KR101259192B1 - 천연 가스 액화 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 천연가스 액화 공정에 관한 것으로서, 유용한 메탄-풍부 공급물, 즉 천연가스를 초기에 과압상태에서 팽창시켜, 하나 이상의 냉매 사이클에서 공급물을 냉각하는데 사용되거나 액화 영역에서 공급물을 액화하는데 사용되는 냉동을 제공하거나, 액화공정 또는 송출에 사용되는 전력생산 등의 새로운 다양한 방법으로 사용될 수 있는 팽창일을 제공한다. 일 실시형태에서, 팽창 일 (1) 은 장치 (25) 의 압축기 (40) 를 구동하여 이를 통해 폐쇄 루프 프로판 냉매 사이클 (60) 에 압축을 제공하여 천연 가스 스트림 (10) 을 예냉 (15) 시키고, 액화처리용 팽창된 차가운 천연 가스 공급물 (140) 을 생산하기 위하여 공급물을 팽창시키는 팽창기/압축기 (터보팽창기 30) 를 사용하여 얻어진다. 액화공정에 사용되는 차가운 천연가스 공급물의 생산으로, 주어진 설치 마력으로 LNG의 생산량을 늘리거나, 또는 주어진 양의 LNG의 생산과 관련된 자본비용 및/또는 작동비용을 줄일 수 있다.
Figure R1020077004239
천연 가스, 액화 천연 가스, LNG, LGNs

Description

천연 가스 액화 공정{NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연 가스와 같은 메탄-풍부 가스 스트림의 액화 공정 및 그러한 액화 스트림의 더 효율적인 생산에 관한 것이다.
일반적으로 천연 가스라 함은 지각에서 발견되는 희박한 (rarefied) 또는 가스 상태의 탄화수소 (메탄 및 예컨대 에탄, 프로판, 부탄 등의 경질 탄화수소로 이루어짐) 를 말한다. 예컨대 이산화탄소, 헬륨 및 질소와 같은 지구상에서 발생하는 불연성 가스는 일반적으로 그들의 적절한 화학명으로 명명된다. 그러나, 종종 불연성 가스는 가연성 가스와 함께 조합되어 발견되기도 하는데, 불연성 가스인지 가연성 가스인지를 구분하려는 어떠한 시도도 없이 그 혼합물을 일반적으로 "천연 가스" 라고 칭한다. Pruitt, "Mineral Terms-Some Problems in Their Use and Definition," Rocky Mt. Min. L. Rev. 1, 16 (1996) 참조.
천연 가스는 종종 지역 시장의 부족 또는 높은 처리비용 및 원거리 시장까지의 높은 운송비용으로 인해 개발하기에 비경제적인 보존된 지역에서 풍부하다.
더욱 편리한 저장 및 운송을 위하여, 천연 가스를 극저온으로 액화시켜 액화 천연 가스 제품 ("LNG") 을 생산하는 것이 일반적이다. 천연 가스를 액화시키는 근본적인 이유는, 액화로 인해 약 1/600 로 부피가 감소하여 기압이 낮거나 심 지어 대기압에서도 컨테이너에 액화 가스를 저장하고 운송하는 것이 가능하기 때문이다. 천연 가스의 액화는 공급원으로부터 시장까지의 거리가 매우 멀어서 파이프라인을 통한 운송이 비현실적이거나 비경제적인 경우에, 공급원으로부터 시장까지 가스의 운송이 가능해 진다는데 더욱 중요한 의미가 있다. 어떤 경우에는 그 운송 방법이 대양을 지나는 선박에 의한다. 가스 형태의 원료를 상당히 압축하지 않는 한 선박으로 가스 형태의 원료를 운송하는 것은 비경제적이다. 또한, 적절한 강도와 수용능력을 지닌 컨테이너를 제공할 필요성이 있기 때문에 그 운송은 경제적이지 못하다.
