한 완전 증발 또는 부분 증발된 스트림은 스트림(70)으로서 열 교환 영역(10)을 빠져나간다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(70)은 증기 분획을 85중량% 이상, 90중량% 이상 또는 99중량% 이상 갖고, 잔여량은 액체 상 분획이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(70)은 액체 상을 갖지 않는 증기 스트림이다. 이어서, 스트림(70)은 압축 단위(75)로 유동한다.
압축 단위(75)는 공정 조건 및 요건에 따라 하나 이상의 압축 단계를 이용할 수 있다. 바람직하게는, 압축 단위(75)는 각각의 단계가 단간 냉각기를 이용하여 압축열을 제거하는, 2개 이상의 압축 단계를 이용한다. 이어서, 압축 스트림을 스트림(30)으로서 열 교환 영역(10)으로 보낸다. 예시적인 압축 단위는 아래에 보다 상세히 논의한다.
증기 스트림(60)을 열 교환 영역(10) 주위에서 압축 단위(75)로 직접 보냄으로써(즉, 증기상 냉매를 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시킴으로써), 2상 냉매와 관련된 특정 분포 문제를 피할 수 있다. 용어 "2상 냉매"란, 액체 상에 냉매중 적어도 일부를 갖고 증기 상에 10용적% 이상을 갖는 냉매를 말한다. 2상 분포는 열 교환 영역 내에서 2상 냉매의 부적합한 분포 때문에 감소된 액화 기체 생성을 발생시키고 수익성을 잃을 수 있다. 2상 냉매의 증기상이 액체상과 비교하여 열 교환 영역 내에서 보다 많은 용적을 점유하기 때문에, 열 교환 영역 내의 2상 냉매의 부적합한 분포로 인하여 비효율적인 열 교환이 발생된다. 증기 상은 증발 액체 상과 비교하여 열 교환에 거의 기여하지 않으므로, 냉매의 냉각 용량은 절충된다.
추가로, 2상 냉매를 열 교환기 또는 교환기들에 유효하게 분배할 수 있는 시스템의 수압 설계는 공학 시간 및 구입 장치가 고가일 수 있다. 이러한 설계의 거동은 온도, 압력 및/또는 유량 면에서 설계 조건으로부터 지나치게 벗어난 경우에 예상하기 보다 곤란하다. 본원에 기재된 하나 이상의 양태에 따라 달성되는 이점은 증기 상이 제거되어 이러한 분포를 고려할 필요가 없기 때문에, 통상적인 원료로부터의 냉매가 공급되는 평행한 열교환기의 배열에 특히 적용된다.
도 2
도 2는 내부에 함유된 하나 이상의 열 교환 영역을 갖는 열 교환기를 이용하여 공정 스트림 또는 공급 기체를 냉각시키거나 액화시키는 냉각방법(100)을 도식적으로 나타낸다. 냉각방법(100)은 도 2에 나타낸 세 영역과 같은, 내부에 함유된 2개 이상의 열 교환 영역을 갖는 열 교환기(200) 및 MCR 압축 단위(300)를 이용한다. 공급 기체 스트림(200)을 열 교환기(200) 내에서 혼합 성분 냉매("MCR")에 대하여 냉각시킨다. 나타내지는 않았지만, 냉각을 요하는 추가의 공정 스트림을 열 교환기(200)에 진입시킬 수 있다. 일한 추가의 스트림의 비제한적인 예는 기타의 냉매 스트림, 이후의 공정 단계에서 스트림(102)의 기체와 블렌딩되는 기타 탄화수소 스트림 및 하나 이상의 분별 공정 단계와 통합되는 스트림을 포함한다.
공급 기체 스트림(102)의 성분은 이의 원료 저장소에 좌우되지만, 예를 들면, 메탄 99mol% 이하, 에탄 15mol% 이하, 프로판 10mol% 이하 및 질소 30mol% 이하를 포함할 수 있다. 하나의 특정 양태에서, 공급 기체 스트림(102)은 메탄을 용적 기준으로 55mol% 이상, 65mol% 이상 또는 75mol% 이상 함유할 수 있다. 또 다른 특정 양태에서, 공급 기체 스트림102)은 또한 비탄화수소 화합물, 예를 들면, 물, 이산화탄소, 황 함유 화합물, 수은 및 이들의 배합물을 1mol% 이하, 2mol% 이하 또는 5mol% 이하 함유할 수도 있다. 하나 이상의 특정 양태에서, 공급 기체 스트림(102)은 정제 공정(나타내지 않음)으로 처리하여 열 교환기(200)로 진입하기 전에 공급 기체 스트림(102)으로부터 이러한 비탄화수소 화합물의 전부 또는 대부분을 스트립핑(stripping)하거나 제거할 수 있다.
