KR20110122101A - 액화 천연 가스를 생성하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

가스 팽창 타입의 LNG 액화 시스템의 효율성을 최적화하는 방법 및 시스템에 관한 것이며, 유입되는 공급 가스는 먼저 분별 증류관에서 저온 환류 유체와의 역전류 접촉에 의해 분리되고, 중간 핀치 지점이 고온 복합 곡선에서 생성되도록, 감소된 온도에서 열 교환기 시스템 내에 기체 스트림이 도입된다.

Description

액화 천연 가스를 생성하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCING LIQUIFIED NATURAL GAS}
본 발명은 LNG의 최적의 생성 방법에 관한 것이다.
여기서 사용되는 바와 같이, LNG라는 용어는 액화 천연 가스, 즉 가스가 응축되고 액체가 되도록 냉각된 천연 가스를 일컫는다.
여기서 사용되는 바와 같이, 천연 가스라는 용어는 본질적인 부분이 메탄인 탄화수소의 기체 혼합물을 일컫는다.
여기서 사용되는 바와 같이, LPG라는 용어는 프로판 및 부탄을 포함하는 탄화수소의 기체 혼합물인 액화 석유 가스(Liquid Petroleum Gas)를 일컫는다.
여기서 사용되는 바와 같이, "혼합 냉매 사이클(mixed refrigerant cycle)"이라는 용어는 복수의 냉매들의 최적화된 혼합물을 채택하는 당업계에 알려진 액화 처리(liquification process)를 일컫는다.
여기서 사용되는 바와 같이, "가스 팽창 처리(gas expansion process)" 또는 "가스 팽창 사이클"이라는 용어는 기체 상태의 냉매를 채택하는 당업계에 알려진 액화 처리를 일컬으며, 상기 냉매는 압축, 냉각, 팽창, 및 이후 액화될 가스와 같이 냉각되어야 할 유체와의 열 교환을 포함하는 처리 회로를 통과한다.
여기서 사용되는 바와 같이, "분할 가스 팽창 사이클"이라는 용어는 냉각된 냉매가 복수의 스트림(stream)들로 분할되는 가스 팽창 사이클을 일컬으며, 상기 스트림들은 목표 유체(target fluid)의 냉각 시 상이한 온도들에서 또한 상이한 단계들에서 사용된다.
여기서 사용되는 바와 같이, "분별 증류관(fractionation column)"이라는 용어는 혼합된 탄화수소 유체의 증류 분리(distillation separation)를 위한 당업계에 알려진 구성, 특히 상부 분획물(overhead fraction) 및 하부 분획물(bottom fraction)을 생성하는 증류관을 일컫는다.
탄화수소의 혼합물을 포함하는 공급 가스(feed gas)로부터 LNG를 생성하는 것, 예를 들어 EP 1715267에 개시된 시스템이 이 당업계에 알려져 있으며, 공급 가스가 먼저 분별 증류관, 및 액화 처리된 상부 분획물을 통과한다. 이러한 시스템들은 대규모(large scale)로, 소위 "기저 부하(base load)" 액화 시스템들로 채택된다. 통상적으로, 이러한 시스템들은 가스 팽창 사이클에 비해 혼합 냉매 사이클의 우수한 효율성으로 인해 혼합 냉매 사이클을 채택한다. 혼합 냉매 혼합물이 최적화되기 때문에, 액화 회로 내로 공급되기 이전에 외부 소스에 의해 상부 분획물이 냉각되어야 한다. 메탄의 상대 함유량(relative content)이 가능한 높은 LNG 생성물을 달성하는 것이 이러한 시스템들의 목적임에 따라, 이러한 시스템들은 분별 증류관으로부터의 하부 분획물이 메탄보다 무거운 탄화수소들의 비교적 높은 함유량을 포함하도록 더 배치된다.
액체 가스 내에 중탄화수소(heavier hydrocarbon)들의 함유량을 제한하는 가장 간단한 방법은 가스를 부분적으로 응축시킨 후, 상기 가스로부터 응축된 액체를 분리시키는 것이며, 이는 액화되도록 더 냉각된다. 이러한 분리는, 통상적으로 0℃ 내지 -60℃의 통상적인 온도에서 냉각 처리의 통합된 부분으로서 수행된다. 분리된 응축물은 냉각 전위(cooling potential)를 이용하여 냉각 처리의 일부분으로서 다시 가열될 수 있다.
대형 토지 기반의(large land based) LNG 설비들(소위, "기저 부하" 설비들)에서, 중탄화수소 및 프로판의 대부분이 통상적으로 제거되며, 또한 다수의 경우들에서 액화 이전에 또는 이의 일부분으로서 상당 부분의 에탄이 제거된다. 이는 판매 사양(sale specification)을 충족시키고, 귀중한 에탄, LPG 및 응축물/나프타(naphtha)를 생성하고 판매할 수 있도록 하기 위해 행해진다. 통상적으로, 냉각 처리의 일부분으로서 또한 냉각 시스템 외부의 별도의 유닛들로서, 복잡한 처리들이 저온 분별 증류관과 함께 사용된다.
큰 "기저 부하" 시스템들의 복잡성으로 인해, 여기서 사용되는 구성들은 다수의 적용, 예를 들어 해양 적용(offshore application)에 적합하지 않다. 또한, C5보다 가벼운 탄화수소들은 압력을 가하거나 냉각되지 않고서는 전체적으로 안전하게 저장되거나 수송되지 않을 수 있음에 따라, LNG 이외의 생성물들을 처리하는 것은 바람직하지 않다.
