WO2012023752A2 - 천연가스 액화공정 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a natural gas liquefaction process, and more particularly, by using a single closed loop refrigeration cycle employing a mixed refrigerant, the structure of the liquefaction process is simple, the system can be compact, and the operation of the liquefaction system is easy, but the liquefaction process It relates to a natural gas liquefaction process with excellent efficiency.
  • C3 / MR Process One of the most popular liquefaction processes in operation is the 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process' (or C3 / MR Process).
  • the basic structure of the C3 / MR process is as shown in FIG.
  • the feed gas is pre-cooled to approximately 238 K by a multi-stage propane (C3) Joule-Thomson (JT) cycle.
  • the precooled feed gas is liquefied and sub-cooled to 123 K through heat exchange with a mixed refrigerant (MR) in a heat exchanger.
  • the C3 / MR process has a disadvantage in that the liquefaction process is complicated and the operation of the liquefaction system is difficult because a refrigeration cycle employing a single refrigerant and a refrigeration cycle employing a mixed refrigerant are used.
  • Conoco Phillips which is based on the Cascade process.
  • the liquefaction process of 'Conoco Phillips' uses three Joules using methane (C1), ethylene (C2), and propane (C3), which are pure-component refrigerants. It consists of a Thompson cycle. Since the liquefaction process does not use a mixed refrigerant, there is an advantage that the operation of the liquefaction process is safe, simple and reliable. However, there is a disadvantage in that the size of the liquefaction system is inevitably increased because an individual compressor, heat exchanger, etc. are required for each of the three cycles.
  • Another liquefaction process in operation is the 'Single Mixed Refrigerant Process' (or SMR Process).
  • the basic structure of the SMR process is as shown in FIG.
  • the supply gas is liquefied through heat exchange with the mixed refrigerant in the heat exchange region.
  • the SMR process uses one closed loop refrigeration cycle with mixed refrigerant. In this refrigeration cycle, the mixed refrigerant is compressed and cooled, and then expanded after condensing the mixed refrigerant through heat exchange in the heat exchange zone. The expanded refrigerant flows back into the heat exchange zone to condense the precooled mixed refrigerant and liquefy the feed gas.
  • This SMR process has the advantage that the system is compact due to its simple structure, but has the disadvantage that the efficiency of the liquefaction process is not good.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the problem of the present invention is to use a single closed loop refrigeration cycle employing a mixed refrigerant, the liquefaction process is simple, the system is compact and the operation of the liquefaction system is easy It is to provide a natural gas liquefaction process with excellent efficiency of the liquefaction process.
  • separates which separates partially condensed mixed refrigerant into a liquid refrigerant
  • the natural gas liquefaction process according to the present invention uses a single refrigeration cycle employing a mixed refrigerant, so the structure of the liquefaction process is simple, the system is compact, and the operation of the system is easy, and the mixed refrigerant is divided into two refrigerant parts. After the separation, the steps of condensation (cooling), expansion, heat exchange and compression are performed separately without mixing between the refrigerant parts, so that the conditions for optimum temperature and pressure can be applied to the separated refrigerant parts, respectively. Thereby, the efficiency of a liquefaction process can be improved.
  • Embodiment 1 is a flowchart illustrating a natural gas liquefaction process according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a first modification of the liquefaction process according to FIG. 1.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a second modification to the liquefaction process according to FIG. 1.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a third modification of the liquefaction process according to FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a natural gas liquefaction process according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a first modification of the liquefaction process according to FIG. 5.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a second modification to the liquefaction process according to FIG. 5.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a third modification of the liquefaction process according to FIG. 5.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a fourth modification of the liquefaction process according to FIG. 5.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a fifth modification of the liquefaction process according to FIG. 5.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a sixth modification to the liquefaction process according to FIG. 5.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a natural gas liquefaction process according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a natural gas liquefaction process according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a modification of the liquefaction process according to FIG. 13.
  • 15 and 16 are flowcharts illustrating basic concepts that can represent the above-described embodiments.
  • 17 and 18 are flowcharts illustrating the case where the liquefaction process according to the above-described embodiments is used as part of the overall liquefaction process.
  • 19 is a flowchart conceptually illustrating a conventional C3 / MR process.
  • 20 is a flowchart conceptually illustrating a conventional cascade process.
  • 21 is a flowchart conceptually illustrating a conventional SMR process.
  • the liquefaction process according to the present embodiment is a process for producing liquefied natural gas (LNG) by cooling natural gas to a liquefaction temperature by using a closed loop refrigeration cycle as shown in FIG. Can be applied.
  • LNG liquefied natural gas
  • one closed loop refrigeration cycle employing mixed refrigerants or multi-component refrigerants is used to pre-cool the natural gas through heat exchange with the refrigerant in the first heat exchange zone. It can be applied to the natural gas liquefaction process for liquefying the pre-cooled natural gas through heat exchange with the refrigerant.
  • the liquefaction process according to the present embodiment may further include a separate auxiliary refrigeration cycle for cooling the mixed refrigerant or cooling the natural gas.
  • the partially condensed mixed refrigerant flows into the separating means 110 and is separated into a first refrigerant portion and a second refrigerant portion having a lower boiling point than the first refrigerant portion according to the difference in boiling point. That is, the partially condensed mixed refrigerant may be divided into a first refrigerant portion separated into the liquid refrigerant portion because of the high boiling point through the separating means 110 and a second refrigerant portion separated into the gaseous refrigerant portion because of the low boiling point. have.
  • Such separation means 110 may be a conventional vapor-liquid separator.
  • the separated first refrigerant part may undergo a series of cooling and expansion processes and then precool the natural gas in the first heat exchange area through heat exchange.
  • the separated first refrigerant part is introduced into the first heat exchange region 121 through a conduit 161 connecting the separation means 110 and the first heat exchange region 121.
  • the first refrigerant portion is cooled through heat exchange in the first heat exchange region 121. Cooling of this refrigerant portion is accomplished through heat exchange with the refrigerant entering the first heat exchange region 121 through conduits 163 and 175.
  • the coolant portion thus cooled enters and expands to expansion means 131 through conduit 162.
  • the expansion means 131 may be a conventional expansion valve (expansion valve).
  • the expanded refrigerant portion enters the first heat exchange region 121 again through the conduit 163.
  • the refrigerant portion introduced into the first heat exchange region 121 cools other refrigerants and precools natural gas through heat exchange in the first heat exchange region 121.
  • the portion of the refrigerant having undergone heat exchange in the first heat exchange region 121 is introduced into the first compression means 141 through the conduit 164 and compressed.
  • the first compression means 141 may be a conventional compressor
  • the second compression means 142 which will be described later, may also be a conventional compressor.
  • the first and second compression means may have a form in which a plurality of compressors and cooling means are connected in series.
  • the required power of the compressor can be reduced.
  • the pressures may be the same, but the pressure of the first and second compression means 141 and 142 may be different.
  • the inlet side may have different pressures.
  • the separated second refrigerant part is introduced into the first heat exchange area 121 through the conduit 171 and cooled. Cooling of this refrigerant portion is accomplished through heat exchange with the refrigerant entering the first heat exchange region 121 through conduits 163 and 175. The cooled refrigerant portion enters and condenses the second heat exchange region 122 through conduit 172. Condensation of this refrigerant portion takes place through heat exchange with the refrigerant entering the second heat exchange region 122 through the conduit 174. The condensed refrigerant portion enters and expands through expansion conduit 173 to expansion means 132. At this time, the expansion means 132 may be a conventional expansion valve (expansion valve).
  • the expanded refrigerant portion flows back through the conduit 174 into the second heat exchange zone 122 to condense other refrigerants through the heat exchange and liquefy the precooled natural gas.
  • the liquefied natural gas may be expanded by the expansion valve 136 and then introduced into the storage tank.
  • the two heat exchange regions 121 and 122 described above may be provided in one heat exchange means 120 as shown in FIG. 1, or may be provided in two heat exchange means, respectively.
  • the heat exchange means may also be a conventional heat exchanger.
  • the portion where heat exchange is substantially performed in the heat exchange region is shown in a form similar to a triangular wave as shown in FIG. 1, and the portion where heat exchange is not substantially performed in the heat exchange region is represented by a straight line (case Some heat exchange may occur).
  • the portion shown in a straight line in the heat exchange means 120 of FIG. 1 does not actually pass through the second heat exchange region 122, that is, does not perform heat exchange with other refrigerants, but is merely for convenience of illustration. It is shown as passing through the second heat exchange region 122.
  • the refrigerant portion having completed the heat exchange in the second heat exchange region 122 may be introduced into the first heat exchange region 121 through the conduit 175 to further cool other refrigerants or additionally pre-cool natural gas through heat exchange. Since the refrigerant portion in which the other refrigerant and the natural gas are cooled in the second heat exchange region 122 has a sufficiently low temperature even after the heat exchange, the refrigerant may be cooled even though the refrigerant flows into the first heat exchange region 121 as described above. .
