KR20150102931A

KR20150102931A - 연안 ｎｇｌ 회수를 위한 구성 및 방법

Info

Publication number: KR20150102931A
Application number: KR1020157007364A
Authority: KR
Inventors: 존 마크
Original assignee: 플루오르 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-09-09
Also published as: JP2015531851A; WO2014036322A1; US20140060114A1; JP6289471B2

Abstract

천연 가스 2-컬럼 처리 플랜트는 풍부한 공급 가스 스트림으로부터 적어도 95%의 C4 및 보다 무거운 탄화수소, 및 약 60 내지 80%의 C3 탄화수소를 회수할 수 있는데, 여기서 제1 컬럼 (흡수장치)은 제2 컬럼 보다 더욱 높은 압력에서 작동하며, 흡수장치는 제2 컬럼으로부터 압축된 가스를 수용하며, 터보팽창기는 2-상 스트림을 흡수장치의 상부로 배출시킨다. 가장 통상적으로, 고려되는 구성 및 방법은 외부 냉동을 이용하지 않으면서 작동한다.

Description

연안 ＮＧＬ 회수를 위한 구성 및 방법 {CONFIGURATIONS AND METHODS FOR OFFSHORE NGL RECOVERY}

본 출원은 2012년 8월 30일에 출원되고 본원에 참고로 포함되는 일련 번호 제61/694949호를 갖는 미국가출원을 우선권으로 주장한다.

발명의 분야

본 발명의 분야는 파이프라인 탄화수소 노점(dew point) 및 가열 수치 사양을 충족시키기 위한, 특히 연안 적용을 위한, 공급 가스로부터 천연 가스액 (natural gas liquid; NGL)의 제거 및 회수이다.

당해 분야에는 천연 가스로부터 C2, C3, 및 보다 무거운 성분들을 회수하는 여러 시스템들 및 방법들이 알려져 있지만, 이러한 것들 모두 또는 거의 모두는 NGL의 높은 회수율 (즉, 90% 이상)을 위해 구성되어 있고 터보팽창기(turboexpander) 및 깊은 냉동(deep refrigeration)의 이용을 요구하는데, 이는 비용이 많이 들며, 상당한 다운스트림 마켓이 존재하는 경우에 단지 경제적으로 타당화될 수 있다. 그러나, 연안 NGL 회수 시스템을 갖는 경우는 그러하지 않은데, 이러한 시스템에서 공간은 구하기 힘들며, 설비의 경제적 생존 가능성(economic viability)은 비교적 작은 차지하는 공간(footprint) 및 낮은 운용 및 자본 비용에 의존적이다. 이에 따라, 모든 또는 거의 모든 경우에서, 높은 자본 투자 및 높은 회수율을 위해 요구되는 운용 비용은 통상적으로 타당치 못할 수 있다. 다른 한편으로, 파이프라인 운용업체(pipeline operator)는 전달 시 안전성을 위한 탄화수소 노점 및 가열 수치에 대한 파이프라인 사양을 충족시키도록 판매 가스(sales gas)를 형성시키라는 요구를 받는다. 대부분의 경우에, 공급가스로부터 95% 이상의 C4 및 보다 무거운 탄화수소의 회수가 요구될 수 있으며, C3 회수는 60% 정도로 낮을 수 있으며, C2 회수는 부수적이고 30% 정도로 낮을 수 있다. 변화된 수요의 측면에서, 90% 이상의 C3 회수를 가능하게 하는 현재 공지된 NGL 처리 플랜트의 복잡성은 과도하고, 종종 경제적 측면에서 타당치 못할 수 있다.

공급가스로부터 높은 NGL 회수를 갖는 여러 NGL 처리 플랜트는 미국특허번호 제4,157,904호 (Campbell 등), 제4,251,249호 (Gulsby), 제4,617,039호 (Buck), 제4,690,702호 (Paradowski 등), 제5,275,005호 (Campbell 등), 제5,799,507호 (Wilkinson 등), 및 제5,890,378호 (Rambo 등), 및 미국특허출원번호 제2002/0166336호 (Wilkinson 등), 및 WO 2011/126710호 (Johnke 등)에 기술된 바와 같은 극저온 분별(cryogenic fractionation) 및 터보-팽창 공정들을 포함한다. 본원에서 논의되는 이러한 자료들 그리고 모든 다른 외부 자료들은 이의 전문이 참고로 포함된다. 포함된 참조문헌에서 용어의 정의 또는 사용이 본원에 제공되는 용어의 정의와 일치하지 않거나 상반되는 경우에, 본원에 제공되는 용어의 정의가 적용되며, 참조문헌에서 그러한 용어의 정의는 적용되지 않는다.

이러한 공정들 모두가 매우 높은 NGL 회수를 달성할 수 있지만, 여러 문제점들이 여전히 존재한다. 다른 것들 중에서, NGL 회수 공정들은 잔여 가스의 재압축을 필요로 하는 낮은 수준의 냉동을 형성시키기 위해 높은 팽창비 터보팽창기를 사용한다. 또한, 비교적 높은 수준의 C5+ 탄화수소를 갖는 풍부한 가스 스트림을 처리할 때에, 추가 외부 냉동이 흔히 요구된다. 통상적으로, 이러한 공정 구성은 복잡하고 운용하기 어렵다. 예를 들어, 캄프벨 등(Campbell et al.)의 미국특허번호 제6,182,469호에는 종래 기술 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기에서 냉각 잔여 가스 및 측면 리보일러(reboiler)를 이용하여 공급 가스를 냉각시키는 플랜트가 기재되어 있다. 응축된 공급 가스 액체는 이후에 분리기에서 분리되고, 탈메탄화 장치(demethanizer)로 공급된다. 대안적으로, 미국특허번호 제5,953,935호 (Sorensen)에 기재된 바와 같이, 흡수장치는 종래 기술 도 2에 도시된 바와 같이 탈메탄화 장치의 업스트림에 부가될 수 있다. 이러한 구성에서, 공급 분리기(feed separator) 및 흡수장치 바닥으로부터의 액체는 탈메탄화 장치로 공급된다. 이러한 구성에서 NGL 회수를 추가로 증가시키기 위하여, 흡수장치 오버헤드는 탈메탄화 장치 오버헤드 증기로 냉각시킴으로써 냉각되고 재환류된다.

다른 추가의 공지된 구성에서, 미국특허번호 제6,244,070호 (Lee 등) 및 미국특허번호 제5,890,377호 (Foglietta)에 기재된 바와 같이, 리보일러 임무들은 공급물 냉각에서 통합되며, 이러한 구성에서, 중간 분리기로부터의 액체는 NGL 회수를 위한 다운스트림 탈메탄화 장치에서 다양한 위치에 공급된다. 이러한 공정들은 또한 NGL 공정들에 냉각을 제공하는 다양한 수단을 포함한다. 이러한 방식에 따른 예시적인 공지된 구성은 종래 기술 도 3 및 4에 도시되어 있다. 이러한 복잡한 구성이 95% 이상까지의 높은 C2 및 C3 회수를 달성하기 위해 적합하지만, 이러한 것들은 비용이 과도하고 연안 적용을 위해 적합하지 않는 경향이 있다.

이에 따라, 공급 가스로부터 NGL을 회수하기 위한 다양한 구성들 및 방법들이 공지되어 있지만, 이러한 것들 모두 또는 거의 모두는 노점(dewpointing) 및 중간 정도의 C3 회수가 요구될 때에 하나 이상의 단점을 나타낸다. 이에 따라, 개선된 NGL 회수를 위한 방법 및 구성을 제공하는 것이 여전히 요구되고 있다.

본 발명의 대상은 가스 스트림으로부터 형성되는 파이프라인 가스의 탄화수소 노점 및 가열 수치 사양을 충족시키기 위해 가스 스트림으로부터 C4 및 보다 무거운 탄화수소를 회수하고 중간 정도로 (최대 90%) C3을 회수하는 구성 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 대상의 하나의 바람직한 양태에서, 두 개의 컬럼이 상이한 압력에서 작동되는데, 제1 컬럼 (흡수장치)은 약 550 psig의 비교적 높은 압력에서 작동하며, 제2 컬럼 (분별장치)은 약 450 psig에서 작동한다. 흡수장치를 비교적 높은 압력에서 작동시킴으로써, 잔여 가스의 압축 비가 감소되며, 이에 의해 전체 압축 마력을 최소화시킨다. 약 450 psig에서 작동하는 분별장치와 관련하여, 에탄 및 보다 무거운 성분들에서 메탄의 분리가 성분들 간의 유리한 상대적 휘발성으로 인해 보다 적은 가열 요건으로 달성될 수 있어, 보다 작은 직경의 컬럼을 야기시킨다는 것이 주지되어야 한다.

본 발명의 다른 바람직한 양태에서, 분별장치 오버헤드로부터의 증기 스트림은 흡수장치에서 제거하기 위해 유리하게 사용된다. 이러한 공정의 일 구체예에서, 분별장치 오버헤드 스트림은 압축되며, 압축의 "자유" 열은 흡수장치로부터의 NGL로부터 메탄 성분들을 효과적으로 제거하기 위해 사용된다.

또한, 팽창기 배출물 중 단지 액체 부분이 흡수장치에 대한 환류물(relfux)로서 사용되는 것이 특별히 인식될 것인데, 이는 도 1 내지 도 4에 예시된 바와 같이, 흡수장치의 중간 또는 하단 섹션으로 팽창기 배출물을 공급하는 것이 요구되는, 지금까지 공지된 구성 및 방법과 전체적으로 상이하다. 팽창기 배출물은 통상적으로 약 80% 증기를 함유하며, 흡수장치의 상부에 증기 부분을 공급함으로써, 흡수장치의 중간 및 하단 부분에서의 증기 운행은 현저하게 감소되며, 이에 따라, 흡수장치의 크기는 더욱 작다. 팽창기가 흡수장치의 하단 섹션으로 배출되는 지금까지 공지된 구성 및 방법에서, 컬럼은 본원에 제시된 바와 같이, 단지 액체 흐름이 아닌, 전체 흐름을 조작하도록 설계되어야 한다. 예를 들어, 현재 공지된 가스 플랜트에서 흡수장치의 크기는 본원에 제시된 구성 및 방법을 이용하는 직경이 10 ft인 흡수장치 크기와 비교하여 1,000 MMscfd 공급 가스에 대해 통상적으로 12 ft의 직경인데, 이는 연안 환경에서 제일 중요한 공간 요건, 관련된 장치 비용 및 중량을 현저하게 감소시킨다.

