KR20090109713A - 혼합냉매 사이클을 이용한 천연가스 액화방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합냉매 사이클을 이용하여 전체 시스템의 구성을 간략화한 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 복수의 성분이 혼합되어 이루어진 혼합냉매를 이용하여 천연가스를 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서, 혼합냉매와의 열교환에 의해 천연가스를 액화시키는 콜드 박스와; 혼합냉매를 냉각시켜 상기 콜드 박스에 공급하기 위한 혼합냉매 사이클; 을 포함하며, 상기 혼합냉매 사이클은, 혼합냉매를 압축시키는 혼합냉매 압축기와, 압축된 혼합냉매를 냉각시키는 혼합냉매 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치가 제공된다.

혼합냉매, 천연가스, 액화, 콜드 박스, 압축기, 열교환기, 응축기, 팽창밸브

Description

혼합냉매 사이클을 이용한 천연가스 액화방법 및 장치{NATURAL GAS LIQUEFACTION METHOD AND APPARATUS USING A MIXED REFRIGERANT CYCLE}

본 발명은 천연가스를 액화시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혼합냉매 사이클을 이용하여 전체 시스템의 구성을 간략화한 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것이다.

천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

종래 사용되고 있는 천연가스의 액화방법은, 천연가스를 하나 이상의 열교환기 내부를 통과시켜 냉각함으로써 이루어지는 것이다. 미국특허 제 3,735,600 호 및 제 3,433,026 호 등에는 천연가스를 하나 내지 수 개의 열교환기에 공급하여 액화하는 액화방법이 개시되어 있다.

본 명세서에서, 천연가스란, 주성분이 메탄이지만 다른 탄화수소 성분이나 질소를 포함하는 혼합물을 의미하며, 어떤 형태(기상(氣相), 액상(液相) 또는 기상과 액상의 혼합상)의 것도 포함하는 개념이다.

액체상태로 천연가스를 저장 및 운반하기 위해서는, 천연가스가 대략 -151℃ 내지 -163℃ 정도로 냉각되어야 하며, 여기서 LNG는 대기압 정도의 압력을 갖는다. 종래기술에서, 냉각 작용은 일반적으로 프로판, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, 메탄, 질소 또는 상기 냉매들의 조합물(즉, 혼합냉매)과 같은 하나 이상의 냉매에 의해 열교환을 통하여 이루어진다.

그런데, 이러한 천연가스의 액화방법은, 복잡하고 비싼 설비를 필요로 하고, 넓은 열교환 표면적 및 높은 압축력을 필요로 하는 등, 개선될 여지가 있다.

이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 혼합냉매 사이클을 이용하여 전체 시스템의 구성을 간략화하고 액화 공정을 효율적으로 실시할 수 있도록 한 천연가스 액화방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 복수의 성분이 혼합되어 이루어진 혼합냉매를 이용하여 천연가스를 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서, 혼합냉매와의 열교환에 의해 천연가스를 액화시키는 콜드 박스와; 혼합냉매를 냉각시켜 상기 콜드 박스에 공급하기 위한 혼합냉매 사이클; 을 포함하며, 상기 혼합냉매 사이클은, 혼합냉매를 압축시키는 혼합냉매 압축기와, 압축된 혼합냉매를 냉각시키는 혼합냉매 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치가 제공된다.

