KR20190062108A - 탄화수소 스트림 냉각을 위한 개선된 방법 및 시스템 - Google Patents

탄화수소 스트림 냉각을 위한 개선된 방법 및 시스템 Download PDF

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마크 줄리안 로버츠
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

하이브리드 냉각 시스템 및 방법을 사용하여 천연 가스 액화 공정의 효율을 증가시키는 시스템 및 방법이 개시된다. 보다 구체적으로, 초임계 예냉 냉동 공정을 준임계 공정으로 전환하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 일 구현예에서, 냉매는 절약형 장치를 사용하여 준임계 온도까지 냉각된다. 다른 구현예에서, 냉매는 보조 열 교환기를 사용하여 준임계 온도까지 냉각된다. 선택적으로, 주변 온도가 냉매를 준임계 온도로 냉각시키기에 충분히 낮으면, 절약형 장치 또는 보조 열 교환기가 바이패스될 수 있다. 다른 구현예에서, 냉매는 등엔트로피로 팽창된다.

Description

탄화수소 스트림 냉각을 위한 개선된 방법 및 시스템{IMPROVED METHOD AND SYSTEM FOR COOLING A HYDROCARBON STREAM}
천연 가스를 냉각, 액화 및 선택적으로 과냉하기 위한 액화 시스템은 당 분야에 잘 알려져 있으며, 예컨대 단일 혼합 냉매(SMR) 사이클, 프로판 예냉 혼합 냉매(C3MR) 사이클, 이중 혼합 냉매(DMR) 사이클, C3MR-질소 하이브리드(예컨대, AP-X™) 사이클, 기상 팽창 공정(예컨대, 질소 또는 메탄 팽창기 사이클) 및 캐스케이드 사이클이다. 전형적으로, 이러한 시스템에서, 천연 가스는 냉각되고, 액화되고, 선택적으로 하나 이상의 냉매와의 간접 열교환에 의해 과냉된다. 혼합 냉매, 순수 성분, 2-상 냉매, 기상 냉매 등과 같은 다양한 냉매가 사용될 수 있다. 순수 성분 2-상 냉매의 일부 예로는 프로판, 이산화탄소, 하이드로플루오로카본(HFC), 에탄, 에틸렌, 및 기타가 있다. 이 중 일부는 특히 예냉 서비스에 적합하다.
질소, 메탄, 에탄/에틸렌, 프로판, 부탄 및 펜탄의 혼합물인 혼합 냉매(MR)는 많은 기저-부하(base-load) 액화 천연 가스(LNG) 플랜트에서 사용되어왔다. MR 스트림의 조성은 일반적으로 공급 가스 조성 및 작동 조건에 기초하여 최적화된다.
냉매는 하나 이상의 열교환기 및 하나 이상의 냉매 압축 시스템을 포함하는 냉매 회로내에서 순환된다. 냉매 회로는 폐쇄-루프 또는 개방-루프일 수 있다. 천연 가스는 열 교환기내 냉매에 대한 간접 열교환에 의해 냉각, 액화 및/또는 과냉된다.
비등 열 전달은 통상적으로 사용되는 열 전달 모드이며, 여기서 냉매는 1 이상의 압력 레벨로 비등하여 요구되는 냉각 부하(cooling duty)를 제공한다. 임계점은 유체의 포화된 액체 및 포화 증기선이 만나는 압력-엔탈피(P-H) 다이어그램상의 지점이다. 임계 온도는 유체의 열역학적 특성이며, 임계점의 온도이다. 냉매 운전에는 2가지 유형이 있다. - 공정내 모든 단계가 항상 임계점 이하에서 일어나는 준임계 운전, 및 공정내 적어도 하나의 단계가 임계점 이상에서 일어나는 반면 공정내 적어도 하나의 단계가 임계점 이하에서 일어나는 초임계 운전.
또한, 도 1a는 단일 압력 냉각 공정을 위한 준임계 운전에 대한 P-H 다이어그램을 도시한다. 냉매 증기(A)는 P1의 압력 및 T1의 온도에 있고, 압력 P2 및 온도 T2로 압축된다(B). 그후, 압축된 증기는 이슬점으로 디슈퍼히팅(desuperheating)되고(C), 기포점으로 응축되고(D), 생성된 과냉된 액체로 과냉된다(E). E에서의 온도는 애프터쿨러(aftercooler) 출구 온도이며, TAC라고도 하며, 도 1a에서 등온선으로 도시된다. 그 후, 과냉된 액체는 원래 압력 P1로 감압된다(F). 지점 F에서의 냉매의 액체 성분은 증발되어, 사이클을 완료하고 증기 상으로 되돌아 간다(A). 단계 B-E동안, 상기 공정은 주변 공기 또는 냉각수로 방열하고, 단계 F-A동안, 상기 공정은 천연 가스 공급물 스트림 및/또는 또다른 냉매와 같은 공정 스트림에 냉각 부하를 제공한다.
또한, 도 1b는 단일 압력 냉각 공정을 위한 초임계 운전을 위한 P-H 다이어그램을 도시한다. 사이클 다이어그램은 도 1a와 유사하지만, 방열 단계 B-E는 임계점 이상에서 발생한다. 임계 온도 TCRIT는 등온선으로 도시된다. 공정은 압력 P1 및 임계 온도 이하의 온도 T1에서 냉매 증기로 시작한다(A). 그런 다음 압력 P2 및 임계 온도 이상의 온도 T2로 압축된다(B). 임계점 이상에서, 유체는 별개의 증기 및 액체 상을 보유하지 않는다. 따라서 지점 B에서 지점 E로 냉각되면 응축되지 않는다. 유체는 지점 B에서 증기와 같은 성질을 나타내고, 지점 E에서 액체와 같은 성질을 나타낸다. 그러나 응축 과정(C-D)동안 온도가 일정하게 유지되는 준임계 응축 과정과 달리, 초임계 방열 단계 동안에는 온도가 계속 감소한다. 초임계 공정의 방열 단계는 준임계 공정의 방열 단계보다 더 낮은 효율을 가질 수 있는데, 이것은 초임계 공정의 단점이다.
준임계 및 초임계 운전 둘다를 위한 방열 후 E에서의 온도는 주변 온도 + 열교환기 접근 온도에 의해 설정된다. 임계점 위의 등온선(일정 온도 선)의 수직 성질로 인해, E는 초임계 운전을 위해, 그래프의 중앙 부분에 있다. 따라서, 냉매가 E에서 F로 감압되면, 다량의 증기를 갖는 2-상 스트림이 생성된다. 그러므로, F의 냉매는 준임계 공정에서보다 초임계 공정에서 높은 증기 분율을 갖는다. 필요한 냉각 부하를 제공하기 위해 증발되는 것은 F에서 냉매의 액체 성분이다. 따라서 F에서의 증기 분율이 높기 때문에 초임계 공정은 본질적으로 준임계 공정보다 공정 효율이 낮다.
주변 냉각기 출구 온도인 E에서의 온도는 주변 온도에 주변 온도에 대한 임의의 접근을 더한 값에 의해 주어지며, 준임계적이거나 초임계적인 운전이 일어나는지를 결정하는 중요한 요인이다. 주변 냉각기 출구 온도가 임계 온도보다 낮으면, 도 1a에 도시된 바와 같이, 준임계 운전이 일어난다. 주변 냉각기 출구 온도가 임계 온도 이상인 경우, 도 1b에 도시된 바와 같이, 초임계 운전이 일어난다.
프로판 및 혼합 냉매와 같은 냉매는 고온 주변 조건에 있어서도 통상적인 주변 냉각기 출구 온도보다 훨씬 높은 임계 온도를 가지며, 따라서 준임계 운전을 갖는다. 이산화탄소와 에탄은 약 31℃의 임계 온도를 가진다. 에틸렌은 약 10℃의 임계 온도를 갖는다. 주변 온도에 따라, 이산화탄소, 에탄 및 에틸렌은 전형적으로 고온 및 평균 주변 조건에 대해 초임계 운전을 수행할 것이므로 낮은 공정 효율을 가질 것이다. 이것은 초임계 운전의 유의한 단점이다.
초임계 운전의 또 다른 문제점은 주변 온도 변동을 갖는 냉매 재고 관리이다. 초임계 운전의 경우, 방열 단계 B-E가 임계점 이상에서 발생하고, 응축 현상이 없다. 냉매가 냉각되면서 온도가 지속적으로 낮아지고, 그의 밀도가 증가한다. E에서의 냉매는 액체와 같은 밀도를 갖지만 액체는 아니다. 따라서, 재고 관리 절차는 기상 냉매 재고 관리 방법과 유사한 방식으로, 압력에 기반한 것이 바람직하다. 주변 온도가 낮아지면 주변 냉각기 출구 온도가 이제 임계 온도보다 낮아지고, 운전은 준임계 상태로 스위칭된다. 냉매는 E에서 완전히 응축되고 과냉된다. 그러므로, 재고 관리 절차는 액체 수준 조절을 사용하여, 액체 냉매에 대한 절차에 기반을 두는 것이 바람직하다. 즉, 운전이 주변 온도 변동에 의해 초임계로부터 준임계로 스위칭됨에 따라 재고 관리 방법이 변경되어야 할 수도 있다. 이것은 초임계 냉매와 관련된 운전상의 어려움이다.
예를 들어, 이산화탄소는 가연성이 아니며, 부동 LNG(FLNG) 응용 분야에서 이점을 갖는다. 고밀도이기 때문에 낮은 배관 크기뿐 아니라 냉매의 낮은 체적 유동률을 가능하게 한다. 그러나, 초임계 운전에 대해 본원에 언급된 문제로 인해, 천연 가스 액화 적용에 대해서는 선호되지 않았다.
따라서, 초임계 운전과 관련된 문제를 해결하고, LNG 서비스를 위한 초임계 냉매의 사용을 가능하게 하는 효율적인 방법 및 시스템에 대한 충족되지 않은 요구가 있다.
발명의 요약
본 요약은 이하의 상세한 설명에서 더 설명되는 단순화된 형태의 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구된 주제의 주요 특징이나 필수적인 특징을 식별하기 위한 것이 아니며, 청구된 주제의 범주를 제한하는데 사용되지도 않는다.
후술하는 바와 같이 청구범위에 정의된 바와 같은 일부 구현예는 LNG 액화 공정의 일부로서 사용되는 냉각 및 액화 시스템의 개선을 포함한다. 일부 구현예는 하이브리드 냉각 공정을 사용함으로써 당 분야의 필요성을 만족시키므로, LNG 서비스를 위한 다른 초임계 냉매의 사용을 가능하게 한다.
또한, 시스템 및 방법의 여러 특정 양태가 아래에 개략적으로 설명된다.
양태 1: 임계 온도를 갖는 제1 냉매에 대해 탄화수소 공급물 스트림을 냉각시켜, 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하는 방법으로서, 상기 방법은:
(a) 적어도 하나의 압축 단계에서 제1 냉매를 압축하여, 압축된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
(b) 상기 압축된 제1 냉매를 적어도 하나의 열 교환기에서 주변 유체에 대해 냉각시켜서, 제1 냉매의 임계 온도 이상인 제1 온도를 갖는 냉각된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
(c) 상기 냉각된 제1 냉매의 적어도 제1 부분에 대해 적어도 하나의 절약형 열교환기(economizer heat exchanger)에서 상기 냉각된 제1 냉매를 추가 냉각시켜서, 제2 온도의 추가 냉각된 제1 냉매 및 가온된 제1 냉매를 생성시키는 단계로서, 상기 제2 온도가 제1 냉매의 임계 온도 미만인 단계; 및
(d) 상기 절약형 장치(economizer)로부터의 유체 연통(flow communication)하는 하류에 위치되는 적어도 하나의 냉각 회로의 각각에서 유체 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 적어도 하나의 냉각 회로 각각은 적어도 하나의 증발 단계를 가지며, 각각의 하기 후속 단계들이 각각의 증발 단계에서 수행되는 단계:
(i) 제1 냉매의 압력을 감소시키는 단계;
(ii) 증발기에서 감압된 제1 냉매에 대해 유체 스트림을 냉각시켜, 감압된 제1 냉매의 적어도 일부를 증발시키는 단계; 및
(iii) 증발된 감압 제1 냉매의 적어도 일부를 적어도 하나의 압축 단계들 중 하나에 유입시키는 단계;
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 냉각 회로에서 냉각되는 적어도 하나의 유체 스트림은 상기 탄화수소 공급물 스트림을 포함하고, 상기 단계 (d)는 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하는, 방법.
양태 2: 제1항에 있어서,
(e) 제2 냉매 스트림에 대해 적어도 하나의 액화 열 교환기에서 상기 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각 및 액화시켜, 액화 천연 가스 스트림을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 3: 양태 2의 방법에 있어서, 적어도 하나의 냉각 회로에서 냉각되는 적어도 하나의 유체 스트림이 제2 냉매를 포함하는, 방법.
양태 4: 양태 1 내지 3 중 어느 하나의 방법에 있어서, 상기 제1 냉매는 에탄, 이산화탄소 또는 에틸렌을 포함하는, 방법.
양태 5: 양태 1 내지 4 중 어느 하나의 방법에 있어서, 단계 (a)가
(a) 복수의 압축 단계에서 제1 냉매를 압축하여, 압축된 제1 냉매를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 6: 양태 1 내지 5 중 어느 하나의 방법에 있어서, 단계 (d)가 상기 절약형 장치의 하류로부터 위치된 복수의 증발 단계에서 적어도 하나의 유체 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 단계 (d)(i) 내지 단계 (d)(ⅲ)은 복수의 증발 단계 각각에서 수행되는, 방법.
양태 7: 양태 1 내지 6 중 어느 하나의 방법에 있어서,
(f) 단계 (d)(iii)을 수행하기 전에, 상기 적어도 하나의 증발 단계 중 하나에서 상기 가온된 제1 냉매의 증기 상 부분을 상기 증발된 감압 제1 냉매와 조합시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 8: 양태 7에 있어서,
(g) 가온된 제1 냉매를 기상 부분과 액상 부분으로 분리하고, 액상 부분을 사용하여 단계 (d)를 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 9: 탄화수소 공급물 스트림을 냉각하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
제1 냉매를 압축하도록 작동가능하게 구성된 적어도 하나의 압축 단계;
상기 적어도 하나의 압축 단계와 유체 연통하는 하류의 적어도 하나의 주변 열 교환기로서, 상기 적어도 하나의 주변 열교환기가 주위 유체에 대한 간접적인 열교환에 의해 상기 제1 냉매를 제1 온도로 냉각하도록 작동가능하게 구성되며, 상기 제1 온도가 상기 제1 냉매의 임계 온도 이상인, 적어도 하나의 주변 열 교환기;
상기 적어도 하나의 주변 열교환기와 유체 연통하는 하류의 적어도 하나의 절약형 장치로서, 상기 제1 냉매의 임계 온도보다 낮은 제2 온도로 상기 제1 냉매를 추가로 냉각하도록 작동가능하게 구성된, 절약형 장치;
상기 적어도 하나의 절약형 장치로부터 유체 연통하는 하류에 위치된 적어도 하나의 냉각 회로로서, 적어도 하나의 냉각 회로 각각은 적어도 하나의 증발 단계를 갖고, 각각의 상기 증발 단계는 증발기와 유체 연통하는 상류에 팽창 밸브를 포함하고, 상기 증발기는 제1 냉매에 대해 유체 스트림을 냉각시키고 증발된 제1 냉매 스트림 및 냉각된 유체 스트림을 생성하도록 작동가능하게 구성되며, 상기 증발 단계 각각은 적어도 하나의 압축 단계 중 하나와 유체 연통하는 증발된 제1 냉매 회로를 추가로 포함하는, 냉각 회로를 포함하며;
상기 적어도 하나의 냉각 회로 중 적어도 하나의 유체 스트림이 상기 탄화수소 공급물 스트림을 포함하는, 장치.
양태 10: 양태 9의 장치에 있어서, 제2 냉매 스트림에 대해 적어도 하나의 액화 열교환기에서 탄화수소 스트림을 추가로 냉각 및 액화하여, 액화 천연 가스 스트림을 생성시키도록 작동가능하게 구성된 액화 열 교환기를 추가로 포함하는, 장치.
양태 11: 양태 10의 장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉각 회로 중 적어도 하나의 유체 스트림이 제2 냉매를 포함하는, 장치.
양태 12: 양태 9 내지 11 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상기 제1 냉매는 에탄, 이산화탄소 또는 에틸렌을 포함하는, 장치.
양태 13: 양태 9 내지 12 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 압축 단계는 복수의 압축 단계를 포함하는, 장치.
양태 14: 양태 13의 장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 증발기 단계는 복수의 증발기 단계를 포함하는, 장치.
양태 15: 임계 온도를 갖는 제1 냉매에 대해 탄화수소 공급물 스트림을 냉각시켜, 냉각된 탄화수소 스트림을 생성시키는 방법으로서, 상기 방법은:
(a) 적어도 하나의 압축 단계에서 제1 냉매를 압축하여, 압축된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
(b) 압축된 제1 냉매를 적어도 하나의 열 교환기에서 주변 유체에 대해 냉각시켜, 제1 냉매의 임계 온도 이상인 제1 온도를 갖는 냉각된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
(c) 적어도 하나의 보조 열교환기에서 상기 냉각된 제1 냉매를 추가로 냉각시켜, 제1 냉매의 임계 온도보다 낮은 제2 온도에서 추가 냉각된 제1 냉매를 생성시키는 단계; 및
(d) 상기 보조 열교환기로부터의 유체 연통하는 하류에 위치되는 적어도 하나의 냉각 회로의 각각에서 유체 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 적어도 하나의 냉각 회로 각각이 적어도 하나의 증발 단계를 가지며, 각각의 하기 후속 단계들이 각각의 증발 단계에서 수행되는 단계:
(i) 제1 냉매의 압력을 감소시키는 단계;
(ii) 증발기에서 상기 감압된 제1 냉매에 대해 유체 스트림을 냉각시켜, 감압된 제1 냉매의 적어도 일부를 증발시키는 단계; 및
(iii) 증발된 감압 제1 냉매의 적어도 일부를 적어도 하나의 압축 단계들 중 하나에 유입시키는 단계;
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 냉각 회로에서 냉각되는 적어도 하나의 유체 스트림은 상기 탄화수소 공급물 스트림을 포함하고, 상기 단계 (d)는 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하고; 및
상기 적어도 하나의 보조 열교환기에 대한 냉동 부하가: (1) 탄화수소 공급물 스트림 및 (2) 증기 팽창 또는 증기 압축 사이클에 의해 냉각되는 제3 냉매의 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 보조 냉매에 의해 제공되는, 방법.
양태 16. 양태 15의 방법에 있어서,
(e) 제2 냉매 스트림에 대해 적어도 하나의 액화 열 교환기에서 상기 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각 및 액화시켜, 액화 천연 가스 스트림을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 17: 양태 16의 방법에 있어서, 적어도 하나의 냉각 회로에서 냉각되는 적어도 하나의 유체 스트림은 제2 냉매를 포함하는, 방법.
양태 18: 양태 17의 방법에 있어서, 상기 제2 냉매는 단계 (d)(ⅱ)에서 증기상이며, 상기 제3 냉매는 제2 냉매의 일부분인, 방법.
양태 19: 양태 15 내지 18 중 어느 하나의 방법에 있어서, 상기 제1 냉매가 에탄, 이산화탄소 또는 에틸렌을 포함하는, 방법.
양태 20: 양태 15 내지 19 중 어느 하나의 방법에 있어서, 단계 (a)는:
(a) 복수의 압축 단계에서 상기 제1 냉매를 압축하여, 압축된 제1 냉매를 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 21: 양태 20에 있어서, 단계 (d)는 보조 열교환기의 하류로부터 위치한 복수의 증발 단계에서 적어도 하나의 유체 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하며, 단계 (d)(i) 내지 단계 (d)(iii)이 복수의 증발 단계 각각에서 수행되는, 방법.
양태 22: 양태 15 내지 21 중 어느 하나의 방법에 있어서,
(e) 상기 단계 (d)(iii)을 수행하기 전에, 상기 적어도 하나의 증발 단계 중 하나에서 상기 가온된 제1 냉매의 증기상 부분을 상기 증발된 감압 제1 냉매와 조합시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 23: 양태 22의 방법에 있어서,
(f) 상기 가온된 제1 냉매를 기상 부분과 액상 부분으로 분리하고, 액상 부분을 사용하여 단계 (d)를 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
도 1a는 종래 기술에 따른 준임계 냉각 공정에 대한 압력 대 엔탈피(P-H) 다이어그램이며;
도 1b는 종래 기술에 따른 초임계 냉각 공정에 대한 압력 대 엔탈피(P-H) 다이어그램이며;
도 2는 종래 기술에 따른 예냉된 기상 팽창 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 3은 종래 기술에 따른 예냉된 MR 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 4는 종래 기술에 따른 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 5는 제1 구현예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 6은 제2 구현예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 7은 제3 구현예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 8은 제4 구현예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 9는 제3 및 제4 구현예에 따른 보조 냉매 시스템의 제1 구현예의 개략적인 흐름도이며;
도 10은 제3 및 제4 구현예에 따른 보조 냉매 시스템의 제2 구현예의 개략적인 흐름도이며;
도 11은 제3 및 제4 구현예에 따른 보조 냉매 시스템의 제3 구현예의 개략적인 흐름도이며;
도 12a는 등장성 팽창을 갖는 초임계 냉각 공정에 대한 압력 대 엔탈피(P-H) 다이어그램이며; 및
도 12b는 제5 구현예에 따른 냉각 시스템의 개략적인 흐름도이다.
본 발명의 상세한 설명은 단지 바람직한 예시적인 구현예를 제공하고, 범주, 적용 또는 구성을 제한하고자 하는 것은 아니다. 오히려, 바람직한 예시적인 구현예들의 후속하는 상세한 설명은 당업자에게 바람직한 구현예를 구현하기 위한 가능한 설명을 제공할 것이다. 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 요소의 기능 및 배열에 다양한 변경들이 가해질 수 있다.
도면들과 관련하여 명세서에 도입된 참조 번호는 다른 특징들에 대한 문맥을 제공하기 위해 명세서에서 추가적인 설명없이 하나 이상의 후속하는 도면들에서 반복될 수 있다.
청구범위에서, 청구된 단계 (예를 들어, (a), (b) 및 (c))를 식별하기 위해 문자가 사용된다. 이 문자는 방법 단계를 지칭하는데 도움이 되며, 청구된 단계가 수행되는 순서를 나타내려는 의도는 아니지만, 상기 순서가 청구범위에 구체적으로 언급된 경우에만 해당된다.
개시된 구현예의 부분(예를 들어, 상부, 하부, 좌측, 우측 등)을 설명하기 위해 명세서 및 청구범위에서 방향성 용어가 사용될 수 있다. 상기 방향성 용어는 단지 예시적인 구현예를 설명하는데 도움을 주기 위한 것이며, 청구범위의 범주를 제한하려는 것이 아니다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "상류"는 기준 지점으로부터 도관 내의 유체의 유동 방향과 반대 방향을 의미하는 것으로 의도된다. 유사하게, "하류"라는 용어는 기준 지점으로부터 도관 내의 유체의 유동 방향과 동일한 방향을 의미하는 것으로 의도된다.
본 명세서에서 달리 언급하지 않는 한, 명세서, 도면 및 청구범위에서 확인된 임의의 및 모든 백분율은 중량 백분율 기준으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 달리 언급하지 않는 한, 명세서, 도면 및 청구범위에서 확인된 임의의 및 모든 압력은 게이지 압력을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "유체 연통"은 액체, 증기 및/또는 2-상 혼합물이 통제된 방식으로 (즉, 누설없이) 직접 또는 간접적으로 구성요소들 사이에서 수송될 수 있도록 하는 둘 이상의 구성요소들 사이의 연결성 성질을 지칭한다. 2개 이상의 구성요소들이 서로 유체 연통하도록 결합시키는 것은 용접, 플랜지 도관, 개스킷 및 볼트의 사용과 같은 당 분야에 공지된 임의의 적합한 방법을 포함할 수 있다. 2개 이상의 구성요소는 또한 이들을 분리할 수 있는 시스템의 다른 구성요소, 예컨대 밸브, 게이트 또는 유체 흐름을 선택적으로 제한하거나 지시할 수 있는 다른 장치를 통해 함께 결합될 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "도관"은 시스템의 둘 이상의 구성요소 사이에서 유체가 이송될 수 있는 하나 이상의 구조를 지칭한다. 예를 들어, 도관은 액체, 증기 및/또는 가스를 수송하는 파이프, 덕트, 통로 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어 "천연 가스"는 주로 메탄으로 이루어진 탄화수소 가스 혼합물을 의미한다.
명세서 및 특허 청구범위에서 사용되는 용어 "탄화수소 가스" 또는 "탄화수소 유체"는 하나 이상의 탄화수소를 포함하고, 탄화수소가 상기 가스/유체의 전체 조성의 적어도 80%, 및 보다 바람직하게는 적어도 90%를 포함하는 가스/유체를 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어 "혼합 냉매"("MR"로 약칭함)는 적어도 2개의 탄화수소를 포함하고, 탄화수소가 냉매의 전체 조성의 적어도 80%를 포함하는 유체를 의미한다.
"번들" 및 "튜브 번들"이라는 용어는 본 출원 내에서 상호교환하여 사용되며, 동의어로 간주된다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어 "주변 유체"는 주위 압력 및 온도 또는 그 근처에서 시스템에 제공되는 유체를 의미한다.
용어 "압축 회로"는 서로 유체 연통되고 제1 압축기 또는 압축기 단계의 상류에서 시작하여 마지막 압축기 또는 압축기 단계의 하류에서 끝나는, 직렬로 배열된(이하, "직렬 유체 연통") 구성요소 및 도관을 지칭하기 위해 본원에서 사용된다. 용어 "압축 순서"는 관련 압축 회로를 포함하는 구성요소 및 도관에 의해 수행되는 단계를 지칭한다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, "고-고(high-high)", "고", "중간", "저" 및 "저-저(low-low)"라는 용어는 이 용어들이 사용되는 요소들의 성질에 대한 상대값을 표현하기 위한 것이다. 예를 들어, 고-고압 스트림은 본원에 기술되거나 청구된 상응하는 고압 스트림 또는 중간 압력 스트림 또는 저압 스트림보다 높은 압력을 갖는 스트림을 나타내기 위한 것이다. 유사하게, 고압 스트림은 명세서 또는 청구범위에 기술된 대응하는 중간 압력 스트림 또는 저압 스트림보다 더 높은 압력을 갖지만 본원에 기술되거나 청구된 상응하는 고-고압 스트림보다 낮은 압력을 갖는 스트림을 나타내기 위한 것이다. 유사하게, 중간 압력 스트림은 명세서 또는 청구범위에 기술된 대응하는 저압 스트림보다 더 높은 압력을 갖지만 본원에 기술되거나 청구된 상응하는 고압 스트림보다 낮은 압력을 갖는 스트림을 나타내기 위한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "한제(cryogen)" 또는 "극저온 유체(cryogenic fluid)"는 섭씨 -70도(℃) 미만의 온도를 갖는 액체, 기체 또는 혼합상 유체를 의미한다. 한제의 예는 액체 질소(LIN), 액화 천연 가스(LNG), 액체 헬륨, 액체 이산화탄소 및 가압된 혼합상 한제(예를 들어, LIN과 기체 질소의 혼합물)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "극저온"은 -70℃ 이하의 온도를 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "압축기"는 케이싱 내에 수용되고 유체 스트림의 압력을 증가시키는 적어도 하나의 압축기 단계를 갖는 장치를 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 유체의 "임계점"이라는 용어는 포화된 액체와 포화 증기 라인이 만나는 유체의 P-H 다이어그램상의 지점이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "준임계"라는 용어는 냉매의 임계점 이하에서 발생하는 공정을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 "초임계"라는 용어는 냉매의 임계점 이하에서 발생하는 하나 이상의 단계 및 냉매의 임계점 이상에서 발생하는 하나 이상의 단계를 포함하는 공정을 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "등온선"은 일정한 온도 라인을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "증기 압축 사이클"은 냉매가 냉동 사이클동안 상 변화를 겪는 냉동 사이클을 지칭한다. 예를 들어, 증기 냉매는 압축되고, 냉각되고, 적어도 부분적으로 응축된 다음, 압력이 감소되고, 적어도 부분적으로 증발되어, 냉동 부하를 제공한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "증기 팽창 사이클"은 냉매가 증기 상이고, 사이클동안 상 변화를 겪지 않는 냉동 사이클을 지칭한다. 예를 들어, 증기 냉매는 압축되고, 상 변화없이 냉각된 다음, 압력이 감소되고, 가온되어 냉매 부하를 제공한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "폐쇄 루프 증기 압축 사이클"은 정상-상태 운전동안 사이클 중에 냉매가 첨가되거나 제거되지 않는 증기 압축 사이클(누출 및 냉매 메이크-업의 예외가 있을 수 있음)을 의미한다. 본 명세서에 개시된 모든 구현예에서, 예냉 냉동 사이클은 폐쇄 루프 증기 압축 사이클이다.
본 명세서에서 사용되는 "절약형 장치"라는 용어는 상이한 온도에서 유체 스트림과 유체 스트림의 적어도 일부 사이에 간접적인 열교환을 제공하도록 작동가능하게 구성된 열 교환기를 의미한다.
표 1은 설명된 구현예를 이해할 수 있도록 하기 위해 명세서 및 도면 전체에 걸쳐 사용된 두문자어의 리스트를 정의한다.
SMR 단일 혼합 냉매 MCHE 주요 저온 열교환기
DMR 이중 혼합 냉매 MR 혼합 냉매
C3MR 프로판-예냉 혼합 냉매 MRL 혼합 냉매액
LNG 액체 천연 가스 MRV 혼합 냉매 증기
LLP 저-저압 HHP 고-고압
LP 저압 MP 중간 압력
HP 고압 MTPA 연간 백만 미터 톤
HFC 하이드로플루오로카본 LIN 액체 질소
CO2 이산화탄소 NiBr 브롬화 리튬
설명된 구현예는 탄화수소 유체의 액화를 위한 효율적인 공정을 제공하며, 특히 천연 가스의 액화에 적용가능하다.
도 2를 참조하면, 종래 기술의 전형적인 예냉된-기상 팽창 공정이 도시되어있다. 이러한 배열에서, 예냉 부하는 2상 냉매를 사용하여 비등열 전달에 의해 제공되고, 액화 및 과냉 부하는 기상 냉매를 사용하여 현열 전달에 의해 제공된다. 가스 냉매의 일부 예는 질소, 메탄 및 이들의 조합을 포함한다.
바람직하게는 천연 가스인 공급물 스트림(200)은 물, CO2 및 H2S와 같은 산성 가스, 및 수은과 같은 다른 오염물을 제거하기 위해 전처리 섹션(290)에서 공지의 방법으로 세정 및 건조되어, 전-처리된 공급물 스트림(201)을 얻는다. 전-처리된 공급물 스트림(201)은 본질적으로 물을 함유하지 않으며, 예냉 시스템(218)에서 예냉되어 예냉된 천연 가스 스트림(205)을 생성하고, 메인 극저온 열교환기(MCHE)(208)(메인 열 교환기로도 지칭됨)에서 추가로 냉각, 액화 및/또는 과냉되어, LNG 스트림(206)을 생성한다. LNG 스트림(206)은 밸브 또는 터빈(미도시)을 통해 통과시킴으로써, 압력을 감소시키고, 그후 LNG 저장 탱크(209)로 보내진다. 탱크 내에서 압력 강하 및/또는 연료증발(boil-off)동안 생성된 임의의 플래시 증기는 스트림(207)으로 표시되며, 이는 플랜트에서 연료로서 사용되거나, 공급물로 재순환되거나, 배출(vent)될 수 있다.
용어 "본질적으로 물이 함유되지 않은"은 전처리된 공급물 스트림(201) 내의 임의의 잔류수가 하류의 냉각 및 액화 공정에서의 물의 동결과 관련된 작동상의 문제를 방지하기에 충분히 낮은 농도로 존재한다는 것을 의미한다. 본원에 기술된 구현예에서, 물 농도는 바람직하게는 1.0ppm 이하, 보다 바람직하게는 0.1ppm 내지 0.5ppm이다.
전처리된 공급물 스트림(201)은 바람직하게는 10℃ 이하, 보다 바람직하게는 약 0℃ 이하, 가장 바람직하게는 약 -30℃ 이하의 온도로 예냉된다. 예냉된 천연 가스 스트림(205)은 바람직하게는 약 -150℃ 내지 약 -70℃, 보다 바람직하게는 약 -145℃ 내지 약 -100℃의 온도로 액화되고, 이어서 바람직하게는 약 -170℃ 내지 약 -120℃, 보다 바람직하게는 약 -170℃ 내지 약 -140℃의 온도에서 과냉된다. MCHE(208)는 임의의 열 교환기, 예컨대 하나 이상의 번들을 갖는 코일 권취 열 교환기, 플레이트 및 핀 열교환기, 코어-인-케틀(core-in-kettle) 열교환기, 쉘 및 튜브 열교환기 및, 천연 가스의 과냉각 액화에 적합한 임의의 다른 유형의 열교환기일 수 있다. 또한, 일련의 평행의 하나 이상의 열 교환기가 사용될 수 있다. 경우에 따라 절약형 열교환기를 사용할 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 냉각된 예냉 냉매(210)는 적어도 전-처리된 공급물 스트림(201)에 대해 가온되어 가온된 저압 예냉 냉매(214)를 생성한다. 가온된 저압 예냉 냉매(214)는, 4개의 압축기 단계 (216A, 216B, 216C, 216D)를 포함할 수 있는 하나 이상의 예냉 냉매 압축기(들)(216)에서 압축된다. 중간 압력 레벨의 3개의 측면 스트림(211, 212, 및 213)은 각각 예냉 냉매 압축기(216)의 최종(216D)의, 제3(216C)의, 및 제2(216B)의 단계의 흡입시에 예냉 냉매 압축기(216)로 들어간다. 압축된 예냉 냉매(215)는 예냉 냉매 압축기(217)로 도시된, 과열저감기, 응축기 및/또는 과냉기 열교환기와 같은 하나 이상의 열교환기에서 냉각되어, 필요한 예냉 부하를 제공하는 냉각된 예냉 냉매(210)를 생성한다.
예냉 냉매 응축기(217)는 바람직하게는 공기 또는 물과 같은 주위 유체에 대해 열을 교환한다. 또한, 도 2는 예냉 냉매 압축의 4개의 단계를 도시하지만, 임의의 수의 압축기 단계가 사용될 수 있다. 다수의 압축기 단계가 기술되거나 청구될 때, 상기 다수의 압축기 단계는 단일 다중-단계 압축기, 다중 압축기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 압축기는 단일 케이싱 또는 다중 케이싱에 있을 수 있다. 예냉 냉매를 압축하는 공정은 일반적으로 본 명세서에서 예냉 압축 시퀀스로 지칭되며, 도 4에 상세히 기술된다. 예냉 냉매의 예로는 프로판, MR, 이산화탄소, HFC, 에탄, 에틸렌 등이 있다.
가온된 액화 냉매(230)는 MCHE(208)로부터 회수되고, 고압(HP) 압축기(257)에서 압축되어 압축된 액화 냉매(238)를 생성한다. 하나 이상의 냉매 압축기, 압축 단계가 선택적 인터-냉각과 함께 사용될 수 있다. 압축된 액화 냉매(238)는 고압의 애프터쿨러(258)에서 주변 공기 또는 물에 대해 냉각되어 기상의 냉각된 액화 냉매(239)를 생성한다. 하나 이상의 열 교환기가 사용될 수 있다. 고압 애프터쿨러(258)는 플레이트 및 핀 또는 쉘 및 튜브 열교환기와 같은 임의의 유형일 수 있다. 냉각된 액화 냉매(239)는 예냉 시스템(218)에서 예냉 냉매에 대해 예냉되어, 예냉된 액화 냉매(240)를 생성한다. 예냉된 액화 냉매(240)는 하나 이상의 기상 팽창기(248)에서 팽창되어, 팽창된 기상 냉매(249)를 생성하며, 이는 MCHE(208)로 보내져서, 필요한 액화 및 과냉 부하를 제공할 수 있다.
도 2의 액화 및 과냉 시스템은 질소, 메탄 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 개방 또는 폐쇄 루프 시스템에서 공정의 공급 가스 또는 플래시 가스를 사용할 수 있다. 독립적인 기상 냉매 시스템을 사용하여 직렬 또는 병렬로 하나 이상의 냉각 시스템을 포함할 수도 있다. 또한, 하나 이상의 기상 팽창기, 압축기-팽창기 조립체(압신기), 절약형 열교환기 및 다른 변형체를 채용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 종래 기술의 전형적인 예냉된-MR 공정이 도시되어있다. 바람직하게는 천연 가스인 공급물 스트림(300)은 물, CO2 및 H2S와 같은 산성 가스, 및 수은과 같은 다른 오염물을 제거하기 위해 전처리 섹션(390)에서 공지된 방법으로 세정 및 건조되어 전처리된 공급물 스트림(301)을 얻는다. 본질적으로 물이 없는 전처리된 공급물 스트림(301)은 예냉 시스템(318)에서 예냉되어, 예냉된 천연 가스 스트림(305)을 생성하고, 메인 극저온 열교환기(MCHE)(308)(메인 열 교환기로도 지칭됨)에서 추가로 냉각, 액화 및/또는 과냉되어, LNG 스트림(306)을 생성한다. LNG 스트림(306)은 바람직하게는 밸브 또는 터빈(미도시)을 통해 통과시킴으로써 압력이 낮아지고, 그 후 LNG 저장 탱크(309)로 보내진다. 탱크 내의 압력 강하 및/또는 증발동안 생성된 임의의 플래시 증기는 스트림(307)에 의해 표시되며, 이는 플랜트에서 연료로서 사용되거나, 공급물로 재순환되거나 배출될 수 있다.
전-처리된 공급물 스트림(301)은 바람직하게는 10℃ 이하, 보다 바람직하게는 약 0℃ 이하, 및 가장 바람직하게는 약 -30℃ 이하의 온도로 예냉된다. 예냉된 천연 가스 스트림(305)은 바람직하게는 약 -150℃ 내지 약 -70℃, 보다 바람직하게는 약 -145℃ 내지 약 -100℃의 온도로 액화되고, 이어서 바람직하게는 약 -170℃ 내지 약 -120℃, 보다 바람직하게는 약 -170℃ 내지 약 -140℃의 온도로 과냉된다. 도 3에 도시된 MCHE(308)는 3개의 번들을 가진 코일 권취된 열 교환기이다. 그러나, 임의의 개수의 번들 및 임의의 교환기 유형(들)이 이용될 수 있다.
용어 "본질적으로 물을 함유하지 않은"은 전처리된 공급물 스트림(301) 내의 임의의 잔류수가 하류의 냉각 및 액화 공정에서의 물 결빙과 관련된 작동상의 문제를 방지하기에 충분히 낮은 농도로 존재한다는 것을 의미한다. 본 명세서에 기술된 구현예에서, 물 농도는 바람직하게는 1.0ppm 이하, 및 보다 바람직하게는 0.1ppm 내지 0.5ppm이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 냉각된 예냉 냉매(310)는 적어도 전-처리된 공급물 스트림(301)에 대해 가온되어, 가온된 저압 예냉 냉매(314)를 생성한다. 가온된 저압 예냉 냉매(314)는 4개의 압축기 단계 (316A, 316B, 316C, 316D)를 포함할 수 있는 하나 이상의 예냉 냉매 압축기(들)(316)에서 압축된다. 중간 압력 레벨의 3개의 사이드 스트림(311, 312, 및 313)은 각각 예냉 냉매 압축기(316)의 최종(316D), 제3(316C) 및 제2(316B) 단계의 흡입시에 예냉 냉매 압축기(316)에 들어간다. 압축된 예냉 냉매(315)는 예냉 냉매 압축기(317)와 함께 도 3에 도시된 하나 이상의 열 교환기에서 냉각되어, 요구된 냉각 부하를 제공하는 냉각된 예냉 냉매(310)를 생성한다.
예냉 냉매 액체는 증발하여 가온된 저압 예냉 냉매(314)를 생성한다. 예냉 냉매 응축기(317)는 공기 또는 물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 주변 유체에 대해 열을 교환하는 것이 바람직하다. 이 도면은 예냉 냉매 압축의 4개의 단계를 나타내지만, 임의의 수의 압축기 단계들이 사용될 수 있다. 다수의 압축기 단계가 기술되거나 청구될 때, 상기 다수의 압축기 단계는 단일 다중-단계 압축기, 다중 압축기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 압축기는 단일 케이싱 또는 다중 케이싱에 있을 수 있다. 예냉 냉매를 압축하는 공정은 일반적으로 본 명세서에서 예냉 압축 시퀀스로 지칭되며, 도 4에 상세히 설명된다.
가온된 액화 냉매(330)는 MCHE(308)로부터 배출되고, 코일 권취된 열교환기의 경우에는 MCHE(308)의 쉘 측의 바닥으로부터 배출된다. 가온된 액화 냉매(330)는 저압 흡입 드럼(350)을 통해 보내져서 임의의 액체를 분리시키며, 증기 스트림(331)은 저압(LP) 압축기(351)에서 압축되어 중간 압력 MR 스트림(332)을 생성한다. 가온된 액화 냉매(330)는 바람직하게는 예냉 냉매 예냉 온도 또는 그 부근의 온도, 보다 바람직하게는 약 -30℃의 온도 및 10 bar(145 psia) 미만의 압력에서 에서 배출된다. 중간 압력 MR 스트림(332)은 저압 애프터쿨러(352)에서 냉각되어 냉각된 매질 압력 MR 스트림(333)을 생성하는데, 여기서 중간 압력의 흡입 드럼(353)에서 임의의 액체가 배수되어 중간 압력 증기 스트림(334)이 생성되어, 중간 압력(MP) 압축기(354)에서 추가로 압축된다. 수득된 고압 MR 스트림(335)은 중간 압력 애프터쿨러(355)에서 냉각되어, 냉각된 고압 MR 스트림(336)을 생성한다. 상기 냉각된 고압 MR 스트림(336)은 고압 흡입 드럼(356)으로 보내져서, 그곳에서 임의의 액체가 배수된다. 생성된 고압 증기 스트림(337)은 고압(HP) 압축기(357)에서 추가로 압축되어, 고압 애프터쿨러(358)에서 냉각되는 압축된 액화 냉매(338)를 생성하여, 냉각된 고-고압(HHP) MR 스트림(339)을 생성한다. 그 다음, 상기 냉각된 HHP MR 스트림(339)은 예냉 시스템(318)에서 증발하는 예냉 냉매에 대해 냉각되어, 예냉된 액화 냉매(340)를 생성한 다음 증기-액체 분리기(359)로 보내져서 그로부터 MRL 스트림(341) 및 MRV 스트림(343)이 얻어지고, MCHE(308)로 되돌아가서 추가로 냉각된다. 상 분리기를 떠나는 액체 스트림은 당 분야에서 MRL로 지칭되며, 상 분리기를 떠나는 증기 스트림은 이후에 액화된 후에도 당 분야에서 MRV로 지칭된다. MR이 MCHE(308)의 바닥으로부터 회수된 후 MR을 압축 및 냉각시킨 다음 다중 스트림으로서 MCHE(308)의 튜브 측으로 복귀시키는 프로세스는 일반적으로 본 명세서에서 MR 압축 시퀀스로 지칭된다.
MRL 스트림(341)과 MRV 스트림(343), 둘 모두는 MCHE(308)의 2개의 개별 회로에서 냉각된다. MRL 스트림(341)은 MCHE(308)의 처음 두 번들에서 냉각되어, 압력이 낮아진 차가운 스트림이 얻어져서, MCHE(308)의 쉘 측으로 되돌려 보내어 MCHE의 처음 2개의 번들에 필요한 냉동을 제공한다. MRV 스트림(343)은 MCHE(308)의 제1, 제2 및 제3 번들에서 냉각되고, 차가운 고압 강하 밸브를 통해 감압되고, 차가운 MRV 스트림(344)으로서 MCHE(308)에 도입되어, 과냉, 액화 및 냉각 단계에서 냉동을 제공한다. MCHE(308)는 코일 권취식 열교환기, 플레이트 및 핀 열교환기 또는 쉘 및 튜브 열교환기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 천연 가스 액화에 적합한 임의의 교환기일 수 있다. 코일 권취식 열교환기는 천연 가스 액화를 위한 최신식 교환기이며, 공정 및 가온된 냉매를 유동시키기 위한 다수의 나선형 감겨진 튜브 및 차가운 냉매를 유동시키기 위한 쉘 공간을 포함하는 적어도 하나의 튜브 번들을 포함한다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 예냉 시스템(418) 및 예냉 압축 시퀀스의 예시적인 배열을 도시한다. 하기 배열은 4개의 압력 레벨 예냉 시스템을 보여주지만, 임의의 수의 압력 레벨이 이용될 수 있다. 전처리된 공급물 스트림(401)은 HP 공급물 증발기(481)에서 간접 열교환에 의해 냉각되어, 제1 중간 공급물 스트림(402)을 생성하고, 이어서 MP 공급물 증발기(482)에서 냉각되어, 제2 중간 공급물 스트림(403)을 생성하고, 그후 LP 공급물 증발기(483)을 통과하여 제3 중간 공급물 스트림(404)을 생성하고, 마지막으로 저-저압(LLP) 공급물 증발기(484)를 통과하여 예냉된 천연 가스 스트림(405)을 생성한다.
각각의 압력 레벨은 또한 본원에서는 증발 단계로 지칭된다. 예로서 전처리된 공급물 스트림(401)을 위한 냉각 회로의 최고 압력 증발 단계를 사용하여, 각각의 증발 단계는 압력 강하 밸브(473), 증발기(481), 증발된 예냉 냉매를 위한 출구 도관(421) 및 분리기(492)(이는 다른 냉각 회로에서 대응하는 증발기(485)와 공유될 수 있음)를 포함한다. 압력 강하 밸브(473)는 예냉 냉매(420)가 흐르는 도관 상에 증발기(481)로부터 상류에 위치한다. 각각의 증발 단계는 예냉 냉매에 대한 압력 감소, 예냉 냉매 및 냉각되는 스트림 사이의 열 전달, 및 예냉 냉매의 증발된 부분이 압축기(416)로 흐르고, 및 (모두 마지막 증발 단계에서) 예냉 냉매의 액체 부분이 다음 증발 단계로 흐르도록 하는 도관을 제공한다. 각각의 냉각 회로는 예냉 냉매, 본 구현예에서는 전처리된 공급물 스트림(401) 및 냉각된 액화 냉매 스트림(439)에 의해 냉각되는 각각의 유체 스트림에 대해 냉각을 제공하는 모든 증발 단계를 포함한다. 예를 들어, 공급물 증발기와 관련된 4개의 증발 단계들(481-484)은 공급물 냉각 회로를 형성한다.
냉각된 액화 냉매 스트림(439)은 HP 액화 냉매 증발기(485)에서의 간접 열 교환에 의해 추가로 냉각되어, 제1 중간 액화 냉매(445)를 생성하고, 이는 MP 액화 냉매 증발기(486)에서 냉각되어, 제2 중간 액화 냉매(446)를 생성하고, LP 액화 냉매 증발기(487)에 의해 제3 중간 액화 냉매(447)를 생성하고, 및 마지막으로 LLP 액화 냉매 증발기(488)에 의해 예냉된 액화 냉매(440)를 생성한다. 액화 냉매 증발기와 관련된 4개의 증발 단계들(485-488)은 액화 냉매 회로를 형성한다.
예냉 냉매 압축기(416)에서 가온된 저압 예냉 냉매(414)가 압축되어, 압축된 예냉 냉매(415)가 생성된다. 예냉 냉매 압축기(416)는 LLP 압축 단계 (416A), LP 압축 단계 (416B), MP 압축 단계 (416C), 및 HP 압축 단계 (416D)를 갖는 4개의 단계 압축기로서 도시된다. LP 사이드 스트림(413), MP 사이드 스트림(412) 및 HP 사이드 스트림(411)은 중간 위치에서 예냉 냉매 압축기(416)로 도입된다.
압축된 예냉 냉매(415)는 예냉 냉매 응축기(417)에 의해 도시된, 하나 이상의 열교환기내에서 주위 공기 또는 물에 대한 간접 열교환에 의해 바람직하게 냉각되어, 냉각된 예냉 냉매(410)를 생성한다. 그후, 냉각된 예냉 냉매(410)는 바람직하게 두 부분들, 즉 전처리된 공급물 스트림(401)에 냉각 부하를 제공하는 제1 부분(419) 및 냉각된 액화 냉매 스트림(439)에 냉각 부하를 제공하는 제2 부분(461)으로 구분된다.
냉각된 예냉 냉매의 제1 부분(419)은 제1 압력 강하 밸브(473)에서 감압되어 제1 HP 예냉 냉매(420)를 생성할 수 있다. 제1 HP 예냉 냉매(420)의 액체 분획은 HP 공급물 증발기(481)에서 부분적으로 증발되어, 제1 HP 증기 예냉 냉매(421) 및 제1 HP 액체 예냉 냉매(422)를 생성한다. 상기 제1 HP 증기 예냉 냉매(421)는 HP 예냉 냉매 분리기(492)로 보내지고, 이어서 HP 사이드 스트림(411)의 일부로서 HP 압축 단계 (416D)의 흡입으로 보내진다.
제1 HP 액체 예냉 냉매(422)는 제2 압력 강하 밸브(474)에서 감압되어, 제1 MP 예냉 냉매(423)를 생성한다. 제1 MP 예냉 냉매(423)의 액체 분획은 MP 공급물 증발기(482)에서 부분적으로 증발되어, 제1 MP 증기 예냉 냉매(424) 및 제1 MP 액체 예냉 냉매(425)를 생성한다. 제1 MP 증기 예냉 냉매(424)는 MP 예냉 냉매 분리기(493)로 보내지며, 이어서 MP 사이드 스트림(412)의 일부로서 MP 압축 단계 (416C)의 흡입으로 보내진다.
제1 MP 액체 예냉 냉매(425)는 제3 압력 강하 밸브(475)에서 감압되어, 제1 LP 예냉 냉매(426)를 생성한다. 제1 LP 예냉 냉매(426)의 액체 분획은 LP 공급물 증발기(483)에서 부분적으로 증발되어, 제1 LP 증기 예냉 냉매(427) 및 제1 LP 액체 예냉 냉매(428)를 생성한다. 제1 LP 증기 예냉 냉매(427)는 LP 예냉 냉매 분리기(494)로 보내지고, 이어서 LP 사이드 스트림(413)의 일부로서 LP 압축 단계 (416B)의 흡입으로 보내진다.
제1 LP 액체 예냉 냉매(428)는 제4 압력 강하 밸브(476)에서 감압되어, 제1 LLP 예냉 냉매(429)를 생성한다. 제1 LLP 예냉 냉매(429)의 액체 분획은 LLP 공급 증발기(484)에서 완전히 증발되어, 제1 LLP 증기 예냉 냉매(460)를 생성한다. 본 문맥에서, "완전히 증발된"은 액체 분획의 95 중량% 이상이 증발됨을 의미한다. 제1 LLP 증기 예냉 냉매(460)는 LLP 예냉 냉매 분리기(495)로 보내지고, 이어서 가온된 저압 예냉 냉매(414)의 일부로서 LLP 압축 단계 (416A)의 흡입으로 보내진다.
상기 냉각된 예냉 냉매의 제2 부분(461)은 제5 압력 강하 밸브(477)에서 감압되어, 제2 HP 예냉 냉매(462)를 생성할 수 있다. 제2 HP 예냉 냉매(462)의 액체 분획은 HP 액화 냉매 증발기(485)에서 부분적으로 증발되어, 제2 HP 증기 예냉 냉매(463) 및 제2 HP 액체 예냉 냉매(464)를 생성한다. 제2 HP 증기 예냉 냉매(463)는 HP 예냉 냉매 분리기(492)로 보내지고, 이어서 HP 사이드 스트림(411)의 일부로서 HP 압축 단계 (416D)의 흡입으로 보내진다.
제2 HP 액체 예냉 냉매(464)는 제6 압력 강하 밸브(478)에서 감압되어, 제2 MP 예냉 냉매(465)를 생성한다. 제2 MP 예냉 냉매(465)의 액체 분획은 MP 액화 냉매 증발기(486)에서 부분적으로 증발되어, 제2 MP 증기 예냉 냉매(466) 및 제2 MP 액체 예냉 냉매(467)를 생성한다. 제2 MP 증기 예냉 냉매(466)는 MP 예냉 냉매 분리기(493)로 보내지고, 이어서 MP 사이드 스트림(412)의 일부로서 MP 압축 단계 (416C)의 흡입으로 보내진다.
제2 MP 액체 예냉 냉매(467)는 제7 압력 강하 밸브(479)에서 감압되어 제2 LP 예냉 냉매(468)를 생성한다. 제2 LP 예냉 냉매(468)의 액체 분획은 LP 액화 냉매 증발기(487)에서 부분적으로 증발되어, 제2 LP 증기 예냉 냉매(469) 및 제2 LP 액체 예냉 냉매(470)를 생성한다. 제2 LP 증기 예냉 냉매(469)는 LP 예냉 냉매 분리기(494)로 보내지고, 이어서 LP 사이드 스트림(413)의 일부로서 LP 압축 단계 (416B)의 흡입으로 보내진다.
제2 LP 액체 예냉 냉매(470)는 제8 압력 강하 밸브(480)에서 감압되어 제2 LLP 예냉 냉매(471)를 생성한다. 제2 LLP 예냉 냉매(471)의 액체 분획은 LLP 액화 냉매 증발기(488)에서 완전히 증발되어, 제2 LLP 증기 예냉 냉매(472)를 생성한다. 제2 LLP 증기 예냉 냉매(472)는 LLP 예냉 냉매 분리기(495)로 보내지고, 이어서 가온된 저압 예냉 냉매(414)의 일부로서 LP 압축 단계 (416A)의 흡입으로 보내진다.
바람직한 배열에서, 이산화탄소의 예냉 냉매를 사용하여, 가온된 저압 예냉 냉매(414)의 압력은 약 5 bara 내지 30 bara이고, 압축된 예냉 냉매(415)의 압력은 약 50 bara 및 120 bara이다.
대체 배열에서, 공급 및 액화 냉매는 예냉 냉매에 대해 동일한 열 교환기에서 냉각될 수 있다. 상기 배열에서, 냉각된 예냉 냉매(410)는 제1 및 제2 부분으로 구분되지 않고, 제2 냉각 회로를 위한 별도의 예냉 증발기가 필요하지 않다. 예냉 냉매의 일부 예는 프로판, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, 암모니아, 이산화탄소, MR, 하이드로플루오로카본, 예컨대 R-410A, R22 또는 임의의 다른 적합한 냉매를 포함한다.
냉각된 예냉 냉매(410)의 온도는 주변 온도 및 예냉 냉매 응축기(417)의 접근 온도에 따라 변한다. 전형적으로 고온의 주변 온도에 대해, 냉각된 예냉 냉매(410)의 온도는 약 30℃ 내지 약 60℃이다. 예냉 냉매의 임계 온도에 따라 예냉 공정은 준임계 또는 초임계 중 하나일 것이다. 냉각된 예냉 냉매(410)의 온도가 임계 온도보다 낮으면, 공정은 준임계가 될 것이다. 그러나, 냉각된 예냉 냉매(410)의 온도가 임계 온도 이상이면, 공정은 초임계가 될 것이며, 준임계 운전보다 낮은 공정 효율을 가질 것이다.
도 5는 제1 예시 구현예를 도시한다. 도 5를 참조하면, 압축된 예냉 냉매(515)는 예냉 냉매 응축기(517)로 도시된, 하나 이상의 열 교환기, 예컨대 과열저감기, 응축기 및/또는 과냉 열교환기에서 냉각되어, 필요한 예냉 부하를 제공하는 냉각된 예냉 냉매(510)를 생성한다. 냉각된 예냉 냉매(510)는 절약형 열교환기(525A)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(597)를 생성한다. 냉각된 예냉 냉매(510)의 온도는 본 명세서에서 과냉 열교환기 접근 온도로 지칭되는, 예냉 냉매 응축기(517)의 접근 온도와 주변 온도의 합이다. 과냉 열교환기 접근 온도는 바람직하게는 약 5 내지 40℃, 보다 바람직하게는 약 10 내지 30℃이다. 냉각된 예냉 냉매(510)는 바람직하게는 임계 온도보다 0℃ 초과 따뜻하고, 더욱 바람직하게는 임계 온도보다 10℃ 초과 따뜻하고, 가장 바람직하게는 임계 온도보다 20℃ 초과 따뜻한 온도이다. 절약형 열교환기가 없는 예냉 냉동 공정은 사실상 초임계이다. 추가 냉각된 예냉 냉매(597)의 온도는 임계 온도 이하이다. 비-제한적인 예로서, 추가 냉각된 예냉 냉매(597)는 바람직하게는 임계 온도보다 0℃ 초과 춥거나, 보다 바람직하게는 임계 온도보다 2℃ 초과 더 추울 수 있다.
추가 냉각된 예냉 냉매(597)는 냉각된 예냉 냉매(519)의 제1 부분과 냉각된 예냉 냉매(561)의 제2 부분으로 구분되며, 이는 전처리된 공급물 스트림(501) 및 냉각된 액화 냉매(539)로 냉각 부하를 제공하는데 사용된다. 바람직한 구현예에서, 추가 냉각된 예냉 냉매(597)는 바람직하게는 약 -20℃ 내지 약 25℃, 및 보다 바람직하게는 약 0℃ 내지 약 15℃의 온도이다.
냉각된 예냉 냉매의 제3 부분(519A)은 추가 냉각된 예냉 냉매(597)로부터 회수되고, 제9 압력 강하 밸브(573A)내 압력을 감소시켜 제3 고압 예냉 냉매(520A)를 생성하는데, 이는 절약형 열교환기(525A)에서의 냉각 부하를 제공하는데 사용된다. 제3 고압 예냉 냉매(520A)는 2상일 수 있으며, 절약형 열교환기(525A)에서 적어도 부분적으로 증발되고, 및 바람직하게는 완전히 증발되어, 제3 고압 증기 예냉 냉매(521A)를 생성한다. 제3 고압 증기 예냉 냉매(521A)는 HP 예냉 냉매 분리기(592)로 보내지고, 이어서 HP 사이드 스트림(511)의 일부로서 제4 예냉 압축 단계 (516D)의 흡입에 보내진다. 대체 구현예에서, 냉각된 예냉 냉매(510)가 임계 온도 이하이고 공정이 이미 준임계적인 경우, 절약형 열교환기(525A)는 평균 및 저온 주변 조건에서 바이패스될 수 있다.
제3 고압 예냉 냉매(520A)의 압력은 선택적으로 제1 HP 예냉 냉매(520)의 압력보다 높을 수 있다. 이 경우, 제3 고압 증기 예냉 냉매(521A)는 HP 예냉 냉매 분리기(592)에 도입하기 전에, 역압 밸브 또는 스로틀링 밸브(throttling valve)(미도시)내 압력을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 제3 고압 증기 예냉 냉매(521A)는 제4 예냉 압축 단계 (516D)의 흡입, 예컨대 제5 예냉 압축 단계 (516E)(미도시)의 흡입보다 높은 압력 위치에서 예냉 냉매 압축기(들)(516)로 도입될 수 있다.
냉각된 예냉 냉매의 제3 부분(519A)을 통해 절약형 열교환기(525A)에 대한 냉각 부하를 제공하는데 사용되는 유동량은 예냉 냉매의 조성에 의존할 것이다. 도 5에 도시된 구현예에서, 유동의 3-20%는 바람직하게는 제3 부분(519A)(보다 바람직하게는 5-15%)으로 향하고, 15-45%는 바람직하게는 제1 부분(519)으로 향하고, 45-85%는 바람직하게는 제2 부분(561)으로 향한다. 비례 밸브(미도시)와 같은 임의의 적합한 유동 조절 장치가 원하는 유동 스핏(flow spit)을 조절하는데 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 구현예의 이점은, 초임계 공정을 준임계 공정으로 변환한다는 점이다. 절약형 열교환기(525A)에서 상기 냉각된 예냉 냉매(510)를 추가로 냉각시킴으로써, 추가 냉각된 예냉 냉매(597)가 "효과적인" 과냉기 출구 온도가 된다. 따라서, 운전이 준임계 상태 또는 초임계 상태인지 여부를 결정하기 위해, 추가 냉각된 예냉 냉매(597)의 온도는 냉매의 임계 온도와 비교될 필요가 있다. 추가 냉각된 예냉 냉매(597)는 냉각된 예냉 냉매(510)보다 차갑기 때문에, 준임계 사이클의 가능성을 증가시킨다. 비-제한적인 예로서, CO2 및 에탄은 통상적인 평균 및 열 주변 조건에 대한 냉각된 예냉 냉매(510)의 온도보다 훨씬 낮은, 약 30℃의 임계 온도를 가진다. 선행 기술의 공정에 대해, 이것은 보다 높은 증기 분율로 인해 공정 효율이 현저하게 낮은 초임계 운전을 유도할 것이다. 초임계 운전을 위해, 제1 HP 예냉 냉매(420)의 증기 분율은 바람직하게는 약 0.1 내지 0.7이다. 또한, 종래 기술의 초임계 운전에 있어서, (주변에 대한) 방열 단계에서의 상 변화가 없으며; 주변 온도 변동으로 재고 관리가 복잡하며; 기저 부하(baseload) LNG 시설에 대한 참고 사항 부족 및 기타 운전상의 어려움이 있다. 그러나, 도 5에서 기술된 구현예를 사용하면, 30℃의 임계 온도는 고온의 주변 조건에 대해서조차도, 추가로 냉각된 예냉 냉매(597)보다 큰 것이 바람직하다. 비-제한적인 예로서, 도 5의 구현예를 사용하면, 추가 냉각된 예냉 냉매(597)는 고온 주변 온도에 대해 약 20℃의 온도일 수 있다. 결과적으로, 도 5의 방법은 본질적으로 준임계적이기 때문에 도 4의 종래 기술의 구현예보다 높은 공정 효율, 바람직하게는 초임계 선행 기술 공정보다 5% 내지 30% 더 높은 효율을 갖는다. 제1 HP 예냉 냉매(520)의 증기 분율은 바람직하게는 약 0 내지 0.5, 보다 바람직하게는 약 0 내지 0.3이다. 도 5의 구현예는 이전에 설명한 바와 같이 주변 온도 변동에 따른 재고 관리의 변화에 대한 문제점도 가지고 있지 않다.
이 구현예의 또 다른 이점은 더 차가운 유효 과냉기 출구로 인해 압축된 예냉 냉매(515)의 압력이 낮아질 수 있고, 이는 시스템상의 압축 부하를 감소시킨다. 바람직한 구현예에서, 압축된 예냉 냉매(515)의 압력은 약 20 bara 내지 80 bara이다. 또한, 낮은 압력은 예냉 냉매의 비열 비를 감소시킨다. 비열 비는 일정한 체적 비열 용량에 대한 일정한 압력 비열 용량의 비율이다. 비열 비가 감소함에 따라, 압축 후 냉매의 온도가 감소하며, 이는 이로써 손실된 작업량이 적어지고 따라서 공정 효율이 높아진다는 것을 의미한다.
도 6은 도 5의 제2 예시 구현예 및 변형예를 나타낸다. 추가 냉각된 예냉 냉매(697)는 냉각된 예냉 냉매(619)의 제1 부분과 냉각된 예냉 냉매(661)의 제2 부분으로 구분된다. 상기 냉각된 예냉 냉매(619)의 제1 부분은 제9 압력 강하 밸브(673A)내 압력을 감소시켜, 절약형 열 교환기(625A)에 냉각 부하를 제공하기 위해 사용되는 제3 고압 예냉 냉매(620A)를 생성한다. 제3 고압 예냉 냉매(620A)는 절약형 열교환기(625A)에서 부분적으로 증발되고 상분리되어, 제3 고압 증기 예냉 냉매(621A) 및 제3 고압 액체 예냉 냉매(622A)를 생성한다. 상분리 단계는 절약형 열 교환기(625A)내 또는 별도의 상 분리기(도시되지않음)에서 발생할 수 있다. 제3 고압 증기 예냉 냉매(621A)는 HP 예냉 냉매 분리기(692)로 보내지고, 이어서 HP 사이드 스트림(611)의 일부로서 제4 예냉 압축 단계 (616D)의 흡입으로 보내진다. 제3 고압 액체 예냉 냉매(622A)는 제1 압력 강하 장치(673)내 압력을 감소시켜, 전처리된 공급물 스트림(601)에 냉각 부하를 제공하기 위해 사용되는 제1 고압 예냉 냉매(620)를 생성하는 반면, 상기 냉각된 예냉 냉매(661)의 제2 부분은 냉각된 액화 냉매(639)에 냉각 부하를 제공하기 위해 사용된다.
제3 고압 예냉 냉매(620A)의 압력은 제1 HP 예냉 냉매(620)의 압력보다 높다. 따라서, 제3 고압 증기 예냉 냉매(621A)는 HP 예냉 냉매 분리기(692)에 도입하기 전에, 역압 밸브 또는 스로틀링 밸브(621B)내 압력을 감소시킬 필요가 있어, 감압된 제3 고압 증기 예냉 냉매(621C)를 생성한다. 대안적으로, 제3 고압 증기 예냉 냉매(621A)는 제5 예냉 압축 단계 (616E)(미도시)의 흡입에서와 같이, 제4 예냉 압축 단계 (616D)의 흡입보다 높은 압력 위치에서, 예냉 냉매 압축기(들)(616)에 도입될 수 있다.
다른 구현예에서, 절약형 열 교환기(625A)는 상기 냉각된 예냉 냉매(610)가 임계 온도 이하이고 공정이 이미 준임계적인 경우, 평균 및 저온 주변 조건동안 바이패스될 수 있다. 도 6은 도 5에 도시된 구현예의 모든 이점을 갖는다.
도 7은 제3 예시적 구현예를 도시한다. 도 7을 인용하면, 제1 기간동안, 냉각된 예냉 냉매(710)는 보조 냉매 시스템(796)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(797)를 생성한다. 상기 냉각된 예냉 냉매(710)의 온도는 주변 온도 + 주변 온도에 접근한 과냉기 열교환기 온도이다. 과냉기 열교환기 접근 온도는 바람직하게는 약 5 내지 40℃, 보다 바람직하게는 약 10 내지 30℃이다. 제1 기간은 본 명세서에서 "과냉기 출구 온도"로 지칭되는 냉각된 예냉 냉매(710)가 예냉 냉매의 임계 온도보다 크거나 같은 기간으로서 정의된다. 즉, 제1 기간동안, 상기 냉각된 예냉 냉매(710)의 온도는 임계 온도 이상이다. 비-제한적인 예로서, 상기 냉각된 예냉 냉매(710)는 임계 온도보다 0℃ 초과 따뜻하거나 또는 임계 온도보다 10℃ 초과 따뜻하거나 또는 임계 온도보다 20℃ 초과 더 따뜻할 수 있다. 따라서, 제1 기간동안, 보조 냉매 시스템이 없는 예냉 냉동 공정은 사실상 초임계적이다. 비-제한적인 예로서, 제1 기간은 여름철 및/또는 따뜻한 날들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 고온 및 평균 주변 조건에서 발생할 수 있다. 추가 냉각된 예냉 냉매(797)의 온도는 임계 온도 미만이다. 비-제한적인 예로서, 추가 냉각된 예냉 냉매(797)는 바람직하게는 임계 온도보다 0℃ 초과 더 차갑거나, 보다 바람직하게는 임계 온도보다 2℃ 초과 더 차갑거나, 또는 가장 바람직하게는 임계 온도보다 5℃ 초과 더 차가울 수 있다.
추가로 냉각된 예냉 냉매(797)는 전처리된 공급물 스트림(701) 및 상기 냉각된 액화 냉매(739)에 각각 냉각 부하를 제공하는데 사용되는, 상기 냉각된 예냉 냉매의 제1 부분(719)과 상기 냉각된 예냉 냉매의 제2 부분(761)으로 구분된다. 바람직한 구현예에서, 추가 냉각된 예냉 냉매(797)는 바람직하게는 약 -20℃ 내지 약 25℃, 보다 바람직하게는 약 0℃ 내지 약 15℃의 온도에 있다. 제1 기간동안, 보조 냉매 시스템을 이용한 예냉 냉동 프로세스는 사실상 준임계적이다.
제2 기간동안, 상기 냉각된 예냉 냉매(710)는 임의의 바이패스 예냉 냉매(710A)를 경유하여 보조 냉매 시스템(796)을 선택적으로 바이패스한 후, 상기 냉각된 예냉 냉매의 제1 부분(719)과 상기 냉각된 예냉 냉매의 제2 부분(761)으로 구분된다. 제2 기간은 과냉기 출구 온도가 예냉 냉매의 임계 온도보다 낮은 시간의 기간으로 정의된다. 다시 말하면, 제2 기간동안, 상기 냉각된 예냉 냉매(710)의 온도는 임계 온도보다 낮다. 그러므로, 제2 기간동안, 보조 냉매 시스템이 없는 예냉 냉동 공정은 사실상 준임계이다. 비-제한적인 예로서, 제2 기간은 겨울철 및/또는 추운 밤과 같은 추운 주변 조건에서 발생할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 상기 냉각된 예냉 냉매(710)는 임계 온도보다 10℃ 초과 차갑거나, 더욱 바람직하게는 임계 온도보다 15℃ 초과 차가울 수 있다.
보조 냉매 시스템은 임의의 열 전달 방법, 예컨대 냉매가 증발하여 냉각 부하를 제공하는 비등 열 전달법, 또는 냉매가 위상을 변화시키지 않으면서 냉매가 예열되어, 냉각 부하를 제공하는 현열 전달법, 또는 두 방법의 조합을 이용할 수 있다. 열 전달 방법은 냉매가 증발하여 냉각 부하를 제공하지만 압축 단계가 추가 장비로 대체되는 흡열 전달법일 수도 있다. 또한, 보조 냉매 시스템은 임의의 수의 열 교환기를 사용할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 보조 냉매는 프로판 또는 혼합 냉매일 수 있거나, 또는 공급 가스를 사용하는 기상 냉동 공정일 수 있다. 보조 냉매는 또한 임의의 적합한 흡수성 냉매일 수 있다.
임의의 적합한 시스템은 상기 냉각된 예냉 냉매(710)의 온도를 모니터링하고, 바이패스(710A) 및 보조 냉매 시스템(796)을 통해 유동을 조절하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기(700)는 센서(710D)에 의해 감지된 온도에 기초하여 밸브(710B 및 710C)를 조절하는데 사용될 수 있다. 센서(710D)가 상기 냉각된 예냉 냉매(710)가 임계 온도 이상임을 감지하면, 제어기(700)는 밸브(710B)를 폐쇄하고, 밸브(710C)를 개방한다. 반대로, 센서(710D)가 상기 냉각된 예냉 냉매(710)가 임계 온도 이하임을 감지하면, 제어기(700)는 밸브(710B)를 개방하고, 밸브(710C)를 폐쇄한다.
도 7에 도시된 구현예의 이점은, 보조 냉매 시스템(796)에서 상기 냉각된 예냉 냉매(710)를 추가로 냉각시킴으로써 초임계 공정을 준임계 공정으로 변환시킨다는 점이다. 추가 냉각된 예냉 냉매(797)는 "효과적인" 과냉각기 출구 온도가 된다. 따라서, 운전이 준임계인지 초임계인지를 결정하기 위해, 추가 냉각된 예냉 냉매(797)의 온도는 냉매의 임계 온도와 비교될 필요가 있다. 추가 냉각된 예냉 냉매(797)는 상기 냉각된 예냉 냉매(710)보다 훨씬 차가우므로, 준임계 사이클의 가능성을 증가시킨다. 비-제한적인 예로서, CO2 및 에탄은 통상적인 평균 및 열 주변 조건에 대한 상기 냉각된 예냉 냉매(710)의 온도보다 훨씬 낮은, 약 30℃의 임계 온도를 가진다. 선행 기술의 공정의 경우, 이것은 보다 높은 증기 분율로 인해 상당히 낮은 공정 효율로 초임계 운전을 유도할 것이다. 초임계 운전의 경우, 제1 HP 예냉 냉매(420)의 증기 분율은 바람직하게는 약 0.1 내지 0.7이다. 또한, 선행 기술의 초임계 운전의 경우, 주변 온도 변동에 따른 복잡한 재고 관리, 베이스부하 LNG 시설에 대한 참조 부족 및 기타 운영상의 어려움이 있는, 방열(주위까지) 단계에서의 상 변화가 있다. 그러나, 도 7에 기술된 구현예를 사용하면, 30℃의 임계 온도는 고온의 주위 조건에 대해서조차도 바람직하게는 추가 냉각된 예냉 냉매(797)보다 높다. 비-제한적인 예로서, 도 7의 구현예를 사용하면, 추가 냉각된 예냉 냉매(797)는 고온 주변 온도에 대해 약 10℃의 온도일 수 있다. 결과적으로, 도 7의 방법은 사실상 준임계적일 것이므로, 도 4의 종래 기술의 구현예보다 훨씬 높은 공정 효율을 갖는다. 바람직하게는, 초임계적인 선행 기술 공정들보다 10% 내지 30% 더 높은 효율이 얻어진다. 또한, 구현예들은 초임계 공정에 적용될 때, 이점이 약 5 내지 15%인 이미 준임계 공정에 적용될 때보다 훨씬 더 큰 이점을 가질 것이다. 제1 HP 예냉 냉매(720)의 증기 분율은 바람직하게는 약 0 내지 0.5, 및 보다 바람직하게는 약 0 내지 0.3이다. 도 7의 구현예는, 앞서 설명한 바와 같이 주변 온도 변동에 따른 재고 관리의 변화의 어려움도 없다.
이 구현예의 또 다른 이점은 더 차가운 효과적인 과냉기 출구로 인해, 압축된 예냉 냉매(715)의 압력이 낮아질 수 있고, 이는 시스템상의 압축 부하를 감소시킨다는 점이다. 바람직한 구현예에서, 상기 압축된 예냉 냉매(715)의 압력은 약 20 bara 내지 80 bara이다. 또한, 낮은 압력은 예냉 냉매의 비열 비를 감소시킨다. 비열 비는 일정한 체적 비열 용량에 대한 일정한 압력 비열 용량의 비율이다. 비열 비가 감소함에 따라, 압축 후 냉매의 온도가 감소하고, 이로써 손실된 작업량이 적어지고 따라서 공정 효율이 높아진다는 것을 의미한다.
도 7의 구현예의 보다 높은 공정 효율은 예냉 온도를 낮추고, 액화 시스템 상의 부하를 낮춤으로써 더 많은 부하를 예냉 시스템으로 옮기는 것을 최적화한다. 비-제한적인 예로서, 예냉된 천연 가스 스트림(705)의 온도는 약 -30℃ 내지 약 -60℃일 수 있는 반면, 예냉된 천연 가스 스트림(405)의 온도는 약 -10℃ 내지 약 -40℃일 수 있다.
도 7에 도시된 구현예에서, 보조 냉매 시스템은 예냉 냉매를 냉각시키지만, 액화 냉매를 냉각시키기 위해 사용될 수도 있다. 이는 전용 예냉 냉매가 없고 보조 냉매 시스템이 액화 냉매를 냉각시키는 구현예에도 적용 가능하다.
바람직한 구현예에서, 액화 냉매는 MR이고, 예냉 냉매는 에탄 또는 CO2이다. 다른 바람직한 구현예에서, 액화 냉매는 기상 N2이고, 예냉 냉매는 에탄 또는 CO2이다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 액화 냉매는 메탄이고, 예냉 냉매는 에탄 또는 CO2이다. 예냉 냉매로 CO2를 사용하는 이점은 불연성이며, 쉽게 사용할 수 있으며, 밀도가 높다는 점이다. 높은 밀도로 인해 같은 양의 냉매에 필요한 예냉 냉매의 체적 유량이 낮아진다. 밀도가 높을수록 예냉 시스템 배관 및 장비 크기가 감소된다. 예냉 냉매로서 CO2를 사용하는 또 다른 바람직한 구현예에서, CO2는 산성 가스 제거 유닛(AGRU)의 LNG 설비에서 생성된다.
다른 구현예에서, 제1 기간동안, 주변 공기 또는 물은 보조 열교환기내의 보조 냉매에 대해 냉각되어, 냉각된 주변 스트림을 생성한다. 제2 기간동안, 보조 냉매 시스템은 선택적으로 바이패스된다. 이러한 배열에서, 예냉 냉매는 보조 냉매 대신에 냉각된 주위 스트림에 대해 냉각된다.
도 8은 도 7에 도시된 구현예의 변형예인 제4 구현예를 도시한다. 제1 기간동안, 냉각된 예냉 냉매(810)는 보조 냉매 시스템(896)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(897)를 생성한다. 또한, 전-처리된 공급물 스트림(801)은 보조 냉매 시스템(896)에서 냉각되어, 추가 냉각된 공급물 스트림(898)을 생성한 다음, HP 공급물 증발기(881)로 보내져서 예냉된다. 냉각된 액화 냉매(839)는 보조 냉매 시스템(896)에서 냉각되어, 추가 냉각된 MR 스트림(899)을 생성하고, HP 액화 냉매 증발기(885)로 보내져서 예냉된다.
제2 기간동안, 보조 냉매 시스템은 선택적 바이패스 예냉 냉매(810A), 선택적 바이패스 공급물 스트림(801A) 및 선택적 바이패스 액화 냉매(839A)를 경유하여 선택적으로 바이패스된다.
바람직한 구현예에서, 추가 냉각된 예냉 냉매(897), 추가 냉각된 공급물 스트림(898) 및 추가 냉각된 MR 스트림(899)은 바람직하게는 약 -20℃ 내지 약 25℃, 보다 바람직하게는 약 0℃ 내지 약 15℃ 범위의 온도를 갖는다.
이 구현예는 도 7의 모든 이점을 갖는다. 부가적으로, 공급물 및 MR 스트림은 제1 기간동안 보조 냉매 시스템(896)에서 또한 냉각되기 때문에, 도 8의 공정 효율은 자본 비용이 최소로 증가하는 경우, 도 7의 경우보다 높다.
다른 구현예에서, 예냉 냉매 시스템 또는 액화 냉매 시스템으로부터의 중간 압축된 스트림은 추가로 압축되기 전에 회수되어 보조 냉매 시스템(896)에 대해 냉각된다.
도 9는 도 8에 적용된 바와 같이, 보조 냉매 시스템(996)의 예시적인 구현예를 도시한다. 냉각된 예냉 냉매(910)는 보조 열교환기(989)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(997)를 생성한다. 전-처리된 공급물 스트림(901)은 보조 열교환기(989)에서 냉각되어 추가 냉각된 공급물 스트림(998)을 생성한다. 냉각된 액화 냉매(939)는 보조 열 교환기(989)에서 냉각되어, 추가 냉각된 MR 스트림(999)을 생성한다.
보조 냉매 시스템은 비등 열전달에 기초한다. 증기 보조 냉매(954A)는 보조 열교환기(989)의 따뜻한 단부(warm end)로부터 배출되고, 보조 냉매 압축기(945A)에서 압축되어 고압 증기 보조 냉매(957A)를 생성한다. 고압 증기 보조 냉매(957A)는 보조 냉매 응축기(952A)로 대표되는 하나 이상의 열 교환기에서 냉각되어, 냉각된 보조 냉매(959A)를 생성한다. 냉각된 보조 냉매(959A)는 보조 냉매 강하 밸브(953A)에서 감압되어, 저압 보조 냉매(944A)를 생성한다. 저압 보조 냉매(944A)의 액체 성분은 보조 열교환기(989)에서 증발되어, 필요한 보조 냉각 부하를 제공하고, 증기 보조 냉매(954A)를 생성한다.
도 7에 적용된 바와 같이, 도 9의 다른 예시적인 구현예에서, 상기 냉각된 예냉 냉매(910)만이 보조 열교환기(989)에서 추가 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(997)를 생성한다.
바람직한 구현예에서, 보조 냉매는 R-410A 또는 R-22를 포함하지만 이에 한정되지 않는 HFC 냉매이다. 다른 바람직한 구현예에서, 보조 냉매는 프로판 또는 암모니아 또는 임의의 다른 2-상 냉매이다.
도 10은 도 8에 적용된 바와 같이, 보조 냉매 시스템(1096)의 다른 예시적인 구현예를 도시한다. 냉각된 예냉 냉매(1010)는 보조 열 교환기(1089)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(1097)를 생성한다. 전-처리된 공급물 스트림(1001)은 보조 열 교환기(1089)에서 냉각되어, 추가의 냉각된 공급물 스트림을 생성한다. 냉각된 액화 냉매(1039)는 보조 열교환기(1089)에서 냉각되어, 추가 냉각된 MR 스트림(1099)을 생성한다.
보조 냉매는 액화 냉매의 일부이다. 액화 냉매가 비등 열 전달을 이용하는 일 구현예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, MRL 스트림(341)의 일부는 냉각된 보조 냉매(1059A)로서 제거된다. 냉각된 보조 냉매(1059A)는 보조 냉매 강하 밸브(1053A)에서 감압되어, 저압 보조 냉매(1044A)를 생성한다. 저압 보조 냉매(1044A)의 액체 성분은 보조 열 교환기(1089)에서 증발되어, 필요한 보조 냉각 부하를 제공하고, 증기 보조 냉매(1054A)를 생성한다. 증기 보조 냉매(1054A)는 중간 압력 흡입 드럼(353) 또는 임의의 다른 적절한 위치로 도입함으로써 액화 냉매 압축 시스템으로 복귀될 수 있다.
다른 구현예에서, 냉각된 보조 냉매(1059A)는 응축되지 않을 수 있고 증기 보조 냉매(1054A)가 액화 공정의 임의의 위치로 복귀될 수 있도록 액화 공정의 임의의 다른 위치로부터 얻어질 수 있다.
액화 냉매가 현열 전달을 이용하는 또 다른 구현예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 예냉된 액화 냉매(240)의 일부는 냉각된 보조 냉매(1059A)로서 제거된다. 냉각된 보조 냉매(1059A)는 팽창기일 수 있는 보조 냉매 강하 밸브(1053A)에서 감압되어, 저압 보조 냉매(1044A)를 생성한다. 저압 보조 냉매(1044A)는 보조 열교환기(1089)에서 가온되어, 필요한 보조 냉각 부하를 제공하고, 증기 보조 냉매(1054A)를 생성한다. 증기 보조 냉매(1054A)는 HP 압축기(257) 또는 임의의 다른 적절한 위치로 도입함으로써 액화 냉매 압축 시스템으로 복귀될 수 있다. 증기 보조 냉매(1054A)는 또한 액화 냉매 시스템으로 복귀하기 전에 압축될 수 있다.
도 10의 다른 예시적인 구현예에서, 도 7에 적용된 바와 같이, 냉각된 예냉 냉매(1010)만이 보조 열교환기(1089)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(1097)를 생성한다.
바람직한 구현예에서, 상기 보조 냉매는 혼합 냉매(MR) 또는 질소이다.
추가의 다른 구현예에서, 상기 보조 냉매는 도 2의 액화 냉매 대신에 전처리된 공급물 스트림(1001)의 일부로 구성된다. 증기 보조 냉매(1054A)는 공급물 압축기의 상류와 같은 설비의 상류 위치로 복귀될 수 있거나, 또는 설비에서 연료로서 사용될 수 있다.
도 11은 도 8에 적용된 바와 같이, 흡수 기반 프로세스를 사용하는, 보조 냉매 시스템(1196)의 다른 예시적인 구현예를 도시한다. 냉각된 예냉 냉매(1110)는 보조 열교환기(1189)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(1197)를 생성한다. 전-처리된 공급물 스트림(1101)은 보조 열교환기(1189)에서 냉각되어, 추가 냉각된 공급물 스트림(1198)을 생성한다. 냉각된 액화 냉매(1139)는 보조 열교환기(1189)에서 냉각되어, 추가 냉각된 MR 스트림(1199)을 생성한다.
증기 보조 냉매(1154A)는 보조 열교환기(1189)의 따뜻한 단부로부터 배출되어, 보조 냉매 흡수기(1191)로 보내지고, 여기에서 증기 보조 냉매(1154A)는 보조 냉매 용매(1158A)로 흡수되어, 저압 액체 보조 냉매(1155A)를 생성한다. 저압 액체 보조 냉매(1155A)는 보조 냉매 펌프(1151A)에서 펌핑되어, 고압 액체 보조 냉매(1156A)를 생성하고, 이는 보조 냉매 발생기(1150A)로 보내지고, 거기에서 열이 제공되어, 보조 냉매 용매(1158A)로부터 고압 증기 보조 냉매(1157A)를 분리하며, 이는 보조 냉매 흡수기(1191)로 보내진다. 고압 증기 보조 냉매(1157A)는 보조 냉매 응축기(1152A)로 도시된 하나 이상의 열 교환기에서 냉각되어, 냉각된 보조 냉매(1159A)를 생성한다. 냉각된 보조 냉매(1159A)는 보조 냉매 강하 밸브(1153A)에서 감압되어, 저압 증기 보조 냉매(1144A)를 생성한다. 보조 열교환기(1189)에서 저압 증기 보조 냉매(1144A)가 증발되어, 필요한 보조 냉각 부하를 제공한다.
일 구현예에서, 보조 냉매 발생기(1150A)에 제공되는 열은 천연 가스 액화 설비에서 생성된 폐열로부터 얻어진다. 다른 구현예에서, 액화 및 예냉 압축기를 구동하는 액화 및 예냉 가스 터빈으로부터 생성된 폐열은 보조 냉매 발생기(1150A)에서 이용된다.
도 11의 대안적인 예시적인 구현예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉각된 예냉 냉매(1110)만이 보조 열교환기(1189)에서 추가 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(1197)를 생성한다. 일 구현예에서, 보조 냉매는 LiBr 수용액이다.
본원에 기술된 구현예는 예냉 시스템에서 보조 냉매의 사용을 제안하지만, 액화, 과냉 또는 임의의 공정 단계에 사용될 수도 있다.
주울-톰슨(Joule-Thomson, JT) 밸브와 같은 전형적인 압력 강하 밸브는 사실상 등엔탈피이다. 초임계 공정에서 등엔탈피 압력 감소 단계의 표현은 도 1B의 P-H 다이어그램에 도시되어 있다. 라인 E-F는 등엔탈피 압력 감소 단계를 나타내며, 라인의 수직 특성으로 인해 지점 F에서 높은 증기 분율을 초래한다. 이로써 공정 효율이 낮아진다. 또한, 도 5-11에서는 초임계적 공정을 준임계적 공정으로 변환하여 공정 효율을 향상시키는 구현예를 논의한다. 공정 효율성을 향상시키는 다른 방법은 도 12a에 도시된 바와 같이, 등엔트로피 방식으로 단계 E-F를 수행함으로써 지점 F를 좌측으로 이동시키는 것이다. 지점 E를 이동시키지 않으면서 P-H 다이어그램에서 등엔트로피(일정 엔트로피) 선의 형태로 인해 지점 F에 대한 낮은 증기 분율을 가질 수 있다. 도 12b는 등엔트로피 팽창을 사용하는 제5 구현예를 도시한다.
도 12b를 참조하면, 압축된 예냉 냉매(1215)는 예냉 냉매 응축기(1217)로 도시된, 하나 이상의 열교환기내에서 주변 공기 또는 물에 대한 간접적인 열교환에 의해 냉각되어, 냉각된 예냉 냉매(1210)를 생성한다. 그후, 상기 냉각된 예냉 냉매(1210)는 전처리된 공급물 스트림(1201)에 냉각 부하를 제공하는 제1 부분(1219) 및 냉각된 액화 냉매(1239)에 냉각 부하를 제공하는 제2 부분(1261)으로 구분된다.
냉각된 예냉 냉매의 제1 부분(1219)은 제1 이중 상 팽창기(1248A)에서 감압되어, 제1 HP 예냉 냉매(1220)를 생성한다. 제1 HP 예냉 냉매(1220)의 액체 분획은 HP 공급물 증발기(1281)에서 부분적으로 증발되어, 제1 HP 증기 예냉 냉매(1221) 및 제1 HP 액체 예냉 냉매(1222)를 생성한다. 제1 HP 증기 예냉 냉매(1221)는 HP 예냉 냉매 분리기(1292)로 보내지고, 이어서 HP 사이드 스트림(1211)의 일부로서 제4 예냉 압축 단계 (1216D)의 흡입으로 보내진다.
상기 냉각된 예냉 냉매의 제2 부분(1261)은 제2 이중 상 팽창기(1249A)에서 감압되어, 제2 HP 예냉 냉매(1262)를 생성할 수 있다. 제2 HP 예냉 냉매(1262)의 액체 분획은 HP 액화 냉매 증발기(1285)에서 부분적으로 증발되어, 제2 HP 증기 예냉 냉매(1263) 및 제2 HP 액체 예냉 냉매(1264)를 생성한다. 제2 HP 증기 예냉 냉매(1264)는 HP 예냉 냉매 분리기(1292)로 보내지고, 이어서 HP 사이드 스트림(1211)의 일부로서 제4 예냉 압축 단계 (1216D)의 흡입으로 보내진다. 제1 HP 예냉 냉매(1220) 및 제2 HP 예냉 냉매(1262)의 증기 분율은 바람직하게는 약 0.2 내지 0.6, 보다 바람직하게는 약 0.2 내지 0.4이다. 대조적으로, 종래 기술의 제1 HP 예냉 냉매(420)의 증기 분율은 바람직하게는 약 0.1 내지 0.7이다.
도 12b의 구현예의 이점은 낮은 자본 비용, 플롯 공간 및 복잡성으로 공정 효율을 향상시킬 수 있다는 점이다. 팽창기 사용의 또 다른 이점은 유용한 작업을 얻을 수 있어, 전력 요구량이 낮다는 점이다. 이 구현예는 초임계적 공정을 준임계적 공정으로 변환하지 않기 때문에, 재고 관리 문제는 여전히 남아있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 12b의 구현예는 도 5-11에 도시된 구현예와 같이, 이전에 기술된 임의의 구현예와 조합될 수 있다. 일 구현예에서, 냉각된 예냉 냉매(1210)는 도 5의 절약형 열교환기(525A)에서 추가로 냉각되어, 등엔트로피 압력 감소 단계를 수행하기 전에 추가 냉각된 예냉 냉매(597)를 생성한다. 다른 구현예에서, 냉각된 예냉 냉매(1210)는 보조 냉매 시스템(796)에서 추가로 냉각되어, 등엔트로피 압력 감소 단계를 수행하기 이전에 추가 냉각된 예냉 냉매(797)를 생성할 수 있다. 도 12b의 특징들을 이전의 구현예들과 결합하면, 초임계 공정을 준임계 공정으로 전환하는 동시에 공정 효율을 향상시키고, 냉매 재고 관리 문제를 해결할 수 있다.
실시예 1
다음은 예시적인 구현예의 예이다. 실시예 공정 및 데이터는 LNG의 명목상 5백만 메트릭 톤(metric tonnes per annum, MTPA)을 생산하는 플랜트에서 예냉 및 액화 프로세스 시뮬레이션을 기반으로 한다. 본 실시예를 위한 예냉 냉매는 에탄 또는 이산화탄소이고, 액화 냉매는 MR 또는 N2일 수 있다. 본 실시예는 특히 도 5에 도시된 구현예를 지칭하지만, 도 6 및 다른 관련 구현예에 적용할 수 있다. 주변 온도는 77℉(25℃)이다. 에탄과 이산화탄소의 임계 온도는 약 30℃이다.
도 5를 참조하면, 냉각된 예냉 냉매(510)는 절약형 열교환기(525A)에서 추가로 냉각되어, 추가 냉각된 예냉 냉매(597)를 생성한다. 상기 냉각된 예냉 냉매(510)는 psia(85 bara), 90℉(32℃) 및 초임계적이다. 추가 냉각된 예냉 냉매(597)는 81℉(27℃) 및 액체상이다. 냉각된 예냉 냉매(519A)의 제3 부분은 추가 냉각된 예냉 냉매(597)의 15 몰%이다. 본 구현예의 공정 효율은 종래 기술보다 약 4% 더 높다.
실시예 2
다음은 예시적인 구현예의 예이다. 실시예 공정 및 데이터는 LNG의 명목상 5MTPA를 생산하는 플랜트에서 예냉 및 액화 프로세스 시뮬레이션을 기반으로 한다. 본 실시예를 위한 예냉 냉매는 에탄 또는 이산화탄소이고, 액화 냉매는 MR 또는 N2일 수 있다. 본 실시예는 특히 도 7에 도시된 구현예를 지칭하지만, 다른 구현예에도 적용할 수 있다. 제1 기간은 77℉(25℃)의 평균 주변 온도에서 발생하며, 제2 기간은 52℉(11℃)인 저온 주변 온도에서 발생한다. 본 실시예의 설명을 단순화하기 위해, 도 7에 도시된 구현예와 관련하여 기술된 요소들 및 참조 번호들이 사용될 것이다. 도 4에 도시된 구현예(선행 기술)와 관련하여 기술된 참조 번호도 비교를 위해 사용될 것이다.
제1 기간동안, 70℉(21℃)의 온도, 834 psia(57.5 bara)의 압력 및 82,000 lbmol/hr(37,196 kgmol/hr)의 전-처리된 공급물 스트림(701)이 HP 공급물 증발기(781)에서의 간접 열교환에 의해 냉각되어, 35℉(2℃)의 온도에서 제1 중간 공급물 스트림(702)을 생성하고, 그 후, MP 공급 증발기(782)에서 냉각되어, 8℉(-14℃)의 온도의 제2 중간 공급물 스트림(703)을 생성하고, 그후 LP 공급 증발기(783)를 거쳐서, -21℉(-29℃)의 온도에서 제3 중간 공급물 스트림(704)을 생성하고, 마지막으로 LLP 공급물 증발기(784)로 보내져, -45℉(-43℃)의 온도에서 예냉 천연 가스 스트림(705)을 생성한다. 냉각된 액화 냉매(739)는 HP 액화 냉매 증발기(785), MP 액화 냉매 증발기(786), LP 액화 냉매 증발기(787) 및 LLP 액화 냉매 증발기(788)에서 유사한 온도로 냉각된다.
-50℉(-46℃)의 온도, 108 psia(7 bara)의 압력 및 21,450 lbmol/hr(9,730 kgmol/hr)의 유속에서 가온된 저압 예냉 냉매(714)가 4단계 예냉 냉매 압축기(716)에서 압축되어, 122℉(50℃)의 온도 및 722 psia(50 bara)의 압력에서 압축된 예냉 냉매(715)를 생성한다.
-27℉(-33℃)의 온도 및 188 psia(13 bara)의 압력에서 LP 사이드 스트림(713), 1℉(-17℃)의 온도 및 313 psia(22 bara)의 압력에서 MP 사이드 스트림(712), 및 29℉(-2℃)의 온도 및 780 psia(32 bara)의 압력에서 HP 사이드 스트림(711)이 중간 위치에서 예냉 냉매 압축기(716)로 도입된다.
압축된 예냉 냉매(715)는 예냉 냉매 응축기(717)로 도시된 3개의 열 교환기에서 주변 공기에 대한 간접 열교환에 의해 냉각되어, 90℉(32℃)의 온도에서, 냉각된 예냉 냉매(710)를 생성한다. 상기 냉각된 예냉 냉매(710)는 보조 냉매 시스템(796)에서 추가 냉각되어, 50℉(10℃)의 온도에서 추가 냉각된 예냉 냉매(797)를 생성한다. 추가로 냉각된 예냉 냉매(797)는 냉각된 예냉 냉매의 제1 부분(719)과 냉각된 예냉 냉매의 제2 부분(761)으로 구분되며, 이는 전-처리된 공급물 스트림(701) 및 냉각된 액화 냉매(739) 각각에 냉각 부하를 제공하는데 사용된다. 냉각된 예냉 냉매(719)의 제1 부분은 냉각된 예냉 냉매(710)의 약 20 몰%이다.
냉각된 예냉 냉매의 제1 부분(719)은 제1 압력 강하 밸브(773)에서 감압되어, 29℉(-1℃)의 온도, 486 psia(33 bara)의 압력, 0.12의 증기 분율에서 제1 HP 예냉 냉매(720)를 생성한다. 냉각된 예냉 냉매(761)의 제2 부분은 유사한 조건으로 감소된다.
제2 기간동안, 보조 냉매 시스템(796)은 64℉(18℃)에 있는 바이패스 예냉 냉매(710A)를 통해 선택적으로 바이패스된다.
대조적으로, 이제 종래 기술의 도 4를 참조하면, 제1 HP 예냉 냉매(420)는 62℉(17℃), 압력 766 psia(53 bara) 및 증기 분율 0.28이다. 또한, 압축된 예냉 냉매(415)는 160℉(71℃)의 온도 및 1228 psia(85 bar)의 압력에 있다. 또한, 냉각된 예냉 냉매(410)는 90℉(32℃)의 온도에 있다.
에탄 및 이산화탄소의 임계 온도가 약 30℃이기 때문에, 종래 기술의 공정은 평균 주변 온도에서 초임계 운전을 가지며, 이것은 제1 HP 예냉 냉매(420)의 증기 분율이 높아지는 원인이 된다. 그러나, 구현예는 추가 냉각된 예냉 냉매(797)의 온도가 임계 온도보다 낮다면 준임계 운전을 가질 것이다. 이것이 제1 HP 예냉 냉매(720)의 증기 분율이 낮은 이유이다. 제1 HP 예냉 냉매(720)의 증기 분율을 감소시킴으로써, 구현예들은 공정 효율을 현저히 향상시킨다.
또한, 압축된 예냉 냉매(715)의 압력을 낮춤으로써, 본 구현예는 예냉 냉매의 압축력 요건 및 비열 비를 감소시킨다. 비열 비가 낮으면 공정 효율도 높아진다. 전체적으로, 약 20%까지 공정 효율 개선이 제1 기간동안, 도 4와 비교되어, 도 7에 대하여 관찰되었다. 또한, 주변 온도 변동과 관련된 냉매 재고 관리 문제 또한 구현예에 의해 제거된다. 전체적으로, 본 구현예는 초임계 냉매에 의해 제시된 문제점을 해결한다.
실시예 3
다음은 예시적인 구현예의 예이다. 실시예 공정 및 데이터는 명목상 5 MTPA의 LNG를 생산하는 플랜트에서의 예냉 및 액화 프로세스 시뮬레이션을 기반으로 한다. 본 실시예를 위한 예냉 냉매는 에탄 또는 이산화탄소이고, 액화 냉매는 MR 또는 N2일 수 있다. 본 실시예는 특히, 도 12b에 도시된 구현예를 참조한다.
냉각된 예냉 냉매(1210)는 89.6℉(32℃), 120 psia(84 bara) 및 1의 증기 분율에 있다. 냉각된 예냉 냉매(1210)는 두개의 부분, 즉 전-처리된 공급물 스트림(1201)에 냉각 부하를 제공하기 위한 제1 부분(1219), 및 냉각된 액화 냉매(1239)에 냉각 부하를 제공하기 위한 제2 부분(1261)으로 구분된다. 냉각된 예냉 냉매의 제1 부분(1219)은 제1 이중 상 팽창기(1248A)에서 감압되어, 59℉(15℃), 735 psia(51 bara) 및 0.25의 증기 분율에서의 제1 HP 예냉 냉매(1220)를 생성한다. 이중 상 팽창기 밸브(등엔트로피) 대신에 JT 밸브(등엔탈피)가 사용된 경우, 제1 HP 예냉 냉매(1220)의 증기 분율은 0.3이었을 것이다. 도 12b의 구현예는 종래 기술의 공정 효율을 약 3% 향상시킨다.
본 발명은 바람직한 구현예 및 그의 대안적인 구현예에 관하여 개시하였다. 물론, 본 발명의 교시로부터의 다양한 변화, 수정 및 변경이 본 발명의 의도된 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 고려될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 조건에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (13)

  1. 임계 온도를 갖는 제1 냉매에 대해 탄화수소 공급물 스트림을 냉각시켜, 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하는 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 적어도 하나의 압축 단계에서 제1 냉매를 압축하여, 압축된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
    (b) 상기 압축된 제1 냉매를 적어도 하나의 열 교환기에서 주변 유체에 대해 냉각시켜서, 제1 냉매의 임계 온도 이상인 제1 온도를 갖는 냉각된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
    (c) 상기 냉각된 제1 냉매의 적어도 제1 부분에 대해 적어도 하나의 절약형 열교환기(economizer heat exchanger)에서 상기 냉각된 제1 냉매를 추가 냉각시켜서, 제2 온도의 추가 냉각된 제1 냉매 및 가온된 제1 냉매를 생성시키는 단계로서, 상기 제2 온도가 제1 냉매의 임계 온도 미만인 단계; 및
    (d) 상기 절약형 장치(economizer)로부터의 유체 연통(flow communication)하는 하류에 위치되는 적어도 하나의 냉각 회로의 각각에서 유체 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 적어도 하나의 냉각 회로 각각은 적어도 하나의 증발 단계를 가지며, 각각의 하기 후속 단계들이 각각의 증발 단계에서 수행되는 단계:
    (i) 제1 냉매의 압력을 감소시키는 단계;
    (ii) 증발기에서 감압된 제1 냉매에 대해 유체 스트림을 냉각시켜, 감압된 제1 냉매의 적어도 일부를 증발시키는 단계; 및
    (iii) 증발된 감압 제1 냉매의 적어도 일부를 적어도 하나의 압축 단계들 중 하나에 유입시키는 단계;
    를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 냉각 회로에서 냉각되는 적어도 하나의 유체 스트림은 상기 탄화수소 공급물 스트림을 포함하고, 상기 단계 (d)는 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하는, 방법.
  2. 탄화수소 공급물 스트림을 냉각하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    제1 냉매를 압축하도록 작동가능하게 구성된 적어도 하나의 압축 단계;
    상기 적어도 하나의 압축 단계와 유체 연통하는 하류의 적어도 하나의 주변 열 교환기로서, 상기 적어도 하나의 주변 열교환기가 주위 유체에 대한 간접적인 열교환에 의해 상기 제1 냉매를 제1 온도로 냉각하도록 작동가능하게 구성되며, 상기 제1 온도가 상기 제1 냉매의 임계 온도 이상인, 적어도 하나의 주변 열 교환기;
    상기 적어도 하나의 주변 열교환기와 유체 연통하는 하류의 적어도 하나의 절약형 장치로서, 상기 제1 냉매의 임계 온도보다 낮은 제2 온도로 상기 제1 냉매를 추가로 냉각하도록 작동가능하게 구성된, 절약형 장치;
    상기 적어도 하나의 절약형 장치로부터 유체 연통하는 하류에 위치된 적어도 하나의 냉각 회로로서, 적어도 하나의 냉각 회로 각각은 적어도 하나의 증발 단계를 갖고, 각각의 상기 증발 단계는 증발기와 유체 연통하는 상류에 팽창 밸브를 포함하고, 상기 증발기는 제1 냉매에 대해 유체 스트림을 냉각시키고 증발된 제1 냉매 스트림 및 냉각된 유체 스트림을 생성하도록 작동가능하게 구성되며, 상기 증발 단계 각각은 적어도 하나의 압축 단계 중 하나와 유체 연통하는 증발된 제1 냉매 회로를 추가로 포함하는, 냉각 회로
    를 포함하며;
    상기 적어도 하나의 냉각 회로 중 적어도 하나의 유체 스트림이 상기 탄화수소 공급물 스트림을 포함하는, 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 제2 냉매 스트림에 대해 적어도 하나의 액화 열교환기에서 탄화수소 스트림을 추가로 냉각 및 액화하여, 액화 천연 가스 스트림을 생성시키도록 작동가능하게 구성된 액화 열 교환기를 추가로 포함하는, 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 적어도 하나의 압축 단계는 복수의 압축 단계를 포함하는, 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 적어도 하나의 증발기 단계는 복수의 증발기 단계를 포함하는, 장치.
  6. 임계 온도를 갖는 제1 냉매에 대해 탄화수소 공급물 스트림을 냉각시켜, 냉각된 탄화수소 스트림을 생성시키는 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 적어도 하나의 압축 단계에서 제1 냉매를 압축하여, 압축된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
    (b) 압축된 제1 냉매를 적어도 하나의 열 교환기에서 주변 유체에 대해 냉각시켜, 제1 냉매의 임계 온도 이상인 제1 온도를 갖는 냉각된 제1 냉매를 생성시키는 단계;
    (c) 적어도 하나의 보조 열교환기에서 상기 냉각된 제1 냉매를 추가로 냉각시켜, 제1 냉매의 임계 온도보다 낮은 제2 온도에서 추가 냉각된 제1 냉매를 생성시키는 단계; 및
    (d) 상기 보조 열교환기로부터의 유체 연통하는 하류에 위치되는 적어도 하나의 냉각 회로의 각각에서 유체 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 적어도 하나의 냉각 회로 각각이 적어도 하나의 증발 단계를 가지며, 각각의 하기 후속 단계들이 각각의 증발 단계에서 수행되는 단계:
    (i) 제1 냉매의 압력을 감소시키는 단계;
    (ii) 증발기에서 상기 감압된 제1 냉매에 대해 유체 스트림을 냉각시켜, 감압된 제1 냉매의 적어도 일부를 증발시키는 단계; 및
    (iii) 증발된 감압 제1 냉매의 적어도 일부를 적어도 하나의 압축 단계들 중 하나에 유입시키는 단계;
    를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 냉각 회로에서 냉각되는 적어도 하나의 유체 스트림은 상기 탄화수소 공급물 스트림을 포함하고, 상기 단계 (d)는 냉각된 탄화수소 스트림을 생성하고; 및
    상기 적어도 하나의 보조 열교환기에 대한 냉동 부하가: (1) 탄화수소 공급물 스트림 및 (2) 증기 팽창 또는 증기 압축 사이클에 의해 냉각되는 제3 냉매의 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 보조 냉매에 의해 제공되는, 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서, (e) 제2 냉매 스트림에 대해 적어도 하나의 액화 열 교환기에서 상기 냉각된 탄화수소 스트림을 추가로 냉각 및 액화시켜, 액화 천연 가스 스트림을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 적어도 하나의 냉각 회로에서 냉각되는 적어도 하나의 유체 스트림은 제2 냉매를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서, 상기 제1 냉매가 에탄, 이산화탄소 또는 에틸렌을 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서, 단계 (a)는:
    (a) 복수의 압축 단계에서 상기 제1 냉매를 압축하여, 압축된 제1 냉매를 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 단계 (d)는 절약형 장치로부터 하류에 위치한 복수의 증발 단계에서 적어도 하나의 유체 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하며, 단계 (d)(i) 내지 단계 (d)(iii)이 복수의 증발 단계 각각에서 수행되는, 방법.
  12. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서, (e) 상기 단계 (d)(iii)을 수행하기 전에, 상기 적어도 하나의 증발 단계 중 하나에서 상기 가온된 제1 냉매의 증기상 부분을 상기 증발된 감압 제1 냉매와 조합시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, (f) 상기 가온된 제1 냉매를 기상 부분과 액상 부분으로 분리하고, 액상 부분을 사용하여 단계 (d)를 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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