KR20110083740A - 액화 방법 및 액화 시스템 - Google Patents

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아담 아드리안 브로스토우
마크 줄리안 로버츠
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

실질적으로 증기인 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(154)을 공급하도록 냉각 압축 가스상 냉매 스트림(150)이 팽창되며(136), 간접 열교환(110)을 통해 공급 가스 스트림(100)을 냉각하고 실질적으로 액화하는 데 사용되는 폐쇄 루프 냉각 시스템을 사용하여 공급 가스가 액화된다. 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림(102)은, 바람직하게는 역시 실질적으로 증기이고, 냉각 압축 가스상 냉매 스트림(170) 또는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)의 일부에 의해 제공될 수 있는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(172)에 대한 간접 열교환(112)을 통해 과냉각되는 것이 바람직하다. 압축 가스상 냉매 스트림(146)에 대한 냉각 듀티(duty)는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)의 일부(160), 공급 가스에 대한 상기 열교환(110)에 의해 부분적으로 가열된 가스상 냉매(156), 및/또는 상기 과냉각(112)에 의해 가열된 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(174)에 의해 공급된다.

Description

액화 방법 및 액화 시스템{LIQUEFACTION METHOD AND SYSTEM}
본 발명은, 예냉각 단계, 액화 단계 및 과냉각 단계가 보다 안전하고 효율적이며 신뢰성 있는 액화 방법 및 액화 시스템에 관한 것이다.
역 브레이튼 사이클에서 가스상 냉매를 팽창시킴으로써 냉각이 이루어지는 액화 방법 및 액화 시스템이 알려져 있다. 이러한 액화 방법 및 액화 시스템은 통상적으로, 가스상 냉매가 장치 전반에 걸친 압력 강하의 공차 내에서 실질적으로 동일한 압력으로 팽창되는 2개의 팽창기를 채용한다. 일부 액화 시스템은 또한, 저온 팽창기 배출 압력이 나머지 팽창기들의 배출 압력보다 높은 3개 이상의 팽창기를 포함한다. 이러한 액화 방법 및 액화 시스템은, 압축단들 사이에 스트림이 유입되지 않기 때문에 간단할 수 있는 압축 시스템과, 통로 및 헤더가 보다 적기 때문에 간단할 수 있는 열교환기를 구비한다. 또한, 일부 액화 방법 및 액화 시스템은 액화 유체를 냉매로서 활용하는 개방 루프 시스템을 사용한다.
그러나, 기존의 액화 방법 및 액화 시스템은 다수의 이유로 인해 문제가 있다. 예컨대, 간단한 압축 시스템 및 간단한 열교환기를 사용하는 것으로 인해, 효율을 향상시키는 데에는 실패한다. 더욱이, 개방 루프 시스템을 사용하는 데 있어서의 비용 절감은 폐쇄 루프 시스템을 사용하는 것에 관한 유연성보다 크지 않다.
예냉각 단계, 액화 단계 및 과냉각 단계가 보다 안전하고 효율적이며 신뢰성 있는 액화 방법 및 액화 시스템이 필요하다.
본 발명의 실시예는, 안전하고 효율적이며 신뢰성 있는 액화 시스템 및 액화 방법, 구체적으로는 천연 가스 액화 시스템 및 천연 가스 액화 방법을 제공함으로써 당업계에서의 이러한 요구를 충족시킨다.
예시적인 일실시예에 따르면, 폐쇄 루프 냉각 시스템을 사용하는 액화 방법으로서, (a) 가스상 냉매 스트림을 하나 이상의 압축기에서 압축하는 단계; (b) 압축 가스상 냉매 스트림을 제1 열교환기에서 냉각하는 단계; (c) 제1 팽창 가스상 냉매 스트림을 제공하기 위해, 제1 열교환기에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 제1 팽창기에서 팽창시키는 단계; 및 (d) 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림을 형성하기 위해, 공급 가스 스트림을, 제2 열교환기에서의 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분에 대한 간접 열교환을 통해 냉각하고 실질적으로 액화하는 단계를 포함하며, 제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기인 것인 액화 방법이 개시된다.
예시적인 다른 실시예에 따르면, 폐쇄 루프 냉각 시스템을 사용하는 액화 방법으로서, (a) 가스상 냉매 스트립을 저압 압축기에서 압축하는 단계; (b) 압축 가스상 냉매 스트림을 고압 압축기에서 더 압축하는 단계; (c) 압축 가스상 냉매 스트림을 제1 열교환기에서 냉각하는 단계; (d) 제1 팽창 가스상 냉매 스트림을 제공하기 위해, 제1 열교환기에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 제1 팽창기에서 팽창시키는 단계로서, 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림은 제2 열교환기와 제1 열교환기에 냉각을 제공하는 것인 단계; (e) 공급 가스 스트림을, 제2 열교환기와 제1 열교환기에서의 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림에 대한 간접 열교환을 통해 냉각하고 실질적으로 액화시키는 단계; 및 (f) 냉각되고 실질적으로 액화된 공급 가스를, 과냉각기 열교환기에서의 제2 팽창기를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림에 대한 간접 열교환을 통해 과냉각시키는 단계를 포함하고, 제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림과 제2 팽창기를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기이며, 제2 팽창 가스상 냉매 스트림의 압력은 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 압력보다 낮은 것인 액화 방법이 개시된다.
예시적인 또 다른 실시예에 따르면, 냉각 회로를 포함하는, 액화를 위한 폐쇄 루프 시스템으로서, 냉각 회로는 제1 열교환기; 제1 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되는 제2 열교환기; 제1 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되고 제1 열교환기로부터의 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 제1 팽창기; 제2 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되고 제2 열교환기로부터 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 제2 팽창기; 및 제1 팽창기와 유체 소통식으로 커플링되고 공급 가스 스트림과 제1 팽창기로부터의 제1 팽창 가스상 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 제3 열교환기를 포함하고, 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림과 제2 팽창기에서 나온 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기 스트림인 것인 폐쇄 루프 시스템이 개시된다.
액상 또는 기상에 관하여 본 명세서에서 사용되는 "실질적으로"라는 용어는, 관련 스트림의 액체 함량 또는 증기 함량이 각각 80 몰% 이상, 바람직하게는 90 몰%이상, 특히 95 몰% 이상이고, 이 관련 스트림이 완전히 액체 또는 증기일 수 있다는 것을 뜻한다. 예컨대, "제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기이다"라는 구문은, 상기 스트림이 80 몰% 이상의 증기이며, 100 몰%의 증기일 수 있다는 것을 뜻한다.
예시적인 다른 실시예에 따르면, 2개 이상의 팽창기를 구비하는 폐쇄 루프 증기 팽창 사이클을 사용하는 가스상 공급물의 액화 방법으로서, 제2 팽창기의 배출 압력이 제1 팽창기의 배출 압력보다 낮고, 제1 팽창기가 가스상 공급물을 액화하는 데 필요한 냉각의 적어도 일부를 제공하는 것인 가스상 공급물의 액화 방법이 개시된다.
