KR20130024907A - 튜브 측류 냉각용 주 열교환기 및 튜브 측류 냉각 방법 - Google Patents

튜브 측류 냉각용 주 열교환기 및 튜브 측류 냉각 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20130024907A
KR20130024907A KR1020127028690A KR20127028690A KR20130024907A KR 20130024907 A KR20130024907 A KR 20130024907A KR 1020127028690 A KR1020127028690 A KR 1020127028690A KR 20127028690 A KR20127028690 A KR 20127028690A KR 20130024907 A KR20130024907 A KR 20130024907A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tube
heat exchanger
main heat
flow
tube bundle
Prior art date
Application number
KR1020127028690A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101843819B1 (ko
Inventor
시우-뭉 패트리시아 호
데릭 윌리엄 호지스
크리스티앙 커버
만프레드 슈타인바우어
마르쿠스 함머딘거
Original Assignee
린데 악티엔게젤샤프트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AU2010901347A external-priority patent/AU2010901347A0/en
Application filed by 린데 악티엔게젤샤프트 filed Critical 린데 악티엔게젤샤프트
Publication of KR20130024907A publication Critical patent/KR20130024907A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101843819B1 publication Critical patent/KR101843819B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/001—Casings in the form of plate-like arrangements; Frames enclosing a heat exchange core
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V30/00—Apparatus or devices using heat produced by exothermal chemical reactions other than combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F25J1/0055—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream originating from an incorporated cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F25J1/0267—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer using flash gas as heat sink
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/02—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the heat-exchange media travelling at an angle to one another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/06—Splitting of the feed stream, e.g. for treating or cooling in different ways
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2220/00—Processes or apparatus involving steps for the removal of impurities
    • F25J2220/60—Separating impurities from natural gas, e.g. mercury, cyclic hydrocarbons
    • F25J2220/62—Separating low boiling components, e.g. He, H2, N2, Air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/32—Details on header or distribution passages of heat exchangers, e.g. of reboiler-condenser or plate heat exchangers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은, a) 상기 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 제 1 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 1 영역의 온단부에 공급하는 단계; b) 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동을 제 2 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 2 영역의 온단부에 공급하는 단계로서, 상기 제 2 영역은 중앙 맨드릴로부터 주 열교환기의 벽으로 연장하는 반경을 따라 제 1 영역으로부터 오프셋되는, 공급하는 단계; c) 제 1 및 제 2 질량 유동들을 냉각시키는 쉘 측 상에 냉매 흐름을 공급하여 기화된 냉매 흐름을 형성하는 단계; d) 상기 기화된 냉매 흐름을 주 열교환기의 온단부로부터 제거하는 단계; 및 e) 상기 d) 단계에서 제거된 기화된 냉매 흐름의 온도를 최대화하기 위해서 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대해 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하는 단계를 포함한다.

Description

튜브 측류 냉각용 주 열교환기 및 튜브 측류 냉각 방법 {A MAIN HEAT EXCHANGER AND A PROCESS FOR COOLING A TUBE SIDE STREAM}
본 발명은 주 열교환기의 튜브 측류를 냉각하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 또한 튜브 측류를 열처리하는 주 열교환기에 관한 것이다. 본 발명은, 특히 이것으로 제한하는 것은 아니지만, "액화 천연 가스" 또는 "LNG" 로서 공지된 액화된 생성물을 얻기 위해서 기체 상태의 메탄 부화(rich) 공급물을 액화시키는 방법 및 주 열교환기에 관한 것이다.
주 열교환기의 온단부(warm end)에서 주 열교환기의 제 1 튜브 측에 상승된 압력 하에서 기체 상태의 메탄 부화 공급물이 공급되는 전형적인 액화 방법이 US 특허 제 6,272,882 호에 기재되어 있다. 기체 상태의 메탄 부화 공급물은, 액화된 흐름을 얻기 위해서, 증발하는 냉매에 대해 냉각되고 액화되며 과냉된다. 액화된 흐름은, 주 열교환기의 냉단부(cold end)에서 주 열교환기로부터 제거되어 액화된 생성물로서 스토리지(storage)로 통과된다. 기화된 냉매는 주 열교환기의 온단부에서 주 열교환기의 쉘 측으로부터 제거된다. 기화된 냉매는 고압 냉매를 얻기 위해서 하나 이상의 냉매 압축기에서 압축된다. 고압 냉매는, 부분적으로 응축되며, 부분적으로 응축된 냉매는 액체의 중질(heavy) 냉매 부분(fraction)과 기체 상태의 경질(light) 냉매 부분으로 분리된다. 중질 냉매 부분은 과냉된 중질 냉매 흐름을 얻기 위해서 주 열교환기의 제 2 튜브 측에서 과냉된다. 중질 냉매 흐름이 주 열교환기의 쉘 측에서 기화하는 것이 허용되는 상태에서, 중질 냉매 흐름이 중간 지점에서 주 열교환기의 쉘 측 내로 감압 상태로 도입된다. 과냉된 경질 냉매 흐름을 얻기 위해서, 경질 냉매 부분의 적어도 일부가 주 열교환기의 제 3 튜브 측에서 냉각되고 액화되어 과냉된다. 이러한 경질의 냉매 흐름은, 주 열교환기의 냉단부에서 주 열교환기의 쉘 측 내로 감압 상태에서 도입되며, 경질 냉매 흐름이 쉘 측에서 기화하는 것이 허용된다.
3 개의 흐름들, 즉
i) 기체로서 제 1 튜브 측의 온단부에 상승된 압력으로 진입하며, 제 1 튜브 측을 통해 이동함으로써 응축되고, 그리고 과냉된 액화 흐름으로서 제 1 튜브 측의 냉단부를 나가는 기체 상태의 메탄 부화 공급물;
ii) 액체로서 제 2 튜브 측의 온단부에 진입하며, 제 2 튜브 측을 통해 이동함으로써 과냉되며, 그리고 과냉된 중질 냉매 흐름으로서 제 2 튜브 측의 냉단부를 나가는 중질 냉매 부분; 및
iii) 증기로서 제 3 튜브 측의 온단부에 진입하며, 제 3 튜브 측을 통해 이동함으로써 냉각되고 액화되며 과냉되고, 그리고 과냉된 경질의 냉매 흐름으로서 제 3 튜브 측의 냉단부를 나가는 경질 냉매 부분의 적어도 일부
를 취급하기 위해서, 주 열교환기의 튜브 측이 요구된다는 점은 전술한 설명으로부터 명백하다.
이와 동시에,
a) 중간 위치("따뜻한(warm) 튜브 다발의 최상부"로서 종래 기술에서 언급된 위치)에서 쉘 측에 진입하며, 그의 온단부에서 쉘 측으로부터 기체로서 제거되기 이전에 쉘 측 내에서 기화되는 중질 냉매 흐름; 및
b) 그의 냉단부("차가운(cold) 튜브 다발의 최상부"로서 종래 기술에서 언급된 위치)에서 감압된 상태로 쉘 측에 진입하며, 그의 온단부에서 기체로서 쉘 측으로부터 제거되기 이전에 쉘 측 내에서 기화되는 경질 냉매 흐름
을 취급하기 위해서, 주 열교환기의 쉘 측이 요구된다.
이에 의해, 미국 특허 제 6,272,882 호에 기재된 액화 방법의 유형으로 작동시키기 위해서는, 주 열교환기는, 다중 튜브 측 및 쉘 측 흐름들이 하나의 교환기 내에 수용되는 상태에서, 모두가 상이한 온도에서 응축되는 단일상 및 2상(two phase) 흐름들 양자를 취급할 수 있어야만 한다. 또한, 주 열교환기는 넓은 범위의 온도와 압력을 갖는 흐름들을 취급할 수 있어야만 한다. 이러한 이유로, 전세계적으로 액화 플랜트들에서 사용되고 있는 주 열교환기는 "코일 권취식" 또는 "나선형 권취식" 열교환기이다.
이러한 코일 권취식 열교환기들에서, "다발(bundle)" 을 형성하기 위해서 중앙 파이프 또는 맨드릴(mandrel) 둘레에 권취되는 다중 층들에 별개의 흐름들의 각각을 위한 튜브들이 균일하게 분배된다. 튜브들의 복수의 층들 각각은, 각각의 층들에서 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측 유체들의 유동 비율에 비례하여 이들 유체들의 각각의 균일한 분배를 갖는 균일한 크기의 수백 개의 튜브들을 포함할 수 있다. 주 열교환기의 효율은, 다발을 가로질러 방사방향 그리고 다발의 길이를 따라 축선 방향 양자에 가능한 한 균형을 이루는 이들 다중 층들 각각의 튜브 측과 쉘 측 사이에서의 열전달에 따른다.