추가적으로, 제2 분별장치가 보다 낮은 압력 및 온도에서 작동하는 것으로서, 이는 분리의 측면에서 더욱 효율적일 뿐만 아니라, 분별장치를 다시 비등시키기 위해 잔여 가스 압축열을 사용할 수 있으며, 이에 의해 지금까지 공지된 시스템 및 방법들의 스팀 요건 또는 고온 오일 가열을 제거한다는 것이 인식되어야 한다.

일반적으로, 분별장치가 450 내지 550 psig의 압력에서 작동되며, 오버헤드 증기가 흡수장치 보다 적어도 50 psi, 및 더욱 통상적으로 적어도 100 psi, 및 주로 통상적으로 155 psi 높은 흡수장치 압력으로 압축되며, 압축기 배출 증기가 흡수장치에 스트리핑 증기(stripping gas)로서 사용하기에 충분한 온도 및 부피를 갖는다는 것이 또한 바람직하다.

추가적으로, 고려되는 방법은 또한, 터보 팽창기에서 증기상을 팽창시키고 액상을 공급물 교환기로 공급하기 전에 제2 팽창 디바이스에서 액상의 압력을 감소시키는 단계를 포함할 것이다. 본 발명의 대상으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 통상적으로, 공급 가스 냉각이 외부 냉동을 사용하지 않으면서 수행되는 것이 바람직하다. 또 다른 단계에서, 흡수장치의 바닥에서는 또한 JT 밸브를 통해 압력이 감소되어, 공급물 교환기에서 공급 가스의 추가적인 냉각을 제공한다.

본 발명의 대상의 다른 바람직한 양태에서, 공급 가스 공급처 (예를 들어, LNG 수입 터미널, 재가스화 설비 등)로부터 전달된 천연 가스 공급 가스의 탄화수소 노점 조절을 위한 처리 플랜트는 공급 가스 공급처에 유체적으로 연결되고 공급 가스를 냉각된 공급 가스의 액상 및 흡수장치의 바닥 생성물을 사용하여 냉각시키도록 구성된 공급 가스 교환기를 포함할 것이다. 고려되는 플랜트는 또한, 공급 가스 교환기에 유체적으로 연결되고 냉각된 공급 가스를 액상 및 증기상으로 분리시키도록 구성된 상 분리기를 포함할 것이다. 가장 통상적으로, 분별장치는 압축되고 흡수장치에서 스트리핑 가스로서 사용되는 증기상을 형성시키도록 구성된 상부 섹션을 포함한다.

본 발명의 다양한 목적, 특성, 양태 및 장점들은 첨부된 도면과 함께, 본 발명의 바람직한 구체예의 하기 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

종래 기술 도 1은 공급 가스가 열교환기에서 냉각된 잔여 가스 및 측면 리보일러를 이용하여 냉각되는 NGL 회수를 위한 하나의 공지된 구성의 개략도이다.
종래 기술 도 2는 흡수장치/분별장치 컬럼이 탈메탄화 장치의 업스트림에 정위된 NGL 회수를 위한 다른 공지된 구성의 개략도이다.
종래 기술 도 3은 리보일러 및 공급 가스 압축이 공급물 냉각에서 통합되는 NGL 회수를 위한 또 다른 공지된 구성의 개략도이다.
종래 기술 도 4는 리보일러 및 압축된 잔여 가스 재순환이 공급물 냉각에서 통합되는 NGL 회수를 위한 추가의 공지된 구성의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 대상에 따른 NGL 회수를 위한 예시적 구성의 개략도이다.
도 6은 도 5의 예시적 NGL 회수 플랜트에서 가스 스트림의 계산된 조성을 기술한 표이다.

본 발명자들은 자본 및 운용 비용이 현저하게 감소될 수 있고, 특히 연안 적용에서, 풍부한 공급 가스가 처리되며, 중간 정도의 C2 및 C3 회수와 함께 C4+ 회수가 요구되는, NGL 회수의 다양한 구성 및 방법을 발견하였다. 다른 장점들 중에서, 고려되는 구성 및 방법은 장비 사용(equipment service) 횟수를 감소시키고, 잔여 가스 압축 요건을 낮추면서 외부 냉동 및 외부 가열을 제거함으로써 복잡성 및 비용을 현저하게 감소시킨다.