전술한 발명의 상세한 설명과 아래의 예시적인 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부 도면과 함께 읽어봄으로써 보다 양호하게 이해된다. 본 발명의 실시예를 예시하기 위한 목적으로, 도면에는 본 발명의 예시적인 구성이 도시되어 있지만, 본 발명이 개시된 특정 방법 및 수단으로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 본 발명은, 예냉각 단계, 액화 단계 및 과냉각 단계가 보다 안전하고 효율적이며 신뢰성 있는 액화 방법 및 액화 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 2은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 3은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 4은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 5은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 6은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 예냉각 시스템을 예시하는 흐름도.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 곡선의 그래프.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 곡선의 그래프.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 곡선의 그래프.
도 8은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 9는 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 10은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
도 11은 본 발명의 양태와 관련된 예시적인 가스 액화 시스템 및 가스 액화 방법을 예시하는 흐름도.
예시적인 일실시예에서, 액화 프로세스는 2개의 팽창기를 사용할 수 있으며, 2개의 팽창기를 빠져나오는 가스상 냉매 스트림은 각각의 팽창기의 배출구에서 실질적으로 증기일 수 있다. 이에 의해, "팽창기"라는 용어는, 가스를 팽창시키면서 외부 일을 생성하는 원심 터빈 또는 왕복 운동 팽창기와 같은 디바이스를 지칭하는 것으로 사용될 수 있다. 액화 프로세스는 실질적으로 등엔트로피일 수 있으며, 종종 일 팽창 또는 가역적 단열 팽창이라고 불리우며, 밸브를 통한 등엔탈피(줄-톰슨) 교축(throttling)과는 다르다.
저온 팽창기의 배출 압력은 보다 낮은 온도를 달성하기 위해 고온(최고온) 팽창기의 배출 압력보다 낮을 수 있다. 저온 팽창기의 배출물로부터의 가스상 냉매는 액화 생성물을 과냉각하는 데 사용될 수 있다. 고온(최고온) 팽창기의 배출물로부터의 가스상 냉매는 액화에 사용될 수 있다. 2개의 상이한 압력을 사용함으로써, 예컨대 천연 가스 액화(즉, 예냉각, 액화 및 과냉각)의 냉각 곡선에 보다 양호하게 매칭될 수 있다. 고온(최고온) 팽창기의 배출물로부터의 가스상 냉매 스트림은 가스상 냉매 압축기의 단들 사이로 유입될 수 있다. 공급 가스 스트림 및/또는 가스상 냉매는, 예컨대 폐쇄 루프 압축 사이클에서 프로판과 같은 다른 냉매에 의해 예냉각될 수 있다. 공급 가스 스트림 및/또는 가스상 냉매는 또한, 예컨대 제3 팽창기로부터의 가스상 냉매에 의해 예냉각될 수 있다.
예시적인 다른 실시예에서, 고온(최고온) 팽창기의 배출물로부터의 가스상 냉매 스트림은, 저온 팽창기의 배출물로부터 나온 가스를 압축하는 데 사용되는 압축기의 흡입 압력보다 높은 흡입 압력을 갖는 별개의 압축기에서 최종 배출 압력으로 압축될 수 있다.
공급 가스 스트림 및/또는 냉매는, 예컨대 R410A, R134A, R507, R23을 포함하며, 이들로만 제한되지 않는 HFC 냉매, CO2, 메탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, R22, 또는 이들의 조합과 같은 액체 냉매를 증발시킴으로써 예컨대 예냉각될 수 있다. 연안 어플리케이션 또는 부동 어플리케이션에 있어서는, 환경 친화적인 불소화 탄화수소들 및 이들의 혼합물이 바람직할 수 있다. 예컨대, CO2가 냉매로서 사용될 수 있다. CO2 예냉각은, 특히 연안용 부유식 생산 저장 및 하역(FPSO; Floating Production Storage and Offloading) 어플리케이션에 있어서 물리적 풋프린트를 최소화한다.
액체 냉매는 일련의 열교환기들에서 상이한 압력으로 증발되고, 다단 압축기에서 압축되며, 응결되고, 적절한 압력으로 교축되어 재증발될 수 있다. 적절한 시일(seal) 시스템을 사용하여, 압축기의 흡입 압력은 저온으로의 냉각이 가능하도록 진공으로 유지될 수 있다. 대안으로서, 공급 가스 스트림 및/또는 가스상 냉매는, 제3 팽창기에서 동일한 가스상 냉매를 팽창시킴으로써 예냉각될 수 있다.
예시적인 다른 실시예에서, 공급 가스 스트림은, 가스가 냉각되지 않는 하나 이상의 열교환기를 포함하는 제1 세트의 열교환기들에서의 가스상 냉매와의 간접 열교환에 의해 냉각될 수 있다. 가스상 냉매는 하나 이상의 열교환기를 포함하는 제2 세트의 열교환기들에서 냉각될 수 있다. 제1 세트의 열교환기는, 예컨대 권취 코일 열교환기를 포함할 수 있다. 제2 세트의 열교환기는, 예컨대 플레이트 앤드 핀 브레이징 알루미늄(plate-and-fin brazed aluminum)(코어) 타입 열교환기를 포함할 수 있다.
예시적인 또 다른 실시예에서, 공급 가스 스트림은, 가스상 냉매의 일부가 중간 지점, 바람직하게는 예냉각 섹션과 액화 섹션 사이에서 취출될 수 있는 열교환기에서 냉각될 수 있다. 가스상 냉매는, 제2 세트의 열교환기에 속하는 열교환기에서 액체 냉매를 증발시킴으로써 예냉각될 수 있다. 상기 냉매는, 예컨대 불소화 탄화수소 또는 CO2일 수 있다.
예시적인 다른 실시예에서, 공급 가스 스트림은 일련의 케틀(kettle) 또는 쉘 앤드 튜브 열교환기에서 증발하는 액체 냉매에 대해 예냉각될 수 있다. 가스상 냉매의 일부는 또한 제2 세트의 열교환기에 속하는 멀티스트림 열교환기에서 냉각될 수 있다. 가스상 냉매의 나머지 부분은, 분리될 수도 있고, 공급 가스 스트림을 예냉각하는 데 사용되는 열교환기와 결합될 수 있는 일련의 케틀 또는 쉘 앤드 튜브 열교환기에서 증발하는 액체 냉매에 대해 대략 동일한 온도로 냉각될 수 있다.
이제 특정 도면을 참고하면, 다양한 실시예를 채용할 수 있다. 예시적인 일실시예에서는 도 1에 예시된 바와 같이, 예컨대 공급 가스 스트림(100)은, 예컨대 열교환기(110)에서 질소로 이루어진 고온 가스상 냉매 스트림(154)에 대해 냉각되고 액화될 수 있다.
공급 가스 스트림(100)은, 예컨대 천연 가스일 수 있다. 본 명세서에 개시되어 있는 액화 시스템 및 액화 방법은 천연 가스 이외의 가스의 액화에 사용될 수 있고, 이에 따라 공급 가스 스트림(100)은 천연 가스 이외의 가스일 수 있으며, 나머지 예시적인 실시예는 공급 가스 스트림(100)을 예시를 위해 천연 가스 스트림이라고 칭한다.
부분적으로 가열된 스트림(154)의 일부[스트림(156)]는, 냉각을 덜 필요로 하는 열교환기(110)의 예냉각(고온) 섹션을 밸런싱하기 위해 열교환기(110)로부터 취출될 수 있다. 가스상 냉매 스트림(158)은, 예컨대 열교환기의 고온 단부를 빠져나와 재순환될 수 있다.
