KR20140003260A - 천연가스 액화시스템 및 액화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 천연가스 액화시스템은 예냉수단; 기액분리수단; 제1열교환수단; 제2열교환수단; 제1팽창수단; 제2팽창수단; 제1혼합냉매변환수단; 예냉냉매공급수단; 천연가스공급수단; 및 혼합기;를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 천연가스 액화 방법은 제1예냉단계(S01); 제1혼합냉매분리단계(S02); 제1도입단계(S03); 제1팽창냉매형성단계(S04); 제2도입단계(S05); 제2팽창냉매형성단계(S06); 및 제2냉각단계(S07);를 포함한다.

Description

천연가스 액화시스템 및 액화 방법{Natural gas liquefaction system and method using the same}
본 발명은 천연가스 액화시스템 및 액화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉동, 액화 또는 응고를 이용하여 천연가스를 액화하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 열역학적 프로세스는 더 높은 효율과 더 큰 용량에 대한 요구를 포함하는 다양한 과제들을 충족시키기 위해 1970년대부터 개발되어 왔다. 이러한 요구, 즉 액화공정의 효율과 용량을 높이기 위해 서로 다른 냉매를 사용하거나 서로 다른 사이클을 사용하여 천연가스를 액화시키는 다양한 시도들이 현재까지 지속적으로 이루어지고 있으나 실용적으로 사용되고 있는 액화공정의 수는 매우 적다.
작동 중에 있으면서도 가장 널리 보급된 액화공정 중의 하나는 'Propane Pre-cooled Mixed RefrigerantProcess(또는 C3/MR Process)'이다.
도 1은 C3/MR 공정의 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, C3/MR 공정은 천연가스를 다단(multi-stage)의 프로판(C3) 줄-톰슨(Joule-Thomson, JT) 사이클에 의해 대략 238 K까지 예냉(pre-cooled)한다. 예냉된 천연가스는 열교환기에서 혼합 냉매(mixedrefrigerant, MR)와의 열교환을 통해 123 K까지 액화(liquefied)되고 과냉(sub-cooled)된다.
이 때, 혼합 냉매의 냉동사이클에 좀 더 상세히 설명하자면, 혼합냉매는 고압으로 압축이 된 후 냉각되고, 기액분리기(10)로 도입된다.
혼합냉매는 기액분리기(10)에서 기상(light components)과 액상(heavy components)으로 분리되어 1차 열교환기(20)로 각각 도입되고, 액상의 혼합냉매는 1차 열교환기(20)에서 1차열교환이 완료되면 팽창되어 1차 열교환기(20)에 도입되는 고온스트림을 냉각하기 위한 용도로 사용된다. 기상의 혼합냉매는 2차 열교환기(30)로 도입되어 냉각되고 팽창을 통하여 더욱 냉각되어 2차 열교환기(30) 및 1차 열교환기(20)를 냉각하기 위한 용도로 사용된다.
이러한, C3/MR 공정은 열교환기(20, 30)들의 열교환효율이 낮은 단점이 있다.
따라서 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 천연가스 액화시스템의 다양한 개발이 필요한 실정이다.
미국등록특허 6691531 {2004.02.17}
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열교환기의 구성을 개선함으로서, 열교환 효율 및 에너지 절약 효율을 극대화 할 수 있는 천연가스 액화시스템 및 액화 방법을 제공하려는 것이다.
본 발명에 따른 천연가스 액화시스템은 예냉수단(100); 상기 예냉수단(100)과 연결되는 기액분리수단(200); 상기 예냉수단(100) 및 상기 기액분리수단(200)과 각각 연결되는 제1열교환수단(300); 상기 제1열교환수단(300)과 연결되는 제2열교환수단(400); 상기 제1열교환수단(300)에 일단이 연결되는 제1팽창수단(510); 상기 제2열교환수단(400)에 양단이 각각 연결되는 제2팽창수단(520); 상기 예냉수단(100) 및 상기 제1열교환수단(300)과 각각 연결되는 제1혼합냉매변환수단(600); 상기 예냉수단(100)과 연결되는 예냉냉매공급수단(700); 상기 예냉수단(100)과 연결되는 천연가스공급수단(800); 및 상기 제1팽창수단(510)의 타단과 상기 제1열교환수단(300)을 연결하며, 상기 제2열교환수단(400)과 연결되는 혼합수단(900);을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 제1열교환수단(300)은 상기 예냉수단(100) 및 상기 기액분리수단(200)과 연결되는 제1열교환기(310)이고, 상기 제2열교환수단(400)은 상기 제1열교환기(310)와 연결되는 제3열교환기(410)로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 상기 제1열교환수단(300)은 상기 예냉수단(100) 및 상기 기액분리수단(200)과 연결되는 제1열교환기(310)와, 상기 제1열교환기(310)와 연결되는 제2열교환기(320)이고, 상기 제2열교환수단(400)은 상기 제2열교환기(320)와 연결되는 제3열교환기(410)와, 상기 제3열교환기(410)와 연결되는 제4열교환기(420)로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 상기 제1팽창수단(510)은 일단이 상기 제1열교환기(310)와 연결되며 타단이 상기 제2열교환기(320)와 연결되고, 상기 제2팽창수단(520)은 일단이 상기 제3열교환기(410)와 연결되며 타단이 상기 제4열교환기(420)와 연결된다.