나선형 권취식 열교환기들이 증가된 듀티(duty)들을 실행하기 위해서 커짐에 따라, 쉘 측 유체들을 균일하게 분배하는 것이 점진적으로 어려워지게 된다. 이는, 쉘 측 상에서, 경질 성분들이 먼저 증발(boil off)함에 따라 중질 및 경질 냉매 흐름들의 조성이 주 열교환기의 길이를 따라 연속으로 변화한다는 사실에 부분적으로 기인한다. 그 결과, 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측들의 각각과 쉘 측 사이의 열전달은 다발 내에서 층들을 가로질러 불균일해질 수 있다. 쉘 측 유체들의 온도의 이러한 불균일한 분포는, 다발에서의 튜브들의 각각의 층으로부터 다발의 냉단부들의 튜브 측 유체들 중 각각의 부분들에서의 그리고 온단부를 나가는 쉘 측 유체에 대한 온도의 불균일을 유도한다.
시스템이 평형상태(in balance)일 때, 튜브 측들과 쉘 측 사이의 온도 차이는, 주 열교환기의 길이의 대부분을 따라서 비교적 일정하지만 좁게 유지된다. 시스템이 비 평형상태(out of balance)일 때, 튜브 측들과 쉘 측 사이의 근접한 온도 차이는, 전체적으로 온도 차이가 매우 작거나 온도 차이 없이 존재하는 영역들에 "끼임(pinched)" 될 수 있다. 이러한 끼임은 주 열교환기의 효율의 하락을 유발한다. 또한, 주 열교환기의 쉘 측의 온단부를 나가는 유체를 수용하는 관련된 혼합형 냉매 압축 회로에서 효율의 결과적인 하락을 겪는다. 주 열교환기가 정확하게 작동하고 있다면, 쉘 측의 온단부를 나가는 유체는 기체이다. 주 열교환기가 비 평형상태일 때, 쉘 측의 온단부를 나가는 유체는 기체와 액체의 2 상 혼합물을 포함할 수 있다. 존재하는 임의의 액체는 효율의 상당한 손실을 나타내며, 또한 하류 냉매 압축 회로에 대한 잠재적인 파손을 회피하기 위해서는 제거되어야만 한다.
본 발명은 상기에서 확인된 문제 중 하나 이상을 극복함으로써 주 열교환기의 효율을 개선하는 방법과 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 온단부와 냉단부를 갖는 주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법으로서,
상기 주 열교환기는 쉘 측을 규정하는 벽을 포함하며, 상기 쉘 측 내에서 코일 권취식 튜브 다발이 중앙 맨드릴 둘레에서 배열되는, 방법에 있어서,
a) 상기 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 제 1 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 1 영역의 온단부에 공급하는 단계;
b) 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동을 제 2 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 2 영역의 온단부에 공급하는 단계로서, 상기 제 2 영역은 중앙 맨드릴로부터 주 열교환기의 벽으로 연장하는 반경을 따라 제 1 영역으로부터 오프셋되는, 공급하는 단계;
c) 기화된 냉매 흐름을 형성하기 위해 제 1 및 제 2 질량 유동들을 냉각시키는 쉘 측 상에 냉매 흐름을 공급하는 단계;
d) 상기 기화된 냉매 흐름을 주 열교환기의 온단부로부터 제거하는 단계; 및
e) 상기 d) 단계에서 제거된 기화된 냉매 흐름의 온도를 최대화하기 위해서 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대해 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하는 단계를 포함하는, 주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법이 제공된다.
일 형태에서, 상기 e) 단계는 상기 제 1 및 제 2 노즐들 중 하나 또는 양자에 공급된 질량 유동을 조절함으로써, 상기 맨드릴의 길이에 대한 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 1 질량 유동의 온도와 상기 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 2 질량 유동의 온도를 동등화하는 단계를 포함한다.
일 형태에서, 제 1 온도 센서는 상기 제 1 질량 유동의 온도를 나타내는 제 1 신호를 발생시키고, 제 2 온도 센서는 상기 제 2 질량 유동의 온도를 나타내는 제 2 신호를 발생시키고, 상기 e) 단계는 제 1 신호와 제 2 신호를 동등화하기 위해서 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대한 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하도록 제어기를 사용하는 단계를 포함한다. 일 형태에서, 상기 제 1 축선 방향 위치는 주 열교환기의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접해 있다. 일 형태에서, 상기 제 1 영역은 상기 튜브 다발의 내부 영역이며, 상기 제 2 영역은 상기 튜브 다발의 외부 영역이다. 일 형태에서, 상기 제 1 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 1 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절되고, 상기 제 2 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 2 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절된다. 일 형태에서, 상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 주 열교환기의 외부에 있다. 일 형태에서, 상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 페일 세이프식(fail-safe) 개방형 저압 드롭 밸브이다. 일 형태에서, 상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 상기 튜브 측류의 온단부와 냉단부 중 하나 또는 양자에 위치된다.
일 형태에서, 상기 제 1 노즐은, 제 1 튜브 시트(sheet)를 통해 상기 제 1 영역에 튜브 유체를 공급하고, 상기 제 2 노즐은, 제 2 튜브 시트를 통해 상기 제 2 영역에 튜브 사이드 유체(side fluid)를 공급한다. 일 형태에서, 상기 튜브 다발은 주 열교환기의 온단부를 향해 배열된 따뜻한 튜브 다발 및 주 열교환기의 냉단부를 향해 배열된 차가운 튜브 다발을 포함하고, 상기 따뜻한 튜브 다발과 차가운 튜브 다발 각각은 온단부와 냉단부를 가지며, 상기 제 1 위치는 상기 따뜻한 튜브 다발의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접한다. 일 형태에서, 상기 튜브 측류는, 액체로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부에 진입하고 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발의 냉단부를 나가는 제 1 튜브 측류이다.
일 형태에서, 상기 제 1 튜브 측류는, 따뜻한 튜브 다발의 온단부로부터 차가운 튜브 다발의 온단부 내로 통과할 때까지 액화되었던 기체 상태의 메탄 부화 공급물로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부에 진입한다. 일 형태에서, 상기 제 1 튜브 측류는 액체로서 차가운 튜브 다발의 온단부로 진입하고 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발의 냉단부를 나간다. 일 형태에서, 상기 과냉된 액체는 스토리지로 지향되기 이전에 주 열교환기의 차가운 튜브 다발의 냉단부로부터 제거된다. 일 형태에서, 상기 제 1 튜브 측류는 차가운 튜브 다발의 쉘 측에서 점진적으로 증발되는 우세한 액체의 경질 냉매 흐름에 의해 열교환 한다. 일 형태에서, 상기 주 열교환기의 쉘 측의 온단부로부터 제거되는 기화된 냉매는, 기화된 냉매가 고압 냉매 흐름을 형성하도록 압축되는 제 1 및 제 2 냉매 압축기들에 공급된다. 일 형태에서, 상기 고압 냉매 흐름은 이후 액체 형태의 중질 냉매 부분과 기체 형태의 경질 냉매 부분을 분리하도록 분리장치로 지향되는 부분적으로 응축된 냉매 흐름을 생산하기 위해 냉각되는 열교환기로 지향된다.
일 형태에서, 상기 중질 냉매 부분은, 액체로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부에 공급되고 액체 형태의 과냉된 중질 냉매 흐름으로서 따뜻한 튜브 다발의 냉단부를 나가는 제 2 튜브 측류가 된다. 일 형태에서, 상기 따뜻한 튜브 다발의 냉단부에서 제거된 과냉된 중질 냉매 흐름은, 이후 따뜻한 튜브 다발의 냉단부와 차가운 튜브 다발의 온단부 사이의 중간 위치에서 주 열교환기의 쉘 측 내로 도입되는 감압된 중질 냉매 흐름을 형성하기 위해서, 제 1 팽창 장치를 가로질러 팽창되고, 상기 감압된 중질 냉매 흐름은 쉘 측에서 기화하는 것이 허용되며, 이에 의해 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류들의 유체가 따뜻한 튜브 다발을 통해 통과함에 따라 이들 측류들의 유체들을 냉각시킨다. 일 형태에서, 상기 분리 장치로부터 경질 냉매 부분의 일부는, 기체로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부로 도입되며 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발의 냉단부를 나가는 제 3 튜브 측류가 된다. 일 형태에서, 상기 제 3 튜브 측류는, 따뜻한 튜브 다발을 통해 통과함에 따라 기체로부터 액체로 냉각되며, 차가운 다발을 통해 통과함에 따라 액체로부터 과냉된 액체로 냉각된다.
