KR20070084502A - 엘엔지 설비용 수직 열교환기 구조 - Google Patents

엘엔지 설비용 수직 열교환기 구조 Download PDF

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Abstract

천연 가스를 냉매와의 간접 열교환을 통해서 냉각하기 위해 하나 이상의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 채용하는 LNG 설비가 제공된다. 상기 수직 코어-인-케틀 열교환기는 플롯 공간을 절감하며, LNG 설비에 채용되는 콜드 박스의 크기를 감소시키는데 사용될 수 있다. 또한, 수직 코어-인-케틀 열교환기는 코어에 대한 개선된 냉매 접근성, 코어 주위에서의 개선된 냉매 순환, 및/또는 코어 위에서의 개선된 기체/액체 분리로 인하여 열전달 효율이 향상될 수 있다.

Description

엘엔지 설비용 수직 열교환기 구조 {VERTICAL HEAT EXCHANGER CONFIGURATION FOR LNG FACILITY}
본 발명은 천연 가스를 액화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 다른 태양에서, 본 발명은 냉매와 피냉각 유체 사이에서의 간접 열전달을 촉진하기 위한 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 천연 가스를 냉각시키기 위해 적어도 하나의 수직한 코어-인-케틀(core-in-kettle) 열교환기를 채용하는 천연 가스 액화 시스템에 관한 것이다.
천연 가스의 극저온 액화는 천연 가스를 운송 및 저장하기에 보다 편리한 형태로 변환하는 수단으로서 일상적으로 실시된다. 이러한 액화는 천연 가스의 체적을 약 600배로 감소시키며, 그 결과 대기압에 근사한 압력으로 저장 및 운송될 수 있는 제품으로 만들어진다.
천연 가스는 공급원으로부터 원거리 시장까지 종종 파이프라인에 의해 운송된다. 파이프라인은 사실상 일정한 높은 부하율(load factor) 하에 작동하는 것이 바람직하지만, 파이프라인의 송출능력 또는 처리능력이 수요를 초과하기도 하고 다른 때에는 수요가 파이프라인의 송출능력을 초과할 수도 있다. 수요가 공급을 초과하는 피크(peak) 또는 공급이 수요를 초과하는 바닥(valley)을 제거하기 위해서는, 초과 가스를 수요가 공급을 초과할 때 송출될 수 있도록 저장하는 것이 바람직하다. 이러한 수완에 의해 미래의 수요 피크가 저장소로부터의 재료에 의해 충족될 수 있다. 이를 행하기 위한 하나의 실천적인 수단은 가스를 저장을 위해서 액화 상태로 변환하고 나중에 수요가 있을 때 액체를 기화시키는 것이다.
천연 가스의 액화는 후보 시장으로부터 상당한 거리를 떨어져 있고 파이프라인이 이용불가능하거나 비실용적인 공급원으로부터 가스를 운송할 때 무척 중요하다. 이는 특히 수송이 원양 선박에 의해 이루어져야하는 경우에 특히 그러하다. 가스의 비체적(specific volume)을 현저히 감소시키기 위해서는 상당한 압축이 요구되므로 기체 상태로의 선박 수송은 일반적으로 실용적이지 않다. 이러한 압축은 훨씬 비싼 저장 콘테이너의 사용을 필요로 한다.
천연 가스를 액체 상태로 저장 및 수송하기 위해서는, 천연 가스를 액화 천연 가스(LNG)가 대기압 근처의 증기압을 갖게 되는 -240℉(151.1℃) 내지 -260℉(-162.2℃)로 냉각시키는 것이 바람직하다. 가스를 높은 압력에서 복수의 냉각 스테이지를 순차로 통과시킨 후 액화 온도에 도달할 때까지 연속적으로 낮은 온도로 냉각시킴으로써 액화시키는 천연 가스 액화 시스템은 기존에 여러가지가 존재하고 있다. 냉각은 일반적으로, 프로판, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, 메탄, 질소, 이산화탄소와 같은 하나 이상의 냉매 또는 상기 냉매의 조합체(예를 들면, 혼합 냉매 시스템)와의 간접 열교환에 의해 이루어진다. 본 발명에 특히 적용될 수 있는 액화 방법은, 압축 LNG-담지 스트림이 플래시(flash) 처리되고 플래시 증기(즉, 플래시 가스 스트림)가 순차로 냉각제로 사용, 재압축, 냉각되며, 처리된 천연 가스 공급 스트림과 조합되고 액화됨으로써 압축 LNG-담지 스트림이 생산되는 최종 냉동 사이클용 개방 메탄 사이클을 채용한다.
많은 LNG 설비는 천연 가스 저장소 근처에서 비교적 먼 장소에 설치된다. 이러한 먼 장소에 신규 LNG 설비가 세워질 때, LNG 설비의 주요 부품은 보다 밀집된 영역에서 제작된 후 최종 조립을 위해 LNG 설비 장소로 (대개는 원양 선박에 의해) 출하되는 것이 보편적이다. 비용 절감을 위해서, LNG 설비의 복잡한 부품들은 출하 이전에 구축되는 것이 바람직하며, 따라서 LNG 설비 장소에서의 구축의 대부분은 사전 제작된 복잡한 부품들의 비교적 간단한 조립을 포함한다. 그러나, LNG 설비의 처리능력 및 크기가 증가할수록, 특정의 복잡한 부품은 다른 곳에서 구축한 후 최종 목적지로 출하하기에는 너무 커진다. 이러한 하나의 부품이 "콜드 박스(cold box)"로 알려진 것이다.
콜드 박스는 단지, 유사한 낮은 온도에서 작동하는 복수의 냉동 부품(예를 들면, 열교환기, 밸브, 및 도관)을 수용하는 인클로저(enclosure)이다. 통상적인 콜드 박스에서, 냉동 부품은 인클로저 내에서 조립되고 유동성 절연체(예를 들면, 팽창된 펄라이트의 입자)에 의해 둘러싸여 절연된다. 각각의 부품을 개별적으로 절연시키는 것이 비해, 콜드 박스는 복수의 냉동 부품을 절연시키기 위한 훨씬 효율적이고 비용 효과적인 수단을 제공한다.
전술했듯이, 콜드 박스의 부품 전체를 보다 밀집된 영역에서 조립한 후 완전 조립된 콜드 박스를 설치하기 위해 원격 LNG 설비 장소로 출하하는 것이 훨씬 저렴하다. 그러나, LNG 설비의 처리능력 및 크기가 계속 증가될수록, 콜드 박스의 크기 또한 증가된다. 사실, 일부 콜드 박스는 이제 표준 원양 선박에 선적하기에는 너무 크다. 콜드 박스의 크기가 증가하는 큰 이유는 콜드 박스 내부에 배치되는 종래의 수평 코어-인-케틀 열교환기가 대형 LNG 설비의 큰 냉각 수요를 감당하기 위해 크기가 커지기 때문이다. 따라서, 종래의 수평 코어-인-케틀 열교환기를 사용하는 새로 구축된 고성능 LNG 설비는 현장에서 조립되어야 하는 바, 표준 원양 선박에 선적하기에는 사전-조립된 콜드 박스가 너무 크기 때문이다.
종래의 수평 코어-인-케틀 열교환기가 안고 있는 크기/공간 문제에 추가적으로, 이러한 수평 코어-인-케틀 열교환기에는 많은 열전달 비효율이 연관될 수 있다. 예를 들어, 열교환기의 코어 아래에 제공되는 최소 액체 냉매 깊이는 코어에 대한 액체 냉매의 보급을 저해할 수 있다. 또한, 코어의 상부와 쉘의 상부 기체상 냉매 토출구 사이의 수직 간격이 냉매의 기체상 및 액상의 적절한 분리를 제공하기에는 너무 작을 수 있다. 코어 위에서 적절한 액체/기체 분리가 이루어지지 않으면, 상향 유동하는 기체상 냉매에 혼입된 액체 냉매의 상당량이 바람직하지 않게 쉘의 상부 기체상 냉매 토출구를 빠져나갈 수 있다.
따라서, 많은 부품이 현장 밖에서 제작된 후 LNG 설비 장소로 출하되어 조립될 수 있는 신규한 천연 가스 액화 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 콜드 박스의 치수를 최소화하는 냉동 부품을 사용하는 콜드 박스 구성을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 종래의 수평 코어-인-케틀 열교환기와 연관된 비효율을 극복하는 간접 열교환 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
상기 목적은 예시적이며 본 명세서에서 청구되는 발명에 의해 전부 달성될 필요는 없음을 알아야 한다. 본 발명의 다른 목적 및 장점은 본 명세서 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 원리에 따라 구축된 수직 코어-인-케틀 열교환기의 절취 측면도이다.
도2는 코어 내에 형성되는 교호적인 쉘측 및 코어측 통로를 보다 명료하게 도시하기 위해 코어의 상부를 부분 절취한 상태의, 도1의 수직 코어-인-케틀 열교환기의 단면 평면도이다.
도3은 도2의 3-3선상에서 취한 측단면도로서, 특히 코어를 통한 코어측 및 쉘측 유체의 유동 방향을 도시할 뿐 아니라, 코어 내에서의 쉘측 유체의 비등에 의해 초래되는 열사이폰 효과를 도시하는 도면이다.
도4는 두 개의 분리된 코어를 갖는 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기의 절취 측면도이다.
도5는 도4의 수직 코어-인-케틀 열교환기의 단면 평면도로서, 특히 쉘 내에서의 두 코어의 입체적인 배치를 도시하는 도면이다.
도6은 세 개의 분리된 코어를 갖는 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기의 절취 측면도이다.
도7은 도6의 수직 코어-인-케틀 열교환기의 단면 평면도로서, 특히 쉘 내에서의 세 코어의 입체적인 배치를 도시하는 도면이다.
도8은 좁은 상부 섹션 및 넓은 하부 섹션을 갖는 쉘을 채용하는 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기의 절취 측면도이다.
도9는 넓은 상부 섹션 및 좁은 하부 섹션을 갖는 쉘을 채용하는 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기의 절취 측면도이다.
도10은 천연 가스 스트림을 냉각하기 위해 적어도 하나의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 채용하는 LNG 생산용 계단형(cascaded) 냉동 공정의 간이 흐름도이다.
도11은 도10의 LNG 설비에 채용될 수 있는 에틸렌 콜드 박스의 절취 측면도로서, 특히 콜드 박스에 배치된 수직 코어-인-케틀 열교환기의 구조를 도시하는 도면이다.
도12는 도11의 에틸렌 콜드 박스의 절취 평면도이다.
따라서, 본 발명의 일 태양은 냉매로부터 피냉각 유체로 열을 전달하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, (a) 쉘 내에 형성되고 높이-대-폭 비율이 1을 초과하는 내부 체적에 냉매를 도입하는 단계, (b) 쉘의 내부 체적 내에 배치된 판-핀(plate-fin) 코어 내에 피냉각 유체를 도입하는 단계, 및 (c) 상기 코어 내의 피냉각 유체로부터 상기 쉘 내의 냉매로 열을 간접 열교환을 통해서 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양은 천연 가스 스트림을 액화하기 위한 공정에 관한 것이다. 이 공정은 (a) 천연 가스 스트림을 주로 프로판 또는 프로필렌을 포함하는 제1 냉매와의 간접 열교환을 통해서 냉각시키는 단계, 및 (b) 천연 가스 스트림을 주로 에탄 또는 에틸렌을 포함하는 제2 냉매와의 간접 열교환을 통해서 더 냉각시키는 단계를 포함하며, 단계(a) 및/또는 (b)의 냉각의 적어도 일부는 적어도 하나의 수직 코어-인-케틀 열교환기에서 이루어진다.