또한, 상기 제1혼합냉매변환수단(600)은 제1혼합냉매를 상기 예냉수단(100)으로 공급하고, 상기 예냉냉매공급수단(700)은 예냉냉매를 상기 예냉수단(100)으로 공급하고, 상기 천연가스공급수단(800)은 천연가스를 상기 예냉수단(100)으로 공급하고, 상기 예냉수단(100)은 상기 제1혼합냉매변환수단(600)로부터 공급받은 상기 예냉냉매를 이용하여 상기 예냉수단(100) 및 상기 천연가스공급수단(800)으로부터 각각 공급받은 상기 제1혼합냉매 및 상기 천연가스를 예냉하고, 상기 기액분리수단(200)은 상기 예냉수단(100)으로부터 도입한 상기 제1혼합냉매를 액상의 제1분리냉매와 기상의 제2분리냉매로 분리하고, 상기 제1열교환수단(300)은 상기 예냉수단(100)으로부터 상기 천연가스, 상기 제1분리냉매, 상기 제2분리냉매를 도입하고, 믹스냉매를 이용하여, 상기 천연가스, 상기 제1분리냉매, 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제1분리냉매를 상기 천연가스 및 상기 제2분리냉매보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고, 상기 제1팽창수단(510)은 상기 제1열교환수단(300)으로부터 도입한 상기 제1분리냉매를 팽창시켜 제1팽창냉매를 형성시키고, 상기 제2열교환수단(400)은 상기 제1열교환수단(300)으로부터 상기 천연가스, 상기 제2분리냉매를 도입하고, 제2팽창냉매를 이용하여, 상기 천연가스, 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제2분리냉매를 상기 천연가스보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고, 상기 천연가스를 과냉시켜 액화천연가스를 형성시키고, 상기 제2팽창수단(520)은 상기 제2열교환수단(400)으로부터 도입한 상기 제2분리냉매를 팽창시켜 형성된 상기 제2팽창냉매를 상기 제2열교환수단(400)로 공급하고, 상기 혼합수단(900)은 상기 제1팽창수단(510)으로부터 도입한 상기 제1팽창냉매의 일부와 상기 제2열교환수단(400)으로부터 도입한 상기 제2팽창냉매를 혼합시켜 형성된 상기 믹스냉매를 상기 제1열교환수단(300)으로 공급한다.
또한, 상기 예냉냉매는 단일냉매 또는 제2혼합냉매이다.
또한, 상기 제1혼합냉매변환수단(600)는 상기 제1열교환수단(300)으로부터 도입한 믹스냉매를 순차적으로 압축 및 냉각시켜 제1혼합냉매로 변환시키고, 상기 제1혼합냉매를 상기 예냉수단(100)으로 공급한다.
또한, 제1혼합냉매와 천연가스를 예냉하는 제1예냉단계(S01); 상기 제1혼합냉매를 액상의 제1분리냉매와 기상의 제2분리냉매로 각각 분리하는 제1혼합냉매분리단계(S02); 상기 천연가스, 상기 제1분리냉매, 상기 제2분리냉매를 혼합 없이 제1열교환영역으로 도입하는 제1도입단계(S03); 상기 제1분리냉매를 제1팽창영역으로 도입하고 팽창시켜 제1팽창냉매로 형성시키는 제1팽창냉매형성단계(S04); 상기 천연가스 및 상기 제2분리냉매를 혼합 없이 제2열교환영역으로 도입하는 제2도입단계(S05); 상기 제2분리냉매를 제2팽창영역으로 도입하고 팽창시켜 제2팽창냉매로 형성시키는 제2팽창냉매형성단계(S06); 상기 제2팽창냉매를 상기 제2열교환영역에 공급하여, 상기 제2열교환영역에 도입되어 있던 상기 천연가스와 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제2분리냉매를 상기 천연가스보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고, 상기 천연가스를 과냉시켜 액화천연가스를 형성시키는 과냉단계(S07); 상기 제2팽창냉매와, 상기 제1팽창냉매를 혼합하여 믹스냉매를 형성시키는 믹스냉매형성단계(S08); 및 상기 믹스냉매를 상기 제1차열교환영역에 공급하여, 상기 제1열교환영역에 도입되어 있던, 상기 천연가스와 상기 제1분리냉매와 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제1분리냉매를 상기 천연가스 및 상기 제2분리냉매보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키는 냉각단계(S09);를 포함한다.
