KR20150023624A - 상변화를 포함하는, 천연가스 액화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 극저온 열교환기(EC1) 내에서 천연 가스를 액화하기 위한 방법에 관한 것이고, 압력 P1 및 온도 T0에서 제1 입구(AA1)에서 상기 열교환기(EC1)으로 들어가는 냉각 유체의 적어도 하나의 스트림(S1)과 간접적으로 접촉하게 흐르게 하고, 상기 천연 가스 스트림(Sg)과 동일-흐름으로서 열교한기를 통해 흐르게 하며, 액체 상태로 열교환기(BB)를 떠나게 하고, 이어서 상기 열교환기(EC1)의 차가운 단부(BB)에서 팽창기(D1)에 의해 팽창되어서, 실질적으로 온도 T0 및 가스 상태인 출구 오리피스(AA3)를 거쳐 상기 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부(AA)를 떠나기 전에, T0보다 작은 온도 T1에서 그리고 P1보다 작은 압력 P'1에서 가스 상태로 되돌아오게 한다. 이어서 가스 상태인 상기 냉각 유체는 적어도 부분적으로 재액화되고 상 분리 및 제1 응축기(H0) 내 부분적 응축에 뒤따르는 제1 압축기(C1) so 압축을 거쳐 상기 열교환기의 입구(AA1)로 취해지며, 제1 액체 상(d1a)은 상기 제1 입구(AA1)로 적어도 부분적으로 취해지고, 제1 가스 부분(d1b)은 제2 압축기(C1A)에 의해 압축되고 이어서, 제2 응축기(H1) 내에서 응축되기 전에, 상기 제1 분리기로부터 출구에서 상기 제1 액체 상(d1a)의 부분(d1c)과 접촉함으로써 과열저감기(DS) 내에서 냉각된다.

Description

상변화를 포함하는, 천연가스 액화 방법{METHOD FOR LIQUEFYING A NATURAL GAS, INCLUDING A PHASE CHANGE}

본 발명은 액화 천연 가스(LNG)를 생성하기 위한 천연 가스 액화 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 대부분, 질소로부터 선택된 다른 주요 구성요소들을 가진 메탄, 바람직하게 적어도 85% 메탄, 및 C-2 내지 C-4 알칸, 일명, 에탄, 프로판 및 부탄을 포함하는 천연 가스를 액화하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 또한 액화 천연 가스를 위한 중간 및 큰 유닛들을 위한 땅 위의 설비 또는, 항구와 같은 안전한 지역이나 개방된 바다에서의, 바다에 떠 있는 지지물 또는 선박 상에 위치된 액화 설비에 관한 것이다.

메탄-기반 천연 가스는 일반적으로 원유와 관련된, 작거나 중간 양으로 생산되는, 오일 분야의 부산물이거나, 주로 C-2 내지 C-4 알칸, 이산화탄소, 및 질소인 다른 가스들과 함께 얻어지는, 가스 분야의 주요 생산물이다.

천연 가스의 작은 양이 원유와 관련될 때, 천연 가스는 일반적으로 처리되고 분리되고 이어서 분리 또는 생성 공정에 이용되는 열을 생성하기 위해 그리고 전기를 생성하기 위해 피스톤 엔진들이나 터빈들에서 연료로 이용된다.

천연 가스 양이 많을 때, 또는 매우 많을 때, 가스 이송이 바람직하여서, 일반적으로 다른 대륙 상의, 매우-먼 지역에서 이용될 수 있고, 이를 위해서 바람직한 방법은 그것을 실질적으로 대기 압력에서 저온 액체 상태(-165℃)에서 이송한다. 메탄 탱커로 알려진 특수 운송 선박들은 매우 큰 치수 및 극도의 단열을 가져서 항해 동안 증발을 제한한다.

가스는, 일반적으로 땅인, 그것이 생성되는 인접 지역에서 운송 목적으로 일반적으로 액화되고, 그러한 작업은 연간 수천 톤의 용량에 도달할 수 있는 큰 설비를 필요로 하고, 현재 존재하는 가장 큰 것은 유닛당 그리고 연간 3 내지 4 메가톤을 생성할 수 있는 세 개나 네 개의 액화 유닛들을 조합한 플랜트들이다.

그러한 액화 방법은 큰 양의 기계적 에너지를 필요로 하고, 그러한 기계적 에너지는 일반적으로 액화 공정에 필요한 에너지를 생성하기 위해 가스의 일부를 취함으로써 현장에서 생성된다. 가스의 일부는 이어서 가스 터빈들, 스팀 보일러들, 또는 피스톤 연소 엔진들 내 연료로서 이용된다.

다중 열역학적 사이클들은 전체 에너지 효율을 최적화하기 위해 개발되었다. 두 가지 주요 형태의 사이클이 있다. 제1 형태는, 상 변화를 가지는, 냉각 유체를 압축하고 팽창시키는 것에 기초하고, 제2 형태는 상 변화 없이 냉각 가스를 압축하고 팽창시키는 것에 기초한다. "냉각 유체" 또는 "냉각 가스"라는 용어는 폐회로 내에서 순환하는 가스 또는 가스 혼합물을 지시하고 이는 압축 상태, 또한 액화 상태에 놓이고, 주변과 함께 열교환하고, 이어서 팽창 상태에 놓이고, 또한 증발하며, 마지막으로 액화를 위한 메탄-포함 천연 가스와 열 교환하며, 이러한 가스는 대기압에서 그것의 액화 온도, 즉 LNG의 경우 약 -165℃에 도달하도록 점차적으로 냉각된다.

상 변화를 가진, 상기 제1 형태의 사이클은 일반적으로 많은 양의 장비를 필요로 하는 큰 생산 능력을 가진 설비에 이용된다. 더욱이, 일반적으로 혼합물 형태인, 냉각 유체들은 부탄, 프로판, 에탄, 및 메탄으로 이루어지고, 이들 가스들은 위험한데 왜냐하면 누출 시 그것들은 큰 불이나 폭발 위험이 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 필요로 하는 장비의 복잡성에도 불구하고, 그것들은 더 효율적이고 그것들은 생산된 LMG의 킬로그램당 약 0.3 킬로와트 시간(kWh)의 에너지를 소모한다.

냉각 유체의 상 변화를 가진 제1 형태의 공정의 많은 변형들이 개발되었고, 기술 또는 장비의 다양한 공급원들은 장비의 특정 부분과 관련된 그것들 자체의 혼합물들의 공식들을 가지고, 일명 "케스케이드(cascade)" 공정에서는 이용되는 다양한 냉각 유체들은 단일-구성요소 유체들이고 다른 흐름 회로 루프들 내에서 순환하며, 일명 "혼합(mixed)" 사이클 공정은 다중 구성요소 냉각 유체 루프들을 가진다. 설비의 복잡성은 냉각 유체가 액체 상태로 있는 단계에서, 더 구체적으로 분리기들 및 연결 파이프들 내에서, 액체 상을 함께 모으고, LNG를 얻기 위해, 냉각 및 액화를 위해 메탄과 접촉하여 증발하는 열교환기들의 코어로 그것을 보내기 위해, "분리기 탱크들"로 여기서 일컬어지는, 중력 수집기들을 설치할 필요가 있다는 사실에 기인한다.

제2 형태의 액화 공정, 즉 냉각 가스 내 상 변화가 없는 공정은 질소와 같은 가스를 이용하는 역 브레이톤 사이클 또는 클라우드 사이클을 포함한다. 제2 형태의 공정은 안정성에 관한 이점을 나타내는데, 일반적으로 질소인 사이클 내 냉각 가스가 불활성이어서 연소하지 않기 때문이고, 그것은 설비들이 예를 들어 개방된 바다 내에 위치된 떠 있는 지지물의 데크 상과 같은 작은 영역에 집중될 때 매우 유리하며, 그 곳에서 그러한 장비는 종종, 하나 위에 다른 것이 있는, 복수의 레벨들 상에 그리고 최소로 감소되는 영역 상에 설치된다. 따라서, 냉각 가스 누설의 경우, 폭발 위험이 없고 회로 안으로 냉각 가스의 잃어버린 양을 재주입하는 것으로 충분하다. 반대로, 제2 형태의 효율은 더 낮은데, 일반적으로 생산되는 LNG의 0.5kWh/kg, 즉 약 톤당 하루에 20.84kW의 등급의 에너지를 필요로 하기 때문이다.

냉각 가스 내 상 변화 없이 액화 공정의 낮은 에너지 효율에도 불구하고, 상변화를 가진 공정이 바람직한데, 이는, 메탄이 우위를 차지하는 혼합물로 만들어진 천연 가스인, 상 변화를 가진 공정이 액화를 위한 가스의 구성 내 변화에 더 민감하기 때문이다. 냉각 유체의 상 변화를 가진 사이클에서, 효율이 최적으로 남아 있음을 보증하기 위해, 냉각 유체는 액화를 위한 가스의 천연 및 구성에 맞춰질 필요가 있고 냉각 유체의 구성은 오일 기술에 의해 생성된 액화를 위한 천연 가스의 혼합물의 구성 내 변경의 기능으로서 오랫동안 변경될 필요가 있다. 상변화를 가진 그러한 공정을 위해, 구성요소들의 혼합물로 만들어진 냉각 유체들이 이용된다.

더 구체적으로, 본 발명의 목적은 상변화를 가진 천연 가스를 액화하기 위한 향상된 공정을 제공하는 것이다.

더 구체적으로, 본 발명은 주로 메탄을 포함하는 천연 가스를 액화하는 방법을 제공하고, 액화를 위한 상기 천연 가스는 상변화를 가진 적어도 하나의 폐루프 내에서 흐르는 구성요소들의 제1 혼합물을 포함하는 제1 냉각 유체의 적어도 하나의 제1 스트림과 간접적으로 접촉하는 적어도 하나의 극저온 열교환기를 통해 상기 천연 가스의 스트림이 흐르도록 유발함으로써 액화되고, 상기 제1 냉각 유체의 제1 스트림은 천연 가스가 상기 제1 열교환기 내로 들어가는 온도 T0와 실질적으로 동일한 온도 및 압력 P1에서 들어가고, 상기 천연 가스의 흐름과 동시-흐름(평행-흐름)으로서 열교환기를 통해 지나가고 액체 상태로 그것을 떠나며, 액체 상태인 제1 냉각 유체의 제1 스트림은 T0보다 작은 온도 T1로 그리고 P1보다 작은 압력 P'1에서 가스 상태로 상기 제1 열교환기의 차가운 단부에서 제1 팽창기 내에서 팽창되고, 실질적으로 온도 T0이고 가스 상태인 그것의 뜨거운 단부를 통해 그것을 떠나며, 가스 상태의 제1 냉각 유체의 제1 스트림은 이어서 적어도 부분적으로 재액화되고 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림의 공급을 구성하기 위해 상기 제1 열교환기의 뜨거운 입구로 취해지며, 따라서 이는 폐회로 내에서 순환하고, 가스 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림의 액화는 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림과 열교환을 위해 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부 입구에서 압력 P1으로 실질적으로 취해지기 전에 응축기 내 적어도 응축에 뒤따르는 압축기 내 적어도 압축을 포함한다.

상변화를 가진 위에-정의된 공정이 가진 문제는 사이클 동안 변하는 냉각 혼합물의 구성에 있는데, 냉각 유체들의 가벼운 구성요소들의 부분이 사라지고 및/또는 도 1A 및 1B를 참조하여 상세한 설명에서 아래에서 설명되는 바와 같이 재주입될 필요가 있기 때문이다.