본 발명의 추가적인 태양은 내부 체적을 형성하는 쉘 및 상기 내부 체적에 배치되는 적어도 하나의 코어를 포함하는 열교환기에 관한 것이다. 상기 쉘은 사실상 원통형의 측벽, 수직-상측 단부 캡(normally-upper end cap), 및 수직-하측 단부 캡을 포함한다. 상기 상측 및 하측 단부 캡은 측벽의 양 단부에 배치된다. 상기 측벽은 내부 체적에 쉘측 유체를 수용하기 위한 유체 흡입구를 형성한다. 상기 수직-상측 단부 캡은 내부 체적으로부터 기체상 쉘측 유체를 방출하기 위한 기체 토출구를 형성한다. 상기 수직-하측 단부 캡은 내부 체적으로부터 액상 쉘측 유체를 방출하기 위한 액체 토출구를 형성한다.
본 발명의 또 다른 태양은 내부 체적을 형성하는 쉘 및 상기 쉘 내에 배치되는 코어를 포함하는 열교환기에 관한 것이다. 상기 쉘은 중심 측벽 축을 따라서 연장되는 사실상 원통형의 측벽을 포함한다. 상기 코어는 복수의 코어측 통로 및 복수의 쉘측 통로를 형성한다. 상기 코어측 통로는 쉘의 내부 체적으로부터 유체적으로 격리되며, 상기 쉘측 통로는 쉘의 내부 체적과의 유체 연통을 제공하는 개방 양 단부를 구비한다. 상기 쉘측 통로는 열교환기가 측벽 축이 사실상 직립한 배향으로 배치될 때 쉘측 통로에 열사이폰(thermosiphon) 효과가 생성될 수 있도록 측벽 축의 연장 방향에 사실상 평행한 방향으로 연장된다.
본 발명의 또 다른 태양은 쉘, 상기 쉘에 배치되는 판-핀 코어, 및 지지 구조물을 포함하는 코어-인-케틀 열교환기 시스템에 관한 것이다. 상기 쉘은 중심 측벽 축을 따라서 연장되는 사실상 원통형의 측벽을 포함하고, 상기 지지 구조물은 측벽 축이 사실상 직립한 수직 구조로 쉘을 지지하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 태양은 내부 체적을 형성하는 콜드 박스 및 상기 콜드 박스의 내부 체적에 배치되는 복수의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 포함하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 태양은 하나 이상의 냉매와의 간접 열교환에 의해 천연 가스 공급 스트림을 냉각하기 위한 액화 천연 가스 설비에 관한 것이다. 상기 액화 천연 가스 설비는 천연 가스 스트림을 제1 냉매와의 간접 열교환을 통해서 냉각시키기 위한 제1 냉동 사이클을 포함한다. 상기 제1 냉동 사이클은 상호 유체적으로 격리되는 케틀측 체적 및 코어측 체적을 형성하는 제1 수직 코어-인-케틀 열교환기를 포함한다. 상기 케틀측 체적은 제1 냉매를 수용하도록 구성되며, 상기 코어측 체적은 천연 가스 스트림을 수용하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 발명은 고성능 LNG 설비에서 콜드 박스의 대형화 필요성에 기인하는 전술한 문제를 해결하기 위해 도출된 것이다. 그러나, 본 발명의 적어도 하나의 실시예는 천연 가스 액화 영역 외부에서의 적용을 찾을 수도 있다. 예를 들면, 도1 내지 도9에 도시된 수직 코어-인-케틀 열교환기 설계는 LNG 공정/설비에 사용하기에 적합하지만, 이들 열교환기는 간접 열교환을 요하는 여러가지 다른 용도에 대한 실시를 바람직하게 만드는 향상된 효율을 나타낸다.
우선 도1을 참조하면, 본 발명의 수직 코어-인-케틀 열교환기(10)는 일반적으로 쉘(12) 및 코어(14)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 쉘(12)은 사실상 원통형의 측벽(16), 상측 단부 캡(18), 및 하측 단부 캡(20)을 구비한다. 상측 및 하측 단부 캡(18, 20)은 측벽(16)의 양 단부에 결합된다. 측벽(16)은 열교환기(10)가 사용되고 있을 때 사실상 직립한 위치로 유지되는 중심 측벽 축(22)을 따라서 연장된다. 쉘(12)의 직립 배향을 유지하기 위해 임의의 종래 지지 시스템(23a, 23b)이 사용될 수 있다. 쉘(12)은 코어(14) 및 쉘측 유체(A)를 수용하기 위한 내부 체적(24)을 형성한다. 측벽(16)에는 내부 체적(24)에 쉘측 유체 공급 스트림(Ain)을 도입하기 위한 쉘측 유체 흡입구(26)가 형성된다. 상측 단부 캡(18)에는 내부 체적(24)으로부터 기체상/기화 쉘측 유체(Av-out)를 방출하기 위한 기체 토출구(28)가 형성되며, 하측 단부 캡(20)에는 내부 체적(24)으로부터 액상 쉘측 유체(AL-out)를 방출하기 위한 액체 토출구(30)가 형성된다.
열교환기(10)의 코어(14)는 쉘(12)의 내부 체적(24)에 배치되며, 액상 쉘측 유체(A)에 부분적으로 침지된다. 코어(14)는 코어측 유체(B)를 수용하며 코어측 유체(B)와 쉘측 유체(A) 사이의 간접 열교환을 촉진한다. 코어측 유체 흡입구(32)는 쉘(12)의 측벽(16)을 통해서 연장되고, 코어(14)의 흡입구 헤더(34)에 유체 결합되어 코어측 유체 공급 스트림(Bin)을 코어(14) 내로 도입한다. 코어측 유체 토출구(36)는 코어(14)의 토출구 헤더(38)에 유체 결합되고 쉘(12)의 측벽(16)을 통해서 연장되어 코어(14)로부터 코어측 유체(Bout)를 방출한다.
도2 및 도3에 가장 잘 도시되어 있듯이, 코어(14)는 그 사이에 유체 통로를 형성하는 복수의 이격된 판/핀 분할기(plate/fin divider)(40)를 포함하는 것이 바람직하다. 분할기(40)는 복수의 교호적이고(alternating) 유체적으로 격리된 코어측 통로(42a) 및 쉘측 통로(44a, 44b)를 형성하는 것이 바람직하다. 도1 내지 도3을 참조하면, 코어측 및 쉘측 통로(42, 44)는 중심 측벽 축(22)의 연장 방향에 사실상 평행한 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 코어측 통로(42)는 흡입구 헤더(34)로부터 코어측 유체(B)를 수용하고, 이 코어측 유체(B)를 토출구 헤더(38) 내로 방출한다. 쉘측 통로(44)는 쉘(12)의 내부 체적(24)과 유체 연통하는 개방 양 단부를 구비한다.
도3에 도시하듯이, 쉘측 유체(A)와 코어측 유체(B)는 코어(14)의 쉘측 및 코어측 통로(44, 42)를 통해서 대향류 형태로 유동한다. 코어측 유체(B)는 일반적으로 코어측 통로(42)를 통해서 하향 유동하고 쉘측 유체(A)는 일반적으로 쉘측 통로(44)를 통해서 상향 유동하는 것이 바람직하다. 코어(14)를 통한 코어측 유체(B)의 하향 유동은 종래의 수단에 의해서, 예를 들면 유체(B)를 코어측 유체 흡입구(32)(도1)에 기계적으로 고압 펌핑함으로써 제공된다. 코어(14)를 통한 쉘측 유체(A)의 상향 유동은 당업계에서 "열사이폰 효과"로 공지되어 있는 독특한 기구에 의해서 제공된다. 열사이폰 효과는 직립 유동 채널 내에서의 액체 비등에 의해 초래된다. 액체가 개방-단부형 직립 유동 채널 내에서 가열되어 비등하기 시작하면, 그 결과적인 기체는 자연적인 부력으로 인해 유동 채널을 통해서 상승한다. 이러한 직립 유동 채널을 통한 기체의 상승은 유동 채널의 하부에 있는 액체에 대해 사이폰(siphoning) 효과를 초래한다. 유동 채널의 하부 개방 단부에 액체가 계속 공급되면, 이 열사이폰 효과에 의해 유동 채널을 통한 액체의 지속적인 상향 유동이 제공된다.
도1 내지 도3을 참조하면, 열교환기(10)에 제공되는 열사이폰 효과는, 쉘측 유체(A)를 코어(14)를 통해서 그리고 코어의 주위에서 순환시켜 코어(14) 내에서의 간접 열교환을 향상시키는 자연 대류 펌프로서 작용한다. 열사이폰 효과는 쉘측 유체(A)를 코어(14)의 쉘측 통로(44) 내에서 기화시킨다. 최적의 열사이폰 효과를 얻기 위해서는, 코어(14)의 대부분이 액체 표면 레벨(46) 아래에서 액체 쉘측 유체(A)에 침지되어야 한다. 쉘측 통로(44)의 하부 개구에 대한 액체 쉘측 유체(A)의 적절한 보급을 보장하기 위해서는, 코어(14)의 하부와 내부 체적(24)의 하부 사이에 상당한 공간이 제공되는 것이 바람직하다. 기체상 쉘측 유체 배출 증기 토출구(28)에서 혼입된 액상 쉘측 유체의 적절한 분리를 보장하기 위해서는, 코어(14)의 상부와 내부 체적(24)의 상부 사이에 상당한 공간이 제공되는 것이 바람직하다. 코어(14) 주위에서 액상 쉘측 유체(A)의 적절한 순환을 보장하기 위해서는, 코어(14)의 측부와 쉘(12)의 측벽(16) 사이에 상당한 공간이 제공되는 것이 바람직하다. 상기 장점들은 열교환기(10)를 도1에 도시되고 하기의 표1에서 수치로 표시된 치수/비율로 구성함으로써 실현될 수 있다.