특정 양태에서, 공급 기체 스트림(102)은 15℃ 이상, 25℃ 이상 또는 35℃ 이상 40℃ 이하, 45℃ 이하 또는 55℃ 이하의 온도 범위 및 4,000kPa 이상, 6,000kPa 이상 또는 7,000kPa 이상 8,500kPa 이하, 10,00kPa 이하 또는 12,000kPa 이하의 압력 범위에서 열 교환기(200)로 진입한다. 공급 기체 스트림(102)은 냉각된 스트림(104)으로서 열 교환기(200)에서 빠져나간다. 냉각된 스트림(104)은 -70℃ 이상, -80℃ 이상 또는 -100℃ 이상 -60℃ 이하, -50℃ 이하 또는 -35℃ 이하의 온도 범위에서 열 교환기(200)를 빠져나간다. 예를 들면, 냉각된 스트림(104)은 약 -70 내지 약 -75℃의 온도에서 열 교환기(200)를 빠져나갈 수 있다.
MCR
혼합 성분 냉매("MCR")는 바람직하게는 에탄, 프로판 및 이소부탄의 혼합물이다. MCR은 에탄 약 20 내지 80mol%, 프로판 약 10 내지 90mol% 및 이소부탄 약 5 내지 30mol%를 함유할 수 있다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제1 MCR 내의 에탄의 농도는 20mol% 이상, 30mol% 이상 또는 40ml% 이상 60mol% 이하, 70mol% 이하 또는 80mol% 이하의 범위이다. 하나 이상의 특정 양태에서, MCR 내의 프로판의 농도는 10mol% 이상, 20mol% 이상 또는 30mol% 이상 70mol% 이하, 80mol% 이하 또는 90mol% 이하의 범위이다. 하나 이상의 특정 양태에서, MCR 내의 이소부탄의 농도는 3mol% 이상, 5mol% 이상 또는 10mol% 이상 20mol% 이하, 25mol% 이하 또는 30ol% 이하이다.
하나 이상의 특정 양태에서, MCR의 분자량은 약 32 내지 약 45이다. 보다 바람직하게는, MCR의 분자량 범위는 32 이상, 34 이상 또는 35 이상 42 이하, 43 이하 또는 45 이하이다. 추가로, 공급 기체 스트림(102)에 대한 MCR의 분자비의 범위는 1.0 이상, 1.2 이상 또는 1.5 이상 1.8 이하, 2.0 이하 또는 2.2 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 공급 기체 스트림(102)에 대한 MCR의 몰 비는 1.0 이상, 1.2 이상 또는 1.5 이상이다.
열 교환기
열 교환기(200)를 보다 상세히 고려하면, MCR은 스트림(202)으로서 열 교환기(20)에 진입한다. 스트림(202)의 적어도 일부는 측면 스트림(203)으로서 열 교환기(200)의 제1 열 교환 영역으로부터 회수된다. 측면 스트림(203)은 팽창 장치(205)를 사용하여 제1 압력으로 팽창시켜 2상 스트림(207)(즉, 증기상과 액체 상을 갖는 스트림)을 생성한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제1 압력 범위는 800kPa 이상, 1,200kPa 이상 또는 1,500kPa 이상 1.900kPa 이하, 2,200kPa 이하 또는 2,600kPa 이하이다. 따라서, 팽창된 스트림(207)의 온도 범위는 0℃ 이상, 3℃ 이상 또는 4℃ 이상 6℃ 이하, 10℃ 이하 또는 15℃ 이하이다. 바람직하게는, 측면 스트림(203)은 1,600 내지 1,800kPa의 압력 및 4 내지 6℃의 온도로 팽창된다.
이어서, 2상 스트림(207)이 분리기(210) 내에서 분리되어 증기 스트림(214) 및 액체 스트림(212)을 생성한다. 바람직하게는, 2상 스트림(207)을 순간 분리시킨다. 증기 스트림(214)은 열 교환기(200)를 우회하고 압축 단위(300)로 직접 보내어지다. 증기 스트림(214)을 열 교환기(200) 주위에서 압축 단위(300)로 직접 보냄(즉, 증기상 냉매르 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시킴)으로써 위에서 주지된 2상 냉매와 관련된 특정 분포 문제를 피할 수 있다.
감압 및 이에 따른 냉각 후, 액체 스트림(212)은 열 교환기(200)로 회귀하며, 여기서 열 교환기(200) 내의 열 교환으로 인해 완전 증발 또는 부분 증발된다. 이러한 완전 증발 또는 부분 증발된 스트림은 스트림(216)으로서 열 교환기(200)를 빠져나온다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(216)은 증기 분획을 85중량% 이상, 90중량% 이상 또는 99중량% 이상 갖고 잔여량은 액체 상 분획이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(216)은 액체 상을 갖지 않는 증기 스트림이다(즉, 완전 증발됨). 스트림(216)은 도 1에 나타낸 바와 같이 분리기(210)로부터의 증기 스트림(214)과 배합하여 압축 단위(300)로 유동하는 재순환 스트림(218)을 형성한다.