이러한 해양 적용들에서, 천연 가스의 액화를 위한 가스 팽창 사이클을 이용하는 것이 알려져 있다. 가스 팽창 사이클은 비교적 단순하지만, 혼합 냉매 사이클보다 덜 효율적이다. "분할 가스 팽창 사이클"의 사용은 효율성을 증대시킬 수 있지만, 비교적 작은 효율성 변화들이 매우 큰 경제적 이득을 유도할 수 있음에 따라, 그럼에도 불구하고 더 높은 효율성에 대한 요구가 존재한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 가스 팽창 사이클을 채택하는 더 효율적인 액화 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 LNG 생성물 내에 에탄, 프로판, 부탄이 풍부하고 펜탄이 더 적은 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 공급 가스를 공급하는 분별 증류관, 상기 분별 증류관의 상부 가스 스트림을 냉각시키고 부분적으로 응축시키는 열 교환기 시스템, 상기 열 교환기 시스템으로부터 2-상 스트림(two-phase stream)을 분리시키는 분리기, 및 상기 분리기로부터 상기 분별 증류관으로부터 유체를 복귀시키고, 상기 유체를 환류(reflux)로서 상기 증류관의 상부에 공급하는 장치(appliance), 및 추가 냉각 및 LNG로의 액화를 위해 상기 가스를 상기 분리기로부터 상기 열 교환기 시스템으로 다시 공급하는 장치를 포함하는 방법이 제공된다. 본 발명은 천연 가스를 액화시키는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하고, 상기 가스는 먼저 분별 증류관을 통해 공급되며, 여기서 상기 가스가 냉각되고, 핵산(C6) 및 더 무거운 성분들의 함유량이 감소된 상부 분획물, 및 중탄화수소(C6+)가 풍부한 하부 분획물로 분리되며, 더욱이 여기서 액화용 시스템의 통합 부분으로서 분별 증류관 환류가 생성되고, 여기서 오버헤드 가스가 부분적으로 응축된다. 본 발명에 따라 액화를 수행함으로써, 에탄, 프로판 및 부탄(C2 내지 C4)의 최대 함유량을 갖는 액체 가스의 생성이 달성되고, 이와 동시에 가스 팽창 처리의 효율성이 증대되며, 메탄, 에탄, LPG(프로판 + 부탄)의 함유량이 높은 불안정한/휘발성 유체의 부산물이 최소화된다.
특히, 본 발명은 가스전(gas field)로부터 또는 가스전/유전(oil field)으로부터 천연 가스 또는 다른 탄화수소 가스의 액화를 위한 시스템 및 방법을 포함하며, 근원지로부터 마켓으로 가스를 수송할 수 있도록 가스를 액화시키는 것이 적합하다. 이는 특히 해저 유전/가스전과 관련이 있다.
본 발명의 목적은 에너지 효율적으로 가스가 액화되게 하고, 이와 동시에 처리가 단순화되어 장비가 해양에서 사용될 수 있도록 하는 것이다. 특히, 액화 시 응축물의 부산물이 최소화되고 효율성이 최대화되기 때문에(연료 가스의 필요성이 최소화됨), 본 발명은 부유식 설비(floating installation)들에 유용하다.
본 발명에 따른 방법은 다음의 단계들:
1) 공급 가스가 분별 증류관(150)을 통해 유도되고, 여기서 상기 가스가 냉각되며, C6 탄화수소 및 더 무거운 성분의 함유량이 감소된 상부 분획물 및 중탄화수소들이 풍부한 하부 분획물로 분리되는 단계;
2) 상기 분별 증류관으로부터 상부 분획물이 열 교환기 시스템(110) 내로 공급되고, 부분 응축되어 2-상 유체를 형성하고, 상기 2-상 유체는 적합한 분리기(160)에서 LPG 및 펜탄(C3 내지 C5)이 풍부한 액체(5)로 분리되며, 이는 저온 환류로서 분별 증류관(150)으로 재순환되는 한편, 더 적은 양의 C5 탄화수소 및 C5보다 무거운 탄화수소를 함유하는 가스(6)가 추가 처리를 위해 에탄 및 LPG의 최대 함유량을 갖는 LNG로의 액화를 위해 열 교환기 시스템(110)에 유도되는 단계; 및
3) 상기 열 교환기 시스템에서 가스의 액화를 위한 냉각 회로가 적어도 하나의 가스 팽창 단계를 갖는 개방 또는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하는 단계에 의해 특성화된다.
본 발명에 따른 시스템은 열 교환기 시스템에서 가스의 냉각, 응축 및 액화를 위해 사용되는 냉각 시스템이 적어도 하나의 가스 팽창 단계를 갖는 개방 또는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하는 점에서 특성화된다. 상기 시스템은 공급 가스를 분리시키도록 바람직하게 설계되고 구성되어, 상기 시스템으로부터의 LNG 생성물은 대부분 부탄(C4) 및 부탄보다 낮은 기준 끓는 점(normal boiling point)을 갖는 탄화수소로 풍부해질 것이며, 분별 증류관의 하부 생성물은 대부분 C6 및 C6보다 높은 기준 끓는 점을 갖는 성분으로 풍부해질 것이다.
비교적 단순하고 견실한(robust) 가스 팽창 처리가 천연 가스의 액화에 사용되고, 이 처리의 에너지 효율성이 증대됨과 동시에, 에탄 및 LPG의 함유량을 최대화함으로써 액체 가스의 양이 최대화되며, 이와 동시에 액화 처리에서 부산물(bi-product)로서 분리된 메탄보다 무거운 탄화수소들의 양이 최소화된다는 점에서, 본 발명은 해양에, 그리고 특히 부유식 유닛 상에 적용하기에 상당한 최적화를 나타낸다.
이에 따라, 본 발명에 따른 시스템을 포함하는 설비는, 예를 들어 공간이 흔히 제한 인자인 광대한(broad) 부유식 해양 설비들에 간단히 순응(adapt)되고 설치될 수 있다.
이제, 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 더 자세히 설명될 것이다.
