KR20070111531A - 천연 가스 액화 설비 및 액화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 천연 가스 (90) 용 액화 설비 (10) 에 관한 것이다. 이 설비 (10) 는 천연 가스 스트림 (90) 냉각용 열교환기 (2a), 천연 그스 스트림 (90) 을 적어도 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로 분배하는 최종 열교환기의 상류에 배치된 분배기구 (4), 및 액화 천연 가스 (95, 95') 용 배출구를 구비하는 적어도 제 1 및 제 2 주 극저온 시스템 (200, 200') 을 구비한다.
Description
본 발명은 천연 가스 액화 설비 및 액화 방법에 관한 것이다.
미국 특허 제 6,389,844 호에는 이러한 설비 및 방법이 개시되어 있다. 상기 특허는 동시에 작동하는 2 개의 병렬 배치된 주 액화 사이클에 이어서 단일의 공동 예비 냉각 사이클을 구비하며, 이 설비를 통해 흐르는 천연 가스는 액화되고 과냉된다.
상기 설비 및 방법의 문제점으로는, 천연 가스가 예비 냉각 사이클에서 통상 부분적으로 응축함에 따라, 부적절한 분배 가능성이 있다는 것이다. 병렬 배치된 주 액화 사이클로의 부분적으로 응축된 스트림을 균일하게 분배하는 것은 복잡하며, 추가의 장비 및 제어장치를 필요로 하며, 그 결과 시스템에 걸쳐 압력 강하가 증가되고, 액화 효율이 감소된다.
본 발명의 목적은 상기 문제를 최소화 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 가스 액화용의 덜 복잡한 설비 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 다양한 시장에서 액화 천연 가스의 상이한 사양, 특히 가열값에 관한 상이한 사양을 만족시키기 위해서 가스를 액화하는 대안의 설비 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적 및 다른 하나 이상의 목적은 하기와 같은 본 발명의 천연 가스 액화용 설비에 따라 이루어진다. 이 설비는, 1 이상의 열교환기에 선택적으로 선행하며, 천연 가스 스트림으로부터 열을 제거하는 예비 냉각 냉매 회로가 설치되는, 최종 열교환기를 갖는 예비 냉각 열교환기 트레인, 천연 가스 스트림을 적어도 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로 분배하는 분배기구, 및 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림을 각각 수용하도록 배치된 1 개의 유입구와 액화 천연 가스용 배출구를 갖는 제 1 고온측을 구비하는 주 열교환기를 각각 포함하며, 대응하는 주 열교환기의 제 1 고온측을 통해 유동하는 천연 가스로부터 열을 제거하는 주 냉매 회로를 각각 포함하는 적어도 제 1 및 제 2 주 극저온 시스템을 구비하며, 분배기구는 최종 열교환기의 상류에 배치된다.
놀랍게도, 천연 가스 스트림을 적어도 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로 분배하는 분배기구를 최종 예비 냉각 열교환기의 상류에 배치시킴으로써, 천연 가스 스트림이 실질적으로 단일 상인 지점에서 분배될 수 있어 부적절한 분배의 가능성이 감소될 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명의 중요한 양태는 부적절한 분배의 가능성이 매우 간단한 방법으로 감소된다는 것이다.
본 발명의 추가의 이점으로는, 천연 가스 스트림의 분배가 실질적으로 단일상인 지점에서 발생하고, 분배가 천연 가스 회로에서 큰 압력 강하를 야기하지 않아, 그 결과 액화 설비의 전체 효율이 증가된다는 것이다.
또한, 상기의 이점은 본원 발명의 천연 가스 액화용 설비와 방법으로 얻을 수 있지만, 주 극저온 시스템의 상류이되 분배기구의 하류에서 2 이상의 천연 가스 액체 추출 유닛을 추가로 구비한다. 천연 가스 액체 추출 유닛은 예비 냉각 열교환기 트레인의 최종 열교환기의 상류 또는 하류에 배치될 수도 있다.
예비 냉각 열교환기 트레인은 직렬로 배치된 2 이상의 열교환기를 구비하게나, 예비 냉각은 2 이상의 직렬 단에서 실행되며, 분배기구가 트레인에 있는 2 개의 열교환기 사이에 위치되어 연속한 예비 냉각 단 사이에서 천연 가스 스트림을 분배할 수 있다.
천연 가스 액체 추출 유닛이 존재하는 실시예에서, 예비 냉각 냉매 회로는 2 개의 주 냉매 회로로서 작용하지만, 각각의 주 냉매 회로는 자체의 천연 가스 액체 추출 유닛에 의해 작용된다. 이에 의해, 액화 용량은 천연 가스 액체 추출 용량에 의해 제한되지 않는다.
이 실시예의 다른 이점으로는, 천연 가스 추출 유닛이 더 높은 유속을 수용하도록 확대되지 않아도 된다. 높은 천연 가스 처리량으로 고압 분리탑의 제작 및 운송의 가능성의 한계에 도달된 것으로 알려져 있다. 이 문제는 병렬로 배치되어 동시에 작동하는 2 개의 소형 탑의 설치에 의해 회피된다. 2 이상의 비교적 소형 천연 가스 액체 추출 유닛이 병렬로 제공되어, 부가적인 자본 비용이 천연 가스의 완전한 유동을 취급하기 위해 수용되는 1 개의 대형 천연 가스 액체 추출 유닛의 자본 비용보다 낮다.
본 발명은, 주 열교환기 각각이 천연 가스 액체 추출 유닛중 하나에 의해서만 기상의 위쪽의 가벼운 분획물을 수용하는 제 1 그룹의 실시예 뿐만 아니라, 주 열교환기 각각이 2 이상의 천연 가스 액체 추출 유닛으로부터 기상의 위쪽의 가벼운 분획물의 일부를 수용하는 제 2 그룹의 실시예도 포함한다.