  • the refrigerant portion having completed this heat exchange is introduced into the second compression means 142 through the conduit 176 and compressed. In some cases, however, the refrigerant portion having completed the heat exchange in the second heat exchange region 122 may be introduced into the second compression means 142 without passing through the first heat exchange region 121.
  • the first refrigerant portion compressed through the first compression means 141 and the second refrigerant portion compressed through the second compression means 142 enter the cooling means 146, 147 through the conduits 165, 177, respectively. And the cooling, whereby each refrigerant portion may be partially condensed.
  • Such cooling means 146, 147 may be conventional chillers.
  • Each refrigerant portion is then mixed into one refrigerant portion via mixing means.
  • Such mixing means may be a conventional mixer.
  • such mixing means may refer to two conduits 166 and 178 connected between the conduits, ie interconnected to induce mixing of the first and second refrigerant portions, as shown in FIG. 1.
  • the refrigerant portion thus mixed is introduced into separation means 110 through conduit 167 in a partially condensed state and repeats the aforementioned refrigeration cycle.
  • cooling means 148 may be provided to cool the mixed refrigerant portion after mixing the refrigerant portions.
  • 2 is a flowchart illustrating a first modification of the liquefaction process according to FIG. 1.
  • the refrigerant parts are partially condensed due to cooling by the coolers 146 and 147, and in the case of the modification according to FIG. 2, the mixed refrigerant part is cooled by the cooler 148. Due to partial condensation.
  • the liquefaction process according to FIG. 1 further includes an expander between the above-described second heat exchange area 122 and expansion valves 131 and 132 in order to further increase the efficiency of the liquefaction process as shown in FIG. 3.
  • You may. 3 is a flowchart illustrating a second modification to the liquefaction process according to FIG. 1.
  • the first refrigerant portion may pass through the first heat exchange region 121 and then flow into the expander 191 through the conduit 1621 to be primarily expanded. It may then enter the expansion valve 131 through the conduit 1622 and may be secondary expanded.
  • the second refrigerant portion also passes through the second heat exchange region 122, then enters the expander 192 through the conduit 1731 and is primarily expanded, and then through the conduit 1732 to the expansion valve 132. Inflow and secondary expansion.
  • JT valves Conventional expansion valves
  • the expander also causes work to go out with pressure drop, allowing more energy to flow out of the fluid, which can result in a lower temperature of the fluid. It is also possible to drive the compressor or the like through the work generated from the expander. As a result, the overall efficiency of the liquefaction process can be improved, and compared with the liquefaction process according to FIG. 1, the liquefaction process according to FIG. 3 was confirmed to have an efficiency improvement of about 1.7%.
  • the liquefaction process according to FIG. 1 may be modified to perform additional recompression of the mixed refrigerant portion after mixing of the refrigerant, as shown in FIG. 4.
  • 4 is a flowchart illustrating a third modification of the liquefaction process according to FIG. 1. That is, as shown in FIG. 4, the mixed refrigerant portion may be compressed once again through the recompression means 144, and the recompressed refrigerant portion may be once again cooled and partially condensed. For reference, in the case of the embodiment according to FIG. 1, the refrigerant parts are partially condensed due to the cooling by the coolers 146 and 147. In the modification according to FIG. 4, the mixed refrigerant part is recompressed and recooled to partially. Condensation.
  • the liquefaction process according to the present embodiment consists of only one refrigeration cycle as described above, the liquefaction process is basically simple, the system is compact, and the operation of the liquefaction system is easy.
  • the first refrigerant portion and the first refrigerant portion are not mixed between the refrigerant portions.
  • the two refrigerant sections are each mixed via separate loops until they reach mixing means.
  • the first conduits 161 to 164 for guiding the first refrigerant from the separating means 110 to the first compression means 141, and the second refrigerant from the separating means 110 to the second compression means 142.
  • each refrigerant portion when each refrigerant part individually performs a refrigeration cycle, the efficiency of the liquefaction process may be improved.
  • each refrigerant portion when the mixed refrigerant is separated into the first refrigerant portion and the second refrigerant portion by the separating means 110, each refrigerant portion may have a difference in composition. Accordingly, each refrigerant portion exhibits different thermodynamic characteristics according to its composition, and as a result, a difference occurs in a region in which each refrigerant portion can exert cooling heat effectively.
  • each refrigerant The portions are subjected to condensation (cooling), expansion, heat exchange and compression without mixing with each other (ie without mixing between the first and second refrigerant portions).
  • each refrigerant portion is treated with natural gas at optimum conditions.
  • the liquefaction process can be designed to exchange heat, and as a result, the efficiency of the entire liquefaction process can be improved.
  • the mixed refrigerant used in the liquefaction process according to the present embodiment includes methane (C1), ethane (C2), propane (C3), butane (C4), pentane (C5), and nitrogen (N2). It is preferable in terms of.
  • the mixed refrigerant includes methane (C1), ethane (C2), propane (C3) and nitrogen (N2), but if it contains more butane (C4) and pentane (C5), the mixed refrigerant may cover it. Since the temperature range is wider, the efficiency of the liquefaction process can be improved when using such a mixed refrigerant.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a natural gas liquefaction process according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the liquefaction process according to the present embodiment basically has the same configuration as the liquefaction process according to the first embodiment described above.
  • the refrigerant part mixed through the mixing means is introduced into the separating means 112 through the conduit 1676 and further separated into the liquid refrigerant part and the gaseous refrigerant part according to the first embodiment. It is different from the liquefaction process.
  • the same (or equivalent) reference numerals are given to the same (or equivalent) parts as the above-described configuration, and detailed description thereof will be omitted.
  • the refrigerant portion mixed through the mixing means is introduced into the additional separation means 112 through the conduit 1676 to further add the liquid refrigerant portion and the gas phase refrigerant portion.
  • the additional separation means 112 may be a conventional gas-liquid separator.
  • the liquid refrigerant portion separated through the additional separation means 112 enters the first heat exchange region 121 through the conduit 181 to cool and then enters the expansion valve 133 and expands.
  • the expanded portion of the refrigerant flows back into the first heat exchange region 121 through the conduit 182 to further precool the natural gas.
  • the refrigerant portion additionally precooled with natural gas is then introduced into the third compression means 143 through the conduit 183 and compressed.
  • the refrigerant portion separately compressed through the first to third compression means 141, 142, and 143 may be mixed into one refrigerant portion through the above-described mixing means.
  • the liquid refrigerant portion separated through the separating means 110 and the gaseous refrigerant portion, and the liquid refrigerant portion separated through the additional separating means 112 are separated. After separation through the means 110, and after separation through the further separation means 112, they are mixed together via independent loops without mixing with each other in the mixing step.
  • the liquid refrigerant portion separated through the additional separating means 112 is mixed with other refrigerant portions. You can also compress it. That is, as shown in FIG. 6, the liquid refrigerant portion separated through the additional separating means 112 flows into the first heat exchange region 121 through the conduit 181 to be cooled and then expands the expansion valve 133. It can be introduced into and expanded. The expanded refrigerant portion may be separated into the liquid refrigerant through the separating means 110, and then introduced into the first heat exchange region 121 to be cooled, and mixed with the expanded refrigerant portion by the expansion valve 131. .
  • the mixed refrigerant portions flow together as one refrigerant flow. That is, the mixed refrigerant portion flows back into the first heat exchange region 121 through the conduit 1631 to cool other refrigerants and precool natural gas.
  • the refrigerant portion having completed this heat exchange is introduced into the first compression means 141 through the conduit 1641 and compressed.
  • the liquefaction process illustrated in FIG. 6 can reduce the number of compression means compared to the liquefaction process illustrated in FIG. 5, and thus, the structure of the entire liquefaction system can be simplified.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a second modification to the liquefaction process according to FIG. 5.
  • the liquid refrigerant portion separated through the additional separation means 112 as shown in FIG. 7 flows into the expansion valve 133 through the conduit 181 without passing through the first heat exchange region 121.
  • the expanded refrigerant portion enters the first heat exchange region 121 through the conduit 182 to further precool the natural gas.
  • the refrigerant portion additionally precooled with natural gas is then introduced into the third compression means 143 through the conduit 183 and compressed.
  • the liquid refrigerant portion separated through the additional separating means 112 is mixed with other refrigerant portions. Can then be compressed. That is, as shown in FIG. 8, the liquid refrigerant portion separated through the additional separation means 112 is introduced into the first heat exchange region 121 through the conduits 181 and 182 to further precool the natural gas.
  • the refrigerant may be separated through another refrigerant portion, that is, through the separation means 110, and then introduced into the first heat exchange region 121 through the conduit 163 through various processes to be mixed with the refrigerant portion that precools the natural gas.
  • the mixed refrigerant portion is introduced into the first compression means 141 through the conduit 1644 and compressed.
  • the liquefaction process illustrated in FIG. 8 can reduce the number of compression means compared to the liquefaction process illustrated in FIG. 7, and thus, the structure of the entire liquefaction system can be simplified.
