KR20170131272A - 액화 방법 및 시스템 - Google Patents

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페이 첸
마크 줄리안 로버츠
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Abstract

복수의 비대칭 병렬 예냉 회로를 이용하는 천연 가스 스트림의 액화를 위한 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 비대칭 병렬 냉각 회로를 사용하면 냉각 과정에서 각각의 냉매 스트림에 대해 보다 잘 제어할 수 있으며 열교환기에 유사한 듀티를 수행함으로써 공정 제어를 단순화한다.

Description

액화 방법 및 시스템{LIQUEFACTION METHOD AND SYSTEM}
본 발명은 가스 스트림의 액화를 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 천연 가스 액화 공장에서 천연 가스 스트림의 액화를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
천연 가스를 냉각시키고, 액화시키고 임의로 준-냉각시키기 위한 시스템은 당업계에 널리 공지되어 있고, 예를 들어, 단일 혼합 냉매(SMR) 사이클, 프로판 예비-냉각 혼합 냉매(C3MR) 사이클, 이원 혼합 냉매(DMR) 사이클, C3MR-질소 하이브리드(예를 들어, AP-X® 프로세스) 사이클, 질소 또는 메탄 익스펜더 사이클, 및 캐스케이드 사이클이 있다. 전형적으로, 상기 시스템에서, 천연 가스는 하나 이상의 냉매와의 간접적 열 교환에 의해 냉각되고, 액화되고 임의로 준-냉각된다. 혼합 냉매, 순수 성분, 2-상 냉매, 가스 상 냉매 등과 같은 다양한 냉매가 사용될 수 있다. 질소, 메탄, 에탄/에틸렌, 프로판, 부탄 및 임의로 펜탄의 혼합물인 혼합 냉매(MR)는 많은 염기-로드 액화된 천연 가스(LNG) 식물에 사용되어 왔다. MR 스트림의 조성은 전형적으로 공급 가스 조성물 및 가동 조건을 기준으로 최적화된다.
냉매는 하나 이상의 열 교환기 및 하나 이상의 냉매 압착 시스템을 포함하는 냉매 회로에서 순환된다. 냉매 회로는 폐쇄-루프 또는 개방-루프일 수 있다. 천연 가스는 열 교환기에서 냉매에 대한 간접적 열 교환에 의해 냉각되고. 액화되고/되거나 준-냉각된다.
각각의 냉매 압축 시스템은 순환하는 냉매를 압축 및 냉각하기 위한 압축 회로 및 압축기를 구동하는데 필요한 동력을 제공하는 구동기 조립체를 포함한다. 상기 냉매는 천연 가스를 냉각시키고, 액화하고 선택적으로 예냉시키는데 필요한 열 듀티를 제공하는 냉각 저압 냉매 스트림을 제공하기 위해 팽창에 앞서 고압으로 압축되고 냉각될 필요가 있기 때문에, 냉매 압축 시스템은 상기 액화 시스템의 중요한 구성 요소이다.
LNG 액화 공장을 설계 및 운영하는데 있어서, 열교환기, 압축기 및 관련 장비의 선택은 상기 공장을 건설 및 운영하는 비용에 영향을 미치는 중요한 고려 사항이다. 통상적인 선행 기술 시스템은 2 단계 공정으로 구성됨으로써 천연 가스 공급물은 예냉기 열교환기에서 주변 온도 이하로 예냉되고, 이어서 주 극저온 열교환기(MCHE)에서 응축(액화)된다.
일반적인 선행 기술 시스템의 예냉 단계 동안, 액화될 천연 가스는 저온 측에서 증발하는 냉매와의 열교환에 의해 예냉 열교환기의 고온 측(또는 단부)에서 예냉된다. 증발된 냉매는 열교환기의 저온 측으로부터 제거된다. 이러한 증발된 냉매는 예냉 냉매 회로에서 액화된다. 이를 위해, 냉매는 압축기에서 상승된 압력으로 압축되고, 압축 열 및 기화 열은 응축기에서 제거된다. 액체 냉매는 팽창 장치 내에서보다 저압으로 팽창되고, 이러한 압력에서 냉매는 천연 가스 예냉 열교환기의 저온 측에서 증발하도록 허용된다.
더 큰 용량, 효율성을 달성하고 비용을 절감하기 위해 예냉 시스템의 설계에 관한 노력이 종래 기술에서 이루어져 왔다. 다수의 직렬 예냉기의 사용이 하나의 그러한 접근법이다. 예를 들어, 2개의 더 작은 병렬 트레인을 사용하는 시스템의 그것보다 적게 자본 지출을 감소시키면서 단일 액화 트레인의 생산 속도를 증가시키기 위해 2개의 직렬 예냉기 열교환기 및 2개의 병렬 MCHE's를 사용하는 것은 당업계에 공지되어 있다.
또한, 2개의 직렬 예냉기 열교환기, 스크럽 컬럼 및 단일 MCHE가 더 낮은 가스 공급물 온도 및 개선된 액화 효율성을 달성할 수 있다는 것은 당업계에 공지되어 있다.
또 다른 접근법은 병렬 냉각주기를 사용하는 것이다. 예를 들어, 적어도 하나의 공지된 시스템은 2개의 병렬 압축 트레인 및 단일 MCHE와 병렬로 2개의 동일한 예냉기 열교환기를 사용한다. 2개의 동일한 교환기 각각은 부하의 50%를 처리하며 공장의 설계 및 제조를 단순화하고 유지 보수 비용의 효율성을 제공하기 위해 동일 구조(즉, 동일한 구조, 동일한 스트림 입력, 동일한 냉장 및 동일한 스트림 출력)가 되도록 의도된다. 시스템의 각각의 구성 요소(압축기, 열교환기 등)는 필요한 구성 요소의 수를 줄이고 자본 및 운영 비용을 최소화하기 위해 시장에서 입수할 수 있는 가장 큰 것 중에서 선택된다. 2개의 병렬의 동일한 열교환기 구성은 다음과 같은 장점: (a) 제조 및 수송 한계 내에서 각각의 교환기의 크기를 최대화함으로써 달성되는 가능한 최대 생산 속도로 공장의 용량을 증가시키는 것; 및 (b) 단일 교환기를 사용함으로써 달성된 생산보다 더 높은 약간의 중간 생산 속도로 공장의 용량을 증가시키는 것을 제공한다.
또한, 자본 투자 절감, 제조 시간 단축, 운영 및 유지 보수의 용이성은 복제 장비를 병행하여 사용하는 것의 잘 알려진 장점 중의 일부이다. 그러나, 동일한 병렬 열 교환기를 제공하는 것도 몇 가지 문제점을 제시한다. 예를 들어, 각각의 열교환기는 다른 열 수요를 갖는 다수의 스트림을 냉각해야 한다. 2개의 교환기는 동등한 듀티를 보장하고 소위 매니폴드 효과(즉, 주 파이프 입구로부터 변화하는 거리 및 그에 따라 변화하는 마찰 압력 손실로 인해 주 파이프로부터 분기되는 파이프에서 다른 흐름)을 피하기 위해 작동 중에 균형이 잘 잡혀야 한다. 이로 인해 시스템의 작동이 복잡해지고 교환기의 균형을 유지하기 위해 만들어져야 하는 절충안으로 인한 비효율을 도입한다.
다수의 동일한 열교환기를 사용하는 또 다른 단점은 증가된 수의 냉각 회로에 대한 요구이다. 예를 들어, 2개의 병렬인 동일한 열교환기가 3가지 상이한 스트림: 가스 공급물 스트림; 온난 혼합 냉매(WMR); 및 차가운 혼합 냉매(CMR) 각각을 냉각시키기 위해 사용된다고 가정하며, 6개의 냉각 회로가 요구될 것이다. 이로 인해 시스템이 복잡해지고 기존의 많은 시스템에서 제2의 동일한 열교환기를 병렬로 부가하는 것을 실용적이지 않게 만든다.