표 1
도1에서, X1은 중심 측벽 축(22)의 연장 방향에 수직하게 측정되는 반응 구역(24)의 최대 폭이고, X2는 중심 측벽 축(22)의 연장 방향에 수직하게 측정되는 코어(14)의 최소 폭이며, Y1은 중심 측벽 축(22)의 연장 방향에 평행하게 측정되는 반응 구역(24)의 최대 높이이고, Y2는 중심 측벽 축(22)의 연장 방향에 평행하게 측정되는 코어(14)의 최대 높이이며, Y3은 중심 측벽 축(22)의 연장 방향에 평행하게 측정되는 코어(14)의 하부와 반응 구역(24)의 하부 사이의 최대 간격이고, Y4는 중심 측벽 축(22)의 연장 방향에 평행하게 측정되는 코어(14)의 상부와 반응 구역(24)의 상부 사이의 최대 간격이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 열교환기(10)는 수직 코어-인-케틀 열교환기이며, 코어(14)는 브레이징 접합된 알루미늄제 판-핀 코어이다. 본원에서 사용되는 "코어-인-케틀 열교환기"란 쉘측 유체와 코어측 유체 사이의 간접 열교환을 촉진하도록 작동가능한 열교환기를 지칭하고, 여기에서 열교환기는 쉘측 유체를 수용하기 위한 쉘, 및 상기 쉘에 배치되어 코어측 유체를 수용하기 위한 코어를 포함하며, 코어는 복수의 이격된 코어측 유체 통로를 형성하고, 쉘측 유체는 코어측 통로 사이에 형성된 개별 쉘측 통로를 통해서 순환할 수 있다. 코어-인-케틀 열교환기와 쉘-앤드-튜브 열교환기 사이의 한가지 식별가능한 특징은 쉘-앤드-튜브 열교환기는 튜브 사이에 개별 쉘측 통로를 갖지 않는다는 점이다. 코어-인-케틀 열교환기의 개별 쉘측 통로는 열사이폰 효과의 장점을 모두 이용할 수 있다. 본원에서 사용되는 "코어-인-케틀 열교환기"란 중심 측벽 축을 따라서 연장되는 사실상 원통형의 측벽을 포함하는 쉘을 갖는 코어-인-케틀 열교환기를 지칭하며, 상기 중심 측벽 축은 사실상 직립 위치로 유지된다.
이제 도4 및 도5를 참조하면, 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기(100)가 쉘(102), 제1 코어(104), 및 제2 코어(106)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 열교환기(100)의 두 개의 분리된 코어(104, 106)는 쉘측 유체(A)와 두 개의 분리된 코어측 유체(B1, B2) 사이의 동시 간접 열전달을 가능하게 한다. 코어(104, 106)는 양 코어(104, 106)가 작동 중에 액상 쉘측 유체(A)에 부분 침지되도록 나란히 배치되는 것이 바람직하다. 이중-코어 열교환기(100)의 쉘(102) 및 코어(104, 106)는 도1 내지 도3의 단일-코어 열교환기(10)와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 구성되는 것이 바람직하다.
이제 도6 및 도7을 참조하면, 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기(200)가 쉘(202), 제1 코어(204), 제2 코어(206), 및 제3 코어(208)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 열교환기(200)의 세 개의 분리된 코어(204, 206, 208)는 쉘측 유체(A)와 세 개의 분리된 코어측 유체(B1, B2, B3) 사이의 동시 간접 열전달을 가능하게 한다. 코어(204, 206, 208)는 이들 코어(204, 206, 208) 전부가 작동 중에 액상 쉘측 유체(A)에 부분 침지되도록 나란히 배치되는 것이 바람직하다. 3중-코어 열교환기(200)의 쉘(202) 및 코어(204, 206, 208)는 도1 내지 도3의 단일-코어 열교환기(10)와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 구성되는 것이 바람직하다.
이제 도8을 참조하면, 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기(300)가 단계적(staged) 쉘(302) 및 코어(304)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 단계적 쉘(302)은 사실상 원통형의 좁은 상부 섹션(306), 사실상 원통형의 넓은 하부 섹션(308), 상기 상부 및 하부 섹션(306, 308)을 연결하는 대체로 절두원추형의 이행 섹션(310)을 포함한다. 좁은 상부 섹션(304)의 최대 폭(X3)에 대한 넓은 하부 섹션(306)의 최대 폭(X1)의 비율은 적어도 약 1.1:1인 것이 바람직하고, 적어도 약 1.25:1 인 것이 보다 바람직하며, 1.5:1 내지 2:1의 범위에 있는 것이 가장 바람직하다. 열교환기(300)의 단계적 쉘(302)은 쉘(302)의 상부 토출구를 통한 기체 방출 이전에 기체/액체 분리가 가능하도록 코어(304) 위에 더 많은 수직 공간을 제공한다. 또한, 열교환기(300)의 구성은 장치의 중심(重心)을 낮춘다.
이제 도9를 참조하면, 교호적인 수직 코어-인-케틀 열교환기(400)가 단계적 쉘(402) 및 코어(404)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 단계적 쉘(402)은 사실상 원통형의 좁은 하부 섹션(406), 사실상 원통형의 넓은 상부 섹션(408), 상기 하부 및 상부 섹션(406, 408)을 연결하는 대체로 절두원추형의 이행 섹션(410)을 포함한다. 좁은 하부 섹션(404)의 최대 폭(X4)에 대한 넓은 상부 섹션(406)의 최대 폭(X1)의 비율은 적어도 약 1.1:1인 것이 바람직하고, 적어도 약 1.25:1인 것이 보다 바람직하며, 1.5:1 내지 2:1의 범위에 있는 것이 가장 바람직하다. 열교환기(400)의 단계적 쉘(402)은 코어(404) 위에서 향상된 기체/액체 분리를 제공하는 바, 이는 코어(14) 위의 큰 단면적이 상향 유동하는 기체의 속도를 최소화함으로써, 기체가 상부 토출구를 통해서 방출되기 전에 혼입된 액체가 기체에서 "떨어져나올(fall out)" 수 있기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 도1 내지 도9에 도시된 수직 코어-인-케틀 열교환기 구성 중 하나 이상은 천연 가스를 냉매와의 간접 열교환을 통해서 냉각시키기 위해 천연 가스 액화 공정에 채용된다. 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 수직 코어-인-케틀 열교환기가 사용될 때, 냉매는 쉘측 유체로서 채용될 수 있으며, 냉각을 겪는 천연 가스 스트림은 코어측 유체로서 채용될 수 있다.
바람직하게, 전술한 수직 코어-인-케틀 열교환기 구성 중 하나 이상은 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 계단형 냉동 공정에 채용된다. 계단형 냉동 공정은 하나 이상의 냉매를 사용하여 열에너지를 천연 가스 스트림으로부터 냉매로 전달하고 궁극적으로는 열에너지를 주위로 전달한다. 본질적으로, 전체 계단형 냉동 시스템은 천연 가스 스트림이 점점 낮은 온도로 냉각될수록 천연 가스 스트림으로부터 열에너지를 제거함으로써 열펌프로서 기능한다. 계단형 냉동 공정의 설계에는 열역학적 효율과 자본 비용을 균형맞추는 것이 포함된다. 열전달 공정에서, 열역학적 비가역성은 가열 유체와 냉각 유체 사이의 온도 구배가 작아질수록 감소되지만, 이러한 작은 온도 구배의 달성은 일반적으로 유량과 흡입구 및 토출구 온도가 소요 가열/냉각 부하(duty)와 양립할 수 있도록 보장하기 위해 열전달 면적의 상당한 증가, 다양한 공정 장비에 대한 큰 변경, 및 이러한 장비를 통한 유량의 적절한 선택을 요한다.
본원에서 사용되는 "개방-사이클 계단형 냉동 공정"이란 용어는, 적어도 하나의 폐쇄 냉동 사이클과 하나의 개방 냉동 사이클을 포함하는 계단형 냉동 공정으로서, 개방 사이클에 채용된 냉매/냉각제의 비등점이 폐쇄 사이클에 채용된 냉동제의 비등점보다 낮고, 압축된 개방-사이클 냉매/냉각제를 응축시키기 위한 냉각 부하의 일부는 하나 이상의 폐쇄 사이클에 의해 제공되는 계단형 냉동 공정을 지칭한다. 본 발명에서, 개방 사이클에서의 냉매/냉각제로는 메탄 지배적 스트림이 채용된다. 이 메탄 지배적 스트림은 가공된 천연 가스 공급 스트림에서 유래된 것이며, 압축 개방 메탄 사이클 가스 스트림을 포함할 수 있다. 본원에서 유체 스트림의 특정 성분의 존재를 설명하기 위해 사용될 때 사용되는 "지배적으로(predominantly)", "주로(primarily or principally)", "대부분(in major part)"이란 용어는, 설명한 성분을 50몰 퍼센트 이상 포함하는 것을 의미한다. 예를 들어, 메탄 "지배적" 스트림, "주로" 메탄으로 구성된 스트림, 또는 "대부분" 메탄으로 구성된 스트림의 각각은 메탄을 50몰 퍼센트 이상 포함하는 스트림을 지칭한다.
천연 가스를 액화하는 가장 효율적이고 효과적인 수단의 하나는 최적화된 계단형 작동과 팽창형 냉각의 조합을 통한 것이다. 이러한 액화 공정은, 천연 가스 스트림을 다단계 프로판 사이클, 다단계 에탄 또는 에틸렌 사이클, 및 공급 가스의 일부를 메탄 소스로서 사용하고 그 내부에는 이를 더 냉각하고 압력을 대기압 근처의 압력으로 저감하기 위해 다단계 팽창 사이클을 포함하는 개방-단부 메탄 사이클로 통과시켜서 순차로 냉각시킴으로써 가스 스트림을 고압[예를 들면, 약 650psia(4.48MPa)]으로 계단형 냉각하는 것을 포함한다. 냉각 사이클의 순서에서는, 최고 비등점을 갖는 냉매가 먼저 사용되고, 이어서 중간 비등점을 갖는 냉매가 사용되며, 마지막으로 최저 비등점을 갖는 냉매가 사용된다. 본원에서 사용되는 "상류" 및 "하류"라는 용어는 천연 가스 액화 플랜트를 통한 천연 가스의 유동 경로를 따라서 플랜트의 각종 부품의 상대적 위치를 설명하기 위해 사용되는 것이다.
다양한 전처리 단계는, LNG 설비로 송출되는 천연 가스 공급 스트림으로부터 산성 가스, 메르캅탄, 수은, 및 수분과 같은 바람직하지 않은 특정 성분을 제거하기 위한 수단을 제공한다. 이 가스 스트림의 조성은 상당히 변화될 수도 있다. 본원에서 사용되는 천연 가스 스트림은 대부분 천연 가스 공급 스트림으로부터 연유하는 메탄으로 주로 구성되는 임의의 스트림이며, 이러한 공급 스트림은 예를 들어 적어도 85몰 퍼센트의 메탄을 함유하고 나머지는 에탄, 높은 탄화수소, 질소, 이산화탄소, 및 소량의 수은, 황화수소, 및 메르캅탄과 같은 다른 오염물이다. 전처리 단계는 냉각 사이클의 상류에 설치되거나 초기 사이클에서 냉각의 조기 스테이지중 한 스테이지의 하류에 설치되는 별도의 단계일 수 있다. 이하는 당업자에게 주지된 이용가능한 수단중 일부의 비포괄적 리스트이다. 산성 가스 및 보다 낮은 정도의 메르캅탄은 통상 수성 아민-담지 용액을 채용하는 화학 반응 공정을 통해서 제거된다. 이 처리 단계는 일반적으로 초기 사이클에서 냉각 스테이지의 상류에서 실행된다. 물의 대부분은 통상 초기 냉각 사이클의 상류와 초기 냉각 사이클에서 제1 냉각 스테이지의 하류에서의 가스 압축 및 냉각에 이어서 2상 기체-액체 분리를 통해서 액체로서 제거된다. 수은은 통상 수은 흡착 베드를 통해서 제거된다. 잔여 량의 물과 산성 가스는 통상 재생성 분자체(molecular sieve)와 같은 적절하게 선택된 흡착 베드의 사용을 통해서 제거된다.