일 형태에서, 상기 차가운 튜브 다발의 냉단부로부터 제거된 과냉된 경질 냉매 흐름은, 감압을 유발하고 감압된 경질 냉매 흐름을 생산하도록 제 2 팽창 장치를 통해 팽창된다. 일 형태에서, 상기 감압된 경질 냉매 흐름은, 주 열교환기의 냉단부에서 주 열교환기의 쉘 측 내로 도입되고, 상기 감압된 경질 냉매 흐름은 쉘 측에서 기화되는 것이 허용되며, 이에 의해 제 1 및 제 3 튜브 측류가 차가운 튜브 다발을 통해 이동함에 따라 제 1 및 제 3 튜브 측류의 유체들을 냉각시킬 뿐만 아니라 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류들의 유체가 따뜻한 튜브 다발을 통해 이동함에 따라 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류들의 유체들에 냉각을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 튜브 측류를 액화시키며 사용시 온단부와 냉단부를 갖는 주 열교환기로서,
내부에 코일 권취식 튜브 다발이 배열되는 쉘 측을 규정하는 벽;
제 1 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 1 영역의 온단부에 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 공급하는 제 1 노즐;
제 2 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 2 영역의 온단부에 튜브 측류의 제 2 질량 유동을 공급하는 제 2 노즐로서, 상기 제 2 영역은 중앙 맨드릴로부터 주 열교환기의 벽으로 연장하는 반경을 따라 제 1 영역으로부터 오프셋되는, 제 2 노즐;
기화된 냉매 흐름을 형성하기 위해서 제 1 및 제 2 질량 유동들을 냉각하는 쉘 측에 냉매 흐름을 공급하는 분배 장치;
상기 주 열교환기의 온단부로부터 기화된 냉매 흐름을 제거하는 수단; 및
온도 센서에 의해 측정되는 바와 같은 기화된 냉매 흐름의 온도를 최대화하기 위해서 제 2 노즐에 의해 공급된 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대한 제 1 노즐에 의해 공급된 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하는 제어 장치를 포함하는, 주 열교환기가 제공된다.
일 형태에서, 상기 제어 장치는, 맨드릴의 길이에 대한 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 1 질량 유동의 온도와 상기 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 2 질량 유동의 온도를 동등하게 하도록 제 1 노즐 및 제 2 노즐 중 하나 또는 양자에 공급되는 질량 유동을 조절한다. 일 형태에서, 제 1 온도 센서는 제 1 질량 유동의 온도를 나타내는 제 1 신호를 발생시키고, 제 2 온도 센서는 제 2 질량 유동의 온도를 나타내는 제 2 신호를 발생시키며, 상기 제어 장치는 제 1 신호와 제 2 신호를 동등하게 하도록 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대한 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절한다. 일 형태에서, 상기 제 1 축선 방향 위치는 상기 주 열교환기의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접한다. 일 형태에서, 상기 제 1 영역은 상기 튜브 다발의 내부 영역에 있으며, 상기 제 2 영역은 상기 튜브 다발의 외부 영역에 있다. 일 형태에서, 상기 제 1 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 1 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절되고, 상기 제 2 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 2 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절된다. 일 형태에서, 상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 주 열교환기 외부에 있다. 일 형태에서, 상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 페일 세이프식(fail-safe) 개방형 저압 드롭 밸브이다. 일 형태에서, 상기 제 1 밸브 및 제 2 밸브 중 하나 또는 양자는 상기 튜브 측류의 온단부와 냉단부 중 하나 또는 양자에 위치된다. 일 형태에서, 상기 제 1 노즐은 제 1 튜브 시트를 통해 제 1 영역에 튜브 유체를 공급하고, 상기 제 2 노즐은 상기 제 2 튜브 시트를 통해 제 2 영역에 튜브 사이드 유체를 공급한다. 일 형태에서, 상기 튜브 다발은 주 열교환기의 온단부를 향해 배열된 따뜻한 튜브 다발, 및 주 열 교환기의 냉단부를 향해 배열된 차가운 튜브 다발을 포함하며, 상기 따뜻한 튜브 다발과 차가운 튜브 다발 각각은 온단부와 냉단부를 가지며, 제 1 영역은 따뜻한 튜브 다발의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접한다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 도 2 및 도 3을 참조하여 본원에 기재되고 그리고, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 주 열교환기의 튜브 측류를 실질적으로 냉각시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 도 2 및 도 3을 참조하여 본원에 기재되고 그리고, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 주 열교환기의 튜브 측류를 실질적으로 냉각시키는 주 열교환기가 제공된다.
본 발명의 본 실시예들의 특성의 보다 상세한 이해를 용이하게 하기 위해서, 이하, 첨부 도면을 참조하여 단지 예시로서 상세히 설명할 것이다.
도 1 은 종래 기술의 나선형 권취식 주 열교환기의 각각의 층으로의 유동들의 분배를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 천연 가스 액화용 플랜트의 흐름 방식(flow scheme)을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예의 주 열교환기의 각각의 층으로의 유동들의 분배를 개략적으로 도시한다.
이하, 본 발명의 방법 및 장치의 특별한 실시예들은, 단지 예시로서, 액화 천연 가스를 생산하기 위해서 주 열교환기에서 천연 가스 형태의 기체 상태의 메탄-부화 공급물 가스를 액화하는 플랜트를 특히 참조하여 설명한다. 본 발명은, 하기에 상세히 설명하는 3 개의 튜브 측류(side stream)들 대신에 2 개의 튜브 측류들을 필요로 하는 다른 방법 또는 에틸렌의 생산과 같은 다른 적용분야들을 위해 사용되는 주 열교환기에 동등하게 적용될 수 있다. 본원에서 사용된 전문용어는 단지 특별한 실시예들을 설명하고자 하는 것이지, 본 발명의 범위를 제한하고자 의도된 것은 아니다. 달리 규정되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 그리고 과학적 용어들은, 본 발명이 속하는 당 분야의 당업자에 의해 공통으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 도면들에서, 동일한 도면부호들이 동일한 부품들을 지칭하는 것으로 이해되어야만 한다.
도 1에 개략적으로 예시된 것과 같은 종래 기술의 전형적인 나선형 권취식(spiral wound) 주 열교환기를 사용하면, 튜브 다발은 나선형 권취식이며, 이에 의해 횡단면에서 보았을 때 각각의 튜브 측류가 튜브 다발의 전체 반경을 가로질러 임의식으로(randomly) 아직은 균일하게 배열된 복수 개의 별개의(individual) 튜브들 내로 임의로 부여된 형식의 튜브 측류의 질량 유동(mass flow)을 균일하게 분배하도록 배열된 하나 또는 그 보다 많은 유동 제어 노즐들을 통해 튜브 다발에 도입된다. 보다 자세하게는, 각각의 노즐은, 튜브 다발 내에 있는 별개의 튜브들의 각각의 층 사이에서 균일하게 분배되도록 각각의 튜브 측류의 질량 유동을 유발한다. 튜브 다발이 별개의 튜브들의 복수 개의 층들을 갖도록 권취될 때, 임의로 부여된 노즐로부터 임의로 부여된 튜브 측류의 질량 유동이 복수 개의 층들의 각각을 가로질러 균일하게 분할된다. 최종 결론(net result)은 축 방향 및 반경 방향으로 튜브 다발을 통해 취한 임의로 부여된 횡단면을 가로질러 모든 노즐이 그의 질량 유동의 균일한 양을 분배한다는 점이다. 유사한 방식으로, 주 열교환기의 차가운 튜브 다발의 냉단부에서 쉘 측에 진입하는 경질 냉매의 질량 유동이, 제 1 분배기(도시 생략)를 사용하여 쉘 측을 가로질러 분배되고, 그리고 따뜻한 튜브 다발의 냉단부에서 쉘 측에 진입하는 중질 냉매의 질량 유동이, 제 2 분배기(도시 생략)를 사용하여 쉘 측을 가로질러 분배된다. 이러한 종래 기술의 배열체는 가능한 한 항상 주 열교환기를 가로질러 열 평형을 균일하게 유지하는데 사용하기 위해 주장되고 있다.