도 1은 주요 시행 방법 및 주요 구성요소들을 갖는 주요 실시예를 나타낸 도면;
도 2는 대안적인 실시예를 갖는 본 발명을 나타낸 도면;
도 3은 분리된 중탄화수소(응축물)의 추가 안정화를 포함하는 대안적인 실시예를 갖는 본 발명을 나타낸 도면;
도 4는 이중(dual) 가스 팽창 처리를 이용하여 수행된 본 발명을 자세히 나타낸 도면;
도 5는 가스 팽창 루프 및 액체 팽창 루프를 갖는 하이브리드(hybrid) 냉각 회로를 이용하여 수행된 본 발명을 나타낸 도면;
도 6a는 천연 가스의 사전-냉각(pre-cooling), 응축 및 과-냉각(sub cooling)을 위한 종래의 통상적인 분할 유동(split flow) 폐쇄 가스 팽창 냉각 사이클을 나타낸 도면;
도 6b는 도 6a에 나타낸 바와 같은 종래의 폐쇄 분할-유동 가스 팽창 회로의 고온 곡선 및 저온 곡선(복합 곡선)의 예시를 나타낸 도면;
도 7a는 본 발명을 이용하여, 천연 가스의 사전-냉각, 응축 및 과-냉각을 위한 분할 유동 폐쇄 가스 팽창 냉각 사이클을 나타낸 도면;
도 7b는 본 발명을 이용하여 얻어진 폐쇄 가스 팽창 회로의 고온 곡선 및 저온 곡선(복합 곡선)의 예시를 나타낸 도면;
도 8은 도 6b 및 도 7b에 나타낸 곡선들의 비교를 나타낸 도면; 및
도 9는 유입 및 유출 스트림들에 대해 추가적인 상세설명 및 참조들을 갖는, 본 발명을 이용하여 얻어진 폐쇄 분할-유동 가스 팽창 회로의 고온 곡선 및 저온 곡선(복합 곡선)을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 최적화된 가스 액화용 시스템은, 최소한 다음의 주요 구성요소들을 포함한다:
- 냉각되고 액화되는 유입 가스 스트림(incoming gas stream: 1),
- 유입 가스가 냉각되고, C6 및 더 무거운 성분들의 함유량이 감소된 상부 분획물(2), 및 중탄화수소 성분들이 풍부한 하부 분획물(3)로 분리되는 분별 증류관(150),
- 유입 가스가 냉각되고, 후속 냉각 및 액화를 위해 중탄화수소의 분리를 위해 부분적으로 응축되는 열 교환기 시스템(110),
- 냉각되고 액화된 가스를 포함하는 생성물 스트림(product stream: 11),
- 주로, 펜탄 및 중탄화수소를 포함하는 생성물 스트림(31), 및
- 가스 냉각제 스트림(20), 적어도 하나의 순환 압축기(100), 적어도 하나의 애프터쿨러(aftercooler: 130), 적어도 하나의 가스 팽창기(120)를 포함하는, 가스를 냉각시키고 액화시키는 냉각 시스템.
유입되는 세정된 공급-가스(1), 예를 들어 메탄 풍부 탄화수소 가스가 먼저 분별 증류관(150)으로 공급되며, 여기서 더 저온의 환류 유체를 만날 때, 상기 가스가 냉각된다. 냉각 유체와의 냉각 및 역전류(counter current) 접촉 시, 공급 가스는 펜탄(C5)보다 높은 분자량(molecular weight)을 갖는 탄화수소의 함유량이 감소된 상부 분획물(2), 및 C6보다 높은 분자량을 갖는 탄화수소 및 C6이 풍부한 하부 분획물(3)로 분리된다. 그 후, 분별 증류관의 상부 분획물(2)은 열 교환기 시스템(110)으로 유도되는데, 이때 상기 가스가 냉각되고 부분적으로 응축되어, 적합한 분리기(160)에서 결과적인 2-상 유체(4)가 분리될 수 있다. 분리기(160)에서 분리된, LPG 및 펜탄(C3 내지 C5)이 풍부한 유체(5)는 저온 환류로서 분별 증류관(150)으로 재순환된다. 이 유체는 냉각에 의한 응축에 의해 생성됨에 따라, 환류 유체(5)는 공급 가스(1)보다 낮은 온도를 가질 것이다. 분리기(160)로부터의 가스(6)는 C5 탄화수소들 및 C5보다 높은 탄화수소들의 함유량을 더욱 감소시켰다. 그 후, 이 가스는 추가 냉각, 응축 및 과-냉각을 위해 열 교환기 시스템(110)으로 다시 유도된다. 대안적으로, 액체 가스(11)는 작동 압력을 제어하는 제어 밸브(140)를 통해 유도되며, 상기 시스템을 통해 유동한다.
바람직한 실시예에서, 가스 공급 스트림(1)은 적용가능한 공기, 물, 해수와 같은 적합한 외부 냉각제, 또는 별도의 적합한 냉각 설비/사전-냉각 시스템에 의해 사전 냉각된다. 후자의 외부 냉각 방법과 관련하여, 프로판, 암모니아 또는 다른 적절한 냉각 수단을 갖는 별도의 폐쇄된 기계적 냉각 시스템이 흔히 사용된다.
바람직한 실시예에서, 분별 증류관(150) 및 분리기(160)는 -12 ℃ 내지 60 ℃의 기준 끓는 점(NBP) 영역에서 성분 분할/분리 지점을 생성하는 완전한 시스템(complete system)[분별 증류관(150) 및 환류 분리기(160)]을 유도하는 압력 및 온도에서 작동된다. 이는, 예를 들어 분리를 위한 -12 ℃ 내지 0 ℃의 기준 끓는 점을 갖는 부탄(C4)인 가벼운 주요 성분(key component), 및 50 ℃ 내지 70 ℃의 끓는 점을 갖는 C6 성분인 무거운 주요 성분에 대응할 수 있다. 그 후, 상기 시스템의 상부 가스 스트림(6)은 대부분 부탄(C4) 및 부탄보다 낮은 기준 끓는 점을 갖는 탄화수소들로 풍부해질 수 있다. 분별 증류관으로부터의 하부 생성물(3)은 대부분 C6 및 C6보다 높은 기준 끓는 점을 갖는 성분들로 풍부해질 것이며, 한편 펜탄(C5, NBP = 28-36 ℃)은 분별 증류관으로부터의 하부 생성물 및 상기 시스템의 가스 생성물에 분포된 전이 성분(transitional component)이다.
열 교환기 시스템(110)에서 공급 가스의 냉각 및 응축은 폐쇄 또는 개방 가스 팽창 처리에 의해 제공된다. 냉각 처리는 고압에서, 바람직하게는 3 내지 10 ㎫에서 기체 또는 (순수 질소, 메탄, 탄화수소 혼합물, 또는 질소 및 탄화수소의 혼합물과 같은) 기체 혼합물을 포함하는 기체 냉각제(21)가 열 교환기 시스템(110)으로 공급되고, 0 ℃ 내지 -120 ℃의 온도로 냉각되는 것으로 시작하지만, 이로써 냉각제 스트림은 주로 우세한 압력 및 온도에서의 가스(31)이다. 그 후, 사전-냉각된 기체 냉각제(31)는 가스 팽창기(121)로 유도되고, 여기서 유입 압력의 5 % 내지 40 %의 저압으로, 하지만 바람직하게는 유입 압력의 10 % 내지 30 %로 가스가 팽창되며, 냉각제는 주로 기체 상태(gas phase)이다. 가스 팽창기는 통상적으로 팽창 터빈(또한, 터보 팽창기(turboexpander)라고도 함]이지만, 밸브와 같이 다른 타입의 가스 팽창 장비가 사용될 수 있다. 사전-냉각된 기체 냉각제의 유동은 등엔트로피 효율(isentropic efficiency)로 가스 팽창기(121)에서 팽창되어, 온도가 상당히 떨어진다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 일부 액체가 이 팽창에서 분리될 수 있지만, 상기 처리에 필수적인 것은 아니다. 그 후, 냉각제(32)의 저온 스트림이 열 교환기들(110)로 다시 유도되는데, 여기서 이는 유입되는 다른 고온의 냉각제 스트림들의 냉각 및 가능하게는 응축을 위해 사용되며, 냉각된 가스는 응축되고 과-냉각된다.
저온 냉각제의 스트림들(32)이 열 교환기 시스템(110)에서 가열된 후, 냉각제는 가스 스트림(51)으로서 존재할 것이며, 이는 폐쇄 루프 실시예에서 재사용을 위해 적절한 방식으로 재압축되고, 공기, 물, 해수와 같은 외부 냉각제, 또는 적절한 냉각 유닛으로 냉각된다.
대안적으로, 개방된 실시예에서의 냉각 시스템은, 예를 들어 처리되어야 하고 냉각되어야 하는 공급 가스로부터 적절한 소스에 의해 생성된 보다 고압에서 가스 또는 가스 혼합물로 구성된 냉각제(21)를 이용할 것이다. 더욱이, 개방된 실시예는 다른 목적들에 사용되는 저압 냉각제 유동(51)을 포함하거나, 또는 처리되어야 하고 냉각되어야 하는 공급 가스와 혼합되도록 적절한 방식으로 재압축될 것이다.
바람직한 실시예에서, 복귀되는 냉각제 스트림(51)은 열 교환기(110)로부터 팽창 터빈(121)에 의해 구동되는 별도의 압축기(101)로 유도된다. 이러한 방식으로, 팽창 작업이 이용되며, 상기 처리의 에너지 효율성이 개선된다. 압축기(101) 후, 순환 압축기들(100)에서 스트림이 더욱 압축되기 이전에, 냉각제는 열 교환기(131)에서 더욱 냉각된다. 순환 압축기들(100)은 1 이상의 유닛들, 가능하게는 유닛당 1 이상의 단계들일 수 있다. 또한, 순환 압축기에는 압축기 단계들 사이의 중간 냉각부(132)가 구비될 수 있다. 그 후, 압축된 냉각제(20)는 공기, 물, 해수와 같은 적절한 외부 냉각 매질, 또는 적합한 별도의 냉각 회로의 도움으로, 애프터쿨러(130)에서 열 교환에 의해 냉각되어, 폐쇄 루프에서 압축된 냉각 매질(21)로서 재사용된다.
바람직한 실시예에서, 열 교환기들(110)의 시스템은 동일한 유닛 내에 다수의 상이한 "고온" 및 "저온" 스트림들을 포함하는 열 교환기(소위, 다중-스트림 열 교환기)이다.
도 2는 저온 및 고온 스트림들 간의 필요한 열 전달이 유도될 수 있는 방식으로 수개의 다중-스트림 열 교환기들이 서로 연결된 대안적인 실시예를 나타낸다. 도 2는 직렬로 된 수 개의 열 교환기들을 포함하는 열 교환기 시스템(110)을 나타낸다. 하지만, 본 발명은 특정한 타입의 열 교환기 또는 열 교환기들의 개수에 관한 것이 아니라, 필요한 개수의 고온 및 저온 처리 스트림들을 다룰 수 있는 수 개의 상이한 타입의 열 교환기 시스템들에서 수행될 수 있다.
도 3은 분별 증류관(150)에 리보일러(reboiler: 135)가 설치되어, 분리[가볍고 무거운 성분들 간의 더 뚜렷한 분할(sharper split)]를 더욱 개선시키고 증류관 내 하부 분획물의 휘발성을 감소시킨 대안적인 실시예를 나타낸다. 이는 주위 온도 및 대기 압력에서 안정한 응축물을 직접적으로 생성하는데 사용될 수 있다.
도 4는 이중 가스 팽창 처리가 사용되는 더욱 진보된 실시예에서 수행된 본 발명의 상세도를 나타낸다. 이 실시예에서는, 압축된 냉각제 스트림(21)이 먼저 중간 온도로 냉각된다. 이 온도에서, 냉각제 스트림은 2 개의 부분들로 나뉘는데, 이 중 한 부분(31)은 열 교환기로 보내지고, 가스 팽창기(121)에서 저압 가스 스트림(32)으로 팽창된다. 다른 부분(41)은 더 사전-냉각되어, 가스 팽창기(122)에서 스트림(32)의 압력과 본질적으로 같은 압력으로 팽창된다. 팽창된 저온 냉각제 스트림들(32, 42)은 열 교환기 시스템(110) 상의 상이한 유입 위치들로 복귀되며, 이 교환기에서 하나의 스트림으로 조합된다. 그 후, 가열된 냉각제(51)는 재압축을 위해 복귀된다. 도 3의 시스템의 대안적인 실시예에서는, 이중 가스 팽창 회로 내의 압축된 냉각제 스트림(20)이 열 교환기(110) 내의 별도의 유동 채널들에서 상이한 온도로 냉각되도록 열 교환기(110) 이전에 2 개의 스트림들로 분할될 수 있다.