스트림(202)의 적어도 또 다른 부분은 측면 스트림(213)으로서 열 교환기(200)의 제2 열교환 영역으로부터 회수한다. 측면 스트림(213)은 팽창 장치(215)를 사용하여 제2 압력으로 팽창시켜 스트림(217)을 생성한다. 스트림(217)은 증기 상과 액체 상을 갖는다. 하나 이상의 특정 양태에서, 이러한 제2 압력 범위는 250kPa 이상, 400kPa 이상 또는 500kPa 이상 600kPa 이하, 700kPa 이하 또는 850kPa 이하이다. 따라서, 팽창된 스트림(217)의 온도 범위는 -60℃ 이상, -50℃ 이상, -40℃ 이상 30℃ 이하, -20℃ 이하 또는 -10℃ 이하이다. 바람직하게는, 측면 스트림(213)은 50 내지 570kPa의 압력 및 -35 내지 -45℃의 온도에서 팽창시킨다.
이어서, 2상 스트림(217)을 분리기(220) 내에서 분리하여 증기 스트림(224)과 액체 스트림(222)을 생성한다. 바람직하게는, 2상 스트림(217)을 순간 분리시킨다. 증기 스트림(224)은 열 교환기(200)를 우회하여 압축 단위(300)로 직접 보낸다. 감압시켜 냉각한 액체 스트림(22)은 열 교환기(200)로 회귀시키고 여기서 열 교환기(200) 내의 열 교환으로 인하여 완전 증발 또는 부분 증발시킨다. 이러한 완전 증발 또는 부분 증발된 스트림은 스트림(226)으로서 열 교환기(200)를 빠져나간다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(226)은 증기 분획을 85중량% 이상, 90중량% 이상 또는 99중량% 이상 갖고 잔여량은 액체 상 분획이다. 스트림(226)은 도 1에 나타낸 바와 같이 분리기(220)으로부터의 증기 스트림(224)과 배합하여 압축 단위(300)로 유동하는 재순환 스트림(228)을 형성한다.
스트림(202)의 또 다른 부분은 측면 스트림(223)으로서 열 교환기(200)의 제3 열 교환 영역으로부터 회수한다. 측면 스트림(223)은 팽창 장치(225)를 사용하여 제3 압력으로 팽창시켜 증기 상과 액체 상을 갖는 스트림(227)을 생성한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 이러한 제3 압력 범위는 80kPa 이상, 120kPa 이상 또는 150kPa 이상 180kPa 이하, 200kPa 이하 또는 250kPa 이하이다. 따라서, 팽창된 스트림(227)의 온도 범위는 -110℃ 이상, -90℃ 이상 또는 -80℃ 이상 -60℃ 이하, -50℃ 이하 또는 -30℃ 이하이다. 바람직하게는, 측면 스트림(223)은 160 내지 180kPa의 압력 및 -65 내지 -75℃의 온도로 팽창된다.
이어서, 2상 스트림(227)을 분리기(230) 내에서 분리하여 순간 증기 스트림(234)과 포화 액체 스트림(232)을 생성한다. 바람직하게는, 2상 스트림(227)을 순간 분리시킨다. 증기 스트림(234)은 열 교환기(200)를 우회시켜 압축 단위(300)로 직접 보낸다. 감압 및 이에 따라 냉각된 포화 액체 스트림(232)을 열 교환기(200)로 회귀시키고 여기서 열 교환기(200) 내의 열 교환으로 인하여 완전 증발 또는 부분 증발시킨다. 이러한 완전 증발 또는 부분 증발된 냉매는 스트림(236)으로서 열교환기(200)를 빠져나간다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(236)은 증기 분획을 85중량% 이상, 90중량% 이상 또는 99중량% 이상 갖고 잔여량은 액체 상 분획이다. 스트림(236)은 도 2에 나타낸 바와 같이 분리기(230)로부터의 증기 스트림(234)과 배합하여 압축 단위(300)로 유동하는 재순환 스트림(238)을 형성한다.
위에서 기재한 하나 이상의 특정 양태에서, 팽창 장치는 어떠한 감압 장치라도 될 수 있다. 예시적인 팽창 장치는, 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 밸브, 조절 밸브, 줄 톰슨 밸브, 벤투리 장치, 액체 팽창기, 수압 터빈 등을 포함한다. 바람직하게는, 팽창 장치(205), (215) 및 (225)는 자동 구동 팽창 밸브 또는 줄 톰슨형 밸브이다.
위에서 기재한 바와 같이, 증기 스트림(214), (224) 또는 (234)는 열 교환기(200)를 우회하여 압축 단위(300)로 직접 보낸다. 이러한 우회 형태로 위에서 설명한 바와 같은 2상 냉매와 관련된 분포 문제를 피할 수 있다. 추가로, 2상을 갖는 열 교환 영역을 빠져나가는 부분 증발된 냉매는 열 교환 영역 내의 기계적 응력을 감소시키도록 하는 형태이다. 기계적 응력은 액체 상이 점유하는 용적과 기체 상이 점유하는 용적을 가로지른 신속한 온도 전이의 산물일 수 있다. 증기 부분의 용적에 대한 액체 또는 2상 유체 부분의 용적으로부터의 온도 전이는 개시, 중단 또는 전도 동안 응력 파쇄를 발생시킬 수 있거나 교환기의 피로 파괴를 발생시킬 수 있다. 따라서, 냉매 유동 조건의 배치로 신속한 온도 구배에 의해 야기되는 기계적 응력의 고유한 작용 없이 냉매 액체 스트림(212), (222) 및 (232)의 불완전한 증발을 가능하게 할 수 있다. 냉매가 완전히 증발되는 시스템으로부터 냉매가 부분 증발되는 시스템까지의 전이로, 유량을 증가시키거나, 증발 압력을 변화시키거나, 냉매 조성을 변화시켜 보다 많은 고비점 성분들 또는 이러한 설계 파라미터 중의 어느 것의 조합이라도 포함시킬 수 있다.