또한, 상기 제1예냉단계(S01)는 단일냉매 또는 제2혼합냉매를 이용하여, 상기 제1혼합냉매와 상기 천연가스를 예냉한다.
또한, 상기 천연가스 액화방법은 상기 믹스냉매를 순차적으로 압축 및 냉각시켜 제1혼합냉매로 변환시키는 변환단계(S10); 및 상기 제1혼합냉매와 상기 천연가스를 예냉하는 제2예냉단계(S11); 상기 제1혼합냉매분리단계(S02) 내지 제2예냉단계(S11)를 1주기로 하여 1회 이상 반복하는 반복사이클단계(S12);를 더 포함한다.
또한, 상기 제2예냉단계(S11)는 단일냉매 또는 제2혼합냉매를 이용하여, 상기 제1혼합냉매와 상기 천연가스를 예냉한다.
이에 따라, 본 발명은 제1열교환수단으로 도입되는 냉매와, 천연가스와의 온도차를 줄여서, 천연가스를 액화하기 위한 에너지 소비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 C3/MR 공정을 나타낸 흐름도
도 2은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화시스템
도 4은 본 발명의 실시예 3에 따른 천연가스 액화시스템
도 5은 본 발명의 실시예 4에 따른 천연가스 액화시스템
도 6은 본 발명에 따른 천연가스 액화방법
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템(1000a)은 예냉수단(100), 기액분리수단(200), 제1열교환수단(300), 제2열교환수단(400), 제1팽창수단(510), 제2팽창수단(520), 제1혼합냉매변환수단(600), 예냉냉매공급수단(700), 천연가스공급수단(800), 혼합수단(900)을 포함하여 구성된다.
먼저, 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템(1000a)의 구성요소들은 다수개의 배관을 통해 연결되는데 이에 대해 상세히 설명하자면 다음과 같다.
제1배관은 순차적으로 천연가스공급수단(800), 예냉수단(100), 제1열교환수단(300), 제2열교환수단(400)을 연결하되, 예냉수단(100), 제1열교환수단(300), 및 제2열교환수단(400)과는 각각 관통 연결된다.
제2배관은 사이클형태로서, 예냉냉매공급수단(700)과 예냉수단(100)을 연결한다.
제3배관은 순차적으로 제1혼합냉매변환수단(600), 예냉수단(100), 기액분리수단(200)을 연결하되, 예냉수단(100)과는 관통 연결된다.
제4배관은 순차적으로 기액분리수단(200), 제1열교환수단(300), 제1팽창수단(510), 혼합수단(900), 다시 제1열교환수단(300), 제1혼합냉매변환수단(600)을 연결하되, 제1열교환수단(300)과는 2번 관통 연결된다.
특히, 제4배관은 기액분리수단(200), 제1열교환수단(300), 및 제1팽창수단을 연결하는 것에 있어서, 배관이 기액분리수단(200)으로부터 제1열교환수단(300)의 중심부까지 이어지다가 제1열교환수단(300)의 하측 또는 상측으로 빠져나와 제1팽창수단(510)과 연결된다.
즉, 제4배관은 제1열교환수단(300)을 일직선으로 관통하지 않도록 형성되는 것이다.
제5배관은 순차적으로 기액분리수단(200), 제1열교환수단(300), 제2열교환수단(400), 제2팽창수단(520), 다시 제2열교환수단(400), 혼합수단(900)을 연결하되, 제1열교환수단(300)과는 관통 연결되며 제2열교환수단(400)과는 2번 관통 연결된다.
다음으로, 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템의 구성요소들에 대해, 상세히 설명하자면 다음과 같다.
제1혼합냉매변환수단(600)은 제1MR압축기(610) 및 제1MR냉각기(620)를 포함하여 구성된다.
제1MR압축기(610)는 3단 압축기로 이루어져 제1혼합냉매를 압축시킨다.
제1MR냉각기(620)는 제1MR압축기(610)에서 압축된 제1혼합냉매를 도입하고 냉각시켜 예냉수단(100)으로 공급한다.
