KR20080012262A - 제1냉동사이클에 의한 냉각을 통하여 얻은 엘엔지 스트림의과냉각방법과 장치 - Google Patents

제1냉동사이클에 의한 냉각을 통하여 얻은 엘엔지 스트림의과냉각방법과 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1열교환기(19)의 냉동유체(41)로 LNG 스트림을 과냉각시키는 방법에 관한 것이다. 상기 냉동유체(41)는 폐쇄형의 냉동사이클(21)을 순환한다. 폐쇄형 사이클(21)은 제2열교환기(23)에서 냉동유체(42)를 가열하기 위한 단계와, 압축장치(25)에서 냉동유체(43)를 그 임계압력 보다 높은 고압으로 압축하는 단계로 구성된다. 이는 또한 제2열교환기(23)에서 압축장치(25)로부터의 냉동유체(45)를 냉각시키는 단계와, 터빈(31)에서 제2열교환기(23)로부터 유도된 냉동유체의 일부(47)를 팽창시키는 단계를 포함한다. 냉동유체(41)는 질소와 메탄의 혼합물로 구성된다.
액화천연가스, 과냉각, 열교환기, 냉동사이클.

Description

제1냉동사이클에 의한 냉각을 통하여 얻은 엘엔지 스트림의 과냉각방법과 장치 {METHOD FOR SUBCOOLING A LNG STREAM OBTAINED BY COOLING BY MEANS OF A FIRST REFRIGERATING CYCLE, AND RELATED INSTALLATION}
본 발명은 제1냉동사이클에 의한 냉각을 통하여 얻은 LNG 스트림의 과냉각방법에 관한 것으로, 특히 다음의 단계로 구성되는 방법에 관한 것이다.
(a) -90℃ 이하의 온도를 갖는 LNG 스트림이 제1열교환기에 도입된다.
(b) LNG 스트림이 냉동유체와의 열교환으로 제1열교환기에서 과냉각된다.
(c) 냉동유체가 상기 제1냉동사이클과는 독립된 폐쇄형 제2냉동사이클로 순환된다. 폐쇄형 냉동사이클은 다음의 연속단계로 구성된다.
(i) 저압으로 유지된 상태에서 제1열교환기로부터 유출되는 냉동유체가 제2열교환기에서 가열된다.
(ii) 제2열교환기로부터 유출되는 냉동유체가 압축장치에서 그 임계압력 보다 큰 고압으로 압축된다.
(iii) 압축장치로부터 유출되는 냉동유체가 제2열교환기에서 냉각된다.
(iv) 제2열교환기로부터 유출되는 냉각유체의 적어도 일부가 냉각터빈에서 동력학적으로 팽창된다.
(v) 냉각터빈으로부터 유출되는 냉동유체가 제1열교환기로 도입된다.
특허문헌 US-B-6 308 531에는 천연가스 스트림이 탄화수소 혼합물의 응축과 증발을 포함하는 제1냉동사이클에 의하여 액화되는 상기 언급된 형태의 방법이 기술되어 있다. 이와 같이 하여 얻은 가스의 온도는 약 -100℃이다. 그리고 생산된 LNG는 다단계 압축기와 가스팽창터빈으로 구성되는 "역 브레이튼 사이클(reverse Brayton cycle)로 알려진 제2냉동사이클에 의하여 약 -170℃로 과냉각된다. 이러한 제2사이클에 사용된 냉동유체는 질소이다.
이러한 형태의 방법은 완전히 만족스럽지 못하다. 역 브레이튼 사이클로서 알려진 사이클의 최대수율은 약 40%이다.
따라서, 본 발명의 목적은 수율이 개선되고 여러 구조의 유니트에 용이하게 사용될 수 있는 LNG 스트림을 과냉각시키기 위한 자율적인 방법을 제공하는데 있다.
따라서 본 발명은 상기 언급된 과냉각방법에 관한 것으로, 냉동유체가 질소함유유체의 혼합물로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법은 단독으로 또는 기술적으로 조합되는 다음의 하나 이상의 특징으로 구성될 수 있다.
- 냉동유체가 질소와 적어도 하나의 탄화수소로 구성된다.
- 냉동유체가 질소와 메탄을 함유한다.
- 단계 (iii) 중에, 압축장치로부터 유출되는 냉동유체가 제2열교환기내에 순환되는 2차냉동유체와 열교환관계에 놓이고, 2차냉동유체는 제3냉동사이클로 순환되며 여기에서 2차냉동유체가 제2열교환기의 유출구에서 압축되고 냉각되며 적어도 부분적으로 응축되며, 제2열교환기에서 증발되기 전에 팽창된다.