액체 상태의 천연 가스를 저장 및 운송하기 위하여, 전형적으로 천연 가스는 대기압 근처에서 액체로써 존재할 수 있는 -240℉ (-151℃) ~ -260℉ (-162℃) 까지 냉각된다. 많은 LNG 액화 플랜트는 예컨대 본 명세서에 그 내용이 참고 인용된 미국특허 제3,548,606호에 일반적으로 개시된 다단식 (cascaded) 또는 혼합식 냉매 형태의 기계적 냉각 사이클을 이용하여 주입 가스 스트림을 냉각한다. 순차적으로 복수의 냉각 단계를 통해 승압 상태에서 가스를 통과시켜, 액화가 달성될 때까지 가스를 연속적으로 저온으로 냉각시켜 가스를 액화하는 다양한 다른 천연가스의 액화 방법 및/또는 시스템이 존재한다. 일반적으로, 냉각은 폐쇄 루프 또는 개방 루프 구성에서 프로판, 프로필렌, 에탄, 에틸렌, 질소 및 메탄, 또는 이들의 혼합물과 같은 1종 이상의 냉매와의 열교환을 통해 달성된다. 냉매의 비등점을 낮추기 위하여 냉매는 다단식으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 일반적으로 LNG 제조 공정은 미국특허 제4,445,917호, 제5,537,827호, 제6,023,942호, 제 6,041,619호, 제6,062,041호, 제6,248,794호 및 영국특허출원 GB 2,357,140 A 에 개시되어 있다. 이들 특허의 내용은 본 명세서에 그 전체가 참고 인용되었다.
또한, 액화 가스가 하나 이상의 팽창 단계를 통과하도록 함으로써 액화 천연 가스를 대기압으로 팽창시킬 수 있다. 그 팽창의 과정 동안에, 가스는 적절한 저장 및 운송 온도까지 더욱 냉각되고, 거의 대기압까지 감압된다. 대기압으로의 이러한 팽창 과정에서, 상당량의 천연 가스가 플래시 (flash) 될 수 있다. 플래시된 증기는 팽창 단계로부터 수집되어 재활용되거나, 액화 천연 가스 제조 시설의 동력을 생산하기 위하여 연소될 수 있다.
전형적으로 다단식 냉동 사이클 형태의 플랜트는 그 건설 및 운영에 비교적 많은 비용이 들고, 또한 혼합식 냉매 사이클 플랜트 역시 운영되는 동안 스트림 조성에 철저한 주의가 필요할 수 있다. 특히, 냉동 장비는 그 요소의 저온 야금의 필요성으로 인해 비싸다. 그러나, 천연 가스의 액화는 기체를 쉽고 경제적으로 운송 및 저장할 수 있는 형태로 전환하는, 폭넓게 실시되고 있는 매우 중요한 기술이다. 가스전으로부터 최종 사용자까지 가스를 생산 및 운송하는 비용효율이 높은 방법을 달성하기 위하여는 가스를 액화하는데 소비되는 비용 및 에너지가 최소화되어야만 한다. 액화 비용을 줄이는 공정 기술은 또한 최종 사용자의 가스 제품의 비용을 줄여준다.
가스의 액화에 요구되는 냉동을 만들어내기 위해서, 천연 가스의 액화를 위한 공정 사이클에는 역사적으로 등엔트로피 팽창 밸브 또는 줄 톰슨 (J-T) 밸브가 사용되어 왔다. 이러한 목적으로 팽창 밸브를 사용하는 전형적인 공정 사이클 이 예컨대 미국특허 제3,763,658호, 제4,065,276호, 제4,404,008호, 제4,445,916호, 제4,445,917호 및 제4,504,296호에 개시되어 있다.
이러한 밸브를 통해 공정 유체가 유동할 때 생성되는 팽창 일은 기본적으로 손실이다. 이러한 공정 유체의 팽창에의해 형성된 일의 적어도 일부를 회수하기 위하여, 왕복동식 팽창기 (reciprocating expander) 또는 터보팽창기 (turboexpander) 와 같은 팽창기가 사용될 수 있다. 예를 들면, 미국특허 제 4,445,916호, 제4,970,867호 및 제5,755,114호에는 LNG의 생산과 관련된 터보팽창기의 용도가 개시되어 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "팽창기" 또는 "팽창/압축 장치" 란 일반적으로 이러한 터보팽창기 또는 왕복동식 팽창기를 지칭한다. 천연 가스 액화분야에서는 용어 "팽창기" 가 대개 터보팽창기를 지칭하는 것으로 사용되기 때문에, 본 명세서에서도 그렇게 사용한다.
본 출원인은 LNG 공정의 냉동원으로써 천연 가스 스트림과 같은 메탄-풍부 가스 공급물 스트림의 잉여 압력을, 예컨대 천연 가스가 액화 영역으로 향하기 전에 이를 예냉각 (pre-cool) 하는데 사용되는 냉동 사이클의 압축 또는 액화 영역에서 천연 가스의 액화에 사용되는 하나 이상의 냉동 사이클의 압축을 제공하기 위하여 이용하려는 종전의 어떠한 시도를 알지 못한다. 대부분의 액화 공정이 전형적으로 650 psig (44.8 barg) ~ 1000 psig (69.0 barg) 의 압력에서 전달되는 메탄-풍부 공급물을 이용하지만, 공급된 천연 가스가 예컨대 1000 psig (69.0 barg) ~ 2500 psig (172.4 barg) 또는 그 이상으로 보다 고압에서 이용될 수 있는 많은 예 가 있다. 이 가스는 지하에서 형성된 이러한 압력에서 생성되었거나, 아니면 그 제조 분야의 요구와 관련된 수 많은 어떤 이유로 가스가 생성된 후 그러한 압력으로 압축되었거나, 아니면 가스전에 인접한 지역 파이프라인 또는 전송 시스템의 요구로 인해 압축되었을 수 있다. 액화에 앞서 이러한 예비 단계를 사용함으로써, 결과적으로 건설 및/또는 운영에 비용이 덜 들게 되며, 그리고/또는 주어진 플랜트 설계에서 더 많은 LNG 생산량을 가능하게 하는 액화 플랜트가 만들어 진다. 대안적으로, 잉여 압력은 공정을 더욱 효과적으로 해줄 수 있는 전기력을 생산하는데 사용될 수 있는 기계적 일로 전환될 수 있다.
이로써 알 수 있듯이, 이러한 유용한 가스 스트림 내에 잔류하는 잉여 에너지를 결과적으로 더욱 효과적이고 및/또는 잠재적으로 더욱 저비용의 LNG 액화 공정이 되도록 하는 방식으로 이용하고자 한다.
본 발명에 따라 전술한 목적 및 장점이 달성될 수 있으며, 그 일 양태는 가압된 천연 가스 스트림의 액화 공정과 관련된다. 그 공정은,
(a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
(b) 제 1 온도보다 저온의 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 형성하기 위해, 냉각된 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 가압 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계,
(c) 팽창 장치에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 가압 냉매 스트림을 형성하기 위하여 냉매 스트림을 압축하는 압축기를 구동하는데 사용되며, 그 팽창으로 천연 가스 액화 영역으로 향하는 차가운 공급물 스트림이 얻어지며,
(d) 냉각된, 적어도 부분적으로 응축된 가압 냉매 스트림을 형성하기 위하여 가압 냉매 스트림을 냉각하는 단계,
(e) 단계 (b) 에 적용되는 저온의 냉매 스트림을 형성하기 위하여 냉각된, 적어도 부분적으로 응축된 가압 냉매 스트림을 팽창하는 단계, 및
(f) 천연 가스 액화 영역에서 차가운 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 본 발명은,
(a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
(b) 제 1 온도보다 저온의 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 형성하기 위해, 냉각된 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 가압 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계,
(c) 차가운 공급물 스트림을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 저온의 냉매 스트림을 형성하기 위한 냉동을 제공하는데 사용되며, 그리고
(d) 액화 영역에서 차가운 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함하는 가압 천연 가스 스트림의 액화공정에 관한 것이다.
또 다른 측면에서, 본 발명은,
(a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
(b) 제 1 온도보다 저온의 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 형성하기 위해, 냉각된 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 가압 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계, 및
(c) 차가운 공급물 스트림을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 저온의 냉매 스트림을 형성하기 위한 냉동을 제공하는데 사용되는 단계를 포함하는 냉각된 천연 가스 공급물 스트림의 제조 공정에 관한 것이다.
또 다른 측면에서, 본 발명은,
(a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
(b) 차가운 공급물 스트림을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 가압 천연 가스 스트림을 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 LNG의 생산을 위한 냉동을 제공하는데 사용되며, 그리고
(c) 액화 영역에서 차가운 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함하는 가압 천연 가스 스트림의 액화공정에 관한 것이다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정에 관한 것이다. 그 공정은,
(a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
(b) 차가운 공급물 스트림 및 팽창 일을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 가압 천연 가스 스트림을 팽창하는 단계, 및
(c) 액화 영역에서 차가운 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함한다.
도 1 은 본 발명의 실시예의 단순화된 공정 흐름도이며, 가압 천연 가스 스트림으로부터의 잉여 압력이 팽창기/압축 장치에서 팽창하여 (1) 그 장치의 압축기를 구동하여 폐쇄 루프 프로판 냉동 사이클의 압축을 제공하여 천연 가스 스트림을 예냉각시키고, (2) 액화 공정을 위해 팽창된, 차가운 천연 가스 공급물을 생성하는 기계적 일을 생성한다.
본 발명은 위에서 규정한 천연 가스와 같은 메탄-풍부 가스 스트림으로부터의 LNG 제조 공정에 관한 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 언급되는 천연 가스는 50 몰% 이상, 바람직하게는 75 몰% 이상, 더욱 바람직하게는 90 몰% 이상의 메탄을 포함한다. 일반적으로, 천연 가스의 잔부는 예컨대 소량의 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 및 더욱 중질의 탄화수소와 같은 다른 가연성 탄화수소와 예컨대 이산화탄소, 황화수소, 헬륨 및 질소와 같은 불연성 화합물을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.
