KR20160049040A - 냉동 방법 - Google Patents

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KR20160049040A
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김진국
슈에송 젱
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더 유니버시티 오브 맨체스터
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Abstract

본 발명은 산업 냉각 응용, 예를 들어 천연 가스의 액화를 위한 단일 사이클로 혼합되는 냉매 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 명세서에 한정된 방법을 구현하도록 구성된 냉동 어셈블리 및 이 방법에서 사용가능한 혼합 냉매 조성물에 관한 것이다.

Description

냉동 방법{REFRIGERATION PROCESS}
본 발명은 냉동 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 비-배타적으로 천연 가스의 액화에 적합한 냉동 방법에 관한 것이다.
추출 위치로부터 최종 소비자에게로 천연 가스를 전달하는 것은 상당한 수송 문제를 야기한다. 파이프 라인은 짧은 거리(일반적으로 해양 환경에서는 2000km 미만이고 육상 환경에서는 3800km 미만)를 통해 천연 가스를 수송하는 데 사용되지만, 더 먼 거리를 수반하는 경우에는 경제적인 수송 수단이 아니다. 나아가, 예를 들어 광활한 물을 가로지르는 것과 같은 특정 환경에서 파이프 라인을 형성하는 것은 실용적이지 않다.
매우 먼 거리에 걸쳐 다수의 서로 다른 목적지로 전달하는 것이 필요한 상황에서는 액화 천연 가스(LNG)를 수송하는 것이 더 경제적이다. 액화 천연 가스 전달 체인의 제 1 단계는 천연 가스의 생산을 포함한다. 천연 가스는 이후 LNG 생산 공장으로 전달되고 여기서 수송(일반적으로 선적에 의해) 전에 액화된다. 액체 천연 가스는 이후 목적지에서 재증발되어 파이프 라인 전달에 의해 최종 소비자에게 분배된다.
천연 가스의 액화는 하나 이상의 냉동 사이클에 천연 가스 공급 스트림을 노출하는 것에 의해 달성된다. 이러한 냉동 사이클은 기본적으로 냉매 압축기를 실행시키는 데 필요한 샤프트 전력 입력의 양으로 인해 극히 에너지 집약적일 수 있다.
천연 가스를 액화하기 위한 다수의 냉동 프로세스는 이 기술 분야에 알려져 있다. 하나의 잘 확립된 접근 방식은 냉동 시스템을 재순환시키는 것에 의해 제공되는 다수의 냉매 스트림에 대해 하나 이상의 열 교환기에 천연 가스 공급 가스 스트림을 냉각 및 응축시키는 것을 포함한다. 천연 가스 공급의 냉각은 3가지 다른 냉매 루프에 의해 냉동이 제공되는 잘 알려진 캐스케이드 사이클과 같은 다양한 냉각 프로세스 사이클에 의해 달성된다. 하나의 캐스케이드 사이클은 세 가지 다른 온도 레벨에서 냉동을 생산하기 위해 메탄, 에틸렌 및 프로판 사이클을 차례로 사용한다. 다른 잘 알려진 냉동 사이클은 여러 구성 요소 냉매 혼합물이 선택된 온도 범위에 걸쳐 냉동을 생성하는 프로판 사전 냉각된, 혼합된 냉매 사이클을 사용한다. 혼합된 냉매는 메탄, 에탄, 프로판과 같은 탄화수소와 다른 가벼운 탄화수소를 포함할 수 있으며, 또한 질소를 포함할 수 있다. 이 냉동 시스템의 버전은 전세계에 걸쳐 많이 운영하는 LNG 공장에서 사용된다.
가장 간단한 냉동 시스템 중 하나는 단일 혼합된 냉매 사이클(예를 들어, Black & Veatch PRICO 프로세스)을 포함한다. 이러한 프로세스에서 하나의 문제는 이 프로세스가 더 복잡한 프로세스(예를 들어, 에어 제품(Air products)에 의한 프로판 냉각된 혼합된 냉매 사이클 또는 Shell에 의한 이중 혼합된 냉매 사이클)에 비해 더 낮은 열역학적 효율을 나타낸다는 것이다. 나아가, 단일 혼합된 냉매 사이클의 열역학적 성능과 효율은 냉매 조성, 응축 및 증발 온도 및 압력 레벨과 같은 작은 수의 동작 변수를 조정하는 것에 의해서만 변화될 수 있다. 더 복잡한 다중 사이클 프로세스는 예를 들어, 열교환기에서 에너지 손실에 상당히 영향을 미칠 수 있는 다수의 냉매 스트림의 조성과 온도를 변화시키는 것을 포함하는 더 많은 동작 변수를 제공하는 것에 의해 개선된 사이클 효율을 제공할 수 있다. 이러한 추가적인 동작 변수를 적절히 조정하는 것에 의해 단일 혼합된 냉매 사이클과 비교할 때 열역학적 효율이 더 복잡한 냉동 프로세스에서 상당히 개선될 수 있다. 그러나, 여러 단계 또는 캐스케이드 냉동 프로세스는 일반적으로 훨씬 더 복잡한 장비 구성을 필요로 하며, 이것은 상당한 공장 및 장비 비용을 초래한다.
따라서, 설계 및 건설이 간단하고 이에 의해 공장 및 장비 비용을 절약할 수 있는 냉동 방법을 제공하는 것과, 만족스럽고 및/또는 개선된 동작 효율을 가능하게 하기에 충분한 동작 변수를 또한 가지는 프로세스를 제공하는 것 사이에 충돌되는 밸런스가 존재한다.
본 발명은 개선된 동작 효율을 제공할 수 있도록 추가적인 동작 변수를 포함하는 단일 사이클로 혼합된 냉동 방법을 제공하는 것에 의해 전술된 단점 중 하나 이상을 처리하는 냉동 방법을 제공하는 것을 추구한다.
본 발명의 제 1 측면에 따라 제품 공급 스트림을 냉각시키는 냉동 방법이 제공되며, 상기 방법은 혼합된 냉매의 제 1 냉매 스트림과 혼합된 냉매의 제 2 냉매 스트립을 포함하는 열 교환기를 통해 제품 공급 스트림을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 냉매 스트림은 제 2 냉매 스트림의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성되고,
상기 제 1 냉매 스트림은 팽창기에서 팽창되어 열 교환기로 공급되고 프로세스 공급 스트림과 열교환 후, 상기 열 교환기를 빠져나가자 마자 초기 압축을 받은 후, 상기 열 교환기를 빠져나온 상기 제 2 냉매 스트림과 혼합되어 단일 냉매 스트림을 형성하고, 상기 단일 냉매 스트림은 제 2 압축을 받아 압축된 냉매 스트림을 형성하고,
(i) 압축된 냉매 스트림의 냉매는 열 교환기에서 냉각된 후에 공급 스트림을 냉각하기 위해 열교환기로 재유입되기 전에 팽창되고,
(ii) 압축된 냉매 스트림은 열 교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에, 냉각 동안 또는 냉각 후에 열 교환기에 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 2개의 스트림으로 분할된다.
본 발명의 방법은 열역학적 효율 및 프로세스의 복잡성 사이의 밸런스를 제공하여 현재 액화 방법에 대해 비용 효과적인 대안을 제공하는 새로운 혼합된 냉매 사이클을 제공한다. 본질적으로, 본 발명의 제 1 측면의 방법은 단일 혼합된 냉매 사이클과 단일 열 교환기의 단순함을 제공하지만, 방법의 열역학적 효율을 개선할 수 있게 더 많은 동작 변수(또는 "자유도")를 제공한다.
구체적으로, 단일 사이클로 혼합된 냉매 방법에서 서로 다른 온도, 압력 및/또는 조성(본 발명의 일부 실시예에서 제공된 것)의 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 제공하는 것은 열역학적 효율이 최적화될 수 있는 추가적인 유연성을 제공한다. 보다 구체적으로, 이 유연성은 냉매의 온도-엔탈피 프로파일이 공급 가스 스트림의 냉각 프로파일에 가능한 한 근접하게 일치되게 한다.
나아가, 적어도 2개의 압축 단계{즉, 열 교환기를 빠져나가는 제 1 냉매 스트림(최저 압력 스트림)에만 적용되는 초기 압축에 이어서 열교환기를 빠져나가는 제 2 냉매 스트림의 냉매와 압축된 제 1 냉매 스트림의 혼합물에 적용되는 제 2 압축)를 제공하는 것은 열교환기를 빠져나가는 냉매 전부가 함께 압축되는 경우에 있을 수 있는 것보다 더 효율적으로 압축 방법이 이루어질 수 있게 한다.
제 2 측면에서, 본 발명은 제품 공급 스트림을 냉각하기 위한 냉동 방법을 제공하며, 본 방법은 혼합된 냉매의 제 1 냉매 스트림과 혼합된 냉매의 제 2 냉매 스트림을 포함하는 열 교환기를 통해 제품 공급 스트림을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 냉매 스트림은 제 2 냉매 스트림의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성되고;
상기 제 1 냉매 스트림은 팽창기에서 팽창되어 열 교환기로 공급되고 프로세스 공급 스트림과 열교환 후, 상기 열 교환기를 빠져나가자 마자 초기 압축을 받은 후, 상기 열 교환기를 빠져나온 상기 제 2 냉매 스트림과 혼합되어 단일 냉매 스트림을 형성하고, 상기 단일 냉매 스트림은 제 2 압축을 받아 압축된 냉매 스트림을 형성하고,
(i) 압축된 냉매 스트림의 냉매는 열 교환기에서 냉각된 후에 공급 스트림을 냉각하기 위해 열교환기로 재유입되기 전에 팽창되고,
(ii) 압축된 냉매 스트림은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에 또는 냉각 동안 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 별개의 스트림으로 분할된다.
본 발명의 제 2 측면의 방법은 열역학적 효율 및 방법의 복잡성 사이에 밸런스를 제공하여 현재 액화 방법에 대해 비용 효과적인 대안을 제공하는 더 새로운 혼합된 냉매 사이클을 제공한다. 본질적으로, 본 발명의 제 2 측면의 방법은 또한 단일 혼합된 냉매 사이클의 단순함을 제공하지만 방법의 열역학적 효율이 개선될 수 있도록 더 많은 동작 변수(또는 "자유도")를 제공한다.
본 발명의 제 2 측면의 방법은 단일 열 교환기 또는 직렬 배치된 하나 이상의 열 교환기를 포함할 수 있다. 적절히, 비용을 최소로 유지하기 위해 열교환기의 수는 1개 내지 3개 사이로 제한된다. 일 실시예에서, 1개 또는 2개의 열 교환기가 존재할 수 있다. 특정 실시예에서, 단 하나의 열 교환기만이 사용된다.
일 실시예에서, 압축된 냉매 스트림은 압축된 냉매의 냉각 전에 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 별개의 스트림으로 분할된다. 특정 실시예에서, 냉매 스트림은 열교환기에서 냉각하기 전에 플래시 유닛(flash unit)에서 분할된다. 이것은 다른 조성을 가지는 별도의 스트림을 제공한다.
본 발명의 제 1 측면의 방법에서, 단일 사이클로 혼합된 냉매 방법에서 서로 다른 온도, 압력 및/또는 조성(본 발명의 일부 실시예에서 제공된 것)의 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 제공하는 것은 열역학적 효율을 최적화할 수 있게 하는 추가적인 유연성을 제공한다. 보다 구체적으로, 이러한 유연성은 냉매의 온도-엔탈피 프로파일이 공급 가스 스트림의 냉각 프로파일에 가능한 한 근접하게 일치될 수 있게 한다.