더 자세하게, 그러한 공정들에서, 제2 응축기로부터 하류의 가스 상의 응축이 전부가 아님이 관찰된다. 제1 열교환기의 뜨거운 단부로 재순환을 위해 제2 응축기를 떠나는 유체는 냉각 혼합물의 가벼운 구성요소들에 의해 구성된 가스를 포함하는 가스 상의 작은 내용물을 가진 두 개의-상 상태에 있을 수 있고, 이어서 액체 상은 무거운 구성요소들의 더 높은 농축을 가진다. 가스의 이러한 작은 내용물은 단순한 방법으로 분리되거나 순환될 수 없어서 그것은 제거될 필요가 있다. 이는 순환된 액체 냉각 유체의 구성을 변경하는 결과를 가져서 열교환기 EC1의 내부에 있는 냉각 액체의 증발 동안 도달할 수 있는 최저 온도 T1가 일어나게 이끈다. 불행하게도, 상기 증기화는 사이클 동안 포함되는 주 열역학 열교환기를 구성한다. 원하지 않는 효과를 극복하고 상기 최저 온도 T1를 보전하기 위해, 압력 레벨은 증가될 필요가 있고, 그에 의해 에너지 소모 증가를 이끌고, 결론적으로 설비의 전체 효율의 감소, 즉 생성된 액화 가스의 kg 당 소모되는 kWh에 관한 증가를 이끈다.

US 4 339 253은 열교환기의 뜨거운 단부로 순환되는 냉각 유체가 2-상 상태에서 순환되는 상변화 공정을 기술한다.

EP 1 132 698은 액체 가스 탱크(4)로부터 증발된 재액화 가스를 추구한다. 그러한 목적을 위해, 그것은 상기 증발된 가스와 과열저감기 32-38 및 44-46 내 액체 가스의 일부와 혼합을 제안하여서 용액 안으로 다시 가스가 들어가게 한다. EP 1 132 698에서는 과열저감기들로부터의 출구에 응축기들이 없다.

따라서 본 발명의 목적은 위에서 정의된 바와 같이 상변화를 가진 천연 가스를 액화시키기 위한 공정을 제공하는 것이고, 이러한 공정은 향상되고, 상술한 문제를 해결할 수 있다.

이를 위해, 본 발명은 주로 메탄, 바람직하게 적어도 85% 메탄을 포함하는 천연 가스를 액화하기 위한 공정을 제공하고, 다른 구성요소들은 본질적으로 질소 및 C-2 내지 C-4 알칸을 포함하고, 액화를 위한 상기 천연 가스는, 바람직하게 대기압보다 큰, 대기압 이상인 압력 P0에서 상기 천연 가스의 스트림이 상변화를 가진 적어도 하나의 제1 폐루프 내에서 순환하는 합성물들의 제1 혼합물을 포함하는 제1 냉각 유체의 적어도 하나의 제1 스트림과 간접적으로 접촉하는 적어도 하나의 극저온 열교환기 내에서 흐르게 하고, 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 상기 제1 열교환기로 들어가는 천연 가스의 입구 온도 T0와 실질적으로 동일한 온도 및 압력 P1에서 "뜨거운" 단부에서 제1 입구를 거쳐 상기 제1 열교환기로 들어가며, 냉각제는 상기 천연 가스와 동일-흐름으로 열교환기를 통해 지나가고 액체 상태로 "차가운" 단부를 거쳐 그것을 떠나며, 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 상기 제1 열교환기의 차가운 단부에서 제1 팽창기에 의해 팽창되어서 그것의 차가운 단부에서 상기 제1 열교환기 내측의 T0보다 작은 온도 T1 및 P1보다 작은 압력 P'1에서 가스 상태로 돌아오고, 이어서 실질적으로 온도 T0이고 가스 상태로 그것의 뜨거운 단부에서 출구 오리피스를 거쳐 제1 열교환기를 떠나며, 이어서 가스 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 폐회로 내에서 순환하는 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림의 공급을 구성하는 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부에서 제1 입구로 취해지고 적어도 부분적으로 액화되고, 가스 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 제1 응축기 내 제1 부분적 응축에 뒤따르는 제1 압축기 내 제1 압축을 포함하고, 제1 분리 탱크 내 상 분리는 제1 냉각 유체의 제1 액체 상 및 제1 냉각 유체의 제1 가스 상을 분리하고, 상기 제1 분리기로부터 낮은 출구에서의 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상은 액체 상태로 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림을 구성하기 위해 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부에 상기 제1 입구로 적어도 부분적으로 실질적으로 압력 P1에서 펌프에 의해 취해지며, 상기 제1 분리기로부터 높은 출구에서 상기 제1 냉각 유체의 상기 제1 가스 상은 제2 압축기에 의해 실질적으로 압력 P1으로 압축되고 이어서 제2 응축기 내에서 적어도 부분적으로 응축되고, 바람직하게 이는 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상의 적어도 하나의 부분과 혼합된 후이다.

본 발명에 따르면, 상기 제2 압축기로부터 출구에서의 상기 제1 냉각 유체의 상기 제1 가스 상은 상기 제1 분리기로부터 출구에서 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상의 일부와 접촉함으로써 과열저감기 내에서 냉각되고, 제1 냉각 유체의 제1 액체 상의 상기 일부는 증발되며, 바람직하게는 완전히 증발되는데, 이는 상기 제2 응축기 내 상기 응축 이전에, 상기 과열저감기 내에서 일어난다.

바람직하게, 제1 냉각 유체의 제1 액체 상의 상기 일부는 제1 냉각 유체의 상기 제1 전체 액체 상의 전체 흐름의 10 중량 %, 더 바람직하게는 2 내지 5 %보다 작게 나타나서, 상기 과열저감기 내에서 완전히 증발되고, 상기 과열저감기로부터 출구에서의 제1 냉각 유체는 상기 응축기 내에서 적어도 부분적으로 응축되기 전에 완전히 가스 상이며, 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상 부분의 흐름은 적어도 하나의 제어 밸브의 도움으로 조절된다.

상기 제1 및 제2 팽창기들에 의한 제1 냉각 유체의 상기 제1 및 제2 스트림들의 증발은 상기 제1 열교환기 내 가스 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 및 제2 스트림들을 냉각시키고 상기 천연 가스 스트림들을 T0보다 작은 온도 T1로 냉각시키고, 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 및 제2 스트림들을 냉각시킴으로써 상기 제1 극저온 열교환기 내 열교환의 주요 부분을 계속한다.

제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상의 미분화(또한 "원자화"로 알려짐)는 상기 액체 상이 분무되는 가스 및 액체의 파티클들 사이 접촉 영역을 증가시켜서, 그것의 열의 흡수 및 증발, 및 제1 냉각 유체의 상기 제1 가스 상의 냉각을 향상시킨다. 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상의 작은 부분을 구성하는 제어된 양의 미분화는 그것이 가스 상태로 완전히 전화될 수 있게 하고 제1 냉각 유체의 상기 제1 가스 상을 냉각시키고, 이는 가스 상태로 완전히 유지한다. 과열저감시 내 미분화된 액체 상태의 일부와 혼합됨으로써 제1 냉각 유체의 상기 가스 상의 미리-냉각은 그것이 가스 상의 많은 부분을 상기 제1 응축기 내에서 응축시키고, 그것 모두를 응축시킬 수 있다는 점에서 이점이 있다.

게다가, 상기 제1 분리기 탱크로부터 출구에서 상기 제1 냉각 유체의 상기 제1 가스 상은 미분화 및 증발화 후 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상의 적어도 일부와 혼합 후 상기 제2 응축기 내에서 더 쉽게 응축되는데, 상기 결과적인 가스 상이 종래에 필요한 압력과 온도보다 낮은 압력 및 더 높은 온도에서 응축되기 대문이고, 따라서, 상기 제2 압축기를 구동하는 더 작은 동력을 필요로 한다.

도 3을 참조하여 이하에서 더 완전히 설명되는 바와 같이, 제1 변형예에서, 상기 과열저감기로부터 출구에서 냉각된 제1 냉각 유체의 상기 가스 상은 상기 제2 응축기 내에서 부분적으로 응축되고, 제1 냉각 유체의 제2 가스 상으로부터 제1 냉각 유체의 제2 액체 상을 분리하는 제2 분리기 탱크 내에서 제2 상 분리가 수행되며, 상기 제2 분리기 탱크로부터 낮은 출구에서 제1 냉각 유체의 상기 제2 액체 상은 실질적으로 상기 압력 P1 및 실질적으로 온도 T0에서 액체 상태인 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림을 형성하도록 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부에서 상기 제1 출구로 취해지고 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상의 나머지와 혼합되며, 제1 분리기 탱크로부터 높은 출구에서 제2 가스 상은 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부에서 제2 입구로 실질적으로 T0의 상기 온도 및 상기 압력 P1에서 취해져서 천연 가스의 상기 스트림과 동일-흐름으로 가스 상태로 상기 제1 열교환기를 통해 지나가는 제1 냉각 유체의 제2 스트림을 형성하고, 가스 상태로 그것을 떠나고 사기 제1 열교환기의 차가운 단부에서 제2 팽창기에 의해 팽창되고 그것의 차가운 단부 곁에 상기 제1 열교환기 내부에 T0보다 낮은 온도 T1 및 P1보다 낮은 압력 P'1에서 가스 상태로 돌아가며, 실질적으로 온도 T0 및 가스 상태인 그것의 뜨거운 단부에서 상기 출구 오리피스를 거쳐 떠나고, 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부로부터 출구에서 가스 상태 내 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림과 상기 제1 압축기로 취해진다.

상기 변형예(도 3)가 바람직한데 우선 그것은 혼합되는 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상이 안정성의 양호한 조건 하에서 상기 제1 스트림을 형성할 수 있게 하고, 두번째로 그것은 사용되는 전체 응축기를 필요로 하지 않기 때문이다.

도 2를 참조하여 이하에서 더 완전히 설명되는 제2 변형예에서, 상기 과열저감기 내에서 냉각되는 제1 냉각 유체의 상기 가스 상은 상기 제2 응축기 내에서 완전히 응축되고, 액체 상태로 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림과 혼합되는 천연 가스의 상기 스트림과 동일-흐름으로서 상기 제1 열교환기를 통해 지나가도록 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부로 실질적으로 상기 온도 T0 및 상기 압력 P1에서 액체 상태로 취해지며, 또는 바람직하게 상기 천연 가스 스트림과 동일-흐름으로서 상기 제1 열교환기를 통해 지나가는 액체 상태의 제1 냉각 유체의 제2 스트림을 형성하고 그것의 차가운 단부 곁에 상기 제1 열교환기 내측에 T0보다 낮은 온도 T1 및 P1보다 낮은 압력 P'1에서 가스 상태로 돌아가도록 상기 제1 열교환기의 차가운 단부에서 제2 팽창기에 의해 팽창되며 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부로부터 출구에서 가스 상태인 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림과 상기 제1 압축기로 취해지도록 실질적으로 온도 T0 및 가스 상태로 뜨거운 단부에서 그것의 출구 오리피스를 거쳐 떠난다.

더 구체적으로, T1과 실질적으로 동일한 온도에서 상기 제1 열교환기의 차가운 단부를 떠나는 상기 천연 가스는 냉각되고 적어도 하나의 극저온 열교환기 내에서 적어도 부분적으로 액화되며, 액화를 위한 상기 천연 가스는 상변화와 함께 적어도 하나의 제2 폐회로 내에서 흐르는 합성물들의 제2 혼합물을 포함하는 제2 냉각 유체의 적어도 하나의 제1 스트림과 간접적으로 접촉하는 상기 천연 가스의 스트림을 유발하며, 냉각 유체의 상기 제2 스트림은 실질적으로 T1과 동일한 온도 및 압력 P2에서 상기 제2 열교환기의 "뜨거운" 단부에서 제1 입구에서 상기 제2 열교환기 안으로 들어가고, 천연 가스의 상기 스트림과 동일-흐름으로서 상기 제2 열교환기를 통해 지나가며, 상기 제2 열교환기의 "차가운" 단부에서 액체 상태 내 온도에서 그것을 떠나고, 액체 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 그것의 차가운 단부 곁에 상기 제2 열교환기 내 T1보다 작은 온도 T2 및 P2보다 작은 압력 P'2에서 가스 상태로 돌아오기 위해 상기 제2 열교환기의 차가운 단부에서 제2 팽창기에 의해 팽창되고, 실질적으로 온도 T1에서 가스 상태로 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 출구 오리피스를 거쳐 나가며, 가스 상태의 제2 유체의 상기 제1 스트림은 부분적으로 재액화되고 폐회로 내에서 순환하도록 액체 상태로 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림의 공급을 구성하기 위해 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 입구로 취해지고, 가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림의 액화는 제3 압축기에 의한 압력 P2으로의 압축을 포함하고 냉각 열교환기 내 실질적으로 T0로 냉각하며, 가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 실질적으로 온도 T1에서 부분적으로 액화된 상태로 그것의 차가운 단부를 거쳐 그것을 떠나기 위해 지나가는 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부에서 입구로 취해지며, 제2 냉각 유체의 가스 상으로부터 제2 냉각 유체의 액체 상으로 분리하는 제3 분리기 탱크 내에서 상 분리에 놓이며, 상기 제3 분리기로부터 낮은 출구에서 제2 냉각 유체의 액체 상은 액체 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림을 형성하도록 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부에서 상기 제1 입구로 압력 P2 및 온도 T1에서 취해지고, 상기 제3 분리기로부터 높은 출구에서 상기 제2 냉각 유체의 상기 가스 상은 가스 상태의 상기 제2 열교환기를 통해 지나가는 제2 냉각 유체의 제2 스트림을 형성하기 위해 실질적으로 온도 T1 및 압력 P2에서 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 제2 입구로 취해지며, 바람직하게 거기서 함께 혼합되는, 가스 상태인 제2 유체의 상기 제1 스트림과 함께 상기 제3 압축기로 취해지도록 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 출구 오리피스로부터 떠나기 전에 상기 제2 열교환기의 차가운 단부에서 떠난다.

바람직한 실시예에서, 부분적으로 액화되고 실질적으로 T2와 동일한 온도에서 상기 제2 열교환기의 차가운 단부를 떠나는 상기 천연 가스는 적어도 하나의 제3 극저온 열교환기 내 T2보다 낮은 온도 T3에서 냉각되고 완전히 액화되며, 여기서 상기 천연 가스는 실질적으로 온도 T2 및 압력 P2에서 상기 제2 열교환기의 차가운 단부를 떠나는 가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림에 의해 공급된 제2 냉각 유체의 적어도 하나의 제3 스트림과 동일-흐름으로서 간접 접촉으로 흐르며, 제2 냉각 유체의 상기 제3 스트림은 액화된 천연 가스의 상기 스트림과 동일-흐름으로서 상기 제3 열교환기를 통해 가스 상태로 지나가고 실질적으로 가스 상태로 그것을 떠나며 그것의 차가운 단부 곁에 상기 제3 열교환기 내 T2보다 작은 온도 T3 및 P2보다 작은 압력 P2'에서 가스 상태로 돌아가도록 상기 제3 열교환기의 차가운 단부에서 제4 열교환기에 의해 팽창되고, 바람직하게 함께 혼합되는, 가스 상태의 제2 유체의 상기 제1 스트림과 함께 상기 제3 압축기로 취해지도록 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 오리피스를 거쳐 그것을 떠나기 위해 상기 제2 열교환기의 차가운 단부에서 오리피스로 취해지기 위해 실질적으로 온도 T2 및 가스 상태인 뜨거운 단부에서 오리피스를 거쳐 그것을 떠난다.

다른 특정 특징에 따르면, 상기 팽창기들은 실시간으로 제어되기에 적합한 개방 퍼센트를 가진 밸브를 포함한다.

더 구체적으로, 천연 가스 및 냉각 유체들의 합성물들은 메탄, 질소, 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄, 및 펜탄으로부터 선택된다.

더 구체적으로, 액화를 위한 천연 가스의 구성은 다음 합성물들의 전체 100%를 위한 다음 범위 내에 있다:

메탄 80% 내지 100%;

질소 0% 내지 20%

에탄 0% 내지 20%; 및

부탄 0% 내지 20%.

더 구체적으로, 냉각 유체들의 구성은 다음 합성물들의 전체 100%를 위한 다음 범위에 있다:

메탄 2% 내지 50%;

질소 0% 내지 10%;

에틴 및/또는 에틸렌 20% 내지 75%;

프로판 5% 내지 20%;

부탄 0% 내지 30%; 및

펜탄 0% 내지 10%.

더 구체적으로, 온도는 다음 값을 가진다:

T0: 10℃ 내지 60℃;

T1: -30℃ 내지 070℃;

T2: 100℃ 내지 -140℃;

T3: -160℃ 내지 -170℃.

더 구체적으로, 압력은 다음 값들을 가진다:

P0: 0.5MPa 내지 10MPa (실질적으로 5 bar 내지 100 bar);

P1: 1.5MPa 내지 10 MPa (실질적으로 15 bar 내지 100 bar);

P2: 2.5 MPa 내지 10MPa (실질적으로 25 bar 내지 100 bar).

바람직하게, 본 발명의 공정은 부유 지지대 위에서 수행된다.

본 발명은 또한 본 발명의 공정을 수행하기 위해 떠 있는 부유 지지대 상의 설비를 제공한다. 상기 설비는 다음을 포함한다:

적어도 다음을 포함하는 적어도 하나의 상기 제1 열교환기:

상기 제1 열교환기를 통해 지나가고 액체 상태의 제1 냉각 유체의 제1 스트림이 그 사이를 통해 흐르도록 하기에 적합한 제1 흐름 덕트;

상기 제1 열교환기를 통해 지나가고 가스 또는 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 그 사이를 통해 흐르도록 하기에 적합한 제2 흐름 덕트;

상기 제1 열교환기를 통해 지나가고 그 사이로 흐르도록 액화를 위한 상기 천연 가스를 유발하기에 적합한 제3 덕트;

상기 제1 열교환기의 인클로저의 차가운 단부에서 제1 입구 및 상기 제1 덕트의 차가운 출구 사이의 제1 팽창기;

상기 제1 열교환기의 인클로저의 차가운 단부에서 제2 입구 및 상기 제2 덕트의 차가운 출구 사이의 제2 팽창기;

상기 제1 압축기의 입구 및 상기 제1 열교환기의 인클로저의 뜨거운 단부에서 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제1 압축기;

상기 제1 응축기의 입구 및 상기 제1 압축기의 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제1 응축기;

상기 제1 분리기 탱크 및 상기 제1 응축기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제1 분리기 탱크;

상기 제2 압축기의 입구 및 상기 제1 분리기 탱크로부터 상부 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제2 압축기;

상기 과열저감기 내로 가스를 수용하기 위한 입구 및 상기 제2 압축기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 과열저감기;

상기 제2 응축기 및 상기 과열저감기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제2 응축기;

펌프 및 상기 제1 분리기 탱크로부터 바닥 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 펌프, 및 연결 파이프는 상기 과열기 내로 액체를 수용하기 위한 입구 및 상기 펌프로부터 출구 사이에 제1 밸브와 맞춰짐;

제1 냉각 유체를 위한 상기 제1 덕트의 입구 및 상기 펌프로부터 출구 사이의 연결 파이프; 및

제1 냉각 유체를 위한 상기 제2 덕트의 입구 및 상기 제2 응축기로부터 출구 사이의 연결 파이프.

더 구체적으로, 본 발명의 설비는 다음을 포함한다:

상기 제2 분리기 및 상기 제2 응축기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제2 분리기;

제1 냉각 유체를 위한 상기 제2 덕트의 입구 및 상기 제2 분리기로부터 상부 출구 사이의 연결 파이프;

제1 냉각 유체를 위한 상기 제1 덕트의 입구 및 상기 제2 분리기 탱크로부터 바닥 출구 사이의 연결 파이프; 및

첫번째로 상기 제1 밸브로부터 상기 펌프 상류스트림으로부터 출구, 및 두번째로 제1 냉각 유체를 위한 상기 제2 덕트의 입구 및 상기 제2 분리기 탱크로부터 바닥 출구 사이의 상기 연결 파이프를 구비한 연결부 사이에 제2 밸브와 맞춰지는 연결 파이프.

더 구체적으로, 본 발명의 설비는 다음을 포함한다:

상기 제1 열교환기를 통해 지나고 가스 또는 액체 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 흐르도록 하기에 적합한 제4 덕트;

다음을 포함하는 제2 극저온 열교환기:

액체 상태의 제2 냉각 유체의 제1 스트림이 그것을 통해 흐르도록 하기 적합한 상기 제2 열교환기를 통해 지나는 제1 덕트;

가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 연속해서 그것을 통해 흐르도록 하기에 적합한 상기 제2 열교환기를 통해 지나는 제2 덕트; 및

액화를 위한 상기 천연 가스가 상기 제1 열교환기를 통해 지나는 상기 제3 덕트를 통해 연속해서 흐르도록 유발하기에 적합하고 상기 제2 열교환기를 통해 지나는 제3 덕트;

다음을 포함하는 제3 열교환기:

가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 상기 제2 열교환기를 통해 지나는 상기 제2 덕트로부터 연속하게 흐르도록 유발하기에 적합하고 사기 제3 열교환기를 통해 지나는 제1 덕트; 및

액화를 위한 상기 천연 가스가 상기 제2 열교환기를 통해 지나는 상기 제3 덕트로부터 연속하게 흐르도록 유발하기에 적합한 상기 제3 열교환기를 통해 지나는 제2 덕트;

제3 분리기 탱크;

상기 제3 분리기 탱크 및 상기 제1 열교환기의 상기 제4 덕트의 차가운 단부 사이의 연결 파이프;

상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 출구 오리피스 및 상기 제3 분리기 탱크로부터 바닥 출구 사이 연결 파이프;

상기 제2 열교환기의 상기 제2 덕트의 뜨거운 단부 및 상기 제3 분리기 탱크로부터 상부 출구 사이의 연결 파이프;

상기 제2 열교환기의 인클로저의 차가운 단부에서 제1 입구 및 상기 제2 열교환기의 상기 제1 덕트로부터 차가운 출구 사이의 제3 팽창기;

상기 제2 압축기의 입구 및 상기 제2 열교환기의 인클로저의 뜨거운 단부에서 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제3 압축기;

열교환기를 냉각하는 상기 가스의 입구 및 상기 제2 압축기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 가스 냉각 열교환기;

상기 제1 열교환기의 상기 제4 덕트의 뜨거운 단부에서 입구 및 상기 가스 냉각 열교환기로부터 출구 사이의 연결 파이프;

상기 제3 열교환기의 인클로저의 차가운 단부에서 입구 및 상기 제3 열교환기의 상기 제1 덕트의 차가운 단부 사이의 제4 팽창기; 및

상기 제2 열교환기의 인클로저의 차가운 단부에서 제2 입구 및 상기 제3 열교환기의 인클로저의 뜨거운 단부에서 출구 사이의 연결 파이프.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 다음 도면들을 참조하여 다양한 실시예들의 상세한 설명의 관점에서 나타난다.
도 1A는 코일 극저온 열교환기들을 이용하여, 상변화를 가진 표준 2-루프 액화 공정의 다이어그램이다;
도 1B는 제2 및 제3 극저온 열교환기들(C2 및 C3)가 연속하고 (용접 알루미늄 플레이트들로 만들어진) 일명 "차가운 박스" 타입인 도 1A의 변형을 도시한다;
도 2는, 냉각 유체 응축기로부터 상류스트림에 위치된 과열저감기 내, 가스 상태의 냉각 유체의 일부로 액체 상태의 냉각 유체의 일부를 재순환하기 위해 주요 냉각 루프 내 회로를 포함하는 본 발명의 액화 공정의 다이어그램이다;
도 2A는 도 2의 과열저감기를 상세히 도시하는 측단면도이다;
도 3은 과열저감기로부터 하류스트림에 위치된 도 2 응축기로부터 하류스트림의 주요 냉각 루프 내 액체 상 및 가스 상 분리기 탱크를 포함하는 본 발명의 바람직한 형태의 액화 공정의 다이어그램이다.

도 1A는 공정 흐름 다이어그램(PFD)이고, 즉 두 루프가 완전히 서로 독립적인, 제2 냉각 유체 및 제1 냉각 유체로서 언급되고 두 루프들 중 하나에 각각 구체적인 가스들의 냉각 가스 혼합물들로서 이용되는 이중 혼합 냉각(DMR) 공정으로 알려진 상 변화를 가진 표준 이중-루프 액화 공정 내 스트림(stream)들을 도시한다.

천연 가스는 일렬의 세 개의 극저온 열교환기들(EC1, EC2 및 EC3)을 통해 연속으로 지나는 코일 형상의 덕트들(Sg) 내에서 흐른다. 천연 가스는 20 bar 내지 50bar (2 메가파스칼(MPa) 내지 5MPa)의 범위에 있는 압력 P0 및 대기 온도와 실질적으로 동일하거나 더 큰 온도 T0에서 제1 극저온 열교환기(EC1) 안으로 AA에서 들어간다. 천연 가스는 대략 T1=-50℃에서 BB에서 떠난다. 이러한 열교환기(EC1)에서, 천연 가스는 냉각되지만 그것은 가스 상태로 남아 있다. 그 후에, 그것은 그것의 차가운 단부 DD에서 대략 T2=-120℃로 그것의 뜨거운 단부 CC에서 대략 T1=-50℃의 범위에 있는 온도의 제2 열교환기(EC2) 안으로 지나간다. 이러한 제2 열교환기(EC2)에서, 모든 천연 가스는 대략 T2=-120℃의 온도에 있는 LNG로서 액화된다. 그 후에, LNG는 제3 극저온 열교환기(EC3) 안으로 EE에서 지나간다. 이러한 제3 열교환기(EC3)에서, LNG는 온도 T3=-165℃로 냉각되어서, 그에 의해 LNG는 FF에서 바닥 부분 내에서 방출될 수 있도록 하고, 이어서 약 1bar(즉, 약 0.1MPa)의 절대압력인 주변 대기압에서 액체 형태로 그것을 마지막으로 저장하도록 GG에서 압력해제될 수 있도록 한다. 다양한 열교환기들을 통해 회로(Sg)를 따르는 천연 가스의 경로를 통해서, 천연 가스는 냉각되고, 열을 냉각 유체로 전달하며, 차례로 이하에서와 같이 증발에 의해 가열되며 AA에서 들어가는 천연 가스로부터 연속해서 열을 추출할 수 있도록 하기 위해 상 변화를 가진 완전한 열역학 사이클로 연속해서 놓일 필요가 있다.

따라서, 천연 가스의 경로는 상기 천연 가스가 회로(Sg)를 따라 아래방향으로 흐르는 PFD의 좌측 상에 보여지고, 그것의 온도는 실질적으로 AA에서 상부에서 대기인 온도 T0로부터, FF에서 바닥에서 약 -165℃의 온도 T3로 아래방향으로 이동하면서 감소한다; 압력은 극저온 열교환기(EC3)로부터 차가운 출구의 레벨 FF 아래로 P0와 실질적으로 동일하다.

도 1 내지 3에서, 설명을 명확히 하기 위해, 열교환기들의 차가운 단부들은 상기 열교환기들의 바닥 단부에 물리적으로 가깝고, 반대로 열교환기들의 뜨거운 단부들은 그것들의 상부 단부들에 있다. 마찬가지로, 설명의 명확화를 위해, 냉각 유체들의 다양한 상들은 다음에 따라 나타내진다:

액체 상들은 볼드(bold) 선으로 나타내진다;

가스 상들은 점선으로 나타내진다;

2-상 상들은 일반적인 선으로 나타내진다.

PFD의 오른쪽 부분에서, 냉각 유체들이 두 루프들 내에 있는 열역학 사이클들이 보여지고, 이하에서 설명된다.

종래 방식에서, 극저온 열교환기들(EC1, EC2 및 EC3)은 나란히 놓이지만 서로 사이에서 유체 소통하지 않는 적어도 두 개의 유체 회로들에 의해 구성되고, 유체들은 상기 열교환기를 통한 그것들의 경로를 따라 모두 열교환하는 상기 회로들 내에서 흐른다. 많은 형태의 열교환기가 다양한 산업들에서 개발되었고, 극저온 열교환기들의 문맥에서, 두 개의 주요 타입들이 알려져 있다: 첫번째로 코일 열교환기들 및 두번째로 용접 알루미늄 플레이트들을 이용하는 열교환기들, 보통 "차가운 박스들"로 알려져 있음.

도 1A, 2 및 3을 참조한 본 발명의 설명은 코일 타입의 열교환기들(EC1, EC2 및 EC3)을 참조한다. 이러한 형태의 코일 열교환기들은 당업자에게 알려져 있고 Linde(독일) 또는 Five Cryogenie(프랑스)의 공급자들에 의해 판매된다. 그러한 열교환기들은 누설기밀 및 정체 인클로저(enclosure; 6)를 포함하고, 천연 가스 및 냉각 유체들은 코일 형상의 파이프들(Sg, S1 및 S2) 내에서 그것들 안에서 흐르며, 상기 코일들은 대기 중간체인 외측으로 열손실의 최소치를 가지는 다양한 코일들 및 인클로저의 내측 부피 사이에서 열이 교환되는 방식으로 외측에 대해 누설기밀이고 정체되어 있는 상기 인클로저 내에 배열된다. 게다가, 가스들 및 액체들은 인클로저 내측의 덕트보다 인클로저 내에서 직접 개별적으로 팽창되거나 증발될 수 있고 이하에서 설명된다.

도 1B는 극저온 열교환기들이 플레이트 열교환기 형태인 도 1A의 변형을 도시한다: 모든 회로들은 열교환을 위해 서로 열접촉하지만, 누설기밀 및 정체 인클로저(6)는 그것이 포함하는 다양한 덕트들을 열적으로 절연시키려 하고, 어떠한 유체로 그것 안에 직접 들어가지 않고, 따라서 그것 안에서 흐르는 모든 유체들은 혼합이 방지된다. 이러한 "차가운 박스(cold box)" 형태의 열 교환기들은 당업자에게 잘 알려져 있고 Chart(미국) 공급자에 의해 판매된다.

공정은 다음에 의해 만들어진 주요 루프 또는 주요 혼합 냉각제(PMR)로 일컬어지는 제1 루프를 가진다. 제1 냉각 유체의 제1 스트림의 흐름(d1)은, 예를 들어 P1은 1.5MPa 내지 10MPa 범위에 있는, 압력 P1에서 그리고 그것의 온도가 T0와 실질적으로 동일한 지점 AA1에서 그것의 차가운 단부 AA에서 제1 극저온 열교환기(EC1)로 들어간다. 상기 제1 냉각 유체는 코일 형상(S1)의 제1 파이프 내 제1 열교환기(EC1) 안으로 액체 상태로 지나간다. 냉각 유체의 제1 스트림은 서보-제어 밸브에 의해 구성되는 제1 팽창기(D1)로 가기 전에 대략 -50℃의 온도 T1에서 BB에서 열교환기(EC1)를 떠나고, 상기 밸브는 열교환기(EC1)의 차가운 단부 곁에 제1 열교환기(EC1)의 인클로저(6)의 내측과 BB1에서 소통한다. P'1이 특히 2MPa 내지 5MPa 범위에 있는, P1보다 작은 압력 P'1으로 팽창 때문에, 제1 냉각 유체의 액체는 증발하고, 천연 가스 회로(Sg)로부터의 열 및 아래에서 설명하는 제1 열교환기 내 제1 루프의 다른 회로들로부터의 열, 및 적절한 곳에서, 아래에서 설명하는 제2 루프의 일부를 형성하는 덕트로부터의 열, 또는 사실 다중 혼합 냉각제(MMR) 회로들로 일컬어지는 다중 루프를 이용할 때 다른 루프들로부터의 열을 흡수한다.

BB1에서 가스 상태의 제1 냉각 유체는 반대흐름으로써 인클로저를 통해 지나가고 그것의 뜨거운 단부 AA에서 AA3에서 제1 열교환기(EC1)의 인클로저를 떠나며, 여전히 실질적으로 온도 T0 및 가스 상태이다. 가스 상태의 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 이어서 재액화되고 덕트(S1)의 내측에 액체 상태인 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림의 공급을 구성하여서, 폐회로 주변을 순환하기 위해 상기 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 입구 AA1로 취해진다.

이러한 목적을 위해, 가스 상태이면서 AA3에서 제1 열교환기(EC1)의 인클로저의 차가운 단부를 떠나는 제1 냉각 유체의 스트림은 제1 압축기(C1) 내에서 P'1으로부터 P"1으로 초기에 압축되고, 여기서 P"1은 P'1 내지 P1 범위에 있고, 이어서 제1 응축기(H0) 내에서 부분적으로 응축된다. 제1 응축기(H0)를 떠나는 제1 냉각 유체의 2-상 혼합물은 제1 분리기 탱크(R1) 내 상 분리에 놓인다. 제1 냉각 유체의 제1 액체 상은 제1 분리기 탱크(R1)의 바닥으로부터 추출되고 제2 응축기(H1)의 입구로 펌프(PP)에 의해 P1과 실질적으로 동일한 압력 및 흐름 d1a으로서 다시 향한다. 제1 냉각 유체의 가스 상은 분리기 탱크(R1)의 상부 단부로부터 추출되고 제2 압축기(C1A)에 의해 흐름 d1b으로서 실질적으로 압력 P1으로 압축되며, 상기 압축기로부터 출구에서 온도는 약 80℃ 내지 90℃이다. 이러한 가스 상 d1b의 응축을 수월하게 하기 위해, 그것은 제2 응축기(H1) 안으로 얻어지는 2-상 혼합물 D1을 주입하기 전에 액체 상 d1a과 혼합된다.

도 1A 및 1B에서 도시된 종래 실시예에서, 제2 응축기(H1)로부터 출구에서 가스 상의 응축은 전부가 아니고 그것을 떠나는 유체는 여전히 2-상 유체일 수 있다. 그것이 포함하는 가스는 냉각 유체의 압력 내에서 오른다. 그러나, 파이프들은 일부 주어진 최대 압력에서 작동하도록 디자인되었기 때문에, 안전 밸브가 일반적으로 삽입되고 그것은 파이프들에 의해 견뎌질 수 있는 제한 압력 아래 약간의 압력에서 평가되며, 상기 밸브(미도시)는 플레어(flare; 5)에 연결되고, 이는 연소에 의해 방출된 가스를 제거하고, 포함된 양들은 루프 내 냉각 유체의 질량과 비교해서 적다. 이는 문제를 일으키는데 왜냐하면 플레어도 보내지는 가스의 일부가 제1 냉각 유체를 구성하는 혼합물의 가벼운 구성요소들 내에서 풍부하여서, 그에 의해 냉각 혼합물의 구성을 변경하는 결과를 가지고 제1 열교환기(EC1)의 인클로저 내 제1 팽창기(D1) 내 액체 냉각 유체를 증발에 도달하는 최저 온도 T1를 변경하는 결과를 가지기 때문이다.

그러한 주요 루프에서, 냉각 혼합물의 구성은 일반적으로 약 -50℃의 최저 온도 T1에 도달하기 위해 이하에서 설명하는 방식으로 알칸 구성요소들(C1, C2, C3 및 C4)에 관하여 결정된다. 그러나, 구성요소들의 가벼운 부분이 제거되면, 혼합물의 구성이 변하고 그것의 최저 온도 T1은 -40℃ 또는 -45℃, 심지어 -35℃로 된다. 이는 주요 루프의 효율 저하를 초래하고 액화 공정의 전체 효율 저하를 초래한다.

도 1A 및 1B의 향상된 변형에서, 추가 누적 탱크 R'1(미도시)가 액체 상을 수용하는 기능을 가지는 응축기(H1)로부터 하류에 포함되고, 적절한 다상의 상에서 다상의 상 내에 포함된 가스는 상기 축적 탱크의 상부에 모이고, 그것이 잡히는 곳에서, R'1 내에 포함된 액체 상은 상기 축적 탱크의 바닥으로부터 취해지고 EC1으로 향한다. R'1 내의 가스 양이 증가하면, R'1 내 압력이 증가하고 상기 가스는 응축하고 극저온 열교환기(EC1)로 방출되기 전에 액체 상과 함께 혼합된다. 가스 압력이 제한 밸브에 도달하면, 밸브는 개방되고 플레어(5)로 가스의 일부를 해제하여서 그것의 압력은 다시 수용할 수 있는 수준으로 떨어지고, 그에 의해 상기 축적 탱크로부터 액체 상이 취해지는 낮은 지점으로 가스가 도달하는 것을 방지하며, 여기서 그것은 상기 액체 상을 가진 2-상 혼합물을 생성할 수 있고, 팽창기(D1) 내 혼합물의 팽창은 어려운 문제를 나타낸다. 그러나, 모든 환경에서, R'1을 떠나고 S1을 통해 재순환하는 액체 상은 감소되거나 변하지 않는 가벼운 구성요소들의 내용물을 가지는 구성을 나타낸다.

도 2 및 3을 참조하여 이하에서 설명되는 본 발명의 주요 루프에 대한 개작은 야기되는 상술한 액화 공정의 전체 효율에 대한 악화 및 불안정성의 문제를 극복할 수 있게 한다.

도 1 내지 3의 실시예들은 이하에서 설명하는 바와 같이 모든 세 가지 극저온 열교환기들(EC1, EC2 및 EC3)와 함께-작동하는 냉각 유체의 제2 루프를 포함한다.

극저온 열교환기(EC1)로부터 차가운 출구 BB에서, 온도 T1에서 천연 가스는 부분적으로 액화되고 이어서 제2 극저온 열교환기(EC2) 안으로 지나가고, 여기서 그것은 온도 T2에서 떠나고 부분적으로 액화되며, 제3 극저온 열교환기(EC3) 내 온도 T3에서 완전히 액화되고 냉각되기 전이다. 냉각 유체의 제2 혼합물은 따라오는 상변화를 가진 제2 폐회로 루프 내에 흐른다. 제2 냉각 유체는 CC1에서 EC2의 뜨거운 단부 CC에 도달하고 압력 P2 및 온도 T1에서 액체 상태이고, P2는 예를 들어 2.5MPa 내지 10MPa 범위에 있다. 액체 상태의 제2 냉각 유체는 Sg 내 천연 가스 유체에 반대흐름으로서 코일-형상 덕트(S2) 내 제2 열교환기(EC2)를 통해 지나간다. 흐름 d2a로서 액체 상태의 제2 냉각 유체의 이러한 제1 스트림은 제2 열교환기(EC2)의 인클로저 내측에서 T1보다 작은 온도 T2 및 P2보다 작은 압력 P'2로 지점 DD1에서 제2 열교환기(EC2)의 차가운 단부 DD에서 팽창기(D2) 내에서 팽창된다. 그 후에, 제2 냉각 유체의 이러한 제1 스트림은 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부에서 오리피스(CC3)를 거쳐 제2 인클로저를 떠나고, 가스 상태이고 실질적으로 압력 P'2이며 온도 T1이다. 가스 상태의 제2 냉각 유체의 이러한 스트림은, 대략, (20℃ 내지 30℃) T0와 실질적으로 동일한 온도 및 가스 상태에서 떠나가는 열교환기(H2)를 냉각시키는 온도에서 냉각되기 전에, 80℃ 내지 100℃ 범위에 있는 온도에서 떠나는 압축기(C2) 내에서 P'2로부터 P2까지 압축된다. 이러한 제2 냉각 유체 가스는 이어서 제1 극저온 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부 AA로 AA4에서 취해져서, 그것이 액체 상 및 증기 상으로 분리되는, 제2 분리기 탱크(R2) 내에서 분리되도록 흐름 d2으로서, 부분적으로 액화되는 상태인, 다상의 상태 및 대략 온도 T1=-50℃에서 제1 열교환기(EC1)의 차가운 단부 BB에서 BB3에서 떠나는 코일-파이프 타입(S1B) 내에서 그것을 통해 지나가면서 냉각된다. 액체 상은 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부 CC로 CC3를 거쳐 흐름 d2a으로서 보내져서 상술한 바와 같은 새로운 사이클을 수행할 목적으로 코엘(S2) 내 액체 상태인 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림의 공급을 구성한다. 제2 분리시 탱크(R2)를 떠나는 증기 상 흐름 d2b은 마찬가지로 제2 열교환기(EC2) 내 다른 코일 형상 덕트(S2A)로 CC2를 거쳐 공급하기 위해 실질적으로 P2 및 실질적으로 T1에서 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부 CC로 취해진다. 제2 냉각 유체의 가스 스트림 d2b는 대략 온도 T2=-120℃ 및 실질적으로 P2와 동일한 압력에서 DD3를 거쳐 증기 상태로 떠나서 제3 극저온 열교환기(EC3)의 뜨거운 단부 EE로 취해지고, 여전히 대략 T2=-120℃ 이며, 열교환기 내에서 그것은 코일-형상 덕트(S3) 내에서 냉각된다. 냉각 유체는 FF에서 덕트(S3)를 떠나고 DD2를 거쳐 제2 인클로저(EC2)의 차가운 단부에 취해지고 온도 T2=-120℃ 및 압력 P2에서 EE1을 거쳐 뜨거운 단부에서 그것을 떠나기 위해 FF1을 거쳐 차가운 단부에서 인클로저(EC3) 내에서 직접 팽창기(D3) 내 P2보다 작은 P'2로 팽창되기 전에 여전히 가스 상태이며 실질적으로 P2의 압력 및 대략 온도 T3=-165℃이다. 가스 상태의 제2 냉각 유체의 제2 스트림 d2b은 DD1에서 팽창기(D2) 내에서 팽창하면서 가스 상태로 증발되는 제2 냉각 유체의 제1 스트림 d2a을 구비한 혼합물 내에 있고, 두 가스들의 혼합물은 CC3를 거쳐 흐름 d2=d2a+d2b으로서 제2 열교환기(EC2)를 떠나서 상술한 바와 같이 냉각기(E2) 및 압축기(C2)를 통해 새로운 사이클을 수행한다.

도 1B에서, 극저온 열교환기는 상술한 바와 같이 차가운 박스 열교환기들이고 팽창기들(D1, D2, 및 D3)에 의해 증발된 유체로부터의 가스들은 CC3에서 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부에서 그리고 AA3를 거쳐 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부에서 떠나기 위해 제1 열교환기(EC1), 제 열교환기(EC2) 및 제3 열교환기(EC3) 내에서 각각 코일-형상 덕트들(S1C, S3B 및 S2C)을 거쳐 전달된다.

도 1B에서, 상기 파이프들(S2A 및 S3)과 함께 제2 및 제3 열교환기(EC2 및 EC3)는 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부 CC로부터 제3 열교환기(EC3)의 차가운 단부 FF로 연속한다. 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부에서 출구 CC3를 거쳐 제3 열교환기의 차가운 단부로 FF1을 거쳐 팽창기(D3)로부터의 가스 상의 되돌아옴은 코일-형상 덕트(S2C)에서 일어난다. 마찬가지로, 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 CC3로 가는 DD1 내 제2 열교환기의 차가운 단부에서 DD1을 거쳐 팽창기(D2)로부터의 가스 상의 되돌아옴이 코일-형상 파이프(S2B)에서 일어난다.

도 2 및 3에서, 본 발명의 공정의 두 개의 변형예가 도시된다. 도 1A 및 1B에 도시된 종래 공정에 관한 변경들은 제1 냉각 유체의 제1 루프에 있다.

도 2에서, 제1 분리기 탱크(R1)를 떠나는 흐름 d1a으로서 그리고 압력 P1에서 제1 냉각 유체의 액체 상은 두 스트림들 또는 흐름 d1c 및 d1b=d'1으로 나뉘고, 흐름 d'1의 액체 부분만이 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부 AA로 직접 보내져서 덕트(S1) 내 액체 제1 냉각 유체의 제1 스트림의 공급을 구성한다. 초기 흐름에 비해 2% 내지 5% 범위에 있는 질량비를 나타내는 흐름 d1c의 일부는 과열저감기(DS)로 보내지고, 제2 압축기(C1A)를 떠나는 가스 상 d1b은 또한 이하에서 설명되는 바와 같이 작동하는 과열저감기(DS)의 입구로 간다. 과열저감기(DS)로 보내지는 흐름 d1c의 액체 부분은 후술하는 제1 팽창기(D1)의 서보-제어 밸브(V1)의 조합된 작용에 의해 조절된다. 이러한 부분 d1c은 펌프(PP)로부터 흐름 d1a의 2% 내지 10%, 바람직하게 3% 내지 5%를 나타낸다.

도 2A는 과열저감기(DS)의 절단 측면도이고 이는 응축기(H1)로 들어가기 전에 가스 상 d1b을 냉각하는데 기여한다. 과열저감기(DS)는 스트립의 주변에서 그리고 그것을 따라 분배된 복수의 작은-구획 오리피스들(4)을 가지는 천공된 튜브의 형태로 내부 스트립(3)에 연결된 가스 입구 파이프(1)에 의해 종래 방식으로 구성된다. 서보-제어 밸브(V1)에 의해 제어되는 흐름 d1c을 전달하는 펌프(PP)로부터 액체를 가져오는 파이프(2)는 스트립(3)에 액체를 공급해서 상기 스트립(3)을 통해 액체가 퍼지도록 야기하는 압력으로 인해 오리피스들(4)을 떠나는 미세한 액체 방울들의 분무를 형성하는데 기여한다. 미세한 액체 방울들은 공급 파이프(1)를 거쳐 오는 가스 상과 함께 교환을 위한 넓은 특정 표면 영역을 나타낸다. 액체 상의 증발 잠열은 오는 가스 상을 냉각하는 효과를 가진다. 상기 가스 상은 약 80℃ 내지 90℃의 과열저감기(DS)로 입구에서의 온도를 나타내고, 과열저감기로부터 출구에서 그것의 온도는 55℃ 내지 65℃ 이하인데 액체 유체 d1c를 증발시킴으로써 흡수되는 열 때문이다. 과열저감기(DS) 안으로 주입되는 액체 d1c의 양은 정확히 조절되어서 과열저감기(DS)를 떠나는 모든 스트림은 가스 상태이고 가스들의 등질 구성을 나타낸다.

이러한 형태의 과열저감기(DS)는 Fisher-Emerson(프랑스) 공급자에 의해 판매된다.

도 2에서, 과열저감기(DS)를 떠나는 제1 냉각 유체는, 본 예에서는 전부 응축기인, 상기 제2 응축기(H1) 내에서 완전히 응축되기 전에 약 +55℃ 내지 +65℃의 온도에서 완전히 가스 상태이다. 제2 응축기(H1)로부터 출구에서, 제1 냉각 유체는 완전히 액체 상태이고 흐름 d1'을 나타내는데 이는 온도 T0 및 실질적으로 압력 P1에서 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 입구 AA2로 취해지고 이를 통해 그것은 코일-형상 파이프들 (Sg 및 S1 및 S1B)을 통해 지나가는 유체와 동일-흐름으로서 코일-형상 덕트(S1A) 내에서 지나가며, 이는 서보-제어 밸브에 의해 구성되는 제2 팽창기(D1A)로 취해지기 전이며, 제2 팽창기(D1A)는 VV2에서 그것의 차가운 단부를 거쳐 열교환기(EC1)의 내측과 소통한다. 이러한 레벨에서, 액체 상태의 제1 냉각 유체의 제2 스트림은 증발되고, 그에 의해 천연 가스 덕트(Sg)로부터 열을 흡수하고 또한 덕트(S1), 덕트(S1A) 및 덕트 (S1B)의 스트림들로부터 열을 흡수한다.

도 2에서, 제1 인클로저(EC1) 내측 및 차가운 단부에서 각각 제2 팽창기(D1A)에 의해 그리고 제1 팽창기(D1)에 의해 BB1 및 BB2에서 증발되는 제1 냉각 유체의 제2 스트림 또는 흐름 d1" 및 제1 스트림 또는 흐름 d1'은 열교환기(EC1)의 상기 인클로저 내측에서 함께 혼합된다. 이러한 혼합물은 AA3를 거쳐 그것의 뜨거운 단부를 떠나서, 상술한 바와 같이, 새로운 사이클에 놓이기 위해 P'1으로부터 P"1까지 제1 압축기(C1) 내에서 압축되는 제1 냉각 유체의 가스의 스트림 또는 흐름 d1=d1'+d1"을 형성한다.

도 2의 이러한 실시예는 이점을 가지는데, 과열저감기(DS) 내 제1 가스 스트림의 미리-냉각 동안, 탱크(R1)로부터 오는 가벼운 가스가 무거운 액체 상 d1c으로부터 오는 증기와 함께 혼합되고, 결과적인 혼합물이 오는 가스 상 그것 자체보다 무거워서, H1 내에서 응축을 수월하게 하고 응축이 완전히 그리고 더 효율적이게 할 수 있기 때문이다.

상술한 바와 같이 펌프(PP) 및 제2 응축기(H1)를 각각 떠나는 액체 상태인 제1 냉각 유체의 제1 스트림 또는 흐름 d1' 및 제2 스트림 또는 흐름 d1"이 제1 열교환기(EC1)를 통해 지나가기 전에 함께 혼합되지 않지만, 두 개의 분리된 덕트들(S1 및 S1A) 내 제1 열교환기(EC1)를 통해 지나간다는 사실이 또한 유리한데, 두 스트림들이 제1 냉각 유체의 다른 구성들을 나타내고 그것들이 또한 다른 압력에 있기 때문이다. 따라서 그것들의 혼합은 종래보다 더 문제가 있는 불안정성을 이끌 수 있다. 그럼에도 불구하고, 예를 들어 제어 밸브와 같이, 적절한 조절 시스템들을 이용하여 상기 두 개의 액체 스트림들의 혼합을 제어할 수 있지만, 그것은 이러한 형태의 설비에서 원해지는 간단함과 신뢰성에 반한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 변형예를 나타내고, 여기서 제2 응축기(H1)는 완전한 응축기가 아니고, 과열저감기(DS)를 떠나는 가스 스트림의 일부만이 제2 응축기(H1) 내에서 응축된다. 흐름 d1e에서 제2 응축기(H1)를 떠나는 2-상 유체는 제2 분리기 탱크(R1A) 내 상 분리에 놓이고 이 안에서 제1 냉각 유체의 제2 가스 상 및 제2 액체 상은 분리된다.

도 3에서, R1A의 낮은 출구로부터 냉각 유체의 제2 액체 상은 덕트(S1)로 취해지고 흐름 d1f을 나타낸다. 펌프(PP)로부터 출구에서 흐름 d1a은 두 개의 흐름으로 나뉘고, 과열저감기(DS)로의 d1c는 제1 제어 밸브(V1)에 의해 조절되고, 나머지 d1d는 제2 제어 밸브(V1A)에 의해 조절되며, 상기 두 제어 밸브들은 서로 조합되어 근접하게 제어되며; 상기 나머지 d1d는 액체 흐름 d1f과 혼합되고, 실질적으로 압력 P1에서, 극저온 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부에서 파이프(S1)에 취해진다

도 3에서, 제2 분리기 탱크(R1A)의 높은 출구를 떠나는 제1 냉각 유체의 제2 가스 상은 흐름 d1"을 나타낸다. 그것은 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부 AA에서 입구 AA2로 온도 T0 및 실질적으로 압력 P1에서 취해져서 가스 상태지만 도 2의 실시예에서와 같은 액체 상태가 아니게 덕트(S1A) 내 그것을 통해 지나간다. BB2에서 덕트(S1A)의 차가운 단부에서, 제2 팽창기(D1A)는 P1보다 작은 압력 P'1으로 제1 냉각 유체의 제2 가스 상의 가스를 팽창시킨다. D1A에 의한 S1A로부터 BB2에서 가스의 이러한 팽창은 Sg, S1, S1A 및 S1B로부터 열을 흡수하여서, 그것들을 냉각시키고, 적절한 곳에서 다중 루프 회로들(상술한 바와 같이 MMR로 일컬어짐)이 있다면 다른 루프들로부터 열을 흡수한다. BB2를 거쳐 제2 팽창기(D1A)를 떠나는 액체 상태의 유체는 BB1에서 증발된 제1 냉각 유체의 제1 부분과 혼합되어서 흐름 d1으로서 AA3를 거쳐 떠나고 P'1으로부터 P"1까지 제1 압축기(C1)에 의해 압축되며, 여기서 P"1은 P'1 내지 P1 범위에 있다. 그 후에, 그것은 2-상 혼합물의 형태로 제1 압축기(C1)를 떠나는데, 이는 펌프(PP)에 의해 실질적으로 P1으로 압축되는 흐름 d1a으로서 액체 상을 가지고 제2 압축기(C1A)에 의해 P1에서 압축되고 과열저감기(DS) 내에서 냉각되며 응축기(H1) 내에서 부분적으로 또는 완전히 응축되고, 새로운 사이클에서 상술한 바와 같이, 마지막으로 분리기(R1A) 내에서 다시 분리되는 흐름 d1b으로서 가스 상을 가진다.

도 3의 변형예에서, 팽창기(D1)는 액체-대-가스 팽창기이고, 팽창기(D1A)는 가스-대-가스 팽창기이다.

도 3의 실시예가 바람직한데, 첫재로 팽창기(D1) 및 제어 밸브(V1)와 연관된 제어 밸브(V1A)는 두 액체 상들이 함께 혼합될 수 있게 하고 그것들이 양호한 안정성 조건들 아래에서 증발될 수 있게 하며, 두번째로 그것은 완전한 응축기의 이용을 필요로 하지 않아서 전체 공정 안정성을 증가시키고 그것의 산업적 신뢰성을 증가시키기 때문이다. 이러한 바람직한 변형에서, 액체 스트림 d1'은 제1 냉각 가스의 스트림의 약 95 중량 %를 나타내고, 가스 스트림 d1"은 약 5%인 보충을 나타낸다.

응축기들(H0 및 H1) 및 냉각기(H2)는, 예를 들어 바다나 강물과 열교환을 하ㄴ는, 물 열교환기들에 의해 구성될 수 있고, 당업자에게 알려진, 냉각 타워 타입의 차가운 공기 열교환기들로 구성될 수 있다.

제1 및 제2 냉각 유체들의 구성들은 극저온 열교환기들 및 응축기들의 용어로 사용되는 용어와 연관되고, 제조자들 및 공급자들 모두는 그것들 자체의 구성들을 추천한다. 그러나 이러한 구성들은 또한 액화되는 천연 가스의 구성과 밀접하게 연관되고, 냉각 유체들의 구성요소들은 바람직하게 천연 가스의 특성들이 상당한 방식으로 변화는 시간 동안 조절된다.

예로서, 열교환기(EC1) 내 루프 내에서 작동하고 약 -50℃의 최저 온도 T1까지의 일반적인 온도 T0에서의 제1 냉각 유체는 다음 혼합물에 의해 구성된다:

C1 (메탄) ≒ 2.5%

C2 (에탄/에틸렌) ≒ 60%

C3 (프로판) ≒ 15%

C4 (부탄) ≒ 20%

C5 (펜탄) ≒ 2.5%

마찬가지로, 열교환기(EC1, EC2 및 EC3) 내 루프 내에서 작동하고, 대략 T1=-50℃로부터 대략 T3=-165℃의 최저 온도까지인, 제2 냉각 유체는 다음 혼합물들에 의해 구성된다:

N2 (질소) ≒ 5%

C1 (메탄) ≒ 45%

C2 (에탄/에틸렌) ≒ 37%

C3 (프로판) ≒ 13%

전체적으로 설비 내에서 연간 2.5 메가 톤(Mt/y)의 연간 생산을 위해 소모되는 기계적 동력은 85메가와트(MW)의 등급이다:

50MW는 압축기(C2)를 거쳐 주입됨, 일반적으로 제1 가스 터빈(미도시)에 의함;

35MW는 압축기(C1 및 C1A)를 거쳐 주입됨, 일반적으로 제2 가스 터빈에 의함, C1은 동력의 실질적으로 2/3을 흡수하고 C1A는 3분의 1을 유지함.

본 발명의 공정에 의해 포함된 이러한 동력들은 동일한 등급이고 종래 포함된 동력들과 실질적으로 같은 분배를 가진다. 반대로, 본 발명의 상기 공정들은 더욱 안정적이고 신뢰성이 있으며 결과적으로 최적의 산업 기술을 제공한다.

본 발명은 2-루프 공정들의 내용으로 위에서 기술되었고, 열교환기 EC1(-50℃) 내에서 작동하는 회로들 S1-S1A-S1B에 대응하는 "뜨거운" 제1 루프, 및 열교환기들 EC2(-50℃ => -120℃) 및 EC3(-120℃ => -165℃) 내에서 작동하는 회로들 S2-S2A-S3에 대응하는 "차가운" 제2 루프를 포함한다. 그러나, 유사한 공정들이 존재하며 여기서 "뜨거운" 루프는 동일하지만, "차가운" 루프는 두 개의 독립적 루프들에 의해 대체되며, 이들 각각은 그것 자체의 냉각 유체를 가지고, 일반적으로 제2 루프는 열교환기(EC2) 내에서, 즉 -50℃ 내지 -120℃에서 작동하는데 반해, 제3 루프는 열교환기(EC3), 즉 -120℃ 내지 -165℃에서 작동한다. 이러한 모든 공정들에서, 그리고 극저온 열교환기의 형태에 관계없이, 열교환기(EC1)에 대응하는 "뜨거운" 루프는 도 1A를 참조하여 기술된 것과 실질적으로 동일하게 남아 있다. 따라서 본 발명은 상 변화 및 다중 독립 루프들을 이용하는 천연 가스를 액화하기 위한 모든 공정들에 특히 적용된다.

