KR20090088373A - 혼합 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법과 장치 - Google Patents

혼합 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법에 있어서, 이 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 은 제 1 열교환기 (101) 에서부터 1 개 이상의 입구 (14) 를 통하여 분배 용기 (12) 안으로 가게 된다. 분배 용기 (12) 는 제 2 열교환기 (102) 에 연결되는 2 개 이상의 출구 (16) 를 구비한다. 혼합 스트림 (10) 의 액체 부분은 분배 용기 (12) 의 제 1 영역 (20) 에 집속되고, 혼합 스트림 (10) 의 증기 부분은 분배 용기 (12) 의 제 2 영역 (30), 바람직하게는 제 1 영역 (20) 위에 집속된다. 제 1 영역 (20) 의 액체는 이 제 1 영역 (20) 과 연통하는 각각의 출구 (16) 의 1 개 이상의 액체 구멍 (18) 을 통하여 출구 (16) 로 가고, 제 2 영역 (30) 의 증기는 이 제 2 영역 (30) 과 연통하는 각각의 출구 (16) 의 1 개 이상의 증기 구멍 (28) 을 통하여 출구 (16) 로 가게 된다.
분배 용기

Description

혼합 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법과 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING UNIFORMITY OF VAPOUR AND LIQUID PHASES IN A MIXED STREAM}
본 발명은 증기 및 액체 혼합 스트림, 특히 천연 가스 등의 탄화수소 스트림을 액화시키는데 관련되는 스트림 (하지만 이에 한정되지 않음) 으로부터 얻어지는 2 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 탄화수소 스트림을 냉각시키는 방법, 바람직하게는 액화시키는 방법에 관한 것이다.
천연 가스 스트림을 액화시켜 액화 천연 가스 (LNG) 를 얻는 여러 가지 방법이 공지되어 있다. 많은 이유로 천연 가스 스트림을 액화시키는 것이 바람직하다. 일예로서, 천연 가스는 가스 형태보다는 액체로서 보다 용이하게 저장 및 장거리 이송될 수 있는데, 그 이유는 액체가 부피를 더 작게 차지하고 또한 고압에서 저장될 필요가 없기 때문이다.
통상적으로, 주로 메탄을 포함하는 천연 가스는 증가된 압력에서 LNG 설비로 유입하고 미리 처리되어 극저온 액화용으로 적합한 정제된 공급물을 생성하게 된다. 이 정제된 가스는 열교환기를 사용하는 다수의 냉각단을 통하여 처리되어 액화될 때까지 온도가 서서히 감소된다. 그 후, 이 액체 천연 가스는 더 냉각되고 저장 및 이송에 적합한 최종 대기압으로 팽창된다. 각각의 팽창단에서 제거되는 증기는 설비의 연료 가스원으로서 사용될 수 있다.
이러한 LNG 설비에서, 증기상 및 액상 혼합물을 포함하는 스트림이, 예를 들어 2 개의 열교환기 사이에서 발생한다. 일예는 미국특허 제 6,389,844 호의 도 3 에 도시되어 있다.
미국특허 제 6,389,844 호는 천연 가스를 액화시키는 설비에 관한 것이다. 도 3 에서는 제 1 단 및 제 2 단 열교환기 (102', 102) 를 포함하는 천연 가스를 예비 냉각시키는 일실시형태를 나타낸다. 이러한 제 1 단 및 제 2 단 열교환기 사이에는 2 개의 도관 (150, 151), 즉 냉매용 도관 및 천연 가스용 도관이 있다. 냉매 및 때로는 천연 가스는 증기 및 액체 혼합 스트림이고, 이러한 스트림은 열교환기 (102', 102) 사이의 단일 도관에 의해 이송된다.
하지만, 스트림이 2 개의 열교환기 사이를 통과하는 이러한 방법으로는 도관 (150, 151) 을 통과하는 스트림의 증기상 및 액상을 불균일하게 분포시킬 수 있다. 그리하여, 제 2 단 열교환기 (102) 로 가는 증기상 및 액상을 불균일하게 분포시킬 수 있고, 그럼으로써 온도 분포가 불균일해지고 그리하여 제 2 단 열교환기 (102) 가 비효율적으로 될 수 있다.
본 발명의 목적은 증기상 및 액상 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 이상의 스트림의 증기상 및 액상의 균일성을 개선시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 냉각 설비 또는 방법의 에너지 요구를 감소시키는 것이다.