즉, 제1혼합냉매변환수단(600)은 제1혼합냉매를 압축하고 냉각시켜 예냉수단(100)으로 공급하기 위한 구성이다.
예냉냉매공급수단(700)은 C3압축기(710), C3냉각기(720), C3팽창밸브(730)를 포함하여 구성된다.
또한, 예냉냉매공급수단(700)은 C3압축기(710), C3냉각기(720), C3팽창밸브(730)를 이용하여 단일냉매를 순차적으로 압축, 냉각, 및 팽창시켜 예냉수단(100)으로 공급한다.
이 때, 단일냉매로는 프로판을 사용하며, C3압축기(710)는 4단 압축기로 이루어지며, C3팽창밸브(730)는 4단의 줄-톰슨 밸브로 이루어진다.
천연가스공급수단(800)은 천연가스가 저장되는 탱크로서, 저장된 천연가스를 예냉수단(100)으로 공급한다.
예냉수단(100)은 제1혼합냉매변환수단(600)으로부터 제1혼합냉매를, 예냉냉매공급수단(700)으로부터 단일냉매를, 천연가스공급수단(800)으로부터 천연가스를 각각 독립적으로 도입한다.
또한, 예냉수단(100)은 단일냉매를 이용하여, 제1혼합냉매와 천연가스를 예냉한다.
기액분리수단(200)은 예냉수단(100)으로부터 제1혼합냉매를 도입하여 액상의 제1분리냉매와, 기상의 제2분리냉매로 각각 분리한다.
제1열교환수단(300)은 하나의 제1열교환기(310)로 구성되며, 예냉수단(100)으로부터 천연가스를 독립적으로 도입하고, 기액분리수단(200)으로부터 제1분리냉매 및 제2분리냉매를 각각 독립적으로 도입하며, 여러 가지 후공정을 거쳐서 제1열교환수단(300)으로 도입되는 믹스냉매를 이용하여, 천연가스와 제1분리냉매와 제2분리냉매를 냉각하되, 제1분리냉매를 천연가스 및 제2분리냉매보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시킨다.
여기에서, 믹스냉매에 대해서는 하기에 설명하기로 한다.
제1팽창수단(510)은 제1열교환기(310)의 하측 또는 상측에 배치되는 팽창밸브로서, 제1열교환기(310)의 중심부와 제4배관에 의해 연결되어 제1열교환기(310)로부터 제1분리냉매를 강제로 도입하고 팽창시켜 제1팽창냉매를 형성시킨다.
즉, 제1팽창수단(510)은 제1열교환기(310)에 도입되어 있던 제1분리냉매를 제1열교환기(310)의 중심부로부터 강제로 빼내는 것이다.
제2열교환수단(400)은 하나의 제3열교환기(410)로 구성되며, 제1열교환기(310)로부터 제2분리냉매와 천연가스를 각각 독립적으로 도입하고, 여러 가지 후공정을 거쳐서 제2열교환수단(400)으로 도입되는 제2팽창냉매를 이용하여, 천연가스와 제2분리냉매를 냉각하되, 제2분리냉매를 천연가스보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고, 천연가스를 과냉시켜 액화천연가스를 형성시킨다.
여기에서, 제2팽창냉매에 대해서는 하기에 설명하기로 한다.
제2팽창수단(520)은 팽창밸브로서, 제3열교환기(410)로부터 제2분리냉매를 도입하고 팽창시켜 제2팽창냉매를 형성시켜 형성된 제2팽창냉매를 제3열교환기(410)으로 공급한다.
혼합수단(900)은 제1팽창수단(510)으로부터 도입한 제1팽창냉매와, 제3열교환기(410)로부터 도입한 제2팽창냉매를 혼합시켜 형성된 믹스냉매를 제1열교환기(310)로 공급한다.
이에 따라, 본 발명은 혼합수단(900)으로부터 제1열교환수단(300)으로 도입한 믹스냉매와, 제1열교환수단(300)에서 냉각되는 천연가스와 제 2분리냉매의 최종 배출온도 차가 줄어둠에 따라, 열교환 효율이 증대되어 천연가스를 액화하기 위한 에너지 소비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
한편, 제1혼합냉매변환수단(600)는 제1열교환기(310)로부터 도입되는 믹스냉매를 순차적으로 압축 및 냉각시켜 예냉수단(100)으로 다시 공급한다.
즉, 제1혼합냉매변환수단(600)는 믹스냉매를 제1혼합냉매로 변환시켜 예냉수단(100)으로 다시 공급하는 것이다.
본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템(1000a)을 이용하여 천연가스를 액화하는 공정의 실험 결과는 다음과 같다.
Component Mol%
Nitrogen 0.22
Methane 91.33
Ethane 5.36
Propane 2.14
I-butane 0.46
n-butane 0.47
I-pentane 0.01
n-pentane 0.01
Pressure(Bar) 53
Temperature(ㅀC) 45
Flow Rate(kmol/hr) 35065
천연가스는 상기 <표 1>에 나타낸 조성으로 이루어지며, <표 2>에 나타낸 압력과 온도를 가지며, 순차적으로 예냉수단(100), 제1열교환수단(300), 제2열교환수단(400)을 통과한다.
단일냉매(프로판)는 예냉냉매공급수단(700)의 C3압축기(710)에 의해 4단으로 압축되면서 16.4bar의 압력을 가지게 되고, C3팽창기(730)에 의해 4단으로 팽창되면서 순차적으로 7.5bar, 4.2bar, 2.5bar, 1.114bar의 압력을 가지게 되며, 예냉수단(100)으로 공급된다.

 mole fraction (-)
N2 0.0827
C1 0.4555
C2 0.3062
C3 0.1555
제1혼합냉매는 상기 <표3>에 나타낸 조성으로 이루어지며, 제1혼합냉매공급수단(600)의 제1MR압축기(610)에 의해 3단으로 압축되면서 60bar의 압력을 가지게 되고, 예냉수단(100)을 거쳐서 예냉된 후, 기액분리기(200)를 거쳐서 액상의 제1분리냉매와 액상의 제2분리냉매로 분리된다.
제1분리냉매는 제1열교환수단(300)을 거쳐 제1팽창수단(510)으로 도입 및 팽창되어 4bar의 압력을 가지는 제1팽창냉매로 형성된 후, 혼합기(900)로 도입된다.
제2분리냉매는 제2열교환수단(400)을 거쳐 제2팽창수단(510)으로 도입 및 팽창되어 제2팽창냉매로 형성된 후, 다시 제2열교환수단(400)을 거쳐 혼합기(900)로 도입된다.
혼합기(900)는 제1팽창냉매 및 제2팽창냉매를 혼합시켜 형성된 믹스냉매를 제1열교환수단(300)으로 도입한다.
한편, 제1열교환수단(300)으로 도입되어 있던 제1분리냉매, 제2분리냉매, 천연가스는 혼합기(900)로부터 도입된 믹스냉매에 의해 냉각된다.
이 때, 제1열교환수단(300)으로 도입되어 있던 제1분리냉매, 제2분리냉매, 및 천연가스와, 여러 가지 공정을 거쳐 제1열교환수단(300)으로 다시 도입된 믹스냉매의 온도 차이는 4K를 유지하였으며, 상기한 온도차를 유지할 경우에 천연가스를 액화하는데 소비되는 전력은 203900KW이었다.
일반적인 C3/MR 공정을 사용하여 천연가스를 액화하는데 소비되는 전력은 210700KW로서, 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화 시스템이 일반적인 C3/MR 공정에 비해 전력을 6800KW 절감할 수 있는 효과가 있었다.
본 출원인은 상술한 바와 같은 실험결과를 경험적 및 실험적으로 도출하였다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화시스템이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화시스템(1000b)은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템(1000a)과 동일하게 구성되되, 제1배관, 제4배관, 제5배관, 제1열교환수단(300) 및 제2열교환수단(400)이 다르게 구성된다.
제1열교환수단(300)은 제1열교환기(310) 및 제2열교환기(320)를 포함하여 구성되고, 제2열교환수단(400)은 제3열교환기(410) 및 제4열교환기(420)를 포함하여 구성된다.
제1배관은 순차적으로 천연가스공급수단(800), 예냉수단(100), 제1열교환기(310), 제2열교환기(320), 제3열교환기(410), 제4열교환기(420)를 연결하되, 예냉수단(100), 제1열교환기(310), 제2열교환기(320), 제3열교환기(410), 제4열교환기(420)과는 각각 관통 연결된다.
제4배관은 순차적으로 기액분리수단(200), 제1열교환기(310), 제1팽창수단(510), 혼합수단(900), 제2열교환기(320), 제1열교환기(310), 제1혼합냉매변환수단(600)을 연결하되, 제2열교환기(320)와는 관통 연결되며, 제1열교환기(310)와는 2번 관통 연결된다.
제5배관은 순차적으로 기액분리수단(200), 제1열교환기(310), 제2열교환기(320), 제3열교환기(410), 제2팽창수단(520), 제4열교환기(420), 다시 제3열교환기(410), 혼합수단(900)을 연결하되, 제1열교환기(310), 제2열교환기(320), 제4열교환기(420)와는 각각 관통 연결되며, 제3열교환기(410)와는 2번 관통 연결된다.