EC1: 제1 열교환기
C1A: 제2 압축기
PP: 펌프

Claims (15)

1. 천연 가스를 액화하는 방법에 있어서,
   상기 천연 가스는 대부분 메탄, 바람직하게 적어도 85% 메탄을 포함하고, 다른 구성요소들은 본질적으로 질소 및 C-2 내지 C-4 알칸들을 포함하며, 액화를 위한 상기 천연 가스는 대기압(Patm)과 같거나 큰 압력 P0에서 상기 천연 가스의 스트림(Sg)이 상 변화와 함께 적어도 하나의 폐회로 루프 내에서 순환하는 합성물들의 제1 혼합물을 포함하는 제1 냉각 유체의 적어도 하나의 제1 스트림(S1)과 간접적으로 접촉하는 적어도 하나의 극저온 열교환기(EC1) 내에서 흐르도록 야기함으로써 액화되고, P0는 바람직하게 대기압보다 크고, 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 상기 제1 열교환기(EC1)로 들어가는 천연 가스의 입구 온도 T0와 실질적으로 동일한 온도에서 그리고 P0보다 큰 압력 P1에서 "뜨거운" 단부(AA)에서 제1 입구(AA1)를 거쳐 상기 제1 열교환기로 들어가며, 냉각제는 상기 천연 가스 스트림(Sg)과 동일-흐름으로서 열교환기를 통해 지나가고 액체 상태로 "차가운" 단부(BB)를 거쳐 그것을 떠나며, 액체 상태의 제1 냉각 유체(S1)의 상기 제1 스트림은 상기 제1 열교환기(EC1)의 차가운 단부(BB)에서 제1 팽창기(D1)에 의해 팽창되어서 그것의 차가운 단부(BB1)에서 상기 제1 열교환기 내측에 T0보다 작은 온도 T1에서 그리고 P1보다 작은 압력 P'1에서 가스 상태로 돌아가며, 이어서 실질적으로 온도 T0이고 가스 상태로 그것의 뜨거운 단부(AA)에서 출구 오리피스(AA3)를 거쳐 제1 열교환기(EC1)를 떠나며, 가스 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 적어도 부분적으로 재액화되고 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부에서 제1 입구(AA1)로 취해져서 액체 상태인 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림(S1)의 공급을 구성해서 폐회로 내에서 순환하며, 가스 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림의 액화는 제1 응축기(H0) 내 제1 부분 응축에 뒤따르는 제1 압축기(C1) 내 제1 압축, 및 제1 냉각 유체의 제1 가스 상 및 제1 냉각 유체의 제1 액체 상을 분리하는 제1 분리기 탱크(R1) 내 상 분리를 포함하고, 상기 제1 분리기(R1)로부터 낮은 출구에서 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상(d1a)은 액체 상의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림을 구성하기 위해 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부(AA)에서 상기 제1 입구(AA1)로 적어도 부분적으로 실질적으로 압력 P1에서 펌프(PP)에 의해 취해지고, 상기 제1 분리기(R1)로부터 높은 출구에서 상기 제1 냉각 유체의 상기 제1 가스 상(d1b)은 제2 압축기(C1A)에 의해 실질적으로 압력 P1으로 압축되고 이어서 제2 응축기(H1) 내에서 적어도 부분적으로 응축되며, 바람직하게 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상(d1a)의 적어도 일부와 함께 혼합된 후이며,
   상기 방법은 상기 제2 압축기(C1A)로부터 출구에서 상기 제1 냉각 유체의 상기 제1 가스 상(d1b)이 상기 제1 분리기로부터 출구에서 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상(d1a)의 일부(d1c)와 접촉하도록 옴으로써 과열저감기(DS) 내에서 냉각되고, 제2 냉각 유체의 제1 액체 상의 상기 부분(d1c)은, 상기 제2 응축기(H1) 내 상기 응축 전에, 상기 과열저감기 내에서, 미분화되고 증발되며, 바람직하게 완전히 증발되는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   제1 냉각 유체의 제1 액체 상의 상기 부분(d1c)은 흐름의 10 중량 % 이하, 바람직하게 제1 냉각 유체의 상기 제1 전체 액체 상(d1a)의 전체 흐름의 2% 내지 5%를 나타내어서, 상기 과열저감기(DS) 내에서 완전히 증발되고, 상기 과열저감기로부터 출구에서 제1 냉각 유체는 상기 제1 응축기 내에서 적어도 부분적으로 응축되기 전에 완전히 가스 상태(d1e)이며, 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상 부분의 흐름(d1c)은 적어도 하나의 제어 밸브(V1, V1A)의 도움으로 조절되는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 과열저감기로부터 출구에서 냉각되는 제1 냉각 유체의 상기 가스 상(d1e)은 상기 제2 응축기(H1) 내에서 부분적으로 응축되고, 제2 상 분리가 제1 냉각 유체의 제2 가스 상(d1")으로부터 제1 냉각 유체의 제2 액체 상(d1f)를 분리하는 제2 분리기 탱크(R1A)에서 수행되고, 상기 제2 분리기 탱크(R1A)로부터 낮은 출구(d1f)에서 제1 냉각 유체의 제2 액체 상(d1f)은 제1 냉각 유체의 상기 제1 액체 상(d1a)의 나머지(d1d)와 혼합되고 상기 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부(AA)에서 상기 제1 출구(AA1)로 취해져서 실질적으로 압력 P1 및 실질적으로 온도 T0에서 액체 상태인 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림(d1')을 형성하고, 제2 분리기 탱크(R1A)로부터 높은 출구(d2b)에서 상기 제2 가스 상은 상기 압력 P1 및 실질적으로 T0의 상기 온도에서 상기 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부(AA)에서 제2 입구(AA2)로 취해져서 천연 가스의 상기 스트림(Sg)과 동일-흐름으로서 가스 상태인 상기 제1 열교환기를 통해 지나는 제1 냉각 유체(S1A)의 제2 스트림을 형성하고, 가스 상태로 그것(BB)을 떠나고 상기 제1 열교환기(EC1)의 차가운 단부(BB)에서 제2 팽창기(D1A)에 의해 팽창되어서 그것의 차가운 단부(BB2) 곁에 상기 제1 열교환기 내측에 T0보다 작은 온도 T1 및 P1보다 작은 압력 P'1에서 가스 상태로 돌아가며, 이어서 가스 상태이고 실질적으로 온도 T0에서 그것의 뜨거운 단부에서 상기 출구 오리피스(BB2)를 거쳐 떠나고, 상기 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부(AA)로부터 출구에서 가스 상태인 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림과 함께 상기 제1 압축기(C1)로 취해지는 것을 특징으로 하는 방법.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 과열저감기(DS) 내에서 냉각된 제1 냉각 유체의 상기 가스 상(d1e)은 상기 제2 응축기(H1) 내에서 완전히 응축되고, 이어서 액체 상태로 실질적으로 상기 압력 P1 및 상기 온도 T0에서 상기 제1 열교환기9EC1)의 뜨거운 단부(AA)로 취해져서 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림과 혼합된 천연 가스의 상기 스트림9Sg)과 동일-흐름으로서 상기 제1 열교환기를 통해 지나가거나, 바람직하게 액체 상태의 제1 냉각 유체의 제2 스트림(S1A)이 상기 천연 가스 스트림(Sg)과 동일-흐름으로서 상기 제1 열교환기를 통해 지나가고 액체 상태로 그것(BB)을 떠나며 상기 제1 열교환기(EC1)의 차가운 단부(BB)에서 제2 팽창기(D1A)에 의해 팽창되어서 그것의 차가운 단부(BB2) 곁에 상기 제1 열교환기 내측에 T0보다 작은 온도 T1에서 그리고 P1보다 작은 압력 P'1에서 가스 상태로 되돌아오며, 이어서 실질적으로 온도 T0에서 그리고 가스 상태로 뜨거운 단부(AA)에서 그것의 출구 오리피스(AA3)를 거쳐 그것을 떠나서 상기 제1 열교환기의 뜨거운 단부(AA)로부터 출구에서 가스 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제1 스트림과 함께 상기 제1 압축기(C1)로 취해지는 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   실질적으로 T1과 동일한 온도에서 상기 제1 열교환기(EC1)의 차가운 단부를 떠나는 상기 천연 가스는 적어도 하나의 제2 극저온 열교환기(EC2) 내에서 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되며, 상기 열교환기 내에서 액화를 위한 상기 천연 가스는 상 변화와 함께 적어도 하나의 제2 폐회로 루프 내에서 흐르는 합성물들의 제2 혼합물을 포함하는 제2 냉각 유체의 적어도 하나의 제1 스트림(S2)과 간접적으로 접촉하게 상기 천연 가스의 스트림(Sg)이 흐르도록 야기함으로써 액화되며, 압력 P2에서 그리고 실질적으로 T1과 동일한 온도에서 상기 제2 열교환기의 "뜨거운" 단부(CC)에서 제1 입구(CC1)에서 상기 제2 열교환기(EC2)로 들어가는 냉각 유체의 상기 제2 흐름은, 천연 가스의 상기 스트림(Sg)과 동일-흐름으로 상기 제2 열교환기를 통해 지나가고, 상기 제2 열교환기의 "차가운" 단부(DD)에서 액체 상태로 온도에서 그것(DD)을 떠나며, 액체 상태의 제2 냉각 유체(S2)의 상기 제1 스트림은 상기 제2 열교환기(EC2)의 차가운 단부(DD1)에서 제3 열교환기(D2)에 의해 팽창되어서 그것의 차가운 단부(DD1) 곁에 상기 제2 열교환기 내 T1보다 작은 온도 T2에서 그리고 P2보다 작은 압력 P'2에서 가스 상태로 되돌아가며, 이어서 실질적으로 온도 T1에서 가스 상태로 상기 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부에서 출구 오리피스(CC3)를 거쳐 떠나고, 이어서 가스 상태의 제2 유체의 상기 제1 스트림은 부분적으로 재액화되고 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부에서 입구(CC1)로 취해져서 폐 루프 내에서 순환하는 액체 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림(S2)의 공급을 구성하며, 가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림(S2)의 액화는 제 압축기(C2)에 의한 압력 P2으로의 압축을 포함하고 이어서 냉각 열교환기(H2) 내 실질적으로 T0으로 냉각하며, 이어서 가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림은 그것이 지나가는(S1B) 상기 제1 열교환기(EC1)의 뜨거운 단부(AA)에서 입구(AA4)로 취해져서 실질적으로 온도 T1에서 부부적으로 액화된 상태로 그것의 차가운 단부(BB)를 거쳐 그것(BB3)을 떠나가며, 이어서 제2 냉각 유체의 가스 상으로부터 제2 냉각 유체의 액체 상을 분리하는 제3 분리기 탱크(R2) 내에서 상 분리에 놓이고, 상기 제3 분리기(R2)로부터 낮은 출구에서 제2 냉각 유체의 액체 상(d2a)은 실질적으로 온도 T1 및 압력 P2에서 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부(CC)에서 상기 제2 입구(CC1)로 취해져서 액체 상태(S2)인 제2 냉각 유체의 상기 제1 스트림을 형성하며, 상기 제3 분리기(R2)로부터 높은 출구에서 상기 제2 냉각 유체의 상기 가스 상(d2b)은 실질적으로 온도 T1 및 압력 P2에서 상기 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부(CC)에서 제2 입구(CC2)로 취해져서 가스 상태로 상기 제2 열교환기(EC2)를 통해 지나가는 제2 냉각 유체의 제2 스트림(S2A)을 형성하고 상기 제2 열교환기의 뜨거운 단부(CC)에서 출구 오리피스(CC3)로부터 떠나기 전에 상기 제2 열교환기(EC2)의 차가운 단부에서(DD3) 떠나서 가스 상태인 제2 유체의 상기 제1 스트림과 함께, 바람직하게 함께 혼합되는, 상기 제3 압축기(C2)로 취해지는 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   부분적으로 액화되고 실질적으로 T2와 동일한 온도에서 상기 제2 열교환기(EC2)의 차가운 단부(DD)를 떠나는 상기 천연 가스는 적어도 하나의 제3 극저온 열교환기(EC3) 내에서 T2보다 낮은 온도 T3에서 냉각되고 완전히 액화되며, 상기 열교환기 내에서 상기 천연 가스(Sg)는 실질적으로 온도 T2 및 압력 P2에서 상기 제2 열교환기(EC2)의 차가운 단부(DD3)를 떠나는 가스 상태인 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림(S2A)에 의해 공급되는 제2 냉각 유체(S3)의 적어도 하나의 제3 스트림과 동일-흐름으로서 간접적으로 접촉하게 흐르며, 제2 냉각 유체(S3)의 상기 제3 스트림은 액화 천연 가스(Sg)의 상기 스트림과 동일-흐름으로서 상기 제3 열교환기(EC3)를 통해 가스 상태로 지나가며 실질적으로 가스 상태로 그것(FF)을 떠나며 그것의 차가운 단부 곁에(FF1) 상기 제3 열교환기 내 T2보다 작은 온도 T3에서 그리고 P2보다 작은 압력 P2'에서 가스 상태로 돌아오도록(FF1) 상기 제3 열교환기(EC1)의 차가운 단부(FF)에서 제4 팽창기(D3)에 의해 팽창되고, 이어서 가스 상태로 그것의 뜨거운 단부(EE)에서 오리피스(EE1)를 거쳐 그것을 떠나고 실질적으로 온도 T2에서 상기 제2 열교환기(EC2)의 차가운 단부(DD)에서 오리피스(DD2)로 취해지고 상기 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부(CC)에서 오리피스(CC3)를 거쵸 그것을 떠나며 가스 상태의 제2 유체의 상기 제1 스트림과 함께, 바람직하게 함께 혼합된, 상기 제3 압축기(C2)로 취해지는 것을 특징으로 하는 방법.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 팽창기들(D1, D1A, D2, D3)은 실시간으로 제어되기(R) 적합한 개방 퍼센트를 구비한 밸브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   천연 가스 및 냉각 유체들의 합성물들은 메탄, 질소, 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄, 및 펜탄으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   액화를 위한 천연 가스의 구성은 다음 합성물들의 전체 100%의 다음 범위 내에 있으며,
   메탄 80% 내지 100%;
   질소 0% 내지 20%;
   에탄 0% 내지 20%;
   프로판 0% 내지 20%; 및
   부탄 0% 내지 20%
   인 것을 특징으로 하는 방법.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 유체들의 구성은 다음 합성물들의 전체 100%의 다음 범위 내에 있으며,
    메탄 2% 내지 50%;
    질소 0% 내지 10%;
    에탄 및/또는 에틸렌 20% 내지 75%;
    프로판 5% 내지 20%;
    부탄 0% 내지 30%; 및
    펜테이트(pentate) 0% 내지 10%
    인 것을 특징으로 하는 방법.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도는 다음 값들을 가지는
    T0: 10℃ 내지 60℃;
    T1: -30℃ 내지 -70℃;
    T2: -100℃ 내지 -140℃; 및
    T3: -160℃ 내지 -170℃
    인 것을 특징으로 하는 방법.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    압력은 다음 값들을 가지는
    P0: 0.5MPa 내지 10MPa (실질적으로 5 bar 내지 100 bar);
    P1: 1.5MPa 내지 10MPa (실질적으로 15 bar 내지 100 bar);
    P2: 2.5MPa 내지 10MPa (실질적으로 25 bar 내지 100 bar);
    인 것을 특징으로 하는 방법.
    