특히 바람직한 구성 및 방법에서, 공급 가스 (통상적으로, C1, C2, C3, 및 C4, 및 보다 무거운 성분들을 포함하는 천연 가스)는 비교적 높은 압력에서 냉각되어, 부분 응축을 달성한다. 증기상 및 액상은 이후에 분리되며, 액상은 공급 가스에 냉각을 제공하기 위해 보다 낮은 압력으로 팽창된다. 압력의 감소 후에, 액상은 분별 컬럼의 하부 섹션으로 공급되며, 증기상은 터보팽창기를 통해 팽창되고, 제1 분별장치 (흡수장치)의 상부 섹션에 공급된다. 흡수장치가 비교적 높은 압력 (통상적으로, 550 내지 650 psig)에서 작동되기 때문에, 잔여 가스 재압축 요건은 현저하게 감소된다.

하나의 예시적인 플랜트 구성은 도 5에 도시되어 있는데, 여기에서 도 6의 표에 기술된 바와 같은 통상적인 조성을 갖는, 약 1,000 psig의 압력 및 약 100℉의 온도에서의 습윤 공급 가스(1)는 분자체 건조기(51)에서 건조되어, 스트림(2)을 형성한다. 이에 따라 건조된 가스 스트림(2)은 액체 스트림(6 및 11) 및 잔여 가스 스트림(9)로부터의 냉동 함량을 이용하는 교환기(52)에서 약 -65℉의 온도로 냉각되어 스트림(3)을 형성한다. 이에 따라 냉각된 가스 스트림(3)은 이후에 상 분리기(53)에서 액체 부분인 스트림(5), 및 증기 부분인 스트림(4)으로 분리된다.

액체 부분(5)은 JT 밸브(54)를 통해 약 475 psig의 압력으로 압력이 감소되고, 약 -106℉로 냉각되어 스트림(6)을 형성하며, 이는 스트림(7)으로서 분별장치(59)의 하부 섹션으로 진입하기 전에 교환기(52)에서 약 70℉로 가열된다. 증기 부분(4)은 약 -109℉에서 터보팽창기(55)를 통해 약 550 psig로 팽창되어 스트림(8)을 형성하며, 이는 흡수장치(70)의 상부로 공급된다. 본원에서 숫자와 함께 사용되는 용어 "약"은 수치의 절대값에서 20% 낮은 수치에서 출발하여 수치 절대값에서 20% 높은 (경계값 포함) 수치의 범위를 지칭한다. 예를 들어, 용어 "약 -150℉"는 -120℉ 내지 -180℉의 범위를 지칭하며, 용어 "약 1500 psig"는 1200 psig 내지 1800 psig의 범위를 지칭한다. 또한, 그리고, 문맥이 상반되게 기술하지 않는 한, 본원에 기술된 모든 범위는 이의 종결점을 포함하는 것으로서 해석될 것이며, 개방형 범위(open-ended range)는 상업적으로 실용적인 수치를 포함하는 것으로 해석될 것이다. 유사하게, 모든 수치의 리스트는 문맥에서 상반되게 기술하지 않는 한, 중간 수치를 포함하는 것으로 여겨질 것이다. 일부 구체예에서, 터보팽창기(55) 내에서 가스의 팽창 에너지가 압축기(56) 또는 팽창 에너지를 회수하기 위한 다른 디바이스를 구동시키기 위해 사용될 수 있다는 것이 주지된다. 일부 구체예에서, 터보팽창기(55)에서의 팽창 에너지는 또한 압축기(57)를 구동시키기 위해 사용될 수 있다.

증기 부분(4)이 증기 부분(4)을 부분적으로 응축시켜 증기상 및 액상을 포함하는 2-상 스트림(8)을 형성하는 방식으로 터보팽창기(55)를 통해 팽창되는 것이 고려된다. 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 5 vol%는 증기상으로 존재한다. 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 10 vol%는 증기상으로 존재한다. 또 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 20 vol%는 증기상으로 존재한다. 또 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 30 vol%는 증기상으로 존재한다. 또 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 40 vol%는 증기상으로 존재한다. 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 60 vol%는 증기상으로 존재한다. 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 80 vol%는 증기상으로 존재한다. 팽창된 스트림의 나머지는 환류 스트림(reflux stream)으로 역할을 하기 위해 액상으로 존재한다. 이에 따라, 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 5 vol%는 액상으로 존재한다. 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 20 vol%는 액상으로 존재한다. 또 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 30 vol%는 액상으로 존재한다. 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 40 vol%는 액상으로 존재한다. 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 60 vol%는 액상으로 존재한다. 다른 일부 구체예에서, 스트림(8)의 적어도 80 vol%는 액상으로 존재한다.

흡수장치(70)의 작동 압력은 약 550 내지 약 650 psig 또는 보다 높은 범위이며, 상부 섹션 온도는 약 -100℉이며, 바닥 섹션은 약 -15℉이다. 팽창기 배출물로부터 단지 액체 부분이 환류물로서 사용되며, 증기 부분은 잔여 가스의 일부를 형성한다는 것이 주지되어야 한다. 흡수장치에는 분별장치 컬럼(59)으로부터 고온 압축기 배출 스트림(16)이 제거된다.

