KR20070114192A - 천연 가스 스트림을 냉각시킨 후에 냉각된 스트림을 여러분획물로 분리하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

천연 가스 스트림 (CxHy) 을 냉각한 후에 이 냉각된 스트림을 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 응축물 등의 상이한 끓는점을 갖는 다양한 분획물로 분리하기 위한 방법으로서, 가스 스트림 (1, 2) 를 냉각하는 단계, 냉각된 가스 스트림을 입구 분리 탱크 (4) 에서 분리하는 단계, 메탄이 희박한 유체 분획물 (C2 +H2) 로부터 메탄이 많은 유체 분획물 (CH4) 을 분리하는 분류 컬럼 (7), 첨음속 또는 초음속의 사이클론 등과 같이, 80% 이상의 팽창 등엔트로피 효율을 갖는 것이 바람직한, 입구 분리 탱크 (4) 로부터 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 안으로 메탄이 많은 유체 분획물의 일부 이상을 공급하는 단계, 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 로부터 분루 컬럼 (7) 안으로 더 분리하기 위해 메탄이 격감된 유체 분획물을 공급하는 단계를 포함한다.

Description

천연 가스 스트림을 냉각시킨 후에 냉각된 스트림을 여러 분획물로 분리하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR COOLING A NATURAL GAS STREAM AND SEPARATING THE COOLED STREAM INTO VARIOUS FRACTIONS}
본 발명은 천연 가스 스트림을 냉각시킨 후에 이 냉각된 스트림을 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 응축물 등의 여러 분획물로 분리하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
오일 및 가스 산업에 있어서, 천연 가스는 생산되어 가공된 후에 그 최종 사용자까지 전달된다.
가스 처리 공정은 천연 가스 스트림의 적어도 일부를 액화시키는 것을 포함한다. 천연 가스 스트림이 액화되면 그 후에 소위 천연 가스 액화물(NGL's)의 영역이 얻어지고, 액화 천연 가스 또는 LNG(주로 메탄 또는 C1 또는 CH4 포함), 에탄(C2), 액화 석유 가스 또는 LPG(주로 프로판 및 부탄 또는 C3 및 C4 포함) 및 응축물(주로 C5+ 분획물 포함) 를 포함한다.
가스가 생성된 후에 파이프라인 (그리드) 을 통해 각 지역의 고객에게 전달된다면, 가스의 발열량은 특별히 한정될 것이다. 더 농후한 가스 스트림에 대 해서, 잔류 생산물로 판매되는 C2+ 액체를 회수하기 위해서는 중류 (midstream) 처리가 필요하게 된다.
지역의 가스 생산량이 지역의 가스 소비량보다 많다면, 고가의 가스 전달 그리드는 필요가 없고, 따라서 가스는 LNG 로 액화되어서 벌크로서 선적될 수 있다. C1 액체의 제조시에, C2+ 가 동시에 제조되어 부산물로서 팔리게 된다.
통상적인 NGL 회수 플랜트는 극저온 냉각 공정에 근거하여 가스 스트림 내의 가벼운 최종물(light end) 을 응축하게 된다. 이 냉각 공정은 기계적 냉동(MR), 줄 톰슨(JT) 팽창 및 터보 팽창기(TE), 또는 복합체(예컨대 MR-JT) 등을 포함한다. 이 NGL 회수 공정들은 비압축 듀티(즉, MW/tonne NGL/hr) 에 관해서 수십년에 걸쳐 최적화되었다. 이 최적화는 1) 상이한 공정 스트림 사이의 활발한 열교환, 2) 분류 컬럼의 상이한 공급물 트레이, 3) 희박 오일 정류 (즉, 컬럼 환류) 를 포함하는 경우가 있다.
비압축 듀티에 가장 민감한 것은 분류 컬럼의 실제 작동 압력이다. 작동 압력이 높을수록 비압축 듀티는 낮아지고, 분류 성분(예컨대 디메타나이저를 위한 C1 ~ C2+, 디에타나이저를 위한 C2- ~ C3+)사이의 상대 휘발도 또한 낮아지게 되는데, 이 결과 더 많은 트레이가 필요해져 컬럼이 커지고/커지거나 오버헤드 스트림의 순도가 낮아지게 된다.
Ortloff Corporation 에 허여된 유럽 특허 제 0182643 호 및 미국 특허 제 4061481, 4140504, 4157904, 4171964 및 4278457 호에는 천연 가스 스트림의 다양 한 처리 방법이 기재되어 있는데, 이에 따르면 가스 스트림은 냉각된 후에 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 응축물 등의 다양한 분획물로 분리된다.