나아가, 적어도 2개의 압축 단계(즉, 열교환기를 빠져나가는 제 1 냉매 스트림(최저 압력 스트림)에만 적용된 초기 압축에 이어서 열교환기에서 빠져나가는 제 2 냉매 스트림의 냉매와 압축된 제 1 냉매 스트림의 혼합물에 적용되는 제 2 압축)를 제공하는 것은 다시 열교환기에서 빠져나가는 냉매 전부가 함께 압축되는 경우 있을 수 있는 것보다 더 효율적으로 압축 방법이 이루어질 수 있게 한다.
특정 측면에서, 본 발명은 본 명세서에 한정된 천연 가스 액화 방법을 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은 본 명세서에 한정된 방법을 구현하도록 구성된 본 명세서에 한정된 냉동 어셈블리를 제공한다.
특정 측면에서, 본 발명은 사용 및 냉매 사이클 동안 냉각될 제품 스트림을 수신하도록 구성된 단일 열 교환기를 포함하는 냉동 어셈블리/장치를 제공하며, 상기 어셈블리/장치는,
냉각을 제공하기 위해 열 교환기를 통해 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림으로서, 제 1 냉매 스트림의 냉매는 제 2 냉매 스트림의 냉매의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성된, 제 1 및 제 2 냉매 스트림;
열 교환기에서 빠져나가는 제 1 냉매 스트림을 수신하고 상기 냉매를 제 1 압축 레벨로 압축하도록 구성된 제 1 압축 수단;
열교환기에서 빠져나가는 제 2 냉매 스트림과 제 1 압축 수단으로부터 압축된 냉매 스트림의 혼합물을 수신하고 상기 혼합물을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 제 2 압축 수단;
냉각을 위해 열교환기로 압축된 냉매 스트림의 냉매를 지향하는 수단;
냉각된 냉매를 팽창 수단으로 전달하고 이후 팽창된 냉매를 열교환기에 전달하는 수단; 및
압축된 냉매 스트림을 열교환기로 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 2개의 별도의 냉매 스트림으로 분할하는 수단으로서, 상기 압축된 냉매 스트림의 분할은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에, 냉각 동안, 또는 냉각 후에 발생하는 것인, 분할하는 수단
을 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 사용 및 냉매 사이클 동안 냉각될 제품 스트림을 수신하도록 구성된 하나 이상의 열 교환기를 포함하는 냉동 어셈블리/장치를 제공하며, 상기 어셈블리/장치는,
냉각을 제공하기 위해 열 교환기(들)를 통해 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림으로서, 제 1 냉매 스트림의 냉매는 상기 제 2 냉매 스트림의 냉매의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성된, 제 1 및 제 2 냉매 스트림;
열 교환기(들)를 빠져나가는 제 1 냉매 스트림을 수신하고 상기 냉매를 제 1 압축 레벨로 압축하도록 구성된 제 1 압축 수단;
열 교환기(들)에서 빠져나가는 제 2 냉매 스트림과 상기 제 1 압축 수단으로부터 압축된 냉매 스트림의 혼합물을 수신하고 상기 혼합물을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 제 2 압축 수단;
상기 압축된 냉매 스트림의 냉매를 냉각을 위해 열교환기(들)에 지향하는 수단;
냉각된 냉매를 팽창 수단으로 전달하고 이후 팽창된 냉매를 열교환기(들)로 전달하는 수단; 및
상기 압축된 냉매 스트림을, 열교환기로 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 2개의 별도의 냉매 스트림으로 분할하는 수단으로서, 상기 압축된 냉매 스트림의 분할은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에 또는 냉각 동안 또는 냉각 후에 발생하는 것인 분할하는 수단
을 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은
메탄 15-25 몰%,
에탄 30-45 몰%,
프로판 0-20 몰%,
n-부탄 0-25 몰%,
및 질소 5-20 몰%
을 포함하는 냉매 조성물을 제공한다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 이하에 더 설명된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 보여주는 개략도;
도 2는 본 발명의 제 2 실시예를 보여주는 개략도;
도 3은 본 발명의 제 3 실시예를 보여주는 개략도;
도 4는 본 발명의 제 4 실시예를 보여주는 개략도;
도 5는 유전 알고리즘의 최적화 프레임워크를 보여주는 개략도;
도 6(a)은 단일 혼합된 냉매(MR) 방법에 대해 최적화된 동작 조건을 도시하는 개략도;
도 6(b)은 본 방법에 대해 합성 곡선 및 온도-엔탈피 프로파일을 도시하는 도면;
도 7(a)은 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 대해 최적화된 동작 조건을 도시하는 개략도;
도 7(b)은 이 실시예에 대한 합성 곡선(composite curve)과 온도-엔탈피 프로파일을 도시하는 개략도;
도 8(a)은 본 발명의 제 2 실시예(도 2)에 대해 최적화된 동작 조건을 도시하는 개략도;
도 8(b)은 이 실시예에 대한 합성 곡선과 온도-엔탈피 프로파일을 도시하는 도면;
도 9(a)는 본 발명의 제 3 실시예(도 3)에 대해 최적화된 동작 조건을 도시하는 개략도;
도 9(b)는 이 실시예에 대한 합성 곡선과 온도-엔탈피 프로파일을 도시하는 도면;
도 10(a)은 본 발명의 제 4 실시예(도 4)에 대해 최적화된 동작 조건을 도시하는 개략도;
도 10(b)은 이 실시예에 대한 합성 곡선과 온도-엔탈피 프로파일을 도시하는 도면.
"혼합된 냉매"와 "MR" 이라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환가능하게 사용되며 2개 이상의 냉매 구성 요소를 포함하는 혼합물을 의미한다.
"냉매 구성 요소" 라는 용어는 낮은 온도와 압력에서 열을 흡수하고 높은 온도와 압력에서 열을 배출하는 열전달에 사용되는 물질을 의미한다. 예를 들어, 압축 냉동 시스템에서 "냉매 구성 요소"는 증발을 통해 낮은 온도와 압력에서 열을 흡수하고 응축을 통해 높은 온도와 압력에서 열을 배출한다. 예시적인 냉매 구성 요소는 1개 내지 5개의 탄소 원자, 질소, 염화 탄화수소, 플루오르화 탄화수소, 다른 할로겐화 탄화수소 및 이들의 혼합물 또는 조합을 구비하는 알칸(alkane), 알켄(alkene), 및 알킨(alkyne)을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
"천연 가스" 라는 용어는 이 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 천연 가스는 일반적으로 가벼운 탄화수소 가스 또는 2개 이상의 가벼운 탄화수소 가스의 혼합물이다. 예시적인 가벼운 탄화수소 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄(pentane), 헥산, 그 아이소머(isomers), 그 불포화물(unsaturates,) 및 그 혼합물을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. "천연 가스" 라는 용어는 질소, 황화수소, 이산화탄소, 카르보닐 황화물, 메르캡탄(mercaptans) 및 물과 같은 일정 레벨의 불순물을 더 포함할 수 있다. 천연 가스의 정확한 퍼센트 조성은 예를 들어 분자 체(sieves)를 통해 아민 추출이나 탈수와 같은 추출 프로세스의 일부로 사용되는 임의의 전처리 단계 및 저장 소스에 따라 다르다.
"가스"와 "증기"라는 용어는 상호 교환가능하게 사용되고 액체 또는 고체 상태와 구별되는 기체 상태의 물질 또는 물질의 혼합물을 의미한다.
"열교환기" 라는 용어는 열 전달을 촉진하기 위해 이 기술 분야에서 알려진 유사하거나 다른 유형의 장비 중 임의의 하나의 유형 또는 그 조합을 의미한다. 예를 들어, "열교환기"는 이하에서 보다 상술히 기술되는 프로세스 조건을 견딜 수 있는, 하나 이상의 나선형으로 감긴 유형의 교환기, 판상의 핀 유형의 교환기, 쉘 및 튜브 유형의 교환기 또는 이 기술 분야에 알려진 임의의 다른 유형의 열교환기 내에 포함되거나 또는 그 내에 적어도 부분적으로 포함될 수 있다. 열교환기는 이 기술 분야에서 일반적으로 "콜드 박스(cold box)"로도 언급된다.
"압축기" 또는 "압축 수단" 이라는 용어는 본 명세서에서 유사하거나 다른 유형의 압축 장비의 임의의 하나의 특정 유형 또는 조합을 언급하는데 사용되고, 물질 또는 물질의 혼합물을 압축하기 위해 이 기술 분야에 알려진 보조 장비를 포함할 수 있다. "압축기" 또는 "압축 수단"은 하나 이상의 압축 단계를 사용할 수 있다. 예시적인 압축기는 예를 들어 왕복운동 및 로터리 압축기와 같은 정변위 유형, 및 예를 들어, 원심방향 및 축방향 흐름 압축기와 같은 동적 유형을 포함할 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다. 예시적인 보조 장비는 흡입 노크-아웃 선박(suction knock-out vessel), 방전 쿨러 또는 냉각기, 단계간 쿨러, 리사이클 쿨러 또는 냉각기, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.
"팽창"이라는 용어는 본 명세서에서 압력이 결과적으로 감소하게 하는 냉매 스트림의 팽창을 언급하는데 사용된다. 이 냉매 스트림의 팽창은 이 기술 분야에서 알려진 임의의 적절한 팽창 수단을 사용하는 것에 의해 촉진된다. 예를 들어, "팽창 수단"은 팽창 밸브 또는 팽창기 또는 확장 챔버일 수 있다.
오늘날 사용하는 대부분의 액상 천연 가스 공장은 높은 압력으로 냉매 가스를 압축하고, 냉각 소스를 사용하여 냉매 가스를 액화시키고, 낮은 압력으로 냉매 액체를 팽창시키고, 천연 가스 공급 스트림으로부터 열을 인출하여 액체 냉매를 증발시키는 것에 의해 냉각을 제공한다. 증발된 냉매는 이후 재압축되고 이 프로세스에서 재사용된다. 따라서, 이 연속 사이클의 순 효과는 천연 가스 공급 스트림의 냉각 및 액화이다. 본 발명의 방법은 이 방법에 과도한 복잡성을 추가하지 않고 이 방법의 열역학적 효율을 개선하도록 다수의 변형을 가지는 이 연속적인 냉매 사이클을 사용한다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 제 1 측면에서 제품 공급 스트림을 냉각하는 냉매 방법을 제공하며, 본 방법은 혼합된 냉매의 제 1 냉매 스트림과 혼합된 냉매의 제 2 냉매 스트림을 포함하는 열 교환기를 통해 제품 공급 스트림을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 냉매 스트림은 제 2 냉매 스트림의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성되고,
상기 제 1 냉매 스트림은 팽창기에서 팽창되어 열 교환기로 공급되고 프로세스 공급 스트림과 열교환 후, 상기 열 교환기를 빠져나가자 마자 초기 압축을 받은 후, 상기 열 교환기를 빠져나온 상기 제 2 냉매 스트림과 혼합되어 단일 냉매 스트림을 형성하고, 상기 단일 냉매 스트림은 제 2 압축을 받아 압축된 냉매 스트림을 형성하고,
(i) 압축된 냉매 스트림의 냉매는 열교환기에서 냉각된 후에 열 교환기에 재유입되기 전에 팽창되고,
(ii) 압축된 냉매 스트림은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에, 냉각 동안 또는 냉각 후에 열교환기에 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 2개의 스트림으로 분할된다.