일부 구체예에서, 오버헤드 가스 스트림(9)은 흡수장치(70)로부터의 잔여 가스, 및 스트림(8)의 증기 부분 중 적어도 일부를 포함한다. 일부 구체예에서, 오버헤드 가스 스트림(9)은 약 95 mol%의 메탄 함량을 갖는다. 흡수장치(70)에서 나오는 오버헤드 가스 스트림(9)은 저온 (약 -100℉)을 가지며, 오버헤드 가스 스트림(9)의 냉동 함량은 천연 가스 공급물(2)을 냉각시키기 위해 사용된다. 흡수장치 바닥 스트림(10)은 약 450 psig로 압력이 감소되고 -14℉로 냉각되어 스트림(11)을 형성하며, 냉동 함량은 교환기(52)에서 공급 가스를 냉각시켜 스트림(21)을 형성시키기 위해 사용된다. 가열된 가스는 분별장치 컬럼(59)의 상부로 급송된다.

천연 가스 공급물(2)을 냉각시키기 위해 사용한 후에, 열교환기(52)에서 나오는 가온된 가스 스트림(17)은 압축기(56)에 의해 압축되고, 압축된 가스 스트림(18)이 된다. 일부 구체예에서, 가스 스트림(18)은 압축기(57)에 의해 추가로 압축되어 압축된 가스 스트림(19)을 형성하며, 이는 리보일러(62)에서 분별장치(59)로부터의 생성물을 다시 비등시키기 위해 사용된다. 이에 따라 냉각된 잔여 가스 스트림(15)은 이후에 플랜트에서 잔여 가스 스트림(20)으로서 (예를 들어, 파이프라인 가스로서) 잔류하기 전에 공기 냉각기(58)에 공급된다. 이러한 구성이 연안 작업에 유리한 온 스펙 생성물(on spec product)을 형성시키고 유해하거나 그밖에 요망되지 않는 방출물을 제거하면서, 외부 가열 또는 연료 가스 가열기를 필요로 하지 않는 것으로 인식될 것이다.

분별장치(59)는 바닥 액체 스트림(12) 중에서의 메탄 함량을 바람직하게 2 mol% 이하로 유지시키거나 요망되는 경우에 NGL 생성물의 증기압 사양을 충족시키기 위해 리보일러(62)를 사용한다. 분별장치에서 비교적 낮은 작동 압력으로 인하여, 리보일러는 분별 장치 바닥 생성물(13)을 다시 비등시키기 위해 잔여 가스 압축기 배출 스트림(19)으로부터의 저온 압축열을 사용할 수 있고, 이에 따라 외부 가열 요건을 제거할 수 있다. 분별장치(59)는 압축기(63)로 진행되는 분별장치 오버헤드 생성물(14)을 형성시키도록 구성된다. 상술된 바와 같이, 압축된 스트림(16)은 이후에 흡수장치(70)의 바닥 섹션으로 진행되며, 바닥 생성물의 부분은 C2+ NGL 생성물 스트림(12)으로서 남겨진다.

공급 가스에 대하여, 일반적으로 적합한 공급 가스가 C1, C2 및 C3+를 포함할 것이고 추가로 N₂ 및 CO₂를 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 그 결과, 공급 가스의 특성이 상당히 다를 수 있으며 플랜트에서의 모든 공급 가스들이 C1 및 C3 성분들, 및 더욱 통상적으로 C1 내지 C5 및 보다 무거운 성분들, 및 가장 통상적으로 C1 내지 C6 및 보다 무거운 성분들을 포함하는 한 적합한 공급 가스로 여겨지는 것으로 인식될 것이다. 이에 따라, 특히 바람직한 공급 가스는 천연 가스 (예를 들어, LNG로부터 재 가스화 후, 가스로부터 또한 형성되는 CO₂ 제거 후), 정유 가스, 및 석탄, 원유, 나프타, 오일 셰일(oil shale), 타르 샌드(tar sand), 및 갈탄(lignite)과 같은 다른 탄화수소 물질들로부터 얻어진 합성 가스 스트림을 포함한다. 적합한 가스는 또한 비교적 더 적은 양의 보다 무거운 탄화수소, 예를 들어 프로판, 부탄, 펜탄, 등, 뿐만 아니라 수소, 질소, 이산화탄소 및 다른 가스들을 함유할 수 있다. 특정 공급 가스에 따라, 공급 가스의 압력은 달라질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 공급 가스가 약 700 psig 내지 약 1400 psig, 및 더욱 통상적으로 약 900 psig 내지 약 1200 psig의 압력을 갖는 것이 바람직하다.

가장 적합한 적용에 대하여, 고려되는 구성 및 방법은 외부 냉동을 사용하지 않으면서, 적어도 95%의 C4 및 보다 무거운 탄화수소, 및 60% 내지 80%의 C3 성분, 및 20% 내지 50%의 C2 성분을 회수하기 위해 단일 분별장치를 사용한다. 이에 따라, 공급 가스 냉각 및/또는 증기 생성물의 냉각이 외부 냉동을 사용하지 않으면서 수행된다는 것이 주지되어야 한다 (예를 들어, 냉동 요건의 적어도 90%는 공정 스트림의 팽창으로부터 형성된다). 또한, 단일 컬럼 구성이 또한 서로의 상부 상에 적층된 두 개의 별도의 컬럼과 함께 사용될 수 있지만, 흡수장치 및 분별장치에 상응하는 기능을 갖는 것이 본원에서 사용하기에 적합한 것으로 또한 여겨진다는 것이 인식될 것이다. 또한, 본 구성 및 방법에서 사용되는 건조기, 분리기, 분별장치, 열교환기, JT-밸브, 잔여 가스 압축기, 및 터보팽창기가 당업자에게 널리 공지된 통상적인 디바이스인 것으로 추가로 고려된다.

고려되는 구성의 다른 장점들 중에서, 상 분리기가 공급 가스로부터 C5+ 풍부한 액체, 및 C5+ 감손된(depleted) 증기를 형성시키는 것으로 특히 인지될 것이다. 따라서, 이에 따라 형성된 C5 풍부한 액체는 생성물 액체 사양을 충족시키기 위해 분별장치의 하부 섹션에서 유리하게 분별될 수 있다. 추가적으로, 공급물 냉각기 및 공급물 상 분리기를 사용함으로써 그리고 추가로 공급물 냉각기로부터의 증기를 냉각시키고 (C5+ 풍부한 액체 및 C5+ 감손된 증기를 형성시키기 위해) 분리기에서 냉각된 증기들을 분리시킴으로써, 보다 무거운 성분들 전체는 아닐지라도 대부분은 공급 가스로부터 제거된다는 것이 인식될 것이다. 그 결과, 냉각 섹션을 통해 흐르는 물질의 조성물은 분별장치의 상부 섹션에서의 공급 가스 중의 무거운 성분들의 처리가 제거될 수 있기 때문에, 실질적으로 안정화된다. 이에 따라, 열부하(heat duty), 터보 팽창기, 및 분별장치는 가장 효율적인 포인트에서 작동할 것이다. 이에 따라, 고려되는 구성 및 공정들은 풍부한 공급 가스 조성물을 조작할 수 있으며, 이에 의해 대부분의 종래 기술의 냉동 유닛의 복잡성을 제거한다. 다른 관점으로 보면, 고려되는 공정들은 공급 가스에서 C5+ 성분의 제거에 의해 NGL 회수 플랜트에 대한 일정한 작업 조건을 유지시킨다.

이전에 수행된 계산 (데이타 미도시됨)에 따르면, 고려되는 구성은 적어도 60%, 및 더욱 통상적으로 78% 프로판 회수, 및 적어도 85%, 및 더욱 통상적으로 95% 부탄 회수를 달성할 것이다 (도 6 참조). 본원에서 사용하기에 적합한 추가 고찰, 구성, 및 방법은 미국특허번호 제6,601,406호, 제6,837,7070호, 제7,051,552호, 제7,051,552호 및 제7,377,127호에 기재되어 있으며, 이러한 문헌 모두는 본원에 참고로 포함된다. 천연 가스 처리 플랜트가 NGL 회수에서의 효율을 달성하기 위해 상술된 특성들 모두를 포함하지 않아도 된다는 것이 고려된다. 이에 따라, 천연 처리 플랜트는 상술된 특성들 중 단지 서브세트(subset)를 포함할 수 있다. 이러한 구체예들 중 일부에서, 천연 처리 플랜트는 또한 본원에 기술되지 않은 추가적인 특성들을 포함할 수 있다.

예를 들어, 일부 구체예의 천연 가스 처리 플랜트는 터보팽창기 및 흡수장치를 포함할 수 있다. 터보팽창기는 액상 및 증기상을 갖는 2-상 스트림을 생성시키기 위해 증기 스트림의 압력을 감소시키도록 구성된다. 흡수장치는 예를 들어 환류물로서 액상을 사용하기 위해 2상 스트림을 소정 위치에서 수용하도록 구성된다. 흡수장치는 흡수장치 오버헤드 생성물 및 흡수장치 바닥 생성물을 형성시키도록 추가로 구성된다. 바람직하게, 필수적인 것은 아니지만, 터보팽창기로 진입하는 증기 스트림은 열교환기에 의해 냉각된 천연 가스 공급물을 포함한다. 이러한 구체예들 중 일부에서, 흡수장치 오버헤드 생성물은 열교환기로 다시 돌아가는데, 여기에서 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 흡수장치 오버헤드 생성물의 냉동 함량이 사용된다.

바람직하게, 필수적인 것은 아니지만, 천연 가스 공급물을 냉각시키기 위해 사용한 후에, 흡수장치 오버헤드 생성물은 압축되고 분별장치 내의 함유물을 다시 비등시키기 위해 사용된다. 또한, 터보팽창기로 진입하는 증기 스트림은 열교환기에 의해 냉각되는 천연 가스 공급물을 포함한다. 이러한 구체예들 중 일부에서, 흡수장치 바닥 생성물은 열교환기로 다시 재순환되는데, 여기서 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 흡수장치 바닥 생성물의 냉동 함량이 사용된다.

이미 기술된 것들 이외에 더욱 많은 개질예가 본원의 본 발명의 개념을 벗어나지 않고 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 이에 따라, 첨부된 특허청구범위의 사상을 제외하고는 본 발명의 대상이 제한되지 않는다. 또한, 명세서 및 특허청구범위 둘 모두를 해석 시에, 모든 용어는 문맥과 일치하는 가장 넓은 가능한 방식으로 해석될 것이다. 특히, 용어 "포함하다" 및 "포함하는"은 요소(element), 성분, 또는 단계를 비-배타적인 방식으로 지칭하는 것으로서 해석될 것이며, 이는 언급된 요소, 성분 또는 단계가 명확하게 언급되지 않은 다른 요소, 성분 또는 단계와 함께 존재하거나, 사용되거나, 조합될 수 있음을 명시하는 것이다. 명세서 청구항이들이 A, B, C … 및 N으로 이루어진 군으로부터 선택된 것 중 적어도 하나를 지칭하는 경우에, 본문은 A 플러스 N, 또는 B 플러스 N, 등이 아닌, 이러한 그룹으로부터 단지 하나의 요소를 요구하는 것으로서 해석될 것이다.

Claims

천연 가스 스트림을 냉각시키고 냉각된 천연 가스 스트림을 증기 부분 및 액체 부분으로 분리하는 단계,
터보팽창기(turboexpander)를 이용하여 증기 부분의 압력을 감소시키고 이에 의해 액상 및 증기상을 갖는 2-상 스트림을 생성시키는 단계,
2상 스트림을 흡수장치(absorber)에 공급하여, 액상이 흡수장치 오버헤드 생성물 및 흡수장치 바닥 생성물을 형성시키는 흡수장치에서 환류물(reflux)이도록 하는 단계,
바닥 생성물의 압력을 감소시키고, 압력 감소 후의 바닥 생성물을, 분별장치 바닥 생성물 및 분별장치 오버헤드 생성물을 형성시키는 분별장치로 공급하는 단계, 및
분별장치 오버헤드 생성물을 압축시키고 압축된 분별장치 오버헤드 생성물을 흡수장치에서 스트리핑 가스(stripping gas)로서 사용하는 단계를 포함하는 천연 가스 스트림을 처리하는 방법.
제1항에 있어서, 천연 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 위해 흡수장치 오버헤드 생성물의 냉동 함량(refrigeration content)을 사용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 천연 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 위해 압력 감소 후의 바닥 생성물 및 액체 부분의 냉동 함량을 사용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 흡수장치 오버헤드 생성물을 압축시키고 분별장치를 다시 비등시키기 위하여 압축된 흡수장치 오버헤드의 열 함량(heat content)을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
천연 가스 스트림을 냉각시키도록 구성된 열교환기, 및 냉각된 천연 가스 스트림을 수용하고 증기 부분 및 액체 부분으로 분리시키도록 구성된 상 분리기;
흡수장치 및 상 분리기에 연결되고, 증기 부분의 압력을 감소시켜 액상 및 증기상을 갖는 2-상 스트림을 생성시키도록 구성된 터보 팽창기로서, 흡수장치가 환류물로서 액상을 사용하기 위하여 소정의 위치에서 2상 스트림을 수용하도록 구성되고 흡수장치 오버헤드 생성물 및 흡수장치 바닥 생성물을 형성시키도록 추가로 구성된 터보 팽창기;
흡수장치에 유체적으로 연결되고 바닥 생성물의 압력을 감소시키도록 구성된 압력 감소 디바이스;
압력 감소 후의 바닥 생성물을 수용하도록 구성되고 분별장치 바닥 생성물 및 분별장치 오버헤드 생성물을 형성시키도록 추가로 구성된 분별장치;
분별장치와 흡수장치 사이에 유체적으로 연결된 압축기로서, 분별장치 오버헤드 생성물을 수용하고 압축하고 압축된 분별장치 오버헤드 생성물을 스트리핑 가스로서 흡수장치에 제공하도록 구성된 압축기를 포함하는 천연 가스 처리 플랜트.
제5항에 있어서, 열교환기가 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 흡수장치 오버헤드 생성물의 냉동 함량을 사용할 수 있도록 구성된 플랜트.
제6항 또는 제7항에 있어서, 열교환기가 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 압력 감소 후의 액체 부분 및 바닥 생성물의 냉동 함량을 사용할 수 있도록 추가로 구성된 플랜트.