본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화시스템(1000b)은 제1열교환수단(300)이 제1열교환기(310)와, 제2열교환기(320)로 구성됨으로서, 본 발명의 실시예 1에 따른 제1열교환수단(300)의 구성과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화시스템(1000b)은 제2열교환수단(400)이 제3열교환기(410)와, 제4열교환기(420)로 구성됨으로서, 본 발명의 실시예 1에 따른 제2열교환수단(400)의 구성과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 4은 본 발명의 실시예 3에 따른 천연가스 액화시스템이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 3에 따른 천연가스 액화시스템(1000c)은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템(1000a)과 동일하게 구성되되, 예냉냉매공급수단(700)이 다르게 구성된다.
예냉냉매공급수단(700)은 제2혼합냉매를 예냉수단(100)으로 제공하기 위한 구성으로서, 제2MR압축기(740), 제2MR냉각기(750), 제2MR팽창밸브(760)를 포함하여 구성된다.
즉, 예냉냉매공급수단(700)은 제2MR압축기(740), 제2MR냉각기(750), 제2MR팽창밸브(760)를 이용하여 제2혼합냉매를 예냉수단(100)으로 공급한다.
여기에서, 제2혼합냉매는 제1혼합냉매와 동일한 물질로 형성된다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 천연가스 액화시스템이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 4에 따른 천연가스 액화시스템(1000d)은 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화시스템(1000b)과 동일하게 구성되되, 예냉냉매공급수단이 본 발명의 실시예 3에 따른 예냉냉매공급수단과 동일하게 구성된다.
도 6은 본 발명에 따른 천연가스 액화방법이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 천연가스 액화방법은 제1예냉단계(S01), 제1혼합냉매분리단계(S02), 제1도입단계(S03), 제1팽창냉매형성단계(S04), 제2도입단계(S05), 제2팽창냉매형성단계(S06), 과냉단계(S07), 믹스냉매형성단계(S08), 냉각단계(S09), 변환단계(S10), 제2예냉단계(S11), 반복사이클단계(S12)를 포함하여 구성된다.
도 6을 참조하여 본 발명에 따른 천연가스 액화방법에 대해 상세히 설명하자면 다음과 같다.
먼저, 단일냉매 또는 제2혼합냉매를 이용하여, 외부에서 공급되는 제1혼합냉매와 천연가스를 예냉한다. 이는 도 6에 도시된 제1예냉단계(S01)에 해당된다.
다음으로, 예냉된 제1혼합냉매를 액상의 제1분리냉매와 기상의 제2분리냉매로 각각 분리한다. 이는 도 6에 도시된 제1혼합냉매분리단계(S02)에 해당된다.
다음으로, 예냉된 천연가스, 제1분리냉매, 제2분리냉매를 혼합 없이 제1열교환영역으로 도입한다. 이는 도 6에 도시된 제1도입단계(S03)에 해당된다. 한편, 제1열교환영역으로 도입된 천연가스, 제1분리냉매, 제2분리냉매는 믹스냉매에 의해 냉각되는데, 이에 대해서는 하기에 설명하기로 한다.
다음으로, 제1분리냉매를 제1팽창영역으로 도입하고 팽창시켜 제1팽창냉매를 형성시킨다. 이는 도 6에 도시된 제1팽창냉매형성단계(S04)에 해당된다.
다음으로, 천연가스 및 제2분리냉매를 혼합 없이 제2열교환영역으로 도입한다. 이는 도 6에 도시된 제2도입단계(S05)에 해당된다.
다음으로, 제2분리냉매를 제2팽창영역으로 도입하고 팽창시켜 제2팽창냉매를 형성시킨다. 이는 도 6에 도시된 제2팽창냉매형성단계(S06)에 해당된다.
다음으로, 제2팽창냉매를 제2열교환영역에 공급하여, 제2도입단계(S06)에서 제2열교환영역에 도입되어 있던 천연가스와 제2분리냉매를 냉각하되, 제2분리냉매를 천연가스보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고, 천연가스를 과냉시켜 액화천연가스로 형성시킨다. 이는 도 6에 도시된 과냉단계(S07)에 해당된다.
다음으로, 과냉단계(S07)에서 이용된 제2팽창냉매와, 제1팽창냉매형성단계(S04)에서 형성된 제1팽창냉매를 혼합하여 믹스냉매를 형성시킨다. 이는 도 6에 도시된 믹스냉매형성단계(S08)에 해당된다.