  • the liquid refrigerant portion separated through the additional separating means 112 may be separated from the liquid refrigerant portion separated through the separating means 110. After mixing, it may be used as one refrigerant stream. That is, as shown in FIG. 9, the liquid refrigerant portion separated through the additional separating means 112 through the conduit 1811, and the liquid refrigerant portion separated through the separating means 110 connects the conduit 1616. Can be mixed in one flow, and the mixed refrigerant portion is introduced into the first heat exchange region 121 through the conduit 1617 as one refrigerant flow.
  • a pump may be further provided in the conduit 1811 for smooth flow of the refrigerant.
  • a pump may be used to increase the pressure of the portion of the liquid refrigerant separated through the additional separating means 112 as in FIG. 9, or separated through the separating means 110 as in FIG. 11 to be described later.
  • Expansion valve 137 may be used to lower the pressure of the liquid refrigerant portion.
  • the liquid refrigerant portion separated through the additional separation means 112 may be supplied to the separation means 110 through the conduit 1811. .
  • the refrigerant portion partially condensed through the cooling means 149 and the refrigerant portion supplied from the additional separating means 112 may be separated into a liquid refrigerant portion and a gaseous refrigerant portion.
  • the pump 191 may be further provided in the conduit 1811 connecting the separating means 110 and the additional separating means 112 to smoothly flow the refrigerant.
  • the pressure is lowered by expanding the liquid refrigerant portion separated through the separating means 110 through the expansion valve 137, and then adding the pressure. It may be mixed with the separated liquid refrigerant portion through the separating means 112.
  • the mixed refrigerant portion may flow as one refrigerant flow. That is, the mixed refrigerant portion may precool the natural gas in the first heat exchange region 121 similarly to the liquefaction processes described above.
  • the gaseous phase refrigerant portion separated through the additional separation means 112 is partially condensed through the recompression and recondensation processes similarly to the liquefaction process illustrated in FIG. 4, and then introduced into the separation means 110. That is, as shown in FIGS. 5-11, the gaseous refrigerant portion separated through the additional separation means 112 is introduced into the further compression means 144 through the conduit 1677 and further compressed, and then the conduit It enters into the cooling means 149 through 1678 and partially condenses, and then into the separating means 110 through the conduit 1679.
  • the above-mentioned claim is described as a 'step of partially condensing the separated gaseous refrigerant part through an additional separation step', but this step compresses the separated gaseous refrigerant part through an additional separation step. It includes not only the case of cooling through a conventional cooler to partially condense, but also the case of further cooling and condensing through a separate cooling device, etc., without compressing the separated gaseous refrigerant portion through additional separation means.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a natural gas liquefaction process according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the liquefaction process according to the present embodiment differs from the above-described embodiments in that a distillation column is used as a separation means.
  • the refrigerant portion mixed through the mixing means is introduced into the compression means 144 through the conduit 1701 and compressed. After being compressed in this way, the refrigerant portion is introduced into the distillation column 114 through the conduit 1802 and is precisely separated into the gaseous refrigerant portion and the liquid refrigerant portion with the required composition.
  • the portion of the liquid refrigerant separated through the distillation tower 114 is cooled through conventional cooling means and then introduced into the first heat exchange zone 121 through the conduit 1612 and cooled.
  • the coolant portion thus cooled is expanded through the expansion valve 131 and flows back into the first heat exchange region 121.
  • the refrigerant portion may precool the natural gas in the first heat exchange region 121.
  • the liquid refrigerant part separated through the distillation column 114 plays the same role as the first refrigerant part of the first embodiment.
  • the gaseous refrigerant portion separated through the distillation column is introduced into a conventional cooling means through conduit 1683 and partially condensed.
  • the condensed refrigerant part is separated into the gaseous refrigerant part and the liquid phase refrigerant part through the conventional gas-liquid separator 116, and the separated gaseous refrigerant part plays the same role as the second refrigerant part of the first embodiment described above. .
  • the separated liquid refrigerant portion is supplied back to the distillation column (114). In this way, when the low-temperature liquid refrigerant is supplied to the distillation column, the refrigerant portion may be separated into the liquid refrigerant portion and the gaseous refrigerant portion more precisely in the distillation column.
  • the efficiency of the liquefaction process can be improved because the characteristics of each refrigerant part can be more accurately utilized.
  • the refrigerant part mixed by the mixing means passes through the first heat exchange region 221 and then is separated into a gaseous refrigerant part and a liquid refrigerant part.
  • the refrigerant portion mixed through the mixing means as shown in FIG. 13 flows into the first heat exchange region 221 through the conduit 261 and partially condenses through heat exchange in the first heat exchange region 221. do.
  • the condensed refrigerant portion is introduced into the separating means 210 through the conduit 262 and is separated into the liquid refrigerant portion and the gaseous refrigerant portion according to the difference in boiling point.
  • the separated liquid refrigerant portion is introduced into the expansion valve 231 through the conduit 263 and expanded, and then flows back into the first heat exchange region 221 through the conduit 264 to cool other refrigerants and precool the natural gas. Let's do it.
  • the refrigerant portion is then introduced into the first compression means 241 through the conduit 265 and compressed.
  • the separated gaseous refrigerant portion is introduced into and condensed into the second heat exchange region 222 through the conduit 271.
  • the condensed refrigerant portion thus enters and expands through conduit 272 through passage expansion valve 232.
  • the coolant portion then flows back through the conduit 273 into the second heat exchange zone 222 to cool the other refrigerant and liquefy the natural gas.
  • the portion of the refrigerant having undergone heat exchange with natural gas may flow into the first heat exchange region 221 through the conduit 274 to further precool the natural gas and the other refrigerant.
  • the refrigerant portion is introduced into the second compression means 242 through the conduit 275 and compressed.
  • This liquefaction process can be modified as shown in FIG.
  • the partially condensed mixed refrigerant is separated into the gaseous refrigerant portion and the liquid phase refrigerant portion through the separating means 210.
  • the separated refrigerant parts thus precool and liquefy natural gas in the same way as the liquefaction process according to the first embodiment as shown in FIG.
  • the modification according to FIG. 14 further includes a third heat exchange region 223.
  • This third heat exchange zone 223 partially condenses the refrigerant portion mixed by the mixing means (see heat exchange zone between conduit 261 and conduit 262) and removes the natural gas prior to precooling in the first heat exchange zone 221. Precool.
  • This cooling is achieved by the introduction of refrigerant portions that have precooled or liquefied natural gas into the third heat exchange zone 223 through conduits 2634 and 2716 (heat exchange zone between conduits 2634 and conduit 2635 and between conduits 2716 and 2717). Heat exchange zones). After this heat exchange, the respective refrigerant portions passing through the third heat exchange zone 223 enter the compression means 241, 242 through the conduits 2635, 2717, respectively.
  • the efficiency of the liquefaction process according to the above embodiments is compared with the conventional SMR process (see FIG. 21) or C3 / MR process (see FIG. 19) as shown in the following table.
  • the existing C3 / MR process (see FIG. 19) has very high efficiency as summarized in the table below
  • the liquefaction process according to the above embodiments is the same as the conventional SMR process (see FIG. 21). It can be seen that the efficiency is very good while using one closed loop refrigeration cycle.
  • N2 nitrogen
  • methane (C1), ethane (C2), and propane (C3) are generally used as refrigerants.
  • Performance comparisons were made using only (N2), methane (C1), ethane (C2) and propane (C3).
  • the comparison result may have some differences depending on how to determine the components of the mixed refrigerant in each process or how to determine the performance of the compressor.
  • the liquefaction process according to the above-described embodiments may further include a refrigeration cycle for cooling the natural gas as shown in FIGS. 17 and 18. That is, as shown in FIG. 17, the natural gas is precooled through an additional refrigeration cycle, and then the liquefaction process according to the above-described embodiments ( Natural gas can be liquefied. As shown in FIG. 18, the natural gas may be cooled through the liquefaction process according to the above embodiments, and then the natural gas may be supercooled through an additional refrigeration cycle.
  • the liquefaction process according to the above embodiments may be used as one independent liquefaction process for liquefying natural gas itself, but may be used together with other independent liquefaction processes to be used as part of the overall liquefaction process.
  • the present invention uses a single refrigeration cycle, so that the structure of the liquefaction process is simple, the system is compact, and the system is easy to operate, and after the mixed refrigerant is separated into two refrigerant parts, there is no mixing between the refrigerant parts. Since the steps of condensation (cooling), expansion, heat exchange, and compression are performed separately, conditions for optimum temperature and pressure can be applied to the separated refrigerant parts, thereby improving the efficiency of the liquefaction process.
  • a natural gas liquefaction process which has industrial applicability.