MCR 압축 단위(300)
MCR 압축 단위(300)는 하나 이상의 상이한 압력 수준을 포함한다. 바람직하게는, 각각의 압축 단계의 흡이은 재순환 스트림(218), (28), (238)의 압력 수준에 상응한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제1 압축 단계는 흡인 넉-아웃 용기(310) 및 압축기(320)를 포함한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 압축 단계는 흡인 넉-아웃 용기(330), 압축기(340) 및 방출 냉각기 또는 응축기(350)를 포함한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제3 압축 단계는 흡인 넉-아웃 용기(360), 압축기(370) 및 방출 냉각기(380)를 포함한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 압축 단위(300)는 최종 냉각기 또는 응축기(390)를 추가로 포함한다.
냉각기(350), (380) 및 (390)는 본원에 기재된 공정 조건에 적합한 어떠한 유형의 열 교환기라도 될 수 있다. 예시적인 열 교환기는, 이들로 한정하려는 것은 아니지만, 쉘-튜브(shell-and-tube) 열 교환기, 케틀내 코어(core-in-kettle) 교환기 및 땜질된 알루미늄 플레이트-핀 교환기를 포함한다. 하나 이상의 특정 양태에서는, 판 냉각수를 열 전달 매질로서 사용하여 냉각기(350), (380) 및 (390) 내의 공정 유체를 냉각시킨다. 하나 이상의 특정 양태에서는, 공기를 열 전달 매질로서 사용하여 냉각기(350), (380) 및 (390) 내의 공정 유체를 냉각시킨다. 추가로, 위에서 기재된 하나 이상의 양태에서는, 우회된 순간 증기 스트림(214), (224), (234)이 열 교환기(200)를 빠져나가는 적어도 부분 증발된 냉매 스트림(216), (226), (236)을 냉각시킨다. 따라서, 압축 단위(300)로 흡인 재순환시킨 합한 스트림(218), (228), (238)은 온도가 더 낮아서 방출 냉각기(350), (380) 및 (390)의 의무적 요건을 감소시킨다.
제1 압축 단계에 대해 보다 상세히 언급하면, 스트림(322)은 제1 단계(320)를 빠져나간다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(322)의 압력 범위는 200kPa 이상, 300kPa 이상 또는 400kPa 이상 600kPa 이하, 700kPa 이하 또는 800kPa 이하이다. 스트림(322)의 온도 범위는 5℃ 이상, 10℃ 이상 또는 15℃ 이상 20℃ 이하, 25℃ 이하 또는 30℃이다.
제2 압축 단계에 대해 언급하면, 스트림(342)은 제2 단계(340)를 빠져나와 방출 냉각기(350) 내에서 냉각되어 스트림(352)을 생성한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(342)의 압력 범위는 800kPa 이상, 1,200kPa 이상 또는 1,400kPa 이상 1,800kPa 이하, 2,000kPa 이하 또는 2,500kPa 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서 스트림(352)의 온도 범위는 15℃ 이상, 25℃ 이상 또는 35℃ 이상 40℃ 이하, 45℃ 이하 또는 55℃ 이하이다.
제3 압축 단계에 대해 언급하면, 스트림(372)은 제3 단계(370)에서 빠져나와 방출 냉각기(380) 내에서 냉각되어 스트림(382)을 생성한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(372)의 압력 범위는 1,600kPa 이상, 2,400kPa 이상 또는 2,900kPa 이상 3,500kPa 이하, 4,000kPa 이하 또는 5,000kPa 이하이다. 스트림(372)의 온도 범위는 40℃ 이상, 50℃ 이상 또는 60℃ 이상 100℃ 이하, 120℃ 이하 또는 150℃ 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(382)의 온도 범위는 0℃ 이상, 10℃ 이상 또는 20℃ 이상 40℃ 이하, 50℃ 이하 또는 60℃ 이하이다.
하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(382)은 응축기(390)로 유동하여 스트림(392)을 생성한다. 스트림(392)의 온도 범위는 0℃ 이상, 10℃ 이상 또는 20℃이상 40℃ 이하, 45℃ 이하 또는 55℃ 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(392)은 서지(surge) 용기(295)로 유동하여 고압 액상 냉매가 스트림(202)으로서 열 교환기(200)로 진입함에 따른 작업 고려 사항에 대한 체류 시간을 제공한다.
도 3
냉각 또는 액화공정(100)은 도 3에 나타낸 제2 열 교환기(400) 및 제2 MCR 압축 단위(500)를 추가로 이용할 수 있다. 도 3은 개별적인 열 교환기의 2개의 혼합 성분 냉매를 이용하여 공정 스트림 또는 공급 기체를 냉각 또는 액화시키는 냉각 공정을 도식적으로 나타낸다. 그러나, 제1 열 교환기(200) 및 제2 열 교환기(400)는 공통의 단위 내에 함유될 수 있다. 어느 경우에도, 제1 열 교환기(200) 및 제2 열 교환기(400)는 바람직하게는 나타낸 바와 같이 일렬로 배열한다.
