KR20190074299A - 다단식 냉동을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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Abstract

펌프와 결합하여 하나 이상의 액체 구동 이덕터들을 사용하는 혼합 냉매 및 캐스케이드 냉동 사이클들에서의 다단식 냉동을 위한 시스템들 및 방법들이 개시된다.

Description

다단식 냉동을 위한 시스템들 및 방법들
[0001] 2016년 11월 9일자 출원된 국제출원 제PCT/US16/61077호의 우선권이 이로써 주장되며 그 명세서가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
[0002] 본 개시내용은 일반적으로 다단식 냉동을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 펌프와 결합하여 하나 이상의 (제트 펌프들 및 이젝터들로도 또한 지칭되는) 액체 구동 이덕터(eductor)들을 사용하는 혼합 냉매 및 캐스케이드 냉동 사이클들에서의 다단식 냉동에 관한 것이다.
[0003] 다단식 냉동 프로세스들은 통상적으로 혼합 냉매 사이클 또는 캐스케이드 냉동 사이클로서 분류된다. 혼합 냉매 사이클에서, 특수한 조성의 냉매가 유체를 주변 조건들로부터 팽창 밸브를 사용하여 유체가 액화될 수 있는 상태로 냉각하는 데 이용된다.
[0004] 통상적인 캐스케이드 냉동 사이클에서는, 연속 팽창 밸브들이 유체를 점진적으로 액화하는 데 사용된다. 그런 다음, 부분적으로 액화된 유체가 플래시 드럼(flash drum)에 분배된다. 플래시 드럼으로부터의 액체는 추가 냉각을 위해 후속 플래시 드럼 단들로 분배된다. 플래시 드럼들로부터의 증기들은 압축되어 냉매로 응결된다.
[0005] 도 1에서, 개략도는 에틸렌 배출을 위한 종래의 캐스케이드 냉동 시스템(100)을 예시한다. 파이프라인으로부터의 초임계(supercritical) 조건들에서의 에틸렌 공급 흐름(101)은 2-베드 탈수 유닛을 사용하여 탈수된다. 탈수 유닛은 배치(batch) 동작으로 작동하는데, 하나의 베드(102)는 에틸렌 공급 흐름(101)을 탈수시키고 있고 다른 베드(103)는 재생하고 있다. 재생 모드에서, 탈수 베드(102)로부터의 탈수 에틸렌 흐름(111)의 일부는 재생 히터(104)에 진입한다. 가열된 탈수 에틸렌 흐름(111)은 다음에 탈수 베드(103)에 진입하여 탈수 베드(103)를 재생한다. 탈수 베드(103)로부터의 물 포화 에틸렌 흐름(105)은 공기 냉각기(106)에서 응결되고 분리기로도 또한 지칭되는 녹아웃(knock-out) 드럼(107)을 사용하여 제거되어, 물 포화 에틸렌 흐름(105)과 응결수 흐름(108)을 분리한다. 물 포화 에틸렌 흐름(105)은 압축기(109)에서 압축되고, 압축된 물 포화 에틸렌 흐름(110)은 복귀되어 에틸렌 공급 흐름(101)과 혼합된다.
[0006] 탈수 에틸렌 흐름(111)의 나머지 부분은 3개의 개별 열 교환기들(112, 113, 114)을 통해 냉각된다. 각각의 열 교환기는 점선들로 도시된 종래의 프로필렌 냉매 시스템을 사용하여 탈수 에틸렌 흐름(111)을 냉각시킨다. 냉각된 탈수 에틸렌 흐름(115)은 유출(let down) 밸브(117)를 사용하여 주변 조건들에서 응결 압력으로 유출되어, 플래시된 에틸렌 흐름(118)을 생성한다. 플래시된 에틸렌 흐름(118)은 이코노마이저(economizer)로도 또한 지칭되는 플래시 드럼(120)에 진입하는데, 여기서 플래시된 에틸렌 흐름(118)은 재생된 에틸렌 흐름(135)과 혼합되어 플래시된다. 플래시된 에틸렌 증기 흐름(122)은 더 낮은 압력의 압축 에틸렌 흐름(124)과 혼합되고, 더 낮은 압력의 압축 에틸렌 흐름(124)은 다음에 압축기(125)에서 압축되어 더 높은 압력의 증기 에틸렌 흐름(126)을 생성한다. 증기 에틸렌 흐름(126)은 이어서, 3개의 개별 열 교환기들(128, 130, 132)을 사용하여 프로필렌 냉동 시스템을 통해 냉각된다. 냉각된 응결 액체 에틸렌 흐름(133)이 어큐뮬레이터(134)에 진입하는데, 여기서는 임의의 비활성 물질들이 프로세스에서 축적될 때 이러한 비활성 물질들이 어큐뮬레이터(134)에서 배출되어 재생된 에틸렌 흐름(135)이 생성된다.
