KR20160038030A - System and integrated process for liquid natural gas production - Google Patents
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천연가스 스트림으로부터 액화 천연가스(LNG)를 생산하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 시스템은 천연가스 스트림으로부터 수분을 제거하고 이를 압축하기 위해 수분 제거 장치 및 압축기를 포함한다. 냉각된 압축 방출 스트림을 방출하기 위해, 저수분의 압축 천연가스 스트림이 열교환기에서 냉각된다. 다상 터보 팽창기는 상기 냉각된 압축 방출 스트림의 추가적인 냉각 및 팽창을 제공하여, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림을 발생시킨다. 상기 팽창된 배출 스트림은 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림 및 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 발생시키도록 분리된다. 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림의 추가적인 분리는, 액화 천연가스 출력 스트림 및 실질적으로 아이스/고체 CO2로 구성되는 출력 스트림을 발생시킨다.A system and method for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural gas stream is provided. The system includes a moisture removal device and a compressor to remove moisture from the natural gas stream and compress it. To release the cooled compressed discharge stream, a low moisture compressed natural gas stream is cooled in the heat exchanger. The polyphase turboexpander provides additional cooling and expansion of the cooled compressed discharge stream to produce an expanded discharge stream comprising a mixture of LNG / ice / solid CO 2 slurry substantially consisting of CH 4 . The expanded effluent stream is separated to produce a vapor stream consisting essentially of CH 4 and a liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream. Additional separation of the liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream produces an output stream consisting of a liquefied natural gas output stream and substantially ice / solid CO 2 .
Description
본 발명은 액화 천연가스(LNG) 생산을 위한 시스템 및 프로세스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 천연가스 정화 및 냉동 단계들을 단일 프로세스로 통합하는, 액화 천연가스를 위한 시스템 및 프로세스에 관한 것이다.The present invention relates to systems and processes for the production of liquefied natural gas (LNG). More particularly, the present invention relates to a system and process for liquefied natural gas, which integrates natural gas purification and refrigeration steps into a single process.
파이프라인 품질의 천연가스로부터의 통상적인 액화 천연가스 생산은, 전형적으로 제1 처리 단계, 즉 정화 단계에서 먼저 수분 및 CO2가 제거되고, 후속의 제2 처리 단계에서 액화를 제공하도록 냉동이 사용되는, 2단계 프로세스를 사용한다. 이들 복수의 프로세스 단계들을 통합시키기 위하여, 예전에는 액화 천연가스의 생산 시 천연가스 정화 및 냉동 프로세스들을 통합하려는 시도가 제공되었다. 전형적으로, 이들 시도는, 액화 천연가스, 아이스(ice), 및 고체 CO2로 구성되는 슬러리가 초기에 액화에 요구되는 에너지가 제공되는 외부 냉동 시스템 및 노즐의 팽창 중에 생성되는 프로세스에 기초하였다. 일반적으로, 최소의 설비 통합 제공되며, 따라서 상당한 설비 점유면적이 요구된다. 이는 액화 천연가스의 생산을 위한 값비싼 시스템 및 프로세스를 초래한다. 나타난다.Conventional liquefied natural gas production from pipeline-quality natural gas is typically used to remove moisture and CO 2 first in the first treatment step, i.e., the purge step, and to use liquefaction in subsequent second processing steps , A two-step process. In order to integrate these multiple process steps, attempts have previously been made to integrate natural gas purification and refrigeration processes in the production of liquefied natural gas. Typically, these attempts were based on an external refrigeration system in which slurry composed of liquefied natural gas, ice, and solid CO 2 is initially provided with the energy required for liquefaction and a process that occurs during the expansion of the nozzle. In general, minimal equipment integration is provided, thus requiring substantial equipment footprint. This results in costly systems and processes for the production of liquefied natural gas. appear.
또한, 예를 들어 전술한 2단계 프로세스와 같은 알려진 이들 LNG 생산 프로세스는 자본 집약적일 뿐만 아니라 에너지 집약적일 수 있다. Also, these LNG production processes, for example known as the two-step process described above, can be energy intensive as well as capital intensive.
따라서 액화 천연가스의 생산을 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공할 것이 요망되고 있다. Accordingly, there is a desire to provide an improved system and method for the production of liquefied natural gas.
종래 기술의 이들 및 다른 단점은 액화 천연가스의 생산을 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 본 발명에 의해 해소된다.These and other disadvantages of the prior art are overcome by the present invention which provides an improved system and method for the production of liquefied natural gas.
본 발명의 일 양태는 천연가스 스트림으로부터 액화 천연가스(LNG)를 생산하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 수분 제거 장치, 압축기, 열교환기, 다상(multi-phase) 터보 팽창기, 분리기, 및 적어도 하나의 추가적인 분리기를 포함한다. 상기 수분 제거 장치 및 압축기는 천연가스 스트림으로부터 수분을 제거하고 그리고 이를 압축하여, 저수분의 압축 천연가스 스트림을 발생시킨다. 상기 열교환기는 저수분의 압축 천연가스 스트림을 냉각하여, 냉각된 압축 방출 스트림을 발생시킨다. 다상 터보 팽창기는 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 팽창시켜, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물로 구성되는, 팽창된 배출 스트림을 발생시킨다. 상기 분리기는 팽창된 배출 스트림을 분리시켜, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림 및 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 발생시킨다. 상기 적어도 하나의 추가적인 분리기는 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 분리시켜, 액화 천연가스 출력 스트림 및 실질적으로 아이스/고체 CO2로 구성되는 출력 스트림을 발생시킨다. One aspect of the present invention is directed to a system for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural gas stream comprising a water removal device, a compressor, a heat exchanger, a multi-phase turboexpander, a separator, One additional separator. The moisture removal device and compressor remove moisture from the natural gas stream and compress it to produce a low-moisture compressed natural gas stream. The heat exchanger cools the low moisture compressed natural gas stream to produce a cooled compressed discharge stream. Multi-phase turboexpander generates, the expanded exhaust stream consisting of a mixture of vapor and liquid natural gas / ice / solid CO 2 to the slurry consisting of the expansion cooling the compressed effluent stream, substantially as CH 4. The separator is to separate the expanded effluent stream, thereby generating a substantially vapor stream and a liquid natural gas / ice / solid CO 2 to the slurry stream consisting of CH 4. The at least one additional separator separates the liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream to produce an output stream consisting of a liquefied natural gas output stream and substantially ice / solid CO 2 .
본 발명의 다른 양태는 천연가스 스트림으로부터 액화 천연가스(LNG)를 생산하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 적어도 하나의 압축 스테이지, 적어도 하나의 냉각 스테이지, 및 적어도 하나의 팽창 스테이지를 포함한다. 상기 적어도 하나의 압축 스테이지 및 적어도 하나의 냉각 스테이지는 천연가스 스트림을 압축 및 냉각하여, 냉각된 압축 방출 스트림을 발생시키도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 팽창 스테이지는 냉각된 압축 방출 스트림을 팽창시켜, 팽창된 배출 스트림을 발생시키도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 팽창 스테이지는 냉각 스테이지 및 압축 스테이지와 유체 연통되는, 적어도 하나의 다상 터보 팽창기를 포함한다. 상기 다상 터보 팽창기는 하우징, 상기 하우징 내에 배치되는 적어도 하나의 회전형 요소, 하우징에 배치되며 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 입구, 및 하우징에 배치되며 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 출구를 포함한다. Another aspect of the invention relates to a system for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural gas stream, said system comprising at least one compression stage, at least one cooling stage, and at least one expansion stage. The at least one compression stage and the at least one cooling stage are configured to compress and cool the natural gas stream to produce a cooled compressed effluent stream. The at least one expansion stage is configured to expand the cooled compressed discharge stream to produce an expanded discharge stream. The at least one expansion stage includes at least one multiphase turboexpander in fluid communication with the cooling stage and the compression stage. The multi-phase turboexpander housing, is arranged on at least one rotatable element, a housing disposed in the housing is disposed at least one inlet, and a housing configured to receive the cooled compressed discharge stream consists substantially CH 4 And at least one outlet configured to discharge an expanded exhaust stream comprising a mixture of steam and liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry.