제1 열 교환기(200)에서 벗어난 냉각된 스트림(104)은 제2 열 교환기(400) 내에서 제2 혼합 성분 냉매("제2 MCR")에 대하여 부냉각시킨다. 냉각된 스트림(104)은 액화 스트림(106)으로서 제2 열 교환기(400)를 빠져나간다. 특정 양태에서, 액화 스트림(106)은 -220℃ 이상, -180℃ 이상 또는 -160℃ 이상 -130℃ 이하, -110℃ 이하 또는 -70℃ 이하의 온도 범위에서 열 교환기(400)를 빠져나간다. 하나의 특정 양태에서, 액화 스트림(106)은 약 -145 내지 약 -155℃의 온도에서 열 교환기(400)를 빠져나간다. 특정 양태에서, 액화 스트림(106)은 3,900kPa 이상, 5,800kPa 이상 또는 6,900kPa 이상 9,000kPa 이하, 10,000kPa 이하 또는 12,000kPa 이하의 압력 범위에서 열 교환기(400)를 빠져나간다.
제2 MCR
하나 이상의 특정 양태에서, 제2 혼합 성분 냉매("제2 MCR")는 제1 혼합 성분 냉매("제1 MCR")와 동일할 수 있다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 MCR은 상이할 수 있다. 예를 들면, 제2 MCR은 질소, 메탄 및 에탄의 혼합물일 수 있다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 MCR은 질소 약 5 내지 20mol%, 메탄 약 20 내지 80mol% 및 에탄 약 10 내지 60mol%를 함유할 수 있다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 MCR 내의 질소 농도 범위는 5mol% 이상, 6mol% 이상 또는 7mol% 이상 15mol% 이하, 18mol% 이하 또는 20mol% 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 MCR 내의 메탄의 농도 범위는 20mol% 이상, 30mol% 이상 또는 40mol% 이상 60mol% 이하, 70mol% 이하 또는 80mol% 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 MCR 내의 에탄의 농도는 10mol% 이상, 15mol% 이상 또는 20mol% 이상 45mol% 이하, 55mol% 이하 또는 60mol% 이하이다.
제2 MCR의 분자량 범위는 18 이상, 19 이상 또는 20 이상 25 이하, 26 이하 또는 27 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 MCR의 분자량은 약 18 내지 약 27이다. 추가로, 냉각 스트림(104)에 대한 제2 MCR의 몰 비의 범위는 0.5 이상, 0.6 이상 또는 0.7 이상 0.8 이하, 0.9 이하 또는 1.0 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 냉각 스트림(104)에 대한 제2 MCR의 몰 비는 0.5 이상, 0.6 이상 또는 0.7 이상이다.
제2 MCR은 스트림(402)을 통하여 제1 열 교환기(200)로 공급하여 제2 열 교환기(400)로 진입하기 전에 제2 MCR을 예비 냉각 또는 응축시킬 수 있다. 스트림(402)은 제1 MCR과의 간접 열 전달에 의해 제1 열 교환기(200) 내에서 냉각시킨다. 스트림(402)의 압력 범위는 2900kPa 이상, 4300kPa 이상 또는 5500kPa 이상 6400kPa 이하, 7500kPa 이하 또는 9000kPa 이하이다. 스트림(402)의 온도 범위는 0℃ 이상, 10℃ 이상 또는 20℃ 이상 40℃ 이하, 50℃ 이하 또는 70℃ 이하이다.
제2 MCR은 스트림(404)으로서 제1 열 교환기(200)를 빠져나간다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(402)은 제1 열 교환기(200) 내에서 증기 분획을 갖지 않는 액체 스트림(404)으로 완전히 응축된다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(402)은 스트림(404)이 액체 분획을 85중량% 이상, 90중량% 이상, 95중량% 이상 또는 99중량% 이상 갖도록 하는 제1 MCR과의 간접 열 전달에 의해 부분 응축시킨다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(404)의 압력 범위는 2,500kPa 이상, 4,000kPa 이상 또는 5,000kPa 이상 6,000kPa 이하, 7,000kPa 이하 또는 9,000kPa 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(404)의 온도 범위는 -110℃ 이상, -90℃ 이상 또는 80℃ 이상 -60℃ 이하, -50℃ 이하 또는 -30℃ 이하이다.
하나 이상의 특정 양태에서, 냉각을 요하는 추가의 공정 스트림을 열 교환기(400)에 진입시킬 수 있다. 이러한 추가의 스트림의 비제한적인 예는 기타의 냉매 스트림, 이후의 가공 단계에서의 스트림(102)의 기체와 블렌딩되는 기타의 탄화수소 스트림 및 하나 이상의 분별 공정 단계와 통합되는 스트림을 포함한다.