- 2차냉동유체는 프로판으로 구성된다.
- 단계 (iii) 후에,
(iii1) 압축장치로부터 유출되는 냉동유체는 과냉각스트림과 2차냉각스트림으로 분리된다.
(iii2) 2차냉각스트림이 2차터빈에서 팽창된다.
(iii3) 냉동혼합물의 스트림을 형성하기 위하여 2차터빈으로부터 유출되는 2차 냉각스트림이 제1열교환기로부터 유출되는 냉동유체스트림과 혼합된다.
(iii4) 단계(iii1)로부터 유출되는 과냉각스트림이 제3열교환기에서 냉동혼합물의 스트림과 열교환관계에 놓인다.
(iii5) 제3열교환기로부터 유출되는 과냉각스트림이 냉각터빈으로 도입된다.
- 2차 터빈이 압축장치의 압축기에 결합된다.
- 단계 (iv) 중에, 냉동유체는 냉각터빈내에서 실질적으로 기체형태로 유지된다.
- 단계 (iv) 중에, 냉동유체는 냉각터빈에서 95 질량% 이상이 액화된다.
- 제3열교환기로부터 유출되는 과냉각스트림은 냉각터빈으로 보내지기 전에 냉각터빈의 유출구에서 제1열교환기를 순환하는 냉동유체와의 열교환으로 냉각된다.
- 냉동유체는 C2 탄화수소를 함유한다.
- 고압은 약 70 바 이상이고 저압은 약 30 바 이하이다.
본 발명은 또한 제1냉동사이클로 구성되는 액화유니트로부터 유출되는 LNG 스트림을 과냉각하기 위한 장치에 관한 것으로, 이러한 형태의 본 발명 장치는
- LNG 스트림을 냉동유체와 열교환관계에 놓일 수 있도록 하는 제1열교환기로 구성된 LNG 스트림 과냉각수단;
- 제1사이클과는 독립되고 다음의 구성요소를 포함하는 폐쇄형 제2냉동사이클;
Figure 112007072221599-PCT00001
제1열교환기로부터 유출되는 냉동유체를 순환시키기 위한 수단으로 구성된 제2열교환기;
Figure 112007072221599-PCT00002
제2열교환기로부터 유출되는 냉동유체를 압축하여 상기 냉동유체가 그 임계압력 보다 높은 고압이 될 수 있도록 하는 압축장치;
Figure 112007072221599-PCT00003
압축수단으로부터 유출되는 냉동유체를 제2열교환기로 순환시키기 위한 수단;
Figure 112007072221599-PCT00004
제2열교환기로부터 유출되는 냉동유체의 적어도 일부를 동력학적으로 팽창시키기 위한 냉각터빈과;
Figure 112007072221599-PCT00005
냉각터빈으로부터 유출되는 냉동유체를 제1열교환기로 도입하기 위한 수단으로 구성되고,
냉동유체가 질소함유유체의 혼합물로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치는 단독으로 또는 기술적으로 조합되는 다음의 하나 이상의 특징으로 구성될 수 있다.
- 냉동유체가 질소와 적어도 하나의 탄화수소로 구성된다.
- 냉동유체가 질소와 메탄을 함유한다.
- 제2열교환기가 2차 냉동유체를 순환시키기 위한 수단으로 구성되고, 장치가 연속하여 제2열교환기로부터 유출되는 2차 냉동유체를 압축하기 위한 2차 압축수단, 2차 압축수단으로부터 유출되는 2차 냉동유체를 냉각 및 팽창시키기 위한 냉각 및 팽창수단과, 팽창수단으로부터 유출되는 2차 냉동유체를 제2열교환기로 도입하기 위한 수단을 포함하는 제3냉동사이클로 구성된다.
- 2차 냉동유체가 프로판으로 구성된다.
- 장치가 다음 구성요소로 구성된다.
Figure 112007072221599-PCT00006
과냉각스트림과 2차 냉각스트림을 형성하기 위하여 압축장치로부터 유출되는 냉동유체를 분리하기 위한 수단.
Figure 112007072221599-PCT00007
2차 냉각스트림을 팽창시키기 위한 2차 터빈.
Figure 112007072221599-PCT00008
혼합물 스트림을 형성하기 위하여 2차 터빈으로부터 유출되는 2차 냉각스트림을 제1열교환기로부터 유출되는 냉동유체스트림과 혼합하기 위한 수단.
Figure 112007072221599-PCT00009
분리수단으로부터 유출되는 과냉각스트림을 혼합물의 스트림과 열교환관계에 놓이도록 하기 위한 제3열교환기.
