KR20130056294A - 통합형 액체 저장조 - Google Patents

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KR20130056294A
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conduit
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폴 히긴보탐
앤서니 너트 제임스 토팜
케빈 데이비드 토마스 탭스필드
존 크로포드 로스맨
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 가스 액화 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 가스 액화 방법은, 적어도 온간 팽창기 및 냉간 팽창기를 포함하는 액화기에 공급 스트림을 주입하는 단계와, 액화기 내의 공급 스트림을 공급 스트림의 임계 압력보다 큰 압력까지 압축하고, 고압 조밀상 스트림을 형성하기 위해 압축된 공급 스트림을 압축된 공급 스트림의 임계 온도 미만의 온도까지 냉각시키는 단계와, 액화기로부터의 고압 조밀상 스트림을 제거하고, 최종 2상 스트림을 형성하기 위해 팽창 장치에서 고압 조밀상 스트림을 감압시킨 다음, 최종 2상 스트림을 저장 탱크에 직접 주입하는 단계와, 결합 증기 스트림을 형성하기 위해 최종 2상 스트림의 플래시 부분을 저장 탱크 내의 액체로부터의 증발 증기와 결합시키는 단계를 포함하며, 고압 조밀상 스트림의 온도는 냉간 팽창기의 배출 스트림의 온도보다 낮다.

Description

통합형 액체 저장조{INTEGRATED LIQUID STORAGE}
본 발명은 통합형 액체 저장조에 관한 것이다.
질소 액화기는 당해 기술 분야에 주지되어 있는데, 통상 질소 발생기, 예컨대 공기 분리 장치(ASU)에 링크된다. 예컨대, 액화기는 ASU로부터의 저압 가스 질소를 액화하는데 사용될 수도 있다. 또한, 액화기는 액화를 목적으로 더 높은 압력에서 그리고/또는 극저온에서 ASU로부터의 공급물의 적어도 일부를 수용할 수도 있다.
종래의 액화 공정에서, 고압 질소는 조밀상 유체(즉, 자체의 임계 온도 미만의 그리고 자체의 임계 압력을 초과하는 유체)를 형성하기 위해 극저온으로 냉각된 다음, 통상 밸브 또는 조밀 유체 팽창기를 사용하여 감압됨으로써, 어느 정도의 플래시 증기를 포함하는 액체를 대체로 형성한다. 이런 2상 혼합물은 후속하여 분리기에 공급된다. 통상, 냉간 팽창기가 증기 또는 약간 액화된 스트림을 분리기 내로 배출한다. 분리기로부터의 증기는 주위 온도로 다시 가온된 다음, 액화 공정에서 재순환되지만, 액체는, 예컨대 단열된 액체 저장 탱크에 공급되기 전에 과냉각된다. 이런 과냉각은, 저압의 비등액에 대한 열교환에 의해 과냉각기 내에서 간접적으로 유발되거나, 더 낮은 압력의 제2 분리기 내에서의 감압에 의해 유발될 수도 있다. 과냉각기를 사용함으로써, 충분한 압력이 액체에 유지되어, 예컨대 펌프를 사용하지 않고도 액체를 저장조로 전달할 수 있다.
액화기에서 생성된 액체의 일부는 예컨대 추후 사용을 위해 단열된 액체 저장 탱크에 저장되거나 탱크 로리에 의해 수출되거나, 액체의 다른 부분은 예컨대 냉장(refrigeration)을 위해 ASU로 복귀될 수도 있다.
제2 분리기가 사용되는 경우, 추가의 펌프를 사용하지 않기 위해서는 제2 분리기는 저장 탱크의 높이 위로 상승되어야 한다.
그러나, 단열된 액체 저장 탱크에 액체를 저장하는 것은 단순한 해결책이 아니다. 예컨대, 불완전한 단열로 인해 열이 주변에서 단열된 액체 저장 탱크 내로 누출될 수 있다. 또한, 단열된 액체 저장 탱크에 저장된 액체의 일부가 증발됨으로써, 이런 손실을 보상하기 위해 추가적인 액체를 생성할 필요가 있게 된다. 통상, 단열된 액체 저장 탱크 내에서의 액체 증발로 인해 형성되는 냉증기는 단열된 액체 저장 탱크의 압력이 상승하는 것을 방지하기 위해 대기로 통기되지만, 냉각물질(refrigeration)이 액화 공정 중에 후속하여 손실되게 된다.
따라서, ASU 플랜트에 링크된 상술된 질소 액화기는 몇몇 이유로 인해 문제가 있었다. 첫째, 단열된 액체 질소 탱크로부터의 플래시 증기 또는 증발 냉증기의 회수에 냉풍기가 사용될 필요가 있었다. 냉풍기는 탱크로부터의 플래시 증기 또는 증발 냉증기를 가압시켜 충분한 압력에서 액화기 또는 ASU로 재이송되어 플래시 증기 또는 증발 냉증기의 냉각물질이 회수될 수 있게 하는데 사용되었다. 그러나, 송풍기가 사용되는 경우에는, 송풍기의 파워가 증발 증기의 차가운 스트림에 열로서 결국 추가되기 때문에, 냉각물질의 일부만이 회수될 수 있다. 또한, 송풍기는 불편하고 설치 및 유지에 돈이 많이 들며 이런 시스템 및 공정을 또한 복잡하게 만들기 때문에, 송풍기 사용은 비경제적이다.
둘째, 냉간 단부 액체 질소 분리기를 사용하는 것은 공정을 복잡하게 하고, 분리기 모두가 단열된 냉간 박스에 내장되어야하기 때문에 실시 비용을 더 증가시킨다. 복잡한 대형 냉간 박스는 해상 운송 노선으로 예정되어 있는 경우 처리하기 어려울 수 있는데, 왜냐면 어떤 목적지는 이런 사전 단열된 대형 로드(즉, 냉간 박스 로드)로는 도달하기 힘들거나 도달하는 것이 불가능할 수도 있기 때문이다.
셋째, 액화 공정은 통상 탱크 내에 형성된 플래시 가스를 감소시키기 위해 과냉각기를 포함하고 있다. 이런 과냉각기로 인해, 바람직하지 않은 비용 및 복잡성이 공정에 또한 추가된다.
또한, 종래의 액화기(즉, 현재 통상적으로 사용되는 액화기 이전에 사용된 액화기)는 단일 팽창기 및 단일 분리기 장치만을 사용하였지만, 이런 종래의 액화기는 비교적 비효율적이었다. 액화기의 효율을 증가시키기 위해, 이후의 액화기 디자인은 중간 압력에서 플래시 증기를 회수하기 위해 복수의 팽창기 및 복수의 분리기를 사용하였다. 다년간 오늘에 이르기까지 중간 압력에서 플래시 증기를 회수하는 것이 필요하다고 여겨졌는데, 왜냐면 액체 저장 탱크에 진입하는 액체 생성물로 인해 형성된 플래시 증기는 바람직하지 않은 것으로서 저장 탱크의 압력을 제어하기 위해선 대기로 통기 되어야했기 때문이다. 이런 통기로 인해, 플래시 증기로 인한 바람직한 냉각물질의 손실이 유발되기 마련이었다.
따라서, 냉간 송풍기, 냉간 단부 분리기 또는 과냉각기의 복잡성 없이 탱크 플래시 및 증발 증기 회수의 효율 이점이 있는 단순하고 저비용의 액화 공정이 산업용 가스 산업에서 요구된다.
본 명세서에 개시된 실시예들은, 플래시 분리기(flash separator)로서 액체 저장 탱크를 사용하는 단순화된 효율적인 액화기를 제공하고 그리고 이런 액화기를 통해 저장조로부터 플래시 및 증발 증기를 회수함으로써, 당해 기술 분야의 요구를 충족시킨다. 분리기 및 과냉각기는 액화기 디자인 및 공정에서 제거될 수도 있다. 액화기의 냉간 부분(cold portion)은 기본적으로 오직 열교환기 및 배관이기 때문에, 이런 냉간 부분은 직접 단열되어 별도의 냉간 박스 구조체가 제거될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 효율적은 액화기 디자인 및 공정의 구성에 대한 종래의 기술 사상에 반하는 디자인 및 공정을 이용한다.
ASU 플랜트에서가 아닌 별도의 액화기에서 액체를 생성하는 것은, 필요에 따라 온오프하는 것이 용이한 것과 같은 작동상 이점이 있지만, 별도의 공정 장치와 관련된 높은 자본 비용 및 낮은 효율이라는 중요한 단점이 있다. 일반적으로, 공정 효율을 증가시키는 것은 자본 비용의 증가를 야기할 것이므로, 효율을 향상시키기 위해선 자본 비용이 증가되어야 한다. 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은 이런 자본 비용을 감소시키는 동시에 효율을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에는, 적어도 온간 팽창기 및 냉간 팽창기를 포함하는 액화기에 공급 스트림을 주입하는 단계와; 액화기 내의 공급 스트림을 공급 스트림의 임계 압력보다 큰 압력까지 압축하고, 고압 조밀상 스트림을 형성하기 위해 압축된 공급 스트림을 압축된 공급 스트림의 임계 온도 미만의 온도까지 냉각시키는 단계와; 액화기로부터의 고압 조밀상 스트림을 제거하고, 최종 2상 스트림을 형성하기 위해 팽창 장치에서 고압 조밀상 스트림을 감압시킨 다음, 최종 2상 스트림을 저장 탱크에 직접 주입하는 단계와; 결합 증기 스트림을 형성하기 위해 최종 2상 스트림의 플래시 부분을 저장 탱크 내의 액체로부터의 증발 증기와 결합시키는 단계를 포함하며, 고압 조밀상 스트림의 온도는 냉간 팽창기의 배출 스트림의 온도보다 낮은, 가스 액화 방법이 개시되어 있다.
다른 실시예에는, 공급 스트림을 수용하기 위한 제1 도관과; 고압 조밀상 유체를 형성하기 위해 공급 스트림을 압축 및 냉각시키도록 제1 도관에 유체 연결되는 액화기로서, 적어도 온간 팽창기와, 냉간 팽창기와, 공급 스트림을 공급 스트림의 임계 압력보다 큰 압력까지 압축하기 위한 압축기와, 압축된 공급 스트림을 압축된 공급 스트림의 임계 온도 미만의 온도까지 냉각시키기 위한 열교환기를 포함하는, 액화기와; 액화기로부터 고압 조밀상 스트림을 수용하기 위해 액화기에 유체 연결되는 제2 도관과; 최종 2상 스트림을 형성하기 위해 고압 조밀상 스트림을 감압시키도록 제2 도관에 유체 연결되는 제1 팽창 장치와; 팽창된 2상 스트림을 수용하기 위해 제1 팽창 장치에 유체 연결되는 제3 도관과; 팽창된 2상 스트림을 수용하고 저장하기 위해 제3 도관에 유체 연결되는 저장 탱크를 포함하며, 저장 탱크는 1.5bara 이하의 압력에서 작동하도록 구성되고, 열교환기는 고압 조밀상 스트림의 온도가 냉간 팽창기의 배출 스트림의 온도보다 낮아지도록 구성되는, 대기 가스 액화 시스템이 개시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따라 플래시 분리기로서 액체 저장 탱크를 사용하고 그리고 액화기를 통해 저장조로부터 플래시 및 증발 증기를 회수하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 2는 다른 액화기 구성을 포함하는 대안적인 예시적 방법의 흐름도이다.
도 3은 팽창기 구성이 도 1에 도시된 것과 동일한 본 발명의 방법의 개략도로서, 냉간 단부 분리기 및 과냉각기를 포함하지만, 탱크로부터의 플래시 또는 증발 증기의 회수는 없는, 개략도이다.
도 4는 도 1의 예시적인 방법과 공기 분리 장치를 통합시키는 다양한 방법을 예시하는 개략도로서, 본 발명에 따른 임의의 다른 방법이 동일한 방식으로 공기 분리 장치와 통합될 수도 있는, 개략도이다.
상술된 내용뿐만 아니라, 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하면 더 잘 이해될 것이다. 실시예를 예시하기 위해, 예시적인 구성이 도면에 도시되어 있지만, 본 발명은 개시된 특정 방법 및 장치에 제한되지 않는다.
도 1은 플래시 분리기로서 액체 저장 탱크(170)를 사용하고 그리고 액화기(101)를 통해 액체 저장 탱크(170)로부터 플래시 및 증발 증기를 회수하기 위한 예시적인 시스템 및 방법을 도시한다. 결합 스트림(104)을 형성하기 위해 가온된(warmed) 탱크 플래시 및 증발 증기 스트림(102)과 결합되는 저압 질소 공급 스트림(100)을 도시한다. 저압 질소 공급 스트림(100)은 질소이거나, 예컨대 공기, 산소, 아르곤, 이산화탄소, 네온, 에틸렌, 헬륨 또는 수소와 같은 다른 가스 또는 가스 혼합물일 수도 있다. 후속적으로, 결합 스트림(104)은 압축 스트림(108)을 형성하기 위해 공급 압축기(106)에서 약 6bara로 압축된다. 후속적으로, 압축 스트림(108)은 냉각 스트림(112)을 형성하기 위해 에프터쿨러(110)에서 냉각된다. 후속적으로, 냉각 스트림(112)은 스트림(116)을 형성하기 위해 재순환 스트림(114)과 결합된다. 후속적으로, 스트림(116)은 재순환 압축기(118)에서 약 32bara로 압축되어 압축 스트림(120)이 생성된다. 후속적으로, 스트림(120)은 스트림(124)을 형성하기 위해 에프터쿨러(122)에서 냉각된다. 후속적으로, 스트림(124)은 스트림(126) 및 스트림(128)으로 분리된다.
스트림(126)은 스트림(132)을 형성하기 위해 열교환기(130)에서 (선택적으로) 냉각된다. 후속적으로, 스트림(132)은 온간 팽창 스트림(136)을 형성하기 위해 온간 팽창기(134)에서 약 6bara로 팽창된다.
스트림(128)은 스트림(140)을 형성하기 위해 온간 컴팬더 압축기(138)에서 압축된다. 후속적으로, 스트림(140)은 냉각 스트림(144)을 형성하기 위해 온간 컴팬더 에프터쿨러(142)에서 냉각된다. 후속적으로, 냉각 스트림(144)은 압축 스트림(148)을 형성하기 위해 냉간 컴팬더 압축기(146)에서 약 65bara로 다시 압축된다. 후속적으로, 압축 스트림(148)은 고압 스트림(152)을 형성하기 위해 냉간 컴팬더 압축기 에프터쿨러(150)에서 다시 냉각된다. 고압 스트림(152)은 열교환기(130)에서 약 182K의 중간 온도까지 냉각되어, 스트림(154, 156)이 생성된다.
스트림(156)은 배출 스트림(160)을 형성하기 위해 냉간 팽창기(158)에서 팽창된다. 배출 스트림(160)은 열교환기(130)의 냉간 단부(cold end)로 복귀되고, 열교환기에서 가온되어, 스트림(162)을 형성하기 위해 가온 팽창기(134)로부터의 배기 스트림(136)과 혼합된다. 스트림(162)은 재순환 스트림(114)을 형성하기 위해 열교환기(130)에서 가온된다. 후속적으로, 재순환 스트림(114)은 압축된 공급 스트림(112)과 혼합되어 재순환 압축기(118)의 흡입부에 공급된다.
스트림(154)은 고압 조밀상(dense-phase) 스트림(164)을 형성하기 위해 열교환기(130)에서 추가로 냉각된다. 고압 조밀상 스트림(164)은 약 96K의 온도에서 열교환기(130)의 냉간 단부로부터 방출되어, 스트림(168)을 형성하기 위해 하나 이상의 팽창 장치(166)를 가로질러 감압되며, 스트림(168)이 액체 저장 장치(170) 내로 직접 공급된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "직접 공급"이란 용어는 소정의 스트림이, 하나 이상의 팽창 장치(166)를 탈출한 후에, 소정의 스트림의 조성, 온도 또는 압력을 변경시킬 수도 있는 어떤 추가 장치를 조우하지 않고 도관을 통해 액체 저장 탱크(170)에 제공된다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, "직접 연결"이란 용어는 임의의 장치의 제1 장치 또는 부재가, 예컨대 제1 장치를 통해 제2 장치로 진행하는 스트림의 조성, 온도 또는 압력을 변경시킬 수도 있는 임의의 장치의 어떤 중간 장치 또는 부재 없이, 임의의 장치의 제2 장치 또는 부재에 연결된다는 것을 의미한다.
스트림(168)은 어느 정도의 증기를 포함하는 액체를 대체로 생성하기 위해 액체 저장 탱크(170) 내로 플래싱된다. 스트림(168)으로부터의 액체는 액체 저장 탱크(170) 내의 기존 액체에 추가되지만, 플래시 증기는 액체 저장 탱크(170) 내의 기존 증발 증기와 결합될 것이다. 플래시 증기 및 증발 증기로 이루어진 결합 증기 스트림(172)은 액체 저장 탱크(170)로부터 방출되고, 정상 작동 동안, 스트림(174)으로서 액화기(101)의 열교환기(130)에 공급된다. 스트림(174)은 가온된 탱크 플래시 및 증발 증기 스트림(102)을 형성하기 위해 열교환기(130)에서 가온되어, 액화기(101)의 메이크업(make-up) 압축기(106)에 진입하는 결합 스트림(104)을 형성하기 위해 저압 공급물(100)과 혼합된다.
액화기(101)가 작동하지 않는 경우, 액체 저장 탱크(170) 내의 증발 증기는, 결합 증기 스트림(172, 176)이 스트림(180)을 형성하기 위해 하나 이상의 팽창 장치(178)를 가로질러 감압될 때 액체 저장 탱크(170)로부터 제거되고 그리고 액체 저장 탱크(170)의 압력을 제어하기 위해 대기로 통기될 수 있다.
이런 시스템 배열체의 중요한 이점 중 하나는 단순화된 디자인이다. 열교환기(130), 팽창기(134, 158) 및 관련 배관은, 예컨대 광물면, 폴리우레탄 발포체, 발포유리, "크리오젤" 또는 적절한 대안물로 각각 단열되거나, 단열된 배관에 의해 연결된 소형의 국부 냉간 박스 내에 설치될 수도 있다. 냉간 박스의 크기 요건을 감소시키는 것은 해상 운송 노선으로 예정되어 처리되는 경우 특히 중요한데, 왜냐면 어떤 목적지는 이런 사전 단열된 대형 로드(즉, 냉간 박스 로드)로는 도달하기 힘들거나 도달하는 것이 불가능할 수도 있기 때문이다.
또한, 종래의 기술 사상에 반하여, 액체 저장 탱크(170)로부터 증발 증기를 회수하는 것은, 증발 증기의 냉각물이 생성물을 부분적으로 냉각시키고 그리고 증발 증기를 대기로 직접 통기함으로써 증발 증기를 폐기하는 것보다 액화기(10)의 필요 파워를 감소시키는데 사용되기 때문에, 증발 가스가 회수되지 않는 종래의 디자인에 비해 놀랍게도 액화기(101) 및 저장 시스템의 전효율을 (액체 저장 장치(170)와 액화기(101)의 상대적인 크기 및 탱크 단열의 품질에 따라) 약 0.5% 내지 1.0% 만큼 향상시킨다. 또한, (사전에 통기된 질소가 회수됨에 따라) 필요 질소 공급 유동이 감소되는데, 이는 더 소형인 ASU의 사용을 가능케 한다.
액화기(101)로의 저압 질소 공급 스트림(100)이 저압 질소 공급 스트림(100)을 재순환 압축기(118)의 흡입부 내로 직접 제공할 만큼 높은 압력으로 존재하는 경우, 공급 압축기(106)도 또한 제거될 수도 있으며, 이런 경우, 가온된 탱크 플래시 및 증발 증기 스트림(102)은 액체 저장 탱크(170)의 압력을 단순히 제어하기 위해 임의의 밸브를 통해 대기로 통기될 수도 있다.
예기치 않은 놀라운 결과로 인해, 본 출원인은, 고압 조밀상 스트림(164)이 열교환기(130) 내의 회수된 결합 증기 스트림(174)에 대한 간접 열교환기를 통해 배출 스트림(16)의 온도 미만으로 냉각되는 경우, 고압 조밀상 스트림(164)의 배출 스트림(160)의 압력으로의 감압은 상당량의 플래시 증기를 생성하지 않을 것이기 때문에, 액화기(101)의 효율이 추가적인 분리기 및 관련 구성요소의 제거로 인해 감소되지 않는다는 것을 발견하였다. 실제로, 당업자는 본 발명의 예시적인 실시예가 분리기 및 과냉각기(예컨대, 도 3의 분리기(304) 및 과냉각기(310))에 대한 필요성을 제거하면서 고도의 효율을 유지한다는 것을 알 것이다. 예컨대, 종래의 시스템과 방법은 고압 및 감소된 압력에서 플래시 증기를 회수하기 위해 2개 이상의 분리기를 사용하였지만, 본 명세서에 개시된 시스템과 방법은 상당한 자본 비용 및 이송 계획을 제외하곤 동일한 결과를 달성하면서, 동일하거나 더 양호한 효율을 달성한다.
도 2에 도시된 다른 실시예에는 도 1과 유사한 시스템 및 방법이 개시되어 있지만, 이 실시예는 다른 팽창기 배열체를 포함한다. 이 시스템/방법에서, 재순환 압축기 에프터쿨러(122)로부터의 스트림(124)은, 평행하게 배열된 온간 컴팬더(238) 및 냉간 컴팬더(246)의 압축기 단부에 공급되는, 2개의 스트림(226, 228)으로 분리된다. 온간 컴팬더(238) 및 냉간 컴팬더(246)의 각각의 출구 스트림(240, 248)은 스트림(249)으로 결합되며, 스트림(252)으로서 열교환기(130)에 공급되기 전에 에프터쿨러(250)에서 냉각된다. 스트림(252)은 스트림(232, 253)으로 분리되기 전에 열교환기(130)에서 제1 중간 온도로 냉각된다.
스트림(232)은 스트림(236)을 형성하기 위해 온간 컴팬더(234)에서 팽창되고, 열교환기(130)의 중간 위치에서 스트림(162)을 형성하기 위해 가온 배출 스트림(160)과 결합된다. 스트림(253)은 제2 중간 온도에서 추가로 냉각되어 스트림(256, 254)으로 다시 분리된다. 스트림(256)은 배출 스트림(160)을 형성하기 위해 냉간 팽창기(258)에서 팽창된다. 후속적으로, 배출 스트림(160)은 열교환기(130)에서 가온된다. 스트림(254)은, 팽창 장치(166)를 통해 액체 저장 탱크(170)에 공급되는, 고압 조밀상 스트림(164)을 형성하기 위해 열교환기(130)에서 추가로 냉각된다.
도 3은 팽창기 구성이 도 1에 도시된 것과 동일한 상술된 종래 기술의 방법의 흐름도이지만, 탱크로부터의 플래시 또는 증발 증기의 회수는 없다. 도 3은 예시를 목적으로 제공되며, 도 1의 시스템 및 방법과 비교하는데 사용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 냉간 단부 분리기(304) 및 과냉각기(310)는 액화기(301)에 포함되어 있지만, 액체 저장 탱크(170)로부의 플래시 또는 증발 증기의 회수는 없다. 열교환기(130)의 냉간 단부로부터의 고압 조밀상 스트림(164)은 하나 이상의 팽창 장치(300)에서 감압되고, 최종 2상 스트림이 어느 정도의 액체를 함유할 수도 있는 냉간 팽창기 배출 스트림(160)과 함께 분리기(304)에 후속하여 공급된다. 분리기(304)로부터의 증기 스트림(306)은 열교환기(130)에서 중간 온도로 가온되며, 스트림(162)을 형성하기 위해 온간 팽창기 배기 스트림(136)과 결합된다. 분리기(304)로부터의 액체 스트림(308)은 스트림(312)을 형성하기 위해 과냉각기(310)에서 약 78K로 냉각된다. 과냉각된 액체 스트림(312)의 일부분(316)은 하나 이상의 팽창 장치(318)에서 감압된 다음, 증기 스트림(320)을 형성하기 위해 과냉각기(310)에서 증발되고 그리고 스트림(102)을 형성하기 위해 열교환기(130)에서 재가열된다. 과냉각된 액체 스트림(312)의 잔류 부분(314)은 스트림(168)을 형성하기 위해 하나 이상의 팽창 장치(166)를 통해 액체 저장 탱크(170)에 공급되며, 스트림(168)은 액체 저장 탱크(170) 내로 공급된다. 액체 저장 탱크(170)로부터의 플래시 및 증발 증기는 탱크 압력을 제어하기 위해, 팽창 장치(178)를 통해 스트림(176)으로서 통기되는 (대기로 통기될)스트림(180)을 형성한다.
도 4는 도 1의 액화 시스템 및 방법을 ASU 또는 질소 발생기와 통합하기 위한 몇몇 예시적인 선택 사항들을 도시하는 개략도이다. 예컨대, ASU의 온간 단부(warm end)로부터의 저압 질소 공급 스트림(100)은 하나 이상의 대안적인 공급 스트림(400, 404 또는 408)으로 전체적으로 또는 부분적으로 대체될 수도 있다.
또한, ASU 또는 질소 발생기의 온간 단부로부터의 고압 질소 스트림(400)은 재순환 압축기(118)에 공급되는 스트림(116)을 형성하기 위해, 스트림(114)과 후속하여 혼합될 수도 있는, 스트림(402)을 형성하도록 공급 압축기 에프터쿨러(110)로부터의 스트림(112)과 혼합될 수도 있다. 대안으로서, 스트림(400)은 스트림(114)이 스트림(112)과 결합된 위치의 하류부에서 혼합되거나, 공급 압축기(106) 또는 재순환 압축기(118)의 단간 위치에서 혼합될 수도 있다.
ASU의 냉간 단부에 있는 저압 칼럼 또는 과냉각기로부터의 저압 질소 스트림(404)은, 열교환기(130)에서 후속하여 가열되는, 스트림(406)을 형성하기 위해 액체 저장 탱크(170)로부터의 복귀 저압 스트림(174)과 혼합될 수도 있다.
ASU 또는 질소 발생기의 고압 칼럼으로부터의 또는 단일 칼럼 질소 발생기의 단일 칼럼으로부터의 냉간 고압 질소 스트림(408)은, 열교환기(130)에서 후속하여 가열되는, 스트림(410)을 형성하기 위해 냉간 팽창기(158)로부터의 배출 스트림(160)과 혼합될 수도 있다.
추가적으로, 액화기의 냉간 단부로부터의 고압 조밀상 스트림(164)의 분할된 부분 스트림(412)은 냉각물질을 제공하기 위해 ASU 또는 질소 발생기에 직접 공급되지만, 잔류 부분(414)은 액체 저장 탱크(170)에 공급될 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 스트림의 "분할된 부분"은 분할된 부분을 취한 스트림과 동일한 화학 조성을 갖는 부분을 의미한다. 분할된 부분 스트림(412)은, 예컨대 ASU의 고압(HP) 칼럼, 저압(LP) 칼럼, 과냉각기 또는 열교환기에 공급될 수도 있다.
예
표 1 및 표 2는 도 1과 도 3의 구성/방법에 대한 예시적인 유량, 온도 및 압력을 제공한다. 도 1에 개시된 구성/방법은 표 1의 데이터로 나타나 있으며, 하루에 300톤의 액체 질소가 액체 저장 탱크(170)에 생성되었다. 이 구성/방법은 약 5950㎾의 전력을 소모하였다.
Figure pct00001
도 3에 개시된 구성/방법은 표 2의 데이터로 나타나 있으며, 하루에 300톤의 액체 질소가 또한 액체 저장 탱크(170)에 생성되었다. 이 구성/방법은 약 6000㎾의 전력을 소모하였다.
Figure pct00002
중요하게는, 도 1/표 1의 예시적인 방법은 도 3/표 2에 상기된 방법과 동일한 순수량(446kmol/hr)의 액체 질소를 액체 저장 탱크에 생성하지만, 도 3/표 2에 상기된 방법보다 0.8% 적은 파워를 사용하고, 액체 저장 탱크로부터 플래시 및 증발 증기를 회수(스트림 174 참조)하고 그리고 대기로의 탱크 증발 손실을 제거(스트림 176 참조)함으로써 3% 더 낮은 공급량을 가지며(스트림 100 참조), 제1 분리기, 제2 분리기 또는 과냉각기, 및 관련 밸브, 제어부 및 단열 인클로저의 제거로 인해 상당한 자본 비용 절감을 제공한다. 액화기의 냉간 부분은 기본적으로 열교환기 및 관련 배관만을 포함하기 때문에, 액화기 설비가 직접 단열되고 그리고 제1 분리기, 제2 분리기 또는 과냉각기, 및 관련 밸브 및 제어부를 포함하고 단열하는데 필요한 별도의 냉간 박스 구조체가 제거될 수도 있어, 냉간 박스의 크기를 상당히 감소시킨다. 냉간 박스의 크기 요건을 감소시키는 것은 해상 운송 노선으로 예정되어 처리되는 경우 특히 중요한데, 왜냐면 어떤 목적지는 이런 사전 단열된 대형 로드(즉, 냉간 박스 로드)로는 도달하기 힘들거나 도달하는 것이 불가능할 수도 있기 때문이다.
본 발명의 양태들이 다양한 도면의 양호한 실시예와 함께 기술되었지만, 다른 유사한 실시예가 사용되거나, 개시된 실시예에 대한 변형예 및 추가예가 본 발명의 범주 내에서 본 발명의 동일한 기능을 수행하도록 이루어질 수도 있다. 따라서, 청구된 본 발명은 임의의 단일 실시예에 제한되기보다는, 첨부된 특허청구범위를 따르는 범주 내에서 해석되어야 한다.
100 : 저압 질소 공급 스트림
101 : 액화기
106 : 메이크업 압축기
110, 122 : 에프터쿨러
118 : 재순환 압축기
130 : 열교환기
134 : 냉간 팽창기
138 : 컴팬더 압축기
142 : 컴팬더 에프터쿨러
146 : 냉간 컴팬더 압축기
150 : 냉간 컴팬더 압축기 에프터쿨러
158 : 냉간 팽창기
170 : 액체 저장 탱크
178 : 팽창 장치

Claims (15)

  1. 가스 액화 방법이며,
    적어도 온간 팽창기 및 냉간 팽창기를 포함하는 액화기에 공급 스트림을 주입하는 단계와,
    상기 액화기 내의 공급 스트림을 공급 스트림의 임계 압력보다 큰 압력까지 압축하고, 고압 조밀상 스트림을 형성하기 위해 압축된 공급 스트림을 압축된 공급 스트림의 임계 온도 미만의 온도까지 냉각시키는 단계와,
    상기 액화기로부터의 고압 조밀상 스트림을 제거하고, 최종 2상 스트림을 형성하기 위해 팽창 장치에서 고압 조밀상 스트림을 감압시킨 다음, 상기 최종 2상 스트림을 저장 탱크에 직접 주입하는 단계와,
    결합 증기 스트림을 형성하기 위해 상기 최종 2상 스트림의 플래시 부분을 저장 탱크 내의 액체로부터의 증발 증기와 결합시키는 단계를 포함하며,
    상기 고압 조밀상 스트림의 온도는 냉간 팽창기의 배출 스트림의 온도보다 낮은,
    가스 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합 증기 스트림의 적어도 일부를 주위 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는, 가스 액화 방법.
  3. 제2항에 있어서, 가온된 결합 증기 스트림을 재순환을 위해 공급 스트림과 혼합하는 단계를 더 포함하는, 가스 액화 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 저장 탱크의 압력을 제어하기 위해 가온된 결합 증기 스트림을 대기로 통기시키는 단계를 더 포함하는, 가스 액화 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 저장 탱크의 압력은 1.5bara보다 낮은, 가스 액화 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 저장 탱크로부터 결합 증기 스트림의 적어도 일부를 제거하고, 저압 결합 증기 스트림을 형성하기 위해 하나 이상의 팽창 장치에서 결합 증기 스트림을 감압시키며, 상기 저장 탱크의 압력을 제어하기 위해 저압 결합 증기 스트림을 대기로 통기시키는 단계를 더 포함하는, 가스 액화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 공급 스트림은 공기 분리 장치의 온간 단부로부터의 저압 질소 공급 스트림인, 가스 액화 방법.
  8. 제1항에 있어서, 가열하기 전에 공기 분리 장치의 저압 칼럼 또는 과냉각기로부터의 저압 질소 스트림과 저장 탱크로부터의 결합 증기 스트림을 혼합하는 단계를 더 포함하는, 가스 액화 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 액화기로부터 고압 조밀상 유체의 분할된 부분을 취하여, 냉각물질을 제공하기 위해 상기 고압 조밀상 유체의 분할된 부분을 공기 분리 장치 또는 질소 발생기에 직접 공급하는 단계를 더 포함하는, 가스 액화 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 고압 조밀상 유체의 분할된 부분은 감압되어, 공기 분리 장치의 고압(HP) 칼럼, 저압(LP) 칼럼, 과냉각기 또는 주 열교환기에 공급되는, 가스 액화 방법.
  11. 대기 가스 액화 시스템이며,
    공급 스트림을 수용하기 위한 제1 도관과,
    고압 조밀상 유체를 형성하기 위해 공급 스트림을 압축 및 냉각시키도록 제1 도관에 유체 연결되는 액화기로서, 적어도 온간 팽창기와, 냉간 팽창기와, 공급 스트림을 공급 스트림의 임계 압력보다 큰 압력까지 압축하기 위한 압축기와, 압축된 공급 스트림을 압축된 공급 스트림의 임계 온도 미만의 온도까지 냉각시키기 위한 열교환기를 포함하는, 액화기와,
    상기 액화기로부터 고압 조밀상 스트림을 수용하기 위해 액화기에 유체 연결되는 제2 도관과,
    최종 2상 스트림을 형성하기 위해 고압 조밀상 스트림을 감압시키도록 제2 도관에 유체 연결되는 제1 팽창 장치와,
    팽창된 2상 스트림을 수용하기 위해 제1 팽창 장치에 유체 연결되는 제3 도관과,
    상기 팽창된 2상 스트림을 수용하고 저장하기 위해 제3 도관에 유체 연결되는 저장 탱크를 포함하며,
    상기 저장 탱크는 1.5bara 이하의 압력에서 작동하도록 구성되고,
    상기 열교환기는 고압 조밀상 스트림의 온도가 냉간 팽창기의 배출 스트림의 온도보다 낮아지도록 구성되는,
    대기 가스 액화 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 저장 탱크는 제3 도관에 직접 연결되며, 상기 제1 팽창 장치는 제2 도관에 직접 연결되는, 대기 가스 액화 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 최종 2상 스트림의 플래시 증기 부분 및 저장 탱크 내의 액체로부터의 증발 증기 부분을 포함하는 결합 증기 스트림을 수용하기 위해 저장 탱크에 유체 연결되는 제4 도관을 더 포함하는, 대기 가스 액화 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제4 도관은 열교환기 및 제1 도관에 유체 연결되는, 대기 가스 액화 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 저장 탱크의 압력을 제어하기 위해 결합 증기 스트림을 감압시키도록 제4 도관에 유체 연결되는 제2 팽창 장치를 더 포함하는, 대기 가스 액화 시스템.
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