따라서, 본 발명의 방법은 가스 공급 스트림을 액화하기 위한 단일 사이클로 혼합된 냉매 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 방법은 가스 공급 스트림에 차동 냉각 효과를 제공하기 위해 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 제공하도록 구성된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 본 방법은 추가적인(예를 들어, 3개, 4개 또는 5개) 냉매 스트림을 더 포함할 수 있다.
제 1 냉매 스트림은 특정 실시예에서 제 2 냉매 스트림에 대해 제 1 냉매의 온도, 압력 및/또는 조성을 변화시키는 것에 의해 제 2 냉매 스트림의 온도보다 더 낮은 온도에서 냉각을 제공하도록 구성될 수 있다, 적절하게, 제 1 냉매 스트림의 온도 및/또는 압력은 혼합된 냉매의 제 2 스트림의 압력 및/또는 온도보다 더 낮다. 대안적으로 또는 추가적으로, 혼합된 냉매의 제 1 스트림의 조성은, 제 1 냉매 스트림이 증발하고 제 2 냉매 스트림의 온도보다 더 낮은 온도에서 냉각 효과를 제공하도록 냉매의 제 2 스트림의 조성과 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 냉매 스트림은 제 2 냉매 스트림의 것보다 더 낮은 압력 및/또는 온도에 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제 1 냉매 스트림은 제 2 냉매 스트림의 것과는 다른 조성을 가지고 있으며 선택적으로 또한 제 2 냉매 스트림의 것보다 더 낮은 온도 및/또는 압력에 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 냉매 스트림은 제 2 냉동 스트림의 것보다 더 낮은 압력에 있다.
적당하게는, 제 1 냉매 스트림이 낮은 압력에 있고 제 2 냉매 스트림은 중간 압력에 있다.
제 1 및 제 2 냉매 스트림의 온도, 압력 및/또는 조성이 변할 수 있는 방법이 본 명세서에 더 기술된다.
제 1 및 제 2 냉매 스트림이 증발하는 온도 범위는 관련된 특정 응용에 대해 선택될 수 있다.
열교환기를 빠져나갈 때, 제 1 냉매 스트림은 압축기로 전달되고 여기서 열교환기로부터 외부로 흐르는 제 2 냉매 스트림과 혼합되기 전에 초기 압축을 받는다. 이 초기 압축은 제 2 냉매 공급 스트림의 것과 유사한 정도의 압력으로 제 1 냉매 스트림을 적절히 가압한다. 2개의 스트림은 이후 혼합되고 더 압축되어 단일의 (결합된) 압축된 냉매 스트림을 형성한다.
본 발명에서 단일 사이클로 혼합된 냉매 프로세스에서 동작의 가변성은 열 교환기에 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림을 재생성하기 위해 압축된 냉매 스트림의 후속 처리에서 발생한다. 열 교환기에 공급하는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 재생성하기 위해, 압축된 냉매는 냉각될 필요가 있고 (이는 제 1 및/또는 제 2 냉매 스트림에 의해 냉각되는 열 교환기를 통해 냉매를 전달하는 것에 의해 달성된다), 이후 팽창되어 압력이 감소된다. 나아가, 단일 스트림은 열교환기를 위한 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림을 형성하는 별도의 스트림으로 분할될 필요가 있다. 이 분할이 발생하는 지점은 변할 수 있다. 구체적으로, 별도의 스트림으로 분할하는 것은 열교환기에서 냉매 스트림의 냉각 전에, 냉각 동안 또는 냉각 후에 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 단일 압축된 냉매 스트림은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에 별도의 공급 스트림(이는 궁극적으로는 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림을 형성한다)으로 분할된다. 이러한 배열에서 추가적인 동작 가변성이 열 교환기에서 각각의 스트림의 냉매를 다른 정도로 냉각하는 능력에 의해 제공된다. 각 냉매 스트림은 최적의 온도와 압력을 가지는 열 교환기를 위해 원하는 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림을 형성하도록 팽창될 수 있다.
다른 실시예에서, 단일 압축된 냉매 스트림은 냉매가 열교환기에서 냉각된 후에 별도의 공급 스트림(이는 궁극적으로는 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림을 형성한다)으로 분할된다. 이러한 배열에서 동작 가변성이 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림에서 원하는 압력을 형성하기 위해 각각의 스트림의 냉매를 다른 정도로 팽창시키는 능력에 의해 제공된다.
적절히, 압축된 냉매 스트림은,
(i) 냉각 효과를 제공하기 위해 열교환기로 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 각각 형성하기 위해 독립적으로 팽창하는 제 1 및 제 2 스트림으로 분할되기 전에 단일 스트림으로 열교환기에서 제 1 및/또는 제 2 냉매 스트림에 의해 냉각되거나,
(ii) 초기 팽창을 받기 전에 단일 스트림으로 열교환기에서 제 1 및/또는 제 2 냉매 스트림에 의해 냉각된 후에 제 1 및 제 2 스트림으로 분할되거나, 여기서 제 1 스트림은 제 1 냉매 스트림을 형성하도록 더 팽창하고 제 2 스트림은 제 2 냉각 스트림을 형성함,
(iii) 열교환기에서 제 1 및/또는 제 2 냉매 스트림에 의해 냉각되고 냉각 효과를 제공하기 위해 열교환기로 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하도록 독립적으로 팽창하는 2개의 별도의 냉매 스트림으로 분할된다.
본 발명의 특정 실시예에서, 압축된 냉매 스트림은 냉각 효과를 제공하기 위해 열교환기로 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 각각 형성하도록 별도로 팽창되는 제 1 및 제 2 스트림으로 분할되기 전에 단일 냉매 스트림으로 열교환기에서 제 1 및/또는 제 2 냉매 스트림에 의해 초기에 냉각된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 압축된 냉매 스트림은 초기 팽창을 받기 전에 단일 스트림으로 열교환기에서 제 1 및/또는 제 2 냉매 스트림에 의해 초기에 냉각된 후에 제 1 및 제 2 스트림으로 분할되고, 상기 제 1 스트림은 제 1 냉매 스트림을 형성하도록 더 팽창되고 제 2 스트림은 제 2 냉매 스트림을 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 압축된 냉매 스트림은 열교환기에서 제 1 및/또는 제 2 냉매 스트림에 의해 냉각되고 냉각 효과를 제공하기 위해 열교환기로 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하도록 팽창되는 2개의 별도의 냉매 스트림으로 분할된다.
본 발명의 방법은 플래시 유닛에서 단일 압축된 냉매 스트림을 분할하는 단계를 더 포함할 수 있다. "플래시 유닛(flash unit)"은 단일 압축된 혼합된 냉매를 액체 상과 기체 상/증기 상으로 분리할 수 있는 유닛이다. 적당히 플래시 유닛은 열교환기로부터 상류에 위치되어 단일 압축된 혼합된 냉매 스트림이 냉매 스트림의 후속적인 냉각과 팽창 이전에 플래시 유닛에서 분리되게 한다. 플래시 유닛의 사용은 별도의 공급 스트림의 조성이 변할 수 있게 하는 것에 의해 추가적인 동작 가변성을 제공한다. 예를 들어, 플래시 유닛으로부터 가스 상/증기 상 및 액체 상을 인출할 수 있다. 플래시 유닛으로부터 인출된 증기 상 및 액체 상의 냉매 스트림은 일 실시예에서 냉각되고 이후 팽창되어 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림을 형성할 수 있다. 증기 스트림은 이를 액체로 변환하기에 충분한 정도로 냉각될 필요가 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 대안적인 실시예에서, 플래시 유닛에서 인출된 별도의 증기 및 액체 냉매 스트림은 이후 다른 조성을 가지는 별도의 공급 스트림을 형성하기 위해 특정 비율로 서로 혼합될 수 있다. 플래시 유닛의 사용은 따라서 압축된 냉매 스트림의 구성 요소가 플래시 유닛 내에서 그 물리적 상태에 기초하여 적어도 부분적으로 분리될 수 있게 하는 것에 의해 별도의 냉매 스트림의 조성이 변할 수 있게 한다. 이런 방식으로 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림에서 냉매의 조성을 변화시킬 수 있는 능력은 추가적인 동작 가변성을 제공하고 원하는 냉각 응용을 위해 제 1 및 제 2 냉매 스트림의 조성을 최적화하기 위한 다른 수단을 제공한다.
2개의 냉매 공급 스트림의 조성, 온도 및 압력은 모두 관련된 특정 가스 공급 스트림을 위해 사이클의 열역학적 효율을 최적화하기 위해 본 명세서에 기술된 여러 기술에 의해 변화될 수 있다.
제 1 및 제 2 냉매 스트림은 냉매 리사이클링의 일부로서 압축된 냉매에 사전 냉각을 제공할 뿐아니라 열교환기에서 가스 공급 스트림에 냉각을 제공한다.
제 1 및 제 2 공급 스트림의 정확한 조성, 온도 및 압력은 관련된 특정 응용에 대해 최적화될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 천연 가스의 액화를 위해, 팽창 이전에 냉매 스트림의 압력은 일반적으로 40바(bar) 내지 50바일 수 있다. 팽창 후에 제 1 냉매 스트림의 냉매의 압력은 일반적으로 1.1 내지 3바의 범위 내에 있고, 제 2 냉매 스트림의 압력은 일반적으로 5 내지 15바의 범위 내에 있을 수 있다.
혼합된 냉매의 임의의 적합한 조성이 사용될 수 있다. 혼합된 냉매 조성은 포함된 제품 스트림 및 사용된 특정 냉매 방식에 따라 조정될 수 있다는 것을 이해되어야 할 것이다. 특정 실시예에서, 냉매는 다음 조성을 가진다:
메탄 15-25 몰%,
에탄 30-45 몰%,
프로판 0-20 몰%,
n-부탄 0-25 몰%,
및 질소 5-20 몰%.
본 발명의 제 1 측면의 방법은 단일 열 교환기를 사용하여 단일 냉동 사이클을 사용한다. 대안적으로, 본 방법은 단일 열 교환기에서 다수의 냉매 사이클을 포함할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 또한 사용 및 냉매 사이클 동안 냉각될 제품 스트림을 수신하도록 구성된 단일 열 교환기를 포함하는 냉동 어셈블리/장치를 제공하며, 상기 어셈블리/장치는,
냉각을 제공하기 위해 열 교환기를 통해 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림으로서, 제 1 냉매 스트림의 냉매는 제 2 냉매 스트림의 냉매의 것보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성된, 제 1 및 제 2 냉매 스트림;
열 교환기를 빠져나가는 제 1 냉매 스트림을 수신하고 상기 냉매를 제 1 압축 레벨로 압축하도록 구성된 제 1 압축 수단;
열교환기를 빠져나가는 제 2 냉매 스트림과 상기 제 1 압축 수단으로부터 압축된 냉매 스트림의 혼합물을 수신하고 상기 혼합물을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 제 2 압축 수단;
압축된 냉각 스트림의 냉매를 냉각을 위해 열교환기로 지향하는 수단;
*냉각된 냉매를 팽창 수단을 전달하고 팽창된 냉매를 열교환기에 전달하는 수단; 및
압축된 냉매 스트림을 열교환기로 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 2개의 별도의 냉매 스트림으로 분할하는 수단으로서, 압축된 냉매 스트림의 분할은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에, 냉각 동안 또는 냉각 후에 발생하는 것인 분할하는 수단
을 포함한다.
본 발명의 냉동 어셈블리의 특정 구성은 본 명세서에 제공된 본 발명의 특정 실시예의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
전술된 바와 같이, 다른 측면에서, 본 발명은 제품 공급 스트림을 냉각하기 위한 냉각 방법을 제공하며, 본 방법은 혼합된 냉매의 제 1 냉매 스트림과 혼합된 냉매의 제 2 냉매 스트림을 포함하는 열 교환기를 통해 제품 공급 스트림을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 냉매 스트림은 제 2 냉매 스트림의 것보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성되며,
상기 제 1 냉매 스트림은 팽창기에서 팽창되어 열 교환기로 공급되고 프로세스 공급 스트림과 열교환 후, 상기 열 교환기를 빠져나가자 마자 초기 압축을 받은 후, 상기 열 교환기를 빠져나온 상기 제 2 냉매 스트림과 혼합되어 단일 냉매 스트림을 형성하고, 상기 단일 냉매 스트림은 제 2 압축을 받아 압축된 냉매 스트림을 형성하고,
(i) 압축된 냉매 스트림의 냉매는 열교환기에서 냉각된 후에 공급 스트림을 냉각하기 위해 열교환기로 재유입되기 전에 팽창되고,
(ii) 압축된 냉매 스트림은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에 또는 냉각 동안 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 별도의 스트림으로 분할된다.
본 발명의 제 2 측면의 방법은 열 교환기에서 냉각하기 전에 또는 냉각하는 동안 냉매 스트림이 분할될 것을 요구한다는 것을 제외하고는 전술된 제 1 측면의 방법과 동일하다. 나아가, 이것은 단 하나의 열 교환기의 사용을 필요로 하지 않는다. 그러나, 본 발명의 제 2 측면의 방법의 모든 다른 특징(제품 공급 스트림, 혼합된 냉매의 제 1 및 제 2 냉매 스트림, 단일 냉매 스트림을 형성하기 위해 열교환기로부터 제 2 냉매 공급 스트림과 혼합되기 전에 제 1 냉매 스트림의 초기 압축과 같은 것; 압축된 냉매 스트림을 형성하기 위해 결합된 냉매 스트림의 제 2 압축, 압축된 냉매 스트림의 냉매는 열교환기에서 냉각된 후에 공급 스트림을 냉각하기 위해 열교환기로 재유입되기 전에 팽창된다)은 모두 본 발명의 제 1 측면의 방법에 대해 앞서 한정된 바와 같다.
본 발명의 제 2 측면의 방법은 단일 열 교환기 또는 예를 들어 직렬 배치된 하나 이상의 열교환기를 포함할 수 있다. 적절히, 비용을 최소로 유지하기 위해 1개 내지 3개의 열교환기가 존재할 수 있다. 일 실시예에서, 1개 또는 2개의 열 교환기가 제공된다. 바람직한 실시예에서, 단 하나의 단일 열 교환기가 존재한다.
일 실시예에서, 압축된 냉매 스트림은 압축 가스의 냉각 전에 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 별도의 스트림으로 분할된다. 특정 실시예에서, 냉매 스트림은 열교환기에서 냉각하기 전에 플래시 장치에서 분할된다. 이것은 다른 조성을 가지는 별도의 스트림을 제공한다.
본 발명은 사용 및 냉매 사이클 동안 냉각될 제품 스트림을 수신하도록 구성된 하나 이상의 열 교환기를 포함하는 냉동 어셈블리를 더 제공하며, 상기 열 교환기(들)는,
냉각을 제공하기 위해 열 교환기(들)를 통해 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림으로서, 제 1 냉매 스트림의 냉매는 제 2 냉매 스트림의 냉매의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성된, 제 1 및 제 2 냉매 스트림;
열 교환기(들)를 빠져나가는 제 1 냉매 스트림을 수신하고 상기 냉매를 제 1 압축 레벨로 압축하도록 구성된 제 1 압축 수단;
열 교환기(들)를 빠져나가는 제 2 냉매 스트림과 제 1 압축 수단으로부터 압축된 냉매 스트림의 혼합물을 수신하고 상기 혼합물을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 제 2 압축 수단;
상기 압축된 냉매 스트림의 냉매를 냉각을 위해 열교환기(들)로 지향하는 수단;
냉각된 냉매를 팽창 수단으로 전달하고 이후 팽창된 냉매를 열교환기(들)로 전달하는 수단; 및
압축된 냉매 스트림을 열교환기로 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하는 2개의 별도의 냉매 스트림으로 분할하는 수단으로서, 상기 압축된 냉매 스트림의 분할은 열교환기에서 압축된 냉매의 냉각 전에 또는 냉각 동안 발생하는 것인, 분할하는 수단을 포함한다.
본 발명의 냉동 어셈블리의 특정 구성은 본 명세서에 제공된 본 발명의 특정 실시예의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
본 발명의 방법과 냉동 어셈블리는 -30℃ 미만으로 냉각이 필요한 임의의 산업상 응용에 사용될 수 있다. 일반적으로 본 방법은 예를 들어 -50℃ 또는 -80℃ 미만의 온도로 냉각이 요구되는 산업에도 적용될 수 있다. 천연 가스의 액화를 위해, 약 -150℃ 미만으로 그리고 약 -160℃ 미만으로 냉각이 필요하다.
본 발명의 냉동 방법과 어셈블리는 임의의 산업 분야에 사용될 수 있지만, 이들은 특히 공기, 산소, C02, 질소, 및 천연 가스와 같은 가스의 액화에 적합하다.
특정 실시예에서, 본 발명의 방법은 천연 가스를 액화를 위한 방법이다.
본 발명의 방법의 단순한 디자인은 본 방법이 더욱 간단하고 더 컴팩트한 장비 구성을 사용하여 수행될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 본 발명의 방법과 어셈블리가 예를 들어 운송 선박과 같은 이동 유닛 상에 수용하기에 적합하다는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어, 액체 천연 가스는 천연 가스가 액화된 운송 선박 상에 직접 파이프 연결될 수 있다. 이것은 부동 생산 저장 및 오프로딩(FPSO : Floating Production Storage and Offloading)으로 이 기술 분야에서 알려져 있으며 이것은 대형 지상 기반 액화 공장을 위한 요구 사항을 제거한다. 이것은 액체 천연 가스의 효율적인 전송을 위해 추가적인 수송 유연성을 제공하기 때문에 FPSO는 매력적이다.
본 발명은 또한 대규모 시설의 동작 능력을 초과하는 피크 수요 시간에 대규모의 액화 천연 가스 생산을 보충하는 데 사용되는 소규모 액화 천연 가스 시설(이 기술 분야에서 피크 삭감(peak shaving) 액체 천연 가스 시설로 알려진)에서 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 예를 들어, 에틸렌 생산, 극저온 공기 분리 및 이산화탄소의 극저온 제거에, 저온 냉동 온도가 필요한 다른 산업적 응용에 사용될 수 있다. 이들 하위 주위(sub-ambient) 방법에서, 상당한 양의 냉동 듀티(duty)가 원하는 탄화수소 및/또는 화학 물질의 분리 및/또는 복구를 가능하게 하는데 필요하고, 본 발명의 방법은 냉동 사이클의 열역학적 효율을 개선하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제품 공급 스트림은 천연 가스, 공기, 산소, 질소, 이산화탄소 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다.
본 발명의 특정 실시예에서, 냉각될 제품 공급 스트림은 천연 가스이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 냉각될 제품 공급 스트림은 공기이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 냉각될 제품 공급 스트림은 이산화탄소이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 냉각될 제품 공급 스트림은 산소이다.
본 발명의 특정 실시예에서, 냉각될 제품 공급 스트림은 질소이다.
본 발명의 실시예
이하 절에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일부 특정 실시예를 설명한다. 적절한 경우, 동일한 도면 부호는 여러 도면에서 동일하거나 대응하는 부분을 지칭하는 데 사용된다.
본 발명에 따른 프로세스는 냉매 증발을 위한 다수의 압력 및/또는 온도 레벨의 제공을 이용하는 전부 단일 사이클의 냉매 시스템이다. 나아가, 일부 실시예에서, 플래시 유닛이 냉각 냉매 스트림의 조성을 변화시키는데 사용된다. 이들 프로세스는 공급 가스 스트림에 대한 온도 엔탈피 냉각 곡선이 가능한 한 근접하게 일치될 수 있게 하며 냉동 사이클의 열역학적 효율이 개선될 수 있게 하는 것은 이 근접한 일치이다.
알려진 단일 혼합된 냉매 사이클과 비교하면, 본 명세서에 한정된 본 발명의 새로운 혼합된 냉매 사이클은 다수의 상당한 프로세스 변화를 포함한다. 그러나, 이 프로세스는 여전히 비교적 간단하게 남아 있으며, 프로세스를 구현하는 데 필요한 장비 구성도 또한 더 복잡한 다단 또는 케스케이드 프로세스에서 필요한 것보다 훨씬 더 간단하다. 간단한 장비 구성의 제공은 공장의 용량과 사이클의 효율성보다 장비의 콤팩트화와 중량이 더 높은 우선 순위를 가지는 부유 생산 저장 및 오프로딩(FPSO) 선박 응용에서 특히 중요하다.
(i) 실시예 1 (도 1) - 다단 팽창
제 1 및 제 2 냉매 스트림에서 냉매 증발을 위해 다수의 압력 레벨을 부여하기 위해, 본 발명은 다수의 팽창 레벨을 사용하는 간단한 냉각 프로세스를 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 압축된 혼합 냉매 스트림(1)이 열교환기(2)에서 사전 냉각되어 냉각된 혼합 냉매 스트림(3)을 형성한다. 냉각된 혼합 냉매 스트림은 팽창기(또는 팽창 밸브)(4)에서 초기 팽창을 받아 중간 압력의 혼합된 냉매 스트림(5)을 형성한다. 중간 압력 레벨 스트림(5)은 2개의 스트림(6 및 7)으로 분할된다. 스트림(6)은 중간 압력 레벨에서 증발하는 제 2 냉매 공급 스트림을 형성한다. 스트림(7)은 팽창기(8)에서 더 낮은 압력 레벨로 더 팽창되고 열교환기(2)로 공급되는 제 1 냉매 스트림을 형성한다.
제 1 및 제 2 냉매 스트림(6 및 7)은 열교환기(2)에 공급되고 여기서 이들은 단일 압축된 냉매 스트림(1)과 프로세스 공급 스트림(9)에 냉각을 제공하며 냉각된 프로세스 스트림으로 열 교환기에서 나타난다.
천연 가스의 액화를 위해, 프로세스 공급 스트림(9)은 천연 가스의 공급 스트림이며, 이 공급 스트림은 열 교환기(2)에 초기 냉각을 받은 후 액화 구성 요소(9a)를 기체 구성 요소(9b)로부터 분리하는 플래시 유닛(30)으로 공급된다. 액화된 구성 요소(9a)는 저장을 위해 인출될 수 있는 반면, 기체 구성 요소(9b)는 인출된 후에 열교환기(2)에서 추가 냉각을 받는다.
제 1 냉매 스트림(7)은 열교환기(2)를 빠져나갈 때 제 1 압축기(10)로 지향되며, 여기서 제 2 냉매 스트림(6)의 압력과 같거나 또는 이 압력과 근사한 압력으로 초기 압축을 받는다. 압축된 제 1 스트림(7)은 이후 제 2 압축기(11)에서 열교환기로부터 제 2 냉매 스트림(6)과 혼합된다. 제 2 압축기는 결합된 냉매 스트림(6과 7)을 압축하여 단일 압축된 냉매 스트림(1)을 재형성한다. 전체 사이클은 계속해서 반복된다.
제 1 및 제 2 냉매 스트림(6 및 7)은 다른 압력 레벨에서 증발하기 때문에, 이들은 서로 다른 온도-엔탈피 프로파일을 가진다. 저온 합성 곡선의 형태, 제 1 및 제 2 냉매 스트림(6 및 7)의 온도-엔탈피 프로파일의 조합이 이제 (단일 냉매 스트림을 가지는 전통적인 단일 혼합 냉매 사이클을 위한 단 하나 대신에) 냉매 증발을 위한 2개의 압력 레벨을 변화시키는 것에 의해 조작될 수 있다. 그 결과, 이런 방식으로 온도-엔탈피 프로파일을 조작할 수 있는 능력은 추가적인 동작 유연성을 제공한다. 나아가, 이 추가적인 동작 가변성의 제공은 2개의 냉매 스트림의 제공에 의해 제공된 추가적인 가변성, 및 스트림을 분할하는 비율을 변경할 수 있는 가능성과 함께 프로세스의 효율성을 최적화하기 위한 추가적인 옵션을 제공한다. 따라서 이것은 전통적인 단일 MR 사이클에 비해 효율을 개선시킬 가능성을 제공한다.
(ii) 실시예 2 (도 2) - 다중 스트림의 사전 냉각
팽창 동안 냉각 효과는 제한되므로, 도 1의 프로세스에서 스트림(6과 7)의 온도는 서로 매우 근접할 수 있다(그 이유는 이들이 제 1 단계 팽창 전에 동일한 온도 레벨을 가지기 때문에). 그 결과, 이 특정 프로세스 구성의 이 특징은 스트림 온도-엔탈피 프로파일의 조작에 대한 일부 제약(constraint)을 부과한다. 이 구조적 한계를 극복하고 2개의 냉매 스트림이 서로 다른 온도를 가지게 하기 위해, 프로세스의 다른 수정된 실시예가 도 2에 도시된 바와 같이 개발되었다.
도 2에 도시된 실시예는 많은 측면에서 도 1에 도시된 실시예와 동일하지만 주요 차이점은 단일 압축된 냉매 스트림(1)이 냉매 스트림이 열교환기(2)에서 사전 냉각되기 전에 2개의 별도의 스트림(18, 19)을 형성하도록 분할된다는 것이다.
두 냉매 스트림(18, 19)의 온도는 사전 냉각 후에 열교환기에서 스트림(18, 19) 각각에 대해 냉각의 정도(그리고 이것은 이들 2개의 냉매 스트림이 서로 다른 온도 범위에서 증발할 수 있는 것을 의미한다)를 변경하는 것에 의해 달라질 수 있다. 냉각된 프로세스 스트림(18, 19) 각각은 이후 팽창기 또는 확장 밸브(4a, 4b)에서 별도로 팽창되어 제 1 및 제 2 냉매 스트림(6과 7)을 제공한다. 스트림(6과 7)으로부터 오는 냉매는 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이 리사이클링된다.
따라서, 본 실시예는, 원하는 경우, (i) 온도 (열교환기(2)에서 차등 사전 냉각에 의하여), (ii) 압력 (팽창기 또는 팽창 밸브(4a, 4b)에서 차등 팽창에 의해), 및 (iii) 냉매가 스트림(18, 19) 사이에서 분할되는 비율을 모두 변경되게 하는 것에 의해 추가적인 동작 유연성을 제공한다.
나아가, 이 프로세스는 보다 복잡한 다단 팽창 프로세스를 사용하는 것에 의해 부과된 구조적 제약을 가지지 않는다.
냉동이 적절한 온도 범위에 걸쳐 프로세스 공급 스트림을 냉각시키는데 필요한 경우 냉매 증발을 위한 압력 및 온도 레벨은 스트림 온도-엔탈피 프로파일의 형상에 큰 영향을 미친다. 그 결과, 이 실시예에서 제 1 및 제 2 냉매 스트림의 온도와 압력을 변경할 수 있는 능력은 열역학적 효율이 개선될 수 있게 하는 추가적인 유연성을 제공한다.
(iii) 실시예 3, 4, 및 5 (도 3, 4, 및 11) - 플래시 유닛의 실시예
도 1 및 도 2에 설명된 실시예에 사용된 간단한 스트림 분할은 여전히 2개의 냉매 스트림이 동일한 조성을 가진다는 점에서 제한을 가진다.
냉동이 광범위한 온도 범위에 걸쳐 필요한 경우, 열역학적 성능에 압력 및 온도 레벨만의 효과는 제한될 수 있다. 다른 임계 요소인, 냉매 조성은, 이러한 경우에 냉매의 온도-엔탈피 프로파일의 최적화를 가능하게 한다는 점에서 더 중요한 역할을 한다. 그러므로, 단일 혼합 냉매 사이클 내의 다른 조성을 가지는 별도의 냉매 스트림을 제공할 수 있는 능력은 온도-엔탈피 프로파일의 보다 효과적인 조작 및 동작 효율성이 개선될 수 있게 한다.
본 발명의 특정 실시예는 플래시 유닛을 병합하는 것에 의해 등압 플래시(isobaric flash)를 이용한다. 등압 플래시는 다른 조성, 즉 증기상의 조성과 액체상의 조성을 가지는 2개의 제품 스트림을 생성하는 확립된 기술이다. 혼합된 냉매에서, 제품 스트림의 흐름율 및 조성은 증기-액체 평형에 의해 결정되고 플래시 계산을 통해 획득될 수 있다. 압력 및 온도 레벨 뿐만 아니라 공급 스트림의 조성을 포함하는 플래시 조건의 조정으로, 제품 스트림의 흐름율과 조성이 적절히 변경된다. 단일 혼합 냉매 사이클이 플래시 동작의 이들 특징을 캡처할 수 있는 경우, 사이클 최적화는 다른 조성을 가지는 2개의 냉매 스트림을 제공하는 것에 의해 보다 유연하게 될 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 다음 2가지 실시예는 열역학적 효율을 향상시키기 위해 플래시 동작을 이용하기 위해 개발되었다.
사전 플래시 실시예 (실시예 3, 도 3)
도 3에 도시된 실시예는 열교환기(2) 내에서 사전 냉각되기 전에 단일 압축된 냉매 스트림(1)이 플래시 유닛(30)에서 2개의 별도의 스트림(18, 19)으로 분할된다는 것을 제외하고는 도 2에 도시된 것과 동일하다. 압축된 혼합 냉매 공급 스트림(1)은 증기와 액체의 혼합물이며 이는 2개의 제품 스트림(18, 19)을 제공하기 위해 플래시 유닛(30)에서 분리된다. 스트림(18)은 플래시 유닛(30)의 상부로부터 추출된 증기를 포함하고, 스트림(19)은 플래시 유닛의 하부로부터 추출된 액체를 포함한다.
증기를 포함하는 스트림(18)은 증기를 액체로 변환시키기 위해 열교환기(2)에서 더 큰 사전 냉각을 받는다. 이것은 상이한 조성의 2개의 액체 냉매 스트림(18 및 19)을 제공하며 이들은 팽창기 또는 팽창 밸브(4b, 4a)에서 팽창되어 제 1 및 제 2 냉매 공급 스트림(6과 7)을 각각 형성한다. 이 냉매는 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이 리사이클링된다.
이 실시예에서, 열 교환기에서 2개의 냉매 스트림의 조성은 플래시 조건의 조정에 의해 변경될 수 있다. 이것은 냉매의 온도-엔탈피 프로파일이 더 조정될 수 있게 하는 것에 의해 추가적인 동작 가변성을 제공한다. 이것은 프로세스 스트림의 합성 냉각 곡선에 냉매 프로파일을 더 근접하게 일치할 수 있게 한다. 그 결과, 이 프로세스는 단일 혼합 냉매 사이클보다 훨씬 더 큰 동작 가변성을 가진다.
이 사전 플래시 실시예에서, 냉매 스트림(18, 19)의 조건은 플래시 계산에 의해 완전히 결정된다는 것이 이해될 수 있어야 한다. 이 스트림의 조건을 조정하는 유일한 방법은 공급 스트림의 상태를 변경하는 것이다. 그 결과, 이 프로세스에서 플래시 제품 스트림에 대한 조건 선택은 제한 요소이다.
스트림 할당을 갖는 사전 플래시 (실시예 4, 도 4)
본 발명의 다른 대안적인 실시예는 도 4에 도시된다. 이 실시예는 플래시 제품 할당의 제한을 제거하는 추가적인 유연성을 포함한다.
도 4에 도시된 실시예는 다른 조성을 가지는 스트림(18, 19)을 생산하기 위해 플래시 유닛(30)을 사용한다는 점에서 도 3에 도시된 것과 동일하다. 그러나, 플래시 유닛(30)으로부터 추출된 증기 및 액체 스트림은 사전 플래시 실시예(도 3)에서처럼 직접 냉매 스트림으로 사용되지는 않는다. 대신, 실제 냉매 조성은 플래시 유닛(30)으로부터 추출된 액체 스트림의 일부와 추출된 증기 스트림의 일부를 혼합하는 것에 의해 형성된다. 따라서, 스트림(18)은 플래시 유닛(30)으로부터 액체 스트림의 일부(18b)와 증기 스트림의 일부(18a)로 형성된다. 마찬가지로, 증기 스트림(19a)의 나머지 부분과 액체 스트림(19b)의 나머지 부분은 냉매 스트림(19)을 형성하기 위해 결합된다.
각 냉매 스트림에서 증기 및 액체 상태의 양을 변화함으로써, 냉매 스트림의 조성은 원하는 프로세스 스트림(9)의 냉각을 위해 더 최적화될 수 있다. 고정된 공급 스트림 조건에서도, 2개의 냉매 스트림의 흐름율과 조성은 여전히 흐름 비를 변경시키는 것에 의해 변화될 수 있다. 이것은 따라서 열역학적 효율의 최적화를 가능하게 하는 추가적인 동작 가변성을 제공한다.
도 4에 도시된 실시예에서, 냉매 분할과 혼합이 추가적인 에너지 손실을 야기하긴 하지만, 추가적인 동작 가변성과 냉매의 사전 냉각 및 증발 조건의 선택이 프로세스 스트림의 전체적인 고온 및 저온 합성 곡선을 보다 근접하게 일치시키는데 도움을 주며 이로 열 교환 동안 에너지 손실을 줄일 수 있다. 따라서, 스트림 할당 방식을 가지는 사전 플래시는 보다 효율적인 열 교환의 이익이 냉매 분할과 혼합으로 야기된 부정적인 영향을 능가하는 경우 사이클 효율을 크게 개선할 수 있는 가능성을 가진다.
2개의 열교환기를 가지는 사전 플래시 (실시예 5, 도 11)
도 11은 도 3을 참조하여 전술된 사전 플래시 실시예(실시예 3)와 구조적으로 유사한 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 단일 압축된 냉매 스트림(1)이 제 1 플래시 유닛(30a)으로 유입되고 여기서 상기 실시예 3(도 3)을 참조하여 설명된 바와 동일한 방식으로 2개의 냉매 스트림(18, 19)으로 분할된다.
제 1 냉매 스트림(19)은 제 1 열 교환기(2a)에서 사전 냉각되고 이후 열교환기(2a)에서 제 1 냉매 스트림을 형성하는 팽창된 냉매 스트림(6)을 형성하기 위해 팽창 챔버 또는 팽창 밸브(4a)를 통해 전달된다. 제 1 냉매 스트림(6)은 실시예 1 및 3(도 1 및 도 3)을 참조하여 이전에 설명된 것과 동일한 방법으로 압축된 냉매 스트림(1)으로 다시 리사이클링된다.
제 2 냉매 스트림(18)은 또한 열 교환기(2a)에서 사전 냉각되고 이후 제 2 플래시 유닛(30b)으로 공급되고 여기서 2개의 냉매 스트림(18a 및 18b)으로 분리된다. 냉매 스트림(18a 및 18b)은 이후 열교환기(2a)와 직렬 위치된 제 2 열교환기(2b)에서 사전 냉각을 받는다. 2개의 사전 냉각된 냉매 스트림(18a 및 18b)은 팽창 챔버/팽창 밸브(4b, 4c)에 의해 팽창되며, 2개의 별도의 냉매 스트림(7a, 7b)을 생성하며, 이들 스트림은 제 2 열 교환기(2b)로 전달되고 이후 제 1 열교환기(2a)로 공급되어 프로세스 스트림(9)에 냉각제를 제공한다.
냉매 스트림(7a)은 일반적으로 냉매 스트림(7b)보다 더 높은 압력에 있다. 따라서, 이 냉매의 압력을 냉매 스트림(7a)의 것과 동일한, 또는 근접한 레벨로 증가시키기 위해 냉매 스트림(7b)이 제 1 압축기(10)에서 초기 압축을 받는 것이 필요하다. 냉매 스트림(7a, 7b, 6)은 이후 모두 혼합되고 압축기(11)에서 압축되어 단일 압축된 냉매 스트림(1)을 형성하고 이는 플래시 유닛(30a)으로 다시 리사이클링된다.
적절히, 냉매 스트림(6)은 높은 압력에 있으며, 냉매 스트림(7a)은 더 낮은/중간 압력에 있고 냉매 스트림(7b)은 가장 낮은 압력에 있다.
2개의 열교환기(2a 및 2b)와 냉매 스트림(6, 7a 및 7b)을 제공하는 것은 냉매 스트림의 특성이 프로세스 스트림(9)의 냉각을 위해 최적화될 수 있게 한다. 이 최적화는 관련된 프로세스 스트림에 냉각 프로파일을 제공하는데 냉매 조성과 압력이 최적화될 수 있게 하는 추가적인 변수를 제공하는 것에 의해 개선된다. 그러나, 이 실시예는 또한 상대적으로 더 정교하고 값 비싼 건설을 요구한다.
본 발명이 실시될 수 있는 특정 예는 이제 다음 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
실시예 - 프로세스 모델링 및 최적화
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 각 실시예에 대해, 이 프로세스에서 독립 변수가 먼저 식별되고 이후 물리적 특성 계산, 질량 밸런스 및 에너지 밸런스가 다른 중간 동작 조건을 계산하고 냉동 프로세스의 전체적인 성능을 평가하기 위해 구현된다. 물리적 특성 계산은 스트림 조건(조성, 온도, 압력)과 물리적 특성 (엔탈피, 엔트로피) 사이에 열역학적 정보를 제공하는 상태 방정식(예를 들어, Peng-Robinson 방법)을 기반으로 한다. 일반적으로, 일단 조성이 주어지면, 스트림의 물리적 상태가 이하 파라미터, 즉 온도, 압력, 특정 엔탈피 및 특정 엔트로피 중 임의의 2개에 의해 결정된다. 이 특징은 열교환기에서 스트림 엔탈피 변화를 계산하고 팽창 및 압축 후 스트림 조건을 결정하는데 사용된다. 스트림 혼합 또는 분할이 존재하는 경우 질량 밸런스는 제품 스트림의 조성과 흐름율을 계산하는데 적용된다.
새로운 냉동 사이클의 프로세스 모델링은 또한 열교환기에서 열전달의 실행가능성의 평가를 포함한다. 여기서 논의되는 시스템과 같은 3개 이상의 스트림을 포함하는 열 교환 시스템에서, 고온 합성 곡선과 저온 합성 곡선 사이의 온도 차이가 특정된 최소 값보다 더 작지 않은 경우에만, 실행가능한 열 전달이 충분히 만족될 수 있다. 따라서, 열 교환이 열 교환기를 통해 성공적으로 구현될 수 있는 것을 보장하기 위하여, 이 열 교환 시스템에 대한 고온 및 저온 합성 곡선을 구성하고 비교하는 것이 필요하다. 일단 고온 합성 곡선과 저온 합성 곡선이 구성되면, 실행가능성의 체크가 두 곡선을 따라 수행된다.
일단 모든 프로세스 스트림의 물리적 상태가 물리적 특성 계산에 의해 획득된다면, 냉매 압축기의 샤프트 전력 소비와 주변 냉각 듀티가 질량과 에너지 밸런스에 따라 계산될 수 있다. 다단 압축이 중간 냉각(inter-cooling)에 사용된다.
이 모델링 란에서 샤프트 전력 소비는 최소화를 위한 주 목적으로 선정되었다. 그러나, 장비 크기 및 비용을 상관시키는 데이터가 이용가능한 경우, 자본 투자는 총 연간 비용으로 대체된 목적 함수를 가지고 프로세스 설계 동안 더 고려될 수 있다.
시뮬레이션이 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 모든 냉동 사이클의 성능을 평가하기 위해 사용된다. 그러나, 플래시 유닛(30)을 포함하는 도 3 및도 4에 도시된 실시예에서, 실제 냉매 조성은 팽창 프로세스가 시뮬레이션되기 전에, 플래시 계산에 의해 제일 먼저 결정될 필요가 있다. 팽창 장치, 열 교환기 및 다단 압축기와 같은 주요 장비의 시뮬레이션 후에, 열교환기에서 성능 지시자, 샤프트 전력 소비 뿐만 아니라 실행가능성 지시자, 온도 구동력의 위반의 정도(최소 온도 접근법으로 널리 알려진 것, △Tmin)는 이 시뮬레이션으로부터 획득된다. 이 2개의 파라미터를 가지고 최종 목적 함수가 결정하고, GA (유전 알고리즘) 최적화 동안 후보 적합성(candidate fitness)을 평가하는 데 사용된다.
냉동 시스템의 성능은 선택된 동작 조건에 따라 크게 좌우된다. 이들 동작 조건을 조정하는 것에 의해, 시스템 성능이 향상될 수 있다. 냉동 시스템 설계의 문제는 검색 공간 내에 존재하는 풍부한 국부 최적조건(local optima)에 따라 매우 비선형적일 수 있다. 이 특징으로 인해, 이 최적화는 전통적인 결정론적 방법이 이 문제를 해결하는데 사용되면 국부 최적조건 중 하나에 용이하게 포획될 수 있다. 따라서, 확률론적인 최적화 기술은 전통적인 결정론적인 방법을 통해 최종 최적화 솔루션(들)의 더 나은 신뢰를 위한 잇점을 제공한다. 유전 알고리즘(GA) 과 시뮬레이션된 어닐링(SA)과 같은 확률론적인 최적화 기술은 프로세스 디자인 및 엔지니어링 문제에 널리 적용되었다. GA는 이 문제의 최적화를 위해 선택된다.
전체적인 GA 최적화는 2개의 단계, 즉 초기화 단계, 또는 초기 모집단의 생성 단계, 및 전개 단계(evolution)로 구성된다. GA 기반 최적화는 동작 조건의 집합을 각각 나타내는 후보들의 초기 모집단의 생성으로 시작된다. 스크리닝 프로세스가 불량한 품질을 가진 후보를 필터링하고 초기 모집단에 더 나은 적합성을 가진 후보를 유지하기 위해 도입된다. 고품질의 후보를 생성하는 것이 초기화 단계에 더 많은 시간이 걸리기는 하지만, 전개 부분에서 소비되는 시간은 더 나은 품질을 가지는 초기 모집단으로부터 시작하는 것으로 인해 줄어들 수 있다. 후보의 품질은 주로 시뮬레이션으로부터 획득된 그 실행가능성에 의해 판단된다. 후보가 실행가능하거나 또는 다만 열 교환기에서 허용가능한 온도 위반을 가지는 경우, 이것은 초기 모집단에 유지된다. 초기 모집단이 초기화 단계에서 생산된 후, 생성된 후보는 GA 오퍼레이터에 의해 조작되어, 선택, 교차 및 돌연변이를 통해 그 다음 세대를 생성한다. 후보의 적합성은 그 다음 세대에 그 특징을 전달할 수 있는 가능성에 강한 영향을 미친다. 새로운 세대의 후보는 더 나은 적합성을 가지는 후보로부터 오는 특성을 상속할 가능성이 더욱 높아진다. 마지막 세대에 도달할 때, 최상의 후보가 최종적으로 최적인 솔루션으로 리턴된다.
GA 최적화 프레임워크는 도 5에 도시된다. 각 후보는 독립적인 동작 조건의 집합이다. 각 후보의 적합성은 프로세스 시뮬레이션에 의해 평가된 성능 지시자의 반영이다. 페널티 항이 또한 열 교환기에서 실행불가능성의 합리적 수준을 허용하기 위한 목적 함수에 기여하지만 본 연구에서는 샤프트 전력 소비가 최소화를 위한 주 목적으로 선정된다.
사례 연구
2개의 다른 사례가 본 명세서에서 제안된 새로운 방식의 성능을 예시하기 위해 이 섹션에서 사용된다. 제 1 사례(사례 연구 1)는 원래 Vaidyaraman 등(2002)에 발행되었으며, 여기서 천연 가스 스트림은 주위 온도로부터 약 -60℃로, 꽤 적절한 온도 레벨로 냉동되는 것이 요구된다. Lee(2002)로부터 언급된 사른 사례(사례 연구 2)는 LNG 생산 프로세스의 성능을 최적화하는 것이다. 이 경우 공급 가스 스트림은 주위 온도로부터 -160℃로, 매우 낮은 온도 레벨로 냉각될 것을 요구한다.
두 경우 모두, 최적화는 최상의 에너지 성능을 얻기 위해 모든 새로운 MR 사이클 방식에 대해 수행되었다. 추가적인 노력이 최적화가 동일한 디자인을 기준으로 구현되는 것을 보장하도록 이루어졌다. 다단 압축 모델은 각 개별 프로세스가 제공할 수 있는 최상의 성능을 반영하도록 최적화하는 동안 적용된다. 추가적으로, 최대 압력 비율의 특정 사양은 최적의 솔루션들 모두가 프로세스 샤프트 전력 소비에 상당한 영향을 미치는 유사한 수의 압축 단계를 유지할 수 있도록 각 프로세스에 이루어진다. 일단 최종 솔루션이 각 프로세스에 대해 획득되면, 다른 방식의 잇점이 식별된다. 그리고 이들 유용한 가이드라인은 주어진 냉동 작업을 위해 적절한 방식을 선택하는데 적용될 수 있다.
사례 연구 1
사전 처리된 천연 가스 스트림은 냉매 구성 요소로서 탄화수소 C2H6, C3H8, 및 n-C4H10의 혼합물을 사용하여 19.85℃로부터 -58.15℃로 냉각되는 것이다. 목적은 압축 전력 소비를 최소화하는 것이다. 외부 저온 시설이 고온 냉매를 40℃로 냉각하는데 이용가능하다. 실행가능한 열전달을 위한 최소 온도 차이는 2.5℃이다. 압축기의 등엔트로피 효율은 80%로 가정된다. Vaidyaraman 등(2002)에 의한 이전의 논문과 맞추기 위해, 물리적 특성 계산은 SRK(Soave-Redlich-Kwong) 상태 방정식으로 수행된다. 천연 가스 스트림의 온도-엔탈피 프로파일은 표 1에 제공된다.
표 1. 천연 가스 스트림의 온도-엔탈피 프로파일.
Figure pat00001
종래의 단일 혼합 사이클과 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 모든 새로운 냉동 프로세스는 모두 이 사례에서 특정된 냉동 요구를 충족하도록 설계되었다. 각 냉동 프로세스에 대한 성능 지시자의 범위가 비교를 위해 선택되었다.
중요한 성능 지시자로서, 샤프트 전력 소비가 더 높은 샤프트 전력 소비량이 더 낮은 사이클 효율을 나타내는 것으로 각 프로세스의 에너지 효율을 반영한다. 추가적으로, 압축기 단계의 수는 이 파라미터가 사이클 효율에 크게 영향을 미칠 뿐아니라 냉동 프로세스의 구조적 복잡성을 결정하기 때문에 비교를 위해 선택되었다. 임의의 냉동 프로세스가 다른 것들보다 더 우수한 사이클 효율을 달성하지만, 더 많은 압축 단계를 요구하는 경우, 효율 개선은 프로세스 구성의 변화로부터 오지 않을 수 있지만, 사실 압축 단계들 사이에 더 많은 중간 냉각으로 인해 있을 수 있다. 따라서, 다양한 프로세스들 사이에 공정한 비교를 획득하기 위하여 압축 단계에서 최대 압력 비율이 최적화 동안 각 프로세스에서 신중하게 선정되었다. 그리고 압축기 단계의 최종 개수는 4와 동일하거나 4에 가까워야 한다. 나아가, 실행가능한 열 교환의 지시자, 즉 최소 온도 차이가 열 교환기에서 실행가능한 열 전달의 완전한 달성이 냉동 프로세스 디자인에 필수적이므로 비교 테이블에 또한 포함되었다. 모든 냉동 프로세스의 상기 성능 지시자는 표 2에 도시된 바와 같이 GA 최적화 후에 획득된다.
표 2. 냉동 프로세스들 간에 성능 비교 (사례 연구 1)
Figure pat00002
단일 MR 사이클
단일 MR 사이클의 최상의 디자인이 도 6(a)에 도시된다. 고온 및 저온 합성 곡선과 스트림의 온도-엔탈피(T-H) 프로파일은 도 6(b)에 도시된다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 근접한 일치가 하부 종단에서 관찰되지만, 고온 온도 섹션에서는 합성 곡선들 사이에 큰 갭이 있다. 이러한 큰 갭은 사이클 효율이 열 교환 동안 상당한 열역학적 비가역성과 이로 인한 에너지 손실로 인해 매우 낮다는 것을 의미한다. 합성 곡선들 사이에는 온도 교차가 관찰되지 않았으며 열교환기에서 열전달의 실행가능성이 충분히 달성된다.
다단 팽창
다단 팽창 방식을 위한 최상의 디자인이 도 7(a)에 도시된다. 열교환기에서 합성 곡선과 스트림 T-H 프로파일은 도 7(b)에 도시된다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 고온 냉매는 단일 스트림에서 사전 냉각되지만, 스트림 분할 후 2개의 저온 냉매는 다른 압력 레벨에서 증발하고 다른 온도 범위에 걸쳐 T-H 프로파일을 생성한다. 그 결과, 결합된 저온 합성 곡선은 고온 합성 곡선과 매우 근접하게 일치하여 샤프트 전력 소비의 감소에 기여한다.
그러나, 단일 스트림 사전 냉각의 결과, 저온 냉매의 하부 종단 온도는 매우 근접하다(스트림 팽창의 냉각 효과가 매우 제한되기 때문에). 이것은 크게 냉매 증발을 위한 조건 선택을 제한한다. 이러한 구조적 한계를 제거하는 간단한 방법은 다중 스트림의 사전 냉각을 도입하는 것이다.
다중 스트림의 사전 냉각
다중 스트림의 사전 냉각 방식을 위한 최상의 디자인은 도 8(a)에 도시된다. 열교환기에서 합성 곡선과 스트림 T-H 프로파일은 도 8(b)에 도시된다. 이전의 MR 사이클 방식과는 대조적으로, 2개의 고온 냉매 스트림이 다른 온도 레벨로 사전 냉각되고 저온 냉매 증발을 위한 조건 선택은 보다 유연성이 있게 된다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 2개의 저온 냉매는 다른 온도 범위에 걸쳐 프로세스 냉각을 제공하고 합성 곡선들이 근접하게 일치하게 된다. 나아가, 다단 팽창 방식을 위한 최상의 디자인을 본 디자인과 비교했을 때, 필요한 냉매를 순환하는 양이 더 적다는 것을 볼 수 있다. 추가적으로, 냉매는 다른 2개의 구성 요소보다 압축하기가 더 어려운 C2H6의 더 낮은 비율을 포함한다. 이들 모든 특징은 샤프트 전력 소비의 추가적인 감소에 기여한다.
사전 플래시 방식
사전 플래시 실시예를 위한 최상의 디자인은 도 9(a)에 도시된다. 열교환기에서 합성 곡선과 스트림 T-H 프로파일은 도 9(b)에 도시된다.
이 디자인에서, 증기 제품 흐름율은 플래시 분리 후에는 0 이라는 것이 주목되어야 한다. 이것은 사전 플래시 방식이 더 낮은 레벨의 냉매가 존재하지 않으므로 이 특정 경우에는 전통적인 단일 MR 사이클로 퇴화되었다는 것을 의미한다. 단일 MR 사이클 디자인의 것과 유사한 샤프트 전력 요구 사항은 이 프로세스 퇴화를 더 고려한다.
스트림 할당 방식을 가지는 사전 플래시
스트림 할당 방식을 가지는 사전 플래시를 위한 최상의 디자인은 도 10(a)에 도시된다. 열교환기에서 합성 곡선과 스트림 T-H 프로파일은 도 10(b)에 도시된다. 이 방식에서 실제 냉매 스트림은 플래시 유닛으로부터 증기와 액체 제품을 부분적으로 혼합하는 것에 의해 획득된다. 이것은 열교환기에서 실제 냉매 스트림의 조성과 흐름율을 조정할 수 있는 추가적인 유연성을 제공한다. 그리하여, 이 방식은 사전 플래시 방식보다 합성 곡선을 더 근접하게 일치시킬 수 있어, 플래시 제품이 직접 냉매 스트림으로서의 역할을 하고, 그에 따라 샤프트 전력 소비를 절감한다.
표 2에 도시된 결과 요약으로부터, 본 발명의 실시예 4개 중 3개가 새로운 자유도를 도입하고 더 많은 열 통합 기회를 생성하여, 약 10%만큼 사이클 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 볼 수 있다. 사전 플래시 방식은 이 특정 경우에 더 우수한 사이클 효율을 제공하는데 실패하고 최상의 디자인에서 단일 MR 사이클로 퇴화된다. 이것은 구조적 제한을 의미하며, 즉 플래시 분리 후 스트림 할당이 이 특정한 경우에 사이클 효율 향상에 상당한 부정적인 영향을 미치지 않는다. 그러나, 이 제한은 스트림 할당 실시예에서 사전 플래시에 적용된 것과 같이 플래시 유닛으로부터 제품 스트림을 할당하고 혼합하는 것에 의해 제거될 수 있다.
표 2에 도시된 최상의 디자인을 검증하기 위해, 모든 프로세스 구성이 상용 프로세스 시뮬레이션 패키지 ASPEN HYSYS(등록상표)에서 시뮬레이션되었다. 표 3은 이 논문에서 획득된 주요 성능 파라미터와 ASPEN HYSYS(등록상표)의 시뮬레이션 결과 사이의 결과 비교를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 2개의 파라미터, 샤프트 전력 소비 및 최소 온도 차이는 매우 근접한 시뮬레이션 결과를 가진다. 따라서, 본 연구에 적용된 프로세스 모델링 기법은 만족스러운 정밀도를 달성했다.
표 3. 결과 검증을 위한 성능 파리미터 비교 (사례 연구 1)
Figure pat00003
사례 연구 2
본 연구에서는 종래의 프로세스 뿐만 아니라 본 발명의 4개의 실시예들이 LNG 생산을 위해 최적화되었다. 사전 처리된 천연 가스 스트림은 주위 온도 25℃로부터 -163℃로 냉각된다. 탄화수소 CH4, C2H6, C3H8, n-C4H10 및 N2의 혼합물이 혼합된 냉매로 사용된다. 목적은 다단 압축을 바탕으로 압축 전력 소비를 최소화하는 것이었다. 외부 저온 시설이 고온 냉매를 30℃로 냉각하는데 이용가능하다. 열전달을 위해 최소 온도 차이는 5℃이다. 압축기 등엔트로피 효율이 80%로 가정된다. 물리적 특성 계산은 Peng-Robinson의 상태 방정식에 기초하여 수행된다. 천연 가스 스트림의 온도-엔탈피 프로파일은 표 4에 제공된다.
표 4. 천연 가스 스트림의 온도-엔탈피 프로파일.
Figure pat00004
LNG 생산을 위한 샤프트 전력 소비의 벤치마크를 하기 위해, APCI 프로판 사전 냉각된 혼합된 냉매 프로세스, 현재 산업 실무에 널리 사용되는 LNG 생산 프로세스가 또한 모델링되었고 여기에 설명된 방식으로 최적화되었다. 프로판 사전 냉각 사이클은 4개의 서로 다른 압력 레벨에서 프로세스 냉각을 제공하는 것으로 가정되고 주요 극저온 사이클에서 혼합된 냉매는 CH4, C2H6, C3H8, n-C4H10 및 N2로 구성된다. 혼합된 냉매의 조성 뿐만 아니라 혼합된 냉매 및 프로판의 동작 조건은 GA 최적화 프레임워크 하에서 모두 최적화되었다. GA 최적화의 종료시에, 최소 샤프트 전력 소비를 가지는 최상의 디자인은 표 5에서 비교를 하기 위한 벤치마크로서 획득된다.
표 5. 다양한 LNG 생산 프로세스의 결과 요약 (사례 연구 2)
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표 5에 도시된 바와 같이, 단일 MR 사이클은 최저 사이클 효율을 가지고 있고 냉매 압축기를 구동하는데 28.27 MW 샤프트 전력을 소모한다. 최고 효율의 냉각 프로세스는 단일 MR 사이클에 비해 12.2%만큼 샤프트 전력 소비를 줄일 수 있는 APCI C3/MR 프로세스이다. 최상의 다단 팽창 디자인의 샤프트 전력 소비는 단일 MR 사이클 디자인의 것과 매우 근접하며 최상의 디자인은 중간 압력 레벨에서 0.0299 kmol/s의 매우 낮은 냉매 흐름율을 가진다. 이것은 단일 MR 사이클로 퇴화하였다는 것을 의미한다. 다중 스트림 사전 냉각 실시예에서는, 2개의 냉매 스트림에 대해 단순한 스트림 분할 및 동일한 조성으로 야기된 구조적 한계를 피할 수 없으므로 사이클 효율은 약 3%만큼 약간만 향상된다. 사전 플래시 실시예 및 스트림 할당을 갖는 실시예에서, 샤프트 전력 요구 사항은 약 6%와 8%만큼 각각 감소된다. 이들 둘 다는 다른 조성을 가지는 냉매 스트림의 생성으로부터 유리하게 얻어진 것이고 플래시 동작 없이 다른 단일 MR 사이클 방식보다 더 높은 사이클 효율을 나타낸다. 또한 스트림 할당을 도입하는 것은 실제 냉매 스트림에 대한 흐름율 및 조성의 보다 유연한 선택에 의해 사이클 성능을 더 향상시킬 수 있다는 것이 주목될 수 있다.
APCI C3/MR 프로세스는 에너지 효율의 측면에서 다른 냉동 프로세스를 통해 그 잇점을 도시하지만, 평가된 다른 것들보다 훨씬 더 복잡한 프로세스 구성을 구비한다. 우선, 이것은 총 7개의 냉매 압축기 단, 즉 프로판 압축을 위해 4개의 단 및 혼합된 냉매 압축을 위해 3개의 단을 필요로 한다. 더 많은 압축 단은 장비에 더 많은 부품들이 수반되기 때문에 프로세스의 복잡성을 상당히 증가시키고 또한 프로세스 전체 신뢰성에 부정적인 영향을 미친다. 둘째, 프로판 사전 냉각 사이클은 프로세스의 복잡성을 또한 상당히 증가시키는 복잡한 프로판 분리 및 분배 네트워크를 필요로 한다. 프로세스의 복잡성에 아무런 제한이 없는 냉동 응용에서는, APCI C3/MR 프로세스는 프로세스 냉각의 효율적 제공을 위한 우수한 옵션이 될 수 있다. 그러나, 응용이 구조적 복잡성이나 중량에 특정 제약이 있는 경우에는, 본 발명의 냉동 프로세스가 개선된 사이클 효율을 가지는 간단하고 컴팩트한 구조 때문에 유리할 수 있다. 나아가, 더 적은 장비가 수반되는 경우, 이 프로세스는 또한 APCI C3/MR 프로세스와 같은 더 복잡한 프로세스보다 더 높은 신뢰성으로부터 유리하게 얻어져야 한다.
전술된 바로부터 2개의 서로 다른 경우의 최적화 결과, 각각의 방식은 서로 다른 냉동 작업을 위한 사이클 성능 향상에 서로 다른 영향을 나타낼 수 있다는 것을 볼 수 있다. 제 1 경우에, 천연 가스 스트림의 온도 감소는 중간이며, 그래서 다단 팽창 방식과 다중 스트림 사전 냉각 방식은 냉매 증발을 위한 다수의 압력과 온도 레벨로부터 이익을 얻을 수 있는 좋은 기회를 가지므로 이에 사이클 성능을 개선시킨다. 그러나, 넓은 온도 범위가 천연 가스 액화에 포함되는 제 2 경우에, 이들 둘 다는 사이클 효율을 상당히 개선시키지 않고, 심지어 단일 MR 사이클로 퇴화될 가능성을 맞을 수도 있다. 큰 온도 변화를 가지는 이들 경우에 사이클 성능을 개선하기 위해, 플래시 동작을 가지는 방식이 추천되고 특히 스트림 할당을 가지는 방식이 추천된다. 이 방식은 T-H 프로파일의 형태를 보다 효과적으로 조정하기 위해 서로 다른 조성을 가지는 냉매를 생성하는 것을 이용하여 샤프트 전력 소비를 줄일 수 있다.
나아가, 스트림 할당 방식을 가지는 사전 플래시는 플래시 동작 및 스트림 할당에 의해 도입된 유연성으로 인해, 두 경우에 높은 사이클 효율을 지속적으로 보여준다는 것이 주목되어야 한다. 그리고 이러한 방식은 상대적으로 간단한 기계 구성으로 유지된다.
결론
단일 혼합 냉매 사이클을 기반으로 하는 본 발명의 프로세스의 4개의 실시예는 냉동 사이클의 열역학적 효율을 개선할 수 있게 하는 추가적인 동작 변수를 제공할 수 있는 비교적 간단한 장비 구성을 제공한다.
개선된 효율성은 특정 상황에서 다수의 압력과 냉매 증발 온도 레벨을 이용하는 것에 의해 그리고 일부 실시예에서는 플래시 유닛을 사용하는 것에 의해 발생한다.
중간 온도 변화를 가지는 냉동 작업에서, 다단 팽창 방식과 다중 스트림 사전 냉각 방식은 상당히 간단한 사이클 구조를 가지는 개선된 사이클 효율을 제공할 수 있다. 각 방식에서 냉매 스트림은 다수의 압력 레벨에서 증발하고 전체 합성 곡선에 근접하게 일치할 수 있는 더 많은 기회를 제공한다. 냉동이 넓은 온도 범위를 커버할 때 성능 향상에 다수의 압력과 온도 레벨의 효과는 매우 제한되어 있다. 그리고 이러한 경우에, 다른 조성을 가지는 냉매를 도입하기 위해 플래시 유닛을 사용하는 것은 T-H 프로파일을 더 효과적으로 조작하는데 도움을 준다. 스트림 할당을 가능하게 하는 것은 사이클 효율을 더 향상시킬 수 있다. 또한 스트림 할당 방식을 가지는 사전 플래시는 사이클 성능 개선이 특정 냉동 작업의 특징에 좌우될 수 있는 다른 방식과 달리, 두 경우에 높은 사이클 효율을 지속적으로 제공할 수 있다는 것이 사례 연구의 결과에서 볼 수 있다.
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본 명세서의 상세한 설명과 청구범위에서 "포함하는"과 "구비하는"이라는 단어와 이들의 변형어는 "∼ 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는"을 의미하고, 이들 단어는 다른 부분, 추가, 구성 요소, 완전체 또는 단계를 배제하도록 의도된 것이 아니다(그리고 배제하지 않는다). 본 명세서의 상세한 설명과 청구범위에서 단수는 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 복수를 포함한다. 특히, 부정 관사가 사용되는 경우, 본 명세서는 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 단수 뿐만 아니라 복수를 고려하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 측면, 실시예 또는 예시와 관련하여 기술된 특징, 완전체 및 특성은 이들과 호환되지 않는 것이 아닌 한, 본 명세서에 기술된 임의의 다른 측면, 실시예 또는 예시에도 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서(임의의 첨부된 청구범위, 요약 및 도면을 포함하는)에 개시된 특징들 전부 및/또는 이렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들 전부는 이들 특징 및/또는 단계의 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하고는 임의의 조합으로 결합될 수 있다. 본 발명은 임의의 전술된 실시예의 세부 사항으로 제한되지 않는다.

Claims (13)

  1. 제품 공급 스트림을 냉각하기 위한 냉동 방법으로서, 상기 방법은,
    혼합된 냉매의 제 1 냉매 스트림과 혼합된 냉매의 제 2 냉매 스트림을 포함하는 열 교환기를 통해 상기 제품 공급 스트림을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 냉매 스트림은 상기 제 2 냉매 스트림의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성되고,
    상기 제 1 냉매 스트림은 상기 열 교환기를 빠져나가자 마자 초기 압축을 받은 후, 상기 열 교환기를 빠져나온 상기 제 2 냉매 스트림과 혼합되어 단일 냉매 스트림을 형성하고, 상기 단일 냉매 스트림은 제 2 압축을 받아 압축된 냉매 스트림을 형성하고,
    (i) 상기 압축된 냉매 스트림은 플래시 유닛에서 증기 상과 액체 상으로 분할되고, 상기 증기 상과 액체 상의 별도의 부분은 함께 혼합되어 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하고,
    (ii) 상기 제 1 및 제 2 냉매 스트림은 상기 열 교환기에서 냉각된 후에 상기 제품 공급 스트림을 냉각하기 위해 상기 열교환기로 재유입되기 전에 팽창되는 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 추가적인 냉매 스트림이 상기 열 교환기에 제공되는 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 냉매 스트림의 상기 온도 또는 압력은 혼합된 냉매의 제 2 스트림의 온도 또는 압력보다 더 낮은 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 냉매 스트림은 상기 제 2 냉매 스트림의 압력보다 더 낮은 압력에 있는 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제품 공급 스트림은 천연 가스, 공기, 질소, 이산화탄소 및 산소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 1개 또는 2개의 열 교환기가 상기 제품 공급 스트림을 냉각하는데 제공되는 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제품 공급 스트림은 천연 가스인 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는
    메탄 15-25 몰%,
    에탄 30-45 몰%,
    프로판 0-20 몰%,
    n-부탄 0-25 몰%, 및
    질소 5-20 몰%
    의 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제품 공급 스트림은 -30℃ 미만으로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제품 공급 스트림은 -150℃ 미만으로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 냉동 방법.
  11. 제 1 항의 냉동 방법을 이용한 천연 가스 공급 스트림을 냉각하여 액화 천연 가스를 형성하는 단계를 포함하는, 천연 가스의 액화 방법.
  12. 사용 및 냉매 사이클 동안 냉각될 제품 스트림을 수신하도록 구성된 하나 이상의 열 교환기를 포함하는 냉동 어셈블리로서, 상기 냉동 어셈블리는,
    냉각을 제공하기 위해 상기 열 교환기(들)를 통해 흐르는 제 1 및 제 2 냉매 스트림으로서, 상기 제 1 냉매 스트림의 냉매는 상기 제 2 냉매 스트림의 냉매의 온도보다 더 낮은 온도에서 증발하도록 구성된, 제 1 및 제 2 냉매 스트림;
    상기 열 교환기(들)를 빠져나가는 상기 제 1 냉매 스트림을 수신하고 상기 냉매를 제 1 압축 레벨로 압축하도록 구성된 제 1 압축 수단;
    상기 열 교환기(들)를 빠져나가는 상기 제 2 냉매 스트림과 상기 제 1 압축 수단으로부터 오는 제 1 냉매 스트림의 혼합물을 수신하고 상기 혼합물을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 제 2 압축 수단;
    상기 압축된 냉매 스트림의 냉매를 냉각을 위해 상기 열 교환기(들)로 지향하는 수단;
    상기 냉각된 냉매를 팽창 수단으로 전달하고 이후 팽창된 냉매를 상기 열 교환기(들)로 전달하는 수단; 및
    상기 압축된 냉매 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분할하는 수단과 열교환기로 공급되는 제 1 및 제 2 냉매 스트림을 형성하기 위해 상기 증기 상과 액체 상의 부분을 함께 혼합하는 수단으로서, 상기 압축된 냉매 스트림의 분할은 상기 열 교환기에서 상기 압축된 냉매를 상기 냉각하기 전에 발생하는 것인, 분할 및 혼합 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉동 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 냉동 어셈블리는 단일 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉동 어셈블리.
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