KR20100032919A - 탄화수소 스트림의 냉각 방법 및 장치 - Google Patents

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프랑수와 샹탕
디크 프레데릭 얀 반
마르코 딕 야거
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

제 1 혼합 냉매를 포함하는 혼합 냉매 스트림 (10) 이 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 을 제공하기 위해 하나 이상의 열 교환기 (12) 를 통과하게 된다. 제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림 (30) 의 적어도 일부분이 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 (40a) 을 제공하기 위해 팽창되고, 이들 중 적어도 하나는 혼합 냉매 스트림 (10) 을 냉각시키기 위해 하나 이상의 열 교환기 (12) 를 통과하게 될 수 있고, 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 을 제공한다. 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 적어도 일부의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 가 감시되고, 냉각 스트림 (30) 의 유동 (F2) 은 유동 (F1) 과 온도 (T1) 를 사용하여 제어된다.

Description

탄화수소 스트림의 냉각 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COOLING A HYDROCARBON STREAM}
본 발명은 탄화수소 스트림, 특히 하지만 전적이지는 않지만 천연 가스의 냉각, 선택적으로는 액화를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 다른 양태에서, 본 발명은 혼합 냉매 스트림의 냉각을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
천연 가스 스트림의 몇몇 액화 방법, 이에 의해 얻어지는 액화된 천연 가스 (LNG) 가 알려져 있다. 천연 가스 스트림을 액화시키는 것이 바람직한 많은 이유가 있다. 일 예로써, 천연 가스는 가스 형태보다 액체로서 더 손쉽게 저장되고 장거리에 걸쳐 운송될 수 있는데 이는 액체가 더 작은 용적을 차지하고 고압으로 저장될 필요가 없기 때문이다.
US 4,404,008 은 메탄이 풍부한 가스 스트림의 냉각 및 액화를 위한 방법이 기재되어 있고, 여기서 제 1 열은, 프로판과 같은 단일 성분 냉매에 대하여 교환되고, 그 후 저급 탄화수소와 같은 다중 성분 냉매에 대하여 교환된다. 단일 성분 냉매는 다중 성분 냉매의 압축 이후에 다중 성분 냉매를 냉각하는데 또한 사용될 수 있다. US 4,404,008 에 나타낸 구성은 이제 천연 가스를 액화하기 위한 공통 방법론으로 간주되며 다중 성분 냉매는 단일 성분 냉매와 다중 성분 냉매가 동일한 제 1 열 교환기를 통과하게 함으로써 단일 성분 냉매에 의해 예비 냉각된다.
US 4,404,008 의 목적은 다중 성분 냉동 사이클로부터 단일 성분 냉동 사이클로 냉동 부하를 이동시키는 것이다. 이는 다중 성분 냉매 사이클의 단간 (inter-stage) 냉각을 사용하여 달성된다.
하지만, 현재의 방법을 사용하는 다중 성분 예비 냉각 냉동 사이클의 제어는 만족스럽지 못할 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 천연 가스 스트림과 같은 탄화수소 스트림의 냉각 방법을 제공하고, 이 방법은 적어도 이하의 단계 :
(a) 제 1 혼합 냉매를 포함하는 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
(b) 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 이 혼합 냉매 스트림이 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하는 단계;
(c) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 를 감시하는 단계;
(d) 제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림을 제공하는 단계;
(e) 단계 (d) 에서 제공된 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하는 단계;
(f) 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위해 냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키는 단계;
(g) 혼합 냉매 스트림을 냉각시키기 위해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나가 단계 (b) 의 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하고 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
(h) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하는 단계;
(i) 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 사용하는 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 천연 가스 스트림과 같은 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위한 장치를 제공하고, 이 장치는 적어도 :
제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하기 위한 유동 모니터;
냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키고 이에 의해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위한 하나 이상의 팽창기;
하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나에 대하여, 제 1 혼합 냉매를 포함하는 혼합 냉매 스트림을 수용하고 냉각시키고, 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 배치되는 하나 이상의 열 교환기;
냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 감시하기 위한 온도 모니터 및 유동 모니터;
냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 의 측정 값을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하기 위한 제어기;
냉각된 혼합 냉매 스트림 및 탄화수소 스트림을 수용하고 냉각된 혼합 냉매 스트림에 대하여 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위해 하나 이상의 상기 열 교환기의 하류에 배치되는 적어도 하나의 메인 (main) 열 교환기를 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 혼합 냉매 스트림의 냉각 방법을 제공하고, 이 방법은 적어도 이하의 단계 :
(a) 제 1 혼합 냉매를 포함하는 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
(b) 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 이 혼합 냉매 스트림이 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하는 단계;
(c) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 를 감시하는 단계;
(d) 제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림을 제공하는 단계;
(e) 단계 (d) 에서 제공된 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하는 단계;
(f) 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위해 냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키는 단계;
(g) 혼합 냉매 스트림을 냉각시키기 위해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나가 단계 (b) 의 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하고 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
(h) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하는 단계를 포함하고,
천연 가스 스트림과 같은 탄화수소 스트림이 또한 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하기 위해 냉각되는 단계 (b) 의 열 교환기 중 적어도 하나의 열 교환기를 통과한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 혼합 냉매 스트림을 냉각시키기 위한 장치를 제공하고, 이 장치는 적어도 :
제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하기 위한 유동 모니터;
냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키고 이에 의해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위한 하나 이상의 팽창기;
하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나에 대하여, 제 1 혼합 냉매 및, 천연가스 스트림과 같은 탄화수소 스트림을 포함하는 혼합 냉매 스트림을 수용하고 냉각시키고, 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 배치되는 하나 이상의 열 교환기;
냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 감시하기 위한 온도 모니터 및 유동 모니터;
냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 의 측정 값을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
본 발명의 실시형태가 단지 예로서, 그리고 첨부된 비제한적인 도면을 참조하여 이제 설명될 것이다.
도 1 은 혼합 냉매 스트림의 냉각 방법을 위한 제 1 일반도이다.
도 2 는 도 1 의 도면을 사용하는, 탄화수소 스트림의 냉각 방법이다.
도 3 은 탄화수소 스트림의 액화를 위한 도면이다.
도 4 는 시간에 대한, 혼합 냉매 스트림을 냉각시키는 냉각 스트림에 대한 비교 및 본 발명의 유동의 그래프를 나타낸다.
이 명세서의 목적을 위해, 단일 참조 번호는 라인 뿐만아니라 이 라인에서 운반되는 스트림에 배정될 것이다. 동일한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.