전처리된 천연 가스 공급 스트림은 일반적으로 액화 공정에 고압 송출되거나, 500psia(3.45MPa) 초과, 바람직하게는 약 500psia 내지 약 3000psia(20.7MPa), 보다 바람직하게는 약 500psia(3.45MPa) 내지 약 1000psia(6.89MPa), 더 바람직하게는 약 600psia(4.14MPa) 내지 약 800psia(5.52MPa)의 고압으로 압축된다. 공급 스트림 온도는 통상 대기 온도에 근사한 온도 내지 대기 온도보다 약간 높은 온도에 있다. 대표적인 온도 범위는 60℉(15.5℃) 내지 150℉(65.5℃)이다.
전술했듯이, 천연 가스 공급 스트림은 복수의(바람직하게는 세 개의) 상이한 냉매와의 간접 열교환에 의해 복수의 다단(바람직하게는 3단) 사이클 또는 단계에서 냉각된다. 주어진 사이클에서의 전체 냉각 효율은 스테이지의 개수가 증가할수록 향상되지만, 이러한 효율의 증가는 순수 자본 비용 및 공정 복잡성의 상응하는 증가를 수반한다. 공급 가스는 비교적 높은 비등점 냉매를 사용하는 제1 폐쇄 냉동 사이클에서 유효 개수의 냉동 스테이지, 통상은 2개, 바람직하게는 2개 내지 4개, 보다 바람직하게는 3개의 냉동 스테이지를 통과하는 것이 바람직하다. 이러한 비교적 높은 비등점 냉매는 주로 프로판, 프로필렌, 또는 그 혼합물로 구성되는 것이 바람직하고, 약 75몰 퍼센트 이상의 프로판을 포함하는 것이 보다 바람직하며, 약 90몰 퍼센트 이상의 프로판을 포함하는 것이 더 바람직하고, 본질적으로 프로판으로 구성되는 것이 가장 바람직하다. 이후, 처리된 공급 가스는 낮은 비등점을 갖는 냉매와 열교환되는 제2 폐쇄 냉동 사이클에서 유효 개수의 스테이지, 통상은 2개, 바람직하게는 2개 내지 4개, 보다 바람직하게는 2개 또는 3개의 스테이지를 통해서 유동한다. 이러한 낮은 비등점 냉매는 주로 에탄, 에틸렌, 또는 그 혼합물로 구성되는 것이 바람직하고, 약 75몰 퍼센트 이상의 에틸렌을 포함하는 것이 보다 바람직하며, 약 90몰 퍼센트 이상의 에틸렌을 포함하는 것이 더 바람직하고, 본질적으로 에틸렌으로 구성되는 것이 가장 바람직하다. 각각의 냉각 스테이지는 별도의 냉각 구역을 포함한다. 전술했듯이, 처리된 천연 가스 스트림은 제2 사이클의 다양한 위치에서 하나 이상의 재순환 스트림(즉, 압축된 개방 메탄 사이클 가스 스트림)과 조합되어 액화 스트림을 생성하는 것이 바람직하다. 제2 냉각 사이클의 마지막 스테이지에서, 액화 스트림은 대부분, 바람직하게는 전부 응축(즉, 액화)되어 압축 LNG-담지 스트림을 생성한다. 일반적으로, 이 위치에서의 처리 압력은 제1 사이클의 제1 스테이지로의 전처리된 공급 가스의 압력보다 약간 낮을 뿐이다.
일반적으로, 천연 가스 공급 스트림은 이러한 양의 C2+ 성분을 함유하여 결국 하나 이상의 냉각 스테이지에서 C2+ 농후 액체를 형성한다. 이 액체는 기체-액체 분리 수단, 바람직하게는 하나 이상의 종래의 기체-액체 분리기를 통해서 제거된다. 일반적으로, 각 스테이지에서의 천연 가스의 순차 냉각은, 메탄 지배적 가스 스트림 및 에탄과 무거운 성분을 상당량 함유한 액체 스트림을 생성하기 위해 가스로부터 C2 및 고분자량 탄화수소를 가능한 한 많이 제거하도록 제어된다. C2+ 성분이 농후한 액체 스트림의 제거를 위해 냉각 구역 하류의 전략적 위치에는 유효 개수의 기체/액체 분리 수단이 설치된다. 기체/액체 분리 수단, 바람직하게는 종래의 기체/액체 분리기의 정확한 위치와 개수는, 천연 가스 공급 스트림의 C2+ 조성, LNG 제품의 소정 BTU 함량, 다른 용도를 위한 C2+ 성분의 값, 및 LNG 플랜트와 가스 플랜트 작동 분야의 당업자에 의해 통상 고려되는 다른 인자와 같은 여러가지 작동 파라미터에 의존할 것이다. C2+ 탄화수소 스트림은 1단 플래시 또는 분할 칼럼을 통해서 탈메탄화(demethanize)될 수 있다. 후자의 경우에, 결과적인 메탄-농후 스트림은 압력하에 액화 공정으로 직접 복귀될 수 있다. 전자의 경우에, 이 메탄-농후 스트림은 재압축 및 재순환될 수 있거나 또는 연료 가스로서 사용될 수 있다. C2+ 탄화수소 스트림 또는 탈메탄화 C2+ 탄화수소 스트림은 연료로서 사용될 수 있거나 또는 특정 화학 성분(예를 들면, C2, C3, C4, C5+)이 농후한 개별 스트림을 생성하도록 예를 들어 하나 이상의 분할 구역에서의 분할에 의해 추가 처리될 수 있다.
압축 LNG-담지 스트림은 이후 개방-메탄 사이클로 지칭되는 제3 사이클 또는 단계에서, 메인 메탄 열회수기(economizer) 내에서 이 제3 사이클에서 후술하는 방식으로 발생되는 플래시 가스(즉, 플래시 가스 스트림)와의 접촉을 통해서 그리고 압축 LNG-담지 스트림이 대기압 근처로 순차 팽창되는 것을 통해서 더 냉각된다. 제3 냉동 사이클에서 냉매로 사용되는 플래시 가스는 주로 메탄으로 구성되는 것이 바람직하고, 75몰 퍼센트 이상의 메탄을 포함하는 것이 보다 바람직하며, 90몰 퍼센트 이상의 메탄을 포함하는 것이 더 바람직하고, 본질적으로 메탄으로 구성되는 것이 가장 바람직하다. 압축 LNG-담지 스트림이 대기압 근처로 팽창되는 동안, 압축 LNG-담지 스트림은 적어도 1회, 바람직하게는 2회 내지 4회, 보다 바람직하게는 3회의 팽창을 통해서 냉각되며, 각각의 팽창은 감압 수단으로서 팽창기를 채용한다. 적절한 팽창기는 예를 들어 줄-톰슨(Joule-Thompson) 팽창 밸브 또는 유압식 팽창기를 포함한다. 팽창에 이어서 분리기에 의한 기체-액체 제품의 분리가 이루어진다. 유압식 팽창기가 채용되어 적절히 작동되면, 전력 회수와 연관된 큰 효율, 스트림 온도의 커다란 감소, 및 플래시 팽창 단계 도중의 낮아진 증기 발생이 팽창기와 연관된 높은 자본 및 작동 비용을 더 자주 상쇄시킬 것이다. 일 실시예에서, 압축 LNG-담지 스트림의 플래시 이전의 추가 냉각은, 이 스트림의 일부를 먼저 하나 이상의 유압식 팽창기를 통해서 플래시 처리되고 이후 상기 플래시 가스 스트림을 채용하는 간접 열교환 수단을 통해서 압축 LNG-담지 스트림의 나머지 부분을 플래시 이전에 냉각함으로써 가능해진다. 따뜻해진 플래시 가스 스트림은 이후, 온도 및 압력 항목에 기초한 개방 메탄 사이클 내의 적절한 위치로의 복귀를 통해서 재순환되고, 재압축될 것이다.
본원에 기술된 액화 공정은, (a) 간접 열교환, (b) 기화, 및 (c) 팽창 또는 감압을 비제한적으로 포함하는 여러가지 형태의 냉각 중 하나를 사용할 수 있다. 본원에서 사용되는 간접 열교환이란 냉동제와 피냉각물 사이에 실제 물리적 접촉 없이 냉매가 피냉각물을 냉각하는 공정을 지칭한다. 간접 열교환 수단의 특정 예로는 쉘-앤드-튜브 열교환기, 코어-인-케틀 열교환기, 및 브레이징 접합된 알루미늄제 판-핀 열교환기에서 수행되는 열교환이 포함된다. 냉매와 피냉각물의 물리적 상태는 선택되는 열교환기 형태와 시스템의 수요에 따라서 달라질 수 있다. 따라서, 쉘-앤드-튜브 열교환기는 통상, 냉동제가 액체 상태에 있고 피냉각물이 액체 또는 기체 상태에 있는 경우 또는 피냉각물중 하나가 상변화를 겪고 공정 조건이 코어-인-케틀 열교환기의 사용에 유리하지 않을 때 사용될 것이다. 일 예로서, 알루미늄 및 알루미늄 합금이 코어의 구축을 위한 바람직한 재료이지만, 이러한 재료는 지정된 공정 조건에서 사용하기에는 적합하지 않을 수도 있다. 판-핀 열교환기는 통상, 냉매가 기체 상태에 있고 피냉각물이 액체 또는 기체 상태에 있는 경우에 사용될 것이다. 마지막으로, 코어-인-케틀 열교환기는 통상, 피냉각물이 액체 또는 기체 상태에 있고 냉매가 열교환 중에 액체 상태로부터 기체 상태로의 상변화를 겪는 경우에 사용될 것이다.
기화 냉각(vaporization cooling)이란 일정 압력으로 유지되는 시스템에 의해 물질의 일부를 증발 또는 기화시켜서 물질을 냉각하는 것을 지칭한다. 따라서, 기화 중에, 물질의 증발하는 부분은 물질의 액체 상태로 남아있는 부분으로부터 열을 흡수하고 따라서 액체 부분을 냉각시킨다. 마지막으로, 팽창 또는 감압 냉각이란 통상, 기체, 액체 또는 2상 시스템의 압력이 감압 수단을 통과함으로써 감소될 때 발생하는 냉각을 지칭한다. 일 실시예에서, 이 팽창 수단은 줄-톰슨 팽창 밸브이다. 다른 실시예에서, 팽창 수단은 유압식 팽창기 또는 가스 팽창기이다. 팽창기가 팽창 공정으로부터 일에너지를 회수하기 때문에, 팽창시에 낮은 공정 스트림 온도를 얻을 수 있다.
도10에 도시된 흐름도 및 장치는, 최적화된 콜드 박스에 배치되는 하나 이상의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 채용하는 본 발명의 LNG 설비의 바람직한 실시예를 나타낸다. 도11 및 도12는 복수의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 수용하는 최적화된 콜드 박스의 바람직한 실시예를 도시한다. 당업자라면 도10 내지 도12가 단지 개략도이며 따라서 성공적인 작동을 위해 상업용 플랜트에 필요한 여러가지 품목의 장비가 명료함을 위해 생략되어 있음을 알 것이다. 이러한 품목의 예로는 압축기 제어장치, 유동 및 레벨 측정장치 및 대응 콘트롤러, 온도 및 압력 제어장치, 펌프, 모터, 필터, 추가 열교환기, 및 밸브 등이 포함될 수 있다. 이들 품목은 표준 엔지니어링 방식에 따라 제공될 것이다.