하나 이상의 상기 목적 또는 다른 목적은 본 발명에 의해 달성되고, 본 발명에서는 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법을 제공하고, 이 방법은,
(a) 증기 및 액체 혼합 스트림이 제 1 열교환기로부터 1 개 이상의 분배 용기 입구를 통하여 분배 용기로 가는 단계로서, 분배 용기는 제 2 열교환기에 연결되는 2 개 이상의 분배 용기 출구를 가지는 단계,
(b) 혼합 스트림의 액체 부분이 분배 용기의 제 1 영역에 집속되는 단계,
(c) 혼합 스트림의 증기 부분이 분배 용기의 제 2 영역, 바람직하게는 (b) 단계의 제 1 영역 위에 집속되는 단계,
(d) 제 1 영역의 액체가 이 제 1 영역과 연통하는 각각의 분배 용기 출구의 1 개 이상의 액체 구멍을 통하여 분배 용기 출구로 가는 단계, 및
(e) 제 2 영역의 증기가 이 제 2 영역과 연통하는 각각의 분배 용기 출구의 1 개 이상의 증기 구멍을 통하여 분배 용기 출구로 가는 단계를 포함한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 장치를 제공하고, 이 장치는, 적어도
제 1 열교환기의 1 개 이상의 출구에 연결되는 1 개 이상의 분배 용기 입구와, 제 2 열교환기의 2 개 이상의 입구에 연결되는 2 개 이상의 분배 용기 출구를 가지는 분배 용기,
혼합 스트림의 액체 부분을 집속하기 위한 분배 용기내의 제 1 영역,
혼합 스트림의 증기 부분을, 바람직하게는 제 1 영역 위에 집속하기 위한 분배 용기내의 제 2 영역,
혼합 스트림의 액체 부분이 관류할 수 있고 제 1 영역과 연통하는 각 출구의 1 개 이상의 액체 구멍, 및
혼합 스트림의 증기 부분이 관류할 수 있고 제 2 영역과 연통하는 각 출구의 1 개 이상의 증기 구멍을 포함한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 천연 가스 스트림 등의 탄화수소 스트림을 냉각시키는 방법을 제공하고, 이 방법은, 적어도
(i) 2 개 이상의 열교환기와 관련 있는 냉각단에 탄화수소 스트림을 통과시키는 단계로서, 증기 및 액체 혼합 스트림이 상기 열교환기 사이를 통과하는 단계와,
(ii) 열교환기 사이의 증기 및 액체 혼합 스트림의 경로에 본원에 기재된 분배 용기를 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태는 첨부된 비한정적인 도면을 참조하여 실시예로서만 설명된다.
도 1 은 일방법에 따라서 연결되는 2 개의 열교환기의 개략도,
도 2 는 본 발명의 일실시형태에 사용되는 분배 용기의 측단면도, 및
도 3 은 본원에 기재된 분배 용기를 사용하는 2 개의 열교환기의 개략 측면도.
설명을 목적으로, 하나의 도면 부호는 라인 뿐만 아니라 이 라인에서 이송되는 스트림을 나타낸다. 동일한 도면 부호는 유사한 구성품, 스트림 또는 라인을 나타낸다.
증기 및 액체 혼합 스트림의 경로에 분배 용기를 사용하면, 예를 들어 분배 링을 사용하는 종래의 방법으로 분배하는 것보다 유출 스트림 각각의 액상 및 증기상의 분포가 보다 동일해지거나 균일해진다. 각 출구에서 액상 및 증기상을 보다 동일하게 분포시킴으로써, 다음 단계 또는 사용시 이 스트림의 온도 분포가 보다 균일해진다.
본 발명의 실시형태에서는 탄화수소 스트림을 냉각, 특히 액화시키는 방법, 설비 또는 장치의 전체 에너지 요구를 줄일 수 있고/있거나 이 방법, 설비 또는 장치를 보다 효율적이고 또한 보다 경제적이게 해준다.
본 발명의 실시형태에서는 탄화수소 스트림, 예를 들어 천연 가스 등의 다른 스트림(들)을 냉각시키는데 사용되는 냉매, 바람직하게는 혼합 냉매의 증기 및 액체 혼합 스트림을 포함한다. 다양한 냉매가 공지되어 있고, 비한정적으로 천연 가스 자체, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 펜탄 및 질소를 단일 성분으로 포함하거나 또는 2 종 이상을 사용하여 혼합 냉매를 형성한다.
본원에 기재된 방법을 다양한 탄화수소 공급물 스트림에 적용할 수 있지만, 액화될 천연 가스 스트림에 특히 적합하다. 탄화수소 스트림을 액화시키는 방법은 당업자라면 용이하게 알 수 있으므로, 본원에서는 보다 자세하게 추가로 설명하지 않았다.