여기 기재된 방법 및 장치에서, 냉각된 혼합 냉매 스트림은 냉각 스트림을 사용하여 이하의 단계에 의해 발생되고, 이 단계는 :
- 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 혼합 냉매 스트림이 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하는 단계;
- 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 를 감시하는 단계;
- 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하는 단계;
- 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위해 냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키는 단계;
- 혼합 냉매 스트림을 냉각시키기 위해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나가 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하고 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계를 포함한다.
냉각 스트림의 유동 (F2) 은 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 사용하여 제어된다.
따라서, 냉각 스트림의 유동은 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 및 유동 모두를 사용하여 제어되는데, 이는 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 및 온도 모두를 감시하는 것이 더 정확하고 더 즉각적인 피드백을 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동의 작동에 공급하기 때문이며, 따라서 더 신속하게 조절될 수 있게 된다.
또한, 냉각 스트림의 유동의 더 즉각적인 피드백, 조절 및 제어는 혼합 냉매 스트림 및/또는 냉각 스트림에 대한 압축기(들)의, 더 특별하게는 압축기(들)의 구동부(들)의 효율을 증가시킨다. 이는 특히 탄화수소 스트림의 냉각을 위해, 선택적으로는 액화를 위해 사용된 혼합 냉매 스트림의 냉각 방법의 파워 소비를 줄인다.
다른 이점은 냉각된 혼합 냉매 스트림의 양, 즉 질량 및/또는 용적은 이후의 혼합 냉매 스트림의 냉각 듀티 (duty) 에 더 양호하게 매치시키기 위해, 특히 증가된 양의 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 더 신속하게 조절될 수 있고, 따라서 증가된 양의 냉각된 및/또는 액화된 LNG 와 같은 탄화수소 스트림이 이에 의해 제공된다는 것이다.
본 명세서의 내용에서 스트림의 유동을 감시하고 제어하는 것은 특히 유량의 감시 및 제어를 포함하는 것으로 이해된다. 유동 및 온도의 감시 또는 측정은 유동 및 온도를 위한 어떠한 적절한 센서를 사용하여 수행될 수 있다. 당업계에 많은 이러한 센서들이 알려져 있다.
혼합 냉매 스트림은 바람직하게는 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 펜탄으로부터 선택되는 하나 이상의 그룹을 포함하는 조성을 갖는다. 이는 본 설명과 청구항에서 제 1 혼합 냉매로서 참조된다.
냉각 스트림은 또한 이후에 규정되는 것과 같이 혼합 냉매 스트림이다. 이는 혼합 냉매 스트림의 제 1 혼합 냉매의 조성과 선택적으로 상이한 조성을 갖는, 제 2 혼합 냉매를 포함한다.
냉각 스트림의 적어도 일부분의 팽창은 냉각 스트림의 일부분이 팽창기를 통과하는 것을 수반할 수 있으며, 이 팽창기는 적절하게는 밸브의 형태로 제공될 수 있고, 선택적으로는 다른 밸브 또는 터빈과 같은 다른 팽창기에 의해 보조되거나 또는 대체될 수 있다.
냉각 스트림, 또는 그의 적어도 일부는 이를 팽창시키기 전에 더 차가운 냉각 스트림을 제공하기 위해, 혼합 냉매 스트림을 냉각시키는 하나 이상의 열 교환기를 또한 통과한다. 대신에 또는 추가로, 냉각 스트림은 혼합 냉매 스트림이 통과하지 않는 하나 이상의 다른 열 교환기를 통과할 수 있다 (냉각시키기 위해).
본 발명의 단계 (b) 의 열 교환기(들)는 하나 이상의 판형/핀형 열 교환기, 하나 이상의 스풀 운드 열 교환기 (spool wound heat exchanger), 또는 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
냉각 스트림이 팽창되기 전에 하나 이상의 열 교환기를 통과할 때, 냉각 스트림의 유동은 어떠한 하나의 또는 어떠한 개수의 열 교환기에 앞서 감시되거나, 또는 어떠한 하나의 또는 어떠한 개수의 열 교환기 이후에, 하지만 적절하게는, 예컨대 하나 이상의 밸브인 팽창기를 통하여 냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키기에 앞서 감시될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 혼합 냉매 스트림은 1 ~ 6 개의 열 교환기, 바람직하게는 3 개 이하의 열 교환기, 더 바람직하게는 2 개 이하의 열 교환기를 통과하게 된다.
바람직하게는, 특히 다수의 열 교환기가 이용될 때, 팽창된 냉각 스트림이 혼합 냉매 스트림을 냉각시키는 각각의 열 교환기를 통과하게 된다. 이 구성에서, 냉각 스트림은 각각의 열 교환기 전 및/또는 후에 분기, 분리 및/또는 나누어질 수 있고, 이 냉각 스트림의 일부분이 단계 (b) 에서 포함된 하나 이상의 이후의 열 교환기에 직접 들어가고, 그의 일부는 하나 이상의 열 교환기를 위해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위해 밸브와 같은 하나 이상의 팽창기를 통하여 팽창된다.
선택적으로는, 냉각된 혼합 냉매 스트림의 온도 및 유동 모두는 이 스트림이 통과하게 되는 각각의 열 교환기 이후에 감시된다.
바람직하게는, 냉각 스트림의 평균 분자량은 혼합 냉매 스트림의 평균 분자량보다 더 크다.
냉각된 혼합 냉매 스트림을 발생시키는데 사용되는 열 교환기는 "예비 냉각" 열 교환기가 고려될 수 있다.
냉각된 혼합 냉매 스트림은 적절하게는 탄화수소 스트림을 냉각, 바람직하게는 액화시키는데 사용된다. 이를 위해, 혼합 냉매 스트림은 그 후에 하나 이상의 다른 열 교환기, 특히 천연 가스와 같은 탄화수소 스트림을 액화시키는데 사용되는 하나 이상의 메인 극저온 (cryogenic) 열 교환기로 들어갈 수 있다.
탄화수소 스트림을 냉각시키기 위해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 사용하는 것은 따라서 냉각된 혼합 냉매 스트림이 적어도 하나의 메인 열 교환기를 통과하게 하고, 탄화수소 스트림이 냉각된 혼합 냉매 스트림에 의해 또는 적어도 그의 일부에 의해 냉각되도록 적어도 하나의 메인 열 교환기를 통과하게 하는 것을 포함할 수 있다.