도10 내지 도12의 이해를 돕기 위해, 후술하는 번호붙임(numbering) 명명법이 채용되었다. 500 내지 599로 번호붙여진 품목은 액화 공정과 직접 연관되는 공정 용기 및 장비이다. 600 내지 699로 번호붙여진 품목은 메탄 지배적 스트림을 수용하는 유동 라인 또는 도관에 상응한다. 700 내지 799로 번호붙여진 품목은 에틸렌 지배적 스트림을 수용하는 유동 라인 또는 도관에 상응한다. 800 내지 899로 번호붙여진 품목은 프로판 지배적 스트림을 수용하는 유동 라인 또는 도관에 상응한다.
도10을 참조하면, 기체상 프로판은 가스 터빈 구동장치(도시되지 않음)에 의해 구동되는 다단(바람직하게는 3단) 압축기(518)에서 압축된다. 각각의 압축 스테이지가 별도의 유닛일 수 있고 단일 구동장치에 의해 구동되도록 기계적으로 결합된 유닛일 수도 있지만 세 개의 압축 스테이지가 단일 유닛에 존재하는 것이 바람직하다. 압축 시에, 압축된 프로판은 도관(800)을 통해서 쿨러(520)로 이동하고 그곳에서 냉각되어 액화된다. 액화 프로판 냉매의 플래시 이전의 대표 압력 및 온도는 약 100℉(37.7℃) 및 약 190psia(1.31MPa)이다. 쿨러(520)로부터의 스트림은 도관(802)을 통해서 감압 수단인 팽창 밸브(512)로 이동하며, 여기에서 액화 프로판의 압력이 감소됨으로써 그 일부가 증발되거나 플래시 처리된다. 결과적인 2상 제품은 이후 도관(804)을 통해서 상단(high-stage) 프로판 냉각기(chiller)(502)로 유동하고, 도관(602)을 통해서 도입된 기체상 메탄 냉매, 도관(600)을 통해서 도입된 천연 가스 공급, 및 도관(702)을 통해서 도입된 기체상 에틸렌 냉매는 각각 냉각기에서 간접 열교환 수단(504, 506, 508)을 통해서 냉각되며, 이로인해 도관(654, 602, 704)을 통해서 각각 생성되는 냉각된 가스 스트림이 얻어진다. 도관(654)내의 가스는 나중에 자세히 설명될 메인 메탄 열회수기(574)로 공급되며 여기에서 스트림은 간접 열교환 수단(598)을 통해서 냉각된다. 도관(658)을 통해서 생성된 결과적인 냉각 압축된 메탄 재순환 스트림은 이후 도관(62) 내에서 헤비스(heavies) 제거 칼럼(560)으로부터의 헤비스 결핍(즉, 경질 탄화수소 농후) 증기 스트림과 조합되어 에틸렌 냉각기(568)에 공급된다.
냉각기(502)로부터의 프로판 가스는 도관(806)을 통해서 압축기(518)로 복귀한다. 이 가스는 압축기(518)의 상단 흡입 포트로 공급된다. 잔여 액체 프로판은 도관(808)을 통과하고, 압력은 팽창 밸브(514)로 도시된 감압 수단을 통과함으로써 더 감소되며, 이후 액화 프로판의 추가 부분이 플래시 처리된다. 결과적인 2상 스트림은 이후 도관(810)을 통해서 중간단(intermediate-stage) 프로판 냉각기(522)로 공급되어, 냉각기(522)용 냉매를 제공한다. 냉각기(522)로부터의 냉각된 공급 가스 스트림은 도관(602)을 통해서 분리 장비(510)로 유동하고, 그곳에서 기체상과 액상이 분리된다. C3+ 성분이 농후할 수 있는 액상은 도관(603)을 통해서 제거된다. 기체상은 도관(604)을 통해서 제거된 후 두 개의 개별 스트림으로 분할되어 도관(606, 608)을 통해서 이송된다. 도관(606) 내의 스트림은 프로판 냉각기(522)로 공급된다. 도관(608) 내의 스트림은 열교환기(562)로 공급되고, 궁극적으로는 나중에 자세히 설명될 헤비스 제거 칼럼(560)으로의 스트립핑 가스가 된다. 냉각기(502)로부터의 에틸렌 냉매는 도관(704)을 통해서 냉각기(522)에 도입된다. 냉각기(522)에서, 메탄-농후 스트림으로도 지칭되는 공급 가스 스트림, 및 에틸렌 냉매 스트림은 각각 간접 열전달 수단(524, 526)을 통해서 냉각되며, 그로인해 도관(610, 706)을 통해서 냉각된 메탄-농후 및 에틸렌 냉매 시스템이 생성된다. 프로판 냉매의 이렇게 증발된 부분은 분리되어 도관(811)을 통해서 압축기(518)의 중간단 흡입구로 이동된다. 냉각기(522)로부터의 액체 프로판 냉매는 도관(814)을 통해서 제거되고, 팽창 밸브(516)로 도시된 감압 수단을 거쳐서 플래시 처리된 후, 도관(816)을 통해서 하단 프로판 냉각기/응축기(528)로 공급된다.
도10에 도시하듯이, 메탄-농후 스트림은 중간단 프로판 냉각기(522)로부터 도관(610)을 통해서 하단 프로판 냉각기(528)로 유동한다. 냉각기(528)에서, 스트림은 간접 열교환 수단(530)을 통해서 냉각된다. 마찬가지로, 에틸렌 냉매 스트림은 중간단 프로판 냉각기(522)로부터 도관(706)을 통해서 하단 프로판 냉각기(528)로 유동한다. 후자에서, 에틸렌 냉매는 간접 열교환 수단(532)을 통해서 완전히 응축되거나 사실상 전체가 응축된다. 기화된 프로판은 하단 프로판 냉각기(528)로부터 제거되고, 도관(820)을 통해서 압축기(518)의 하단 흡입구로 복귀된다.
도10에 도시하듯이, 하단 프로판 냉각기(528)에서 유출되는 메탄-농후 스트림은 도관(612)을 통해서 상단 에틸렌 냉각기(542)에 도입된다. 에틸렌 냉매는 도관(708)을 통해서 하단 프로판 냉각기(528)에서 유출되고, 바람직하게는 분리 용기(537)에 공급되며, 이 분리 용기에서는 가벼운 성분이 도관(709)을 통해서 제거되고 응축된 에틸렌은 도관(710)을 통해서 제거된다. 공정에서 이 위치에서의 에틸렌 냉매는 일반적으로 약 -24℉(-31.1℃)의 온도와 약 285psia(1.96MPa)의 압력을 갖는다. 에틸렌 냉매는 이후 에틸렌 열회수기(534)로 유동하고 그곳에서 간접 열교환 수단(538)을 통해서 냉각되며, 도관(711)을 통해서 제거되고, 팽창 밸브(540)로서 도시된 감압 수단으로 이동한 후, 냉매는 미리선택된 온도와 압력으로 플래시 처리되고 도관(712)을 통해서 상단 에틸렌 냉각기(542)에 공급된다. 기체는 냉각기(542)로부터 도관(714)을 통해 제거되고 에틸렌 열회수기(534)로 보내지며 여기에서 기체는 간접 열교환 수단(546)을 통해서 냉매로서 기능한다. 에틸렌 기체는 이후 에틸렌 열회수기(534)로부터 도관(716)을 통해서 제거되고 에틸렌 압축기(548)의 상단 흡입구에 공급된다. 상단 에틸렌 냉각기(542)에서 기화되지 않은 에틸렌 냉매는 도관(718)을 통해서 제거되고, 간접 열교환 수단(550)을 통한 추가 냉각을 위해 에틸렌 열회수기(534)로 복귀되며, 에틸렌 열회수기로부터 도관(720)을 통해서 제거되고, 팽창 밸브(552)로서 도시된 감압 수단에서 플래시 처리되며, 이후 결과적인 2상 제품은 도관(722)을 통해서 하단 에틸렌 냉각기(554)에 도입된다.
간접 열교환 수단(544)에서의 냉각 이후, 메탄-농후 스트림은 상단 에틸렌 냉각기(542)로부터 도관(616)을 통해서 제거된다. 이 스트림은 이후 하단 에틸렌 냉각기(554)에서 간접 열교환 수단(556)에 의해 제공되는 냉각을 통해서 부분 응축되어 2상 스트림을 생성하며, 이는 도관(618)을 통해서 헤비스 제거 칼럼(560)으로 유동한다. 전술했듯이, 라인(604)에서의 메탄-농후 스트림은 도관(606, 608)을 통해서 유동하도록 분할되었다. 본원에서 스트립핑 가스로 지칭되는 도관(608)의 내용물은 먼저 열교환기(562)로 공급되며, 이 스트림은 간접 열교환 수단(566)을 통해서 냉각되어 냉각된 스트립핑 가스가 되고 이후 도관(609)을 통해서 헤비스 제거 칼럼(560)으로 유동한다. 벤젠, 사이클로헥산, 기타 방향족, 및/또는 중질 탄화수소 성분과 같은 C4+ 탄화수소를 고농도로 함유하는 헤비스-농후 액체 스트림이 헤비스 제거 칼럼(560)으로부터 도관(614)을 통해서 제거되고, 감압 수단으로도 기능할 수 있는 제어 밸브가 바람직한 유동 제어 수단(597)을 통해서 바람직하게 플래시처리되며, 도관(617)을 통해서 열교환기(562) 쪽으로 수송된다. 유동 제어 수단(597)을 통해서 플래시처리된 스트림은 메탄 압축기(583)에 대한 상단 흡입 포트에서의 압력과 대략 같거나 그보다 높은 압력으로 플래시 처리된다. 플래싱은 또한 스트림에 대해 보다 큰 냉각 효율을 부여한다. 열교환기(562)에서, 도관(617)에 의해 송출된 스트림은 간접 열교환 수단(564)을 통해서 냉각 성능을 제공하며, 도관(619)을 통해서 열교환기(562)를 빠져나간다. 헤비스 제거 칼럼(560)에서, 도관(618)을 통해서 도입되는 2상 스트림은 도관(609)을 통해서 도입되는 냉각된 스트립핑 가스 스트림과 대향류 방식으로 접촉하며, 그로인해 도관(620)을 통해서 헤비스-결핍 기체 스트림이 생성되고 도관(614)을 통해서 헤비스-농후 액체 스트림이 생성된다.
도관(619) 내의 헤비스-농후 스트림은 이어서 액체 부분과 기체 부분으로 분리되거나, 또는 용기(567) 내에서 플래시 또는 분할된다. 어느 경우에나, 도관(623)을 통해서 헤비스-농후 액체 스트림이 생성되고 도관(621)을 통해서 제2 메탄-농후 기체 스트림이 생성된다. 도10에 도시된 바람직한 실시예에서, 도관(621)내 스트림은 이어서 도관(628)을 통해서 송출된 제2 스트림과 조합되고, 조합된 스트림은 메탄 압축기(583)의 상단 흡입 포트로 공급된다.