증기 및 액체 혼합 스트림을 제 1 열교환기로부터 나오는 유동으로서 제공되고, 제 2 열교환기에는 유출 스트림이 제공된다. 출구는 상기 제 2 열교환기에 직접 연결될 수 있거나 이러한 열교환기의 관 다발에 연결될 수 있다. 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기는 원통다관식 열교환기 (shell-and-tube heat exchangers), 바람직하게는 와권식 열교환기 (spool-wound heat exchangers) 일 수 있다. 일실시형태에 있어서, 이러한 방식으로 천연 가스 스트림이 냉각된다.
탄화수소 스트림은 2 개 이상의 냉각단을 지나면서 냉각, 특히 액화될 수 있다. 어떠한 개수의 냉각단이라도 사용될 수 있고, 각각의 냉각단은 1 개 이상의 열교환기 뿐만 아니라 선택적으로 1 이상의 단계, 레벨 또는 부분을 포함할 수 있다. 각각의 냉각단은 2 개 이상의 열교환기를 직렬로, 병렬로 또는 이를 조합하여 포함할 수 있다. 천연 가스 등의 탄화수소 스트림을 액화시킬 수 있는 적합한 열교환기의 구성은 종래에 알려져 있다.
일실시형태에 있어서, 이러한 구성은 제 1 냉각단 및 제 2 냉각단을 포함하는 2 개의 냉각단을 포함하고, 제 1 냉각단은 바람직하게는 예비 냉각단이고, 제 2 냉각단은 바람직하게는 주 극저온 단이다.
본 발명은 어떠한 증기 및 액체 혼합 스트림에도 사용될 수 있는데, 냉각 및/또는 액화될 탄화수소 스트림에도 사용될 수 있고, 이에 한정되지 않는다.
냉각 및/또는 액화 방법 또는 설비용 탄화수소 스트림은, 액화될 어떠한 적합한 탄화수소 함유 스트림이라도 될 수 있지만, 통상적으로는 천연 가스 또는 석유 저장소로부터 얻어지는 천연 가스 스트림이다. 다른 방법으로서, 천연 가스 스트림은 또한 피셔-트롭쉬 (Fischer-Tropsch) 공정 등의 합성 공급원을 포함하는 다른 공급원으로부터 얻어질 수 있다.
통상적으로 천연 가스는 실질적으로 메탄으로 이루어진다. 바람직하게는, 탄화수소 스트림은 적어도 60 몰% 메탄, 보다 바람직하게는 적어도 80 몰% 메탄을 포함한다.
천연 가스는 공급원에 따라서 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 뿐만 아니라 일부 방향족 탄화수소 등의 메탄보다 무거운 다양한 양의 탄화수소를 포함할 수 있다. 천연 가스 스트림은 또한 H2O, N2, CO2, H2S 및 다른 황 화합물 등의 비탄화수소를 포함할 수 있다.
원한다면, 탄화수소 스트림은 본 발명에 사용되기 전에 전처리될 수 있다. 이러한 전처리는 CO2 및 H2S 등과 같은 존재하는 어떠한 원하지 않는 성분을 제거하는 것 또는 예비 냉각 또는 예비 가압 등의 다른 단계를 포함할 수 있다. 이러한 단계들은 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 본원에서는 더 설명하지 않는다.
도 1 에서는 제 1 열교환기 (1) 를 나타내었고, 이 제 1 열교환기는 예를 들어 천연 가스 등의 탄화수소 스트림을 액화시키는 방법 및 설비의 제 1 또는 예비 냉각단에서 사용되는 고압 열교환기일 수 있다. 이러한 열교환기는 당업계에 잘 알려져 있고, 또한 통상적으로 '다관식' 또는 원통다관식' 열교환기이다. 이러한 열교환기는 수백개 또는 수천개의 (또는 더 많은) 작은 직경, 수직형 또는 나선형 및 단부 개방형 반응기 관들을 포함할 수 있다.
통상적으로, 관은 여러 개의 '다발' 로 모아지고, 이 다발은 그 다발의 모든 관으로부터 증기 및 액체 혼합 스트림을 집속하여 출구를 통하여 제 1 열교환기 (1) 의 상부 외부로 상기 스트림을 내보내도록 설계된 하나의 본넷, 챔버, 헤더 또는 매니폴드를 갖는다. 도 1 에서는 6 개의 다발을 가진 제 1 열교환기 (1) 의 상부에 6 개의 출구 (4) 를 나타내었고, 이 출구 (4) 는 증기 및 액체 혼합 스트림 모두를 집속하는 집속 링 (6) 안으로 스트림을 보내고, 이 집속링은 결합된 스트림인 이 스트림을 다음의 열교환기 (2) 로 가기 위한 하나의 도관 (3) 안으로 보낸다. 증기 및 액체 혼합 스트림 모두를 다음의 열교환기 (2) 로 보내는 하나의 도관 (3) 은, 일방의 열교환기의 유출 및 타방의 열교환기의 유입간의 거리 때문에, 지금까지 가장 간단하고 경제적인 구성인 것으로 여겨지고 있다.