따라서, 제조 시간을 단축시키고 공정 제어를 단순화하고 냉장 회로의 수를 최소화하고 효율성을 개선하고 LNG 생산을 증가시키면서 다수의 교환기 설계를 조합할 수 있게 하는 천연 가스 액화를 위한 공정을 개발할 필요가 있다. 그러한 배치는 개조로 사용하기에 또는 새로운 디자인에 적합한 것이 바람직하다.
상기 요약은 하기 발명의 상세한 설명에서 추가로 기재된 단순화된 형태의 개념의 선택을 도입하기 위해 제공된다. 상기 요약은 청구된 주요 요지의 주요 특징 또는 필수 특징을 확인하고자 하는 것은 아니고 청구된 주요 요지의 범위를 제한하기 위해 사용되고자 하는 것도 아니다.
기재된 구현예는 아래에 기술되고 후속하는 청구 범위에 의해 정의된 것과 같이 액화 공정의 일부로서 사용되는 냉매 예냉 시스템을 제공한다. 개시된 구현예는 냉매 스트림을 전용 열교환기로 단리하기 위해 비대칭 병렬 열교환기를 사용함으로써 당 업계의 요구를 만족시키고, 예냉 공정의 더 큰 제어 및 효율성을 허용한다. 본 발명의 구현예는 액화, 특히 천연 가스 액화를 위한 안전하고, 효율적이고, 신뢰할 수 있는 시스템 및 공정을 제공함으로써 당 업계의 요구를 만족시킨다. 본 발명의 추가의 양태는 다음과 같다.
양태 1: 탄화수소 공급물 스트림을 액화시키는 방법으로서, 상기 방법은:
(a) 제1 공급물 온도에서 탄화수소 유체 공급물 스트림을 제공하는 단계;
(b) 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 단계;
(c) 제1 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제1 부분을 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제1 예냉 온도에서 상기 제1 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제1 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계;
(d) 제2 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계;
(e) 증발된 제2 혼합 냉매 스트림을 주 열 교환기의 쉘 측으로부터 회수하는 단계;
(f) 상기 증발된 제2 혼합 냉매 스트림을 압축 및 팽창시켜 결과적인 제2 혼합 냉매 온도에서 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계(상기 결과적인 제2 혼합 냉매 온도는 상기 제1 공급물 온도와 실질적으로 동일함);
(g) 상기 제2 예냉 열교환기에서 상기 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제3 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
(h) 상기 제1 예냉 탄화수소 유체 스트림과 상기 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 조합하고 상기 조합된 예냉 탄화수소 유체 스트림을 상기 주 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
(i) 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부를 상기 주 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
(j) 상기 주 열교환기에서 상기 조합된 예냉 탄화수소 유체 스트림을 상기 주 열교환기의 상기 쉘 측 상의 상기 제2 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 액화된 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계;
(k) 상기 주 열교환기에서 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부를 상기 주 열교환기의 상기 쉘 측 상의 상기 제2 혼합 냉매의 흐름에 대해 냉각시켜 적어도 하나의 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계; 및
(l) 적어도 하나의 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림 각각을 상기 주 열교환기의 튜브 측으로부터 회수하고, 적어도 하나의 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림 각각을 팽창시켜 팽창된 제2 냉매 스트림을 형성하고, 상기 적어도 하나의 팽창된 제2 혼합 냉매 스트림 각각을 상기 주 열교환기의 쉘 측으로 제공하는 단계를 포함하는 것인, 탄화수소 공급물 스트림을 액화시키는 방법.
양태 2: 양태 1에 있어서,
(m) 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 액체 부분을 상기 예냉된 제2 냉매 혼합 스트림의 증기 부분으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하고;
단계 (i)는 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 상기 액체 부분 및 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 증기 부분을 상기 주 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
양태 3: 양태 1 내지 2 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제2 예냉 온도 및 제3 예냉 온도는 상기 제1 예냉 온도와 실질적으로 동일한, 방법.
양태 4: 양태 1 내지 3 중의 어느 하나에 있어서, 단계 (f)는 상기 제2 혼합 냉매 스트림을 압축 및 냉각시켜 결과적인 제2 혼합 냉매 온도에서 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 결과적인 제2 혼합 냉매 온도는 상기 제1 공급물 온도와 실질적으로 동일하고 상기 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림 전부는 실질적으로 증기상인, 방법
양태 5: 양태 1 내지 4 중의 어느 하나에 있어서, 단계 (c)는 제1 예냉 열교환기의 튜브 측에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제1 부분을 상기 제1 예냉 열교환기의 쉘 측을 통해 흐르는 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제1 예냉 온도에서 상기 제1 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제1 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법
양태 6: 양태 5에 있어서, 단계 (d)는 제2 예냉 열교환기의 튜브 측에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제2 예냉 열교환기의 쉘 측을 통해 흐르는 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 7: 양태 1 내지 6 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제2 단계 (d)는 제2 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 예냉 열교환기는 상기 제1 예냉 열교환기와 상이한 기하학적 구조를 갖는 것인, 방법.
양태 8: 양태 1 내지 7 중의 어느 하나에 있어서,
(n) 상기 제1 및 제2 예냉 열교환기 각각의 쉘 측을 통해 흐르는 폐쇄된 냉장 루프에서 상기 제1 혼합 냉매를 순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 9: 양태 1 내지 8 중의 어느 하나에 있어서,
(o) 증발된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 및 제2 예냉 열교환기 각각의 쉘 측으로부터 회수하는 단계;
(p) 상기 증발된 제1 혼합 냉매 스트림을 압축 및 냉각시켜 결과적인 제1 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
(q) 상기 결과적인 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
(r) 상기 제1 예냉 열교환기에서 상기 결과적인 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기의 쉘 측 상의 상기 제1 혼합 냉매의 흐름에 대해 냉각시켜 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
(s) 상기 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기로부터 회수하고 상기 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림을 제1 및 제2 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림으로 분할하는 단계;
(t) 상기 제1 및 제2 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림 각각을 팽창시켜 제1 및 제2 팽창된 제1 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
(u) 상기 제1 팽창된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기의 쉘 측으로 도입하는 단계; 및
(v) 상기 제2 팽창된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제2 예냉 열교환기의 쉘 측으로 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 10: 양태 1 내지 9 중의 어느 하나에 있어서, 단계 (d)는
(d) 제2 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 예냉 열교환기는 상기 제1 예냉 열교환기와 동일한 냉장 듀티를 갖는 것인, 방법.