상기 공지된 냉각 및 분리 방법의 단점은, 에너지 소비가 크고 부피가 크고 고가인 냉각 및 냉동 장치를 포함한다는 것이다. 이 공지의 방법들은 등엔탈피 냉각법(즉, 줄 톰슨 냉각, 기계적 냉동) 또는 거의 등엔트로피인 냉각법(즉, 터보 팽창기, 사이클론 팽창 및 분리 장치) 에 의거하고 있다. 거의 등엔트로피인 방법은 터보 팽창기가 사용될 때 통상 가장 고가임에도 불구하고 가장 에너지 효율적이다. 그러나, 사이클론 팽창 및 분리 장치는 비록 터보 팽창기 장치보다 효율이 작더라도 고에너지 효율을 유지하면서 가장 비용 효과적이게 된다. 등엔탈피 냉각 사이클(즉, 외부 냉동 사이클)과 함께 비용 효과적인 사이클론 팽창 및 분리 장치를 사용하면, 최대의 에너지 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 목적은, 상기 종래의 방법보다 더욱 에너지 효율적이고 부피가 더 작으며 저렴한, 천연 가스 스트림의 냉각 및 분리 방법과 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명과 관련하여, 천연 가스 스트림을 냉각하고 냉각된 스트림을 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 응축물 등의 끓는점이 상이한 다양한 분획물로 분리하는 방법이 제공되고, 상기 방법은,
- 하나 이상의 열교환기 조립체에서 가스 스트림을 냉각시키는 단계;
- 입구 분리 탱크에서 상기 냉각된 가스 스트림을 메탄이 많은 유체 분획물과 메탄이 격감된 유체 분획물로 분리하는 단계,
- 메탄이 격감된 유체 분획물을 입구 분리 탱크로부터 분류 컬럼에 공급하여 메탄이 풍부한 유체 분획물을 메탄이 희박한 유체 분획물로부터 분리하는 단계,
- 메탄이 풍부한 유체 분획물의 적어도 일부를 입구 분리 탱크로부터 사이클론 팽창 및 분리 장치에 공급하여, 상기 유체 분획물을 팽창시켜 더 냉각시키며 메탄이 많고 실질적으로 가스상인 유체 분획물과 메탄이 격감된 실질적으로 액상인 유체 분획물로 냉각 분리하는 단계, 및
- 메탄이 격감된 유체 분획물을 더 분리하기 위해서 사이클론 팽창 및 분리 장치로부터 분류 컬럼에 공급하는 단계를 포함하며,
- 상기 사이클론 팽창 및 분리 장치는:
a) 메탄이 많은 유체 분획물에 와류 운동을 부여하기 위한 와류 부여 베인의 조립체로서, 이 베인은 원심력에 의해 와류 운동 유체 스트림이 메탄이 많은 유체 분획물과 메탄이 격감된 유체 분획물로 분리되도록 메탄이 많은 유체 분획물이 가속 및 팽창되어서 더 냉각되는 노즐의 상류에 배치된 상기 조립체, 또는
b) 스로틀링 밸브로서, 유체 출구 채널을 통해 흐르는 유체 스트림에 와류 운동을 부여하여 액적이 유체 출구 채널의 외주를 향해 와류 운동하여 합쳐지도록 하는 와류 부여 수단을 구비한 출구부를 갖는 스로틀링 밸브를 포함한다.
사이클론 팽창 및 분리 장치의 입구로 공급되는 메탄이 많은 유체 분획물이 -20 ~ -60 ℃ 의 온도를 갖도록 천연 가스 스트림은 제 1 열교환기와 냉동장치를 포함하는 열교환기 조립체에서 냉각되는 것이 바람직하고, 사이클론 팽창 및 분리 장치에 의해 방출되는 냉각된 메탄이 많은 유체 분획물이 제 1 열교환기를 통과하여 가스 스트림을 냉각시키게 된다.
또한 열교환기 조립체는 제 1 열교환기에 의해 방출된 냉각된 천연 가스 스트림이 냉동장치에 공급되기 전에 더 냉각되는 제 1 열교환기를 더 포함하고, 분류 컬럼의 바닥부로부터 나온 저온 유체가 제 2 열교환기 내의 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 제 2 열교환기에 공급되는 것이 바람직하다.
Twister B.V. 사에 의해 제조되어 "Twister" 라는 상품명으로 팔리는 사이클론 팽창 및 분리 장치가 사용되는 것이 더 바람직하다. 이 사이클론 팽창 및 분리 장치의 다양한 실시형태는 WO 03029739, 유럽 특허 1017465 및 미국 특허 6524386 및 6776825 에 기재되어 있다. 사이클론 팽창 및 분리 장치 내의 냉각은 공급물 스트림을 노즐 내에서 천음속 또는 초음속까지 가속함으로써 이루어질 수 있다. 천음속 또는 초음속 조건에서, 압력은 통상 공급물 압력의 1/3 까지 떨어질 것이며, 온도는 공급물 온도에 대하여 통상 3/4 으로 떨어지게 된다. 주어진 공급물 조성에 대해 단위 감압(P-drop) 당 감온(T-drop) 의 비는 등엔트로피 팽창 효율로 결정되며, 이 효율은 80% 이상이다. 등엔트로피 효율은 사이클론 팽창 및 분리 장치 내에서 발생하는 마찰 손실 및 열 손실을 표현한다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 이 실시형태 및 다른 실시형태, 특징 및 이점은 첨부된 도면에 기재되며 첨부된 청구항, 요약 및 이하의 도면을 참조한 본 발명의 방법 및 시스템의 바람직한 실시형태의 상세한 설명에서 설명된다.