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위해 부유 지지물 위에 있는 설비에 있어서,
    상기 설비는,
    적어도 하나의 상기 제1 열교환기(EC1);
    상기 제1 열교환기(EC1)는,
    상기 제1 열교환기(EC1)를 통해 지나가고 액체 상태의 제1 냉각 유체의 제1 스트림(S1)이 그것을 통해 흐르도록 야기하기에 적합한 제1 흐름 덕트(S1);
    상기 제1 열교한기(EC1)을 통해 지나가고 가스 또는 액체 상태의 제1 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 그것을 통해 흐르도록 야기하기에 적합한 제2 흐름 덕트(S1A); 및
    상기 제1 열교한기(EC1)를 통해 지나가고 액화를 위한 상기 천연 가스가 그것을 통해 흐르도록 야기하기에 적합한 제3 덕트(Sg);
    를 포함함,
    상기 제1 열교환기의 인클로저의 차가운 출구(BB1)에서 제1 입구 및 상기 제1 덕트(S1)의 차가운 출구 사이에 제1 팽창기(D1);
    상기 제1 열교환기의 인클로저의 차가운 단부(BB2)에서 제2 입구 및 상기 제2 덕트(S1A)의 차가운 출구 사이에 제2 팽창기(D1A);
    제1 압축기(C1)의 입구 및 상기 제1 열교환기(EC1)의 인클로저의 뜨거운 단부에서 출구(AA3) 사이에 연결 파이프를 구비한 제1 압축기(C1);
    제1 응축기의 입구 및 상기 제1 압축기(C1)의 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제1 응축기(H0);
    제1 분리기 탱크 및 상기 제1 응축기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제1 분리기 탱크(R1);
    제1 압축기의 입구 및 상기 제1 분리기로부터 상부 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제2 압축기(C1A);
    과열저감기 안으로 가스(1)를 허용하기 위한 입구 및 상기 제2 압축기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 과열저감기(DS);
    제 응축기 및 상기 과열저감기로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제2 응축기(H1);
    펌프 및 상기 제1 분리기 탱크(R1)로부터 바닥 출구 사이에 연결 파이프를 구비하는 펌프(PP), 및 연결 파이프는 상기 펌프(PP)로부터 출구 및 상기 과열기(DS) 안으로 액체를 허용하기 위한 입구(2) 사이에 제1 밸브(V1)와 함께 맞춰짐;
    상기 펌프(PP)로부터 출구 및 제1 냉각 유체(S1)를 위한 상기 제1 덕트의 입구 사이에 연결 파이프; 및
    상기 제2 응축기(H1)로부터 출구 및 제1 냉각 유체(S1A)를 위한 상기 제2 덕트의 입구 사이에 연결 파이프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 설비.
    
14. 제13항에 있어서,
    제2 분리기 탱크(R1A) 및 상기 제2 응축기(H1)로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 제2 응축기 탱크(R1A);
    제 냉각 유체(S1A)를 위한 상기 제2 덕트의 입구 및 상기 제2 분리기 탱크(R1A)로부터 상부 출구 사이에 연결 파이프;
    제1 냉각 유체(S1)를 위한 상기 제1 덕트의 입구 및 상기 제2 분리기 탱크(R1A)로부터 바닥 출구 사이에 연결 파이프; 및
    첫번째로 상기 제1 밸브(V1)로부터 상류의 상기 펌프(PP)로부터 출구, 및 두번째로 제1 냉각 유체(S1)를 위한 상기 제1 덕트의 입구 및 상기 제2 분리기 탱크(R1A)로부터 바닥 출구 사이에 상기 연결 파이프를 구비한 접합 사이에 제2 밸브(V1A)와 맞춰지는 연결 파이프;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
    
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    가스 또는 액체 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 흐르도록 야기하기에 적합하고 상기 제1 열교환기(EC1)를 통해 지나가는 제4 덕트(S1B);
    제2 극저온 열교환기(EC2);
    상기 제2 극저온 열교환기는,
    상기 제2 열교환기(EC2)를 통해 지나가고 액체 상태의 제2 냉각 유체의 제1 스트림이 그것을 통해 흐르도록 야기하기에 적합한 제1 덕트(S2);
    상기 제2 열교한기(EC2)을 통해 지나가고 가스 또는 액체 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 그것을 통해 연속하게 흐르도록 야기하기에 적합한 제2 덕트(S2A); 및
    상기 제2 열교한기(EC2)를 통해 지나가고 액화를 위한 상기 천연 가스가 상기 제1 열교환기를 통해 흐르는 제3 덕트(Sg)를 통해 연속하게 흐르도록 야기하기에 적합한 제3 덕트(Sg);
    를 포함함,
    제3 열교환기(EC3);
    상기 제3 열교환기는,
    상기 제3 열교환기(EC3)를 통해 지나가고 가스 상태의 제2 냉각 유체의 상기 제2 스트림이 상기 제2 열교환기(EC2)를 통해 지나가는 상기 제2 덕트(S2A)로부터 연속하게 흐르도록 야기하기에 적합한 제1 덕트(S3); 및
    상기 제3 열교한기(EC3)를 통해 지나가고 액화를 위한 상기 천연 가스가 상기 제2 열교환기(EC2)를 통해 지나가는 상기 제3 덕트(Sg)로부터 연속하게 흐르도록 야기하기에 적합한 제2 덕트(Sg);
    를 포함함,
    제3 분리기 탱크(R2);
    상기 제3 분리기 탱크(R2) 및 상기 제1 열교환기의 상기 제4 덕트(S1B)의 차가운 단부 사이에 연결 파이프;
    상기 제2 열교환기(EC2)의 뜨거운 단부에서 출구 오리피스(CC3) 및 상기 제3 분리기 탱크로부터 바닥 출구 사이에 연결 파이프;
    상기 제2 열교환기의 상기 제2 덕트(S2A)의 뜨거운 단부 및 상기 제3 분리기 탱크로부터 상부 출구 사이에 연결 파이프;
    상기 제2 열교환기(EC2)의 인클로저의 차가운 단부(DD1)에서 제1 입구 및 상기 제2 열교환기(EC2)의 상기 제1 덕트(S2)로부터 차가운 출구 사이에 제3 팽창기(D2);
    상기 제2 압축기(C2)의 입구 및 상기 제2 열교환기(EC2)의 인클로저의 뜨거운 단부에서 출구(CC3) 사이에 연결 파이프를 구비한 제3 압축기(C3);
    상기 가스 냉각 열교환기(H2)의 입구 및 상기 제2 압축기(C2)로부터 출구 사이에 연결 파이프를 구비한 가스 냉각 열교환기(H2);
    상기 제1 열교환기(EC1)의 상기 제4 덕트(S1B)의 뜨거운 단부에서 입구 및 상기 가스 냉각 열교환기(H2)로부터 출구 사이에 연결 파이프;
    상기 제3 열교환기(EC3)의 인클로저의 차가운 단부(FF1)에서 입구 및 상기 제3 열교한기(EC3)의 상기 제1 덕트(S3)의 차가운 단부 사이에 제4 팽창기(D3); 및
    상기 제2 열교한기(EC2)의 인클로저의 차가운 단부에서 제2 입구(DD2) 및 상기 제3 열교환기(EC2)의 인클로저의 뜨거운 단부에서 출구(EE1) 사이에 연결 파이프;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
    

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