전술했듯이, 도관(654)내 가스는 메인 메탄 열회수기(574)로 공급되고 여기에서 스트림은 간접 열교환 수단(598)을 통해서 냉각된다. 도관(658)내의 결과적인 냉각된 압축 메탄 재순환 또는 냉매 스트림은 바람직한 실시예에서 헤비스 제거 칼럼(560)으로부터의 헤비스-결핍 기체 스트림과 조합되고, 도관(620)을 통해서 송출되며, 하단 에틸렌 냉각기(568)로 공급된다. 하단 에틸렌 냉각기(568)에서, 이 스트림은 간접 열교환 수단(570)을 통해서 냉각 및 응축되고 하단 에틸렌 냉각기(554)로부터의 액체 유출물은 도관(726)을 통해서 에틸렌 응축기(568)로 이송된다. 응축기(568)로부터의 응축된 메탄-농후 제품은 도관(622)을 통해서 생성된다. 도관(724)을 통해서 회수된 에틸렌 냉각기(554)로부터의 기체와 도관(728)을 통해서 철회된 에틸렌 응축기(568)는 조합되고 도관(730)을 통해서 에틸렌 열회수기(534)로 이송되며 여기에서 기체는 간접 열교환 수단(558)을 통한 냉매로서 기능한다. 스트림은 이후 도관(732)을 통해서 에틸렌 열회수기(534)로부터 에틸렌 압축기(548)의 하단 흡입구로 이송된다.
도10에 도시하듯이, 에틸렌 압축기(548)의 하단측을 통해서 도입된 증기로부터의 압축기 유출물은 도관(734)을 통해서 제거되고, 중간단 쿨러(571)를 통해서 냉각되며, 도관(736)을 통해서 압축기(548)로 복귀되어 도관(716)에 존재하는 상단 스트림과 함께 사출된다. 두 스테이지는 각각 별도의 모듈 및 공통 구동장치에 기계적으로 결합된 모듈일 수도 있지만 싱글 모듈인 것이 바람직하다. 압축기(548)로부터의 압축된 에틸렌 제품은 도관(700)을 통해서 하류 쿨러(572)로 이송된다. 쿨러(572)로부터의 제품은 도관(702)을 통해서 유동하고, 전술했듯이 상단 프로판 냉각기(502)로 도입된다.
도관(622)내의 전부 액체 스트림인 것이 바람직한 압축 LNG-담지 스트림은 약 -200℉(-128.8℃) 내지 약 -50℉(-45.5℃) 범위의 온도가 바람직하고, 약 -175℉(-115℃) 내지 약 -100℉(-73.3℃) 범위의 온도가 더 바람직하고, -150℉(-101.1℃) 내지 -125℉(-87.2℃) 범위의 온도가 가장 바람직하다. 도관(622)내 스트림의 압력은 약 500psia(3.45MPa) 내지 약 700psia(4.83MPa) 범위가 바람직하고, 550psia(3.79MPa) 내지 725psia(4.99MPa) 범위가 가장 바람직하다.
도관(622)내의 스트림은 메인 메탄 열회수기(574)로 향하고, 여기에서 스트림은 후술하듯이 간접 열교환기 수단/열교환기 패스(576)에 의해 추가 냉각된다. 메인 메탄 열회수기(574)는 열회수기(574)내의 다양한 메탄 지배적 스트림 사이에 간접 열교환을 제공하는 복수의 열교환기 패스를 구비하는 것이 바람직하다. 메탄 열회수기(574)는 하나 이상의 판-핀 열교환기를 포함하는 것이 바람직하다. 열교환기 패스(576)로부터의 냉각된 스트림은 도관(624)을 통해서 메탄 열회수기(574)를 빠져나간다. 도관(624)내 스트림의 온도는 도관(622)내 스트림의 온도보다 약 10℉ 이상 낮은 것이 바람직하고, 도관(622)내 스트림의 온도보다 약 25℉ 이상 낮은 것이 더 바람직하다. 도관(624)내 스트림의 온도는 약 -200℉(-128.8℃) 내지 약 -160℉(-106.7℃)의 범위에 있는 것이 가장 바람직하다. 도관(624)내 스트림의 압력은 이후 팽창 밸브(578)로서 도시된 감압 수단에 의해 감소되며, 이 감압 수단은 가스 스트림의 일부를 증발시키거나 플래시처리하여 2상 스트림을 생성한다. 팽창 밸브(578)로부터의 2상 스트림은 이후 상단 메탄 플래시 드럼(580)으로 이동되고, 이곳에서는 도관(626)을 통해서 방출되는 플래시 가스 스트림과 도관(630)을 통해서 방출되는 액상 스트림(즉, 압축 LNG-담지 스트림)으로 분리된다. 플래시 가스 스트림은 이후 도관(626)을 통해서 메인 메탄 열회수기(574)로 이송되며, 여기에서 이 스트림은 열교환기 패스(582)에서 냉매로 기능하고 열교환기 패스(576)에서 스트림의 냉각을 보조한다. 따라서, 열교환기 패스(582)에서의 메탄 지배적 스트림은 열교환기 패스(576)에서의 메탄 지배적 스트림과의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 따뜻해진다. 따뜻해진 스트림은 도관(628)을 통해서 열교환기 패스(582) 및 메탄 열회수기(574)를 빠져나간다. 도관(628)을 통해서 열교환기 패스(582)를 빠져나가는 따뜻해진 메탄 지배적 스트림의 온도는 도관(624)내 스트림의 온도보다 약 10℉ 이상 높은 것이 바람직하고, 도관(624)내 스트림의 온도보다 약 25℉ 이상 높은 것이 더 바람직하다. 도관(628)을 통해서 열교환기 패스(582)를 빠져나가는 스트림의 온도는 약 -50℉(-45.5℃)보다 따뜻한 것이 바람직하고, 약 0℉(-17.7℃)보다 따뜻한 것이 더 바람직하며, 약 25℉(-3.9℃)보다 따뜻한 것이 더더욱 바람직하고, 40℉(4.4℃) 내지 100℉(37.8℃)의 범위에 있는 것이 가장 바람직하다.
도관(630)을 통해서 상단 플래시 드럼(580)을 빠져나가는 액상 스트림은 제2 메탄 열회수기(587)를 통과하며, 여기에서 액체는 간접 열교환 수단(588)을 통해서 하류 플래시 기체에 의해 더 냉각된다. 냉각된 액체는 도관(632)을 통해서 제2 메탄 열회수기(587)를 빠져나가며, 팽창 밸브(591)로서 도시된 감압 수단을 통해서 팽창 또는 플래시되어 압력을 더 감소하는 동시에 그 제2 부분을 기화시킨다. 이 2상 스트림은 이후 중간단 메탄 플래시 드럼(592)으로 이동하고, 여기에서 도관(636)을 통과하는 기체상 및 도관(634)을 통과하는 액상으로 분리된다. 기체상은 도관(636)을 통해서 제2 메탄 열회수기(587)로 유동하고 여기에서 기체는 도관(630)을 통해서 열회수기(587)로 도입된 액체를 간접 열교환 수단(589)을 통해서 냉각시킨다. 도관(638)은 제2 메탄 열회수기(587)내의 간접 열교환 수단(589)과 메인 메탄 열회수기(574)내의 열교환기 패스(595) 사이의 유동 도관으로서 작용한다. 열교환기 패스(595)로부터의 따뜻해진 기체 스트림은 도관(640)을 통해서 메인 메탄 열회수기(574)를 빠져나가고, 메탄 압축기(583)의 중간단 흡입구로 유도된다.
도관(634)을 통해서 중간단 플래시 드럼(592)을 빠져나가는 액상은 팽창 밸브(593)로서 도시된 감압 수단을 통과함으로써 압력이 추가로 감소된다. 다시, 액화된 기체의 제3 부분이 증발되거나 플래시 처리된다. 팽창 밸브(593)로부터의 2상 스트림은 최종단 또는 하단 플래시 드럼(594)으로 이동한다. 플래시 드럼(594)에서, 기체상은 분리되어 도관(644)을 통해서 제2 메탄 열회수기(587)로 이동하며 여기에서 기체는 간접 열교환 수단(590)을 통해서 냉매로서 기능하고, 도관(646)을 통해서 제2 메탄 열회수기(587)를 빠져나가며 여기에서 기체는 열교환기 패스(596)를 통해서 냉매로서 기능한다. 열교환기 패스(596)로부터의 따뜻한 기체 스트림은 도관(648)을 통해서 메인 메탄 열회수기(574)를 빠져나가며, 압축기(583)의 하단 흡입구로 유도된다.
대략 대기압에 놓여있는 하단 플래시 드럼(594)으로부터의 액화 천연 가스 제품은 도관(642)을 통해서 LNG 저장 탱크(599)로 이동한다. 종래의 관행에 따르면, 저장 탱크(599)내의 액화 천연 가스는 (통상 원양 LNG 탱커를 통해서) 소망 위치로 수송될 수 있다. LNG는 이후 종래의 천연 가스 파이프라인을 통해서 기체 상태로 수송되기 위해 육상 LNG 터미널에서 기화될 수 있다.
도10에 도시하듯이, 압축기(583)의 상단, 중간단, 및 하단은 단일 유닛으로서 조합되는 것이 바람직하다. 그러나, 각각의 단(stage)은 개별 유닛으로서 존재할 수도 있으며, 이들 유닛은 단일 구동장치에 의해 구동되도록 함께 기계적으로 결합된다. 하단 섹션으로부터의 압축 가스는 중간단 쿨러(585)를 통과하고, 제2 압축단 이전에 도관(640) 내의 중간 압력 가스와 조합된다. 압축기(583)의 중간단으로부터의 압축 가스는 중간단 쿨러(584)를 통과하고, 제3 압축단 이전에 도관(621, 628)을 통해서 제공된 고압 가스와 조합된다. 압축 가스(즉, 압축 개방 메탄 사이클 가스 스트림)는 도관(650)을 통해서 상단 메탄 압축기로부터 방출되고, 쿨러(586)에서 냉각되며, 전술했듯이 도관(652)을 통해서 고압 프로판 냉각기(502)로 이송된다. 스트림은 간접 열교환 수단(504)을 통해서 냉각기(502)에서 냉각되고, 도관(654)을 통해서 메인 메탄 열회수기(574)로 유동한다. 메인 메탄 열회수기(574)에 진입하는 냉각기(502)로부터의 압축 개방 메탄 사이클 가스 스트림은 그 전체가 간접 열교환 수단(598)을 통한 유동을 거쳐서 냉각을 겪는다. 이 냉각된 스트림은 이후 도관(658)을 통해서 제거되고, 에틸렌 냉각의 제1 스테이지 상류에서 처리된 천연 가스 공급 스트림과 조합된다.
도10에 도시된 LNG 설비는 에틸렌 콜드 박스(598)(점선으로 도시)를 구비하는 것이 바람직하다. 본원에서 사용되는 "콜드 박스"란 용어는 그 내부에서 비교적 차가운 유체 스트림이 처리되는 복수의 부품을 수용하는 절연된 인클로저를 지칭한다. 본원에서 사용되는 "에틸렌 콜드 박스"란 용어는 그 내부에서 천연 가스 스트림을 냉각하기 위해 에틸렌 지배적 냉매 스트림이 채용되는 콜드 박스를 지칭한다.