일반적으로, 이는 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위한 방법 및 장치에서 실현될 수 있고, 이는 제 1 냉각 스테이지 및 제 2 냉각 스테이지를 포함하고,
제 1 냉각 스테이지는 혼합 냉매 스트림, 선택적으로는 또한 탄화수소 스트림 및 냉각 스트림이 통과하게 되는 하나 이상의 예비 냉각 열 교환기를 포함하고,
제 2 냉각 스테이지는 냉각된 탄화수소 스트림을 제공하기 위해, 냉각된 혼합 냉매 스트림 및 탄화수소 스트림 (예비 냉각 열 교환기를 통과하였다면 더 차가운 탄화수소 스트림일 수 있음) 이 통과하게 되는 적어도 하나의 메인 열 교환기를 포함한다.
탄화수소 스트림은 냉각되는 어떠한 적절한 가스 스트림일 수 있지만, 보통 천연 가스 또는 석유 천연 가스 층으로부터 얻어지는 천연 가스 스트림이다. 대안으로서, 천연 가스 스트림은 또한, Fischer-Tropsch 공정과 같은 합성 소스를 또한 포함하는 다른 소스로부터 얻어질 수 있다.
보통, 천연 가스 스트림은 실질적으로 메탄으로 이루어진다. 바람직하게는 냉각되는 탄화수소 스트림은 적어도 60 몰%의 메탄, 더 바람직하게는 적어도 80 몰%의 메탄을 포함한다.
소스에 따라, 천연 가스는 에탄, 프로판, 부탄 및 펜탄과 같이 메탄보다 중질인 (heavier) 상이한 양의 탄화수소, 뿐만 아니라 어떠한 방향성 탄화수소를 함유할 수 있다. 천연 가스 스트림은 H2O, N2, CO2, H2S 및 다른 황 화합물과 같은 비 탄화수소 등을 또한 함유할 수 있다.
원한다면, 천연 가스를 함유하는 탄화수소 스트림은 사용 전에 전처리 (pre-treat) 될 수 있다. 이 전처리는 CO2 및 H2S 와 같은 원치않는 성분의 제거 또는 예비 냉각, 예압 등과 같은 다른 단계를 포함할 수 있다. 이러한 단계가 당업자에게 잘 알려져 있기 때문에, 이들은 여기서 따로 논의되지 않는다.
메탄보다 중질인 탄화수소는 또한 일반적으로, 메탄 액화 시설의 일부를 막는 것을 야기할 수 있는 상이한 동결 또는 액화 온도를 갖는 것과 같은 몇몇 이유로 인해 천연 가스로부터 제거될 필요가 있다. 제거된 C2-4 탄화수소는 액화 석유 가스 (LPG) 의 소스로서 사용될 수 있다.
"탄화수소 스트림" 이라는 용어는 또한 클리닝 (cleaning), 탈수 및/또는 스크럽 (scrubbing) 을 포함하는 처리와 같은, 어떠한 처리에 앞선 조성, 뿐만아니라 황, 황 화합물, 이산화탄소, 물, C2+ 탄화수소를 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 화합물 또는 물질의 감소 및/또는 제거를 위해 부분적인, 실질적으로는 또한 전체가 처리되는 조성을 포함한다.
선택적으로는, 냉각되어야 하는 탄화수소 스트림이 혼합 냉매 스트림 및 냉각 스트림이 통과하게 되는 적어도 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 된다. 이 구성은 냉각의 한 스테이지의, 선택적으로는 액화 공정의 한 스테이지의 일련의 열 교환기의 모든 상기 열 교환기, 또는 하나 이상의 상기 열 교환기, 보통 적어도 최종 열 교환기에 걸친 탄화수소 스트림의 통로를 포함한다.
냉각된 혼합 냉매 스트림은 그 이후 메인 열 교환기와 같은 어떠한 추가 열 교환기를 통과하기에 앞서 경질 스트림과 중질 스트림으로 분리될 수 있다. 이 경우, 중질 스트림의 유동은 추가적으로 감시되거나, 대안적으로는 이후에 설명되는 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동의 감시 대신에 감시될 수 있다.
냉각된 혼합 냉매 스트림의 온도 및 유동 그리고 냉각 스트림의 유동의 측정 값은 적절하게는, 예컨대 밸브와 같은 팽창기를 제어함으로써 단계 (f) 의 팽창을 제어하는 제어기로 보내질 수 있다.
탄화수소 스트림의 냉각 방법은 액화 천연 가스와 같은 액화된 탄화수소 스트림을 제공하기 위해 천연 가스와 같은 탄화수소 스트림을 액화시키는 것까지 포함한다.
도 1 은 출구 (15) 를 통하여 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 을 제공하기 위해, 입구 (11) 를 경유하여, 도 1 에서 단일 열 교환기 (12) 로 나타낸 하나 이상의 열 교환기를 통하여 혼합 냉매 스트림 (10) 을 냉각시키기 위한 일반도를 나타낸다.
혼합 냉매 스트림 (10) 은 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 펜탄으로부터 선택되는 하나 이상의 그룹을 포함할 수 있는 제 1 혼합 냉매를 포함한다. 바람직하게는, 혼합 냉매 스트림 (10) 은 10 몰% 미만의 N2, 30 ~ 60 몰%의 C1, 30 ~ 60 몰%의 C2, 20 몰% 미만의 C3, 및 10 몰% 미만의 C4 를 포함하며, 전체는 100 % 이다.
도 1 은 감시되는 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 를 나타낸다. 스트림의 유동 및 온도의 측정 및 감시는 어떠한 알려진 유닛, 장치 또는 당업계에 알려진 다른 장치의 형태의 온도 또는 유동 모니터에 의해 실행될 수 있다.
도 1 은 냉각 스트림 (30) 을 또한 나타낸다. 냉각 스트림 (30) 은 질소 및 하나 이상의 탄화수소와 같은 두 가지 이상의 성분의 혼합물인 제 2 혼합 냉매를 포함한다. 적절하게는, 이는 혼합 냉매 스트림 (10) 의 제 1 혼합 냉매보다 더 높은 평균 분자량을 갖는다. 냉각 스트림은 바람직하게는 0 ~ 20 몰%의 C1, 20 ~ 80 몰%의 C2, 20 ~ 80 몰%의 C3, 20 몰% 미만의 C4, 10 몰% 미만의 C5 를 포함하며, 전체는 100 % 이다.
냉각 스트림 (30) 은 여기서 밸브 (14) 의 형태로 나타낸, 팽창기에 앞서 더 차가운 냉각 스트림 (40) 을 제공하기 위해 입구 (16) 를 경유하여 열 교환기 (12) 로 들어가고 열 교환기 (12) 를 통과하여 출구 (17) 로 나간다. 대안적으로는, 냉각 스트림 (30) 은 밸브 (14) 에 도달하기에 앞서 열 교환기 (12) 를 통과할 필요가 없거나, 또는 다른 대안적으로는, 냉각 스트림 (30) 은 밸브 (14) 에 앞서 도 1 에 나타낸 열 교환기 (12) 대신 또는 이에 추가로 하나 이상의 다른 열 교환기 (도시되지 않음) 를 통과할 수 있다.
밸브 (14) 는 입구 (18) 를 통하여 열 교환기 (12) 로 다시 들어오는 팽창된 냉각 스트림 (40a) 을 제공하기 위해 더 차가운 냉각 스트림 (40) (또는 냉각 스트림 (30)) 의 팽창을 가능하게 한다. 팽창된 냉각 스트림 (40a) 은 열 교환기 (12) 의 다른 스트림보다 현저히 더 차갑고, 이에 의해 이러한 다른 스트림을 냉각시키고, 출구 (19) 를 통하여 열 교환기 (12) 를 빠져 나가면서 출구 스트림 (50) 을 제공한다.
냉각 스트림 (30) 의 유동 (F2) 은 도 1 에서 F22 로 나타낸 지점에서 열 교환기 (12) 로 들어가기에 앞서, 또는 바람직하게는 더 차가운 냉각 스트림 (40) 상의 도 1 에서 F2 로 나타낸 지점에서 열 교환기를 통과한 이후에 감시 및 선택적으로는 측정될 수 있다. 열 교환기 (12) 로의 냉각 스트림 (30) 의 유동과 열 교환기 (12) 이후의 더 차가운 냉각 스트림 (40) 사이의 관계는 당업계에 공지되어 있으며, 유동 (F22) 을 사용하는 감시는 유동 (F2) 을 사용하는 감시에서 본 발명의 방법과 연관된 동일한 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 본 설명 및 청구항에서, 유동 (F2) 이 언급될 때 이 유동은 F2 그 자체, 및/또는 유동 (F22) 또한 커버하는 것으로 이해된다.
마찬가지로, 유동 (F1) 이 사용될 때, 이는 예컨대 라인 (10) 에서 열 교환기 (12) 상류의 유동의 적어도 일부의 측정 및/또는 감시를 커버하는 것으로 의도된다.
냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동 (F1) 과 온도 (T1), 및 더 차가운 냉각 스트림 (40) 의 유동 (F2) (및/또는 냉각 스트림 (30) 의 유동 (F22)) 에 대한 측정 값은 라인 (21a) 을 통해 밸브 (14) 의 작동을 제어하는 제어기 (C1) 로 라인 (21) 을 통하여 전달된다. 밸브 (14) 의 제어는 더 차가운 냉각 스트림 (40) 의 유동 (F2) (및/또는 유동 (F22)), 뿐만아니라 열 교환기 (12) 로 들어가는 팽창된 냉각 스트림 (40a) 의 유동 (그리고 따라서 열 교환기 (12) 의 팽창된 냉각 스트림 (40a) 에 의해 제공될 수 있는 냉각 정도, 및 따라서 혼합 냉매 스트림 (20) 에 대한 냉각 정도 및 그의 냉각 정도) 과 연관된다.
따라서, 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 온도 (T1) 를 그 이후 최적화시키기 위해, 밸브 (14) 의 작동에 의해 그리고 냉각 스트림 (30) 의 더 차가운 냉각 스트림의 유동 (F2) (및/또는 유동 (F22)) 의 알고있는 것에 의해 혼합 냉매 스트림 (20) 의 온도 (T1) 를 제어하는 것이 또한 가능하다. 이것의 유익함 및 이점은 이하에 설명된다.
도 2 는 탄화수소 스트림 (60) 의 냉각, 바람직하게는 액화 방법을 위한 냉각 설비 (1) 를 나타내며, 이 탄화수소 스트림 (60) 은 바람직하게는 천연 가스이다. 탄화수소 스트림 (60) 은 바람직하게는 적어도 몇몇의 중질 탄화수소를 분리하기 위해, 그리고 이산화탄소, 질소, 헬륨, 물, 황 및 산성 가스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 황 화합물과 같은 불순물을 분리하기 위해 처리된다.
탄화수소 스트림 (60) 은 제 1 냉각 스테이지 (6) 를 통과하고 이 스테이지는 도 1 에 나타낸 열 교환기(들) (12) 와 동일한 또는 유사한 하나 이상의 제 1 열 교환기를 포함한다. 바람직하게는, 도 2 의 하나 이상의 제 1 열 교환기는 탄화수소 스트림 (60) 을 0℃ 미만, 더 바람직하게는 -10℃ ~ -70℃ 의 온도로 냉각시키는 예비 냉각 열 교환기 (12) 이다.
냉각 스트림 (30) 과 혼합 냉매 스트림 (10) 이 또한 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 를 통과한다. 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 의 작동은 도 1 의 구성을 위해 여기서 상기에 설명된 것과 유사한데, 더 차가운 냉각 스트림 (40) 은 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 로부터 팽창되기 위해 밸브 (14) 를 통과하고, 열 교환기(들) (12) 의 모든 다른 스트림보다 더 차가운, 팽창된 냉각 스트림 (40a) 을 제공하고, 제 1 스테이지 유출 스트림 (50) 으로서 빠져나가기에 앞서, 열 교환기(들) (12) 의 모든 다른 스트림을 냉각시킨다. 이러한 방법으로, 혼합 냉매 스트림 (20) 은 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 으로서 제공되고, 탄화수소 스트림 (60) 은 더 차가운 탄화수소 스트림 (70) 을 제공할 수 있도록 냉각된다.
냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 는 감시되고, 측정 값은 제어기 (C1) 로 다시 보내진다. 더 차가운 냉각 스트림 (40) 의 유동 (F2) 의 측정 값이 또한 제어기 (C1) 로 다시 보내진다.
냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 과 냉각된 탄화수소 스트림 (70) 은, 냉각된, 바람직하게는 액화된 탄화수소 스트림 (80) 을 제공하기 위해, 하나 이상의 제 2 열 교환기 (22), 바람직하게는 더 차가운 탄화수소 스트림 (70) 의 온도를 -100℃ 미만으로 더 줄이게 되는, 더 바람직하게는 냉각된 탄화수소 스트림 (70) 을 액화시키기 위한 메인 극저온 열 교환기를 포함하는 제 2 냉각 스테이지 (7) 로 보내진다. 탄화수소 스트림 (60) 이 천연 가스일 때, 메인 열 교환기는 바람직하게는 -140℃ 미만의 온도를 갖는 액화된 천연 가스를 제공한다.
냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 은 또한 더 냉각된 혼합 냉매 스트림 (90) 을 제공하기 위해 메인 열 교환기 (22) 를 통과하고, 이 더 냉각된 혼합 냉매 스트림은 팽창된 혼합 냉매 스트림 (90a) 을 제공하기 위해 메인 밸브 (27) 를 통과하고, 메인 열 교환기 (22) 의 모든 다른 스트림보다 더 차가운 이 팽창된 혼합 냉매 스트림은 다른 모든 이러한 스트림을 냉각시키고, 그 후 제 2 스테이지 유출 스트림 (100) 으로서 유출된다.
이 제 2 스테이지 유출 스트림 (100) 은 압축된 냉매 스트림 (100a) 을 제공하기 위해, 당업계에 알려진 방식으로 하나 이상의 메인 냉매 압축기 (28) 에 의해 압축되고, 이 압축된 냉매 스트림은 그 후 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 안으로 재순환되기 위한 준비가 된 혼합 냉매 스트림 (10) 을 제공하기 위해, 당업계에 알려진 물 및/또는 공기 냉각기와 같은 하나 이상의 대기 냉각기 (ambient cooler)(32) 에 의해 냉각된다. 메인 냉매 압축기 (28) 는 구동기 (28a) 에 의해 구동되며, 이는 당업계에 알려진 하나 이상의 가스 터빈, 증기 터빈 및/또는 전기 드라이브일 수 있다.
유사하게는, 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 로부터의 제 1 스테이지 유출 스트림 (50) 은 압축된 스트림 (50a) 을 제공하기 위해, 하나 이상의 예비 냉각 압축기(들) (24) 에 의해 압축되고, 이 압축된 냉매 스트림은 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 안으로 재순환 및 재유입되기 위한 준비가 된 냉각 스트림 (30) 을 제공하기 위해, 물 및/또는 공기 냉각기와 같은 하나 이상의 대기 냉각기 (26) 를 통과하게 된다. 예비 냉각 압축기는 가스 터빈, 증기 터빈, 전기 드라이브 등과 같은 당업계에 알려진 하나 이상의 구동기 (24a) 에 의해 구동된다.
압축기 구동기 (24a, 28a) 는 보통 현저한 에너지 소비자이고 보통 도 2 의 냉각 설비 (1) 를 위한 전체 에너지 입력의 현저한 부분을 필요로 한다. 가스 터빈과 같은 압축기 구동기의 최대 효율은 이들을 일정한 속도로, 더 바람직하게는 "최대" 속도로 유지한다. 따라서, 이러한 구동기의 속도의 변화는 일반적으로 요구되지 않으며, 이들이 구동될 때 압축기(들)의 부하의 현저한 변화를 주기 때문에, 이들의 효율은 감소된다. 따라서, 당업계에서, 가장 효율적인 구성으로서 압축기 발생기의 구동기를 "최대 부하" 로 유지하는 것이 바람직하다.
하지만, 냉매 압축기 (24) 의 부하는, 냉각 설비 (1) 의 다수의 가능한 변동 요소 또는 조건에 근거하여 변동되는 것이 가능하다. 예컨대, 탄화수소 스트림 (60) 의 유동, 용적, 온도 등의 변화, 냉각 설비 (1) 주위의 대기 조건의 변화, 특히 도 2 에 나타낸 대기 냉각기 (26, 32) 와 같은 대기 냉각기의 효율에 영향을 줄 수 있는 높은 대기 온도와 같은 변화가 있을 수 있다. 예비 냉각 또는 메인 열 교환기 (12, 22) 의 하나 이상의 스트림의 열 교환의 비효율, 또는 공기 분리 유닛 (도시되지 않음) 에 대한 냉각 듀티와 같은 하나 이상의 다른 듀티에 대한 냉각 설비 (1) 의 하나 이상의 스트림 또는 유닛의 사용은, 냉매 압축기 (24, 28) 및 이들의 구동기 (24a, 28a) 의 부하에 또한 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 압축기 구동기 (24a, 28a) 의 운전을 최적화하고, 따라서 이들을 최고 효율로 유지시키기 위해, 예비 및 메인 열 교환기 (12, 22) 의 냉각 듀티를 최적화 하는 것이 요구된다.
본 방법은 팽창된 냉각 스트림 (40a) 으로 제공될 때 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 에 의해 제공되는 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의, 바람직하게는 측정을 감시하는 유동 (F1) 및 온도 (T1) 모두를 사용하여 밸브 (14) 를 제어함으로써 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 의 냉각 듀티의 균형을 더 양호하게 할 수 있고, 이러한 파라미터의 측정 값은 밸브 (14) 의 작동을 즉각적으로 제어하는데 사용될 수 있고, 따라서 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 안으로 더 차가운 냉각 스트림 (40) 의 유동 (F2) (및/또는 예비 냉각 열 교환기 (12) 에 앞서 더 차가운 냉각 스트림 (30) 의 관련 유동 (F22)) 을 또한 제어한다.
나타낸 방법은 냉각 스트림이, 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 펜탄으로부터 선택되는 하나 이상의 그룹을 포함하는 혼합 냉매일 때 특히 유리하다.
나타낸 방법은 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 가, 하나 이상의 판현/핀형 열 교환기, 하나 이상의 스풀 운드 열 교환기, 또는 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 때 또한 특히 유리하다. 케틀형 열 교환기와는 달리, 이러한 열 교환기는 그 안의 액체 레벨에 의해 용이하게 제어될 수 없다.
나타낸 방법은 메인 냉매 압축기 (28) 의 구동기 (28a) 를 최소의 변화를 갖는 "최고" 또는 "최대 부하" 속도로 유지하는 것이 요구될 때 또한 특히 유리하다. 즉, 구동기의 최고 파워 출력이 냉매 압축기 파워 소비와 동일할 때이다. 메인 열 교환기 (22) 로 들어가는 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 온도 (T1) 는, 혼합 냉매 스트림 (20) 에 대하여 원하는 온도 (T1) 를 제공하기 위해, 더 차가운 냉각 스트림 (40) 의 유동 (F2) 및 밸브 (14) 의 작동에 의해 변화될 수 있다.
냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 는 필수적으로 연계되거나 또는 연관되지 않는다는 것을 알아야 한다. 따라서, 상이한 온도에서 동일한 유동 측정을 갖고, 동일한 온도에서 상이한 유동 측정을 갖는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 밸브 (14) 의 작동을 위한 더 양호한 제어 메카니즘 및 피드백을 제공하는, 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 모두를 측정하는 것이 유리하고, 따라서 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 와 메인 열 교환기 (22) 의 냉각 듀티 사이의 균형을 맞게 한다.
도 3 은 액화 설비 (2) 를 나타내며, 이 액화 설비에서 더 냉각된, 바람직하게는 액화된 탄화수소 스트림 (80), 더 바람직하게는 액화된 천연 가스를 제공하기 위해, 탄화수소 스트림 (60) 은 제 1 냉각 스테이지 (8) 의 일부인 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a) 로 들어가고, 그 후 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 로 들어가며, 이 냉각된 탄화수소 스트림 (70) 은 제 2 냉각 스테이지 (9) 의 일부인 메인 열 교환기 (22) 로 들어간다. 보통, 액화된 탄화수소 스트림 (80) 은 고압 상태이고, 이는 가스/액체 분리기 (도시되지 않음) 가 뒤따르는 팽창기 터빈 (111) 및 밸브 (112) 를 통상적으로 포함하는 소위 마무리 플래시 시스템 (110) 에서 감압될 수 있다.
제 1 대안에서, 탄화수소 스트림 (60) 은 냉각된 탄화수소 스트림 (70) 을 제공하기 위해 단지 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 만을 통과한다.
혼합 냉매 스트림 (10) 과 냉각 스트림 (30) 이 또한 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a) 를 통과한다. 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a) 로부터의 혼합 냉매 스트림 (10) 은 냉각된 혼합 냉매 스트림 (10a) 의 일부로서 제공되고, 그 후 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 을 제공하기 위해 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 로 들어간다.
냉각 스트림 (30) 은 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a) 로 들어가고 그 후 제 1 팽창된 냉각 스트림 (40c) 을 제공하기 위해 제 1 밸브 (14a) 를 통하여 팽창되는 부분 냉각 스트림 (40b) 을 제공하기 위해 이 냉각 스트림은 당업계에 알려진 스트림 스플리터 (splitter) 또는 디바이더 (23) 에 의해 나누어지며, 이 제 1 팽창된 냉각 스트림은 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a) 로 다시 들어가고 그 안의 다른 스트림을 냉각시킨다. 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a) 로부터의 제 1 배출 스트림 (50a) 은 흡입 드럼 (51a) 을 통과하고, 대기 냉각 (32), 어큐뮬레이터 (accumulator) (25) 에서의 수집, 또한 냉각 (32a) 에 앞서, 구동기 (24a) 에 의해 구동되는 예비 냉각 냉매 압축기 (24) 로 들어가고, 그 후 냉각 스트림 (30) 으로서 재순환된다.
그러는 동안, 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a) 로부터의 냉각 스트림의 다른 부분은 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 로 들어가고, 이 열 교환기의 다른 스트림을 냉각시키기 위해 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 안으로 다시 들어가는 제 2 팽창된 냉각 스트림 (40e) 을 제공하기 위해 제 2 예비 냉각 열 교환기의 냉각된 배출 스트림 (40d) 은 제 2 밸브 (14b) 를 통과한다. 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 로부터의 배출 스트림 (50b) 은 흡입 드럼 (51b) 을 통과하고 여기서 상기 설명된 것과 같이 압축하고 냉각시키기 위해 상이한 압력의 입구에서 예비 냉각 냉매 압축기 (24) 로 또한 들어간다.
도 3 은 부분 냉각된 혼합 냉매 스트림 (10a) 의 온도 (T1a) 가 감시될 수 있고, 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 온도 (T1b) 가 또한 감시될 수 있다는 것을 나타낸다. 유사하게, 제 1 밸브 (14a) 에 앞선 부분 냉각된 냉각 스트림 (40b) 의 유동은 F2a 로서 감시될 수 있고, 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 로부터의 냉각된 배출 스트림 (40d) 의 유동은 제 2 밸브 (14b) 에 앞서 F2b 로서 감시될 수 있다.
냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 은, 일반적으로 메탄이 풍부한 경질 스트림 (20a), 및 일반적으로 중질 탄화수소가 풍부한 중질 스트림 (20b) 을 제공하기 위해 가스/액체 분리기 (42) 로 들어간다. 당업계에 알려진 방식으로, 경질 스트림 (20a) 은 밸브 (93) 에서 팽창되고 제 1 팽창된 스트림 (90e) 으로서 메인 열 교환기 (22) 로 다시 들어가는 오버헤드 스트림 (90d) 을 제공하기 위해 메인 열 교환기 (22) 를 통과한다. 중질 스트림 (20b) 은 유사하게 메인 열 교환기 (22) 로 들어가고 경질 오버헤드 스트림 (90d) 보다 더 낮은 레벨로 스트림 (90b) 으로서 유출된다. 스트림 (90b) 은 제 2 팽창된 스트림 (90c) 으로서 메인 열 교환기 (22) 로 다시 들어가기 앞서, 터빈 (91) 및 밸브 (92) 와 같은 하나 이상의 팽창기 (예컨대, 팽창 유닛 또는 수단) 에 의해 팽창될 수 있다.
메인 열 교환기 (22) 로부터의 혼합 냉매는 메인 배출 스트림 (100) 으로서 제공되며, 이는 각각 구동기 (28a, 29a) 에 의해 각각 구동되는 도 3 에 나타낸 두 개의 메인 냉매 압축기 (28, 29) 와 같은 하나 이상의 압축기를 통과하며, 각각의 압축기 이후의 대기 냉각은 당업계에 알려진 방식으로 대기 냉각기 (32a, 32b) 에 의해 제공된다.
도 3 에 나타낸 구성에서, 중질 스트림 (20b) 의 유동 (F3) 은 예비 냉각 열 교환기 (12a, 12b) 이후의 완전 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동 (F1) 을 감시하는 대신 감시될 수 있다. 이러한 방법으로, T1a 및/또는 T1b 에서의 혼합 냉매의 온도 중 하나는 중질 스트림 (20b) 의 유동 (F3) 과 부분 냉각된 냉각 스트림 (40b) 의 유동 (F2a) 및/또는 냉각된 냉각 스트림 (40d) 의 유동 (F2b) 중 하나 사이의 비를 제어하는데 사용될 수 있다.
따라서, 밸브 (14a, 14b) 의 작동은 중질 스트림의 유동 (F3) 및 제 1 예비 냉각 열 교환기 (12a), 및/또는 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12b) 에 의한 혼합 냉매 스트림의 냉각 이후의 혼합 냉매 스트림의 하나 이상의 온도 (T1a 및 T1b) 와 연관될 수 있다.
온도 (T1b) 는 유동 (F2b) 및 이와 관련된 밸브 (14b) 에 영향을 미치기 위해 유동 (F3) 과 함께 사용될 수 있다. 유사하게, 온도 (T1a) 는 유동 (F2a) 및 이와 관련된 밸브 (14a) 에 영향을 미치기위해 유동 (F3) 과 함께 사용될 수 있다.
바람직하게는, 유동 (F2a 및 F2b) 은 각각의 제 1 및 제 2 예비 냉각 열 교환기 (12a, 12b) 의 냉각 듀티를 최적화하도록 모두 제어되고, 따라서 압축력이 예비 냉각 냉매 압축기 (24) 에 의해 요구되고, 특히 그의 구동기 (24a) 에 의해 에너지 입력이 요구된다.
도 4 는 동일한 유동을 위한 비교 구성과 비교하여, 도 2 의 구성에 나타낸 냉각 스트림을 위한 시간에 걸친 유동의 변화를 나타낸다.
두 개의 구성에 대하여, 도 4 는 혼합 냉매 스트림 (10) 또는 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동 (라인 C) 의 변화를 나타내며, 두 유동은 연관된 값이다. 도 2 에서, 혼합 냉매 스트림 (10) 또는 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동은 하나 이상의 제 2 열 교환기 (20) 와 연관된 메인 밸브 (27) 의 개방, 또는 한층 더 개방하는것에 의해 증가될 수 있다. 메인 밸브 (27) 는 액화된 탄화수소 스트림 (80) 의 생산을 증가시키기 위한 요구시에, 또는 탄화수소 스트림의 유동의 변화, 또는 냉각, 바람직하게는 액화, 공정 또는 설비의 작동시 당업자에게 알려진 하나 이상의 다른 이유에 응답하여 개방 또는 한층 더 개방될 수 있다.
혼합 냉매 스트림 (10) 의 유동의 증가에 응답하여, 혼합 냉매 스트림 (10) 에 대하여 그의 증가된 유량과 동일한 레벨의 냉각을 제공하기 위해, 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 에 요구되는 냉각 듀티가 증가될 것이다.
도 4 에서, 메인 밸브 (27) 의 개방의 변화는 유동 라인 (C) 의 시작 지점에서 수직 증가에 의해 나타나고, 이는 그 후 더 높은 유량으로 시간에 걸쳐 진행된다 (그래프에 걸쳐).
예비 냉각 열 교환기(들) (12) 에 더 높은 냉각 듀티를 제공하기 위해, 공통 방법이 예비 냉각 열 교환기(들)로의 팽창된 냉각 스트림(들) (40a) 의 유동 및/또는 양을 증가시키도록 예비 냉각 밸브 (14) 를 개방 또는 한층 더 개방시킨다.
도 4 의 라인 (A) 은 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 만의 온도의 측정에 응답하여 변화하는 밸브 (14) 에 근거하여, 비교 구성에서 시간에 걸친 팽창된 냉각 스트림 (40a) 의 유동의 변화를 나타낸다. 따라서, 냉각 스트림 (30) 의 유동이 요구되는 것을 초과하도록, 엄청난 과도한 응답이 있는 것을 볼 수 있고, 이 초과량은 시간에 걸쳐 냉각 스트림 (30) 의 어떠한 안정에 앞서 처리될 필요가 있다.
도 4 의 라인 (B) 은 본 발명에 근거하는 팽창된 냉각 스트림 (40a) 의 유동의 변화를 나타내고, 즉 예비 냉각 밸브 (14) 는 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 온도 및 유동 모두의 측정, 뿐만아니라 냉각 스트림 또는 더 차가운 냉각 스트림 (40) 의 유동의 측정에 응답하여 작동된다. 라인 (B) 은 시간에 걸쳐 팽창된 냉각 스트림의 느리고 안정적인 증가를 명백하게 나타낸다.
도 4 의 라인 (A 및 B) 사이의 차이는 라인 (A) 을 제공하기 위해 현저히 증가된 파워 소비를 요구한다. 따라서, 더 양호하게 정렬되고 더 안정적인 라인 (B) 은 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 에 원하는 냉각 듀티를 제공하는데 더 효과적인 것이 명백하며, 상기 예비 냉각 열 교환기(들) (12) 는 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동의 어떠한 변화 동안 상당히 더 효과적이다. 본 발명은 또한 냉각된 혼합 냉매 스트림 (20) 의 유동의 변화에 대한 응답이 더 빠르고, 비교 구성에 나타낸 것보다 상당히 더 빠르게 요구되는 냉각 듀티의 변화를 달성하는데 더 근접해 있기 때문에 더 정확하다.
방법은 혼합 냉매 스트림의 냉각 방법 및 상기 방법 및 장치에서 사용하기 위한 밸브의 제어 방법을 포함한다.
본 발명은 열 교환기에 사용하기 위한 냉각 스트림의 적어도 일부를 팽창시키기 위해 밸브와 같은 팽창기의 제어 방법을 또한 제공한다는 것이 당업자에게는 명백할 것이며, 이 제어 방법은 적어도:
(a) 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
(b) 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 이 혼합 냉매 스트림이 열 교환기를 통과하게 하는 단계;
(c) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 를 감시하는 단계;
(d) 냉각 혼합 냉매 스트림을 제공하고 적어도 그의 일부의 유동 (F2) 을 감시하는 단계;
(e) 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위해 냉각 스트림의 적어도 일부분이 밸브 팽창기를 통하여 팽창시키는 단계;
(f) 혼합 냉매 스트림을 냉각시키기 위해 팽창된 냉각 스트림이 단계 (b) 의 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하는 단계;
(g) 더 차가운 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 사용하여 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 제어하기 위해 밸브 팽창기를 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 이전에 정의된 것과 같은 방법 및/또는 장치를 위한 팽창기 제어기를 또한 제공한다는 것이 당업자에게는 명백할 것이며, 이 제어기는 적어도:
냉각된 혼합 냉매 스트림의 유동 (F1) 과 온도 (T1) 및 냉각 스트림의 유동 (F2) 에 대한 측정 값을 수용하기 위해, 그리고 팽창기(들)를 제어하기 위해 하나 이상의 입력부 및 출력부를 포함한다.
본 방법 및 장치는 하나 이상의 열 교환기를 통하여 냉매 부하를 개선할 수 있고 냉각, 바람직하게는 액화, 공정 및 장치의 효율을 개선할 수 있다.
본 방법 및 장치는 천연 가스와 같은 탄화수소 스트림을 액화시키기 위해 사용하기에 앞서 하나 이상의 열 교환기를 통하여 혼합 냉매 스트림의 냉각을 개선할 수 있다.
본 방법 및 장치는 혼합 냉매 스트림의 냉각 방법, 특히 탄화수소 스트림의, 선택적으로는 액화를 포함하는, 냉각 방법 및 장치에 사용되는 방법에 대해서 파워 소비를 줄일 수 있다.