제 1 그룹의 실시예의 이점은 장비의 라인업이 비교적 일직선이라는 것이며, 제 2 그룹의 실시예의 이점은 예컨대 각각의 기상의 위쪽의 가벼운 분획물의 조성 또는 온도에서의 작은 편차의 형태에서의 가능한 부적절한 배치가 말끔히 없어진다는 것이다.
추가의 양태에서, 본 발명은 천연 가스 스트림을 액화하는 방법을 제공하는데, 이 방법은, 적어도
(a) 예비 냉각 냉매 회로에서 순환되는 예비 냉각 냉매에 대해 열교환기 트레인에 있는 최종 단계를 포함하는 1 이상의 단계에서 천연 가스 스트림을 예비 냉각하는 단계,
(b) 천연 가스 스트림을 적어도 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로 분배하는 단계,
(c) 단계 (b) 에서 얻은 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림을 2 이상의 주 극저온 시스템에 있는 주 냉매에 대해 완전 응축으로 더 냉각하는 단계, 및
(d) 그로부터 액화 천연 가스 스트림을 인출하는 단계를 구비하며,
각각의 주 극저온 시스템에서, 주 냉매는 주 냉매 회로를 순환하며,
제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로의 천연 가스 스트림의 분배는 최종 예비 냉각 단계의 상류에서 이루어진다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 1a 는 본 발명의 실시예의 제 1 그룹의 개략적인 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 1b 는 본 발명의 실시예의 제 2 그룹의 개략적인 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 1c 는 본 발명의 실시예의 제 3 그룹의 개략적인 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 액화 설비 및 공정을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 액화 설비 및 공정의 더욱 자세한 실시예를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4 는 실시예와 함께 사용하는 엔드-플래쉬 유닛을 개략적으로 도시하는 도면이다.
설명을 위해서, 단일 참조 부호가 그 라인에서 운반되는 스트림과 함께 라인에 부여된다. 동일한 참조 부호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1c 을 참조한다. 본 발명에 따른 천연 가스 액화 설비 (10) 는 천연 가스 예비 냉각 열교환기 트레인 (1), 분배기구 (4), 2 개의 주 (main) 극저온 시스템 (200, 200') 및 선택적으로 2 개의 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 을 구비한다. 천연 가스 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 은 천연 가스용 유입 라인 (90) 과 예비 냉각된 천연 가스용 배출 라인 (27, 27') 를 갖는다. 도 1a 내지 도 1c 에 도시된 실시예에서, 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 은 두 개의 열교환기 (2a, 2b) 를 구비하는데, 열교환기 (2a) 는 최종 열교환기이다. 당업자라면 냉각 열교환기 트레인 (1) 이 2 이상의 열교환기를 포함할 수 있다는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다. 소망한다면 (또한 바람직한 경우라면), 냉각 열교환기 트레인 (1) 의 열교환기는 동일한 냉매 회로의 일부일 수도 있다.
분배기구 (4) 가 최종 열교환기 (2a) 의 상류에 위치된다. 냉각 열교환기 트레인 (1) 이 2 이상의 열교환기 (2a, 2b) 를 구비한다면, 분배기구는 더욱 상류에 위치될 수 있다. 바람직하게는, 분배기구 (4) 는 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 의 일부를 형성하는 2 개의 열교환기 사이에 위치된다. 최종 열교환기 (2a) 는 단일 열교환기 (도 1a 및 도 1b 참조) 일 수도 있지만, 2 이상의 병렬 열교환기 (도 1c 에서 2a1 및 2a2) 세트일 수도 있다. 분배기구 (4) 가 열교환기 (2b) 의 상류에 배치되는 경우에도, 열교환기 (2b) 는 2 이상의 병렬 열교환기를 구비할 수도 있다.
도 1 에 도시된 실시예에서, 분배기구 (4) 는 2 이상의 배출구 (22, 23) 와 배출 라인 (19, 19') 을 갖는다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 배출 라인 (19, 19') 의 스트림은 모두 단일의 최종 열교환기 (2a) 에서 추가로 냉각된다. 대 안으로, 배출 라인 (19, 19') 은 별개의 병렬 최종 열교환기 (2a1, 2a2; 도 1c 에 도시됨) 에 연결될 수 있다.
도 1a 및 도 1b 에 도시된 실시예에서, 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 각각은 라인 (27) 또는 라인 (27') 에 연결되며, 무거운 분획물 (heavy fraction) 을 배출하는 배출 라인 (108, 108') 과 위쪽의 가벼운 분획물 (overhead light fraction) 을 배출하는 배출 라인 (127, 127') 을 갖는다. 무거운 분획물은 C3 + 성분과 같은 무거운 성분이 많은 천연 가스 액체를 포함하며, 위쪽의 가벼운 분획물은 이들 무거운 성분이 적은 희박 혼합물을 포함하며 액화된다.
각각의 주 극저온 시스템 (200, 200') 은 액화된 천연 가스를 배출하는 배출 라인 (95, 95') 에 연결된다.
도 1a 에는, 주 극저온 시스템 (200, 200') 각각이 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 중 하나에만 연결되는 실시예가 도시되어 있다. 도 1b 에는, 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 으로부터 나온 생성물 스트림이 각각의 배출 라인 (127, 127') 을 따라 이동한 후 함께 합쳐진 다음, 제 2 분배 박스 (44) 에서 재분배되는 실시예가 도시되어 있다. 따라서, 이 실시예에서는, 각각의 주 극저온 시스템 (200, 200') 이 양자의 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 으로부터 기상의 위쪽의 가벼운 분획물의 일부를 수용한다.
도 1c 에서, 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 은 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 의 최종 열교환기 (2a1, 2a2) 의 상류에 배치된다.
이하, 도 2 에 도시된 상세한 실시예에 대해 설명한다. 천연 가스 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 은 1 개의 예비 냉각 열교환기 (2a) 를 포함하지만, 직렬 및/또는 병렬로 배치되어, 2 이상의 열교환기 세트를 적절하게 포함할 수도 있으며, 1 이상의 압력 레벨로 예비 냉각 냉매가 기화될 수 있다. 간략화를 위해서, 이하 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 은 최종 예비 냉각 열교환기 (2a) 를 이용하여 설명하며, 선행하는 열교환기 (2b) 는 도면에서 간략하게만 나타내었다.