제2 열 교환기
제2 열 교환기(400)를 보다 상세히 고려하면, 냉각시키고 완전히 응축시키지 않은 경우, 적어도 부분 응축시킨 제2 MCR은 제1 열 교환기(200) 내에서, 서지 용기(406)에 수집하여 스트림(410)으로서 제2 열 교환기(400)로 공급한다. 제2 MCR은 스트림(415)으로서 제2 열 교환기(400)를 빠져나간다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(415)의 압력 범위는 2,800kPa 이상, 4,200kPa 이상 또는 5,500kPa 이상 6,200kPa 이하, 7,000kPa 이하 또는 8,500kPa 이하이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(415)의 온도 범위는 -230℃ 이상, -190℃ 이상 또는 -170℃ 이상 -140℃ 이하, -120℃ 이하 또는 -70℃ 이하이다.
하나 이상의 특정 양태에서, 제2 열 교환기(400)에서 빠져나가는 스트림(415)은 팽창 장치(450)를 사용하여 감압시킨다(즉, 팽창시킨다). 이어서, 스트림(415)을 팽창 장치(420)를 사용하여 추가로 감압시켜(즉, 팽창시켜) 스트림(425)을 생성한다. 위에서 언급한 바와 같이, 팽창 장치(420), (450)는 제한하려는 것은 아니지만, 밸브, 조절 밸브, 줄 톰슨 밸브, 벤투리 장치, 액체 팽창기, 수압 터빈 등을 포함하는 어떠한 감압 장치라도 될 수 있다. 바람직하게는, 팽창 장치(420)는 자동 구동 팽창 밸브 또는 줄 톰슨형 밸브이다. 바람직하게는, 팽창 장치(450)는 액체 팽창기 또는 수압 터빈이다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(425)의 압력 범위는 200kPa 이상, 300kPa 이상 또는 400kPa 이상 500kPa 이하, 600kPa 이하 또는 700kPa 이하이고, 온도 범위는 -250℃ 이상, -200℃ 이상 또는 -170℃ 이상 -140℃ 이하, -110℃ 이하 또는 -70℃ 이하이다. 바람직하게는, 스트림(425)은 435 내지 445kPa의 압력 및 -150 내지 -160℃의 온도로 팽창시킨다.
팽창 장치(420) 내에서 등엔탈피 팽창 후, 스트림(425)은 제2 열 교환기(400) 내에서 완전 증발 또는 부분 증발시키고 스트림(430)으로서 제2 열 교환기(400)를 빠져나간다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(425)은 제2 열 교환기(400) 내에서 단일 압력 수준에서 완전 증발 또는 부분 증발시킨다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(425)은 제2 열 교환기(400) 내에서 단일 압력 수준에서 완전 증발시킨다(즉, 모두 증기상). 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 열 교환기(400) 내의 단일 압력 수준은 150kPa 이상, 250kPa 이상 또는 350kPa 이상 400kPa 이하, 500kPa 이하 또는 600kPa 이하의 범위 내로 유지시킨다. 바람직하게는, 제2 열 교환기(400) 내의 단일 압력 수준은 약 350 내지 약 450kPa이다.
제2 MCR 압축 단위
이어서, 스트림(430)을 제2 압축 단위(500)로 보낸다. 압축 단위(500)는 가공 요건에 따라 하나 이상의 압축 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 특정 양태에서, 압축 단위(500)는 도 3에 나타낸 바와 같은 2개의 압축 단계를 포함한다. 예를 들면, 압축 단위(500)는 제1 압축 단계(510) 및 제2 압축 단계(520)를 포함한다.
작동시, 스트림(430)은 증기 스트림이 제1 압축 단계(510)로 지속되는 흡인 넉-아웃 용기(510A)를 통하여 유동하고 후냉각기(515)에서 냉각시켜 스트림(512)을 생성한다. 하나 이상의 특정 양태에서, 스트림(512)의 압력 범위는 1,900kPa 이상, 2,800kPa 이상 또는 3,500kPa 이상 4,000kPa 이하, 4,800kPa 이하 또는 5,800kPa 이하이고, 온도 범위는 15℃ 이상, 25℃ 이상 또는 30℃ 이상 40℃ 이하, 50℃ 이하 또는 60℃ 이하이다.
스트림(512)은 증기 스트림이 제2 압축 단계(520)로 지속되는 흡인 넉-아웃 용기(520A)를 통하여 유동시켜 냉각시킨다. 하나 이상의 특정 양태에서, 제2 압축 단계(520)를 벗어나는 증기 스트림(522)의 압력 범위는 2,900kPa 이상, 4,300kPa 이상 또는 5,200kPa 이상 6,400kPa 이하, 7,500kPa 이하 또는 9,000kPa 이하이고, 온도 범위는 15℃ 이상, 25℃ 이상 또는 35℃ 이상 40℃ 이하, 45℃ 이하 또는 60℃ 이하이다. 이어서, 증기 스트림(522)을 후냉각(525) 내에서 냉각시키고 스트림(402)으로서 제1 열 교환기(200)로 재순환시킨다.
도 4
도 4는 액상 냉매 수집 시스템을 이용하는 공정 스트림 또는 공급 기체를 냉각시키는 또 다른 방법을 도식적으로 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 분리기(510A) 및 (520B)로부터 수집한 액상 냉매는 펌프(530)와 유체 관통할 수 있다. 펌프(530)는 이러한 냉매를 스트림(532)을 통하여 공정으로 회귀시킨다. 이는 열 교환 영역 내에서 부분 증발시키는 혼합 성분 냉매를 처리하는 유효하고 효율적인 방법을 가능하게 한다. 또 다른 방법으로, 분리기(510A) 및 (520B)로부터 수집한 액체 냉매를 배수시키고 배치할 수 있다. 유사하게, 나타내지는 않았지만, 압축 단위(300)의 넉-아웃 드럼(예를 들면, 드럼(310), (330) 및 (360))에 유사한 액상 냉매 수집 시스템을 갖출 수 있다.

Claims (66)

  1. 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고,
    혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고,
    증기상 냉매를 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고,
    액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고,
    액상 냉매를 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 상을 보유함을 포함하는, 천연 가스 스트림의 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 열 교환 영역이 단일 열 교환기 내에 함유되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 열 교환 영역이 2개 이상의 열 교환기 내에 함유되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 열 교환 영역이 단일 열 교환기 내에 함유된 2개 이상의 영역을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 열 교환 영역이 각각의 영역이 단일 열 교환기에 함유되는 2개 이상의 영역을 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 열 교환 영역이 2개 이상의 열 교환기 내에 함유된 2개 이상의 영역을 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 공정 스트림이 본질적으로 천연 가스로 이루어지는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄, 프로판 및 이소부탄을 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄과 프로판을 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 메탄, 에탄 및 질소를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매를 약 80 내지 약 2,600kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매를 약 250 내지 약 2,200kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매를 약 500 내지 약 1.900kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 제1 부분을 약 1,500 내지 약 1,900kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 500 내지 약 700kPa의 제2 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 제1 부분을 약 800 내지 약 2,600kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 250 내지 약 850kPa의 제2 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제3 부분을 약 80 내지 약 250kPa의 제3 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  16. 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고,
    열 교환 영역으로부터 혼합 성분 냉매의 2개 이상의 측면 스트림을 회수하고,
    혼합 성분 냉매의 2개 이상의 측면 스트림을 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고,
    증기상 냉매를 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고,
    액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고,
    액상 냉매를 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 상을 보유함을 포함하는, 천연 가스 스트림의 액화 방법.
  17. 제16항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 측면 스트림을 약 80 내지 약 2,600kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 측면 스트림을 약 250 내지 약 2,200kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  19. 제16항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 제1 측면 스트림을 약 1,500 내지 약 1,900kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제2 측면 스트림을 약 500 내지 약 700kPa의 제2 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  20. 제16항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 제1 측면 스트림을 약 800 내지 약 2,600kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제2 측면 스트림을 약 250 내지 약 850kPa의 제2 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제3 측면 스트림을 약 80 내지 약 250kPa의 제3 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  21. 제16항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄, 프로판 및 이소부탄을 포함하는 방법.
  22. 제16항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄과 프로판을 포함하는 방법.
  23. 제16항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 메탄, 에탄 및 질소를 포함하는 방법.
  24. 제1항에 있어서, 액상 냉매를 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 분획을 1중량% 이상 보유하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매를 약 80 내지 약 180kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매를 약 250 내지 약 600kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  27. 제24항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매를 약 800 내지 약 1900kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  28. 제24항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 제1 부분을 약 1,200 내지 약 2,200kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 400 내지 약 700kPa의 제2 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  29. 제24항에 있어서, 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 혼합 성분 냉매의 제1 부분을 약 1,500 내지 약 1,900kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 500 내지 약 600kPa의 제2 압력으로 팽창시키고, 혼합 성분 냉매의 제3 부분을 약 150 내지 약 180kPa의 제3 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  30. 제24항에 있어서, 액상 냉매를 부분 증발시켜 액체 분획을 1중량% 이상 갖는 2상 냉매를 생성하는 방법.
  31. 제24항에 있어서, 액상 냉매를 부분 증발시켜 액체 분획을 3중량% 이상 갖는 2상 냉매를 생성하는 방법.
  32. 제24항에 있어서, 공정 스트림이 본질적으로 천연 가스로 이루어지는 방법.
  33. 제24항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄, 프로판 및 이소부탄을 포함하는 방법.
  34. 제24항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄과 프로판을 포함하는 방법.
  35. 제24항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 메탄, 에탄 및 질소를 포함하는 방법.
  36. 제1 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 제1 열 교환 영역에 위치시키고,
    제1 혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성하고,
    증기상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고,
    액상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역으로 통과시켜 공정 스트림을 냉각시키고,
    제2 혼합 성분 냉매를 냉각된 공정 스트림과 함께 제2 열 교환 영역에 위치시켜 공정 스트림을 액화시킴을 포함하는, 천연 가스 스트림의 액화 방법.
  37. 제36항에 있어서, 액상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 분획을 1중량% 이상 보유함을 추가로 포함하는 방법.
  38. 제36항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매를 제2 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 분획을 1중량% 이상 보유함을 추가로 포함하는 방법.
  39. 제36항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매를 약 1,200 내지 약 2,200kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  40. 제36항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매를 약 400 내지 약 700kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  41. 제36항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매를 약 120 내지 약 200kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  42. 제36항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매의 제1 부분을 약 1,500 내지 약 1,900kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 제1 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 500 내지 약 600kPa의 제2 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  43. 제36항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매의 제1 부분을 약 1,500 내지 약 1,900kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 제1 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 500 내지 약 600kPa의 제2 압력으로 팽창시키고, 제1 혼합 성분 냉매의 제3 부분을 약 150 내지 약 180kPa의 제3 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  44. 제36항에 있어서, 공정 스트림이 천연 가스로 본질적으로 이루어지는 방법.
  45. 제36항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄, 프로판 및 이소부탄을 포함하는 방법.
  46. 제36항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄과 프로판을 포함하는 방법.
  47. 제36항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매가 메탄, 에탄 및 질소를 포함하는 방법.
  48. 제1 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 제1 열 교환 영역에 위치시키고,
    혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매 스트림과 액상 냉매 스트림을 생성하고,
    증기상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역 주위에서 압축 단위로 우회시키고,
    액상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역으로 회귀시켜 기체 스트림을 냉각시키고,
    제2 혼합 성분 냉매를 냉각된 공정 스트림과 함께 제2 열 교환 영역에 위치시키고,
    제2 혼합 성분 냉매를 단일 압력 수준에서 증발시켜 기체 스트림을 액화시킴을 포함하는, 천연 가스 스트림의 액화 방법.
  49. 제48항에 있어서, 액상 냉매 스트림을 제1 열 교환 영역 내에서 부분 증발시 켜 액체 분획을 1중량% 이상 보유함을 추가로 포함하는 방법.
  50. 제48항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매를 제2 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 분획을 1중량% 이상 보유함을 추가로 포함하는 방법.
  51. 제48항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 제1 혼합 성분 냉매를 약 1,200 내지 약 2,200kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  52. 제48항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매를 약 400 내지 약 700kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  53. 제48항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매를 약 120 내지 약 200kPa의 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  54. 제48항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉매의 제1 부분을 약 1,500 내지 약 1,900kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 제1 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 500 내지 약 600kPa의 제2 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  55. 제48항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매를 분리하는 공정이 제1 혼합 성분 냉 매의 제1 부분을 약 1,500 내지 약 1,900kPa의 제1 압력으로 팽창시키고, 제1 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 500 내지 약 600kPa의 제2 압력으로 팽창시키고, 제1 혼합 성분 냉매의 제2 부분을 약 150 내지 약 180kPa의 제3 압력으로 팽창시킴을 포함하는 방법.
  56. 제48항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매를 단일 압력 수준에서 증발시키는 공정이 제2 혼합 성분 냉매를 감압 장치를 통하여 200 내지 700kPa의 압력 범위로 플래슁(flashing)함을 포함하는 방법.
  57. 제48항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매를 단일 압력 수준에서 증발시키는 공정이 제2 혼합 성분 냉매를 밸브를 통하여 400 내지 500kPa의 압력 범위로 플래슁함을 포함하는 방법.
  58. 제48항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매가 제1 혼합 성분 냉매와의 열 교환에 의해 제1 열 교환 영역 내에서 응축되는 방법.
  59. 제48항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매가 제1 혼합 성분 냉매와의 열 교환에 의하여 제1 열 교환 영역 내에서 응축되는 방법.
  60. 제48항에 있어서, 공정 스트림이 천연 가스로 본질적으로 이루어지는 방법.
  61. 제48항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄, 프로판 및 이소부탄을 포함하는 방법.
  62. 제48항에 있어서, 제1 혼합 성분 냉매가 에탄과 프로판을 포함하는 방법.
  63. 제48항에 있어서, 제2 혼합 성분 냉매가 메탄, 에탄 및 질소를 포함하는 방법.
  64. 액상 냉매를 포함하는 혼합 성분 냉매 스트림을 공정 스트림과 함께 열 교환기에 위치시키고,
    액상 냉매 스트림이 완전히 증발하기 전에 열 교환을 중단함을 포함하는, 천연 가스의 공정 스트림의 냉각방법.
  65. 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고,
    혼합 성분 냉매를 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고,
    적어도 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고,
    액상 냉매를 열 교환 영역 내에서 부분 증발시켜 액체 상을 보유함을 포함하는, 천연 가스 스트림의 액화 방법.
  66. 혼합 성분 냉매를 공정 스트림과 함께 열 교환 영역에 위치시키고,
    열 교환 영역으로부터 혼합 성분 냉매의 2개 이상의 측면 스트림을 회수하고,
    혼합 성분 냉매의 측면 스트림을 하나 이상의 압력 수준에서 분리하여 증기상 냉매와 액상 냉매를 생성하고,
    적어도 액상 냉매를 열 교환 영역으로 통과시키고,
    열 교환 영역 내에서 액상 냉매를 부분 증발시켜 액체 상을 보유함을 포함하는, 천연 가스 스트림의 액화 방법.
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