KR20180021519A - 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치 및 방법 - Google Patents

천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로 천연가스를 공급받아 제1흡수제로 상기 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 제1흡수탑(101); 제1흡수탑에서 처리된 천연가스를 공급받아 제2흡수제로 천연가스에 함유된 잔존 산성가스를 제거하는 제2흡수탑(102); 제1흡수탑에서 배출되는 제1흡수제를 재생시키는 재생탑(103); 제2흡수탑에서 배출되는 제2흡수제와 재생탑 중간에서 유출된 세미-린 흡수제를 혼합하는 흡수제 혼합기(104); 제1흡수탑의 하부와 재생탑의 중간을 연결하여, 제1흡수탑에서 배출되는 제1흡수제를 재생탑에 유입시키는 제1라인(105); 재생탑의 하부와 제2흡수탑의 상부를 연결하여, 재생탑에서 재생된 린 흡수제를 제2흡수탑에 유입시키는 제2라인(106); 재생탑의 중간과 흡수제 혼합기를 연결하여, 재생탑에서 재생된 세미-린 흡수제를 흡수제 혼합기에 유입시키는 제3라인(107); 제2흡수탑의 하부와 흡수제 혼합기를 연결하여, 제2흡수탑에서 배출되는 제2흡수제를 흡수제 혼합기에 유입시키는 제4라인(108); 및 흡수제 혼합기와 제1흡수탑의 상부를 연결하여, 흡수제 혼합기에서 혼합된 혼합 흡수제를 제1흡수탑에 유입시키는 제5라인(109);을 포함함으로써, 산성가스를 매우 낮은 농도, 예컨대 이산화탄소를 50 ppm 이하 및 황화수소를 3 ppm이하로 제거시키며, 에너지 소모량을 종래에 비하여 약 15% 이상 줄일 수 있다.

Description

천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치 및 방법{Apparatus and method for removing acidic gas containing natural gas}
본 발명은 천연가스 내에 산성가스의 농도를 ppm 수준까지 낮추면서 에너지 소모량을 종래에 비하여 15% 이상 줄일 수 있는 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
부유식 해양 LNG 액화 플랜트(Liquefied Natural Gas-Floating Production, Storage and Offloading; LNGFPSO)는 원거리 해양에 있는 가스전으로 이동하여 해양에 부유(Floating)하면서 LNG를 생산(Production), 저장(Storage), 출하(Offloading)할 수 있는 해상 이동식 복합기능 플랜트를 말한다.
상기 플랜트는 해저 가스전으로부터 유입된 천연가스를 전처리, 액화, 저장하는 설비를 갖춘 부유식 해상 구조물로 구성되며, 종전 천연가스 생산방식에 비해 생산 절차를 축약하여 생산비용이 저렴하며, 가스전 생산 완료시 이동이 가능한 방식이다.
통상 해상 가스전에서 나오는 천연가스는 주성분이 메탄으로 이루어져 있으며, 그 밖의 에탄, 프로판 및 부탄 등과 같은 탄화수소로 구성되어 있고, 불순물로 이산화탄소(CO2)와 황화수소(H2S) 성분과 같은 산성가스 성분과 수분(H2O) 및 수은(Hg) 등을 포함하고 있다.
천연가스 중의 수분은 천연가스와 함께 저온이 되면 하이드레이트(Hydrate)나 얼음을 생성하여 플랜트 장치를 폐쇄하는 문제를 일으킬 수 있고, 수은은 알루미늄 재질의 플레이트 핀 열교환기(Plate fin heat exchanger)의 취화를 유발한다. 또한, CO2 및 중질 가스성분은 극저온 설비에서 CO2 프리징(freezing) 문제를 발생시켜 이로 인한 막힘 현상을 초래할 수 있다.
따라서, 천연가스 중 이들 불순물은 액화공정으로 보내지기 전에 전처리 공정이 도입되며, 이들 불순물은 반드시 일정 수준 이하로 제거되어야 한다.
한편, 해상 전처리 공정은 원료가스의 불순물 함유 정도에 따라 LNG-FPSO 데크(deck)의 가용공간 중 50%까지 차지하므로 소요 공간에 따라 크게 좌우되는 FPSO의 경제성에 지대한 영향을 끼치게 된다. 또한, 해상 전처리 공정은 거친 해양환경과 선박유동에 운전 안정성과 분리성능을 유지할 수 있어야 하므로, 강건한 구조 및 데크 설계가 필수적이다.
또한, 채굴되는 해상 가스전의 천연가스 조성변화와 선체운동에 따른 전처리 공정의 성능저하에 대비한 설계 최적화가 필요하다.
전술한 바와 같이, LNG 전처리 공정에는 천연가스 중에 포함되어 있는 산성가스 성분인 이산화탄소와 황화수소 등을 제거하는 산성가스 제거 장치가 포함된다.
이와 같은 산성가스 제거 기술에는 주로 아민흡수공정(Amine Absorption Process)이 사용되고 있다. 아민흡수공정에서 사용된 아민계 흡수제로는 MEA(Monoethanol amine), DEA(Diethanol amine) 등을 들 수 있으며, 현재는 MDEA(Methyldiethanol amine)에 첨가제로서 피페라진(Piperazine) 등을 추가한 흡수제(BASF Licensor 공정)가 주로 사용되고 있으며, 이산화탄소 함량이 많은 경우, 벤필드(Benfield Process)를 개선한 K2CO3 수용액에 첨가제로써 피페라진(Piperazine)이 사용되고 있다.
이와 같이 아민계 흡수제 등의 화학적 흡수제 사용 공정은 이산화탄소와 황화수소의 부분압에 상대적으로 덜 민감하기 때문에 상기 두 성분을 ppm 수준까지 낮출 수 있는 장점이 있으나, 재생탑(Regeneration)에서 재생에너지가 많이 소요된다는 단점을 갖는다.
또한, 아민흡수공정이 LNG-FPSO와 같은 부유식 구조물에 적용될 때에는 구조물의 유동에 대비하여 흡수탑(Absorber)의 면적 및 높이를 충분히 크게 설계해야 하는데, 흡수탑이 높으면 구조물이 선체유동(ship-motion)에 영향을 받기 때문에 흡수탑에 흐르는 유체의 분포가 불균등해지고 이에 따라 산성가스의 흡수가 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 선체유동(ship-motion)에 영향을 덜 받으면서 산성가스를 ppm 수준까지 제거하고 에너지 소모를 줄일 수 있는 장치가 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제2015-0031769호 대한민국 등록특허 제1190725호 미국 등록특허 제8,123,842호
본 발명의 목적은 천연가스 내에 산성가스를 매우 낮은 농도로 낮추면서 에너지 소모량을 종래에 비하여 줄일 수 있는 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치는 하부를 통해 천연가스를 공급받아 제1흡수제로 상기 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 제1흡수탑(101);
상기 제1흡수탑에서 처리되어 상부로 배출된 천연가스를 하부를 통해 공급받아 제2흡수제로 상기 천연가스에 함유된 잔존 산성가스를 제거하는 제2흡수탑(102);
상기 제1흡수탑에서 상부를 통해 배출되는 제1흡수제를 중간부를 통해 공급받아 재생시키는 재생탑(103);
상기 제2흡수탑에서 하부를 통해 배출되는 제2흡수제와 상기 재생탑 중간부에서 유출된 세미-린 흡수제를 혼합하는 흡수제 혼합기(104);
상기 제1흡수탑의 하부와 상기 재생탑의 중간부를 연결하여, 상기 제1흡수탑에서 하부를 통해 배출되는 제1흡수제를 상기 재생탑에 중간부를 통해 유입시키는 제1라인(105);
상기 재생탑의 하부와 상기 제2흡수탑의 상부를 연결하여, 상기 재생탑에서 재생되어 하부를 통해 배출된 린 흡수제를 상기 제2흡수탑에 상부를 통해 유입시키는 제2라인(106);
상기 재생탑의 중간부와 상기 흡수제 혼합기를 연결하여, 상기 재생탑에서 재생되어 중간부를 통해 배출된 세미-린 흡수제를 상기 흡수제 혼합기에 유입시키는 제3라인(107);
상기 제2흡수탑의 하부와 상기 흡수제 혼합기를 연결하여, 상기 제2흡수탑에서 하부를 통해 배출되는 제2흡수제를 상기 흡수제 혼합기에 유입시키는 제4라인(108); 및
상기 흡수제 혼합기와 상기 제1흡수탑의 상부를 연결하여, 상기 흡수제 혼합기에서 혼합된 혼합 흡수제를 상기 제1흡수탑에 상부를 통해 유입시키는 제5라인(109);을 포함할 수 있다.
상기 제1라인(105)에 배치되어 제1흡수제에 흡수된 메탄과 산성가스의 일부를 제거하는 플래쉬 드럼(110)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1라인(105)과 제2라인(106)이 교차하는 지점에 배치되어 상기 재생탑으로 유입되는 제1흡수제와 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제 사이의 열교환을 수행하는 열교환기(111)를 더 포함할 수 있다.
상기 제2라인(106)에 배치되어 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제에 함유된 소량의 산성가스와 물을 증발시키는 재비기(112)를 더 포함할 수 있다.
상기 제2라인(106)에 배치되어 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제에 공정 중 손실된 수분을 보충하는 보충장치(113), 상기 린 흡수제를 압축시키는 제1압축 펌프(114) 및 상기 린 흡수제를 냉각하는 제1냉각기(115)를 더 포함할 수 있다.
상기 제3라인(107)에 배치되어 상기 세미-린 흡수제를 압축시키는 제2압축 펌프(116) 및 상기 세미-린 흡수제를 냉각하는 제2냉각기(117)를 더 포함할 수 있다.
상기 재생탑(103)의 상측에 배치되어 상기 재생탑의 상부에서 배출되는 산성가스에 함유된 수분을 액화시킨 후 상기 액화된 수분을 재생탑으로 되돌려보내며, 상기 수분이 제거된 산성가스를 외부로 배출시키는 응축기(118)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1흡수탑(101) 및 제2흡수탑(102)의 제1 및 제2흡수제는 메틸디에탄올아민을 포함하는 아민 흡수제일 수 있다.
상기 제1흡수탑(101)에서 재생탑(103)으로 이동하는, 산성가스가 흡착된 제1흡수제의 농도는 0.5 내지 0.8 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다.
상기 제2흡수탑(102)에서 흡수제 혼합기(104)로 이동하는, 산성가스가 흡착된 제2흡수제의 농도는 0.1 내지 0.3 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다.
상기 재생탑(103) 중간에서 유출되는, 덜 재생된 세미-린 흡수제의 농도는 0.3 내지 0.5 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다.
상기 재생탑(103) 하부에서 유출되는, 완전히 재생된 린 흡수제의 농도는 0.01 내지 0.1 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다.
상기 흡수제 혼합기(104)에서 세미-린 흡수제와 산성가스가 흡착된 제2흡수제는 1-3 : 1의 중량비로 혼합될 수 있다.
또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법은 (A) 공급된 천연가스에 함유된 산성가스를 제1흡수탑에서 제1흡수제로 흡착시키는 단계;
(B) 상기 일부 산성가스가 제거된 천연가스를 제2흡수탑으로 이동시켜 상기 제2흡수탑(102)에 충진된 제2흡수제로 천연가스에 함유된 산성가스를 흡착시키는 단계;
(C) 상기 제2흡수제로 처리된 천연가스를 외부로 배출시키는 단계;
(D) 상기 제1흡수제를 재생탑으로 이송시켜 재생시키는 단계;
(E) 상기 재생탑의 재생 중간에 일부 유출되는 세미-린 흡수제를 흡수제 혼합기로 이송시키는 단계;
(F) 상기 제2흡수탑에서 유출된 제2흡수제를 흡수제 혼합기로 이송시켜 상기 세미-린 흡수제와 혼합시키는 단계;
(G) 상기 흡수제 혼합기에서 혼합된 혼합 흡수제를 상기 제1흡수탑으로 이송시켜 제1흡수제로 사용하는 단계; 및
(H) 상기 재생탑에서 재생이 완료된 린 흡수제를 제2흡수탑으로 이송시켜 제2흡수제로 사용하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 재생탑에서 배출되는 산성가스에 함유된 수분을 응축시켜 재생탑으로 재반송시키는 단계; 및 상기 수분이 제거된 산성가스를 외부로 배출시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 (A)단계에서 산성가스가 흡착된 제1흡수제의 농도는 0.5 내지 0.8 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다.
상기 (B)단계에서 산성가스가 흡착된 제2흡수제의 농도는 0.1 내지 0.3 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다.
상기 (E)단계에서 재생 중간에서 유출되는 덜 재생된 세미-린 흡수제의 농도는 0.3 내지 0.5 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다
상기 (H)단계에서 재생이 완료된 린 흡수제의 농도는 0.01 내지 0.1 mole-acid gas/mole-absorbent일 수 있다
상기 (F)단계에서 세미-린 흡수제와 산성가스가 흡착된 제2흡수제는 1-3 : 1의 중량비로 혼합될 수 있다.
본 발명의 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치는 천연가스 내에 함유된 산성가스의 농도가 이산화탄소 50 ppm 이하 및 황화수소 3 ppm 이하가 되도록 산성가스를 제거하며, 농도가 서로 다른 2개의 흡수제를 각각 사용한 2개의 흡수탑을 이용하여 효율적인 산성가스 흡수를 통해 재생탑에서 흡수제 재생에 사용되는 열에너지를 약 15% 이상 절감시킨다.
또한, 산성가스의 흡수를 충분히 수행시키기 위해서는 흡수탑의 높이가 길어져야 하는데, 해상플랜트의 경우 구조물이 선체유동(ship-motion)에 영향을 받기 때문에 흡수탑에 흐르는 유체의 분포가 불균등해지고 이에 따라 산성가스의 흡수가 저하된다. 이에, 본 발명에서는 흡수탑을 2개로 구비하여 선체유동(ship-motion)에 영향을 받지 않고 산성가스가 효율적으로 흡수되어 제거되도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치를 이용한 공정 흐름도이다.
도 2는 종래의 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치를 이용한 공정 흐름도이다.
본 발명은 천연가스 내에 산성가스(이산화탄소 및 황화수소 포함)를 매우 낮은 농도로 낮추면서 에너지 소모량을 종래에 비하여 약 15% 이상 줄일 수 있는 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 도 1을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치는 제1흡수탑(101), 제2흡수탑(102), 재생탑(103), 흡수제 혼합기(104), 제1라인(105), 제2라인(106), 제3라인(107), 제4라인(108) 및 제5라인(109)을 주요장치로 포함하여 연속공정으로 산성가스를 제거할 수 있다.
제1흡수탑 (101)
상기 제1흡수탑(101)에는 제1흡수제가 충진되고, 상기 제1흡수탑(101)의 하부로 천연가스를 공급받아 상기 제1흡수제로 상기 천연가스에 함유된 산성가스, 즉 이산화탄소와 황화수소를 흡착시켜 천연가스에 함유된 산성가스 중 일부를 제거한다.
상기 제1흡수제로 처리되어 일부 산성가스가 제거된 천연가스는 제1흡수탑(101)의 상부를 통해 제2흡수탑(102)의 하부로 이송되고, 상기 산성가스가 흡착된 제1흡수제는 제1흡수탑(101)의 하부에서 배출되어 재생탑(103)으로 이송된다.
상기 제1흡수탑(101)에 충진되는 제1흡수제는 메틸디에탄올아민이 40 내지 60 중량%로 함유된 아민 흡수제로서, 상기 메틸디에탄올아민의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 산성가스 흡착능력이 크게 감소하며, 상기 상한치 초과인 경우에는 제1흡수탑을 포함한 다른 장치의 부식 및 성능을 저하시킬 수 있다.
상기 제1흡수탑(101)에서 산성가스를 흡착시키는 제1흡수제는 흡수제 혼합기(104)에서 공급받은 것이며, 상기 산성가스가 흡착되어 재생탑(103)으로 이동하는 제1흡수제의 농도는 0.5 내지 0.8 mole-acid gas/mole-absorbent이므로, 흡수제 혼합기(104)에서 공급받은 제1흡수제의 농도(산성가스 흡착 전)는 상기 산성가스가 흡착된 제1흡수제의 농도 보다는 0.3 내지 0.5 mole-acid gas/mole-absorbent 낮다.
제2흡수탑 (102)
상기 제2흡수탑(102)에는 제2흡수제가 충진되고, 상기 제1흡수탑(101)에서 처리된 천연가스를 상기 제2흡수탑(101)의 하부로 공급받아 상기 제2흡수제로 상기 천연가스에 함유된 산성가스를 다량 흡착시켜 천연가스에 함유된 산성가스의 농도가 이산화탄소 50 ppm 이하 및 황화수소 3 ppm이하가 되도록 한다.
상기 제2흡수제로 처리되어 다량의 산성가스가 제거된 천연가스는 제2흡수탑(102)의 상부를 통해 외부로 배출되고, 상기 산성가스가 흡착된 제2흡수제는 제2흡수탑(102)의 하부를 통해 흡수제 혼합기(104)로 이송되어 재생되지 않은 상태에서 산성가스 흡착제로 재사용된다.
상기 제2흡수탑(102)에 충진되는 제2흡수제는 상기 제1흡수제와 동일한 성분으로 제조된 동일한 흡착제를 사용하지만, 제1흡수제(산성가스 흡착 전)는 재생탑에서 재생 중에 배출된 세미-린 흡수제와 산성가스가 흡착된 제2흡수제를 혼합한 혼합 흡수제를 제1흡수제로 사용한 반면, 제2흡수제(산성가스 흡착 전)는 재생탑에서 완전히 재생된 린 흡수제를 제2흡수제로 사용하므로 농도가 상이한 2개의 흡착제에 천연가스를 순차적으로 처리하여 산성가스의 농도를 최대한 낮춘다.
즉, 농도가 높은 제1흡수제에 천연가스를 먼저 처리하여 천연가스에 함유된 일부 산성가스를 제거시킨 후 농도가 낮은 제2흡수제로 추가 처리하여 천연가스에 함유된 산성가스를 다량 제거시킴으로써 천연가스 내에 산성가스의 농도를 최대한 낮출 수 있다.
상기 제2흡수탑(102)에서 산성가스를 흡착시키는 제2흡수제는 재생탑(103)에서 완전히 재생된 린 흡수제로서, 산성가스 흡착 전의 제2흡수제(린 흡수제)의 농도는 0.01 내지 0.1 mole-acid gas/mole-absorbent이며, 상기 산성가스가 흡착되어 제2흡수탑(102)에서 흡수제 혼합기(104)로 이동하는 제2흡수제의 농도는 0.1 내지 0.3 mole-acid gas/mole-absorbent이다. 산성가스의 흡착 전, 후에 따라 0.1 내지 0.2 mole-acid gas/mole-absorbent차이가 발생한다.
재생탑 (103)
상기 재생탑(103)은 재생되기 위해 재생탑의 중간부에 투입되는 흡수제가 재생탑의 하부로 이동할수록 탈리되어 완전히 재생되는 것으로서, 본 발명에서는 상기 재생을 위해 흡수제가 투입되는 재생탑(103) 중간부의 다른 측면의 재생탑(103) 중간부에서 덜 재생된 흡수제와 재생탑(103) 하부에서 완전히 재생된 흡수제 2종을 배출한다.
상기 덜 재생된 흡수제는 세미-린 흡수제로 명칭되어 상기 흡수제 혼합기(104)로 이동되며, 상기 완전히 재생된 흡수제는 린 흡수제로 명칭되어 상기 제2흡수탑(102)의 제2흡수제로 사용된다.
상기 재생탑(103)에 투입되는, 산성가스가 흡착된 제1흡수제의 농도는 0.5 내지 0.8 mole-acid gas/mole-absorbent인 반면, 재생탑에서 덜 재생된 세미-린 흡수제의 농도는 0.3 내지 0.5 mole-acid gas/mole-absorbent이고, 완전히 재생된 린 흡수제의 농도는 0.01 내지 0.1 mole-acid gas/mole-absorbent로서, 재생탑에서 재생될수록 흡수제의 농도가 낮아진다.
상기 재생탑(103)의 상측에는 응축기(118)가 배치되어 재생탑의 상부에서 배출되는 산성가스에 함유된 수분을 액화시킨 후 상기 액화된 수분을 재생탑으로 되돌려보내 재사용되도록 하며, 상기 수분이 제거된 산성가스는 외부로 배출시킨다.
흡수제 혼합기(104)
상기 흡수제 혼합기(104)는 제1흡수탑(101)의 제1흡수제로 사용될 혼합 흡수제를 제공하는 장치로서, 상기 제2흡수탑(102)에서 배출되는 산성가스가 흡착된 제2흡수제와 상기 재생탑(103) 중간부에서 유출된 세미-린 흡수제를 혼합하여 혼합 흡수제를 제조한다.
상기 혼합 흡수제는 상기 세미-린 흡수제와 제2흡수제가 1-3 : 1의 중량비, 바람직하게는 1 : 1의 중량비로 혼합된 흡수제이다. 제2흡수제를 기준으로 세미-린 흡수제의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 농도가 낮은 세미-린 흡수제가 적게 사용되므로 제1흡착제로 사용시 산성가스를 제거하는 양이 미미할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 세미-린 흡수제가 많이 사용되므로 세미-린 흡수제를 제조하기 위하여 재생탑에서 재생되는 흡수제의 양이 증가되므로 에너지가 절감되지 않는다.
본 발명의 흡수제 혼합기(104)에서는 재생탑에서 약간 재생된 세미-린 흡수제와 전혀 재생되지 않은 제2흡수제가 혼합된 혼합 흡수제를 제조하여 제1흡수제로 사용함으로써, 에너지가 많이 소요되는 재생탑을 거의 사용하지 않고도 산성가스 1차 처리용 흡수제로 재사용하므로 에너지를 절감시킬 수 있다.
제1라인(105)
상기 제1라인(105)은 제1흡수탑(101)의 하부와 상기 재생탑(103)의 중간부를 연결하여, 상기 제1흡수탑에서 배출되는 제1흡수제를 상기 재생탑에 유입시킨다.
상기 제1라인(105)에는 플래쉬 드럼(110)이 배치되어 7 내지 8 bar의 조건으로 운전되어 상기 제1흡수제에 흡수된 메탄과 산성가스의 일부를 제거한다.
제2라인(106)
상기 제2라인(106)은 상기 재생탑(103)의 하부와 상기 제2흡수탑(102)의 상부를 연결하여, 상기 재생탑에서 재생된 린 흡수제를 상기 제2흡수탑에 유입시켜 제2흡수제로 사용한다.
상기 제1라인(105)과 제2라인(106)이 교차하는 지점에 열교환기(111)를 배치하여 상기 재생탑으로 유입되는 제1흡수제와 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제 사이의 열교환을 수행한다. 즉, 재생탑에서 배출되는 뜨거운 린 흡수제의 열을 이용하여 재생탑으로 유입되는 재생이 필요한 제1흡수제(산성가스 흡착된 제1흡수제)를 미리 가열시켜 재생탑에서 에너지가 적게 소모되도록 한다.
또한, 제2라인(106)에 재비기(112)를 배치하여 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제에 함유된 산성가스와 물을 증발시키기 위하여 재생탑과 동일한 압력으로 120 내지 130 ℃에서 가동된다. 상기 증발되는 산성가스와 물은 재생탑으로 이송될 수 있다.
또한, 제2라인(106)에 보충장치(113)를 배치하여 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제에 공정 중 손실된 수분을 보충하여 린 흡수제의 아민 농도를 일정하게 유지시키고, 제1압축 펌프(114)를 배치하여 상기 린 흡수제를 압축시키며, 제1냉각기(115)를 배치하여 뜨거운 린 흡수제를 냉각시킨다.
상기 장치들은 재생탑에서 제2흡수탑으로 진행되는 제2라인(106)에 재비기(112), 열교환기(111), 보충장치(113), 제1압축 펌프(114) 및 제1냉각기(115) 순으로 배치된다.
제3라인(107)
상기 제3라인(107)은 상기 재생탑의 중간부와 상기 흡수제 혼합기를 연결하여, 상기 재생탑에서 약간 재생된 세미-린 흡수제를 상기 흡수제 혼합기에 유입시킨다.
상기 제3라인(107)에 제2압축 펌프(116)를 배치하여 상기 세미-린 흡수제를 압축시키며, 제2냉각기(117)를 배치하여 뜨거운 세미-린 흡수제를 냉각시킨다.
제4라인(108)
상기 제4라인(108)은 상기 제2흡수탑의 하부와 상기 흡수제 혼합기를 연결하여, 상기 제2흡수탑에서 배출되는 제2흡수제를 상기 흡수제 혼합기에 유입시킨다.
제5라인(109)
상기 제5라인(109)은 상기 흡수제 혼합기와 상기 제1흡수탑의 상부를 연결하여, 상기 흡수제 혼합기에서 혼합된 혼합 흡수제를 상기 제1흡수탑에 유입시킨다.
또한, 본 발명은 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 방법을 제공한다.
본 발명의 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법은 먼저, 제1흡수탑의 제1흡수제로 유입되는 천연가스에 함유된 산성가스를 흡착시켜 산성가스를 일부 제거시킨 후 상기 일부 산성가스가 제거된 천연가스를 제2흡수탑으로 이동시켜 제2흡수제로 상기 천연가스에 함유된 산성가스를 다량 흡착시켜 천연가스 내에 산성가스의 농도를 현저히 낮춘 다음 산성가스의 농도가 낮아진 천연가스를 외부로 배출시킨다.
상기 산성가스로 처리된 제1흡수제는 재생탑으로 이송되어 재생되는데, 상기 재생탑에서 재생되는 중간에 흡수제(세미-린 흡수제)를 일부 유출시켜 흡수제 혼합기로 이송시키고, 상기 제2 흡수탑에서 유출된 산성가스가 흡착된 제2흡수제를 흡수제 혼합기로 이송시켜 상기 세미-린 흡수제와 혼합시킨다. 상기 흡수제 혼합기에서 혼합된 혼합 흡수제는 상기 제1흡수탑으로 이송되어 제1흡수제로 사용되며, 상기 재생탑에서 재생이 완료된 린 흡수제는 제2흡수탑으로 이송되어 제2흡수제로 사용된다.
또한, 재생탑에서 배출되는 산성가스에 함유된 수분을 응축시켜 재생탑으로 재반송시키고, 상기 수분이 제거된 산성가스를 외부로 배출시키는 단계를 더 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1.
도 1에 도시된 바와 같이, 천연가스의 산성가스를 1차 흡수하는 제1흡수탑(101)이 67.4 bar의 조건에서 운전되며, 상기 제1흡수탑에서 처리된 천연가스가 제2흡수탑으로 이송되어 산성가스를 2차 흡수하는 제2흡수탑(102)이 67.4 bar의 조건에서 운전된다. 상기 제1흡수탑(101)에서 산성가스를 흡착한 제1흡수제를 재생탑(103)으로 이송시키는 중간에 플래쉬 드럼(110)을 구비하여 7.15 bar의 조건에서 운전시켜 상기 제1흡수제에 함유된 메탄과 약간의 산성가스를 제거한다. 상기 플래쉬 드럼을 거친 제1흡수제는 열교환기(111)로부터 가열되어 2 bar의 압력으로 운전되는 재생탑(103)으로 유입됨으로써 산성가스를 제거하는 재생과정을 거친다. 상기 재생과정에 발생된 산성가스에 함유된 수분은 2 bar의 압력 및 50 ℃ 온도로 운전되는 응축기(118)에서 액화되어 다시 재생탑으로 반송되며, 수분이 제거된 산성가스는 외부로 유출된다.
상기 완전히 재생된 린 흡수제는 2 bar의 압력 및 120~130 ℃ 온도로 운전되어 수증기를 발생시키는 재비기(112)로 처리되어 상기 린 흡수제에 포함된 산성가스와 물이 증발되고, 산성가스와 물이 증발된 린 흡수제는 열교환기를 거친 후 보충장치(113)로부터 수분을 공급받고 압축 펌프(114)로 압축시킨 다음 냉각기(115)로 린 흡착제를 냉각시켜 제2흡수탑(102)의 제2흡수제로 다시 사용한다.
제2흡수탑(102)에서 산성가스가 흡착된 제2흡수제는 흡수제 혼합기(104)로 이송되며, 상기 재생탑(103)에서 덜 재생된 세미-린 흡수제는 압축 펌프(116)로 압축되고 냉각기(117)로 냉각되어 흡수제 혼합기(104)로 이송되어 상기 산성가스가 흡착된 제2흡수제와 1 : 1의 중량비로 혼합된다. 상기 혼합된 흡수제는 제1흡착탑(101)의 제1흡수제로 다시 사용된다.
상기 제1 및 제2 흡수제는 MDEA가 50 중량%로 함유된 것이며, 제1흡수제로 세미-린 흡수제와 산성가스가 흡착된 제2흡수제와 1 : 1의 중량비로 혼합되어 각각 900 Sm3/h(liquid volume)로 사용된다.
비교예 1.
도 2에 도시된 바와 같이, 천연가스의 산성가스를 흡수하는 흡수탑(201)이 67.4 bar의 조건에서 운전되며, 상기 흡수탑(201)에서 산성가스를 흡착한 흡수제를 재생탑(204)으로 이송시키는 중간에 플래쉬 드럼(202)을 구비하여 7.15 bar의 조건에서 운전시켜 상기 흡수제에 함유된 메탄과 약간의 산성가스를 제거한다. 상기 플래쉬 드럼(202)을 거친 흡수제는 열교환기(203)로부터 가열되어 2 bar의 압력으로 운전되는 재생탑(204)으로 유입됨으로써 산성가스를 제거하는 재생과정을 거친다. 상기 재생과정에 발생된 산성가스에 함유된 수분은 2 bar의 압력 및 50 ℃ 온도로 운전되는 응축기(205)에서 액화되어 다시 재생탑으로 반송되며, 수분이 제거된 산성가스는 외부로 유출된다.
상기 재생된 흡수제는 2 bar의 압력 및 120~130 ℃ 온도로 운전되어 수증기를 발생시키는 재비기(206)로 처리되어 상기 흡수제에 포함된 산성가스와 물이 증발되고, 산성가스와 물이 증발된 흡수제는 열교환기를 거친 후 보충장치(207)로부터 수분을 공급받고 압축 펌프(208)로 압축시킨 다음 냉각기(209)로 흡착제를 냉각시켜 흡수탑(201)의 흡수제로 다시 사용한다.
상기 흡수제는 MDEA가 50 중량%로 함유된 것이며, 1,800 Sm3/h(liquid volume)를 사용된다.
< 시험예 >
시험예 1. 산성가스의 농도 및 에너지량 측정
하기 시험은 ProMax® 시뮬레이터로 측정되었으며, 천연가스는 5.27 X 106 Sm3/h의 유량으로 32 ℃ 및 67.5 bar의 압력으로 공급되었고, 상기 천연가스는 이산화탄소가 15 몰%, 황화수소가 60 ppm이 함유되었다. 또한, 실시예 1 및 비교예 1의 공정에 사용한 흡수탑의 지름은 각각 4.8 m로 동일하며, 재생탑의 지름은 6.0 m로 동일하다.
천연가스 내에 함유된 이산화탄소 농도가 50 ppm이하, 황화수소 농도가 3 ppm 이하가 되도록 상기 실시예 1 및 비교예 1의 장치로 상기 천연가스를 처리할 때의 에너지량과 실제 천연가스 내에 잔존하는 이산화탄소 및 황화수소의 농도를 측정하였다.
구분 에너지량(energy rate)(MW) 산성가스 농도(ppm)
재비기 냉각수
(응축기+흡수제 냉각)		 압축펌프 열교환기 CO2 H2S
UA, MW/℃ NMDT, ℃
실시예 1 81.9 77.1 4.36 2.1 21.5 49.9 0.138
비교예 1 116.2 111.5 4.56 3.7 19.0 49.9 0.192
위 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 공정에 따라 천연가스를 처리하면 작은 에너지양으로 천연가스 내에 함유된 이산화탄소를 49.9 ppm, 황화수소를 0.138 ppm으로 낮출 수 있다.
반면, 비교예 1의 공정에 따라 천연가스를 처리하면 실시예 1에 비하여 많은 에너지를 사용하면서 황화수소는 높은 농도로 존재하는 것을 확인하였다.
100: 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치
101: 제1흡수탑 102: 제2흡수탑
103: 재생탑 104: 흡수제 혼합기
105: 제1라인 106: 제2라인
107: 제3라인 108: 제4라인
109: 제5라인 110: 플래쉬 드럼
111: 열교환기 112: 재비기
113: 보충장치 114: 제1압축 펌프
115: 제1냉각기 116: 제2압축 펌프
117: 제2냉각기 118: 응축기
200: 종래의 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 장치
201: 흡수탑 202: 플래쉬 드럼
203: 열교환기 204: 재생탑
205: 응축기 206: 재비기
207: 보충장치 208: 압축 펌프
209: 냉각기

Claims (20)

  1. 하부를 통해 천연가스를 공급받아 제1흡수제로 상기 천연가스에 함유된 산성가스를 제거하는 제1흡수탑(101);
    상기 제1흡수탑에서 처리되어 상부로 배출된 천연가스를 하부를 통해 공급받아 제2흡수제로 상기 천연가스에 함유된 잔존 산성가스를 제거하는 제2흡수탑(102);
    상기 제1흡수탑에서 상부를 통해 배출되는 제1흡수제를 중간부를 통해 공급받아 재생시키는 재생탑(103);
    상기 제2흡수탑에서 하부를 통해 배출되는 제2흡수제와 상기 재생탑 중간부에서 유출된 세미-린 흡수제를 혼합하는 흡수제 혼합기(104);
    상기 제1흡수탑의 하부와 상기 재생탑의 중간부를 연결하여, 상기 제1흡수탑에서 하부를 통해 배출되는 제1흡수제를 상기 재생탑에 중간부를 통해 유입시키는 제1라인(105);
    상기 재생탑의 하부와 상기 제2흡수탑의 상부를 연결하여, 상기 재생탑에서 재생되어 하부를 통해 배출된 린 흡수제를 상기 제2흡수탑에 상부를 통해 유입시키는 제2라인(106);
    상기 재생탑의 중간부와 상기 흡수제 혼합기를 연결하여, 상기 재생탑에서 재생되어 중간부를 통해 배출된 세미-린 흡수제를 상기 흡수제 혼합기에 유입시키는 제3라인(107);
    상기 제2흡수탑의 하부와 상기 흡수제 혼합기를 연결하여, 상기 제2흡수탑에서 하부를 통해 배출되는 제2흡수제를 상기 흡수제 혼합기에 유입시키는 제4라인(108); 및
    상기 흡수제 혼합기와 상기 제1흡수탑의 상부를 연결하여, 상기 흡수제 혼합기에서 혼합된 혼합 흡수제를 상기 제1흡수탑에 상부를 통해 유입시키는 제5라인(109);을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1라인(105)에 배치되어 제1흡수제에 흡수된 산성가스의 일부를 제거하는 플래쉬 드럼(110)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1라인(105)과 제2라인(106)이 교차하는 지점에 배치되어 상기 재생탑으로 유입되는 제1흡수제와 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제 사이의 열교환을 수행하는 열교환기(111)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2라인(106)에 배치되어 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제에 함유된 산성가스와 물을 증발시키는 재비기(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2라인(106)에 배치되어 상기 재생탑에서 배출되는 린 흡수제에 공정 중 손실된 수분을 보충하는 보충장치(113), 상기 린 흡수제를 압축하는 제1압축 펌프(114) 및 상기 린 흡수제를 냉각하는 제1냉각기(115)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제3라인(107)에 배치되어 상기 세미-린 흡수제를 압축하는 제2압축 펌프(116) 및 상기 세미-린 흡수제를 냉각하는 제2냉각기(117)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 재생탑(103)의 상측에 배치되어 상기 재생탑의 상부에서 배출되는 산성가스에 함유된 수분을 액화시킨 후 상기 액화된 수분을 재생탑으로 되돌려보내며, 상기 수분이 제거된 산성가스를 외부로 배출시키는 응축기(118)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1흡수탑(101) 및 제2흡수탑(102)의 제1 및 제2흡수제는 메틸디에탄올아민을 포함하는 아민 흡수제인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1흡수탑(101)에서 재생탑(103)으로 이동하는 제1흡수제의 농도는 0.5 내지 0.8 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2흡수탑(102)에서 흡수제 혼합기(104)로 이동하는 제2흡수제의 농도는 0.1 내지 0.3 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 재생탑(103) 중간에서 유출되는 세미-린 흡수제의 농도는 0.3 내지 0.5 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 재생탑(103) 하부에서 유출되는 린 흡수제의 농도는 0.01 내지 0.1 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 흡수제 혼합기(104)에서 세미-린 흡수제와 산성가스가 흡착된 제2흡수제는 1-3 : 1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거장치.
  14. (A) 공급된 천연가스에 함유된 산성가스를 제1흡수탑에서 제1흡수제로 흡착시키는 단계;
    (B) 상기 일부 산성가스가 제거된 천연가스를 제2흡수탑으로 이동시켜 상기 제2흡수탑(102)에 충진된 제2흡수제로 천연가스에 함유된 산성가스를 흡착시키는 단계;
    (C) 상기 제2흡수제로 처리된 천연가스를 외부로 배출시키는 단계;
    (D) 상기 제1흡수제를 재생탑으로 이송시켜 재생시키는 단계;
    (E) 상기 재생탑에서 재생 중간에 일부 유출되는 세미-린 흡수제를 흡수제 혼합기로 이송시키는 단계;
    (F) 상기 제2흡수탑에서 유출된 제2흡수제를 흡수제 혼합기로 이송시켜 상기 세미-린 흡수제와 혼합시키는 단계;
    (G) 상기 흡수제 혼합기에서 혼합된 혼합 흡수제를 상기 제1흡수탑으로 이송시켜 제1흡수제로 사용하는 단계; 및
    (H) 상기 재생탑에서 재생이 완료된 린 흡수제를 제2흡수탑으로 이송시켜 제2흡수제로 사용하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 재생탑에서 배출되는 산성가스에 함유된 수분을 응축시켜 재생탑으로 재반송시키는 단계; 및
    상기 수분이 제거된 산성가스를 외부로 배출시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 (A)단계에서 산성가스가 흡착된 제1흡수제의 농도는 0.5 내지 0.8 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 (B)단계에서 산성가스가 흡착된 제2흡수제의 농도는 0.1 내지 0.3 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 (E)단계에서 재생 중간에서 유출되는 세미-린 흡수제의 농도는 0.3 내지 0.5 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 (H)단계에서 재생이 완료된 린 흡수제의 농도는 0.01 내지 0.1 mole-acid gas/mole-absorbent인 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 (F)단계에서 세미-린 흡수제와 산성가스가 흡착된 제2흡수제는 1-3 : 1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 천연가스에 함유된 산성가스의 제거방법.
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