다음으로, 믹스냉매를 제1차열교환영역으로 공급하여, 제1도입단계(S03)에서 제1차열교환영역에 도입되어 있던 천연가스, 제1분리냉매, 제2분리냉매를 냉각하되, 제1분리냉매를 천연가스 및 제2분리냉매보다 덜 냉각시켜 고온의 제1분리냉매로 형성시킨다. 이는 도 6에 도시된 냉각단계(S09)에 해당된다.
다음으로, 제1차열교환영역에 도입되어 있던 믹스냉매를 변환영역으로 도입하고 압축 및 냉각시켜 제1혼합냉매로 변환시킨다. 이는 도 6에 도시된 변환단계(S10)에 해당된다.
다음으로, 단일냉매 또는 제2혼합냉매를 이용하여, 변환단계(S10)에서 생성된 제1혼합냉매와 외부에서 공급되는 천연가스를 예냉한다. 이는 도 6에 도시된 제2예냉단계(S11)에 해당된다.
다음으로, 제1혼합냉매분리단계(S02) 내지 제2예냉단계(S11)를 1주기로 하여 1회 이상 반복한다. 이는 도 6에 도시된 반복사이클단계(S12)에 해당된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000a, b, c, d : 본 발명에 따른 천연가스 액화시스템
100 : 예냉수단
200 : 기액분리수단
300 : 제1열교환수단
310 : 제1열교환기 320 : 제2열교환기
400 : 제2열교환수단
410 : 제3열교환기 420 : 제4열교환기
510 : 제1팽창수단 520 : 제2팽창수단
600 : 제1혼합냉매변환수단
700 : 예냉냉매공급수단
800 : 천연가스공급수단
900 : 혼합수단

Claims (11)

  1. 예냉수단(100);
    상기 예냉수단(100)과 연결되는 기액분리수단(200);
    상기 예냉수단(100) 및 상기 기액분리수단(200)과 각각 연결되는 제1열교환수단(300);
    상기 제1열교환수단(300)과 연결되는 제2열교환수단(400);
    상기 제1열교환수단(300)에 일단이 연결되는 제1팽창수단(510);
    상기 제2열교환수단(400)에 양단이 각각 연결되는 제2팽창수단(520);
    상기 예냉수단(100) 및 상기 제1열교환수단(300)과 각각 연결되는 제1혼합냉매변환수단(600);
    상기 예냉수단(100)과 연결되는 예냉냉매공급수단(700);
    상기 예냉수단(100)과 연결되는 천연가스공급수단(800); 및
    상기 제1팽창수단(510)의 타단과 상기 제1열교환수단(300)을 연결하며, 상기 제2열교환수단(400)과 연결되는 혼합수단(900);을 포함하는 천연가스 액화시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환수단(300)은
    상기 예냉수단(100) 및 상기 기액분리수단(200)과 연결되는 제1열교환기(310)이고,
    상기 제2열교환수단(400)은
    상기 제1열교환기(310)와 연결되는 제3열교환기(410)인 천연가스 액화시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환수단(300)은
    상기 예냉수단(100) 및 상기 기액분리수단(200)과 연결되는 제1열교환기(310)와, 상기 제1열교환기(310)와 연결되는 제2열교환기(320)이고,
    상기 제2열교환수단(400)은
    상기 제2열교환기(320)와 연결되는 제3열교환기(410)와, 상기 제3열교환기(410)와 연결되는 제4열교환기(420)인 천연가스 액화시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1팽창수단(510)은
    일단이 상기 제1열교환기(310)와 연결되며 타단이 상기 제2열교환기(320)와 연결되고,
    상기 제2팽창수단(520)은
    일단이 상기 제3열교환기(410)와 연결되며 타단이 상기 제4열교환기(420)와 연결되는 천연가스 액화시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1혼합냉매변환수단(600)은
    제1혼합냉매를 상기 예냉수단(100)으로 공급하고,
    상기 예냉냉매공급수단(700)은
    예냉냉매를 상기 예냉수단(100)으로 공급하고,
    상기 천연가스공급수단(800)은
    천연가스를 상기 예냉수단(100)으로 공급하고,
    상기 예냉수단(100)은
    상기 제1혼합냉매변환수단(600)로부터 공급받은 상기 예냉냉매를 이용하여 상기 예냉수단(100) 및 상기 천연가스공급수단(800)으로부터 각각 공급받은 상기 제1혼합냉매 및 상기 천연가스를 예냉하고,
    상기 기액분리수단(200)은
    상기 예냉수단(100)으로부터 도입한 상기 제1혼합냉매를 액상의 제1분리냉매와 기상의 제2분리냉매로 분리하고,
    상기 제1열교환수단(300)은
