KR20230052271A - 비-메탄 탄화수소를 전환하여 그로부터 수소 가스 및/또는 메탄 가스를 회수하는 방법 및 시스템 - Google Patents

비-메탄 탄화수소를 전환하여 그로부터 수소 가스 및/또는 메탄 가스를 회수하는 방법 및 시스템 Download PDF

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stream
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로버트 테리 케논
딘 씨. 호아글란
스코트 뷔. 존슨
찰스 로버트 라피에르
카렌 리제스 델핀
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프로테움 에너지, 엘엘씨
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Abstract

본 개시내용은 비-메탄 탄화수소 가스를 주로 수소 가스 스트림 및 주로 메탄 가스 증기를 포함하는 다중 생성물 가스 스트림으로 변환하기 위해 배열되고 설계된 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 탄화수소 가스 스트림은 일정량의 플레어 가스 또는 기타 탄화수소 액체 또는 가스 공급물을 수용함으로써 개질, 분해 또는 전환되어 합성 가스 스트림 및 메탄 가스 스트림을 형성하며, 탄화수소 공급물의 양은 소정량의 메탄과 소정량의 비-메탄 탄화수소를 포함한다. 합성가스(syngas)에 함유된 수소는 순수한 수소 가스 스트림으로 분리될 수 있다. 상응하는 가스 전환 시스템은 탄화수소 공급물/증기 혼합물을 제공하는 과열기, 합성 기체 형성을 위한 중질 탄화수소 반응기, 및 합성 기체의 수소 부분을 회수하기 위한 수소 분리기를 포함할 수 있다.

Description

비-메탄 탄화수소를 전환하여 그로부터 수소 가스 및/또는 메탄 가스를 회수하는 방법 및 시스템
관련 출원의 교차 참조
미국 임시 출원 63/049,022호(2020년 7월 7일 출원)에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 인용되어 포함된다.
개시내용의 배경
기술분야
본 개시내용은 비-메탄 탄화수소 가스 및 액체를 주로 수소 가스 스트림 및 주로 메탄 가스 증기를 포함하는 다수의 생성물 가스 스트림으로 변환하기 위해 배열되고 설계된 방법, 시스템 및 장치에 관련된 것이다.
유정은 종종 유정과 관련된 소정량의 천연 가스(본원에서 "관련 가스" 및 "플레어(flare) 가스"라고도 함)를 가지고 있다. 원유와 천연 가스는 유정에서 함께 추출되며, 천연 가스와 원유는 분리되어야 한다. 인프라가 충분하지 않거나 경제적으로 어려운 외딴 지역에서는 이 관련 가스가 플레어를 일으킬 수 있다. 플레어 발생 공정은 이산화탄소와 휘발성 유기 화합물 배출을 유발하며, 환경 보호를 위해 제거 대상이 되고 있다. 또한 플레어 발생 공정은 상기 관련 가스를 비생산적으로 연소시켜 상당량의 가치 있는 에너지를 낭비하며, 이러한 낭비에 대한 연구를 증가시키는 것이 관심의 대상이 되고 있다.
유정과 관련된 천연 가스에는 메탄(C1) 이외의 알칸, 예컨대 에탄(C2), 프로판(C3) 및 부탄(C4)이 많을 수 있다. 이러한 더 높은 탄소수의 알칸은 메탄에 비해 높은 열량 값을 가지며, 천연 가스 엔진 및 기타 응용 분야에서 통상적인 연료로 사용하기 위한 한계를 초과하는 발열가를 갖는 관련 가스를 초래할 수 있다. 용도의 사양과 일치하는 범위로 상기 관련 가스의 발열량을 줄이기 위해 대부분의 C2+ 탄화수소는 종종 제거되어 통상적인 연료로 사용할 수 있는 메탄-풍부 가스를 생성한다. 메탄-풍부 가스가 생성되는 이러한 가스 컨디셔닝 공정은, 일반적으로 천연 가스 액체("NGL")로 지칭되고 일반적으로 연료로 사용할 수 없는 높은 발열량의 C2+ 탄화수소로 주로 구성된 부산물 스트림을 생성한다. 부산물 NGL은 일반적으로 추가 처리를 위해 외부로 운송되며, 이는, 상기 관련 가스를 통상적인 연료로 사용하는 비용과 복잡성을 가중시킨다.
NGL 분리를 위한 가장 일반적인 원격 처리 기술에는 기계적 냉장 장치("MRU"), 주울-톰슨 스키드("JT Skid": Joule-Thompson Skid) 및 막 시스템이 포함된다. 각각의 이러한 방법은 사용 가능한 메탄-풍부 가스를 제공하기 위해 NGL의 일부를 분리하지만, 또한 일반적으로 사용할 수 없는 높은 발열량의 NGL 스트림을 생성하고, 이 스트림은 처리하기 위해 수집되고 저장되고 궁극적으로 외부로 운송되어야 하므로 전체 비용 및 복잡성이 가중된다. 전체 관련 가스 스트림을 액화 가스("GTL": gas-to-liquid)라고 하는 액체 연료로 변환하는 대안은 지금까지는 현장에서 관련 가스를 처리하는 데 필요한 규모에서 비경제적인 것으로 입증되어 왔다. 두 공정 모두 에너지 집약적이며, 일반적으로 현장 전력 생성이 필요하다.
이러한 방법은, 종종 가스를 통상적인 연료로 사용할 수 없게 만드는 관련 가스의 과도한 NGL 함량은 해결하지만, NGL 분리, 저장 및 운송의 추가 부담으로 인해 관련 가스를 연료로 사용하는 비용과 복잡성을 증가시킨다. 관련 가스가 통상적인 연료로 사용되는 경우, 일반적으로 엔진의 성능이 저하되어 성능과 효율성이 크게 저하된다. 또한, 관련 가스를 연료로 사용하면 배출 가스가 증가하고 엔진 수명이 단축될 수 있다.
탄화수소 스트림에서 수소를 생산하는 방법이 존재하지만, 규모 및 에너지 요건으로 인해 지금까지 이러한 방법을 특히 원격 분산 발전 용도에 경제적으로 적용할 수 없었다. 예를 들어, 수소 가스는 탄화수소의 열화학적 해리, 물의 전기분해 및 유기 바이오매스의 혐기성 분해를 포함한 여러 가지 상이한 공정을 사용하여 생산할 수 있다. 수소는 중앙 집중식 대규모 플랜트 또는 분산된 소규모 시설에서 생산할 수 있다. 상기 두 가지 접근 방식 사이에는 비용 트레이드오프가 있어서, 중앙 집중식 생산은 생산 비용의 감소를 제공하지만, 이와 반대로 분산 생산의 경우는 주로 규모의 경제 결핍으로 인해 분산 비용이 증가된다.
가장 저렴하고 가장 일반적인 수소 생산 방법은 증기 메탄 개질("SMR": steam methane reforming)이다. 이 공정은 메탄 가스를 포함하는 탄소 및 수소 분자를 분리하는 데 필요한 고온으로 인해 복잡하고 에너지 집약적이며, 따라서 대규모 중앙 집중식 시설에서만 상업적으로 실행 가능하다. 대규모 통합된 시설에서의 수소 생산 및 사용은 경제적으로는 실행가능하지만, 이러한 수소의 원격 사용은 수소의 높은 저장 및 운송 비용으로 인해 대체 연료 공급원과 경쟁하기에는 비용이 너무 많이 든다. 물 전기분해는 분산 생산에 더 적합하지만, 공정의 높은 에너지 요구사항으로 인해 수소 생산 비용은 지금까지는 비경제적인 것으로 입증되었다.
Steill 등의 미국 특허출원공개 2019/0024003호는, 증기 개질기 장치 시스템을 사용하여 소정 부피의 메탄 및 소정 부피의 다른 알칸에서 상기 다른 알칸을 세정해낼 수 있는 관련 가스를 전환시켜 합성 가스를 생성하는 방법 및 시스템으로 이러한 문제를 해결한다. 개시된 방법은, 이어서 합성 가스를 추가로 처리하여 이를 메탄-풍부 공정 가스로 전환시키고, 이를 플레어 가스와 조합하여 특정 열량 값 및 메탄가를 갖는 농축된 생성물 가스를 형성할 수 있다.
다양한 양태에서, 본 개시내용은, 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소(예를 들어, 가스) 공급물 스트림으로부터 수소 가스 스트림, 이산화탄소 가스 스트림 및 가스 스트림 생성물 중 하나 이상을 형성하기 위한 탄화수소(예를 들어, 가스) 전환 시스템에 관한 것이다. 본원에서 사용되는, 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 가스 전환 시스템에 대한 언급은, 예를 들어 상기 시스템 공급물의 성분으로서 기화된 액체 탄화수소를 처리할 때, 보다 일반적으로 각각 탄화수소 공급물 및 탄화수소 전환 시스템에 적용되거나, 달리 이들과 상호교환적으로 사용될 수 있다.
일 양태에서, 본 개시내용은, 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물(또는 탄화수소 공급물) 스트림을 전환하여 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 메탄을 포함하는 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나를 형성하기 위한 탄화수소 전환 시스템에 관련된 것이다. 탄화수소 전환 시스템은, 예를 들어 중질 탄화수소 개질(HHR) 모듈을 단독으로 포함하거나, 이산화탄소 분리기 또는 모듈, 합성 천연 가스(SNG) 모듈, 수소 분리기 또는 분리기 모듈, 및/또는 메탄 분리기 또는 분리기 모듈과 같은 하나 이상의 다른 모듈 또는 유닛 조작과 조합하여 포함하는, 모듈식 시스템일 수 있다. 모듈식 설계를 사용하면, HHR 모듈은, 조작 조건을 조정함으로써 단일의 일관된 유닛 조작 세트를 사용하여 일차적인 수소와 메탄 성분 간에 목표로 하는 선택가능한 분포를 가진 플랫폼 가스 유출물을 제공할 수 있다는 점에서 유연할 수 있다. HHR 모듈 플랫폼 가스 유출물의 유연성은 추가의 하류 유닛 조작 모듈을 선택하여 소정의 사용자의 요구에 특별히 상응하는 연료 생성물 유출물을 제공할 수 있게 한다.
중질 탄화수소 개질(HHR) 모듈은, 탄화수소 가스 공급물 스트림을 수용하기 위한 제1 유입구; (예를 들어, 하류 SNG 모듈, 보충수 또는 초기 부하를 위한 신선한 물로부터 재순환된) 시스템 수를 수용하기 위한 제2 유입구; 선택적으로, 시스템 수(예를 들어, 보충수 또는 신선한 물 만)를 수용하기 위한 제3 유입구(이때, 제2 유입구는 이어서, 재순환된 하류 물에만 사용됨); 및 메탄 및 수소(예를 들어, 및 탄소 산화물, 그러나 실질적으로 감소된 물(예를 들어, 약 2 몰% 이하))를 포함하는 플랫폼 가스를 전달하기 위한 제1 유출구를 포함한다. 플랫폼 가스는 더 이상의 하류 모듈이 없을 때는 생성물 가스일 수 있다. 대안적으로, 플랫폼 가스는 분리 및/또는 반응을 위해 하나 이상의 추가의 하류 모듈에 공급되는 중간 가스일 수 있다. HHR 모듈은 추가로, (i) 시스템 수를 수용하고 (ii) 증기를 배출하도록 구성된 증기 발생기; 및 (i) 제1 유입구로부터의 탄화수소 가스 공급물 스트림과 증기 발생기로부터의 증기를 혼합물로 포함하는 공급물 가스를 수용하고 (ii) 공급물 가스를 사전-결정된 온도 범위로 과열시켜 과열된 공급물 가스를 형성하도록 구성된 과열기(또는 공정 가열기)를 포함한다. HHR 모듈은 추가로 제1 반응기(또는 HHR 반응기)를 포함하며, 이는, 제1 촉매(예를 들어, 적어도 하나의 촉매, 둘 이상의 촉매, 상이한 촉매들의 층을 포함하는 촉매 충전물)를 함유하고, 제1 반응기와 유체 연통하는 과열기로부터 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성된다. 제1 반응기 및 제1 촉매는, 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물, 수소, 메탄 및 물로 전환하고, 이로써 탄소 산화물, 수소, 메탄 및 물을 포함하는 제1 개질물(예를 들어, 습윤 1차 개질물)을 형성하도록 구성된다. 제1(HHR) 반응기에서, 전형적으로 실질적으로 모든 비-메탄 탄화수소가 반응되거나, 적어도, 조합된 증기 개질 및 메탄화 반응의 평형 전환에 가깝게, 예컨대 공급물에 존재하는 비-메탄 탄화수소의 적어도 95, 98, 99, 또는 99.5 몰% 전환율로 반응된다. HHR 모듈은 추가로 냉각기(cooler)(또는 보다 일반적으로 수 분리기/분리 시스템)를 추가로 포함하며, 이는, (i) 냉각기와 유체 연통하는 제1 반응기로부터 제1 개질물을 수용하고 (ii) 제1 개질물로부터 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 플랫폼 가스로서 제1 유출구와 유체 연통하는 건조된 제1 개질물(예를 들어, 약 2 몰%의 물) 및 (ii) 증기발생기(예를 들어, 그 보일러 컴포넌트) 및 제2 유입구와 유체 연통하는 재순환된 시스템 수 스트림을 제공하도록 구성된다. HHR 모듈은, 증기 발생기로 복귀되는 재순환된 시스템 수 스트림과의 조합을 위해, 다양한 모듈 실시형태에서 추가의 재순환된 시스템 수 또는 다른 공급원으로부터의 물을 수용하도록 구성된다.
모듈식(modular) 시스템 설계의 개선(refinement)에서, HHR 모듈에는 메탄 분리기, 수소 분리기, 이산화탄소 분리기 및 합성 천연 가스(SNG) 반응기 중 적어도 하나가 없다. 탄화수소 전환 시스템의 모듈식 설계를 고려할 때, HHR 모듈은 일반적으로 메탄 분리, 수소 분리, 이산화탄소 분리 및/또는 SNG 생산과 관련된 전형적인 조작의 일부 또는 전부를 수행하지 않도록 설계되며, 이러한 조작은 일반적으로, 특정 사용자가 원하는 탄화수소 전환 시스템의 최종 생성물에 따라 HHR 모듈의 상류 또는 하류에서 수행된다. 이러한 조작이 없는 (예를 들어, 해당 유닛 조작 장치가 없는) HHR 모듈은, 제1 유출구의 상류, 제1 유입구의 하류, 및/또는 제2 유입구의 하류에, 메탄 분리기, 수소 분리기, 이산화탄소 분리기 및/또는 SNG 반응기 중 하나 이상을 함유하지 않는 HHR 모듈 (또는 보다 일반적으로는 탄화수소 전환 시스템)로서 표현될 수 있다. HHR 모듈에 다양한 분리기 및/또는 SNG 반응기가 없는 경우에 조차도, HHR 모듈은 다중 개질물 스트림을 형성하기 위한 다중 반응기, 예를 들어 다중 개질물 스트림을 병렬로 형성하기 위해 병렬로 위치된 다중 HHR을 포함하여, 생산 용량을 증대시킬 수 있다. 이러한 다중 개질물 스트림은 병렬 스트림에 잔류하여 더 적은 수의 스트림 또는 단일 스트림 등으로 통합되어 후속 냉각 및 물 제거에 사용될 수 있다.
모듈식 시스템 설계의 개선에서, 탄화수소 전환 시스템에는 HHR 모듈 제1 유출구의 하류에 추가의 분리 또는 반응 장치가 없으며; 플랫폼 가스가 생성물 가스 스트림이다. 일부 실시형태에서, 플랫폼 가스는, 예를 들어 수소-풍부 터빈 연료로서 사용하기 위해, 탄화수소 전환 시스템의 최종 연료 생산물로서 사용될 수 있다. 이러한 경우, 플랫폼 가스는 그대로 사용하거나, 다른 연료 성분(예를 들어, C1 탄화수소 또는 주로 C1 및 C2를 포함하는 탄화수소 혼합물, 예를 들어 파이프라인 메탄 또는 달리 주로 메탄 스트림)과 혼합될 수 있지만, 추가 분리 및/또는 반응 단계 또는 유닛 조작을 거칠 필요는 없다.
모듈식 시스템 설계의 개선에서, 탄화수소 전환 시스템은 추가로, HHR 모듈의 제1 유출구와 유체 연통하는 이산화탄소 분리기 또는 모듈을 추가로 포함하고, 이는, (i) HHR 모듈로부터 플랫폼 가스를 수용하고 (ii) 플랫폼 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 이산화탄소 스트림, 및 (ii) 플랫폼 가스로부터의 메탄 및 수소를 포함하는 생성물 가스 스트림(예를 들어, 그 안에 이산화탄소가 감소되거나 실질적으로 없음)을 제공하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 플랫폼 가스 내의 이산화탄소의 일부 또는 실질적으로 전부가 제거되어 블루 수소-풍부 터빈 연료를 제공할 수 있으며, 이는 위의 원료(raw) 플랫폼 가스와 유사하게, C1 탄화수소 또는 주로 C1과 C2를 포함하는 탄화수소의 혼합물, 예를 들어 파이프라인 메탄 또는 달리 주로 메탄 스트림과 혼합될 수 있다. 일부 실시형태에서, 탄화수소 전환 시스템은, 예를 들어 아민 분리기 내의 아민 또는 이산화탄소 분리기 내의 다른 공정 유체를 하나 이상의 다른 모듈로부터의 공정 열을 사용하여 가열하기 위해, 통합된 복열식(recuperative) 가열 요소와 함께 이산화탄소 분리기를 포함하는 이산화탄소 분리기 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 핫-오일 가열 시스템은 SNG 반응기 유출물 및/또는 기화기로부터의 증기에 의해 가열되어 이로써 이산화탄소 분리기에 열을 제공할 수 있다.
모듈식 시스템 설계의 개선에서, 탄화수소 전환 시스템은 합성 천연 가스(SNG) 모듈을 추가로 포함한다. 실시형태에서, SNG 모듈은, 수소, 탄소 산화물, 및 선택적으로 메탄을 포함하는 SNG 공급물 스트림(예를 들어, 공급물에서 실질적으로 감소되거나 제한된 물)을 수용하기 위한 제1 유입구(이때, SNG 모듈의 제1 유입구는 HHR 모듈의 제1 유출구와 (예를 들어, SNG 모듈로의 공급물로서 그로부터 플랫폼 가스를 (직접) 수용하기 위해 그의 하류에서) 유체 연통함); 메탄을 (예를 들어, SNG 공급물 스트림의 메탄 함량보다 높은 메탄 함량으로) 포함하는 생성물 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구; 및 재순환된 시스템 수를 전달하기 위한 제2 유출구(이때, SNG 모듈의 제2 유출구는 HHR 모듈의 제2 유입구와 (예를 들어, HHR 모듈에서 재순환된 수 스트림에 추가적인 물을 제공하기 위해 그의 상류에서) 유체 연통함)를 포함한다. SNG 모듈은 추가로, (i) SNG 공급물 스트림을 수용하고 (ii) SNG 공급물 스트림을 사전-결정된 온도 범위로 가열하여 가열된 SNG 공급물 가스를 형성하도록 구성된 가열기를 포함한다. 가열기는, SNG 생성물 스트림을 냉각기에 공급하기 전에, SNG 공급물 스트림을 예열하기 위해 고온 열교환 유체로서 고온 SNG 생성물 스트림을 사용하는 복열식 열교환기의 형태일 수 있다. SNG 모듈은 추가로, 제2 촉매(예를 들어, 적어도 하나의 촉매, 둘 이상의 촉매, 상이한 촉매들의 층을 포함하는 촉매 충전물)를 함유하고 제2 반응기와 유체 연통하여 가열기로부터 가열된 SNG 공급물 가스를 수용하도록 구성된 제2 반응기(SNG)를 포함한다. 제2 반응기 및 제2 촉매는, 가열된 SNG 공급물 가스 내의 탄소 산화물 및 수소의 적어도 일부를 반응시켜 전환된 메탄 및 물로 변환시켜, 이로써 전환된 메탄 및 물을 포함하는 습윤 합성 천연 가스를 형성하도록 구성되며, 이때 합성 천연 습식 처리된 가스는 SNG 공급물 스트림보다 총 메탄 몰 분율이 더 높다. SNG 모듈은 추가로 냉각기를 포함하며, 이는, (i) 냉각기와 유체 연통하는 제2 반응기로부터 습윤 합성 천연 가스를 수용하고 (ii) 습윤 합성 천연 가스로부터 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 생성물 가스로서 제1 유출구와 유체 연통하는 건조된 합성 천연 가스 및 (ii) 제2 유출구와 유체 연통하는 재순환된 시스템 수 스트림을 제공하도록 구성된다 (예를 들어, SNG 모듈은, 추가적인 재순환 시스템 수를 HHR 모듈에 전달하여, 증기 발생기 및/또는 기화기(존재하는 경우)로 복귀되는 그 안의 재순환된 수 스트림과 조합되도록 구성된다). SNG 모듈 내의 냉각기는, 건조된 합성 천연 가스에서의 보다 완전한 수분 제거를 위한 탈수기 또는 건조기를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, SNG 모듈과의 HHR 모듈의 유체 연통은, 예를 들어 그 사이에 임의의 다른 개재(intervening) 분리기 조작 없이, HHR 모듈의 직접 또는 바로 하류에 있을 수 있다. 이는, 예를 들어, 메탄이 전체 탄화수소 전환 시스템의 일차적인 목적 생성물인 경우에 해당할 수 있다. 그러한 경우에, HHR 모듈은 상대적으로 더 낮은 온도에서 조작되어, 예를 들어 전체 플랫폼 가스에 대해 또는 플랫폼 가스 내의 메탄과 수소의 합친 양에 대해, 상대적으로 더 높은 분율의 메탄을 가진 플랫폼 가스를 제공할 수 있다.
다른 실시형태에서, SNG 모듈과 HHR 모듈의 유체 연통은 HHR 모듈의 하류에서 간접적으로 위치할 수 있어서, 예를 들어 이들 사이에 적어도 하나의 다른 개재 분리기 조작(예를 들어, HHR 모듈과 SNG 모듈 사이에 직렬로 연결된 이산화탄소 분리기 및 수소 분리기)을 갖는다. 이는, 예를 들어, 수소가 전체 탄화수소 전환 시스템의 주요 생성물인 경우에 해당할 수 있다. 그러한 경우에, HHR 모듈은 상대적으로 더 높은 온도에서 조작되어, 예를 들어 전체 플랫폼 가스에 대해 또는 플랫폼 가스 내의 메탄과 수소의 합친 양에 대해, 상대적으로 더 높은 분율의 수소를 가진 플랫폼 가스를 제공할 수 있다. 실질적으로 순수한 수소는 SNG 모듈의 상류에서 플랫폼 가스로부터 제거할 수 있으며, 잔여 미분리 수소는 플랫폼 가스로부터의 탄소 산화물과 함께 SNG 모듈에서 2차 생성물로서 메탄으로 전환될 수 있다.
모듈식 시스템 설계의 개선에서, 탄화수소 전환 시스템은 추가로, (i) 수소 가스 스트림 및 (i) 생성물 스트림으로서의 압축된 테일(tail)가스를 제공하기 위해 직렬로 연결된 이산화탄소 분리기 또는 모듈 및 수소 분리기 모듈을 포함한다. 이산화탄소 분리기는 HHR 모듈의 제1 유출구와 유체 연통하고, (i) HHR 모듈로부터 플랫폼 가스를 수용하고 (ii) 플랫폼 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 이산화탄소 스트림 및 (ii) 메탄, 수소, 및 플랫폼 가스로부터의 미분리 탄소 산화물을 포함하는 중간 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된다. 수소 분리기 모듈은, 이산화탄소 분리기로부터 중간 생성물 가스 스트림을 수용하고 이산화탄소 분리기와 (예를 들어, 그의 하류에서) 유체 연통하기 위한 제1 유입구; 수소 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구; 및 수소(예를 들어, 중간 생성물 가스 중의 수준보다 낮은 수준), 탄소 산화물, 및 메탄을 포함하는 압축된 테일 가스(예를 들어, 실질적으로 물이 없음)를 전달하기 위한 제2 유출구; (i) 중간 생성물 가스를 수용하고 (ii) 중간 생성물 가스로부터 수소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 수소 가스 스트림, 및 (ii) 수소, 탄소 산화물 및 메탄을 포함하는 테일 가스(예를 들어, 실질적으로 물이 없음)를 제공하도록 구성된 수소 분리기; 및 테일 가스를 수용하고 압축하고, 이로써, 압축된 테일 가스를 생성물 가스로서 제공하도록 구성된 압축기를 포함한다. 이 경우, 테일 가스는 특정 용도 요건에 맞는 조성으로 설계자 연료로 사용될 수 있다. 상류의 이산화탄소 분리기에서 나온 이산화탄소 스트림의 일부는 또한 이산화탄소를 계량투입하는 데 사용되어, 웨버 지수(Wobbe Index), 메탄가 등을 포함하는 연료 매개변수에 의해 측정될 때 목표 조성을 제공할 수 있다. 유사하게 테일 가스는 다른 외부 가스, 예컨대 파이프라인 메탄, SNG 모듈로부터의 합성 천연 가스 등과 혼합되어, 설계자 연료에 원하는 목표 조성을 제공할 수 있다.
모듈식 시스템 설계의 개선에서, 탄화수소 전환 시스템은 추가로, (i) 수소 가스 스트림 및 (i) 생성물 스트림으로서의 합성 천연 가스를 제공하기 위해 직렬로 연결된 이산화탄소 분리기 또는 모듈, 수소 분리기 모듈 및 SNG 모듈을 포함한다. 이산화탄소 분리기는 HHR 모듈의 제1 유출구와 유체 연통하고 (i) HHR 모듈로부터 플랫폼 가스를 수용하고 (ii) 플랫폼 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 이산화탄소 스트림 및 (ii) 메탄, 수소, 및 플랫폼 가스로부터의 미분리 탄소 산화물을 포함하는 중간 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된다. 수소 분리기 모듈은, 이산화탄소 분리기로부터 중간 생성물 가스 스트림을 수용하고 이산화탄소 분리기와 (예를 들어, 그의 하류에서) 유체 연통하기 위한 제1 유입구; 수소 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구; 및 수소(예를 들어, 중간 생성물 가스 중의 수준보다 낮은 수준), 탄소 산화물 및 메탄을 포함하는 압축된 테일 가스(예를 들어, 실질적으로 물이 없음)를 전달하기 위한 제2 유출구; (i) 중간 생성물 가스를 수용하고 (ii) 중간 생성물 가스로부터 수소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 수소, 탄소 산화물 및 메탄을 포함하는 테일 가스(예를 들어, 실질적으로 물 없음)를 제공하도록 구성된 수소 분리기; 및 테일 가스를 수용하고 압축하도록 구성된 압축기를 포함한다. SNG 모듈은, 수소, 탄소 산화물 및 선택적으로 메탄을 포함하는 SNG 공급물 스트림(예를 들어, 공급물에 실질적으로 물이 없음)을 수용하기 위한 제1 유입구(이때, SNG 모듈의 제1 유입구는 수소 분리기 모듈의 제2 유출구와 (예를 들어, 그의 하류에서) 유체 연통함); 메탄을 (예를 들어, SNG 공급물 스트림의 메탄 함량보다 높은 메탄 함량으로) 포함하는 생성물 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구; 재순환된 시스템 수를 전달하기 위한 제2 유출구(이때, SNG 모듈의 제2 유출구는 HHR 모듈의 제2 유입구와 (예를 들어, HHR 모듈에서 재순환된 수 스트림에 추가 물을 제공하기 위해 그 상류에서) 유체 연통함)를 포함한다. SNG 모듈은 추가로, (i) SNG 공급물 스트림을 수용하고 (ii) SNG 공급물 스트림을 사전-결정된 온도 범위로 가열하여 가열된 SNG 공급물 가스를 형성하도록 구성된 가열기를 포함한다. SNG 모듈은 제2 촉매를 함유하는 제2 반응기(SNG)를 추가로 포함하며, 상기 제2 반응기는 제2 반응기와 유체 연통하는 가열기로부터 가열된 SNG 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제2 반응기 및 제2 촉매는 가열된 SNG 공급물 가스의 탄소 산화물 및 수소의 적어도 일부를 반응시켜 전환된 메탄 및 물로 변환시켜, 이로써, 전환된 메탄 및 물을 포함하는 습윤 합성 천연 가스를 형성하도록 구성되며, 상기 습윤 합성 천연 가스는 총 메탄 몰 분율이 SNG 공급물 스트림보다 더 높다. SNG 모듈은 추가로 냉각기를 포함하며, 이는, (i) 냉각기와 유체 연통하는 제2 반응기로부터 합성 천연 습식 처리된 가스를 수용하고 (ii) 습윤 합성 천연 가스로부터 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 생성물 가스로서 제1 유출구와 유체 연통하는 건조된 합성 천연 가스(예를 들어, 주로 메탄, 선택적으로 소량의 미반응 수소 및/또는 탄소 산화물을 가짐) 및 (ii) 제2 유출구와 유체 연통하는 재순환된 시스템 수 스트림을 제공하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 상류 이산화탄소 분리기로부터의 이산화탄소 스트림(또는 트림 스트림)의 일부는 테일 가스 중의 본질적으로 모든 수소를 반응시키기에 충분한 양으로 (즉, 테일 가스에 이미 존재하는 일산화탄소 및 이산화탄소를 고려하여) SNG 공급 라인에 공급될 수 있다. 이러한 트림 이산화탄소는 일반적으로 테일 가스 압축 이전에 공급된다.
또 다른 양태에서, 본 개시내용은 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림으로부터 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 생성물 가스 스트림을 형성하기 위한 탄화수소 또는 가스 전환 시스템에 관한 것이다. 가스 전환 시스템은, (i) 탄화수소 가스 공급물 스트림과 물(예를 들어, 수증기/증기)을 혼합물로 포함하는 공급물 가스를 수용하고 (ii) 공급물 가스를 사전-결정된 온도 범위로 과열하여 과열된 공급물 가스를 형성하도록 구성된 과열기; 제1 촉매를 함유하는 제1 반응기로서, 상기 제1 반응기는 제1 반응기와 유체 연통하는 과열기로부터의 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 제1 반응기와 제1 촉매는 (예를 들어, 선택적 분해, 증기 개질을 통해) 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환되도록 하여, 탄소 산화물, 수소, 선택적으로 메탄 및 선택적으로 물을 포함하는 제1 개질물(예를 들어, 습윤 개질물; 반응기 생성물 유출물)을 형성하도록 구성되는, 제1 반응기; 및 (i) 수소 분리기와 유체 연통하는 제1 반응기로부터 제1 개질물을 수용하고 (ii) 상기 개질물로부터 수소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 분리된 수소를 포함하는 수소 가스 스트림, 및 별도로 (ii) 탄소 산화물을 포함하는 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된 수소 분리기(예를 들어, 막 분리기, PSA 분리기)를 포함한다. 제1 반응기는 중질 탄화수소 반응기(HHR), 예를 들어 2개 이상의 HHR 유닛이 시스템에 (예를 들어, 병렬로) 포함될 때 제1 HHR일 수 있다. 생성물 가스 스트림은, 임의의 미분리 수소뿐만 아니라 상기 개질물에 존재하는 임의의 메탄 또는 미반응 비-메탄 탄화수소를 추가로 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 개시내용은 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림으로부터 (i) 선택적으로, 수소 가스 스트림, 및 (ii) 생성물 가스 스트림을 형성하기 위한 탄화수소 또는 가스 전환 시스템에 관련된 것이다. 이 양태에서, 가스 전환 시스템은, 수소 가스를 형성하도록 조작되거나(예를 들어, HHR/HHR 모드), 대안적으로 합성 천연 가스를 형성하도록 조작되도록(예를 들어, HHR/SNG 모드), 모듈식 설계를 갖는다. HHR/HHR 모드에서는 두 개의 반응기가 병렬로 중질 탄화수소 반응기(HHR)로 조작한다. HHR/SNG 모드에서는 직렬로 연결된 2개의 반응기가 중질 탄화수소 반응기(HHR)와 합성 천연 가스(SNG) 반응기로 조작한다. 가스 전환 시스템은, (i) 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 물을 혼합물로 포함하는 공급물 가스를 수용하고 (ii) 상기 공급물 가스를 사전-결정된 온도 범위로 과열시켜 과열된 공급물 가스를 형성하도록 구성된 과열기; 제1 촉매를 함유하는 제1 반응기(예컨대, 제1 HHR)로서, 상기 제1 반응기는 상기 제1 반응기와 유체 연통하는 상기 과열기로부터 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제1 반응기 및 상기 제1 촉매는 (예를 들면, 선택적 분해, 증기 개질을 통해) 상기 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소, 및 선택적으로 메탄을 포함하는 제1 개질물(예를 들어, 습윤 개질물; 반응기 생성물 유출물)을 형성하는, 제1 반응기; 및 제2 촉매(예를 들어, 제1 촉매와 동일함)를 함유하고, 중질 탄화수소 반응기로서의 제1 모드 또는 합성가스(syngas) 반응기로서의 제2 모드에서 (예를 들어, 두 가지 대안적 조작 모드 중 하나로) 조작되도록 구성된 제2 반응기(예를 들어, 제2 중질 탄화수소 반응기 또는 제1 합성가스 반응기)를 포함한다. 제1 모드(HHR)에서, 제2 반응기는, 상기 제2 반응기와 유체 연통하는 과열기로부터의 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되며, 상기 제2 반응기와 제2 촉매는 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 (예를 들면, 선택적 분해, 증기 개질을 통해) 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 제2 개질물(예를 들어, 습윤 개질물; 반응기 생성물 유출물)을 형성하도록 구성된다. 제2 모드(SNG)에서, 제2 반응기는, 제2 반응기와 유체 연통하는 제1 반응기로부터 (예를 들어, 냉각 및 물 분리 후) 제1 개질물을 수용하도록 구성되며, 상기 제2 반응기 및 제2 촉매는 제1 개질물 내의 탄소 산화물 및 수소의 적어도 일부를 전환된 메탄으로 전환시켜, 이로써 상기 전환된 메탄을 포함하는 합성 천연 습식 처리된 가스를 형성하도록 구성되고, 상기 합성 천연 습식 처리된 가스는 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림보다 더 높은 총 메탄 몰분율을 갖는다. 예를 들어, 메탄은, 탄화수소 가스 공급물 스트림에 원래 존재하는 메탄, 평형 증기 개질 반응의 메탄화/역반응을 통해 제1 반응기에서 형성된 메탄, 및/또는 합성가스 전환을 통해 제2 반응기에서 형성된 메탄의 조합에 기초하여 상기 합성 천연 습식 처리된 가스에 존재할 수 있다.
상기 모드형(modal) 가스 전환 시스템은 추가로 제1 유동 분할기(flow splitter)를 포함하며, 이는, 제1 유동 분할기와 유체 연통하는 상기 과열기로부터 상기 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되며, (i) 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 상기 제1 유동 분할기는 상기 과열된 공급물 가스의 적어도 일부를 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 모두에 병렬로 공급하여, 이들 각각이 상기 과열된 공급물 가스의 일부와 유체 연통하고 이를 수용하도록 구성되게 하고, (ii) 제2 반응기의 제2 모드(SNG)에서, 상기 제1 유동 분할기는 (A) 상기 과열된 공급물 가스의 적어도 일부를 제1 반응기로 공급하고 (B) 상기 과열된 공급물 가스의 제2 반응기로의 유동을 방지하도록 구성된다 (예를 들어, 유동 분할 없이 과열된 공급물 가스는 제1 반응기로만 공급됨).
상기 모드형 가스 전환 시스템은 추가로, 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기와 (예를 들어, 각각의 유출구에서) 유체 연통하는 제1 유동 혼합기를 포함하며, (i) 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 상기 제1 유동 혼합기는 제1 개질물 및 제2 개질물을 수용하여 단일 개질물로 조합하도록 구성되고 (예를 들어, 제1 개질물 및 제2 개질물은 단일 개질물로 조합되어 존재하는 경우 수소 분리기에 공급될 수 있음), (ii) 제2 반응기의 제2 모드(SNG)에서, 상기 제1 유동 혼합기는 제1 개질물만을 수용하도록 구성된다 (예를 들어, 제2 반응기로부터의 유출물 또는 다른 유동이 제1 유동 혼합기로 유입되거나 달리 제1 개질물과 조합되지 않음).
