KR20130126582A - 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

제 1 온도와 동일한 온도로 제공된, 적어도 메탄 및 물을 포함하는 습성 탄화수소 스트림 (510) 은 냉각되어서 온도를 제 2 온도로 낮춘다. 물 제거 기기 (525) 에서 물을 포함한 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590) 이 제 2 온도에서 습성 탄화수소 스트림으로부터 인출된다. 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590) 이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림 (560) 은 물 제거 기기 (525) 로부터 배출되고 추가 열교환기 (535) 로 통과된다. 적어도 하나의 냉매 스트림 (210) 은 또한 추가 열교환기 (535) 로 통과되고, 유출물 스트림 (560) 과 냉매 스트림 (210) 양자는 증발 냉매 분획물 (230) 에 대한 간접 열교환함으로써 추가 열교환기 (535) 에서 냉각된다. 유출물 스트림 (560) 은 습성 탄화수소 스트림 (510) 에 대해 간접 열교환함으로써 가열되고, 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 상기 냉각은 이런 간접 열교환을 포함한다.

Description

메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법 및 이를 위한 장치{METHOD OF TREATING A HYDROCARBON STREAM COMPRISING METHANE, AND AN APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
메탄을 포함하는 탄화수소 스트림은, 천연 가스 또는 석유 저장소 (reservoir) 와 같은 다수의 소스 (source) 로부터, 또는 피셔-트롭쉬 (Fischer-Tropsch) 프로세스와 같은 합성 소스로부터 유도될 수 있다. 본 발명에서, 탄화수소 스트림은 바람직하게 천연 가스를 포함하거나, 본질적으로 천연 가스로 이루어진다. 여러 가지 이유 때문에 이러한 스트림을 처리 및 냉각하는 것이 유용하다. 특히 탄화수소 스트림을 액화하는 것이 유용하다.
천연 가스는 다양한 탄화수소 화합물의 소스일 뿐만 아니라 유용한 연료 소스이다. 종종, 여러 가지 이유 때문에 천연 가스 스트림의 소스에서 또는 그 가까이에서 액화 천연 가스 (LNG) 플랜트에서 천연 가스를 액화시키는 것이 바람직하다. 예로서, 천연 가스는 더 작은 용적을 차지하고 고압으로 저장될 필요가 없으므로 가스 형태보다는 액체로서 저장되고 더 쉽게 장거리 수송될 수 있다.
GB 1,572,900 은 천연 가스의 액화 프로세스를 개시한다. 액화될 천연 가스는 천연 가스에 존재하는 다량의 물을 제거하도록 열교환기에서 예냉된다. 예냉된 천연 가스는 열교환기를 이탈해 상 분리기로 전달되는데, 상 분리기에서 응축수가 천연 가스로부터 제거된다. 그 후, 부분적으로 건조된 천연 가스는 천연 가스로부터 남아있는 물을 제거하기 위해서 종래의 건조기로 전달된다. 이런 종래의 건조기는, 예를 들어, 적합한 흡습제 (desiccant) 를 포함하는 종류이다. 종래의 건조기로부터, 천연 가스는 액화되도록 열교환기 내 코일의 입구로 전달된다. 제 2 혼합 냉매뿐만 아니라 제 1 혼합 냉매도 또한 열교환기 내 코일로 전달된다.
GB 1,572,900 의 방법 및 장치의 단점은, 2 종의 냉매 스트림과 종래의 건조기로부터 건조된 천연 가스 스트림이 열교환기로 들어갈 때 이 스트림 사이의 온도 차이가 꽤 클 수도 있다는 것이다. 이것은, 결국, 열응력 (특히 코일-권선 열교환기에서) 및 열교환기에서 내부 핀칭 (internal pinching) 을 초래할 수도 있는데, 이것은 냉각 프로세스에서 불안정한 거동 및 열교환기의 손상을 이끌 수도 있다.
본 발명은 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법을 제공하고, 본 방법은:
- 적어도 메탄 및 물을 포함하는 습성 (wet) 탄화수소 스트림을 제공하는 단계;
- 상기 습성 탄화수소 스트림을 습성 공급 주변 열교환기로 통과시켜서 주변에 대해 상기 습성 탄화수소 스트림을 열교환시켜 제 1 온도와 동일한 온도의 상기 습성 탄화수소 스트림을 제공하는 단계;
- 상기 습성 탄화수소 스트림을 냉각시켜서 상기 제 1 온도로부터 제 2 온도로 온도를 낮추는 단계;
- 상기 제 2 온도로 물 제거 기기에서, 상기 습성 탄화수소 스트림으로부터, 습성 탄화수소 스트림으로부터 물을 포함하는 적어도 하나의 습성 처분 (disposal) 스트림, 및 상기 적어도 하나의 습성 처분 스트림이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림을 인출하는 단계;
- 상기 유출물 스트림을 추가 열교환기로 전달하는 단계;
- 압축된 조건의 냉매 스트림을 주변 열교환기에 통과시켜서 상기 제 1 온도로부터 10 ℃ 이내에 있는 제 3 온도와 동일한 냉매 온도의 소스 냉매 스트림을 제공하는 단계;
- 상기 소스 냉매 스트림의 적어도 일부를 상기 제 3 온도와 본질적으로 동일한 온도로 유지하면서 상기 추가 열교환기로 전달하는 단계;
- 증발하는 냉매 분획물에 대해 간접 열교환시킴으로써 상기 추가 열교환기 내의 상기 유출물 스트림과 상기 냉매 스트림의 적어도 부분 양자를 냉각하는 단계를 포함하고,
상기 유출물 스트림을 상기 추가 열교환기로 전달하는 상기 단계는, 상기 유출물 스트림의 온도를 습성 공급 열교환기의 미온 단부 접근 온도에 가까운 상기 제 1 온도와 일치시키도록 상기 습성 공급 열교환기에서 본질적으로 상기 제 1 온도의 습성 탄화수소 스트림에 대해 간접 열교환시킴으로써 상기 유출물 스트림을 가열하는 단계를 포함하고, 상기 습성 탄화수소 스트림을 냉각시키는 상기 단계는 간접 열교환시키는 상기 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 장치를 제공하고, 본 장치는:
- 적어도 메탄 및 물을 포함하는 습성 탄화수소 스트림을 제공하기 위한 공급 도관;
- 상기 공급 도관에 연결되고, 상기 습성 탄화수소 스트림을 수용하고 상기 습성 탄화수소 스트림과 주변 스트림 사이의 열교환을 위해 배치된 습성 공급 주변 열교환기;
- 상기 습성 공급 주변 열교환기를 통하여 상기 공급 도관에 연결되고, 상기 습성 공급 주변 열교환기로부터 상기 습성 탄화수소 스트림을 수용하고 상기 습성 탄화수소 스트림의 온도를 낮추도록 배치되는 적어도 하나의 습성 공급 열교환기로서, 상기 습성 공급 주변 열교환기와 상기 습성 공급 열교환기 사이에 별도의 열교환기가 본질적으로 존재하지 않는, 적어도 하나의 습성 공급 열교환기;
- 상기 습성 공급 열교환기의 하류에 상기 습성 탄화수소 스트림을 수용하도록 배치되고, 상기 습성 탄화수소 스트림으로부터 물을 포함한 습성 처분 스트림을 배출하기 위한 습성 처분 스트림 출구, 및 상기 습성 처분 스트림이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림을 배출하기 위한 증기 출구를 포함하는 물 제거 기기;
- 압축되고 주변 냉각된 상태의 냉매 스트림을 포함하고, 압축된 상태의 냉매와 주변 사이에 열교환하여서 소스 냉매 스트림을 제공하도록 배치된 냉매 주변 열교환기, 및 압축된 상태의 냉매를 상기 냉매 주변 열교환기로 배출하는 압축기를 포함하는 소스 냉매 스트림 공급부;
- 상기 물 제거 기기로부터 상기 유출물 스트림의 적어도 일부를 수용하기 위한 제 1 튜브 다발 입구, 및 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 입구를 구비한 추가 열교환기로서, 상기 추가 열교환기는 냉각된 탄화수소 스트림을 배출하기 위한 제 1 튜브 다발 출구를 더 구비하고, 상기 제 1 튜브 다발 출구는 제 1 튜브 다발을 통하여 상기 제 1 튜브 다발 입구와 연결된 상기 추가 열교환기의 내부에 있고, 상기 추가 열교환기는 적어도 하나의 냉각된 냉매 스트림을 배출하기 위한 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 출구를 더 구비하고, 상기 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 출구는 제 2 튜브 다발을 통하여 상기 제 2 튜브 다발 입구와 연결된 상기 추가 열교환기의 내부에 있고, 상기 제 1 및 제 2 튜브 다발은 상기 추가 열교환기 내부의 증발하는 냉매 분획물과 열교환 관계로 배치되는, 상기 추가 열교환기;
- 상기 물 제거 기기의 증기 출구를 상기 추가 열교환기의 제 1 튜브 다발 입구와 연결하고, 상기 습성 탄화수소 스트림과 간접 열교환 상호작용하게 상기 습성 공급 열교환기를 통과하는 제 1 연결 수단; 및
- 상기 소스 냉매 스트림의 적어도 일부를 수용하기 위해, 상기 냉매 주변 열교환기를 상기 제 2 입구와 연결하는 제 2 연결 수단을 포함하고, 상기 유체 연결부는 임의의 별도의 열교환기를 본질적으로 가지지 않는다.
본 발명은 실시예를 사용하고 도면을 참조하여 하기에 추가 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시형태들에 따른 방법과 장치를 나타내는 프로세스 흐름도를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 방법과 장치를 나타내는 프로세스 흐름도를 개략적으로 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 방법과 장치를 나타내는 프로세스 흐름도를 개략적으로 나타낸다.
이 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 부품을 나타내는데 사용될 것이다. 게다가, 단일 도면 부호는 도관 또는 라인뿐만 아니라 그 라인에 의해 운반되는 스트림을 식별하는데 사용될 것이다.
본 설명은 물 제거 기기에서 습성 탄화수소 스트림으로부터 습성 처분 스트림의 제거, 습성 처분 스트림이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림의 생산에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3 은 탄화수소 스트림을 처리하기 위한 프로세스 흐름도를 개략적으로 나타낸다. 먼저, 도 1 내지 도 3 에 도시된 실시형태들에 공통된 기본 특성 중 일부가 설명될 것이다.
도 1 내지 도 3 은 일반적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림을 처리하기 위한 장치의 다양한 실시형태들을 도시하는데, 이 장치에:
- 적어도 메탄 및 물을 포함하는 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 제공하기 위한 공급 도관;
- 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 수용하고 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 온도를 낮추도록 배치된 공급 도관에 연결된 적어도 하나의 습성 공급 열교환기 (545);
- 습성 공급 열교환기 (545) 의 하류에 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 수용하도록 배치되고, 습성 탄화수소 스트림으로부터 물을 포함하는 습성 처분 스트림 (590) 을 배출하기 위한 습성 처분 스트림 출구 (589), 및 습성 처분 스트림 (590) 이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림 (590) 을 배출하기 위한 증기 출구 (559) 를 포함하는 물 제거 기기 (525);
- 물 제거 기기 (525) 로부터 유출물 스트림 (560) 의 적어도 부분을 수용하기 위한 제 1 튜브 다발 입구 (531) 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 부분 (210) 을 수용하기 위한 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 입구 (211) 를 구비하고, 냉각된 탄화수소 스트림 (540) 을 배출하기 위해 제 1 튜브 다발 입구 (531) 와 연결된 추가 열교환기의 내부에 있는 제 1 튜브 다발 출구 (539), 및 적어도 하나의 냉각된 냉매 스트림 (220) 을 배출하기 위해 제 2 튜브 다발 입구 (211) 와 연결된 추가 열교환기의 내부에 있는 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 출구 (219) 를 또한 구비하는 추가 열교환기 (535);
- 물 제거 기기 (525) 의 증기 출구 (559) 를 추가 열교환기 (535) 의 제 1 튜브 다발 입구 (531) 와 연결하고, 습성 탄화수소 스트림 (510) 과 간접 열교환 상호작용으로 습성 공급 열교환기 (545) 를 통과하는 제 1 연결 수단 (565) 이 제공된다.
도 1 내지 도 3 은 일반적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림을 처리하는 방법의 다양한 실시형태들을 도시하고, 본 방법은:
- 제 1 온도와 동일한 온도로 적어도 메탄 및 물을 포함하는 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 제공하는 단계;
- 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 냉각시켜서 온도를 제 2 온도로 낮추는 단계;
- 제 2 온도로 물 제거 기기 (525) 에서, 습성 탄화수소 스트림으로부터, 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590) 및 유출물 스트림 (560) 을 인출하는 단계로, 적어도 하나의 습성 처분 스트림은 습성 탄화수소 스트림으로부터 물을 포함하고 유출물 스트림은 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590) 이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는, 인출하는 단계;
- 유출물 스트림 (560) 을 추가 열교환기 (535) 로 통과시키는 단계;
- 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 부분 (210) 을 추가 열교환기 (535) 로 통과시키는 단계;
- 증발 냉매 분획물 (230) 에 대한 간접 열교환에 의해 추가 열교환기 (535) 에서 유출물 스트림 (560) 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 부분 (210) 양자를 냉각하는 단계를 포함하고,
추가 열교환기 (535) 로 유출물 스트림 (560) 을 상기 통과시키는 단계는 습성 탄화수소 스트림 (510) 에 대해 간접 열교환함으로써 유출물 스트림 (560) 을 가열하는 단계를 포함하고, 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 냉각하는 상기 단계는 이런 간접 열교환을 포함한다.
현재, 바람직하게 물 제거 기기 (525) 로 유입되기 전, 유출물 스트림 (560) 과 습성 탄화수소 스트림 (510) 사이에서, 예로 습성 공급 열교환기 (545) 를 사용해 간접 열교환하는 것이 제안된다. 이것으로, 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 온도에 보다 양호하게 부합되도록, 습성 공급 열교환기 (545) 의 접근 온도 한계점 내에서 유출물 스트림의 온도가 회복되도록 달성된다.
이렇게, 적합하게 "건조된 탄화수소 공급 가스" 형태인 유출물 스트림과 냉매 스트림 사이의 온도 차이는, 물 제거 기기 (525) 에서 온도 조건에 상관없이 최초의 습성 탄화수소 스트림과 소스 냉매 스트림 (280) 사이의 온도 차이와, 습성 공급 열교환기 (545) 의 접근 온도 내에서 - 예로 10 ℃ 이내 또는 바람직하게 5 ℃ 이내에서 - 동일한 것처럼, 실질적으로 동일하다.
결과적으로, 유출물 스트림 및 냉매 스트림이 이런 추가 열교환기 (535) 로 공급될 때 추가 열교환기 (535) 에서 유도될 수도 있는 임의의 핀칭 및 열응력은, 습성 탄화수소 스트림이 물 제거 기기 (525) 를 통과하지 않고 추가 열교환기로 통과하는 경우보다 크게 악화되지 않을 것이다.
바람직하게, 습성 탄화수소 스트림 (510) 및 소스 냉매 스트림 (280) 은, 예로 서로에 대해 10 ℃ 이내, 바람직하게 서로에 대해 5 ℃ 이내에서 실질적으로 동일한 온도를 가질 수도 있다. 이것은 예로 습성 탄화수소 스트림 및 냉매 스트림 양자를 주변에 대해 열교환함으로써 달성될 수 있다.
물 제거 기기로부터 유출물과 습성 탄화수소 스트림 사이의 간접 열교환 이외에, 열은:
- 습성 공급 열교환기 내 또는 뒤의 습성 탄화수소 스트림;
- 습성 공급 열교환기 내 또는 앞의 유출물 스트림;
- 물 제거 기기 내 습성 탄화수소 스트림 중 적어도 하나로부터, 보조 냉매 스트림에 대한 열교환, 바람직하게 간접 열교환에 의해 추출될 수도 있다. 이렇게 습성 탄화수소 스트림은 추가 냉각되고, 그리고/또는 그것의 온도가 낮추어진다.
건조된 유출물 스트림뿐만 아니라 습성 탄화수소 스트림은 메탄을 포함한다. 습성 탄화수소 스트림은 천연 가스 또는 석유 저장소 또는 탄층으로부터 얻을 수도 있다. 대안으로서, 탄화수소 스트림은 예로서 피셔-트롭쉬 프로세스와 같은 합성 소스를 포함하는 다른 소스로부터 또한 얻을 수도 있다. 바람직하게, 탄화수소 스트림은 적어도 50 몰% 의 메탄, 보다 바람직하게 적어도 80 몰% 의 메탄을 포함한다.
소스에 따라, 습성 탄화수소 스트림은 N2, CO2, Hg, H2S 및 다른 황 화합물과 같은 물 이외의 하나 이상의 미탄화수소 성분; 및 특히 에탄, 프로판 및 부탄과 같은 메탄보다 무거운 하나 이상의 탄화수소, 및 가능하다면 보다 소량의 펜탄 및 방향족 탄화수소를 포함한 가변량의 다른 성분을 함유할 수도 있다. 적어도 프로판 분자 질량의 분자 질량을 갖는 탄화수소는 본원에서 C3 + 탄화수소라고 할 수도 있고, 적어도 에탄 분자 질량의 분자 질량을 갖는 탄화수소는 본원에서 C2 + 탄화수소라고 할 수도 있다.
원한다면, 습성 탄화수소 스트림은 CO2 및 H2S 와 같은 하나 이상의 원치 않는 성분을 감소 및/또는 제거하도록 전처리될 수도 있거나, 예비가압 (pre-pressurizing) 등과 같은 다른 단계들을 거칠 수도 있다. 이런 단계들은 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있고, 그것의 메커니즘은 여기에서 더 검토되지 않는다. 따라서, 습성 탄화수소 스트림의 조성은 가스의 유형과 위치 및 적용되는 전처리(들)에 따라 변한다.
도 1 내지 도 3 에 나타낸 프로세스 흐름도로 구현된 장치 및 방법은 모두 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 제공하기 위한 공급 도관으로 시작한다. 습성 탄화수소 스트림 (510) 은 적어도 메탄 및 물을 포함한다. 습성 공급 주변 열교환기 (585) 는 열 공급 열교환기 (545) 의 상류에 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 공급 도관에 배치된다.
습성 공급 열교환기 (545) 는 습성 공급 주변 열교환기 (585) 하류의 공급 도관 (510) 에 연결된다. 습성 공급 열교환기 (545) 는 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 수용하고 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 온도를 낮추도록 배치된다.
본질적으로, 습성 공급 주변 열교환기와 습성 공급 열교환기 사이에 별도의 열교환기는 존재하지 않는다. 따라서, 습성 공급 주변 열교환기 (585) 하류의 공급 도관 (510) 에 사용되는 배관을 통하여 환경과 불가피한 미소 (de-minimis) 열교환 이외에 다른 매체와 열교환은 일어나지 않을 것이다. 따라서, 습성 탄화수소 스트림이 습성 공급 열교환기 (545) 로 통과할 때 습성 탄화수소 스트림의 온도는 본질적으로 제 1 온도와 동일한데, 제 1 온도는 습성 탄화수소 스트림이 습성 공급 열교환기 (585) 로부터 배출될 때 습성 탄화수소 스트림의 온도이다. 실제로 이것은, 습성 탄화수소 스트림이 습성 공급 열교환기 (545) 로 통과할 때 습성 탄화수소 스트림의 온도는 제 1 온도와 5 ℃ 미만, 바람직하게 2 ℃ 미만 상이하다는 것을 의미할 수도 있다.
습성 공급 열교환기 (545) 는 튜브-인-셸 (tube-in-shell) 형 열교환기 또는 파이프-인-파이프 열교환기 형태로 제공될 수도 있지만, 선택적으로 저온 상자 (cold box) 에서 플레이트-핀 (plate-fin) 열교환기 및/또는 인쇄 회로 열교환기와 같은 플레이트형 열교환기가 바람직하다.
여기에서 물 제거 열교환기 (575) 의 형태로 나타낸 보조 열교환 설비는 또한 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 온도를 추가로 낮추기 위해서 제공된다.
물 제거 기기 (525) 는 적어도 습성 공급 열교환기 (545) 를 통과한 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 수용하도록 배치된다. 전형적으로, 물 제거 기기는, 습성 탄화수소 스트림으로부터 물을 포함하는 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590) 을 배출하기 위한 적어도 하나의 습성 처분 스트림 출구 (589); 및 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590) 이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림 (590) 을 배출하기 위한 증기 출구 (559) 를 통하여 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 수용하도록 제 1 물 제거 기기 입구 (551) 를 포함한다.
추가 열교환기 (535) 는, 물 제거 기기 (525) 로부터 유출물 스트림 (560) 의 적어도 부분을 수용하기 위한 제 1 튜브 다발 입구 (531); 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 부분 (210) 을 수용하기 위한 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 입구 (211) 를 포함한다. 추가 열교환기 (535) 는 바람직하게 코일 권선 열교환기의 형태로 구현된다. 이러한 경우에, 추가 열교환기 (535) 는 또한 제 1 튜브 다발 출구 (539) 를 구비하는데, 이것은 추가 열교환기에서 냉각 구간을 통과하는 제 1 튜브 다발 (532) 을 통하여 제 1 튜브 다발 입구 (531) 와 연결된 추가 열교환기 내부에 있다. 냉각된 탄화수소 스트림 (540) 은 제 1 출구 (539) 를 통하여 배출된다. 추가 열교환기는 적어도 하나의 제 2 출구 (219) 를 추가로 포함하는데, 이것은 냉각 구간을 통과하는 제 2 튜브 다발 (212) 을 통하여 제 2 입구 (211) 와 연결된 추가 열교환기 내부에 있다. 제 1 및 제 2 튜브 다발 (532, 212) 은 추가 열교환기 (535) 내부에서 증발 냉매 분획물과 열교환 관계로 배치된다. 냉각된 냉매 스트림 (220) 은 제 2 튜브 다발 출구 (219) 를 통하여 추가 열교환기로부터 배출된다.
부가적으로, 추가 열교환기 (535) 는 냉각 구간으로 접근할 수 있도록 하는 셸 입구 (231), 및 냉각 구간으로부터 이용된 냉매를 배출하는 셸 출구 (239) 를 구비한다. 제 2 튜브 다발 출구 (219) 는 여기에서 줄-톰슨 (Joule-Thomson) 밸브 (225) 의 형태로 나타낸 팽창 기기에 의하여 서로 연결된 라인 (220, 230) 을 통하여 셸 입구 (231) 에 연결된다. 셸 출구 (239) 는 라인 (240) 으로 배출된다.
냉매는 프로판과 같은 단일 성분 냉매일 수도 있지만, 바람직하게 다성분 냉매일 수도 있다. 예를 들어, 다성분 냉매는 펜탄, 부탄, 프로판, 프로필렌, 에탄, 및 에틸렌 중 하나 이상을 포함하는 탄화수소 성분의 혼합물을 함유할 수도 있다.
게다가, 소스 냉매 스트림 (280) 의 공급부를 포함하는 냉매 회로 (미도시) 가 제공된다. 공급부는 적어도 주변 열교환기 (285), 및 압축된 상태로 냉매를 냉매 주변 열교환기 (285) 로 배출하는 냉매 압축기 (270) 를 포함한다. 냉매 주변 열교환기 (285) 는 예를 들어 공기 냉각기 또는 물 냉각기의 형태로 제공될 수도 있다. 냉매 주변 열교환기 (285) 와 함께 냉매 압축기 (270) 는 라인 (280) 에서 압축되고 주변 냉각된 냉매 스트림의 형태로 냉매 소스 스트림 (280) 을 제공한다. 소스 냉매 스트림 (280) 의 온도는, 전형적으로 제 1 온도로부터 10 ℃ 이내의 값으로 제 3 온도와 동일한데, 제 1 온도는 습성 탄화수소 스트림 (510) 이 습성 공급 주변 열교환기 (585) 로부터 배출되는 온도이다.
라인 (280) 은 라인 (210) 에 연결될 수도 있다. 따라서, 냉매 소스 스트림 (280) 의 적어도 부분 (210) 은 라인 (210) 을 통하여 제 2 튜브 다발 입구 (211) 로 추가 열교환기 (535) 에 통과될 수 있어서, 냉매 주변 열교환기 (285) 는 추가 열교환기 (585) 의 제 2 튜브 다발 입구 (211) 의 상류에 위치한다. 라인 (240) 에서 이용된 냉매는, 소스 냉매 스트림 (280) 을 제공하도록, 냉매가 재압축되고 주변에 대해 냉각될 수 있는 냉매 압축기 (270) 로 (선택적으로 흡입 드럼 (미도시) 에 의함) 다시 운반된다. 냉매 회로의 특정 실시형태는 도 2 및 도 3 을 명확히 참조하여 본원에서 이하 추가 설명될 것이다.
도 1 내지 도 3 의 장치는, 물 제거 기기 (525) 의 증기 출구 (559) 와 추가 열교환기 (535) 의 제 1 튜브 다발 입구 (531) 를 연결하는 제 1 연결 수단 (565) 을 추가 포함한다. 제 1 연결 수단은 습성 탄화수소 스트림 (510) 과 간접 열교환 상호작용하게 습성 공급 열교환기 (545) 를 통과한다. 따라서, 습성 공급 열교환기 (545) 는:
- 습성 탄화수소 스트림 (510) 을 위한 공급 도관과 유체 연통하는 습성 공급 열교환기 (545) 안으로의 제 1 입구 (541);
- 습성 공급 열교환기 (545) 를 통하여 제 1 입구 (541) 에 연결되고, 물 제거 기기 (525) 의 제 1 입구 (551) 와 유체 연통하는 습성 공급 열교환기 (545) 로부터의 제 1 출구 (549);
- 물 제거 기기 (525) 의 증기 출구 (559) 와 유체 연통하는 습성 공급 열교환기 (545) 안으로의 제 2 입구 (561);
- 습성 공급 열교환기 (545) 를 통하여 제 2 입구 (561) 에 연결되고, 추가 열교환기 (535) 의 제 1 입구 (531) 와 유체 연통하는 습성 공급 열교환기 (545) 로부터의 제 2 출구 (569) 를 포함한다.
바람직하게, 습성 공급 열교환기 (545) 는 역류 (counter current) 작동 모드로 설치될 수도 있다. 특히, 제 2 출구 (569) 는 제 1 입구 (541) 와 동일한 습성 공급 열교환기 (545) 의 열교환측에 위치할 수도 있고, 반면에 제 2 입구 (561) 는 제 1 출구 (549) 와 동일한 습성 공급 열교환기 (545) 의 열교환측에 위치할 수도 있다. 제 2 출구는 추가 열교환기 (535) 의 제 1 입구 (531) 로 배출된다.
물 제거 기기 (525) 는 임의의 적합한 알려진 유형일 수도 있다. 그것은 전형적으로 습성 탄화수소 스트림 (510) 으로부터 침전된 성분을 분리하기 위한 분리기 베슬 (vessel), 및 베슬의 하류에 침전된 성분이 제거된 잔류 증기로부터 남아있는 물 성분을 흡수 또는 흡착하기 위한 물 흡수 기기를 포함할 수도 있다. 건조 흡습제 탈수 유닛으로도 불리는 고체층 탈수 유닛은 이 분야에 일반적이다. 전형적으로, 다중층이 건조 (흡수 또는 흡착) 및 재생 (탈착) 을 포함한 작동의 사이클 (cyclic) 모드에 사용된다. 바람직하게, 물 흡수/흡착 기기는 또한 습성 탄화수소 스트림으로부터 수은을 제거할 수 있는데, 이것은 고체층에 이용되는 흡수제 (sorbent) 의 알맞은 선택에 의해 용이하게 될 수 있다.
도 1 내지 도 3 에서, 건조를 용이하게 하도록 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 온도를 추가로 낮추는 보조 열교환 설비가 습성 공급 열교환기 (545) 로부터의 제 1 출구 (549) 와 물 제거 기기 (525) 안으로의 제 1 물 제거 기기 입구 (551) 사이에 배치된 물 제거 열교환기 (575) 의 형태로 구현된다. 이것으로 열은 습성 공급 열교환기 (545) 로부터의 제 1 출구 (549) 와 물 제거 기기 (525) 안으로의 제 1 물 제거 기기 입구 (551) 사이에서 습성 탄화수소 스트림 (510) 으로부터 추출될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 보조 열교환 설비는 물 제거 기기 (525) 로부터의 증기 출구 (559) 와 습성 공급 열교환기 (545) 안으로의 제 2 입구 (569) 사이에서, 유출물 스트림 (560) 에 보조 열교환기를 포함할 수 있다. 여전히 대안적으로 또는 부가적으로, 열교환 설비는 물 제거 기기 내부에서 습성 탄화수소 스트림으로부터 열을 추출하도록 물 제거 기기 (525) 에 있을 수 있다.
끝으로, 여전히 대안적으로 또는 부가적으로, 열교환 설비는 습성 공급 열교환기 (545) 와 일체화될 수 있다. 그 경우에, 습성 공급 열교환기 (545) 는 선택적으로 저온 상자에서 플레이트형 열교환기의 형태로 가장 적합하게 제공되고, 습성 탄화수소 스트림 (510) 및/또는 유출물 스트림 (560) 으로부터 열을 추출하기 위해서 습성 공급 열교환기 (545) 의 부가적 채널 또는 챔버 세트와 연통하는 보조 입구 및 보조 출구 (미도시) 를 포함한다.
각각의 이런 경우에, 보조 냉매 스트림 (250) 이 열을 추출하도록 보조 열교환 설비에 사용된다.
실시형태들은 다음과 같이 작동한다. 습성 탄화수소 스트림 (510) 은 제 1 온도와 동일한 온도로 제공된다. 선택적 습성 공급 주변 열교환기 (585) 가 이용된다면, 제 1 온도는 예로 공기 스트림 또는 물 스트림과 같은 주변 스트림에 대해 열교환함으로써 제어된다. 제 1 온도는 주변 온도로부터 10 ℃ 이내일 수도 있다. 본 개시에 대해, 주변 온도는 습성 탄화수소 스트림 (510) 이 열교환되는 공기 스트림 또는 물 스트림의 온도이다. 주변 온도는 예로 0 ~ 50 ℃ 의 범위에 있을 수도 있다.
습성 탄화수소 스트림 (510) 은 냉각되어서, 온도는 제 2 온도로 낮추어진다. 도 1 내지 도 3 에 나타난 것과 같은 실시형태에서, 냉각은 습성 공급 열교환기 (545) 에서 간접 열교환 후 뒤이어 물 제거 열교환기 (575) 에서 보조 냉매 (250) 에 대해 간접 열교환함으로써 달성된다. 물 제거 열교환기 (575) 대신에 또는 부가하여, 본원에 기술한 다른 보조 열교환 설비가 이용될 수도 있다. 습성 탄화수소 스트림은, 적어도 물, 및 선택적으로 수은이 제 2 온도에서 습성 탄화수소 스트림으로부터 제거되는 물 제거 기기 (525) 안으로의 제 1 물 제거 기기 입구 (551) 를 통하여 물 제거 기기 (525) 로 통과된다. 습성 탄화수소 스트림으로부터의 물을 포함하는 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590), 및 적어도 하나의 습성 처분 스트림 (590) 이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림 (560) 이 물 제거 기기 (525) 에서 생성된다. 물, 및 선택적으로 수은을 포함한 성분이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 함유한 유출물 스트림 (560) 은 물 제거 기기 (525) 로부터의 증기 출구 (559) 를 통하여 물 제거 기기 (525) 로부터 배출된다. 습성 처분 스트림 (590) 은 추가 처리 (미도시) 및 처분 (미도시) 을 위해 습성 처분 스트림 출구 (589) 를 통하여 물 제거 기기 (525) 로부터 배출된다.
유출물 스트림 (560) 은 제 1 연결 수단 (565) 에 의하여 추가 열교환기 (535) 로 통과되고, 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 일 부분 (210) 은 역시 추가 열교환기 (535) 로 통과된다. 소스 냉매 스트림의 일 부분은 그것의 온도를 본질적으로 제 3 온도와 동일하게 유지하면서 추가 열교환기 (535) 로 통과된다. 이를 위해, 그것은 의도된 열교환기를 통과하지 않을 것이고 라인 (210) 에 사용되는 배관을 통하여 환경과 불가피한 미소 열교환 이외의 다른 매체와 열교환은 일어나지 않을 것이다. 실제로, 이것은 제 2 튜브 다발 입구 (211) 를 통과하는 소스 냉매 스트림 (280) 의 부분 (210) 의 온도가 소스 냉매 스트림이 냉매 주변 열교환기 (285) 로부터 배출될 때 소스 냉매 스트림 (280) 의 온도와 5 ℃ 미만, 바람직하게 2 ℃ 미만 상이하다는 것을 의미할 수도 있다.
바람직하게, 소스 냉매 스트림이 추가 열교환기 (535) 에서 제 2 튜브 다발 입구 (211) 를 통과할 때, 소스 냉매 스트림의 적어도 일 부분 (210) 의 온도는 제 1 온도로부터 10 ℃ 이내이다. 이것을 달성하는 한 가지 방법은, 냉매 주변 열교환기 (285) 로 냉매를 통과시키고 습성 탄화수소 스트림 (510) 과 동일한 유형의 주변 스트림에 대해 냉매를 열교환시키는 것이다.
제 1 온도 및/또는 제 3 온도에 훨씬 잘 접근하도록 습성 공급 열교환기 (545) 와 추가 열교환기 (535) 사이에서 유출물 스트림 (560) 에 추가 열교환기를 설치할 수 있지만, 비용 지출 통제 및 작동상 단순성을 이유로, 제 1 튜브 다발 입구 (531) 에서 유출물 스트림 (560) 의 온도는 습성 공급 열교환기 (545) 에서 습성 탄화수소 스트림 (510) 에 대한 간접 열교환에 의해 도달되었는 유출물 스트림 (560) 의 온도와 본질적으로 동일한 것이 바람직하다. 이를 위해, 바람직하게, 제 1 연결 수단은 습성 공급 열교환기 (545) 와 추가 열교환기 (535) 의 제 1 튜브 다발 입구 (531) 사이에 본질적으로 어떠한 별도의 열교환기도 가지지 않는다. 따라서, 습성 공급 열교환기 (545) 로부터 배출되는 유출물 스트림 (560) 은 바람직하게 어떤 의도된 열교환기도 통과하지 않고, 습성 공급 열교환기 (545) 와 추가 열교환기 (535) 의 제 1 튜브 다발 입구 (531) 사이의 연결에 사용되는 배관을 통한 환경과 불가피한 미소 열교환 이외에 다른 매체와 열교환은 일어나지 않을 것이다. 실제로, 이것은 제 1 튜브 다발 입구 (531) 를 통과하는 유출물 스트림 (560) 의 온도가 유출물 스트림이 습성 공급 열교환기 (545) 로부터 배출될 때 유출물 스트림 (560) 의 온도와 5 ℃ 미만, 바람직하게 2 ℃ 미만 상이하다는 것을 의미할 수도 있다.
유출물 스트림 (560) 및 추가 열교환기 (535) 로 통과하는 소스 냉매 스트림 (280) 의 부분 (210) 은, 증발 냉매 분획물 (230) 에 대한 간접 열교환에 의해 추가 열교환기 (535) 에서 냉각된다. 증발 냉매 분획물은 셸 입구 (231) 를 통하여 추가 열교환기 (535) 의 셸 측으로 통과된다. 증발 냉매는 냉각되고 있는 라인 (210) 내 소스 냉매의 부분과 별개의 냉매일 수도 있다. 하지만, 도 1 에 나타난 것처럼, 증발 냉매는 추가 열교환기 (535) 로부터 제 2 튜브 다발 출구 (219) 를 통하여 라인 (220) 으로 나가는 냉각된 냉매 (220) 의 일부 또는 전부일 수도 있다. 도 1 내지 도 3 의 실시형태에서, 증발 냉매 (230) 는, 줄-톰슨 밸브 (225) 로 냉각된 냉매 (220) 의 적어도 부분을 팽창시킴으로써 얻어진다. 선택적으로, 냉각된 냉매의 남아있는 부분은 증발 냉매 (230) 보다 낮은 압력에서 증발되도록 연속 냉매 스트림 (235) 의 형태로 다른 열교환기 (미도시) 로 통과된다.
추가 열교환기 (535) 로 유출물 스트림 (560) 의 통과는, 습성 탄화수소 스트림 (510) 에 대한 간접 열교환에 의해 유출물 스트림 (560) 을 가열하는 것을 포함한다. 따라서, 전술한 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 냉각은 습성 탄화수소 스트림 (510) 에 대한 유출물 스트림 (560) 의 이런 간접 열교환을 포함한다. 보다 상세하게, 습성 탄화수소 스트림 (510) 은 습성 공급 열교환기 (545) 안으로의 제 1 입구 (541) 로부터, 유출물 스트림 (560) 과 간접 열교환 상호작용하는 습성 공급 열교환기 (545) 를 통하여, 습성 공급 열교환기 (545) 로부터의 제 1 출구 (549) 로 통과된다. 동시에, 유출물 스트림 (560) 은 습성 공급 열교환기 (545) 안으로의 제 2 입구 (561) 로부터, 습성 탄화수소 스트림 (510) 과 간접 열교환 상호작용하는 습성 공급 열교환기 (545) 를 통하여, 습성 공급 열교환기 (545) 로부터의 제 2 출구 (569) 로 통과된다.
추가 열교환기 (535) 로 양 스트림의 적어도 부분을 공급하기 전, 유출물 스트림 (560) 의 온도가 소스 냉매 스트림 (280) 의 부분 (210) 의 온도에 더 가까워지도록, 건조된 유출물 스트림 (560) 은 습성 탄화수소 스트림 (510) 에 대해 간접 열교환된다. 그 결과, 습성 탄화수소 스트림이 물 제거 기기 (525) 에서 건조되는 제 2 온도는 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 제 1 온도 및 습성 공급 열교환기 (545) 의 타측에서 출구 (569) 로부터 배출되는 유출물 스트림의 온도와 거의 "디커플링 (decoupled)" 또는 "분리 (isolated)" 된다.
그러면, 습성 공급 열교환기 (545) 로부터 배출되는 유출물 스트림 (560) 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 부분은, 유출물 스트림 (560) 이 물 제거 기기 (525) 의 증기 출구 (559) 로부터 추가 열교환기 (535) 의 제 1 튜브 다발 입구 (531) 로 직접 통과되는 경우보다 훨씬 작은, 예컨대 10 ℃ 미만 또는 바람직하게 5 ℃ 미만의 온도 차이를 가지고 추가 열교환기 (535) 로 통과될 수 있다.
따라서, 바람직하게 제 1 튜브 다발 입구 (531) 를 통하여 추가 열교환기 (535) 로 유입될 때 유출물 스트림 (560) 의 온도는, 소스 냉매 스트림이 제 2 튜브 다발 입구 (211) 를 통하여 추가 열교환기 (535) 로 유입될 때 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 부분 (210) 의 온도와 10 ℃ 미만 이내, 바람직하게 5 ℃ 미만 이내로 상이하다.
유출물 스트림 (560) 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 부분 (210) 양자는 추가 열교환기 (535) 에서 냉각되어서, 냉각된 메탄-함유 탄화수소 스트림 (540) 및 적어도 하나의 냉각된 냉매 스트림 (220) 을 제공한다.
도 1 내지 도 3 에 의해 도시된 실시형태에서, 습성 공급 열교환기 (545) 및 물 제거 기기 (525) 사이의 습성 탄화수소 스트림 (510) 의 경로에 배치된 물 제거 열교환기 (575) 를 통하여 습성 탄화수소 스트림 (510) 으로부터 열이 추출된다. 본 발명은 그 위치에서 열을 추출하는데 제한되지 않는다. 보다 일반적으로, 보조 냉매 스트림 (250) 은:
- 습성 공급 열교환기 (545) 안으로의 제 1 입구 (541) 와 물 제거 기기 (525) 안으로의 제 1 물 제거 기기 입구 (551) 사이의 습성 탄화수소 스트림 (510);
- 물 제거 기기 (525) 로부터의 증기 출구 (559) 와 습성 공급 열교환기 (545) 로부터의 제 2 출구 (569) 사이의 유출물 스트림 (560); 및
- 물 제거 기기 (525) 내부의 습성 탄화수소 스트림 중 어느 하나로부터 열을 추출하는데 이용될 수 있다.
바람직하게, 보조 냉매 (250) 는 적어도 압축기 및 팽창 기기를 이용하는 냉매 회로에서 사이클되고, 여기에서 보조 냉매 (250) 는 팽창된다. 도 1 은 팽창 기기로서 라인 (250) 에서 줄-톰슨 밸브 (255) 를 나타낸다. 팽창된 보조 냉매 스트림 (260) 은 물 제거 열교환기 (575) 로 통과되고 그것이 습성 탄화수소 스트림 (510) 으로부터 열을 추출한 후 물 제거 열교환기로부터 배출된다. 배출된 보조 냉매 (265) 는 재압축된다.
보조 냉매는 별도 및/또는 전용 냉매 사이클로부터 얻어진 냉매 스트림일 수 있고, 이 경우에 보조 냉매는 임의의 적합한 조성을 가질 수 있고, 또는 보조 냉매는 다른 열교환기에 냉매를 제공하는데 또한 사용되는 냉매 회로로부터 유도될 수 있다. 후자의 선택시, 압축기 등이 냉매 회로에 이미 제공되어 있기 때문에 더 적은 부가적 장비가 필요하다. 도 2 및 도 3 은, 보조 냉매 스트림 (250) 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 적어도 부분 (210) 양자가 소스 냉매 스트림 (280) 으로부터 공급되는 실시형태들을 도시한다. 바람직하게, 소스 냉매 스트림 (280) 은 예로 냉매 주변 열교환기 (285) 에서 주변 스트림에 대한 열교환에 의해 적어도 부분적으로 응축되어서, 액체 냉매를 형성한다. 이러한 경우에, 보조 냉매 스트림 (250) 은 바람직하게 액체 냉매의 적어도 부분을 포함한다.
도 2 에서 시작하면, 예를 들어, 보조 냉매는 냉매 회로 (200) 로부터 얻어진다. 냉매 회로 (200) 는 냉매 압축기 (270) 를 포함하는데, 선택적으로 하나 이상의 흡입 드럼 (미도시) 이 선행한다. 냉매 압축기 (270) 는 적어도 제 1 흡입 입구 (272) 및 배출 출구 (279) 를 포함한다. 선택적으로, 더 많은 흡입 입구들은 다른 압축 스테이지로 공급을 허용하는데 이용할 수도 있다. 예로서, 도 2 는 제 1 흡입 입구 (272) 와 배출 출구 (279) 에서 흡입 압력 사이의 압력으로 압축기 (270) 로 공급을 허용하는 제 2 흡입 입구 (271) 를 나타낸다. 배출 출구 (279) 는 추가 열교환기 (535) 에서 제 2 튜브 다발 입구 (211) 에 유체 유동 연결되어서, 냉매 주변 열교환기 (285) 는 배출 출구 (279) 와 추가 열교환기에서 제 2 튜브 다발 입구 (211) 사이에 제공되고 배출 출구 (279) 에 유체 유동 연결된다. 제 2 연결 수단은 냉매 주변 열교환기 (285) 와 추가 열교환기 (535) 안으로의 제 2 튜브 다발 입구 (211) 를 연결한다. 제 2 연결 수단은 본질적으로 어떠한 별도의 열교환기도 없어서, 소스 냉매 스트림 (280) 의 부분 (210) 은 온도를 본질적으로 일정하게 유지하면서 추가 열교환기 (535) 로 통과될 수 있다. 선택적 어큐뮬레이터 (미도시) 는 냉매 주변 열교환기 (285) 의 하류의 제 2 연결 수단에 제공될 수도 있다. 냉매 회로 (200) 는 또한 도 1 의 실시형태에 적용될 수도 있다.
여전히 도 2 를 참조하면, 소스 냉매 라인 (280) 과 냉매 라인 (210) 의 연결부는 소스 냉매 스트림 (280) 을 보조 냉매 스트림 (250) 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 부분 (210) 으로 분할하도록 배치된 분할기 (245) 를 포함한다. 배출된 보조 냉매 (265) 는 선택적 흡입 드럼 (미도시) 에 의하여 제 2 흡입 입구 (271) 로 냉매 압축기 (270) 안으로 통과된다. 라인 (240) 에 의하여 추가 열교환기 (535) 로부터 배출되는 이용된 냉매는, 다른 선택적 흡입 드럼 (미도시) 에 의하여 제 1 흡입 입구 (272) 로 냉매 압축기 (270) 안으로 통과된다.
도 1 에 대해 도 2 및 도 3 에 도시된 별개의 변형예는, 하나를 초과하는 냉매 스트림이 추가 열교환기 (535) 로 공급된다는 것이다. 도 2 및 도 3 에서 알 수 있듯이, 추가 열교환기 (535) 는 다른 냉매 스트림 (310) 을 수용하기 위한 선택적 제 3 튜브 다발 입구 (311) 를 부가적으로 구비한다. 제 3 튜브 다발 입구 (311) 는, 추가 열교환기 (535) 내부에 선택적으로 배치된 선택적 제 3 튜브 다발 (312) 을 통하여, 제 3 튜브 다발 출구 (319) 에 연결되는데 제 3 튜브 다발 출구에 의하여 냉각된 다른 냉매 스트림이 라인 (320) 으로 배출된다. 예로, 냉각된 다른 냉매 스트림 (320) 은 내부에서 냉각 듀티 (cooling duty) 를 수행하도록 다른 열교환기 (미도시) 로 통과될 수도 있다.
다른 냉매 스트림은 냉매 회로 (200) 와 분리된 다른 냉매 회로 (미도시) 에서 순환될 수도 있다. 예를 들어, 냉매 회로 (200) 는 냉각된 탄화수소 스트림 (540) 및 예냉된 주요 냉매 스트림 형태의 냉각된 다른 냉매 스트림 (320) 을 생성하는데 사용되는 예냉 냉매 회로일 수도 있다. 주요 냉매 스트림의 주요 냉매는, 예로 US 특허 6,370,910 에 기술된 바와 같은, 예냉 냉매 회로와 구별되는 주요 냉매 회로에서 사이클될 수도 있다. 이러한 경우에, 각각의 예냉 냉매 및 주요 냉매는 혼합 냉매로 구성될 수도 있다. 본원에 나타낸 것처럼 혼합 냉매 또는 혼합 냉매 스트림은 적어도 5 몰% 의 2 가지 상이한 성분들을 포함한다. 보다 바람직하게, 임의의 혼합 냉매는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 펜탄으로 이루어진 군 중 둘 이상을 포함한다. 적합하게, 예냉 냉매는 주요 냉매보다 높은 평균 분자량을 가진다. 보다 구체적으로, 예냉 냉매 회로에서 예냉 냉매는 다음 조성: 0 ~ 20 몰% 메탄, 20 ~ 80 몰% 에탄 및/또는 에틸렌, 20 ~ 80 몰% 프로판 및/또는 프로필렌, < 20 몰% 부탄, < 10 몰% 펜탄 내에서 2 가지 이상의 성분의 혼합물로 형성될 수도 있고, 총 100 % 이다. 주요 냉매 회로에서 주요 냉각 냉매는 다음 조성: < 10 몰% N2, 30 ~ 60 몰% 메탄, 30 ~ 60 몰% 에탄 및/또는 에틸렌, < 20 몰% 프로판 및/또는 프로필렌 및 < 10 % 부탄 내에서 2 가지 이상의 성분의 혼합물로 형성될 수도 있고, 총 100 % 이다.
대안적으로, 이를 이용한 일 실시형태는 도 3 에 도시되고, 예냉 냉매 및 주요 냉매 양자는 냉매 회로 (200) 로부터 얻을 수도 있다. 실시예는 소위 단일 혼합 냉매 프로세스이고, 이것의 예는 US 특허 5,832,745 에서 찾아볼 수 있다. 이러한 단일 혼합 냉매 프로세스에서, 냉매 회로에서 사이클되는 냉매는 다음 조성: < 20 몰% N2, 20 ~ 60 몰% 메탄, 20 ~ 60 몰% 에탄 및/또는 에틸렌, < 30 몰% 프로판 및/또는 프로필렌, < 15 % 부탄 및 < 5 % 펜탄 내에서 2 가지 이상의 성분의 혼합물로 형성될 수도 있고, 총 100 % 이다.
도 3 의 실시형태에서, 소스 냉매 스트림 (280) 은 (예로 냉매 주변 열교환기 (285) 에서) 부분적으로, 불완전하게 응축되고, 추후 예냉 냉매 가스/액체 분리기 (275) 에서 가벼운 증기 분획물 냉매 스트림 및 액체 냉매로 분리된다. 가벼운 증기 냉매 스트림은, 다른 냉매 스트림으로서 제 3 튜브 다발 입구 (311) 를 통하여 추가 열교환기 (535) 로 공급되도록 예냉 냉매 가스/액체 분리기 (275) 의 상단에서 라인 (310) 으로 배출된다. 액체 냉매는 예냉 냉매 가스/액체 분리기 (275) 의 바닥에서 배출되고 분할기 (245) 로 공급되어 그것은 보조 냉매 스트림 (250) 및 소스 냉매 스트림 (280) 의 부분 (210) 으로 분할된다.
냉각된 다른 냉매 스트림 (320) 은 추가 열교환기 (535) 에서 부분적으로 또는 완전히 응축될 수도 있다. 응축된 다른 냉매 스트림 (320) 의 부분은, 선택적 라인 (352), 선택적 줄-톰슨 밸브 (353), 라인 (230) 에 제공된 선택적 결합기 (357, combiner) 를 통하여 증발 냉매 (230) 로 주입될 수도 있다. 대안적으로 또는 그것에 부가하여, 응축된 다른 냉매 스트림 (320) 의 부분은 다른 열교환기에서 증발되고 선택적 라인 (390) 및 냉매 압축기 (270) 안으로의 선택적 제 3 흡입 입구 (273) 를 통하여 냉매 압축기 (270) 로 복귀될 수도 있다.
추가 열교환기 (535) 로부터 배출되는 냉각된 탄화수소 스트림 (540) 은 여러 가지 방식으로 추가 처리될 수도 있다. 일 군의 실시형태에서, 냉각된 탄화수소 스트림은, 증발 냉매 (230) 보다 낮은 압력으로 다른 열교환기에서 증발되는 연속 냉매 스트림 (235) 의 적어도 부분 및 냉각된 다른 냉매 스트림 (320) 의 적어도 부분 중 하나 또는 양자에 대해 하나 이상의 다른 열교환기에서 냉각될 수도 있다. 바람직하게, 냉각된 탄화수소 스트림 (540) 의 적어도 부분은, -125 ℃ 미만 또는 바람직하게 -150 ℃ 미만처럼, 액화된 천연 가스를 형성하기에 충분히 낮은 온도로 냉각된다. 이러한 액화된 천연 가스는 본 기술분야에 알려진 대로 엔드-플래시 (end-flash) 시스템 또는 감압 스테이지에서 감압되고, 추후 1 ~ 2 bara (bar absolute) 의 압력 및 대략 -162 ℃ 의 온도로 극저온 액체 저장 탱크에 저장된다. 이것은 본원에서 더 상세히 기술되지 않을 것이다.
다른 군의 실시형태에서, 냉각된 탄화수소 스트림 (540) 은, C2 + 탄화수소, 바람직하게 C3 + 탄화수소가 냉각된 탄화수소 스트림 (540) 으로부터 추출되어서 메탄-풍부 탄화수소 스트림의 형태로 잔류물을 발생시키는 하나 이상의 추출 단계를 거칠 수도 있다. 이런 메탄-풍부 탄화수소 스트림은 파이프 라인 가스로서 판매되거나, 액화된 천연 가스를 생성하기 위해서 선행 단락에 기술한 방식으로 더 많이 냉각될 수도 있다. 추출된 C2 + 탄화수소, 바람직하게 C3 + 탄화수소가 판매 및/또는 예로 에탄 및/또는 프로판 및/또는 부탄을 포함한 단일 성분 스트림으로 분별증류함으로써 추가 프로세싱될 수도 있다.
본 기술분야의 당업자는, 본 발명이 첨부된 청구항 범위에서 벗어나지 않으면서 많은 다양한 방식으로 수행될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법으로서,
    - 적어도 메탄 및 물을 포함하는 습성 (wet) 탄화수소 스트림을 제공하는 단계;
    - 상기 습성 탄화수소 스트림을 습성 공급 주변 열교환기로 통과시켜서 주변에 대해 상기 습성 탄화수소 스트림을 열교환시켜 제 1 온도와 동일한 온도의 상기 습성 탄화수소 스트림을 제공하는 단계;
    - 상기 습성 탄화수소 스트림을 냉각시켜서 상기 제 1 온도로부터 제 2 온도로 온도를 낮추는 단계;
    - 상기 제 2 온도의 물 제거 기기에서, 상기 습성 탄화수소 스트림으로부터,
    상기 습성 탄화수소 스트림으로부터의 물을 포함하는 적어도 하나의 습성 처분 (disposal) 스트림, 및
    상기 적어도 하나의 습성 처분 스트림이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림
    을 인출하는 단계;
    - 상기 유출물 스트림을 추가 열교환기로 전달하는 단계;
    - 압축된 조건의 냉매 스트림을 주변 열교환기에 통과시켜서 상기 제 1 온도로부터 10 ℃ 이내에 있는 제 3 온도와 동일한 냉매 온도의 소스 냉매 스트림을 제공하는 단계;
    - 상기 소스 냉매 스트림의 적어도 일부를 상기 제 3 온도와 본질적으로 동일한 온도로 유지하면서 상기 추가 열교환기로 전달하는 단계;
    - 증발하는 냉매 분획물에 대해 간접 열교환시킴으로써 상기 추가 열교환기 내의 상기 유출물 스트림과 상기 냉매 스트림의 적어도 일부 양자를 냉각하는 단계를 포함하고,
    상기 유출물 스트림을 상기 추가 열교환기로 전달하는 상기 단계는, 상기 유출물 스트림의 온도를 습성 공급 열교환기의 미온 단부 (warm end) 접근 온도에 가까운 상기 제 1 온도와 일치시키도록 상기 습성 공급 열교환기에서 본질적으로 상기 제 1 온도의 습성 탄화수소 스트림에 대해 간접 열교환시킴으로써 상기 유출물 스트림을 가열하는 단계를 포함하고, 상기 습성 탄화수소 스트림을 냉각시키는 상기 단계는 간접 열교환시키는 상기 단계를 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 습성 탄화수소 스트림에 대해 상기 유출물 스트림을 간접 열교환시키는 상기 단계는,
    상기 제 1 온도와 본질적으로 동일한 온도의 상기 습성 공급 열교환기 안으로의 제 1 입구로부터, 상기 유출물 스트림과 간접 열교환 상호작용하는 상기 습성 공급 열교환기를 통하여, 상기 습성 공급 열교환기로부터의 제 1 출구로 상기 습성 탄화수소 스트림을 전달하는 단계, 및
    상기 습성 공급 열교환기 안으로의 제 2 입구로부터, 상기 습성 탄화수소 스트림과 간접 열교환 상호작용하는 상기 습성 공급 열교환기를 통하여, 상기 습성 공급 열교환기로부터의 제 2 출구로 상기 유출물 스트림을 전달하는 단계를 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    - 상기 물 제거 기기 안으로의 제 1 물 제거 기기 입구를 통하여 상기 물 제거 기기 안으로 상기 습성 탄화수소 스트림을 전달하고 상기 물 제거 기기로부터의 증기 출구를 통하여 상기 물 제거 기기로부터 상기 유출물 스트림을 배출하는 단계; 및
    - 상기 습성 공급 열교환기 안으로의 제 1 입구와 상기 제 1 물 제거 기기 입구 사이의 습성 탄화수소 스트림;
    - 상기 물 제거 기기로부터의 증기 출구와 상기 습성 공급 열교환기로부터의 제 2 출구 사이의 유출물 스트림;
    - 상기 물 제거 기기 내의 습성 탄화수소 스트림
    중 적어도 하나로부터, 보조 냉매 스트림에 대해 열교환시킴으로써 열을 추출하는 단계를 더 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보조 냉매 스트림 및 상기 소스 냉매 스트림의 상기 적어도 일부는, 상기 소스 냉매 스트림을 상기 보조 냉매 스트림 및 상기 소스 냉매 스트림의 상기 적어도 일부로 분할함으로써 얻어지는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉매 스트림을 상기 주변 열교환기에 통과시키는 상기 단계에 의해 상기 소스 냉매 스트림을 적어도 부분적으로 응축시켜 액체 냉매를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 보조 냉매 스트림은 상기 액체 냉매의 적어도 일부를 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉매 스트림을 상기 주변 열교환기에 통과시키는 상기 단계에 의해 상기 소스 냉매 스트림을 전부가 아닌 일부 응축시키고, 상기 소스 냉매 스트림의 상기 분할은 상기 소스 냉매 스트림을 가벼운 증기 분획물 냉매 스트림 및 상기 액체 냉매로 추후 분리하는 단계를 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 습성 공급 열교환기 안으로의 제 1 입구와 상기 제 1 물 제거 기기 입구 사이의 습성 탄화수소 스트림;
    - 상기 물 제거 기기로부터의 증기 출구와 상기 습성 공급 열교환기로부터의 제 2 출구 사이의 유출물 스트림;
    - 상기 물 제거 기기 내의 습성 탄화수소 스트림
    중 적어도 하나로부터 열을 추출하는 상기 단계 이전에 상기 보조 냉매 스트림을 팽창시키는 단계를 더 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물 제거 기기는, 상기 습성 탄화수소 스트림으로부터 침전된 성분을 분리하기 위한 분리기 베슬 (vessel), 및 상기 분리기 베슬의 하류에서 적어도 물을 흡수 (sorbing) 하기 위한 흡수 기기를 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유출물 스트림을 제 1 튜브 다발 입구를 통하여 상기 추가 열교환기 안으로 유입하는 단계, 및
    상기 소스 냉매 스트림의 상기 적어도 일부를 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 입구를 통하여 상기 추가 열교환기 안으로 유입하는 단계를 더 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브 다발 입구에서의 상기 유출물 스트림의 온도는, 상기 습성 공급 열교환기에서 본질적으로 상기 제 1 온도의 상기 습성 탄화수소 스트림에 대한 상기 간접 열교환에 의해 도달되었던 상기 유출물 스트림의 온도와 본질적으로 동일한, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 추가 열교환기 내의 상기 유출물 스트림의 온도 및 상기 제 1 및 제 2 튜브 다발 입구에서의 상기 소스 냉매 스트림의 상기 적어도 일부의 온도는 서로 10 ℃ 미만으로 차이가 나는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유출물 스트림에 대한 상기 간접 열교환 전의, 상기 습성 탄화수소 스트림의 상기 제 1 온도는, 상기 주변 스트림에 대한 열교환에 의해 제어되고,
    상기 소스 냉매 스트림의 상기 적어도 일부는 상기 제 1 온도로부터 10 ℃ 이내의 온도를 가지는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습성 탄화수소 스트림은 천연 가스를 포함하고,
    상기 유출물 스트림의 적어도 일부는 액화 천연 가스를 형성하도록 냉각되는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 방법.
  14. 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 장치로서,
    - 적어도 메탄 및 물을 포함하는 습성 (wet) 탄화수소 스트림을 제공하기 위한 공급 도관;
    - 상기 공급 도관에 연결되고, 상기 습성 탄화수소 스트림을 수용하고 상기 습성 탄화수소 스트림과 주변 스트림 사이의 열교환을 위해 배치된 습성 공급 주변 열교환기;
    - 상기 습성 공급 주변 열교환기를 통하여 상기 공급 도관에 연결되고, 상기 습성 공급 주변 열교환기로부터 상기 습성 탄화수소 스트림을 수용하고 상기 습성 탄화수소 스트림의 온도를 낮추도록 배치되는 적어도 하나의 습성 공급 열교환기로서, 상기 습성 공급 주변 열교환기와 상기 습성 공급 열교환기 사이에 별도의 열교환기가 본질적으로 존재하지 않는, 적어도 하나의 습성 공급 열교환기;
    - 상기 습성 공급 열교환기의 하류에 상기 습성 탄화수소 스트림을 수용하도록 배치되고, 상기 습성 탄화수소 스트림으로부터 물을 포함한 습성 처분 스트림을 배출하기 위한 습성 처분 스트림 출구, 및 상기 습성 처분 스트림이 제거된 습성 탄화수소 스트림을 포함하는 유출물 스트림을 배출하기 위한 증기 출구를 포함하는 물 제거 기기;
    - 압축되고 주변 냉각된 상태의 냉매 스트림을 포함하고, 압축된 상태의 냉매와 주변 사이에 열교환하여서 소스 냉매 스트림을 제공하도록 배치된 냉매 주변 열교환기, 및 압축된 상태의 냉매를 상기 냉매 주변 열교환기로 배출하는 압축기를 포함하는 소스 냉매 스트림 공급부;
    - 상기 물 제거 기기로부터 상기 유출물 스트림의 적어도 일부를 수용하기 위한 제 1 튜브 다발 입구, 및 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 입구를 구비한 추가 열교환기로서, 상기 추가 열교환기는 냉각된 탄화수소 스트림을 배출하기 위한 제 1 튜브 다발 출구를 더 구비하고, 상기 제 1 튜브 다발 출구는 제 1 튜브 다발을 통하여 상기 제 1 튜브 다발 입구와 연결된 상기 추가 열교환기의 내부에 있고, 상기 추가 열교환기는 적어도 하나의 냉각된 냉매 스트림을 배출하기 위한 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 출구를 더 구비하고, 상기 적어도 하나의 제 2 튜브 다발 출구는 제 2 튜브 다발을 통하여 상기 제 2 튜브 다발 입구와 연결된 상기 추가 열교환기의 내부에 있고, 상기 제 1 및 제 2 튜브 다발은 상기 추가 열교환기 내부의 증발하는 냉매 분획물과 열교환 관계로 배치되는, 상기 추가 열교환기;
    - 상기 물 제거 기기의 증기 출구를 상기 추가 열교환기의 제 1 튜브 다발 입구와 연결하고, 상기 습성 탄화수소 스트림과 간접 열교환 상호작용하게 상기 습성 공급 열교환기를 통과하는 제 1 연결 수단; 및
    - 상기 소스 냉매 스트림의 적어도 일부를 수용하기 위해, 상기 냉매 주변 열교환기를 상기 제 2 튜브 다발 입구와 연결하고, 임의의 별도의 열교환기를 본질적으로 가지지 않는 제 2 연결 수단을 포함하는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 연결 수단은 상기 습성 공급 열교환기와 상기 추가 열교환기의 상기 제 1 튜브 다발 입구 사이에 임의의 별도의 열교환기를 본질적으로 가지지 않는, 메탄을 포함하는 탄화수소 스트림의 처리 장치.
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