Figure 112007072221599-PCT00010
제3열교환기로부터 유출되는 과냉각스트림을 냉각터빈에 도입하기 위한 수단.
- 2차 터빈이 압축장치의 압축기에 결합된다.
- 장치가 냉각터빈의 상류측에서 과냉각스트림이 냉각터빈의 유출구에서 제1열교환기내에서 순환하는 냉동유체와 열교환관계에 놓일 수 있도록 하기 위하여 제3열교환기로부터 유출되는 과냉각스트림을 제1열교환기로 도입하기 위한 수단으로 구성된다.
- 냉각유체가 C2 탄화수소를 함유한다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 장치의 블록다이아그램.
도 2는 압축기의 유출구에서 냉각유체의 압력의 함수로서 도 1의 장치와 종래기술의 장치의 제2냉동사이클의 효율커브를 보인 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 제1 장치의 제1 변형형태를 보인 도 1과 유사한 블록다이아그램.
도 4는 도 3의 장치에 대한 도 2와 유사한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 제1 장치의 제2 변형형태를 보인 도 1과 유사한 블록다이아그램.
도 6은 본 발명에 따른 제2 장치의 도 1과 유사한 블록다이아그램.
도 7은 본 발명에 따른 제2 장치의 도 2와 유사한 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 제3 장치의 도 3과 유사한 블록다이아그램.
도 9는 본 발명에 따른 제3 장치의 도 2와 유사한 그래프.
도 1에서 보인 본 발명에 따른 과냉각장치(10)는 -90℃ 이하의 온도를 갖는 액화천연가스(LNG) 스트림(11)으로부터 출발하여 -140℃ 이하의 온도를 갖는 과냉각 LNG 스트림(12)의 생산을 위한 것이다.
도 1에서 보인 바와 같이, 출발의 LNG 스트림(11)은 제1냉동사이클(15)로 구성된 천연가스 액화유니트(13)에 의하여 생산된다. 제1사이클(15)은 예를 들어 탄화수소 혼합물의 응축과 증발을 위한 응축 및 증발수단으로 구성되는 사이클을 포함한다.
장치(10)는 제1열교환기(19)와, 제1사이클(15)과는 독립적인 폐쇄형 제2냉동사이클(21)로 구성된다.
제2냉동사이클(21)은 제2열교환기(23)와, 다수의 압축단으로 구성되는 다단계형 압축장치(25)로 구성되며, 각 단(26)은 압축기(27)와 응축기(29)로 구성된다.
또한 제2사이클(21)은 최종압축단의 압축기(27C)에 결합되는 팽창터빈(31)으로 구성된다.
도 1에서 보인 예에서, 다단계형 압축장치(25)는 3개의 압축기(27)로 구성된다. 제1 및 제2 압축기(27A)(27B)는 동일한 외부에너지원(33)에 의하여 구동되는 반면에, 제3압축기(27C)는 팽창터빈(31)에 의하여 구동된다. 예를 들어 외부에너지 원(33)은 가스터빈형 모터이다.
응축기(29)는 수냉형 및/또는 공냉형이다.
이후부터, 액체의 스트림과 이를 운반하는 파이프에 대하여 동일한 도면부호를 붙였으며, 관련된 압력은 절대압력이고, 관련된 퍼센트는 몰 퍼센트이다.
액화유니트(13)로부터 유출되는 출발의 LNG 스트림(11)은 온도가 -90℃ 이하, 예를 들어 -110℃ 이다. 이 스트림은 예를 들어 실질적으로 5%의 질소, 90%의 메탄 및 5%의 에탄으로 구성되며, 그 유량은 50,000 kmol/h 이다.
LNG 스트림(11)은 -110℃에서 제1열교환기(19)에 도입되며, 여기에서 이는 과냉각된 LNG 스트림(12)을 생성하기 위하여 제1열교환기(19)에서 역류하여 순환하는 냉동유체(41)의 출발 스트림과 열교환에 의하여 -150℃ 이하의 온도로 과냉각된다.
냉동유체의 출발 스트림(41)은 질소와 메탄의 혼합물로 구성된다. 냉동유체(41)에서 메탄의 몰함량은 5~15% 사이이다. 냉동유체(41)는 장치(10)의 하류측에서 수행되는 LNG 스트림의 탈질소화공정으로부터 나오는 질소와 메탄의 혼합물로 구성될 수 있다. 스트림(41)의 유량은 예를 들어 73,336 kmol/h 이고 열교환기(19)의 유입구에서 그 온도는 -152℃ 이다.
열교환기(19)로부터 유출되는 냉동유체의 스트림(42)은 제1사이클(15)과는 독립적으로 구성된 폐쇄형의 제2냉동사이클(21)을 순환한다.
실질적으로 10~30 바 사이의 저압을 갖는 스트림(42)은 제2열교환기(23)로 도입되고 가열된 냉동유체의 스트림(43)을 형성하기 위하여 이 열교환기(23)에서 가열된다.
그리고, 스트림(43)은 냉동유체(45)의 압축된 스트림을 형성하기 위하여 3개의 압축단(26)에서 연속하여 압축된다. 각 단(26)에서 스트림(43)은 압축기(27)에서 압축되고, 응축기(29)에서 35℃의 온도로 냉각된다.
제3응축기(29C)의 유출구에서, 냉동유체(45)의 압축된 스트림은 그 임계압력, 또는 최대임계압력 보다 높은 고압을 갖는다. 이때의 온도는 실질적으로 35℃와 동일하다.
고압은 좋기로는 70 바 이상, 70 바와 100 바 사이이다. 압력은 회로의 기계적인 강도한계를 고려하여 가능한 한 높은 것이 좋다.
그리고, 냉동유체(45)의 압축된 스트림은 제2열교환기(23)에 도입되고, 여기에서 냉동유체의 압축된 스트림은 제1열교환기(19)로부터 유출되어 역류하는 스트림(42)과의 열교환에 의하여 냉각된다.
이로써 냉동유체의 냉각된 압축스트림(47)이 제2열교환기(23)의 유출구에서 형성된다.
스트림(47)은 냉동유체의 출발 스트림(41)을 형성하기 위하여 터빈(31)내에서 저압으로 팽창된다. 스트림(41)은 기체의 형태, 환언컨데, 액체의 10 질량%(또는 1 체적%) 이하를 함유하는 기체의 형태이다.
그리고, 스트림(41)은 제1열교환기(19)로 도입되고, 여기에서 스트림은 역류순환하는 LNG 스트림(11)과의 열교환으로 가열된다.
고압이 초임계압력 보다 높으므로, 냉동유체는 사이클(21)을 통하여 기체상 또는 초임계 형태로 유지된다.
이와 같이 함으로서 터빈(31)의 유출구측에 다량의 액체상(liquid phase)이 출현하는 것이 방지될 수 있으며, 이는 공정이 특히 용이하게 수행될 수 있도록 한다. 열교환기(19)는 실질적으로 액체 및 증기 분배장치를 가지지 않는다.
제2열교환기(23)의 유출구에서 스트림(47)의 냉동응축은 10 질량% 이하로 제한되므로, 냉동유체의 압축된 스트림(47)을 팽창시키기 위하여 단일의 팽창터빈(31)이 사용된다.
도 2에서, 본 발명에 따른 방법과 종래기술의 방법에서 고압값에 대한 사이클(21)의 각 효율이 각각 커브(50)(51)로 도시되어 있다. 종래기술의 방법에서, 냉동유체는 질소만으로 구성되었다. 냉동유체에 대하여 5~15 mol% 분량의 메탄을 첨가함으로서 -110℃로부터 -150℃까지 LNG를 과냉각시키는 사이클(21)의 효율이 현저히 증가한다.
도 2에서 보인 효율은 압축기(27A)(27B)의 폴리트로프 수율(polytropic yield)이 83% 이고, 압축기(27C)의 폴리트로프 수율이 80% 이며, 터빈(31)의 단열수율(adiabatic yield)이 85% 인 것을 고려하여 계산된 것이다. 더욱이, 제1열교환기(19)를 순환하는 스트림 사이의 평균온도차는 약 4℃로 유지된다. 또한 제2열교환기(23)를 순환하는 스트림 사이의 평균온도차도 약 4℃로 유지된다.
이러한 결과는 놀랍게도 장치(10)를 수정함이 없이 얻었으며 70~85 바의 고압으로 약 1,000 kW의 이득을 얻을 수 있도록 한다.
도 3에서 보인 본 발명에 따른 제1방법의 제1변형예에서, 장치(10)는 또한 사이클(15)(21)에 대하여 독립적으로 구성된 폐쇄형의 제3냉동사이클(59)로 구성된다.
제3사이클(59)는 외부에너지원(33)에 의하여 구동되는 2차 압축기(61), 제1 및 제2의 2차 응축기(63A)(63B)와, 팽창밸브(65)로 구성된다.
이 사이클은 액체프로판으로 구성된 2차 냉동유체 스트림(67)에 의하여 실행된다. 스트림(67)은 제2열교환기(23)에 도입되고 동시에 냉동유체 스트림(42)이 냉동유체의 압축된 스트림(45)에 대하여 역류하여 열교환기(19)로부터 유출된다.
제2열교환기(23)에서 프로판 스트림(67)의 증발은 열교환으로 스트림(45)을 냉각시키고 가열된 프로판 스트림(69)을 생성한다. 이 스트림(69)은 연속하여 압축기(61)에서 압축되고 액상의 압축된 프로판 스트림(71)을 얻기 위하여 응축기(63A)(63B)에서 냉각되고 응축된다. 이 스트림(71)은 밸브(65)에서 팽창되어 냉동 프로판 스트림(67)을 형성한다.
압축기(61)에 의하여 소비된 전력은 외부에너지원(33)에 의하여 공급된 전체 전력의 약 5% 이다.
그러나, 도 4에서 보인 바와 같이, 이러한 제1변형예의 방법에 대하여 고압에 대한 효율의 커브(73)는 제2방법에서 사이클(21)의 효율이 관련된 고압에서 본 발명에 따른 제1방법에 대하여 약 5% 만큼 증가됨을 보이고 있다.
더욱이, 80 바의 고압에서 소비된 전체 전력의 감소는 종래기술의 방법에 대하여 12% 이상이다.
도 5에서 보인 제1장치의 제2변형예는 다음의 특징에서 제1변형예와 상이하 다.
제3사이클(59)에 사용된 냉동유체는 적어도 30 mol% 에탄으로 구성된다. 도시된 예에서, 이 사이클은 약 50 mol%의 에탄과 50 mol%의 프로판으로 구성된다.
더욱이, 제2의 2차 응축기(63B)의 유출구에서 얻는 2차 냉동유체 스트림(71)이 제2열교환기(23)에 도입되고 여기에서 이 스트림은 밸브(65)에서 팽창되기 전에 팽창된 스트림(67)에 역류하면서 과냉각된다.
도 4의 방법의 효율을 보이는 커브(75)로 보인 바와 같이, 사이클(21)의 평균효율은 도 3에서 보인 제2변형예에 대하여 약 0.7% 만큼 증가한다.
설명을 위하여, 다음의 표는 고압이 80 바 일 때 압력, 온도 및 유량값을 보인 것이다.
표 1
스트림 온도(℃) 압력(바, 절대압력) 유량(kmol/h)
11 -110.0 50.0 50,000
12 -150.0 49.0 50,000
41 -152.5 19.3 73,336
42 -112.2 19.1 73,336
43 33.6 18.8 73,336
45 35.0 80.0 73,336
47 -94.0 79.5 73,336
67 -46.0 3.5 2,300
69 20.0 3.2 2,300
71 35 31.9 2,300
도 6에서 보인 본 발명에 따른 제2 장치(79)는 제3열교환기(81)가 제1열교환기(19)와 제2열교환기(23) 사이에 배치된 점에서 제1 장치(10)와 상이하다.
또한 압축장치(25)는 제2압축단(26B)과 제3압축단(26C) 사이에 배치된 제4압축단(26D)을 포함한다.
제4압축단(26D)의 압축기(27D)는 2차 팽창터빈(83)에 결합된다.
이러한 제2 장치(79)에서 수행되는 본 발명에 따른 제2 방법은 제2응축기(29B)로부터 유출되는 스트림(84)이 제4압축기(27D)로 도입되고 제3압축기(27C)에 도입되기 전에 제4응축기(29D)에서 냉각되는 점에서 제1 방법과 상이하다.
더욱이, 제2열교환기(23)의 유출구에서 얻은 냉동유체의 압축 및 냉각된 스트림(47)이 과냉각스트림(85)과 2차 냉각스트림(87)으로 분리된다. 2차 냉각스트림(87)에 대한 과냉각스트림(85)의 유량비는 1 이상이다.
과냉각스트림(85)은 제3열교환기(81)로 도입되고, 여기에서 이 스트림은 냉각되어 냉각된 과냉각스트림(89)을 형성한다. 그리고 이 스트림(89)은 터빈(31)으로 도입되고 여기에서 팽창된다. 터빈(31)의 유출구에서 팽창된 과냉각스트림(90)은 기체형태이다. 이 스트림(90)은 제1열교환기(19)로 도입되고 여기에서 이는 열교환을 통하여 LNG 스트림(11)을 과냉각시키고 가열된 과냉각 스트림(93)을 형성한다.
2차 냉각스트림(87)은 2차 터빈(83)으로 도입되고 여기에서 팽창되어 기체형태인 팽창된 2차 냉각스트림(91)을 형성한다. 이 스트림(91)은 제3열교환기(81)의 상류측에 위치하는 지점에서 제1열교환기(19)로부터 유출되는 가열된 과냉각스트림(93)과 혼합된다. 이와 같이 하여 얻은 혼합물은 제3열교환기(81)로 도입되고 여기에서 이 혼합물은 스트림(42)을 형성토록 과냉각스트림(85)을 냉각시킨다.