하지만, 열교환기는 통상적으로 각각의 관 외부로 나오는 스트림의 혼합 액상 및 증기상의 분포 또는 비가 동일하도록 균일하지 않다. 변동이 발생하고, 그럼으로써 제 1 열교환기 (1) 를 나와서 상호연결 도관 (3) 을 통하여 다음의 열교환기 (2) 로 가게 되는 액상 및 증기상의 분포가 변동하게 된다. 일반적으로 도관 (3) 을 통과하는 증기 및 액체 혼합 스트림의 분포 및 조성의 불균일성으로 인해 제 2 열교환기 (2) 로의 혼합 스트림의 분포가 불균일해질 수 있다.
제 1 열교환기 (1) 에 대한 전술한 바와 같이, 제 2 열교환기 (2) 는 통상적 으로 수백개 또는 수천개의 작은 직경의 관을 포함하고, 이 관들은 또한 통상적으로 다수의 '다발' 로 집속된다. 하나의 공통된 다발 개수는 6 개이다. 열교환기 (2) 의 베이스에 또는 그 근방에서, 각각의 다발은 공통의 공급원으로부터 각각의 관안으로 물질의 스트림을 제공하도록 설계된 하나의 본넷, 챔버, 헤더 또는 매니폴드를 가진다. 통상적으로, 관의 각 다발용 공급원은 입구이고, 도 1 에는 6 개의 입구 (5) 가 도시되어 있다. 입구는 하나의 도관 (3) 에 의해 공급을 받는 분배 링 (7) 으로부터 물질의 스트림을 얻게 된다.
분배 링 (7) 은 제 2 열교환기 (2) 의 모든 측면에서 액체 및 증기 스트림을 각각의 입구 (5) 에 가장 효율적으로 유입시키도록 일반적으로 수평하게 되어 있다. 하지만, 액상은 더 무거워 밑으로 가라앉게 되고 일반적으로 증기의 속도가 더 빨라 증기상이 이 가라앉는 액상 위에서 더 빨리 유동하게 되므로, 액체 및 증기 혼합 스트림이 수평방향으로 통과되면 상들이 일부 성층화된다. 그리하여, 증기 및 액체 혼합 스트림의 수평방향 유동이 있을 때 액상 및 증기상이 분배 링 (7) 근방을 통과하여 입구 (5) 각각에 도달하게 되면 일반적으로 그 액상 및 증기상의 불균일성이 증가하게 된다. 이러한 스트림이 분배 링 근방을 포함하여 수평방향으로 더 이동하면, 이러한 성층화 효과는 더 증가된다.
전술한 바의 결과로, 제 2 열교환기 (2) 의 길에 걸쳐 액상 및 증기상의 온도 분포가 불균일해진다. 이는, 예를 들어 도 1 에 도시된 제 1 열교환기 (1) 와 제 2 열교환기 (2) 를 사용하는 액화 설비의 제 1 또는 예비 냉각단과 주 액화단간의 동력 불균형을 유발할 수 있다. 이는 주 액화단에 대한 동력 요구를 증 가시키고 또한 그래서 액화 방법 또는 설비에 필요한 전체 동력을 증가시킨다.
도 2 에서는 본 발명에 사용되는 분배 용기 (12) 를 도시한다. 분배 용기 (12) 는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 을 받아들이는 하나의 입구 (14) 를 가진다. 전술한 바와 같이, 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 은 천연 가스 등의 탄화수소 스트림 또는 냉매, 바람직하게는 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 펜탄을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 2 종 이상의 성분을 기재로 하는 혼합 냉매일 수 있다. 이러한 혼합 냉매는 천연 가스 등의 탄화수소 스트림을 액화시키는 방법, 장치 또는 설비의 1 이상의 단에 사용될 수 있다.
혼합 냉매의 일용도로서는 2 개가 연결된 열교환기 (즉, 하나는 통상적으로 고압 열교환기이고 다른 하나는 저압 열교환기임) 에 사용된다. 이러한 2 개의 열교환기의 일구성은 미국특허 제 6,389,844 호의 도 3 에 도시되어 있다. 가능한 다른 구성은 유럽특허 제 1 088 192 호에 도시되어 있다.
도 1 에 도시된 제 1 열교환기 (1) 인 고압 열교환기를 예를 들면, 혼합 냉매는 '고'압에서 기화된 후 도관 (3) 을 따라서 열교환기 (1) 를 나간다.
본 발명의 분배 용기 (12) 는 이 분배 용기의 스트림이 도 2 에 도시된 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 이 되도록 도 1 에 도시된 도관 (3) 에 위치될 수 있다. 이 스트림 (10) 은 입구 (14) 를 통하여 분배 용기 (12) 로 유입된다.
유입 스트림 (10) 은 이 유입 스트림 (10) 의 유동을 변경하거나 배향시키는 어떠한 장치 또는 다른 구성에 의해 분배 용기 (12) 의 본체안으로 배향될 수 있다. 일예로서는 유입 스트림의 수직 유동을 유발하도록 되어 있는 도 2 에 도 시된 배플판 (22) 이다. 다른 예 (도시하지 않음) 로서는 독일특허 제 1,119,699 호 (본원에 참조됨) 에 기재되고 도시된 바와 같이 액체/증기 혼합물용 베인 입구 및 분배 장치이다. 이러한 입구 및 분배 장치는 수직 구성의 경우 상부에서 또는 수평 구성의 경우에는 측면에서 분배 용기로 들어가고 또한 액체 및 증기 혼합물을 칼럼 또는 다른 처리 구역안으로 분할하도록 구성된다. 이러한 입구 및 분배 장치는 유입하는 혼합 스트림의 일부를 간섭하고 편향시키도록 되어 있는 다수의 만곡된 안내 베인을 포함한다. 이러한 장치는 "Schoepentoeter"TM 으로서 알려져 있다.
도 2 의 분배 용기 (12) 는 혼합 스트림 (10) 의 액체 부분이 분배 용기 (12) 의 제 1 영역 (20) 에 집속되도록 하고, 이러한 제 1 영역 (20) 은 일반적으로 분배 용기 (12) 의 하부에 있다. 제 1 영역 (20) 위에서, 이 제 1 영역 (20) 위에 있는 제 2 영역 (30) 에 혼합 스트림 (10) 의 증기 부분이 집속된다. 따라서, 분배 용기 (12) 에는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 의 액상을 위한 집속 영역 및 유입하는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 의 증기상을 위한 집속 영역이 형성된다.
분배 용기 (12) 는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 을 제공하는 유닛, 용기 또는 열교환기로부터 나오는 그 혼합 스트림의 공지되거나 예상되는 유동에 적합한 어떠한 구성, 크기 또는 치수를 가질 수 있다. 바람직하게는, 분배 용기 (12) 의 크기와 치수는 제 1 영역 (20) 에서 액상 물질이 일정한 레벨로 있도록 되어 있다.
또한, 분배 용기는 분배 용기 (12) 내의 물질을 유출시키기 위한 2 개 이상의 출구를 가지고, 도 2 의 실시예서는 다만 4 개의 출구 (16) 를 예시하였다. 하지만, 본원에 기재된 바와 같은 분배 용기는 2 개 내지 20 개의 출구, 바람직하게는 3 개, 4 개, 5 개, 6 개, 7 개, 8 개, 9 개 또는 10 개의 출구 (16) 를 가질 수 있으며, 이 각각의 출구 (16) 는 분배 용기의 베이스에서 또는 그 근방에서 분배 용기 (12) 를 통하여 연장되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 출구 (16) 는 분배 용기 (12) 의 베이스를 관통하여 분배 용기 안으로 상방으로 연장된다. 출구 (16) 가 분배 용기 (12) 안으로 연장하는 정도는, 유입하는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 의 공지되거나 예상되는 유량뿐만 아니라 분배 용기 (12) 의 치수에 따른다. 분배 용기 (12) 내의 출구 (16), 배플판 (22) 및 어떠한 다른 부재 또는 특징적 요소의 구성은 당업자에 의해 계산될 수 있다.
제 1 영역 (20) 에 있는 출구 (16) 의 일부 (24) 를 따라서, 각각의 출구 (16) 는 1 개 이상의 액체 구멍을 가지고, 출구 (16) 당 하나의 액체 구멍 (18) 이 예로서 도 2 에 도시되었다. 이 액체 구멍 (18) 은 제 2 영역 (20) 의 액체가 출구 (16) 안으로 가게 할 수 있다.
제 2 영역 (30) 안으로 연장하는 출구 (16) 의 일부 (26) 각각의 정상부는 단부가 개방되어서, 증기가 출구 (16) 안으로 갈 수 있도록 출구 (16) 각각에 증기 구멍 (28) 을 형성한다. 단부가 개방된 증기 구멍 (28) 위에 이격되어 있는 본넷이나 캡 (32) 이 분배 용기 (12) 내의 물질, 특히 액체 물질이 증기 구멍 (28) 안으로 직접 유입되는 것을 방지하도록 위치될 수 있다. 캡 (32) 은 증기 구멍 (28) 안으로 간접적으로 유동하도록 하여 증기만이 그 구멍안으로 들어가는 것을 보장해준다.