상기 혼합냉매 사이클은, 복수의 혼합냉매 압축기와, 복수의 상기 혼합냉매 압축기의 하류측에 각각 설치되어 압축된 혼합냉매를 냉각시키는 복수의 혼합냉매 열교환기와, 냉각된 고압의 혼합냉매를 팽창시켜 극저온으로 더욱 냉각시키는 하나 이상의 팽창밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 혼합냉매 사이클은, 상기 콜드 박스에서의 열교환에 의해 냉열을 빼앗긴 혼합냉매를 압축시키는 제1 혼합냉매 압축기와, 상기 제1 혼합냉매 압축기에서 압축된 혼합냉매를 냉각시키는 제1 혼합냉매 열교환기와, 상기 제1 혼합냉매 열교환기에서 냉각된 혼합냉매를 더욱 고압으로 압축시키는 제2 혼합냉매 압축기와, 상기 제2 혼합냉매 압축기에서 고압으로 압축된 혼합냉매를 일부 액화시키는 제2 혼합냉매 열교환기와, 일부 액화된 혼합냉매를 기상과 액상으로 분리하는 기액 분리기와, 고압의 혼합냉매를 팽창시켜 극저온 상태로 냉각시키는 팽창밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 혼합냉매 사이클은, 상기 제1 혼합냉매 압축기에 공급될 혼합냉매를 수용하는 압력 용기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 복수의 성분이 혼합되어 이루어진 혼합냉매를 이용하여 천연가스를 액화시키기 위한 천연가스 액화방법으로서, 혼합냉매 압축기에 의해 혼합냉매를 압축하는 단계와; 압축된 혼합냉매를 냉각하는 단계와; 냉각된 혼합냉매를 팽창시켜 극저온 상태로 더욱 냉각하는 단계와; 극저온 상태로 냉각된 혼합냉매를 콜드 박스 내에서 천연가스와 열교환시킴으로써 천연가스를 액화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화방법이 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 혼합냉매 사이클을 이용하여 전체 시스템의 구성을 간략화하고 액화 공정을 효율적으로 실시할 수 있도록 한 천연가스 액화방법 및 장치가 제공될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 천연가스 액화방법 및 장치를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따라서 혼합냉매 사이클을 이용하는 천연가스 액화방법 및 장치를 설명하기 위한 개념도가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 천연가스 액화장치는, 육상이나 근해에 설치되는 LNG 플랜트, LNG 수송선과 같은 선박, 그리고 FPSO (Floating, Production, Storage and Offloading)와 같은 해상 구조물 등에 설치되어 사용될 수 있다. LNG FPSO는, 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 LNG 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 LNG 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 천연가스 액화장치에 따르면, 콜드 박스(cold box)(10) 내에서 이루어지는 냉매와의 열교환을 통하여 천연가스(NG; Natural Gas)는 액화되어 액화 천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)가 만들어진다.

콜드 박스(10)는 하나 이상의 열교환기(도시생략)로 이루어질 수 있으며, 천연가스 액화공정이 수행되는 콜드 박스(10)의 구체적인 구성은 본 발명을 한정하지 않으며 종래 사용되고 있는 어떠한 구성의 것이라도 사용할 수 있으므로 더 이상 상세하게 설명하지 않는다. 대략 60barg, 40℃의 고압 고온 상태로 콜드 박스(10)에 공급된 천연가스는, 혼합냉매 사이클(20)에서 극저온으로 냉각된 혼합냉매로부터 냉열을 공급받아 액화된다.

혼합냉매 사이클(20)의 혼합냉매는, 메탄, 에탄올, 프로판, 부탄, 질소 등의 성분들이 일정 비율로 혼합되어 이루어진 것이다. 각 성분들의 혼합 비율은 공정 조건에 따라 정해질 수 있다.

본 발명에 따른 혼합냉매 사이클(20)에 있어서, 압력 용기(21) 내에는 상술한 혼합냉매가 수용되어 있다. 압력 용기(21) 내의 혼합냉매는 도시하지 않은 이송펌프, 조절밸브 등에 의해 필요한 양이 제1 혼합냉매 압축기(22)로 공급될 수 있다.

제1 혼합냉매 압축기(22)에서 압축되어 온도 및 압력이 상승한 혼합냉매는, 제1 혼합냉매 열교환기(23)에서 열교환됨으로써 냉각된다. 제1 혼합냉매 열교환기(23)에서 혼합냉매의 온도를 낮추기 위해서는 해수(혹은 담수)나 공기를 사용할 수 있다.

제1 혼합냉매 열교환기(23)를 통과하면서 냉각된 혼합냉매는 계속해서 제2 혼합냉매 압축기(24)에 공급된다. 제2 혼합냉매 압축기(24)에서 더욱 고압으로 압축된 혼합냉매는 혼합냉매 응축기로서 작용하는 제2 혼합냉매 열교환기(25)에서 냉각되어 부분적으로 응축된다. 혼합냉매 응축기로서의 제2 혼합냉매 열교환기(25)에서 혼합냉매의 온도를 낮추어 부분적으로 응축시키기 위해서는 해수(혹은 담수)나 공기를 사용할 수 있다.

부분적으로 응축된 혼합냉매는 기액 분리기(26)로 공급되며, 이 기액 분리기(26) 내에서 기상(氣相)의 혼합냉매와 액상(液相)의 혼합냉매로 분리되어 각각 콜드 박스(10)에 공급된다.

콜드 박스(10)에 공급된 혼합냉매는 제1 혼합냉매 팽창밸브(27) 및 제2 혼합냉매 팽창밸브(28)를 통과하면서 팽창됨으로써 온도가 하강되어 극저온까지 냉각된다. 콜드 박스(10) 내에서, 극저온으로 냉각된 혼합냉매와의 열교환에 의해 천연 가스는 액화될 수 있다.

콜드 박스(10) 내에서 천연가스에 냉열을 전달함으로써 가열된 혼합냉매는 압력 용기(21)로 복귀되거나, 제1 혼합냉매 압축기(22)로 공급될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 혼합냉매를 이용한 천연가스 액화방법 및 장치를, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따라서 혼합냉매 사이클을 이용하는 천연가스 액화방법 및 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 콜드 박스 20 : 혼합냉매 사이클

21 : 압력 용기 22 : 제1 혼합냉매 압축기

23 : 제1 혼합냉매 열교환기 24 : 제2 혼합냉매 압축기

25 : 혼합냉매 응축기로서의 제2 혼합냉매 열교환기

26 : 기액 분리기 27 : 제1 혼합냉매 팽창밸브

28 : 제2 혼합냉매 팽창밸브

Claims (5)

1. 복수의 성분이 혼합되어 이루어진 혼합냉매를 이용하여 천연가스를 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서,

   혼합냉매와의 열교환에 의해 천연가스를 액화시키는 콜드 박스와;

   혼합냉매를 냉각시켜 상기 콜드 박스에 공급하기 위한 혼합냉매 사이클; 을 포함하며,

   상기 혼합냉매 사이클은, 혼합냉매를 압축시키는 혼합냉매 압축기와, 압축된 혼합냉매를 냉각시키는 혼합냉매 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 혼합냉매 사이클은, 복수의 혼합냉매 압축기와, 복수의 상기 혼합냉매 압축기의 하류측에 각각 설치되어 압축된 혼합냉매를 냉각시키는 복수의 혼합냉매 열교환기와, 냉각된 고압의 혼합냉매를 팽창시켜 극저온으로 더욱 냉각시키는 하나 이상의 팽창밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 혼합냉매 사이클은, 상기 콜드 박스에서의 열교환에 의해 냉열을 빼앗긴 혼합냉매를 압축시키는 제1 혼합냉매 압축기와, 상기 제1 혼합냉매 압축기에서 압축된 혼합냉매를 냉각시키는 제1 혼합냉매 열교환기와, 상기 제1 혼합냉매 열교환기에서 냉각된 혼합냉매를 더욱 고압으로 압축시키는 제2 혼합냉매 압축기와, 상기 제2 혼합냉매 압축기에서 고압으로 압축된 혼합냉매를 일부 액화시키는 제2 혼합냉매 열교환기와, 일부 액화된 혼합냉매를 기상과 액상으로 분리하는 기액 분리기와, 고압의 혼합냉매를 팽창시켜 극저온 상태로 냉각시키는 팽창밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 혼합냉매 사이클은, 상기 제1 혼합냉매 압축기에 공급될 혼합냉매를 수용하는 압력 용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
5. 복수의 성분이 혼합되어 이루어진 혼합냉매를 이용하여 천연가스를 액화시키기 위한 천연가스 액화방법으로서,

   혼합냉매 압축기에 의해 혼합냉매를 압축하는 단계와;

   압축된 혼합냉매를 냉각하는 단계와;

   냉각된 혼합냉매를 팽창시켜 극저온 상태로 더욱 냉각하는 단계와;

   극저온 상태로 냉각된 혼합냉매를 콜드 박스 내에서 천연가스와 열교환시킴으로써 천연가스를 액화시키는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화방법.

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