천연 가스에 포함된, 예컨대 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 및 프로판 보다 비등점이 높은 탄화수소와 같은 더욱 중질의 탄화수소의 존재는 기-액 분리 단계를 통해서 감소한다. 펜탄 또는 헥산의 비등점보다 높은 온도에서 비등하는 탄화수소는 일반적으로 원유로 분류된다. 실질적으로 에탄의 비등점보다 높고 펜탄 또는 헥산의 비등점보다 낮은 온도에서 비등하는 탄화수소는 일반적으로 제거되어 본 발명의 목적을 위한 천연 가스액 또는 "NGLs" 로 여겨진다. 이러한 NGLs는 본 명세서에 개시된 공정의 상류 또는 하류에서 본 발명에 따라 제공된 천연 가스 공급물 스트림으로부터 회수될 수 있다.
대부분의 시장에서, 예컨대 이산화탄소, 헬륨, 질소 및 황화수소와 같은 LNG의 불연성 오염물질의 존재가 최소화되기를 원한다. 주어진 천연 가스 저장소 (50% ~ 70%의 이산화탄소를 함유할 수 있음) 의 질에 따라서, 천연 가스는 전술한 그러한 요소를 미리 제거하기 위해 천연 가스 플랜트에서 전-처리되거나, LNG의 제조에 앞서 전-처리하기 위해 플랜트로 직접 운송될 수도 있다.
일반적으로, 천연 가스는 2800 psig (193.1 barg) 이상의 높은 승압 상태에서 사용이 가능하거나 운송된다. 본 발명에 따르면, 적절한 천연 가스 공급물의 압력은 일반적으로 예컨대 전형적인 LNG 액화 공정의 설계 압력보다 높은 약 200 psig (13.8 barg) 이상으로 LNG 시설에 전형적으로 제공된 압력보다 높으며, 그 압력은 전형적으로 약 650 psig (44.8 barg) ~ 1000 psig (69.0 barg) 의 공급물 압력을 위해 설계된다. 바람직하게는, 본 발명의 공정에 제공된 공급물 압력은 예컨대 약 1300 psig (89.6 barg) ~ 약 2500 psig (172.4 barg) 또는 그 이상으로, 약 1000 psig (69.0 barg) 이상이다. 천연 가스의 온도는 그 생산지에 따라 다르다. 천연 가스가 파이프라인 가스인 경우, 그 온도는 예컨대 0℉ (-17.8℃) ~ 120℉ (48.9℃), 더욱 전형적으로는 50℉ (10℃) ~ 100℉ (37.8℃) 로 주변 조건과 가까워진다. 천연 가스 조건이 예컨대 천연 가스 압축기, 출구 및 후-압축 장비와 같은 운송 장치와 근접하게 측정될 경우에는 천연 가스 공급물의 온도 및 압력에 효과 또는 영향을 미칠 수 있다.
일반적으로 본 발명과 함께 사용되기에 적절한 전처리 단계는 LNG 제조와 관련하여 보통으로 식별되고 공지된 단계로 시작되지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 그 단계는 천연 가스 스트림으로부터 (예컨대, H2S 및 CO2와 같은) 산성 가스, 머캡탄 (mercaptan), 수은 및 수분의 제거를 포함한다. 산성 가스 및 머캡탄은 보통 아민-함유 수용액 또는 다른 종류의 공지의 물리적 또는 화학적 용매를 사용하는 수착공정을 통해서 제거된다. 이 단계는 일반적으로 천연 가스 액화 영역의 상류에서 실행된다. 물 (water) 의 실질적 부분은 로우 레벨 냉각에 앞서거나 또는 그 후에 일반적으로 2상의 기-액 분리를 통해 액체로써 제거되고, 그 다음으로 미량의 물을 제거하기 위한 분자체 (molecular sieve) 공정이 행해진다. 물 제거 단계는 일반적으로 본 명세서에 포함된 임의의 팽창 단계에서 일어난다. 수은은 수은 흡착 베드의 사용을 통해 제거된다. 보통, 물 및 산성 가스의 잔류량은 대부분 예컨대 재생가능한 분자체와 같은 특정 선택 흡착 베드의 사용을 통해서 제거된다. 이러한 특정 선택 흡착 베드도 역시 일반적으로 대부분의 천연 가스 액화 단계의 상류에 위치한다.