    상기 예냉수단(100)으로부터 상기 천연가스, 상기 제1분리냉매, 상기 제2분리냉매를 도입하고, 믹스냉매를 이용하여, 상기 천연가스, 상기 제1분리냉매, 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제1분리냉매를 상기 천연가스 및 상기 제2분리냉매보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고,
    상기 제1팽창수단(510)은
    상기 제1열교환수단(300)으로부터 도입한 상기 제1분리냉매를 팽창시켜 제1팽창냉매를 형성시키고,
    상기 제2열교환수단(400)은
    상기 제1열교환수단(300)으로부터 상기 천연가스, 상기 제2분리냉매를 도입하고, 제2팽창냉매를 이용하여, 상기 천연가스, 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제2분리냉매를 상기 천연가스보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고, 상기 천연가스를 과냉시켜 액화천연가스를 형성시키고,
    상기 제2팽창수단(520)은
    상기 제2열교환수단(400)으로부터 도입한 상기 제2분리냉매를 팽창시켜 형성된 상기 제2팽창냉매를 상기 제2열교환수단(400)로 공급하고,
    상기 혼합수단(900)은
    상기 제1팽창수단(510)으로부터 도입한 상기 제1팽창냉매의 일부와 상기 제2열교환수단(400)으로부터 도입한 상기 제2팽창냉매를 혼합시켜 형성된 상기 믹스냉매를 상기 제1열교환수단(300)으로 공급하는 천연가스 액화시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 예냉냉매는
    단일냉매 또는 제2혼합냉매인 천연가스 액화시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1혼합냉매변환수단(600)는
    상기 제1열교환수단(300)으로부터 도입한 믹스냉매를 순차적으로 압축 및 냉각시켜 제1혼합냉매로 변환시키고, 상기 제1혼합냉매를 상기 예냉수단(100)으로 공급하는 천연가스 액화시스템.
  8. 제1혼합냉매와 천연가스를 예냉하는 제1예냉단계(S01);
    상기 제1혼합냉매를 액상의 제1분리냉매와 기상의 제2분리냉매로 각각 분리하는 제1혼합냉매분리단계(S02);
    상기 천연가스, 상기 제1분리냉매, 상기 제2분리냉매를 혼합 없이 제1열교환영역으로 도입하는 제1도입단계(S03);
    상기 제1분리냉매를 제1팽창영역으로 도입하고 팽창시켜 제1팽창냉매로 형성시키는 제1팽창냉매형성단계(S04);
    상기 천연가스 및 상기 제2분리냉매를 혼합 없이 제2열교환영역으로 도입하는 제2도입단계(S05);
    상기 제2분리냉매를 제2팽창영역으로 도입하고 팽창시켜 제2팽창냉매로 형성시키는 제2팽창냉매형성단계(S06); 및
    상기 제2팽창냉매를 상기 제2열교환영역에 공급하여, 상기 제2열교환영역에 도입되어 있던 상기 천연가스와 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제2분리냉매를 상기 천연가스보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키고, 상기 천연가스를 과냉시켜 액화천연가스를 형성시키는 과냉단계(S07);
    상기 제2팽창냉매와, 상기 제1팽창냉매를 혼합하여 믹스냉매를 형성시키는 믹스냉매형성단계(S08);
    상기 믹스냉매를 상기 제1차열교환영역에 공급하여, 상기 제1열교환영역에 도입되어 있던, 상기 천연가스와 상기 제1분리냉매와 상기 제2분리냉매를 냉각하되, 상기 제1분리냉매를 상기 천연가스 및 상기 제2분리냉매보다 덜 냉각시켜 고온으로 형성시키는 냉각단계(S09);를 포함하는 천연가스 액화방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1예냉단계(S01)는
    단일냉매 또는 제2혼합냉매를 이용하여, 상기 제1혼합냉매와 상기 천연가스를 예냉하는 천연가스 액화방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 천연가스 액화방법은
    상기 믹스냉매를 순차적으로 압축 및 냉각시켜 제1혼합냉매로 변환시키는 변환단계(S10); 및
    상기 제1혼합냉매와 상기 천연가스를 예냉하는 제2예냉단계(S11);
    상기 제1혼합냉매분리단계(S02) 내지 제2예냉단계(S11)를 1주기로 하여 1회 이상 반복하는 반복사이클단계(S12);를 더 포함하는 천연가스 액화방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2예냉단계(S11)는
    단일냉매 또는 제2혼합냉매를 이용하여, 상기 제1혼합냉매와 상기 천연가스를 예냉하는 천연가스 액화방법.
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