변형예에서, 본 발명에 따른 제2 장치(79)는 제2열교환기(23)를 냉각시키는 프로판 또는 에탄과 프로판의 혼합물에 기초하는 제2냉동사이클(59)을 갖는다. 제3사이클(59)은 도 3 및 도 5에서 보인 제3사이클(59)과 실질적으로 동일하다.
도 7은 도 6에서 보인 장치에서 냉동사이클이 생략되었을 때 고압의 함수로서 사이클(21)의 효율의 커브(95)를 보이고 있는 반면에 커브(97)(99)는 프로판 또는 프로판과 에탄의 혼합물에 기초한 제3냉동사이클(59)이 사용되었을 때 압력의 함수로서 사이클(21)의 효율을 보이고 있다. 도 7에서 보인 바와 같이, 사이클(21)의 효율은 냉동유체로서 질소만으로 구성된 사이클의 효율(커브 51)에 대하여 증가되었다.
도 8에서 보인 본 발명에 따른 제3 장치(100)는 다음의 특징들에 의하여 제2 장치(79)와 상이하다.
압축장치(25)는 제2압축단(27C)을 포함하지 않는다. 더욱이, 본 발명의 이 장치는 팽창된 유체의 액화가 이루어질 수 있도록 하는 다이나믹 팽창터빈(99)을 포함한다. 이 터빈(99)은 스트림발생기(99A)에 결합된다.
장치(100)에서 수행되는 본 발명에 따른 제3 방법은 2차 냉각스트림(87)의 유량에 대한 과냉각스트림(85)의 유량의 비율이 1 이하인 점에서 제2 방법과 상이하다.
더욱이, 제3열교환기(81)의 유출구에서, 냉각된 과냉각스트림(89)이 제1열교환기(19)에 도입되고, 여기에서 이 스트림은 터빈(99)에 도입되기 전에 다시 냉각된다. 터빈(99)으로부터 유출되는 팽창된 과냉각스트림(101)은 완전한 액체이다.
따라서, 액체상의 스트림(101)은 한편으로는 과냉각될 LNG 스트림에 대하여 역류하고 다른 한편으로는 제1열교환기(19)에서 순환하는 냉각된 과냉각스트림(89)에 대하여 역류하면서 제1열교환기(19)에서 증발된다.
2차 냉각스트림(91)은 2차 터빈(83)의 유출구에서 기체의 형태이다.
이러한 장치에서, 제1사이클(21)에서 순환하는 냉동유체는 질소와 메탄의 혼합물로 구성되고, 이러한 혼합물에서 질소의 몰비는 50% 이하이다. 또한 냉동유체는 함량이 10% 이하인 C2 탄화수소, 예를 들어 에틸렌으로 구성되는 것이 유리하다. 이러한 공정의 수율은 도 9에서 압력의 함수로서 사이클(21)의 효율을 보인 커브(103)로 보인 바와 같이 더욱 개선되었다.
변형예에서, 도 3 및 도 5에서 보인 형태로서 프로판에 기초하거나 또는 에탄과 프로판의 혼합물에 기초하는 제3냉동사이클(59)이 제2열교환기(23)를 냉각시키기 위하여 사용된다. 이들 두 변형예에 대하여 압력의 함수로서 사이클(21)의 효율을 보인 커브(105)(107)가 도 9에 도시되어 있으며, 또한 관련된 고압범위 이상에서 사이클(21)의 효율에 증가가 있음을 보이고 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 방법은 예를 들어 LNG 생산유니트에서 주생성물로서의 LNG, 또는 천연가스로부터 액체(LNG)를 추출하기 위한 유니트에서 2차 생성물로서의 LNG를 생산하는 장치에서 용이하게 수행되는 유연성 있는 과냉각방법을 제공한다.
역 브레이튼 사이클로서 알려진 LNG의 과냉각을 위한 질소함유 냉동유체의 혼합물의 이용은 이러한 사이클의 수율을 크게 증가시키고, 이는 장치의 LNG 생산비를 감소시킨다.
단열압축전에 냉동유체를 냉각시키기 위한 2차 냉각사이클의 이용은 실질적으로 장치의 수율을 개선한다.
이와 같이 하여 얻은 효율값은 4℃ 또는 그 이상인 제1열교환기(19)에서의 평균온도차로 계산되었다. 그러나, 이러한 평균온도차를 줄이므로서, 역 브레이튼 사이클의 수율은 50%를 초과할 수 있는 바, 이는 LNG의 액화 및 과냉각을 위하여 통상적으로 수행된 탄화수소 혼합물을 이용한 응축 및 증발 사이클의 수율과 대등하다.

Claims (24)

  1. 제1냉동사이클(15)에 의한 냉각을 통하여 얻은 LNG 스트림(11)을 과냉각시키는 LNG 스트림의 과냉각방법에 있어서, 이 방법이
    (a) -90℃ 이하의 온도를 갖는 LNG 스트림(11)이 제1열교환기(19)에 도입되는 단계;
    (b) LNG 스트림(11)이 냉동유체(41)와의 열교환으로 제1열교환기(19)에서 과냉각되는 단계;
    (c) 냉동유체(41)가 상기 제1냉동사이클(15)과는 독립된 폐쇄형 제2냉동사이클(21)로 순환되는 단계로 구성되며, 폐쇄형 냉동사이클(21)이 다음의 연속단계인
    (i) 저압으로 유지된 상태에서 제1열교환기(19)로부터 유출되는 냉동유체(42)가 제2열교환기(23)에서 가열되는 단계;
    (ii) 제2열교환기(23)로부터 유출되는 냉동유체(43)가 압축장치(25)에서 그 임계압력 보다 큰 고압으로 압축되는 단계;
    (iii) 압축장치(25)로부터 유출되는 냉동유체(45)가 제2열교환기(23)에서 냉각되는 단계;
    (iv) 제2열교환기(23)로부터 유출되는 냉각유체(47; 85)의 적어도 일부가 냉각터빈(31; 99)에서 동력학적으로 팽창되는 단계;
    (v) 냉각터빈(31; 99)으로부터 유출되는 냉동유체(41; 101)가 제1열교환기로 도입되는 단계로 구성되고,
    냉동유체(41)가 질소와 메탄의 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 LNG 스트림의 과냉각방법.
  2. 제1항에 있어서, 냉동유체(41)에서 메탄의 몰함량이 5~15% 사이임을 특징으로 하는 방법.
  3. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 단계 (iii) 중에, 압축장치(25)로부터 유출되는 냉동유체(45)가 제2열교환기(23)내에 순환되는 2차냉동유체(67)와 열교환관계에 놓이고, 2차냉동유체(67)는 제3냉동사이클(59)로 순환되며 여기에서 2차냉동유체가 제2열교환기(23)의 유출구에서 압축되고 냉각되며 적어도 부분적으로 응축되며, 제2열교환기(23)에서 증발되기 전에 팽창됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 2차 냉각유체(67)가 프로판으로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 2차 냉각유체(67)가 에탄과 프로판의 혼합물, 특히 약 50 mol%의 에탄과 50 mol%의 프로판의 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 단계 (iii) 후에,
    (iii1) 압축장치(25)로부터 유출되는 냉동유체(47)가 과냉각스트림(85)과 2차냉각스트림(87)으로 분리되고,
    (iii2) 2차냉각스트림(87)이 2차터빈(83)에서 팽창되며,
    (iii3) 냉동혼합물의 스트림을 형성하기 위하여 2차터빈(83)으로부터 유출되는 2차 냉각스트림(91)이 제1열교환기(19)로부터 유출되는 냉동유체스트림(93)과 혼합되고,
    (iii4) 단계(iii1)로부터 유출되는 과냉각스트림(85)이 제3열교환기(81)에서 냉동혼합물의 스트림과 열교환관계에 놓이며,
    (iii5) 제3열교환기(81)로부터 유출되는 과냉각스트림(85)이 냉각터빈(31, 99)으로 도입됨을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 2차 터빈(83)이 압축장치(25)의 압축기(27D)에 결합됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 단계 (iv) 중에, 냉동유체(101)가 냉각터빈내(31)에서 실질적으로 기체형태로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 단계 (iv) 중에, 냉동유체(101)가 냉각터빈(99)에서 95 질량% 이상이 액화됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제3열교환기(81)로부터 유출되는 과냉각스트림(85)이 냉각 터빈(99)으로 보내지기 전에 냉각터빈(99)의 유출구에서 제1열교환기(19)를 순환하는 냉동유체(101)와의 열교환으로 냉각됨을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 냉동유체가 C2 탄화수소를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항 내지 제11항에 있어서, 냉동유체에서 질소의 몰비가 50% 이하임을 특징으로 하는 방법.
  13. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 고압이 약 70 바 이상이고 저압이 약 30 바 이하임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1냉동사이클(15)로 구성되는 액화유니트(13)로부터 유출되는 LNG 스트림(11)을 과냉각하기 위한 장치(10; 79; 100)에 있어서, 이러한 형태의 장치(10; 79; 100)가
    - LNG 스트림을 냉동유체(41)와 열교환관계에 놓일 수 있도록 하는 제1열교환기(19)로 구성된 LNG 스트림 과냉각수단(11);
    - 제1사이클(15)과는 독립되고 다음의 구성요소를 포함하는 폐쇄형 제2냉동사이클(21);
    Figure 112007072221599-PCT00011
    제1열교환기(19)로부터 유출되는 냉동유체를 순환시키기 위한 수단(42)으로 구성된 제2열교환기(23);
    Figure 112007072221599-PCT00012
    제2열교환기(23)로부터 유출되는 냉동유체를 압축하여 상기 냉동유체가 그 임계압력 보다 높은 고압이 될 수 있도록 하는 압축장치(25);
    Figure 112007072221599-PCT00013
    압축수단(25)으로부터 유출되는 냉동유체(45)를 제2열교환기(23)로 순환시키기 위한 수단;
    Figure 112007072221599-PCT00014
    제2열교환기(23)로부터 유출되는 냉동유체의 적어도 일부(47; 85)를 동력학적으로 팽창시키기 위한 냉각터빈(31; 99)과;
    Figure 112007072221599-PCT00015
    냉각터빈(31; 99)으로부터 유출되는 냉동유체(41; 101)를 제1열교환기(19)로 도입하기 위한 수단으로 구성되고,
    냉동유체(41)가 질소함유유체의 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 LNG 스트림의 과냉각방법.
  15. 제14항에 있어서, 냉동유체(41)에서 메탄의 몰함량이 5~15% 사이임을 특징으로 하는 장치(10; 79; 100).
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 제2열교환기(23)가 2차 냉동유체(67)를 순환시키기 위한 수단으로 구성되고, 장치(10; 79; 100)가 연속하여 제2열교환기(23)으로부터 2차냉동유체(67)를 압축하기 위한 2차 압축수단(61), 2차 압축수단(61)으로 부터 유출되는 2차 냉동유체를 위한 냉각수단(63)과 팽창수단(65)과, 팽창수단(65)으로부터 유출되는 2차 냉동유체를 제2열교환기(23)로 도입하기 위한 수단(67)을 포함하는 제3냉동사이클(59)로 구성됨을 특징으로 하는 장치(10; 79; 100).
  17. 제16항에 있어서, 2차 냉각유체(67)가 프로판으로 구성됨을 특징으로 하는 장치(10; 79; 100).
  18. 제17항에 있어서, 2차 냉각유체(67)가 에탄과 프로판의 혼합물, 특히 약 50 mol%의 에탄과 50 mol%의 프로판의 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 장치(10; 79; 100).
  19. 제14항 내지 제18항의 어느 한 항에 있어서, 이 장치가
    과냉각스트림(85)과 2차냉각스트림(87)을 형성하도록 압축장치(25)로부터 유출되는 냉동유체(47)를 분리하기 위한 수단;
    2차냉각스트림(87)을 팽창시키기 위한 2차터빈(83);
    냉동혼합물의 스트림을 형성하기 위하여 2차터빈(83)으로부터 유출되는 2차 냉각스트림(91)을 제1열교환기(19)로부터 유출되는 냉동유체스트림(93)과 혼합시키기 위한 수단;
    분리수단으로부터 유출되는 과냉각스트림(85)을 혼합물의 스트림과 열교환관계에 놓이도록 하는 제3열교환기(81)과;
    제3열교환기(81)로부터 유출되는 과냉각스트림(85)을 냉각터빈(31, 99)으로 도입하기 위한 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 장치(10; 79; 100).
  20. 제19항에 있어서, 2차 터빈(83)이 압축장치(25)의 압축기(27D)에 결합됨을 특징으로 하는 장치(10; 79).
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 냉각터빈(99)이 냉동유체를 95 질량% 이상이 액화시킬 수 있음을 특징으로 하는 장치(100).
  22. 제21항에 있어서, 냉동유체에서 질소의 몰비가 50% 이하임을 특징으로 하는 장치(100).
  23. 제19항 내지 제22항에 있어서, 장치가, 냉각터빈(99)의 상류측에서, 냉각터빈(99)의 유출구에서 제1열교환기(19)를 순환하는 냉동유체(101)와 열교환관계에 노일 수 있도록 하기 위하여 제3열교환기(81)로부터 유출되는 과냉각스트림(85)을 제1열교환기(19)로 도입하기 위한 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 장치(100).
  24. 제23항에 있어서, 냉동유체가 C2 탄화수소를 함유함을 특징으로 하는 장치(100).
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