본 발명의 또 다른 양태는 천연가스 스트림으로부터 액화 천연가스(LNG)를 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 입력 천연가스 스트림을 제공하는 단계; 수분을 제거하고, 상기 천연가스 스트림을 압축 및 냉각하여, 냉각된 압축 방출 스트림을 발생시키는 단계; 다상 터보 팽창기에서 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 팽창시켜, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림을 발생시키는 단계; 적어도 하나의 분리기에서 상기 팽창된 배출 스트림을 분리하여, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림 및 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 발생시키는 단계; 및 적어도 하나의 추가적인 분리기에서 상기 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 분리시켜, 실질적으로 아이스/고체 CO2로 구성되는 출력 스트림과 액화 천연가스(LNG) 출력 스트림을 발생시키는 단계를 포함한다. Another aspect of the present invention is directed to a method for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural gas stream, said method comprising: providing an input natural gas stream; Removing moisture, compressing and cooling the natural gas stream to produce a cooled compressed discharge stream; By the step of expanding the compressed discharge stream from the cooling multi-phase turboexpander, generating an expanded exhaust stream that substantially comprises a mixture of vapor and liquid natural gas / ice / solid CO 2 slurry consisting of CH 4; Separating the expanded effluent stream in at least one separator to produce a vapor stream and a liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream substantially consisting of CH 4 ; And separating the liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream from at least one additional separator to produce an output stream and a liquefied natural gas (LNG) output stream substantially consisting of ice / solid CO 2 do.
전술한 특징의 다양한 개선은 본 발명의 다양한 양태와 관련하여 존재한다. 추가적인 특징 또한 다양한 양태로 통합될 수 있다. 이들 개선 및 추가적인 특징은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예들 중 하나 이상과 관련하여 이하에 기재하는 다양한 특징은 본 발명의 전술한 임의의 양태에 단독으로 또는 임의의 조합으로 통합될 수 있다. 또한, 전술한 개요는 단지 읽는 사람으로 하여금 청구된 주제에 대한 제한 없이 본 발명의 어떤 양태 및 내용에 친숙하게 하려는 것으로 의도된다.Various improvements of the foregoing features exist in connection with various aspects of the present invention. Additional features may also be incorporated in various aspects. These improvements and additional features may be present individually or in any combination. For example, various features described below in connection with one or more of the illustrated embodiments may be incorporated into any of the above-described aspects of the invention, alone or in any combination. Furthermore, the foregoing summary is intended merely to enable a reader to be familiar with certain aspects and contents of the present invention without being limited by the claimed subject matter.
본 발명의 이런 및 다른 특징, 양태, 및 이점은 이하의 상세한 설명이 도면 전체를 통해 유사한 도면부호가 유사한 부분을 나타내는 첨부한 도면을 참조하여 판독될 때 더욱 잘 이해될 것이다.These and other features, aspects, and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like parts throughout the drawings.
도 1은 본 명세서에 도시하거나 기재하는 하나 이상의 실시예에 따른, 액화 천연가스 생산을 위한 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 명세서에 도시하거나 기재하는 하나 이상의 실시예에 따른, 액화 천연가스 생산을 위한 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 명세서에 도시하거나 기재하는 하나 이상의 실시예에 따른, 고체, 액체, 및 가스 분리를 위한 다상 터보 팽창기의 개략도이다.
도 4는 본 명세서에 도시하거나 기재하는 하나 이상의 실시예에 따른, 고체, 액체, 및 가스 분리를 위한 다상 터보 팽창기의 개략적인 횡단면도이다.
도 5는 본 명세서에 도시하거나 기재하는 하나 이상의 실시예에 따른, 액화 천연가스의 생산을 위한 예시적인 프로세스에 포함되는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 명세서에 도시하거나 기재하는 하나 이상의 실시예에 따른, 압축의 함수로서 액화 천연가스 수율의 비교도이다.1 is a block diagram of a system for liquefied natural gas production in accordance with one or more embodiments shown or described herein.
2 is a block diagram of a system for liquefied natural gas production according to one or more embodiments shown or described herein.
3 is a schematic diagram of a polyphase turboexpander for solid, liquid, and gas separation, according to one or more embodiments shown or described herein.
4 is a schematic cross-sectional view of a polyphase turboexpander for solid, liquid, and gas separation, in accordance with one or more embodiments shown or described herein.
Figure 5 is a flow chart illustrating the steps involved in an exemplary process for the production of liquefied natural gas, in accordance with one or more embodiments shown or described herein.
6 is a comparison of liquefied natural gas yields as a function of compression, in accordance with one or more embodiments shown or described herein.
본 발명은 어떤 실시예와 관련하여 단지 도시를 위해서만 기재될 것이지만, 그러나 본 발명의 다른 목적 및 이점은 발명에 따른 도면의 이하의 기재에 의해 명확해질 것임을 인식해야 한다. 바람직한 실시예들이 기재되었지만, 이들은 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 본 명세서에 설명되는 일반적인 원리는 단지 본 발명의 범위의 예시적인 것으로 간주되며, 또한 본 발명의 범위로부터의 일탈 없이 수많은 변화가 이루어질 수 있음을 추가로 인식해야 한다. It is to be understood that while the invention will be described in connection with certain embodiments only for purposes of illustration, other objects and advantages of the invention will be apparent from the following description of the drawings according to the invention. While preferred embodiments have been described, they are not intended to be limiting. Rather, the generic principles set forth herein should be considered as illustrative only of the scope of the invention, and it is further to be understood that numerous changes may be made without departing from the scope of the invention.
이하에 상세히 기재하는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 액화 천연가스의 생산에 적합한 시스템 및 프로세스를 제공한다. 이하에 상세히 기재하는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 다상 흐름(가스, 액체, 및 고체)으로 작동할 수 있는 하나 이상의 통합된 다상 터보 팽창기 및 냉동 수단을 포함하는 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 액화 천연가스, 및 CO2 가스, 고체 CO2 및/또는 액체 CO2를 포함하는 천연가스 불순물을 형성하기 위해 가스 스트림을 냉각하는 것을 포함한다. 본 발명의 실시예는 상기 통합된 다상 터보 팽창기 및 냉동 수단을 사용하여 액화 천연가스 생산에 적합한 방법을 추가로 포함한다.As described in detail below, embodiments of the present invention provide systems and processes suitable for the production of liquefied natural gas. As described in detail below, embodiments of the present invention include a system comprising one or more integrated polyphase turbo expanders and refrigeration means capable of operating in a multiphase flow (gas, liquid, and solid). The system includes cooling the gas stream to form liquefied natural gas and natural gas impurities comprising CO 2 gas, solid CO 2, and / or liquid CO 2 . Embodiments of the present invention further include a method suitable for producing liquefied natural gas using said integrated polyphase turboexpander and refrigeration means.
본 명세서에서의 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서, 양, 또는 중요성을 나타내는 것이 아니며, 오히려 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하고 또한 읽는 사람에 특정한 기기 요소로서 명시하기 위한 의도로서 사용된다. 명세서 및 청구범위 전체를 통해 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 그 관련된 기본적인 기능의 변화를 초래하지 않고 허용 가능하게 변화할 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하도록 "근사적 용어(approximating language)"들이 적용될 수 있다. 양(quantity)과 관련하여 사용되는 "약"이라는 수직어는 언급한 값을 포함하며, 또한 문맥에 좌우되는 의미를 갖는다(예를 들어, 특별한 양의 측정과 관련된 에러의 정도를 포함한다). 따라서 "약"과 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식되는 값은 명시된 정확한 값에 제한되지 않는다. 일부 경우에 있어서, 그러한 근사적 용어는 값을 측정하기 위한 기구의 정확도에 상응할 수 있다. The terms "first", "second", and the like in this specification do not denote any order, amount, or importance, but rather distinguish one element from another and also specify the reader as a particular element of the device ≪ / RTI > As used herein throughout the specification and claims, "approximating languages" are applied to modify any quantitative expression that may change acceptably without causing a change in its associated underlying functionality . The vertical word "about" used in connection with the quantity includes the stated value and also has context-dependent meaning (e.g., including the degree of error associated with a particular amount of measurement). Accordingly, the term " about "or the value modulated by the term is not limited to the exact value specified. In some cases, such approximate terms may correspond to the accuracy of the instrument for measuring the value.
이하의 명세서 및 청구범위에 있어서, 단수 형태의 표현은 문맥이 달리 명확하게 표시하지 않는 한 복수의 대상을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "또는"이라는 용어는 배타적인 것을 의미하지 않고, 제시한 언급된 부품들 중 적어도 하나를 지칭하며, 또한 문맥이 달리 명확하게 표시하지 않는 한 언급된 부품들의 조합이 존재할 수 있는 경우를 포함한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 접미사 "(들)"은 일반적으로 그 한정하는 용어의 단수와 복수 모두를 포함하는 것으로 의도되며, 그에 따라 그 용어의 하나 이상을 포함한다(예를 들어, "제트들"은 달리 특정하지 않는 한 하나 이상의 제트를 포함할 수 있다). 명세서 전체를 통해 "일 실시예", "다른 실시예", "실시예" 등에 대한 기준은 실시예와 관련하여 기재하는 특별한 요소(예를 들어, 특징, 구조, 및/또는 특성)가 본 명세서에 기재하는 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 또한 다른 실시예에 존재할 수 있거나 또는 존재하지 않을 수 있음을 의미한다. 마찬가지로, "특별한 구성"에 대한 기준은 구성과 관련하여 기재하는 특별한 요소(예를 들어, 특징, 구조, 및/또는 특성)가 본 명세서에 기재하는 적어도 하나의 구성에 포함되며, 또한 다른 구성에 존재할 수 있거나 또는 존재할 수 없음을 의미한다. 또한, 기재하는 창의적인 특징부는 다양한 실시예 및 구성에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있음을 인식해야 한다. In the following specification and claims, the singular forms " a " include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. As used herein, the term "or" is not meant to be exhaustive and refers to at least one of the recited parts, and also unless the context clearly dictates otherwise, And may be present. Also, in this specification, the suffix "(s)" is generally intended to include both the singular and the plural of that defining term, and thus includes one or more of the terms (e.g., Quot; may include one or more jets unless otherwise specified). Throughout the specification, references to "one embodiment", "another embodiment", "an embodiment", and the like refer to the specific elements (eg, features, structures, and / Quot; is included in at least one embodiment described herein, and may or may not be present in other embodiments. Likewise, the criteria for a "special configuration" may be included in at least one configuration described herein with respect to the configuration and / or the particular element (e.g., feature, structure, and / ≪ / RTI > can be present or can not be present. It should also be appreciated that the described inventive features can be combined in any suitable manner in various embodiments and configurations.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "할 수 있다(may)", "될 수 있다(may be)"라는 용어는 일련의 상황 내에서의 발생의 가능성; 특정한 특성, 특징, 또는 기능의 소유의 가능성을 나타내거나, 및/또는 동사를 수직하여 수식된 동사와 관련된 관련된 능력, 재능, 또는 가능성 중 하나 이상을 나타낼 수 있다. 따라서 상기 "할 수 있다" 및 "될 수 있다"라는 용어의 사용은, 그 수식된 용어가 때로는 적절하지 않거나, 가능하지 않거나 또는 적합하지 않을 수도 있는 일부 경우를 고려할 수 있지만, 상기 수식된 용어가 겉보기로는 지시하는 능력, 기능, 또는 사용에 적합하거나, 가능하거나, 또는 적절하다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 일부 경우에 있어서, 이벤트 또는 능력이 예상될 수 있지만, 다른 상황에서는 그 이벤트 또는 능력이 발생할 수 없으며, 이 차이점은 "할 수 있다" 및 "될 수 있다"라는 용어에 의해 포착된다.As used herein, the term " may ", "may be" may refer to the possibility of occurrence within a set of circumstances; May indicate one or more of the related capabilities, talents, or possibilities associated with a verb that represents a particular feature, feature, or possession of the feature, and / or the verb is vertically modified. The use of the terms "can" and "can" can thus take into account some cases in which the modified term is sometimes inappropriate, unlikely, or unlikely, It appears to be appropriate, feasible, or appropriate for the ability, function, or use to appear. For example, in some cases, an event or capability may be expected, but in other situations the event or capability may not occur and the difference may be captured by the terms "can" and "can" .
이제 도면으로 돌아가서, 도 1은 본 명세서에 도시되거나 기재한 하나 이상의 실시예에 따른 예시적인 액화 천연가스(LNG) 생산 시스템(10)을 도시하고 있다. 상기 LNG 생산 시스템(10)은 천연가스 스트림(16)을 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 스테이지(200)를 포함한다. 시스템(10)은 상기 하나 이상의 냉각 스테이지(200)와 유체 연통되는, 적어도 하나의 압축 스테이지(100)를 추가로 포함한다. 적어도 하나의 압축 스테이지(100)와 적어도 하나의 냉각 스테이지(200)의 조합은, 팽창 스테이지(300)에서 저수분의 압축 천연가스 스트림(21)의 팽창 및 추가적인 냉각 전에, 상기 천연가스 스트림(16)을 압축하고 그리고 부분적으로 냉각하도록 구성된다. 팽창 스테이지(400)에서 (아래에서 설명하는) 다상 터보 팽창기와 유체 연통되는 분리 스테이지(400)는, 저온 CH4 증기와 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 분리, 및 상기 슬러리를 LNG와 고체 CO2 성분으로의 추가적인 분리를 제공한다.Turning now to the drawings, FIG. 1 illustrates an exemplary liquefied natural gas (LNG)
특정한 실시예에 있어서, LNG 생산 시스템(10)은 천연가스 입구(14)와 유체 연통되는 벌크 수분 제거 장치(12)를 포함하며, 상기 천연가스 입구를 통해 천연가스(NG) 스트림(16)이 공급된다. 상기 수분 제거 장치(12)는, 수분 제거 장치(12)의 출구에서 저수분의 NG 스트림(20)을 발생시키기 위해, 상기 NG 스트림(16)으로부터 예비 수분 제거를 제공한다. 실시예에 있어서, 수분 제거 장치(18)는 분자체 베드(molecular sieve bed)로서 구성될 수 있다. 본 기술분야에 알려진 다른 흡수체 및 흡수체 기반 시스템이 사용될 수도 있다. The
적어도 하나의 냉각 스테이지(200)는 수분 제거 장치(12)의 하류에 배치되어 이와 유체 연통되는 (아래에서 설명하는) 하나 이상의 열교환기를 포함한다. LNG 생산 시스템(10)의 작동 중, 하류 열교환기(들)의 결빙을 피하기 위해, NG 스트림(16)의 수분은 수분 제거 장치(12)에서 감소되어야만 한다. 본 명세서에 기재하는 LNG 생산 시스템(10)과는 대조적으로, 통상적인 LNG 액화 플랜트에 있어서, 전형적으로 -100℃ 이하로 작동하는 열교환기가 사용되어, 입력 NG 스트림의 수분이 < 0.5ppm으로 감소될 것을 요구한다. 본 발명에 있어서, 열교환기 내의 NG 스트림(16)의 온도는 전형적으로 -40℃이거나 또는 이보다 미세하게 높아서, 상기 입력 NG 스트림(16)의 수분이 < 180ppm으로 감소될 것을 요구한다. At least one
LNG 생산 시스템(10)의 압축 스테이지(100)는 수분 제거 수단(12)과 하나 이상의 열교환기(24) 사이에 배치되는, 제1 압축기(22)를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 제1 압축기(22)는 수분 제거 장치(12)의 하류에, 그리고 하나 이상의 열교환기(24)의 상류에 배치된다. 제1 압축기(22)는 압축된 NG 스트림(28)을 방출하기 위해 상기 저수분의 NG 스트림(20)의 압축을 제공한다. 보다 구체적으로, 실시예에 있어서, 상기 제1 압축기(22)는 최종 냉각 단계에서 온도의 감소를 제공하기에 충분한 압력으로 상기 저수분의 압축 NG 스트림(21)을 방출한다. The
대안적인 실시예에 있어서, 그리고 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 상기 LNG 생산 시스템은 제1 압축기(22)에서의 압축에 이어, NG 스트림(16)으로부터 수분 제거를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 실시예에 있어서, 상기 LNG 생산 시스템의 압축 스테이지(100)는 수분 제거 수단(12)의 상류에 배치되는 제1 압축기(22), 및 하나 이상의 열교환기(24)를 포함한다. 보다 구체적으로, 도 1의 실시예와는 대조적으로, 상기 수분 제거 장치(12)는 제1 압축기(22)의 하류에, 그리고 하나 이상의 열교환기(24)의 상류에 배치된다. 이 특별한 실시예에 있어서, 제1 압축기(22)는 압축된 NG 스트림(28)을 방출하기 위해 상기 NG 스트림(16)의 압축을 제공한다. 압축된 NG 스트림(28)으로부터의 후속한 수분의 제거는 저수분의 NG 스트림(28), 보다 구체적으로는 저수분의 압축 가스 스트림(21)을 방출한다. In an alternative embodiment, and as best shown in FIG. 2, the LNG production system may provide moisture removal from the
가스의 온도는 통상 압축 일(work)의 결과로 증가된다. 실시예에 있어서, 제1 압축기(22)는 내부 스테이지 냉각을 구비한 다단 압축기(26)를 포함하며, 또한 저수분의 NG 스트림(20)의 압축을 제공한다. 대안적인 실시예에 있어서, 제1 압축기(22)는 그 사이에 배치되는 하나 이상의 공기 냉각기를 갖는 다수의 압축기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 제1 압축기(22)는 제1 압축기(22)의 출구에 압축된 NG 공기 스트림(28)을 발생시킨다. 다단 압축기(26)의 최종 압축 스테이지 후, 공기 냉각기(29)에 의해 NG 냉각이 달성된다.The temperature of the gas is usually increased as a result of compression work. In an embodiment, the
다시 도 1을 참조하면, 도시된 바와 같이, 냉각 스테이지(200)는 상기 저수분의 압축 NG 스트림(21)으로부터 열을 제거하도록 구성되는 하나 이상의 열교환기(24)(그 중 오직 하나만 도시되었다)를 포함한다. 상기 열교환기(24)는 압축 스테이지(100), 보다 구체적으로는 제1 압축기(22)의 하류에 배치된다. 실시예에 있어서, 상기 저수분의 압축 NG 스트림(21)은 하나 이상의 열교환기(24)에서 저온 메탄 증기에 의해 약 -40℃로 예비 냉각되며, 또한 냉각된 압축 방출 스트림(32)을 방출하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 상기 냉각 스테이지(200)는 다수의 열교환기를 포함할 수 있다. 도 1 및 2에서는 단일의 열교환기(24)가 단지 예시적인 실시예로서 도시되어 있고 그리고 상기 열교환기의 실제 개수 및 그 개별적인 구성은 원하는 최종 결과에 따라 변할 수 있음을 인식해야 한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 열교환기(24)는 냉각 매체를 사용하여 냉각될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 열교환기(24)는 냉각 공기, 냉각수, 또는 이 모두를 사용하여 냉각될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 냉각 스테이지(200)는 실질적으로 압력에 영향을 끼치지 않고 상기 저수분의 압축 NG 스트림(21)을 냉각하기 위해, 하나 이상의 인터쿨러(도시되지 않음)를 추가로 포함할 수 있다. Referring again to Figure 1, as shown, the
LNG 생산 시스템(10), 보다 구체적으로 팽창 스테이지(300)는 열교환기(24)로부터 냉각된 압축 방출 스트림(32)을 수용하여 팽창된 배출 스트림(34)을 발생시키도록 구성되는 다상 터보 팽창기(30)를 추가로 포함한다. 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 냉각 스테이지(200)는 본 명세서에 기재하는 바와 같이 다상 터보 팽창기(30)를 포함하는 적어도 하나의 팽창 스테이지(300)와 유체 연통된다. 점선에 의해 도시된 바와 같이, 제1 압축기(22) 및 다상 터보 팽창기(30)는 공통축(36)을 통해 결합되는 것처럼, 전형적으로 기계적으로 결합된다. 대안적으로, 상기 다상 터보 팽창기(30)는 압축기(46)와 기계적으로 결합될 수 있다. 천연가스 스트림, 보다 구체적으로는 냉각된 압축 방출 스트림(32)의 온도는, 고속 흐름에서 정적 온도의 국부적인 강하 및 스로틀링 중 주울-톰슨 효과를 통해 추가적인 온도 감소가 발생되는 다상 터보 팽창기(30)에서의 일의 추출의 결과로서 주로 팽창 프로세스 중에 감소된다. 작동 중, 다상 터보 팽창기(30)에서 회수되는 에너지는 압축 스테이지(100)를 위한 에너지 요건을 부분적으로 오프셋시키는데 사용된다. 천연가스 스트림이 냉각됨에 따라, 그 스트림은 부분적으로 LNG로 전환되며, 또한 수분 및 CO2와 같은 천연가스 불순물이 고체상(solid phase)을 형성한다. 보다 구체적으로, 상기 팽창 프로세스는 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림과 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림(34)을 발생시키는 천연가스의 냉각된 압축 방출 스트림(32)을 추가로 냉각한다.The
실시예에 있어서, NG 스트림(16), 보다 구체적으로는 상기 저수분의 압축 NG 스트림(21)의 수분 함량은 프로세스의 초기에 벌크 수분 제거 시스템, 보다 구체적으로는 수분 제거 장치(12)를 사용하여 LNG 출력물 및 CO2 입자 크기를 최적화하기 위해 상기 다상 터보 팽창기(30)에서의 팽창 전에 조정될 수 있다. 실시예에 있어서, 고체 CO2의 적어도 일부 및 아이스는 NG 스트림(16)으로부터 분리되며, 또한 스트림의 소용돌이 운동을 강제함으로써 상기 다상 터보 팽창기(30)로부터 제거된다. In an embodiment, the water content of the
LNG 생산 시스템(10)은 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림과 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물로 구성되는 상기 팽창된 배출 스트림(34)을 수용하고 그리고 상기 성분들을 실질적으로 CH4로 구성되는 출력 증기 스트림(40)과 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림(42)으로 분리하도록 구성되는, 분리기(38)를 포함하는 적어도 하나의 분리 스테이지(400)를 추가로 포함한다. 보다 구체적으로, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림(40)은 분리기(38)에서 LNG/아이스/CO2 슬러리로부터 분리되며, 또한 제1 압축기(22) 및 다상 터보 팽창기(30) 각각에서의 압축 및 팽창 전에 상기 저수분의 NG 스트림(20)을 예비 냉각하기 위해 화살표에 의해 도시된 바와 같이 LNG 생산 시스템(10)으로 재순환된다. The
보다 구체적으로, 상기 시스템(10)은 도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림(40)의 적어도 일부를 저수분의 NG 스트림(20)으로, 보다 구체적으로는 압축 스테이지(100)의 상류의 저수분의 NG 스트림(20)으로, 또한 재순환 경로(501)의 압축기(22)로 재순환시키도록 구성되는 재순환 스테이지(500)를 추가로 포함한다. 대안적인 실시예에 있어서, 상기 재순환 스테이지(500)는 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림(40)의 적어도 일부를 압축된 NG 스트림(28)으로, 보다 구체적으로는 압축 스테이지(100)의 하류의 압축된 NG 스트림(28)으로, 또한 재순환 경로(501)의 압축기(22)로 재순환시키도록 구성된다. 일부 실시예에 있어서, 저온 CH4 증기 스트림(40)의 회복(recuperation)은 가스 스트림(16)의 추가적인 냉각으로 나타날 수 있다. More specifically, the
실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림(40)의 재순환 프로세스 중, 상기 증기 스트림(40)은 제2 압축기(44)에서 압축된다. 실시예에 있어서, 상기 제2 압축기(44)는, CH4 증기 스트림(40)의 압축을 제공하여 압축된 증기 스트림(48)을 발생시키기 위해, 구동원(46)에 의해 기계적으로 또는 전기적으로 구동되는 것이다.During the recycle process of the
LNG/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림(42)은, 액화 천연가스(LNG) 출력 스트림(52) 및 실질적으로 아이스/고체 CO2로 구성되는 출력 스트림(54)을 형성하기 위해, 액체/고체 분리기(50)에서 분리된다. 실시예에 있어서, 상기 액체/고체 분리기(50)는 중력식 분리기, 사이클론, 소결 금속 필터, 또는 LNG로부터 고체 오염물을 분리하도록 구성되는 임의의 타입의 필터 중 하나이다. LNG / ice / solid CO 2 The
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 LNG 생산 시스템의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 통합된 외부 냉동 시스템을 포함하는 LNG 생산 시스템(60)이 도시되어 있다. 유사한 요소들은 실시예 전체를 통해 유사한 도면부호를 갖는 것을 인식해야 한다. Referring now to Figure 2, an alternative embodiment of the LNG production system of the present invention is shown. More specifically, an
LNG 생산 시스템(60)은 천연가스 입구(14)와 유체 연통되는 제1 압축기(22)를 포함하며, 상기 천연가스 입구를 통해 천연가스(NG) 스트림(16)이 공급된다. 이전의 실시예에 대해 설명한 바와 같이, 상기 제1 압축기(22)는 중간 스테이지 냉각을 구비한 다단 압축기(26)를 포함할 수 있으며, 또한 NG 스트림(16)의 압축을 제공한다. 대안적인 실시예에 있어서, 제1 압축기(22)는 그 사이에 배치되는 하나 이상의 공기 냉각기를 갖는 다수의 압축기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 제1 압축기(22)는 제1 압축기(22)의 출구에서 압축된 NG 공기 스트림(28)을 발생시킨다. LNG 생산 시스템(60)은 제1 압축기(22)와 열교환기(24) 사이에 배치되는, 수분 제거 장치(12)를 추가로 포함한다. 열교환기(24)는 수분 제거 장치(12)의 하류에 배치되며, 그리고 이에 유체 연통된다. 보다 구체적으로, 상기 수분 제거 장치(12)는 제1 압축기(22)의 하류에, 그리고 열교환기(24)의 상류에 배치된다. 상기 열교환기(24)는 저수분의 압축 NG 스트림(21)으로부터 열을 제거하는데 사용된다. 열교환기(24)는 냉각된 압축 방출 스트림(32)을 방출하도록 구성된다. LNG 생산 시스템(60)은 열교환기(24)로부터 상기 냉각된 압축 방출 스트림(32)을 수용하고 그리고 팽창된 배출 스트림(34)을 발생시키도록 구성된다. 상기 제1 압축기(22) 및 다상 터보 팽창기(30)는 통상 공통축(36)을 통해 결합되는 것처럼, 통상적으로 기계적으로 결합된다. 팽창 프로세스는 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림과 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림(34)을 발생시키는 천연가스의 냉각된 압축 방출 스트림(32)을 추가로 냉각한다.The
LNG 생산 시스템(60)은 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림과 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물로 구성되는 상기 팽창된 배출 스트림(34)을 수용하고 그리고 상기 성분들을 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림(40)과 LNG/아이스/CO2 슬러리 스트림(42)으로 분리하도록 구성되는, 분리기(38)를 추가로 포함한다. 앞서 언급한 바와 같이, 저온 증기 CH4는 분리기(38)에서 LNG/아이스/CO2 슬러리로부터 분리되며, 또한 수분 제거 장치(12), 열교환기(24), 및 다상 터보 팽창기(30) 각각에서의 수분 제거, 냉각, 및 팽창 전에 상기 압축된 NG 스트림(28)을 예비 냉각하기 위해 화살표에 의해 도시된 바와 같이 LNG 생산 시스템(60)으로 재순환된다.
실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림(40)의 재순환 프로세스 중, 상기 증기 스트림(40)은 실질적으로 CH4로 구성되는 압축된 증기 스트림(48)을 발생시키기 위해 제2 압축기(44)에서 압축된다. LNG/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림(42)은, 액화 천연가스(LNG) 출력 스트림(52) 및 실질적으로 아이스/고체 CO2로 구성되는 출력 스트림(54)을 형성하기 위해, 액체/고체 분리기(50)에서 분리된다.Substantially of the recycle of the vapor stream (40) consisting of CH 4 process, the
도 1의 실시예와는 대조적으로, 도 2에 도시된 실시예는 저온 증기 스트림(64)을 발생시키도록 구성되는 외부 냉동 시스템(62)을 추가로 포함한다. 상기 외부 냉동 시스템(62)은 열교환기(24)와 유체 연통하도록 구성된다. 작동 중, 외부 냉동 시스템(62)은 다상 터보 팽창기(30)에서의 팽창 전에, 열교환기(24)에서 약 -40 ℃로 예비 냉각을 제공한다. 상기 저온 증기 스트림(64)은 -60℃까지 방출 스트림(32)의 추가적인 냉각을 제공한다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 외부 냉동 시스템(62)이 요구되지 않더라도, 이런 추가적인 냉동 수단의 사용은 열교환기(24)에 추가적인 에너지 및 저수분의 압축 NG 스트림(21)의 추가적인 냉각을 제공한다. 실시예에 있어서, 상기 외부 냉동 시스템(62)은 프로판 냉동 시스템으로서 구성된다.In contrast to the embodiment of FIG. 1, the embodiment shown in FIG. 2 further includes an
개시하는 실시예에 있어서, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 열교환기(42)에 의해 발생되는 냉각된 압축 방출 스트림(32)을 팽창시키기 위해, 다상 터보 팽창기, 보다 구체적으로는 다상 터보 팽창기(30)가 마련된다. 상기 냉각된 압축 방출 스트림(32)의 팽창은, 저온 CH4 증기와 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는, 팽창된 배출 스트림(34)을 발생시킨다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "다상 터보 팽창기"라는 용어는, 반경류식, 축류식, 또는 혼합류식 터보-기계를 지칭하며, 이를 통해 가스 또는 가스 혼합물이 팽창되어 일(work) 및 추가적인 출력 성분을 생산한다. In the disclosed embodiment, a multi-phase turboexpander, more specifically a multi-phase turboexpander, is used to expand the cooled
이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 대체로 도 1 및 2의 다상 터보 팽창기(30)와 유사한, 다상 터보 팽창기(70)가 간략화된 블록도로 도시되어 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 다상 터보 팽창기(70)의 실시예를 횡단면도로 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다상 터보 팽창기(70)는 하우징(72)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 다상 터보 팽창기(70)는 유동 스트림으로부터 일을 추출하도록 구성되는, 적어도 하나의 회전형 요소 또는 회전자(rotor)(74)를 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 다상 터보 팽창기(70)는 적어도 하나의 고정형 요소(76)을 추가로 포함한다. 상기 고정형 요소(76)은 고정자(stator) 또는 노즐을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 노즐은 스트림의 소용돌이 운동을 강제하는 베인을 갖추고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 다상 터보 팽창기(70)는 일부 실시예에서 하나 이상의 밀봉부(78)를 추가로 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다상 터보 팽창기(70)는 하나 이상의 블레이드(80/82)를 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 다상 터보 팽창기(70)는 도 4에 도시된 바와 같이 하나 이상의 고정 블레이드(80) 및 하나 이상의 회전자 블레이드(82)를 추가로 포함한다.Referring now to FIG. 3, a
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 다상 터보 팽창기(70)는 하우징(72)에 배치되는 적어도 하나의 입구(84)를 추가로 포함한다. 상기 입구(84)는 일부 실시예에서 가스 스트림(86)을 수용하도록 구성된다. 상기 가스 스트림(86)은, 도 1 및 2의 제1 압축기(22)와 같은 압축기에서의 압축되고 열교환기(24)에서 냉각된 후에 열교환기(24)를 빠져나가는 도 1 및 2의 냉각된 압축 방출 스트림(32)과 대체로 유사하다. 다상 터보 팽창기(70)는 하우징(72)에 배치되는 적어도 하나의 출구(88)를 추가로 포함한다. 상기 출구(88)는 일부 실시예에서 팽창된 배출 스트림(90)을 방출하도록 구성된다. 상기 팽창된 배출 스트림(90)은, 도 1 및 2의 다상 터보 팽창기(30)와 같은 다상 터보 팽창기(70)에서의 팽창에 이어 다상 터보 팽창기(70)를 빠져나가는, 도 1 및 2의 팽창된 배출 스트림(34)과 대체로 유사하다. 실시예에 있어서, 상기 다상 터보 팽창기(70)는 (본 명세서에서 설명하는) 추가적인 출구 및/또는 분리 수단을 포함할 수 있다.3 and 4, the
앞서 언급한 바와 같이, 가스 스트림(86)은 이산화탄소를 포함하며, 또한 특정한 수분 함량을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 상기 가스 스트림(86)은 질소, 중탄화수소, 또는 수증기 중 하나 이상을 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 가스 스트림(86)은 불순물을 추가로 포함하며, 그 예로는 황화수소를 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에 있어서, 가스 스트림(86)은 실질적으로 불순물이 없다. 일부 실시예에 있어서, 상기 가스 스트림(86)은 질소 및 이산화탄소를 포함한다. As mentioned above, the
일부 실시예에 있어서, 가스 스트림(86)의 불순물의 양은 약 50 몰%보다 적다. 일부 실시예에 있어서, 상기 가스 스트림(86)의 불순물의 양은 약 20 몰%보다 적다. 일부 실시예에 있어서, 가스 스트림(86)의 불순물의 양은 약 10 몰% 내지 약 50 몰%의 범위에 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 가스 스트림(86)의 불순물의 양은 약 5 몰%보다 적다.In some embodiments, the amount of impurities in the
앞서 언급한 바와 같이, 가스 스트림(86)은 다상 터보 팽창기(70)에서 팽창하며, 또한 팽창하는 가스 스트림으로부터 일이 추출됨에 따라, 가스 스트림(86)이 다상 터보 팽창기(70)의 내측에서 냉각된다. 다상 터보 팽창기(70)에서 가스 스트림(86)의 냉각은 다상 터보 팽창기(70)에 CH4 증기, LNG, 및 고체 CO2와 액체 CO2 중 하나 또는 모두의 형성으로 나타난다. 보다 구체적으로, 상기 다상 터보 팽창기(70)는 가스 스트림(86)이 일반적으로 도 1 및 2의 스트림(40, 42)과 유사한, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림 및 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 주로 형성하도록, 상기 가스 스트림(86)을 냉각하도록 구성된다. 실시예에 있어서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 상기 "주로 형성한다"라는 용어는 다상 터보 팽창기에 형성되는 고체 CO2의 양이 약 5 중량%보다 작다는 것을 의미한다. 실시예에 있어서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 상기 "주로 형성한다"라는 용어는 다상 터보 팽창기에 형성되는 LNG의 양이 약 45 중량%보다 작다는 것을 의미한다. 실시예에 있어서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 상기 "주로 형성한다"라는 용어는 다상 터보 팽창기에 형성되는 CH4 증기의 양이 약 50 중량%보다 작다는 것을 의미한다.As mentioned above, the
일부 실시예에 있어서, 다상 터보 팽창기(70) 내의 유동장은 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리와 CH4 증기의 분리를 돕는데 사용될 수 있다. 이는 하나 이상의 분리 채널(도시되지 않음)을 다상 터보 팽창기 하우징(70) 및 추가적인 출구 내에 채용으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 분리 채널은 원심력으로 인해 액체 또는 고체 입자가 유입될 수 있도록 설계될 수 있으며, 또한 편향기(deflector)에 의해 다상 터보 팽창기 흐름 경로에 재-유입되는 것을 배제시킬 수 있다. 복수의 출구, 분리 채널 등과 같은 다상 터보 팽창기(70)의 소정 양태의 포함에 대한 예시적인 구성은 D. Hofer 명의의 발명의 명칭이 "팽창기 및 CO2 분리 방법"인 공동 양도된 미국 특허공개 제2013/0125580호에 기재되어 있으며, 상기 미국 특허공개는 그 전체가 본 명세서에 참조 인용되었다.In some embodiments, the flow field within the
일부 실시예에 있어서, 다상 터보 팽창기(70)의 적어도 하나의 부품은 다상 터보 팽창기 구성 요소의 표면에 고체 CO2의 고착을 배제하도록 구성되는 코팅을 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 하우징(72), 회전형 요소(74), 또는 고정형 요소(76) 중 하나 이상은 그 다상 터보 팽창기 구성 요소의 표면에 고체 CO2의 고착을 배제하도록 구성되는 코팅을 포함할 수 있다. 특별한 실시예에 있어서, 다상 터보 팽창기(70)의 회전형 요소(74)은 코팅(92)을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 코팅(92)은 회전형 요소(74)의 표면(94)에 고체 CO2의 고착을 배제하도록 구성된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 코팅(92)은 회전형 요소(74)의 표면(94)에 고체 CO2의 고착을 배제할 수 있는 비점착성 재료를 포함한다.In some embodiments, at least one component of the
일부 실시예에 있어서, 다상 터보 팽창기(70)는 적어도 하나의 피가열 요소(heated component)를 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 가열형 부품은 다상 터보 팽창기 구성 요소의 표면에 고체 CO2의 고착을 배제하도록 구성된다. 일부 실시예에 있어서, 하우징(72), 회전형 요소(74), 또는 고정형 요소(76) 중 하나 이상은 그 다상 터보 팽창기 구성 요소의 표면에 고체 CO2의 고착을 배제하기 위해 피가열 요소를 포함할 수 있다. 특별한 실시예에 있어서, 다상 터보 팽창기(70)의 고정형 요소(76)는 고정형 요소(76)의 표면(96)에 고체 CO2의 고착을 배제하도록 가열된다.In some embodiments, the
일부 실시예에 있어서, 하나 이상의 고정 블레이드(80)는 전기 가열 요소를 사용함으로써 가열될 수 있다. 이런 실시예에 있어서, 상기 블레이드(80)는 상기 블레이드(80)에 형성된 하나 이상의 구멍에 배치되는, 피가열 요소(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 다상 터보 팽창기(70)의 하나 이상의 구성 요소는 공기 또는 가스를 순환시킴으로써 가열될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 블레이드(80)는 예를 들어 Z형 채널과 같은 가스 흐름 채널(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 가스 흐름 채널은 예를 들어, U형, E형 등과 같은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 블레이드, 가스 유동 채널을 가열하기 위해 전기 가열 요소의 사용을 포함하고, 공기 또는 가스를 순환시키는, 다상 터보 팽창기(70)의 소정 양태의 포함에 대한 예시적인 구성은 전술한 바와 같이 D. Hofer 명의의 발명의 명칭이 "팽창기 및 CO2 분리 방법"인 공동 양도된 미국 특허공개 제2013/0125580호에 기재되어 있으며, 상기 미국 특허공개는 그 전체가 본 명세서에 참조 인용되었다. In some embodiments, one or more
본 발명의 실시예에 따른 다상 터보 팽창기 구성은, 다상 터보 팽창기 자체 내의 가스 스트림으로부터 CH4 증기 스트림과 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림의 분리를 유리하게 허용할 수 있으며, 따라서 도 1 및 2의 분리기(38)와 같은 추가적인 분리기에 대한 요구를 배제한다.The polyphase turboexpander arrangement in accordance with an embodiment of the present invention may advantageously allow the separation of the CH 4 vapor stream and the liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream from the gas stream in the multiphase turboexpander itself, And the need for additional separators such as the