도10 내지 도12에 도시하듯이, 에틸렌 콜드 박스(598)는 에틸렌 열회수기(534), 상단 에틸렌 냉각기(542), 하단 에틸렌 냉각기(554), 에틸렌 응축기(568), 에틸렌 냉동 사이클과 연관된 각종 도관 및 밸브를 수용하는 것이 바람직하다. 도11 및 도12는 냉각기(542, 554) 및 응축기(568)가 도1 내지 도9와 관련하여 전술한 구성을 갖는 수직 코어-인-케틀 열교환기일 수 있음을 도시한다. 콜드 박스(598) 내에 수직 열교환기를 채용하면 콜드 박스(598)가 보다 적은 플롯 공간을 가질 수 있다. 또한, 수직 코어-인-케틀 열교환기는 전술한 향상된 열전달 효율을 제공할 수 있다.
도11 및 도12에 도시하듯이, 에틸렌 콜드 박스(598)는 퍼지(purging) 가스 흡입구(900) 및 퍼지 가스 토출구(902)를 구비하는 것이 바람직하다. 에틸렌 콜드 박스(598) 내에 물이 전혀 축적되지 않도록 보장하기 위해, 사실상 탄화수소가 없는 퍼지 가스가 흡입구(900)를 통해서 에틸렌 콜드 박스(598) 내로 연속 도입된다. 퍼지 가스는 콜드 박스(598)의 내부를 통해서 유동하고 토출구(902)를 통해서 콜드 박스(598)를 빠져나간다. 토출구(902)를 통해서 콜드 박스(598)를 빠져나가는 퍼지 가스는 탄화수소 분석기(904)로 운송된다. 탄화수소 분석기(904)는 퍼지 가스 중의 탄화수소 존재를 검출하도록 작동될 수 있다. 분석기(904)가 퍼지 가스 중에서 대개 높은 탄화수소 농도를 검출하면, 이는 에틸렌 콜드 박스(598) 내에서의 탄화수소 누설을 나타내는 것이다.
도10의 LNG 설비에서는 하나의 콜드 박스[즉, 에틸렌 콜드 박스(598)]만 도시되어 있지만, LNG 설비는 수직 코어-인-케틀 열교환기를 수용하는 다른 콜드 박스를 채용할 수 있다. 예를 들어, 메탄 콜드 박스에는 메탄 냉동 사이클의 각종 부품이 배치될 수 있다. 또한, 도10 내지 도12는 에틸렌 냉각기/응축기(542, 554, 568)가 수직 코어-인-케틀 열교환기인 것을 도시할 뿐이지만, 도10의 LNG 설비는 간접 열전달이 요구되는 다양한 다른 위치에서 수직 코어-인-케틀 열교환기를 채용할 수도 있다. 예를 들어, 프로판 냉각기(502, 522, 528)중 하나 이상은 도1 내지 도9와 관련하여 전술한 구성을 갖는 수직 열교환기를 채용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 도10에 도시된 LNG 생산 시스템은 종래의 공정 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터에서 시뮬레이트된다. 적절한 시뮬레이션 소프트웨어의 예로는 하이프로테크(Hyprotech) 사 로부터의 상표명 하이시스(HYSYS™), 아스펜 테크놀로지 사(Aspen Technology, Inc.)로부터의 등록 상표 아스펜 플러스(Aspen Plus®), 및 시뮬레이션 사이언스 사(Simulation Sciences Inc.)로부터의 등록 상표 프로/Ⅱ(PRO/Ⅱ®)가 포함된다.
전술한 본 발명의 바람직한 형태는 단지 예시로서 사용되어야 하며, 본 발명의 범위를 한정적으로 해석하는데 사용되지 않아야 한다. 이 기술 분야의 숙련자는 전술한 예시적 실시예에 대한 명백한 변경을 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 쉽게 도출할 수 있다.
본 발명자들은 청구범위에 기재된 본 발명의 문언적 범위를 크게 벗어나지 않고 그 밖에 있는 임의의 장치에 속하는 본 발명의 합리적으로 공정한 범위를 결정 및 평가하기 위해 균등론에 의존한다.

Claims (76)

  1. 냉매에서 피냉각 유체로의 열전달 방법이며,
    (a) 쉘 내에 형성되고 높이-대-폭 비율이 1을 초과하는 내부 체적에 냉매를 도입하는 단계,
    (b) 쉘의 내부 체적 내에 배치된 판-핀 코어 내에 피냉각 유체를 도입하는 단계, 및
    (c) 상기 코어 내의 피냉각 유체로부터 상기 쉘 내의 냉매로 열을 간접 열교환을 통해서 전달하는 단계를 포함하는 열전달 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 높이-대-폭 비율은 적어도 약 1.25인 열전달 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계는 상기 냉매의 적어도 일부를 기화시키는 것을 포함하는 열전달 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (c)단계의 기화는 코어 내에 열사이폰 효과를 초래하는 열전달 방법.
  5. 제1항에 있어서, (d) 상기 쉘 내의 액상 냉매의 레벨을 코어 높이의 적어도 50 %가 액상 냉매에 침지되는 높이로 유지하는 단계를 더 포함하는 열전달 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 (d)단계는 쉘 내의 액상 냉매의 레벨을 코어 높이의 75 내지 95 %가 액상 냉매에 침지되는 높이로 유지하는 것을 포함하는 열전달 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (a)단계는 상기 냉매를 쉘 내의 액상 냉매의 레벨 위의 위치에서 내부 체적 안으로 도입하는 것을 포함하는 열전달 방법.
  8. 제1항에 있어서, (e) 쉘의 상부 토출구로부터 기체상 냉매를 제거하는 단계, 및
    (f) 쉘의 하부 토출구로부터 액체 냉매를 제거하는 단계를 더 포함하는 열전달 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 쉘은 중심 측벽 축을 따라서 연장되는 사실상 원통형의 측벽을 구비하며, 상기 측벽 축은 사실상 직립한 열전달 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 높이-대-폭 비율은 적어도 약 1.25인 열전달 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 코어는 피냉각 유체를 수용하기 위한 복수의 코어측 통로를 형성하고, 상기 코어는 냉매를 수용하기 위한 복수의 쉘측 통로를 형성하며, 상기 쉘측 통로의 각각은 하부 냉매 흡입구 및 상부 냉매 토출구 사이에서 대체로 상향 연장되는 열전달 방법.
  12. 제11항에 있어서, 단계(c)는 쉘측 통로 내에서 냉매의 적어도 일부를 기화시키는 것을 포함하는 열전달 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기화는 쉘측 통로를 통한 냉매의 자연스러운 상향 대류를 초래하는 열전달 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 코어는 쉘의 상부, 하부 및 측부로부터 이격되어 있는 열전달 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 내부 체적은 최대 높이(H)를 가지며, 상기 코어는 내부 체적의 하부로부터 적어도 0.2H 만큼 이격되고, 상기 코어는 내부 체적의 상부로부터 적어도 0.2H 만큼 이격되는 열전달 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 피냉각 유체는 주로 메탄을 포함하며, 상기 냉매는 주로 프로판, 프로필렌, 에탄 에틸렌, 메탄, 또는 이산화탄소를 포함하는 열전달 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 피냉각 유체는 천연 가스 스트림이며, 상기 냉매는 주로 프로판 또는 에틸렌을 포함하는 열전달 방법.
  18. 천연 가스 스트림을 액화하기 위한 공정이며,
    (a) 천연 가스 스트림을 주로 프로판 또는 프로필렌을 포함하는 제1 냉매와의 간접 열교환을 통해서 냉각시키는 단계, 및
    (b) 천연 가스 스트림을 주로 에탄 또는 에틸렌을 포함하는 제2 냉매와의 간접 열교환을 통해서 더 냉각시키는 단계를 포함하며,
    단계(a) 및/또는 (b)의 상기 냉각의 적어도 일부는 하나 이상의 수직 코어-인-케틀 열교환기에서 이루어지는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  19. 제18항에 있어서, 상기 코어-인-케틀 열교환기는 쉘과, 이 쉘에 수용되는 판-핀 코어를 포함하고,
    상기 쉘은 중심 측벽 축을 따라서 연장되는 사실상 원통형의 측벽을 포함하며,
    상기 열교환기는 측벽 축이 사실상 직립한 배향을 갖도록 배치되는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  20. 제19항에 있어서, 상기 코어는 복수의 대체로 상향 연장되는 코어측 통로 및 복수의 대체로 상향 연장되는 쉘측 통로를 형성하고,
    상기 천연 가스 스트림은 코어측 통로에 수용되며,
    상기 제1 또는 제2 냉매는 쉘측 통로에 수용되는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  21. 제20항에 있어서, 상기 코어는 교호적인 코어측 통로 및 쉘측 통로를 형성하는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  22. 제20항에 있어서, 단계(a) 및/또는 (b)의 상기 냉각은 쉘측 통로에 있는 제1 냉매의 적어도 일부를 기화시켜 열사이폰 효과를 제공하는 것을 포함하는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  23. 제19항에 있어서, 상기 쉘은 최대 높이(H)를 갖는 내부 체적을 형성하며, 상기 코어는 내부 체적의 상부로부터 적어도 0.2H 만큼 이격되고, 상기 코어는 내부 체적의 하부로부터 적어도 0.2H 만큼 이격되는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  24. 제23항에 있어서, 상기 코어는 쉘의 측벽으로부터 이격되는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  25. 제18항에 있어서, (c) 천연 가스 스트림을 주로 메탄을 포함하는 제3 냉매와의 간접 열교환을 통해서 추가 냉각시키는 단계를 더 포함하는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  26. 제25항에 있어서, (d) 천연 가스 스트림의 적어도 일부를 플래시 처리하여 기체상 천연 가스를 제공하는 단계를 더 포함하며,
    단계(c)는 제3 냉매로서 기체상 천연 가스의 적어도 일부를 사용하는 것을 포함하는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제1 냉매는 주로 프로판을 포함하며, 상기 제2 냉매는 주로 에틸렌을 포함하는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  28. 제18항에 있어서, (e) 단계(a)와 (b)의 공정에 의해 생산된 액화 천연 가스를 기화시키는 단계를 더 포함하는 천연 가스 스트림 액화 공정.
  29. 제18항의 공정에 의해 생산된 액화 천연 가스 제품.
  30. 컴퓨터를 사용하여 제18항의 공정을 시뮬레이팅하는 것을 포함하는 컴퓨터 시뮬레이션 공정.
  31. 내부 체적을 형성하는 쉘, 및
    상기 내부 체적에 배치되는 적어도 하나의 코어를 포함하는 열교환기이며,
    상기 쉘은 사실상 원통형의 측벽, 수직-상측 단부 캡, 및 수직-하측 단부 캡을 포함하고, 상기 상측 및 하측 단부 캡은 측벽의 양 단부에 배치되며,
    상기 측벽은 내부 체적에 쉘측 유체를 수용하기 위한 유체 흡입구를 형성하고,
    상기 수직-상측 단부 캡에는 내부 체적으로부터 기체상 쉘측 유체를 방출하기 위한 기체 토출구가 형성되며,
    상기 수직-하측 단부 캡에는 내부 체적으로부터 액상 쉘측 유체를 방출하기 위한 액체 토출구가 형성되는 열교환기.
  32. 제31항에 있어서, 상기 코어는 판-핀 코어인 열교환기.
  33. 제31항에 있어서, 상기 내부 체적은 최대 높이(H)와 최대 폭(W)을 가지며, 상기 내부 체적은 1을 초과하는 H/W 비율을 갖는 열교환기.
  34. 제33항에 있어서, 상기 코어는 상기 내부 체적의 상부 및 하부로부터 적어도 0.2H 만큼 이격되는 열교환기.
  35. 제33항에 있어서, 상기 유체 흡입구는 상기 내부 체적의 상부 및 하부로부터 적어도 0.3H 만큼 이격되는 열교환기.
  36. 제33항에 있어서, 상기 코어는 최대 높이(h)를 가지며, 상기 코어와 쉘은 0.75 미만의 h/H 비율을 갖는 열교환기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 h/H 비율은 0.25 내지 0.5인 열교환기.
  38. 제33항에 있어서, 상기 코어는 최소 폭(w)을 가지며,
    상기 코어와 쉘은 0.95 미만의 w/W 비율을 갖는 열교환기.
  39. 제31항에 있어서, 상기 측벽은 중심 측벽 축을 따라서 연장되고,
    상기 코어는 중심 측벽 축의 연장 방향에 사실상 평행하게 유동하는 두 개의 유체 사이에 대향류 열교환을 제공하는 열교환기.
  40. 제39항에 있어서, 상기 코어는 복수의 코어측 통로 및 복수의 쉘측 통로를 형성하고,
    상기 코어측 통로와 쉘측 통로는 유체적으로 상호 격리되며,
    상기 쉘측 통로는 수직-하부 흡입구 및 수직-상부 토출구를 제공하고,
    상기 쉘측 통로는 수직-하부 흡입구로부터 수직-상부 토출구로 연장되는 열교환기.
  41. 제40항에 있어서, 상기 코어측 통로와 쉘측 통로는 측벽 축의 연장 방향에 사실상 평행하게 연장되는 열교환기.
  42. 제31항에 있어서, 상기 코어는 브레이징 접합된 알루미늄제 판-핀 코어인 열교환기.
  43. 내부 체적을 형성하고, 중심 측벽 축을 따라서 연장되는 사실상 원통형의 측벽을 포함하는 쉘, 및
    상기 쉘 내에 배치되는 코어를 포함하는 열교환기이며,
    상기 코어는 복수의 코어측 통로 및 복수의 쉘측 통로를 형성하고, 상기 코어측 통로는 쉘의 내부 체적으로부터 유체적으로 격리되며,
    상기 쉘측 통로는 쉘의 내부 체적과의 유체 연통을 제공하는 개방 양 단부를 구비하고, 상기 쉘측 통로는 열교환기가 측벽 축이 사실상 직립한 배향으로 배치될 때 쉘측 통로에 열사이폰 효과가 생성될 수 있도록 측벽 축의 연장 방향에 사실상 평행한 방향으로 연장되는 열교환기.
  44. 제43항에 있어서, 상기 복수의 쉘측 통로는 쉘측 통로에 진입하는 임의의 유체가 하나의 단부를 통해서 진입하도록 단부에서만 개방되는 열교환기.
  45. 제43항에 있어서, 상기 코어는 판-핀 코어인 열교환기.
  46. 제43항에 있어서, 상기 코어는 브레이징 접합된 알루미늄제 판-핀 코어인 열교환기.
  47. 제43항에 있어서, 상기 내부 체적은 측벽 축을 따라서 측정되는 최대 높이(H)와 측벽 축에 수직하게 측정되는 최대 폭(W)을 가지며, 상기 내부 체적은 1을 초과하는 H/W 비율을 갖는 열교환기.
  48. 제47항에 있어서, 상기 쉘은 수직-상측 단부 캡과 수직-하측 단부 캡을 구비하고,
    상기 최대 높이(H)는 단부 캡들 사이에서 측정되며,
    상기 코어는 수직-상측 단부 캡으로부터 적어도 0.2H의 제1 최대 거리 만큼 이격되는 수직-상측 단부를 구비하고,
    상기 코어는 수직-하측 단부 캡으로부터 적어도 0.2H의 제2 최대 거리 만큼 이격되는 수직-하측 단부를 구비하며,
    상기 제1 및 제2 최대 거리는 측벽 축의 연장 방향에 사실상 평행하게 측정되는 열교환기.
  49. 제48항에 있어서, 상기 제1 및 제2 최대 거리는 2피트(60.96cm) 이상인 열교환기.
  50. 제47항에 있어서, 상기 코어는 측벽 축을 따라서 측정되는 최대 높이(h)를 가지며, 상기 코어와 쉘은 0.75 미만의 h/H 비율을 갖는 열교환기.
  51. 제43항에 있어서, 상기 쉘은 쉘의 내부 체적과 각각 연통하는 흡입구, 제1 토출구, 및 제2 토출구를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 토출구는 측벽 축을 따라서 상호 이격되며,
    상기 제1 및 제2 토출구는 일반적으로 쉘의 양 단부에 배치되는 열교환기.
  52. 제51항에 있어서, 상기 흡입구는 측벽에 형성되는 열교환기.
  53. 중심 측벽 축을 따라서 연장되는 사실상 원통형의 측벽을 구비하는 쉘,
    상기 쉘에 배치되는 판-핀 코어, 및
    측벽 축이 사실상 직립한 수직 구조로 쉘을 지지하도록 구성된 지지 구조물을 포함하는 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  54. 제53항에 있어서, 상기 코어는 브레이징 접합된 알루미늄제 판-핀 코어인 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  55. 제53항에 있어서, 상기 쉘은 코어가 배치되는 내부 체적을 형성하고,
    상기 내부 체적은 측벽 축을 따라서 측정되는 최대 높이(H)와 측벽 축에 수직하게 측정되는 최대 폭(W)을 가지며,
    상기 내부 체적은 1을 초과하는 H/W 비율을 갖는 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  56. 제55항에 있어서, 상기 쉘은 수직-상측 단부 캡 및 수직-하측 단부 캡을 가지며,
    상기 최대 높이(H)는 단부 캡들 사이에서 측정되고,
    상기 코어는 수직-상측 단부 캡으로부터 적어도 0.2H의 제1 최대 거리 만큼 이격되는 수직-상측 단부를 구비하며,
    상기 코어는 수직-하측 단부 캡으로부터 적어도 0.2H의 제2 최대 거리 만큼 이격되는 수직-하측 단부를 구비하며,
    상기 제1 및 제2 최대 거리는 측벽 축의 연장 방향에 사실상 평행하게 측정되는 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 상기 제1 및 제2 최대 거리는 2피트(60.96cm) 이상인 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  58. 제55항에 있어서, 상기 코어는 측벽 축을 따라서 측정되는 최대 높이(h)를 가지며,
    상기 코어와 쉘은 0.75 미만의 h/H 비율을 갖는 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  59. 제55항에 있어서, 상기 쉘은 쉘의 내부 체적과 각각 연통하는 흡입구, 제1 토출구, 및 제2 토출구를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 토출구는 측벽 축을 따라서 상호 이격되며,
    상기 제1 및 제2 토출구는 일반적으로 쉘의 양 단부에 배치되는 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  60. 제59항에 있어서, 상기 흡입구는 측벽에 형성되는 코어-인-케틀 열교환기 시스템.
  61. 내부 체적을 형성하는 콜드 박스, 및
    상기 내부 체적에 배치되는 복수의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 포함하는 장치.
  62. 제61항에 있어서, 콜드 박스의 내부 체적에 배치되고 코어-인-케틀 열교환기를 실질적으로 둘러싸는 실질적으로 느슨한 절연 재료를 포함하는 장치.
  63. 제62항에 있어서, 상기 절연 재료는 펄라이트를 포함하는 장치.
  64. 제61항에 있어서, 상기 콜드 박스는 퍼지 가스 흡입구 및 퍼지 가스 토출구를 형성하고,
    상기 콜드 박스는 퍼지 가스 흡입구 및 토출구를 제외하고 실질적으로 유체-기밀식인 장치.
  65. 제64항에 있어서, 탄화수소의 존재를 검출하도록 작동가능한 탄화수소 모니터를 포함하며,
    상기 탄화수소 모니터는 퍼지 가스 토출구와 유체 연통하여 배치되는 장치.
  66. 하나 이상의 냉매와의 간접 열교환에 의해 천연 가스 공급 스트림을 냉각하기 위한 액화 천연 가스 설비이며,
    천연 가스 스트림을 제1 냉매와의 간접 열교환을 통해서 냉각시키기 위한 제1 냉동 사이클을 포함하고,
    상기 제1 냉동 사이클은 제1 수직 코어-인-케틀 열교환기를 포함하며,
    상기 제1 수직 코어-인-케틀 열교환기는 상호 유체적으로 격리되는 케틀측 체적 및 코어측 체적을 형성하고,
    상기 케틀측 체적은 제1 냉매를 수용하도록 구성되며,
    상기 코어측 체적은 천연 가스 스트림을 수용하도록 구성되는 액화 천연 가스 설비.
  67. 제66항에 있어서, 상기 제1 냉매는 주로 프로판, 프로필렌, 에탄, 에틸렌 또는 이산화탄소를 포함하는 액화 천연 가스 설비.
  68. 제66항에 있어서, 상기 제1 냉매는 주로 에틸렌을 포함하는 액화 천연 가스 설비.
  69. 제66항에 있어서, 상기 제1 냉동 사이클은 천연 가스 스트림을 제1 냉매와의 간접 열교환을 통해서 순차 냉각시키기 위해 복수의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 채용하는 액화 천연 가스 설비.
  70. 제69항에 있어서, 상기 제1 냉동 사이클은 상기 복수의 수직 코어-인-케틀 열교환기를 수용하는 콜드 박스를 포함하는 액화 천연 가스 설비.
  71. 제66항에 있어서, 천연 가스 스트림을 제1 냉매와 다른 조성의 제2 냉매와의 간접 열교환을 통해서 냉각시키기 위한 제2 냉동 사이클을 포함하는 액화 천연 가스 설비.
  72. 제71항에 있어서, 상기 제2 냉매는 주로 프로판, 프로필렌, 에탄, 에틸렌 또는 이산화탄소를 포함하는 액화 천연 가스 설비.
  73. 제71항에 있어서, 상기 제1 냉매는 주로 에틸렌을 포함하고,
    상기 제2 냉매는 주로 프로판을 포함하는 액화 천연 가스 설비.
  74. 제73항에 있어서, 상기 제2 냉동 사이클은 제1 냉동 사이클의 상류에 위치하는 액화 천연 가스 설비.
  75. 제71항에 있어서, 상기 제2 냉동 사이클은 제2 수직 코어-인-케틀 열교환기를 포함하는 액화 천연 가스 설비.
  76. 제71항에 있어서, 제1 및 제2 냉동 사이클의 하류에 배치되는 개방 메탄 냉동 사이클을 포함하는 액화 천연 가스 설비.
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