본 발명을 본 발명의 실시예를 도시한 도 1 을 참조하여 설명하면, 가압 천연 가스 스트림으로부터의 잉여 압력이 팽창기/압축 장치에서 팽창하여, 예컨대 (1) 그 장치의 압축기를 구동하여 폐쇄 루프 프로판 냉매 사이클의 압축을 제공하여 천연 가스 스트림을 예냉각시키고, (2) 액화 공정을 위해 팽창된, 차가운 천연 가스 공급물을 생성하는 기계적 일을 생성한다. 냉동 사이클에는 예컨대 이중 혼합식 냉매와 같은 다른 종류의 공지 기술의 냉매를 사용될 수도 있다.
도 1 을 참조하면, 천연 가스 공급물은 예컨대 1000 psig (69.0 barg) ~ 2500 psig (172.4 barg), 더욱 바람직하게는 1300 psig (89.6 barg) ~ 2500 psig (172.4 barg) 의 비교적 고압에서 라인 (10) 을 통해 공정으로 공급된다. 그 공급물은 예컨대 전술한 바와 같은 50℉ (10℃) ~ 100℉ (37.8℃) 의 주변 온도가 될 수 있다. 라인 (10) 은 천연 가스 공급물이 프로판 등의 냉매로 간접 열교환에 의해 냉각되고 폐쇄 루프 시스템에의해 운반되는 냉각기 (15) 로 그 공급물을 향하게 한다. 냉매는 냉각기 (15) 에 2상 (증기 및 액체) 의 형태로 공급될 수 있지만, 증기량을 최소화시켜 냉매가 실질적으로 액상인 것이 바람직하다. 냉매는 라인 (120) 을 통해서 냉각기 (15) 안으로 공급된다. 냉각기 (15) 에서, 냉매가 기화되어 라인 (50) 을 통해 나간다. 천연 가스 공급물은 냉각기 (15) 에서 냉각되어 라인 (20) 을 통해 나간다. 만약 그 공급물이 전술한 온도 및 압력 범위로 본 발명의 공정에 제공된다면, 냉각된 천연 가스 공급물은 기본적으로 냉각기 (15) 에서 충전된 것과 동일한 압력 및 약 -30℉ (-34.4℃) ~ 50℉ (10℃) 가 될 수 있는 온도로 존재한다.
그리고, 냉각된 천연 가스 공급물은 라인 (20) 에 의해 터보팽창기 (25) 로 운반되어, 팽창기부 (30) 안으로 공급된다. 팽창기부 (30) 에서, 천연 가스 공급물은 그 압력을 기본적으로 LNG의 생산에 적용될 액화 공정의 설계 압력으로 조정하기 위해 팽창될 수 있다. 전형적으로, 천연 가스는 약 650 psig (44.8 barg) ~ 1000 psig (69.0 barg) 의 압력으로 팽창된다. 라인 (140) 을 경유하 여 팽창기부 (30) 를 나가는 차가운 천연 가스 공급물의 온도는 비교적 낮은 온도가 될 수 있는데, 이는 공급물로써 NGL 회수 유닛 (원하는 경우) 및/또는 액화 영역에 적용되는 데 유리할 수 있으며, 그 온도는 예컨대 -100℉ (-73.3℃) ~ 60℉ (-51.1℃) 이다. 원한다면, 비록 그 오염물질을 전술한 예냉각 단계에 앞서 제거하는 것이 더욱 유리할 수 있지만, 차가운 천연 가스 공급물을 산성 가스 또는 수은 오염물의 제거를 위한 처리 유닛으로 향하게 하는 것도 가능하다.
냉각기 (15) 에서 라인 (50) 을 통해 이송된 냉매 증기는 터보팽창기 (25) 의 압축기부 (40) 에서 압축된다. 압축기부 (40) 에서의 압축 후에, 가압 냉매 증기는 라인 (60) 을 통해 응축기 (70) 로 이송된다. 응축기 (70) 는 공냉식 열교환기가 될 수 있지만, 당해 기술분야에서 공지된 임의의 열교환기 역시 사용이 가능하다. 응축기 (70) 는 냉매를 적어도 부분적으로, 바람직하게는 실질적으로 그 대부분을, 더욱 바람직하게는 그 전부를 액상으로 응축하는데 사용된다. 나아가, 도 1 에 도시하지는 않았으나, 응축된, 적어도 부분적으로는 액체인 냉매 스트림을 과냉각시켜, 후술하는 바와 같이 그 냉매가 감압 장치 (90) 를 나간 후에 냉매 스트림의 증기 부분이 바람직하게는 0.5 미만, 더욱 바람직하게는 0.35 미만으로 최소화되도록 하기 위하여, 응축기 (70) 의 하류에 부가적인 냉각기를 배치하는 것이 바람직하다. 그 후, 냉각된 냉매는 줄-톰슨 밸브 등의 감압 장치 (90) 를 통과하여, 더욱 냉각된다. 냉각된 냉매는 그 후 선택적으로 라인 (100) 을 통해 분리 용기 (110) 를 향하게 되며, 분리 용기 (110) 는 증기 형태의 냉매를 분리 및 회수하여 라인 (130) 과 라인 (50) 을 통해 그 냉매를 압축기부 (40) 으로 돌려보낸다. 그리고 냉매는 분리 용기 (110) 로부터 라인 (120) 을 통해 냉각기 (15) 로 향하게 된다. 유리하게는, 이하 설명할 예로써 도시된 바와 같이, 일반적으로 라인 (100), 분리 용기 (110), 및 라인 (130) 을 단순하게 생략하여 감압 장치 (90) 로 향하게 된 후에 그 결과 냉매 스트림이 라인 (120) 을 통해 직접적으로 냉각기 (15) 로 보내지는 것이 더욱 편리하다. 이러한 방식으로, 실질적으로 이 지점에서 2상 (증기 및 액체) 으로 존재할 수 있는 모든 차가운 냉매 스트림이 냉각기 (15) 에서 사용된다.
LNG의 생산을 위해 차가운 천연 가스 공급물은 액화 영역으로 향하게 되는데, 액화 영역은 당해 기술 분야에서 공지된 임의의 액화 공정을 포함할 수 있다. 다단식 액화 공정의 예는 미국특허 제4,172,711호, 제5,537,827호, 제5,669,234호 및 제6,158,240호에 개시되어 있으며, 그 내용은 전체적으로 본 명세서에 참조 인용되었다. 혼합 냉매식 액화 공정의 예는 미국특허 제4,910,533호 (단일 혼합 냉매 사이클), 미국특허 제4,545,795호 및 제6,119,479호 (이중 혼합 냉매 사이클), 미국특허 제6,253,574호 (삼중 혼합 냉매 사이클) 에 개시되어 있다. 이들 특허의 내용은 본 명세서에 전체가 참조인용되었다.
전술한 바와 같이, 이러한 천연 가스 공급물의 사용가능한 잉여 압력의 사용에 의해, 혹자는 차가운 공급물의 온도를, 예컨대 주변 온도인 75℉ (23.9℃) 에서 -260℉ (-162.2℃) 로가 아니라 약 -90℉ (-67.8℃) 에서 -260℉ (-162.2℃) 로 낮추는데 필요한 냉동을 액화가 일어나는 곳에 제공할 필요가 있다. 그 결과, 종래의 LNG 공정에서는 LNG의 증가 체적이 설치된 플랜트의 마력 (냉동) 의 양과 동 일하게 생산될 수 있다. 이러한 생산의 증가는 설치된 마력과 동일하게 15% ~ 20% 가 될 수 있다. 대안적으로, 이러한 잉여 압력의 사용으로 공정을 위한 자본 비용 및 운영 비용이 주어진 양의 LNG를 생산하는데 필요한 설치된 마력만큼 감소한다.
게다가, 터보팽창기 등의 팽창 장치에서 가압 천연 가스 공급물 스트림을 팽창시켜 얻은 팽창 일은, 예컨대 전술한 바와 같이 본 명세서에 참조인용된 다단식 액화 공정에서의 다단 냉매 스트림을 위한 압축과 같은, 또는 혼합 냉매식 공정 (하나 이상의 혼합 냉매 사이클을 배치할 수 있는) 액화 영역에 제공된 다른 냉매 스트림을 위한 압축을 제공하는데 사용될 수 있다. 그 팽창 일은 액화 공정에 사용되거나 지역 전력 시설망에 송전하기 위하여 전기를 생산하는 전기 발전기를 구동하는데에도 사용된다.
이하 후술하는 예를 통해 본 발명을 더욱 설명하며, 그 예는 설명을 위하여 제공하는 것이므로 첨부된 특허청구범위의 사상은 이에 제한되지 안는다.
이 예에서, 본 발명의 실시에 사용되는 공정 및 장치는, 천연 가스 공급물 스트림에 포함된 NGL 요소를 회수하기에 앞서 그 천연 가스 공급물 스트림을 차갑게 하는데 사용되며, 천연 가스 액화 플랜트에서 예컨대 다단식 또는 혼합 냉매 공정과 같은 LNG의 제조에 사용되는 그 추가적인 용도로 연간 약 500만 미터톤을 생산하도록 설계된다.
제공된 천연 가스 공급물은 우선 CO2, 황 함유 화합물 등의 산성 가스 요소 오염물, 및 물을 제거하기 위해 처리되고, 그 전처리 후의 조성 (몰%) 은 다음과 같다; 메탄 (94.12%), 에탄 (3.34%), 프로판 (1.23%), i-부탄 (0.31%), n-부탄 (0.38%), i-펜탄 (0.20%), n-펜탄 (0.20%), 헥산 (0.22%). 도 1 의 라인 (10)내의 지점에서의 천연 가스 공급물은 그 온도가 23.9℃ 이고, 압력이 137.9 barg 이다. 라인 (10) 안에서의 천연 가스 공급물의 몰 및 질량 유량은 하기 표 1 에 나타나 있다.
사용된 장치는 이하에 설명하는 부분을 제외하고는 도 1 (편의상 장치 및 파이프 라인의 도면 부호를 여기에서도 유지함) 에 도시된 바와 동일하다. 프로판이 냉매로써 사용된다. 응축기 (70) 에서 냉매가 냉각된 후에 액체 프로판 냉매를 과냉각시켜 그 냉매가 줄-톰슨 밸브 (90) 를 나온 후에도 여전히 냉매 스트림이 실질적으로 액체 상태가 되도록 하기 위해, 프로판 냉매 루프와 응축기 (70) 의 하류에 공냉식 열교환기 (도 1 에 미도시) 등의 추가 냉각기가 사용된다. 응축기 (70) 에서 냉각된 후 과냉각되기 전의 프로판 냉매의 상황은 표 1 에서 처리 스트림 75 (이 스트림은 도 1 에 미도시) 의 열에 나타나 있으며, 과냉각된 후 줄-톰슨 밸브 (90) 안으로 공급되기 전의 냉매의 상황은 처리 스트림 80 의 열에 나타나 있다. 또한, 그 장치는 도 1 에 도시된 라인 (100), 분리기 (110), 또는 라인 (130) 을 사용하지 않는다. 더 정확히는, 줄-톰슨 밸브 (90) 를 나온 후의 결과물인 차가운 프로판 냉매 스트림 (현재 2상 유동 - 증기 분율은 0.305) 은 라인 (120) 을 통해 직접 냉각기 (15) 로 이송된다. 줄-톰슨 밸브 (90) 를 나오는 냉매 스트림의 상황은 표 1 의 처리 스트림 120 의 열에 나타나 있다.
본 예의 장치에 사용된 도 1 에 대응하는 다른 처리 스트림이 표 1 에 나타나 있다. 나아가, 터보팽창기 (25) 의 팽창기부 (30) 에서의 냉각된 천연 가스 공급물의 팽창은 결과적으로 10,430 킬로와트 (kw) 의 기계적 일을 생성하고, 그 일은 터보팽창기 (25) 의 압축기부 (40) 에서 프로판 냉매를 압축하는데 사용된다.
라인 (140) 에서 그 결과물인 차가운 천연 가스 공급물은 49,807 kmol/hr 의 몰유량 및 872,832 kg/hr 의 질량유량으로 생산된 후, 터보팽창기 (25) 의 팽창기부 (30) 에서 차가운 천연 가스 스트림 (20) 의 팽창 후에 응축하는 NGLs의 일부를 회수하는 종래의 장치로 향한다. NGL 회수 후, 차가운 천연 가스 공급물 스트림의 잔부는 LNG 제조를 위해 액화 플랜트로 보내진다.
Figure 112007015774421-pct00001
본 명세서에 포함된 모든 특허 또는 기타 기술문헌은 그 전체가 참고인용되었다.
본 발명의 다른 실시예 및 장점은 본 명세서의 통해, 또는 그 실시를 통해서 당업자에게 자명해 질 것이다. 본 명세서에 기재된 사항은 예시적이며, 본 발명의 진정한 기술적 사상 및 그 범위는 이하의 특허 청구범위에 기재된 사항이다.

Claims (38)

  1. 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정으로서, 상기 공정은
    (a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
    (b) 제 1 온도보다 저온의 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 형성하기 위해, 냉각된 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 가압 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계,
    (c) 팽창 장치에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 액화 전에 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 가압 냉매 스트림을 형성하기 위하여 냉매 스트림을 압축하는 압축기를 구동하는데 사용되며, 그 팽창으로 천연 가스 액화 영역으로 향하는 차가운 천연 가스 공급물 스트림이 얻어지며,
    (d) 냉각된, 적어도 부분적으로 응축된 가압 냉매 스트림을 형성하기 위하여 가압 냉매 스트림을 냉각하는 단계,
    (e) 단계 (b) 에 적용되는 저온의 냉매 스트림을 형성하기 위하여 냉각된, 적어도 부분적으로 응축된 가압 냉매 스트림을 팽창하는 단계, 및
    (f) 천연 가스 액화 영역에서 차가운 천연 가스 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 적어도 1000 psig (69.0 barg) 이상인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 적어도 1300 psig (89.6 barg) 이상인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 1300 psig (89.6 barg) ~ 2500 psig (172.4 barg) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 50℉ (10℃) ~ 100℉ (37.8℃) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 스트림은 프로판을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 -30℉ (-34.4℃) ~ 50℉ (10℃) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창 장치는 터보팽창기인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 차가운 천연 가스 공급물 스트림의 압력은 650 psig (44.8 barg) ~ 1000 psig (69.0 barg) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 차가운 천연 가스 공급물 스트림의 온도는 -100℉ (-73.3℃) ~ -60℉ (-51.1℃) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 다단식 액화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 혼합 냉매식 액화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가 압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  13. 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정으로써, 상기 공정은
    (a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
    (b) 제 1 온도보다 저온의 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 형성하기 위해, 냉각된 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 가압 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계,
    (c) 차가운 천연 가스 공급물 스트림을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 액화 전에 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 저온의 냉매 스트림을 형성하기 위한 냉동을 제공하는데 사용되며, 그리고
    (d) 액화 영역에서 차가운 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함하는 가압 천연 가스 스트림의 액화공정.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 적어도 1000 psig (69.0 barg) 이상인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 적어도 1300 psig (89.6 barg) 이상인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 압력은 1300 psig (89.6 barg) ~ 2500 psig (172.4 barg) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 50℉ (10℃) ~ 100℉ (37.8℃) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 냉매 스트림은 프로판을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 -30℉ (-34.4℃) ~ 50℉ (10℃) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 팽창 장치는 터보팽창기인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 차가운 천연 가스 공급물 스트림의 압력은 650 psig (44.8 barg) ~ 1000 psig (69.0 barg) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 차가운 천연 가스 공급물 스트림의 온도는 -100℉ (-73.3℃) ~ -60℉ (-51.1℃) 인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 다단식 액화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 혼합 냉매식 액화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  25. 차가운 천연 가스 스트림의 제조 공정으로서, 상기 공정은
    (a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
    (b) 제 1 온도보다 저온의 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 형성하기 위해, 냉각된 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 가압 천연 가스 스트림을 냉각하는 단계, 및
    (c) 차가운 천연 가스 공급물 스트림을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 액화 전에 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 저온의 냉매 스트림을 형성하기 위한 냉동을 제공하는데 사용되는 단계를 포함하는 차가운 천연 가스 스트림의 제조 공정.
  26. 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정으로서, 상기 공정은
    (a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
    (b) 차가운 천연 가스 공급물 스트림을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 가압 천연 가스 스트림을 액화 전에 팽창하는 단계로써, 팽창 장치로부터의 팽창 일은 LNG의 생산을 위한 냉동을 제공하는데 사용되며, 그리고
    (c) 액화 영역에서 차가운 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 공정은 상기 제 1 온도보다 더 차가운 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 생산하기 위하여 상기 팽창 단계 전에 차가운 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의한 상기 가압 천연 가스 스트림의 냉각 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 차가운 냉매 스트림을 생산하기 위하여 상기 팽창 일의 적어도 일부가 냉동을 제공하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 팽창 일의 적어도 일부가 상기 액화 영역을 위한 냉동을 제공하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 다단식 공정인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  31. 제 26 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 혼합 냉매식 공정인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  32. 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정으로서, 상기 공정은
    (a) 제 1 압력 및 제 1 온도에서 가압 천연 가스 스트림을 공급하는 단계,
    (b) 차가운 천연 가스 공급물 스트림 및 팽창 일을 형성하기 위하여 팽창 장치에서 가압 천연 가스 스트림을 액화 전에 팽창하는 단계, 및
    (c) 액화 영역에서 차가운 천연 가스 공급물 스트림을 액화하는 단계를 포함하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 공정은 상기 제 1 온도보다 더 차가운 제 2 온도에서 냉각된 가압 천연 가스 스트림을 생산하기 위하여 상기 팽창 단계 전에 차가운 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의한 상기 가압 천연 가스 스트림의 냉각 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 차가운 냉매 스트림을 생산하기 위하여 상기 팽창 일의 적어도 일부가 냉동을 제공하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 팽창 일의 적어도 일부가 상기 액화 영역을 위한 냉동을 제공하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 팽창 일의 일부가 전력 생산용 발전기를 구동하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 다단식 공정인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
  38. 제 32 항에 있어서,
    상기 액화 영역은 혼합 냉매식 공정인 것을 특징으로 하는 가압 천연 가스 스트림의 액화 공정.
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