예컨대 열교환기(110)의 저온 단부를 빠져나오는 실질적으로 액화된 천연 가스(LNG) 스트림(102)은 과냉각기 열교환기(112) 내에서 고온 가스상 냉매 스트림(172)에 대해 과냉각될 수 있으며, 과냉각기 열교환기(112)의 저온 단부를 빠져나온 후에, 예컨대 액화 천연 가스 생성물(104)로서 회수될 수 있다. 가스상 냉매 스트림(174)은 과냉각기 열교환기(112)의 고온 단부를 빠져나올 수 있다.
가스상 저압 냉매 스트림(140)은 저압 냉매 압축기(130)에서 압축될 수 있다. 결과적인 스트림(142)은 스트림(158, 166)과 결합될 수 있고, 스트림(144)으로서 고압 냉매 압축기(132)에 진입할 수 있다. 저압 냉매 압축기(130)와 고압 냉매 압축기(132)는 주위 히트싱크(heat sink)에 대해 냉각하는 최종 냉각기와 중간 냉각기를 포함할 수 있다. 히트싱크는, 예컨대 급수탑으로부터의 냉각수, 해수, 신선한 물 또는 공기일 수 있다. 중각 냉각기와 최종 냉각기는 간략화를 위해 도시하지 않는다.
고압 냉매 압축기(132)의 배출물로부터의 고압 냉매 스트림(146)은 열교환기(114)에서 냉각될 수 있다. 결과적인 스트림(148)은 스트림(150, 168)들로 분할될 수 있다.
스트림(150)은 팽창기(136)에서 팽창되어 스트림(152)을 형성할 수 있다. 팽창기(136)는, 예컨대 증기 팽창기일 수 있다. 증기 팽창기는, 배출물이 실질적으로 증기(즉, 배출 스트림의 80 % 이상이 증기임)인 임의의 팽창기이다. 스트림(152)은 열교환기(110)[상기 스트림(154)]와 열교환기(116) 사이에서 스트림(160)으로서 분배될 수 있다. 스트림(160)은 열교환기(116)에서 가열될 수 있다. 결과적인 스트림(162)은 열교환기(110)로부터의 스트림(156)과 결합될 수 있다. 결과적인 스트림(164)은 열교환기(114)에서 더 가열되어 스트림(166)을 생성할 수 있다.
스트림(168)은 열교환기(116)에서 냉각될 수 있다. 결과적인 스트림(170)은 팽창기(138)에서 팽창되어, 상기 스트림(172)을 생성할 수 있으며, 이어서 스트림(172)은 과냉각기 열교환기(112)에서 가열될 수 있다. 팽창기(138)는, 예컨대 증기 팽창기일 수 있다. 결과적인 스트림(174)은 열교환기(116)에서 더 가열되어 스트림(176)을 생성할 수 있다. 스트림(176)은 열교환기(114)에서 더 가열되어 스트림(140)을 생성할 수 있다.
열교환기(114)는, 예컨대 R410A, R134A, R507, R23을 포함하며, 이들로만 제한되지 않는 HFC 냉매, CO2, 메탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, R22, 또는 이들의 조합과 같은 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 냉각 시스템(120)에 의해 냉각될 수 있다. 예냉각용 액체 냉매로서 CO2를 사용하는 것은, 특히 부유식 생산 저장 및 하역(FPSO) 어플리케이션에 있어서 물리적인 풋프린트를 최소화하는 것으로 생각된다. 가스상 냉매를 사용하는 다른 냉각 사이클도 또한 채용될 수 있다.
열교환기(114, 116)들은, 예컨대 하나의 열교환기로 결합될 수 있다. 열교환기(114, 116)들은 또한, 예컨대 플레이트 앤드 핀 브레이징 알루미늄(코어) 타입 열교환기일 수 있다.
열교환기(110, 112)들은, 예컨대 상하로 결합되거나 장착될 수 있다. 열교환기(110, 112)들은, 예컨대 플레이트 앤드 핀 브레이징 알루미늄(코어) 타입 열교환기일 수 있다. 열교환기(110, 112)들은 또한, 예컨대 양호한 안전성, 내구성 및 신뢰성을 보장하는 권취 코일 타입 열교환기일 수 있다. 강건한 타입의 열교환기를 사용하여 천연 가스를 냉각할 수 있는데, 예컨대 그 이유는 천연 가스의 냉각이, 열교환기에 대한 보다 많은 열응력을 유발할 수 있는 상변화를 수반하기 때문이다. 권취 코일 열교환기는 일반적으로 상변화 동안에 열응력에 의해 덜 영향을 받고, 코어 타입형 열교환기보다 누설 면에서 양호하며, 일반적으로 수은 부식에 영향을 받지 않기 때문에 사용될 수 있다. 권취 코일 열교환기는 또한 예컨대 쉘 측에 대한 낮은 냉매 압력 강하를 제공할 수 있다.
냉매 압축기(130, 132)는 예컨대 전기 모터에 의해 구동될 수도 있고, 하나 이상의 가스 터빈 드라이버에 의해 직접 구동될 수도 있다. 전력은 예컨대 발전기를 구비하는 가스 터빈 및/또는 스팀 터빈으로부터 얻을 수 있다.
냉매 압축기(130, 132)의 압축 듀티의 일부는 팽창기(136, 138)로부터 얻을 수 있다. 이것은 통상, 순차적인 압축의 하나 이상의 단, 또는 단일단 압축의 경우에 전체 압축기 또는 압축기들이 동시에 팽창기에 의해 직접 또는 간접적으로 구동된다는 것을 뜻한다. 직접 구동은 통상 공통 샤프트를 뜻하는 반면, 간접 구동은 예컨대 기어 박스의 사용과 관련된다.
도 2 내지 도 5, 및 도 8 내지 도 11에서, 도 1에 예시된 실시예 또는 다른 각각의 실시예에서의 요소 및 유체 스트림에 대응하는 요소 및 유체 스트림은 간단함을 위해 동일한 도면 부호로 식별하였다.
다른 예시적인 실시예에서는 도 2에 예시된 바와 같이, 고압 냉매 압축기(132)의 배출물로부터의 스트림(146)이 2개의 스트림(246, 247)으로 분할된다. 스트림(246)은 열교환기(214)에서 냉각되어, 스트림(168, 250)으로 분할되는 스트림(248)을 생성한다. 스트림(247)은 열교환기(214)를 우회하고, 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 냉각 시스템(220)에서 냉각된다. 증발은, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이 냉매가 쉘 측에서 비등하는 쉘 앤드 튜브 열교환기와 같은 케틀에서 일어날 수 있다. 결과적인 스트림(249)은 스트림(250)과 결합되어, 팽창기(136)에 진입하는 스트림(150)을 형성한다.
또 다른 예시적인 실시예에서는 도 3에 예시된 바와 같이, 예컨대 천연 가스 공급 스트림(100)이 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 냉각 시스템(320)에서 예냉각될 수 있다. 결과적인 스트림(301)은 열교환기(310)에서 액화되어, 실질적으로 액체 스트림(102)을 생성할 수 있다. 도 1 및 도 2에서의 스트림(156)과 같이, 열교환기(310)에서 나온 가스상 냉매 스트림(356)은 스트림(162)과 결합될 수 있다.