천연 가스 예비 냉각 열교환기 (2a) 는 천연 가스용 유입구 (13, 13') 와 예비 냉각된 천연 가스용 배출구 (14, 14') 를 갖는 관 (12, 12') 형태로 개략적으로 도시된 고온측을 구비한다. 이 관 (12, 12') 은 천연 가스 예비 냉각 열교환기 (2a) 의 저온측 (15)(쉘 측 (15) 일 수 있음) 에 배치된다.
본 발명에 따른 설비 (10) 는 통상 예비 냉각 냉매 회로 (3) 를 포함한다. 이는 존재하는 다른 예비 냉각 열교환기도 마찬가지임은 말할 필요도 없다.
예비 냉각 냉매 회로 (3) 는 유입구 (33) 와 배출구 (34) 를 갖는 예비 냉각 냉매 압축기 (31) 를 포함한다. 배출구 (34) 는 도관 (35) 을 통해 공냉식 또는 수냉식 냉각기일 수 있는 냉각기 (36) 에 연결된다. 도관 (35) 은 팽창 장치(여기서는 스로틀 (38) 의 형태로 설치됨) 를 통과하여 천연 가스 예비 냉각 열교환기 (2a) 의 저온측 (15) 의 유입구 (39) 까지 이른다. 저온측 (15) 의 배출구 (40) 는 복귀 도관 (41) 에 의해 예비 냉각 냉매 압축기 (31) 의 유입구 (33) 에 연결된다.
바람직하게는, 예비 냉각 냉매 회로 (3) 는 2 단계 또는 3 단계 또는 4 단계 로 천연 가스를 예비 냉각하는 4 개의 압력 레벨을 포함한다. 예비 냉각 냉매 라인업은 본 발명에 참조로 관련된 미국 특허 제 6,637,238 호에 따라 제공될 수 있다.
분배기구 (4) 는 선행하는 열교환기 (2b) 에서 예비 냉각된 천연 가스를 수용하는 유입구 (18) 와 2 개의 배출구 (22, 23) 를 갖는다. 분배기구 (4) 의 2 개의 배출구 (22, 23) 는 최종 예비 냉각 단 (2a) 에 있는 2 개의 병렬 고온측의 유입구에 연결되며, 이로써 이들 병렬 고온측을 통해 흐르는 스트림이 예비 냉각 냉매 회로 (3) 에 있는 예비 냉각 냉매에 대해 열교환할 수 있다.
각각의 주 극저온 시스템 (200, 200') 은 주 열교환기 (5, 5') 및 주 냉매 회로 (9, 9') 를 포함한다. 각각의 주 열교환기 (5, 5') 는 1 개의 유입구 (26, 26') 를 갖는 제 1 고온측 (25, 25') 을 포함한다. 제 1 고온측 (25) 의 유입구 (26) 는 도관 (27, 127) 에 의해 천연 가스 액체 추출 유닛 (100) 을 경유하여 최종 열교환기 (2a) 의 배출구 (14) 에 연결되며, 제 1 고온측 (25') 의 유입구 (26') 는 도관 (27', 127') 에 의해 천연 가스 액체 추출 유닛 (100') 을 경유하여 배출구 (14') 에 연결된다. 각각의 제 1 고온측 (25, 25') 은 액화 천연 가스용 주 열교환기 (5, 5') 의 최상부에 배출구 (28, 28') 를 갖는다. 제 1 고온측 (25, 25') 은 주 열교환기 (5, 5') 의 저온측 (29, 29') 에 위치되며, 이 저온측 (29, 29') 은 배출구 (30, 30') 를 갖는다.
주 열교환기 (5, 5') 는 액화 냉매 회로 (9, 9') 에 각각 연결된다. 각각의 액화 냉매 회로 (9, 9') 는 유입구 (51, 51') 와 배출구 (52, 52') 를 갖는 액화 냉매 압축기 (50, 50') 를 구비한다. 유입구 (51, 51') 는 복귀 도관 (53, 53') 에 의해 주 열교환기 (5, 5') 의 저온측 (29, 29') 의 배출구 (30, 30') 에 연결된다. 배출구 (52, 52') 는 도관 (54, 54') 에 의해 공냉식 냉각기 또는 수냉식 냉각기일 수 있는 냉각기 (56, 56') 에 연결되며, 냉매 열교환기 (58, 58') 의 고온측 (57, 57') 을 통해 분리기 (60, 60') 에 연결된다. 각각의 분리기 (60) 는 그 하단부에 액체용 배출구 (61, 61') 를 가지며, 그 상단부에 가스용 배출구 (62, 62') 를 갖는다.
각각의 냉매 열교환기 (58, 58') 는 보조 냉매의 유입 및 사용된 보조 냉매의 배출을 가능하게 하는 유입구 (139, 139') 와 배출구 (140, 140') 를 갖는 저온측 (85, 85') 을 포함한다. 저온측 (85) 은 하기와 같은 다양한 선택 사항이 가능한 보조 냉매 사이클에 포함된다:
한 선택 사항으로는 참조로 본 명세서에 관련된 전술한 미국 특허 제 6,389,844 호에 기재된 병렬 사이클로 보조 냉매 사이클이 구현될 수 있는데, 이는 예비 냉각 냉매 압축기 (31) 와 냉각기 (36) 를 사용하며, 이에 의해 유입구 (139, 139') 가 스로틀과 같은 팽창 장치를 경유하여 라인 (37) 에 연결되며, 배출구 (140, 140') 가 라인 (41) 에 연결된다. 다른 선택 사항으로는, 참조로 본 명세서에 관련된 전술한 미국 특허 출원 공개공보 제 2005/0005635 호에 기재된 별개의 보조 냉매 회로가 제공되는데, 이는 병렬의 냉매 열교환기 (58, 58') 각각에 공급하는 1 개의 보조 냉매 압축기 또는 각각의 냉매 열교환기 (58, 58') 용 전용 보조 냉매 압축기를 사용한다. 본 명세서에 이미 관련된 미국 특허 제 6,389,844 호의 도 2 및 도 3 에 참조된 또 다른 선택 사항에서는, 도 2 에 도시된 천연 가스 예비 냉각 열교환기 (2a) 와 냉매 열교환기 (58, 58') 가 1 개의 일체형 열교환기에서 결합되며, 이에 의해 고온측 (57, 57') 이 예비 냉각 열교환 트레인 (1) 의 하나 이상의 예비 냉각 열교환기 (2a, 2b) 에 있는 부가적인 온 관 (warm tube) 다발의 형태로 구체화된다.