양태 11: 주 열교환기에서 탄화수소 공급물 스트림을 액화시키는 방법으로서, 상기 주 열교환기는 튜브 측, 쉘 측, 저온 단부, 및 n 온난 단부를 갖는 코일 권취 열교환기이고, 상기 방법은
(a) 제1 공급물 온도에서 탄화수소 유체 공급물 스트림을 제공하는 단계;
(b) 제1 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림을 냉각시켜 제1 예냉 온도에서 상기 제1 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제1 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계;
(c) 제1 증발된 저압 혼합 냉매 스트림을 상기 주 열교환기의 상기 쉘 측으로부터 회수하는 단계;
(d) 상기 증발된 저압 혼합 냉매 스트림을 압축 및 냉각시켜 제1의 결과적인 냉매 온도에서 결과적인 냉매 스트림을 형성하는 단계;
(e) 상기 결과적인 냉매 스트림을 증기인 제1의 결과적인 혼합 냉매 스트림과 액체인 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림으로 분리하는 단계;
(f) 상기 제1의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 상기 주 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
(g) 상기 주 열교환기의 상기 튜브 측에서 상기 제1의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 냉각시키는 단계;
(h) 상기 냉각된 제1의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 제2 위치에서 상기 주 열교환기의 상기 튜브 측으로부터 회수 및 팽창시켜 팽창된 제1의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 생성하는 단계;
(i) 상기 팽창된 제1의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 제1 위치에서 상기 주 열교환기의 상기 쉘 측으로 도입하는 단계;
(j) 상기 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 보조 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
(k) 상기 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 상기 보조 열교환기의 쉘 측을 통해 흐르는 제2 팽창된 혼합 냉매 스트림에 대해 냉각시켜 냉각된 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
(l) 상기 냉각된 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 상기 보조 열교환기의 상기 튜브 측으로부터 회수하는 단계; 및
(m) 상기 냉각된 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림의 적어도 제1 부분을 제2 위치에서 상기 주 열교환기의 상기 쉘 측으로 팽창 및 도입하는 단계를 포함하고, 상기 제2 위치는 상기 제1 위치보다 상기 주 열교환기의 상기 온난 단부에 더 근접한다.
양태 12: 양태 11에 있어서,
(o) 제2 증발된 저압 혼합 냉매 스트림을 상기 보조 열교환기의 쉘 측으로부터 회수하는 단계; 및
(p) 단계 (d)를 수행하기 전에 상기 제2 증발된 저압 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 증발된 저압 혼합 냉매 스트림과 조합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법
양태 13: 양태 11 내지 12 중의 어느 하나에 있어서, 단계 (k)는
(k) 상기 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 상기 보조 열교환기의 쉘 측을 통해 흐르는 제2 팽창된 혼합 냉매 스트림에 대해 냉각시켜 냉각된 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 팽창된 혼합 냉매 스트림은 상기 제2의 결과적인 혼합 냉매의 일 부분, 폐쇄된 냉장 루프의 일부인 제2 혼합 냉매로 구성된 군으로부터 선택된다.
양태 14: 양태 11 내지 13 중의 어느 하나에 있어서, 단계 (k)는
(l) 상기 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 상기 보조 열교환기의 쉘 측을 통해 흐르는 제2 팽창된 혼합 냉매 스트림에 대해 냉각시켜 냉각된 제2의 결과적인 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 팽창된 혼합 냉매 스트림은 폐쇄된 냉장 루프의 일부인 제2 혼합 냉매이다.
양태 15: 탄화수소 유체의 액화를 위한 장치로서, 상기 장치는
탄화수소 유체 공급물 스트림에 유동적으로 연결되고, 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림을 제1 냉매에 대한 간접적인 열 교환에 의해 주변 온도 이하로 냉각시켜 예냉된 탄화수소 유체 스트림을 생성하고 제2 냉매 스트림을 상기 제1 냉매에 대해 냉각시켜 예냉된 제2의 냉매 스트림을 생성하도록 작동 가능하게 구성된 예냉 서브시스템(상기 제1 및 제2 냉매 각각은 혼합 냉매를 포함하고, 상기 예냉 서브시스템은 제1 예냉 열교환기 및 제2 예냉 열교환기를 포함하고, 상기 제1 예냉 열교환기는 적어도 하나의 유체 스트림을 포함하는 유체 스트림의 제1 세트를 상기 제1 냉매에 대한 간접적인 열 교환에 의해 냉각시키도록 작동 가능하게 구성되고, 상기 제2 예냉 열교환기는 적어도 하나의 유체 스트림을 포함하는 유체 스트림의 제2 세트를 상기 제1 냉매에 대한 간접적인 열 교환에 의해 냉각시키도록 작동 가능하게 구성되고, 상기 제1 및 제2 유체 스트림 중의 적어도 하나는 상기 탄화수소 유체를 포함하고 상기 제1 및 제2 유체 스트림 중의 적어도 하나는 상기 제2 냉매를 포함함); 및
상기 예냉 서브시스템에 유동적으로 결합되고, 상기 예냉된 탄화수소 유체 스트림 및 예냉된 제2의 냉매 스트림을 수용하고, 상기 예냉된 탄화수소 유체 스트림을 상기 제2 냉매에 대한 간접적인 열 교환에 의해 냉각시켜 적어도 부분적으로 액화된 탄화수소 유체 생성물 스트림을 생성하도록 작동 가능하게 구성된 주 열교환기를 포함하고;
상기 제1 및 제2 냉매는 모두 혼합 냉매이고;
유체 스트림의 상기 제1 및 제2 세트 중의 하나는 유체 스트림의 상기 제1 및 제2 세트 중의 나머지의 임의의 유체 스트림에서 발견되지 않는 조성을 갖는 적어도 하나의 유체 스트림을 갖고;
유체 스트림의 상기 제2 세트 각각과 실질적으로 동일한 온도에서 상기 제1 예냉 열교환기로 들어가고 빠져 나오는 유체 스트림의 상기 제1 세트 각각은 상기 제2 예냉 열교환기에 들어가고 빠져 나온다.
양태 16: 양태 15에 있어서, 상기 제1 및 제2 예냉 열교환기에 대한 냉장 듀티는 상기 제1 냉매에 의해 단독으로 제공되고, 상기 주 열교환기에 대한 냉장 듀티는 상기 제2 냉매에 의해 단독으로 제공되는, 장치.
예시적인 구현예의 하기 상세한 설명뿐만 아니라 상기 간단한 요약은 첨부된 도면과 관련하여 읽으면 더 잘 이해된다. 본 발명의 구현예를 예시할 목적으로, 도면에는 본 발명의 예시적인 구조가 도시되어 있지만, 본 발명은 개시된 특정 방법 및 수단으로 제한되지 않는다. 도면에서:
도 1은 선행 기술에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이고;
도 2는 본 발명의 제1의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 3은 본 발명의 제2의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이고;
도 4는 본 발명의 제3의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 5는 본 발명의 제4의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이고;
도 6은 본 발명의 제5의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 7은 본 발명의 제6의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이고;
도 8은 본 발명의 제7의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이며;
도 9는 본 발명의 제8의 예시적인 실시양태에 따른 가스 액화 방법 및 시스템의 개략적인 흐름도이고;
도 10은 도 2의 실시양태에 따른 냉매에 대한 냉각 곡선을 나타내는 그래프이며;
도 11은 도 2의 실시양태에 따른 냉매에 대한 냉각 곡선을 나타내는 그래프이다.
이어지는 상세한 기재는 단지 바람직한 예시적 구현예를 제공하고 청구된 발명의 범위, 응용성 또는 형태를 제한하고자 하는 것은 아니다. 차라리, 바람직한 예시적 구현예에 대한 후속적 발명의 상세한 설명은 청구된 발명의 바람직한 예시적 구현예를 수행하기 위해 가능한 기재를 당업자에게 제공한다. 다양한 변화는 청구된 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나는 것 없이 요소들의 기능 및 정렬에서 수행될 수 있다.
도면과 관련하여 명세서에 도입된 참조 번호는 다른 특징에 대한 내용을 제공하기 위해 명세서 내 추가의 기재 없이 하나 이상의 후속적 도면에서 반복될 수 있다.
청구항에서, 문자는 청구된 단계(예를 들어, (a), (b) 및 (c))를 확인하기 위해 사용된다. 이들 문자는 방법 단계에 대한 언급을 보조하기 위해 사용되고, 달리 언급되지 않는 경우 청구된 단계가 수행되는 순서를 지적하기 위해 의도되지 않고, 상기 순서는 청구항에서 구체적으로 언급되는 정도로만 언급된다.