이는 복귀되는 저온 냉각제 스트림들(32, 42)의 가열에 대해서도 동일하다. 그렇지 않다면, 이 실시예는 도 3을 따른다.
도 5는 순수 기체 상태와 순수 액체 상태 모두에서 동일한 냉각제가 사용되는 하이브리드 냉각 루프를 이용하여 수행된 본 발명을 자세히 나타낸다. 이 실시예에서, 폐쇄 냉각 루프는 열 교환기 시스템(110)에서 공급 가스의 냉각을 제공한다. 상기 냉각 루프는 메탄, 또는 메탄 및 질소의 혼합물로 시작하고, 여기서 메탄은 압축되고 이 압축된 냉각제 스트림(21)으로 애프터쿨링된 부피 중 적어도 50 %를 구성하고, 이 냉각제 스트림은 사전-냉각되며, 냉각제 스트림의 적어도 일부분(31)은 기체 상태로 사용되며, 이는 가스 팽창기(121)를 지나(across) 팽창되고, 냉각제 스트림의 적어도 일부분(41)은 액체로 응축되며, 밸브 또는 액체 팽창기(141)를 지나 팽창된다.
본 발명의 실시예는 상기에 설명된 냉각 처리들로 제한되는 것이 아니라, 천연 가스 또는 다른 탄화수소 가스의 액화를 위한 여하한의 가스 팽창 냉각 처리와 함께 사용될 수 있으며, 주로 1 이상의 팽창 가스 스트림들을 이용함으로써 냉각이 달성된다는 것을 유의한다.
본 발명에 따른 천연 가스의 액화를 수행함으로써, 메탄, 에탄 및 LPG의 최대 함유량을 갖지만, 이와 동시에 50 내지 60 ℃ 이상의 기준 끓는 점을 갖는 중탄화수소 및 펜탄(C5)을 허용가능한 수준 이상으로 함유하지 않는 액체 가스의 생성물이 생성된다. 이와 동시에, 부산물(by-produced) 액체(응축물/NGL) 내의 휘발성 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄의 함유량이 상당히 최소화되거나 제거된다. 이와 동시에, 냉각 처리로부터 C3 내지 C5가 풍부한 저온 환류를 수용하는 분별 증류관 없이 구성된 대응하는 냉각 회로들에 대해서보다 낮은 에너지 소비로, 더 많은 액체 천연 가스가 생성될 것이다.
가벼운 성분들(LNG 생성물에 요구됨)과 무거운 탄화수소들(부산물인 응축물에 요구됨) 간의 분할을 최적화하는 것 이외에도, 본 발명은 가스 팽창 냉각 사이클이 사용될 때 액화에 요구되는 에너지(가스 압축력)를 상당히 감소시킨다.
가스 팽창 냉각을 이용할 때 성능이 개선되는 주요 원인은, 가스 팽창 사이클들이 열 교환기 시스템(100)에서 비교적 선형의 열 유동 대(vs.) 온도 관계들에 의해 특성화된다는 사실과 관련된다. 상당한 탄화수소 응축(액화)이 발생하지만, 이것이 전체 냉각 범위의 구간으로 제한될 때의 영역/범위는 예외이다. 선형 열 대 온도 관계로 인해, 이러한 냉각 처리들의 성능은 통상적으로 온도 핀치 지점(temperature pinch point)들에 의해 제한된다. 대부분의 최적화된 가스 팽창 사이클들은 고온 단부(warm end)에서 하나의 핀치 지점을 갖고, 저온 단부(cold end)에서 하나의 핀치 지점을 가지며, 부가적으로는 도 6b에 나타낸 바와 같은 탄화수소 응축 영역에서 통상적으로 1 이상의 온도 핀치들을 갖는다.
메탄 풍부 탄화수소 가스를 냉각, 액화 및 과-냉각하는데 요구되는 에너지 소비에 대하여, 특히 고온 단부 핀치는 감소된 압축력에 대한 중요한 한계이며, 이는 냉매 가스 질량 유동에 대한 하한(lower limit)이기 때문이다. 이는 도 6b에 나타나 있으며, 고온 곡선의 기울기는 지점 Z로부터 고온 단부 핀치 지점까지 연속적이다[저온 복합 곡선과 고온 복합 곡선 간의 거리는 열역학적 비효율성(thermodynamic inefficiency)을 나타낸다]. 본 발명에 따라, 고온 단부 온도에 비해 감소된 온도에서 액화될 탄소 공급 가스(2)를 도입할 때, 도 7b 및 도 9에 도시된 바와 같이 고온 곡선에 중간 핀치 지점이 생성된다. 여기에 나타낸 바와 같이, 중간 핀치 지점으로부터 고온 단부 핀치 지점으로의 고온 복합 곡선(상기 영역에서 냉각되는 모든 고온 스트림들의 합)의 상부 기울기는 거의 일치하며, 고온 단부 핀치는 최소 냉매 질량 유동에 대해 더 이상 제어 인자가 아니다. 새로운 중간/서브 핀치가 도입된다; 하지만, 고온 및 저온 냉각 곡선들 간의 거리의 일반적인 감소를 유도하는 냉매 질량 유동을 감소시킬 수 있지만(더 양호한 온도 순응은 냉각 사이클에서 에너지 손실을 감소시킴), 이와 동시에 동일한 순수 냉각 작업(net cooling work)을 달성할 수 있다. 요약하면, 요구되는 압축 작업이 감소될 것이다. 냉각된 공급 가스를 혼합 냉매 사이클 내에 도입하는 것이 알려져 있지만, 그 경우 이러한 처리들이 일반적으로 열 교환기에서 고온 및 저온 스트림들 간의 훨씬 더 양호한 순응 및 이에 따른 이미 낮은 에너지 손실을 갖기 때문에, 에너지 감소는 상당하지 않을 것이다. 하지만, 본 발명에 의해 제공되는 바와 같은 가스 팽창 사이클 내에 도입될 때, 도 6b와 도 7b 간의 비교가 입증하는 바와 같이 효율성의 상당한 증가가 실현된다.
