KR20120116110A - 프로판 가스 및 질소가스를 이용한 이중냉각사이클에 의한 가스액화방법 - Google Patents

프로판 가스 및 질소가스를 이용한 이중냉각사이클에 의한 가스액화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프로판가스 및 질소를 이용하는 이중냉각사이클에 의한 가스 액화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 프로판가스 냉매와의 열교환에 의해 유입가스를 냉각시키는 제1 냉각 사이클; 및 질소가스 냉매와의 열교환에 의해,유입가스를 냉각시키는 제2 냉각 사이클을 포함하는 가스액화방법에 관한 것이다.

Description

프로판 가스 및 질소가스를 이용한 이중냉각사이클에 의한 가스액화방법 {Method for Liquefying Gas by Double Cooling Cycle Using Propan Gas and Nitrogen Gas}
본 발명은 프로판가스 및 질소가스를 이용한 이중냉각사이클에 의한 가스액화방법에 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 냉각함으로서 이루어지는 것이다.
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, 에티렌, 메탄, 질소 또는 상기 냉매들의 조합물(즉, 혼합냉매)과 같은 하나 이상의 냉매에 의해 열교환을 통하여 이루어진다.
공지된 다수의 혼합냉매 LNG 사이클은 일반적으로, 제1 열교환기(즉, 온열 또는 고온 열교환기) 내에서 고온에서 기화하는 제1 냉매(즉, 온열 또는 고온 MR) 및 제2 열교환기(즉, 냉온 또는 저온 열교환기) 내에서 저온에서 기화하는 제2 냉매(즉, 냉온 또는 저온 MR)를 사용한다.
미국 특허 제4,112,700호는 단간 압축과 함께 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 MR 공정을 개시하였다. 이 공정은 다중 열교환기 또는 다중 열교환 구역을 사용해야 하며, 콤프레서로의 다중 반송 스트림이 요구된다. 이러한 다중 열교환/압축단은 조성물을 확산시키는 비평형 스트림이 온열 혼합 냉매 압축 트레인에서 단간 혼합되기 때문에, 열역학적 견지에서 단점을 가진다. 스트림의 혼합은 열역학적 비가역성을 야기시켜서 사이클 효율을 감소시키게 된다.
미국특허 제4,525,185호에는 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 혼합 냉매 공정이 기재되어 있다. 이 공정은 다중 열교환기 또는 열교환구역을 사용할 것을 요하며, 단간 공급물을 고온 MR 콤프레서로 이송시키는 것과 관련된 다중 용기, 밸브 및 배관을 초래한다. 이 공정에서, 저온 MR 열교환기에 존재하는 저온 MR을 사용하여 공급물을 우선 냉각시킨다. 이 접근법의 단점은 전술한 미국 특허 제4,274,849호에서와 같이 여분의 열 교환기가 필요하다는 것이다. 이 공정 사이클에서, 비평형 스트림이 고온 혼합 냉매 트레인에서 단간 혼합되어 열역학적 비가역성을 야기시키고, 사이클 효율을 감소시킨다.
미국특허 제4,539,028호에는 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 혼합 냉매 공정이 기재되어 있다. 저온 혼합 MR은 두 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키므로, 또한 다중 열교환기 또는 열 교환 구역을 사용해야 한다. 이 공정에서, 저온 MR을 사용하여 공급물을 우선 냉각시키기 때문에, 추가의 열교환기를 필요로 하며, 이는 전술한 몇 가지 공정과 같은 단점을 가진다. 이 사이클도, 비평형 스트림이 혼합 냉매 압축 트레인에서 단간 혼합되기 때문에 열역학적 견지에서 단점을 가진다. 이 혼합은 열역학적 비가역성을 야기시켜서 사이클 효율을 감소시키게 된다.
이와 같이 천연가스 액화와 관련한 다양한 기술이 개발되었으나, 이러한 천연가스의 액화방법은 복잡하고 비싼 설비 및 많은 에너지 소비를 필요로 하고, 그에 비해 공정효율은 좋지 않다는 단점이 있다.
본 발명은 가스 액화 공정에 소요되는 에너지 소비를 절감하는 동시에 공정효율을 증가시킬 수 있는 가스 액화 방법을 제공하고자 한다.
