KR20130113956A - 탄화수소 가스 처리공정 - Google Patents

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Abstract

탄화수소 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 처리공정 및 장치가 개시된다. 가스 스트림은 냉각되고, 중간 압력으로 팽창되고, 분별증류 탑의 상부 컬럼 공급 위치에 공급된다. 탑의 탑정(overhead) 증기 스트림은 더높은 압력으로 압축되고 부분적으로 응축되기 위해 냉각되어, 응축된 스트림을 형성한다. 응축된 스트림은 중간 압력으로 팽창되고, 탑 하부 액체 산물의 일부를 과냉각(subcool)하기 위해 사용되고, 이후 탑의 중간-컬럼 공급 위치에 공급된다. 탑 하부 액체 산물의 과냉각된 부분은 더낮은 압력으로 팽창되고 압축된 탑정 증기 스트림을 냉각하기 위해 사용된다. 분별증류 탑으로의 공급물의 양 및 온도는 분별증류 탑의 탑정 온도를, 대부분의 이산화탄소가 탑 하부 액체 산물 내에 회수되는 온도로 유지하기에 효과적이다.

Description

탄화수소 가스 처리공정{HYDROCARBON GAS PROCESSING}
탄화수소는 천연 가스, 정유 가스, 및 석탄, 미정제 오일, 나프타, 오일 셰일(oil shale), 역청사(tar sand), 및 갈탄(lignite)과 같은 기타 탄화수소 물질로부터 얻어지는 합성 가스 스트림과 같은 다양한 가스에서 발견된다. 많은 경우에, 이들 원천으로부터의 가스 스트림은 고농도의 이산화탄소로 오염되어 있어, 이들 가스 스트림을 연료, 화학 공장 공급원료(feedstock)로서 사용되기에, 또는 기타 목적을 위해 부적합하게 만든다. 화학적, 물리적, 및 혼합된 해결책을 사용하여 이산화탄소를 제거하기 위해 개발되어온 다양한 처리공정이 존재한다. 미국 특허 제4,318,723호에 기술된 처리공정과 같이, 증류 컬럼에서 이산화탄소를 제거하기 위해 중질 (전형적으로는 C4-C10) 탄화수소로 이루어진 냉동된 흡수제 스트림을 사용하는 기타의 처리공정들이 개발되어 있다. 이들 처리공정은 모두 가스 스트림 내의 이산화탄소 농도가 높아질수록 점점 더 높은 자본 비용 및 운영 비용을 가지며, 이는 흔히 그러한 가스 스트림의 처리공정을 비경제적이게 만든다.
고농도의 이산화탄소를 함유하는 가스 스트림의 처리의 경제성을 향상하기 위한 한 방법은 용매 또는 흡수제로 처리하기 이전에 가스 스트림으로부터 이산화탄소의 벌크 분리를 제공하여, 미미한 분량의 이산화탄소만을 이후 가스 스트림으로부터 제거되게 하는 것이다. 예를 들면, 이산화탄소의 벌크 제거를 위해 반-투과성 막이 흔히 사용되었다. 그렇지만, 가스 스트림 내의 상당한 분량의 더욱 경질인 탄화수소가 흔히 이러한 유형의 벌크 제거 공정에 의해 분리된 이산화탄소 스트림으로 "빠져나간다".
이산화탄소의 벌크 제거를 위한 더나은 대안은 가스 스트림을 경질 탄화수소 스트림과 이산화탄소 스트림으로 분별하기 위해 증류를 사용하는 것으로, 이로 인해 경질 탄화수소 스트림으로부터 잔여 이산화탄소를 제거하는 것이 연료, 화학 공장 공급원료, 등으로서 사용하기 위한 파이프라인-품질 가스를 제조하기 위해 요구되는 모든 것이 된다. 제거된 대부분의 이산화탄소는 증기보다는 액체로서 회수되므로, 이산화탄소가 3차 오일 회수 작업에서의 후속 사용 또는 기타 목적을 위해 (압축되기보다는) 펌핑될 수 있게 하며, 자본 비용 및 운영 비용의 실질적인 감소를 가져온다.
본 발명은 일반적으로 그러한 가스 스트림으로부터 대부분의 이산화탄소를 제거하는 것에 관한 것이다. 본 발명에 따라 처리될 가스 스트림의 전형적인 분석은, 근사치의 몰 백분율로서, 44.3% 수소, 13.0% 일산화탄소, 4.0% 메탄, 및 38.5% 이산화탄소, 그리고 질소 및 아르곤으로 구성된 잔부(balance)일 것이다. 일부 경우에 황 함유 가스가 또한 존재한다.
이산화탄소를 제거하기 위한 전형적인 증류 처리공정에서, 압력 하에 공급 가스 스트림은 상기 처리공정의 다른 스트림 및/또는 프로판 압축-냉동 시스템과 같은 외부 냉동 공급원과의 열 교환에 의해 냉각된다. 가스는 냉각된 그 상태로 응축되고, 고-압력 액체는 중간 압력으로 팽창되어, 액체의 팽창 도중 발생하는 증발로 인한 스트림의 추가적인 냉각을 유발한다. 액체 및 증기의 혼합물을 포함하는 팽창된 스트림은 증류 컬럼에서 분별증류되어 이산화탄소로부터 탑정 증기로서 잔여 메탄, 질소, 및 기타 휘발성 가스로, 그리고 하부 액체 산물로서 더욱 중질인 탄화수소 성분으로 분리된다. 액체 이산화탄소의 부분은 필요한 경우 더낮은 압력으로 플래시(flash) 팽창되어 차후에 처리 스트림에 저-수준의 냉동을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 이산화탄소 제거 효율을 높이기 위해 증류 컬럼 탑정 증기를 응축하는 신규한 수단을 사용한다. 분별증류 컬럼을 위한 환류물을 응축하기 위해 컬럼 탑정 증기를 냉각하는 대신에, 탑정 증기가 더높은 압력으로 압축되고 이후 부분적으로 응축되기 위해 냉각된다. 수득된 응축물은 거의 액체 이산화탄소이고, 이것은 중간 압력으로 플래시 팽창되고 증류 컬럼의 중간-컬럼 공급점에 되돌아가기 전에 처리 스트림에 중간-수준의 냉동을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 응축물이 제거된 후에 잔여하는 잔여 가스는 추가적인 압축을 요하지 않고 처리를 위해 보내지기에 적합하다. 예기치않게, 본 출원인은 이러한 신규한 처리공정의 배치가 더 많은 이산화탄소를 제거하게 할 뿐 아니라, 주어진 수준의 이산화탄소 제거를 달성하기 위해 요구되는 전력 소비를 줄이며, 이를 통해 처리 효율을 높이고 설비의 운영 비용을 낮춘다는 것을 발견했다.
본 발명에 따르면, 99.8% 초과의 메탄 및 더욱 경질인 성분을 가스 스트림에 남기면서, 75% 초과의 이산화탄소가 제거될 수 있음이 발견되었다. 본 발명은, 비록 더낮은 압력 및 더높은 온도에서도 적용할 수 있지만, -50℉ [-46℃] 또는 그 이하의 증류 컬럼 탑정 온도를 요구하는 조건하에서 400 내지 1500 psia [2,758 내지 10,342 kPa(a)]의 범위 또는 그 이상에서 공급 가스를 처리하는 경우에 특히 유리하다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해, 다음의 실시예 및 도면이 참조된다. 도면을 참조로 하면:
도 1은 선행 기술의 합성 가스 처리 공장의 순서도이며;
도 2는 본 발명에 따른 합성 가스 처리 공장의 순서도이다.
상기 도면의 이어지는 설명에서, 대표적인 처리 조건에 대해 산출된 유속을 요약하는 표가 제공된다. 본 명세서에 나타난 표에서, 유속 (시간당 몰로 나타냄)에 대한 값은 편의를 위해 가장 근접한 정수로 반올림되었다. 표에 나타난 총 스트림 속도는 모든 비-탄화수소 성분을 포함하며 따라서 일반적으로 탄화수소 성분에 대한 스트림 유속의 합보다 더 크다. 나타난 온도는 가장 근접한 온도로 반올림된 근사값이다. 또한 도면에 도시된 처리공정들을 비교할 목적으로 수행된 처리공정 설계의 계산이 주변환경으로부터 상기 공정으로(또는 공정으로부터 주변환경으로) 열 유출이 없다는 가정을 기반으로 함이 유의되어야 한다. 시판되는 절연 물질의 품질은 상기 가정을 매우 합리적인 가정 및 전형적으로 당해 분야의 숙련가에 의해 만들어지는 것으로 만든다.
편의를 위해, 처리공정 파라미터는 전통적인 영국 단위(traditional British unit) 및 국제 단위계(Systeme International d'Unites, SI)의 단위 둘다로 기록된다. 표에 제공된 몰의 유속은 시간당 파운드몰 또는 시간당 킬로그램몰로서 해석될 수 있다. 마력(horsepower, HP) 및/또는 시간당 일천 영국열량 단위(British Thermal Unit) (MBTU/Hr)로 기록된 에너지 소비는 시간당 파운드몰로 나타낸 언급된 몰 유속에 해당한다. 킬로와트(kilowatts, kW)로 기록된 에너지 소비는 시간당 킬로그램몰로 나타낸 언급된 몰 유속에 해당한다.
선행 기술의 설명
도 1은 선행 기술의 처리공정을 이용하여 합성 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 처리 공장의 설계를 나타내는 처리 순서도이다. 이러한 가상의 처리공정에서, 유입 가스는 120℉ [49℃] 및 1080 psia [7,446 kPa(a)]로 스트림 31로서 공장으로 들어간다. 공급 스트림은 보통 극저온(cryogenic) 조건 하에서 수화물 (얼음) 형성을 방지하기 위하여 탈수된다. 고체 및 액체 건조제가 모두 상기 목적을 위해 사용되어 왔다.
공급 스트림 31은 열 교환기 10에서 49℉ [9℃]의 컬럼 재가열기(reboiler) 액체(스트림 37), 34℉ [1℃]의 컬럼 측면 재가열기 액체(스트림 42), 및 프로판 냉매를 이용한 열 교환에 의해 -20℉ [-29℃]로 냉각된다. 스트림 31a는 열 교환기 50에서 -56℉ [-49℃]의 차가운 이산화탄소 증기(스트림 43), -60℉ [-51℃]의 차가운 잔여 가스(스트림 35), 및 -60℉ [-51℃]의 펌핑된 액체(스트림 36a)를 이용한 열 교환에 의해 추가로 냉각된다. 추가로 냉각된 스트림 31b는 -27℉ [-33℃] 및 1049 psia [7,233 kPa(a)]로 분리기 11로 들어가며 여기서 증기(스트림 32)가 응축된 액체(스트림 33)로부터 분리된다.
분리기 11로부터의 증기(스트림 32)는 일 팽창 머신(work expainsion machine) 12로 들어가며 여기서 상기 고 압력 공급물의 부분으로부터 기계적 에너지가 추출된다. 머신 12는 분별증류 탑 15의 작동 압력 (대략 665 psia [4,583 kPa(a)])으로 증기를 실질적으로 등엔트로피적으로(isentropically) 팽창시키고, 상기 일 팽창은 팽창된 스트림 32a를 대략 -48℉ [-45℃]의 온도로 냉각한다. 전형적인 시판되는 팽창기는 이상적인 등엔트로피적 팽창에서 이론적으로 입수가능한 일의 80-88%의 규모를 회수할 수 있다. 회수된 일은 흔히 예를 들어, 잔여 가스(스트림 35b)의 재-압축을 위해 사용될 수 있는 원심분리 압축기(가령 항목 13)를 가동하기 위해 사용된다. 부분적으로 응축된 팽창된 스트림 32a은 그 이후 분별증류 탑 15의 상부 컬럼 공급점에 공급된다. 분리기 액체(스트림 33)는 팽창 밸브 14에 의해 분별증류 탑 15의 작동 압력으로 팽창되고, 스트림 33a는 -28℉ [-33℃]로 냉각되어, 그 후에 분별증류 탑 15의 상부 중간-컬럼 공급점에 공급된다.
탑정 증기 스트림 34는 -48℉ [-45℃]로 분별증류 탑 15을 떠나고 열 교환기 18에서 냉각되고 부분적으로 응축된다. 부분적으로 응축된 스트림 34a는 -60℉ [-51℃] 및 658 psia [4,535 kPa(a)]로 분리기 19에 들어가고 여기서 증기(차가운 잔여 가스 스트림 35)가 응축된 액체(스트림 36)로부터 분리된다. 액체 스트림 36은 펌프 51에 의해 분별증류 탑 15의 작동 압력보다 약간 높게 펌핑되고 그 후에 스트림 36a가 열 교환기 50에 들어가고 전술한 바와 같은 공급 가스를 사용하는 열 교환에 의해 -26℉ [-32℃]로 가열된다. 가열된 스트림 36b는 그 이후 분별증류 탑 15의 더낮은 중간-컬럼 공급점에 공급물로서 공급된다.
분별증류 탑 15는 복수의 수직으로 배치된 트레이, 하나 이상의 패킹된 상(packed bed), 또는 트레이 및 패킹(packing)의 어떤 조합을 포함하는 전통적인 증류 컬럼이다. 분별증류 탑은 또한 컬럼을 따라 내려오는 액체의 일부를 가열하고 증발시켜 메탄 및 더욱 경질인 성분의 컬럼 하부 액체 산물(스트림 38)을 스트리핑하기 위해 컬럼을 타고 올라가는 스트리핑(stripping) 증기를 제공하는 재가열기(가령 전술된 재가열기 및 측면 재가열기)를 포함한다. 상기 트레이 및/또는 패킹은 위쪽으로 올라가는 스트리핑 증기 및 아래로 떨어지는 차가운 액체 사이에 필요한 접촉을 제공하여, 하부 산물 내 메탄 농도를 몰 기준으로 0.47%까지 감소시킴으로써 하부 산물 스트림 38은 50℉ [10℃]로 탑의 하부를 떠나게 된다.
컬럼 하부 산물 스트림 38은 대부분 액체 이산화탄소이다. 적은 부분(스트림 39)이 열 교환기 21에서 차가운 잔여 가스 스트림 35a에 의해 과냉각(subcooled)된다. -20℉ [-29℃]로 과냉각된 액체(스트림 39a)는 팽창 밸브 22 에 의해 더낮은 압력으로 팽창되고 부분적으로 증발되고, 추가로 스트림 39b는 -65℉ [-54℃]로 냉각되어 이후 열 교환기 18에 들어간다. 스트림 39b 내 잔여 액체는 열 교환기 18에서 냉매로서 기능하여 전술된 바와 같이 스트림 34의 냉각을 제공하며, 생성된 이산화탄소 증기는 스트림 43로서 -56℉ [-49℃]로 떠난다. 스트림 39b가 소량의 더욱 중질인 탄화수소를 함유할 수 있기 때문에, 소규모 액체 퍼징(스트림 44)을 열 교환기 18 로부터 빼냄으로써 비점을 상승시키고 열 교환기 18의 냉각 효율을 떨어뜨릴 수 있는, 냉매 액체 내 더욱 중질인 탄화수소의 축적을 방지할 수 있다.
열 교환기 18로부터의 차가운 이산화탄소 증기(스트림 43)는 전술된 바와 같이 공급 가스를 이용하는 열 교환에 의해 열 교환기 50에서 -28℉ [-33℃]로 가열된다. 74 psia [508 kPa(a)]로 가온된 이산화탄소 증기(스트림 43a)는 이후 압축기 23, 25, 및 27에 의해 세 단계로 고압으로 압축되며, 방출 냉각기 24, 26, 및 28에 의한 압축의 각 단계 후에 120℉ [49℃]로 냉각된다. 컬럼 하부 산물 스트림 38의 나머지 부분(스트림 40)은 펌프 29에 의해 고압으로 펌핑되며 따라서 스트림 40a가 방출 냉각기 28를 떠나는 고압 가스(스트림 43g)와 조합할 수 있게 되어, 고압 이산화탄소 스트림 41을 형성하고 이는 이후 82℉ [28℃] 및 1115 psia [7,688 kPa(a)]로 재주입되기 위해 흐른다.
차가운 잔여 가스(스트림 35a)는 전술된 바와 같이 공급 가스를 이용한 열 교환 후에 열 교환기 50를 -28℉ [-33℃]로 떠나며, 전술된 바와 같이 액체 이산화탄소 스트림 39을 이용한 열 교환에 의해 열 교환기 21에서 -8℉ [-22℃]로 추가로 가열된다. 가온된 잔여 가스 스트림 35b는 이후 팽창 머신 12 에 의해 가동되는 압축기 13 및 보조적인 전원으로 가동되는 압축기 17, 두 단계로 재-압축된다. 잔여 가스 스트림 35d는 이후 90℉ [32℃] 및 1115 psia [7,688 kPa(a)]으로 처리되기 위해 흐른다.
도 1에 예시된 처리공정에 대한 스트림 유속 및 에너지 소비의 요약이 다음 표에 제시된다:
Figure pct00001
Figure pct00002
발명의 설명
도 2는 본 발명에 따른 처리공정의 순서도를 예시한다. 도 2에 제시된 처리공정에서 고려된 공급 가스 조성 및 조건은 도 1에 나타난 것과 동일하다. 따라서, 도 2 처리공정은 도 1 처리공정의 그것과 비교되어 본 발명의 장점을 나타낼 수 있다.
가상의 도 2 처리공정에 있어서, 유입 가스가 스트림 31로서 120℉ [49℃] 및 1080 psia [7,446 kPa(a)]으로 공장에 들어가고 47℉ [8℃]의 컬럼 재가열기 액체(스트림 37), 30℉ [-1℃]의 잔여 가스(스트림 35a), 20℉ [-7℃]의 차가운 팽창된 액체(스트림 36b), 및 프로판 냉매를 이용하는 열 교환에 의해 열 교환기 10에서 냉각된다. 상기 냉각된 스트림 31a는 -30℉ [-34℃] 및 1049 psia [7,233 kPa(a)]로 분리기 11에 들어가며 여기서 증기(스트림 32)가 응축된 액체(스트림 33)로부터 분리된다.
분리기 11(스트림 32)로부터의 증기는 일 팽창 머신 12으로 들어가며 여기서 상기 부분의 고압 공급물로부터 기계적 에너지가 추출된다. 머신 12는 상기 증기를 실질적으로 등엔트로피적으로 분별증류 탑 15의 작동 압력(대략 640 psia [4,413 kPa(a)])으로 팽창시키며, 상기 일 팽창은 팽창된 스트림 32a를 대략 -54℉ [-48℃]의 온도로 냉각한다. 부분적으로 응축된 팽창된 스트림 32a는 그 이후 분별증류 탑 15의 상부 컬럼 공급점에 공급된다. 분리기 액체(스트림 33)는 팽창 밸브 14에 의해 분별증류 탑 15의 작동 압력으로 팽창되며, 냉각 스트림 33a로 -30℉ [-35℃]이 되어 이후 분별증류 탑 15의 상부 중간-컬럼 공급점에 공급된다.
탑정 증기 스트림 34는 분별증류 탑 15를 -52℉ [-47℃]로 떠나고 팽창 머신 12 에 의해 가동되는 압축기 13 및 보조적인 전원으로 가동되는 압축기 17, 두 단계로 압축된다. 압축된 스트림 34b는 이후 냉각되고 열 교환기 18에서 부분적으로 응축된다. 부분적으로 응축된 스트림 34c는 -60℉ [-51℃] 및 1130 psia [7,791 kPa(a)]로 분리기 19에 들어가고, 여기서 증기(차가운 잔여 가스 스트림 35)가 응축된 액체(스트림 36)로부터 분리된다. 액체 스트림 36은 팽창 밸브 20에 의해 분별증류 탑 15의 작동 압력보다 약간 높게 팽창된 후 스트림 36a가 열 교환기 21에 들어간다. 팽창된 스트림 36a는 -59℉ [-51℃]에서 20℉ [-7℃]까지 가열되고 액체 이산화탄소 스트림 39를 이용한 열 교환에 의해 부분적으로 증발된다(이는 단락[0027]에 이후 추가로 기술된다). 부분적으로 증발된 스트림 36b는 전술된 바와 같이 공급 가스를 이용한 열 교환에 의해 열 교환기 10에서 추가로 증발되고, 38℉ [3℃]의 스트림 36c는 그 후에 분별증류 탑 15의 더낮은 중간-컬럼 공급점에 공급물로서 공급된다.
분별증류 탑 15는 복수의 수직으로 배치된 트레이, 하나 이상의 패킹된 상, 또는 트레이 및 패킹의 어떤 조합을 포함하는 전통적인 증류 컬럼이다. 분별증류 탑은 또한 컬럼을 따라 내려오는 액체의 일부를 가열하고 증발시켜 메탄 및 더욱 경질인 성분의 컬럼 하부 액체 산물(스트림 38)을 스트리핑하기 위해 컬럼을 타고 올라가는 스트리핑 증기를 제공하는 재가열기(가령 전술된 재가열기 및 임의로 열의 외부 원천에 의해 가열되는 재가열기 16)를 포함한다. 상기 트레이 및/또는 패킹은 위쪽으로 올라가는 스트리핑 증기 및 아래로 떨어지는 차가운 액체 사이에 필요한 접촉을 제공하여, 하부 산물 내 메탄 농도를 몰 기준으로 0.30%까지 감소시킴으로써 하부 산물 스트림 38은 48℉ [9℃]로 탑의 하부에서 떠나게 된다.
컬럼 하부 산물 스트림 38은 대부분 액체 이산화탄소이다. 적은 부분(스트림 39)이 열 교환기 21에서 전술된 바와 같이 플래시 팽창된 액체 스트림 36a에 의해 과냉각된다. -33℉ [-36℃]로 과냉각된 액체(스트림 39a)는 팽창 밸브 22 에 의해 더낮은 압력으로 팽창되고 부분적으로 증발되고, 추가로 스트림 39b는 -65℉ [-54℃]로 냉각되며 이후 열 교환기 18에 들어가게 된다. 스트림 39b 내 잔여 액체는 열 교환기 18에서 냉매로서 기능하여 전술된 바와 같이 압축된 탑정 증기 스트림 34b의 일부의 냉각을 제공하며, 생성된 이산화탄소 증기는 -22℉ [-6℃]로 떠난다(스트림 39c).
78 psia [536 kPa(a)]로 가온된 이산화탄소 증기(스트림 39c)는 이후 압축기 23, 25, 및 27에 의해 세 단계로 고압으로 압축되며, 방출 냉각기 24, 26, 및 28에 의한 압축의 각 단계 후에 120℉ [49℃]로 냉각된다. 컬럼 하부 산물 스트림 38의 나머지 부분(스트림 40)은 펌프 29 에 의해 고압으로 펌핑되며 따라서 스트림 40a가 방출 냉각기 28를 떠나는 고압 가스(스트림 39i)와 조합할 수 있게 되어, 고압 이산화탄소 스트림 41을 형성하고 이는 이후 84℉ [29℃] 및 1115 psia [7,688 kPa(a)]로 재주입되기 위해 흐른다.
분리기 19로부터의 차가운 잔여 가스(스트림 35)는 열 교환기 18에 들어가며, 전술된 바와 같이 압축된 탑정 증기 스트림 34b를 이용한 열 교환에 의해 30℉ [-1℃]로 가열된다. 차가운 잔여 가스 스트림 35a는 공급 가스 전술된 바와 같이 공급 가스를 이용한 열 교환에 의해 열 교환기 10에서 72℉ [22℃]로 추가로 가열된다. 가온된 잔여 가스 스트림 35b는 이후 1115 psia [7,688 kPa(a)]으로 처리되기 위해 흐른다.
도 2에 예시된 처리공정에 대한 스트림 유속 및 에너지 소비의 요약이 다음 표에 제시된다:
Figure pct00003
Figure pct00004
표 1 및 2의 비교는 선행 기술에 비해, 본 발명이 더 나은 메탄 회수(선행 기술의 99.44%에 대비하여 99.85%), 훨씬 더 나은 이산화탄소 제거(선행 기술의 63.10%에 대비하여 75.15%), 잔여 가스 내 훨씬 더 낮은 이산화탄소 농도(선행 기술의 18.79%에 대비하여 13.47%), 및 더 나은 이산화탄소 순도(선행 기술의 99.50%에 대비하여 99.69%)를 제공함을 보여준다. 또한, 표 1 및 2의 추가적인 비교를 통해 상기 우월한 처리 성능은 제거된 이산화탄소의 단위당 에너지를 선행 기술보다 더 적게 사용하여 성취되었음을 나타낸다. 전력소비율(specific power consumption)의 관점에서, 본 발명은 선행 기술의 도 1 처리공정보다 8% 향상을 나타내며, 전력소비율을 선행 기술에서의 제거된 이산화탄소의 2.13 HP-H/Lb.몰 [3.51 kW-H/kg 몰]로부터 본 발명에서의 1.96 HP-H/Lb.몰 [3.22 kW-H/kg 몰]까지 감소시켰다.
선행 기술의 도 1 처리공정보다 본 발명에 의해 제공되는 에너지 효율의 향상은 주로 두 가지 요인으로 인한 것이다. 먼저, 분별증류 탑 15 로부터의 탑정 증기 스트림 34를 더높은 압력으로 압축한 후에 열 교환기 18에 공급하는 것이 스트림으로부터 이산화탄소를 응축하는 것을 훨씬 쉽게 한다. 표 1 및 2의 스트림 36을 비교하여 볼 수 있는 바와 같이, 스트림 36에 응축된 이산화탄소는 선행 기술에서의 2,536 Lb. 몰/Hr [2,536 kg 몰/Hr]에서 본 발명에서의 4,257 Lb. 몰/Hr [4,257 kg 몰/Hr]까지 증가한다. 결과적으로 선행 기술의 7,118 Lb. 몰/Hr [7,118 kg몰/Hr]에 대비하여 본 발명에서는 4,795 Lb. 몰/Hr [4,795 kg 몰/Hr]로서, 남아있는 잔여 가스(스트림 35)가 훨씬 적은 이산화탄소를 함유한다.
두 번째로, 본 발명의 스트림 36 내 더 많은 양의 응축된 액체는 처리공정 내에서 중간-수준 냉동을 위해 더 효과적으로 사용될 수 있는 처리 스트림을 제공한다. 생성된 플래시된 스트림 36a는 선행 기술의 처리공정의 펌핑된 스트림 36a보다 72% 더 많은 유동성을 가지며, 스트림 39에서 더 많은 양의 액체 이산화탄소를(선행 기술보다 39% 더 많음) 더낮은 온도로(선행 기술에서의 -20℉ [-29℃]에 대비하여 -33℉ [-36℃]) 과냉각할 수 있게 하여, 본 발명의 생성된 플래시된 이산화탄소 스트림 39b가 열 교환기 18에서 탑정 증기 스트림 34로부터 이산화탄소를 응축하기 위한 냉매로서 사용될 수 있는 훨씬 더 많은 양의 액체를 함유하게 한다.
이들 두 가지 요인의 최종 결과는 컬럼 하부 산물 스트림 38에서 상당히 더 많은 이산화탄소를(도 1 선행 기술 처리공정에 비하여 19% 더 많음) 더 적은 비출력(specific power)을 이용하여 더 높은 효율로 포집하는 것이다. 이는 또한 훨씬 적은 이산화탄소가 잔여 가스 스트림 35에 남아있는 동시에, 이후의 처리 또는 사용을 위해 잔여 가스를 조건화하는데 요구되는 하류스트림 처리를 크게 감소(또는 가능하게는 완전히 제거)시키고, 추가로 주어진 응용분야를 위한 총 처리 비용을 감소시킴을 의미한다.
기타 구체예
도 2에 나타난 본 발명의 구체예에 대해 앞서 기술한 바와 같이, 공급 스트림 31은 열 교환기 10에서 냉각된 상태 그대로 부분적으로 응축되며, 생성된 증기 스트림 32 및 액체 스트림 33은 이후 분별증류 컬럼 15의 작동 압력으로 팽창된다. 그렇지만, 본 발명은 상기 구체예에 제한되지 않는다. 공급 가스 내 더욱 중질인 탄화수소의 양 및 공급 가스 압력에 따라, 냉각된 공급 스트림 31a는 어떠한 액체도 함유하지 않을 수 있다(왜냐하면 그것이 이슬점 위에 있거나, 그것이 최대임계압력(cricondenbar)위에 있기 때문임). 그러한 경우에, 분리기 11가 요구되지 않는다. 어떤 환경은 공급 가스의 총 응축을 촉진하고, 이후에 액체 또는 농축상 액체를 분별증류 컬럼 15의 작동 압력으로 팽창시킬 수 있다. 그러한 경우도 유사하게 분리기 11를 필요로 하지 않는다.
공급 가스 조건, 공장 크기, 이용가능한 설비, 또는 기타 요인들을 통해 일 팽창 머신 12의 제거, 또는 대안적인 팽창 장치(가령 팽창 밸브)로의 대체가 실행가능함이 나타날 수 있다. 비록 개별적인 스트림 팽창이 특정한 팽창 장치로 도시되지만, 대안적인 팽창 수단이 적절한 경우 사용될 수 있다. 예를 들면, 조건은 액체 스트림 33, 36, 및/또는 39a의 일 팽창을 보장할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기타 처리 스트림으로부터의 유입 가스 및/또는 압축된 탑정 증기 스트림 34b에 이용가능한 냉각을 공급하기 위한 외부 냉동의 사용은 특히 농축 유입 가스의 경우에 사용될 수 있다. 처리공정 열 교환을 위한 분리기 액체 및/또는 탈메탄화 장치(demethanizer) 측면 인출액(side draw liquid)의 사용 및 분포, 및 유입 가스 냉각을 위한 열 교환기의 특정한 배열은 각각의 특정 용도, 뿐만 아니라 특정 열 교환 서비스를 위한 처리 스트림의 선택에 대하여 평가되어야 한다. 예를 들면, 어떤 환경은 부분적으로 증발된 스트림 36b을, 열 교환기 10에서 추가로 증발시키고 이후에 생성된 스트림 36c를 분별증류 탑 15에 공급하는 것 보다, 직접(도 2의 스트림 44를 통해) 분별증류 탑 15에 공급하는 것을 촉진할 수 있다.
공급 가스의 온도 및 농축 정도 및 액체 산물 스트림 38 내에 허용되는 메탄의 양에 따라, 분별증류 컬럼 15을 떠나는 액체가 제품 규격을 충족하도록 유발하는 충분한 가열이 공급 스트림 31로부터 입수가능하지 않을 수 있다. 그러한 경우에, 분별증류 컬럼 15는 열의 외부 원천에 의해 가열되는 하나 이상의 재가열기(가령 재가열기 16)를 포함할 수 있다.
어떤 환경에서, 냉동을 제공하기 위해 사용된 컬럼 하부 산물 스트림 38의 상기 부분(스트림 39)이 가열된 후에 (스트림 39c) 고압으로 회복될 필요가 없을 수 있다. 그러한 경우에, 나타난 압축 및 냉각(압축기 23, 25, 및 27 및 방출 냉각기 24, 26, 및 28)은 필요하지 않고, 단지 스트림 40a에서 스트림 41로 흐를 수 있다.
본 발명은 처리공정을 가동하기 위해 요구되는 설비 소비의 양당 탄화수소 가스 스트림으로부터 이산화탄소의 개선된 분리를 제공한다. 처리공정을 가동하기 위해 요구되는 설비 소비의 향상은 압축 또는 재-압축을 위한 전력 필요량의 감소, 펌핑을 위한 전력 필요량의 감소, 외부 냉동을 위한 전력 필요량의 감소, 탑 재가열을 위한 에너지 필요량의 감소, 또는 이들의 조합의 형태로 나타날 수 있다.
비록 본 발명의 바람직한 구체예라고 간주되는 것들이 기술되었지만, 당해 분야의 숙련가는, 다음의 청구 범위에 의해 규정되는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 예를 들어, 다양한 조건, 공급물의 유형, 또는 다른 필요조건에 본 발명을 적응시키도록 다른 그리고 추가적인 변형들이 이에 더하여 만들어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (6)

  1. 적어도 메탄 및 이산화탄소를 함유하는 가스 스트림(stream)을 대부분 상기 메탄을 함유하는 휘발성 잔여 가스 분획 및, 대부분 상기 이산화탄소를 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리하기 위한 방법으로서, 여기서
    (1) 상기 가스 스트림은 냉각되어, 이를 통해 냉각된 스트림을 형성하고;
    (2) 상기 냉각된 스트림은 중간 압력으로 팽창되며 동시에 추가로 냉각되고;
    (3) 상기 팽창된 냉각된 스트림은 상부 공급물로서 증류 컬럼에 공급되고, 상기 중간 압력에서 탑정(overhead) 증기 스트림 및 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분별되고;
    (4) 상기 탑정 증기 스트림은 더높은 압력으로 압축되고;
    (5) 상기 압축된 탑정 증기 스트림은 적어도 일부가 응축되도록 충분히 냉각되고, 이를 통해 잔여 증기 스트림 및 응축된 스트림을 형성하고;
    (6) 상기 응축된 스트림은 상기 중간 압력으로 팽창되고 가열되며, 그 이후 상기 증류 컬럼의 중간-컬럼 공급 위치에 공급되고;
    (7) 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획은 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 나눠지고;
    (8) 상기 제2 스트림은 냉각되어, 이를 통해 단계 (6)의 가열의 적어도 일부를 공급하며;
    (9) 상기 냉각된 제2 스트림은 더낮은 압력으로 팽창되며 동시에 추가로 냉각되고;
    (10) 상기 팽창된 냉각된 제2 스트림은 가열되고, 이를 통해 단계 (5)의 냉각의 적어도 일부를 공급하며;
    (11) 상기 잔여 증기 스트림은 가열되고, 이를 통해 단계 (1) 및 (5)의 냉각의 적어도 일부를 공급하며, 그 후에 상기 가열된 잔여 증기 스트림을 상기 휘발성 잔여 가스 분획으로서 방출하고; 그리고
    (12) 상기 증류 컬럼에 대한 상기 공급 스트림의 양 및 온도는, 대부분의 상기 이산화탄소가 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획 내에 회수되는 온도로 상기 증류 컬럼의 탑정 온도를 유지하기에 효과적인 것인, 분리 방법.
  2. 적어도 메탄 및 이산화탄소를 함유하는 가스 스트림을 대부분 상기 메탄을 함유하는 휘발성 잔여 가스 분획 및, 대부분 상기 이산화탄소를 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리하기 위한 방법으로서, 여기서
    (1) 상기 가스 스트림은 부분적으로 응축되도록 충분하게 냉각되고;
    (2) 상기 부분적으로 응축된 가스 스트림은 분리되며, 이를 통해 증기 스트림 및 적어도 하나의 액체 스트림을 제공하고;
    (3) 상기 증기 스트림은 중간 압력으로 팽창되고;
    (4) 상기 팽창된 증기 스트림은 상부 공급물로서 증류 컬럼에 공급되고, 상기 중간 압력에서 탑정 증기 스트림 및 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분별되고;
    (5) 상기 적어도 하나의 액체 스트림은 상기 중간 압력으로 팽창되고, 그 이후 상기 증류 컬럼의 상부 중간-컬럼 공급 위치에 공급되고;
    (6) 상기 탑정 증기 스트림은 더높은 압력으로 압축되고;
    (7) 상기 압축된 탑정 증기 스트림은 적어도 일부가 응축되도록 충분히 냉각되고, 이를 통해 잔여 증기 스트림 및 응축된 스트림을 형성하고;
    (8) 상기 응축된 스트림은 상기 중간 압력으로 팽창되고 가열되며, 그 이후 상기 증류 컬럼의 상기 상부 중간-컬럼 공급 위치 아래의 더낮은 중간-컬럼 공급 위치에 공급되고;
    (9) 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획은 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 나눠지고;
    (10) 상기 제2 스트림은 냉각되어, 이를 통해 단계 (8)의 가열의 적어도 일부를 공급하며;
    (11) 상기 냉각된 제2 스트림은 더낮은 압력으로 팽창되며 동시에 추가로 냉각되고;
    (12) 상기 팽창된 냉각된 제2 스트림은 가열되고, 이를 통해 단계 (7)의 냉각의 적어도 일부를 공급하며;
    (13) 상기 잔여 증기 스트림은 가열되고, 이를 통해 단계 (1) 및 (7)의 냉각의 적어도 일부를 공급하며, 그 후에 상기 가열된 잔여 증기 스트림을 상기 휘발성 잔여 가스 분획으로서 방출하고; 그리고
    (14) 상기 증류 컬럼에 대한 상기 공급 스트림의 양 및 온도는, 대부분의 상기 이산화탄소가 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획 내에 회수되는 온도로 상기 증류 컬럼의 탑정 온도를 유지하기에 효과적인 것인, 분리 방법.
  3. 적어도 메탄 및 이산화탄소를 함유하는 가스 스트림을 대부분 상기 메탄을 함유하는 휘발성 잔여 가스 분획 및, 대부분 상기 이산화탄소를 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리하기 위한 장치로서,
    (1) 상기 가스 스트림을 냉각하여, 이를 통해 냉각된 스트림을 형성하는 제1 열 교환 수단;
    (2) 상기 제1 열 교환 수단과 연결되어 상기 냉각된 스트림을 받아 이를 중간 압력으로 팽창시키는 제1 팽창 수단;
    (3) 상기 제1 팽창 수단과 연결되어, 유입되는 상부 공급물로서 상기 팽창된 냉각된 스트림을 받는 증류 컬럼으로서, 상기 증류 컬럼은 상기 중간 압력에서 상기 팽창된 냉각된 스트림을 탑정 증기 스트림 및 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분별하도록 적응된 것인 증류 컬럼;
    (4) 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 탑정 증기 스트림을 받아 이를 더높은 압력으로 압축하는 압축 수단;
    (5) 상기 압축 수단과 연결되어 상기 압축된 탑정 증기 스트림을 받아 이의 적어도 일부가 응축되도록 충분히 냉각하는 제2 열 교환 수단;
    (6) 상기 제2 열 교환 수단과 연결되어 상기 부분적으로 응축된 압축된 탑정 증기 스트림을 받아 이를 분리하여, 이를 통해 잔여 증기 스트림 및 응축된 스트림을 형성하는 분리 수단;
    (7) 상기 분리 수단과 연결되어 상기 응축된 스트림을 받아 이를 상기 중간 압력으로 팽창시키는 제2 팽창 수단;
    (8) 상기 제2 팽창 수단과 연결되어 상기 팽창된 응축된 스트림을 받아 이를 가열하는 제3 열 교환 수단으로서, 상기 제3 열 교환 수단은 추가로 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 가열된 팽창된 응축된 스트림을 상기 증류 컬럼의 중간-컬럼 공급 위치에 공급하는 것인 제3 열 교환 수단;
    (9) 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획을 받아 이를 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 나누는 나눔 수단;을 포함하고,
    (10) 상기 제3 열 교환 수단은 추가로 상기 나눔 수단과 연결되어 상기 제2 스트림을 받아 이를 냉각하며, 이를 통해 단계 (8)의 가열의 적어도 일부를 공급하고;
    (11) 상기 제3 열 교환 수단과 연결되어 상기 냉각된 제2 스트림을 받아 이를 더낮은 압력으로 팽창시키는 제3 팽창 수단;
    (12) 상기 제2 열 교환 수단은 추가로 상기 제3 팽창 수단과 연결되어 상기 팽창된 냉각된 제2 스트림을 받아 이를 가열하며, 이를 통해 단계 (5)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고;
    (13) 상기 제2 열 교환 수단은 추가로 상기 분리 수단과 연결되어 상기 잔여 증기 스트림을 받아 이를 가열하며, 이를 통해 단계 (5)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고;
    (14) 상기 제1 열 교환 수단은 추가로 상기 제2 열 교환 수단과 연결되어 상기 가열된 잔여 증기 스트림을 받아 이를 추가로 가열하며, 이를 통해 단계 (1)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고, 그 후에 상기 추가로 가열된 잔여 증기 스트림을 상기 휘발성 잔여 가스 분획으로서 방출하고; 그리고
    (15) 상기 증류 컬럼에 대한 상기 공급 스트림의 양 및 온도를, 대부분의 상기 이산화탄소가 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획 내에 회수되는 온도로 상기 증류 컬럼의 탑정 온도를 유지하도록 조절하도록 적응된 제어 수단을 포함하는, 장치.
  4. 적어도 메탄 및 이산화탄소를 함유하는 가스 스트림을 대부분 상기 메탄을 함유하는 휘발성 잔여 가스 분획 및, 대부분 상기 이산화탄소를 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리하기 위한 장치로서,
    (1) 상기 가스 스트림을 부분적으로 응축되기에 충분하게 냉각하고, 이를 통해 부분적으로 응축된 가스 스트림을 형성하는 제1 열 교환 수단;
    (2) 상기 제1 열 교환 수단과 연결되어 상기 부분적으로 응축된 가스 스트림을 받아 이를 증기 스트림 및 적어도 하나의 액체 스트림으로 분리하는 제1 분리 수단;
    (3) 상기 제1 분리 수단과 연결되어 상기 증기 스트림을 받아 이를 중간 압력으로 팽창시키는 제1 팽창 수단;
    (4) 상기 제1 팽창 수단과 연결되어, 유입되는 상부 공급물로서 상기 팽창된 냉각된 스트림을 받는 증류 컬럼으로서, 상기 증류 컬럼은 상기 중간 압력에서 상기 팽창된 증기 스트림을 탑정 증기 스트림 및 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분별하도록 적응된 것인 증류 컬럼;
    (5) 상기 제1 분리 수단과 연결되어 상기 적어도 하나의 액체 스트림을 받아 이를 상기 중간 압력으로 팽창시키는 제2 팽창 수단으로서, 상기 제2 팽창 수단은 추가로 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 팽창된 적어도 하나의 액체 스트림을 상기 증류 컬럼의 상부 중간-컬럼 공급 위치에 공급하는 것인 제2 팽창 수단;
    (6) 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 탑정 증기 스트림을 받아 이를 더높은 압력으로 압축하는 압축 수단;
    (7) 상기 압축 수단과 연결되어 상기 압축된 탑정 증기 스트림을 받아 이의 적어도 일부가 응축되도록 충분히 냉각하는 제2 열 교환 수단;
    (8) 상기 제2 열 교환 수단과 연결되어 상기 부분적으로 응축된 압축된 탑정 증기 스트림을 받아 이를 분리하여, 이를 통해 잔여 증기 스트림 및 응축된 스트림을 형성하는 제2 분리 수단;
    (9) 상기 제2 분리 수단과 연결되어 상기 응축된 스트림을 받아 이를 상기 중간 압력으로 팽창시키는 제3 팽창 수단;
    (10) 상기 제3 팽창 수단과 연결되어 상기 팽창된 응축된 스트림을 받아 이를 가열하는 제3 열 교환 수단으로서, 상기 제3 열 교환 수단은 추가로 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 가열된 팽창된 응축된 스트림을 상기 증류 컬럼의 상기 상부 중간-컬럼 공급 위치 아래의 더낮은 중간-컬럼 공급 위치에 공급하는 것인 제3 열 교환 수단 ;
    (11) 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획을 받아 이를 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 나누는 나눔 수단;
    (12) 상기 제3 열 교환 수단은 추가로 상기 나눔 수단과 연결되어 상기 제2 스트림을 받아 이를 냉각하며, 이를 통해 단계 (10)의 가열의 적어도 일부를 공급하고;
    (13) 상기 제3 열 교환 수단과 연결되어 상기 냉각된 제2 스트림을 받아 이를 더낮은 압력으로 팽창시키는 제4 팽창 수단;
    (14) 상기 제2 열 교환 수단은 추가로 상기 제4 팽창 수단과 연결되어 상기 팽창된 냉각된 제2 스트림을 받아 이를 가열하며, 이를 통해 단계 (7)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고;
    (15) 상기 제2 열 교환 수단은 추가로 상기 제2 분리 수단과 연결되어 상기 잔여 증기 스트림을 받아 이를 가열하며, 이를 통해 단계 (7)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고;
    (16) 상기 제1 열 교환 수단은 추가로 상기 제2 열 교환 수단과 연결되어 상기 가열된 잔여 증기 스트림을 받아 이를 추가로 가열하며, 이를 통해 단계 (1)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고, 그 후에 상기 추가로 가열된 잔여 증기 스트림을 상기 휘발성 잔여 가스 분획으로서 방출하고;
    (17) 상기 증류 컬럼에 대한 상기 공급 스트림의 양 및 온도를, 대부분의 상기 이산화탄소가 상기 상대적으로 덜 휘발성인 분획 내에 회수되는 온도로 상기 증류 컬럼의 탑정 온도를 유지하도록 조절하도록 적응된 제어 수단을 포함하는, 장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 열 교환 수단은 추가로 상기 제3 열 교환 수단과 연결되어 상기 가열된 팽창된 응축된 스트림을 받아 이를 추가로 가열하며, 이를 통해 단계 (1)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고, 상기 제1 열 교환 수단은 추가로 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 추가로 가열된 팽창된 응축된 스트림을 상기 증류 컬럼의 상기 중간-컬럼 공급 위치에 공급하는 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 열 교환 수단은 추가로 상기 제3 열 교환 수단과 연결되어 상기 가열된 팽창된 응축된 스트림을 받아 이를 추가로 가열하며, 이를 통해 단계 (1)의 냉각의 적어도 일부를 공급하고, 상기 제1 열 교환 수단은 추가로 상기 증류 컬럼과 연결되어 상기 추가로 가열된 팽창된 응축된 스트림을 상기 증류 컬럼의 상기 더낮은 중간-컬럼 공급 위치에 공급하는 장치.
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