KR20130060225A - 가스 액화 기술 - Google Patents

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KR20130060225A
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마이클 조셉 보우
로버트 피트
데이비드 제임스 웨스트
필립 호커
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컴팩트지티엘 엘티디
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Abstract

본 발명은 천연 가스(5)를 처리하기 위한 가스 액화 방법 및 플랜트에 관한 것으로서, 상기 천연 가스는 주울 톰슨 효과를 통한 냉각을 겪도록 유량 제한기(16)를 통한 팽창에 종속되며, 액체들(21, 22)이 가스 스트림으로부터 분리되게 한다. 상기 천연 가스는 유량 제한기(16)를 통과하는 유체를 갖는 열 교환기에 의해 상기 유량 제한기(16)에 도달하기 전에 냉각될 수 있다. 이는 천연 가스 내의 장쇄 탄화수소의 비율을 감소시키고, 이어지는 공정을 단순화할 수 있으며, 또한 플랜트의 크기를 감소시킬 수 있게 한다.

Description

가스 액화 기술{GAS-TO-LIQUID TECHNOLOGY}
본 발명은 액상 제품을 생성하기 위해 천연 가스를 처리하기 위한 플랜트 및 방법에 관한 것이다.
대부분의 유전이 천연 가스도 역시 생산한다는 사실은 널리 공지되어 있다. 대부분의 유전에서 천연 가스는 오일과 함께 비교적 소량으로 생산된다. 이와 같이 연계 가스의 양이 충분히 많거나 또는 유전이 미리 존재하는 가스 운송 기반 시설에 근접해 있을 때, 상기 가스는 원격 처리 시설로 운송될 수 있다. 오일 생산이 더욱 원격 장소에서 발생할 때, 연계 가스를 기존의 가스 운송 기반 시설 내로 도입시키는 일이 어렵게 된다. 그와 같은 기반 시설의 부재시에, 일반적으로 수반 가스는 플레어링(flaring) 또는 재주입(re-injection)에 의해 처리된다. 그러나, 가스를 플레어링하는 작업은 더이상 환경적으로 허용 가능한 접근 방법이 아니며, 재주입은 필드로부터의 오일 생산의 양에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
가스 액화 기술은 천연 가스를 액상 탄화수소로 전환시키기 위해 사용될 수 있으며, 또한 합성 가스 생성을 포함하는 탄화수소 액체 생성물로의 2단계 접근법이 따를 수 있고, 이어서 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis)이 뒤따른다. 일반적으로, 합성 가스(수소와 일산화탄소의 혼합물)는 하나 이상의 부분 산화, 자동 열적 개질, 또는 메탄 증기 개질(steam methane reforming)에 의해 생성될 수 있다. 메탄 증기 개질이 사용되는 곳에서의 반응은 흡열성(endothermic)이며, 따라서 열을 필요로 한다. 이 경우 상기 합성 가스는 피셔-트롭쉬 합성을 겪게 된다. 피셔-트롭쉬 합성을 수행하기 위해, 수소와 일산화탄소의 적정 비는 약 2:1로 되며, 증기 개질은 이와 같은 목적을 위해 보다 충분한 수소를 제공한다는 장점을 갖는다.
그와 같은 공정은 예를 들면 WO 01 / 51194 (AEA 기술) 및 WO 03/006149 (Accentus plc)에 설명되어 있다. 천연 가스는 일차적으로 메탄이나, 또한 소량의 장쇄 탄화수소(longer-chain hydrocarbons)를 함유한다. 각각의 경우에, 상기 천연 가스는 먼저 상기 장쇄 탄화수소가, 예를 들어 400℃에서 니켈 촉매 상에서, 증기와의 반응에 의해 메탄으로 전환되는 사전-개질 단계를 겪게 된다. 상기 피셔-트롭쉬 합성과 관련하여, WO 2004/050799(GTL Microsystems AG)에서 설명하고 있는 바와 같이, 적합한 촉매로는 세라믹 담채(ceramic support) 상의 작은 코발트 입자들을 사용하나, 그와 같은 촉매는 수증기의 존재하에 유해한 반응을 겪을 수 있다. 이와 같은 반응이 발생하지 않도록 보장하기 위해, 반응기는 피셔-트롭쉬 전환이 70%를 초과하지 않는 것을 보장하도록 작동되며, 이 때 수반 가스는 제 2 피셔-트롭쉬 스테이지를 겪게 된다. 비록 이와 같은 공정은 천연 가스를 장쇄 탄화수소 생성물로 전환시키기 위한 만족스러운 방법을 제공하나, 대안적인 플랜트 및 방법을 제공할 것을 요망한다.
본 발명에 따르면, 천연 가스를 처리하기 위한 가스 액화 플랜트(gas-to-liquids plant)가 제공되며, 여기서 천연 가스는 주울 톰슨 효과(Joule Thomson effect)를 통한 냉각을 겪도록 유량 제한기(flow restrictor)를 통한 팽창에 종속되며, 수반 액체들은 분리된다.
본 발명은 또한 그와 같은 방법으로 천연 가스를 처리하기 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 천연 가스(일차적으로 메탄)를 장쇄 탄화수소로 전환하기 위한 화학적 공정에 관한 것이다.
이상적으로, 상기 팽창은 주변으로부터의 상당한 열 전달 없이 발생되며, 천연 가스는 낮은 압력 상태로 팽창한다. 유량 제한기는 스로틀 밸브이거나, 또는 대안적으로 보텍스 튜브 분리기(vortex tube separator) 또는 터보 팽창기 또는 트위스터 (TM) 분리기 장치의 입력 노즐일 수 있다. 보텍스 튜브, 또는 랑케-힐쉬 튜브(Ranque-Hilsch tube)는 가스를 고온 가스 스트림과 냉각 가스 스트림으로 분리시킨다. 고온 가스 스트림은 플랜트 내의 어느 곳에서도 사용될 수 있다. 그러나, 2개의 스트림들로의 분리 결과, 오직 가스들의 부분만이 냉각된다. 상기 팽창은 천연 가스를 0℃ 미만, 특히 -10℃ 미만, 예를 들면 -15℃ 미만으로 냉각시킬 수 있으며, 그에 대한 결과로서 장쇄 탄화수소는 수증기 상태로부터 액체 상태로 응축되고, 또한 잔류 천연 가스로부터 분리될 수 있다. 냉각의 정도는 출력 스트림이 상기 공정을 통해 가스를 충분히 공급하기 위한 압력하에 있는 것을 보장하도록 선택된다. 높은 탄화수소의 회복을 증가시키기 위해 온도가 추가로 하강하는 동안, 그로 인해, 가스를 재-압축시키기 위해 증가된 압축 요건의 비용이 회복된 추가의 장쇄 탄화수소의 값을 초과할 때 장점은 더이상 존재하지 않게 된다. 적합하게도, 상기 천연 가스 스트림은 상기 유량 제한기를 관통함으로써 냉각되는 적어도 하나의 유체와 접촉함으로써 냉각되는 열교환기를 통해 상기 유량 제한기 내로 공급되므로, 상기 천연 가스는 상기 유량 제한기에 도달될 때 주변 온도 미만으로 된다.
이와 같은 방법의 장점은 잔류 천연 가스 내의 장쇄 탄화수소의 비율이 현저하게 감소된다는 점에 있다. 따라서, 별도의 사전-개질기를 구비할 필요없이도 천연 가스가 개질을 겪도록 실행 가능하게 될 수 있다. 또 다른 장점으로는 이어지는 화학적 공정에 종속되는 탄화수소의 양이 감소되고, 이는 크기 및 그에 따른 플랜트의 잔류부에 대한 비용을 감소시킬 수 있다.
그와 같은 냉각 공정에 있어서의 잠재적인 문제점은, 비록 수화물 결정(hydrate crystals)의 형성을 방지하기 위해 체류 시간이 충분히 짧게 됨에 따라 트위스터 디바이스(Twister device)에서 문제가 되지 않아도, 메탄-함유 수화물의 형성 위험이 존재한다는 점이다. 이와 같은 문제점을 처리하기 위해, 메탄올 또는 에탄올과 같은 산화제(oxygenate)들이 유량 제한기 상류의 천연 가스 스트림 내로 도입될 수 있다. 이들은 수화물의 형성을 방지한다. 가스 액화 플랜트의 맥락에서, 그와 같은 산화제들은 피셔-트롭쉬 합성시에 생성되며, 증기 박리(steam stripping)에 의해 수반하는 액상(aqueous phase)으로부터 추출될 수 있다. 따라서, 이와 같은 산화제들은 가스 스트림이 낮은 온도로 냉각될 수 있게 한다. 이 때, 천연 가스는 메탄 증기 개질, 부분 산화법 또는 자열 개질(auto-thermal reforming)에 의해 합성 가스로 전환된다. 메탄 증기 개질의 경우, 필수적인 열이 통합형 개질/연소 반응기 내의 인접 채널들 내의 촉매 연소에 의해, 또는 별도의 연소 반응기로부터의 고온 배기 가스들에 의해 제공될 수 있다. 수반하는 합성 가스는 피셔-트롭쉬 합성을 위해 요구되는 것보다 더 많은 수소를 포함하며, 적어도 일부의 과잉 수소는 막 분리기에 의해 합성 가스로부터 분리될 수 있으며, 또한 연료 헤더(fuel header)로 공급된다. 만약 막이 분리를 위해 사용되지 않을 경우, 분리는 가압 변환 흡착(pressure swing absorption)에 의해 수행될 수 있다. 상기 연료 헤더는 메탄 증기 개질 작용을 위해 열을 제공하는 연소 공정을 위해 연료를 제공할 수 있거나, 또는 그와 같은 연소 공정을 위해 공급되는 공기를 예열시키기 위해 연료를 제공할 수 있다.
다음에, 합성 가스는 상기 합성 가스를 장쇄 탄화수소로 전환시키기 위해 피셔-트롭쉬 합성 반응을 겪을 수 있다. 이는 일단 공정 또는 이단 공정으로 될 수 있다. 액상 탄화수소 생성물과 액상을 분리시킨 후, 예를 들면 용기 내의 밀도 차이에 의해 분리되는 관형 열 교환기에는, 수반하는 테일 가스(tail gas)가 존재한다. 테일 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 메탄을 포함한다. 테일 가스의 일부는 적합하게도 막 분리기 상류의 합성 가스 증기 내로 공급된다. 테일 가스의 적어도 일부는 연료 헤더 내로 공급된다.
액상의 적어도 일부는 연소 가스 혼합물 내로 공급되는, 증기 및 산화제-함유 수증기를 생성하기 위해 끓일 수 있다. 예를 들어, 이는 연소 채널들 또는 연소 반응기로 공급되는 연소 공기의 스트림 내로 공급될 수 있다.
증기/메탄 개질 공정은 2개의 고온 유동 스트림 즉, 일반적으로 800℃ 초과에서 합성 가스 스트림, 및 (통합형 연소/개질 반응기기 사용될 경우) 유사한 온도에서 형성될 수 있는 또는 (별도의 연소 반응기가 사용될 경우) 다소 낮은 온도에서 형성될 수 있는 배기 가스 스트림을 생성한다는 사실을 인식할 수 있다. 적합하게도, 이와 같은 고온의 스트림들은 개질 공정에 제공되는 가스에 열 에너지를 제공하기 위해 사용된다. 예를 들어, 상기 고온 합성 가스는 개질을 위해 요구되는 증기를 생성하기 위해 사용될 수 있으며, 반면 배기 가스는 연소 공기를 예열시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서는, 가스 액화 방법 및 그와 같은 방법을 수행하기 위한 플랜트가 제공되며, 상기 방법은 공기의 스트림을 사용하는 연소 단계를 이용하며, 또한 상기 방법은 과잉 수소를 생성하고, 상기 과잉 수소는 막을 사용하거나 또는 가압 변환 흡착을 사용하여 분리되며 연소 공기 스트림을 예열하기 위해 사용된다. 공기 스트림의 예열은 촉매 연소 공정을 이용할 수 있다. 예를 들어, 수소는 합성 가스 또는 피셔-트롭쉬 합성 반응의 테일 가스로부터 분리될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서는, 가스 액화 방법 및 그와 같은 방법을 수행하기 위한 플랜트가 제공되며, 상기 방법은 연소 단계를 이용하며, 상기 방법은 피셔-트롭쉬 합성을 수행하며, 상기 피셔-트롭쉬 합성으로부터의 열이 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 상기 증기는 상기 연소 단계로 공급되는 가스 스트림 내로 도입된다. 상기 연소 단계로 공급되는 증기는 피셔-트롭쉬 합성의 부산물로서 생성되는 산화제들을 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 오직 예시적인 방식에 의해 추가로 그리고 더욱 특정적으로 설명될 것이다.
도 1은 가스 액화 플랜트 및 관련 장비의 개략적인 공정 계통도를 나타내는 도면이다.
본 발명은 천연 가스(주로 메탄)를 장쇄 탄화수소로 전환시키기 위한 화학적 공정에 관한 것이다. 이는 원유와 함께 생산되어, 그 원유로부터 분리되는 천연 가스인 연계 가스를 처리하기 위해 적합하다. 그와 같은 화학적 방법의 첫번째 단계는 예를 들면 증기 개질에 의한 합성 가스의 형성을 포함하며, 다음의 반응에 의한다:
Figure pct00001
이와 같은 반응은 흡열성이며, 제 1 가스 유동 채널 내의 로듐 또는 플래티늄/로듐 촉매에 의해 촉매 작용될 수 있다. 이와 같은 반응을 발생시키기 위해 필요한 열은 인접한 채널 내에 있는 흡열성인 메탄 또는 수소와 같은 가스의 촉매 연소에 의해 제공되거나, 또는 별도의 연소 반응기로부터의 배기 가스와의 열 교환에 의해 제공될 수 있다. 이와 같은 연소는 콤팩트한 촉매 반응기 내의 인접 제 2 가스 유동 채널에 있는 팔라듐 촉매에 의해 촉매 작용될 수 있다. 양자 모두의 경우, 촉매는 일반적으로 금속 기판 상에 두께 100 ㎛ 미만의 코팅부를 형성하는 안정-알루미나 지지부 상에 위치할 수 있다. 대안으로, 상기 촉매는 상기 유동 채널들의 벽들에 제공될 수 있거나 또는 상기 유동 채널 내의 펠릿(pellet)들로서 제공될 수 있다. 연소에 의해 발생된 열은 상기 인접 채널들을 분리시키는 금속 시트를 통해 전도될 수 있다.
다음에, 증기/메탄 개질에 의해 생성된 가스 혼합물은 장쇄 탄화수소를 발생시키도록 피셔-트롭쉬 합성을 수행하기 위해 사용되며, 즉:
Figure pct00002
이는, 포타슘 프로모터(potassium promoter)와 함께, 철, 코발트 또는 용융 자철석과 같은 촉매의 존재하에, 일반적으로 190℃ 내지 280℃ 사이, 예를 들면 230℃의 상승된 온도 및 일반적으로 1.8 MPa 내지 2.6 MPa (절대값) 사이, 예를 들어 2.5 MPa의 상승된 압력에서 발생하는 발열 반응이다. Fe-계 촉매들이 사용될 수 있으나, 산화에 대한 안정성이 향상됨에 따라 저온에서 작동할 때, Pd, Pt, Ru 또는 1 중량%로 도핑된 Re와 같은 귀금속들이 첨가된 금속 코발트가 적합하다. 상기 활성 금속들은, 열수 안정성(hydrothermal stability)을 개선하기 위한 전이 금속 산화물 또는 희토류로 도핑될 수 있는 Ti02, Al203 또는 Si02와 같은, 내화 지지체 물질들 내에 10 내지 40 중량%로 함침된다.
1. 전처리( Pre - Treatment )
도 1에는 본 발명의 가스 액화 플랜트(10)가 도시되어 있다. 천연 가스 공급부(5)는 주로 메탄으로 공급되나, 소량의 다른 가스상 탄화수소들, 탄화수소 증기들 및 수증기와 함께 공급된다. 상기 가스 공급부(5)는 예를 들면 90℃의 초기 온도로부터 냉각되는 해수에 이어 4.0 MPa (40 대기) 압력 및 35℃에 노출될 수 있으며, 원유를 생산하는 유정(well)으로부터 연계 가스로 이루어질 수 있다. 천연 가스 공급부(5)는 먼저 어떠한 액적들도 제거하는 코어레서(coalescer; 12)를 통과한다. 다음에, 소량의 산화제(주로 에탄올과 메탄올, 및 표시된 "알콜")가 주입기(14)에서 가스 공급부(5) 내로 주입되고, 이어서 가스 공급부(5)는 냉각을 위해 열 교환기(15)를 통과하고, 다음에, 주변으로부터의 현저한 열적 입력 없는, 단열적으로 (일반적으로 약 1 MPa의) 낮은 압력 구역 내로 연장하는 스로틀 밸브(16)를 지난다. 결론적으로, 주울 톰슨 효과에 따라, 천연 가스는 예를 들면 -18℃로 현저히 냉각된다. 다음에, 수반하여 냉각된 스트림이 상 분리기(18) 내로 공급되어, 가스상(20), 액체 탄화수소상(21), 및 (산화제를 포함하는) 액상(22)을 생성한다. 산화제의 사용은 메탄-함유 수화물이 생성되지 않는 것을 보장한다. 이들 3개의 유체 스트림들 모두는 유입 가스 공급부(5)를 냉각시키도록 열 교환기(15)를 통과한다.
액체 탄화수소상(21)은 플랜트(10)로부터의 액체 탄화수소의 생성물질 출력 스트림의 일부를 구성한다.
다음에, 가스상(20)은 압력의 변화; 온도의 변화; 및 황과 같은 불순물 제거중 하나 이상을 포함할 수 있는 전처리부(25)에 종속된다. 다음에 상기 가스상은 혼합기(26) 내에서 증기와 혼합된다.
2. 합성 가스 제조( Making Synthesis Gas )
가스/증기 혼합물은, 적합하게 약 450℃의 온도에서, 촉매 증기/메탄 개질기(30) 내로 공급된다. 상기 개질기(30)는 교대로 배열된 2세트의 채널들을 구성하는 플레이트들의 스택(stack)으로부터 형성된 콤팩트한 촉매 반응기로 구성된다. 한 세트의 채널들은 개질 반응을 위한 것이고, 제거 가능한 주름형 금속 포일 지지부들 상에 개질 촉매를 포함하고, 반면 다른 세트의 채널들은 열의 공급을 위한 것이다.
이와 같은 예에서, 열은 별도의 버너(32)를 사용하여 제공되며, 상기 버너(32)로부터 약 850℃의 배기 가스가 상기 증기/메탄 혼합물의 유동과 반대 방향으로 상기 개질기(30)를 통과한다. 상기 개질기(30)의 반응 채널들은 채널의 개시 부분에 니켈 촉매를 함유할 수 있으며, 상기 채널은, 600 mm의 전체 반응 채널 길이로부터, 100 내지 200 mm 사이, 예를 들어 150 mm 길이를 갖는다. 상기 니켈 촉매가 존재하는 상기 채널의 제 1 부분에서는 예비-개질이 발생하여, 더욱 많은 탄화수소들이 메탄을 생성하기 위해 증기와 작용하게 된다. 상기 반응 채널들의 길이의 잔류부는 예를 들면 플래티늄/로듐 촉매와 같은 개질기 촉매를 함유하며, 상기 증기와 메탄은 일산화탄소 및 수소를 형성하기 위해 작용한다.
상기 개질기(30) 내의 증기/메탄 개질 반응을 위한 열은 연소 공기의 스트림 내에서 연료 헤더(34)로부터의 연료 가스의 연소에 의해 제공된다. 본 예에서, 상기 연료 가스는 주로 수소이다. 상기 연소 공기는 송풍기(36)에 의해 제공되며, 또한, 상기 개질기(30)를 통과한 후 연소로 인한 고온 배기 가스로부터 열을 취하여, 열 교환기(38)에서 예열된다. 또한 수증기와 알콜 증기(40)의 혼합물이 버너(32) 상류의 연소 공기 내로 도입된다. 열 교환기(38)를 통과한 후, 배기 가스는 스택(39)을 통해 통기될 수 있다.
약 800℃에서 일산화탄소 및 수소의 혼합물은 개질기(30)로부터 벗어나며, 열 사이펀(thermosiphon) 형태로 증기-상승 열 교환기(42)를 통과함으로써 400℃ 미만으로 담금질된다. 상기 열 교환기(42)는 튜브 및 쉘형 열 교환기이며, 고온 가스가 상기 튜브들을 통과하며, 상부 및 저부에서 쉘과 연통하며 또한 증기 드럼(44)과 연통하는 입구 및 출구 덕트들을 갖는다. 상기 증기 드럼(44)에는 전체 물의 약 1/2 정도가 채워지며, 따라서 물은 상기 열 교환기(42)와 증기 드럼(44) 사이의 자연 대류를 통해 재순환한다. 상기 증기 드럼(44)으로부터 수반하는 증기는 제어 밸브(46)를 통해 혼합기(26)로 공급된다.
합성 가스 형태의 가스 혼합물은 추가의 냉각을 겪을 수 있다(도시하지 않음). 다음에 그들은 2개의 연속 압축기들(50)을 사용하여 압축을 겪게 되며, 적합하게도, 각각의 압축기(50) 다음에 냉각 및 액체-분리 단계들(도시되지 않음)을 갖게 된다. 상기 압축기(50)는 압력을 약 2.5 MPa(25 atm)로 상승시킨다.
이와 같은 방식으로 생성된 수소 대 CO의 비는 약 3:1로 된다는 사실을 상술된 수학식 1로부터 알 수 있으며, 반면, 수학식 2로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 화학양론적 조건(stoichiometric requirement)은 약 2:1로 된다. 따라서, 상기 고압 합성 가스는 과잉 수소를 제거하기 위해 수소 투과성 막(52)을 통과한다. 이와 같은 수소는 연료 헤더(34)로 공급되며, 주요 연료 가스가 된다.
3. 피셔- 트롭쉬 합성 및 생성물 처리( Fischer - Tropsch Synthesis and Product Treatment )
다음에 고압 일산화탄소 및 수소의 스트림은 열 교환기(54)에서 약 200℃로 가열된 다음, 촉매 피셔-트롭쉬 반응기(55)로 공급되고, 이 반응기는 다시 상술된 바와 같이 플레이트들의 스택으로 형성된 콤팩트한 촉매 반응기이다; 상기 반응 혼합물은 한 세트의 채널들을 통해 유동하며, 반면 냉각재는 다른 세트의 채널들을 통해 유동한다. 상기 냉각재는 펌프(56)에 의해 열 교환기(58)를 통해 재순환된다. 피셔-트롭쉬 반응은 약 210℃에서 발생하며, 상기 냉각재는 온도가 반응기(55)를 통해 10 K 미만으로 변화하는 비율로 재순환된다.
피셔-트롭쉬 합성으로부터의 반응성 생성물들, 대부분 파라핀과 같은 탄화수소 및 물은 열 교환기(60)를 관통함으로써 액체를 응축시키기 위해 약 70℃로 냉각되고, 3상의 물, 탄화수소 및 테일 가스가 분리되는 분리 챔버(62)로 공급된다. 액상은 피셔-트롭쉬 합성에 의해 형성되는 에탄올 및 메탄올과 같은 약 1 내지 2%의 산화제를 갖는 물을 포함한다. 상기 분리 챔버(62)로부터의 대부분의 액상은 폐기물로 방출될 수 있는 정수(clean water)를 잔류시키도록 ("알콜"로 표시된) 산화제를 분리시키기 위해 증기 박리(steam stripping; 63)에 의해 처리된다. 약 80%의 산화제 농도인 분리된 산화제는 상술된 바와 같은 스로틀 밸브(16) 상류의 주입기(14) 내로 주입된다. 상기 액상의 잔류부는 상기 열 교환기(58)를 통해, 따라서 압력 강하 밸브(64)를 통해 스트리퍼 탱크(stripper tank; 66) 내로 처리수로서 공급된다. 스트리퍼 탱크(66)에서, 상기 액상은 일반적으로 약 1.0 MPa(10 atm)의 압력에서 비등하고, 상기 액상은 상기 스트리퍼 탱크(66)의 저부로부터 증기 드럼(44) 내로 공급되는 반면, 상기 산화제의 벌크 및 증기를 함유하는 증기상은 제어 밸브(68)를 통해 연소 공기 내로 도입되는 스트림(40)을 제공한다.
상기 분리 챔버(62)로부터의 탄화수소상은 장쇄 탄화수소 생성물이다. 상기 분리 챔버(62)로부터의 증기 및 가스상은 2개의 연속 냉각 열 교환기들(70)을 통해 공급되며, 그 중 제 2 열 교환기는 증기를 주변 온도로 냉각시킨다. 제 1 열 교환기(70)를 통과하며 응축되는 어떠한 액체들도 분리 챔버(62) 내로 피드백된다. 상기 제 2 열 교환기(70)로부터의 출력은 상 분리 챔버(72) 내로 공급되며, 여기서 물과 경질 탄화수소 생성액이 분리된다.
다음에, 피셔-트롭쉬 반응기(55)와 같은 압력을 갖는 잔류 증기상은 열 교환기(74)를 통해 상 분리 용기(78)가 이어지는 스로틀 밸브(76)로 향한다. 가스가 스로틀 밸브(76)를 통과함에 따라, 주변으로부터의 충분한 열적 입력 없이도, 단열적으로 저압 영역 안으로 팽창한다. 결론적으로, 주울 톰슨 효과에 따라, 가스는 현저하게 냉각된다. 상기 상 분리 압력부(78)로부터 벗어나는 액체는 물과 경질 탄화수소 생성물을 함유한다. 피셔-트롭쉬 공정으로부터의 테일 가스인, 상기 상 분리 용기(78)로부터 벗어나는 가스는 유입 가스를 냉각시키기 위해 열 교환기(74)를 통해, 그리고 선택적으로 수소 투과성 막(도시되지 않음)을 통해 역류한다. 상기 테일 가스의 일부는 상기 제 1 압축기(50) 상류의 합성 가스 스트림 내로 피드백될 수 있다. 상기 테일 가스의 적어도 일부는 상기 연료 헤더(34) 내로 공급되어, 상기 피셔-트롭쉬 반응기(55) 내에 메탄의 어떠한 과잉 증가도 존재하지 않도록 한다.
4. 에너지 전달 및 공정 검토( Energy Transfer and Process Review )
상기 연료 헤더(34)는 버너(32)를 위한 연료를 제공할 뿐만 아니라 연료 압축기(80)를 통해 가스 터빈(82)으로 연료를 공급한다. 실제로 압축 연료 가스는 또한 플랜트(10)의 일부를 형성하지 않는 다른 장비(도시되지 않음)로 공급될 수 있다. 상기 가스 터빈(82)은 플랜트(10)를 작동시키기 위한 전력을 제공하도록 배열될 수 있다. 도면에서 파선으로 지시된 바와 같이, 본 예에서 가스 터빈(82)에 의해 발생되는 전력은 압축기들(50)을 구동하는데 사용된다. 대안적으로, 상기 가스 터빈(82)은 상기 압축기들(50)을 구동시키도록 직접 결합될 수 있다.
상술된 공정에서 피셔-트롭쉬 반응에 의해 생성된 열은 스트리퍼 탱크(stripper tank;66) 내의 비등 증기 및 알콜에 사용되며, 공급부(40)에 의해 연소 채널로 전달된다는 사실을 인식할 수 있다. 개질에 요구되는 잔류 열은 상기 버너(32)에서 연소를 겪는 연료 헤더(34)로부터의 연료 가스에 의해 제공된다. 상기 버너는 덕트 버너일 수 있으며, 여기에는 연료 가스를 연소 공기의 스트림 내로 공급하는 일부 노즐이 구비되며, 연료 가스는 화염으로 연소된다. 대안적으로, 상기 버너(32)는 촉매 무화염 연소 유닛일 수 있다. 상술된 바와 같이, 수반하는 고온 배기 가스는 상기 개질기(30)로 열을 공급하고, 다음에 상기 열 교환기(38) 내에서 연소 공기를 예열하기 위해 사용된다.
상술된 공정에 대한 변경에 있어서, 상기 연소 공기는 상기 연소 공기 내로 수소를 도입시키고, 또한 그것을 수소 연소로 촉매 작용될 산화된 표면을 갖는 철-크롬-알루미늄 합금(Fecralloy)과 같은 알루미늄-함유 페라이트강의 벌집 구조를 통과시킴으로써 추가적으로 예열될 수 있다. 대안적으로, 상기 예열은 수소와 같은 연료가 연소되는 덕트 버너를 사용하여 수행될 수 있다. 다음에, 800℃ 근방의 소망 온도로의 상기 연소 공기의 최종 가열이, 피셔-트롭쉬 공정으로부터의 테일 가스와 같은, 가연성 가스 스트림이 제공되는 덕트 버너(32)를 사용하여, 또는 상술된 바와 같은 촉매 무화염 연소 유닛인 버너(32)를 사용하여 성취될 수 있다.
또 다른 변경에 있어서, 연소 공기는 적합한 연료가 제공되는 덕트 버너를 통과함으로써, 또는 연소 공기 내로 수소를 도입하고 그를 상술된 바와 같은 알루미늄-함유 페라이트강의 벌집 구조를 통과시킴으로써 예열되며, 따라서 수소는 촉매 연소를 겪게 된다. 다음에, 고온의 연소 가스는 통합된 연소/개질 반응기 내로 공급되고, 메탄 또는 테일 가스와 같은 연료가 도입되어, 고온의 연소 공기가 유동하는 반응기의 열-공급 채널들에서 촉매 연소에 종속된다. 이와 같은 변경에 있어서, 촉매 연소는 예를 들면 개질 반응기(30) 내의 열-공급 채널들 내의 팔라듐/플래티늄 촉매에서 발생한다. 이 경우, 연소 가스 통로는 적합하게도 개질기 가스 통로에 대해 병류식(co-current)이다. 상기 촉매는, 넓은 온도 범위에 걸친 효과적 촉매인, 팔라듐/플래티늄 3:1 혼합물로 코팅된 지지체로서의 감마-알루미나(gamma-alumina)를 포함할 수 있다. 상기 가연성 가스 혼합물은 상기 연소 채널들의 길이를 통한 연소의 발생을 확실히 하기 위해 반응기(30)를 따라 단계적으로 공급될 수 있다.

Claims (19)

  1. 천연 가스를 처리하기 위한 가스 액화 플랜트(gas-to-liquids plant)로서,
    상기 천연 가스는 주울 톰슨 효과(Joule Thomson effect)를 통한 냉각을 겪도록 유량 제한기(flow restrictor)를 통한 팽창에 종속되며, 수반 액체들은 분리되는 가스 액화 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유량 제한기에 도달하기 전의 천연 가스와 상기 유량 제한기를 통과함으로써 냉각된 적어도 하나의 유체 사이의 열 전달을 위해 배열되는 열 교환기를 포함하는 가스 액화 플랜트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 메탄올 또는 에탄올과 같은 산화제(oxygenate)들을 상기 유량 제한기 상류의 천연 가스 스트림 내로 도입시키기 위한 수단을 또한 포함하는 가스 액화 플랜트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 과잉 수소를 함유하는 합성 가스를 형성하기 위해 상기 천연 가스를 처리하기 위한 수단, 및 상기 합성 가스로부터 수소를 제거하기 위한 분리기를 또한 포함하는 가스 액화 플랜트.
  5. 제 4 항에 있어서, 분리된 수소가 제공되는 연료 헤더(fuel header)를 포함하는 가스 액화 플랜트.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 합성 가스 형성 수단은 흡열 반응을 사용하도록 구성되며, 상기 반응을 위한 열은 적어도 부분적으로 상기 연료 헤더로부터의 연료 연소에 의해 제공되는 가스 액화 플랜트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합성 가스가 제공되는 피셔-트롭쉬 반응기(Fischer-Tropsch reactor), 및 상기 피셔-트롭쉬 반응기로부터의 출력으로부터 탄화수소 생성물 및 테일 가스(tail gas)를 분리시키기 위한 수단을 또한 포함하는 가스 액화 플랜트.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 테일 가스의 일부는 상기 합성 가스 스트림 내에서 재순환되고, 상기 테일 가스의 일부는 상기 연료 헤더 내로 공급되는 가스 액화 플랜트.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응에 의해 생성된 열의 적어도 일부가 증기를 발생시키기 위해 사용되는 열 교환기를 포함하며, 상기 증기는 연소 공정을 위해 공기 스트림과 결합되는 가스 액화 플랜트.
  10. 천연 가스를 처리하기 위한 가스 액화 방법으로서,
    주울 톰슨 효과를 통한 냉각을 겪도록 유량 제한기를 통한 팽창에 상기 천연 가스를 종속시키는 단계를 포함하며, 이어서 수반 액체들은 잔류 천연 가스로부터 분리되는 가스 액화 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 유량 제한기에 도달하기 전의 천연 가스와 상기 유량 제한기를 통과함으로써 냉각된 적어도 하나의 유체 사이에 열을 전달하는 단계를 포함하는 가스 액화 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 메탄올 또는 에탄올과 같은 산화제들을 상기 유량 제한기 상류의 천연 가스 스트림 내로 도입시는 단계를 또한 포함하는 가스 액화 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 산화제들은 상기 공정 내에서 부산물로서 생성되는 가스 액화 방법.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 과잉 수소를 함유하는 합성 가스를 형성하기 위해 상기 천연 가스를 처리하는 단계, 및 다음에 상기 합성 가스로부터 과잉 수소를 제거하는 단계를 또한 포함하는 가스 액화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 합성 가스 형성 공정은 흡열 반응을 사용하며, 상기 공정은 상기 제거된 과잉 수소의 연소에 의해 적어도 부분적으로 상기 흡열 반응을 위한 열을 제공하는 단계를 포함하는 가스 액화 방법.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합성 가스를 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis)에 종속시키는 단계를 또한 포함하는 가스 액화 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 합성으로부터의 출력은 리퀴드 페이스(liquid face)와 테일 가스로 분리되며, 상기 테일 가스의 일부는 상기 합성 가스 스트림 내에서 재순환되고, 상기 테일 가스의 일부는 연료로서 사용되는 가스 액화 방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응에 의해 생성된 열의 적어도 일부는 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 상기 증기는 연소 공정을 위해 공기 스트림과 결합되는 가스 액화 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 연소를 위한 공기 스트림이 상기 제거된 과잉 수소로부터의 수소와 혼합되고, 임의의 코팅 촉매 없이 알루미늄-함유 페라이트강(ferritic steel)을 포함하는 촉매 구조체를 관통함으로써 예열되어, 상기 수소가 상기 페라이트강의 표면에서 촉매 연소를 겪게 되는 가스 액화 방법.
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