이에 본 발명은 바람직한 제1 구현예로서, 프로판가스 냉매와의 열교환에 의해 유입가스를 냉각시키는 제1 냉각 사이클; 및 질소가스 냉매와의 열교환에 의해,유입가스를 냉각시키는 제2 냉각 사이클을 포함하는 가스액화방법에 관한 것이다.
상기 구현예에 의한 제1 냉각 사이클은 프로판 가스 냉매를 압축 및 수냉시키는 단계; 압축 및 수냉된 프로판 가스 냉매의 일부를 증발시키는 단계; 및 증발 과정 후 프로판 가스 냉매를 이용하여 가스를 액화시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 구현예에 의한 제2 냉각 사이클은 질소가스 냉매를 압축 및 수냉시키는 단계; 압축 및 수냉된 질소가스 냉매를 이용하여 가스를 예비 냉각시키는 단계; 가스의 예비 냉각 후, 질소 가스 냉매를 팽창시키는 단계; 및 팽창된 질소 가스 냉매를 이용하여 가스를 냉각시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 프로판가스 냉매를 이용하여 가스를 냉각하는 동시에, 질소 가스 냉매를 이용하여 가스를 예비 냉각 및 냉각하여 액화시킴으로써, 가스 액화시 소요되는 에너지 소모를 절감할 수 있고 고효율로 가스를 액화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 프로판가스 및 질소가스를 이용한 이중냉각사이클에 의한 가스액화방법의 공정도이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
LNG-101 : 제1 메인 열교환기
LNG-102 : 제2 메인 열교환기
WC-101, WC-102, WC-201, WC-202, WC-301 : 열교환기
C-101, C-102, C-201, C-202, C-301 : 압축기
E-301, E-302 : 팽창기
SEP 101 : 분리기
VLV-101 : 증발기
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 프로판가스 냉매를 이용하여 제1 메인 열교환기에서 가스를 냉각 시키는 제1 냉각 사이클과, 질소가스 냉매를 이용하여 제1 메인 열교환기에서 가스를 예비 냉각시키는 과정 및 제2 메인 열교환기에서 가스를 냉각하여 액화시키는 제2 냉각 사이클을 포함하는, 이중냉각사이클에 의한 가스액화방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 종래 질소가스 팽창을 이용한 냉각에 의해 가스를 액화하던 공정에서, 질소가스를 이용한 냉각 전에 프로판가스 냉매를 이용한 냉각 공정을 동시에 진행시킴으로써, 가스 액화시 에너지 소비를 절감할 수 있고 효율을 증대시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 가스액화방법에 관한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 가스액화방법은 제1 메인 열교환기(LNG-101) 및 제2 메인 열교환기(LNG-102)를 포함하는 시스템에서 진행될 수 있으며, 제1 메인 열교환기(LNG-101)에서는 상기에 언급한 제1 냉각 사이클의 열교환이 일어날 수 있으며, 제2 메인 열교환기(LNG-102)에서는 상기에 언급한 제2 냉각 사이클의 열교환이 일어날 수 있다.
제1 냉각 사이클에서는, 제1 메인 열교환기(LNG-101)에서 프로판가스 냉매와 가스의 열교환에 의해 가스의 냉각이 이루어지고, 제2 냉각 사이클에서는, 제1 메인 열교환기(LNG-101)에서 질소가스 냉매와 가스의 열교환에 의한 예비냉각 공정 및 제2 메인 열교환기(LNG-102)에서 질소가스와 예비냉각된 가스의 열교환에 의한 냉각 공정이 이루어져 액화된다.
유입되는 천연가스(NG)는 제1 메인 열교환기(LNG-101) 및 제2 메인 열교환기(LNG-102)를 순차적으로 통과하면서 액화된다. 유입되는 천연가스(NG)는 우선, 압축기(C-101)에서 압축된 후 열교환기(WC-101)에서 수냉되고, 다시 압축기(C-102)에서 압축된 후 열교환기(WC-102)에서 수냉된 후, 제1 메인 열교환기(LNG-101)로 유입된다. 제1 메인 열교환기(LNG-101)로 유입되는 천연가스(NG)가 이와 같이 압축 및 수냉의 과정의 거침으로써 냉각 과정이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다.
제1 메인 열교환기(LNG-101)로 유입된 천연가스(NG)는 제2 냉각 사이클의 질소가스 냉매에 의해 예비 냉각된 다음, 제2 메인 열교환기(LNG-102)로 유입되어, 역시, 질소가스 냉매에 의해 냉각되어 액화된다. 액화된 가스는 증발기(VLV-101)를 통과하며 기체성분이 증발하게 되고, 분리기(SEP-101)를 통과하면서 기액분리가 이루어진다. 이때, 액상은 LNG로서 연료로 사용되고, 기상은 제2 메인 열교환기(LNG-102)로 유입되어 제2 냉각 사이클의 질소가스 냉매에 의해 다시 한번 냉각된 다음, 제1 메인 열교환기로 유입되어 제1 냉각 사이클의 프로판가스 냉매에 의해 냉각 후 액화된다.
제1 냉각 사이클은 프로판가스 냉매와의 열교환에 의해 제1 메인 열교환기(LNG-101)로 유입된 가스를 냉각시키는 공정이다. 이때, 제1 메인 열교환기(LNG-101)로 유입된 가스는 제1 메인 열교환기 및 제2 메인 열교환기를 통과한 가스로서 제2 냉각 사이클의 질소가스 냉매에 의해 예비 냉각 및 냉각 후 액화된 LNG 이외에 기상 성분이 다시 제2 메인 열교환기를 거쳐 제1 메인 열교환기로 유입된 가스를 의미한다.
제1 냉각 사이클에 있어서, 프로판가스는 압축기(C-100)에서 압축되고 열교환기(WC-301)에서 수냉된 후, 증발기(VLV-301)에서 기체 성분이 일부 증발된 다음 제1 메인 열교환기(LNG-101)로 유입되어 가스를 액화시키는 기능을 한다.
제2 냉각 사이클은 질소가스 냉매와 유입되는 천연가스(NG)와의 열교환에 의해 천연가스(NG)를 예비 냉각 및 냉각시켜 천연가스(NG)를 액화시키는 공정이다.
질소가스 냉매는 압축기(C-201)에서 압축된 후 열교환기(WC-201)에서 수냉되고 다시 압축기(C-202)에서 압축된 후 열교환기(WC-202)에서 수냉된 다음 제1 메인 열교환기(LNG-101)를 통과한다. 제1 메인 열교환기(LNG-101)에서, 질소가스 냉매는 유입된 천연가스(NG)와 열교환하여 천연가스(NG)를 예비 냉각시킨다.
제1 메인 열교환기(LNG-101)를 통과한 질소가스 냉매는 두 개의 팽창기(E-201, E-202)를 순차적으로 통과하면서, 팽창된 다음, 제2 메인 열교환기로 유입된다. 질소가스 냉매가 제2 메인 열교환기(LNG-102)를 통과하면서 제1 메인 열교환기(LNG-101)에서 예비 냉각된 가스와 열교환하여 냉각 후 액화시킨다. 제2 메인 열교환기를 통과한 질소가스 냉매는 제2 냉각 사이클을 다시 순환하게 된다.
이와 같이, 프로판를 이용하여 가스를 냉각시키는 동시에, 질소가스를 이용하여 예비냉각 및 냉각하여 액화시킬 경우, 종래 질소가스 냉매만을 사용하여 가스를 액화시키던 공정에 비해, 공정에 소요되는 에너지 소비를 절감할 수 있으며 공정 효율 또한 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 프로판가스 냉매와의 열교환에 의해 유입가스를 냉각시키는 제1 냉각 사이클; 및
    질소가스 냉매와의 열교환에 의해,유입가스를 냉각시키는 제2 냉각 사이클을 포함하는, 프로판가스 및 질소가스를 이용하는 이중 냉각 사이클에 의한 가스액화방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각 사이클은
    프로판 가스 냉매를 압축 및 수냉시키는 단계;
    압축 및 수냉된 프로판 가스 냉매의 일부를 증발시키는 단계; 및
    증발 과정 후 프로판 가스 냉매를 이용하여 가스를 액화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스액화방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 냉각 사이클은
    질소가스 냉매를 압축 및 수냉시키는 단계;
    압축 및 수냉된 질소가스 냉매를 이용하여 가스를 예비 냉각시키는 단계;
    가스의 예비 냉각 후, 질소 가스 냉매를 팽창시키는 단계; 및
    팽창된 질소 가스 냉매를 이용하여 가스를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스액화방법.


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