도 1 은 본 발명에 따라 천연 가스 스트림을 냉각 및 분리하기 위한 방법 및 시스템의 흐름도이다.
도 2a 는 유체 와류 수단을 구비한 JT 스로틀링 밸브로 제공되는 사이클론 팽창 및 분리 장치의 길이방향 단면도이다.
도 2b 는 도 1 의 스로틀링 밸브의 출구 채널의 확대된 단면도를 나타낸다.
도 2c 는 도 2a 및 2b 의 스로틀링 밸브의 출구 채널에서 유체 스트림의 와류 운동을 도시한다.
도 2d 는 도 2a 및 2b 의 스로틀링 밸브의 출구 채널의 외주에 액적들이 집중되어 있는 것을 도시한다.
도 1 은 천연 가스 스트림을 냉각 및 분류하기 위한 본 발명의 방법 및 시스템의 흐름도를 도시한다.
천연 가스 스트림 (CxHy) 은 공급물 압축기 (20) 에서 약 60 bar 에서 100 bar 이상까지 압축된 후에 처음에 공기 냉각기 (21) 에서 냉각되어, 천연 가스 스트림이 제 1 가스-가스 열 교환기 (1) 에 들어갈 때는 약 100 bar 의 압력을 갖게 된다. 천연 가스 스트림은 그 후에 제 2 열 교환기 (2) 에서 냉각된 후에 냉동장치 (3) 에서 냉각된다. 제 2 열교환기 (2) 에서 방출된 냉각된 천연 가스 스트림은 입구 분리기 (4) 에서 메탄이 많은 분획물 (5) 과 메탄이 격감된 분획물 (6) 로 분리된다.
메탄이 격감된 분획물 (6) 은 분류 컬럼 (7) 안으로 공급되고, 메탄이 많은 분획물 (5) 은 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 안으로 공급된다.
사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 는 와류 부여 베인 (9), 와류 유체 혼합물이 천음속 또는 초음속까지 가속되는 노즐 (10), 메탄이 많은 유체 분획물 (CH4) 을 분리기 (8) 로부터 배출하기 위한 중앙의 제 1 유체 출구 (11) 및 응축가능한 물질이 많고 메탄은 희박한 제 2 유체 분획물을 도관 (13) 안으로 배출하기 위한 외부의 제 2 유체 출구를 포함한다. 제 2 유체 분획물은 도관 (13) 을 통해 분류 컬럼 (7) 안으로 공급된다.
제 1 열교환기 (1) 는 가스-가스 열교환기인데, 여기서 천연 가스 스트림 (CH4) 은 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 의 중앙 제 1 출구 (11) 로부터 배출된 제 1 희박 가스 스트림 (CH4) 로 냉각된다. 제 1 열교환기 (1) 로부터 배출된 미리 냉각된 공급물 스트림은 제 2 열교환기 (2) 에서 더 냉각되고, 이 제 2 열교환기는 화살표 (14, 15) 로 표시된 분류 컬럼 (7) 의 하나 이상의 바닥 트레이의 액체가 공급되어 냉각되는 가스-액체 열교환기일 수 있다. 그 후에 예비 냉각된 천연 가스 스트림은, 냉각 기계(기계적 냉동장치 또는 흡수 냉각 기계)에 의해 구동되는 냉동장치 (3) 에서 과냉각된다.
이 3 단계의 예비 냉각 과정 동안 형성된 액체는 입구 분리기 (4) 에서 가스성 메탄이 많은 분획물로부터 분리되어, 공급물에 존재하는 모든 무거운 최종물 (즉 C4+) 을 함유하기 때문에 분류 컬럼 (7) 의 저부 트레이 중 하나에 공급된다.
상기 입구 분리기의 상부에서 나가는 가스는 중탄화수소(예컨대 대부분 C4- 함유)가 희박하다. 심한 NGL 추출(예컨대 C2 ~ C4) 은 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에서 실시되고, 여기서 가스는 거의 등엔트로피로 팽창하게 된다. 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 내에서, 온도는 거의 모든 C2+ 성분은 액화 분리되는 극저온 조건까지 더 떨어진다. 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 내부에서의 극저온 분리로 C1 가스는 C2 + 액체를 따라 슬립한다. C1 의 특정 몰분율은 C2+ 액체에서 용해된다. 이 C2+ 가 많은 스트림은 분류 컬럼 (7) 에 공급되고, 가벼운 최종물과 무거운 최종물 사이에 급속 종료(sharp cut)가 일어난다(예컨대 C1 ~ C2+(디메타나이저), C2- ~ C3+(디에타나이저)).
분류 컬럼 (7) 으로부터 순수한 상부 생성물을 얻기 위해서, 희박 액체 환류가 생성되어, 컬럼의 저부를 떠아냐만 하는 가장 가벼운 성분(예컨대 디메타나이저를 위한 C2)을 흡수하게 된다. 상기 환류 스트림은 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에 들어가는 공급물로부터 사이드 스트림 (16) 을 취한 다음 가스-가스 예비 냉각기 (17) 에서 이 사이드 스트림을 분류 컬럼 (7) 의 오버헤드 가스 스트림 (18) 으로 냉각시킨 후에 예비 냉각된 사이드 스트림 (16) 을 컬럼 압력까지 등엔탈피 팽창시킴으로써 생성된다. 이 등엔탈피 팽창 동안에, 거의 모든 탄화수소가 액화되어 환류로서 분류 컬럼 (7) 의 상부 트레이에 공급된다.
1) 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 의 제 1 유체 출구 (11)(통상 80% 일차 유동) 및 2) 분류 컬럼 (7) 의 상부 출구 도관 (18)(통상 20% 이차 유동) 로부터 생성된 C1 가스의 유동은 익스포트 압축기 (19, 20) 에서 약 60 bar 의 익스포트(export) 압력까지 개별적으로 압축된다. 도시된 실시예에서, 익스포트 압력은 제 1 열교환기 (1) 의 입구에서 천연 가스 스트림 (CH4) 의 공급 압력과 거의 동일하다. 따라서 두 익스포트 압축기 (19, 20) 는 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에서 발생하는 마찰 손실 및 열손실을 보상한다. 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에서의 팽창이 심하다면 이 손실은 커지게 되고, 따라서 익스포트 압축기의 듀티는 이에 비례하여 높아지게 된다. 냉동장치 (3) 의 기계적 듀티는 높은 응축기 온도(Tcond) 와 낮은 증발기 온도(Tevap) 사이의 차이에 주로 비례한다. T0 이 주변 온도를 나타낸다면, Tcond > T0 > Tevap 이다. 일반적으로, 이를 이용하면 다음과 같은 카르노 효율 또는 냉동장치 (3) 의 단위 기계적 듀티 당 최대 이론 냉각 듀티가 표현된다:
Figure 112007068731309-PCT00001
Tevap=-30℃ 및 Tcond=40℃ 인 프로판 냉동장치 사이클에 대해서, 카르노 C.O.P 는 3.5 이다. 실제 냉각 기계에서, 손실때문에 C.O.P 가 감소되어 C.O.Pactual≒2.5 가 된다. 따라서, 각 MW 압축기 듀티에 대해서, 2.5 MW 의 냉각 듀티가 얻어질 수 있다.
10 kg/s 의 공급물 스트림과 2.5 kJ/kg·K 의 비열에 대해서, 1 도 냉각시키는데는 25kW/K 의 냉각 듀티가 필요하다. 따라서, -20℃ → -30℃ 로의 냉각은 250kW 의 냉각 듀티를 필요로 할 것이다. -30℃ 의 증발기 온도에 대해서, 이는 100kW 의 냉동장치의 기계적 듀티에 대응한다. 상기 10℃ 의 추가 냉각이 사이클론 팽창 및 분리 장치에서의 추가 팽창을 통해 이루어진다면, 팽창비(P/Pfeed)는 디폴트 0.3 → 0.25 으로 감소할 필요가 있다(즉, 더 심하게 팽창). 이는 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에서 더 큰 압력 손실이 유발되고, 따라서 추가 익스포트 압축기 듀티는 약 200 kW 가 된다.
냉동장치 (3) 의 증발기 온도가 NGL 환류 온도와 비교하여 극저온 범위에서 선택된다면, 예컨대 Tevap=-70℃ 이라면, 냉각 기계의 C.O.Pactual 은 약 1.3 까지 떨어지게 된다. 따라서, -60℃ → -70℃ 로 냉각시킬 때에도 250kW 의 냉각 듀티가 필요한데, 이는 192 kW 의 냉동장치의 기계적 듀티에 대응한다. 이 추가 냉각이 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에서 얻어진다면, 팽창비는 0.3 → 0.25 로 감소하고, 추가로 요구되는 압축기 듀티는 200kW 에서 170kW 로 감소하게 된다. 이는 어떤 압축기의 듀티도 더 낮은 흡입 온도에서는 더 작게 되고 추가 듀티도 마찬가다라는 사실로서 설명된다.
상기로부터 알 수 있듯이, -20℃ → -30℃ 의 온도 변화에 대해서, 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에서의 더 심한 팽창보다는 냉동장치 (3) 에서 추가적으로 냉각되는 것이 보다 효율적이다. -60℃ → -70℃ 의 온도 변화에 대해서는 그 반대인데, 냉동장치 (3) 의 냉각 기계의 COP 는 온도가 낮아질수록 점진적으로 떨어져서, 냉동 장치의 듀티가 더 많이 요구되기 때문이다. 따라서, 결합된 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) - 냉동장치 (3) 에 대해서, 1) 공급물 압축기 (20) 및 2) 냉동장치 (3) 의 냉각 기계의 압축기 사이에서 기계적 듀티를 명확히 분할함으로써 단위 기계적 듀티 당 최적의 냉각 듀티를 찾을 수 있다.
사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 내에서의 냉각은 노즐 (10) 안에서 공급물 스트림을 천음속 또는 초음속까지 가속함으로써 이루어질 수 있다. 천음속 또는 초음속의 조건에서, 압력은 통상 공급물 압력의 1/3 까지 떨어지고, 반면에 온도는 통상 공급물 온도에 비해 3/4 까지 떨어진다. 주어진 공급물 조성에 대해서 단위 감압(P-drop) 당 감온(T-drop) 의 비는 등엔트로피 팽창 효율로 결정되고, 이는 80% 이상이다. 등엔트로피 효율은 사이클론 팽창 및 분리 장치 내에서 발생하는 마찰 손실 및 열 손실을 나타낸다.
사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 내에서 팽창된 상태에서, C2+ 의 대부분은 미세 액적 분산물로 액화되어 외부 제 2 유체 출구 (12) 를 통해 분리된다. 팽창비 (P/Pfeed) 는 적어도 특정 CxHy 회수물이 노즐 (10) 내에서 액체로 응축되도록 선택된다. 유체 스트림이 가속되고 팽창되어 냉각되는 노즐 (10) 을 지나면, 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 내의 유동은 액체가 많은 C2+ 유동(약 20 질량%)과 액체가 희박한 C1 유동(약 80 질량%)으로 분할된다.
C1 의 주 유동은 중앙 유체 출구 (11) 내의 확산기에서 감속되어서 압력 및 온도가 상승된다. 확산기에서의 압력 상승(P-rise) 및 그에 따른 온도 상승(T-rise) 은 등엔트로피 팽창 효율과 등엔트로피 재압축 효율 모두에 의해 결정된다. 등엔트로피 팽창 효율은 확산기의 입구부에서 남아있는 운동 에너지를 결정하고, 등엔트로피 재압축 효율은 확산기 내에서의 손실에 따라 결정된다. 사이클론 팽창 및 분리 장치의 등엔트로피 재압축 효율은 약 85% 이다. 따라서 C1 주 튜동의 최종 출구 압력은 공급물 압력보다 낮지만 분류 컬럼의 작동 압력과 동일한 C2+ 습유동의 출구 압력보다는 높다.
재압축의 결과로서, C1 주유동의 온도는 분류 컬럼의 상부의 온도보다 더 높게 된다. 따라서, 공급물을 예비 냉각시킬 수 있는 이 C1 주 유동의 잠재적 듀티는 제한된다. 이 제한은 천음속 또는 초음속 사이클론 팽창 및 분리 장치의 고유 제한이다. 사이클론 팽창 및 분리 장치는 분류 컬럼 안으로 공급되는 농축된 과냉각 C2+ 습유동을 생성하는 고유 효율을 갖는다. 분류 컬럼에 공급되는 감소된 유량과 상대적인 저온 모두는 컬럼 내에서의 분리 과정을 가능하게 한다. 사이클론 팽창 및 분리 장치를 포함하는 LPG 설계에 대해서, 사이클론 팽창 및 분리 장치에서 더 심한 팽창(즉, P/Pfeed 비의 감소) 을 일으키고/일으키거나 C2+ 습유동을 따르는 슬립 가스 유동을 감소시켜서 C2+ 의 최적 회수를 달성할 수 있다. 두 방안 모두 압력 손실의 증가를 유발할 것이고, 이때문에 익스포트 압력까지 압축될 필요가 있다.
열역학 시뮬레이션으로부터, 사이클론 팽창 및 분리 장치에서의 압력 손실을 보상하기 위해서, C2+ 산출/MW 압축기 듀티의 최적 조건이 익스포트 압축기의 듀티에 대한 냉동 압축기의 특정 듀티에 대해 평가된다. 상기 결합된 사이클은 한정된 예비 냉각의 부족을 보상한다. 냉동 사이클의 증발기는 공급물 스트림을 과냉각시키기 위해서 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 에 연결될 수도 있다.
도 2a ~2D 는 줄 톰슨(JT) 또는 다른 스로틀링 밸브를 나타내는데, 이는 도 1 에 도시된 사이클론 팽창 및 분리 장치 (8) 의 대안으로서 사용될 수 있는 유체 와류 수단을 구비한다.
도 2a ~ 2D 에 도시된 JT 스로틀링 밸브는, 줄-톰슨 또는 다른 스로틀링 밸브의 유로를 따라 팽창하는 동안에 형성된 액적의 합체 과정을 향상시키는 밸브 구조를 갖는다. 이 더 큰 액적들은 종래의 줄-톰슨 또는 다른 스로틀링 밸브의 경우에서보다 더 잘 분리될 수 있다. 트레이 컬럼에 있어서, 이는 상부 트레이로의 액체의 동반 흐름을 감소시켜서 트레이 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2a 에 도시된 밸브는 밸브 하우징 (21) 을 포함하는데, 이 하우징 안에는 피스톤형 밸브 본체 (22) 및 이와 관련된 다공 슬리브 (23) 가 슬라이딩가능하게 배치되어서, 밸브 샤프트 (25) 에 있는 기어 휠 (24) 의 회전에 의해 화살표 (28) 로 도시된 바와 같이 치형 피스톤 로드 (26) 가 왔다갔다하면서 피스톤형 밸브를 유체 출구 채널 (27) 내부로 밀게 된다. 밸브는, 피스톤 (22) 및/또는 다공 슬 리브 (23) 를 둘러싸는 환형 하류부 (29A) 를 구비한 유체 입구 채널 (29) 을 가지며, 유체 입구 채널 (29) 에서 유체 출구 채널 (27) 안으로 흐를 수 있는 유체의 흐름은 피스톤형 밸브 본체 (22) 및 관련된 다공 슬리브 (23) 의 축방향 위치에 의해 조절된다. 다공 슬리브 (23) 는 경사진 비반경방향 천공 (30) 을 포함하는데, 이 천공은 화살표 (34) 로 도시된 바와 같이 유체가 유체 출구 채널 (37) 내에서 와류 운동으로 흐르도록 유발한다. 탄환형상의 볼텍스 안내 본체 (35) 가 피스톤형 밸브 본체 (23) 에 고정되고 다공 슬리브 (3) 와 유체 출구 채널 (27) 의 내부에서 중앙 축선 (31) 과 동축으로 배치되어서 출구 채널 (27) 에서 유체 스트림의 와류 운동 (34) 을 조절하고 증강시킨다.
유체 출구 채널 (27) 은 관형 유동 분할기 (39) 를 포함하는데, 이는 도 1 에 도시된 분류 컬럼 (7) 쪽으로 도관 (13) 을 통해 메탄이 격감된 분획물을 이동시키기 위한 환형 제 2 유체 출구 (40) 으로부터, 도 1 에 도시된 제 1 열교환기 (1) 쪽으로 메탄이 많은 분획물을 되돌려 보내기 위한 제 1 유체 출구 도관 (11) 을 분리시킨다.
도 2b 에서 더 자세히 알 수 있듯이, 경사진 또는 비반경방향의 천공 (30) 은 원통형이고 유체 출구 채널 (27) 의 중앙 축선 (31) 에 대해 부분적으로 접하는 정해진 방향으로 드릴링되어서, 각각의 천공 (30) 의 길이방향 축선 (32) 이 거리 (D) 에서 중앙 축선 (31) 을 가로지르게 되며, 이때 거리 (D) 는 슬리브 (23) 의 내부 반경 (R) 의 0.2 ~1, 바람직하게는 0.5 ~ 0.99 배이다.
도 2b 에서, 다공 슬리브 (23) 의 공칭 재료 두께는 t 로 표시되고 원통형 천공 (30) 의 폭은 d 로 표시된다. 본 발명에 따른 밸브의 다른 실시형태에 있어서, 천공 (30) 은 정사각형, 직사각형 또는 별 모양 등의 원통형이 아닐 수 있고, 그러한 경우에 천공 (30) 의 폭 (d) 은 천공 (30) 의 단면적을 천공 (30) 의 들레 길이로 나눈 다음 4 를 곱한 값으로 정의되는 평균 폭이다. 비 (d/t) 는 0.1 ~ 0.2 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ~ 1 이다.
경사진 천공 (30) 은 화살표 (34) 로 도시된 바와 같이 유체 출구 채널 (27) 을 통해 흐르는 유체 스트림에 와류 유동을 생성한다. 밸브 트림 및/또는 와류 안내 본체 (35) 의 특정 구조에 의해 서로 와류 운동이 생길 수도 있다. 본 발명에 따른 밸브에 있어서, 이용가능한 자유압은 유체 스트림에서 와류 유동을 생성하기 위해서 등엔탈피 팽창에 사용된다. 그 후에 운동 에너지는 밸브 하류의 연장된 파이프 길이를 따르는 볼텍스의 감쇠를 통해 주로 사라진다.
도 2c 및 2D 는 밸브의 출구 채널에서 와류 유동을 생성하는 것과 관련한 이점이 두 가지가 있음을 도시한다:
1. 규칙적인 속도 패턴→ 계면 전단의 감소→ 액적 파괴의 감소→ 더 큰 액적
2. 유체 출구 채널 (27) 의 유동 영역의 외주 (27A) 에서 액적의 집중→ 개수 밀도의 증가→ 합체 증가→ 더 큰 액적 (38)
줄-톰슨 또는 다른 초크 및/또는 스로틀링형 밸브가 본 발명에 따른 방법에서 사이클론 팽창 및 분리 장치에서 와류 유동을 생성하는데 사용될 수 있더라도, Mokveld 밸브 B.V. 에 의해 공급되고 WO 2004083691 에 기재된 바와 같이 초크형 스로틀링 밸브를 사용하는 것이 바람직하다.
NGL 회수 시스템에 사용되는 각각의 냉각 및 분리 방법은 에너지 효율과 관련하여 특유의 최적 조건을 갖는다는 것을 알아야 한다. 또한 거의 등엔트로피인 냉각법은 등엔탈피 방법보다 더 에너지 효율적이고, 등엔트로피 냉각법에서 사이클론 팽창 장치는 비록 에너지 효율이 더 낮더라도 터보 팽창기보다 비용 효율적이다. 본 발명에 따르면, 등엔탈피 냉각 사이클 (예컨대, 기계적 냉동장치) 와 거의 등엔트로피인 냉각법, 바람직하게는 사이클론 팽창 및 분리 장치를 조합하면 에너지 효율, 즉 생성된 NLG 의 단위 부피 당 전체 듀티에 대해 시너지 효과가 얻어진다는 것을 놀랍게도 발견하였다. 상이한 사이클론 팽창 및 분리 장치도 상이한 등엔트로피 효율을 낸다는 것을 알아야 한다.
본 발명에 따른 사이클론 팽창 및 분리 장치의 바람직한 노즐 조립체는 노즐의 상류에 배치된 와류 부여 베인의 조립체를 포함하고, 80% 이상의 등엔트로피 팽창 효율을 부여하며, 접방향 입구부를 구비하고 대류 볼텍스 유동을 사용하는 다른 사이클론 팽창 및 분리 장치(예컨대, Ranqeu Hilsch 볼텍스관)는 60% 미만의 실질적으로 더 낮은 등엔트로피 효율을 보인다.

Claims (11)

  1. 천연 가스 스트림을 냉각하고 냉각된 스트림을 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 응축물 등의 끓는점이 상이한 다양한 분획물로 분리하는 방법으로서, 상기 방법은,
    - 하나 이상의 열교환기 조립체에서 가스 스트림을 냉각시키는 단계;
    - 입구 분리 탱크에서 상기 냉각된 가스 스트림을 메탄이 많은 유체 분획물과 메탄이 격감된 유체 분획물로 분리하는 단계,
    - 메탄이 격감된 유체 분획물을 입구 분리 탱크로부터 분류 컬럼에 공급하여 메탄이 풍부한 유체 분획물을 메탄이 희박한 유체 분획물로부터 분리하는 단계,
    - 메탄이 풍부한 유체 분획물의 적어도 일부를 입구 분리 탱크로부터 사이클론 팽창 및 분리 장치에 공급하여, 상기 유체 분획물을 팽창시켜 더 냉각시키며 메탄이 많고 실질적으로 가스상인 유체 분획물과 메탄이 격감된 실질적으로 액상인 유체 분획물로 냉각 분리하는 단계, 및
    - 메탄이 격감된 유체 분획물을 더 분리하기 위해서 사이클론 팽창 및 분리 장치로부터 분류 컬럼에 공급하는 단계를 포함하며,
    - 상기 사이클론 팽창 및 분리 장치는:
    a) 메탄이 많은 유체 분획물에 와류 운동을 부여하기 위한 와류 부여 베인의 조립체로서, 이 베인은 원심력에 의해 와류 운동 유체 스트림이 메탄이 많은 유체 분획물과 메탄이 격감된 유체 분획물로 분리되도록 메탄이 많은 유체 분획물이 가속 및 팽창되어서 더 냉각되는 노즐의 상류에 배치된 상기 조립체, 또는
    b) 스로틀링 밸브로서, 유체 출구 채널을 통해 흐르는 유체 스트림에 와류 운동을 부여하여 액적이 유체 출구 채널의 외주를 향해 와류 운동하여 합쳐지도록 하는 와류 부여 수단을 구비한 출구부를 갖는 스로틀링 밸브를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 사이클론 팽창 및 분리 장치의 입구로 공급되는 메탄이 많은 유체 분획물이 -20 ~ -60 ℃ 의 온도를 갖도록 천연 가스 스트림은 제 1 열교환기와 냉동장치를 포함하는 열교환기 조립체에서 냉각되고, 사이클론 팽창 및 분리 장치에 의해 방출되는 냉각된 메탄이 많은 유체 분획물이 제 1 열교환기를 통과하여 가스 스트림을 냉각시키게 되는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 열교환기 조립체는 제 1 열교환기에 의해 방출된 냉각된 천연 가스 스트림이 냉동장치에 공급되기 전에 더 냉각되는 제 1 열교환기를 더 포함하고, 분류 컬럼의 바닥부로부터 나온 저온 유체가 제 2 열교환기 내의 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해서 제 2 열교환기에 공급되는 방법.
  4. 천연 가스 스트림을 냉각시키고 냉각된 가스 스트림을 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 응축물 등의 끓는점이 상이한 다양한 분획물로 분리하는 시스템으로서, 상기 시스템은:
    - 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위한 하나 이상의 열교환기 조립체,
    - 냉각된 천연 가스 스트림을 분리시키며 메탄이 많은 유체 분획물을 방출하 기 위한 상부 출구 및 메탄이 격감된 유체 분획물을 방출하기 위한 하부 출구를 갖는 입구 분리 탱크,
    - 입구 분리 탱크의 하부 출구와 연결된 분류 컬럼으로서, 입구 분리 탱크의 하부 출구로부터 방출된 메탄이 격감된 분획물의 적어도 일부를 실질적으로 메탄이 많고 가스상인 유체 분획물과 메탄이 희박한 실질적으로 액상인 유체 분획물로 더 분리하는 분류 컬럼,
    - 입구 분리 탱크의 상부 출구와 연결된 사이클론 팽창 및 분리 장치로서, 상기 메탄이 많은 유체 분획물을 팽창시켜 더 냉각시키고 또한 메탄이 많은 유체 분획물과 메탄이 격감된 유체 분획물로 분리하는 사이클론 팽창 및 분리 장치, 및
    - 메탄이 격감된 유체 분획물을 더 분리하기 위해서 사이클론 팽창 및 분리 장치로부터 분류 컬럼 안으로 공급하기 위한 공급 도관을 포함하며,
    상기 사이클론 팽창 및 분리 장치는:
    a) 메탄이 많은 유체 분획물에 와류 운동을 부여하기 위한 와류 부여 베인의 조립체로서, 이 베인은 원심력에 의해 와류 운동 유체 스트림이 메탄이 많은 유체 분획물과 메탄이 격감된 유체 분획물로 분리되도록 메탄이 많은 유체 분획물이 가속 및 팽창되어서 더 냉각되는 노즐의 상류에 배치된 상기 조립체, 또는
    b) 스로틀링 밸브로서, 유체 출구 채널을 통해 흐르는 유체 스트림에 와류 운동을 부여하여 액적이 유체 출구 채널의 외주를 향해 와류 운동하여 합쳐지도록 하는 와류 부여 수단을 구비한 출구부를 갖는 스로틀링 밸브를 포함하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 사이클론 팽창 및 분리 장치는, 하우징과 이 하우징 안에 이동가능하게 배치된 밸브 본체 및 다공 슬리브를 포함하는 스로틀링 밸브로 되어 있고, 밸브 본체는 밸브의 유체 입구 채널로부터 유체 출구 채널 안으로의 유체 유동을 조절하며, 사용시 밸브 본체가 유체 입구 채널로부터 유체 출구 채널 안으로의 유체 유동을 허용하면 유체가 유체 입구 채널로부터 상기 다공 슬리브를 통과하여 유체 출구 채널 안으로 흐르게 되며,
    상기 슬리브의 적어도 일부의 천공은 슬리브의 길이방향 축선에 대해 적어도 부분적으로 접하는 방향을 가져서, 다상 유체 스트림은 유체 출구 채널 내에서 와류 운동을 하고 액적들이 유체 출구 채널의 외주를 향해 와류 운동하여 확대된 액적으로 합쳐지게 되는 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 가스-액체 분리 조립체가 스로틀링 밸브의 출구 채널에 연결되어 있고, 상기 조립체에서 밸브에 의해 방출되는 유체의 액체와 가스상이 적어도 부분적으로 분리되는 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서, 사이클론 팽창 및 분리 장치는 노즐의 상류에 있는 어뢰형 중앙 본체로부터 적어도 부분적으로 반경방향으로 돌출하는 와류 부여 베인의 조립체를 포함하며, 상기 중앙 본체는 노즐의 내경보다 더 큰 외경을 갖는 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 시스템은 제 1 열교환기의 상류에 배치된 공기 냉각 기 및 공급물 압축기를 더 포함하는 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 시스템은 사이클론 팽창 및 분리 장치의 입구의 온도를 -20 ~ -60℃ 로 유지하도록 구성된 온도 조절 수단을 구비하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 사이클론 팽창 및 분리 장치는 노즐을 포함하고, 사이클론 팽창 장치의 노즐에서 등엔트로피 팽창 효율은 80% 이상인 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 어뢰형 본체, 와류 부여 베인의 조립체 및 노즐에서 등엔트로피 팽창 효율이 80% 이상이 되도록 구성된 시스템.
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