KR101037249B1 - 천연가스 액화공정 - Google Patents

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양영명
최건형
이철구
박창원
최성희
이영범
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Abstract

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, 상기 폐 루프 냉동 사이클은, 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 비등점의 차이에 따라 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 혼합되는 것을 특징으로 한다.

Description

천연가스 액화공정 {NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연가스 액화공정 및 천연가스 액화시스템에 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 15에서 도시하고 있는 것과 같다. 도 15에서 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 16에서 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 17에서 도시하고 있는 것과 같다. 도 17에서 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 예냉한 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, 상기 폐 루프 냉동 사이클은, 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 비등점의 차이에 따라 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 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다른 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, 상기 폐 루프 냉동 사이클은, 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 혼합 냉매를 부분적으로 응축하는 제1 응축 단계, 제1 응축 단계를 통해 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 비등점의 차이에 따라 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계, 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉하는 예냉 단계, 분리 단계를 통해 분리된 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 혼합되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화시스템은, 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 비등점의 차이에 따라 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분으로 분리하는 분리 수단, 제1 냉매 부분과의 열교환을 통해 천연가스가 예냉되는 제1 열교환 영역과, 제2 냉매 부분과의 열교환을 통해 예냉된 천연가스가 액화되는 제2 열교환 영역을 구비하는 열교환 수단, 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉시킨 제1 냉매 부분을 압축하는 제1 압축 수단, 제2 열교환 영역에서 천연가스를 액화시킨 제2 냉매 부분을 압축하는 제2 압축 수단, 제1 및 제2 압축 수단을 통해 압축된 냉매 부분을 혼합하는 혼합 수단, 제1 냉매를 분리 수단으로부터 제1 압축 수단까지 안내하는 제1 도관, 및 제1 도관과는 독립되고 제2 냉매를 제1 냉매와의 혼합 없이 분리 수단으로부터 제2 압축 수단까지 안내하는 제2 도관을 포함하며, 상기 제1 냉매 부분은 상기 제2 냉매 부분보다 비등점이 높은 것을 특징으로 한다.
더욱이 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 일차적으로 냉각시키고 제2 열교환 영역에서의 냉매와의 열교환을 통해 일차적으로 냉각된 천연가스를 이차적으로 냉각시키는 천연가스 액화공정에 있어서, 상기 폐 루프 냉동 사이클은, 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 비등점의 차이에 따라 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계; 액상 냉매 부분을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 일차적으로 냉각하는 단계, 기상 냉매 부분을 이용하여 제2 열교환 영역에서 일차적으로 냉각된 천연가스를 이차적으로 냉각하는 단계, 일차적으로 냉각하는 단계 이후에 일차적으로 냉각하는 단계를 통해 천연가스를 일차적으로 냉각시킨 냉매 부분을 압축하는 제1 압축 단계, 이차적으로 냉각하는 단계 이후에 이차적으로 냉각하는 단계를 통해 천연가스를 이차적으로 냉각시킨 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 혼합되며, 상기 이차적으로 냉각하는 단계는 상기 일차적으로 냉각하는 단계보다 더 낮은 온도로 천연가스를 냉각한다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정과 천연가스 액화시스템은 혼합 냉매를 채용한 하나의 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정의 구조가 단순하고 시스템이 콤팩트하면서도 시스템의 운전이 용이할 뿐만 아니라, 혼합 냉매가 비등점의 차이에 따라 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 흐름도
도 2는 도 1에 따른 액화공정에 대한 제1 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 3은 도 1에 따른 액화공정에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 4는 도 1에 따른 액화공정에 대한 제3 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 6은 도 5에 따른 액화공정에 대한 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 7은 도 6에 따른 액화공정에 대한 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 10은 도 9에 따른 액화공정에 대한 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 11 및 도 12는 전술한 실시예들을 대표할 수 있는 기본 개념을 도시하고 있는 흐름도
도 13 및 도 14는 전술한 실시예들에 따른 액화공정이 전체 액화공정의 일부로서 사용되는 경우를 예시하고 있는 흐름도
도 15은 종래의 C3/MR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
도 16는 종래의 캐스케이드 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
도 17는 종래의 SMR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
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 예냉시키고, 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 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. 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.
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 실제 열교환이 이루어지는 부분은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 삼각파와 유사한 형태로 나타내고, 열교환 영역 내에서 실제 열교환이 이루어지지 않는 부분은 직선으로 나타낸다. 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. 그리고 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 냉매의 혼합 이후에 혼합된 냉매 부분에 대한 추가적인 재압축을 실시할 수도 있다. 도 3은 도 1에 따른 액화공정에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 즉, 도 3에서 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 경우 냉각기(146, 147)에 의한 냉각으로 인해 냉매 부분들이 부분적으로 응축되고, 도 2에 따른 실시예의 경우 혼합된 냉매 부분이 냉각기(148)에 의한 냉각으로 인해 부분적으로 응축되며, 도 3에 따른 실시예의 경우 혼합된 냉매 부분이 재압축되고 재냉각된 다음에 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, 액화공정의 효율을 보다 높이기 위해 전술한 제2 열교환 영역(122)과 팽창 밸브(131, 132) 사이에는 팽창기(expander)가 더 구비될 수 있다. 즉, 도 4에서 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 4에 따른 액화공정은 대략 1.7% 정도의 효율 향상이 이루어지는 것으로 확인되었다.
그리고 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 사용하는 액화공정의 효율이 향상될 수 있다.
이에 대해 상술하면, 각 성분의 대기압에서의 끓는점은 질소가 -198.8℃, 메탄이 -161.5℃, 에탄이 -88.8℃, 프로판이 -42.09℃, 부탄이 -0.5℃, 펜탄이 27.84℃이다. 이에 따라 기존과 같이 메탄(C1), 에탄(C2), 프로판(C3) 및 질소(N2)로 구성되는 혼합 냉매의 경우 대기압에서 초저온으로부터 약 -40℃까지의 온도구배가 가능한데 반해, 메탄(C1), 에탄(C2), 프로판(C3), 부탄(C4), 펜탄(C5) 및 질소(N2)로 구성되는 혼합 냉매의 경우 대기압에서 초저온으로부터 약 30℃까지의 온도구배가 가능하다. 액화시스템에 유입되는 천연가스 또는 냉각기 후단의 냉매 온도가 35~40℃일 수 있다는 점을 고려할 때, 이에 대응되는 냉매 부분이 존재할 경우 액화공정의 효율이 더 높아질 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 팽창 밸브(133)로 유입되어 팽창될 수 있다. 참고로 도 5에서 도시하고 있는 것과는 다르게, 도관(181)을 흐르는 액상 냉매 부분이 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 냉각된 다음에 팽창 밸브(133)로 유입되어 팽창될 수도 있다. 즉, 추가 분리 수단(112)과 팽창 밸브(133) 사이에서 액상 냉매 부분이 제1 열교환 영역으로 유입되어 냉각될 수도 있다.
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. 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.
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 6에서 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 다음, 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 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.
이외에도 도 5 또는 도 6에서 도시하고 있는 액화공정과 다르게 도 7에서 도시하고 있는 것과 같이, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 액상 냉매 부분을 분리 수단(110)을 통해 분리된 액상 냉매 부분과 혼합한 후, 이를 하나의 냉매 흐름으로서 사용할 수 있다. 즉, 도 7에서 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 혼합되며, 이렇게 혼합된 냉매 부분은 하나의 냉매 흐름으로서 도관(1617)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입된다.
한편, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 기상 냉매 부분은 도 3에서 도시하고 있는 실시예와 동일하게 재압축과 재응축 과정을 거쳐 분리 수단(110)으로 유입된다. 즉, 도 5, 도 6, 도 7에서 도시하고 있는 것과 같이, 추가 분리 수단(112)을 통해 분리된 기상 냉매 부분은 추가 압축 수단(144)을 통해 추가 압축된 다음, 냉각 수단(149)을 통해 부분적으로 응축되어 분리 수단(110)으로 유입된다.
실시예 3
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정에서는 분리 수단으로서 증류탑(distillation column)을 사용한다는 점에 있어 전술한 실시예와 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. 이와 같이 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 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 9에서 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 9에서 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 10에서 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 10에서 도시하고 있는 것과 같이 실시예 1에 따른 액화공정과 동일하게 천연가스를 예냉시키고 액화시킨다. 다만 전술한 실시예들과는 다르게 도 10에 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 수행한다. 이러한 공통되는 기술적인 특징은 도 11 또는 도 12에서 도시하고 있는 바와 같이 점선 박스로 표현할 수 있다. 즉, 혼합 냉매를 분리하여 각각의 냉매 부분으로 천연가스를 예냉하고 액화하는 구성은 다양하게 변형이 가능하다. 전술한 실시예들은 다양한 변형들 중 액화효율이 뛰어나다고 판단되는 구체적인 예들이다.
한편, 분리된 냉매 부분의 혼합 시, 각각이 동일한 압력과 온도 조건에서 다시 하나의 냉매 부분으로 혼합된다고 하더라도 그 혼합된 냉매의 온도는 분리된 냉매 부분들의 조성에 따라 혼합되기 전의 온도보다 높을 수도 또는 낮을 수도 있다. 이에 따라 다시 혼합되어 냉매의 온도가 이전보다 낮아지는 경우에는 도 11에 따른 냉각 수단의 배치가 바람직하고, 온도가 이전보다 높아지는 경우에는 도 12에 따른 냉각 수단의 배치가 바람직하다. 즉, 도 11과 같은 경우에는 냉매 부분이 냉각 수단에 의해 각각 냉각된 다음에 혼합되어 그 혼합의 결과로 냉매 부분의 온도가 더 낮아질 수 있기 때문에 액화공정의 효율이 향상될 수 있고, 도 12와 같은 경우에는 냉매 부분의 혼합으로 온도가 상승된 냉매 부분을 하나의 냉각 수단만으로도 일정 온도 이하로 냉각할 수 있기 때문에, 즉 냉각 수단의 개수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
참고로 전술한 실시예들에 따른 액화공정의 효율을 기존의 SMR 공정(도 17 참조)이나 C3/MR 공정(도 15 참조)과 비교하면 아래 표와 같다. 아래 표로 정리한 것과 같이 기존의 C3/MR 공정(도 15 참조)이 매우 뛰어난 효율을 가진다는 점을 고려할 때, 전술한 실시예들에 따른 액화공정은 기존의 SMR 공정(도 17 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.
액화사이클 kWh/kg LNG 기존의 SMR 기준 기존의 C3/MR 기준
기존의 SMR 공정(도 17 참조) 0.4760 100% 157%
기존의 C3/MR 공정(도 15 참조) 0.3025 64% 100%
도 1에 따른 액화공정 0.3103 65% 103%
도 5에 따른 액화공정 0.3022 63% 100%
도 6에 따른 액화공정 0.3099 65% 102%
도 7에 따른 액화공정 0.3114 65% 103%
또한 전술한 바와 같이, 전술한 실시예들에 따른 액화공정은 도 13 및 도 14에서 도시하고 있는 것과 같이 추가적으로 천연가스를 냉각하는 냉동 사이클을 더 포함할 수도 있다. 즉, 도 13에서 도시하고 있는 것과 같이 천연가스를 추가적인 냉동 사이클을 통해 예냉한 다음, 전술한 실시예들에 따른 액화공정(도 13 및 도 14에서는 대표적으로 전술한 실시예 1에 따른 액화공정을 도시하고 있다)에 기초하여 천연가스를 액화할 수 있다. 그리고 도 14에서 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.
즉, 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분이 상호간의 혼합 없이 독립된 루트를 경유하다 혼합 단계에서야 비로소 혼합된다는 특징은 그대로 유지한 채, 전체 공정 중의 일부 공정으로서 액상 냉매 부분을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 일차적으로 냉각하고, 기상 냉매 부분을 이용하여 제2 열교환 영역에서 일차적으로 냉각된 천연가스를 이차적으로 냉각할 수 있다. 위와 같은 일차적 냉각과 이차적 냉각은 전체 액화공정의 구성에 따라 예냉과 액화, 또는 액화와 과냉 등과 같이 다양한 역할을 수행할 수 있다. 다만 이차적 냉각이 일차적 냉각보다 더 낮은 온도로 천연가스를 냉각시킨다.
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.
110: 분리 수단 112: 추가 분리 수단
114: 증류탑 116: 기액 분리기
120: 열교환 수단 121: 제1 열교환 영역
122: 제2 열교환 영역
131, 132, 133, 136: 팽창 수단
141, 142, 143, 144: 압축 수단
146, 147, 148, 149: 냉각 수단

Claims (28)

  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;
    상기 제1, 2 압축 단계를 통해 압축된 각각의 냉매 부분을 혼합하는 혼합 단계;
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 추가 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 예냉 단계 이후에 상기 추가 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 추가적으로 예냉시킨 냉매 부분을 압축하는 제3 압축 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 포함하며,
    상기 분리 단계는 상기 응축하는 단계를 통해 부분적으로 응축된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하고, 상기 혼합 단계는 상기 제1, 2, 3 압축 단계를 통해 압축된 각각의 냉매 부분을 혼합하며, 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.
  2. 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;
    상기 제1, 2 압축 단계를 통해 압축된 각각의 냉매 부분을 혼합하는 혼합 단계;
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 추가 분리하는 추가 분리 단계;
    상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분과 혼합하는 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 포함하며,
    상기 분리 단계는 상기 응축하는 단계를 통해 부분적으로 응축된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하고, 상기 추가 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분은 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분과 함께 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하며, 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분과 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.
  3. 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;
    상기 제1, 2 압축 단계를 통해 압축된 각각의 냉매 부분을 혼합하는 혼합 단계;
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 추가 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 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 예냉시킨 냉매 부분과 상기 추가 예냉 단계를 통해 상기 천연가스를 추가적으로 예냉시킨 냉매 부분을 혼합하는 추가 혼합 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 포함하며,
    상기 분리 단계는 상기 응축하는 단계를 통해 부분적으로 응축된 냉매 부분을 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하고, 상기 제1 압축 단계는 상기 추가 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 압축하며, 상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분과 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.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 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.
  5. 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.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 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.
  7. 청구항 6에 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.
  8. 청구항 6에 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.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 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.
  10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 단계를 통해 혼합된 냉매 부분을 냉각하여 부분적으로 응축하는 응축 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  11. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 냉매는 메탄(C1), 에탄(C2), 프로판(C3), 부탄(C4), 펜탄(C5) 및 질소(N2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 분리가 있는 천연가스 액화공정.
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  19. 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,
    상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 상기 혼합 냉매를 부분적으로 응축하는 제1 응축 단계;
    상기 제1 응축 단계를 통해 부분적으로 응축된 혼합 냉매를 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계;
    상기 분리 단계를 통해 분리된 액상 냉매 부분을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하는 예냉 단계;
    상기 분리 단계를 통해 분리된 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.
  20. 청구항 19에 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.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 액화 단계는, 상기 분리 단계를 통해 분리된 기상 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 응축하는 제2 응축 단계, 제2 응축 단계를 통해 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.
  22. 청구항 21에 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.
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