본 방법 및 장치는 탄화수소 공정의 냉각, 선택적으로는 액화의 예비 냉각 냉동 사이클과 메인 냉동 사이클 사이의 냉동 부하를 이동 또는 조절하는데 요구되는 시간을 줄일 수 있다.
본 발명은 첨부된 청구항의 내용을 벗어나지 않으면서 많은 다양한 방법으로 실행될 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다.

Claims (17)

  1. 천연 가스 스트림과 같은, 탄화수소 스트림의 냉각 방법으로서, 이 방법은 적어도 :
    (a) 제 1 혼합 냉매를 포함하는 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
    (b) 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 상기 혼합 냉매 스트림이 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하는 단계;
    (c) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 를 감시하는 단계;
    (d) 제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림을 제공하는 단계;
    (e) 상기 단계 (d) 에서 제공된 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하는 단계;
    (f) 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위해 냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키는 단계;
    (g) 혼합 냉매 스트림을 냉각시키기 위해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나가 단계 (b) 의 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하고 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
    (h) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하는 단계;
    (i) 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 사용하는 단계를 포함하는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (i) 는 :
    (i1) 상기 냉각된 혼합 냉매 스트림이 적어도 하나의 메인 열 교환기를 통과하게 하는 단계; 및
    (i2) 냉각된 혼합 냉매 스트림 또는 적어도 그의 일부에 의해 냉각되도록 탄화수소 스트림이 적어도 하나의 메인 열 교환기를 통과하게 하는 단계를 포함하는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 스트림의 적어도 일부는 단계 (f) 의 상기 팽창에 앞서 하나 이상의 더 차가운 냉각 스트림을 제공하기 위해, 단계 (b) 의 하나 이상의 열 교환기를 또한 통과하게 되는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 은 더 차가운 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동으로서 감시되는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 1 이상의 항에 있어서, 단계 (i) 에 앞서, 상기 혼합 냉매 스트림은 1 ~ 6 개 중 어떤 수의 열 교환기를 통과하게 되고, 단계 (f) 로부터의 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림의 상이한 팽창된 냉각 스트림은 혼합 냉매 스트림을 냉각시키는 각각의 열 교환기를 통과하게 되는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각된 혼합 냉매 스트림의 유동 (F2a, F2b) 및 온도 (T1a, T1b) 는 각각의 열 교환기의 하류에서 감시되는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 1 이상의 항에 있어서, 상기 탄화수소 스트림은 단계 (i) 에 앞서 적어도 하나의 열 교환기를 또한 통과하는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 1 이상의 항에 있어서, 상기 냉각 스트림의 평균 분자량은 혼합 냉매 스트림의 평균 분자량보다 더 큰 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 1 이상의 항에 있어서, 단계 (i) 에 앞서, 상기 냉각된 혼합 냉매 스트림은 경질 스트림 및 중질 스트림으로 분리되는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 단계 (i) 에서, 상기 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 사용하는 것은 경질 스트림 및 중질 스트림에 대한 탄화수소 스트림의 열 교환을 포함하는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 의 감시는 중질 스트림의 유동 (F3) 의 감시를 포함하는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 중질 스트림은 냉각된 혼합 스트림의 적어도 일부를 규정하는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 1 이상의 항에 있어서, 상기 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 과 온도 (T1) 및 냉각 스트림의 유동 (F2) 의 측정 값은 단계 (f) 의 팽창을 제어하는 제어기로 전달되는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 1 이상의 항에 있어서, 상기 탄화수소 스트림은, 액화 천연 가스와 같은 액화된 탄화수소 스트림을 제공하기 위해, 상기 탄화수소 스트림이 적어도 하나의 메인 열 교환기를 통과하는 동안 메인 열 교환기에서 액화되는 탄화수소 스트림의 냉각 방법.
  15. 천연 가스 스트림과 같은, 탄화수소 스트림의 냉각 장치로서, 이 장치는 적어도 :
    제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하기 위한 유동 모니터;
    냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키고 이에 의해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위한 하나 이상의 팽창기;
    하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나에 대하여, 제 1 혼합 냉매를 포함하는 혼합 냉매 스트림을 수용하고 냉각시키고, 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 배치되는 하나 이상의 열 교환기;
    냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 감시하기 위한 온도 모니터 및 유동 모니터;
    냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 의 측정 값을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하기 위한 제어기;
    상기 냉각된 혼합 냉매 스트림 및 탄화수소 스트림을 수용하고 냉각된 혼합 냉매 스트림에 대하여 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위해 하나 이상의 상기 열 교환기의 하류에 배치되는 적어도 하나의 메인 열 교환기를 포함하는 탄화수소 스트림의 냉각 장치.
  16. 혼합 냉매 스트림의 냉각 방법으로서, 이 방법은 적어도 :
    (a) 제 1 혼합 냉매를 포함하는 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
    (b) 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 이 혼합 냉매 스트림이 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하는 단계;
    (c) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 유동 (F1) 및 온도 (T1) 를 감시하는 단계;
    (d) 제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림을 제공하는 단계;
    (e) 단계 (d) 에서 제공된 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하는 단계;
    (f) 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위해 냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키는 단계;
    (g) 혼합 냉매 스트림을 냉각시키기 위해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나가 단계 (b) 의 하나 이상의 열 교환기를 통과하게 하고 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하는 단계;
    (h) 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하는 단계를 포함하고,
    천연 가스 스트림과 같은 탄화수소 스트림이 또한 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하기 위해 냉각되는 단계 (b) 의 적어도 하나의 열 교환기를 통과하게 되는 혼합 냉매 스트림의 냉각 방법.
  17. 혼합 냉매 스트림의 냉각 장치로서, 이 장치는 적어도 :
    제 2 혼합 냉매를 포함하는 냉각 스트림의 적어도 일부의 유동 (F2) 을 감시하기 위한 유동 모니터;
    냉각 스트림의 적어도 일부분을 팽창시키고 이에 의해 하나 이상의 팽창된 냉각 스트림을 제공하기 위한 하나 이상의 팽창기;
    하나 이상의 팽창된 냉각 스트림 중 적어도 하나에 대하여, 제 1 혼합 냉매 및, 천연가스 스트림과 같은 탄화수소 스트림을 포함하는 혼합 냉매 스트림을 수용하고 냉각시키고, 이에 의해 냉각된 혼합 냉매 스트림을 제공하기 위해 배치되는 하나 이상의 열 교환기;
    냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 을 감시하기 위한 온도 모니터 및 유동 모니터;
    냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부의 온도 (T1) 및 유동 (F1) 의 측정 값을 사용하여 냉각 스트림의 유동 (F2) 을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 혼합 냉매 스트림의 냉각 장치.
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