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Abstract

본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 혼합 냉매를 채용한 하나의 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정의 구조가 단순하고 시스템이 콤팩트하면서도 시스템의 운전이 용이할 뿐만 아니라, 혼합 냉매가 두 개의 냉매 부분으로 분리된 다음에는 냉매 부분 사이의 혼합 없이 각각 개별적으로 응축(냉각), 팽창, 열교환 및 압축의 단계가 진행되기 때문에 분리된 냉매 부분에 대해 각각 최적의 온도 및 압력 등에 대한 조건을 적용할 수 있으며, 이에 따라 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

천연가스 액화공정
본 발명은 천연가스 액화공정에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 혼합 냉매를 채용한 하나의 폐 루프 냉동 사이클을 사용함으로써 액화공정의 구조가 단순하여 시스템이 콤팩트해질 수 있고 액화시스템의 운전이 용이하면서도 액화공정의 효율이 뛰어난 천연가스 액화공정에 관한 것이다.
천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 열역학적 프로세스는 더 높은 효율과 더 큰 용량에 대한 요구를 포함하는 다양한 과제들을 충족시키기 위해 1970년대부터 개발되어 왔다. 이러한 요구, 즉 액화공정의 효율과 용량을 높이기 위해 서로 다른 냉매를 사용하거나 서로 다른 사이클을 사용하여 천연가스를 액화시키는 다양한 시도들이 현재까지 지속적으로 이루어지고 있으나 실용적으로 사용되고 있는 액화공정의 수는 매우 적다.
작동 중에 있으면서도 가장 널리 보급된 액화공정 중의 하나는 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process(또는 C3/MR Process)'이다. C3/MR 공정의 기본적인 구조는 도 19에서 도시하고 있는 것과 같다. 도 19에서 도시하고 있는 것과 같이 공급가스는 다단(multi-stage)의 프로판(C3) 줄-톰슨(Joule-Thomson, JT) 사이클에 의해 대략 238 K까지 예냉(pre-cooled)된다. 예냉된 공급가스는 열교환기에서 혼합 냉매(mixed refrigerant, MR)와의 열교환을 통해 123 K까지 액화(liquefied)되고 과냉(sub-cooled)된다. 이러한 C3/MR 공정의 경우에는 단일 냉매를 채용한 냉동 사이클과 혼합 냉매를 채용한 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정이 복잡하고 액화시스템의 운영이 어렵다는 단점이 있다.
작동 중에 있는 다른 성공적인 액화공정 중의 하나는 'Conoco Phillips'에 의한 것으로서 캐스케이드 공정(Cascade process)에 기초하고 있다. 도 20에서 개념적으로 도시하고 있는 것과 같이, 'Conoco Phillips'의 액화공정은 순수 냉매(pure-component refrigerant)인 메탄(C1), 에틸렌(C2), 및 프로판(C3)을 사용하는 3개의 줄-톰슨 사이클로 구성된다. 이러한 액화공정은 혼합 냉매를 사용하지 않기 때문에 액화공정의 작동에 있어 안전하고 단순하며 신뢰할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 3개의 사이클 각각에 개별적인 압축기, 열교환기 등이 필요하기 때문에 액화시스템의 규모가 커질 수밖에 없다는 단점이 있다.
작동 중에 있는 또 다른 액화공정 중의 하나는 'Single Mixed Refrigerant Process(또는 SMR Process)'이다. SMR 공정의 기본적인 구조는 도 21에서 도시하고 있는 것과 같다. 도 21에서 도시하고 있는 것과 같이 공급가스는 열교환 영역에서의 혼합 냉매와의 열교환을 통해 액화된다. 이를 위해 SMR 공정에서는 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 사용한다. 이러한 냉동 사이클에서는 혼합 냉매를 압축하고 냉각한 다음, 열교환 영역에서의 열교환을 통해 혼합 냉매를 응축한 후에 팽창시킨다. 팽창된 냉매는 다시 열교환 영역으로 유입되어 예냉된 혼합 냉매를 응축시키고 공급가스를 액화시킨다. 이러한 SMR 공정은 구조가 단순하여 시스템이 콤팩트하다는 장점이 있으나 액화공정의 효율이 좋지 않다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 혼합 냉매를 채용한 하나의 폐 루프 냉동 사이클을 사용하여 액화공정이 단순하고 시스템이 콤팩트하며 액화시스템의 운전이 용이하면서도 액화공정의 효율이 뛰어난 천연가스 액화공정을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 예냉된 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서, 폐 루프 냉동 사이클은, 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계, 액상 냉매 부분을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉하는 예냉 단계, 기상 냉매 부분을 이용하여 제2 열교환 영역에서 예냉된 천연가스를 액화하는 액화 단계, 예냉 단계 이후에 예냉 단계를 통해 천연가스를 예냉시킨 냉매 부분을 압축하는 제1 압축 단계, 액화 단계 이후에 액화 단계를 통해 천연가스를 액화시킨 냉매 부분을 압축하는 제2 압축 단계, 및 제1, 2 압축 단계를 통해 압축된 각각의 냉매 부분을 혼합하는 혼합 단계를 포함하며, 상기 액상 냉매 부분과 상기 기상 냉매 부분은 상기 분리 단계를 통해 분리된 이후에 상호간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 상기 혼합 단계에서 상호 혼합된다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 혼합 냉매를 채용한 하나의 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정의 구조가 단순하고 시스템이 콤팩트하면서도 시스템의 운전이 용이할 뿐만 아니라, 혼합 냉매가 두 개의 냉매 부분으로 분리된 다음에는 냉매 부분 사이의 혼합 없이 각각 개별적으로 응축(냉각), 팽창, 열교환 및 압축의 단계가 진행되기 때문에 분리된 냉매 부분에 대해 각각 최적의 온도 및 압력 등에 대한 조건을 적용할 수 있으며, 이에 따라 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 2는 도 1에 따른 액화공정에 대한 제1 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 3은 도 1에 따른 액화공정에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 4는 도 1에 따른 액화공정에 대한 제3 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 6은 도 5에 따른 액화공정에 대한 제1 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 7은 도 5에 따른 액화공정에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 8은 도 5에 따른 액화공정에 대한 제3 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 9는 도 5에 따른 액화공정에 대한 제4 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 10은 도 5에 따른 액화공정에 대한 제5 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 11은 도 5에 따른 액화공정에 대한 제6 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 4에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 14은 도 13에 따른 액화공정에 대한 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
도 15 및 도 16은 전술한 실시예들을 대표할 수 있는 기본 개념을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 17 및 도 18은 전술한 실시예들에 따른 액화공정이 전체 액화공정의 일부로서 사용되는 경우를 예시하고 있는 흐름도이다.
도 19는 종래의 C3/MR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도이다.
도 20은 종래의 캐스케이드 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도이다.
도 21은 종래의 SMR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 본 실시예에 따른 액화공정은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 한 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스를 액화온도까지 냉각시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 공정에 적용될 수 있다. 특히 혼합 냉매(mixed refrigerant 또는 multi-component refrigerant)를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여, 제1 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉)시키고, 제2 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 예냉된 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 적용될 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 액화공정은 추가적으로 혼합 냉매를 냉각하거나 또는 천연가스를 냉각하는 별도의 보조 냉동 사이클을 더 포함할 수도 있다.
이하에서는 위와 같이 한 개의 냉동 사이클을 포함하는 천연가스 액화공정에 적용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공정을 도 1을 참조하여 설명하도록 한다. 부분적으로 응축된 혼합 냉매는 분리 수단(110)으로 유입되어 비등점의 차이에 따라 제1 냉매 부분과, 제1 냉매 부분보다 비등점이 낮은 제2 냉매 부분으로 분리된다. 즉, 부분적으로 응축된 혼합 냉매는 분리 수단(110)을 통해 비등점이 높기 때문에 액상 냉매 부분으로 분리되는 제1 냉매 부분과, 비등점이 낮기 때문에 기상 냉매 부분으로 분리되는 제2 냉매 부분으로 나뉘어질 수 있다. 이러한 분리 수단(110)은 통상의 기액 분리기(vapor-liquid separator)일 수 있다.
이렇게 분리된 제1 냉매 부분은 일련의 냉각 과정과 팽창 과정을 거친 다음 열교환을 통해 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉시킬 수 있다. 이에 대해 상술하면 분리된 제1 냉매 부분은 분리 수단(110)과 제1 열교환 영역(121)을 연결하는 도관(161)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입된다. 그리고 제1 냉매 부분은 제1 열교환 영역(121)에서의 열교환을 통해 냉각된다. 이러한 냉매 부분의 냉각은 도관(163, 175)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어진다. 이렇게 냉각된 냉매 부분은 도관(162)을 통해 팽창 수단(131)으로 유입되어 팽창된다. 이때 팽창 수단(131)은 통상의 팽창 밸브(expansion valve)일 수 있다.
팽창된 냉매 부분은 도관(163)을 통해 다시 제1 열교환 영역(121)으로 유입된다. 제1 열교환 영역(121)으로 유입된 냉매 부분은 제1 열교환 영역(121)에서 열교환을 통해 다른 냉매들을 냉각시키고 천연가스를 예냉시킨다. 제1 열교환 영역(121)에서의 열교환을 마친 냉매 부분은 도관(164)을 통해 제1 압축 수단(141)으로 유입되어 압축된다. 이때 제1 압축 수단(141)은 통상의 압축기(compressor)일 수 있으며, 후술할 제2 압축 수단(142)도 동일하게 통상의 압축기일 수 있다. 그리고 제1 및 제2 압축 수단은 복수 개의 압축기와 냉각 수단이 직렬로 연결된 형태를 가질 수도 있다. 이와 같이 구성하여 냉매 부분을 다단으로 압축하면 압축기의 소요동력이 감소될 수 있다. 참고로 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 제1, 2 압축 수단(141, 142)의 출구 측은 서로 연결되어 있기 때문에 그 압력이 서로 동일할 수 있으나, 제1, 2 압축 수단(141, 142)의 입구 측은 그 압력이 서로 다를 수 있다.
그리고 분리된 제2 냉매 부분은 도관(171)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 냉각된다. 이러한 냉매 부분의 냉각은 도관(163, 175)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어진다. 냉각된 냉매 부분은 도관(172)을 통해 제2 열교환 영역(122)으로 유입되어 응축된다. 이러한 냉매 부분의 응축은 도관(174)을 통해 제2 열교환 영역(122)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어진다. 응축된 냉매 부분은 도관(173)을 통해 팽창 수단(132)으로 유입되어 팽창된다. 이때 팽창 수단(132)은 통상의 팽창 밸브(expansion valve)일 수 있다. 팽창된 냉매 부분은 도관(174)을 통해 다시 제2 열교환 영역(122)으로 유입되어 열교환을 통해 다른 냉매들을 응축시키고 예냉된 천연가스를 액화시킨다. 참고로 액화된 천연가스는 팽창 밸브(136)에 의해 팽창된 다음 저장 탱크 등으로 유입될 수 있다.
전술한 2개의 열교환 영역(121, 122)은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 하나의 열교환 수단(120) 내에 구비될 수도 있고, 또는 2개의 열교환 수단 내에 각각 구비될 수도 있다. 또한 상기 열교환 수단은 통상의 열교환기(heat exchanger)일 수 있다. 그리고 도시의 편의를 위해 열교환 영역 내에서 실질적으로 열교환이 이루어지는 부분은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 삼각파와 유사한 형태로 나타내고, 열교환 영역 내에서 실질적으로 열교환이 이루어지지 않는 부분은 직선으로 나타낸다(경우에 따라 약간의 열교환이 이루어질 수도 있다). 예를 들어, 도 1의 열교환 수단(120) 내에서 직선으로 나타낸 부분은 실제로는 제2 열교환 영역(122)을 통과하지 않으나, 즉 다른 냉매 등과의 열교환이 이루어지지 않으나, 단순히 도시의 편의를 위해 제2 열교환 영역(122)을 통과하는 것처럼 도시한다.
제2 열교환 영역(122)에서의 열교환을 마친 냉매 부분은 도관(175)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 열교환을 통해 다른 냉매들을 추가적으로 냉각시키거나 천연가스를 추가적으로 예냉시킬 수 있다. 제2 열교환 영역(122)에서 다른 냉매와 천연가스를 냉각시킨 냉매 부분은 열교환 이후에도 충분히 낮은 온도를 가지고 있기 때문에 위와 같이 제1 열교환 영역(121)으로 유입되더라도 다른 냉매나 천연가스를 냉각시킬 수 있다. 이러한 열교환을 마친 냉매 부분은 도관(176)을 통해 제2 압축 수단(142)으로 유입되어 압축된다. 다만 경우에 따라서는 제2 열교환 영역(122)에서의 열교환을 마친 냉매 부분을 바로, 즉 제1 열교환 영역(121)을 거치지 않고 제2 압축 수단(142)으로 유입시킬 수도 있다.
제1 압축 수단(141)을 통해 압축된 제1 냉매 부분과 제2 압축 수단(142)을 통해 압축된 제2 냉매 부분은 도관(165, 177)을 통해 각각 냉각 수단(146, 147)으로 유입되어 냉각되며, 이러한 냉각에 따라 각 냉매 부분은 부분적으로 응축될 수 있다. 이러한 냉각 수단(146, 147)은 통상의 냉각기일 수 있다. 그런 다음 각각의 냉매 부분은 혼합 수단을 통해 하나의 냉매 부분으로 혼합된다. 이러한 혼합 수단은 통상의 혼합기(mixer)일 수 있다. 또는 이러한 혼합 수단은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 도관 사이의 연결, 즉 상호 연결되어 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분의 혼합을 유도하는 두 도관(166, 178)을 의미할 수도 있다. 이와 같이 혼합된 냉매 부분은 부분적으로 응축된 상태로 도관(167)을 통해 분리 수단(110)으로 유입되어 전술한 냉동 사이클을 반복한다.
한편, 전술한 냉각 수단의 위치가 도 1에서 도시하고 있는 위치로 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 2개의 냉각 수단(146, 147)이 제1 및 제2 압축 수단(141, 142) 이후에 별도로 구비되어 각 냉매 부분을 각각 냉각할 수도 있지만, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 냉매 부분의 혼합 이후에 혼합된 냉매 부분이 냉각되도록 냉각 수단(148)이 구비될 수도 있다. 도 2는 도 1에 따른 액화공정에 대한 제1 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 참고로 도 1에 따른 실시예의 경우에는 냉각기(146, 147)에 의한 냉각으로 인해 냉매 부분들이 부분적으로 응축되고, 도 2에 따른 변형예의 경우에는 혼합된 냉매 부분이 냉각기(148)에 의한 냉각으로 인해 부분적으로 응축된다.
또한 도 1에 따른 액화공정은 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 액화공정의 효율을 보다 높이기 위해 전술한 제2 열교환 영역(122)과 팽창 밸브(131, 132) 사이에 팽창기(expander)를 더 구비할 수도 있다. 도 3은 도 1에 따른 액화공정에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 이에 대해 상술하면, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 제1 냉매 부분은 제1 열교환 영역(121)을 거친 다음, 도관(1621)을 통해 팽창기(191)로 유입되어 일차적으로 팽창될 수 있으며, 그 후 도관(1622)을 통해 팽창 밸브(131)로 유입되어 이차적으로 팽창될 수 있다. 이와 동일하게 제2 냉매 부분도 제2 열교환 영역(122)을 거친 다음, 도관(1731)을 통해 팽창기(192)로 유입되어 일차적으로 팽창된 후, 도관(1732)을 통해 팽창 밸브(132)로 유입되어 이차적으로 팽창될 수 있다.
통상의 팽창 밸브(expansion valve 또는 JT valve)는 압력 강하를 통해 유체의 온도를 낮추는 역할만을 수행한다. 이와 대비하여 팽창기(expander)는 압력 강하와 함께 외부로의 일도 발생시키기 때문에 유체로부터 더 많은 에너지가 유출될 수 있으며, 이에 따라 유체의 온도가 더 떨어질 수 있다. 또한 팽창기로부터 발생되는 일을 통해 압축기 등을 구동시킬 수도 있다. 이의 결과로 전체적인 액화공정의 효율이 향상될 수 있으며, 도 1에 따른 액화공정과 대비하여 도 3에 따른 액화공정은 대략 1.7% 정도의 효율 향상이 이루어지는 것으로 확인되었다.
그리고 도 1에 따른 액화공정은 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 냉매의 혼합 이후에 혼합된 냉매 부분에 대한 추가적인 재압축이 실시되도록 변형될 수도 있다. 도 4은 도 1에 따른 액화공정에 대한 제3 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 즉, 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 혼합된 냉매 부분은 재압축 수단(144)을 통해 다시 한 번 압축될 수 있으며, 재압축된 냉매 부분은 다시 한 번 냉각되어 부분적으로 응축될 수 있다. 참고로 도 1에 따른 실시예의 경우에는 냉각기(146, 147)에 의한 냉각으로 인해 냉매 부분들이 부분적으로 응축되고, 도 4에 따른 변형예의 경우에는 혼합된 냉매 부분이 재압축되고 재냉각되어 부분적으로 응축된다.
본 실시예에 따른 액화공정은 전술한 바와 같이 하나의 냉동 사이클로만 이루어지기 때문에 기본적으로 액화공정이 단순하여 시스템이 콤팩트하며 액화시스템의 운전이 용이하다는 장점을 가진다. 또한 전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 부분적으로 응축된 혼합 냉매가 분리 수단을 통해 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분으로 분리된 다음에는 냉매 부분 사이의 혼합 없이 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분이 각각 독립된 루프를 경유하다 혼합 수단에 도달해서야 비로소 상호 혼합된다. 즉, 제1 냉매를 분리 수단(110)으로부터 제1 압축 수단(141)까지 안내하는 제1 도관(161~164)과, 제2 냉매를 분리 수단(110)으로부터 제2 압축 수단(142)까지 안내하는 제2 도관(171~176) 사이에는 교차점이 없다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화 공정에서는 제1 냉매와 제2 냉매가 분리 수단과 압축 수단 사이에서 각각 개별적으로 응축(냉각), 팽창, 열교환 및 압축 과정을 거친다.
위와 같이 각 냉매 부분이 개별적으로 냉동 사이클을 수행할 경우에는 액화공정의 효율이 향상될 수 있다는 장점이 있다. 이에 대해 상술하면 혼합 냉매가 분리 수단(110)에 의해 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분으로 분리되고 나면 각 냉매 부분은 조성에 있어 차이가 생긴다. 이에 따라 각 냉매 부분은 그 조성에 따라 서로 다른 열역학적 특성을 나타내며, 이의 결과로 각 냉매 부분이 효과적으로 냉열을 발휘할 수 있는 영역에도 차이가 생긴다.
이러한 특성을 반영하여 분리된 각 냉매 부분에 각각 최적의 열교환 조건을 부여할 수 있도록 하기 위해 본 실시예에 따른 액화공정에서는 혼합 냉매가 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분으로 분리된 다음에는 각 냉매 부분이 상호간의 혼합 없이(즉, 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분간의 혼합 없이) 응축(냉각), 팽창, 열교환 및 압축의 과정을 거치게 된다. 예를 들어, 열교환 영역에서의 열교환을 마친 각 냉매 부분에 서로 다른, 그리고 최적의 압력 조건을 부여하기 위해 각 냉매 부분을 위한 별도의 압축 수단을 구비함으로써 각 냉매 부분이 최적의 조건에서 천연가스와 열교환할 수 있도록 액화공정을 설계할 수 있으며, 이의 결과로 액화공정 전체의 효율이 향상될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 액화공정에 사용되는 혼합 냉매는 메탄(C1), 에탄(C2), 프로판(C3), 부탄(C4), 펜탄(C5) 및 질소(N2)를 포함하는 것이 효율 증대의 측면에서 바람직하다. 일반적으로 혼합 냉매는 메탄(C1), 에탄(C2), 프로판(C3) 및 질소(N2)를 포함하지만, 여기에 부탄(C4)과 펜탄(C5)이 더 포함될 경우 혼합 냉매가 커버할 수 있는 온도 범위가 더 넓어지기 때문에, 이러한 혼합 냉매를 사용할 경우 액화공정의 효율이 향상될 수 있다.
실시예 2
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 기본적으로 전술한 실시예 1에 따른 액화공정과 동일한 구성을 가진다. 다만 본 실시예에 따른 액화공정은 혼합 수단을 통해 혼합된 냉매 부분이 도관(1676)을 통해 분리 수단(112)으로 유입되어 추가적으로 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리된다는 점에서 실시예 1에 따른 액화공정과 차이가 있다. 참고로 전술한 구성과 동일한(또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한(또는 상당한) 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 차이점을 중심으로 본 실시예에 따른 액화공정을 설명하면, 우선 혼합 수단을 통해 혼합된 냉매 부분은 도관(1676)을 통해 추가 분리 수단(112)으로 유입되어 추가적으로 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리된다. 이때 추가 분리 수단(112)은 통상의 기액 분리기일 수 있다. 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 도관(181)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 냉각된 다음에 팽창 밸브(133)로 유입되어 팽창된다. 이렇게 팽창된 냉매 부분은 도관(182)을 통해 다시 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 천연가스를 추가적으로 예냉한다. 그런 다음 천연가스를 추가적으로 예냉한 냉매 부분은 도관(183)을 통해 제3 압축 수단(143)으로 유입되어 압축된다.
이와 같이 제1 내지 제3 압축 수단(141, 142, 143)을 통해 별도로 압축된 냉매 부분은 전술한 혼합 수단을 통해 하나의 냉매 부분으로 혼합될 수 있다. 본 실시예에 따른 액화공정에서는 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 분리 수단(110)을 통해 분리된 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분, 그리고 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분이 분리 수단(110)을 통해 분리된 이후에, 그리고 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 이후에 상호간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 상기 혼합 단계에서 상호 혼합된다.
또는 위와 같이 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 별도의 압축 수단(143)을 통해 압축하는 대신에, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 다른 냉매 부분과 혼합한 후에 압축할 수도 있다. 즉, 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 도관(181)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 냉각된 다음에 팽창 밸브(133)로 유입되어 팽창될 수 있다. 이렇게 팽창된 냉매 부분은, 분리 수단(110)을 통해 액상 냉매로 분리된 다음, 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 냉각되고, 팽창 밸브(131)에 의해 팽창된 냉매 부분과 혼합될 수 있다.
이렇게 혼합된 냉매 부분은 하나의 냉매 흐름으로서 함께 유동한다. 즉, 혼합된 냉매 부분은 도관(1631)을 통해 다시 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 다른 냉매들을 냉각시키고 천연가스를 예냉시킨다. 이러한 열교환을 마친 냉매 부분은 도관(1641)을 통해 제1 압축 수단(141)으로 유입되어 압축된다. 도 6에서 도시하고 있는 액화공정은 도 5에서 도시하고 있는 액화공정에 비해 압축 수단의 개수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 전체적인 액화시스템의 구조를 단순화할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 도 5에 따른 액화공정은 도 7에서 도시하고 있는 것과 같은 변형이 가능하다. 도 7은 도 5에 따른 액화공정에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 이에 대해 상술하면, 도 7에서 도시하고 있는 것과 같이 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 제1 열교환 영역(121)을 거치지 않고 도관(181)을 통해 팽창 밸브(133)로 유입되어 팽창될 수 있다. 이렇게 팽창된 냉매 부분은 도관(182)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 천연가스를 추가적으로 예냉한다. 그런 다음 천연가스를 추가적으로 예냉한 냉매 부분은 도관(183)을 통해 제3 압축 수단(143)으로 유입되어 압축된다.
또는 위와 같이 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 별도의 압축 수단(143)을 통해 압축하는 대신에, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 다른 냉매 부분과 혼합한 후 압축할 수 있다. 즉, 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 도관(181, 182)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 천연가스를 추가적으로 예냉한 다음에, 다른 냉매 부분, 즉 분리 수단(110)을 통해 분리된 후 여러 과정을 거쳐 도관(163)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 천연가스를 예냉시킨 냉매 부분과 혼합될 수 있다. 이와 같이 혼합된 냉매 부분은 도관(1642)을 통해 제1 압축 수단(141)으로 유입되어 압축된다. 도 8에서 도시하고 있는 액화공정은 도 7에서 도시하고 있는 액화공정에 비해 압축 수단의 개수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 전체적인 액화시스템의 구조를 단순화할 수 있다는 장점이 있다.
이외에도 도 5 내지 도 8에서 도시하고 있는 액화공정과 다르게 도 9에서 도시하고 있는 것과 같이, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 분리 수단(110)을 통해 분리된 액상 냉매 부분과 혼합한 후에, 이를 하나의 냉매 흐름으로서 사용할 수도 있다. 즉, 도 9에서 도시하고 있는 것과 같이 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 도관(1811)을 통해, 그리고 분리 수단(110)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 도관(1616)을 통해 하나의 흐름으로 혼합될 수 있으며, 이렇게 혼합된 냉매 부분은 하나의 냉매 흐름으로서 도관(1617)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입된다. 이러한 액화공정에서는 냉매의 원활한 유동을 위해 도관(1811) 중에 펌프를 더 구비할 수 있다. 참고로 두 냉매 부분을 원활하게 혼합하기 위해서는 혼합 전에 두 냉매 부분의 압력을 서로 맞추는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 9에서와 같이 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분의 압력을 높이기 위해 펌프를 사용할 수도 있고, 또는 후술할 도 11에서와 같이 분리 수단(110)을 통해 분리된 액상 냉매 부분의 압력을 낮추기 위해 팽창 밸브(137)를 사용할 수도 있다.
그리고 도 9에서 도시하고 있는 액화공정과는 다르게 도 10에서 도시하고 있는 것과 같이, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 도관(1811)을 통해 분리 수단(110)으로 공급할 수도 있다. 분리 수단(110)에서는 냉각 수단(149)을 통해 부분적으로 응축된 냉매 부분과, 추가 분리 수단(112)으로부터 공급받은 냉매 부분을, 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리할 수 있다. 이러한 액화공정에서는 냉매의 원활한 유동을 위해 분리 수단(110)과 추가 분리 수단(112)을 연결하는 도관(1811) 중에 펌프(191)를 더 구비할 수 있다. 또는 전술한 액화공정들과 다르게 도 11에서 도시하고 있는 것과 같이, 분리 수단(110)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 팽창 밸브(137)를 통해 팽창시키는 방법 등으로 그 압력을 낮춘 다음에, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분과 혼합시킬 수도 있다. 이렇게 혼합된 냉매 부분은 하나의 냉매 흐름으로서 유동할 수 있다. 즉, 이렇게 혼합된 냉매 부분은 전술한 액화공정들과 유사하게 제1 열교환 영역(121)에서 천연가스를 예냉시킬 수 있다.
한편, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 기상 냉매 부분은 도 4에서 도시하고 있는 액화공정과 유사하게 재압축과 재응축 과정을 거쳐 부분적으로 응축된 다음에 분리 수단(110)으로 유입된다. 즉, 도 5 내지 도 11에서 도시하고 있는 것과 같이, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 기상 냉매 부분은 도관(1677)을 통해 추가 압축 수단(144)으로 유입되어 추가 압축된 다음에, 도관(1678)을 통해 냉각 수단(149)으로 유입되어 부분적으로 응축된 다음에, 도관(1679)을 통해 분리 수단(110)으로 유입된다. 참고로 이하의 특허청구범위에서는 위와 관련하여 '추가 분리 단계를 통해 분리된 기상 냉매 부분을 부분적으로 응축하는 단계'라고 기재하고 있으나, 이러한 단계는 추가 분리 단계를 통해 분리된 기상 냉매 부분을 압축하고 통상의 냉각기를 통해 냉각하여 부분적으로 응축하는 경우뿐만 아니라, 추가 분리 수단을 통해 분리된 기상 냉매 부분을 압축하지 않고 별도의 냉각 장치 등을 통해 더 냉각하여 응축하는 경우 등도 포함한다.
실시예 3
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 12에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정에서는 분리 수단으로서 증류탑(distillation column)을 사용한다는 점에 있어 전술한 실시예들과 차이가 있다. 본 실시예에 따른 액화공정에 대해 상술하면, 혼합 수단을 통해 혼합된 냉매 부분은 도관(1681)을 통해 압축 수단(144)으로 유입되어 압축된다. 이와 같이 압축된 다음에는 냉매 부분이 도관(1682)을 통해 증류탑(114)으로 유입되어 요구되는 조성으로 정밀하게 기상 냉매 부분과 액상 냉매 부분으로 분리된다.
증류탑(114)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 통상의 냉각 수단을 통해 냉각된 다음 도관(1612)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 냉각된다. 이와 같이 냉각된 냉매 부분은 팽창 밸브(131)를 통해 팽창되고, 제1 열교환 영역(121)으로 다시 유입된다. 이러한 과정 중에 위 냉매 부분은 제1 열교환 영역(121)에서 천연가스를 예냉시킬 수 있다. 결국, 증류탑(114)을 통해 분리된 액상 냉매 부분은 전술한 실시예 1의 제1 냉매 부분과 동일한 역할을 수행한다.
그리고 증류탑을 통해 분리된 기상 냉매 부분은 도관(1683)을 통해 통상의 냉각 수단으로 유입되어 부분적으로 응축된다. 이렇게 응축된 냉매 부분은 다시 통상의 기액 분리기(116)를 통해 기상 냉매 부분과 액상 냉매 부분으로 분리되며, 이렇게 분리된 기상 냉매 부분은 전술한 실시예 1의 제2 냉매 부분과 동일한 역할을 수행한다. 그리고 분리된 액상 냉매 부분은 다시 증류탑(114)으로 공급된다. 이와 같이 저온의 액상 냉매를 증류탑으로 공급하면 증류탑에서 냉매 부분을 보다 정밀하게 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리할 수 있다. 그리고 증류탑을 통해 냉매 부분을 요구되는 조성으로 정밀하게 2 부분으로 분리하면, 각 냉매 부분의 특성을 보다 정확하게 활용할 수 있기 때문에 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
실시예 4
도 13은 본 발명의 실시예 4에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 13에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정에서는 혼합 수단을 통해 혼합된 냉매 부분이 제1 열교환 영역(221)을 거친 다음에 기상 냉매 부분과 액상 냉매 부분으로 분리된다는 점에서 전술한 실시예들과 차이가 있다. 즉, 도 13에서 도시하고 있는 것과 같이 혼합 수단을 통해 혼합된 냉매 부분은 도관(261)을 통해 제1 열교환 영역(221)으로 유입되어 제1 열교환 영역(221)에서의 열교환을 통해 부분적으로 응축된다. 이렇게 응축된 냉매 부분은 도관(262)을 통해 분리 수단(210)으로 유입되어 비등점의 차이에 따라 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리된다.
분리된 액상 냉매 부분은 도관(263)을 통해 팽창 밸브(231)로 유입되어 팽창된 후, 도관(264)을 통해 다시 제1 열교환 영역(221)으로 유입되어 다른 냉매들을 냉각시키고 천연가스를 예냉시킨다. 그런 다음 위 냉매 부분은 도관(265)을 통해 제1 압축 수단(241)으로 유입되어 압축된다. 그리고 분리된 기상 냉매 부분은 도관(271)을 통해 제2 열교환 영역(222)으로 유입되어 응축된다. 이와 같이 응축된 냉매 부분은 도관(272)을 통행 팽창 밸브(232)로 유입되어 팽창된다. 그 후 위 냉매 부분은 도관(273)을 통해 제2 열교환 영역(222)으로 다시 유입되어 다른 냉매를 냉각시키고 천연가스를 액화시킨다. 이와 같이 천연가스와의 열교환을 마친 냉매 부분은 도관(274)을 통해 제1 열교환 영역(221)으로 유입되어 천연가스 및 다른 냉매를 추가적으로 예냉할 수도 있다. 이러한 과정을 모두 마친 다음 냉매 부분은 도관(275)을 통해 제2 압축 수단(242)으로 유입되어 압축된다.
이러한 액화공정은 도 14에서 도시하고 있는 것과 같은 변형이 가능하다. 이에 대해 상술하면, 부분적으로 응축된 혼합 냉매는 분리 수단(210)을 통해 기상 냉매 부분과 액상 냉매 부분으로 분리된다. 이렇게 분리된 냉매 부분들은 도 14에서 도시하고 있는 것과 같이 실시예 1에 따른 액화공정과 동일하게 천연가스를 예냉시키고 액화시킨다. 다만 전술한 실시예들과는 다르게 도 14에 따른 변형예에는 제3 열교환 영역(223)이 추가로 구비된다. 이러한 제3 열교환 영역(223)은 혼합 수단에 의해 혼합된 냉매 부분을 부분적으로 응축하고(도관 261과 도관 262 사이의 열교환 영역 참조), 제1 열교환 영역(221)에서의 예냉 이전에 천연가스를 예비적으로 예냉한다. 이러한 냉각은 천연가스를 예냉 또는 액화시킨 냉매 부분들이 도관(2634, 2716)을 통해 제3 열교환 영역(223)으로 유입되어 이루어진다(도관 2634와 도관 2635 사이의 열교환 영역, 그리고 도관 2716과 도관 2717 사이의 열교환 영역 참조). 이러한 열교환 후 제3 열교환 영역(223)을 통과한 각 냉매 부분들은 도관(2635, 2717)을 통해 각각 압축 수단(241, 242)으로 유입된다.
전술한 실시예들을 통해 설명한 액화공정들 사이에는 공통되는 기술적인 특징이 있다. 즉, 전술한 실시예들은 모두 부분적으로 응축된 혼합 냉매가 분리 수단을 통해 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분으로 분리된 다음에는 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분 사이의 혼합 없이 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분이 각각 독립된 루프를 경유하다 혼합 수단에 도달해서야 비로소 상호 혼합된다는 기술적인 특징이 있다. 그리고 독립된 루프를 경유하는 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분은 각각 천연가스를 예냉하고 액화하는 역할을 수행하며, 각각 독립적으로 압축된다. 이러한 공통되는 기술적인 특징은 도 15 또는 도 16에서 도시하고 있는 바와 같이 점선 박스로 표현할 수 있다.
참고로 전술한 실시예들에 따른 액화공정의 효율을 기존의 SMR 공정(도 21 참조)이나 C3/MR 공정(도 19 참조)과 비교하면 아래 표와 같다. 아래 표로 정리한 것과 같이 기존의 C3/MR 공정(도 19 참조)이 매우 뛰어난 효율을 가진다는 점을 고려할 때, 전술한 실시예들에 따른 액화공정은 기존의 SMR 공정(도 21 참조)과 동일하게 하나의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하면서도 그 효율이 매우 뛰어나다는 점을 확인할 수 있다. C3/MR 공정에서는 냉매로서 일반적으로 질소(N2), 메탄(C1), 에탄(C2), 프로판(C3)만 사용하기 때문에, 아래 표의 실시예들과 C3/MR, 그리고 SMR 공정의 냉매로서도 질소(N2), 메탄(C1), 에탄(C2), 프로판(C3)만 사용하여 성능 비교를 하였다. 참고로 아래 대비 결과는 각 공정에 있어 혼합 냉매의 성분을 어떻게 결정할 것인가, 또는 압축기의 성능을 어떻게 결정할 것인가 등에 따라 일부 차이가 있을 수 있다.
표 1
액화사이클 kWh/kg LNG 기존의 SMR 기준 기존의 C3/MR 기준
기존의 SMR 공정(도 21 참조) 0.4760 100% 162%
기존의 C3/MR 공정(도 19 참조) 0.2945 62% 100%
도 1에 따른액화공정 0.3204 67% 109%
도 7에 따른액화공정 0.3085 65% 105%
도 8에 따른액화공정 0.3085 65% 105%
도 9에 따른액화공정 0.3177 67% 108%
도 10에 따른액화공정 0.3281 69% 111%
도 11에 따른액화공정 0.3288 69% 112%
또한 전술한 바와 같이, 전술한 실시예들에 따른 액화공정은 도 17 및 도 18에서 도시하고 있는 것과 같이 추가적으로 천연가스를 냉각하는 냉동 사이클을 더 포함할 수도 있다. 즉, 도 17에서 도시하고 있는 것과 같이 천연가스를 추가적인 냉동 사이클을 통해 예냉한 다음, 전술한 실시예들에 따른 액화공정(도 17 및 도 18에서는 대표적으로 전술한 실시예 1에 따른 액화공정을 도시하고 있다)에 기초하여 천연가스를 액화할 수 있다. 그리고 도 18에서 도시하고 있는 것과 같이 전술한 실시예들에 따른 액화공정을 통해 천연가스를 냉각시킨 다음, 추가적인 냉동 사이클을 통해 천연가스를 과냉시킬 수도 있다. 결국, 전술한 실시예들에 따른 액화공정은 그 자체로도 천연가스를 액화시키는 하나의 독립된 액화공정으로 사용될 수도 있으나, 다른 독립된 액화공정과 함께 사용되어 전체 액화공정 중의 일부로서 사용될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명은, 하나의 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정의 구조가 단순하고 시스템이 콤팩트하면서도 시스템의 운전이 용이할 뿐만 아니라, 혼합 냉매가 두 개의 냉매 부분으로 분리된 다음에는 냉매 부분 사이의 혼합 없이 각각 개별적으로 응축(냉각), 팽창, 열교환 및 압축의 단계가 진행되기 때문에 분리된 냉매 부분에 대해 각각 최적의 온도 및 압력 등에 대한 조건을 적용할 수 있으며, 이에 따라 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 액화공정에 관한 것으로서, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (22)

  1. 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 제1 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 예냉된 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서,
    상기 폐 루프 냉동 사이클은,
    부분적으로 응축된 혼합 냉매를 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계;
    상기 액상 냉매 부분을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하는 예냉 단계;
    상기 기상 냉매 부분을 이용하여 상기 제2 열교환 영역에서 예냉된 천연가스를 액화하는 액화 단계;
    상기 예냉 단계 이후에 상기 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 예냉시킨 냉매 부분을 압축하는 제1 압축 단계;
    상기 액화 단계 이후에 상기 액화 단계를 통해 상기 천연가스를 액화시킨 냉매 부분을 압축하는 제2 압축 단계; 및
    상기 제1, 2 압축 단계를 통해 압축된 각각의 냉매 부분을 혼합하는 혼합 단계를 포함하며,
    상기 액상 냉매 부분과 상기 기상 냉매 부분은 상기 분리 단계를 통해 분리된 이후에 상호간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 상기 혼합 단계에서 상호 혼합되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 예냉 단계는, 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 단계, 냉각된 냉매 부분을 팽창하는 단계, 및 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제1 열교환 영역에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 팽창하는 단계는 응축된 냉매 부분을 팽창기(expander)를 통해 일차적으로 팽창하는 단계, 및 일차적으로 팽창된 냉매 부분을 팽창 밸브(expansion valve)를 통해 이차적으로 팽창하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 액화 단계는, 상기 분리 단계를 통해 분리된 기상 냉매 부분을 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 단계, 냉각된 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 응축하는 단계, 응축된 냉매 부분을 팽창하는 단계, 및 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제2 열교환 영역에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 천연가스를 냉각하는 단계를 통해 상기 제2 열교환 영역에서 상기 천연가스와의 열교환을 마친 냉매 부분을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 추가적으로 예냉하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 압축 단계는 상기 천연가스를 추가적으로 예냉하는 단계를 통해 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스와의 열교환을 마친 냉매 부분을 압축하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 팽창하는 단계는 응축된 냉매 부분을 팽창기(expander)를 통해 일차적으로 팽창하는 단계, 및 일차적으로 팽창된 냉매 부분을 팽창 밸브(expansion valve)를 통해 이차적으로 팽창하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압축 단계를 통해 압축된 냉매 부분을 냉각하여 냉매 온도를 낮추는 제1 냉각 단계, 및 상기 제2 압축 단계를 통해 압축된 냉매 부분을 냉각하여 냉매 온도를 낮추는 제2 냉각 단계를 더 포함하며, 상기 혼합 단계는 상기 제1, 2 냉각 단계를 통해 냉각된 각각의 냉매 부분을 혼합하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 재압축하는 단계, 및 재압축된 냉매 부분을 냉각하여 부분적으로 응축하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 냉각하여 부분적으로 응축하는 응축 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 추가 분리 단계, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 추가적으로 예냉하는 추가 예냉 단계, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 기상 냉매 부분을 압축하는 추가 압축 단계, 및 상기 추가 압축 단계를 통해 압축된 냉매 부분을 냉각하여 부분적으로 응축하는 단계를 더 포함하며, 상기 분리 단계는 상기 응축하는 단계를 통해 부분적으로 응축된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 예냉시킨 냉매 부분과 상기 추가 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 추가적으로 예냉시킨 냉매 부분을 혼합하는 추가 혼합 단계를 더 포함하며, 상기 제1 압축 단계는 상기 추가 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 압축하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 추가 예냉 단계 이후에 상기 추가 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 추가적으로 예냉시킨 냉매 부분을 압축하는 제3 압축 단계를 더 포함하며, 상기 혼합 단계는 상기 제1, 2, 3 압축 단계를 통해 압축된 각각의 냉매 부분을 혼합하고, 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분, 그리고 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분은 상기 분리 단계를 통해 분리된 이후에, 그리고 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 이후에 상호간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 상기 혼합 단계에서 상호 혼합되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 추가 예냉 단계는, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 단계, 냉각된 냉매 부분을 팽창하는 단계, 및 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제1 열교환 영역에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 추가 예냉 단계는, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 팽창하는 단계, 및 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제1 열교환 영역에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 예냉 단계는, 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 단계, 및 냉각된 냉매 부분을 팽창하는 단계를 포함하고,
    상기 추가 예냉 단계는, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 단계, 및 냉각된 냉매 부분을 팽창하는 단계를 포함하며,
    상기 예냉 단계의 팽창하는 단계를 통해 팽창된 냉매 부분과 상기 추가 예냉 단계의 팽창하는 단계를 통해 팽창된 냉매 부분은 서로 혼합된 다음에 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 상기 천연가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 추가 분리 단계, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 기상 냉매 부분을 압축하는 추가 압축 단계, 상기 추가 압축 단계를 통해 압축된 냉매 부분을 냉각하여 부분적으로 응축하는 단계, 및 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분의 압력과 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분의 압력을 맞춘 다음에 두 냉매 부분을 혼합하는 단계를 더 포함하며, 상기 분리 단계는 상기 추가 압축 단계 및 상기 응축하는 단계를 통해 부분적으로 응축된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하고, 상기 예냉 단계는 상기 두 냉매 부분을 혼합하는 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 두 냉매 부분을 혼합하는 단계는, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분의 압력을 높이거나, 또는 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분의 압력을 낮춰서, 두 냉매 부분의 압력을 맞추는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 추가 분리 단계, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 기상 냉매 부분을 압축하는 추가 압축 단계, 상기 추가 압축 단계를 통해 압축된 냉매 부분을 냉각하여 부분적으로 응축하는 단계, 및 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 상기 분리 단계로 공급하는 단계를 더 포함하며, 상기 분리 단계는 상기 응축하는 단계를 통해 부분적으로 응축된 냉매 부분과 상기 공급하는 단계로부터 공급받은 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리 단계는 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 증류탑을 통해 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 예냉시킨 냉매 부분을 제3 열교환 영역으로 유입시키는 단계, 상기 액화 단계를 통해 상기 천연가스를 액화시킨 냉매 부분을 상기 제3 열교환 영역으로 유입시키는 단계, 및 상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 제3 열교환 영역에서의 열교환을 통해 부분적으로 응축하는 단계를 더 포함하며, 상기 천연가스는 상기 예냉하는 단계 이전에 상기 제3 열교환 영역에서의 열교환을 통해 예비적으로 예냉되고, 상기 제3 열교환 영역으로 유입되어 열교환을 각각 마친 2개의 냉매 부분은 상기 제1 및 제2 압축 단계를 통해 각각 압축되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리 단계의 부분적으로 응축된 혼합 냉매는 상기 분리 단계 이전에 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 부분적으로 응축된 다음에 상기 분리 단계에서 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 예냉 단계는, 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 팽창하는 단계, 및 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제1 열교환 영역에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
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