지시적 용어는 본 발명의 일부(예를 들어, 상부, 하부, 좌측, 우측 등)를 기재하기 위해 명세서 및 청구항에 사용될 수 있다. 이들 지시적 용어는 단지 예시적 구현예의 기재를 보조하는 것으로 의도되고 청구된 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "업스트림"은 방향에 있어서 참조 지점으로부터 회로 내 유체 흐름 방향의 반대임을 의미하는 것으로 의도된다. 유사하게, 용어 "다운스트림"은 방향에 있어서 참조 지점으로부터 회로 내 유체 흐름 방향과 동일함을 의미하는 것으로 의도된다.
본원에서 달리 진술되지 않는 경우, 명세서, 도면 및 청구항에서 확인된 임의의 모든 %는 중량 % 기준인 것으로 이해되어야만 한다. 본원에 달리 진술되지 않는 경우, 명세서, 도면 및 청구항에서 확인된 임의의 모든 압력은 절대 압력을 의미하는 것으로 이해되어야만 한다.
명세서 및 청구항에 사용된 바와 같은 용어 "유체 통류", "유체로 연결된", 및 " 유체로 커플링된"은 액체, 증기 및/또는 2-상 혼합물이 직접적으로 또는 간접적으로 제어된 양상(즉, 누출 없이) 성분들 사이에 수송되도록 할 수 있는 2개 이상의 성분들 간의 연결 특성을 언급한다. 이들이 서로 통류하도록 2개 이상의 성분을 커플링시키는 것은 용접, 플랜지된 도관, 캐스켓 및 볼트의 사용과 같은 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법을 포함할 수 있다. 2개 이상의 성분들은 또한 이들을 분리시킬 수 있는 시스템의 다른 성분들, 예를 들어, 밸브, 게이트 또는 유체 흐름을 선택적으로 제한하거나 지시할 수 있는 다른 장치를 통해 함께 커플링될 수 있다.
명세서 및 청구항에 사용된 바와 같은 용어 "도관"은 이를 통해 유체가 시스템의 2개 이상의 성분 사이에서 수송될 수 있는 하나 이상의 구조체를 언급한다. 예를 들어, 도관은 액체, 증기 및/또는 가스를 수송하는 파이프, 통로 및 이의 조합체를 포함할 수 있다.
본 명세서 및 특허 청구의 범위에 사용된 용어 "탄화수소 가스" 또는 "탄화수소 유체"는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 가스/유체를 의미하며, 상기 탄화수소가 상기 가스/유체의 전반적인 조성의 적어도 80%, 보다 바람직하게는 적어도 90%를 구성하는 것인 가스/유체를 의미한다.
본 명세서 및 특허 청구의 범위에 사용된 용어 "천연 가스"는 주로 메탄으로 구성된 탄화수소 가스 혼합물을 의미한다.
명세서 및 청구항에 사용된 바와 같은 용어 "혼합 냉매"("MR"로서 약칭됨)는 적어도 2개의 탄화수소를 포함하는 유체를 의미하고 이에 대해 탄화수소는 냉매의 전체 조성물의 적어도 80%를 차지한다.
다수의 온도를 비교하는 맥락에서 사용되는 경우, 명세서 및 특허 청구의 범위에서 사용된 용어 "실질적으로 동일한"은 20℃ 이하, 보다 바람직하게는 10℃ 이하의 온도 차이를 의미하는 것으로 의도된다.
유체상의 맥락에서 사용되는 경우, 명세서 및 특허 청구의 범위에서 사용되는 용어 "실질적으로"는 기술되는 유체가 유체상의 적어도 90%, 보다 바람직하게는 유체상의 적어도 95%로 구성되는 것을 의미하도록 의도된다. 예를 들어, "실질적으로 증기" 유체는 적어도 90%의 증기(보다 바람직하게는 적어도 95%)로 구성될 것이다.
도 1은 선행 기술의 예시적인 천연 가스 액화 시스템(100)을 도시한다. 이 시스템(100)에서, 천연 가스 공급물(101)은 예냉 서브시스템(112)에서 단일 예냉기 열교환기(140)를 사용하여 주변 온도 이하로 냉각된다. 결과의 스트림(102)은 코일 권취된 주 극저온 열교환기(MCHE)(146)에서 추가로 냉각되고 완전히 응축(액화)되어 액화된 천연 가스(LNG) 생성물(104)을 생성한다. 예냉 혼합 냉매 스트림(110)(종종 온난 MR 또는 WMR로 지칭됨)은 압축기(111)에서 압축되고, 냉각되고, 예냉기 열교환기(113)에서 액화되는 것이 바람직하다. 예냉기 열교환기(113)는 과열 저감기, 최종 냉각기, 및/또는 응축기와 같은 다수의 교환기로 분해될 수 있다. 거의 주변 온도에서 실질적으로 액체인 결과의 스트림(114)은 예냉기 열교환기(140)에서 추가로 냉각된다. 주변 온도 이하에서 결과의 스트림(115)은 밸브(117)를 통해 쓰로틀되고 예냉기 열교환기(140)의 쉘 측으로 도입된다. 증발하는 WMR은 예냉기 열교환기(140)에서 냉장을 제공하고, 완전히 증발된 WMR 스트림(110)으로 되어, 온난 냉장 주기 루프를 폐쇄한다.
또 다른 혼합 냉매 스트림(120)(종종 저온 MR 또는 CMR로 지칭됨)은 압축기(121)에서 압축되고 열교환기(123)에서 냉각된다. 열교환기(123)는 과열 저감기 및/또는 최종 냉각기 등의 다수의 교환기로 분해될 수 있다. 거의 주변 온도에서 실질적으로 증기인 결과의 스트림(124)은 예냉기 열교환기(140)에서 추가로 냉각되고 부분적으로 액화된다. 결과의 2 상 스트림(125)은 (주변 온도 이하에서) 상 분리기(144)에서 CMR 증기 스트림(126)(CMRV) 및 CMR 액체 스트림(127)(CMRL)으로 분리된다. CMRL 스트림(127)은 MCHE(146)에서 냉각되고, 이어서 중간 저온에서 결과의 스트림(128)은 밸브(129)에서 쓰로틀되고, 일반적으로 온난 번들(143) 위의 중간 지점에서 MCHE(146)의 쉘 측으로 도입된다. CMRV 스트림(126)은 MCHE에서 냉각되고 응축된다. 이제 완전히 액화된 CMRV 스트림(130)은 밸브(131)를 통해 쓰로틀되고 저온 번들(145) 위의 저온 단부에서 MCHE(146)의 쉘 측으로 도입된다. 증발하는 CMR은 MCHE(146)에서 냉장을 제공한다. 완전히 증발된 CMR은 스트림(120)이 되어, 저온 냉장 주기 루프를 폐쇄한다.
당업계에 공지된 바와 같이, 예냉기 열교환기(140)는 다수의 동일한 병렬 유닛, 예를 들어 2개 또는 3개의 유닛(도시되지 않음)일 수 있다. 마찬가지로, 압축기(111) 및 냉각기(113)는 다수의 동일한 병렬 유닛일 수 있다.
본 발명의 구현예는 복수개의 비대칭 예냉기를 사용함으로써 선행 기술에 비하여 새로운 개선점을 제공한다. 도 2는 예냉 서브시스템(212)이 2개의 병렬 예냉기 열교환기를 포함하는 본 발명의 하나의 예시적인 구현예를 도시한다. 천연 가스 공급물(201)은 제1 예냉기 열교환기(240)에서 주변 온도 이하로 냉각된다. 결과의 스트림(202)은 바람직하게는 코일 권취형의 MCHE(246)에서 추가로 냉각되고 완전히 응축(액화)되어 LNG 생성물(204)을 생성한다. WMR인 예냉 혼합 냉매 스트림(210)은 압축기(211)에서 압축되고, 냉각기 열교환기(213)에서 냉각되고 바람직하게는 완전히 응축된다. 냉각기 열교환기(213)는 과열 저감기, 최종 냉각기, 및/또는 응축기와 같은 다수의 교환기로 분해될 수 있다. 거의 주변 온도에서 실질적으로 액체인 결과의 스트림(214)은 상기 제1 예냉기 열교환기(240)에서 추가로 냉각되어, 주변 온도 이하인 스트림(215)을 생성한다. 이 스트림(215)은 밸브(217 및 216) 각각을 통해 쓰로틀된 후에 상기 제1 예냉기 열교환기(240) 및 제2 예냉기 열교환기(242)의 쉘 측들 사이에 분배된다. 이 스트림(215)의 분배는 일반적으로 특정 시스템(200)의 작동 조건에 기초하여 미리 결정된다. 증발하는 WMR은 2개의 상기 언급된 예냉기 열교환기(240, 242)에서 냉장을 제공한다. 따라서, WMR은 고압 액체 WMR 스트림(214)(자동 냉동)을 위한 냉장을 제공한다. 완전히 증발된 WMR 스트림(218 및 219)은 조합되어 상기 언급된 스트림(210)을 형성하여, 온난 냉장 주기 루프를 폐쇄한다.
저온 MR 또는 CMR인 또 다른 혼합 냉매 스트림(220)은 압축기(221)에서 압축되고 열교환기(223)에서 냉각된다. 열교환기(223)는 과열 저감기 및/또는 최종 냉각기와 같은 다수의 교환기로 분해될 수 있다. 거의 주변 온도에서 실질적으로 증기인 결과의 스트림(224)은 상기 제2 예냉기 열교환기(242)에서 추가로 냉각된다. 주변 온도 이하에서 결과의 2 상 스트림(225)은 상 분리기(244)에서 CMR 증기 스트림(226)(CMRV) 및 CMR 액체 스트림(227)(CMRL)으로 분리된다. CMRL 스트림(227)은 MCHE(246)에서 냉각된다. 중간 저온에서 결과의 CMR 스트림(228)은 밸브(229)에서 쓰로틀되고, 일반적으로 온난 번들(243) 위의 중간 지점에서 MCHE(246)의 쉘 측으로 도입된다. CMRV 스트림(226)은 MCHE(246)에서 냉각되고 응축된다. 결과의 CMRV 스트림(230)은 (이제 완전히 액화됨) 저온 번들(245) 위의 저온 단부에서 MCHE(246)의 쉘 측으로 도입된다. 증발하는 CMR은 MCHE(246)에서 냉장을 제공한다. 완전히 증발된 CMR은 스트림(220)이 되어, 저온 냉장 주기 루프를 폐쇄한다.
본 출원인들은 천연 가스 공급물(201)이 일반적으로 초 임계 압력하에 있고 제1 예냉기 열교환기(240)에서 예리한 상 전이를 겪지 않기 때문에 동일한 열교환기 내에서 천연 가스 공급물(201) 및 WMR(214)을 냉각시키는 것이 유리하다는 것을 발견하였다. WMR(214)은 완전히 응축되어(액체), 마찬가지로 상 변화를 겪지 않는다. 이와 대조적으로, 가스상 CMR(224)은 제2 예냉기 열교환기(242)를 통해 통과할 때 부분적으로 응축된다. 제1 및 제2 예냉기 열교환기는 바람직하게는 상이한 유형의 듀티(현열 대 잠열)를 수용하기 위한 상이한 기하학적 구조 및 상이한 냉각 곡선을 갖는다. 그러나, CMR(224)는 제1 예냉기 열교환기에서 냉각될 수 있고 WMR(214)은 제2 예냉기 열교환기에서 냉각될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
본 명세서에서 다수의 열교환기를 비교하는 맥락에서 사용할 때, 용어 "상이한 기하학적 구조"는 비교되는 열교환기가 다음 측면들: 길이, 직경, 맨드렐 외경, 스페이서 두께, 스페이서의 수, 튜빙 내경, 튜빙 외경, 튜브 길이, 튜브 피치, 튜브 감기 각 및 설계 압력(압력 등급) 중의 적어도 하나에서 상이함을 의미한다.
2개의 예냉기 열교환기(240, 242)는 상이한 듀티를 가질 수 있기 때문에, 이들 열교환기는 균형을 유지할 필요 없이 독립적으로 제어될 수 있다. 제어 변수는 냉각 단부 온도 및 온난 단부 셸 측 온도를 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
도 3은 본 발명(300)의 또 다른 예시적인 구현예를 도시한다. 이 구현예에서, 상기 제2 구현예(시스템 (200))와 공유되는 요소는 100의 요인만큼 증가된 참조 번호로 나타낸다. 예를 들어, 도 2에서 MCHE(246)는 도 3의 MCHE(346)에 대응한다. 명확화를 위해, 상기 제2 구현예와 공유되는 이 구현예의 일부 특징들은 도 3에 번호 매김되어 있지만, 명세서에서 반복되지는 않는다. 이 구현예에 참조 번호가 제공되어 있고 명세서에서 논의되지 않은 경우, 이는 상기 제2 구현예의 대응 요소와 동일한 것으로 이해되어야 한다. 이들 동일한 원리들은 후속하는 예시적인 구현예 각각에 적용된다.
이 구현예에서, 별개의 냉장 루프가 상기 제2 예냉기 열교환기(342)에 제공된다. 제2 예냉 혼합 냉매 스트림(347)(제2 WMR)은 압축기(348)에서 압축되고, 냉각기 열교환기(349)에서 냉각되고 바람직하게 완전히 액화된다. 거의 주변 온도에서 실질적으로 액체인 결과의 스트림(350)은 상기 제2 예냉기 열교환기(342)에서 추가로 냉각된다. 주변 온도 이하에서 스트림(351)은 밸브(316)를 통해 쓰로틀된 후 상기 제2 예냉기 열교환기(342)의 쉘 측으로 도입된다. 증발하는 제2 WMR은 상기 제2 예냉기 열교환기에서 냉장을 제공한다. 따라서, 상기 제2 WMR(342)은 상기 제2 고압 액체 WMR 스트림(350)을 위한 냉장을 제공한다(자동 냉장). 이러한 구성은 또 다른 자유도: 상이한 냉각 곡선을 더 잘 매치시키기 위해 2개의 예냉 MR 스트림(310 및 347)에 대해 상이한 WMR 조성을 선택할 수있는 능력을 추가한다.
임의의 액체 밸브는 유압 터빈(등엔트로피의 고밀도 유체 팽창기)로 대체될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
도 4는 시스템(400)의 또 다른 예시적인 구현예를 도시한다. 이 시스템(400)에서, 3개의 냉각된 스트림(401, 452 및 414) 모두는 상기 제1 예냉기 열교환기(440)를 통해 흐른다. 상기 제2 예냉기 열교환기는 CMR(453)의 일부를 냉각시킨다. 이 구현예는 개조 응용에 적합하다.
고압 CMR 스트림(424)은 별개의 스트림(452 및 453)으로서 각각 제1 및 제2 예냉기 열교환기(440 및 442) 사이에 분배된다. 결과의 냉각된 스트림(454 및 455)은 단일 스트림(425)으로 재조합된다.
이러한 구성은 이용 가능한 열 교환 영역(UA)의 증가 및 감압 강하를 허용한다. 이 구현예는 MR 흐름에 대한 증가로 인해 CMR 압축기(421)(상이한 바퀴, 다수의 병렬 유닛 등) 및 최종 냉각기(423)에 대한 변형을 필요로 하거나 그렇지 않을 수 있다.
도 5는 경질 석유 가스(LPG) 및/또는 천연 가스 액체(NGL)로서 회수될 수 있는 중질 구성 요소를 제거하기 위한 스크럽 컬럼(559)을 포함하는 예냉 서브시스템(512)을 갖는 시스템(500)의 또 다른 구현예를 도시한다. 천연 가스 공급물(501)은 공급물 절약기 열교환기(557)에서 선택적으로 냉각되고, 스트림(558)은 스크럽 컬럼(559)으로 도입된다. 스크럽 컬럼(559)은 스트리핑 섹션(533)을 포함하고 정류 섹션(532) 및 리보일러(534)를 포함할 수 있다. LPG 및/또는 NGL 구성 요소를 함유하는 결과의 하부 스트림(560)은 컬럼의 하부로부터 회수된다. 오버헤드 스트림(561)은 절약기 열교환기(557)에서 선택적으로 재가열되고, 결과 스트림(562)은 제1 예냉기 열교환기(540)로 도입된다. 주변 온도 이하에서 결과의 2 상 스트림(563)은 상 분리기(556)에서 환류 스트림(564) 및 중질 구성 요소-결핍 NG 스트림(502)으로 분리된다. 중질 구성 요소-결핍 NG 스트림(502)은 MCHE(546)에서 액화되는 한편 환류 스트림(564)은 상기 제1 예냉기 열교환기(540)에서 압력 강하를 극복하는 펌핑 또는 액체 헤드에 의해 스크럽 컬럼의 상부로 도입된다.
스크럽 컬럼(559)의 경우에, 천연 가스 공급물 스트림(501) 임계치 이하여야 하고 상 변화(응축)를 겪는다. 따라서, 하나의 열 교환기(540)에서 2개의 응축 서비스(천연 가스 공급물(501) 및 CMR(524))를 또 다른 열 교환기(542)에서 수행되는 현열 듀티(WMR(514))와 함께 위치시키는 것이 합리적이다.
선택적으로 재가열된 오버헤드 스트림(562)이 상기 제2 열교환기(542)(하나의 열교환기에서 응축의 2개의 잠열 듀티)에서 냉각될 수도 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 상기 제2 열교환기(542)는 도 3의 시스템(300)에 도시된 것과 같이 별개의 루프에 의해 대안적으로 냉각될 수 있다.
도 6은 유사한 듀티를 갖는 2개의 예냉 열교환기(640 및 642)의 균형을 맞추기 위해 천연 가스 공급물 스트림(601)이 분할된 구성(600)을 도시한다. 공급물 스트림(601)은 2개의 스트림(665 및 667)으로 분할되고, 이 구현예에서, 이들 스트림은 유사한 흐름을 가질 수 있다(하나의 실시예에서, 스트림(601)의 흐름의 47% 및 53%, 각각). 상기 제1 공급물 스트림(665)은 상기 제1 예냉기 열교환기(640)에서 냉각되어 제1 냉각된 공급물 스트림(666)을 생성한다. 상기 제2 공급물 스트림(667)은 상기 제2 예냉기 열교환기(642)에서 냉각되어 제2 냉각된 공급물 스트림(668)을 생성한다. 이어서, 상기 제1 및 제2 냉각된 공급물 스트림(666 및 668)은 하나의 스트림(602)으로 조합되고, 이는 MCHE(646)으로 도입된다. 이 구현예에서, 상기 제1 예냉기(640)은 모두 현열 듀티(즉, 어떠한 상 변화도 없음)이다. 이 구현예는 공장으로부터 최대 생산을 달성하기에 매우 적합하고 - 이는 동일한 입출력 스트림을 갖는 예냉 열 교환기를 구비함으로써 달성되는 것보다 더 큰 생산량을 생산할 것이며 동일한 생산 레벨에서 보다 효율적으로 작동할 수 있다.
도 7은 이중 압력 WMR 구성을 갖는 시스템(700)을 도시한다. 이 구현예에서, 천연 가스 공급물 스트림(701)은 상기 제1 예냉기 열교환기(740)에서 중간 예냉 온도로 냉각된다. 결과의 스트림(769)은 제3 (냉각) 예냉기 열교환기(777)에서 최종 예냉 온도로 추가로 냉각된다. 중간 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기(742)를 빠져 나온 CMR 스트림(776)은 제3 예냉기 열교환기(777)에서 최종 예냉 온도로 냉각된다. WMR 스트림(715)의 일부는 또한 중간 예냉 온도에서 별개의 스트림(773)으로 분할되고 제3 예냉기 열교환기(777)에서 최종 예냉 온도로 추가로 냉각된다. 결과의 스트림(774)은 밸브(775)를 통해 상기 제1 및 제2 예냉 열교환기(717 및 716)로 이어지는 밸브의 출구 압력보다 낮은 압력으로 쓰로틀되어 제3 예냉기 열교환기에 대한 냉장을 제공한다. 주변 온도 이하에서 결과의 증기 스트림(770)은 저압 WMR 압축기(771)에서 압축된다. 결과의 스트림(772)은 거의 주변 온도로 냉각될 수 있다. 일반적으로, 그 스트림은 상기 제1 및 제2 예냉기 열교환기로부터 팽창된 MR 스트림(718 및 719)과 간단히 조합되어 조합된 스트림(710)을 형성한다. 따라서, WMR 압축기(711)의 흡입 압력 및 상기 제1 및 제2 예냉기 열교환기(740 및 742)의 쉘 측 압력은 저압 WMR 압축기(771)의 흡입 압력 및 제3 예냉기 열교환기(777)의 쉘 측 압력보다 높다.
이러한 구성은 개조물에서 생산량을 증가시킬 수 있다. 열교환기는 선상(부유) 용도에서 옆으로 나란히 배치될 수 있다.
도 8은 도 2 내지 7에 도시된 것과 유사한 MCHE(846)을 갖는 시스템(800)을 도시한다. 예냉 시스템(878 및 879)은 이전 도면 상에 도시된 것들과 유사한 예냉기 열교환기일 수 있다. 그 시스템들은 프로판-예냉된 MR(C3MR)과 같은 일련의 열교환기에서 증발하는 혼합 냉매 또는 순수한 냉매를 사용할 수 있거나, 또는 브롬화 리튬 흡수 냉장과 같은 또 다른 냉각 수단을 사용할 수 있다. 예냉 시스템은 냉매 및/또는 장비를 공유할 수 있다.
이 구현예의 중요한 특징은 CMR 액체 스트림(827)을 냉각시키기 위해 보조 열교환기(880)를 사용하는 것이다. 보조 열교환기(880)는 MCHE(846)의 온난 번들과 병렬로 작동한다. 상기 냉각된 CMR 액체 스트림(893)은 2개의 스트림(881 및 882)으로 분할되고 밸브(829 및 883)를 통해 쓰로틀되어 두 교환기(846 및 880)에서 냉장을 제공한다. 보조 열교환기(880)의 쉘 측으로부터 증발된 저압 MR 스트림(884)은 MCHE(846)의 쉘 측으로부터 증발된 저압 MR 스트림(820)과 조합되어, CMR 압축기(821)에 대한 입력 스트림(892)을 형성하고, 냉장 주기를 폐쇄한다.
이 구현예는 더 큰 생산량을 제공할 수 있고, MCHE(846)에 MRL 회로를 배치하는 것보다 동일한 생산 레벨에서 더 효율적으로 작동할 수 있다.
대안적으로, 고압 상 분리기(844)로부터 CMR 액체 스트림(827)이 MCHE(846)와 보조 열교환기(880) 사이에 분포될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 이 구성에서, MCHE(846)는 CMR 액체 스트림(827) 및 CMR 증기 스트림(826) 모두를 함유한다. 보조 열교환기(880) 및 관련된 도관 및 장비는 MCHE(846)에 대한 현저한 변형 없이 기존 시스템에 부가될 수 있기 때문에 이 구성은 생산량을 증가시키기 위한 개조에 적합하다.
도 9는 별개의 냉매 루프를 구비하는 것 외에는 도 8의 시스템과 유사한 시스템(900)을 도시한다. 보조 열교환기(980)의 쉘 측으로부터 증발된 저압 MR 스트림(985)은 보조 압축기(986)에서 압축되고, 보조 최종 냉각기(987)에서 냉각되며, 보조 예냉 시스템(988)에서 추가로 냉각된다. 결과의 MR 스트림(989)은 완전히 응축되는 것이 바람직하다. 그 스트림은 보조 열교환기(980)에서 추가로 냉각되고, 결과의 스트림(990)은 밸브(991)를 통해 보조 열교환기(980)로 쓰로틀되어 고압 상 분리기(944)로부터 CMR 액체 스트림(927)에 대한 냉장을 제공한다.
도 8에 도시된 구성과 유사하게, 고압 상 분리기(944)로부터 CMR 액체 스트림(927)은 MCHE(946) 및 보조 열교환기(980) 모두에서 분할되고 냉각될 수 있다. 이 구성은 또한 기존 공장의 개조로서 사용하기에 적합하다.
도 10은 도 2에 도시된 교환기(240)에 대한 냉각 곡선(고온 및 저온 스트림의 듀티 대 온도)를 도시한다. 공급물 및 WMR 모두는 상 변화를 겪지 않기 때문에, 고온 스트림 곡선(솔리드)은 거의 직선이다. 도 11은 도 2에 도시된 교환기(242)에 대한 냉각 곡선을 도시한다. CMR은 상 변화를 겪기 때문에, 고온 스트림 곡선(솔리드)은 곡선이다. 이는 누구나 예냉기(240)의 기하학적 구조보다 제2 예냉기 열교환기에 대해 상이한 예냉기 열교환기 기하학적 구조로부터 이익을 얻을 수 있음을 나타낸다.
실시예
실시예 1
도 2를 참조하면, 1,030 psia(7,102 kPa)의 압력 및 118℉(321 K)의 온도에서 3.4% 질소, 90% 메탄, 5% 에탄, 1.5% 프로판, 밸런스 중질 탄화수소를 포함하는 천연 가스(201) 18,450 lbmole/hr(8,369 kmol/hr)이 액화되어 있다. 이는 먼저 제1 예냉기 열교환기(240)에서 -8℉(251 K)로 냉각된다. 이어서, 주 극저온 열교환기(MCHE)(246)에서 냉각되고 액화된다. MCHE를 떠나는 스트림(204)은 -241.4℉(121.3 K)에 있다.
1.5% 메탄, 52% 에탄, 2.6% 프로판, 밸런스 n-부탄 및 이소부텐을 포함하는 예냉(온난) MR(WMR)(210) 93,390 lb mole/hr(42,361 kmol/hr)이 WMR 압축기(211)에서 565 psia(3,900 kPa)로 압축되고 냉각기 열교환기(213)에서 118℉(321 K)로 냉각된다. 결과의 거의 포화된 액체 스트림(214)은 상기 제1 예냉기 열교환기(240)에서 -8℉(251 K)로 추가로 냉각된다. 이어서, 결과의 스트림(215)은 2개의 스트림으로 분할된다. 전체 흐름의 52%를 포함하는 상기 제1 스트림은 밸브(217)를 통해 98 psia(676 kPa)의 압력으로 쓰로틀되고 상기 제1 예냉기 열교환기(240)의 쉘 측으로 도입되어 냉각 듀티를 제공한다. 전체 흐름의 48%를 포함하는 상기 제2 스트림은 밸브(216)를 통해 거의 동일한 압력으로 쓰로틀되고 동일한 목적으로 상기 제2 예냉기 열교환기(242)의 쉘 측으로 도입된다. 2개의 스트림은 2개의 예냉기 열교환기에서 118℉(321 K)의 대략적으로 입구 온도까지 가온된다. 상기 제1 예냉기 열교환기(240)로부터 완전히 증발된 WMR 스트림(218) 및 상기 제2 예냉기 열교환기(242)로부터 완전히 증발된 WMR 스트림(219)은 재조합되고(210) WMR 압축기(211)의 흡입부로 도입된다.
5.4% 질소, 42% 메탄, 37% 에탄, 11% 프로판, 밸런스 n-부탄 및 이소부텐을 포함하는 저온 MR(CMR)(220) 100,990 lb mole/hr(45,808 kmol/hr)이 CMR 압축기(221)에서 890 psia(6,136 kPa)로 압축되고 CMR 최종 냉각기(223)에서 118℉(321 K)로 냉각된다. 결과의 증기 스트림(224)은 상기 제2 예냉기 열교환기(242)에서 -8℉(251 K)로 추가로 냉각된다. 결과의 스트림(225)은 이제 28% 증기(MRV) 및 72% 액체(MRL)이고 고압 상 분리기(244)에 전달된다. MRL 스트림(227)은 MCHE(246)에서 -193℉(148 K)로 추가로 냉각되고 고밀도 유체 팽창기(유압 터빈)(도시되지 않음)에서 이어서 밸브(229)에 의해 약 52 psia(360 kPa)의 압력으로 감압되고, MCHE(246)의 쉘 측으로 도입된다. MRV 스트림(226)은 MCHE(246)에서 -241.4℉(121.3 K)로 추가로 냉각된다. 결과의 스트림(230)은 밸브(231)를 통해 MRL과 거의 동일한 압력으로 쓰로틀되고, 또한 MCHE(246)의 쉘 측으로 도입된다. 이들은 둘 다 MCHE(246)에 대한 냉장을 제공한다. 이들은 대략적으로 -8℉(251 K)의 입구 온도까지 가온되고, CMR 압축기(221)의 흡입부로 도입된다(220).
실시예 2
도 6을 참조하면, 1,320 psia(9,101 kPa)의 압력 및 75.2℉(297 K)의 온도에서 0.2% 질소, 97.8% 메탄, 1.3% 에탄, 0.5% 프로판, 0.2% n-부탄 및 이소부텐, 및 밸런스 중질 탄화수소를 포함하는 천연 가스 124,291 lb mole/hr(56,377 kmol/hr)은 액화되어 있다. 이는 2개의 스트림(665 및 667)로 분할된다. 전체 흐름의 48.4%인 상기 제1 공급물 스트림(665)은 상기 제1 예냉기 열교환기(640)에서 -70.1℉(216 K)로 냉각된다. 전체 흐름의 51.6%인 상기 제2 공급물 스트림(667)은 상기 제2 예냉기 열교환기(642)에서 -70.1℉(216 K)와 동일한 온도로 냉각된다. 결과의 2개의 예냉된 공급물 스트림(666 및 668)은 조합되고(602) 이어서 주 극저온 열교환기(646)(MCHE)에서 냉각되고 액화되어, MCHE를 -245.8℉(119 K)로 남긴다.
2.5% 메탄, 60.3% 에탄, 1.6% 프로판, 밸런스 n-부타 및 이소부텐을 포함하는 예냉 온난 MR(WMR)(610) 135,035 lb mole/hr(61,251 kmol/hr)은 WMR 압축기(611)에서 388 psia(2,675 kPa)로 압축되고 냉각기 열교환기(613)에서 75.2℉(297 K)로 냉각된다. 결과의 거의 포화된 액체(614)는 상기 제1 예냉기 열교환기(640)에서 -70.1℉(216 K)로 추가로 냉각된다. 이어서, 이는 2개의 스트림으로 분할된다. 전체 흐름의 약 50%인 상기 제1 스트림은 밸브(617)을 통해 45 psia(310 kPa)의 압력으로 쓰로틀되고 상기 제1 예냉기 열교환기(640)의 쉘 측으로 도입되어 냉각 듀티를 제공한다. 상기 제2 스트림은 밸브(616)를 통해 거의 동일한 압력으로 쓰로틀되고, 동일한 목적으로 상기 제2 예냉기 열교환기(642)의 쉘 측으로 도입된다. 2개의 스트림은 2개의 예냉기 열교환기에서 대략적으로 75.2℉(297 K)의 입구 온도로 가온된다. 상기 제1 예냉기 열교환기(640)로부터 완전히 증발된 WMR 스트림(618) 및 상기 제2 예냉기 열교환기(642)로부터 완전히 증발된 WMR 스트림(619)은 재조합되고(610), WMR 압축기(611)의 흡입부로 도입된다. 두 예냉기(640 및 642)에 대한 가온 단부 온도 접근법이 동일한 경우, 2개의 예냉기 사이에 분할된 WMR은 정확히 50%-50%이다. 2개의 예냉기 열교환기의 듀티는 거의 동일하다.
10.84% 질소, 50.55% 메탄, 33.73% 에탄, 4.84% 프로판, 밸런스 n-부탄 및 이소부텐을 포함하는 저온 MR(CMR)(620) 124,760 lb mole/hr(56,590 kmol/hr)은 CMR 압축기(621)에서 839 psia(5,785 kPa)로 압축되고 냉각기 열교환기(623)에서 75.2℉(297 K)로 냉각된다. 결과의 증기(624)는 제2 예냉기 열교환기(642)에서 -70.1℉(216 K)로 추가로 냉각된다. 이는 이제 27% 증기(CMRV) 및 73% 액체(CMRL)이다. CMRL 스트림(627)은 MCHE(643)의 온난 다발에서 -207℉(140 K)로 추가로 냉각되고, 고밀도 유체 팽창기(유압 터빈, 도시되지 않음)에서 이어서 밸브(629)에 의해 약 72 psia(496 kPa)의 압력으로 감압되고, MCHE(646)의 쉘 측으로 도입된다. CMRV 스트림(626)은 MCHE(645)의 저온 다발에서 -245.8℉(119 K)로 추가로 냉각되고, 밸브(631)을 통해 CMRL과 거의 동일한 압력으로 쓰로틀되고, 또한 MCHE(646)의 쉘 측으로 도입된다. CMRV 스트림(630) 및 CMRL 스트림(628) 둘 다는 MCHE(646)에 대한 냉장을 제공한다. 이들은 대략적으로 75.2℉(297 K)의 입구 온도까지 가온되고, CMR 압축기(621)의 흡입부에 도입된다.

Claims (10)

  1. 탄화수소 공급물 스트림을 액화시키는 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 제1 공급물 온도에서 탄화수소 유체 공급물 스트림을 제공하는 단계;
    (b) 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 단계;
    (c) 제1 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제1 부분을 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제1 예냉 온도에서 상기 제1 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제1 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계;
    (d) 제2 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계;
    (e) 증발된 제2 혼합 냉매 스트림을 주 열 교환기의 쉘 측으로부터 회수하는 단계;
    (f) 상기 증발된 제2 혼합 냉매 스트림을 압축 및 팽창시켜 결과적인 제2 혼합 냉매 온도에서 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계(상기 결과적인 제2 혼합 냉매 온도는 상기 제1 공급물 온도와 동일함);
    (g) 상기 제2 예냉 열교환기에서 상기 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제3 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 예냉 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
    (h) 상기 제1 예냉 탄화수소 유체 스트림과 상기 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 조합하고 상기 조합된 예냉 탄화수소 유체 스트림을 상기 주 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
    (i) 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부를 상기 주 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
    (j) 상기 주 열교환기에서 상기 조합된 예냉 탄화수소 유체 스트림을 상기 주 열교환기의 상기 쉘 측 상의 상기 제2 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 액화된 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계;
    (k) 상기 주 열교환기에서 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부를 상기 주 열교환기의 상기 쉘 측 상의 상기 제2 혼합 냉매의 흐름에 대해 냉각시켜 적어도 하나의 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계; 및
    (l) 적어도 하나의 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림 각각을 상기 주 열교환기의 튜브 측으로부터 회수하고, 적어도 하나의 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림 각각을 팽창시켜 팽창된 제2 냉매 스트림을 형성하고, 상기 적어도 하나의 팽창된 제2 혼합 냉매 스트림 각각을 상기 주 열교환기의 쉘 측으로 제공하는 단계를 포함하는 것인, 탄화수소 공급물 스트림을 액화시키는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    (m) 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 액체 부분을 상기 예냉된 제2 냉매 혼합 스트림의 증기 부분으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하고;
    단계 (i)는 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 상기 액체 부분 및 상기 예냉된 제2 혼합 냉매 스트림의 증기 부분을 상기 주 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 예냉 온도 및 제3 예냉 온도는 상기 제1 예냉 온도와 동일한, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 단계 (f)는 상기 제2 혼합 냉매 스트림을 압축 및 냉각시켜 결과적인 제2 혼합 냉매 온도에서 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 결과적인 제2 혼합 냉매 온도는 상기 제1 공급물 온도와 동일하고 상기 결과적인 제2 혼합 냉매 스트림 전부는 증기상인, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 단계 (c)는 제1 예냉 열교환기의 튜브 측에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제1 부분을 상기 제1 예냉 열교환기의 쉘 측을 통해 흐르는 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제1 예냉 온도에서 상기 제1 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제1 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 단계 (d)는 제2 예냉 열교환기의 튜브 측에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제2 예냉 열교환기의 쉘 측을 통해 흐르는 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (d)는 제2 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 예냉 열교환기는 상기 제1 예냉 열교환기와 상이한 기하학적 구조를 갖는 것인, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    (n) 상기 제1 및 제2 예냉 열교환기 각각의 쉘 측을 통해 흐르는 폐쇄된 냉장 루프에서 상기 제1 혼합 냉매를 순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    (o) 증발된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 및 제2 예냉 열교환기 각각의 쉘 측으로부터 회수하는 단계;
    (p) 상기 증발된 제1 혼합 냉매 스트림을 압축 및 냉각시켜 결과적인 제1 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
    (q) 상기 결과적인 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기의 튜브 측으로 도입하는 단계;
    (r) 상기 제1 예냉 열교환기에서 상기 결과적인 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기의 쉘 측 상의 상기 제1 혼합 냉매의 흐름에 대해 냉각시켜 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계;
    (s) 상기 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기로부터 회수하고 상기 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림을 제1 및 제2 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림으로 분할하는 단계;
    (t) 상기 제1 및 제2 냉각된 제1 혼합 냉매 스트림 각각을 팽창시켜 제1 및 제2 팽창된 제1 혼합 냉매 스트림을 형성하는 단계; 및
    (u) 상기 제1 팽창된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제1 예냉 열교환기의 쉘 측으로 도입하는 단계; 및
    (v) 상기 제2 팽창된 제1 혼합 냉매 스트림을 상기 제2 예냉 열교환기의 쉘 측으로 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 단계 (d)는 제2 예냉 열교환기에서 상기 탄화수소 유체 공급물 스트림의 상기 제2 부분을 상기 제1 혼합 냉매에 대해 냉각시켜 제2 예냉 온도에서 상기 제2 예냉 열교환기를 빠져 나오는 제2 예냉 탄화수소 유체 스트림을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 예냉 열교환기는 상기 제1 예냉 열교환기와 동일한 냉장 듀티를 갖는 것인, 방법.
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