상기 모드형 가스 전환 시스템은 추가로, 상기 제1 유동 혼합기와 유체 연통하는 제2 유동 분할기를 포함하며, (i) 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 상기 제2 유동 분할기는 (A) 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물을 수용하고 (B) 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물의 제2 반응기로의 유동을 방지하도록 구성되고 (예를 들어, 조합된 개질물을 물 분리를 위해 냉각기로 보낸 후 수소 분리기로 보냄), (ii) 제2 반응기의 제2 모드(SNG)에서, 상기 제2 유동 분할기는 (A) 제1 개질물만을 수용하고 (B) 제1 개질물의 적어도 일부를 제2 반응기에 공급하도록 구성된다 (예를 들어, 임의의 하류의 수소 분리기를 바이패스하여 단일 개질물을 메탄 생성을 위해 직렬로 제2 반응기로 보냄).
일 실시형태에서, 모드형 가스 전환 시스템은 수소 분리기를 추가로 포함하며, 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 수소 분리기는 (i) 수소 분리기와 유체 연통하는 제2 유동 분리기로부터 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물을 수용하고, (ii) 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물로부터 수소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 분리된 수소를 포함하는 수소 가스 스트림, 및 별도로 (ii) 탄소 산화물을 포함하는 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된다.
탄화수소 가스 공급물 스트림은, 임의의 양태에서, 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함한다. 즉, 일부 실시형태에서, 탄화수소 가스 공급물은 메탄을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 탄화수소 가스 공급물은 메탄을 배제하거나 달리 실질적으로 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 메탄은, 개시된 시스템에 대한 공급물로서 사용될 수 있는 플레어 가스/관련 가스 스트림에 존재하지만, 이러한 메탄은, 상류의 주울-톰슨(Joule-Thompson)(JT) 또는 기타 NGL 분리의 경우, 탄화수소 가스 공급물 스트림의 선택적인 성분이다. 다른 실시형태에서, 플레어 가스/관련 가스 스트림 이외의 공급원료(예를 들어, 프로판 또는 다른 공급물 가스)가 사용될 때, 메탄은 탄화수소 가스 공급물 스트림에 없을 수 있다. 탄화수소 공급물 스트림은 액체이거나, 액체를 기화시켜 형성된 기체일 수 있다.
개질물 스트림(들)은, 임의의 양태에서, 유사하게, 그의 탄소 산화물 및 수소 성분 이외에 선택적 성분으로서 메탄을 포함한다. 메탄은, 탄화수소 가스 공급물 스트림에 존재하는 메탄, 평형 증기 개질 반응의 메탄화/역반응을 통해 제1 반응기에서 형성된 메탄, 및/또는 (예를 들어, 제2 반응기가 HHR/SNG 조작 모드에서와 같이 SNG 반응기로서 조작될 때) 합성가스 전환을 통해 제2 반응기에서 형성된 메탄을 기반으로 개질물에 존재할 수 있다.
건조 개질물 또는 플랫폼 가스는, 임의의 양태에서, 주로 메탄 및 수소와 함께 상당량의 이산화탄소 및 전형적으로 적어도 약간의 일산화탄소 및/또는 물을 포함한다.다양한 실시형태에서, 개질물 또는 플랫폼 가스의 특정 조성은 HHR 모듈의 제1 반응기에서의 증기:탄소 비 및 반응 온도를 변화시킴으로써 상대적으로 넓은 범위 내에 있도록 선택되고 제어될 수 있다. 예를 들어, 플랫폼 가스의 메탄 함량은 10 내지 80 몰%, 예를 들어 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 또는 60 몰% 및/또는 최대 30, 40, 50, 60, 70, 또는 80 몰% 범위일 수 있다. 플랫폼 가스의 수소 함량은 10 내지 70 몰%, 예를 들어 적어도 10, 20, 30, 40, 또는 50 몰% 및/또는 최대 30, 40, 50, 60, 또는 70 몰% 범위일 수 있다. 플랫폼 가스의 이산화탄소 함량은 5 내지 30 몰%, 예를 들어 적어도 5, 8, 10, 또는 12 몰% 및/또는 최대 12, 16, 20, 24, 또는 30 몰% 범위일 수 있다. 플랫폼 가스의 일산화탄소 함량은 0.01 내지 10 몰%, 예를 들어 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 1, 2, 3, 5, 7, 또는 10 몰% 범위일 수 있다. 플랫폼 가스의 물 함량은 0.01 내지 5 몰%, 예를 들어 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 0.5, 1, 2, 3, 또는 5 몰% 범위일 수 있다.
HHR 모듈이 원하는 또는 목표 생성물로서 수소를 선호하도록 조작되는 경우, 플랫폼 가스의 수소 함량은 30 내지 70 몰% 범위, 예를 들어 적어도 30, 35, 40, 45, 또는 50 몰% 및/또는 최대 50, 55, 60, 65, 또는 70 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 메탄 함량은 10 내지 50 몰%, 예를 들어 적어도 10, 15, 20, 25, 또는 30 몰% 및/또는 최대 30, 35, 40, 45, 또는 50 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 이산화탄소 함량은 5 내지 30 몰%, 예를 들어 적어도 5, 8, 10, 또는 12 몰% 및/또는 최대 12, 16, 20, 24, 또는 30 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 일산화탄소 함량은 0.1 내지 10 몰%, 예를 들어 적어도 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 1, 2, 3, 5, 7, 또는 10 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 물 함량은 0.01 내지 5 몰%, 예를 들어 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 0.5, 1, 2, 3, 또는 5 몰% 범위일 수 있다.
HHR 모듈이 원하는 또는 목표 생성물로서 메탄을 선호하도록 조작되는 경우, 플랫폼 가스의 메탄 함량은 50 내지 80 몰% 범위, 예를 들어 적어도 50, 55, 60, 65, 또는 70 몰% 및/또는 최대 60, 65, 70, 75, 또는 80 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 수소 함량은 10 내지 40 몰%, 예를 들어 적어도 10, 15, 20, 또는 25 몰% 및/또는 최대 20, 25, 30, 35, 또는 40 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 이산화탄소 함량은 5 내지 30 몰%, 예를 들어 적어도 5, 8, 10, 또는 12 몰% 및/또는 최대 12, 16, 20, 24, 또는 30 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 일산화탄소 함량은 0.01 내지 3 몰%, 예를 들어 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 1, 2, 또는 3 몰% 범위일 수 있다. 유사하게, 플랫폼 가스의 물 함량은 0.01 내지 5 몰%, 예를 들어 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 0.5, 1, 2, 3, 또는 5 몰% 범위일 수 있다.
합성 천연 가스는, 임의의 양태에서, 주로 메탄을, 가능하게는 소량의 미반응 탄소 산화물 및/또는 수소, 및 전형적으로 적어도 약간의 물과 함께 포함한다. 예를 들어, 습윤 합성 천연 가스는 약 70 내지 90 몰%, 예를 들어 적어도 70, 75, 또는 80 몰% 및/또는 최대 80, 85, 또는 90 몰%의 양으로 메탄을 포함할 수 있다. 유사하게, 습윤 합성 천연 가스는 약 10 내지 25 몰%, 예를 들어 적어도 10, 12, 또는 15 몰% 및/또는 최대 15, 20, 또는 25 몰%의 양으로 물을 포함할 수 있다. 유사하게, 습윤 합성 천연 가스는 약 0.1 내지 5 몰%, 예를 들어 적어도 0.1, 0.2, 0.5, 또는 1 몰% 및/또는 최대 1, 2, 3, 또는 5 몰%의 양으로 조합된 양의 탄소 산화물 및/또는 수소를 포함할 수 있다. 수분 제거 후, 건조된 합성 천연 가스는 약 92 내지 99 몰%, 예를 들어 적어도 92, 94, 96, 또는 98 몰% 및/또는 최대 95, 97, 98, 또는 99 몰%의 양으로 메탄을 포함할 수 있다. 유사하게, 건조된 합성 천연 가스는 0.01 내지 5 몰%, 예를 들어 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 0.5, 1, 2, 3, 또는 5 몰%의 양으로 물을 포함할 수 있다. 유사하게, 건조된 합성 천연 가스는 약 0.1 내지 5 몰%, 예를 들어 적어도 0.1, 0.2, 0.5, 또는 1 몰% 및/또는 최대 0.5, 1, 2, 3, 또는 5 몰%의 양으로 조합된 양의 탄소 산화물 및/또는 수소를 포함할 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 과열기를 생략하거나 과열기를 반응기 유닛 조작에 통합할 수 있다. 예를 들어, 과열기가 제1 및/또는 제2 반응기에 통합되어, 반응기가 탄화수소 가스 공급물 스트림 이외에 물을 수용한 다음 혼합된 두 성분을 과열시켜 반응기에서 과열된 공급물 가스를 형성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템에 대한 유입물은 이미 일부 다른 공급원으로부터의 탄화수소 가스 공급물 및 물을 포함하는 과열된 공급물 가스의 형태일 수 있으며, 이 과열된 공급물 가스는 이후에 반응기(들)에 공급될 수 있다.
개시된 탄화수소 또는 가스 전환 시스템, 그의 컴포넌트 및 그의 모듈의 다양한 개선이 가능하다.
하나의 개선에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 추가로, (i) 상기 시스템 수를 수용하고 (ii) 증기를 배출하도록 구성된 증기 발생기; 및/또는 탄화수소 가스 공급물 스트림을 수용하기 위한 유입구와 유체 연통하고 유출물 증기를 수용하기 위한 증기 발생기와 유체 연통하는 혼합기(예를 들어, 혼합 밸브 시스템)를 포함하며, 혼합기는 (i) 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 상기 증기의 적어도 일부를 유동 제어하고 (ii) 공급물 가스를 혼합기와 유체 연통하는 과열기로 배출하도록 구성된다. 시스템 수는 재순환된 시스템 수 및/또는 증기 발생기와 유체 연통하는 탱크/저장소 시스템 컴포넌트로부터 공급되는 물을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 개질물 또는 플랫폼 가스의 특정 조성은 HHR 모듈의 제1 반응기에서 증기:탄소 비율 및 반응 온도를 변화시킴으로써 비교적 넓은 범위 내에서 선택되고 제어될 수 있다.증기는 일반적으로 탄화수소 가스 공급물과, 생성된 공급물 가스 (및 과열된 공급물 가스)의 증기:탄소 비율이 2 내지 4, 5, 6, 또는 그 이상 범위가 되도록 혼합된다.예를 들어, 증기:탄소 비율은 메탄 생성을 촉진하기 위해 약 2.3의 값, 예컨대 적어도 2.0, 2.1, 또는 2.2 및/또는 최대 2.4, 2.5, 또는 2.6의 값을 가질 수 있다.대안적으로, 증기:탄소 비율은 수소 생산을 촉진하기 위해 약 4 또는 그 이상의 값, 예를 들어 적어도 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6, 및/또는 최대 4, 4.5, 5, 6, 7, 또는 8의 값을 가질 수 있다.증기:탄소 비율은 물의 몰과 공급물 가스 내의 탄소 원자의 몰 사이의 몰비이다 (예를 들어, 증기:탄소 비율 결정을 위해 공급물 가스 내의 1몰 에탄은 2몰의 탄소 원자를 제공함). HHR 모듈의 제1 반응기는 광범위한 온도, 예를 들어 약 400 내지 800℃ 범위에서 조작될 수 있다. 예를 들어, 제1 반응기는 메탄 생성을 촉진하기 위해 약 400 내지 550℃ 범위, 예를 들어 적어도 400, 425, 또는 450℃ 및/또는 최대 450, 475, 500, 525, 또는 550℃의 유입구 온도를 가질 수 있고, 선택적으로 유출구에서는 온도 증가 또는 감소가 거의 없거나 실질적으로 없을 수 있다 (예를 들어, 유입구의 25 또는 50℃ 이내). 대안적으로, 제1 반응기는 수소 생산을 촉진하기 위해 약 450 내지 700℃ 범위, 예를 들어 적어도 400, 425, 또는 450℃ 및/또는 최대 450, 475, 500, 525, 또는 550℃의 유입구 온도(또는 과열된 공급물 가스 온도)를 가질 수 있고, 유출구에서는 온도 증가(예를 들어, 유입구에 비하여 최소 50, 75, 100, 또는 125℃ 및/또는 최대 100, 150, 200, 또는 250℃ 증가)를 나타낼 수 있다.
하나의 개선에서, 제1 반응기를 빠져나가는 제1 개질물은 추가로 물을 포함하고; 상기 시스템은 추가로, (i) 냉각기와 유체 연통하는 제1 반응기로부터 제1 개질물을 수용하고, (ii) (예를 들어, 냉각/응축을 통해) 제1 개질물로부터 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 수소 분리기와 유체 연통하고 수소 분리기에 공급되는 건조된 제1 개질물을 제공하도록 구성된 냉각기를 포함한다. HHR 모드, SNG 모드 또는 SNG 모듈에서 조작될 때 유사한 조건이 제2 반응기에 적용된다. 상기 반응기들에서 나가는 초기(습윤) 개질물 스트림은 일반적으로 40 내지 80 몰%(또는 부피%)의 물, 예를 들어 적어도 40, 45, 50, 55, 또는 60 몰% 및/또는 최대 60, 65, 70, 75, 또는 80 몰%의 물을 함유한다. 냉각기는 일반적으로 초기 개질물 내의 물의 적어도 85%를 제거하며, 예를 들어 물의 적어도 85, 90, 95, 98, 또는 99%를 제거한다. 냉각기 또는 다른 수 분리기 시스템을 빠져나가는 건조된 개질물 스트림은 일반적으로 최대 20 몰%(또는 부피%)의 물, 예를 들어 적어도 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 또는 5 몰% 및/또는 최대 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15, 또는 20 몰%의 물을 함유한다.
냉각기의 다양한 실시형태에서, 예를 들어 HHR 모듈 및/또는 보다 일반적으로 탄화수소 또는 가스 전환 시스템에서, 냉각기는, (i) (예를 들어, 복열식 열교환기(들)의 하류에서) 제1 반응기와 유체 연통하고 그로부터의 제1 개질물의 온도를 감소시키고, 이로써 제1 개질물로부터 물을 응축시키도록 구성된 칠러(chiller); (ii) 상기 칠러와 유체 연통하고, 제1 개질물로부터 응축수를 제거하고, 이로써 플랫폼 가스 및 개질물 수 스트림을 수 분리기의 배출물로서 형성하도록 구성된, 수 분리기; 및 (iii) 상기 수 분리기로부터의 개질물 수 스트림과 유체 연통하고, 그로부터 동반된 개질물 가스(예를 들어, 탄소 산화물, 수소 및/또는 메탄)를 제거하고, 이로써, 재순환된 수 스트림을 형성하도록 구성된 탈기 장치(de-aerator)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 냉각기는, 예를 들어 복열식 열교환기에서 개질물의 열교환 및 냉각의 결과로서 응축된 소량의 물을 제거하기 위해, 칠러의 상류(예를 들어, 복열식 열교환기(들)의 하류)에 추가의 수 분리기 유닛을 포함할 수 있다. 냉각기는 일반적으로, 본질적으로 완전한 수분 제거를 위해 탈수기 또는 기타 흡수재를 포함할 필요가 없으며, 냉각 및 응축 후 남아있는 약 2 몰% 이하의 소량의 물은 SNG 모듈과 같은 하류 처리에서 허용가능하다.
하나의 개선에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 추가로, 증기 발생기와 과열기 사이에 (예를 들어, 유체 유동 면에서) 위치된 제1 열교환기로서, 증기 발생기로부터 (예를 들어, 혼합기를 통해) 공급물 가스를 제1 저온 열교환 유체로서 그리고 제1 개질물을 제1 고온 열교환 유체로서 수용하고, 이로써 과열기로 전달된 공급물 가스를 가열(및 예를 들어 제1 개질물을 냉각)하도록 구성된 제1 열교환기; 제1 유입구와 증기 발생기(또는 혼합기) 사이에 위치된 제2 열교환기로서, 제1 유입구로부터의 탄화수소 가스 공급물 스트림을 제2 저온 열교환 유체로서 그리고 (예를 들어, 제1 열교환기 고온 측으로부터/이와 유체 연통하여 전달된) 제1 개질물을 제2 고온 열교환 유체로서 수용하고, 이로써 증기와 혼합될 탄화수소 가스 공급물 스트림을 가열하여 공급물 가스를 제공(및, 예를 들어, 제1 개질물을 더 냉각)하도록 구성된 제2 열교환기; 및/또는 냉각기와 증기 발생기 사이에 위치된 제3 열교환기로서, 냉각기 및 제2 유입구로부터의 재순환된 시스템 수 스트림을 제3 저온 열교환 유체로서 그리고 (예를 들어, 제2 열교환기 고온 측으로부터/이와 유체 연통하여 전달된) 제1 개질물을 제3 고온 열교환 유체로서 수용하고, 이로써 증기 발생기(예를 들어, 그의 보일러 컴포넌트)로 전달되는 재순환된 시스템 수 스트림을 가열하고 냉각기로 전달되는 제1 개질물을 (추가로) 냉각하도록 구성된 제3 열교환기를 포함한다. 탄화수소 전환 시스템은 바람직하게는 HHR/제1 반응기 유출구로부터 열 에너지를 회수하기 위한 HHR 복열 열교환기로서 제1, 제2 및 제3 열교환기 모두를 포함한다. 그러나, 다양한 실시형태에서, 탄화수소 전환 시스템은 제1, 제2 및 제3 열교환기의 일부 포함, 전부 포함 또는 불포함 중 임의의 조합을 포함할 수 있다.
추가 개선에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 제1 반응기와 제1 열교환기 사이에 위치된 기화기 열교환기를 더 포함하고, 기화기 열교환기는 기화기 저온 열교환 유체로서 상기 시스템 수의 적어도 일부를 수용하고, 기화기 고온 열교환 유체로서 제1 개질물을 수용하고, 이로써 증기로서 증기 발생기(예를 들어, 그의 증기 드럼 저장소) 또는 그의 하류로 전달되는 시스템 수의 일부를 가열 및 기화시키도록 구성된다. 기화기에 공급되는 시스템 수의 일부는 신선한/보충 수 및/또는 냉각기로부터의 재순환된 시스템 수를 포함할 수 있다. 기화기는 제3 열교환기의 하류에 위치할 수 있고, 증기 발생기로의 복귀물과 기화기 열교환기 사이의 유동 분할을 포함할 수 있다. 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 추가로 유동 분할기를 포함할 수 있으며, 이는, (i) 상기 시스템 수(예를 들어, 유동 분할기와 유체 연통하는 제3 열교환기로부터의 재순환된 시스템 수 및/또는 보충수)를 수용하고, (ii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 증기 발생기로 전달하고, (iii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 기화기 열교환기로 전달하도록 구성된다. 유동 분할기는 시스템 수의 선택된 가변적인 상대적 양을 선택하여 증기 발생기 보일러 및 기화기로 전달할 수 있다. 한정적인 경우, 유동 분할기는 시스템 수를 증기 발생기에만 또는 기화기에만 전달할 수도 있다.
또 다른 개선에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 제1 반응기와 냉각기 사이에 위치된 기화기 열교환기를 추가로 포함하고, 상기 기화기 열교환기는 시스템 수(예를 들어, 냉각기로부터의 재순환된 시스템 수)의 적어도 일부를 기화기 저온 열교환 유체로서 수용하고 제1 개질물을 기화기 고온 열교환 유체로서 수용하고, 이로써 증기로서 증기 발생기(예를 들어, 그의 증기 드럼 저장소) 또는 그의 하류에 전달되는 시스템 수의 일부를 가열 및 기화시키도록 구성된다.
또 다른 개선에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 유동 분할기를 추가로 포함하며, 이는, (i) 상기 시스템 수(예를 들어, 제3 열교환기의 하류에서 유동 분할기와 유체 연통되어 냉각기로부터 재순환된 수 스트림)를 수용하고, (ii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 증기 발생기의 보일러 부분으로 전달하고, (iii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 증기 발생기의 증기 저장소 부분으로 (예를 들어, 존재한다면, 개재 기화기를 통해 증기로서) 전달하도록 구성된다. 이 실시형태는 또한, 기화기를 포함하지 않지만 물 라인과 함께 배관되어 기화기의 추후 설치 및 저온 측 유체로서 물 라인으로의 연결을 용이하게 하는 HHR 모듈의 업그레이드 가능한 버전을 나타낼 수 있다.
기화기는, 제1 개질물이 상대적으로 더 낮은 온도로 냉각되어 HHR 모듈 또는 보다 일반적으로 탄화수소 또는 가스 전환 시스템, 예를 들어 제1, 제2 및 제3 열교환기에서 후속되는 하류 유닛 조작이 극한의 고온에 노출되지 않도록 하여 비용을 절감하는 이점을 제공하면서도, 여전히 물, 탄화수소 공급물 및 공급물 가스 스트림을 예열하는 복열 에너지 이점을 제공한다. 제1 반응기 바로 외부의 이러한 높은 제1 개질물 온도는, 제1 반응기가 플랫폼 가스 내의 생성물 성분으로서 수소 가스를 선호하도록 조작될 때 가능하다. 기화기는 또한, 예를 들어 제1 반응기에 대한 반응물로서, 다양한 공정 사용을 위한 증기 유출물을 제공하고, 제1 반응기에 대한 증기 수요는, 일반적으로 제1 반응기가 플랫폼 가스 내의 생성물로서 수소 가스를 선호하도록 조작될 때 (즉, 이는 또한 더 높은 제1(HHR) 반응기 유출구 온도 및 온도 감소에 대한 필요에 해당함), 더 높다. 기화기 증기 유출물은 다른 공정 요소에서, 예를 들어 이산화탄소 분리기(예를 들어, 아민 분리기)에서 사용될 수 있다. 제1 반응기가 플랫폼 가스 내의 생성물로서 메탄을 선호하도록 조작되는 실시형태에서, 제1 반응기 바로 외부의 제1 개질물 온도는 일반적으로 제1 반응기에 대한 증기 수요와 비교하여 더 낮다. 그러한 경우에, 시스템 수의 상대적으로 작은 (또는 전혀 없는) 분획이 기화기 열교환기로 전달될 수 있고, 나머지는 증기 발생기(예를 들어, 보일러)로 전달될 수 있다. 따라서, 기화기는, HHR 모듈의 모듈 설계와, 고온 및 저온 영역 모두에서 조작되어 수소 또는 메탄 성분 중 어느 것을 선호하는 플랫폼 가스 생성물을 제조하는 그의 기능을 용이하게 한다. 증기 발생기 보일러에 다시 공급되는 시스템 수와 기화기에 공급되는 시스템 수 간의 가변적 분배의 선택은, 수소 또는 메탄 선호 플랫폼 가스 성분에 적합한, 습윤 개질물 및 증기 생성에 대한 가변적이고 선택 가능한 온도 감소 정도를 허용한다. 다른 실시형태에서, 열교환기로 유입되는 높은 개질물 온도를 감소시키거나 제한하기 위해 추가의 또는 대안적인 온도 제어 수단이 사용될 수 있다.
하나의 개선에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 추가로, 제2 촉매를 함유하는 제2 반응기(예를 들어, (제2) 중질 탄화수소 반응기)를 포함하며, 상기 제2 반응기는, 제2 반응기와 유체 연통하는 과열기로부터의 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되며, 상기 제2 반응기 및 제2 촉매는 (예를 들어, 선택적 분해, 증기 개질을 통해) 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환하고, 이로써 탄소 산화물, 수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 제2 개질물(예를 들어, 습윤 개질물; 반응기 생성물 유출물)을 형성하도록 구성된다. 제1 반응기 및 제2 반응기는 병렬로 위치되어, 각각이 (예를 들어, 반응기의 상류 및 과열기의 하류에 위치된 적합한 유동 분할기를 통해) 과열된 공급물 가스의 일부와 유체 연통하고 이를 수용하도록 구성된다. 제1 개질물 및 제2 개질물은 (예를 들어, 반응기의 하류 및 수소 분리기 및 냉각기(존재하는 경우)의 상류에 위치된 적합한 혼합기를 통해) 수소 분리기와 유체 연통하고 수소 분리기에 공급되는 단일 개질물로 조합된다.
하나의 개선에서, 제1 반응기 (및, 예를 들어, 존재하는 경우 제2 반응기)는 단열 반응기, 등온 반응기, 온도 증가 제어 반응기 및/또는 온도 감소 제어 반응기로서 조작되도록 구성된다. 반응기의 등온 조작은, 예를 들어 약 25, 50, 75, 또는 100℃까지의 온도차 또는 절대 온도차(△T 또는 |△T|)를 갖는, 유입구 및 유출구 반응물/생성물 스트림 사이의 상대적으로 작은 온도 구배를 포함할 수 있다. 반응기의 온도 증가-/감소-제어된 조작은, 각각, 반응물/생성물 스트림에 대해 유입구에서 유출구로의 중간 정도의 온도 증가 또는 감소를 포함할 수 있으며, 제어된 온도 증가를 위해 예를 들어 적어도 75, 100, 125, 또는 150℃ 및/또는 최대 약 125, 150, 175, 200, 250, 또는 300℃의 온도 차이(△T, 유출구-유입구)를 갖거나, 제어된 온도 감소를 위해 적어도 -125, -150, -175, -200, -250, 또는 -300℃ 및/또는 최대 -75, -100, -125, 또는 -150℃의 온도 차이(△T, 유출구-유입구)를 갖는다.
하나의 개선에서, 제1 반응기(및, 예를 들어, 존재하는 경우 제2 반응기)는, 역류 (고온) 열교환 유체를 수용하고, 이로써 제1 촉매 및 과열된 공급물 가스를 함유하는 제1 반응기의 반응 부피에 열을 제공하도록 구성된다. 보다 일반적으로, 반응기는, 주어진 반응기가 흡열 반응 또는 발열 반응을 위한 등온 반응기 또는 단열 반응기로서 조작되도록 구성되었는지 여부에 따라, 역류 또는 병류 열교환 유체를 독립적으로 수용하도록 구성된다.
적용 분야의 요구 사항에 따라, 각 반응기는 단열 또는 등온 모드에서 조작되도록 독립적으로 선택될 수 있으며, 각 반응기는 역류 또는 병류 열교환 스트림을 갖도록 독립적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 반응기 중 하나 또는 둘 다 최종 생성물로서 수소 가스 생성을 위해 HHR 모드에서 조작되고, 반응기는 등온 반응기 또는 온도 증가/감소 제어 반응기로서 적합하게 조작된다. 보다 구체적으로, 수소 생산을 위해 HHR(들)은, 양쪽 말단에서 반응기를 가열하기 위해 역류 흐름 열교환 스트림을 이용함으로써 등온적으로 또는 제어된 온도 증가 또는 감소로 조작될 수 있다. 초기 공급물은 과열기를 사용하여 예열되고, 가열 유체(고온 가스)가 있는 역류는 유출구에서 열을 도입하고 유입구에서 유출구까지 반응기 촉매층에 걸친 온도 강하를 방지하는 데 사용된다. 최종 생성물로서 메탄 가스 생성을 위한 모드형 시스템 설계에서, 하나의 반응기가 HHR 모드에서 조작되고 다른 반응기가 SNG 모드에서 조작될 때, HHR 반응기는 병렬/병류 가열 유체 유동을 사용하여 단열적으로 조작될 수 있다. SNG 반응기는, 메탄화가 발열 반응임을 감안하여, 역류를 사용(이 경우에는 냉각 유체(예를 들어, 송풍기로부터의 주변 공기) 사용)하여 반응 온도를 합리적인 범위 내로 유지하기 위해 등온으로 조작되어 반응기를 냉각한다. SNG 반응을 제한하기 위해 열을 사용할 수 있다 (예를 들어, 촉매 온도를 제어하는 대안적 방법임).
하나의 개선에서, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템은 추가로 메탄 분리기를 포함하며, 이는, (i) 비-메탄 탄화수소 및 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 예비-공급물 스트림을 (예를 들어, 플레어 가스/관련 가스 스트림으로서) 수용하고 (ii) 예비-공급물 스트림으로부터 메탄의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (예를 들어, 분리되지 않은 메탄의 잠재적인 잔류량 이외에) 비-메탄 탄화수소를 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림을, 예를 들어 기화기에서 NGL 액체 기화 후에, (예를 들어, 그 상류의 혼합기/증기 발생기를 통해) 과열기에 대한 공급물로서 제공하도록 구성된다. 메탄 분리기(또는 NGL 분리기)는, 메탄 및 비-메탄 탄화수소를 모두 포함하는 플레어 가스/관련 가스 스트림으로부터 다른 천연 가스 액체(NGL)로부터 메탄을 분리하기 위한 임의의 적합한 분리기일 수 있다. 적합한 예는 주울-톰슨(JT) 분리기, 기계적 냉각 분리기, 막 분리기 등을 포함하고, 일반적으로 당업계에 알려진 분리기를 포함할 수 있다.
메탄 분리기, 탄화수소 전환 시스템 또는 HHR 모듈에 공급되기 전에, 플레어 가스/관련 가스 스트림은 먼저 (i) 생성 가스 스트림과 혼합하기 위한 바이패스/농축 스트림 (즉, 전체 수소 형성 및 분리 시스템을 바이패스함), 및 (ii) 수소 형성 및 분리를 위한 메탄 및 비-메탄 탄화수소를 모두 포함하는 공급물 스트림으로 분할될 수 있다. 메탄 분리기는 다단(multistage) 장치일 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 메탄 분리기는 제1 NGL 분리 단을 포함하여, 메탄을 가스로서 (예를 들어, 보다 적은 양의 저급 C2+ 탄화수소와 함께) 제거하고 약간의 잔류 메탄이 있는 주로 C2+ 탄화수소의 제2 유출물을 가질 수 있다. 분리된 주로 메탄 가스 스트림은 제2 바이패스/농축 스트림으로 사용되는 반면, NGL 분리에서 나오는 액체 유출물은 NGL 실행 탱크로 전달되며, NGL 실행 탱크 이전 또는 그 내에서 더 경질 탄화수소(예를 들어, 메탄, 에탄, 프로판 등)가 기화되기 시작하고, 이는 탱크의 압력 상승을 방지하기 위해 배기되어야 한다. 따라서, NGL 실행 탱크로부터의 가스 유출물은, 메탄 및 소량의 저급 C2+ 탄화수소를 포함하는 제3 바이패스/농축 스트림을 포함하고, NGL 실행 탱크로부터의 액체 유출물은 주로 C2+ 탄화수소를 포함하고 메탄은 더 적게 포함된다. 바이패스/농축 및 공급물 스트림으로의 분할은 메탄 분리기 사용 여부와 관계없이 수행할 수 있다. 적합하게는, 최대 3개의 혼합/농축 단을 사용할 수 있어서, (1) 초기 공정 가스 스트림은 NGL 실행 탱크 배기 가스와 혼합되어 초기 생성물 가스 스트림을 형성할 수 있고, (2) 초기 생성물 가스 스트림은 메탄(예를 들어, JT) 분리로부터의 경질 기체(주로 메탄)와 혼합되어 제2 생성물 가스 스트림을 형성할 수 있고, (3) 제2 생성 가스 스트림은 원료 공급물 스트림(예를 들어, 본원에서는 예비-공급물 가스)과 혼합되어 제3 생성 가스를 형성할 수 있다.
하나의 개선에서, 탄화수소 가스 공급물 스트림 내의 비-메탄 탄화수소는 C2 탄화수소, C3 탄화수소, C4 탄화수소, C5 탄화수소, C6 탄화수소 및 이들의 조합물(예를 들어, 혼합물)으로부터 선택된다. 적합한 비-메탄 탄화수소의 예는 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 및 헥산, 및 이들의 선형 및 분지형 이성질체를 포함한다. 보다 일반적으로, 비-메탄 탄화수소는 2개 이상의 탄소 원자를 갖는 탄화수소(예를 들어, "C2+ 탄화수소"), 예를 들어 6개 초과의 탄소 원자를 갖는 일부 탄화수소, 예컨대 C7+, C8+, C9+ 또는 C10+ 탄화수소 (예를 들어, 최대 C10, C12, 또는 C15), 예컨대 나프타 등을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 비-메탄 탄화수소는 산소화된 탄화수소, 예를 들어 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올 등과 같은 알콜(예를 들어, C1, C2, C3, C4, C5 또는 C6 알콜)을 포함할 수 있다. 그러한 알콜은 상기 열거된 알칸 탄화수소와 함께 또는 상기 열거된 알칸 탄화수소 대신에 포함될 수 있으며, 예를 들어 개질 반응물로서 주로 메탄올로 구성된 탄화수소 가스 공급물을 포함할 수 있다. 탄화수소 가스 공급물 스트림의 다른 비-탄화수소 성분은 이산화탄소, 질소, 수증기, 황화수소 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
하나의 개선에서, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 (즉, C2+ 탄화수소와 같은 비-메탄 탄화수소 이외에) 메탄을 포함한다. 공급원료의 특정 공급원에 따라 공급물 가스의 메탄 함량은 최대 90 몰%(또는 부피%)이며, C2+ 탄화수소가 실질적으로 공급물의 나머지 부분이다. 예를 들어, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 적합하게는 적어도 20, 30, 40, 50, 60, 또는 70 몰%, 최대 50, 60, 70, 80, 또는 90 몰%의 메탄을 함유한다. 유사하게, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 적합하게는 메탄 및 비-메탄 탄화수소 조합물 이외의 의 가스 종(예를 들어, 질소, 이산화탄소 또는 기타 불활성 가스)을 15, 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.2, 또는 0.1 몰% 미만의 양으로 함유한다.
하나의 개선에서, 탄화수소 가스 공급물 스트림에는 메탄이 실질적으로 없다. 이는, 예를 들어, 메탄이 플레어 가스/관련 가스 스트림에 존재하지만 상류 JT 또는 기타 NGL 분리 또는 분류의 경우 가스 전환 시스템으로의 공급물에는 실질적으로 존재하지 않는 경우, 또는 프로판 또는 기타 공급물 가스를 사용하는 경우에 그러할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 20 몰%(또는 부피%) 미만의 메탄을 갖는 공급물 가스를 제공하는 상류 메탄 분리의 결과일 수 있다 (C2+ 탄화수소가 실질적으로 공급물의 나머지이다). 따라서, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 메탄이 없거나 실질적으로 없을 수 있다. 다양한 실시형태에서, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 적합하게는 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 또는 5 몰% 메탄 및 최대 1, 2, 5, 10, 15, 또는 20 몰% 메탄을 함유한다. 유사하게, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 적절하게는 메탄 및 비-메탄 탄화수소의 조합물 이외의 가스 종을 15, 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.2, 또는 0.1 몰% 미만으로 함유한다. 메탄을 함유하지 않은 스트림이 초기 공급원료로 사용되는 경우, 탄화수소 가스 공급물 스트림은 적절하게는 모든 비-메탄 탄화수소의 조합물(예를 들어, 본질적으로 최대 100 몰%의 임의의 적합한 분포의 다양한 종의 C2+ 탄화수소)을 제외한 가스 종을 15, 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.2, 또는 0.1 몰% 미만으로 함유한다.
하나의 개선에서, 수소 분리기는, 연료 전지 등급 수소에 대한 최소 사양인, 수소 가스 스트림 내의 99.97 몰%(예를 들어, 몰, 부피 또는 중량 기준)의 수소 함량을 제공하도록 조정된다. 더 낮은 수소 함량은 다른 적용/용도로 가능하다. 적절하게는, 수소 분리기는, 개질물 가스 내의 수소의 90%까지 (예를 들어, 적어도 20, 30, 40, 50, 60, 또는 70% 및 최대 50, 60, 70, 80, 또는 90%의 수소 가스 스트림 내의 수소 분리 및 회수율로) 수소를 분리한다. 다양한 실시형태에서, 수소 가스 스트림은 적어도 80, 85, 90, 95, 98, 99, 99.5, 99.9, 99.97, 또는 99.99 몰% 및/또는 최대 98, 99, 99.5, 99.8, 99.9, 99.97, 99.99, 99.999, 또는 100 몰%의 수소 함량을 가질 수 있다. 수소 제거 후 남은 테일 가스에는 주로 메탄, 수소 및 일산화탄소가 포함된다. 예를 들어, 테일 가스는 약 30 내지 70 몰%, 예를 들어 적어도 30, 40, 또는 50 몰% 및/또는 최대 50, 60, 또는 70 몰%의 양으로 메탄을 포함할 수 있다. 유사하게, 테일 가스는 약 20 내지 60 몰%, 예를 들어 적어도 20, 30, 또는 40 몰% 및/또는 최대 40, 50, 또는 60 몰%의 양으로 수소를 포함할 수 있다. 유사하게, 테일 가스는 약 5 내지 30 몰%, 예를 들어 적어도 5, 10, 또는 15 몰% 및/또는 최대 15, 20, 또는 30 몰%의 양으로 일산화탄소를 포함할 수 있다. 목표 조성을 갖는 설계자 연료로서 시스템으로부터 테일 가스(또는 그 일부)가 회수되는 실시형태에서, 임의의 전술한 성분 범위가 설계자 연료에도 적용될 수 있다. 테일 가스(또는 그 일부)가 다른 성분(들), 예컨대 이산화탄소(예를 들어, 이산화탄소 분리기 또는 모듈로부터), 파이프라인 메탄, 합성 천연 가스(예를 들어, SNG 모듈로부터) 등과 혼합되어 목표 조성을 가진 설계자 연료를 제공하는 실시형태에서, 설계자 연료는 테일 가스에 대해 위에서 언급한 것 외에 대안적인 성분 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 설계자 연료는 약 50 내지 99 몰%, 예를 들어 적어도 50, 60, 70, 80, 또는 90 몰% 및/또는 최대 70, 80, 90, 95, 98, 또는 99 몰%의 양으로 메탄을 포함할 수 있다. 유사하게, 설계자 연료는 약 0.1 내지 50 몰%, 예를 들어 적어도 0.1, 1, 2, 5, 10, 20, 또는 30 몰% 및/또는 최대 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 또는 50 몰%의 양으로 탄소 산화물, 수소, 또는 탄소 산화물과 수소의 조합물을 포함할 수 있다.
하나의 개선에서, 수소 분리기는 막 분리기, 압력-스윙 흡착(PSA: pressure swing adsorption) 분리기 및 극저온 분리기로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일부 실시형태에서, 시스템은 수소 분리기의 상류 및 반응기(들) 및 냉각기의 하류에 탈수기 및/또는 압축기를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 분리는 승압, 예를 들어 최대 350 내지 600 psi 또는 400 내지 500 psi에서 수행될 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에서, 수소 분리기로 유입되는 공급물의 압력에 따라, (예를 들어, 약 20 내지 50 psi 또는 30 내지 35 psi 범위의) 유입되는 저압 공급물의 압력을 원하는 승압까지 증가시키기 위해 압축기를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 실시형태에서, 예를 들어 시스템으로 유입되는 탄화수소 공급물 가스가 승압까지 압축되는 경우, 수소 분리기 이전의 압축기가 생략될 수 있다. 적절하게는, 시스템은 또한, 도면에 도시된 바와 같은 이산화탄소 분리기, 예를 들어 수소 분리기로부터 분리된 아민 또는 다른 독립형 장치를 포함한다. 따라서, 수소 분리기는, 수소 가스 스트림, 이산화탄소 스트림 및 잔류 생성물 스트림(예를 들어, 잔류 수소, 이산화탄소, 메탄 및 비-메탄 탄화수소 등 포함)의 최대 3종의 유출물을 제공할 수 있다.
이산화탄소 제거는 가스 전환 시스템이 원하는 최종 용도에 따라 생성물 스트림을 제공할 수 있는 유연성을 허용한다. 예를 들어, 생성된 수소 가스를 "블루" 수소로 제공하기 위해 이산화탄소 제거를 사용할 수 있으며, 이는 생성물의 시장 가치를 높인다. 배경으로서, 생산되는 수소에는 하기의 세 가지 유형/등급이 있다: 1) 그레이 수소(탄소 포집 및 격리(CCS) 없이 개질에서 생산됨, 블루 수소(마찬가지로 개질에 의해 탄화수소로부터 생산되지만 CCS로 처리됨), 및 3) 그린 수소((일반적으로 풍력, 태양열 또는 원자력을 통해 제공되는 에너지를 사용한 전기 분해에 의해) 재생 공급원만으로부터 생산됨). (예를 들어, CCS를 통한) 이산화탄소 제거는 그린 이점을 제공하고, 판매 및/또는 탄소/재생 에너지 크레딧에서 또 다른 수익원을 생성할 수 있다. 이산화탄소 제거 또는 분리는 임의의 적합한 장치 또는 장치들의 조합, 예를 들어 막 분리기 및/또는 스크러버에 의해 수행될 수 있다. 일 실시형태에서, 이산화탄소 분리기는, 예를 들어 아민 접촉 탑 및 아민 회수 루프를 포함하는 전체 아민 플랜트 시스템(예컨대, 아민-계 스크러버)이다. 일산화탄소는 일반적으로 공정 스트림으로부터 제거되지 않으며, 일산화탄소는 생성물 가스에 남아 그의 연료 가치를 위해 소비/연소될 수 있거나, 또는 SNG 반응기 또는 모듈에서 반응물로서의 메탄으로 전환될 수 있다. 이산화탄소 제거 후, 생성 기체 또는 중간 생성 기체는 10 내지 90 몰%(예를 들어, 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 60, 또는 70 몰% 및/또는 최대 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90 몰%) 범위의 메탄, 10 내지 90 몰%(예를 들어, 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 60, 또는 70 몰% 및/또는 최대 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90 몰%) 범위의 수소, 0.01 내지 10 몰%(예를 들어, 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 1, 2, 3, 5, 7, 또는 10 몰%) 범위의 일산화탄소, 0.01 내지 5 몰%(예를 들어, 적어도 0.01, 0.1, 0.2, 또는 0.5 몰% 및/또는 최대 0.5, 1, 2, 3, 또는 5 몰%) 범위의 물, 및/또는 0.1, 0.01, 또는 0.001 몰% 미만의 이산화탄소를 함유할 수 있다.
생성물 스트림의 수소, 메탄 및/또는 이산화탄소 함량의 선택 및 제어는 또한, 가스 전환 시스템에게 사용자별 기준 세트(예를 들어, "설계자" 연료)에 따라 연료 스트림을 제공할 수 있는 유연성을 허용한다. 시스템 용량 및 생산은, 원하는 수소, 메탄 및/또는 이산화탄소 함량을 가진 하나 이상의 가스 스트림이 사용자 요구에 따라 생산될 수 있도록, 일차적인 수소, 메탄 및 이산화탄소 생성물 사이에서 자율적이고 독립적으로 변경될 수 있다. 가스 전환 시스템은 생성물 스트림을 제거하거나 생성물 스트림을 추가하여 특정 적용 분야에 맞는 연료를 생산할 수 있도록 하여 왕복 및 터빈 엔진 성능을 위한 최적의 연료 매개변수를 제공한다. 예를 들어, 왕복 엔진 및 터빈 엔진 제조업체는 연료 희석제(이산화탄소)와 수소(H2) 함량을 메탄-기반 연료에 대한 매우 유익한 부가사항으로 간주한다. 구체적으로, 1) 시스템은 메탄-기반 연료의 희석제 함량(이산화탄소)을 더 적은 엔진 배출물, 더 우수한 엔진 성능 및 더 긴 수명과 일치하는 목표 값으로 조정할 수 있고, 2) 시스템은 메탄-기반 연료 내의 수소 함량을 조정하여 엔진/터빈 성능에 성능, 수명 및 배출 이점을 제공할 수 있고, 3) 시스템은 발열량, C2+ 함량, 웨버(Wobbe) 지수 등과 같은 다른 매개변수를 제어하여 성능, 수명 및 배출에 이점을 제공할 수 있다. 또 다른 조작 모드에서, 시스템은, 수소 가스가 실질적으로 순수한 최종 수소 가스 생성물로 분리되지 않고 대신 연료 성분으로 포함되도록, 설계자 연료의 생산을 위한 수소 생산(예를 들어, HHR/HHR) 구성으로 사용된다. 예를 들어, 수소 가스 제거를 원하지 않고 맞춤형 메탄-기반 연료의 생산을 원하는 적용 분야가 있을 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시내용은 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림으로부터 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나를 형성하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 탄화수소 가스 공급물 스트림을 전술한 실시형태 중 어느 것에 따른 탄화수소 또는 가스 전환 시스템에 공급하고, 이로써 예컨대 가열, 냉각, 혼합, 반응, 분리 등의 다양한 중간 단계에 의해, (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나를 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 본원에 기재된 바와 같은 모듈식 탄화수소 또는 가스 전환 시스템을 사용하여, 수소 가스 스트림 및 메탄을 포함하는 생성물 가스 스트림(예를 들어, 합성 천연 가스, 테일 가스, 설계자 연료) 중 하나 또는 둘 다를 형성할 수 있다. 상기 방법은 선택적으로, 추가적인 생성물 스트림(예를 들어, 모듈식 시스템 등으로부터의 이산화탄소, 합성 천연 가스, 및/또는 테일 가스)을 상기 수소 가스 스트림 및 상기 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나에 추가하고, 이로써, 선택된 조성을 갖는 설계자 연료 스트림을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 수소 가스는 1개, 2개 또는 그 이상의 HHR 유닛을 갖는 전술한 바와 같은 가스 전환 시스템을 사용하여 형성될 수 있다. 유사하게, 전술한 바와 같은 모드형 가스 전환 시스템을 사용하여 적어도 하나의 HHR 유닛 및 적어도 하나의 HHR/SNG 유닛으로 수소 가스, 메탄 또는 둘 다를 (즉, 모드들 사이를 전환할 때) 형성할 수 있다.
개시된 방법, 시스템, 장치 및 조성물은 다양한 형태의 실시형태가 가능하지만, 개시내용의 특정 실시형태가 예시되고(이후에 설명될 것이며), 상기 개시내용은 예시를 위한 것이지 본원에 기술되고 예시된 특정 실시형태에 대한 청구범위를 제한하는 것으로 의도된 것이 아님을 이해하여야 한다.
본 개시내용의 보다 완전한 이해를 위해, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조해야 한다.
도 1은 수소 가스 생성에 사용되는 개시된 가스 전환 시스템의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 2는, 본질적으로 순수한 수소 가스의 생성을 위한 수소 분리기를 추가로 포함하는, 수소 가스 생성에 사용되는 개시된 가스 전환 시스템의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 예시하는 공정 흐름도이다.
도 3은 동일한 유닛 조작을 사용하는 수소 가스 생성 또는 메탄 생성에 사용되는 개시된 모드형 가스 전환 시스템의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 4는 수소 분리가 수행되는 제1 모드에서의 도 3의 모드형 가스 전환 시스템을 예시하는 공정 흐름도이다.
도 5는 수소 분리가 수행되지 않는 제1 모드에서의 도 3의 모드형 가스 전환 시스템을 예시하는 공정 흐름도이다.
도 6은 제2 모드에서의 도 3의 모드형 가스 전환 시스템을 예시하는 공정 흐름도이다.
도 7은 생성물 스트림의 바이패스/농축이 수행되지 않는 실시형태에서 수소 가스 생성에 사용되는 개시된 가스 전환 시스템의 스트림에 대한 대표적인 유속 및 에너지 함량을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 8은, 생성물 스트림의 농축을 위한 원료 플레어/관련 가스 바이패스 스트림을 포함하는 실시형태에서, 수소 가스 생성에 사용되는 개시된 가스 전환 시스템의 스트림에 대한 대표적인 유속 및 에너지 함량을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 9는, (i) 원료 플레어/관련 가스 바이패스 스트림 및 (ii) 생성물 스트림의 농축을 위한 메탄/경질 가스 바이패스 스트림을 모두 포함하는 실시형태에서, 수소 가스 생성에 사용되는 개시된 가스 전환 시스템의 스트림에 대한 대표적인 유속 및 에너지 함량을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 10은 (i) 생성물 스트림의 농축을 위한 원료 플레어/관련 가스 바이패스 스트림, (ii) 생성물 스트림의 농축을 위한 메탄/경질 가스 바이패스 스트림, (iii) 수소 가스 스트림 분리 및 (iv) 이산화탄소 가스 스트림 분리를 포함하는 실시형태에서, 수소 가스 생성에 사용되는 개시된 가스 전환 시스템의 스트림에 대한 대표적인 유속 및 에너지 함량을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 11은 개시된 가스 전환 시스템의 HHR 모듈에서 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 예시하는 공정 흐름도이다.
도 12는 기화기를 추가로 포함하는 HHR 모듈의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 13은 HHR 모듈 및 이산화탄소 분리기 또는 모듈을 포함하는 개시된 가스 전환 시스템의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 14는 HHR 모듈 및 SNG 모듈을 포함하는 개시된 가스 전환 시스템의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 15는 HHR 모듈, 이산화탄소 분리기 또는 모듈, 수소 분리기 모듈 및 SNG 모듈을 포함하는 개시된 가스 전환 시스템의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 16은 도 15의 가스 전환 시스템 내의 특정 스트림을 나타내는 공정 흐름도이다.
본 개시내용은 일반적으로 플레어 가스 또는 기타 탄화수소 공급물 가스 스트림으로부터 수소 가스 스트림(예를 들어, 실질적으로 순수한 수소 가스 스트림), 이산화탄소 가스 스트림(예를 들어, 실질적으로 순수한 이산화탄소 가스 스트림) 및 고품질 메탄-풍부 가스 스트림을 제조하기 위한 방법, 시스템 및 장치에 관련된 것이다. 탄화수소 공급물 가스 스트림은 소정 부피의 탄화수소 공급물 가스를 수용함으로써 합성가스 스트림 및 메탄 가스 스트림으로 개질, 분해 또는 전환되며, 탄화수소 공급물 가스의 부피는 소정 부피의 메탄(C1)과 소정 부피의 비-메탄(C2+) 탄화수소를 포함한다. 상기 방법은, 상기 부피의 탄화수소 공급물 가스의 유입구 유동 및 소정 부피의 스팀 둘 다를, 상기 부피의 C2+ 탄화수소(예를 들어, 메탄을 포함하거나 포함하지 않음)의 적어도 일부를 개질, 분해 또는 전환시킬 적어도 하나의 개질기 시스템에 대해 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 증기 개질기 시스템(들)은 상기 부피의 탄화수소 공급물 가스와 상기 부피의 증기로부터 소정 부피의 합성가스와 소정 부피의 메탄 가스를 생성한다. 합성가스에 함유된 수소는 막 분리 및 압력-스윙 흡착("PSA") 시스템을 비롯한 다양한 기술에 의해 고순도 수소 가스 스트림으로 분리되어, 잔류하는 주로 메탄 및 탄소 산화물 가스 스트림을 남길 수 있다. 분리된 수소 또는 잔류하는 주로 메탄 및 탄소 산화물 스트림은 탄화수소 공급물 가스와 조합되어 발열량, 메탄가 또는 웨버 지수를 비롯한 목표 품질 값을 갖는 농축 생성물 가스를 형성할 수 있다. 이러한 방식으로, 수소 가스와 주로 메탄 및 산화탄소 가스가 현장에서 연료로 이용되거나 압축 또는 액화되어 저장 또는 외부 운송을 위해 사용될 수 있게 된다.
본 개시내용은 또한, 소정 부피의 탄화수소 공급물 가스를 수용함으로써 플레어 가스 또는 다른 탄화수소 공급물 가스로부터 수소 가스 스트림(예를 들어, 실질적으로 순수한 수소 가스 스트림) 및 고품질의 메탄 풍부 가스 스트림을 제조하기 위한 방법, 시스템 및 장치에 관련된 것이며, 탄화수소 공급물 가스의 부피는 소정 부피의 메탄(C1)과 소정 부피의 C2+ 탄화수소를 포함한다. 이 방법은, 주울-톰슨, 기계적 냉각 및 막 시스템을 비롯한 다양한 가스 분리 기술을 사용하여, 탄화수소 공급물 가스를 주로 메탄 가스 스트림과 주로 C2+ 탄화수소 가스 스트림으로 분리한다. 상기 방법은, 상기 부피의 C2+ 탄화수소의 유입구 유동 및 소정 부피의 스팀 둘 다를, 상기 부피의 주로 C2+ 탄화수소의 적어도 일부를 개질, 분해 또는 전환시킬 적어도 하나의 개질기 시스템에 대해 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 증기 개질기 시스템(들)은 상기 부피의 주로 C2+ 탄화수소와 상기 부피의 증기로부터 소정 부피의 합성가스와 소정 부피의 메탄 가스를 생성한다. 이 방법은 이어서, 합성가스에 함유된 수소 가스를 막(membrane) 및 압력 스윙 흡착("PSA") 시스템을 비롯한 임의의 다양한 기술에 의해 별도의 고순도 수소 가스 스트림으로 추가로 분리하여, 잔류하는 주로 메탄 및 탄소 산화물 가스 스트림을 남길 수 있다. 분리된 수소 또는 주로 메탄 및 탄소 산화물 스트림은, 탄화수소 공급물 가스로부터 분리된 주로 메탄 가스 및/또는 탄화수소 공급물 가스와 조합되어, 특정 발열량, 메탄가 또는 웨버 지수를 비롯한 목표 가스 품질 값을 갖는 농축 생성물 가스를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 수소 가스와 주로 메탄 및 산화탄소 가스를, 현장에서 연료로 사용하게 하거나 압축 또는 액화시켜 현장 외부 운송에 사용할 수 있다.
특정 양태에서, 본 개시내용은 비-메탄 탄화수소 공급물 가스 스트림으로부터 (i) 수소 가스 스트림(예를 들어, 실질적으로 순수한 수소 가스 스트림) 및 (ii) 메탄 함유 생성물 스트림(예를 들어, 메탄-풍부 가스 스트림 또는 메탄/수소 혼합물) 중 하나 또는 둘 모두를 생성하기 위한 모듈식 시스템, 방법 및 장치에 관련된 것이다. 모듈식 시스템은, 소정의 사용자 사양에 따라, 연료 전지 등급 수소 내지 파이프라인 품질 메탄 내지 메탄, 수소 및 (선택적으로) 이산화탄소를 포함하는 현장-특이적 "설계자 연료(designer fuel)" 혼합물에 이르기까지 유연한 연료 생산을 허용한다. 모듈식 설계를 통해 특정 사용자의 요구에 맞는 시스템의 빠른 구성과 현장 설치 및 조립이 가능하다. 모듈식 설계를 사용할 때, 핵심 컴포넌트로서의 HHR 모듈은, 하나의 일관된 설치/조립 유닛 조작 세트를 사용하여 일차적인 수소와 메탄 성분들 간에 목표로 하는 선택가능한 분포로 플랫폼 가스 유출물을 제공할 수 있다는 점에서 유연하다. 증기:탄소 비율 및 HHR 반응기 온도와 같은 조작 조건을 변경함으로써, HHR 반응기에서 증기 개질 및 메탄화 반응의 상대적 전환율 및 선택도를 광범위한 범위 내에서 제어하여, 수소가 궁극적으로 원하는 생성물일 때는 플랫폼 가스의 조성이 (예를 들어, 메탄에 비해) 상대적으로 더 높은 비율의 수소 생성물을 포함할 수 있고, 메탄이 궁극적으로 원하는 생성물일 때는 플랫폼 가스가 (예를 들어, 수소에 비해) 상대적으로 더 높은 분율의 메탄 생성물을 포함할 수 있고, 둘 다가 원하는 최종 생성물인 경우는 플랫폼 가스가 균형 잡힌 수소와 메탄의 혼합물을 포함할 수 있도록 한다. HHR 모듈에서 유닛 조작의 단일 설치 배열을 사용하여 얻을 수 있는 HHR 모듈 플랫폼 가스 유출물의 이러한 유연성은, 소정의 사용자의 요구에 구체적으로 해당하는 연료 생성물 유출물을 제공하기 위해, 추가의 하류의 유닛 조작 모듈을 선택할 수 있게 한다. 이러한 하류의 모듈은 이산화탄소 분리, 수소 분리 및/또는 SNG 생산과 관련된 모듈을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 실시형태는, 전술한 바와 같이, 플레어 가스 또는 다른 탄화수소 공급물 가스로부터 고순도 수소 가스 스트림 및 메탄-풍부 가스 스트림을 제조하기 위한 방법, 시스템 및 장치에 관한 것으로, 합성가스는 막, PSA 또는 기타 기술로 분리하기 전에 수소 함량을 증가시키기 위한 수성 가스 전환 반응기에서 추가로 처리된다.
본 개시내용의 또 다른 실시형태는, 시스템 공급물 가스가 메탄 가스를 포함하지 않는, C2+ 탄화수소로부터 고순도 수소 가스 스트림 및 메탄-풍부 가스 스트림을 제조하기 위한 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 가능한 공급물 가스에는 에탄, 프로판, 부탄 및 기타 C2+ 탄화수소가 포함된다.
도 1 및 도 2는 수소 가스 생성에 사용되는 개시된 탄화수소 또는 가스 전환 시스템(50)의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 예시하는 공정 흐름도를 포함한다.
비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물(62)은 컨디셔닝된(conditioned) 가스로서, 증기 발생기(120)로부터 증기(126)를 수용하는 혼합기(130)에 공급된다. 혼합기(130)는 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 물(예를 들어, 증기)을 혼합물로 포함하는 상응하는 공급물 가스(132)를 배출한다. 예를 들어 제1 열교환기(172) 및 제2 열교환기(174)로 예시된 열교환기(HEX)(170)는 개질물 스트림(152)으로부터의 열을 사용하여 탄화수소 가스 공급물(62) 및 상응하는 공급물 스트림의 온도를 조절하기 위해 혼합기(130)의 상류 및 하류에 포함될 수 있다. 공급물 가스(132)는 이어서, 공급물 가스(132)를 선택된 온도로 과열시키고 과열된 공급물 가스(142)를 배출하는 과열기(140)에 공급된다. 과열된 공급물 가스(142)는 이어서 제1 HHR 반응기(150)에 공급되며, 이는, 과열된 공급물 가스(142) 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 개질물(152)을 형성하도록 구성된 촉매를 함유한다. 예시된 바와 같이, 제1 반응기(150)와 병렬로 조작하기 위해 제2 HHR 반응기(150)가 포함될 수 있다. 보다 일반적으로, 임의의 개수의 HHR 반응기(150)가 사용될 수 있다. 추가로 예시된 바와 같이, HHR 반응기(150)는, 반응기(150)에서 대략 등온 조작 조건을 유지하기 위해 역류 열교환 스트림(154)을 포함할 수 있다. HHR 반응기(150)를 빠져나가는 개질물 스트림(152)은 냉각기(160)를 통과하여 물(169)을 제거할 수 있으며, 이 물은 예를 들어 증기 발생기(120)로 재순환될 수 있다. 도 1에 도시된 실시형태에서, 건조된 개질물(114)은, 합성가스(즉, 탄소 산화물 및 수소)뿐 아니라 공급물에 원래 존재하는 임의의 메탄 또는 HHR 반응기(150)에서 메탄화에 의해 생성된 메탄의 혼합물로서, 생성물 가스(74)로서 회수될 수 있다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 건조된 개질물(114)는 추가로 수소 분리기(310)를 통과하여, 탄소 산화물을 포함하는 생성물 가스 스트림(74) 및 분리된 수소를 포함하는 수소 가스 스트림(72)을 형성한다. 건조된 개질물의 상태에 따라 탈수기(166) 및/또는 압축기(320)와 같은 다른 상류 유닛 조작이 사용될 수 있다.
도 3 내지 도 6은 동일한 유닛 조작을 사용하는 수소 가스 생성 또는 메탄 생성에 사용되는 개시된 모드형 가스 전환 시스템(50)의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 예시하는 공정 흐름도를 포함한다.
모드형 가스 전환 시스템(50)은 도 1 및 도 2와 관련하여 전술한 것과 유사하지만, 유동 분할기(136A, B, C, D) 및 유동 혼합기(134A)를 더 포함하고, 이들은 시스템(50)에 유동이 통과하도록 설정되어, 시스템이 수소 생성을 위한 제1(HHR) 모드 또는 메탄 생성을 위한 제2(SNG) 모드에서 조작되도록 한다. 제1 모드에서, 과열된 공급물 가스(142)는 HHR 반응기(150)에서의 반응을 위해 2개(또는 그 이상)의 병렬 스트림으로 분할되어 수소 가스 생성물을 형성한다. 제2 모드에서, 과열된 공급물 가스(142)는, 합성가스 생성을 위해 제1 HHR 반응기(150)(도면에서 좌측 HHR로 표시됨)에 공급된 다음, 직렬로 제2 SNG 반응기(420)(도면에서 우측 HHR/SNG로 표시됨)로 공급되어, 메탄 가스 생성물을 형성한다. 도 4는 수소 가스가 생성물로서 회수되는 수소 생성을 위한 제1 모드에서의 조작을 보여준다. 이산화탄소와 공정 가스(예를 들어, 이산화탄소, 잔류 탄화수소)도 생성물 스트림으로 분리된다. 도 5는, 수소 가스가 생성물 가스의 성분으로서 남는 (즉, 생성물 가스가 합성가스로서 탄소 산화물을 추가로 포함함), 수소 생성을 위한 제1 모드에서의 조작을 예시한다. 도 6은 메탄 생성을 위한 제2 모드의 조작을 보여주며, 여기서는 생성물 가스가 메탄과 미반응 탄소 산화물, 수소 또는 더 중질 탄화수소를 포함한다.
도 7 내지 도 10은, 수소 가스 스트림(72), 생성물 가스 스트림(74), 및 선택적으로 하나 이상의 추가의 생성물 스트림(들)(76, 76A, 76B, 76C, 76D)을 제공하기 위해 수소 가스 생성에 사용되는 HHR 모듈(100) 및 수소 분리기(310)를 포함하는 개시된 가스 전환 시스템(50)에서의 스트림에 대한 대표적인 유속 및 에너지 함량을 예시하는 공정 흐름도를 포함한다. 도 7은 임의의 공급물 바이패스 또는 생성물 농축 스트림이 없는 실시형태를 예시한다. 도 8은 생성물 스트림(74)의 농축을 위한 원료 플레어/탄화수소 공급물 가스 바이패스 스트림(66)을 포함하는 실시형태를 예시한다. 도 9는, 생성물 스트림(74)의 농축을 위해 메탄 분리기(80)(예를 들어, 도시된 NGL 분리기(81) 및 NGL 실행 탱크(82) 포함)로부터의 (i) 원료 플레어/탄화수소 공급물 바이패스 스트림(66C) 및 (ii) 메탄/경질 가스 바이패스 스트림(66B, 66A) 모두를 포함하는 실시형태를 예시한다. 도 10은 (i) 생성물 스트림(74)의 농축을 위한 원료 플레어/탄화수소 공급물 바이패스 스트림(66C), (ii) 생성물 스트림(74)의 농축을 위한 메탄/경질 가스 바이패스 스트림(66B, 66A), (iii) 수소 분리기(310)를 통한 수소 가스 스트림(72) 분리, 및 (iv) 이산화탄소 분리기(210)를 통한 이산화탄소 가스 스트림(76D) 분리를 포함하는 실시형태를 도시한다. 하기 표 1 내지 표 4는 도 7 내지 도 10의 스트림에 대한 유속 및 에너지 함량의 요약을 제공한다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
[표 3]
Figure pct00003
[표 4]
Figure pct00004
도 11 내지 도 16은, 다양한 모듈식 배열에서 동일한 유닛 조작을 사용하여 수소 가스 및 메탄을 포함하는 생성물 가스 중 하나 또는 둘 모두를 생성하기 위해 사용되는, 개시된 탄화수소 또는 가스 전환 시스템(50)에서의 대표적인 유닛 조작 및 스트림을 예시하는 공정 흐름도를 포함한다. 예시된 바와 같이, 탄화수소 또는 가스 전환 시스템(50)은 HHR 모듈(100)을 단독으로 또는 예를 들어 이산화탄소 모듈(200), 수소 분리기 모듈(300) 및/또는 SNG 모듈(400)을 포함하는 하나 이상의 다른 분리기 또는 모듈과 조합하여 포함한다.
도 11에 도시된 바와 같이, HHR 모듈(100)은 탄화수소 공급물을 위한 제1(HHR) 유입구(102), 재순환된 시스템 수를 위한 제2(HHR) 유입구(104), 보충수를 위한 제3(HHR) 유입구(105), 플랫폼 가스를 위한 제1(HHR) 유출구(106) 및 탈기된 개질물 가스를 위한 제2(HHR) 유출구(107)를 포함할 수 있다. 비-메탄 탄화수소를 포함하는 탄화수소 가스 공급물(62)이, 증기 발생기(120)로부터 증기(126)를 수용하는 혼합기(130)에 공급된다. 혼합기(130)는 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 물(예를 들어, 증기)을 혼합물로 포함하는 상응하는 공급물 가스(132)를 배출한다. 예를 들어 제1 열교환기(172), 제2 열교환기(174) 및 제3 열교환기(176)로 도시된 복열식 열교환기(HEX)(170)가, 혼합기(130)의 상류 및 하류에 포함되어, 고온 측 열교환 유체로서 개질물 스트림(152)으로부터의 열을 사용하여 탄화수소 가스 공급물(62) 및 상응하는 공급물 스트림의 온도를 조절할 수 있다. 공급물 가스(132)는 이어서, 공급물 가스(132)를 선택된 온도로 과열시키고 과열된 공급물 가스(142)를 배출하는 과열기(140)에 공급된다. 과열된 공급물 가스(142)는 이어서, 과열된 공급물 가스(142) 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 평형 증기 개질 및 메탄화 반응을 통해 탄소 산화물, 수소 및 메탄으로 전환하도록 구성된 촉매를 함유하는 제1(HHR) 반응기(150)로 공급된다. 다양한 실시형태에서 제1(HHR) 및 제2(SNG) 반응기에 적합한 촉매는 특별히 제한되지 않으며, 상업적 증기 개질 촉매와 같은 다양한 상업적으로 입수가능한 촉매를 포함할 수 있다. 이의 예는 AR-401 촉매(활성 마그네슘 알루미나 스피넬 지지체 상의 니켈 촉매; Haldor Topsoe로부터 홀을 가진 디스크 또는 펠릿 형태로 입수 가능), CRG-LHR 촉매(니켈 활성 성분을 갖는 침전된 촉매; Johnson Matthey로부터 펠릿 형태로 입수 가능), MC-750R 촉매(니켈-기반 촉매; Unicat에서 펠릿 형태로 입수 가능) 및 REFORMAX 100RS 촉매(니켈-기반 촉매; Clariant에서 펠릿 형태로 입수 가능)를 포함한다.
제1 반응기(150)의 생성물 유출물은 탄소 산화물, 수소, 메탄 및 물을 포함하는 (습윤) 개질물(152)이다. 보다 일반적으로, HHR 모듈(100)의 용량을 증가시키기 위해, 예를 들어 병렬로, 임의의 수의 제1 반응기(150)가 사용될 수 있다. 제1 반응기(150)를 빠져나가는 개질물 스트림(152)은 복열식 열교환기(170)를 통과한 다음 냉각기 또는 물 분리 유닛(160)을 통과하여 물을 제거하고, 이는 예를 들어 증기 발생기(120)로 재순환될 수 있다. 도 11에 도시된 실시형태에서, 냉각기(160)는, 복열식 열교환기(170)를 통과한 후에 응축된 일부 물을 제거하기 위한 제1 수 분리기(166)를 포함하고, 이어서 제2 수 분리기(166)에서 개질물로부터 제거될 수 있는 물을 추가로 냉각 및 응축하기 위한 칠러(chiller)(164)를 포함하며, 이로써 실질적으로 감소된 수분 함량을 갖는 건조된 개질물(167)을 형성할 수 있다. 수 분리기(166)로부터 회수된 시스템 수는, 제2 유출구(107)를 통해, 탈기 장치(168)로 전달되어 일부 개질 화합물(예를 들어, 소량의 메탄, 이산화탄소, 수소)을 분리 및 제거하고, 이로써, 재순환된 시스템 수 스트림(169)을 형성할 수 있다. 재순환된 시스템 수(169)는, 예를 들어 수집 지점 또는 물 저장소(162)에서, 제3 유입구(105)를 통해, 신선한 물 또는 보충수 뿐만 아니라 하류 모듈로부터의 추가 재순환된 시스템 수(112)와 혼합되어, 증기 발생기(120)으로 되돌아가는 시스템 수(163)를 제공할 수 있다.
건조된 개질물(167)은 플랫폼 가스(114)로서 제1 유출구(106)를 통해 HHR 모듈(100)을 빠져나간다. 일부 실시형태에서, 플랫폼 가스(114)는 추가의 다운스트림 분리 및/또는 반응 유닛 조작을 필요로 하지 않으면서, 메탄, 수소 및 이산화탄소의 혼합물로서의 생성물 가스(74)로서 회수되고 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 플랫폼 가스(114)는 하나 이상의 추가 하류 분리 및/또는 반응 유닛 조작에 공급물로서 전달되는 중간 생성물을 나타낼 수 있다.
도 12는 기화기(180)를 추가로 포함하는 HHR 모듈(100)의 대안적인 실시형태를 도시한다. 기화기(180)는 제1 반응기(150)의 하류이고 복열식 열교환기(170)의 상류인 위치에 위치되어, 고온 습윤 개질물(152)을 고온 열교환 유체로서 수용하여 시스템 수(163)의 적어도 일부를 기화시킬 수 있도록 하며, 이 시스템 수는 그렇지 않으면 도 11에 도시된 바와 같이 증기 발생기(120)로 복귀될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 시스템 수(163)의 일부(184)는 액체 상태의 물로서 증기 발생기(120)(예를 들어 그의 보일러(122) 컴포넌트)로 전달된다. 유사하게, 시스템 수(163)의 일부(186)는 저온 열교환 유체로서 기화기(180)로 전달되며, 여기서 유체는 고온 개질물(152)에 의해 기화되고 이어서 증기로서 증기 발생기(120)로, 예를 들어 증기 드럼(124) 컴포넌트로, 전달된다.
도 13은, HHR 모듈(100)과 직렬로 연결된 이산화탄소 분리기 모듈(200)을 포함하는 모듈식 탄화수소 또는 가스 전환 시스템(50)을 도시한다. 이산화탄소 분리기 모듈(200)은 이산화탄소를 함유하는 공급물을 위한 제1(CO2) 입구(202), 분리된 이산화탄소를 위한 제1(CO2) 출구(206), 및 이산화탄소가 감소된 중간 또는 최종 생성물 가스를 위한 제2(CO2) 출구(208)를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, HHR 모듈(100)로부터의 플랫폼 가스(114)는 제1 유입구(202)를 통해 모듈(200) 내의 이산화탄소 분리기(210)로 공급된다. 예시적인 이산화탄소 분리기(210)는 스크러버(예를 들어, 아민 스크러버), 막 분리기 등을 포함할 수 있다. 이산화탄소-풍부 스트림이, 예를 들어 추가 이산화탄소 생성물 스트림(76)으로서 제1 유출구(206)를 통해 분리기(210) 및 모듈(200)을 떠나며, 이 스트림은 후속하여 연료 희석제로 사용되고 탄소 산화물 반응물의 공급원으로서 SNG 공급물에 첨가될 수 있다. 이산화탄소를 감소된 양으로 포함하거나 실질적으로 전혀 함유하지 않는 제2 스트림은, 예를 들어 메탄과 수소를 모두 함유하는 생성물 스트림(74)으로서, 제1 유출구(208)를 통해 분리기(210) 및 모듈(200)을 떠난다. 일부 실시형태에서, 생성물 스트림(74)은 블루 수소-풍부 터빈 연료로서 사용될 수 있으며, 이는 원래 플랫폼 가스와 유사하게, C1 탄화수소 또는 주로 C1 및 C2를 함유하는 탄화수소들의 혼합물, 예를 들어 파이프라인 메탄 또는 달리 주로 메탄 스트림과 같은 다른 연료 성분과 혼합될 수 있다. 일부 실시형태에서, 메탄/수소 혼합물은 중간 생성물 스트림(212)으로서 인취되어 (예를 들어, 수소 분리 및/또는 SNG 생성을 위해) 다른 하류 모듈로 공급될 수 있다.
도 14는 HHR 모듈(100)과 직렬로 연결된 SNG 모듈(400)을 포함하는 모듈식 탄화수소 또는 가스 전환 시스템(50)을 도시한다. SNG 모듈(400)은 수소 및 탄소 산화물을 함유하는 공급물을 위한 제1(SNG) 입구(402), 합성 천연 가스를 위한 제1(SNG) 출구(406), 및 재순환된 시스템 수를 위한 제2 (SNG) 출구(408)를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, HHR 모듈(100)로부터의 플랫폼 가스(114)는 제1 유입구(402)를 통해 모듈(400) 내의 가열기(410), 예를 들어 복열식 열교환기로 공급된다. 플랫폼 가스(114)는 수소, 탄소 산화물 및 메탄의 혼합물을 포함하고, 제2(SNG) 반응기(420)에 공급되기 전에 가열기(410)에 의해 선택된 온도로 가열되며, 상기 가열기는, 메탄화 반응을 통해 탄소 산화물과 수소의 적어도 일부를 반응시켜 메탄과 물로 전환하도록 구성된 촉매를 함유한다. 제2 반응기(420)의 생성물 유출물은 메탄 및 물을 포함하는 습윤 합성 천연 가스(422)이다. 보다 일반적으로, SNG 모듈(400)의 용량을 증가시키기 위해, 예를 들어 병렬로, 임의의 수의 제2 반응기(420)가 사용될 수 있다. 제2 반응기(420)를 빠져나가는 습윤 합성 천연 가스(422)는 복열식 열교환기(예를 들어 가열기(410))를 통과하고, 이어서 냉각기 또는 물 분리 유닛(430)으로 전달되어 물을 제거하고, 이것은 예를 들어 HHR 모듈(100)로 재순환될 수 있다. 도 14에 도시된 실시형태에서, 냉각기(430)는, 수분 분리기(436)에서 습윤 가스로부터 제거될 수 있는 물을 냉각 및 응축하여 실질적으로 감소된 수분 함량을 갖는 건조된 합성 천연 가스(437)를 형성하기 위한 칠러(434)를 포함할 수 있다. 건조된 합성 천연 가스(437)는 높은 수준의 또는 실질적으로 순수한 메탄을 함유하는 생성물 가스로서 제1 유출구(406)를 통해 SNG 모듈(400)을 빠져나간다. 수 분리기(436)로부터 회수된 시스템 수는 추가의 재순환된 시스템 수 스트림(112)으로서 제2 유출구(408)를 통해 HHR 모듈(100)로 다시 공급될 수 있다.
도 15는 HHR 모듈(100)과 직렬로 연결된 이산화탄소 분리기 모듈(200), 수소 분리기 모듈(300) 및 SNG 모듈(400)을 포함하는 모듈식 탄화수소 또는 가스 전환 시스템(50)을 도시한다. 이산화탄소 분리기 모듈(200) 및 SNG 모듈(400)은 실질적으로 도 13 및 도 14의 모듈식 실시형태에 대해 전술한 바와 같이 조작되며, 주된 차이점은 수소 분리기 모듈(300)이, 탄소 산화물과 수소의 혼합물을 SNG 모듈(400)로 통과시켜 메탄-풍부 생성물 스트림을 형성하기 전에, 생성물로서 고순도 수소를 인취할 수 있다는 점이다. 수소 분리기 모듈(300)은 수소 및 탄소 산화물을 함유하는 공급물을 위한 제1 (H2) 유입구(302), 고순도 수소 가스를 위한 제1 (H2) 유출구(304), SNG 공급물로서의 압축된 테일 가스를 위한 제2 (H2) 유출구(306), 및 대안적인 메탄-함유 생성물 가스로서의 압축된 테일 가스를 위한 제3 (H2) 유출구(308)를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 이산화탄소 분리기 모듈(200)로부터의 중간 생성물 가스(212)는 제1 유입구(302)를 통해 모듈(300) 내의 수소 분리기(310)로 공급된다. 예시적인 수소 분리기(310)는 PSA 분리기, 막 분리기 등을 포함할 수 있다. 수소-풍부 스트림이, 예를 들어 고순도 수소 가스(72)로서, 제1 유출구(304)를 통해 분리기(310) 및 모듈(300)을 떠난다. 수소 분리기(310)를 빠져나가는 테일 가스(312)는 이어서 압축기(320)에서 압축되어 압축된 테일 가스(322) 유출물을 제공한다. 일부 실시형태에서, 압축된 테일 가스(322)의 일부(또는 전부)는, 추가적인 생성물 스트림(76B)(예를 들어, 및 주로 이산화탄소를 함유하는 추가 생성물 스트림(76A))으로서 제3 유출구(308)를 통해 인취될 수 있다. 일부 실시형태에서, 압축된 테일 가스(322)의 일부(또는 전부)는 제2 유출구(306)를 통해 탄소 산화물 및 수소를 함유하는 SNG 공급물 스트림으로서 SNG 모듈(400)로 공급된다. 일부 실시형태에서, 상류 이산화탄소 분리기(210)로부터의 이산화탄소 스트림(또는 트림 스트림)의 일부는 압축 전에 테일 가스(312)에 (예를 들어 제1 유출구(206)를 통해) 첨가되어, SNG 모듈(400)에 공급되는 압축된 테일 가스(322)가 추가의 탄소 산화물 반응물을 포함하여 SNG 모듈(400)에서 메탄으로의 더 높은 전환을 촉진할 수 있도록 한다.
도 15에 도시된 것에 대한 대안적인 실시형태에서, SNG 모듈(400)은 생략될 수 있다. 그러한 경우에, 모듈식 시스템(50)의 2종의 주요 생성물은 수소 가스 스트림(72) 및 압축된 테일 가스 스트림(76B)을 포함한다.
도 15에 도시된 것에 대한 또 다른 대안적인 실시형태에서, 모듈식 시스템은, 플랫폼 가스(114)의 일부(또는 전부)가 SNG 모듈(400)에 직접 공급되어 이산화탄소 분리기 모듈(200) 및 수소 분리기 모듈(300)을 바이패스할 수 있도록 하는 바이패스 라인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 분리기 모듈(200)의 상류에 있는 플랫폼 가스(114) 라인 상의 적절한 유동 분할기는, 시스템(50)이 도 14(즉, 1차 생성물로서 메탄), 도 15(즉, 1차 생성물로서 수소 및 메탄)에 도시된 바와 같이, 또는 사용자가 원하는 두 실시형태의 조합으로 조작할 수 있도록, 플랫폼 가스(114)를 분배시킨다.
실시예
하기 실시예는 본 개시내용에 따른 탄화수소 전환 시스템에 대한 예시적인 조성 및 스트림 조건을 제공하는 공정 시뮬레이션을 포함한다.
실시예 1
하기 표 5는, 생성물 스트림의 농축을 위한 원료 플레어/관련 가스 바이패스 스트림을 포함하는 도 8에 일반적으로 예시된 바와 같은 공정에 대한 예시적인 조성 값을 제공한다. 유입구 공급물 가스는, 약 60 내지 65 몰%의 메탄, 약 30 내지 35 몰%의 에탄과 프로판 조합물, 및 약 1 내지 5 몰%의 중질 탄화수소(C4+)를 함유하는 일반적인 플레어 가스를 대표한다. "공정 가스" 및 "생성물 가스" 컬럼은 시스템에서 형성된 수소 가스의 분획을 포함하며, 이는 가스 전환 시스템의 처리량을 기준으로 약 10 내지 50 몰% 또는 20 내지 25 몰%이거나, 또는 전체 공급물 가스(즉, 바이패스 양 + 가스 전환 시스템 처리량 합산)를 기준으로 약 6 내지 10 몰%이다. 수소 성분이 가스 전환 시스템의 유출물로부터 분리되는 실시형태에서, "공정 가스" 컬럼 내의 수소 양은 실질적으로 순수한 수소 스트림에서 회수되고, 다른 성분들의 농도는 이에 비례하여 (예를 들어, 수소 분리뿐만 아니라 가능한 이산화탄소 분리에도 기반하여) 상응하게 증가된다.
[표 5]
Figure pct00005
실시예 2
실시예 1과 유사하게, 하기 표 6은, 생성물 스트림의 농축을 위한 원료 플레어/관련 가스 바이패스 스트림과 2종의 추가적인 생성물 스트림을 위한 수소 분리 및 이산화탄소 분리를 모두 포함하는, 도 10에 일반적으로 예시된 바와 같은 공정에 대한 예시적인 조성 값을 제공한다.
[표 6]
Figure pct00006
실시예 3 내지 실시예 6
실시예 3 내지 실시예 6은 동일하게 설치된 구성의 공정 장비이지만 제1(HHR) 반응기에 대해 다양한 유입 증기:탄소 비율 및 온도를 사용하여 제어가능한 가변적-조성의 플랫폼 가스를 제공하는, 본 개시내용에 따른 HHR 모듈의 성능을 예시한다. HHR 모듈은 도 11에 예시된 바와 같으며, 탄화수소 가스 공급물은 순수 에탄이다. 하기 표 7 내지 표 10은 제1(HHR) 반응기로의 과열 공급물 유입구, 제1(HHR) 반응기로부터의 습윤 개질물 유출구, 및 HHR 모듈의 건조 개질물 플랫폼 가스(즉, 도 11에서 각각 스트림 142, 152 및 167)에 대한 스트림 조건을 제공한다.
[표 7]
Figure pct00007
[표 8]
Figure pct00008
[표 9]
Figure pct00009
[표 10]
Figure pct00010
실시예 7
실시예 7은 모듈식 시스템 설계를 사용하여 수소, 메탄 및 이산화탄소의 다수의 고순도 생성물 스트림을 제공하는 본 개시내용에 따른 탄화수소 전환 시스템의 성능을 예시한다. 탄화수소 전환 시스템은 도 11 및 도 15에 도시된 바와 같이 HHR 모듈, 이산화탄소 분리기, 수소 분리기 모듈 및 SNG 모듈을 포함한다. HHR 모듈은 실시예 4에 대해 전술한 바와 같이 높은 반응기 온도에서 수소 주요 생성물에 대해 전술한 바와 같이 조작되고, 탄화수소 가스 공급물은 순수한 에탄이다. 하기 표 11은 도 16에 설명된 다양한 공정 스트림에 대한 스트림 조건을 제공한다.
[표 11]
Figure pct00011
Figure pct00012
Figure pct00013
미국 특허출원공개 2019/0024003호는 전체 내용이 본원에 참고로 인용되어 포함된다.
특정 조작 요건 및 환경에 맞도록 변경된 다른 수정 및 변경이 당업자에게는 명백할 것이기 때문에, 본 개시내용은 예시 목적으로 선택된 실시예에 제한되는 것으로 간주되지 않으며, 본 개시내용의 진정한 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 모든 변경 및 수정을 포괄한다.
따라서, 전술한 설명은 이해의 명확성을 위한 것일 뿐이며, 본 개시내용의 범위 내에서의 변형이 당업자에게 자명할 수 있으므로, 불필요한 제한이 없는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 인용된 모든 특허, 특허 출원, 정부 간행물, 정부 규정 및 참조 문헌은 그 전체가 본원에 참고로 인용되어 포함된다. 상충하는 경우, 정의를 포함하여 본원 설명이 우선한다.
명세서 전반에 걸쳐, 조성물, 공정, 키트 또는 장치가 성분, 단계 또는 재료를 포함하는 것으로 기술되는 경우, 그러한 조성물, 공정 또는 장치는, 달리 기술되지 않는 한, 인용된 성분 또는 재료의 또한 임의의 조합을 포함하거나, 이로 본질적으로 구성되거나, 이로 구성될 수 있음이 고려되어야 한다. 달리 구체적으로 나타내지 않는 한, 성분 농도는 중량 농도로 표현될 수 있다. 성분들의 조합은 전술한 개시내용에 비추어 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 균질 및/또는 불균질 혼합물을 포함하는 것으로 고려된다.
50 탄화수소(또는 가스) 전환 시스템
60 시스템 공급물 스트림(들)
62 탄화수소 가스 공급물 스트림
64, 66 추가적인 탄화수소 공급물 또는 바이패스/농축 스트림(들)
70 시스템 생성물 스트림
72 수소 가스 스트림
74 생성물 가스 스트림
76 추가적인 생성물 스트림(들)
80 메탄 분리기
81 NGL 분리기
82 NGL 실행 탱크
90 보조 시스템(들)
100 중질 탄화수소 반응기(HHR) 모듈
102 제1 유입구(탄화수소 공급물)
104 제2 유입구(재순환된 물)
105 제3 유입구(보충수)
106 제1 유출구(플랫폼 가스)
107 제2 유출구(탈기된 개질물 가스)
112 재순환된 시스템 수
114 플랫폼 가스
120 증기 발생기
122 보일러
124 증기 드럼/저장소
126 유출물 증기
130 혼합기
132 공급물 가스
134 추가적인 유동 혼합기(들)
136 추가적인 유동 분할기(들)
140 과열기
142 과열된 공급물 가스
150 제1 반응기 또는 중질 탄화수소 반응기(HHR)
152 제1 개질물
154 가열 또는 열교환 스트림
160 냉각기
162 수집 또는 혼합 지점/물 저장소
163 시스템 수
164 칠러
166 수 분리기
167 건조된 1차 개질물
168 탈기 장치
169 재순환된 스트림
170 복열식 열교환기
172 제1 열교환기
174 제2 열교환기
176 제3 열교환기
180 기화기
182 유동 분할기
184 증기 발생기/보일러로 재순환된 물
186 기화기 또는 증기 발생기/저장소로 재순환된 물
188 증기 발생기(또는 증기 드럼)로의 증기
200 이산화탄소 분리기(CO2) 모듈
202 제1 유입구 206 제1 유출구
208 제2 유출구
210 이산화탄소 분리기
212 중간 생성물 스트림
300 수소 분리기(H2) 모듈
302 제1 유입구
304 제1 유출구
306 제2 유출구
308 제3 유출구
310 수소 분리기
312 테일 가스
320 압축기
322 압축된 테일 가스
400 합성 천연 가스(SNG) 모듈
402 제1 유입구
406 제1 유출구
408 제2 유출구
410 가열기(또는 열교환기)
420 제2 반응기 또는 합성 천연 가스(SNG) 반응기
422 습윤 합성 천연 가스
430 냉각기
434 칠러
436 수 분리기
437 건조 합성 천연 가스
439 재순환된 물

Claims (36)

  1. 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림을 전환시켜 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 메탄을 포함하는 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나를 형성하기 위한 탄화수소 전환 시스템으로서,
    중질 탄화수소 개질(HHR) 모듈을 포함하는, 탄화수소 전환 시스템:
    상기 중질 탄화수소 개질(HHR) 모듈은
    탄화수소 가스 공급물 스트림을 수용하기 위한 제1 유입구;
    시스템 수(system water)를 수용하기 위한 제2 유입구;
    메탄 및 수소를 포함하는 플랫폼 가스를 전달하기 위한 제1 유출구;
    (i) 시스템 수를 수용하고 (ii) 증기를 배출하도록 구성된 증기 발생기(steam generator);
    (i) 상기 제1 유입구로부터의 탄화수소 가스 공급물 스트림과 상기 증기 발생기로부터의 증기를 혼합물로 포함하는 공급물 가스를 수용하고 (ii) 상기 공급물 가스를 사전-결정된 온도 범위로 과열시켜 과열된 공급물 가스를 형성하도록 구성된 과열기(super heater);
    제1 촉매를 함유하는 제1 반응기로서, 상기 제1 반응기는 상기 제1 반응기와 유체 연통하는 상기 과열기로부터 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제1 반응기 및 상기 제1 촉매는 상기 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물, 수소, 메탄 및 물로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소, 메탄 및 물을 포함하는 제1 개질물을 형성하는, 제1 반응기; 및
    냉각기로서, (i) 상기 냉각기와 유체 연통하는 상기 제1 반응기로부터 제1 개질물을 수용하고, (ii) 상기 제1 개질물로부터 상기 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 상기 제1 유출구와 유체 연통하는, 플랫폼 가스로서의 건조된 제1 개질물 및 (ii) 상기 증기 발생기 및 상기 제2 유입구와 유체 연통하는 재순환된 시스템 수 스트림을 제공하도록 구성된 냉각기를 포함함.
  2. 제1항에 있어서,
    탄화수소 가스 공급물 스트림을 수용하기 위해 상기 제1 유입구와 유체 연통하고 유출물 증기를 수용하기 위해 상기 증기 발생기와 유체 연통하는 혼합기를 추가로 포함하며, 상기 혼합기는 (i) 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 상기 증기의 적어도 일부를 유동 제어하고, (ii) 상기 공급물 가스를, 상기 혼합기와 유체 연통하는 상기 과열기로 배출하도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 증기 발생기와 상기 과열기 사이에 위치된 제1 열교환기로서, 상기 제1 열교환기는 상기 증기 발생기로부터의 공급물 가스를 제1 저온 열교환 유체로서 수용하고 제1 개질물을 제1 고온 열교환 유체로서 수용하고, 이로써 과열기로 전달되는 공급물 가스를 가열하도록 구성된, 제1 열교환기;
    상기 제1 유입구와 상기 증기 발생기 사이에 위치된 제2 열교환기로서, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 유입구로부터의 탄화수소 가스 공급물 스트림을 제2 저온 열교환 유체로서 수용하고 제1 개질물을 제2 고온 열교환 유체로서 수용하고, 이로써 증기와 혼합될 탄화수소 가스 공급물 스트림을 가열하여 공급물 가스를 제공하도록 구성된, 제2 열교환기; 및
    상기 냉각기와 상기 증기 발생기 사이에 위치된 제3 열교환기로서, 상기 제3 열교환기는 상기 냉각기 및 제2 유입구로부터의 재순환된 시스템 수 스트림을 제3 저온 열교환 유체로서 수용하고 제1 개질물을 제3 고온 열교환 유체로서 수용하고, 이로써 상기 증기 발생기로 전달되는 재순환된 시스템 수 스트림을 가열하고 냉각기로 전달되는 제1 개질물을 냉각하도록 구성된, 제3 열교환기
    를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 상기 제1 열교환기 사이에 위치된 기화기 열교환기를 추가로 포함하며, 상기 기화기 열교환기는 기화기 저온 열교환 유체로서 상기 시스템 수의 적어도 일부를 수용하고 기화기 고온 열교환 유체로서 제1 개질물을 수용하고, 이로써 증기 발생기 또는 그의 하류에 증기로서 전달된 시스템 수의 일부를 가열 및 기화시키도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    (i) 상기 시스템 수를 수용하고, (ii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 증기 발생기로 전달하고, (iii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 기화기 열교환기로 전달하도록 구성된 유동 분할기(flow splitter)를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 상기 냉각기 사이에 위치된 기화기 열교환기를 추가로 포함하며, 상기 기화기 열교환기는 기화기 저온 열교환 유체로서 상기 시스템 수의 적어도 일부를 수용하고 기화기 고온 열교환 유체로서 상기 제1 개질물을 수용하고, 이로써 상기 증기 발생기 또는 그의 하류에 증기로서 전달된 상기 시스템 수의 일부를 가열 및 기화시키도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    (i) 상기 시스템 수를 수용하고, (ii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 증기 발생기의 보일러 부분으로 전달하고, (iii) 상기 시스템 수의 적어도 일부를 상기 증기 발생기의 증기 저장소 부분으로 전달하도록 구성된 유동 분할기를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 냉각기는
    (i) 상기 제1 반응기와 유체 연통하고 그로부터의 상기 제1 개질물의 온도를 감소시켜, 이로써 상기 제1 개질물로부터 물을 응축시키도록 구성된 칠러(chiller);
    (ii) 상기 칠러와 유체 연통하고 상기 제1 개질물로부터 응축수를 제거하고, 이로써 플랫폼 가스 및 개질물 수 스트림을 수 분리기의 배출물로서 형성하도록 구성된 수 분리기(water separator); 및
    (iii) 상기 수 분리기로부터의 개질물 수 스트림과 유체 연통하고 그로부터 동반 개질물 가스를 제거하고, 이로써 재순환된 수 스트림을 형성하도록 구성된 탈기 장치(de-aerator)
    를 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 HHR 모듈에는 메탄 분리기, 수소 분리기, 이산화탄소 분리기 및 합성 천연 가스(SNG) 반응기 중 적어도 하나가 없는, 탄화수소 전환 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응기는 단열 반응기, 등온 반응기, 온도 증가-제어 반응기 또는 온도 감소-제어 반응기로서 조작되도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응기가 역류 또는 병류 열교환 유체를 수용하고, 이로써 상기 제1 촉매 및 과열된 공급물 가스를 함유하는 제1 반응기 내의 반응 부피에 열을 제공하도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림 내의 비-메탄 탄화수소가 C2 탄화수소, C3 탄화수소, C4 탄화수소, C5 탄화수소, C6 탄화수소, C1 알콜 산소화된 탄화수소, C2 알콜 산소화된 탄화수소, C3 알콜 산소화된 탄화수소, C4 알콜 산소화된 탄화수소, C5 알콜 산소화된 탄화수소, C6 알콜 산소화된 탄화수소, C7 내지 C15 탄화수소, 및 이들의 조합물로부터 선택되는, 탄화수소 전환 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림이 메탄을 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림에 메탄이 실질적으로 없는, 탄화수소 전환 시스템.
  15. 제1항에 있어서, (i) 비-메탄 탄화수소 및 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 예비-공급물 스트림을 수용하고 (ii) 상기 예비-공급물 스트림으로부터 메탄의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 상기 비-메탄 탄화수소를 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림을 공급물로서 제1 유입구에 제공하도록 구성된 메탄 분리기를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소 전환 시스템에는 HHR 모듈 제1 유출구의 하류에 추가의 분리 또는 반응 장치가 없고;
    상기 플랫폼 가스는 생성물 가스 스트림인, 탄화수소 전환 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 HHR 모듈의 제1 유출구와 유체 연통하고, (i) 상기 HHR 모듈로부터 플랫폼 가스를 수용하고 (ii) 상기 플랫폼 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 이산화탄소 스트림, 및 (ii) 상기 플랫폼 가스로부터의 메탄 및 수소를 포함하는 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된 이산화탄소 분리기를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    합성 천연 가스(SNG) 모듈을 추가로 포함하며,
    상기 합성 천연 가스(SNG) 모듈은
    수소, 탄소 산화물 및 선택적으로 메탄을 포함하는 SNG 공급물 스트림을 수용하기 위한 제1 유입구로서, 상기 SNG 모듈의 제1 유입구가 상기 HHR 모듈의 제1 유출구와 유체 연통하는, 제1 유입구;
    메탄을 포함하는 생성물 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구;
    재순환된 시스템 수를 전달하기 위한 제2 유출구로서, 상기 SNG 모듈의 제2 유출구가 상기 HHR 모듈의 제2 유입구와 유체 연통하는, 제2 유출구;
    (i) SNG 공급물 스트림을 수용하고 (ii) SNG 공급물 스트림을 사전-결정된 온도 범위로 가열하여 가열된 SNG 공급물 가스를 형성하도록 구성된 가열기;
    제2 촉매를 함유하는 제2 반응기(SNG)로서, 상기 제2 반응기가 제2 반응기와 유체 연통하는 가열기로부터 가열된 SNG 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제2 반응기 및 제2 촉매는 가열된 SNG 공급물 가스 내의 탄소 산화물 및 수소의 적어도 일부를 반응시켜 전환된 메탄 및 물로 변환시켜, 이로써 전환된 메탄 및 물을 포함하는 습윤 합성 천연 가스를 형성하도록 구성되고, 상기 습윤 합성 천연 가스는 SNG 공급물 스트림보다 더 높은 총 메탄 몰분율을 갖는, 제2 반응기(SNG); 및
    냉각기로서, (i) 냉각기와 유체 연통하는 제2 반응기로부터 습윤 합성 천연 가스를 수용하고 (ii) 상기 습윤 합성 천연 가스로부터 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 제1 유출구와 유체 연통하는 생성물 가스로서의 건조된 합성 천연 가스 및 (ii) 제2 유출구와 유체 연통하는 재순환된 시스템 수 스트림을 제공하도록 구성된 냉각기
    를 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 HHR 모듈의 제1 유출구와 유체 연통하고, (i) 상기 HHR 모듈로부터 플랫폼 가스를 수용하고 (ii) 상기 플랫폼 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 이산화탄소 스트림, 및 (ii) 메탄, 수소 및 플랫폼 가스로부터의 미분리 탄소 산화물을 포함하는 중간 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된 이산화탄소 분리기; 및
    수소 분리기 모듈로서,
    상기 이산화탄소 분리기로부터 상기 중간 생성물 가스 스트림을 수용하고 상기 이산화탄소 분리기와 유체 연통하는 제1 유입구;
    상기 수소 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구; 및
    수소, 탄소 산화물 및 메탄을 포함하는 압축된 테일(tail) 가스를 전달하기 위한 제2 유출구;
    (i) 중간 생성물 가스를 수용하고 (ii) 상기 중간 생성물 가스로부터 수소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 수소 가스 스트림, 및 (ii) 수소, 탄소 산화물 및 메탄을 포함하는 테일 가스를 제공하도록 구성된 수소 분리기; 및
    상기 테일 가스를 수용하고 압축하고, 이로써 압축된 테일 가스를 생성물 가스로서 제공하도록 구성된 압축기를 포함하는 수소 분리기 모듈
    을 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 HHR 모듈의 제1 유출구와 유체 연통하고, (i) 상기 HHR 모듈로부터 플랫폼 가스를 수용하고 (ii) 상기 플랫폼 가스에 존재하는 이산화탄소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 이산화탄소 스트림, 및 (ii) 메탄, 수소 및 플랫폼 가스로부터의 미분리 탄소 산화물을 포함하는 중간 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된 이산화탄소 분리기; 및
    수소 분리기 모듈로서,
    상기 이산화탄소 분리기로부터 상기 중간 생성물 가스 스트림을 수용하고 상기 이산화탄소 분리기와 유체 연통하는 제1 유입구;
    상기 수소 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구; 및
    수소, 탄소 산화물 및 메탄을 포함하는 압축된 테일 가스를 전달하기 위한 제2 유출구;
    (i) 중간 생성물 가스를 수용하고 (ii) 상기 중간 생성물 가스로부터 수소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 수소 가스 스트림, 및 (ii) 수소, 탄소 산화물 및 메탄을 포함하는 테일 가스를 제공하도록 구성된 수소 분리기; 및
    상기 테일 가스를 수용하고 압축하도록 구성된 압축기를 포함하는 수소 분리기 모듈; 및
    합성 천연 가스(SNG) 모듈로서,
    수소, 탄소 산화물 및 선택적으로 메탄을 포함하는 SNG 공급물 스트림을 수용하기 위한 제1 유입구로서, 상기 SNG 모듈의 제1 유입구가 상기 수소 분리기 모듈의 제2 유출구와 유체 연통하는, 제1 유입구;
    메탄을 포함하는 생성물 가스 스트림을 전달하기 위한 제1 유출구;
    재순환된 시스템 수를 전달하기 위한 제2 유출구로서, 상기 SNG 모듈의 제2 유출구가 상기 HHR 모듈의 제2 유입구와 유체 연통하는, 제2 유출구;
    (i) SNG 공급물 스트림을 수용하고 (ii) SNG 공급물 스트림을 사전-결정된 온도 범위로 가열하여 가열된 SNG 공급물 가스를 형성하도록 구성된 가열기;
    제2 촉매를 함유하는 제2 반응기(SNG)로서, 상기 제2 반응기가 제2 반응기와 유체 연통하는 가열기로부터 가열된 SNG 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제2 반응기 및 제2 촉매는 가열된 SNG 공급물 가스 내의 탄소 산화물 및 수소의 적어도 일부를 반응시켜 전환된 메탄 및 물로 변환시켜, 이로써 전환된 메탄 및 물을 포함하는 습윤 합성 천연 가스를 형성하도록 구성되고, 상기 습윤 합성 천연 가스는 SNG 공급물 스트림보다 더 높은 총 메탄 몰분율을 갖는, 제2 반응기(SNG); 및
    냉각기로서, (i) 냉각기와 유체 연통하는 제2 반응기로부터 합성 천연 습식 처리된 가스를 수용하고 (ii) 상기 습윤 합성 천연 가스로부터 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 제1 유출구와 유체 연통하는 생성물 가스로서의 건조된 합성 천연 가스 및 (ii) 제2 유출구와 유체 연통하는 재순환된 시스템 수 스트림을 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하는 합성 천연 가스(SNG) 모듈
    을 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  21. 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림으로부터 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 생성물 가스 스트림을 형성하기 위한 탄화수소 전환 시스템으로서,
    상기 가스 전환 시스템은
    (i) 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 물을 혼합물로 포함하는 공급물 가스를 수용하고 (ii) 상기 공급물 가스를 사전-결정된 온도 범위로 과열시켜 과열된 공급물 가스를 형성하도록 구성된 과열기;
    제1 촉매를 함유하는 제1 반응기로서, 상기 제1 반응기는 상기 제1 반응기와 유체 연통하는 상기 과열기로부터 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제1 반응기 및 상기 제1 촉매는 상기 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소, 및 선택적으로 메탄을 포함하는 제1 개질물을 형성하는, 제1 반응기; 및
    수소 분리기로서, (i) 상기 수소 분리기와 유체 연통하여 상기 제1 반응기로부터 제1 개질물을 수용하고 (ii) 상기 개질물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 분리된 수소를 포함하는 수소 가스 스트림, 및 별도로, (ii) 탄소 산화물을 포함하는 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성된 수소 분리기
    를 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    (i) 시스템 수를 수용하고 (ii) 증기를 배출하도록 구성된 증기 발생기; 및
    탄화수소 가스 공급물 스트림을 수용하기 위한 유입구와 유체 연통하고, 유출물 증기를 수용하기 위해 증기 발생기와 유체 연통하는 혼합기로서, (i) 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림의 적어도 일부를 유동 제어하고 (ii) 상기 혼합기와 유체 연통하는 과열기로 상기 공급물 가스를 배출하도록 구성된, 상기 혼합기
    를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 반응기에서 배출되는 제1 개질물이 물을 추가로 포함하고;
    상기 시스템은 추가로, (i) 상기 냉각기와 유체 연통하는 제1 반응기로부터 제1 개질물을 수용하고 (ii) 상기 제1 개질물로부터 물의 적어도 일부를 분리하고, 이로써, 건조된 제1 개질물을 수소 분리기와 유체 연통하여 제공하고 상기 수소 분리기에 공급하도록 구성된 냉각기를 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    제2 촉매를 함유하는 제2 반응기로서, 상기 제2 반응기는 제2 반응기와 유체 연통하는 과열기로부터 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제2 반응기 및 제2 촉매는 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 제2 개질물을 형성하는, 제2 반응기를 추가로 포함하며,
    상기 제1 반응기 및 제2 반응기는 병렬로 위치되어, 각각이 과열된 공급물 가스의 일부와 유체 연통하고 그를 수용하도록 구성되고,
    상기 제1 개질물 및 제2 개질물은, 수소 분리기와 유체 연통되어 상기 수소 분리기에 공급되는 단일 개질물로 조합되는, 탄화수소 전환 시스템.
  25. 제21항에 있어서, 상기 제1 반응기는 단열 반응기 또는 등온 반응기로서 조작하도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  26. 제21항에 있어서, 제1 반응기가 역류 열교환 유체를 수용하고, 이로써 상기 제1 촉매 및 과열된 공급물 가스를 함유하는 제1 반응기 내의 반응 부피에 열을 제공하도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  27. 제21항에 있어서,
    (i) 비-메탄 탄화수소 및 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 예비-공급물 스트림을 수용하고 (ii) 상기 예비-공급물 스트림으로부터 메탄의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 상기 비-메탄 탄화수소를 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림을 상기 과열기에 대한 공급물로서 제공하도록 구성된 메탄 분리기를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  28. 제21항에 있어서, 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림 내의 비-메탄 탄화수소가 C2 탄화수소, C3 탄화수소, C4 탄화수소, C5 탄화수소, C6 탄화수소 및 이들의 조합물로부터 선택되는, 탄화수소 전환 시스템.
  29. 제21항에 있어서, 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림이 메탄을 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  30. 제21항에 있어서, 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림에 메탄이 실질적으로 없는, 탄화수소 전환 시스템.
  31. 제21항에 있어서, 상기 수소 분리기는 수소 가스 스트림에 적어도 99.97 몰%의 수소 함량을 제공하도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  32. 제21항에 있어서, 상기 수소 분리기가 막(membrane) 분리기, 압력-스윙 흡착(PSA: pressure swing adsorption) 분리기 및 극저온 분리기로 이루어진 군으로부터 선택되는, 탄화수소 전환 시스템.
  33. 제21항에 있어서, 이산화탄소 분리기를 추가로 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  34. 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림으로부터, (i) 선택적으로, 수소 가스 스트림, 및 (ii) 생성물 가스 스트림을 형성하기 위한 탄화수소 전환 시스템으로서,
    상기 가스 전환 시스템은
    (i) 탄화수소 가스 공급물 스트림 및 물을 혼합물로 포함하는 공급물 가스를 수용하고 (ii) 상기 공급물 가스를 사전-결정된 온도 범위로 과열시켜 과열된 공급물 가스를 형성하도록 구성된 과열기;
    제1 촉매를 함유하는 제1 반응기로서, 상기 제1 반응기는 상기 제1 반응기와 유체 연통하는 상기 과열기로부터 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제1 반응기 및 상기 제1 촉매는 상기 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소, 및 선택적으로 메탄을 포함하는 제1 개질물을 형성하도록 구성된, 제1 반응기;
    제2 촉매를 함유하고, 중질 탄화수소 반응기로서의 제1 모드 또는 합성가스(syngas) 반응기로서의 제2 모드에서 조작하도록 구성된 제2 반응기로서,
    (i) 제1 모드(HHR)에서, 상기 제2 반응기는, 상기 제2 반응기와 유체 연통하는 과열기로부터의 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되며, 상기 제2 반응기와 제2 촉매는 과열된 공급물 가스 내의 비-메탄 탄화수소의 적어도 일부를 반응시켜 탄소 산화물 및 수소로 변환시켜, 이로써 탄소 산화물, 수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 제2 개질물을 형성하도록 구성되고,
    (ii) 제2 모드(SNG)에서, 상기 제2 반응기는, 제2 반응기와 유체 연통하는 제1 반응기로부터 제1 개질물을 수용하도록 구성되며, 상기 제2 반응기 및 제2 촉매는 제1 개질물 내의 탄소 산화물 및 수소의 적어도 일부를 전환된 메탄으로 전환시켜, 이로써 상기 전환된 메탄을 포함하는 합성 천연 습식 처리된 가스를 형성하도록 구성되고, 상기 합성 천연 습식 처리된 가스는 상기 탄화수소 가스 공급물 스트림보다 더 높은 총 메탄 몰분율을 갖는, 제2 반응기;
    제1 유동 분할기로서, 상기 제1 유동 분할기는 제1 유동 분할기와 유체 연통하는 상기 과열기로부터 과열된 공급물 가스를 수용하도록 구성되고,
    (i) 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 상기 제1 유동 분할기는 상기 과열된 공급물 가스의 적어도 일부를 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기 모두에 병렬로 공급하도록 구성되어, 이들 각각이 상기 과열된 공급물 가스의 일부와 유체 연통하고 이를 수용하도록 구성되게 하고,
    (ii) 제2 반응기의 제2 모드(SNG)에서, 상기 제1 유동 분할기는 (A) 상기 과열된 공급물 가스의 적어도 일부를 제1 반응기로 공급하고 (B) 상기 과열된 공급물 가스의 제2 반응기로의 유동을 방지하도록 구성되는, 제1 유동 분할기; 및
    상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기와 유체 연통하는 제1 유동 혼합기로서,
    (i) 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 상기 제1 유동 혼합기는 제1 개질물 및 제2 개질물을 수용하여 단일 개질물로 조합하도록 구성되고,
    (ii) 제2 반응기의 제2 모드(SNG)에서, 상기 제1 유동 혼합기는 제1 개질물만을 수용하도록 구성되는, 제1 유동 혼합기; 및
    상기 제1 유동 혼합기와 유체 연통하는 제2 유동 분할기로서,
    (i) 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 상기 제2 유동 분할기는 (A) 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물을 수용하고 (B) 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물의 제2 반응기로의 유동을 방지하도록 구성되고,
    (ii) 제2 반응기의 제2 모드(SNG)에서, 상기 제2 유동 분할기는 (A) 제1 개질물만을 수용하고 (B) 제1 개질물의 적어도 일부를 제2 반응기에 공급하도록 구성되는, 제2 유동 분할기
    를 포함하는, 탄화수소 전환 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    수소 분리기를 추가로 포함하며, 제2 반응기의 제1 모드(HHR)에서, 상기 수소 분리기는 (i) 수소 분리기와 유체 연통하는 제2 유동 분할기로부터 상기 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물을 수용하고 (ii) 상기 조합된 제1 개질물 및 제2 개질물로부터 수소의 적어도 일부를 분리하고, 이로써 (i) 분리된 수소를 포함하는 수소 가스 스트림, 및 별도로 (ii) 탄소 산화물을 포함하는 생성물 가스 스트림을 제공하도록 구성되는, 탄화수소 전환 시스템.
  36. 비-메탄 탄화수소 및 선택적으로 메탄을 포함하는 탄화수소 가스 공급물 스트림으로부터 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나를 형성하는 방법으로서,
    탄화수소 가스 공급물 스트림을 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 전환 시스템에 공급하고, 이로써 (i) 수소 가스 스트림 및 (ii) 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나를 형성하는 단계; 및
    선택적으로, 추가적인 생성물 스트림을 상기 수소 가스 스트림 및 상기 생성물 가스 스트림 중 적어도 하나에 추가하고, 이로써, 선택된 조성을 갖는 설계자 연료 스트림을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
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