KR20180074656A - 혼합 냉매 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

혼합 냉매를 사용하여 가스를 냉각시키는 시스템 및 방법은 압축기 시스템 및 열교환 시스템을 포함하며, 압축기 시스템은 액체 출구가 없는 단간 분리 장치 또는 드럼, 고압 분리 장치 전방으로 액체를 펌핑하는 펌프와 유체 연통하는 액체 출구 또는 과냉각되도록 액체가 열교환기로 유동하는 액체 출구를 포함할 수 있다. 최종 상황에서, 과냉각된 액체는 팽창되어 저온 증기 분리 장치의 증기 측으로부터 냉각되고 팽창되는 스트림인 팽창된 저온 스트림 및 고압 분리 장치 및 저온 증기 분리 장치의 액체 측으로부터 과냉각되고 팽창되는 스트림과 조합되거나, 혼합 및 팽창 후에 고압 분리 장치 및 저온 증기 분리 장치의 액체 측으로부터의 과냉각된 스트림으로부터 형성되는 스트림과 조합되어, 1차 냉동 스트림을 형성한다.

Description

혼합 냉매 시스템 및 방법
본 출원은 2015년 7월 8일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/190,069 호의 이득을 주장하며, 그 출원의 내용은 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로, 가스를 냉각 또는 액화하는 시스템 및 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 가스를 냉각 또는 액화시키는 혼합 냉매 시스템 및 방법에 관한 것이다.
천연 가스 및 기타 가스는 저장 및 운송을 위해 액화된다. 액화는 가스의 부피를 감소시키고 전형적으로 하나 이상의 냉동 사이클에서 간접 열교환을 통해 가스를 냉각시킴으로써 수행된다. 냉동 사이클은 설비의 복잡성과 사이클의 성능 효율성 때문에 비용이 많이 든다. 따라서, 설비 비용을 낮추고, 덜 복잡하고, 더 효율적이며, 운영 비용이 저렴한 가스 냉각 및/또는 액화 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
주로 메탄인 액화 천연 가스는 전형적으로 약 -160 ℃ 내지 -170 ℃로 가스 스트림을 냉각시킨 다음에 압력을 대략 대기압으로 낮출 것을 요구한다. 가스 메탄을 액화시키기 위한 전형적인 온도-엔탈피 곡선은 S-형상 곡선을 따르는 3 개의 영역을 가진다. 가스가 냉각되면서, 약 -75 ℃ 초과의 온도에서 가스는 과열되며, 약 -90 ℃ 미만의 온도에서 액체는 과냉각된다. 이들 온도 사이에서 가스가 액체로 응축되는 비교적 평탄한 영역이 관찰된다.
냉동 공정은 천연 가스를 액화하는데 필수적인 냉각을 공급하며, 이들 중 가장 효율적인 것은 이상적으로 전체 온도 범위에 걸쳐서 몇도 이내의 온도로 천연 가스의 냉각 곡선에 가까이 접근하는 가열 곡선을 갖는 것이다. 그러나, 냉각 곡선이 S-형상 프로파일 및 큰 온도 범위를 특징으로 하기 때문에, 그러한 냉동 공정은 설계하기가 어렵다. 순수 성분 냉매 공정은 그들의 평탄한 증발 곡선 때문에, 2-상 영역에서 가장 잘 작동한다. 다-성분 냉매 공정은 한편으로, 경사진 증발 곡선을 갖고 과열 및 과냉 방지 영역에 더 적절하다. 두 가지 유형의 공정 및 이들 두 공정의 혼합 공정은 천연 가스를 액화하기 위해 개발되었다.
계단식, 다단계, 순수 성분 냉동 사이클은 처음에, 프로필렌, 에틸렌, 메탄 및 질소와 같은 냉매와 함께 사용되었다. 충분한 레벨의 경우에, 그러한 사이클은 도 1에 도시된 냉각 곡선에 가까운 순 가열 곡선을 생성할 수 있다. 그러나 레벨 수가 증가함에 따라서 추가 압축기 열(train)이 요구되며, 이는 바람직하지 않게 기계적 복잡성을 추가한다. 또한, 순수 성분의 냉매가 천연 가스 냉각 곡선을 따르는 대신에 일정한 온도에서 증발하며 냉동 밸브가 액체를 증기로 비가역적으로 플래시(flashe)되기 때문에, 그러한 공정은 열역학적으로 비효율적이다. 이들 이유로, 혼합 냉매 공정은 자본 비용 및 에너지 소비를 줄이고 작동성을 향상시키는 것이 대중적인 것이 되었다.
맨리(Manley)의 미국 특허 제 5,746,066 호는 연속 다단계 순수 성분 공정의 열역학적 비효율을 제거하는 에틸렌 회수를 위한 연속, 다단계, 혼합 냉매 공정을 설명한다. 이는 냉매가 가스 냉각 곡선에 따르는 상승 온도에서 증발하며 액체 냉매가 플래시되기 이전에 과냉각되어 열역학적 비가역성을 감소시키기 때문이다. 순수 냉매 공정에 비해서 더 적은 냉매 사이클이 요구되기 때문에, 기계적 복잡성이 다소 감소한다. 예를 들어, 뉴톤(Newton)의 미국 특허 제 4,525,185 호; 리우(Liu) 등의 미국 특허 제 4,545,795 호; 파라도브스키(Paradowski) 등의 미국 특허 제 4,689,063 호; 피셔(Fischer) 등의 미국 특허 제 6,041,619 호; 스톤(Stone) 등의 미국 특허 출원 공보 제 2007/0227185 호; 및 헐시(Hulsey) 등의 미국 특허 출원 공보 제 2007/0283718 호 참조.
연속, 다단계, 혼합 냉매 공정이 공지된 것 중 가장 효율적인 것이지만, 더 쉽게 작동될 수 있는 더 간단하고, 더 효율적인 공정이 바람직하다.
냉동을 위해 단지 하나의 압축기만 요구하고 기계적 복잡성을 더욱 감소시키는 단일 혼합 냉매 공정이 개발되었다. 예를 들어, 스웬슨(Swenson)의 미국 특허 제 4,033,735 호 참조. 그러나, 주로 두 가지 이유로, 이러한 공정은 위에서 논의된 연속, 다단계, 혼합 냉매 공정보다 다소 많은 전력을 소비한다.
첫째, 전형적인 천연 가스 냉각 곡선과 매우 가까운 순 가열 곡선을 생성하는 단일 혼합 냉매 조성물을 찾는 것이 불가능하지는 않더라도 어렵다. 그러한 냉매는 그의 비등 온도가 상 평형에 의해 열역학적으로 제한되는 상대적으로 높고 낮은 범위의 비등 성분을 요구한다. 고 비등 성분은 저온에서 그들의 결빙을 피하기 위해 더욱 제한된다. 바람직하지 못한 결과는 냉각 공정의 몇몇 지점에서 비교적 큰 온도차가 필연적으로 발생한다는 점이며, 이는 전력 소비의 맥락에서 비효율적이다.
둘째, 단일 혼합 냉매 공정에서, 고 비등 성분이 공정의 더 온난 단부(warmer end)에서만 냉동을 제공함에도 불구하고 모든 냉매 성분은 최저 온도로 전달된다. 바람직하지 못한 결과는 더 낮은 온도에서 "불활성"인 이들 성분을 냉각하고 재가열하기 위해 에너지가 소비되어야 한다는 점이다. 이는 연속, 다단계, 순수 성분 냉각 공정 또는 연속, 다단계, 혼합 냉매 공정인 경우에는 해당되지 않는다.
이러한 둘째 이유의 비효율성을 완화하고 또한 첫째 이유를 해결하기 위해서, 단일 혼합 냉매로부터 더 무거운 분획물(fraction)을 분리하고 고온 레벨의 냉동에서 더 무거운 분획물을 사용한 다음에, 후속 압축을 위해 더 무거운 분획물을 더 가벼운 분획물과 재결합시키는 많은 해결책이 개발되었다. 예를 들어, Podbielniak의 미국 특허 제 2,041,725 호; Perret의 미국 특허 제 3,364,685 호; Sarsten의 미국 특허 제 4,057,972 호; Garrier 등의 미국 특허 제 4,274,849 호; Fan 등의 미국 특허 제 4,901,533 호; Ueno 등의 미국 특허 제 5,644,931 호; Ueno 등의 미국 특허 제 5,813,250 호; Arman 등의 미국 특허 제 6,065,305 호; Roberts 등의 미국 특허 제 6,347,531 호; 및 Schmidt의 미국 특허 출원 공보 제 2009/0205366 호 참조. 신중한 설계로, 이들 공정은 평형 상태가 아닌 스트림의 재결합이 열역학적으로 비효율적이더라도 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 가볍고 무거운 분획물이 고압에서 분리된 다음에 저압에서 재조합되어 이들이 단일 압축기에서 함께 압축될 수 있기 때문이다. 일반적으로, 스트림이 평형 상태에서 분리되고, 개별적으로 처리된 다음에, 비평 형 조건에서 재조합될 때, 열역학적 손실이 발생하여 궁극적으로 전력 소비를 증가시킨다. 그러므로 그러한 분리의 수는 최소화되어야 한다. 이들 모든 공정은 냉동 공정의 여러 장소에서 간단한 증기/액체 평형을 사용하여 더 가벼운 분획물로부터 더 무거운 분획물을 분리시킨다.
그러나 간단한 1 단계 증기/액체 평형 분리는 환류와 함께 다중 평형 단계들을 사용하는 것만큼 분획물을 농축시키지 않는다. 더 높은 농도는 특정 온도 범위에 대해 냉동을 제공하는 조성물의 격리를 더 정밀하게 허용한다. 이는 전형적인 가스 냉각 곡선을 따르는 처리 능력을 향상시킨다. Gauthier의 미국 특허 제 4,586,942 호 및 Stockmann 등의 미국 특허 제 6,334,334 호(후자는 Linde에 의해 LIMUM(등록 상표) 3 프로세스로서 상업화됨)는 분획물이 상기 주변 압축기 열에 사용되어 상이한 온도 구역에서 냉동을 위해 사용되는 분리된 분획물을 더욱 농축시켜서 전체 공정의 열역학 효율을 개선하는 방법을 설명한다. 분획물을 농축시키고 그들의 증발 온도 범위를 감소시키는 둘째 이유는 분획물이 공정의 냉동 부분을 떠날 때 완전히 증발되게 보장하는 것이다. 이는 냉매의 잠열을 완전히 이용하고 하류 압축기로 액체의 동반을 방지한다. 이와 동일한 이유로, 무거운 분획물 액체는 공정의 일부로서 냉매의 더 가벼운 분획물에 정상적으로 재주입된다. 무거운 분획물의 분류는 재주입시 플래싱을 감소시키고 2 상 유체의 기계적 분포를 개선시킨다.
Stone 등의 미국 특허 출원 공보 제 2007/0227185 호에 예시된 바와 같이, 부분적으로 증발된 냉동 스트림을 공정의 냉동된 부분으로부터 제거하는 것이 공지되어 있다. Stone 등은 기계적(열역학적이 아닌) 이유와 2 개의 분리된 혼합 냉매를 요구하는 연속, 다단계, 혼합 냉매 공정의 맥락에서 이를 수행했다. 부분적으로 증발된 냉동 스트림은 압축 직전에 그들의 이전에 분리된 증기 분획물과의 재조합시 완전히 증발된다.
무거운 분획물이 주 열교환기를 떠남에 따라서 그 무거운 분획물이 전체적으로 증발되지 않으면 무거운 분획물의 간단한 평형 분리가 혼합 냉매 공정 효율을 현저히 향상시키는 것으로 알려진 다중 스트림 혼합 냉매 시스템이 공지되어 있다. 예를 들어, Gushanas 등의 미국 특허 출원 공보 제 2011/0226008 호 참조. 액체 냉매는 압축기 흡입시에 있다면, 사전에 분리되어야 하며 때로는 더 높은 압력으로 펌핑되어야 한다. 액체 냉매가 냉매의 증발된 더 가벼운 분획물과 혼합될 때, 압축기 흡입 가스가 냉각되고, 이는 요구 전력을 추가로 감소시킨다. 냉매의 무거운 성분은 열교환기의 저온 단부와 무관하게 되며, 이는 냉매 결빙 가능성을 감소시킨다. 또한, 중간 단계 동안 무거운 분획물의 평형 분리는 제 2 또는 더 높은 단계의 압축기 (들)에 대한 부하를 감소시키며, 이는 공정 효율을 향상시킨다. 독립적인 예냉 냉동 루프에 무거운 분획물을 사용하면 열교환기의 온난 단부에서 가열/냉각 곡선을 거의 폐쇄하는 결과를 초래하며, 이는 더 효율적인 냉동을 초래한다.
"저온 증기(cold vapor)" 분리는 고압 증기를 액체 및 증기 스트림으로 분류하는데 사용되었다. 예를 들어, 위에서 논의된 Stockmann 등의 미국 특허 제 6,334,334 호; "중국에서의 아트 LNG 기술의 상황", Lange, M.의 5차 아시아 LNG 서밋, 2010년 10월 14일; "극저온 혼합 냉매 공정", International Cryogenics Monograph Series, Venkatarafhnam, G.,Springer, pp 199-205; 및 "상이한 작동 조건 하에서의 중간 규모 LNG 공정의 효율", Bauer, H., Linde Engineering; 참조. 에어 프로덕츠(Air Products)에 의해 AP-SMR ™ LNG 공정으로 상업화된 다른 공정에서, "온난(warm)" 혼합 냉매 증기는 저온 혼합 냉매 액체 및 증기 스트림으로 분리된다. 예를 들어, Bukowski, J. 등의 "Innovations in Natural Gas Liquefaction Technology for Future LNG Plants and Floating LNG Facilities", International Gas Union Research Conference 2011, 참조. 이들 공정에서, 이렇게 분리된 저온 액체는 그 자체로 중간 온도의 냉매로서 사용되고 공통 복귀 스트림과 결합하기 이전에 이렇게 분리된 저온 증기로부터 분리된 상태를 유지한다. 저온 액체 및 증기 스트림은 복귀하는 나머지 냉매와 함께 캐스케이드(cascade)를 통해 재조합되고 열교환기의 바닥으로부터 함께 배출된다.
위에서 논의된 증기 분리 시스템에서, 저온 증기 분리기 내의 액체를 부분적으로 응축시키는데 사용되는 온난 온도 냉동은 고압 축압기로부터의 액체에 의해 생성된다. 이는 더 높은 압력 및 이상적인 온도보다 더 낮은 온도를 요구하고, 그 둘은 바람직하지 않게 작동 중에 더 많은 전력을 소비한다.
저온 증기 분리를 사용하는 다른 공정은 비록 다단계의 혼합 냉매 시스템이지만, Costain Oil의 영국 특허 제 2,326,464 호에 설명되어 있다. 이 시스템에서, 별도의 환류 열교환기로부터의 증기는 부분적으로 응축되어 액체 및 증기 스트림으로 분리된다. 이렇게 분리된 액체 및 증기 스트림은 저압 복귀 스트림으로 재결합하기 이전에 개별적으로 냉각되고 플래시된다. 그 후, 주 열교환기를 빠져나가기 이전에, 저압 복귀 스트림은 전술한 환류 열교환기로부터 과냉각되고 플래시된 액체와 조합된 다음에 압축기 단(compressor stage)들 사이에 설정된 분리 드럼에 의해 제공되는 과냉각되고 플래시된 액체와 추가로 조합된다. 이 시스템에서, "저온 증기" 분리 액체와 전술한 환류 열교환기로부터의 액체는 저압 복귀 스트림과 결합하기 이전에 조합되지 않는다. 즉, 이들은 저압 복귀 스트림과 독립적으로 결합하기 이전에 분리 상태를 유지한다.
전력 소비는 특히, 복귀 스트림을 결합하기 이전에 저온 증기 분리 액체와 고압 축압기로부터 얻은 액체를 혼합함으로써 상당히 감소될 수 있다.
전술한 문제들 중 적어도 일부를 처리하고 효율을 향상시킨, 가스를 냉각 또는 액화시키는 혼합 가스 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
아래에서 설명되고 청구되는 방법, 장치 및 시스템에서 개별적으로 또는 함께 구현될 수 있는 본 발명의 요지의 여러 양태가 존재한다. 이들 양태는 단독으로 또는 본 발명에서 설명되는 요지의 다른 양태와 조합으로 사용될 수 있으며, 이들 양태의 설명은 이들 양태의 사용을 개별적으로 배제하거나 그러한 양태를 개별적으로 청구하거나 본 발명에 첨부된 청구범위에 기재된 것과 상이한 조합으로 청구하는 것을 배제하지 않는다.
일 양태에서, 혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 온난 단부와 저온 단부를 포함하며 이들 단부 사이에서 연장하는 공급물 스트림 냉각 통로를 구비한 주 열교환기를 포함하고, 공급물 스트림 냉각 통로는 온난 단부에서 공급물 스트림을 수용하고 저온 단부로부터 냉각된 생성물 스트림을 전달하도록 구성된다. 주 열교환기는 또한 고압 증기 냉각 통로, 고압 액체 냉각 통로, 저온 분리기 증기 냉각 통로, 저온 분리기 액체 냉각 통로 및 냉동 통로를 포함한다.
시스템은 또한, 냉동 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 1 섹션을 포함하는 혼합 냉매 압축기 시스템을 포함한다. 제 1 섹션 냉각기는 압축기 제 1 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 단간(interstage) 분리 장치는 제 1 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 가진다. 압축기 제 2 섹션은 단간 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 제 2 섹션 냉각기는 압축기 제 2 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 고압 분리 장치는 제 2 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 가진다.
열교환기의 고압 증기 냉각 통로는 고압 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 가지며, 저온 증기 분리기는 고압 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구를 가지며, 저온 증기 분리기는 액체 출구 및 증기 출구를 가진다. 열교환기의 저온 분리기 액체 냉각 통로는 저온 증기 분리기의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 가진다. 열교환기의 저압 액체 냉각 통로는 단간 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구를 가진다. 제 1 팽창 장치는 저압 액체 냉각 통로의 출구와 연통하는 입구 및 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 가진다. 열교환기의 고압 액체 냉각 통로는 고압 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 가진다. 열교환기의 저온 분리기 증기 냉각 통로는 저온 증기 분리기의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 가진다. 제 2 팽창 장치는 저온 분리기 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 냉동 통로의 입구와 유체 연통하는 출구를 가진다.
다른 양태에서, 혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템은 온난 단부 및 저온 단부를 포함하며 이들 단부 사이에서 연장하는 공급물 스트림 냉각 통로를 구비한 주 열교환기를 포함한다. 공급물 스트림 냉각 통로는 온난 단부에서 공급물 스트림을 수용하고 저온 단부로부터 냉각된 생성물 스트림을 전달하도록 구성된다. 주 열교환기는 또한, 고압 증기 냉각 통로, 고압 액체 냉각 통로, 저온 분리기 증기 냉각 통로, 저온 분리기 액체 냉각 통로 및 냉동 통로를 포함한다.
시스템은 또한, 냉동 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 1 섹션을 포함하는 혼합 냉매 압축기 시스템을 포함한다. 제 1 섹션 냉각기는 압축기 제 1 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 단간 분리 장치는 제 1 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구를 가진다. 압축기 제 2 섹션은 단간 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 제 2 섹션 냉각기는 압축기 제 2 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 고압 분리 장치는 제 2 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 가진다.
열교환기의 고압 증기 냉각 통로는 고압 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 가진다. 저온 증기 분리기는 고압 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구를 가지며, 저온 증기 분리기는 액체 출구 및 증기 출구를 가진다. 열교환기의 저온 분리기 액체 냉각 통로는 저온 증기 분리기의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 가진다. 열교환기의 고압 액체 냉각 통로는 고압 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 가진다. 열교환기의 저온 분리기 증기 냉각 통로는 저온 증기 분리기의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 가진다. 팽창 장치는 저온 분리기 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 냉동 통로의 입구와 유체 연통하는 출구를 가진다.
또 다른 양태에서, 가스를 냉각하기 위해 열교환기에 혼합 냉매를 제공하는 압축기 시스템이 제공되는데, 이 시스템은, 열교환기로부터 혼합 냉매를 수용하도록 구성된 흡입 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 1 섹션을 포함한다. 제 1 섹션 냉각기는 압축기 제 1 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 단간 분리 장치는 제 1 섹션 후-냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구를 가진다. 압축기 제 2 섹션은 단간 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 흡입 입구 및 출구를 가진다. 제 2 섹션 냉각기는 압축기 제 2 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 가진다. 고압 분리 장치는 제 2 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구와 액체 출구를 가지며, 증기 출구는 열교환기에 고압 혼합 냉매 증기 스트림을 제공하도록 구성되며 상기 액체 출구는 고압 혼합 냉매 액체 스트림을 열교환기에 제공하도록 구성된다. 고압 재순환(recycle) 팽창 장치는 고압 분리 장치와 유체 연통하는 입구 및 단간 분리 장치와 유체 연통하는 출구를 가진다.
또 다른 양태에서, 혼합 냉매를 사용하여 온난 단부와 저온 단부를 갖는 열교환기 내의 가스를 냉각시키는 방법은, 최초 및 최종 압축 및 냉각 사이클(first and last compression and cooling cycles)을 사용하여 혼합 냉매를 압축 및 냉각시키는 단계, 고압 액체 스트림 및 고압 증기 스트림이 형성되도록 최초 및 최종 압축 및 냉각 사이클 이후에 혼합 냉매를 분리하는 단계, 저온 분리기 증기 스트림 및 저온 분리기 액체 스트림이 형성되도록 열교환기 및 저온 분리기를 사용하여 고압 증기 스트림을 냉각 및 분리시키는 단계, 팽창된 저온 스트림이 형성되도록 저온 분리기 증기 스트림을 냉각 및 팽창시키는 단계, 과냉각된 저온 분리기 스트림이 형성되도록 저온 분리기 액체 스트림을 냉각시키는 단계, 저압 액체 스트림이 형성되도록 최초 및 최종 압축 및 냉각 사이클들 사이에서 혼합 냉매를 평형화 및 분리시키는 단계, 팽창된 저압 스트림이 형성되도록 저압 액체 스트림을 냉각 및 팽창시키는 단계, 및 과냉각된 고압 스트림이 형성되도록 고압 액체 스트림을 과냉각시키는 단계를 포함한다. 과냉각된 저온 분리기 스트림 및 과냉각된 고압 스트림은 팽창된 저온 분리기 스트림 및 팽창된 고압 스트림을 형성하도록 팽창되거나, 혼합된 후에 중간 온도 스트림을 형성하도록 팽창된다. 팽창된 스트림 또는 중간 온도 스트림은 팽창된 저압 스트림 및 팽창된 저온 스트림과 조합되어 1차 냉동 스트림을 형성한다. 가스 스트림이 1차 냉동 스트림과 역류 열교환되게 열교환기를 통과함으로써 가스가 냉각된다.
도 1은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 실시예를 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 2는 도 1의 혼합 냉매 시스템의 혼합 냉매 압축기 시스템의 개략적인 공정 흐름도이며,
도 3은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예를 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 4는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 혼합 냉매 압축기 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 5는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 혼합 냉매 압축기 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 6은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 혼합 냉매 압축기 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 7은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 8은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 9는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 10은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 11은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템의 중간 온도 부분을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 12는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템의 중간 온도 부분을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 13은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예를 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 14는 본 개시의 혼합 냉매 시스템의 추가 실시예의 혼합 냉매 압축기 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 15는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 혼합 냉매 압축기 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 16은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 17은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 18은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 19는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 20은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템의 중간 온도 부분을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 21은 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템의 중간 온도 부분을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 22는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예의 열교환 시스템의 중간 온도 부분을 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 23은 공급물 처리 시스템을 포함하는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예를 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 24는 공급물 처리 시스템을 포함하는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예를 예시하는 개략적인 공정 흐름도이며,
도 25는 공급물 처리 시스템을 포함하는 본 개시의 혼합 냉매 시스템 및 방법의 추가 실시예를 예시하는 개략적인 공정 흐름도이다.
실시예가 천연 가스를 액화시켜 액체 천연 가스를 생산하는 측면에서 아래에 예시되고 설명되지만, 본 발명은 다른 유형의 유체를 액화 또는 냉각시키는데 사용될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
아래의 실시예에서 설명되는 통로 및 스트림 모두는 때때로 도면에 설정된 동일한 소자의 번호에 의해 지칭된다는 것에 또한 주목해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 바와 같이 그리고 당업계에 공지된 바와 같이, 열교환기는 상이한 온도의 두 개 이상의 스트림들 사이에서 또는 스트림과 환경 사이에서 간접적인 열교환이 발생하는 장치 또는 그 장치 내의 구역이다. 본 발명에 사용되는 바와 같은, "연통(communication)", "연통하는" 등의 용어는 달리 명시되지 않는 한, 일반적으로 유체 연통을 지칭한다. 그리고 연통 중인 두 유체가 혼합시 열을 교환할지라도, 그러한 교환이 열교환기에서 일어날 수 있음에도 불구하고 그러한 교환은 열교환기에서의 열교환과 동일한 것으로 간주되지 않을 것이다. 열교환 시스템은 구체적으로 설명되지 않았지만, 팽창 장치, 플래시 밸브 등과 같은 열교환기의 일부 또는 그의 관련 부품으로 당업계에 일반적으로 공지된 이들 물품을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용되는 바와 같은, "압력을 감소시키는"이란 용어는 상 변화를 포함하지 않는 반면에, "플래싱(flashing)" 또는 "플래싱된"이란 용어는 심지어 부분 상 변화를 포함한, 상 변화를 포함한다. 본 발명에 사용되는 바와 같은, "높음", "중간", "온난" 등의 용어는 당업계에 통상적이고 2010년 3월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 12/726,142 호 및 2014년 3월 18일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 14/218,949 호에 예시된 것과 유사한 스트림에 관한 것이며, 이들 출원의 각각의 내용은 원용에 의해 본 발명에 포함된다. 2001년 12월 25일자로 허여된 미국 특허 제 6,333,445 호의 내용도 또한 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
혼합 냉매 시스템 및 방법의 제 1 실시예가 도 1에 예시되어 있다. 시스템은 도면부호 50으로 전체적으로 나타낸 혼합 냉매(MR) 압축기 시스템 및 도면부호 70으로 전체적으로 나타낸 열교환 시스템을 포함한다.
열교환 시스템은 온난 단부(101) 및 저온 단부(102)를 갖는 전체적으로 도면부호 100으로 나타낸 다중 스트림 열교환기를 포함한다. 열교환기는 열교환기 내의 냉동 스트림과의 열교환을 통한 열의 제거를 통해서, 공급물 스트림 냉각 통로(105) 및 처리된 공급물 스트림 냉각 통로(120)로 이루어진 공급물 스트림 냉각 통로(103)에서 액화되는 고압 천연 가스 공급물 스트림(5)을 수용한다. 결과적으로, 액체 천연 가스(LNG) 생성물의 스트림(20)이 생성된다. 열교환기의 다중 스트림 설계는 여러 스트림을 단일 교환기로 편리하고 에너지 효율적으로 통합할 수 있게 한다. 적합한 열교환기는 미국, 텍사스 더 우드랜드의 Chart Energy & Chemicals, Inc.로부터 구입할 수 있다. Chart Energy & Chemicals, Inc.로부터 이용 가능한 평판 및 핀 다중 스트림 열교환기는 물리적으로 소형이라는 추가 장점을 제공한다.
아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 열교환기(100)를 포함하는 도 1의 시스템은 종래 기술에 공지된 다른 가스 처리 또는 공급물 가스 처리 옵션(125)을 수행하도록 구성될 수 있다. 이들 처리 옵션은 도 1에 도시된 바와 같이)가스 스트림이 배출되고 열교환기에 1 회 이상 재입력될 것을 요구할 수 있고, 예를 들어 천연 가스 액체 회수, 결빙 성분 제거 또는 질소 제거를 포함할 수 있다.
열의 제거는 MR 압축기 시스템(50)(및 본 발명에서 설명되는 다른 MR 압축기 시스템을 사용하여 처리되고 재조정되는 단일 혼합 냉매를 사용하는 열교환 시스템(70)(및 본 발명에서 설명되는 다른 열교환 시스템)의 열교환기(100)에서 달성된다. 단지 예로서, 혼합 냉매는 둘 이상의 C1-C5 탄화수소 및 선택적으로 N2를 포함할 수 있다. 또한, 혼합 냉매는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 이소부탄, n-부탄, 이소부텐, 부틸렌, n-펜탄, 이소펜탄, N2 또는 이의 조합물 중 둘 이상을 포함할 수 있다. 한정하려는 의도가 아닌, 더 상세한 예시적인 냉매 조성물(스트림 온도 및 압력과 함께)은 2014년 3월 18일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 14/218,949 호에 제시되어 있다.
열교환 시스템(70)은 열교환기(100)로부터 혼합 냉매를 수용하고, 열교환기(100)로 혼합 냉매를 복귀시키는 저온 증기 분리기(200), 중간 온도 수직관(300) 및 저온 수직관(400)을 포함한다.
MR 압축기 시스템은 흡입 드럼(600), 다단 압축기(700), 단간(interstage) 분리 장치 또는 드럼(800) 및 고압 분리 장치(900)를 포함한다. 축적 또는 분리 드럼이 장치(200, 300, 400, 600, 800 및 900)에 대해 예시되어 있지만, 다른 유형의 용기, 사이클론 분리기, 증류 유닛, 합체 분리기 또는 메쉬 또는 베인 유형의 연무 제거기를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 대안의 분리 장치가 사용될 수 있다.
흡입 드럼(600)은 그들의 입구에 흡입 드럼을 요구하지 않는 압축기를 사용하는 실시예에서 생략될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러한 압축기의 비-제한적 예는 스크류 압축기이다.
MR 압축기 시스템(50) 및 열교환 시스템(70)의 기능 및 추가 구성요소가 이제 설명될 것이다.
압축기 제 1 섹션(701)은 냉각 압축된 흡입 드럼 MR 스트림(720)이 단간 분리 장치 또는 드럼(800)에 제공되도록 압축된 흡입 드럼 MR 증기 스트림(710)을 제 1 섹션 냉각기(710C)에 제공하기 위한 압축 유체 출구를 포함한다. 스트림(720)은 단간 분리 장치 또는 드럼(800)으로 이동하며 결과적인 저압 MR 증기 스트림(855)은 압축기 제 2 섹션(702)에 제공된다. 압축기 제 2 섹션(702)은 압축된 고압 MR 증기 스트림(730)을 제 2 섹션 냉각기(730C)에 제공한다. 결과적으로, 적어도 부분적으로 응축된 고압 MR 스트림(740)은 고압 분리 장치(900)로 이동한다.
본 실시예 및 다음 실시예들에서, 제 1 압축 및 냉각 섹션과 제 2 압축 및 냉각 섹션 사이에 하나 이상의 추가적인 중간 압축/압축기 및 냉각/냉각기 섹션이 존재할 수 있어서 압축기 제 2 섹션 및 제 2 섹션 냉각기는 최종 압축기 섹션 및 최종 섹션 냉각기이다. 또한, 압축기(701, 702)가 다단 압축기의 상이한 섹션으로서 예시되고 설명되었지만, 압축기(701, 702)는 그 대신에 둘 이상의 압축기를 포함하는 개별 압축기일 수 있다는 것이 추가로 이해되어야 한다.
고압 분리 장치(900)는 MR 스트림(740)을 고압 MR 증기 스트림(955) 및 바람직하게는 중간 비등 냉매 액체 스트림인 고압 MR 액체 스트림(975)으로 평형화 및 분리시킨다.
도 3에 도면부호 52로 전체적으로 나타낸 MR 압축기 시스템의 다른 실시예에서, 선택적인 단간 드럼 펌프(880P)가 MR 전진 액체 스트림(880)을 고압 분리 장치(900)로 펌핑하기 위해 제공되어, 냉각 압축된 흡입 드럼 MR 스트림(720)이 단간 드럼(800)에 진입할 때 부분적으로 응축되는 경우에 펌프(880P) 및 스트림(740)으로부터의 스트림이 분리 장치(900)에서 조합되어 평형화된다. 단지 예로서, 펌프(880P)를 빠져나가는 스트림은 600 psig의 압력 및 100 ℉의 온도를 가질 수 있다.
또한, MR 압축기 시스템(52)은 선택적으로, 고압 분리 장치(900)로부터 팽창 장치(980E)로 고압 MR 재순환 액체 스트림(980)을 제공하여, 고압 MR 재순환 혼합 상 스트림(990)이 단간 드럼에 제공됨으로써 스트림(720 및 990)이 조합되어 평형화된다. 고압 분리 장치(900)로부터 단간 드럼(800)까지 액체의 재순환은 온난 주위 온도가 존재할 때(즉, 더운 날)와 같이 단간 드럼이 그렇지 않으면 냉각 액체의 충분한 공급을 받지 못하는 조건하에서 펌프(880P)를 계속해서 작동하게 한다. 장치 (980E)를 개방하면 충분한 액체가 수집될 때까지 펌프(880P)를 차단할 필요가 없으므로 고압 분리 장치(900)로 유동하는 냉매의 조성을 일정하게 유지한다. 단지 예로서, 스트림(980)은 600 psig의 압력 및 100 ℉의 온도를 가질 수 있는 반면에, 스트림(990)은 200 psig의 압력 및 60 ℉의 온도를 가질 수 있다.
도 4에 도면부호 54로 전체적으로 나타낸 MR 압축기 시스템의 다른 대안의 실시예에서, 혼합 상 1차 MR 스트림(610)은 도 1 및 도 3의 열교환기로부터 흡입 분리 장치(600)로 복귀된다. 흡입 분리 장치(600)는 흡입 드럼 MR 액체 스트림(675)이 드럼을 빠져나가는 액체 출구를 가진다. 스트림(675)은 단간 드럼(800)으로 이동하는 흡입 드럼 MR 스트림(680)을 생성하는 흡입 드럼 펌프(675P)로 이동한다. 대안으로, 스트림(680)은 분기 스트림(681)을 통해 압축된 흡입 드럼 MR 증기 스트림(710)으로 유동할 수 있다. 또 다른 대안으로서, 스트림(680)은 분기 스트림(682)을 통해 냉각된 압축 흡입 드럼 MR 스트림(720)으로 유동할 수 있다.
도 4에 추가로 예시되고 당업계에 공지된 바와 같이, MR 재순환 증기 라인(960), 서지-방지 재순환 밸브(960E), 및 서지-방지 재순환 밸브(960E) 출구로부터 흡입 분리 장치(600)로 연장하는 라인(970)을 포함하는 압축기 용량 또는 서지 제어 시스템이 제공된다. 당업계에 공지된 대안의 압축기 용량 또는 서지 제어 장치가 도 4에 예시된 용량 또는 서지 제어 시스템 대신에 사용될 수 있다.
도 5에 도면부호 56으로 전체적으로 나타낸 MR 압축기 시스템의 간단한 대안의 실시예에서 그리고 이전의 실시예에서와 같이, 흡입 분리 장치(600)는 도 1의 열교환기의 냉동 통로로부터 증기 1차 MR 스트림(610)을 수용하기 위한 입구를 포함한다. 흡입 드럼 MR 증기 스트림(655)은 흡입 드럼의 출구로부터 압축기 제 1 섹션(701)으로 제공된다.
압축기 제 1 섹션(701)은 압축된 흡입 드럼 MR 증기 스트림(710)을 제 1 섹션 냉각기(710C)에 제공하기 위한 압축된 유체 출구를 포함하여 냉각된 압축 흡입 드럼 MR 스트림(720)이 단간 드럼(800)에 제공되게 한다. 스트림(720)은 단간 드럼(800)으로 이동하며 결과적인 저압 MR 증기 스트림(855)은 압축기 제 2 섹션(702)에 제공된다. 압축기 제 2 섹션(702)은 압축된 고압 MR 증기 스트림(730)을 제 2 섹션 냉각기(730C)에 제공한다. 결과적으로, 적어도 부분적으로 응축된 고압 MR 스트림(740)은 고압 분리 장치(900)로 이동한다.
고압 분리 장치(900)는 MR 스트림(740)을 고압 MR 증기 스트림(955)과 바람직하게 중간 비등 냉매 액체 스트림인 고압 MR 액체 스트림(975)으로 분리한다.
도 6에서 도면부호 58로 전체적으로 나타낸 MR 압축기 시스템의 대안의 실시예에서, 선택적인 임의의 단간 드럼 펌프(880P)는 냉각된 압축 흡입 드럼 MR 스트림(720)이 단간 드럼(800)에 진입할 때 부분적으로 응축되는 경우에 MR 전방 액체 스트림(880)을 단간 드럼(800)으로부터 고압 분리 장치(900)로 펌핑하기 위해 제공된다. 또한, MR 압축기 시스템(58)은 선택적으로, 고압 분리 장치(900)로부터 팽창 장치(980E)로 고압 MR 재순환 액체 스트림(980)을 제공하여 고압 MR 재순환 혼합 상 스트림(990)이 분리 장치 드럼(800)에 제공될 수 있다.
이와는 달리, 도 6의 MR 압축기 시스템(58)은 도 5의 MR 압축기 시스템(54)과 동일하다.
도 1 및 도 3의 열교환 시스템(70)은 전술된 MR 압축기 시스템 각각(및 대안의 MR 압축기 시스템 실시예)에 사용될 수 있고, 이제 도 7을 참조하여 상세히 논의될 것이다. 도 7에 예시되고 이전에 언급된 바와 같이, 다중 스트림 열교환기(100)는 열교환기의 냉동 스트림과의 열교환을 통한 열의 제거를 통해서 공급물 스트림 냉각 통로(103)에서 냉각 및/또는 액화되는 고압 천연 가스 공급물 스트림(5)과 같은 공급물 유체 스트림을 수용한다. 결과적으로, 액체 천연 가스와 같은 생성물 유체(20)의 스트림이 생성된다.
공급물 스트림 냉각 통로(103)는 열교환기(100)의 온난 단부에 입구를 갖는 전처리 공급물 스트림 냉각 통로(105), 및 생성물 유체(20)가 빠져나가는 저온 단부에 생성물 출구를 갖는 처리된 공급물 스트림 냉각 통로(120)를 포함한다. 전처리 공급물 스트림 냉각 통로(105)는 공급물 유체 출구(10)와 연결되는 출구를 갖는 반면에, 처리된 공급물 스트림 냉각 통로(120)는 공급물 유체 입구(15)와 연통하는 입구를 가진다. 공급물 유체 출구 및 입구(10 및 15)는 외부 공급물 처리(도 1 및 도 3의 125), 예컨대 천연 가스 액체 회수, 결빙 성분 제거 또는 질소 제거 등을 위해 제공된다. 외부 공급물 처리 시스템의 예가 도 23 내지 도 25를 참조하여 아래에 제시된다.
도 8에 도면부호 72로 전체적으로 나타낸 열교환 시스템의 대안의 실시예에서, 공급물 스트림 냉각 통로(103)는 중단없이 열교환기(100)의 온난 단부와 저온 단부 사이를 통과한다. 그러한 실시예는 외부 공급물 처리 시스템이 열교환기(100)와 열 통합되지 않을 때 사용될 수 있다.
열교환기는 도 7에 도면부호 170으로 전체적으로 나타낸 냉동 통로를 포함하며, 그 통로는 열교환기의 저온 단부에서 저온 MR 증기 증기 스트림(455) 및 저온 MR 액체 스트림(475)을 수용하는 입구를 갖는 저온 냉동 통로(140)를 포함한다. 냉동 통로(170)는 또한, 냉매 복귀 스트림(610)이 열교환기(100)를 빠져나가는, 열교환기의 온난 단부에 냉매 복귀 스트림 출구를 갖는 1차 냉동 통로(160), 및 대응 통로를 통해서 중간 온도 MR 증기 스트림(355) 및 중간 온도 MR 액체 스트림(375)을 수용하도록 구성되는 중간 온도 냉매 입구를 포함한다. 결과적으로, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 저온 MR 증기 및 액체 스트림(455 및 475) 그리고 중간 온도 MR 증기 및 액체 스트림(355 및 375)은 중간 온도 냉매 입구(150)에서 열교환기와 조합된다.
중간 온도의 냉매 스트림과 저온의 냉매 스트림의 조합은 일반적으로, 이들이 조합되는 지점으로부터 그리고 그로부터 하류인 1차 냉동 통로 출구를 향한 냉매 유동의 방향으로 열교환기 내에 중간 온도 구역 또는 영역을 형성한다.
증기 또는 혼합 상인 1차 MR 스트림(610)은 열교환기(100)의 1차 냉동 통로(160)를 빠져나와서 도 1 내지 도 6 중 어느 하나의 MR 압축기 시스템으로 이동한다. 단지 예로서, 도 1 내지 도 3, 도 5 및 도 6의 실시예에서 1차 MR 스트림(610)은 증기일 수 있다. 주위 온도가 설계보다 더 저온으로 됨에 따라, 1차 MR 스트림(610)은 혼합 상(증기 및 액체)이 될 것이며, 액체는 (도 1 내지 도 3, 도 5 및 도 6의)흡입 드럼(600)에 축적될 것이다. 공정이 더 낮은 온도에서 정상 상태가 된 이후에, 1차 MR 스트림은 이슬점에서 다시 모두 증기가 된다. 날이 따뜻해지면, 흡입 드럼(600) 내의 액체는 증발될 것이며, 1차 MR 스트림은 모두 증기가 될 것이다. 결과적으로, 혼합 상인 1차 MR 스트림만이 주위 온도가 설계보다 더 낮아지는 일시적인 조건에서 발생한다. 대안으로, 시스템은 혼합 상 1차 MR 스트림(610)용으로 설계될 수 있다.
열교환기(100)는 또한, 온난 단부에서 도 1 내지 도 6의 임의의 MR 압축기 시스템으로부터 고압 MR 증기 스트림(955)을 수용하고 고압 MR 증기 스트림을 냉각하여 혼합 상인 저온 분리기 MR 공급물 스트림(210)을 형성하도록 구성되는 고압 증기 냉각 통로(195)를 포함한다. 통로(195)는 저온 증기 분리기(200)와 연통하는 출구를 또한 포함한다. 저온 증기 분리기(200)는 저온 분리기 공급물 스트림(210)을 저온 분리기 MR 증기 스트림(255)과 저온 분리기 MR 액체 스트림(275)으로 분리시킨다.
열교환기(100)는 또한, 저온 분리기 MR 증기 스트림(255)을 수용하기 위해 저온 증기 분리기(200)와 연통하는 입구를 갖는 저온 분리기 증기 냉각 통로(127)를 포함한다. 저온 분리기 MR 증기 스트림은 통로(127) 내에서 냉각되어 응축된 저온 MR 스트림(410)을 형성하며, 이는 저온 수직관(400)으로 인도되는 팽창된 저온 MR 스트림(420)을 형성하기 위해 팽창 장치(410E)에 의해 플래시된다. 팽창 장치(410E)(및 본 발명에 개시된 모든 "팽창 장치"의 경우에서와 같이)는 비-제한적인 예로서, 주울 톰슨(Joule Thompson) 밸브, 터빈 또는 제한적인 오리피스일 수 있다.
저온 수직관(400)은 혼합 상 스트림(420)을 저온 냉매 통로(140)의 입구로 들어가는 저온 MR 증기 스트림(455) 및 저온 MR 액체 스트림(475)으로 분리한다. 증기 및 액체 스트림(455 및 475)은 바람직하게, 스트림(455 및 475)을 위한 별도의 입구를 갖는 헤더를 통해서 저온 냉매 통로(140)로 들어간다. 이는 헤더 내의 액체와 증기의 더욱 균일한 분포를 위해 제공된다.
저온 분리기 MR 액체 스트림(275)은 저온 분리기 액체 냉각 통로(125)에서 냉각되어 과냉각된 저온 분리기 MR 액체 스트림(310)을 형성한다.
고압 액체 냉각 통로(197)는 도 1 내지 도 6의 임의의 MR 압축기 시스템으로부터 고압 MR 액체 스트림(975)을 수용한다. 고압 액체(975)는 바람직하게 중간-비등 냉매 액체 스트림이다. 고압 액체 스트림은 온난 단부로 들어가고 냉각되어 과냉각된 고압 MR 액체 스트림(330)을 형성한다. 모든 냉매 액체 스트림(310 및 330)은 팽창 장치(310E 및 330E)를 통해 독립적으로 플래시되어 팽창된 저온 분리기 MR 스트림(320) 및 팽창된 고압 MR 스트림(340)을 생성한다. 팽창된 저온 분리기 MR 스트림(320)은 중간 온도의 MR 증기 스트림(355) 및 중간 온도의 MR 액체 스트림(375)을 형성하기 위해 중간 온도의 수직관(300)에서 팽창된 고압 MR 스트림(340)과 조합되어 평형화된다. 대안의 실시예에서, 두 개의 스트림(310 및 330)이 혼합된 후에 플래시될 수 있다.
중간 온도의 MR 스트림(355 및 375)은 냉동 통로의 중간 온도 냉매 입구(150)로 인도되며, 여기서 이들은 조합된 저온 MR 증기 스트림(455) 및 저온 MR 액체 스트림(475)과 혼합되어 1차 냉동 통로(160)에 냉각을 제공한다. 냉매는 증기 상 또는 혼합 상 1차 MR 스트림 또는 냉매 복귀 스트림(610)으로서 1차 냉동 통로(160)를 빠져나간다. 복귀 스트림(610)은 선택적으로 과열 증기 냉매 복귀 스트림일 수 있다.
도 9에 도면부호 74로 전체적으로 나타낸 열교환 시스템의 대안의 실시예는 저온 MR 팽창 루프의 대안의 실시예를 제공한다. 이 실시예에서, 도 7 및 도 8의 저온 수직관(400)은 제거된다. 결과적으로, 저온 분리기 증기 냉각 통로(127)로부터의 응축된 저온 MR 스트림(410)은 열교환기의 저온 단부를 빠져나와 저온 유체 MR 스트림(465)을 형성하도록 팽창 장치(410E)에 의해 플래시된다. 이어서, 혼합 상 스트림(465)은 저온 냉매 통로(140)의 입구로 들어간다. 열교환 시스템(74)의 나머지는 도 7의 열교환기 시스템(70)과 동일하고 동일한 방식으로 작동한다. 공급물 스트림 처리 출구 및 입구(10 및 15)(처리 시스템으로 그리고 처리 시스템으로부터 이어짐)는 도 8의 열교환 시스템(72)에 대해 도시된 방식으로 생략될 수 있다.
도 10에 도면부호 76으로 전체적으로 나타낸 열교환 시스템의 다른 대안의 실시예에서, 도 7 내지 도 9의 중간 온도의 수직관(300)은 생략되었다. 결과적으로, 도 10 및 도 11에 예시된 바와 같이, 냉매 액체 스트림(310 및 330) 모두는 팽창 장치(310E 및 330E)를 통해 독립적으로 플래시되어 중간 온도 냉동 통로(136)를 통해 유동하는 중간 온도 MR 스트림(365)를 형성하기 위해 조합되는 팽창된 저온 분리기 MR 스트림(320) 및 팽창된 고압 MR 스트림(340)을 형성한다. 중간 온도 MR 스트림(365)은 통로(136)를 통해 냉동 통로의 중간 온도 냉매 입구(150)로 인도되며, 여기서 저온 MR 스트림(465)과 혼합되어 1차 냉동 통로(160)에 냉각을 제공한다. 열교환 시스템(76)의 나머지는 도 9의 열교환기 시스템(74)과 동일하고 동일한 방식으로 작동한다. (처리 시스템으로 그리고 처리 시스템으로부터 이어지는)공급물 스트림 처리 출구 및 입구(10 및 15)는 도 9의 열교환 시스템(72)용으로 도시된 방식으로 생략될 수 있다.
도 12에 예시된 바와 같이, 팽창 장치(310E 및 330E)는 2 개의 스트림이 조합되어 스트림(335)을 형성하도록 과냉각된 저온 분리기 MR 스트림(310) 및 과냉각된 고압 MR 스트림(330)의 통로로부터 생략될 수 있다. 이 실시예에서, 팽창 장치(136E)가 중간 온도 냉동 통로(136) 내에 배치되어 스트림(335)이 플래시됨으로써 중간 온도 MR 스트림(365)을 형성한다. 혼합 상인 중간 온도 MR 스트림(365)이 중간 온도 냉매 입구(150)에 제공된다.
혼합 냉매 시스템 및 방법의 다른 대안의 실시예가 도 13에 예시되어 있다. 시스템은 도면부호 60으로 전체으로 나타낸 MR 압축기 시스템 및 도면부호 80으로 전체적으로 나타낸 열교환 시스템을 포함한다. 도 13의 실시예는 아래에서 설명되는 세부사항을 제외하면 도 1의 실시예와 동일하고 동일한 기능을 가진다. 결과적으로, 동일한 참조 부호가 대응하는 구성요소에 대해 동일한 반복될 것이다.
압축기 제 1 섹션(701)은 압축된 흡입 드럼 MR 증기 스트림(710)을 제 1 섹션 냉각기(710C)에 제공하여 냉각된 압축 흡입 드럼 MR 스트림(720)이 단간 드럼(800)에 제공되게 하는 압축 유체 출구를 포함한다. 스트림(720)은 단간 드럼800)으로 이동하고 결과적인 저압 MR 증기 스트림(855)은 압축기 제 2 섹션(702)에 제공된다. 압축기 제 2 섹션(702)은 압축된 고압 MR 증기 스트림(730)을 제 2 섹션 냉각기(730C)에 제공한다. 결과적으로, 적어도 부분적으로 응축된 고압 MR 스트림(740)은 고압 분리 장치(900)로 이동한다.
고압 분리 장치(900)는 MR 스트림(740)을 고압 MR 증기 스트림(955)과 바람직하게 중간 비등 냉매 액체 스트림인 고압 MR 액체 스트림(975)으로 분리한다. 고압 MR 재순환 액체 스트림(980)은 스트림(975)을 분기시키고, 고압 MR 재순환 혼합 상 스트림(990)이 단간 드럼(800)에 제공되도록 팽창 장치(980E)에 제공된다. 이는 온난 주위 온도(즉, 더운 날과 같은) 동안 단간 드럼(800)이 건조해지는 것을 방지한다. (도 3과 관련하여)이전에 그리고 아래에서 설명하는 바와 같이, 재순환 스트림(980)은 그 대신에 고압 분리 장치(900)로부터 팽창 장치(980E)로 직접 흐를 수 있다.
전술한 MR 압축기 시스템 실시예와는 대조적으로, MR 압축기 시스템(60)의 단간 드럼(800)은 고 비등 온도를 갖는 저압 MR 액체 스트림(875)을 제공하기 위한 액체 출구를 포함한다. 저압 MR 액체 스트림(875)은 열교환기(100)의 저압 액체 냉각 통로(187)에 의해 수용되고 아래에서 설명되는 바와 같이 추가로 처리된다.
MR 압축기 시스템의 대안의 실시예는 도 14에 도면부호 62로 전체적으로 표시되고 저압 MR 액체 스트림(875)을 제공하는 액체 출구를 갖는 단간 드럼(800)을 또한 포함한다.
도 15에 도면부호 64로 전체적으로 나타낸 MR 압축기 시스템의 다른 대안의 실시예에서, 혼합 상 1차 MR 스트림(610)은 도 13의 열교환기로부터 흡착 분리 장치(600)로 복귀된다. 흡착 분리 장치(600)는 흡입 드럼 MR 액체 스트림(675)이 드럼을 빠져나가는 액체 출구를 가진다. 스트림(675)은 단간 드럼(800)으로 이동하는 흡입 드럼 MR 스트림(680)을 생성하는 흡입 드럼 펌프(675P)로 이동한다. 선택적인 분기 흡입 드럼 MR 스트림(681 및 682)은 압축된 흡입 드럼 MR 증기 스트림(710) 및/또는 냉각된 압축 흡입 드럼 MR 스트림(720)으로 유동할 수 있다.
이와는 달리, 도 15의 MR 압축기 시스템(64)은 도 13의 MR 압축기 시스템(60)과 동일하고 동일하게 기능을 한다.
도 13 및 도 16의 열교환 시스템(80)은 도 13, 도 14 및 도 15의 MR 압축기 시스템(60, 62 및 64) 각각(그리고 대안의 MR 압축기 시스템 실시예들)과 함께 사용될 수 있다. 열교환 시스템(80)은 이제 도 16을 참조하여 상세히 논의될 것이다.
도 16에 예시되고 이전에 언급된 바와 같이, 다중-스트림 열교환기(100)는 열교환기의 냉동 스트림과의 열교환을 통한 열의 제거를 통해서 공급물 스트림 냉각 통로(103)에서 냉각 및/또는 액화되는 고압 천연 가스 공급물 스트림(5)과 같은 공급물 유체 스트림을 수용한다. 결과적으로, 액체 천연 가스와 같은 생성물 유체(20)의 스트림이 생성된다.
도 7의 열교환 시스템(70)의 경우에서와 같이, 열교환 시스템(80)의 공급물 스트림 냉각 통로(103)는 열교환기(100)의 온난 단부에 입구를 갖는 전처리 공급물 스트림 냉각 통로(105), 및 생성물(20)이 빠져나가는 저온 단부에 생성물 출구를 갖는 처리된 공급물 스트림 냉각 통로(120)를 포함한다. 전처리 공급물 스트림 냉각 통로(105)는 공급물 유체 출구(10)를 연결하는 출구를 갖는 반면에, 처리된 공급물 스트림 냉각 통로(120)는 공급물 유체 입구(15)와 연통하는 입구를 가진다. 공급물 유체 출구 및 입구(10 및 15)는 천연 가스 액체 회수, 결빙 성분 제거 또는 질소 제거 등과 같은 외부 공급물 처리(도 1 및 도 3의 125)를 위해 제공된다.
도 17에 도면부호 82로 전체적으로 나타낸 열교환 시스템의 대안의 실시예에서, 공급물 스트림 냉각 통로(103)는 중단없이 열교환기(100)의 온난 단부와 저온 단부 사이를 통과한다. 그러한 실시예는 외부 공급물 처리 시스템이 열교환기(100)와 열 통합되지 않을 때 사용될 수 있다.
도 7의 열교환 시스템(70)의 경우에서와 같이, 열교환기(100)는 열교환기의 저온 단부에, 저온 MR 증기 스트림(455) 및 저온 MR 액체 스트림(475)을 수용하는 입구를 갖는 저온 냉동 통로(140)를 포함하는 도 16에 도면부호 170으로 전체적으로 나타낸 냉동 통로를 포함한다. 냉동 통로(170)는 또한, 냉매 복귀 스트림(610)이 열교환기(100)를 빠져나가는 열교환기의 온난 단부에 냉매 복귀 스트림 출구, 및 대응 통로를 통해 중간 온도 MR 증기 스트림(355) 및 중간 온도 MR 액체 스트림(375)을 수용하도록 구성되는 중간 온도 냉매 입구(150)를 갖는 1차 냉동 통로(160)를 포함한다. 결과적으로, 저온 MR 증기 및 액체 스트림(455 및 475) 그리고 중간 온도 MR 증기 및 액체 스트림(355 및 375)은 중간 온도 냉매 입구(150)에서 열교환기 내에서 조합된다.
중간 온도의 냉매 스트림과 저온의 냉매 스트림의 조합은 일반적으로, 이들이 조합되는 지점으로부터 그로부터 하류인 1차 냉동 통로 출구를 향한 냉매 유동의 방향으로 열교환기 내에 중간 온도 구역 또는 영역을 형성한다.
1차 MR 스트림(610)은 열교환기(100)의 1차 냉동 통로(160)를 빠져나와서 도 13 내지 도 15의 MR 압축기 시스템으로 이동하며 기상 또는 혼합 상이다. 단지 예로서, 도 13 및 14의 실시예에서 1차 MR 스트림(610)은 증기일 수 있다. 주위 온도가 설계보다 더 저온으로 됨에 따라, 1차 MR 스트림(610)은 혼합 상(증기 및 액체)이 될 것이며, 액체는 (도 13 내지 도 15의)흡입 드럼(600)에 축적될 것이다. 공정이 더 낮은 온도에서 정상 상태가 된 이후에, 1차 MR 스트림은 이슬점에서 다시 모두 증기가 된다. 날이 따뜻해지면, 흡입 드럼(600) 내의 액체는 증발될 것이며, 1차 MR 스트림은 모두 증기가 될 것이다. 결과적으로, 혼합 상인 1차 MR 스트림만이, 주위 온도가 설계보다 더 낮아지는 일시적인 조건에서 발생한다. 대안으로, 시스템은 혼합 상 1차 MR 스트림(610)용으로 설계될 수 있다.
열교환기(100)는 또한, 온난 단부에서 도 13 내지 도 15의 임의의 MR 압축기 시스템으로부터 고압 MR 증기 스트림(955)을 수용하고 고압 MR 증기 스트림을 냉각하여 혼합 상인 저온 분리기 MR 공급물 스트림(210)을 형성하도록 구성되는 고압 증기 냉각 통로(195)를 포함한다. 통로(195)는 저온 증기 분리기(200)와 연통하는 출구를 또한 포함하며, 저온 증기 분리기는 저온 분리기 공급물 스트림(210)을 저온 분리기 MR 증기 스트림(255)과 저온 분리기 MR 액체 스트림(275)으로 분리시킨다.
열교환기(100)는 또한, 저온 분리기 MR 증기 스트림(255)을 수용하기 위해 저온 증기 분리기(200)의 증기 출구와 연통하는 입구를 갖는 저온 분리기 증기 냉각 통로(127)를 포함한다. 저온 분리기 MR 증기 스트림은 통로(127) 내에서 냉각되어 응축된 저온 MR 스트림(410)을 형성한 이후에, 저온 수직관(400)으로 인도되는 팽창된 저온 MR 스트림(420)을 형성하기 위해 팽창 장치(410E)에 의해 플래시된다. 팽창 장치(410E)(및 본 발명에 개시된 모든 "팽창 장치"의 경우에서와 같이)는 비-제한적인 예로서, 주울 톰슨 밸브, 터빈 또는 오리피스일 수 있다.
저온 수직관(400)은 혼합 상 스트림(420)을 저온 냉매 통로(140)의 입구로 들어가는 저온 MR 증기 스트림(455) 및 저온 MR 액체 스트림(475)으로 분리한다.
저온 분리기 MR 액체 스트림(275)은 저온 분리기 액체 냉각 통로(125)에서 냉각되어 과냉각된 저온 분리기 MR 액체 스트림(310)을 형성한다.
고압 액체 냉각 통로(197)는 도 13 내지 도 15의 임의의 MR 압축기 시스템으로부터 고압 MR 액체 스트림(975)을 수용한다. 고압 액체(975)는 바람직하게 중간-비등 냉매 액체 스트림이다. 고압 액체 스트림은 온난 단부로 들어가고 냉각되어 과냉각된 고압 MR 액체 스트림(330)을 형성한다. 모든 냉매 액체 스트림(310 및 330)은 팽창 장치(310E 및 330E)를 통해 독립적으로 플래싱되어 팽창된 저온 분리기 MR 스트림(320) 팽창된 고압 MR 스트림(340)을 생성한다. 팽창된 저온 분리기 MR 스트림(320)은 중간 온도의 증기 스트림(355) 및 중간 온도의 MR 액체 스트림(375)을 형성하기 위해 중간 온도의 수직관(300)에서 팽창된 고압 MR 스트림(340)과 조합되어 평형화된다. 대안의 실시예에서, 두 개의 스트림(310 및 330)이 혼합된 후에 플래시될 수 있다.
중간 온도의 MR 스트림(355 및 375)은 냉동 통로의 중간 온도 냉매 입구(150)로 인도되며, 여기서 이들은 조합된 저온 MR 증기 스트림(455) 및 저온 MR 액체 스트림(475)과 혼합되어 1차 냉동 통로(160)에 냉각을 제공한다. 냉매는 증기 상 또는 혼합 상 1차 MR 스트림 또는 냉매 복귀 스트림(610)으로서 1차 냉동 통로(160)를 빠져나간다. 복귀 스트림(610)은 선택적으로 과열 증기 냉매 복귀 스트림일 수 있다.
열교환기(100)는 또한, 도 13 내지 도 15의 임의의 MR 압축기 시스템의 단간 분리 장치 또는 드럼(800)의 액체 출구로부터 바람직하게 고-비등 냉매인 위에서 언급한 바와 같이, 저압 MR 액체 스트림(875)을 수용하는 저압 액체 냉각 통로(187)를 포함한다. 고-비점 MR 액체 스트림(875)은 저압 액체 냉각 통로(187)에서 냉각되어 과냉각된 저압 MR 스트림을 형성하며, 이 스트림은 스트림(510)으로서 열교환기를 빠져나간다. 과냉각된 저압 MR 액체 스트림(510)은 그 후에 플래시되거나 팽창된 저압 MR 스트림(520)을 형성하도록 팽창 장치(510E)에서 감소된 압력을 가진다. 단지 예로서, 스트림(510)은 200 psig의 압력 및 -130 ℉의 온도를 갖는 반면에, 스트림(520)은 50 psig의 압력 및 -130 ℉의 온도를 가질 수 있다. 스트림(520)은 도 16에 도시된 바와 같이 중간 온도의 수직관(300)으로 인도되며, 여기서 스트림은 팽창된 저온 분리기 MR 스트림(320) 및 팽창된 고압 MR 스트림(340)과 조합된다. 결과적으로, 고-비등 냉매는 중간 온도 냉매 입구(150)에 제공되고, 따라서 1차 냉동 통로(160)에 제공된다.
열교환 시스템의 대안의 실시예는 도 18에 도면부호 84로 전체적으로 나타내며, 저온 MR 팽창 루프의 대안의 실시예를 제공한다. 더 구체적으로, 이 실시예에서, 도 13, 도 16 및 도 17의 저온 수직관(400)은 제거되어 있다. 결과적으로, 저온 분리기 증기 냉각 통로(127)로부터 응축된 저온 MR 스트림(410)은 열교환기의 저온 단부를 빠져나와 저온 MR 스트림(465)을 형성하도록 팽창 장치(410E)에 의해 플래시된다. 이어서, 혼합 상 스트림(465)은 저온 냉매 통로(140)의 입구로 들어간다. 열교환 시스템(84)의 나머지는 도 16의 열교환기 시스템(80)과 동일하고 동일한 방식으로 작동한다. 공급물 스트림 처리 출구 및 입구(10 및 15)(처리 시스템으로 그리고 처리 시스템으로부터 이어짐)는 도 17의 열교환 시스템(82)에 대해 도시된 방식으로 생략될 수 있다.
도 19에 도면부호 86으로 전체적으로 나타낸 열교환 시스템의 다른 대안의 실시예에서, 도 16 내지 도 18의 중간 온도의 수직관(300)은 생략되었다. 결과적으로, 도 19 및 도 20에 예시된 바와 같이, 모든 냉매 액체 스트림(310 및 330)은 팽창 장치(310E 및 330E)를 통해 독립적으로 플래시되어 팽창된 저온 분리기 MR 스트림(320) 및 팽창된 고압 MR 스트림(340)을 형성한다. 이들 2 개의 스트림은 중간 저온 냉동 통로(136)를 통해 유동하는 중간 온도의 MR 스트림(365)을 형성하도록 팽창된 저압 MR 스트림(520)과 조합된다. 중간 온도 MR 스트림(365)은 통로(136)를 통해 냉동 통로의 중간 온도 냉매 입구(150)로 인도되며, 여기서 그 스트림은 1차 냉동 통로(160)에 냉각을 제공하기 위해 저온 MR 스트림(465)과 혼합된다. 열교환 시스템(86)의 나머지는 도 18의 열교환기 시스템(84)과 동일하고 동일한 방식으로 작동한다. 공급물 스트림 처리 출구 및 입구(10 및 15)(처리 시스템으로/로부터 이어짐)는 도 17의 열교환 시스템(82)에 대해 도시된 방식으로 생략될 수 있다.
도 21에 예시된 바와 같이, 팽창 장치(310E 및 330E)는 과냉각된 저온 분리기 스트림(310) 및 과냉각된 고압 MR 스트림(330)의 통로로부터 생략될 수 있다. 이 실시예에서, 팽창 장치(315E)는 스트림(310 및 330)의 접합부의 하류에, 그러나 스트림(520)과의 접합부의 상류에 배치된다. 결과적으로, 조합된 스트림(310 및 330)으로 구성되는 스트림(335)은 플래시된 다음에, 스트림(520)과 혼합되어서 혼합 상인 중간 온도 MR 스트림(365)이 통로(136)를 통해 중간 온도의 냉매 입구(150)에 제공된다.
대체의 실시예에서, 도 20 및 도 21의 팽창 장치(510E)는 스트림(365)을 형성하기 위해 팽창 장치(315E)를 통한 팽창 이후에 과냉각된 저압 MR 스트림(510)이 스트림(335)과 혼합하기 위해 (스트림(520) 대신에)제공되도록 생략될 수 있다.
도 22에 예시된 다른 대안의 실시예에서, 스트림(335) 및 스트림(510)은 조합된 혼합 및 팽창 장치(136E)로 인도될 수 있다. 장치(136E)는 단지, 예로서 다중 입구와 별도의 액체 및 증기 출구를 가질 수 있다. 다른 예로서, 스트림(510)이 사이에 공급되는 직렬의 2 개의 액체 팽창기가 사용될 수 있다.
위의 실시예 각각에서, 외부 처리, 전처리, 후처리, 통합 처리 또는 이들의 조합 중 하나 이상이 공급물 스트림 냉각 통로와 독립적으로 연통되어 공급물 스트림, 생성물 스트림, 또는 둘 다를 처리하도록 구성될 수 있다.
예로서, 그리고 도 7 및 도 16을 참조하여 이전에 언급된 바와 같이, 열교환기(100)의 공급물 스트림 냉각 통로(103)는 열교환기(100)의 온난 단부에 입구를 갖는 전처리 공급물 스트림 냉각 통로(105), 및 생성물(20)이 빠져나가는 저온 단부에 생성물 출구를 갖는 처리된 공급물 스트림 냉각 통로(120)를 포함한다. 전처리 공급물 스트림 냉각 통로(105)는 공급물 유체 출구(10)에 연결되는 출구를 갖는 반면에, 처리된 공급물 스트림 냉각 통로(120)는 공급물 유체 입구(15)와 연통하는 입구를 가진다. 공급물 유체 출구 및 입구(10 및 15)는 천연 가스 액체 회수, 결빙 성분 제거 또는 질소 제거 등과 같은 외부 공급물 처리(도 1 및 도 3의 125)를 위해 제공된다.
MR 압축기 시스템(50) 및 열교환 시스템(70)과 함께 사용되는 것과 같은 외부 공급물 처리를 위한 시스템의 예가 도 23에 도면부호 125로 전체적으로 표시되어 있다. 도 23에 예시된 바와 같이, 공급물 유체 출구(10)는 혼합 상 공급물 유체를 해비 녹아웃 드럼(heavies knock out drum)(12)(또는 다른 분리 장치)로 인도시킨다. 드럼(12)은 분리 장치(12)로부터의 증기가 열교환기의 처리된 공급물 스트림 냉각 경로(120)로 이동하도록 공급물 스트림 연통 입구(15)와 연통하는 증기 출구를 포함한다. 분리 장치(12)는 또한 액체 스트림(14)이 열교환기(16)로 유동하는 액체 출구를 포함하며, 열교환기에서 스트림은 MR 압축기 시스템(50)의 고압 MR 액체 스트림(975)의 분기에 의해 제공되는 냉매 스트림(18)과의 열교환에 의해 가열된다. 결과적으로 가열된 액체(19)는 추가 처리를 위해 응축물 스트리핑 컬럼(condensate stripping column)(21)으로 유동한다.
외부 공급물 처리부(125)는 도 24에 예시된 바와 같은, MR 압축기 시스템(52) 및 열교환 시스템(70) 그리고 도 25에 예시된 바와 같은, MR 압축기 시스템(60) 및 열교환 시스템(80)을 포함한, 전술된 임의의 MR 압축기 시스템과 열교환 시스템 실시예와 또한 조합될 수 있다.
도 23 내지 도 25에 예시된 바와 같이, 공급물 가스는 스트림(5)으로서 열교환기(100)에 들어가기 이전에 전처리 시스템(22)을 통해 전처리될 수 있다.
외부 처리, 전처리 또는 후처리 각각은 공급물 스트림으로부터, 황, 물, CO2, 천연 가스 액체(NGL), 결빙 성분, 에탄, 올레핀, C6 탄화수소, C6 + 탄화수소, N2 또는 이의 조합 중 하나 이상을 제거하는 것 중 하나 이상을 독립적으로 포함한다.
또한, 하나 이상의 전처리는 공급물 스트림 냉각 통로와 연통하고 공급물 스트림, 생성물 스트림 또는 이들 모두를 처리하도록 구성하여, 탈황, 탈수, CO2 제거, 하나 이상의 천연 가스 액체(NGL) 제거, 또는 이의 조합 중 하나 이상을 독립적으로 포함할 수 있다.
또한, 하나 이상의 외부 처리는 공급물 스트림 냉각 통로와 연통하고 공급물 스트림, 생성물 스트림 또는 이들 모두를 처리하도록 구성하여, 하나 이상의 천연 가스 액체(NGL) 제거, 하나 이상의 결빙 성분 제거, 에탄 제거, 하나 이상의 올레핀 제거, 하나 이상의 C6 탄화수소 제거, 하나 이상의 C6 + 탄화수소 제거하는 것 중 하나 이상을 독립적으로 포함할 수 있다.
위의 실시예 각각은 생성물로부터 N2를 제거하고 공급물 스트림 냉각 통로와 연통하고 공급물 스트림, 생성물 스트림 또는 이들 모두를 처리하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 후처리를 또한 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상으로부터 이탈함이 없이 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이며, 그 범주는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (30)

  1. 혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템에 있어서,
    a. 온난 단부(warm end)와 저온 단부(cold end)를 포함하며, 이들 단부 사이에서 연장하는 공급물 스트림 냉각 통로(feed stream cooling passage)를 구비한 주 열교환기로서, 상기 공급물 스트림 냉각 통로는 온난 단부에서 공급물 스트림을 수용하고 저온 단부로부터 냉각된 생성물 스트림을 전달하도록 구성되며, 상기 주 열교환기는 또한 저압 액체 냉각 통로, 고압 증기 냉각 통로, 고압 액체 냉각 통로, 저온 분리기 증기 냉각 통로, 저온 분리기 액체 냉각 통로 및 냉동 통로(refrigeration passage)를 포함하는, 주 열교환기;
    b. 상기 냉동 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 1 섹션, 상기 압축기 제 1 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 1 섹션 냉각기, 상기 제 1 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 갖는 단간 분리 장치(interstage separation device), 상기 단간 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 2 섹션, 상기 압축기 제 2 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 2 섹션 냉각기, 및 상기 제 2 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 갖는 고압 분리 장치를 포함하는 혼합 냉매 압축기 시스템;
    c. 상기 고압 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 갖는 상기 열교환기의 상기 고압 증기 냉각 통로;
    d. 상기 고압 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 갖는 저온 증기 분리기;
    e. 상기 저온 증기 분리기의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 갖는 상기 열교환기의 상기 저온 분리기 액체 냉각 통로;
    f. 상기 단간 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구를 갖는 상기 열교환기의 상기 저압 액체 냉각 통로;
    g. 상기 저압 액체 냉각 통로의 출구와 연통하는 입구 및 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 갖는 제 1 팽창 장치;
    h. 상기 고압 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 갖는 상기 열교환기의 상기 고압 액체 냉각 통로;
    i. 상기 저온 증기 분리기의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 갖는 상기 열교환기의 상기 저온 분리기 증기 냉각 통로; 및
    j. 상기 저온 분리기 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 냉동 통로의 입구와 유체 연통하는 출구를 갖는 제 2 팽창 장치를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 분리기 액체 냉각 통로와 유체 연통하는 입구를 갖는 제 3 팽창 장치, 및 상기 고압 액체 냉각 통로와 유체 연통하는 입구를 갖는 제 4 팽창 장치를 더 포함하며, 상기 제 3 및 제 4 팽창 장치는 각각 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 가지는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉동 통로는 제 3 및 제 4 팽창 장치의 출구들 및 제 1 팽창 장치의 출구와 유체 연통하는 중간 온도 냉매 입구를 포함하고, 상기 중간 온도 냉매 입구와 상기 열교환기의 온난 단부 사이에서 연장하는 1차 냉동 통로 및 상기 열교환기의 저온 단부와 상기 중간 온도 냉매 입구 사이에서 연장하는 저온 냉동 통로를 구비하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 출구 그리고 상기 저온 분리기 액체 냉각 통로의 출구 및 상기 고압 액체 냉각 통로의 출구 및 상기 제 1 팽창 장치의 출구와 유체 연통하는 입구를 갖는 중간 온도 냉매 통로를 포함하며,
    상기 중간 온도 냉매 통로 내부에 위치되는 중간 온도 팽창 장치를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저온 분리기 액체 냉각 통로 및 상기 고압 액체 냉각 통로의 출구들과 연통하는 입구 및 상기 중간 온도 팽창 장치의 입구와 유체 연통하는 출구를 갖는 접합부를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 분리기 액체 냉각 통로 및 상기 고압 액체 냉각 통로는 저압 액체 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 분리기 액체 냉각 통로의 출구, 상기 고압 액체 냉각 통로의 출구 및 상기 제 1 팽창 장치의 출구와 유체 연통하는 중간 온도 분리 장치를 더 포함하며, 상기 중간 온도 분리 장치는 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 증기 출구 및 액체 출구를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 팽창 장치의 출구와 유체 연통하는 저온 분리 장치를 더 포함하며, 상기 저온 분리 장치는 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 증기 출구 및 액체 출구를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉동 통로는 상기 저온 분리기 액체 냉각 통로의 출구, 상기 고압 액체 냉각 통로의 출구 및 상기 저압 액체 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 중간 온도 냉매 입구를 포함하고, 상기 중간 온도 냉매 입구와 상기 열교환기의 온난 단부 사이에서 연장하는 1차 냉동 통로 및 상기 열교환기의 저온 단부와 상기 중간 온도 냉매 입구 사이에서 연장하는 저온 냉동 통로를 구비하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급물 스트림 냉각 통로는 공급물 처리 출구 및 공급물 처리 시스템과 유체 연통하도록 구성된 공급물 처리 입구를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉동 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구를 갖는 흡입 분리 장치(suction separation device)를 더 포함하며, 상기 압축기 제 1 섹션의 입구는 상기 흡입 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  12. 혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템에 있어서,
    a. 온난 단부와 저온 단부를 포함하며, 이들 단부 사이에서 연장하는 공급물 스트림 냉각 통로를 구비한 주 열교환기로서, 상기 공급물 스트림 냉각 통로는 온난 단부에서 공급물 스트림을 수용하고 저온 단부로부터 냉각된 생성물 스트림을 전달하도록 구성되며, 상기 주 열교환기는 또한 고압 증기 냉각 통로, 고압 액체 냉각 통로, 저온 분리기 증기 냉각 통로, 저온 분리기 액체 냉각 통로 및 냉동 통로를 포함하는, 주 열교환기;
    b. 상기 냉동 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 1 섹션, 상기 압축기 제 1 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 1 섹션 냉각기, 상기 제 1 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구를 갖는 단간 분리 장치, 상기 단간 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 2 섹션, 상기 압축기 제 2 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 2 섹션 냉각기, 및 상기 제 2 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 갖는 고압 분리 장치를 포함하는 혼합 냉매 압축기 시스템;
    c. 상기 고압 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 갖는 상기 열교환기의 상기 고압 증기 냉각 통로;
    d. 상기 고압 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 액체 출구와 증기 출구를 갖는 저온 증기 분리기;
    e. 상기 저온 증기 분리기의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 갖는 상기 열교환기의 상기 저온 분리기 액체 냉각 통로;
    f. 상기 고압 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 냉동 통로와 유체 연통하는 출구를 갖는 상기 열교환기의 상기 고압 액체 냉각 통로;
    g. 상기 저온 증기 분리기의 증기 출구와 유체 연통하는 입구를 갖는 상기 열교환기의 상기 저온 분리기 증기 냉각 통로; 및
    h. 상기 저온 분리기 증기 냉각 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 냉동 통로의 입구와 유체 연통하는 출구를 갖는 팽창 장치(410E)를 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단간 분리 장치는 액체 출구를 가지는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단간 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 고압 분리 장치와 유체 연통하는 출구를 갖는 단간 펌프(interstage pump)를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 고압 분리 장치와 유체 연통하는 입구 및 상기 단간 분리 장치와 유체 연통하는 출구를 갖는 고압 재순환 팽창 장치(high pressure recycle expansion device)를 더 포함하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉동 통로의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구를 갖는 흡입 분리 장치를 더 포함하며, 상기 압축기 제 1 섹션의 입구는 상기 흡입 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는
    혼합 냉매로 가스를 냉각하는 시스템.
  17. 가스의 냉각을 위해 열교환기에 혼합 냉매를 제공하는 압축기 시스템에 있어서,
    a. 상기 열교환기로부터 혼합 냉매를 수용하도록 구성된 흡입 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 1 섹션;
    b. 상기 압축기 제 1 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 1 섹션 냉각기;
    c. 제 1 섹션 후-냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구를 갖는 단간 분리 장치;
    d. 상기 단간 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는 흡입 입구 및 출구를 갖는 압축기 제 2 섹션;
    e. 상기 압축기 제 2 섹션의 출구와 유체 연통하는 입구 및 출구를 갖는 제 2 섹션 냉각기;
    f. 상기 제 2 섹션 냉각기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 증기 출구와 액체 출구를 갖는 고압 분리 장치로서, 상기 증기 출구는 상기 열교환기에 고압 혼합 냉매 증기 스트림을 제공하도록 구성되며 상기 액체 출구는 상기 열교환기에 고압 혼합 냉매 액체 스트림을 제공하도록 구성되는, 상기 고압 분리 장치; 및
    g. 상기 고압 분리 장치와 유체 연통하는 입구 및 상기 단간 분리 장치와 유체 연통하는 출구를 갖는 고압 재순환 팽창 장치를 포함하는
    압축기 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 단간 분리 장치는 액체 출구를 포함하며,
    상기 단간 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 고압 분리 장치와 유체 연통하는 출구를 갖는 단간 펌프를 더 포함하는
    압축기 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 고압 재순환 팽창 장치의 입구는 상기 고압 분리 장치의 액체 출구와 유체 연통하는
    압축기 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 단간 분리 장치는 혼합 냉매를 상기 열교환기로 인도하도록 구성된 액체 출구를 가지는
    압축기 시스템.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 압축기 제 1 섹션 및 상기 압축기 제 2 섹션은 다단 압축기의 단(stage)인
    압축기 시스템.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 열교환기로부터 혼합 냉매를 수용하도록 구성된 입구 및 증기 출구를 갖는 흡입 분리 장치를 더 포함하며, 상기 압축기 제 1 섹션의 흡입 입구는 상기 흡입 분리 장치의 증기 출구와 유체 연통하는
    압축기 시스템.
  23. 혼합 냉매를 사용하여 온난 단부와 저온 단부를 갖는 열교환기 내의 가스를 냉각하는 방법에 있어서,
    a. 최초 및 최종 압축 및 냉각 사이클(first and last compression and cooling cycles)을 사용하여 혼합 냉매를 압축 및 냉각시키는 단계;
    b. 고압 액체 스트림 및 고압 증기 스트림이 형성되도록 최초 및 최종 압축 및 냉각 사이클 이후에 혼합 냉매를 분리하는 단계;
    c. 저온 분리기 증기 스트림 및 저온 분리기 액체 스트림이 형성되도록 열교환기 및 저온 분리기를 사용하여 고압 증기 스트림을 냉각 및 분리시키는 단계;
    d. 팽창된 저온 스트림(420)이 형성되도록 저온 분리기 증기 스트림을 냉각 및 팽창시키는 단계;
    e. 과냉각된 저온 분리기 스트림(310)이 형성되도록 저온 분리기 액체 스트림을 냉각시키는 단계;
    f. 저압 액체 스트림이 형성되도록 최초 및 최종 압축 및 냉각 사이클들 사이에서 혼합 냉매를 평형화(equilibrating) 및 분리시키는 단계;
    g. 팽창된 저압 스트림(520)이 형성되도록 저압 액체 스트림을 냉각 및 팽창시키는 단계;
    h. 과냉각된 고압 스트림(330)이 형성되도록 고압 액체 스트림을 과냉각시키는 단계;
    i. 과냉각된 저온 분리기 스트림(310) 및 과냉각된 고압 스트림(330)을 팽창시켜서 팽창된 저온 분리기 스트림(320) 및 팽창된 고압 스트림(340)을 형성하거나, 또는 과냉각된 저온 분리기 스트림(310) 및 과냉각된 고압 스트림(330)을 혼합하고 결과적인 스트림(335)을 팽창시켜서 중간 온도 스트림(365)을 형성하는 단계;
    j. 팽창된 저온 분리기 스트림(320)과 팽창된 고압 스트림(340)을 조합하거나 또는 중간 온도 스트림(365)을 팽창된 저압 스트림(520) 및 팽창된 저온 스트림(420)과 조합하여 1차 냉동 스트림을 형성하는 단계; 및
    k. 1차 냉동 스트림과 역류 열교환(countercurrent heat exchange)되게 가스의 스트림을 열교환기에 통과시켜서 가스가 냉각되도록 하는 단계를 포함하는
    가스 냉각 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    저온 증기 스트림(455) 및 저온 액체 스트림(475)이 형성되도록 상기 팽창된 저온 스트림(420)을 분리하는 단계를 더 포함하며,
    상기 i 단계는 저온 증기 스트림 및 저온 액체 스트림을 1차 냉동 스트림으로 인도하는 단계를 포함하는
    가스 냉각 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 가스는 상기 j 단계 중에 액화되는
    가스 냉각 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 d, e, g 및 h 단계의 냉각은 열교환기를 사용하여 달성되는
    가스 냉각 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    저온 증기 스트림(455) 및 저온 액체 스트림(475)이 형성되도록 상기 팽창된 저온 스트림(420)을 분리하는 단계를 더 포함하며, 상기 i 단계는 저온 증기 스트림 및 저온 액체 스트림을 팽창된 저온 분리기 스트림(320), 팽창된 고압 스트림(340) 및 팽창된 저압 스트림(520)과 조합하여 1차 냉동 스트림을 형성하는 단계를 포함하는
    가스 냉각 방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 팽창된 저온 분리기 스트림(320), 상기 팽창된 고압 스트림(340) 및 상기 팽창된 저압 스트림(520)은 중간 온도 증기 스트림(355) 및 중간 온도 액체 스트림(375)이 형성되고 상기 팽창된 저온 스트림과 조합되도록 분리 장치 내에서 조합되고 분리되는
    가스 냉각 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    저온 증기 스트림(455) 및 저온 액체 스트림(475)이 형성되도록 상기 팽창된 저온 스트림(420)을 분리하는 단계를 더 포함하며, 상기 i 단계는 저온 증기 스트림 및 저온 액체 스트림을 중간 온도 증기 스트림(355) 및 중간 온도 액체 스트림(375)과 조합하여 1차 냉동 스트림을 형성하는 단계를 포함하는
    가스 냉각 방법.
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 i 단계는 상기 과냉각된 저온 분리기 스트림(310) 및 상기 과냉각된 고압 스트림(330)을 조합하여 조합된 과냉각 스트림(335)을 형성하고, 상기 조합된 과냉각 스트림(335)을 팽창시켜서 중간 온도 냉매 스트림(365)을 형성하고, 상기 중간 온도 냉매 스트림을 팽창된 저압 스트림(520)과 조합하는 단계를 포함하는
    가스 냉각 방법.
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