냉각 시스템(320, 220)은, 예컨대 액체 냉매가 일련의 열교환기의 쉘 측에서 비등하고, 천연 가스와 증기 냉매 스트림 모두가, 예컨대 튜브 회로에서 냉각되는 하나의 냉각 시스템으로 결합될 수 있다. 냉매 압축기와 응결기는 바람직하게는 도 6에 예시된 바와 같은 2개의 시스템에 대해 공통이다.
또 다른 예시적인 실시예에서는 도 4에 예시된 바와 같이, 스트림(146)이 2개의 스트림(446, 447)으로 분할될 수 있다. 스트림(446)은 열교환기(214)에서 냉각되어 스트림(448)을 생성할 수 있다. 스트림(447)은 열교환기(214)를 우회할 수 있고, 팽창기(434)에서 팽창될 수 있다. 결과적인 스트림(449)은 스트림(156, 162)들과 결합되어, 도 1 및 도 2에서의 스트림(164)와 동일한 방식으로 열교환기(214)에 진입할 수 있는 스트림(464)을 형성할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서는 도 5에 예시된 바와 같이, 팽창은 순차적인 방식으로 이루어질 수 있다. 스트림(548)은 스트림(249)과 결합되어, 팽창기(136)에서 팽창될 수 있는 스트림(150)을 생성할 수 있다. 스트림(160)의 일부는 부분적으로 열교환기(116)[스트림(570)]에서 가열될 수 있으며, 팽창기(138)에서 팽창될 수 있다. 따라서, 팽창기(138)로의 유입 압력은 팽창기(136)의 배출 압력에 가까울 수 있다.
스트림(166)은 가스상 냉매 압축기의 단들 사이로 유입될 수도 있고, 스트림(158)과 결합되어, 스트림(546)을 생성하도록 별개의 압축기(532)에서 압축되는 스트림(544)을 생성할 수도 있다. 이 경우, 스트림(140)은 압축기(530)에서 압축되어, 스트림(546)과 압력이 동일한 스트림(542)을 생성할 수 있다. 구성의 선택은 압축기 핏(fit) 및 관련 비용에 좌우될 수 있다. 결합된 스트림(542, 546)들은 스트림(547, 247)들로 분할될 수 있다. 스트림(547)은 열교환기(214)에서 냉각되어 스트림(548)을 생성할 수 있고, 도 2에 예시된 바와 같이 스트림(247)은 열교환기(214)를 우회할 수 있으며, 냉각 시스템(220)에서 냉각될 수 있다.
과냉각 생성물(104)은 밸브(590)에서 보다 낮은 압력으로 교축될 수 있다. 결과적인 스트림(506)은 부분적으로 증기일 수 있다. 밸브(590)는 예컨대 유압 터빈으로 대체될 수 있다. 스트림(506)은 상 분리기(592)에서 액체 생성물(508)과 플래쉬 증기(580)로 분리될 수 있다. 스트림(580)은 압축기(594)에서 압축 냉각되어, 스트림(160, 174)들과 근접한 온도일 수 있는 스트림(582)을 생성할 수 있다. 변형예에서, 스트림(580)은 또한 과냉각기 열교환기(11)에서 또는 별도의 열교환기에서 스트림(102)의 일부에 대해 가열수 있다.
스트림(582)은 열교환기(116)에서 가열되어 스트림(584)을 생성할 수 있으며, 이 스트림(584)은 열교환기(214)에서 더 가열되어 스트림(586)을 생성할 수 있다. 스트림(586)은 통상적으로 고압으로 압축될 수 있고, 예컨대 동력 생성을 위한 하나 이상의 발전기(들), 스팀 터빈(들), 가스 터빈(들) 또는 전기 모터(들)를 위한 연료로서 사용될 수 있다.
도 5에 예시된 3개의 변형(순차적인, 팽창, 병렬 가스상 연료 압축기, 및 플래쉬 가스로부터의 회수 냉각)은 또한 다른 예시적인 실시예로 제시한 구성에도 적용될 수 있다.
도 6에는 도 1 내지 도 3 및 도 5에 도시된 예냉각 시스템의 예시적인 실시예가 예시되어 있다. 가스상 냉매 및/또는 천연 가스 공급물일 수 있는 스트림(630)은 열교환 시스템(620)[선행 도면의 시스템(120, 220, 320)에 대응함]에서 냉각되어 스트림(632)을 생성할 수 있다.
가스상 냉매는 냉매 압축기(600)에서 압축될 수 있다. 결과적인 스트림(602)은 전체적으로 응결기(604)에서 응결될 수 있다. 액체 스트림(606)은 밸브(607)에서 교축될 수 있고, 열교환 시스템(620)의 고압 증발기에서 부분적으로 증발되어 2상 스트림(608)을 생성할 수 있으며, 이때 2상 스트림은 상 분리기(609)에서 분리될 수 있다. 증기 부분(610)은 고압 스트림으로서 냉매 압축기(600)의 단들 사이에 유입될 수 있다. 액체 부분(611)은 밸브(612)에서 교축될 수 있고, 열교환 시스템(620)의 중간 압력 증발기에서 부분적으로 증발되어 2상 스트림(613)을 생성할 수 있으며, 이때 2상 스트림은 상 분리기(614)에서 분리될 수 있다. 증기 부분(615)은 중간 압력 스트림으로서 냉매 압축기(600)의 단들 사이에 유입될 수 있다. 액체 부분(616)은 밸브(617)에서 교축될 수 있고, 전체적으로 열교환 시스템(620)의 저압 증발기에서 증발될 수 있으며, 저압 스트림(617)으로서 냉매 압축기(600)의 단들 사이에 유입될 수 있다. 이에 따라, 냉각은 3개의 증발기 압력에 대응하는 3개의 온도 레벨로 공급될 수 있다. 3개보다 많거나 적은 증발기 및/또는 온도/압력 레벨을 가질 수도 있다.
스트림(602)은 예컨대 임계 압력보다 높은 압력에서 초임계일 수 있다. 이때, 스트림(602)은 상 변화 없이 응결기(604)에서 냉각되어 고밀도 유체(606)를 생성할 수 있다. 초임계 스트림(606)은 교축된 후에 부분적인 액체가 될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c에는 도 1에 예시된 예시적인 실시예에 대한 냉각 곡선의 그래프가 예시되어 있다. 도 7a에는 결합형 열교환기(114, 116)들이 예시되어 있다. 도 7b는 열교환기(110)를 나타낸다. 알 수 있다시피, 스트림(156)을 취출하는 것으로 인해 열교환기의 효율이 현저히 향상된다. 도 7c는 과냉각기 열교환기(112)를 예시한다.
또 다른 예시적인 실시예에서는 도 8에 예시된 바와 같이, 도 1과 유사한 시스템이 사용될 수 있지만, 가스상 냉매가 단지 하나의 압력 레벨의 냉각을 제공할 수 있다. 예컨대, 팽창기(138)의 배출 압력은 팽창기(136)와 실질적으로 동일할 수 있다. 결과적인 스트림(152)은 예컨대 스트림(860, 854)들로 분할될 수 있다. 스트림(854)은 액화 섹션과 과냉각 섹션 사이의 전이부에 대응하는 중간 위치에서 결합형 액화기/과냉각기 열교환기(810)의 셀 측에 유입될 수 있다. 여기에서, 스트림(854)은 고온 스트림(172)과 혼합될 수 있다. 스트림(856)은, 예컨대 예냉각 섹션과 액화 섹션 사이의 전이부에 대응하는 열교환기(810) 내의 중간 위치에서 취출될 수 있다. 이에 따라, 열교환기(810)는 적절하게 밸런싱될 수 있고, 중간 액화 섹션에서 대부분의 냉매가 사용될 수 있다.