제5항에 있어서, 흡수장치 오버헤드 생성물을 압축시키도록 구성된 잔여 가스 압축기를 추가로 포함하며, 분별장치가 분별장치를 다시 비등시키기 위해 압축된 흡수장치 오버헤드의 열 함량을 사용하도록 구성된 리보일러(reboiler)를 사용하는 플랜트.
액상 및 증기상을 갖는 2-상 스트림을 흡수장치의 상부 부분에 공급하여, 액상을 환류 스트림으로서 운용하게 하는 단계를 포함하는 천연 가스 처리 플랜트에서 흡수장치를 작동시키는 방법으로서, 2-상 스트림이 천연 가스 스트림의 증기 부분의 팽창에 의해 형성되는 방법.
제9항에 있어서, 공급 가스(feed gas)의 증기 부분의 팽창이 터보팽창기를 이용하여 수행되는 방법.
제9항에 있어서, 천연 가스 스트림이 3% 이상의 C3+를 갖는 풍부한 천연 가스 스트림이며, 천연 가스 스트림이 1000 psig 이상의 압력을 갖는 방법.
흡수장치를 이용하여 흡수장치 오버헤드 생성물을 형성시키고 흡수장치 오버헤드 생성물을 송출 압력(delivery pressure)으로 압축시키는 단계, 및
분별장치 리보일러에서 압축된 흡수장치 오버헤드 생성물로부터의 열 함량을 이용하는 단계를 포함하는, 흡수장치 및 분별장치를 갖는 천연 가스 처리 플랜트의 분별장치 리보일러를 작동시키는 방법.
제12항에 있어서, 흡수장치 오버헤드 생성물을 압축시키는 단계 이전에 열교환기에서 천연 가스 공급 스트림으로부터의 열을 이용하여 흡수장치 오버헤드 생성물을 가열시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
증기 스트림의 압력을 감소시켜 액상 및 증기상을 갖는 2-상 스트림을 생성시키도록 구성된 터보팽창기로서, 2-상 스트림이 천연 가스 스트림의 증기 부분의 팽창에 의해 형성되는 터보팽창기; 및
터보팽창기에 연결되고 환류물로서 액상을 사용하기 위해 소정 위치에서 2상 스트림을 수용하도록 구성된 흡수 장치로서, 흡수장치 오버헤드 생성물 및 흡수장치 바닥 생성물을 형성시키도록 추가로 구성된 흡수장치를 포함하는, 천연 가스 처리 플랜트.
제14항에 있어서, 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 흡수장치 오버헤드 생성물을 사용하도록 구성된 열교환기, 및 냉각된 천연 가스 스트림을 수용하고 증기 부분 및 액체 부분으로 분리하도록 구성된 상 분리기를 추가로 포함하는 천연 가스 처리 플랜트.
제14항에 있어서, 천연 가스 스트림이 3% 이상의 C3+를 갖는 풍부한 천연 가스 스트림이며, 천연 가스 스트림이 1000 psig 이상의 압력을 갖는 천연 가스 처리 플랜트.
제14항에 있어서, 흡수장치 오버헤드 생성물이 압축되며, 압축된 오버헤드 생성물이 분별장치를 다시 비등시키기 위해 사용되는 천연 가스 처리 플랜트.
제17항에 있어서, 분별장치로부터의 분별장치 오버헤드 생성물이 압축되며, 압축된 분별장치 오버헤드 생성물이 스트리핑 가스로서 흡수장치에 공급되는 천연 가스 처리 플랜트.
흡수장치 오버헤드 생성물을 형성시키고 흡수장치 오버헤드 생성물을 송출 압력으로 압축시키도록 구성된 흡수장치; 및
분별장치 내의 함유물을 다시 비등시키기 위해 압축된 흡수장치 오버헤드 생성물로부터의 열 함량을 사용하도록 구성된 분별장치를 포함하는, 천연 가스 처리 플랜트.
제19항에 있어서, 흡수장치 오버헤드 생성물이 흡수장치로 진입하기 전에 천연 가스 공급 스트림으로부터의 열을 이용하여 열교환기에서 가열되는 천연 가스 처리 플랜트.
천연 가스 스트림을 냉각시키고 냉각된 천연 가스 스트림을 증기 부분 및 액체 부분으로 분리하는 단계, 및
냉각된 증기 부분을 흡수 장치에 공급하여 흡수장치 오버헤드 생성물 및 흡수장치 바닥 생성물을 형성시키는 단계로서, 흡수장치 오버헤드 생성물의 냉동 함량이 천연 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 위해 사용되는 단계를 포함하는, 천연 가스 스트림을 처리하는 방법.
제21항에 있어서, 천연 가스 스트림을 냉각시키는 단계가 터보팽창기를 이용하여 증기 부분의 압력을 감소시키는 것을 포함하는 방법.
천연 가스 스트림을 냉각시키도록 구성된 열교환기, 및 냉각된 천연 가스 스트림을 수용하고 증기 부분 및 액체 부분으로 분리시키도록 구성된 상 분리기; 및
증기 부분을 수용하고 흡수장치 오버헤드 생성물을 형성하도록 구성된 흡수장치로서, 흡수장치 오버헤드 생성물의 냉동 함량이 열교환기에서 천연 가스 스트림을 냉각시키기 위해 사용되는 흡수장치를 포함하는, 천연 가스 처리 플랜트.
제23항에 있어서, 증기 부분이 흡수장치에 도달하기 전에 증기 부분의 압력을 감소시키도록 구성된 터보팽창기를 추가로 포함하는, 천연 가스 처리 플랜트.