[0007] 플래시 드럼(120)으로부터의 액체 에틸렌 흐름(136)은 팽창 밸브(138)를 통해 팽창되어, 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)을 생성한다. 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)은 다른 플래시 드럼(142)으로 진입하며, 여기서는 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)이 플래시된다. 플래시된 증기 에틸렌 흐름(144)은 압축 에틸렌 흐름(157)과 혼합된 다음 압축기(145)에서 압축되어, 압축 에틸렌 흐름(124)을 생성한다. 그 다음, 압축 에틸렌 흐름(124)은 더 높은 압력의 플래시된 에틸렌 증기 흐름(122)과 혼합된다. 플래시 드럼(142)으로부터의 액체 에틸렌 흐름(146)은 다른 팽창 밸브(148)를 통해 팽창되어, 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(150)을 생성한다. 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(150)은 다른 플래시 드럼(152)으로 진입하며, 여기서는 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(150)이 플래시된다. 플래시된 증기 에틸렌 흐름(154)은 압축 에틸렌 증발 가스 흐름(163)과 혼합된 다음 압축기(155)에서 압축되어, 압축 에틸렌 흐름(157)을 생성한다. 액체 에틸렌 흐름(156)은 저장을 위해 극저온 탱크(158)에 분배되거나 다른 위치로 이송된다. 극저온 탱크(158)로부터의 에틸렌 증발 가스 흐름(160)은 압축기(162)에서 압축되어 압축 에틸렌 증발 가스 흐름(163)을 생성한다.
[0008] 캐스케이드 냉동 사이클은 단일 냉매에 대한 의존 때문에 작동이 가장 쉽지만, 혼합 냉매 프로세스보다 에너지 효율이 더 낮을 수 있다. 이는 캐스케이드 냉동 시스템이 주로 에너지를 회수하기 위해 단계적 플래시들을 이용하는 반면, 혼합 냉매 시스템은 냉각될 원자재의 냉각 곡선에 밀접하게 매칭될 수 있기 때문이다. 종래에는, 두 프로세스들 모두에서 팽창 밸브들을 수반하는 에너지 회수는 유압 팽창기들 또는 터빈들에 초점을 맞추었는데, 이들은 회수된 에너지를 활용하기 위해 기계적 장비, 유압 밀폐부들 및 싱크를 필요하기 때문에 이들은 복잡성과 자본비를 추가한다. 따라서 회수된 에너지는 통상적으로 프로세스 자체에 재배치되지 않는다. 액체 구동 이덕터들이 또한 냉동 프로세스들에 이용되었지만, 에너지를 회수하기 위해 캐스케이드 냉매 시스템에 존재하는 단계적 플래시들을 활용하는 것이 아니라 냉매 압축에 대한 대체로서 또는 액체 냉매 레벨을 제어하기 위한 수단으로 사용되었다.
[0009] 본 개시내용은 유사한 엘리먼트들이 유사한 참조 번호들로 참조되는 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다.
[0010] 도 1은 에틸렌 배출을 위한 종래의 캐스케이드 냉동 시스템의 일 실시예를 예시하는 개략도이다.
[0011] 도 2는 본 개시내용에 따른 개방형 다단식 냉동 시스템의 일 실시예를 예시하는 개략도이다.
[0012] 도 3은 도 2의 시스템으로 개조되는, 기존의 캐스케이드 냉동 사이클을 사용하여 에틸렌을 생성하기 위한 개방형 다단식 냉동 시스템의 일 실시예를 예시하는 개략도이다.
[0013] 도 4는 도 2의 시스템으로 구성되는, 캐스케이드 냉동 사이클을 사용하여 에틸렌을 생성하기 위한 개방형 다단식 냉동 시스템의 일 실시예를 예시하는 개략도이다.
[0014] 도 5는 본 개시내용에 따른 폐쇄형 다단식 냉동 시스템의 일 실시예를 예시하는 개략도이다.
[0015] 본 개시내용은 펌프와 결합된 하나 이상의 액체 구동 이덕터들을 사용하여 혼합 냉매 및 캐스케이드 냉동 사이클들에서의 다단식 냉동을 위한 시스템들 및 방법들을 제공함으로써 종래 기술의 하나 이상의 결점들을 극복한다.
[0016] 일 실시예에서, 본 개시내용은: ⅰ) 제1 증기 라인 그리고 액체 소스와 초임계 유체 소스 중 하나의 소스와 유체 연통하는 이덕터; ⅱ) 이덕터와 유체 연통하는 플래시 드럼 ― 플래시 드럼은 제2 증기 라인, 플래시 드럼의 바닥의 액체 라인 및 2상 유체 라인에 연결됨 ―; ⅲ) 제1 팽창 밸브 ― 제1 팽창 밸브는 액체 라인 그리고 플래시 드럼 및 제1 팽창 밸브로부터 하류의 냉각된 2상 유체 라인에만 연결됨 ―; ⅳ) 냉각된 2상 유체 라인과 유체 연통하며 제1 증기 라인에 연결되는 다른 플래시 드럼; 및 ⅴ) 이덕터의 상류에 위치되며 액체 소스와 초임계 유체 소스 중 하나의 소스와 유체 연통하는 펌프를 포함하는 다단식 냉동 시스템을 포함한다.
[0017] 다른 실시예에서, 본 개시내용은: ⅰ) 제1 액체 흐름과 초임계 유체 흐름 중 하나를 적어도 600 psig의 압력으로 이덕터 내로 유입시키는 단계; ⅱ) 부분 액화를 달성하고 제1 증기 흐름 그리고 액체 흐름과 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름을 포함하는 2상 유체 흐름을 생성하기 위해 제1 증기 흐름을 이덕터 내로 유입시키는 단계; ⅲ) 제2 액체 흐름 및 제2 증기 흐름을 생성하기 위해 2상 유체 흐름을 플래시하는 단계; ⅳ) 냉각된 2상 유체 흐름을 생성하기 위해 제2 액체 흐름을 팽창시키는 단계; 및 ⅴ) 제1 증기 흐름 및 제3 액체 흐름을 생성하기 위해, 냉각된 2상 유체 흐름을 플래시하는 단계를 포함하는 다단식 냉동을 위한 방법을 포함한다.
[0018] 본 개시내용의 대상은 구체적으로 설명되지만; 설명 자체는 본 개시내용의 범위를 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 따라서 대상은 또한 다른 현재의 또는 미래의 기술들과 함께, 본 명세서에서 설명되는 것들과 유사한 그리고/또는 그보다 적은 다른 구조들, 단계들 및/또는 결합들을 포함하도록 다른 방식들로 구체화될 수도 있다. "단계"라는 용어는 본 명세서에서는 이용되는 방법들의 서로 다른 엘리먼트들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 설명에 의해 특정 순서로 달리 명확히 제한되지 않는 한, 개시되는 본 명세서에서 다양한 단계들 사이의 또는 다양한 단계들 간의 임의의 특정 순서를 암시하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 개시되는 실시예들의 다른 특징들 및 이점들은 다음의 도면들 및 상세한 설명의 검토시 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 이러한 모든 특징들 및 이점들은 개시되는 실시예들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 또한, 예시되는 도면들은 단지 예시일 뿐이며, 다른 실시예들이 구현될 수 있는 환경, 아키텍처, 설계 또는 프로세스에 대한 임의의 한정을 주장하거나 암시하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 다음의 설명에서 온도들 및 압력들이 언급되는 범위에서, 이러한 조건들은 단지 예시일 뿐이며 본 개시내용을 한정하는 것으로 여겨지지 않는다. 본 명세서에서 설명되는 다양한 흐름들은 일렬로 전달될 수 있다. 본 개시내용은 본 명세서에서 설명되는 특정 캐스케이드 냉동 사이클들로 구현될 수 있지만, 이는 그에 한정되는 것은 아니며 유사한 결과들을 얻도록 다른 캐스케이드 냉동 사이클들 및 혼합 냉매 사이클들을 포함하는 임의의 다른 다단식 냉동 프로세스로도 또한 구현될 수 있다.
[0019] 이제 도 2를 참조하면, 개략도는 본 개시내용에 따른 개방형 다단식 냉동 시스템(200)의 일 실시예를 예시한다. 소스(202)가 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름을 이덕터(204)에 공급한다. 부분 액화를 달성하고 압축 상태의 제1 증기 흐름(226) 그리고 액체 흐름과 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름을 포함하는 2상 유체 흐름(206)을 생성하기 위해 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름의 소스(202)에서의 압력보다 더 낮은 압력에서 제1 증기 흐름(226)이 이덕터(204)에 진입한다. 이덕터(204)로부터의 2상 유체 흐름(206)은 플래시 드럼(208)에 진입하는데, 여기서 2상 유체 흐름(206)이 플래시되어 제1 증기 흐름(226)의 압력보다 더 높은 압력에서 액체 흐름(210) 및 제2 증기 흐름(212)을 생성한다. 플래시 드럼(208)으로부터의 액체 흐름(210)은 제1 팽창 밸브(218)에 진입하며, 여기서는 액체 흐름(210)이 팽창되어 냉각된 2상 유체 흐름(220)을 생성한다. 냉각된 2상 유체 흐름(220)은 다른 플래시 드럼(222)으로 진입하며, 여기서는 냉각된 2상 유체 흐름(220)이 플래시되어 제1 증기 흐름(226) 및 다른 액체 흐름(224)을 생성한다. 다른 플래시 드럼(222)으로부터의 다른 액체 흐름(224)은 제2 팽창 밸브(228)로 진입하며, 여기서는 다른 액체 흐름(224)이 팽창되어 다른 냉각된 2상 유체 흐름(230)을 생성한다. 시스템(200)은 임의의 다단식 냉동 프로세스로 구현될 수 있으며, 하나 이상의 액체 구동 이덕터들을 이용하여 더 저단의 증기압을 상승시키고, 공급 가스 압력을 낮추며, 임의의 다단식 냉동 프로세스의 에너지 효율을 향상시킨다.
[0020] 다음의 설명은 본 개시내용에 따른 다단식 냉동 시스템들의 다른 실시예들을 예시하는 도 3 - 도 4를 참조한다. 각각의 실시예에서, 도 2에 예시된 시스템(200)은 캐스케이드 냉동 사이클에서 에틸렌을 생성하는 에너지 효율을 향상시키는 데 사용된다. 도 3에서, 개략도는 시스템(200)으로 개조되는, 기존의 캐스케이드 냉동 사이클을 사용하여 에틸렌을 생성하기 위한 개방형 다단식 냉동 시스템(300)의 일 실시예를 예시한다. 도 4에서, 개략도는 시스템(200)으로 구성되는, 캐스케이드 냉동 사이클을 사용하여 에틸렌을 생성하기 위한 개방형 다단식 냉동 시스템(400)의 일 실시예를 예시한다. 도 3 - 도 4 각각에서의 각각의 시스템(300, 400)은 시스템(200)에 사용된 새로운 컴포넌트들을 파선으로 예시하여, 도 1의 종래의 캐스케이드 냉동 시스템(100)에 사용된 컴포넌트들을 구별한다. 따라서 시스템(200)은 다른 기존의 그리고 새로 구성된 다단식 냉동 시스템들로 쉽게 구현될 수 있다.
[0021] 이제 도 3을 참조하면, 시스템(300)은 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름을 이덕터(304)에 공급하는 소스(302)를 포함한다. 이 실시예에서, 소스(302)는 냉각된 탈수 에틸렌 흐름(115)의 일부이다. 부분 액화를 달성하고 압축 상태의 에틸렌 증기 흐름(326) 그리고 액체 흐름과 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름을 포함하는 2상 에틸렌 유체 흐름(306)을 생성하기 위해 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름의 소스(302)에서의 압력보다 약 34배 더 낮은 압력에서 에틸렌 증기 흐름(326)이 이덕터(304)에 진입한다. 이덕터(304)로부터의 2상 에틸렌 유체 흐름(306)은 플래시 드럼(120)에 진입하는데, 여기서 2상 에틸렌 유체 흐름(306)이 플래시되어 에틸렌 증기 흐름(326)의 압력보다 약 4배 더 높은 압력에서 액체 에틸렌 흐름(136) 및 플래시된 에틸렌 증기 흐름(122)을 생성한다. 플래시 드럼(120)으로부터의 액체 에틸렌 흐름(136)은 팽창 밸브(138)에 진입하는데, 여기서 액체 에틸렌 흐름(136)은 팽창되어 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)을 생성한다. 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)은 다른 플래시 드럼(142)에 진입하는데, 여기서 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)은 플래시되어 플래시된 증기 에틸렌 흐름(144) 및 다른 액체 에틸렌 흐름(146)을 생성한다. 플래시된 증기 에틸렌 흐름(144)의 일부는 새로운 팽창 밸브(308)에서 팽창되어 에틸렌 증기 흐름(326)을 생성한다. 플래시 드럼(142)으로부터의 다른 액체 에틸렌 흐름(146)은 다른 팽창 밸브(148)로 진입하는데, 여기서 다른 액체 에틸렌 흐름(146)은 팽창되어 다른 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(150)을 생성한다.
[0022] 이제 도 4를 참조하면, 시스템(400)은 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름을 이덕터(404)에 공급하는 소스를 포함한다. 이 실시예에서, 소스는 플래시된 탈수 에틸렌 흐름(118)이다. 부분 액화를 달성하고 압축 상태의 에틸렌 증기 흐름(426) 그리고 액체 흐름과 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름을 포함하는 2상 에틸렌 유체 흐름(406)을 생성하기 위해 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름의 소스에서의 압력보다 약 34배 더 낮은 압력에서 에틸렌 증기 흐름(426)이 이덕터(404)에 진입한다. 이덕터(404)로부터의 2상 에틸렌 유체 흐름(406)은 플래시 드럼(120)에 진입하는데, 여기서 2상 에틸렌 유체 흐름(406)이 플래시되어 에틸렌 증기 흐름(426)의 압력보다 약 4배 더 높은 압력에서 액체 에틸렌 흐름(136) 및 플래시된 에틸렌 증기 흐름(122)을 생성한다. 플래시 드럼(120)으로부터의 액체 에틸렌 흐름(136)은 팽창 밸브(138)에 진입하는데, 여기서 액체 에틸렌 흐름(136)은 팽창되어 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)을 생성한다. 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)은 다른 플래시 드럼(142)에 진입하는데, 여기서 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(140)은 플래시되어 에틸렌 증기 흐름(426) 및 다른 액체 에틸렌 흐름(146)을 생성한다. 플래시 드럼(142)으로부터의 다른 액체 에틸렌 흐름(146)은 다른 팽창 밸브(148)로 진입하는데, 여기서 다른 액체 에틸렌 흐름(146)은 팽창되어 다른 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(150)을 생성한다. 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(150)은 다른 플래시 드럼(152)으로 진입하며, 여기서는 냉각된 2상 유체 에틸렌 흐름(150)이 플래시된다. 플래시된 증기 에틸렌 흐름(408)은 압축 에틸렌 증발 가스 흐름(163)과 혼합된 다음 압축기(410)에서 압축되어, 압축 에틸렌 흐름(412)을 생성한다. 플래시된 에틸렌 증기 흐름(122)은 더 낮은 압력의 압축 에틸렌 흐름(412)과 혼합되고, 더 낮은 압력의 압축 에틸렌 흐름(412)은 그 다음에, 압축기(125)에서 압축되어 더 높은 압력의 증기 에틸렌 흐름(126)을 생성한다.
[0023] 이제 도 5를 참조하면, 개략도는 본 개시내용에 따른 폐쇄형 다단식 냉동 시스템(500)의 일 실시예를 예시한다. 시스템(500)은 이덕터(504)에 공급되는, 어큐뮬레이터(562)로부터의 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름의 소스(502)를 포함한다. 부분 액화를 달성하고 압축 상태의 제1 증기 흐름(526) 그리고 액체 흐름과 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름을 포함하는 2상 유체 흐름(506)을 생성하기 위해 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름의 소스(502)에서의 압력보다 더 낮은 압력에서 제1 증기 흐름(526)이 이덕터(504)에 진입한다. 이덕터(504)로부터의 2상 유체 흐름(506)의 일부는 제1 열 교환기(507a)에 진입하는데, 여기서 2상 유체 흐름(506)의 일부는 증발되어 증발된 냉매(507c)를 생성하고, 이덕터(504)로부터의 2상 유체 흐름(506)의 다른 부분은 제1 팽창 밸브(507b)에 진입하는데, 여기서 2상 유체 흐름(506)의 다른 부분은 팽창되어 부분적으로 팽창된 냉매(507d)를 생성한다. 증발된 냉매(507c) 및 부분적으로 팽창된 냉매(507d)는 플래시 드럼(508)에 진입하는데, 여기서 이러한 냉매들은 혼합되고 플래시되어 제1 증기 흐름(526)의 압력보다 더 높은 압력에서 액체 흐름(510) 및 제2 증기 흐름(512)을 생성한다. 플래시 드럼(508)으로부터의 액체 흐름(510)은 제2 팽창 밸브(518)에 진입하며, 여기서는 액체 흐름(510)이 팽창되어 냉각된 2상 유체 흐름(520)을 생성한다. 제2 팽창 밸브(518)로부터의 냉각된 2상 유체 흐름(520)의 일부는 제2 열 교환기(521a)에 진입하는데, 여기서 냉각된 2상 유체 흐름(520)의 일부는 증발되어 다른 증발된 냉매(521c)를 생성하고, 제2 팽창 밸브(518)로부터의 냉각된 2상 유체 흐름(520)의 다른 일부는 제3 팽창 밸브(521b)에 진입하는데, 여기서 냉각된 2상 유체 흐름(520)의 다른 일부는 팽창되어 다른 부분적으로 팽창된 냉매(521d)를 생성한다. 다른 증발된 냉매(521c) 및 다른 부분적으로 팽창된 냉매(521d)는 다른 플래시 드럼(522)에 진입하는데, 여기서 이러한 냉매들은 혼합되고 플래시되어 제3 증기 흐름(526) 및 다른 액체 흐름(524)을 생성한다. 다른 플래시 드럼(522)으로부터의 다른 액체 흐름(524)은 제4 팽창 밸브(528)로 진입하며, 여기서는 다른 액체 흐름(524)이 팽창되어 다른 냉각된 2상 유체 흐름(530)을 생성한다. 다른 냉각된 2상 유체 흐름(530)은 제3 열 교환기(534)로 진입하는데, 여기서 다른 냉각된 2상 유체 흐름(530)은 증발되어 다른 증발된 냉매(536)를 생성한다. 다른 증발된 냉매(536)는 다른 어큐뮬레이터(538)로 진입하는데, 여기서는 임의의 잔류 응결이 유지되어 완전히 증발된 냉매(540)를 생성한다. 완전히 증발된 냉매(540)는 제1 압축기(542)로 진입하고 압축되어 압축된 냉매(544)를 생성한다. 압축된 냉매(544)는 제2 압축기(548)로 진입하기 전에 제3 증기 흐름(526)의 전부 또는 일부와 혼합되어 더 높은 압력에서 다른 압축된 냉매(550)를 생성한다. 제3 증기 흐름(526)의 일부는 제어 밸브(546)를 통과하도록 지시될 수 있는데, 여기서 제3 증기 흐름(526)의 일부는 이덕터(504)로 진입하도록 지시된다. 다른 압축된 냉매(550)는 제3 압축기(552)에 진입하기 전에 제2 증기 흐름(512)과 혼합되는데, 제3 압축기(552)에서는 다른 압축된 냉매(550)가 압축되어 다른 압축된 냉매(554)를 생성한다. 다른 압축된 냉매(554)는 제4 열 교환기(558)로 진입하는데, 여기서는 다른 압축된 냉매(554)가 응결되어 액체 냉매(560)를 생성한다. 액체 냉매(560)는 어큐뮬레이터(562)에 진입하는데, 여기서는 임의의 잔류 증기가 유지된 다음, 포화된 액체 조건들에서 펌프(570)의 흡입으로 분배된다. 펌프(570)는 고압 액체를 방출하여 적어도 600 psig의 압력에서 액체 흐름 또는 초임계 유체 흐름의 소스(502)를 생성한다. 시스템(500)은 임의의 다단식 냉동 프로세스로 구현될 수 있으며, 하나 이상의 액체 구동 이덕터들을 이용하여 더 저단의 증기압을 상승시키고, 공급 가스 압력을 낮추며, 임의의 다단식 냉동 프로세스의 에너지 효율을 향상시킨다.
예들
[0024] 하기 표 1의 시뮬레이션된 데이터의 비교에 의해 입증된 바와 같이, 도 1에 예시된 종래의 캐스케이드 냉동 시스템과 비교하여 도 3에 예시된 개방형 다단식 냉동 시스템을 사용할 때 에틸렌을 생성하기 위한 유지 모드에서의 전력 소비가 현저하게 더 적다. 유지 모드는 프로세스가 에틸렌을 생성하고 있고 선적(ship loading)을 위한 준비시 탱크를 채우고 있을 때 극저온 탱크를 나타낸다. 마찬가지로, 하기 표 2의 시뮬레이션된 데이터의 비교는, 에탄을 생성하기 위한 종래의 캐스케이드 냉동 시스템과 비교하여 에탄을 생성하기 위해 도 2에 예시된 개방형 다단식 냉동 시스템을 사용할 때 에탄을 생성하기 위한 유지 모드에서의 전력 소비가 현저하게 더 적다는 것을 입증한다.
도 1 도 3
공급률 t/hr 60 60
유입구 압력 Psig 950 950
냉매 냉각 듀티 MMBtu/hr 17.4 17.2
전력 소비(유지 모드) Hp 8993 8060
종래의 캐스케이드 냉동 사이클 도 2
공급률 t/hr 57 57
유입구 압력 psig 1200 1200
전력 소비(유지 모드) hp 7,682 7,013
[0025] 하기 표 3은 에틸렌 플랜트에서의 에틸렌 기반 냉동 시스템의 HYSYS 시뮬레이션들에 기초한다. 액체 구동 이덕터 기반 시스템을 설계로 구현한 후에는, 약 1%의 전력 소비 절감이 실현된다. 그러나 포화된 액체를 구동 유체로서의 서비스를 위해 더 높은 압력(최저단 압력의 약 6배)으로 상승시키도록 펌프가 설계에 통합되면, 약 2%의 전력 소비 절감이 실현된다. 이것은 이덕터가 차압의 원리로 작동하고, 액체 구동 측의 더 높은 유입구 압력이 더 많은 저압 증기 압축 용량을 가능하게 한다는 사실에 기인한다.
기술 종래 (펌프 없이) 저감 에너지 설계 (펌프와 함께) 저감 에너지 설계
에틸렌 생성률 tpa 1,000 1,000 1,000
에틸렌 냉동 시스템 전력 소비 hp 8,300 8,249 8,151
[0026] 본 개시내용이 현재 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시내용을 그러한 실시예들로 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 점이 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 것이다. 따라서 첨부된 청구항들 및 그 등가물들에 의해 정의된 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 개시된 실시예들에 대해 다양한 대안 실시예들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 점이 고려된다.

Claims (20)

  1. 다단식 냉동 시스템으로서,
    제1 증기 라인 그리고 액체 소스와 초임계(supercritical) 유체 소스 중 하나의 소스와 유체 연통하는 이덕터(eductor);
    상기 이덕터와 유체 연통하는 플래시 드럼(flashdrum) ― 상기 플래시 드럼은 제2 증기 라인, 상기 플래시 드럼의 바닥의 액체 라인 및 2상 유체 라인에 연결됨 ―;
    제1 팽창 밸브 ― 상기 제1 팽창 밸브는 상기 액체 라인 그리고 상기 플래시 드럼 및 상기 제1 팽창 밸브로부터 하류의 냉각된 2상 유체 라인에만 연결됨 ―;
    상기 냉각된 2상 유체 라인과 유체 연통하며 상기 제1 증기 라인에 연결되는 다른 플래시 드럼; 및
    상기 이덕터의 상류에 위치되며 상기 액체 소스 및 상기 초임계 유체 소스 중 하나의 소스와 유체 연통하는 펌프를 포함하는,
    다단식 냉동 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다른 플래시 드럼에 연결된 다른 액체 라인을 더 포함하는,
    다단식 냉동 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 다른 액체 라인과 유체 연통하며 다른 냉각된 2상 유체 라인에 연결된 제2 팽창 밸브를 더 포함하는,
    다단식 냉동 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 증기 라인의 압력은 상기 제2 증기 라인의 압력보다 더 낮은,
    다단식 냉동 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 소스와 상기 초임계 유체 소스 중 하나의 소스에서의 압력은 상기 제1 증기 라인의 압력보다 더 높은,
    다단식 냉동 시스템.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 다른 냉각된 2상 유체 라인과 유체 연통하며 제3 증기 라인에 연결된 어큐뮬레이터; 및
    상기 제1 증기 라인, 상기 제2 증기 라인, 상기 제3 증기 라인 및 상기 이덕터와 유체 연통하는 다른 어큐뮬레이터를 더 포함하는,
    다단식 냉동 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 소스와 상기 초임계 유체 소스 중 하나의 소스는 에틸렌을 포함하는,
    다단식 냉동 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 소스와 상기 초임계 유체 소스 중 하나의 소스는 에탄을 포함하는,
    다단식 냉동 시스템.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 증기 라인의 압력은 상기 제2 증기 라인의 압력보다 적어도 4배 더 낮은,
    다단식 냉동 시스템.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 액체 소스와 상기 초임계 유체 소스 중 하나의 소스에서의 압력은 상기 제1 증기 라인의 압력보다 적어도 34배 더 높은,
    다단식 냉동 시스템.
  11. 다단식 냉동을 위한 방법으로서,
    제1 액체 흐름과 초임계 유체 흐름 중 하나를 적어도 600 psig의 압력으로 이덕터 내로 유입시키는 단계;
    부분 액화를 달성하고 제1 증기 흐름 그리고 상기 액체 흐름과 상기 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름을 포함하는 2상 유체 흐름을 생성하기 위해 상기 제1 증기 흐름을 상기 이덕터 내로 유입시키는 단계;
    제2 액체 흐름 및 제2 증기 흐름을 생성하기 위해 상기 2상 유체 흐름을 플래시(flash)하는 단계;
    냉각된 2상 유체 흐름을 생성하기 위해 상기 제2 액체 흐름을 팽창시키는 단계; 및
    상기 제1 증기 흐름 및 제3 액체 흐름을 생성하기 위해, 상기 냉각된 2상 유체 흐름을 플래시하는 단계를 포함하는,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    다른 냉각된 2상 유체 흐름을 생성하기 위해 상기 제3 액체 흐름을 팽창시키는 단계를 더 포함하는,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 증기 흐름의 압력은 상기 제2 증기 흐름의 압력보다 더 낮은,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 증기 흐름의 압력은 상기 제2 증기 흐름의 압력보다 적어도 4배 더 낮은,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 액체 흐름과 상기 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름의 압력은 상기 제1 증기 흐름의 압력보다 더 높은,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 액체 흐름과 상기 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름의 압력은 상기 제1 증기 흐름의 압력보다 적어도 34배 더 높은,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 액체 흐름과 상기 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름은 에틸렌을 포함하는,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 액체 흐름과 상기 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름은 에탄을 포함하는,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  19. 제12 항에 있어서,
    상기 다른 냉각된 2상 유체 흐름으로부터의 잔류 응결을 유지하고 제3 증기 흐름을 생성하는 단계를 더 포함하는,
    다단식 냉동을 위한 방법.
  20. 제11 항에 있어서,
    액체 냉매 흐름으로부터의 잔류 증기를 유지하는 단계; 및
    상기 제1 액체 흐름과 상기 초임계 유체 흐름 중 하나의 흐름을 생성하는 단계를 더 포함하는,
    다단식 냉동을 위한 방법.
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