스트림(860)은 열교환기(116)에서 가열되어 스트림(862)을 생성할 수 있다. 스트림(862)은 스트림(856)과 결합되어 스트림(864)을 생성할 수 있다. 스트림(864)은 열교환기(114)에서 가열되어 스트림(840)을 생성할 수 있고, 열교환기(810)의 고온 단부에서 나온 스트림(858)과 결합될 수 있으며, 냉매 압축기(830)의 흡입부에 유입될 수 있다. 압축기(830)는 예컨대 복수의 단을 구비할 수 있다. 한번 더, 중간 냉각기와 최종 냉각기는 간략화를 위해 도시하지 않는다.
다른 예시적인 실시예에서는 도 9에 예시된 바와 같이, 도 1과 유사한 시스템이 사용될 수 있지만, 액화기 열교환기(110)와 열교환기(116, 114)들이 열교환기(916, 914)들로 결합될 수 있다. 열교환기(914, 916)들도 또한 결합될 수 있다. 과냉각기 열교환기(112)는 열교환기(916)와 결합될 수 있다. 3개의 열교환기(914, 916, 112) 모두가, 예컨대 단일 열교환기로 결합될 수 있다. 공급 가스 스트림(100)은 열교환기(914)에서 냉각되어 스트림(901)을 생성할 수 있다. 스트림(901)은 열교환기(916)에서 더 냉각되어 실질적으로 액화된 가스 스트림(102)을 생성할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서는 도 10에 예시된 바와 같이, 도 8과 유사한 시스템이 사용될 수 있지만, 도 4에서와 같이 제3 팽창기(434)가 포함될 수 있다. 가스상 냉매, 이 경우에는 스트림(447)을 예냉각하기 위한 냉각을 제공하는 데 있어서, 추가의 팽창기(434)가 냉각 시스템(120)을 대체할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서는 도 11에 예시된 바와 같이, 도 8과 유사한 시스템이 사용될 수 있지만, 저온 팽창기(138)가 액화기 열교환기(810)의 상부 섹션과 함께 제거되었다. 예냉각 가스상 냉매 스트림(1148)은 단일 팽창기(1136)에서 팽창된다. 결과적인 팽창 스트림(1154)은, 예컨대 액화기 열교환기(810)에서 천연 가스 공급물(100)을 액화시키는 데 사용된다.
이러한 예시적인 실시예는 특히 고온 온도 범위에서 액체 천연 가스를 생성하는 데 유용하다. 이러한 온도 범위는, 예컨대 화씨 -215도(섭씨 -137도) 내지 화씨 -80도(섭씨 -62도)를 포함할 수 있다.
도 1에서의 예냉각 시스템(120)은 도 10에서와 같이 추가의 팽창기로 대체될 수도 있고, 도 2에서와 같이 열교환기(114) 외부에 있을 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 예냉각용 팽창기와 액화용 팽창기의 2개의 팽창기가 사용되면, 이들 팽창기는, 도 1에서와 같이 고온(예냉각) 팽창기로부터 나온 고압 스트림이 저압 냉매 압축기와 고압 냉매 압축기 사이로 유입되도록 2개의 상이한 압력으로 배출할 수 있다. 다음은 본 발명의 몇몇 양태와 실시예이다.
#1. 폐쇄 루프 냉각 시스템을 사용하는 액화 방법으로서,
(a) 가스상 냉매 스트림을 하나 이상의 압축기에서 압축하는 단계;
(b) 압축 가스상 냉매 스트림을 제1 열교환기에서 냉각하는 단계;
(c) 제1 팽창 가스상 냉매 스트림을 제공하기 위해, 제1 열교환기에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 제1 팽창기에서 팽창시키는 단계; 및
(d) 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림을 형성하기 위해, 공급 가스 스트림을, 제2 열교환기에서의 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분에 대한 간접 열교환을 통해 냉각하고 실질적으로 액화하는 단계
를 포함하며, 제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기인 것인 액화 방법.
#2. 냉각되고 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림을, 과냉각기 열교환기에서의 제2 팽창기를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림에 대한 간접 열교환을 통해 과냉각하는 단계를 더 포함하고, 제2 팽창기를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기인 것인 #1의 액화 방법.
#3. #1의 단계 (a)의 가스상 냉매 스트림을 압축하는 것은
(a)(1) 가스상 냉매 스트림을 저압 압축기에서 압축하고;
(a)(2) 가스상 냉매 스트림을 고압 압축기에서 더 압축하는 것에 의해 이루어지는 것인 #2의 액화 방법.
#4. 제2 팽창기를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림의 압력은 제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 압력보다 낮은 것인 #3의 액화 방법.
#5. 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 제1 부분은 #1의 단계 (d)에 있어서 제2 열교환기에서의 간접 열교환을 통해 공급 가스 스트림을 냉각하고, 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 제2 부분은 제3 열교환기에서 제1 열교환기로부터 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 제2 부분을 냉각하는 것인 #1의 액화 방법.
#6. 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 추가 냉각 시스템을 사용한 간접 열교환을 통해 제1 열교환기에 추가의 냉각을 제공하는 것을 더 포함하는 #1의 액화 방법.
#7. 증발하는 액체 냉매는 R410A와, R134A와, R507, 그리고 R23를 포함하는 HFC 냉매, CO2, 메탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, R22, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 #6의 액화 방법.
#8. 액화를 위한 공급 가스 스트림은 천연 가스 스트림인 것인 #1의 액화 방법.
#9. 천연 가스 액화는 부유식 생산 저장 및 하역(FPSO) 설비에서 이루어지는 것인 #8의 액화 방법.
#10. 가스상 냉매 스트림은 질소 스트림인 것인 #1의 액화 방법.
#11. 고온 가스상 냉매 스트림을 형성하기 위해, 제3 열교환기와 제1 열교환기에서 제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 제2 부분을 가열하고, 고온 가스상 냉매 스트림을 #3의 단계 (a)(1)과 단계 (a)(2) 사이에서 저압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림과 결합시키는 것을 더 포함하는 #3의 액화 방법.
#12. 제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 제3 부분은 제2 팽창기에서 팽창되기 전에 제3 열교환기에서 가열되는 것인 #5의 액화 방법.
#13. 제2 열교환기의 중간 위치에서부터 제2 열교환기에서 하강하는 가스상 냉매 스트림의 일부를 추출하고, 추출된 가스상 냉매 스트림의 일부를 제1 열교환기에서 가열하며, 고온 가스상 냉매 스트림과, #3의 단계 (a)(1)와 단계 (a)(2) 사이에서 저압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림을 결합시키는 것을 더 포함하는 #2의 액화 방법.
#14. 제1 열교환기와 제3 열교환기는 단일 열교환기인 것인 #1의 액화 방법.
#15. 제2 열교환기와 과냉각기 열교환기는 단일 열교환기인 것인 #1의 액화 방법.