종래의 가스 팽창기 처리 및 본 발명에 따른 가스 팽창기 처리 간의 차이는 도 6 내지 도 9를 참조하여 더 자세히 설명된다.
도 6a는 유입 가스 스트림(1)을 냉각시키고, 응축시키며, 과-냉각시키는 종래의 이중 (분할 유동) 폐쇄 가스 팽창 처리를 나타낸다. 이중 가스 팽창 냉각 시스템을 이용하여 열 교환기 시스템(100)에서 중간 온도 2-상 스트림(4)으로 유입되는 공급 가스(1)를 사전-냉각시키고, 분리기(160)에서 상기 스트림을 분리하며, 추가 냉각, 응축 및 과-냉각을 위해 상기 분리기로부터 상기 열 교환기 시스템으로 상부 가스(6)를 유도하고, 상기 시스템으로부터 무거운 액체 스트림을 유도함으로써, 중탄화수소가 통상적으로 먼저 제거된다. 도 6b를 참조하면, 열 교환기의 고온 단부에서, 고온 복합 곡선(냉각되는 고온 스트림들의 합)은 통상적으로 비교적 작은 액체 스트림(3)의 분리와 관련된 질량 유동의 작은 변화에 영향을 받지 않으며, 따라서 고온 고압 기체 냉각제 스트림들(31 및 41) 및 탄화수소 스트림들(4a 및 6b)로 구성된 고온 복합 곡선의 제 1 부분(W1)은 거의 선형이다. 탄화수소들의 상당한 응축이 스트림들(4a 및 6b)에 발생하지 않기 때문에, 스트림들로부터의 열 유동과 스트림 온도 간의 선형 관계로 인해 선형이 유도된다. 팽창을 위해 질소 스트림(31)이 추출된 지점에서, 고온 복합 곡선(W3)은 더 적은 냉각제 스트림(41) 및 탄화수소 스트림(6b)으로 구성되며, 후자는 응축되기 시작한다. W3 곡선은 이제 응축에 의해 강하게 제어됨에 따라, 곡선 형상이다. 곡선 형상은 소정 온도에서 핀치 지점(핀치 C)을 생성한다. 동일한 온도 범위에서, 저온 복합 곡선(C1)(가열되는 모든 저온 스트림들의 합)은 가열되는 저온 기체 냉각제 스트림들(32 및 42)로 구성된다. 상기 스트림들은 순수 기체이며, 열 유동 대 온도는 선형 관계를 가짐에 따라, C1 복합 곡선은 선형 형상이다. 도 6b로부터, 엔벨로프(envelope)가 형성되며, 고온 단부 핀치 지점(핀치 A) 및 응축 영역 핀치 지점(핀치 C)에 의해 제한된다는 것을 알 수 있다. 엔벨로프에서, 일반적인 온도 차이는 크며, 이는 냉각 사이클에서 응축 작업에 대해 더 높은 요구를 유도하는 높은 에너지 손실을 의미한다. 실제로, 이는 더 높은 냉각제 유속으로서 나타날 수 있다.
도 7a는 유입 가스 스트림(1)을 냉각시키고, 응축시키며, 과-냉각시키는 본 발명에 따른 이중 (분할 유동) 폐쇄 가스 팽창 처리를 나타낸다. 저온 환류 액체(5)와의 역전류 접촉에 의해, 증류관(150) 내의 유입 가스 스트림(1)으로부터 중탄화수소들이 먼저 제거된다. 이러한 접촉은 C6+ 탄화수소들을 분리시키며, 상부 가스 스트림(2)의 가스 온도를 감소시킨다. 그러므로, 상부 가스 스트림(2)은 증류관을 갖지 않는 것보다 낮은 온도에서 열 교환기 시스템(100) 내에 도입될 수 있다. 상부 가스 스트림은 이중 가스 팽창 냉각 시스템을 이용하여 열 교환기 시스템에서 중간 온도 2-상 스트림(4)으로 사전-냉각되고, 분리기(160)에서 상기 스트림을 분리하며, 추가 냉각, 응축 및 과-냉각을 위해 상기 분리기로부터 상기 열 교환기 시스템으로 상부 가스(6)를 유도하고, 무거운 액체 스트림을 저온 환류로서 증류관으로 다시 유도한다. 도 7b 및 도 9를 참조하면, 열 교환기의 고온 단부에서, 고온 복합 곡선(W1)(냉각되는 고온 스트림들의 합)은 기체 냉각제 스트림들(31 및 41)로 구성되며, 따라서 선형이다. 동일한 온도 범위에서, 저온 복합 곡선(C1)(가열되는 모든 저온 스트림들의 합)은 가열되는 저온 기체 냉각제 스트림들(32 및 42)로 구성된다. 상기 스트림들은 순수 기체이며, 열 유동 대 온도는 선형 관계를 가짐에 따라, C1 복합 곡선 또한 선형 형상이다. 스트림들(31 및 32)의 전체 질량 유동은 41 및 42의 질량 유동과 같으므로, W1 및 C1은 동일한 기울기를 가지며, 매우 양호한 온도 접근이 달성될 수 있다. 증류관으로부터 가스 스트림(2)의 도입 후, 고온 복합 곡선(W2)은 고온 고압 기체 냉각제 스트림들(31 및 41) 및 탄화수소 스트림들(4a 및 6b)로 구성된다. 상기 곡선은 응축이 거의 발생하지 않기 때문에 여전히 거의 선형이지만, 추가된 질량 유동(4a 및 6b)으로 인해 기울기가 변화하였다. 이는 스트림(2)이 도입되는 지점에서 새로운 핀치 지점(핀치 D)을 생성한다. 팽창을 위해 질소 스트림(31)이 추출되는 지점에서, 연속된 고온 복합 곡선(W3)은 더 적은 냉각제 스트림(41) 및 탄화수소 스트림(6b)으로 구성되며, 후자는 응축되기 시작한다. W3 곡선은 이제 응축에 의해 강하게 제어됨에 따라, 곡선 형상이다. 곡선 형상은 소정 온도에서 핀치 지점(핀치 C)을 생성한다. 동일한 온도 범위에서, 저온 복합 곡선(C1)(가열되는 모든 저온 스트림들의 합)은 가열되는 저온 기체 냉각제 스트림들(32 및 42)로 구성된다. 상기 스트림들은 순수 기체이며, 열 유동 대 온도는 선형 관계를 가짐에 따라, C1 복합 곡선은 선형 형상이다. 도 6b로부터, 엔벨로프가 형성되며, 새로운 핀치 지점 D 및 응축 영역 핀치 지점(핀치 C)에 의해 제한된다는 것을 알 수 있다. 엔벨로프에서, 일반적인 온도 차이는 크며, 이는 냉각 사이클에서 응축 작업에 대해 더 높은 요구를 유도하는 높은 에너지 손실을 의미한다. 하지만, 범위 및 차이는 이제 종래의 이중 가스 팽창 사이클에 대해서보다 작으며, 손실이 더 적다. 실제로, 이는 본 발명에 따른 수정된 처리를 위해 감소된 냉각제 유속으로서 나타날 수 있으며, 동일한 냉각 작업에 대해 더 적은 압축 작업을 유도한다.
도 8은 고온 복합 곡선의 기울기가 새로운 발명에 대해 변화하는 핀치 D 영역에서의 세부사항들을 나타낸다. 또한, 본 도면은 종래 버전의 사이클에 대하여 대응하는 곡선의 경로를 나타낸다.
(기저 부하 시스템에서와 같이) 외부 사전-냉각의 사용에 의해 공급 가스(2) 온도를 감소시키는 것 또한 핀치 점에 영향을 줄 수 있지만, 가능한 모든 대기 냉각이 이미 사용된다고 가정되고, 외부 사전-냉각이 추가 냉각화 작업(refrigeration work)을 요구할 것이기 때문에, 상기 효과는 이러한 시스템에서 무시할만하다. 본 발명을 이용하면, 증류관(150)에서 공급 가스와의 역전류 접촉으로 열을 교환하는 저온 환류 액체(5)에 의해 냉각 작업이 제공되고, 추가 냉각 작업이 상기 처리와 통합되어 달성됨에 따라, 놀라울 정도의 효율성 증가가 실현된다. 열 교환기(100) 고온 단부 온도보다 낮은 온도를 달성하는데 있어서, 외부 냉각화 작업이 요구되지 않는다.
본 발명으로 달성되는 추가 효과는, 대부분의 응축이 분별 증류관에서 발생하고 낮은 온도에서 열 교환기에서 발생하지 않는다는 점에서, 액화 시 결빙(freezing)을 방지하기 위해 바람직하게 분리되는 중탄화수소가 종래의 방법들에서보다 상당히 높은 온도에서 응축되고 분리될 것이라는 점이다. 이는 상기 낮은 온도에서 요구되는 냉각 작업을 감소시키며, 이에 따라 냉각 듀티(cooling duty)가 더 높은 온도 범위로 이동된다는 점에서 냉각 처리의 에너지 손실을 감소시킨다.
예비 분석들 및 비교들은, 생성되는 액체 천연 가스 kg 당 필요한 압축기 작업이 종래의 방법들에 비해 본 발명에 따라 수행된 가스 팽창 회로에 대해 5 내지 15 %만큼 감소될 수 있다는 것을 보여준다.
예시 1
아래의 예시는 액화되어야 하는 90.4 %의 메탄 부피를 갖는 천연 가스를 나타내며, 본 발명은 액체 가스의 양을 최대화함과 동시에, 에탄, 프로판 및 부탄의 함유량이 높은 불안정한 탄화수소 액체의 부산물(by-production)을 최소화하기 위해 사용된다. 스트림 데이터는 도 1, 도 2, 도 3, 도 4 또는 도 5를 참조한다.
Figure pct00001

예시 2 - 5
아래의 예시들은 공급 가스 내의 상이한 메탄 함유량에 대해, 본 발명이 갖는 주요 스트림(key stream)들 중 몇몇 성분에 대한 공급 가스의 퍼센트의 예시를 나타낸다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005

Claims (22)

  1. 기체 냉각제(gaseous cooling agent)를 포함하는 가스-팽창 냉각 사이클을 채택하는 냉각 회로를 갖는 열 교환기 시스템을 포함하는 타입의 LNG 액화 시스템의 효율성을 최적화하는 방법에 있어서,
    a) 유입되는 천연 가스 스트림을 분별 증류관(fractionation column) 내로 도입하는 단계,
    b) 저온 환류 유체(reflux fluid)와의 역전류 접촉(counter current contact)에 의해 상기 천연 가스 스트림을 상부 가스 스트림(overhead gas stream) 및 하부 액체 분획물(bottom liquid fraction)로 분리하는 단계 - 이에 따라, 상기 상부 가스 스트림의 온도는 유입되는 초기 가스 스트림의 온도에 비해 감소됨 -,
    c) 상기 냉각된 상부 가스 스트림을 상기 열 교환기 시스템 내에 도입하는 단계 - 이에 의해 상기 상부 가스는 냉각되고 부분적으로 응축되어, 2-상(phase) 스트림을 형성함 -,
    d) 상기 2-상 스트림을, 상기 2-상 스트림이 기체 성분 및 액체 성분으로 분리되는 분리기 내에 도입하는 단계,
    e) 상기 액체 성분을 상기 분별 증류관 내에 도입하는 단계 - 상기 액체 성분은 저온 환류로서 기능함 -,
    f) 액화된 LNG 생성물로의 추가 냉각 및 응축을 위해 상기 기체 성분을 상기 열 교환기 시스템 내에 도입하는 단계, 및
    g) 냉각 회로 압축 작업이 원래 온도에서 상기 열 교환기 시스템으로 도입된 상기 천연 가스 스트림의 액화에 요구되는 최소 압축 작업보다 적도록, 상기 액화 시스템의 파라미터들을 설정하는 단계를 포함하는 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파라미터들을 설정하는 단계는 요구되는 냉각제 감소된 유속(reduced required cooling agent)을 결정하고 설정하는 단계를 포함하는 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압축 작업은 상기 최소 압축 작업보다 5 내지 15 % 미만인 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로는 가스 팽창에 의해 상기 냉각제를 본질적으로 등엔트로피적으로(isentropically) 냉각시키기 위해 적어도 하나의 가스 팽창 단계를 갖는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하는 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로는 가스 팽창에 의해 상기 냉각제를 본질적으로 등엔트로피적으로 냉각시키기 위해 2 이상의 가스 팽창 단계들을 갖는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하고, 제 2 가스 팽창 단계를 위한 냉각제 유입 온도는 제 1 가스 팽창 단계를 위한 냉각제 유입 온도보다 낮은 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입되는 초기 천연 가스 스트림에 대해 감소된 온도에서 상기 냉각된 상부 가스 스트림의 도입은 고온 복합 곡선(warm composite curve)에서 중간 핀치 지점(intermediate pinch point)을 생성하는 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기 고온 단부 온도(warm end temperature)에 대해 감소된 온도에서 상기 냉각된 상부 가스 스트림의 도입은 상기 냉각된 상부 가스의 도입 위치에서 상기 고온 복합 곡선의 기울기 변화를 생성하는 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기 시스템의 고온 단부로부터 상기 중간 핀치 지점으로 냉각된 스트림들은 본질적으로 상기 냉각제 스트림들로 구성되는 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제는 질소인 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입되는 초기 천연 가스 스트림에 대해 상기 분리기로부터의 기체 성분의 조성은, 본질적으로 공급 가스의 87.5 % 내지 98.2 %의 프로판, 상기 공급 가스의 63.6 % 내지 94.7 %의 부탄, 상기 공급 가스의 5.1 % 내지 68 %의 펜탄, 및 상기 공급 가스의 4.5 % 미만의 헥산으로 구성되는 LNG 액화 시스템 효율성 최적화 방법.
  11. 최적화된 LNG 액화 시스템에 있어서,
    a) 기체 냉각제를 포함하는 가스-팽창 사이클을 채택하는 냉각 회로를 갖는 열 교환기 시스템,
    b) 유입되는 천연 가스 스트림을 수용하고, 상기 천연 가스 스트림을 냉각된 상부 가스 스트림 및 하부 액체 분획물로 냉각시키도록 배치되고, 상기 냉각된 상부 가스 스트림을 상기 열 교환기 시스템 내에 도입하도록 더욱 배치된 분별 증류관 - 상기 상부 가스는 냉각되고 부분적으로 응축되어, 2-상 스트림을 형성하고, 상기 분별 증류관 내의 냉각은 저온 환류 액체에 의해 본질적으로 제공됨 -, 및
    c) 상기 2-상 스트림을 수용하고, 이를 기체 성분 및 액체 성분으로 분리하도록 배치되고, 상기 액체 성분을 저온 환류로서 상기 분별 증류관으로 유도하고, 상기 기체 성분을 LNG 생성물로의 응축을 위해 상기 열 교환기 시스템으로 유도하도록 더욱 배치된 분리기를 포함하는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각 회로는 가스 팽창에 의해 상기 냉각제를 본질적으로 등엔트로피적으로 냉각시키는 적어도 하나의 팽창 단계를 갖는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 회로는 가스 팽창에 의해 상기 냉각제를 본질적으로 등엔트로피적으로 냉각시키는 2 이상의 가스 팽창 단계들을 갖는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하고, 제 2 가스 팽창 단계를 위한 냉각제 유입 온도는 제 1 가스 팽창 단계를 위한 냉각제 유입 온도보다 낮은 최적화된 LNG 액화 시스템.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제는 질소인 최적화된 LNG 액화 시스템.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템의 온도 및 압력은 상기 유입되는 초기 천연 가스 스트림에 대해 상기 분리기로부터의 기체 성분의 조성이 본질적으로 공급 가스의 87.5 % 내지 98.2 %의 프로판, 상기 공급 가스의 63.6 % 내지 94.7 %의 부탄, 상기 공급 가스의 5.1 % 내지 68 %의 펜탄, 및 상기 공급 가스의 4.5 % 미만의 헥산으로 구성되도록 선택되는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하부 생성물의 증기압을 감소시키도록 리보일러(reboiler)가 상기 분별 증류관에 연결되는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    액화 회로는 직렬, 병렬, 또는 둘 모두로 구성된 1 이상의 다중-스트림 열 교환기들을 포함하는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화 회로는 동일 유닛 내에 복수의 고온 및 저온 스트림들을 포함하는 하나의 열 교환기를 포함하는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화 회로는 3 내지 10 ㎫의 유입 압력에서 상기 열 교환기 또는 열 교환기들의 시스템으로 공급되고 0 내지 -120 ℃의 온도로 냉각되는 기체 냉매를 포함하고, 또한 상기 냉각된 기체 냉매는 유입 압력의 5 % 내지 40 %의 압력으로 팽창되며, 그 후 상기 열 교환기 또는 열 교환기들의 시스템으로 다시 유도되어 냉각을 제공하는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  20. 제 11 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화 회로는 가스 팽창에 의해 상기 냉매를 본질적으로 등엔트로피적으로 냉각시키기 위해 2 이상의 가스 팽창 단계들을 갖는 폐쇄 가스 팽창 처리를 포함하고, 제 2 가스 팽창 단계를 위한 냉매 유입 온도는 제 1 가스 팽창 단계를 위한 냉매 유입 온도보다 낮은 최적화된 LNG 액화 시스템.
  21. 제 11 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액화 회로는 2 개의 팽창 단계들을 포함하고, 3 내지 10 ㎫의 유입 압력에서 상기 기체 냉매는 상기 열 교환기 시스템에서 사전-냉각되기 이전 또는 이후에 2 개의 부분들로 분할되며, 상기 부분들은 팽창 이전에 본질적으로 동일한 낮은 압력, 상이한 온도로 사전-냉각되고, 상기 열 교환기 또는 열 교환기들의 시스템으로 다시 유도되어 냉각을 제공하는 최적화된 LNG 액화 시스템.
  22. 제 11 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기 시스템의 고온 단부로부터 상기 냉각된 상부 가스가 도입된 위치로 냉각된 스트림들은 본질적으로 상기 냉각제 스트림들로 구성되는 최적화된 LNG 액화 시스템.
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