참조로 이미 관련된 미국 특허 제 6,389,844 호의 도 3 에 개시된 바와 같이, 1 단 대신에, 일체형 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 은 직렬로 2 단 또는 3 단 이상을 포함할 수도 있다.
각각의 액화 냉매 회로 (9, 9') 는 배출구 (61, 61') 로부터 제 2 고온측 (67, 67') 의 유입구까지 연장하는 제 1 도관 (65, 65'), 도관 (69, 69'), 팽창 장치 (70, 70'), 및 분사 노즐 (73, 73') 을 더 포함하며, 상기 제 2 고온측은 주 열교환기 (5, 5') 의 중간 지점까지 연장한다.
각각의 액화 냉매 회로 (9, 9') 는 배출구 (62, 62') 로부터 제 3 고온측 (77, 77') 의 유입구까지 연장하는 제 2 도관 (75, 75'), 도관 (79, 79'), 팽창 장치 (80, 80'), 및 분사 노즐 (83, 83') 을 더 포함하며, 상기 제 3 고온측은 주 열교환기 (5, 5') 의 중간 지점까지 연장한다.
2 개의 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 은 증류탑 (distillation column)(105, 105') 을 각각 포함한다. 증류탑 (105, 105') 에는 증류탑 유입구 (107, 107') 가 제공되며, 본 실시예에서 이 유입구는 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 에 연결된다. 구체적으로, 증류탑 유입구 (107) 는 도관 (27) 을 경유 해 트레인 (1) 의 최종 열교환기 (2a) 의 배출구 (14) 에 연결되며, 증류탑 유입구 (107') 는 도관 (27') 을 경유해 배출구 (23) 에 연결된다. 추출 유닛 배출구는 라인 (127, 127') 의 형태로 각각 설치된다.
증류탑 (105, 105') 은 대응하는 라인 (27, 27') 에 있는 예비 냉각된 천연 가스 스트림으로부터 분리된 액체를 배출하기 위한 무거운 분획물 배출구 (109, 109') 및 대응하는 라인 (27, 27') 에 있는 예비 냉각된 천연 가스 스트림으로부터 분리된 증기를 배출하기 위한 가벼운 분획물 오버헤드 배출구 (111, 111') 를 더 구비한다.
병렬의 무거운 분획물 또는 결합된 무거운 분획물을 처리하는 분별 장치 (도시 생략) 가 무거운 분획물 배출구 (109, 109') 에 연결될 수 있다.
도 2 에 도시된 바와 같은 증류탑 (105, 105') 에는 정류부 (rectifying section) 만이 설치된다. 본 발명에서 요구되지는 않지만, 증류탑에는 증류탑의 저부에서의 온도를 상승시키는 재비기 (reboiler) 를 부가함으로써, 농축 및 탈거부 (stripping section) 가 설치될 수도 있다. 또한, 흡수부 (absorber section) 가 필요하다면 증류탑에 설치될 수 있다. 이 증류탑은 스크럽 탑(scrub column) 일 수도 있다.
천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 은 오버헤드 열교환기 유닛 (113, 113'), 환류 드럼 (reflux drum) 형태의 오버헤드 분리기 (117, 117'), 및 환류 펌프 (119, 119') 를 더 구비한다. 환류 드럼 (117, 117') 은 액체 환류 배출구 (121, 121'), 및 증기 배출구 (123, 123') 를 구비한다.
가벼운 분획물 오버헤드 배출구 (111, 111') 는 오버헤드 열교환기 유닛 (113, 113') 의 고온측 (116, 116') 에 연결되며, 상기 오버헤드 열교환기 유닛의 저온측 (112, 112') 은 저온 스트림 (115, 115') 에 노출될 수 있다. 오버헤드 열교환기 (113, 113') 의 고온측 배출구는 환류 드럼 (117, 117') 에 연결된다. 액체 환류 배출구 (121, 121') 는 환류 펌프 (119, 119') 의 흡입측에 연결되며, 환류 펌프의 압력측은 대응하는 증류탑 (105, 105') 에 설치된 환류 유입구 (125, 125') 에 연결된다. 증기 배출구 (123, 123') 는 라인 (127, 127') 에 연결된다.
주 냉매 회로 (9, 9') 는 서로 동일하며, 주 열교환기 (5, 5') 와 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 도 서로 동일하다.
정상 작업중, 천연 가스 (90) 는 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 에 공급되고, 단계적으로 열교환기 (2b) 에서 예비 냉각되어, 분배기구 (4) 에서 적어도 제 1 및 제 2 예비 냉각된 천연 가스 스트림으로 분배하여, 유입구 (13, 13') 를 경유하여 천연 가스 예비 냉각 열교환기 (2a) 로 평행한 스트림으로서 공급된다. 통상, 천연 가스 조성에 따라, 천연 가스가 예비 냉각 열교환기 트레인 (1) 에서 부분적으로 응축된다.
예비 냉각 냉매는 천연 가스 예비 냉각 열교환기 (2a) 의 저온측 (15) 의 배출구 (40) 로부터 제거되고, 예비 냉각 냉매 압축기 (31) 에서 상승된 압력으로 압축되고, 응축기 (36) 에서 응축되고, 팽창 장치 (38) 에서 저압으로 팽창될 수 있다. 저온측 (15) 에서, 팽창된 예비 냉각 냉매는 저압으로 기화될 수 있으며, 이에 의해 천연 가스로부터 열이 제거된다.
열교환기 (2a) 의 배출구 (14) 로부터 제거된 예비 냉각된 천연 가스는 도관 (27, 27') 을 통과한다. 바람직하게는, 도관 (27, 27') 을 통과하는 천연 가스량은 서로 동일하다. 도관 (27, 27') 을 통해, 각각의 제 1 및 제 2 예비 냉각된 천연 가스 스트림이 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 의 유입구 (107, 107') 에 공급된다. 여기서, 각각의 제 1 및 제 2 예비 냉각된 천연 가스 서브스트림은 그들 각각의 증류탑 (105, 105') 에 공급되며, 이 증류탑에서 이들 서브 스트림은 통상 증류 또는 스크러빙 (scrubbing) 에 의해 대응하는 서브스트림의 응축분을 포함하는 무거운 분획물, 및 기상의 위쪽의 가벼운 분획물로 동시에 분리된다.
증류탑의 온도에 따라서, 기상의 위쪽의 가벼운 분획물은 프로판을 포함하는 C3 + 성분이 적고, 주로 메탄을 함유하며, 종종 에탄을 포함하는 C2 성분 및 질소를 함유한다.
오버헤드 열교환기 (113, 113') 의 고온측 (116, 116') 에 공급되고, 여기서 기상의 가벼운 오버헤드 스트림은 가벼운 분획물 오버헤드 배출구 (111, 111') 를 경유하여 증류탑 (105, 105') 을 나간 후에, 가벼운 응축물 및 가벼운 증기의 혼합물을 포함하는 부분적으로 응축된 오버헤드 스트림으로 부분적으로 응축된다.
부분적으로 응축된 오버헤드 스트림은, 환류 드럼 (117, 117') 에 공급되어 가벼운 응축물이 가벼운 증기로부터 분리된다. 가벼운 응축물은 액체 환류 배 출구 (121, 121') 를 경유하여 환류 드럼 (117, 117') 으로부터 인출되고, 저온 액체 환류로서 증류탑 (105, 105') 에 공급된다.
가벼운 증기가 증기 배출구 (123, 123') 로부터 인출되어 주 열교환기 (5, 5') 의 제 1 고온측 (25, 25') 의 유입구 (26, 26') 에 공급된다. 제 1 고온측 (25, 25') 에서는, 천연 가스로부터의 가벼운 증기 분획물이 액화되어 과냉된다. 과냉된 천연 가스는 도관 (95, 95') 을 통해 제거된다. 과냉된 천연 가스가 추가의 처리 (이에 대한 일부 선택 사항들은 본 명세서에서 후술할 것임) 를 위한 유닛에 보내지며, 또한 액화 천연 가스를 저장하기 위한 탱크 (도시 생략) 에 보내진다.
주 냉매는 주 열교환기 (5, 5') 의 저온측 (29, 29') 의 배출구 (30, 30') 로부터 제거되어, 액화 냉매 압축기 (50, 50') 에서 상승된 압력으로 압축된다. 냉각기 (56, 56') 에서 압축열이 제거되고, 추가의 열이 냉매 열교환기 (58, 58') 에서 주 냉매로부터 제거되어 부분적으로 응축된 냉매를 얻는다. 이후, 부분적으로 응축된 주 냉매는 분리기 (60, 60') 에서 무거운 액상 분획물 및 가벼운 기상 분획물로 분리되며, 이들 분획물들은 각각 제 2 고온측 (67, 67') 및 제 3 고온측 (77, 77') 에서 추가로 냉각되어 상승된 압력에서 액화 및 과냉된 분획물이 얻어진다. 이후, 과냉된 냉매가 팽창 장치 (70, 70', 80, 80') 에서 낮은 압력으로 팽창될 수 있다. 이 압력에서, 냉매가 주 열교환기 (5, 5') 의 저온측 (29, 29') 에서 기화되어 제 1 저온측 (25, 25') 을 통과하는 천연 가스로부터 열을 제거할 수 있다.
기상의 위쪽의 가벼운 분획물로부터 액체 환류를 응축하기 위해 필요한 저온 스트림 (115, 115') 또는 오버헤드 냉매 스트림 (115, 115') 은 적절한 공급원으로부터 나올 수 있다. 예컨대, 이는 사이클 3 로부터 슬립 스트림이 공급될 수도 있고, 또는 사이클 3 에서 1 개의 압력 레벨로 일체화될 수도 있다.
선택적으로, 오버헤드 냉매 스트림 (115, 115') 에는 예컨대 라인 (65, 65') 으로부터 주 냉매의 슬립 스트림이 공급될 수 있다. 이는, 오버헤드 열교환기의 저온측 (115, 115') 이 2 이상의 주 냉매 회로 (9, 9') 중 적어도 하나와 유체 연통하는 구조로 이루어질 수 있다. 2 이상의 주 냉매 회로 (9, 9') 중 적어도 하나에 있는 주 냉매와 기상의 위쪽의 가벼운 분획물 사이의 간접 열교환의 이점으로는 예비 냉각된 천연 가스 스트림의 온도가 천연 가스 액체 분리시 더 깊은 C3 + 추출을 얻는데 도움이 되게 가능한한 저온이라는 것이다. 또한, 배출구 (121, 121') 를 나가는 액체 환류 스트림의 온도가 낮아 C3 + 의 회수를 증가시킬 수 있다.
다른 선택사항으로는 기상의 위쪽의 가벼운 분획물을 냉각시키기 위해 전술한 2 이상의 선택사항의 조합, 특히 일체형의 열교환기 하류에 배치된 별개의 오버헤드 열교환기 유닛 (113, 113') 이 후속하는 다른 열교환기에 고온측 (116, 116') 의 일체화를 포함하는 조합에 의해 이루어진다.
주 냉매 회로 (9, 9') 각각을 위한 압축기 구동 동력과 예비 냉각 냉매 회로 (3) 를 위한 압축기 구동 동력이 동일하고, 설비가 전면가동될 때, 예비 냉각된 천 연 가스의 온도는 약 -25 ℃ 인 것으로 알려져 있다. 예비 냉각된 천연 가스의 압력은 통상 40 ~ 60 bar 이다. 바람직하게는 액체 환류 스트림의 온도는 -25 ℃ ~ -65 ℃ 이며, 이에 의해 온도가 낮을수록, 더 많은 C3 + 성분이 예비 냉각된 천연 가스로부터 분리된다. 더욱 바람직하게는, 액체 환류 스트림의 온도는 -31 ℃ 이하이다. 오버헤드 열교환기 (113, 113') 에서 오버헤드 냉각용 주 냉매를 사용함으로써, 약 -45 ℃ 의 냉각 환류 온도로 40 ~ 45 % 의 프로판 회수율을 얻을 수 있다. 이는 가스의 압력과 조성에 따른다.
이하, 도 3 에 대해 설명하는데, 도 3 은, 오버헤드 분리기 (117, 117') 로부터 인출된 기상의 위쪽의 가벼운 분획물을 냉각하기 위해 주 냉매 회로 (9, 9') 중 하나로부터의 주 냉매를 사용하는 일례에 관한 실시예를 도시한다. 고온측 (116, 116') 은 주 열교환기에 일체화된다. 도 3 은, 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100') 이 천연 가스 액체 추출 유닛 (110, 110') 의 대안적인 실시예로 대체되는 것을 제외하고는 도 2 에 대체로 상응한다. 도 3 이 도 2 에 상응하므로, 상세히 설명하지는 않지만, 이를 대신해 도 2 에 대응하는 부분을 참조한다.
주 극저온 열교환기 (5, 5') 가 변형된 형태의 열교환기 (55, 55') 로 교체되어 있으며, 여기서 고온측 (25, 25') 은 상류 부분 (24, 24') 과 하류 부분 (24a, 24a') 으로 나뉘어진다.
대안적인 실시예에서, 가벼운 분획물 오버헤드 배출구 (111, 111') 는 도관 (126, 126') 을 경유하여 대응하는 상류 부분 (24, 24') 의 유입구 (26, 26') 에 연결된다. 상류 부분 (24, 24') 의 배출구는 환류 드럼 (117, 117') 에 연결되며, 환류 드럼 (117, 117') 의 증기 배출구 (123, 123') 는 도관 (127, 127') 을 경유하여 고온측 (25, 25') 의 하류 부분 (24a, 24a') 의 대응하는 유입구에 연결된다. 주 열교환기 (5, 5') 에서처럼, 하류 부분 (24a, 24a') 은 액화 천연 가스용 주 열교환기 (55, 55') 의 최상부에 배출구 (28, 28') 를 갖는다.
대안적인 실시예의 정상 작동중, 기상의 위쪽의 가벼운 분획물로부터 액체 환류를 응축하는데 필요한 냉각은 주 냉매에 의해 제공된다.
다른 실시예 (도시 생략) 에서, 천연 가스 액체 추출 유닛 (100, 100' 및/또는 110, 110') 및 부분적으로 응축된 천연 가스 서브 스트림을 대응하는 서브 스트림의 응축분을 포함하는 무거운 분획물 및 기상의 위쪽의 가벼운 분획물로 분리하는 것은 본 발명에 참조로 관련된 국제 공개 공보 제 2004/069384 호에 개시된 실시예에 따른 형태를 갖는다. 특히, 이러한 실시예에서의 저온 액체 환류는 제 1 환류 스트림과 제 2 환류 스트림으로 나뉘어지는데, 제 1 환류 스트림은 스크럽 칼럼의 최상부에 도입되며, 제 2 환류 스트림은 중간 지점에 도입된다.
전술한 실시예에서, 예비 냉각 냉매는 프로판과 같은 단일 성분 냉매, 또는 탄화 수소 성분의 혼합물 또는 압축 냉각 사이클 또는 흡수 냉각 사이클에서 사용되는 또다른 적절한 냉매일 수 있다. 주 냉매는 질소, 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄을 포함하는 다성분 냉매가 적합하다.
바람직하게는, 냉매 열교환기 (58, 58') 는 2 이상의 직렬의 열교환기 세트를 구비하며, 예비 냉각 냉매는 하나 이상의 압력 레벨에서 기화될 수 있다.
주 열교환기 (5, 5', 55, 55') 는 스풀-감김형(spool-wound) 열교환기 또는 플레이트-핀형(plate-fin) 열교환기 등의 어떠한 적절한 형태도 가능하다.
도 2 및 도 3 에 도시된 실시예에서, 주 열교환기 (5, 5', 55, 55') 는 각각 제 2 고온측 (67, 67') 및 제 3 고온측 (77, 77') 을 갖는다. 대안적인 실시예에서, 주 열교환기는 제 2 고온측 및 제 3 고온측이 결합된 단지 1 개의 고온측만을 갖는다. 이 경우, 부분적으로 응축된 주 냉매는 무거운 액체 분획물 및 가벼운 기체 분획물로 분리되지 않고, 제 3 고온측 (77, 77') 에 직접 공급된다.
압축기 (31, 50, 50') 는 중간 냉각을 하는 다단 압축기, 2 개의 압축기 사이에서 중간 냉각이 일어나는 압축기의 직렬 조합 및/또는 압축기의 병렬 조합일 수 있다.
예비 냉각 냉매 회로 (3) 와 2 개의 주 냉매 회로 (9, 9') 에 있는 압축기 (31, 50, 50') 는 터빈으로 구동되거나 또는 전기 모터로 구동되거나 또는 터빈/전기 모터의 조합에 의해 구동될 수 있다.
예비 냉각 냉매 회로에 있는 적합한 터빈 (도시 생략) 은 증기 터빈이다. 이 경우, 증기 터빈을 구동하는데 필요한 증기는, 적절하게는 주 냉매 회로의 가스 터빈 (도시 생략) 의 배출물을 냉각시켜 나온 열에 의해 발생된다.
본 발명은 천연 가스 액화용의 확장가능한 설비를 제공하는데, 제 1 단에는 단일 트레인이 100% 액화 용량으로 구축지며, 제 2 단에서, 제 1 단에서와 동일한 크기의 제 2 주 열교환기와 제 2 액화 냉매 회로가 추가되어 액화 용량이 약 140 ~ 약 160 % 로 증가되며, 천연 가스로부터의 C3 + 성분이 제어될 수 있다.
본 발명의 이점은 예비 냉각 및 액화의 조건, 예컨대 냉매의 조성이 용이하게 조절되어 효율적인 작동이 이루어질 수 있다는 것이다. 또한, 액화 회로중 하나가 조업이 중단되어야 하는 경우에, 이들 조건을 조절하여 단일 액화 트레인으로 작업을 효과적으로 할 수 있다.
계산결과, 액화 효율 (압축기에 의해 행해진 단위 일당 발생된 액화 가스량) 은 2 개의 주 냉매 회로에 대해 하나의 예비 냉각 냉매 회로를 사용해도 악영향을 받지 않는다는 것이 또한 밝혀졌다.
액화 용량은 액화 천연 가스용 배출구 도관 (95, 95') 에 연결되는 하나 이상의 엔드-플래쉬 유닛을 제공하여 더 확장될 수 있다. 도 4 는 전술한 설비중 어느 하나에 부가될 수 있는 엔드 플래쉬 유닛의 실시예를 도시한다. 각 도관 (95, 95') 이 엔드 플래쉬 팽창기 (97, 97') 및 스로틀 (99, 99') 에 연결된다. 저압 최종물이 엔드 플래쉬 가스 분리기 (103) 에 모두 연결되어 있는 도관 (101, 101') 안으로 배출된다.
대안으로, 도관 (95, 95') 에 있는 액화 천연 가스가 결합되는 지점은 단일 엔드 플래쉬 팽창기 (도시 생략) 의 상류에 있다.
엔드 플래쉬 가스 분리기에는 엔드 플래쉬 가스 배출구 (133) 와 액화 천연 가스 배출구 (135) 가 설치된다. 엔드 플래쉬 가스 분리기는 증류탑 또는 스트리퍼 칼럼일 수도 있으며, 또는 플래쉬 가스와 액화 천연 가스 사이의 최적의 분리 효율을 얻을 수 있는 적합한 대안의 예일 수도 있다. 액화 천연 가스를 이송 또는 저장용 라인 (138) 에 방출하기 이전에 액화 천연 가스에 소망하는 압력으로 만들기 위해 선택적인 펌프 (137) 가 제공될 수 있다.
엔드 플래쉬 가스 배출구 (133) 는 압축기 (139) 에 연결된다. 압축기 (139) 의 고압 배출구는 대기 냉각기일 수 있는 냉각기 (141) 에 연결된다. 압축기 (139) 의 상류에는, 엔드 플래쉬 가스에 부여된 저온을 유지할 수 있는 열교환기 (143) 가 설치된다.
정상 작동중, 액화 천연 가스의 압력이 엔드 플래쉬 팽창기 (97, 97') 및 스로틀 (99, 99') 에서 바람직하게는 대기압 또는 거의 대기압 조건으로 떨어진다. 이러한 팽창은 액화 천연 가스의 온도를 떨어뜨리며, 또한 엔드 플래쉬 가스가 처리중에 형성된다.
통상, 50 bar 로부터 대기압으로 플래쉬 다운될 때, 통상 온도는 대략 10 ℃ 떨어진다. 온도가 추가로 하락하기 때문에, 예비 냉각 트레인 (1) 과 주 극저온 시스템 (200, 200') 의 소정 냉각능력에서 더 많은 액화 천연 가스가 생성될 수 있다.
엔드 플래쉬 가스는 엔드 플래쉬 가스 분리기 (103) 에서 액화 천연 가스로부터 분리된다.
엔드 플래쉬 가스 분리기 (103) 에서 나온 엔드 플래쉬 가스는 압축되며, 이에 의해 예컨대 연료 가스로의 추가 사용을 위해서 라인 (145) 을 통해 배출될 수 있다. 엔드 플래쉬 가스의 저온은 예컨대 주 냉매를 예비 냉각하기 위해서 열 교환기 (143) 를 통해 유지될 수 있다. 이 경우, 열교환기 (143) 는 주 냉매 회로 (9, 9') 에 포함될 수 있다.
설비의 용량을 더욱 확장시키기 위해서는, 선택적인 엔드 플래쉬 가스 피드백 루프가 제공될 수 있으며, 이에 의해 라인 (145) 에 있는 엔드 플래쉬 가스의 일부가 적어도 부분적으로 응축되어 엔드 플래쉬 분리기 (103) 의 상류에서 액화 천연 가스에 재분사된다. 이를 위해, 선택적인 피드백 루프는 추가의 압축기 (147) 를 구비할 수 있고, 이 압축기의 저압 최종물은 라인 (145) 에 보내진다. 추가의 압축기 (147) 의 고압 최종물은 선택적인 추가의 냉각기 (149), 열교환기 (143) 및 스로틀 (151) 과 같은 팽창 장치를 경유하여 엔드 플래쉬 가스 분리기의 상류 라인에 보내진다.
선택적인 재분사에 의해, 추가의 압축기 (139, 147) 가 여유 지점 (extra point) 을 제공하며, 이 지점에서 냉각 듀티가 공정중 실행될 수 있고, 주 냉매 회로에서의 냉각 온도가 증가될 수 있다. 이렇게 추가된 여유 냉각 듀티로 인해, 더 많은 양의 액체 천연 가스가 생성될 수 있다. 4 ~ 5 % 의 추가 액화 용량이 선택적인 리사이클링을 포함하는 엔드 플래쉬 시스템에 의해 이루어질 수 있다는 것이 계산에 의해 밝혀진다.