#16. 제1 열교환기와 제3 열교환기는 플레이트 앤드 핀 브레이징 알루미늄 (코어) 타입 열교환기인 것인 #1의 액화 방법.
#17. 제2 열교환기와 과냉각기 열교환기는 권취 코일 열교환기인 것인 #1의 액화 방법.
#18. 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림을 분할하고, 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 추가 냉각 시스템에서, 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림의 제1 부분을 냉각하며, #1의 단계 (c)에 있어서 제1 팽창기에서의 팽창을 위해 압축 가스상 냉매 스트림의 냉각된 제1 부분과 제1 열교환기에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 제1 부분과 결합시키는 것을 더 포함하며, #1의 단계 (b)에 있어서 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림의 제2 부분을 제1 열교환기에서 냉각하는 것인 #3의 액화 방법.
#19. #1의 단계 (d) 이전에 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 추가 냉각 시스템에서 공급 가스 스트림을 예냉각하는 것을 더 포함하는 #1의 액화 방법.
#20. 공급 가스 스트림을 예냉각하기 위한 추가 냉각 시스템과 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림의 제1 부분을 냉각하기 위한 추가 냉각 시스템은 추가 단일 냉각 시스템인 것인 #19의 액화 방법.
#21. 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림을 분할하고, 하나 이상의 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림의 제1 부분을 제3 팽창기에서 팽창시키며, 압축 가스상 냉매 스트림의 팽창된 제1 부분을 제1 열교환기에 가열한 후, 압축 가스상 냉매 스트림의 가열 팽창된 제1 부분을, #3의 단계 (a)(1)과 단계 (a)(2) 사이에서 저압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림과 결합시키며, #1의 단계 (b)에 있어서 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림의 제2 부분을 제1 열교환기에서 냉각하는 것을 더 포함하는 #3의 액화 방법.
#22. 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림을 분할하고, 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림의 제1 부분을 제3 팽창기에서 팽창시키며, 압축 가스상 냉매 스트림의 팽창된 제1 부분을 제1 열교환기에 가열한 후, 압축 가스상 냉매 스트림의 가열 팽창된 제1 부분을, #3의 단계 (a)(1)과 단계 (a)(2) 사이에서 저압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림과 결합시키며, #1의 단계 (b)에 있어서, 고압 압축기를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림의 제2 부분을 제1 열교환기에서 냉각시키는 것을 더 포함하는 #4 액화 방법.
#23. 과냉각 액화 공급 가스 스트림을 교축하고, 교축된 과냉각 액화 공급 가스 스트림을 상 분리기에서 액체 생성물과 플래쉬 증기로 분리하는 것을 더 포함하고, 플래쉬 증기는 더욱 압축되며 가열되고, 에너지 생성을 위한 연료로서 사용될 수 있는 것인 #2의 액화 방법.
#24. 냉각되고 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림을 고압 저장 탱크에 저장하는 것을 더 포함하는 #1의 액화 방법.
#25. 폐쇄 루프 냉각 시스템을 사용하는 액화 방법으로서,
(a) 가스상 냉매 스트림을 저압 압축기에서 압축하는 단계;
(b) 압축 가스상 냉매 스트림을 고압 압축기에서 더 압축하는 단계;
(c) 압축된 가스상 냉매 스트림을 제1 열교환기에서 냉각하는 단계;
(d) 제1 팽창 가스상 냉매 스트림을 제공하기 위해, 제1 열교환기에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 제1 팽창기에서 팽창시키는 단계로서, 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림은 제2 열교환기와 제1 열교환기에 냉각을 제공하는 것인 단계;
(e) 공급 가스 스트림을, 제2 열교환기와 제1 열교환기에서의 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림에 대한 간접 열교환을 통해 냉각하고 실질적으로 액화하는 단계; 및
(f) 냉각되고 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림을, 과냉각기 열교환기에서의 제2 팽창기를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림에 대한 간접 열교환을 통해 과냉각하는 단계
를 포함하고, 제1 팽창기를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림과 제2 팽창기를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기이며, 제2 팽창 가스상 냉매 스트림의 압력은 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 압력보다 낮은 것인 액화 방법.
#26. 냉각 회로를 포함하는, 액화를 위한 폐쇄 루프 시스템으로서, 냉각 회로는
제1 열교환기;
제1 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되는 제2 열교환기;
제1 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되고 제1 열교환기로부터 나온 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 제1 팽창기;
제2 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되고 제2 열교환기로부터의 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 제2 팽창기;
제1 팽창기와 유체 소통식으로 커플링되고 공급 가스 스트림과 제1 팽창기로부터의 제1 팽창 가스상 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 제3 열교환기
를 포함하며, 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림과 제2 팽창기에서 나온 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 실질적으로 증기 스트림인 것인 폐쇄 루프 시스템.
#27. 제3 열교환기 및 제2 팽창기와 유체 소통식으로 커플링되고 제3 열교환기에서 나온 공급 가스 스트림을 받아들이도록 되어 있는 과냉각기 열교환기를 더 포함하는 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#28. (a) 제1 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되는 저압 냉매 압축기; 및
(b) 제1 열교환기 및 저압 냉매 압축기와 유체 소통식으로 커플링되고 제1 열교환기와 저압 냉매 압축기로부터 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 고압 냉매 압축기
를 더 포함하는 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#29. 제2 팽창기에서 나온 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 제1 팽창기에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림보다 압력이 낮은 것인 #28의 폐쇄 루프 시스템.
#30. 제1 열교환기에 냉각을 제공하도록 되어 있는 추가 냉각 시스템을 더 포함하고, 추가 냉각 시스템은 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 것인 #28의 폐쇄 루프 시스템.
#31. 증발하는 액체 냉매는 R410A와, R134A와, R507, 그리고 R23를 포함하는 HFC 냉매, CO2, 메탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, R22, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 #30의 폐쇄 루프 시스템.
#32. 공급 가스 스트림은 천연 가스 스트림인 것인 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#33. 폐쇄 루프 시스템은 부유식 생산 저장 및 하역(FPSO) 설비에서 사용되는 것인 #32의 폐쇄 루프 시스템.
#34. 냉매 스트림은 질소 스트림인 것인 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#35. 제1 열교환기와 제2 열교환기는 단일 열교환기인 것인 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#36. 제3 열교환기와 과냉각기 열교환기는 단일 열교환기인 것인 #27의 폐쇄 루프 시스템.
#37. 제1 열교환기와 제2 열교환기는 플레이트 앤드 핀 브레이징 알루미늄 (코어) 타입 열교환기인 것인 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#38. 제3 열교환기와 과냉각기 열교환기는 권취 코일 열교환기인 것인 #27의 폐쇄 루프 시스템.
#39. 고압 냉매 압축기와 유체 소통식으로 커플링되고 고압 냉매 압축기로부터 압축 가스상 냉매 스트림을 받아들이도록 되어 있는 추가 냉각 시스템을 더 포함하는 #28의 폐쇄 루프 시스템.
#40. 제3 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되고 공급 가스 스트림을 받아들이도록 되어 있는 추가 냉각 시스템을 더 포함하는 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#41. 고압 냉매 압축기와 유체 소통식으로 커플링되고 고압 냉매 압축기에서 나온 압축 가스상 냉매 스트림의 일부를 받아들이도록 되어 있는 제3 팽창기를 더 포함하는 #28의 폐쇄 루프 시스템.
#42. 과냉각기 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되고 과냉각기 열교환기에서 나온 공급 가스 스트림을 받아들이도록 되어 있는 밸브; 및
밸브와 유체 소통식으로 커플링되고 공급 가스 스트림을 액체 생성물과 플래쉬 증기로 분리하도록 되어 있는 상 분리기
를 더 포함하는 #27의 폐쇄 루프 시스템.
#43. 제1 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되는 제1 저압 냉매 압축기; 및
제3 열교환기와 유체 소통식으로 커플링되는 제2 저압 냉매 압축기
를 더 포함하는 #26의 폐쇄 루프 시스템.
#44. 2개 이상의 팽창기를 구비하는 폐쇄 루프 증기 팽창 사이클을 사용하는 가스상 공급물의 액화 방법으로서, 제2 팽창기의 배출 압력은 제1 팽창기의 배출 압력보다 낮고, 제1 팽창기는 가스상 공급물을 액화하는 데 필요한 냉각의 적어도 일부를 제공하는 것인 가스상 공급물의 액화 방법.
#45. 가스상 공급물은 천연 가스를 포함하는 것인 #44의 가스상 공급물의 액화 방법.
#46. 제2 팽창기에서 나온 결과적인 팽창 스트림은 주위 온도에 근접하게 가열되고, 압축되며, 제1 팽창기에서 나온 결과적인 가열 팽창 스트림과 결합되는 것인 #44의 가스상 공급물의 액화 방법.
#47. 제1 팽창기와 제2 팽창기로부터의 결합 스트림은 추가의 팽창을 위해 더 압축된 후, 냉각되는 것인 #46의 가스상 공급물 액화 방법.
#48. 제1 팽창기에서 나온 결과적인 팽창 스트림은, 결과적인 팽창 스트림의 제1 부분을 사용하여, 간접 열교환을 통해 가스상 공급물을 냉각하고, 결과적인 팽창 스트림의 제2 부분을 사용하여 열교환기에 냉각을 제공하도록 분할되는 것인 #44의 가스상 공급물 액화 방법.
예
도 3을 참고하면, R134A 냉매(C2H2F4)의 증발을 사용하는 3개의 케틀을 포함하는 냉각 시스템(320)에 의해, 화씨 113도(섭씨 45도) 및 180 psia (1.24 MPa)인 대략 92 %의 메탄, 1.6 %의 질소, 3.4 %의 에탄, 2 %의 프로판 및 1 %의 중성분(heavier component)을 함유하는 3,160 lbmol/h(1,433 kgmol/h)의 천연 가스[스트림(100)]를 대략 화씨 -31.6도(섭씨 -35.3도)로 예냉각하였다. 도 6에 예시된 바와 같은 3단 압축기에서 냉매를 압축하였다. 냉매 압축기의 흡입 압력은 대략 0.5 바아(50 kPa)(절대 압력)이었다. 흡입 압력을 진공으로 유지하여 보다 낮은 온도로의 과냉각을 가능하게 하였다. 무연성 냉매를 사용하여 안전한 공정을 보장하였다.
액화기 열교환기(310)에서 결과적인 스트림(301)을, 스트림(102) 모두가 액체인 화씨 -136도(섭씨 -93도)로 냉각하였다. 그 후, 이렇게 하여 냉각된 상기 결과적인 스트림을 과냉각기 열교환기(112)에서 화씨 -261도(섭씨 -163도)로 과냉각하여 결과적인 스트림(104)을 제공하였다.
고압 냉매 압축기(132)의 배출물로부터의 가스상 질소(146)는 화씨 104도(섭씨 40도) 및 1,200 psia (8.27 MPa)이었다. 그 후, 스트림(146)은 냉각 시스템(220)으로 안내되는 21,495 lbmol/h(9,750 kgmol/h)와 결합형 열교환기(214, 116)로 안내되는 196,230 lbmol/h(89,008 kgmol/h)으로 분할되었다.
결합 스트림(249, 250)에서 나온 스트림(150)은 화씨 -49도(섭씨 -45도) 및 164,634 lbmol/h (74,677 kgmol/h)의 유량으로 팽창기(136)에 진입하였다. 스트림(150)은 화씨 -141도(섭씨 -96도)에서 약 475 psia(3.28 MPa)로 팽창되었고[스트림(152)], 141 ,326 lbmol/h(64,104 kgmol/h)로 액화기 열교환기(310)에 진입하는 스트림(154)과 결합형 열교환기(214, 116)에 진입하는 스트림(160)으로 분할되었다.
스트림(356)은 화씨 -54.4도(섭씨 -48도)로 액화기 열교환기(310)를 빠져나갔다. 그 후, 스트림(356)은 스트림(162)과 결합되고, 결합형 열교환기(214)에서 화씨 97.5도(섭씨 36.4)도로 가열되며, 164,634 lbmol/h (74,677 kgmol/h)의 유량으로 저압 냉매 압축기(130)와 고압 냉매 압축기(132) 사이에 유입되었다[스트림(166)].
스트림(170)은 화씨 -136도(섭씨 -93도) 및 53,091 lbmol/h (24,082 kgmol/h)의 유량으로 팽창기(138)에 진입하였다. 스트림(170)은 화씨 -165도(섭씨 -109도)에서 약 192 psia(1.32 MPa)로 팽창된 후, 과냉각기 열교환기(112)에 진입하였다.
스트림(174)은 약 화씨 -140도(섭씨 -96도)로 과냉각기 열교환기(112)를 빠져나갔다. 그 후, 스트림(174)은 결합형 열교환기(214, 116)에서 화씨 97.5도(섭씨 36.4도)로 가열되었고, 저압 냉매 압축기(130)의 흡입부로 진입하였다[스트림(140)].
다양한 도면에 관한 바람직한 실시예에 관하여 본 발명의 양태를 설명하였지만, 다른 유사한 실시예가 사용될 수도 있고, 본 발명에서 벗어나는 일 없이 본 발명의 동일한 기능을 수행하도록 설명된 실시예에 대한 수정 및 추가가 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 청구되는 발명은 임의의 단일 실시예로 제한되어서는 안 되며, 오히려 첨부된 청구 범위에 따른 폭 및 범위로 해석되어야만 한다. 도면으로부터의 도면 부호는 단지 이해를 돕기 위해 청구 범위에 제공되는 것으로, 청구 범위의 범주를 제한하지는 않는다.
100 : 공급 가스 스트림
112 : 과냉각기 열교환기
114, 116, 914, 916 : 열교환기
120, 220, 320 : 냉각 시스템
130 : 저압 냉매 압축기
132 : 고압 냉매 압축기
154 : 고온 냉매 스트림
136, 138 : 팽창기

Claims (18)

  1. 폐쇄 루프 냉각 시스템을 사용하는 액화 방법으로서,
    (a) 가스상 냉매 스트림(144)을 하나 이상의 압축기(132)에서 압축하는 단계;
    (b) 압축 가스상 냉매 스트림(144)의 적어도 일부를 제1 열교환기(114)에서 냉각하는 단계;
    (c) 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)을 제공하기 위해, 제1 열교환기(114)에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분(150)을 제1 팽창기(136)에서 팽창시키는 단계; 및
    (d) 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림(102)을 형성하기 위해, 공급 가스 스트림(100)을, 제2 열교환기(110)에서의 제1 팽창기(136)에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 적어도 제1 부분(154)에 대한 간접 열교환을 통해 냉각하고 실질적으로 액화하는 단계
    를 포함하며, 제1 팽창기(136)를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)은 실질적으로 증기인 것인 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 냉각되고 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림(102)을, 과냉각기 열교환기(112)에서의 제2 팽창기(138)를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(172)에 대한 간접 열교환을 통해 과냉각하는 단계를 더 포함하는 액화 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제2 팽창기(138)를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(172)은 실질적으로 증기인 것인 액화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 과냉각기 열교환기(112)를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(174)은 저압 압축기(130)에서 압축되고, 제2 열교환기를 빠져나오는 적어도 제1 팽창 가스상 냉매 스트림과 결합되며, 혼합 스트림(144)이 고압 압축기(132)에서 더 압축되는 것인 액화 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 제1 열교환기(114)에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림의 제2 부분(168)으로부터 얻어지는 것인 액화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 냉각 압축 가스상 냉매 스트림(148)의 제2 부분(168)은, 제3 열교환기(116)에서, 제1 팽창기(136)에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)의 적어도 제2 부분(160)과의 간접 열교환에 의해 더 냉각되고, 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(172)을 제공하도록 제2 팽창기(138)에 공급되는 것인 액화 방법.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 팽창 가스상 냉매 스트림은 제1 팽창 가스상 냉매 스트림의 부분(570)로부터 얻어지는 것인 액화 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 부분(570)은 상기 팽창(138) 이전에, 과냉각기 열교환기(112)를 빠져나오는 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림으로부터 분리된 압축 증기에 대한 열교환(116)에 의해 가열되는 것인 액화 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열교환기의 중간 위치에서 제2 열교환기(110)에서 하강하는 가스상 냉매 스트림의 부분(154)을 추출하고, 상기 추출된 부분(154)을 제1 열교환기(116)에서 가열하는 단계를 더 포함하는 액화 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 액화를 위한 공급 가스 스트림은 천연 가스 스트림인 것인 액화 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 가스상 냉매 스트림은 질소 스트림인 것인 액화 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 고온 가스상 냉매 스트림을 형성하기 위해, 제3 열교환기(116)와 제1 열교환기(114)에서, 제1 팽창기(136)를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)의 제2 부분(160)을 가열하고, 가열된 가스상 냉매 스트림(168)과 제2 열교환기(110)를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(158)을 결합시키는 것을 더 포함하는 액화 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 압축기(132)를 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림(146)을 제1 부분(247)과 제2 부분(246)으로 분할하고, 액체 냉매를 증발시키는 하나 이상의 단을 포함하는 추가 냉각 시스템(220)에서 상기 제1 부분(247)을 냉각하며, 제1항의 단계 (b)에 있어서 제1 열교환기(114)에서 상기 제2 부분을 냉각하고, 제1항의 단계 (c)에 있어서 제1 팽창기(136)에서의 팽창을 위해 냉각된 제1 부분(249)과 냉각된 제2 부분(248)의 적어도 일부(250)를 결합시키는 것을 더 포함하는 액화 방법.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 압축기(132)에서 빠져나오는 압축 가스상 냉매 스트림(146)을 제1 부분(447)과 제2 부분(446)으로 분할하고, 상기 제1 부분(447)을 제3 팽창기(434)에서 팽창시키며, 결과적으로 팽창된 제1 부분(449)을 제1 열교환기(214)에서 가열한 후, 결과적으로 가열 팽창된 제1 부분[부분 166]과 제2 열교환기(110)를 빠져나오는 가스상 냉매 스트림(158)을 결합시키며, 제1항의 단계 (b)에 있어서 상기 제2 부분(446)을 제1 열교환기(114)에서 냉각하는 것을 더 포함하는 액화 방법.
  15. 제3항에 있어서,
    (a) 가스상 냉매 스트림(140)을 저압 압축기(130)에서 압축하는 단계;
    (b) 압축 가스상 냉매 스트림(142)을 고압 압축기(132)에서 더 압축하는 단계;
    (c) 압축 가스상 냉매 스트림(146)을 제1 열교환기(914)에서 냉각하는 단계;
    (d) 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)을 제공하기 위해, 제1 열교환기(914)에서 나온 냉각 압축 가스상 냉매 스트림(148)의 적어도 제1 부분(150)을 제1 팽창기(136)에서 팽창시키는 단계로서, 제1 팽창기(136)에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)은 제2 열교환기(916)와 제1 열교환기(914)에 냉각을 제공하는 것인 단계;
    (e) 공급 가스 스트림(100)을, 제2 열교환기(916)와 제1 열교환기(914)에서의 제1 팽창기(136)에서 나온 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)에 대한 간접 열교환을 통해 냉각하고 실질적으로 액화하는 단계; 및
    (f) 냉각되고 실질적으로 액화된 공급 가스 스트림(102)을, 과냉각기 열교환기(112)에서의 제2 팽창기(138)에서 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(172)에 대한 간접 열교환을 통해 과냉각하는 단계
    를 포함하고, 제1 팽창기(136)를 빠져나오는 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)과 제2 팽창기(138)를 빠져나오는 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(172)은 실질적으로 증기이며, 제2 팽창 가스상 냉매 스트림(172)의 압력은 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(152)의 압력보다 낮은 것인 액화 방법.
  16. 냉각 회로를 포함하는, 제2항의 액화 방법에 의한 액화를 위한 폐쇄 루프 시스템으로서, 상기 냉각 회로는
    제1 열교환기(114);
    제1 열교환기(114)와 유체 소통식으로 커플링되는 제2 열교환기(116);
    제1 열교환기(114)와 유체 소통식으로 커플링되고 제1 열교환기(114)로부터 냉매 스트림(150)을 받아들이도록 되어 있는 제1 팽창기(136);
    제2 열교환기(116)와 유체 소통식으로 커플링되고 제2 열교환기(116)로부터 냉매 스트림(170)을 받아들이도록 되어 있는 제2 팽창기(138);
    제1 팽창기(136)와 유체 소통식으로 커플링되고 공급 가스 스트림(110)과 제1 팽창기(136)로부터의 제1 팽창 가스상 냉매 스트림(154)을 받아들이도록 되어 있는 제3 열교환기(110); 및
    제3 열교환기(110) 및 제2 팽창기(138)와 유체 소통식으로 커플링되고, 제3 열교환기(110)로부터 공급 가스 스트림(102)을 받아들이도록 되어 있는 과냉각기 열교환기(112)
    를 포함하는 것인 폐쇄 루프 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 의한 액화를 위한 폐쇄 루프 시스템에 맞춰진 것인 폐쇄 루프 시스템.
  18. 2개 이상의 팽창기를 구비하는 폐쇄 루프 증기 팽창 사이클을 사용하는 가스상 공급물의 액화 방법으로서, 제2 팽창기의 배출 압력은 제1 팽창기의 배출 압력보다 낮고, 제1 팽창기는 가스상 공급물을 액화하는 데 필요한 냉각의 적어도 일부를 제공하는 것인 가스상 공급물의 액화 방법.
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