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 상기 다상 터보 팽창기(70)는 CH4 증기로 구성되는 팽창된 배출 스트림(90) 및 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리를 방출하도록 구성되는, 적어도 하나의 출구(88)를 추가로 포함한다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 출구(88)는 회전형 요소(74)의 하류에 배치된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 팽창된 배출 스트림(90)은 하나 이상의 응축 불가능한 성분을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 팽창된 배출 스트림(90)은 하나 이상의 액체 성분을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 팽창된 배출 스트림(90)은 하나 이상의 고체 성분을 포함할 수 있다. 상기 팽창된 배출 스트림(90)은 도 1 및 2에 도시된 분리기(38, 50)와 같은 액체-가스 및 고체-가스 분리기 중 하나 또는 모두와 유체 연통되도록 추가로 구성될 수 있다.As illustrated in Figures 3 and 4, the
일부 실시예에 있어서, 가스 스트림(86)으로부터 LNG를 발생시키기 위한 다상 터보 팽창기(70)는 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 1단 다상 터보 팽창기를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예에 있어서, 가스 스트림(86)으로부터 LNG를 발생시키기 위한 다상 터보 팽창기(70)는 D. Hofer 명의의 발명의 명칭이 "팽창기 및 CO2 분리 방법"인 공동 양도된 미국 특허공개 제2013/0125580호에 기재된 바와 같이 다단 다상 터보 팽창기(70)를 포함할 수 있으며, 상기 미국 특허공개는 그 전체가 본 명세서에 참조 인용된다. In some embodiments, the
이제 도 5로 돌아가서, 실시예에 있어서, 가스 스트림으로부터 LNG를 발생시키기 위한 방법(600)이 제공된다. 상기 방법은 냉각 스테이지, 압축 스테이지, 팽창 스테이지, 및 분리 스테이지에서 입력 가스 스트림을 처리하는 단계를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 방법은 단계(602)에서 가스 스트림, 보다 구체적으로는 천연가스 스트림의 입력을 포함한다. 상기 방법은 단계(604)에서 압축 스테이지에서 상기 입력 가스 스트림을 압축하는 단계를 추가로 포함한다. 압축된 가스 스트림은 이어서 단계(606)에서 팽창 스테이지의 다상 터보 팽창기에서 팽창된다. 상기 팽창 스테이지는 에너지, 및 저온 CH4 증기와 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물로 구성되는 팽창된 배출 스트림을 생산한다. 이어서, 단계(608)에서, 상기 팽창된 배출 스트림은 분리기에서 성분들로, 보다 구체적으로는 저온 CH4 증기 출력 스트림과 LNG/아이스/CO2 슬러리 스트림으로 분리된다. 상기 CH4 증기 스트림은, 압축 및 팽창 전에 가스 스트림을 예비 냉각하기 위해, 단계(610)에서 입력 가스 스트림으로 재순환된다. 또한, 상기 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림은 단계(612)에서 액화 천연가스 및 고체 CO2 스트림을 방출하도록 분리기에서 추가로 분리된다.Returning now to Figure 5, in an embodiment, a
이제 도 6을 참조하면, 전체적으로 도면부호 700으로 도시된 예시적인 그래프는 예시적인 실시예에 따라 전술한 압축 스테이지 중 달성되는 비교 압축비와 프로세스 에너지 요건을 도시하고 있다. 보다 구체적으로, 그래프(700)는 본 명세서에 기재하는 실시예에 따른 신규한 액화 천연가스(LNG) 생산 시스템의 LNG 출력 스트림의 갤런 당 에너지 요건[축선(704)에 도시함]에 대한 압축비[축선(702)에 도시함]를 도시하고 있다. LNG 출력 스트림의 갤런 당 에너지 요건[점/선(706)으로 도시함]은, 압축비가 증가함에 따라 에너지 요건이 약 30psi 이상의 압축비에서 도면 부호 706에 근접한 안정적인 레벨에 도달할 때까지 감소된다는 것을 예시하고 있다. 보다 구체적으로, 도 6에서는, 생산되는 LNG의 양에 의해 정규화하면, 압축비가 증가함에 따라 프로세스 에너지 요건은 감소되어, ∼30의 압축비에서 약 0.8 kWH/갤런으로 안정화됨을 보여준다.Referring now to FIG. 6, an exemplary graph, generally designated 700, illustrates the relative compression ratios and process energy requirements achieved during the compression stages described above in accordance with an exemplary embodiment. More specifically, the
도 6에 도시된 압축비를 계산하기 위해, [도 1 및 2의 스트림(16)에 대응하는] 10atm의 초기 NG 압력이 사용되었다. 상기 초기 압력이 변함에 따라, 도 6의 압축 곡선의 형상도 변한다.To calculate the compression ratio shown in FIG. 6, an initial NG pressure of 10 atm (corresponding to stream 16 of FIGS. 1 and 2) was used. As the initial pressure changes, the shape of the compression curve of Fig. 6 also changes.
따라서 다상 터보 팽창기를 사용함으로써 하나의 공정 단계로 LNG를 생산하기 위해, 천연가스(NG) 정화 및 냉동 단계를 통합하는 액화 천연가스의 생산을 위한 신규한 방법 및 시스템을 개시한다. 상기 방법 및 시스템은 다상 흐름(가스, 액체, 고체)으로 작동할 수 있는 다상 터보 팽창기를 포함하며, 저온 CH4 증기와 LNG/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물이 방출된다. 결과적인 시스템 및 방법은 종래의 LNG 생산 프로세스보다 저렴한 설비비, 작은 점유면적, 증가된 LNG 생산, 및 저렴한 전체 비용을 제공한다.Accordingly, a new method and system for the production of liquefied natural gas incorporating a natural gas (NG) purification and refrigeration step to produce LNG in one process step by using a polyphase turboexpander is disclosed. The method and system includes a multi-phase turboexpander to operate the multi-phase flow (gas, liquid, solid), a mixture of low-temperature steam and CH 4 LNG / ice / solid CO 2 slurry is discharged. The resulting systems and methods provide lower equipment costs, smaller footprint, increased LNG production, and lower total cost than conventional LNG production processes.
기재한 설명은 최적의 모드를 포함하여 본 발명을 설명하기 위해 또한 본 기술분야의 임의의 숙련자가 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용 그리고 임의의 통합된 방법의 수행을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있도록 예를 사용하였다. 본 발명의 특허 허여 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 또한 본 기술분야의 숙련자에게 발생하는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이런 다른 예들은, 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와는 상이하지 않은 구조적 요소를 포함한다면, 또는 이들이 청구범위의 문자 그대로의 언어와는 대단치 않은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.The description set forth describes embodiments of the present invention, including the best mode, and any person skilled in the art may make and use the invention, including the manufacture and use of any device or system and the performance of any integrated method I used the example to make it. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. These other examples, if they include structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements that are not significantly different from the literal language of the claims, It is intended to be within the scope of the scope.
Claims (22)
천연가스 스트림으로부터 수분을 제거하고 천연가스 스트림을 압축하여, 저수분의 압축 천연가스 스트림을 발생시키기 위한 수분 제거 장치 및 압축기;
상기 저수분의 압축 천연가스 스트림을 냉각하여, 냉각된 압축 방출 스트림을 발생시키기 위한 열교환기;
상기 냉각된 압축 방출 스트림을 팽창시켜, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물로 구성되는 팽창된 배출 스트림을 발생시키기 위한 다상 터보 팽창기;
상기 팽창된 배출 스트림을 분리하여, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림 및 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 발생시키기 위한 분리기; 및
상기 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 분리하여, 액화 천연가스 출력 스트림 및 실질적으로 아이스/고체 CO2로 구성되는 출력 스트림을 발생시키기 위한 적어도 하나의 추가적인 분리기
를 포함하는, 액화 천연가스 생산 시스템.A system for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural gas stream comprising:
A water removal device and a compressor for removing water from the natural gas stream and compressing the natural gas stream to generate a low-moisture compressed natural gas stream;
A heat exchanger for cooling the low moisture compressed natural gas stream to produce a cooled compressed discharge stream;
By the expansion of the cooled compressed stream release, multi-phase turboexpander for generating the expanded effluent stream consisting of a mixture of vapor and substantially liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry consisting of CH 4;
The separating and discharging the expanded stream, a separator to generate a vapor stream and substantially liquefied natural gas / ice / solid CO 2 to the slurry stream consisting of CH 4; And
The liquefied natural gas / ice / solid slurry to separate the CO 2 stream, the liquefied natural gas output stream and at least one additional separator for substantially as to produce an output stream that is composed of a ice / solid CO 2
The liquefied natural gas production system.
하우징;
상기 하우징 내에 배치되는 적어도 하나의 회전형 요소;
상기 하우징에 배치되며, 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 입구; 및
상기 하우징에 배치되며, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물로 구성되는 팽창된 배출 스트림을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 출구
를 포함하며, 상기 다상 터보 팽창기는, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기가 형성되고 액화 천연가스가 형성되고 그리고 냉각된 방출 천연가스 스트림에서 CO2의 적어도 일부가 고체 CO2를 형성하도록, 열교환기로부터의 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 추가로 냉각하도록 구성되는 것인 액화 천연가스 생산 시스템. 2. The multi-phase turboexpander according to claim 1,
housing;
At least one rotatable element disposed within the housing;
At least one inlet disposed in the housing and configured to receive the cooled compressed discharge stream; And
At least one outlet disposed in the housing and configured to discharge an expanded exhaust stream comprised of a mixture of vapor and a liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry substantially consisting of CH 4
The multi-phase turboexpander comprising: a is substantially CH vapor consisting of 4 is formed is formed in the liquefied natural gas and from the cooled discharge gas stream, at least a portion of the CO 2 to form a solid CO 2 heat exchanger And to further cool the cooled compressed discharge stream from the liquefied natural gas producing system.
천연가스 스트림을 압축 및 냉각하여 냉각된 압축 방출 스트림을 발생시키도록 구성되는, 적어도 하나의 압축 스테이지 및 적어도 하나의 냉각 스테이지;
상기 냉각된 압축 방출 스트림을 팽창시켜 팽창된 배출 스트림을 발생시키도록 구성되며, 압축 스테이지 및 냉각 스테이지와 유체 연통되는 적어도 하나의 다상 터보 팽창기를 포함하는, 적어도 하나의 팽창 스테이지
를 포함하며, 상기 다상 터보 팽창기는
하우징;
상기 하우징 내에 배치되는 적어도 하나의 회전형 요소;
상기 하우징에 배치되며, 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 입구; 및
상기 하우징에 배치되며, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 출구
를 포함하는 것인 액화 천연가스 생산 시스템. A system for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural gas stream comprising:
At least one compression stage and at least one cooling stage configured to compress and cool the natural gas stream to generate a cooled compressed discharge stream;
At least one expansion stage configured to expand the cooled compressed discharge stream to produce an expanded discharge stream and at least one polyphase turbo expander in fluid communication with the compression stage and the cooling stage,
, Wherein the polyphase turbo expander
housing;
At least one rotatable element disposed within the housing;
At least one inlet disposed in the housing and configured to receive the cooled compressed discharge stream; And
At least one outlet disposed in the housing and configured to discharge an expanded exhaust stream comprising a mixture of vapor and substantially liquid CH 3 / ice / solid CO 2 slurry,
Wherein the liquefied natural gas production system comprises:
입력 천연가스 스트림을 제공하는 단계;
수분을 제거하고, 상기 천연가스 스트림을 압축 및 냉각하여, 냉각된 압축 방출 스트림을 발생시키는 단계;
상기 냉각된 압축 방출 스트림을 다상 터보 팽창기에서 팽창시켜, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림을 발생시키는 단계;
적어도 하나의 분리기에서 상기 팽창된 배출 스트림을 분리하여, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기 스트림 및 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 발생시키는 단계; 및
적어도 하나의 추가적인 분리기에서 상기 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리 스트림을 분리하여, 실질적으로 아이스/고체 CO2로 구성되는 출력 스트림 및 액화 천연가스(LNG) 출력 스트림을 발생시키는 단계
를 포함하는, 액화 천연가스 생산 방법.A method for producing liquefied natural gas (LNG) from a natural gas stream comprising:
Providing an input natural gas stream;
Removing moisture, compressing and cooling the natural gas stream to produce a cooled compressed discharge stream;
By the step of expanding the cooled compressed stream emitted from the multi-phase turboexpander, generating an expanded exhaust stream that substantially comprises a mixture of vapor and liquid natural gas / ice / solid CO 2 slurry consisting of CH 4;
Separating the expanded effluent stream in at least one separator to produce a vapor stream and a liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream substantially consisting of CH 4 ; And
Separating the liquefied natural gas / ice / solid CO 2 slurry stream from at least one additional separator to produce an output stream and a liquefied natural gas (LNG) output stream consisting essentially of ice / solid CO 2
≪ / RTI >
하우징;
상기 하우징 내에 배치되는 적어도 하나의 회전형 요소;
상기 하우징에 배치되며, 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 입구; 및
상기 하우징에 배치되며, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기와 액화 천연가스/아이스/고체 CO2 슬러리의 혼합물을 포함하는 팽창된 배출 스트림을 방출하도록 구성되는 적어도 하나의 출구
를 포함하며, 상기 다상 터보 팽창기는, 실질적으로 CH4로 구성되는 증기가 형성되고 액화 천연가스가 형성되고 그리고 냉각된 방출 천연가스 스트림에서 CO2의 적어도 일부가 고체 CO2를 형성하도록, 상기 냉각된 압축 방출 스트림을 추가로 냉각하도록 구성되는 것인 액화 천연가스 생산 방법. 18. The multi-phase turboexpander of claim 17,
housing;
At least one rotatable element disposed within the housing;
At least one inlet disposed in the housing and configured to receive the cooled compressed discharge stream; And
At least one outlet disposed in the housing and configured to discharge an expanded exhaust stream comprising a mixture of vapor and substantially liquid CH 3 / ice / solid CO 2 slurry,
Wherein said multiphase turboexpander is configured to cool said cooled multistage turboexpander so that at least a portion of the CO 2 in the cooled discharged natural gas stream forms solid CO 2 , wherein vapor consisting essentially of CH 4 is formed and liquefied natural gas is formed, And to further cool the compressed discharge stream.
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