일실시형태에 있어서, 입구 (14) 는 분배 용기 (12) 의 정상부에 또는 그 근방에 있다. 바람직하게는, 입구 (14) 는 수직하며, 하지만 완전 수직한 것으로 한정되는 것은 아니다. 다른 방법으로, 분배 용기 (12) 용 입구는 소정의 각으로 분배 용기에 들어갈 수 있고, 이러한 각은 수평에 대한 각이다. 분배 용기 (12) 가 1 개 이상의 입구를 가지면, 각각의 입구는 분배 용기 (12) 에 수직하게, 수평하게 또는 이 사이의 어떠한 각 조합으로 들어갈 수 있다.
유사하게, 출구는 분배 용기 (12) 로부터 다른 각도로 멀어지게 연장할 수 있지만, 도 2 에 도시된 출구 (16) 는 분배 용기 (12) 로부터 수직하게 멀어지게 연장한다.
바람직하게는, 입구 (14), 각각의 출구 (16), 및 선택적으로 심지어 분배 용기 (12) 그 자체는, 증기 및 액체 혼합 스트림 및 상이 이를 통하여 일반적으로 수직하게 유동하도록 모두 수직하거나 또는 수직하게 배열된다.
또한 바람직하게는, 분배 용기 (12) 는 도관 (예를 들어, 제 1 열교환기 등의 제 1 용기의 출구와 제 2 열교환기 등의 제 2 용기의 입구 사이에 개재된 도관) 의 수직 부분, 단편 또는 구역에 위치된다.
또한 바람직하게는, 분배 용기 (12) 는 이 분배 용기의 출구를 통하여 제공되는 증기 및 액체 혼합 스트림의 어떠한 수평방향 통과 또는 이송을 줄여서, 보다 바람직하게는 최소화하여, 나중에 사용하기 전에 가능한 한 상들의 성층화를 최소 화하기 위해 사용되거나 위치된다.
첨부된 도면에서 라인, 도관 및 스트림의 구성은 한정적인 것은 아니며 일반적으로 본 발명을 보다 잘 설명하도록 도시되었다.
사용시, 분배 용기 (12) 는 (제 1 영역 (20) 으로부터의) 동일하거나 균일한 액상 유동 및 (제 2 영역 (30) 으로부터의) 동일하거나 균일한 증기상 유동을 출구 (16) 각각에 제공하여 (유입하는 혼합 스트림 (10) 에 비하여) 분배 용기 (12) 로부터 유출하는 스트림 각각의 액상 및 증기상의 분포 또는 비를 보다 더 동일하거나 균일하게 제공할 수 있다.
출구 (16) 로의 액체 및 증기 유동의 비 또는 분포는, 출구 (16), 액체 구멍 (18), 증기 구멍 (28) 및 캡 (32) 의 크기와 치수를 포함하는 다양한 요인에 따른다. 또한, 상기 비 또는 분포는 분배 용기 (12) 그 자체의 크기와 치수 및 유입하는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 의 유동 및 분포에도 따른다. 출구 (16) 에서의 액상 및 증기상의 분포가 초기의 혼합 공급물 스트림 (10) 의 분포보다 더 동일하게 되도록 이러한 요인 및 어떠한 다른 관련 요인을 계산할 수 있다.
따라서, 분배 용기 (12) 는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림에서 증기 및 액체 분포를 보다 더 균일하게 할 수 있다. 바람직하게는, 분배 용기는 증기 및 액체 혼합 스트림 (10) 을 동일하거나 유사한 액체:증기 비를 가진 다수의 병렬 스트림으로 분할하고, 이러한 방식으로 출구 (16) 를 통과하는 증기상 및 액상의 균일성을 제어하는 방법을 제공한다. 각각의 출구 (16) 내 또는 이를 통과하는 스트림에서의 액상 및 증기상의 분포는, 입구 (14) 에 유입하는 혼합 스트림 (10) 에서의 액상 및 증기상의 분포보다 다른 출구 스트림과 보다 동일하거나 균일해진다.
분배 용기의 다른 형상 (도시하지 않음) 에 있어서, 분배 용기의 측면에 1 개 이상의 입구가 제공된다. 이러한 측면 입구는 소정의 각으로 용기 입구에 들어갈 수 있고, 이러한 각은 수평방향의 각에서부터 수직방향의 각 (하지만 수직방향의 각은 포함하지 않음) 까지의 어떠한 각이다.
1 개 이상의 출구는 분배 용기의 베이스를 통과하여 상방으로 연장된다. 출구는 일반적으로 전술한 바와 같지만 모든 출구의 정상부가 가장 높은 입구 위의 높이에 있도록 1 개 이상의 입구의 높이를 넘어 분배 용기안으로 연장된다. 1 개 이상의 출구는 증기 및 액체 혼합 스트림 및 상이 분배 용기를 일반적으로 수직방향으로 유동하게 하도록 분배 용기로부터 다른 각으로 멀어지게 연장할 수 있지만, 이 출구는 분배 용기로부터 수직하게 멀어지게 연장된다.
도 3 에서는, 도 1 에 도시된 바와 유사하게, 제 1 열교환기 (101) 및 제 2 열교환기 (102) 사이의 도관 (103) 에 분배 용기 (12) 가 도입되어 있는 것이 도시되었다. 분배 용기 (12) 는 제 1 열교환기 (101) 로부터 증기 및 액체 혼합 스트림을 제공하는 부분 아래에 위치된다. 바람직하게는, 분배 용기 (12) 는 제 1 열교환기 (101) 및 제 2 열교환기 (102) 사이에서 이 열교환기 사이의 적어도 대부분의 거리에 대해서 하나의 도관을 유지하도록 도관 (103) 의 단부 근방에 위치된다.
출구 (16) 에서부터 입구 (105) 안으로 가는 스트림의 수평방향 유동을 최소 화하기 위해서, 분배 용기 (12) 는 제 2 열교환기 (102) 근방에 위치되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 전술한 바와 같은 출구의 혼합 스트림의 성층화를 최소화하게 된다.
분배 용기는 도 2 에 도시된 실시형태 등의 본원에 기재된 어떠한 형상일 수 있다.
도 3 에 도시된 분배 용기 (12) 로부터의 6 개의 출구 (16) 는 제 2 열교환기 (102) 의 베이스 또는 하부안으로 들어가는 6 개의 열교환기 입구 (105) 각각에 직접 연결되는 것이 바람직하다. 출구 (16) 각각의 보다 동일한 액체 및 증기 스트림을 제 2 열교환기 (102) 안으로 직접 유입시킴으로써, 액체 및 증기 혼합 스트림을 제 2 열교환기 (102) 안으로 보다 균일하게 유입시키며, 이 스트림의 온도 분포를 보다 균일하게 하고, 그리하여 제 2 열교환기 (102) 를 통과하는 스트림을 보다 효율적으로 사용하거나 처리하게 된다.
본 발명은 제 2 열교환기 (102) 근방에 설치되는 분배 링 (도 1 에 도시된 분배 링 (7) 등) 의 필요성을 없앰으로써 다른 장점을 제공해준다. 출구 (16) 로부터 스트림을 제 2 열교환기 (102) 의 입구 (105) 로 직접 전달함으로써 스트림의 수평방향 유동 길이가 줄어들어 수평방향 유동으로 인한 성층화가 최소화된다.
분배 용기 (12) 는 어떠한 2 개의 열교환기 사이에 사용될 수 있다. 탄화수소 액화 설비의 일부 냉각단에서는 3 개, 4 개, 5 개 또는 6 개의 열교환기를 직렬로 사용할 수 있고, 이러한 열교환기 사이에서 액체 및 증기 혼합 스트림이 있을 수 있다. 예를 들어, 열교환기는 상이한 압력 레벨에 있을 수 있다. 분 배 용기 (12) 는 그러한 열교환기 사이의 다수의 위치에 사용될 수 있다.
또한, 분배 용기 (12) 는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 스트림들 모두가, 얻어지는 하나의 다른 열교환기로 가는 대신에, 2 개 이상의 상이한 열교환기로 가게 되는 경우도 그 스트림들의 증기상 및 액상의 동일성 또는 균일성을 더 크게 하는데 사용될 수 있다. 예로서, 분배 용기의 1 개 이상의 출구는 스트림(들)을 하나의 열교환기로 가게 할 수 있고, 1 개 이상의 다른 출구는 스트림(들)을 다른 열교환기로 가게 할 수 있다.
본 발명은 유럽특허출원 제 1088192 호에 기재된 3 단 듀얼 혼합식 냉매 공정의 제 1 또는 예비 냉각단, 미국특허 제 6,389,844 호에 기재된 공정의 제 1 또는 예비 냉각단, 및/또는 특히 다상 혼합식 냉매를 사용하고 2 개의 극저온 열교환기를 포함하는 어떠한 다른 액화 공정의 액화단 또는 시스템에서, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림에 있는 증기상 및 액상의 균일성 또는 보다 더 큰 동일성을 제공하는 방법으로 확장된다.