본 발명은, 주 열교환기의 쉘 측 상에서 감소된 압력의 경질 및 중질 냉매 흐름들의 온도, 조성 또는 질량 유동률(flow rate) 분배의 어떠한 불균형도 고치기 어렵다는 점의 실현에 부분적으로 기초한다. 존재하는 증기상이 반경 방향으로의 혼합을 어느 정도 허용하지만, 쉘 측 상에 존재하는 액상에서는, 임의의 상당 범위까지 이루어지지 않으며, 그 결과 튜브 다발을 가로질러 온도의 임의의 불균형이 쉘 측 상에서 조절함으로써 보정될 수 없다. 그 대신에, 출원인들은 쉘 측 상에서의 임의의 불균형을 보상하기 위해서 튜브 측류들 중 하나 이상의 질량 유동을 조절함으로써 효율의 개선이 이루어질 수 있다는 것을 실현하였다. 본 발명은, 나선형 권취식 열교환기의 구조의 이러한 전통적인 방법이 주 열교환기의 쉘 측 상에서의 냉각의 불균형시 발생하는 문제들을 해결하는 어떠한 기구도 제공하지 않는다는 점을 부분적으로 실현한 것에 더 기초한다.
본 발명의 방법을 이용하면, 임의로 부여된 노즐이 튜브 다발 중 단지 하나의 영역 내로 튜브 측류를 공급하며, 각각의 영역이 별개의 튜브들의 복수 개의 층들을 포함하도록 튜브 다발이 권취되므로, 튜브 다발 내에 있는 각각의 영역으로의 튜브 측류의 질량 유동이 별도로 제어될 수 있다. 이러한 제어 수준을 제공함으로써, 다발의 각각의 영역으로의 각각의 튜브 측류의 질량 유동은, 불균일한 분배가 언제 어디에서 발생하더라도 쉘 측 상의 냉각의 불균일한 분배를 보상하기 위해서 조절될 수 있다. 유리하게는, 각각의 별도의 노즐(및 이에 따라 각각의 별도의 영역)을 통한 조절가능한 질량 유동들은, 또한 용기(vessel) 상에서 발생할 수 있는 오랜 시간에 걸친 공급물 가스 조성의 변화들 또는 주 열교환기의 수직 정렬의 변화에 기인하여 다른 방식으로 발생할 수 있는 열전달 불균형 문제들을 시정하기 위해서 사용될 수 있다. 환원하면, 주 열교환기의 온단부에서 쉘 측으로부터 제거되는 기화된 냉매 흐름의 온도는 하기에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이 튜브 다발의 각각의 영역에서 튜브 측류의 질량 유동을 별도로 조절함으로써 최대화된다. 최대 효율을 얻기 위한 다른 방식은, 각각의 영역에 대하여 튜브 측류들의 출구 온도가 가능한 한 동등해지는 것을 보장하는 것이다. 무엇보다 중요한 목적은 쉘 측 듀티가 불균형일지라도, 튜브 측 듀티와 쉘 측 듀티를 일치시키는 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 주 열교환기(12)의 튜브 측류를 냉각하는 방법 또는 플랜트(10)의 일 실시예를 예시한다. 주 열교환기(12)는 코일 권취식 튜브 다발(18)이 그 안에서 중심 맨드릴(19) 둘레에 배치되는 쉘 측(16)을 규정하는 벽(14)을 가지며, 주 열교환기(12)는 온단부(20)와 냉단부(22)를 갖는다. 튜브 측류의 제 1 질량 유동(28)은 제 1 노즐(25)을 통해 제 1 영역(24)의 온단부(20)에 공급된다. 튜브 측류의 제 2 질량 유동(30)은 제 2 노즐(27)을 통해 제 2 영역(26)의 온단부(20)에 공급된다. 제 2 영역(26)은, 주 열교환기(12)의 중심 맨드릴(19)로부터 벽(14)으로 신장하는 반경에 제 1 영역(24)으로부터 오프셋된다. 도 3에 예시된 실시예에서, 튜브 다발(18)은 제 1 영역(24)과 제 2 영역(26) 사이에 배열된 선택적인 제 3 중간 영역(35)을 더 포함하고, 상기 제 3 영역(35)에는 제 3 노즐(39)에 의해 튜브 측류의 제 3 질량 유동(37)이 공급된다. 각각의 영역으로의 공급이 별도의(separate) 노즐들에 의해서만 제어된다면, 임의의 개수의 영역들이 사용될 수 있음이 이해된다. 각각의 영역 내에서, 별개의 튜브들은 균일하게 분배되어 유지되고 복수 개의 층들에 배열될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 튜브 측류의 제 1 및 제 2 질량 유동들(각각, 28 및 30)에 냉각을 제공하기 위해서, 단일의 또는 혼합된 냉매 흐름(31)이 주 열교환기의 냉단부(22)에 도입되고 쉘 측(16) 상에서 증발된다. 증발된 냉매 흐름(74)이 주 열교환기(12)의 온단부(20)로부터 제거된다. 주 열교환기(12)의 온단부(20)로부터 제거되는 증발된 냉매 흐름(74)의 온도를 최대화시키기 위해서, 제 1 영역(24)을 통해서만 흐르는 제 1 질량 유동(28)이 제 2 영역(26)을 통해서만 흐르는 제 2 질량 유동(30)에 대해서 별도로 조정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 주 열교환기(12)의 온단부(20)로부터 제거되는 증발된 냉매 흐름(74)의 온도는, 맨드릴(19)의 길이에 대한 제 1 축 방향 위치(33)에서 측정된 바와 같은 제 1 질량 유동(28)의 온도와 상기 제 1 축 방향 위치(33)에서 측정된 바와 같은 제 2 질량 유동(30)의 온도를 동등하게 함으로써 최대화된다. 제 1 영역(24)의 상기 튜브 측류의 온도가 튜브 다발(18)의 길이를 따라 임의로 부여된 축 방향 위치에서의 제 2 영역(26)의 상기 튜브 측류의 온도에 일치되는 것을 보장하기 위해서, 제 1 및 제 2 노즐(각각, 25 및 27)들 중 하나 또는 양자에 의해 공급된 질량 유동이 이런 방식으로 조절된다. 예시로서, 최대 효율을 위해서, 제 1 질량 유동(28)의 출구 온도가 냉단부(22)의 제 2 질량 유동(30)의 출구 온도와 동등해야 함이 이상적이지만, 용어 "동등(equalize)"은, 본 명세서 및 청구범위 전체에서, 제 1 질량 유동(28)의 출구 온도가 냉단부(22)의 제 2 질량 유동(30)의 출구 온도에 더욱 근접하게 접근하는 결과를 이루기 위해서 제 1 및 제 2 질량 유동(각각, 28 및 30)들 중 하나 이상의 증분(incremental) 조절을 언급하는 데 사용된다.
도 3에 예시된 실시예에서, 제 1 질량 유동(28)의 온도는 제 1 온도 센서(32)를 사용하여 측정되며, 제 2 질량 유동(30)의 온도는 제 2 온도 센서(34)를 사용하여 측정된다. 도 2를 참조하면, 주 열교환기(12)의 온단부(20)로부터 제거되는 증발된 냉매 흐름(74)의 온도는 제 3 온도 센서(75)를 사용하여 측정된다.
방법의 일 실시예의 자동화를 위해서, 제 1 온도 센서(32)에 의해 측정된 온도를 나타내는 제 1 신호(35)가 제어기(40)를 사용하여 제 2 온도 센서(34)에 의해 측정된 온도를 나타내는 제 2 신호(41)와 비교된다. 이후, 제 1 및 제 2 신호(35 및 41)들을 동등하게 하기 위해서, 제어기(40)는 제 1 노즐(25)에 의해 제 1 영역(24)에 공급된 질량 유동을 제 2 노즐(27)을 통해 제 2 영역(26)에 공급되는 질량 유동에 대해서 별도로 조절하는데 사용된다. 대안으로 또는 추가로, 제 3 온도 센서(75)에 의해 측정된 온도를 나타내는 제 3 신호(77)가 제어기(40)에 제공된다. 이후, 증발된 냉매 흐름(74)의 온도를 최대화하기 위해서, 제어기(40)는 제 1 노즐(25)에 의해 제 1 영역(24)에 공급된 질량 유동을 제 2 노즐(27)을 통해서 제 2 영역(26)에 공급된 질량 유동에 대해서 조절하는데 사용된다. 튜브 다발(18)이 선택적인 제 3 중간 영역(35)을 더 포함할 때, 제 3 노즐(39)을 통해 공급된 제 3 질량 유동(37)의 조절을 허용하기 위해서, 제어기(40)는 유사한 방식으로 제 3 중간 영역에서의 온도를 나타내는 제 4 신호를 수신할 수 있다.
주 열교환기(12) 내로의 전체 질량 유동은 주 열교환기(12)의 상류 또는 하류에서 제어되는 것으로 이해된다. 그 결과, 노즐(25, 27 또는 39)들 중 어느 것으로의 제어기(40)에 의해 이루어진 조절은, 노즐(25, 27, 또는 39)들 중 나머지를 통과하는 상대적 질량 유동을 변화시킬 것이지만, 주 열교환기를 통과하는 전체 질량 유동을 일정하게 유지한다.
도 3에 예시된 실시예에서, 각각의 노즐에는 유동 밸브, 예컨대 저압의 나비 밸브(butterfly valve)가 제공되고, 각각의 노즐은 그 노즐을 통과하는 질량 유동의 조절을 용이하게 하기 위해서 튜브 측류의 유입구 또는 배출구(튜브 다발의 냉단부의 상류 또는 하류)에 위치된다. 이에 따라, 제 1 노즐(25)을 통과하는 질량 유동이 제 1 밸브(45)를 사용하여 제어가능하게 조절되는 한편, 제 2 노즐(27)을 통해 질량 유동이 제 2 밸브(47)를 사용하여 제어가능하게 조절된다. 유리하게는, 제 1 및 제 2 밸브(각각, 45 및 47)들 중 하나 또는 양자가 주 열교환기 외부에 있을 때, 제 1 및 제 2 노즐(각각, 25 및 27)들을 통과하는 질량 유동률의 조절이 주 열교환기 오프라인을 가질 필요없이 발생할 수 있으며, 이에 의해 작동중지(shutdown)와 관련된 생산의 파괴적 손실을 회피한다.
이하, 주 열교환기(12)에서 천연 가스의 형태인 기체 상태의 메탄 부화 공급물 가스를 액화하는 플랜트(10)를 개략적으로 예시하는 도 2를 참조한다. 이 실시예에서, 주 열교환기(12)의 벽(14)은, 온단부(52)와 냉단부(54)를 갖는 따뜻한 튜브 다발(50) 및 온단부(58)와 냉단부(60)를 갖는 차가운 튜브 다발(56)을 포함하는 2 개의 튜브 다발들이 그 안에 배열되는 쉘 측(16)을 규정한다. 따뜻한 튜브 다발(50)은 주 열교환기(12)의 온단부(20)를 향해 배열되고, 차가운 튜브 다발(56)은 주 열교환기(12)의 냉단부(22)를 향해 배열된다. 도 2에 예시된 실시예에서, 튜브 다발은 하기에서 더 자세히 설명하는 바와 같이 제 1 튜브 측류(62), 제 2 튜브 측류(64) 및 제 3 튜브 측류(66)를 수용하기 위해서 배열된다. 그러나, 본 발명은, 임의로 부여된 튜브 측류 중 제 1 질량 유동이 별개의 튜브들의 제 1 서브세트를 통해 흐르도록 지향되고 상기 튜브 측류 중 제 2 질량 유동이 각각의 튜브들의 제 2 서브세트를 통해 흐르도록 지향되며, 이들 별개의 튜브의 제 1 및 제 2 서브세트 각각이 코일 권취식 튜브 다발을 가로질러 반경 방향으로 오프셋되는 경우에만 단지 하나 또는 두 개의 튜브 측류들에 의해 작동하는 주 열교환기에 동일하게 적용한다.
도 2에 예시된 실시예에서, 제 1 튜브 측류(62)는 기체 상태의 메탄 부화 공급물로서 따뜻한 튜브 다발(50)에 상승된 압력으로 진입하며, 상기 공급물은 따뜻한 튜브 다발(50)의 냉단부(54)로부터 차가운 튜브 다발(56)의 온단부(58) 내로 공급물이 통과할 때까지 액화되고 부분적으로 과냉된다(sub-cooled). 제 1 튜브 측류(62)는 부분적으로 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발(56)의 온단부(58)에 진입하고, 추가로 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발(56)의 냉단부(60)를 나간다. 차가운 튜브 다발(56)을 통해 통과함에 따라, 제 1 튜브 측류(62)는 차가운 튜브 다발(56)의 쉘 측(16) 상에서 점진적으로 증발된 우세한 액체의 경질 냉매 흐름(68)과 열교환한다. 그 결과로 발생한 과냉된 액화형의 제 1 튜브 측류(70)가 스토리지(72)에 지향되기 이전에 주 열교환기(12)의 냉단부(22)로부터 제거된다.
주 열교환기(12)의 온단부(20)에서 쉘 측(16)으로부터 제거된 기화된 혼합 냉매 흐름(74)은, 기화된 냉매 흐름(74)이 고압 냉매 흐름(80)을 형성하기 위해 압축되는 제 1 및 제 2 냉매 압축기들(76 및 78)에 공급된다. 이후, 고압 냉매 흐름(80)이 부분적으로 응축되는 혼합 냉매 흐름(84)을 생산하기 위해서 냉각되는 하나 또는 그 보다 많은 열교환기(82)로 지향되며, 상기 혼합 냉매 흐름은 이후 액체 형태의 중질 냉매 부분(fraction)(88)과 기체 형태의 경질 냉매 부분(90)으로 분리되도록 분리기(86)로 지향된다. 중질 냉매 부분(88)은 액체로서 따뜻한 튜브 다발(50)의 온단부(52)에 진입하며 과냉된 중질 냉매 흐름(92)으로서 따뜻한 튜브 다발(50)의 냉단부(54)를 나가는 제 2 튜브 측류(64)가 된다. 이렇게 함으로써, 중질 냉매의 제 2 튜브 측류는 주 열교환기의 따뜻한 튜브 다발을 통해 통과함에 따라 항상 액체로 유지된다.
따뜻한 튜브 다발(50)의 냉단부(54)에서 제거된 과냉된 중질 냉매 흐름(92)은, 제 1 팽창 장치(94), 예컨대 줄-톰슨 밸브("J-T 밸브")를 가로질러 팽창되어 감압된 중질 냉매 흐름(96)을 형성하고, 이 감압된 중질 냉매 흐름은 이후 따뜻한 튜브 다발(50)의 냉단부(54)와 차가운 튜브 다발(56)의 온단부(58) 사이의 중간 위치에서 주 열교환기(12)의 쉘 측(16) 내로 도입된다. 이로써, 감압된 중질 냉매 흐름(96)은 쉘 측에서의 기화를 허용하게 되며, 이에 의해 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류(각각, 62, 64 및 66)들이 따뜻한 튜브 다발(50)을 통해 통과함에 따라 이들 측류의 유체들을 냉각시키는 냉매 흐름(31)들 중 하나이다.
분리기(86)로부터 경질 냉매 부분(90)의 일부는 기체로서 따뜻한 튜브 다발(50)의 온단부(52) 내로 도입되는 제 3 튜브 측류(66)가 되고, 그리고 과냉된 액체의 경질 냉매 흐름(100)으로서 차가운 튜브 다발(56)의 냉단부(60)를 나간다. 보다 자세하게는, 제 3 튜브 측류(66)는 이 측류가 따뜻한 튜브 다발(50)을 통과함에 따라 기체로부터 액체로 냉각되고 부분적으로 과냉되고, 이 측류가 차가운 튜브 다발(56)을 통과함에 따라 과냉 액체로 더 냉각된다. 주 열교환기(12)의 냉단부(22)로부터 제거된 과냉된 경질 냉매 흐름(100)은 제 2 팽창 장치(102), 예컨대 J-T 밸브를 통해 팽창되어 감압을 유발하여 감압된 경질 냉매 흐름(104)을 발생시킨다. 이에 의해, 감압된 경질 냉매 흐름(104)은 주 열교환기(12)의 쉘 측(16) 내로 도입되는 다른 냉매 흐름(31)들이다. 이 경우에, 감압된 경질 냉매 흐름(104)은 차가운 튜브 다발(56)에 냉각을 제공하기 위해서 쉘 측(16)에서 기화되기 시작하고, 이에 의해 제 1 및 제 3 튜브 측류(각각, 62 및 66)들의 유체들이 차가운 튜브 다발(56)을 통해 이동함에 따라 이들 측류들의 유체들을 냉각시킬 뿐만 아니라 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류(각각, 62, 62 및 66)들의 유체들이 따뜻한 튜브 다발(50)을 통해 이동함에 따라 이들 측류들의 유체들에 냉각을 제공한다.
본 발명의 방법 및 장치가 액화 천연 가스를 얻기 위해서 기체 상태의 메탄 부화 공급물의 액화를 위해 사용될 때, 튜브 측류는 제 1 튜브 측류, 제 2 튜브 측류 또는 제 3 튜브 측류 중 하나 또는 그 보다 많은 것일 수 있다. 리밸런싱(rebalancing)을 필요로 하는 튜브 측류(들)의 선택은 튜브 측류 출구들에서의 튜브 다발의 냉단부를 가로지르는 상이한 영역들에 대해 측정된 온도 차이의 크기에 따를 것이다.
예시로서, 튜브 다발의 냉단부의 제 1 영역을 나가는 제 1 튜브 측류의 온도는 튜브 다발의 냉단부의 제 2 영역을 나가는 제 1 튜브 측류의 온도와 비교될 수 있다. 이 예시에서, 튜브 다발의 온단부로의 제 1 튜브 측류의 질량 유동은, 튜브 다발의 냉단부의 제 1 영역을 나가는 제 1 튜브 측류의 온도가 튜브 다발의 냉단부의 제 2 영역을 나가는 제 1 튜브 측류의 온도에 더 근접하게 움직일 때까지 리밸런싱된다. 튜브 다발의 냉단부의 제 1 영역을 나가는 제 1 튜브 측류의 온도가 튜브 다발의 냉단부의 제 2 영역을 나가는 제 1 튜브 측류의 온도보다 더 높다면, 제 1 튜브 측류의 유동을 튜브 다발의 온단부의 제 1 영역으로 제한함으로써 질량 유동의 리밸런싱 단계가 얻어진다. 이렇게 하여, 튜브 다발의 온단부 내로의 제 1 튜브 측류의 전체 질량 유동률이 변화하지 않음에 따라 튜브 다발의 온단부의 제 2 영역으로의 제 1 튜브 측류의 질량 유동은 본질적으로 증가된다.
유사하게, 추가의 예시로서, 따뜻한 튜브 다발의 냉단부의 제 1 영역을 나가는 제 2 튜브 측류의 온도는 따뜻한 튜브 다발의 냉단부의 제 2 영역을 나가는 제 2 튜브 측류의 온도와 비교될 수 있다. 이러한 예시에서, 따뜻한 튜브 다발의 온단부 내로의 제 2 튜브 측류의 질량 유동은, 따뜻한 튜브 다발의 냉단부의 제 1 영역을 나가는 제 2 튜브 측류의 온도가 따뜻한 튜브 다발의 냉단부의 제 2 영역을 나가는 제 2 튜브 측류의 온도와 같아지도록 더 근접하게 움직일 때까지, 리밸런싱된다. 따뜻한 튜브 다발의 냉단부의 제 1 영역을 나가는 제 2 튜브 측류의 온도가 따뜻한 튜브 다발의 냉단부의 제 2 영역을 나가는 제 2 튜브 측류의 온도보다 낮다면, 질량 유동의 리밸런싱 단계는 제 2 튜브 측류의 유동을 따뜻한 튜브 다발의 온단부의 제 2 영역으로 제한함으로써 얻어진다. 이렇게 하여, 따뜻한 튜브 다발의 온단부 내로의 제 2 튜브 측류의 전체 질량 유동률이 변화하지 않음에 따라 따뜻한 튜브 다발의 온단부의 제 1 영역으로의 제 2 튜브 측류의 질량 유동은 본질적으로 증가된다.
다발 내에 임의로 부여된 영역으로의 튜브 측류의 질량 유동의 제한은, 상기 영역으로 그 측류의 질량 유동을 지향시키는 것을 맡고 있는 노즐 또는 밸브를 통해 질량 유동들을 조절함으로써 얻어질 수 있다. 튜브 다발의 임의로 부여된 영역에 대해 튜브 다발의 냉단부를 나가는 상기 튜브 측류의 온도 차이를 보상하기 위해서, 상기 영역을 위해 조절될 필요가 있는 노즐을 통과하는 유동의 정도를 판정하는 것은 당업자에게는 일상적인 문제로 고려된다. 이는, 당 분야에 잘 알려진 모델링 기술들을 이용하여 얻어질 수 있다.
본 발명의 실시예들이 상세히 기술되어 있는데, 다양한 변형예들 및 변경예들이 본 발명의 기본 개념들을 벗어나지 않고 만들어질 수 있음은 당 분야의 당업자에게는 명백할 것이다. 예컨대, 복수 개의 쉘 측 온도 센서(71)들이 튜브 다발 내의 각각의 영역의 온도를 나타내는 복수 개의 해당 신호들을 제공하는데 사용될 수 있다. 이러한 복수 개의 신호들은 상기 영역들로의 튜브 측류의 질량 유동의 제어된 조절을 용이하게 하기 위해 제어기(40)에 공급될 수 있다. 이러한 모든 변형예들 및 변경예들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려되고, 본 발명의 특징은 전술한 설명 및 첨부의 특허청구범위로부터 결정된다.
본 명세서에서 인용된 임의의 특허들은 참조에 의해 본원에 포함된다. 종래 기술의 다수의 공보들이 본원에 참조되고 있지만, 이러한 참조는, 이들 문헌들 중 일부가 당 분야의 공통의 일반적인 지식의 일부를 형성하는 것이 호주 또는 다른 나라에서 허용되는 것을 성립시키지는 않는다는 점은 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 요약서, 명세서 및 후속하는 청구범위들에서, 언어 또는 필요한 암시를 표현함으로 인하여 문맥이 다른 방식을 필요로 하는 경우를 제외하고는, 용어" 포함하는" 또는 "포함하는"의 변형들은 총괄적인 의미로 사용되며, 즉 전술한 특징들의 존재를 상세하지만 본 발명의 다양한 실시예들의 추가의 특징들의 존재 또는 부가를 제외하는 것은 아니다.

Claims (37)

  1. 온단부(warm end)와 냉단부(cold end)를 갖는 주 열교환기의 튜브 측류(side stream)를 냉각시키는 방법으로서,
    상기 주 열교환기는 쉘 측을 규정하는 벽을 포함하며, 상기 쉘 측 내에서 코일 권취식 튜브 다발이 중앙 맨드릴(mandrel) 둘레에서 배열되는 주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법에 있어서,
    a) 상기 튜브 측류의 제 1 질량 유동(mass flow)을 제 1 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 1 영역의 온단부에 공급하는 단계;
    b) 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동을 제 2 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 2 영역의 온단부에 공급하는 단계로서, 상기 제 2 영역은 중앙 맨드릴로부터 주 열교환기의 벽으로 연장하는 반경을 따라 제 1 영역으로부터 오프셋되는, 공급하는 단계;
    c) 기화된 냉매 흐름을 형성하기 위해서 제 1 및 제 2 질량 유동들을 냉각시키는 쉘 측 상에 냉매 흐름을 공급하는 단계;
    d) 상기 기화된 냉매 흐름을 주 열교환기의 온단부로부터 제거하는 단계; 및
    e) 상기 d) 단계에서 제거된 기화된 냉매 흐름의 온도를 최대화하기 위해서 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대해 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하는 단계를 포함하는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 e) 단계는 상기 제 1 및 제 2 노즐들 중 하나 또는 양자에 공급된 질량 유동을 조절함으로써 상기 맨드릴의 길이에 대한 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 1 질량 유동의 온도와 상기 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 2 질량 유동의 온도를 동등화하는 단계를 포함하는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 온도 센서는 상기 제 1 질량 유동의 온도를 나타내는 제 1 신호를 발생시키고, 제 2 온도 센서는 상기 제 2 질량 유동의 온도를 나타내는 제 2 신호를 발생시키고, 상기 e) 단계는 제 1 신호와 제 2 신호를 동등화하기 위해서 상기 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대한 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하도록 제어기를 사용하는 단계를 포함하는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 축선 방향 위치는 상기 주 열교환기의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접해 있는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 상기 튜브 다발의 내부 영역이며, 상기 제 2 영역은 상기 튜브 다발의 외부 영역인,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 1 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절되고, 상기 제 2 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 2 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 주 열교환기의 외부에 있는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 페일 세이프식(fail-safe) 개방형 저압 드롭 밸브인,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브 및 제 2 밸브 중 하나 또는 양자는 상기 튜브 측류의 온단부와 냉단부 중 하나 또는 양자에 위치되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐은, 제 1 튜브 시트(sheet)를 통해 상기 제 1 영역에 튜브 유체를 공급하고, 상기 제 2 노즐은, 제 2 튜브 시트를 통해 상기 제 2 영역에 튜브 사이드 유체(side fluid)를 공급하는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브 다발은 상기 주 열교환기의 온단부를 향해 배열된 따뜻한 튜브 다발 및 상기 주 열교환기의 냉단부를 향해 배열된 차가운 튜브 다발을 포함하고, 상기 따뜻한 튜브 다발과 차가운 튜브 다발 각각은 온단부와 냉단부를 가지며, 상기 제 1 위치는 상기 따뜻한 튜브 다발의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접해 있는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 튜브 측류는, 액체로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부에 진입하고 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발의 냉단부를 나가는 제 1 튜브 측류인,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브 측류는, 따뜻한 튜브 다발의 온단부로부터 차가운 튜브 다발의 온단부 내로 통과할 때까지 액화되었던 기체 상태의 메탄 부화 공급물로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부에 진입하는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브 측류는 액체로서 차가운 튜브 다발의 온단부로 진입하고 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발의 냉단부를 나가는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 과냉된 액체는 스토리지(storage)로 지향되기 이전에 주 열교환기의 차가운 튜브 다발의 냉단부로부터 제거되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브 측류는 차가운 튜브 다발의 쉘 측에서 점진적으로 증발되는(boiled off) 우세한 액체의 경질(light) 냉매 흐름에 의해 열교환 하는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 주 열교환기의 쉘 측의 온단부로부터 제거되는 기화된 냉매는, 기화된 냉매가 고압 냉매 흐름을 형성하도록 압축되는 제 1 및 제 2 냉매 압축기들에 공급되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 고압 냉매 흐름은, 이후 액체 형태의 중질(heavy) 냉매 부분(fraction)과 기체 형태의 경질 냉매 부분을 분리하도록 분리장치로 지향되는 부분적으로 응축된 냉매 흐름을 생산하기 위해 냉각되는 열교환기로 지향되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 중질 냉매 부분은, 액체로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부에 공급되고 액체 형태의 과냉된 중질 냉매 흐름으로서 따뜻한 튜브 다발의 냉단부를 나가는 제 2 튜브 측류가 되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 따뜻한 튜브 다발의 냉단부에서 제거된 과냉된 중질 냉매 흐름은, 이후 따뜻한 튜브 다발의 냉단부와 차가운 튜브 다발의 온단부 사이의 중간 위치에서 주 열교환기의 쉘 측 내로 도입되는 감압된 중질 냉매 흐름을 형성하기 위해서 제 1 팽창 장치를 가로질러 팽창되며,
    상기 감압된 중질 냉매 흐름은 쉘 측에서 기화하는 것이 허용되며, 이에 의해 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류들의 유체가 따뜻한 튜브 다발을 통해 통과함에 따라 이들 측류들의 유체들을 냉각시키는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 분리 장치로부터 경질 냉매 부분의 일부는, 기체로서 따뜻한 튜브 다발의 온단부로 도입되며 과냉된 액체로서 차가운 튜브 다발의 냉단부를 나가는 제 3 튜브 측류가 되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 3 튜브 측류는, 따뜻한 튜브 다발을 통해 통과함에 따라 기체로부터 액체로 냉각되며, 차가운 다발을 통해 통과함에 따라 액체로부터 과냉된 액체로 냉각되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 차가운 튜브 다발의 냉단부로부터 제거된 과냉된 경질 냉매 흐름은, 감압을 유발하고 감압된 경질 냉매 흐름을 생산하도록 제 2 팽창 장치를 통해 팽창되는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 감압된 경질 냉매 흐름은, 주 열교환기의 냉단부에서 주 열교환기의 쉘 측 내로 도입되고,
    상기 감압된 경질 냉매 흐름은 쉘 측에서 기화되는 것이 허용되며, 이에 의해 제 1 및 제 3 튜브 측류들의 유체가 차가운 튜브 다발을 통해 이동함에 따라 제 1 및 제 3 튜브 측류들의 유체들을 냉각시킬 뿐만 아니라 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류들의 유체가 따뜻한 튜브 다발을 통해 이동함에 따라 제 1, 제 2 및 제 3 튜브 측류들의 유체들에 냉각을 제공하는,
    주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  25. 튜브 측류를 액화시키며 사용시 온단부와 냉단부를 갖는 주 열교환기로서,
    내부에서 코일 권취식 튜브 다발이 배열되는 쉘 측을 규정하는 벽;
    제 1 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 1 영역의 온단부에 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 공급하는 제 1 노즐;
    제 2 노즐을 통해 튜브 다발의 별개의 튜브들의 제 2 영역의 온단부에 튜브 측류의 제 2 질량 유동을 공급하는 제 2 노즐로서, 상기 제 2 영역은 중앙 맨드릴로부터 주 열교환기의 벽으로 연장하는 반경을 따라 제 1 영역으로부터 오프셋되는, 제 2 노즐;
    기화된 냉매 흐름을 형성하기 위해서 제 1 및 제 2 질량 유동들을 냉각하는 쉘 측에 냉매 흐름을 공급하는 분배 장치;
    상기 주 열교환기의 온단부로부터 기화된 냉매 흐름을 제거하는 수단; 및
    온도 센서에 의해 측정되는 바와 같은 기화된 냉매 흐름의 온도를 최대화하기 위해서 제 2 노즐에 의해 공급된 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대한 제 1 노즐에 의해 공급된 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하는 제어 장치를 포함하는,
    주 열교환기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 맨드릴의 길이에 대한 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 1 질량 유동의 온도와 상기 제 1 축선 방향 위치에서의 튜브 측류의 제 2 질량 유동의 온도를 동등하게 하도록 제 1 노즐 및 제 2 노즐 중 하나 또는 양자에 공급되는 질량 유동을 조절하는,
    주 열교환기.
  27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    제 1 온도 센서는 제 1 질량 유동의 온도를 나타내는 제 1 신호를 발생시키고, 제 2 온도 센서는 제 2 질량 유동의 온도를 나타내는 제 2 신호를 발생시키며, 상기 제어 장치는 제 1 신호와 제 2 신호를 동등하게 하도록 튜브 측류의 제 2 질량 유동에 대한 튜브 측류의 제 1 질량 유동을 조절하는,
    주 열교환기.
  28. 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 축선 방향 위치는 상기 주 열교환기의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접한,
    주 열교환기.
  29. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 상기 튜브 다발의 내부 영역에 있으며, 상기 제 2 영역은 상기 튜브 다발의 외부 영역에 있는,
    주 열교환기.
  30. 제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 1 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절되고, 상기 제 2 노즐을 통과하는 질량 유동은 제 2 밸브를 사용하여 제어가능하게 조절되는,
    주 열교환기.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 주 열교환기 외부에 있는,
    주 열교환기.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 페일 세이프식 개방형 저압 드롭 밸브인,
    주 열교환기.
  33. 제 30 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 밸브들 중 하나 또는 양자는 상기 튜브 측류의 온단부와 냉단부 중 하나 또는 양자에 위치되는,
    주 열교환기.
  34. 제 25 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 노즐은 제 1 튜브 시트를 통해 제 1 영역에 튜브 유체를 공급하고, 상기 제 2 노즐은 상기 제 2 튜브 시트를 통해 제 2 영역에 튜브 사이드 유체를 공급하는,
    주 열교환기.
  35. 제 25 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브 다발은 주 열교환기의 온단부를 향해 배열된 따뜻한 튜브 다발, 및 주 열 교환기의 냉단부를 향해 배열된 차가운 튜브 다발을 포함하며, 상기 따뜻한 튜브 다발과 차가운 튜브 다발 각각은 온단부와 냉단부를 가지며, 제 1 영역은 따뜻한 튜브 다발의 냉단부에 있거나 냉단부에 인접한,
    주 열교환기.
  36. 도 2 및 도 3을 참조하여 본원에 기재되고 그리고, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 실질적으로 주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 방법.
  37. 도 2 및 도 3을 참조하여 본원에 기재되고 그리고, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 실질적으로 주 열교환기의 튜브 측류를 냉각시키는 주 열교환기 프로세스.
KR1020127028690A 2010-03-31 2011-03-31 튜브 측류 냉각용 주 열교환기 및 튜브 측류 냉각 방법 KR101843819B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2010901347 2010-03-31
AU2010901347A AU2010901347A0 (en) 2010-03-31 A main heat exchanger and a process for cooling a tube side stream
PCT/AU2011/000373 WO2011120096A1 (en) 2010-03-31 2011-03-31 A main heat exchanger and a process for cooling a tube side stream

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130024907A true KR20130024907A (ko) 2013-03-08
KR101843819B1 KR101843819B1 (ko) 2018-05-14

Family

ID=44711234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127028690A KR101843819B1 (ko) 2010-03-31 2011-03-31 튜브 측류 냉각용 주 열교환기 및 튜브 측류 냉각 방법

Country Status (10)

Country Link
US (2) US9982951B2 (ko)
EP (1) EP2603760B1 (ko)
JP (1) JP5766275B2 (ko)
KR (1) KR101843819B1 (ko)
CN (1) CN103459965B (ko)
AU (1) AU2011235610B2 (ko)
CY (1) CY1122183T1 (ko)
ES (1) ES2745738T3 (ko)
LT (1) LT2603760T (ko)
WO (1) WO2011120096A1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2494294B1 (en) 2009-10-27 2018-12-12 Shell International Research Maatschappij B.V. Apparatus and method for cooling and liquefying a fluid
US8574501B1 (en) * 2012-05-16 2013-11-05 Greenway Innovative Energy, Inc. Natural gas to liquid fuels
DE102016005838A1 (de) * 2016-05-12 2017-11-16 Linde Aktiengesellschaft Gewickelter Wärmeübertrager mit Einbauten zwischen Hemd und letzter Rohrlage
CN106403380A (zh) * 2016-09-18 2017-02-15 河北炫坤节能科技股份有限公司 一种空气源热泵机组的太阳能蒸发装置
RU2690308C1 (ru) * 2018-01-09 2019-05-31 Акционерное общество "Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения имени И.И. Африкантова" (АО "ОКБМ Африкантов") Теплообменный аппарат
GB2571346A (en) * 2018-02-26 2019-08-28 Linde Ag Cryogenic refrigeration of a process medium
US11561049B2 (en) * 2020-05-05 2023-01-24 Air Products And Chemicals, Inc. Coil wound heat exchanger

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2241186A (en) 1940-03-16 1941-05-06 Brown Engineering Corp Liquid cooler
US3450105A (en) * 1967-06-19 1969-06-17 Phillips Petroleum Co Temperature balancing of multipass heat exchanger flows
US4529032A (en) 1978-06-30 1985-07-16 Molitor Industries, Inc. Method of and apparatus for recovery of waste energy
US4313491A (en) * 1978-06-30 1982-02-02 Molitor Industries, Inc. Coiled heat exchanger
JPS589920B2 (ja) * 1978-12-06 1983-02-23 株式会社日立製作所 多連式熱交換器の温度平衡制御方法
JPS6066099A (ja) 1983-09-21 1985-04-16 Hitachi Ltd 多連式熱交換器の温度平衡制御方法
US4809154A (en) * 1986-07-10 1989-02-28 Air Products And Chemicals, Inc. Automated control system for a multicomponent refrigeration system
SE457330B (sv) * 1987-10-20 1988-12-19 Tilly S Roer Ab Anordning foer temperering och homogenisering av troegflytande massor
JPH10115384A (ja) * 1996-07-05 1998-05-06 Moog Inc 弁作動器
US5651270A (en) 1996-07-17 1997-07-29 Phillips Petroleum Company Core-in-shell heat exchangers for multistage compressors
US5791160A (en) * 1997-07-24 1998-08-11 Air Products And Chemicals, Inc. Method and apparatus for regulatory control of production and temperature in a mixed refrigerant liquefied natural gas facility
EG22293A (en) * 1997-12-12 2002-12-31 Shell Int Research Process ofliquefying a gaseous methane-rich feed to obtain liquefied natural gas
NL1008124C2 (nl) 1998-01-26 1999-07-27 Lentjes Standard Fasel Bv Inrichting en werkwijze voor het koelen van gas.
MY128820A (en) * 2000-04-25 2007-02-28 Shell Int Research Controlling the production of a liquefied natural gas product stream
US7594414B2 (en) * 2001-05-04 2009-09-29 Battelle Energy Alliance, Llc Apparatus for the liquefaction of natural gas and methods relating to same
DE10135654B4 (de) * 2001-07-21 2005-09-22 Henting, Bernd Wärmetauscher
EP1357344B1 (en) * 2002-04-23 2008-11-12 ExxonMobil Research and Engineering Company Heat exchanger with floating head
TWI314637B (en) * 2003-01-31 2009-09-11 Shell Int Research Process of liquefying a gaseous, methane-rich feed to obtain liquefied natural gas
JP2005061484A (ja) * 2003-08-08 2005-03-10 Ishikawajima Plant Construction Co Ltd 低温液体加熱方法及びその装置
US7661460B1 (en) * 2003-12-18 2010-02-16 Advanced Thermal Sciences Corp. Heat exchangers for fluid media
US7152428B2 (en) * 2004-07-30 2006-12-26 Bp Corporation North America Inc. Refrigeration system
JP4416670B2 (ja) * 2005-01-24 2010-02-17 株式会社ティラド 多流体熱交換器
US8327923B2 (en) * 2005-07-22 2012-12-11 Linde Aktiengesellschaft Wound heat exchanger with anti-drumming walls
DE102006033697A1 (de) * 2006-07-20 2008-01-24 Linde Ag Stoff- oder Wärmeaustauscherkolonne mit übereinander angeordneten Stoff- bzw. Wärmeaustauscherbereichen wie Rohrbündeln
DE102007036181A1 (de) * 2006-08-04 2008-02-07 Linde Ag Gewickelter Wärmetauscher mit mehreren Rohrbündellagen
US20090025422A1 (en) * 2007-07-25 2009-01-29 Air Products And Chemicals, Inc. Controlling Liquefaction of Natural Gas

Also Published As

Publication number Publication date
CY1122183T1 (el) 2020-11-25
ES2745738T3 (es) 2020-03-03
EP2603760A1 (en) 2013-06-19
CN103459965B (zh) 2015-12-09
JP2013524140A (ja) 2013-06-17
US20130068431A1 (en) 2013-03-21
WO2011120096A1 (en) 2011-10-06
AU2011235610B2 (en) 2014-03-20
CN103459965A (zh) 2013-12-18
EP2603760B1 (en) 2019-07-03
LT2603760T (lt) 2019-09-10
KR101843819B1 (ko) 2018-05-14
US9982951B2 (en) 2018-05-29
US20180058776A1 (en) 2018-03-01
EP2603760A4 (en) 2018-02-28
JP5766275B2 (ja) 2015-08-19
AU2011235610A1 (en) 2012-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20130024907A (ko) 튜브 측류 냉각용 주 열교환기 및 튜브 측류 냉각 방법
EA002008B1 (ru) Способ сжижения газообразного обогащенного метаном сырья с получением сжиженного природного газа
RU2010119502A (ru) Способ и устройство для регулирования компрессора для хладагента и их использование в способе охлаждения потока углеводородов
AU2007324597B2 (en) Method and apparatus for providing uniformity of vapour and liquid phases in a mixed stream
KR101728996B1 (ko) 튜브 측류를 액화시키는 프로세스에서의 주 열교환기의 리밸런싱
AU2019204704B2 (en) System and method for operating a liquefaction train
RU2765593C1 (ru) Витой теплообменник
RU2803106C2 (ru) Способ эксплуатации спирального теплообменника и системы теплообменников, содержащей спиральный теплообменник
RU2751049C1 (ru) Установка для сжижения природного газа
RU2807843C1 (ru) Витой теплообменник
US20220316795A1 (en) Method for liquefying natural gas with improved injection of a mixed refrigerant stream
US20230147084A1 (en) Mitigation of Shell-Side Liquid Maldistribution in Coil Wound Heat Exchanger Bundles

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant