KR20160134348A - The System and Method for Carbon Dioxide Separation from Natural Gas before Gas Liquefaction Process - Google Patents

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이성재
김성수
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정회민
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박종현
민광기
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Abstract

A system and a method for removing carbon dioxide of a natural gas according to the present invention can perform a phase change on (can solidify) and separate carbon dioxide by performing heat exchange on a natural gas including carbon dioxide under carbon dioxide solidification temperature conditions according to pressure of a natural gas obtained from a gas field. Accordingly, since high concentration carbon dioxide can be treated, energy can be reduced, an equipment size can be minimized compared to a conventional scheme, and space utilization can be improved. Moreover, the system and the method can be flexibly applied with respect to a change in the composition of carbon dioxide of a gas field, so applicability according to a gas field is high. Furthermore, carbon dioxide can be separated after being solidified, so a volume reducing effect is ensured. In addition, solidified carbon dioxide is melted in a solid state and is directly sublimated into a gas, so surrounding heat is absorbed and temperature can be rapidly reduced. Besides, moisture does not remain during sublimation, so solidified carbon dioxide can be easily treated as a coolant. The system and the method according to the present invention remove carbon dioxide from a natural gas during a pretreating process of a natural gas liquefying process. The method comprises the steps of: solidifying carbon dioxide included in a natural gas provided from a gas field (well) by supplying the natural gas to a heat exchanger; separating the solidified carbon dioxide from the natural gas; and pre-cooling the natural gas by supplying the solidified carbon dioxide separated from the natural gas to a refrigerant of a first cooling means in the natural gas liquefying process.

Description

천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법 {The System and Method for Carbon Dioxide Separation from Natural Gas before Gas Liquefaction Process}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a system and a method for separating carbon dioxide from natural gas,

본 발명은 천연가스로부터 이산화탄소를 분리하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 상변화시켜 분리 제거하는 천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and a method for separating carbon dioxide from a natural gas, and more particularly, to a system and a method for separating and removing carbon dioxide from a natural gas in a pretreatment process of a natural gas liquefaction process .

액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 가스전으로부터 시추하여 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색 무취의 투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. Liquefied natural gas (hereinafter referred to as "LNG") is a colorless and odorless transparent liquid obtained by drilling natural gas containing methane as a main component from a gas field and cooling it to about -162 DEG C, Compared to natural gas, it has a volume of about 1/600.

또한, LNG는 연소 시 단위당 이산화탄소(CO2) 배출량이 최소이고, 효율이 높아 석탄, 석유와 비교하여 최선의 친환경 화석 연료로 여겨지고 있으며, 비용도 저렴하여 전 세계적으로 그 수요가 급증하고 있다.In addition, LNG is considered to be the best eco-friendly fossil fuel in comparison with coal and petroleum because it has the minimum carbon dioxide (CO 2 ) emission per unit of combustion and high efficiency, and the demand for it is rapidly increasing worldwide.

해상 또는 육상의 가스전에서 시추된 천연가스는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S)와 같은 산성가스, 수분(H2O) 등의 이물질을 포함하고 있다. 이산화탄소 및 황화수소와 같은 산성가스는 천연가스의 처리공정에서 장비 부식 또는 이송 파이프 부식의 원인이 되고, 수분은 천연가스의 극저온 공정에서 가스하이드레이트(Gas Hydrate)를 형성하므로 장비 파손 등의 원인이 된다. 따라서, 천연가스의 액화공정에 앞서 이러한 이물질들을 천연가스로부터 반드시 분리하여 제거해야만 한다. The natural gas drilled in the offshore or onshore gas field contains foreign substances such as carbon dioxide (CO 2 ), acid gases such as hydrogen sulfide (H 2 S), and water (H 2 O). Acidic gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide cause equipment corrosion or transport pipe corrosion in the processing of natural gas and moisture forms a gas hydrate in the cryogenic process of natural gas, which causes equipment breakage. Therefore, these foreign substances must be separated and removed from the natural gas prior to the liquefaction process of the natural gas.

종래에는 이러한 이산화탄소를 제거하는 데 분리막을 이용한 막분리 방법, 흡수탑에서 흡수용매에 이산화탄소를 흡수시키는 방법 또는 흡착제에 흡착시키는 방법 등을 단일적으로 적용하거나 또는 이들을 다단계로 조합하여 천연가스의 액화공정에 앞선 전처리 공정에서 실시하였다.Conventionally, in order to remove such carbon dioxide, a membrane separation method using a separation membrane, a method of absorbing carbon dioxide into an absorption solvent in an absorption tower, or a method of adsorbing the same to an adsorbent, or the like, In the pretreatment process.

가장 널리 적용되는 방식으로는 분리막(Membrane)과 아민 공정의 복합형이 있는데, 천연가스를 분리막으로 공급하여 정교하지는 않지만, 1차적으로 많은 양의 이산화탄소를 제거한 이후, 아민 공정으로 공급하여 낮은 농도까지 천연가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 방식이다. The most widely applied method is a combination of a membrane and an amine process. It is not sophisticated by supplying natural gas as a separation membrane, but after removing a large amount of carbon dioxide firstly, it is supplied to an amine process to a low concentration It removes the carbon dioxide contained in natural gas.

흡수법, 특히 아민(Amine) 용액을 흡수제로 하는 흡수법은 가장 효율이 좋고 정교하게 이산화탄소를 분리해낼 수 있어 널리 이용되고 있다. The absorption method, particularly the absorption method using an amine solution as an absorbent, is the most efficient and most widely used because it can finely separate carbon dioxide.

향후 가스 시추 및 생산은 육상 플랜트보다 해상에서의 수요가 증가할 전망이며, 이미 그러한 추세에 들어서 있다. 특히, 해상의 중규모 가스전의 경우 이산화탄소의 양이 많이 함유된 경우가 많고, 해상에 부유하여 가스의 시추, 처리, 생산을 실시하는 해상 플랜트 구조물인 LNG-FPSO(LNG-Floating, Production, Storage, Offloading, 이하 'FLNG'라 함)에 적용하기 위하여는 FLNG의 특성상 에너지, 공간 등의 제약이 있으므로 기존의 단일 아민 공정보다 처리능력을 향상시킬 필요가 있다. 하지만, 이러한 고농도의 이산화탄소를 처리하기 위해서는 아민 재생 공정에 있어서 고온의 많은 열이 요구되는 열집약 공정이 되기 때문에 FLNG에 있어 높은 발화 위험성이 있다.Future gas drilling and production is expected to be more demanding at sea than onshore plants, and it is already in the trend. In particular, marine medium-sized gas fields often contain a large amount of carbon dioxide. LNG-FPSO (LNG-Floating, Production, Storage, Offloading), a marine plant structure that floats on the ocean and drills, , Hereinafter referred to as 'FLNG'), there is a restriction on energy and space due to the characteristic of FLNG. Therefore, it is necessary to improve the processing ability of the FLNG than the conventional single amine process. However, in order to treat such a high concentration of carbon dioxide, the FLNG has a high ignition risk because it is a heat-collecting process requiring a lot of heat at a high temperature in the amine regeneration process.

이러한 이유로 2단 아민 공정에 대한 연구가 활발한데, 폐열인 적은 열로 공정의 운영이 가능하기 때문에, 이로 인하여 고온 처리 없이도 약 15mol%까지 이산화탄소를 처리할 수 있고 안전하다는 장점이 있으나, 2단 아민 공정은 고농도의 용액 흐름으로 인해 장치의 크기가 대형화되고, CAPEX 및 OPEX가 증가한다는 문제점이 있다.For this reason, studies on the two-stage amine process are active. Since the waste heat can be operated in a low-temperature process, the process can safely treat carbon dioxide up to about 15 mol% without high temperature treatment. However, There is a problem that the size of the apparatus becomes large due to the solution flow at a high concentration, and CAPEX and OPEX increase.

또한, 천연가스의 액화 공정에 있어서, 천연가스를 약 -162℃까지 냉각시키는 냉열원을 제공하는 냉매 사이클은 가스 플랜트 전체 에너지의 약 30% 이상을 차지할 정도로 많은 전력이 요구되며 따라서 액화 공정의 에너지를 절감할 수 있는 방법에 대한 수요가 증가하고 있다. Further, in the process of liquefying natural gas, a refrigerant cycle that provides a cold source for cooling natural gas to about -162 占 폚 requires a large amount of electric power to occupy about 30% or more of the total energy of the gas plant, There is a growing demand for ways to save money.

대한민국 공개특허공보 10-2009-0006934 (2009.01.16. 공개)Korean Patent Publication No. 10-2009-0006934 (Published Jan. 16, 2009)

따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 가스전으로부터 올라오는 천연가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 효과적으로 분리제거함과 동시에, 안전하면서도 에너지를 절감할 수 있고, 천연가스의 전처리 공정의 장비를 간단히 하여 공간 효율이 높은 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method for effectively separating and removing carbon dioxide (CO 2 ) contained in natural gas coming from a gas field, And to provide a system and method for removing carbon dioxide from a natural gas having a high space efficiency.

본 발명의 일 측면에 의하면, 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서, 가스전(Well)으로부터 공급받은 천연가스를 열교환기로 공급하여 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시키는 단계; 상기 고체화 이산화탄소와 천연가스를 분리하는 단계; 및 상기 천연가스와 분리된 고체화 이산화탄소를 상기 천연가스 액화공정의 제1냉각수단의 냉매로 공급하여 천연가스를 예냉시키는 단계를 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for removing carbon dioxide from a natural gas in a pretreatment process of a natural gas liquefaction process, comprising the steps of supplying natural gas supplied from a gas well to a heat exchanger to solidify the carbon dioxide contained in the natural gas step; Separating the solidified carbon dioxide and natural gas; And supplying the solidified carbon dioxide separated from the natural gas to the refrigerant of the first cooling means of the natural gas liquefaction process to pre-cool the natural gas.

바람직하게는, 상기 이산화탄소를 고체화시켜 분리한 천연가스를 아민흡수탑으로 공급하여 2차적으로 산성가스를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the step of solidifying the carbon dioxide and supplying the separated natural gas to the amine absorption tower to remove the acidic gas secondarily.

바람직하게는, 상기 이산화탄소를 고체화시키는 단계는 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 상기 열교환기에서 이산화탄소의 삼중점 온도 이하로 냉각시켜 고체화시킬 수 있다.Preferably, the step of solidifying the carbon dioxide may solidify the natural gas containing carbon dioxide by cooling the carbon dioxide to below the triple point temperature of the carbon dioxide in the heat exchanger.

바람직하게는, 상기 이산화탄소를 고체화시키는 단계 및 고체화 이산화탄소와 천연가스를 분리하는 단계는 상기 천연가스를 상기 열교환기에서 냉각시켜 이산화탄소를 액화시키는 단계를 포함하고, 상기 액화 이산화탄소를 유체분사수단을 통해 감압 및 냉각시켜 고체 상태로 상기 제1냉각수단으로 공급할 수 있다.Preferably, the step of solidifying the carbon dioxide and the step of separating the solidified carbon dioxide from the natural gas include cooling the natural gas in the heat exchanger to liquefy the carbon dioxide, wherein the liquefied carbon dioxide is decompressed And can be cooled and supplied to the first cooling means in a solid state.

바람직하게는, 상기 아민흡수탑을 거친 천연가스는 천연가스 액화공정의 제1냉각수단으로 공급하고, 고체화 이산화탄소와 열교환하여 LNG 생산의 예냉을 공급받을 수 있다.Preferably, the natural gas passing through the amine absorption tower is fed to the first cooling means of the natural gas liquefaction process and heat exchanged with the solidified carbon dioxide to receive pre-cooling of LNG production.

본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템에 있어서, 가스전으로부터 시추한 천연가스를 이산화탄소의 삼중점 이하까지 냉각시켜 이산화탄소를 상변화시켜 분리 제거하는 열교환기; 상기 이산화탄소를 분리 제거한 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 액화공정에서 천연가스를 예냉시키는 제1냉각수단을 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a system for removing carbon dioxide from a natural gas in a pretreatment process of a natural gas liquefaction process, the natural gas drilled from the gas field is cooled to below the triple point of carbon dioxide, heat transmitter; And a first cooling means for precooling the natural gas in a liquefaction process for liquefying the natural gas into which the carbon dioxide has been separated and removed to produce LNG.

바람직하게는, 상기 제1열교환기의 냉매는 상기 열교환기에서 냉각되어 상변화된 이산화탄소를 공급하여 사용할 수 있다.Preferably, the refrigerant in the first heat exchanger is cooled in the heat exchanger and may be used by supplying phase-change carbon dioxide.

바람직하게는, 상기 열교환기는 상기 천연가스를 이산화탄소의 삼중점 이하로 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시키고, 상기 고체화 이산화탄소를 상기 제1열교환기의 냉매로 공급할 수 있다.Preferably, the heat exchanger may cool the natural gas below the triple point of the carbon dioxide to solidify the carbon dioxide, and supply the solidified carbon dioxide to the refrigerant of the first heat exchanger.

바람직하게는, 상기 열교환기는 상기 천연가스를 이산화탄소 임계점 이하로 냉각시켜 이산화탄소를 액화시키고, 상기 액화 이산화탄소를 감압 및 냉각시켜 고체 상의 이산화탄소를 상기 제1열교환기로 공급하도록 하는 유체분사수단;을 더 포함할 수 있다.Preferably, the heat exchanger further includes a fluid injection means for cooling the natural gas to a carbon dioxide critical point to liquefy the carbon dioxide, and to decompress and cool the liquefied carbon dioxide to supply solid phase carbon dioxide to the first heat exchanger .

본 발명에 따르면, 가스전으로부터 시추되는 천연가스의 압력에 따른 이산화탄소 고체화 온도 조건으로 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 열교환 시킴으로써 이산화탄소를 상변화 즉, 고체화시켜 분리할 수 있고, 그에 따라 기체 상태로 이산화탄소를 분리 배출하는 종래 기술에 비해 부피 감소 효과가 있으며, 이산화탄소를 효과적으로 정교하게 분리할 수 있어 처리 능력을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the natural gas including carbon dioxide can be heat-exchanged with the carbon dioxide solidification temperature condition depending on the pressure of the natural gas drilled from the gas field, so that the carbon dioxide can be separated by phase change or solidification, The carbon dioxide can be effectively and precisely separated and the processing ability can be improved.

따라서, 고농도의 이산화탄소를 처리할 수 있으므로 종래 기술에 비해 에너지 절감, 장비 크기 최소화, 공간 활용성 증대의 효과가 있으며, 가스전의 이산화탄소 조성 변화에 대해 유연하게 적용할 수 있어 가스전에 따른 적용성이 크다. Therefore, it is possible to treat carbon dioxide at a high concentration, so that it has the effect of saving energy, minimizing the equipment size and increasing the space utilization compared with the conventional technology, and applying it flexibly to changes in the carbon dioxide composition of the gas field, .

또한, 고체화 이산화탄소는 고체상태에서 녹아 바로 기체로 승화하므로, 주위의 열을 흡수하여 온도를 급격히 낮출 수 있고, 승화 시 수분을 남기지 않으므로 냉각제로써 취급이 용이하다. In addition, the solidified carbon dioxide melts in the solid state and sublimates to the gas, so that it absorbs the surrounding heat and can rapidly lower the temperature. Since the solidified carbon dioxide does not leave moisture at the time of sublimation, it is easy to handle as a coolant.

도 1은 이산화탄소의 P-T 상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템의 개념도이다.
1 is a PT state diagram of carbon dioxide.
2 is a conceptual diagram of a system for removing carbon dioxide in natural gas according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram of a system for removing carbon dioxide from natural gas according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects attained by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings, which illustrate preferred embodiments of the present invention, and to the contents of the accompanying drawings.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements throughout. The same reference numerals in the drawings denote like elements throughout the drawings. In addition, the following examples can be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

도 1은 이산화탄소의 P-T 상태도이다. 도 1의 이산화탄소 상태도에서 보는 바와 같이, 이산화탄소의 삼중점은 약 5.18bar 조건에서 약 -56.6℃이다. 즉, 이산화탄소는 약 -56.6℃, 5.18bar 조건에서 액체상, 고체상, 기체상 등 3상(Phase)이 모두 평형을 이루며 존재하고, 그 이하의 저압 상태에서는 기체의 온도를 낮추어도 액화되지 않으며 곧바로 고체로 승화하게 된다.1 is a P-T state diagram of carbon dioxide. As shown in the carbon dioxide state diagram of FIG. 1, the triple point of carbon dioxide is about -56.6 DEG C at about 5.18 bar. That is, the three phases (liquid phase, solid phase, and gas phase) exist at equilibrium at about -56.6 ° C. and 5.18 bar under the condition of low pressure, and they are not liquefied even when the gas temperature is lowered. .

또는, 가스 상태의 이산화탄소를 냉각시키면 이산화탄소가 액화(Liquefaction)되고, 더 냉각시키거나 감압 및 냉각시키면 이산화탄소가 고체화(Solidification)된다. Alternatively, the carbon dioxide is liquefied when the gaseous carbon dioxide is cooled, and when the gaseous carbon dioxide is further cooled or decompressed and cooled, the carbon dioxide is solidified.

반면, 가스전으로부터 시추되어 산성가스(이산화탄소, 황화수소 등), 수분 등의 이물질을 포함하여 전처리 공정으로 공급되는 천연가스는 전형적으로 20 ~ 80bar, 보다 전형적으로는 40 ~ 65bar, 더 전형적으로는 약 60bar이다.On the other hand, the natural gas drilled from the gas field and supplied to the pretreatment process, including foreign substances such as acid gas (carbon dioxide, hydrogen sulfide, etc.) and water, is typically 20 to 80 bar, more typically 40 to 65 bar, to be.

따라서, 가스전으로부터 시추되어 천연가스 전처리 공정으로 공급되는 이산화탄소를 포함하는 천연가스의 압력은 이산화탄소의 액화 및 고체화 가능 범위이며, 천연가스의 공급 압력에서 이산화탄소의 고체화 조건에 맞도록 온도를 낮춰주면 이산화탄소는 고체화되어 천연가스로부터 분리 제거될 수 있다. 천연가스의 액화조건은 1기압에서 약 -162℃이고 상기 이산화탄소의 액화조건 범위 내에서 액화될 수 없으므로, 탄화수소의 손실이 거의 없이 이산화탄소만을 분리해 낼 수 있는 것이다. Therefore, the pressure of the natural gas including carbon dioxide drilled from the gas field and supplied to the natural gas pretreatment process is in the range of liquefaction and solidification of the carbon dioxide. If the temperature is lowered to meet the solidification condition of the carbon dioxide at the supply pressure of the natural gas, Solidified and separated from natural gas. The liquefaction condition of natural gas is about -162 ° C at 1 atmospheric pressure and can not be liquefied within the liquefaction conditions of the carbon dioxide, so that only carbon dioxide can be separated without loss of hydrocarbon.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템을 도시한다. 도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템을 도시한다. 이하 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 2 illustrates a system for removing carbon dioxide from natural gas according to an embodiment of the present invention. 3 illustrates a system for removing carbon dioxide from natural gas according to another embodiment of the present invention. 1, 2 and 3, respectively.

본 발명은 해상에 부유하여 해저 가스전으로부터 가스를 시추하고, 정제, 액화 생산, 저장 및 하역 등을 모두 수행하는 LNG-FPSO(LNG-Floating Production Storage Offloading, 이하 'FLNG'라 함)와 같은 해상 부유 구조물 또는 해양 플랜트(Offshore Plant)는 물론 육상의 가스전으로부터 가스를 시추하여 생산하는 육상 가스 플랜트(Onshore Gas Plant)에서도 실시할 수 있다.The present invention relates to an LNG-Floating Production Storage Offloading (LNG-FPSO) which floats on the sea to drill a gas from an undersea gas field and to perform purification, liquefaction production, storage and unloading, It can also be carried out on offshore plants as well as onshore gas plants that produce gas from offshore gas fields.

본 발명에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템은 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 데 있어서, 가스전(1)으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 천연가스에 포함된 이산화탄소를 상변화시켜 분리 제거하는 열교환기(10) 및 상기 이산화탄소와 분리 배출된 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 천연가스 액화 공정 유닛(30)을 포함하고, 천연가스 액화 공정 유닛(30)은 천연가스를 액화시키기 위한 천연가스의 예냉을 실시하는 제1냉각수단(31)를 포함한다.The carbon dioxide removal system of natural gas according to the present invention is a system for removing carbon dioxide contained in a natural gas in a pretreatment process of a natural gas liquefaction process, in which the natural gas drilled from the gas field (1) is cooled to remove carbon dioxide And a natural gas liquefaction process unit (30) for producing LNG by liquefying natural gas separated and discharged with carbon dioxide, wherein the natural gas liquefaction process unit (30) comprises a natural gas liquefaction process unit And a first cooling means 31 for performing pre-cooling of natural gas for liquefying natural gas.

상기 전처리 공정의 열교환기(10)로 천연가스를 공급하기 전에, 천연가스와 함께 올라온 머드 등의 고형물을 제거하는 안정화 유닛(Stabilization Unit)를 더 포함할 수 있다.  The stabilizer unit may further include a stabilization unit that removes solids such as mud that have been introduced with the natural gas before supplying the natural gas to the heat exchanger 10 of the pretreatment process.

상기 전처리 공정은 이산화탄소, 황화수소와 같은 산성가스를 제거하는 공정, 수분(H2O) 제거 공정 및 수은(Mercury) 제거 공정 등을 포함하는데, 본 발명은 산성가스를 제거하는 공정에서 특히, 이산화탄소 분리 제거 방법에 관한 것이다.The pretreatment step includes a step of removing an acidic gas such as carbon dioxide and hydrogen sulfide, a step of removing water (H 2 O), a step of removing mercury (mercury), and the like. In the step of removing acid gas, Removing method.

본 발명에 의하면 이산화탄소 분리 제거 공정에서 이산화탄소를 분리하는 데 열교환기(10)로 상기 가스전(1)에서 시추된 후 고형물이 제거된 천연가스를 공급하여, 열교환기(10)에서 상기 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 냉각시켜 이산화탄소를 상변화 즉, 고체화(Solidification)시켜 분리한다.According to the present invention, in order to separate carbon dioxide from the carbon dioxide separation process, the natural gas from which the solids are removed after being drilled in the gas field 1 by the heat exchanger 10 is supplied to the heat exchanger 10, The natural gas is cooled to separate the carbon dioxide by phase change, that is, solidification.

상기 열교환기(10)로 공급하는 이산화탄소를 포함하는 천연가스는 이산화탄소의 임계점 압력 이하 즉, 약 73.8bar를 넘지는 않아야 한다. 상기 압력 범위 내에서 열교환기(10)로 공급되는 천연가스를 삼중점 온도 이하 즉, 약 -56.6℃ 이하로 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시킨다.   The natural gas containing carbon dioxide supplied to the heat exchanger 10 should not be below the critical point pressure of carbon dioxide, i.e., about 73.8 bar. The natural gas supplied to the heat exchanger 10 within the pressure range is cooled to a triple point temperature or lower, that is, about -56.6 ° C or lower to solidify the carbon dioxide.

열교환기(10)에서 냉각되는 이산화탄소를 포함하는 천연가스의 온도는 열교환기(10)로 공급되는 천연가스의 압력에 따라, 이산화탄소가 고체화되는 온도까지 냉각시켜야 하며, 가압 또는 감압장치를 열교환기(10) 전단에 마련하여 열교환기(10)로 공급되는 천연가스의 압력을 일정하게 유지시킬 수도 있다.The temperature of the natural gas containing carbon dioxide cooled in the heat exchanger 10 must be cooled to a temperature at which the carbon dioxide solidifies according to the pressure of the natural gas supplied to the heat exchanger 10 and the pressure or decompression device is connected to a heat exchanger 10 so that the pressure of the natural gas supplied to the heat exchanger 10 can be kept constant.

상기 열교환기(10)에서 -56.6℃이하로 냉각되어 이산화탄소가 고체화된 천연가스 중 기체 상의 천연가스는 천연가스 액화 공정 유닛(30)으로 공급되어 LNG로 생산된다. 열교환기(10)에서 분리 배출되는 기체 상의 천연가스는 액화 공정 유닛(30)으로 공급되기 전에 아민흡수탑(미도시)을 거쳐 이산화탄소, 황화수소와 같은 산성가스를 더 제거될 수 있다. 또한 수분 제거 공정 내지 수은 제거 공정 및 NGL Extraction 공정을 더 거친 후 액화 공정 유닛(30)으로 공급될 수 있다. The natural gas on the gaseous phase of the natural gas cooled to -56.6 ° C or lower in the heat exchanger 10 is supplied to the natural gas liquefaction unit 30 and is produced as LNG. The gaseous natural gas separated and discharged from the heat exchanger 10 may be further removed from the acidic gas such as carbon dioxide and hydrogen sulfide through the amine absorption tower (not shown) before being supplied to the liquefaction unit 30. Further, it can be supplied to the liquefaction processing unit 30 after the water removal step, the mercury removal step and the NGL extraction step are further performed.

또는, 열교환기(10)는 열교환기(10)의 내부에 냉매 공급라인을 마련하여 열교환기(10) 내부로 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 공급하고, 냉매 공급라인으로 냉매를 공급하여, 천연가스를 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시키고, 고체 이산화탄소를 냉매 공급라인에 응집시켜 결착 형성시키거나, 냉매 공급라인을 열교환기(10)의 외부에 코일형태로 마련하여 냉매를 공급하여 고체 이산화탄소를 열교환기(10) 내부 벽면에 응집시켜 결착 형성시킬 수 있다. 그 후, 냉각된 천연가스는 배출시키고, 상기 냉매 공급라인으로 열매를 공급하여 고체 이산화탄소를 가열하여 기화시켜 배출시킬 수 있다. Alternatively, the heat exchanger 10 may include a coolant supply line provided in the heat exchanger 10 to supply natural gas containing carbon dioxide into the heat exchanger 10, supply the coolant to the coolant supply line, The solid carbon dioxide is condensed in the coolant supply line to form a bond or the coolant supply line is provided in the form of a coil outside the heat exchanger 10 to supply the coolant to the heat exchanger 10 ) On the inner wall surface. Thereafter, the cooled natural gas is discharged, and the solid carbon dioxide is heated by supplying the coolant to the coolant supply line to be vaporized and discharged.

냉매 공급라인을 통해 공급되는 냉매는 천연가스를 액화시켜 LNG(액화천연가스)를 생산하는 천연가스 액화공정(Liquefaction Process)의 액화용 냉매사이클로부터 공급받을 수 있다. 예를 들어, 천연가스 액화공정으로부터 공급받는 냉매는 혼합냉매(C3MR) 사이클 및, 혼합 냉매 사이클의 프로판 예냉 사이클(Propane Refrigeration Cycle), 캐스케이드(Cascade) 공정의 프로판, 에탄 또는 에틸렌 및 메탄 냉각 사이클, 질소 팽창 사이클(Nitrogen Expander Cycle), AP-X 냉각 사이클 등에서 분기되는 라인으로부터 얻을 수 있고, 프로판, 혼합냉매, 에틸렌, 메탄 및 질소 등일 수 있으며, 상기 냉동 사이클은 APCI 사(社), Linde 사, ConocoPhillips 사, Shell 사 등의 라이센스(License) 공정일 수 있다. The refrigerant supplied through the refrigerant supply line can be supplied from a refrigerant cycle for liquefaction of a natural gas liquefaction process that liquefies natural gas to produce LNG (liquefied natural gas). For example, the refrigerant supplied from the natural gas liquefaction process can be separated into a mixed refrigerant (C3MR) cycle and a propane refrigeration cycle of a mixed refrigerant cycle, a propane, ethane or ethylene and methane refrigeration cycle of a Cascade process, Such as propane, mixed refrigerant, ethylene, methane, nitrogen, etc., and the refrigeration cycle may be obtained from a line branched from APCI Corporation, Linde Corp., ConocoPhillips, Shell, and others.

상기 천연가스 액화 공정 유닛(30)으로 공급되는 천연가스의 이산화탄소 농도는 50ppm 이하이다.The concentration of carbon dioxide in the natural gas supplied to the natural gas liquefaction unit 30 is 50 ppm or less.

천연가스 액화 공정 유닛(30)에서는 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는데, 천연가스의 액화 온도인 약 -162℃까지 천연가스를 냉각시키기 위하여 다단의 냉각 수단을 배치한다. 다단의 냉각 수단 중에서는 특히, 천연가스의 초기 냉각, 예를 들어 천연가스가 액화 온도에 도달하기 전에 예냉시키는 제1열교환기(31)를 포함할 수 있다.In the natural gas liquefaction unit 30, liquefied natural gas is produced to produce LNG. In order to cool the natural gas to a liquefaction temperature of about -162 ° C, multi-stage cooling means are arranged. Among the multi-stage cooling means, in particular, it may include an initial cooling of the natural gas, for example, a first heat exchanger 31 for precooling the natural gas before it reaches the liquefaction temperature.

열교환기(10)에서 분리 배출되는 고체화 이산화탄소는 상기 제1열교환기(31)로 공급되어 제1열교환기(31)의 냉매로 제공되고 천연가스 액화 공정 유닛(30)으로 공급된 천연가스를 예냉시킨다. The solidified carbon dioxide separated and discharged from the heat exchanger 10 is supplied to the first heat exchanger 31 and provided as the refrigerant of the first heat exchanger 31 to cool the natural gas supplied to the natural gas liquefaction process unit 30 .

일반적으로, 천연가스 액화 공정 유닛(30)으로 공급되는 천연가스의 온도는 약 40℃이고, 예냉 단계에서는 프로판 냉동 사이클과 같이 순수 냉매 사이클로 약 -40℃까지 냉각시키는데, 프로판 냉매의 경우 온도는 약 -42℃로 제공된다. Generally, the temperature of the natural gas supplied to the natural gas liquefaction unit 30 is about 40 DEG C, and in the precooling step, it is cooled to about -40 DEG C with a pure refrigerant cycle like a propane refrigeration cycle. In the case of propane refrigerant, -42 ° C.

고체화 이산화탄소의 온도는 약 -56.6℃ 이하이고, 순수 상태이므로 천연가스의 예냉을 실시할 수 있으며, 고체화 이산화탄소는 삼중점 이하, 즉, 약 5.18bar, -56.6℃이하 조건에서는 고체에서 기체로 승화하므로 수분을 남기지 않아 냉각제로써 취급이 용이하다. The temperature of the solidified carbon dioxide is about -56.6 ° C or less. Since it is a pure state, the natural gas can be precooled. When the solidified carbon dioxide is subordinate to the triple point, that is, about 5.18 bar and -56.6 ° C, It is easy to handle as a coolant.

이산화탄소는 열교환기(10)에서 -56.6℃ 이하로 냉각되어 스노우 형태로 고체화된 후, 드라이아이스 형태로 압축시켜 상기 제1열교환기(31)로 공급하여 천연가스와 간접 접촉 형태로 열교환하여 천연가스를 예냉시킬 수 있다.The carbon dioxide is cooled to -56.6 ° C or lower in the heat exchanger 10 to be solidified in the form of snow, compressed into dry ice, and supplied to the first heat exchanger 31 to perform heat exchange with the natural gas in indirect contact form, .

또는, 도 3에 도시한 바와 같이 열교환기(10)에서 이산화탄소의 임계점 이하온도 즉, 약 31.1℃ 이하이면서 특히 삼중점 온도 즉 -56.6℃ 가까이 냉각시켜 이산화탄소를 액화시킨 후, 분리기(20)에서 기체 상의 천연가스와 액체 상의 이산화탄소를 분리 배출한 후, 액체 상의 이산화탄소를 제1열교환기(31)로 유체분사수단(32)을 통해 감압 및 냉각시키면서 분사하여 고체 상의 이산화탄소로 공급할 수 있다. Alternatively, as shown in FIG. 3, the carbon dioxide is cooled in the heat exchanger 10 at a temperature below the critical point of carbon dioxide, that is, at a temperature of about 31.1 ° C. or less, particularly about a triple point temperature, ie, -56.6 ° C., After the natural gas and the carbon dioxide in the liquid phase are separated and discharged, the carbon dioxide in the liquid phase can be injected into the first heat exchanger 31 while being reduced in pressure and cooled through the fluid injection means 32 to be supplied as solid carbon dioxide.

상기 유체분사수단(32)은 밸브, 노즐 등일 수 있으며, 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson Effect)에 의해 액화 이산화탄소가 고체 상으로 상변화 할 수 있다. The fluid injection means 32 may be a valve, a nozzle, or the like, and the liquefied carbon dioxide may be phase-changed into a solid phase by a Joule-Thomson effect.

예를 들어, 제1열교환기(21)로 천연가스가 공급되어 배출되는 관(Pipe 또는 Tube)로 고체 상의 이산화탄소를 분사하여 도포하는 등의 간접 접촉 방식으로 고체화 이산화탄소와 천연가스를 열교환시켜 천연가스를 약 -40℃ 이하로 예냉시킬 수 있다.For example, the first heat exchanger 21 exchanges solidified carbon dioxide with natural gas by indirect contact such as spraying and applying solid carbon dioxide to a pipe or tube through which natural gas is supplied and discharged, Lt; RTI ID = 0.0 > -40 C < / RTI >

천연가스를 냉각시킨 고체화 이산화탄소는 기체 상태로 상기 제1열교환기(31) 외부로 배출될 수 있으며, 저온의 이산화탄소를 필요로 하는 수요처, 예를 들면 불활성 가스를 필요로 하는 공정이나 CCS(Carbon Capture&Storage) 기술에 의한 저장소로 공급하거나 또는 플레어 타워에서 연소시켜 처리할 수 있다. The solidified carbon dioxide cooled by the natural gas can be discharged to the outside of the first heat exchanger 31 in a gaseous state and can be supplied to a customer requiring a low temperature carbon dioxide, for example, a process requiring an inert gas or a carbon capture & ) Technology, or by burning in a flare tower.

상기 고체화 이산화탄소와 열교환한 천연가스는 이후 액화 사이클(미도시), 과냉각 사이클(미도시) 등을 더 거친 후 액화되어 LNG 저장탱크로 이송될 수 있다.The natural gas that has been heat-exchanged with the solidified carbon dioxide can be further liquefied after being subjected to a liquefaction cycle (not shown), a subcooling cycle (not shown), and the like, and then transferred to the LNG storage tank.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가스전(1)에서 시추된 천연가스로부터 이산화탄소를 고체 상태로 분리함으로써, 고농도의 이산화탄소까지도 처리할 수 있고 따라서 가스전(1)에 따른 다양한 이산화탄소 농도 변화에 유연하게 적용할 수 있으며, 고체 상태로 분리 배출된 이산화탄소를, 천연가스 액화 공정의 예냉열로 제공함으로써, 천연가스 액화 공정의 냉매 사이클의 전력 소비를 절감할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to treat even the high concentration of carbon dioxide by separating the carbon dioxide from the natural gas drilled in the gas field 1 into a solid state, And the power consumption of the refrigerant cycle of the natural gas liquefaction process can be reduced by providing carbon dioxide separated and discharged in a solid state as an example of cold heat of a natural gas liquefaction process.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. . Therefore, the above-described embodiments are to be considered as illustrative rather than restrictive, and the present invention is not limited to the above description, but may be modified within the scope of the appended claims and equivalents thereof.

1 : 가스전(Gas Well)
10 : 열교환기(Cooling Unit)
30 : 천연가스 액화 공정 유닛 (Purified Natural Gas Liquefaction Unit)
31 : 제1냉각수단(Pre-Cooling Unit)
32 : 유체분사수단(Fluid Jet Device)
40 : 아민흡수/재생탑(Amines Stream/Regeneration Column)
1: Gas Well
10: Heat exchanger (Cooling Unit)
30: Purified Natural Gas Liquefaction Unit
31: a first cooling unit (Pre-Cooling Unit)
32: Fluid Jet Device
40: Amine Stream / Regeneration Column

Claims (9)

천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서,
가스전(Well)으로부터 공급받은 천연가스를 열교환기로 공급하여 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시키는 단계;
상기 고체화 이산화탄소와 천연가스를 분리하는 단계; 및
상기 천연가스와 분리된 고체화 이산화탄소를 상기 천연가스 액화공정의 제1냉각수단의 냉매로 공급하여 천연가스를 예냉시키는 단계를 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
A method for removing carbon dioxide from a natural gas in a pretreatment process of a natural gas liquefaction process,
Supplying natural gas supplied from a gas well to a heat exchanger to solidify the carbon dioxide contained in the natural gas;
Separating the solidified carbon dioxide and natural gas; And
Supplying the solidified carbon dioxide separated from the natural gas to the refrigerant of the first cooling means of the natural gas liquefaction process to precool the natural gas.
청구항 1에 있어서,
상기 이산화탄소를 고체화시켜 분리한 천연가스를 아민흡수탑으로 공급하여 2차적으로 산성가스를 제거하는 단계를 더 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of solidifying the carbon dioxide and supplying the separated natural gas to the amine absorption tower to remove the acid gas secondarily.
청구항 2에 있어서,
상기 이산화탄소를 고체화시키는 단계는
이산화탄소를 포함하는 천연가스를 상기 열교환기에서 이산화탄소의 삼중점 온도 이하로 냉각시켜 고체화시키는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
The method of claim 2,
The step of solidifying the carbon dioxide
Wherein the natural gas containing carbon dioxide is cooled to a temperature below the triple point of carbon dioxide in the heat exchanger to solidify the carbon dioxide.
청구항 2에 있어서,
상기 이산화탄소를 고체화시키는 단계 및 고체화 이산화탄소와 천연가스를 분리하는 단계는
상기 천연가스를 상기 열교환기에서 냉각시켜 이산화탄소를 액화시키는 단계를 포함하고,
상기 액화 이산화탄소를 유체분사수단을 통해 감압 및 냉각시켜 고체 상태로 상기 제1냉각수단으로 공급하는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
The method of claim 2,
The step of solidifying the carbon dioxide and the step of separating the solidified carbon dioxide and the natural gas
And cooling the natural gas in the heat exchanger to liquefy carbon dioxide,
And the liquefied carbon dioxide is decompressed and cooled through a fluid injecting means to supply the liquefied carbon dioxide to the first cooling means in a solid state.
청구항 3 내지 4에 있어서,
상기 아민흡수탑을 거친 천연가스는 천연가스 액화공정의 제1냉각수단으로 공급하고, 고체화 이산화탄소와 열교환하여 LNG 생산의 예냉을 공급받는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
The method according to claim 3,
Wherein the natural gas passing through the amine absorption tower is supplied to a first cooling means of a natural gas liquefaction process and is heat exchanged with solidified carbon dioxide to receive pre-cooling of LNG production.
천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템에 있어서,
가스전으로부터 시추한 천연가스를 이산화탄소의 삼중점 이하까지 냉각시켜 이산화탄소를 상변화시켜 분리 제거하는 열교환기;
상기 이산화탄소를 분리 제거한 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 액화공정에서 천연가스를 예냉시키는 제1냉각수단을 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
A system for removing carbon dioxide from natural gas in a pretreatment process of a natural gas liquefaction process,
A heat exchanger for cooling the natural gas drilled from the gas field to a temperature equal to or lower than the triple point of the carbon dioxide to phase-change and separate the carbon dioxide;
And a first cooling means for precooling natural gas in a liquefaction process for producing LNG by liquefying the natural gas from which the carbon dioxide has been separated and removed.
청구항 6에 있어서,
상기 제1열교환기의 냉매는 상기 열교환기에서 냉각되어 상변화된 이산화탄소를 공급하여 사용하는 것을 특징으로 하는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
The method of claim 6,
Wherein the refrigerant of the first heat exchanger is cooled in the heat exchanger and supplied with the phase-changed carbon dioxide.
청구항 7에 있어서,
상기 열교환기는 상기 천연가스를 이산화탄소의 삼중점 이하로 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시키고,
상기 고체화 이산화탄소를 상기 제1열교환기의 냉매로 공급하는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
The method of claim 7,
The heat exchanger cools the natural gas to below the triple point of the carbon dioxide to solidify the carbon dioxide,
And the solidified carbon dioxide is supplied to the refrigerant of the first heat exchanger.
청구항 7에 있어서,
상기 열교환기는 상기 천연가스를 이산화탄소 임계점 이하로 냉각시켜 이산화탄소를 액화시키고,
상기 액화 이산화탄소를 감압 및 냉각시켜 고체 상의 이산화탄소를 상기 제1열교환기로 공급하도록 하는 유체분사수단;
을 더 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
The method of claim 7,
The heat exchanger cools the natural gas to below the carbon dioxide critical point to liquefy the carbon dioxide,
A fluid injection means for decompressing and cooling the liquefied carbon dioxide to supply solid phase carbon dioxide to the first heat exchanger;
Wherein the carbon dioxide removal system further comprises:
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