본 발명은 첨부된 청구항의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 방법으로 실시될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (17)

  1. 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법으로서,
    (a) 증기 및 액체 혼합 스트림이 제 1 열교환기로부터 1 개 이상의 분배 용기 입구를 통하여 분배 용기로 가는 단계로서, 분배 용기는 제 2 열교환기에 연결되는 2 개 이상의 분배 용기 출구를 가지는 단계,
    (b) 혼합 스트림의 액체 부분이 분배 용기의 제 1 영역에 집속되는 단계,
    (c) 혼합 스트림의 증기 부분이 분배 용기의 제 2 영역, 바람직하게는 (b) 단계의 제 1 영역 위에 집속되는 단계,
    (d) 제 1 영역의 액체가 이 제 1 영역과 연통하는 각각의 분배 용기 출구의 1 개 이상의 액체 구멍을 통하여 분배 용기 출구로 가는 단계, 및
    (e) 제 2 영역의 증기가 이 제 2 영역과 연통하는 각각의 분배 용기 출구의 1 개 이상의 증기 구멍을 통하여 분배 용기 출구로 가는 단계를 포함하는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 증기 및 액체 혼합 스트림은 냉매 스트림인, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 증기 및 액체 혼합 스트림은 탄화수소 스트림인, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  4. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 1 개 이상의 분배 용기 입구, 2 개 이상의 분배 용기 출구 및 분배 용기는 이를 관류하는 수직방향의 스트림 유동을 제공해주는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  5. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분배 용기는 제 1 열교환기로부터 증기 및 액체 혼합 스트림이 제공되는 부분 아래에 있는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  6. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기는 탄화수소 스트림을 냉각시키는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  7. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기는 원통다관식 열교환기인, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  8. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분배 용기는 분배 용기의 정상부에 또는 그 근방에 하나의 분배 용기 입구를 가지는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  9. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분배 용기는 2 내지 20 개의 분배 용기 출구를 가지는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  10. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 각각의 분배 용기 출구는 이 분배 용기를 통하여 상방으로 연장하고, 분배 용기의 베이스 근방에서 분배 용기 출구 각각에 적어도 하나의 액체 구멍이 위치되는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  11. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분배 용기 출구 각각은 분배 용기안에 있는 일단부를 가지고, 이 단부는 증기 구멍으로서 작용하도록 끝이 개방되어 있는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  12. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분배 용기안에 있는 분배 용기 출구 각각의 단부는 그 위에 이격되어 있는 단부 캡을 가지는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  13. 전술한 항 중 하나 이상의 항에 있어서, 분배 용기는 분배 용기 입구 또는 그 각각으로부터 증기 및 액체 혼합 스트림을 분배 용기를 가로질러 또는 그 주위에 분포시키는 것을 보조하도록 분배 용기 입구 또는 그 각각의 근방에 배플판을 포함하는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 방법.
  14. 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 장치로서, 적어도
    제 1 열교환기의 1 개 이상의 출구에 연결되는 1 개 이상의 분배 용기 입구와, 제 2 열교환기의 1 개 이상의 입구에 연결되는 2 개 이상의 분배 용기 출구를 가지는 분배 용기,
    혼합 스트림의 액체 부분을 집속하기 위한 분배 용기내의 제 1 영역,
    혼합 스트림의 증기 부분을 집속하기 위한 분배 용기내의 제 2 영역,
    혼합 스트림의 액체 부분이 관류할 수 있고 제 1 영역과 연통하는 각 출구의 1 개 이상의 액체 구멍, 및
    혼합 스트림의 증기 부분이 관류할 수 있고 제 2 영역과 연통하는 각 출구의 1 개 이상의 증기 구멍을 포함하는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 영역은 제 1 영역 위에 있는, 증기 및 액체 혼합 스트림으로부터 얻어지는 2 개 이상의 스트림의 증기상 및 액상을 균일하게 하는 장치.
  16. 천연 가스 스트림 등의 탄화수소 스트림을 냉각시키는 방법으로서, 적어도
    (i) 2 개 이상의 열교환기와 관련있는 냉각단에 탄화수소 스트림을 통과시키는 단계로서, 증기 및 액체 혼합 스트림이 상기 열교환기 사이를 통과하는 단계와,
    (ii) 제 1 항 내지 제 13 항 중 하나 이상의 항에 따른 방법 또는 제 14 항 내지 제 15 항에 따른 장치를 사용하는 단계로서, 열교환기 사이의 증기 및 액체 혼합 스트림의 경로에 분배 용기가 제공되는, 천연 가스 스트림 등의 탄화수소 스트림을 냉각시키는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 액화된 탄화수소 스트림, 바람직하게는 액화 천연 가스를 제공하기 위해서 탄화수소 스트림을 액화시키는, 천연 가스 스트림 등의 탄화수소 스트림을 냉각시키는 방법.
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