다른 엔드 플래쉬 시스템이 전술한 것 대신에 사용될 수 있다. 미국 특허 제 5,893,274 호에 개시된 엔드 플래쉬 시스템이 참조로 관련되어 있다.
당업자라면 첨부의 청구의 범위의 범주를 일탈하지 않는 다양한 방법으로 변형될 수 있음을 용이하게 알 수 있다.
Claims (12)
1 이상의 열교환기가 선택적으로 선행하며, 천연 가스 스트림으로부터 열을 제거하는 예비 냉각 냉매 회로가 설치되는 최종 열교환기를 갖는 예비 냉각 열교환기 트레인,
천연 가스 스트림을 적어도 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로 분배하는 분배기구, 및
제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림을 각각 받아들이는 1 개의 유입구와 액화 천연 가스용 배출구를 갖는 제 1 고온측을 구비하는 주 열교환기를 각각 포함하며, 또한 대응하는 주 열교환기의 제 1 고온측을 통해 유동하는 천연 가스로부터 열을 제거하는 주 냉매 회로를 각각 포함하는 적어도 제 1 및 제 2 주 극저온 시스템을 구비하며,
분배기구는 최종 열교환기의 상류에 배치되는 천연 가스 액화 설비.
제 1 항에 있어서,
천연 가스 서브스트림 중 하나를 받아들이는 추출 유닛 유입구가 각각 설치되며, 또한 무거운 분획물 (heavy fraction) 배출구, 및 위쪽의 가벼운 분획물 (overhead light fraction) 배출구를 구비하는 2 이상의 천연 가스 액체 추출 유닛을 더 구비하며,
위쪽의 가벼운 분획물 배출구는 주 극저온 시스템의 유입구에 연결되는 천연 가스 액화 설비.
제 2 항에 있어서,
천연 가스 액체 추출 유닛의 각각에는 오버헤드 분리기의 액체 환류 배출구로부터 액체 환류를 받아들이는 환류 유입구가 제공되며, 이 오버 헤드 분리기에는 위쪽의 가벼운 분획물 배출구와 유체 연통하는 유입구 및 대응하는 주 극저온 열교환기와 유체 연통하는 증기 배출구가 설치되는 천연 가스 액화 설비.
제 3 항에 있어서,
오버헤드 분리기의 상류에서, 오버헤드 열교환기가 위쪽의 가벼운 분획물로부터 열을 제거하기 위해 설치되며, 상기 오버헤드 열교환기의 저온측이 2 이상의 주 냉매 회로중 하나 이상과 유체 연통하는 천연 가스 액화 설비.
제 1 항에 있어서,
최종 열교환기는 2 개의 병렬 열교환기를 구비하며,
상기 설비는 최종 병렬 열교환기의 상류에 존재하는 2 이상의 천연 가스 액체 추출 유닛을 더 구비하는 천연 가스 액화 설비.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
2 이상의 열교환기의 액화 천연 가스용 배출구에 연결되는 1 이상의 엔드 플 래쉬 유닛을 더 구비하며, 상기 엔드 플래쉬 유닛은 적어도 엔드 플래쉬 가스용 배출구와 액화 천연 가스용 배출구를 구비하는 천연 가스 액화 설비.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
분배기구는 2 이상의 배출구를 가지는 천연 가스 액화 설비.
(a) 예비 냉각 냉매 회로에서 순환되는 예비 냉각 냉매에 대해 열교환기 트레인에 있는 최종 단을 포함하는 1 이상의 단계에서 천연 가스 스트림을 예비 냉각하는 단계,
(b) 천연 가스 스트림을 적어도 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로 분배하는 단계,
(c) 단계 (b) 에서 얻은 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림을 2 이상의 주 극저온 시스템에 있는 주 냉매에 대해 완전 응축되게 더 냉각시키는 단계로, 이리하여 주 냉매가 각각의 극저온 시스템의 주 냉매 회로에서 순환하게 되는 단계 및
(d) 그로부터 액화 천연 가스 스트림을 인출하는 단계를 구비하며,
제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림으로의 천연 가스 스트림을 분배하는 것은 최종 예비 냉각 단의 상류에서 이루어지는 천연 가스 스트림 액화 방법.
제 8 항에 있어서,
단계 (b) 에서 얻어진 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림은, 단계 (c) 에서 기상의 위쪽의 가벼운 분획물의 완전 응축으로의 추가 냉각 이전에, 액상의 무거운 분획물과 기상의 위쪽의 가벼운 분획물로 동시에 분리되는 천연 가스 스트림 액화 방법.
제 9 항에 있어서,
단계 (c) 에서 더 냉각시키는 단계는 기상의 위쪽의 가벼운 분획물을 각각 부분적으로 응축하여 가벼운 응축물 및 가벼운 증기를 형성하는 단계, 가벼운 증기로부터 가벼운 응축물을 분리하는 단계, 부분적으로 응축된 제 1 및 제 2 천연 가스 서브스트림을 각각 동시에 분리하는 단계에서 저온 환류로 상기 가벼운 응축물을 이송하는 단계 및 가벼운 증기를 완전 응축되게 더 냉각시키는 단계를 구비하는 천연 가스 스트림 액화 방법.
제 10 항에 있어서,
기상의 위쪽의 가벼운 분획물을 각각 부분적으로 응축하는 단계는 2 이상의 주 냉매 회로중 하나 이상에 있는 주 냉매와 간접 열교환하는 단계를 구비하는 천연 가스 스트림 액화 방법.
제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 (d) 에서 얻어진 액화 천연 가스 스트림은 다음에 팽창하며, 이에 의해 더욱 냉각된 액화 천연 가스 및 플래쉬 증기를 포함하는 혼합물이 형성되며, 플래 쉬 증기는 상기 더 냉각된 액화 천연 가스로부터 분리되며, 압축되고 적어도 부분적으로 응축되어, 플래쉬 증기의 분리 전의 액화 천연 가스 스트림에서 재분사되는 천연 가스 스트림 액화 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0105 | International application |
Patent event date: 20070917 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |