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KR102281315B1 - 산업용 및 탄화수소 가스 액화 - Google Patents

산업용 및 탄화수소 가스 액화 Download PDF

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KR102281315B1
KR102281315B1 KR1020177030248A KR20177030248A KR102281315B1 KR 102281315 B1 KR102281315 B1 KR 102281315B1 KR 1020177030248 A KR1020177030248 A KR 1020177030248A KR 20177030248 A KR20177030248 A KR 20177030248A KR 102281315 B1 KR102281315 B1 KR 102281315B1
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vat
gas stream
pressure
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콜린 에프. 니키포럭
Original Assignee
피티엑스 테크놀로지스 인크.
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Publication date
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Abstract

산업용 가스 또는 가스 혼합물(탄화수소 및/또는 비 탄화수소)의 액화 방법은 액화 공정 중에 상기 가스 또는 가스 혼합물을 냉각시키는 데 사용되는 변형된 수화 암모니아 흡수식 냉동 시스템(ARP)을 사용한다. 상기 가스는 그 임계점 이상으로 압축될 수 있고, 압축열 에너지는 ARP를 작동하는데 필요한 열 에너지의 일부 또는 전부를 제공하기 위하여 회수될 수 있다. 상기 방법은 Joule Thomson (JT) 단열 팽창 과정을 사용하여 특수 극저온 회전 장비가 필요하지 않는다. 수화 암모니아 흡수식 냉동 시스템은 증기 흡수 탑(VAT, vapour absorber tower)을 포함하며, 이는 무수 암모니아 증기가 과냉각된 린(lean) 수화 암모니아 용액에 흡수될 때 시스템 내의 용액의 열 및 응축 에너지 열의 일부 또는 전부를 회수할 수 있다. VAT를 포함하는 변형된 ARP는 암모니아 가스 냉각기 작동 온도가 -71℃로 낮아지도록 10kPa까지 낮은 작동 압력을 달성할 수 있다.

Description

산업용 및 탄화수소 가스 액화
본 발명은 산업용 탄화수소 가스 또는 가스 혼합물의 액화를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
CO2, H2S, N2, O2, H2, He, Ar, 공기 및 기타 가스와 같은 산업용 가스 및 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌 및 기타 탄화수소 가스와 같은 탄화수소 가스, 또는 가스 혼합물은 널리 알려진 카르노 냉동기(Carnot refrigeration) 또는 팽창법(Turbo-Expander cycle)에 기초한 냉동 사이클을 이용하여 전통적으로 액화된다. 이러한 산업 공정에서 달성되어 액화를 가능하게 하는 극저온은 자본, 에너지 및 운영 비용이 비싼 복잡한 계단식(cascaded) 냉동 사이클을 필요로 할 수 있다.
따라서, 상대적으로 에너지 효율적이고, 경제적이며, 실용적일 수 있는 산업 및 탄화수소 가스 또는 가스 혼합물을 액화시키는 대안적인 방법이 해당 기술분야에서 요구된다.
일 양태에서, 본 발명은 하기의 비순차적인(non-sequential) 단계를 포함하는 가스를 액화시키는 방법을 포함한다:
a. 입구 압력(inlet pressure)을 갖는 가스를 수용하고 상기 가스를 원하는 압력으로 압축 또는 감압하는 단계;
b. 적어도 하나의 흡수식 냉각기(absorption chiller)를 통해 가스를 냉각시키는 단계;
c. 가스의 적어도 일부를 액화시키기 위해 상기 가스의 압력을 단열적으로(adiabatically) 감소시키는 단계;
d. 단계 (a)에서 가스가 압축되면 단계 (a)로부터 회수된 트림 열(trim heat) 또는 압축열 중 하나 또는 조합을 이용하여 암모니아 가스를 방출(liberate)시키기 위해 정류기(rectifier)에서 리치 수화 암모니아(rich aqua-ammonia) 유체를 가열하고, 린(lean) 수화 암모니아 유체를 생산하는 단계;
e. 린(lean) 수화 암모니아를 과냉각(subcooling)시키고 증기 흡수 탑(absorption tower)의 상부로 순환시키는 단계;
f. 적어도 하나의 흡수식 냉각기에서 사용하기 위한 냉각된(chilled) 암모니아 가스를 생성시키기 위하여 상기 정류기로부터 상기 암모니아 가스를 응축(condensing)시키고 상기 액체(liquid) 암모니아를 플래싱(flashing)하는 단계;
g. 단계 (d)에서의 리치 수화 암모니아를 생성하기 위해 증기 흡수 탑 내에서 상기 적어도 하나의 흡수식 냉동기로부터의 암모니아 가스를 린(lean) 수화 암모니아로 흡수(absorbing)하는 단계.
상기 가스는 산업용 가스 또는 탄화수소 가스, 또는 산업용 또는 탄화수소 가스의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 방법은 가스의 적어도 하나의 성분(component), 가스의 일부분 또는 실질적으로 가스 전부의 액화를 초래할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 입구 압력에서 입구 가스를 수용하는 수용 스테이지(receiving stage), 수용된 가스를 냉각시키기 위하여 흡수식 냉각 루프를 포함하는 냉각 스테이지(chilling stage), 및 냉각된 가스를 적어도 부분적으로 액화시키기 위한 JT밸브를 포함하는 액화 스테이지(liquefaction stage)를 포함하는 가스 액화 시스템을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 시스템은 가스를 원하는 압력으로 압축하기 위한 압축 스테이지(compression stage) 및 상기 압축 스테이지에서 흡수식 냉각 루프로 열을 전달하기 위한 압축열(heat of compression) 에너지 회수 스테이지(recovery stage)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 상기 시스템은 저압 증기 리사이클(recycle) 루프에서 가스의 비 액화(non-liquefied) 성분을 재활용하기 위한 가스 리사이클 스테이지를 포함할 수 있으며, 이 루프는 압축 및 냉각된 가스를 추가로 냉각시키고, 그 다음 압축 단계로 지시된다.
일 실시 예에서, 상기 흡수식 냉동(absorption refrigeration) 루프는 정류기 및 증기 흡수 탑(tower)을 포함한다.
본 발명은 첨부된 간략화된 도면을 참조하여 예시적인 실시 예에 의해 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 가스가 가스의 임계압력(critical pressure) 미만으로 압축되는 일 실시 예의 공정 흐름도(PFD, process flow diagram)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 이용하는 이산화탄소(CO2)에 대한 몰리에르 선도(mollier chart)이다. 이것 및 다른 몰리에르 선도는 미국 Chemicalogic Corporation에서 제공한 특정 엔탈피-압력 차트를 나타낸다.
도 4는 입구 압력 170kPa, 2% CO2 및 98% CH4로 포화된 물에서 스위트 천연가스(sweet natural gas)의 가스 액화 방법 2를 이용하는 공정 흐름도 (PFD)이다. 상기 액화 사이클은 170kPa의 압력의 저장을 응용하는 단일 플래시 액화를 사용한다.
도 5a 및 도 5b는 주요 장비 및 프로세스 데이터 포인트에 주목한 변형된 흡수식 냉각 사이클을 이용하는 공정 흐름도(PFD)이다. 이 공정은 4단계 NH3 냉각 시스템, 증기 흡수 탑(VAT, vapour absorber tower), 린(lean) 용액 냉각기, 폐열 교환기, 발전기, 정류기 컬럼, 환류 응축기(분류기), 암모니아 응축기 및 기타 보조 장비의 주요 구성 요소를 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예를 나타내는 액화 사이클을 이용하는 메탄(CH4)에 대한 몰리에르 선도(Mollier Chart)이다. 도 6B는 선택적인 고압 공급(high-pressure feed)과 함께 다른 실시 예를 이용하는 메탄에 대한 몰리에르 선도(Mollier Chart)이다.
도 7은 무수 암모니아(NH3)에 대한 몰리에르 선도로 무수 암모니아 증기가 VAT로 돌아갈 때의 무수 암모니아의 압력과 온도를 나타내는 4단계 액화기 냉각기 시스템의 열역학적 포인트를 나타낸다. 이 실시 예의 주변 냉각 시스템 온도는 22℃의 응축 온도를 가정한다.
도 8은 작동점(operating point), 특히 VAT를 통한 핵심 공정 작동 압력, 온도 및 용액 농도 및 본 발명에서 이용되는 변형된 흡수식 사이클의 나머지를 나타내는 수화 암모니아 용액에 대한 PTX 도면이다. 수화 암모니아에 대한 PTX 그래프는 PROMAX™ 프로세스 시뮬레이터의 프로세스 데이터를 사용하여 플롯되었다.
도 9는 최종 가스 액화 냉각이 액화 가스 기화 열 교환기에서 발생하는 일 실시 예의 공정 흐름도(PFD)이다.
도 10은 도 9에 도시된 액화 사이클의 일 실시 예를 이용하는 공기의 액화를 위한 몰리에르 선도(mollier chart)이다.
물리학에서 "가스"라는 용어는 질료(substance)가 완벽한 분자 이동성 및 무제한 확장의 특성이 있는 물질(matter)의 상태를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "가스"는 CO2, H2S, N2, O2, H2, He, Ar, 공기 또는 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌 및 기타 탄화수소 가스 등의 탄화수소 가스, 또는 임의의 가스 혼합물과 같은 표준 온도 및 압력에서의 가스인 질료(substance)를 포함한다. 본 명세서에 사용된 용어 "액화 가스"는 상업, 연구 또는 산업 목적으로 판매, 처분 또는 사용을 위해 액화된 가스 또는 가스 혼합물을 의미한다.
본 명세서에 사용된 용어 "JT 밸브" 또는 "JT 스로틀(throttling) 밸브"는 주울-톰슨(Joule-Thompson) 효과에 따라 가스의 단열 팽창을 허용하도록 구성된 가스 밸브를 의미한다. JT 밸브는 해당 기술분야에서 잘 알려져 있으며, 상업적으로 이용 가능하다.
본 명세서에 사용된 용어 "저압 분리기" 또는 "LPS(low pressure separator)"는 특정 낮은 압력 및 온도에서 작동하고 "JT" 스로틀 밸브의 하류(downstream)에서 작동하는 분리 용기(vessel)를 의미하며, 액화 가스가 유로로부터 제거되거나 유로 내에서 추가로 처리될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "고압 분리기" 또는 "HPS(high pressure separator)"는 가스 냉각을 위해 원하는 압력에서 작동하고 JT 스로틀 밸브의 상류에 위치하는 분리 용기를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 "응축상(dense phase)"이란 용어는 가스 또는 가스 혼합물과 관련하여, 압축에 의해 최대임계압력(cricondenbar) 보다 높게 압축된 가스의 상태를 의미하고, 최대임계압력은 온도에 관계없이 대략 그 임계온도에 의해 정의된 범위 내 온도에서 기체가 기체 상(gas phase)으로 형성될 수 없는 최대 압력을 의미하며, 임계온도는 임계점에 해당하는 온도로 물질의 기체 및 액체 상의 집약적인 성질이 동일한 온도와 압력의 조합으로 대략 최대임계온도(cricondentherm)이며, 최대임계온도는 압력에 관계없이 천연가스가 액체 상(liquid phase)으로 형성될 수 없는 최대 온도이며, 응축 상에서 기체는 기체 상과 유사한 점성(viscosity)을 가지지만, 액체상에 근접한 밀도를 가질 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "비 응축 가능한(non-condensable)"은 유로 내 임의의 LPS의 특정 스테이지 또는 스테이지의 작동 압력 및 온도에서 액화되지 않는 가스를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "흡수식 냉동 공정" 또는 "ARP(absorption refrigeration process)"는 냉동 공정을 구동하기 위한 열 입력(thermal input)에 기초하는 당업계에서 인정된 열역학적 냉동 공정을 이용하는 냉동 시스템을 의미한다.
본 명세서에 사용된 용어 "트림 열(trim heat)"은 임의의 폐열 회수 수단, 열 전달 매체, 전기 저항 히터, 또는 열 입력을 본 발명의 변형된 ARP 리치 용액 가열 루프에 제공하는 다른 종래의 수단으로부터 발생하는 시스템으로의 열 입력을 의미한다. 트림 열은 저급(Low-grade) 열원(heat source)에서 공급되는 것이 바람직하다. 저급 열(Low-grade heat)은 유효에너지(exergy) 밀도가 낮고 전환 방법으로 효율적으로 전환할 수 없는 저온 및 중온 열을 의미한다. 저급 열의 온도 범위에 대해 통일된 설명(specification)은 없지만, 370℃ 이하 온도의 열원은 저급열원으로 간주되며, 열은 스팀랭킨사이클(Steam Rankine cycle)을 이용하여 그 온도 이하로 효율적으로 변환되지 않기 때문이다. 주요 저급열원은 태양열, 지열, 및 산업 폐기물 열로부터 발생한다.
본 명세서에 사용된 용어 "기계적 냉동 공정"은 냉동 공정을 구동하기 위한 압축 입력(compression input)에 기초하는 당업계에서 인정된 열역학적 냉동 공정을 이용하는 냉동 시스템을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "터보 팽창기(turbo-expander) 냉동 공정"은 단열 팽창 및 냉장 공정으로서 압축을 위한 일(work)의 회수에 기초한 당업계에서 인정된 열역학적 냉동 공정을 이용하는 냉동 시스템을 의미한다.
일 양태에서, 본 발명의 실시 예는 가스 수용 스테이지, 냉각 스테이지, 액화 스테이지 또는 냉각 스테이지를 구동하는 변형된 ARP를 포함하는 시스템을 포함한다. 바람직한 실시 예에서, 본 발명은 또한 압축 스테이지, 압축 에너지의 열 회수 스테이지 또는 스테이지들, 및 가스 리사이클 스테이지를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예는 입구(inlet) 가스 스트림의 포텐셜 에너지(엔탈피)를 이용하고 액화 공정의 압축 스테이지 동안 압축 에너지의 열을 회수하여 가스 액화 공정의 전체 열역학적 효율을 향상 시키고자 한다.
일 실시 예에서, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명은 변형된 수화 암모니아 흡수식 냉동 시스템과 결합된 가스 액화 시스템을 포함한다. 액화될 가스 또는 가스 혼합물에 대한 압축일(compression work)의 결과로 생성된 압축 에너지의 열은 열 교환기에 의해 작동 유체(working fluid) 가스 스트림으로부터 열을 흡수하기 위한 수화 암모니아를 이용하여 회수될 수 있다. 종래의 가스 처리 기술은 에어 핀 팬(air fin fan) 또는 수냉 시스템 (water cooling system)을 통해 환경에 대한 이 대량의 저급 열 에너지를 거부한다. 본 발명의 실시 예는 가스의 액화를 허용하기 위하여 냉동 냉각(refrigeration cooling)을 제공하는 흡수식 냉동 사이클에서 압축 에너지의 회수된 열을 이용한다.
액화될 가스에서 이용 가능한 포텐셜 에너지(엔탈피)는 가스가 시스템으로 유입될 때의 압력 및 온도와 직접 관련되며, 단열 압력 감소에서의 자동 냉각에 의해 가스 또는 가스 혼합물을 냉각시키기 위하여 Joule-Thomson (JT) 감압 공정과 같은 감압 냉동 과정에서 이용된다. JT 공정은 견고하고 단순하며 기체-액체 상 포락선(phase envelope) 내에서 작동하는데 실질적인 제한이 없는 냉동에 적합하고, 복잡하고 비싸며 기체-액체 상 포락선의 외부에서 작동이 요구되어 실용적인 제한을 갖는 특수 극저온(cryogenic) 회전 장비의 사용을 요구하지 않는다.
열원에 의해, 흡수식 냉동 시스템은 일반적으로 흡수식 냉동 시스템에 의하여 생성되는 냉각 에너지와 비교하여 5% 미만의 순 전기 에너지를 사용한다. 액화되는 가스 스트림에 부여된 압축일로부터 회수되는 압축 에너지의 저급 열은 특정 가스 액화 응용 및 액화에 사용되는 방법에 따라 일부, 전부 또는 과량의 냉동 듀티(refrigeration duty)를 제공할 수 있다. 액화 사이클에서 회수하기 위한 열에너지가 충분하지 않은 경우, 흡수식 냉동 시스템에 의해 필요한 냉동 듀티가 발생하도록 허락하는 필요한 열 에너지를 제공하기 위하여 다른 이용 가능한 저급 폐열(waste heat) 스트림의 형태로 추가적인 트림 열 에너지 및/또는　입열(heat input)의 다른 통상적인 수단이 요구될 수 있다.
상기 흡수식 냉동 시스템은 리치 수화 암모니아 용액으로부터 암모니아를 유리시키기 위해 열에너지를 사용하는 정류기 및 증기 흡수 탑(VAT, vapour absorber tower)을 포함하고, 이는 일 실시 예에서 냉각기(chiller)가 10kPa 작동 압력에서 -71℃만큼 낮게 작동하도록 허용한다. 상기 VAT 설계는 열역학 원리를 사용하여 원하는 진공 작동 압력을 달성하기 위해 기존의 기계식 진공 펌프의 필요성을 제거한다. 무수 증기 암모니아는 VAT 상단, 및 선택적으로 VAT의 추가 입구 지점에서 린(lean) 수화 암모니아 용액으로 흡수되기 때문에 VAT 설계는 또한 용액의 열 및 응축 에너지의 열을 적어도 일부, 가능하게는 모두 회수할 수 있게 한다. 용액의 농도(strength)와 온도는 VAT의 상단에서 하단으로 증가하며, 수도(hydraulic head)는 수화 암모니아 용액을 과냉각 상태로 유지하면서 최종 리치 용액(rich solution) 농도에 도달한다. 상기 에너지를 히트 싱크(heat sink)로 거부하는 종래의 흡수체(absorber)와 달리, 상기 용액 및 응축열은 리치 용액 내에서 유용한 에너지로서 유지된다.
수용 스테이지에서, 입구 가스 스트림은 상기 냉각/액화 프로세스를 시작하기 전에 가스의 임계 압력보다 높거나 낮을 수 있는 원하는 압력으로 압축 또는 감압된다. 만약 입구 가스 스트림이 원하는 압력보다 높으면, JT 밸브로 조절(throttle)되어 더 낮은 온도에서 프로세스가 시작될 수 있다. 이러한 경우 압축열은 상기 변형된 ARP로 전송되기 위해 회수되지 않는다.
일 실시 예에서, 상기 가스의 임계점 아래의 입구 압력을 갖는 가스를 액화시키는 것으로 방법이 각색된다. 상기 방법은 압축기(하나 이상의 스테이지), 압축열 에너지 열 회수 시스템, 변형된 ARP, 하나 이상의 JT 밸브, 하나 이상의 LPS 용기(vessel), 및 하나 이상의 스테이지를 갖는 리사이클 가스 냉동 압축기를 사용한다. 상기 가스의 액화 방법은 카르노사이클과 같은 종래의 기계적 냉동 시스템을 이용하는 제2 냉동 압축기 세트에 대한 필요성을 감소시키거나 제거한다. 상기 JT 플래시의 결과로 증기 상(vapour phase) 성분은 재활용되고 액상(liquid phase)성분은 저장소로 보내지기 때문에 액화되는 가스는 열 순환 유체로 작용한다. 상기 방법의 예는 액화에 필요한 온도가 -70℃보다 높은 CO2, H2S, 프로판의 액화 또는 쉘로우 컷(shallow cut) C3+ 천연 가스액(NGL) 회수에 적합할 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 CO2 가스를 액화하는 데 사용할 수 있으며, 도 2에서 PFD로, 그림 3에서는 몰리에르 선도로 개략적으로 도시되어 있다. 일반적인 액체 CO2 저장 범위는 약 -15℃ ~ -29℃이다. 상기 공정은 약 -23℃의 온도, 약 1600kPa의 압력에서 액체 CO2를 생성할 수 있다. 입구(inlet)에서 CO2는 가스의 임계점보다 훨씬 낮게, 대기압과 약 30℃에서 전달된다. 그 다음, 변형된 흡수식 냉동 냉각(absorption refrigeration chiller) 시스템을 작동시키는데 필요한 열에너지의 전부 또는 일부를 제공하기 위하여, 상기 가스는 리치 수화 암모니아 용액과 직접 소통(communication)하면서 압축열 에너지를 회수하는 열교환기를 통과하면서 단계적으로 압축된다. 압축된 CO2는 적어도 하나의 흡수식 냉각기에 의해 냉각된다. 흡수식 냉각기 시스템을 작동시키기 위한 열 에너지는 회수된 압축열 에너지 및/또는 트림 열의 임의의 조합에 의해 제공되며, 이는 직접 또는 간접 연소(combustion) 열교환, 또는 필요한 온도 및 질량 유동 조건을 갖는 기타 가용 폐열 회수 스트림에 의해 생성될 수 있다.
상기 압축 및 냉각된 CO2는 JT 밸브를 통해 방출 압력 및 방출 온도에서 저압 분리기(LPS)로 방출되므로, CO2가 2상 기체-액체 상태에 있게 되어, 일부 환경에서는 과냉각(sub-cooled) 상태로 존재하게 된다. 액체 CO2는 저장 용기로 배출(discharge)될 수 있으며, 임의의 플래시 가스 및/또는 비 응축성 증기를 포함하는 가스 부분은 리사이클 압축기, 벤팅(venting)용 블리드 스트림(bleed stream), 연료 가스 및/또는 경우에 따라 추가 공정으로 보내질 수 있다. 도 2 CO2-11 및 CO2-11a에서 볼 수 있듯이, 리사이클 압축기는 가스 부분이 압축 단계에서 가스 유동 경로로 도입되는 재순환 루프의 일부이다.
또 다른 실시 예에서, 본 발명은 압축기(하나 이상의 스테이지), 압축열 에너지 열 회수 시스템, 변형된 ARP, 하나 이상의 JT 밸브, 하나 이상의 LPS 용기, 및 하나 이상의 스테이지를 갖는 리사이클 가스 냉동 압축기를 이용하여 임계점 이상에서 수용되는 가스, 또는 임계점 이상으로 압축된 가스를 액화시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 압축열 에너지 열 회수 시스템, 흡수식 냉동 시스템, 하나 이상의 LPS로부터 저압 리사이클 가스 증기 스트림을 갖는 열 교환기, 하나 이상의 JT 밸브, 하나 이상의 압축 스테이지를 갖는 리사이클 가스 냉동 압축기의 임의의 조합으로 농축상 가스를 냉각시켜 액화를 가능하게 하도록 농축 상(dense phase)으로 충분한 압력을 가하기 위해 가스의 압축을 이용하는 냉동 사이클을 포함하는 유동 경로를 사용하지만 이에 제한되지 않는다. 상기 액화 공정을 시작하는 공급 압력 및 온도에 따라, 냉각되는 특정 가스 또는 가스 혼합물의 냉각 공정 중에서 제거된 열(엔탈피 변화)을 최적화 하기 위하여 가스의 임계 압력 및 온도보다 충분히 높은 농축상으로 가스를 압축하는 것이 바람직할 수 있다.
특정 가스 또는 가스 혼합물의 냉각 공정을 위해 선택된 압력은 압력 대 특정 엔탈피 몰리에르 선도에서 제시된 임계점 이상의 가스 또는 가스 혼합물에 대한 등온선의 기울기 변화와 직접적으로 관련된다. 등온선의 기울기가 수직(무한 경사)인 지점은 주어진 온도에서 주어진 가스 또는 가스 혼합물에 대해 현열(sensible heat) 전달이 일어날 수 있는 최대의 가능성을 제공한다. 선택된 실제 압력은 요인들의 조합에 의하여 반드시 상기 지점이 아닐 수도 있으며, 상기 요인들은 압축을 위한 실용적인 압력 및 온도 한계 및 열교환 장치 및 흡수식 냉동 시스템에 의하여 가능하거나 제공되는 최소 온도 등을 고려해야 한다. 액화 단계 이전에 주어진 가스 또는 가스 혼합물의 냉각을 위한 최적의 압력의 선택을 돕기 위해 특정 가스에 대한 등온선의 기울기는 몰리에르 선도(X축 특정 엔탈피 및 Y축 절대 압력)에서 관찰할 수 있다. 이 선택 과정은 이하에서 더 설명될 것이다.
상기 실시 예에서, 상기 가스는 원하는 농축상 압력으로 입구 압력에서 수용되거나, 만약 입구 압력이 원하는 농축상 압력이 아닌 경우, 액화에 필요한 농축상 압력으로 상기 가스를 압축 또는 감압한다. 압축된 경우, 압축열 에너지는 열교환기에 의해 회수되고 리치 수화 암모니아 용액으로 옮겨져 변형된 흡수식 냉동 냉각 시스템(absorption refrigeration chiller system)을 작동시키는데 필요한 열에너지의 전부 또는 일부를 공급할 수 있다. 압축열로부터 회수된 열 에너지가 불충분하면, 트림 열은 임의의 직접 또는 간접 연소 열교환 또는 필요한 온도 및 질량 유동 조건을 갖는 다른 폐열 회수 스트림에 의해 제공될 수 있다.
상기 입구 가스는 JT 밸브의 입구 압력과 동일한 원하는 최종 압력에 도달하기 위해 필요에 따라 단일 또는 다단 압축기에서 압축될 수 있다. 일반적으로, 일 실시 예에서, 특정 압축 스테이지에 대한 배출 온도는 특정 압축 장비 사양에 따라 약 150 내지 160℃로 제한된다.
상기 압축가스는 적어도 하나, 및 바람직하게는 2, 3 또는 4단계의 흡수식 냉각기를 사용하여 최소 -70℃의 온도로 냉각시킨다. 일 실시 예에서, 상기 압축가스는 이하에 논의되는 바와 같이 LPS로부터의 저압 증기 리사이클 스트림으로 초기에 냉각될 수 있다.
냉각된 산업용 가스 또는 가스 혼합물은 JT 밸브를 통해 방출 압력 및 방출 온도에서 저압 분리기(LPS)로 방출되고, 상기 가스는 가스에 대한 2상 영역(two phase region) 내의 증기 품질 "X"에 있게 된다. 도 6a 및 도 6b에서, M17 및 M12에서 각각 X는 0.53이다. 액체는 LPS에서 저장 용기로 배출되고 증기는 저압 증기 리사이클 스트림으로 보내진다. 상기 리사이클 스트림은 흡수식 냉각기에서 농축상 가스를 냉각시키기 전 초기에 농축상 산업용 가스 또는 가스 혼합물을 원하는 온도로 냉각시키는 열 교환기를 포함한다. 따라서, 저압 증기 리사이클 스트림은 압축 장치의 입구에 적합한 온도로 가온 되고, 원하는 농축상 액화 압력에 도달할 때까지 하나 이상의 단계로 압축된 다음 입구 가스 스트림과 합쳐진다.
LPS의 응축되지 않는 증기는 특정 산업용 가스 또는 가스 혼합물 및 공정 적용의 특성에 따라 배출, 추가 처리를 위해 또는 연료 가스로 블리드 스트림(bleed stream)으로 보내질 수 있다.
추가적인 JT 밸브, LPS 용기, 및 압축 스테이지를 원하는 대로 사용하여 액화 산업용 가스 또는 가스 혼합물의 온도 및 압력을 추가로 감소시키기 위해 LPS에서 상기 제거된 액체의 플래시(flashing)를 위한 추가 스테이지가 수행될 수 있다.
일부 가스의 경우, 원하는 최종 액화 온도에서 과냉각 상태로 냉각된 농축상 유체의 간단한 JT 플래시를 허용하기 위하여 상기 흡수식 냉동 냉각기는 충분히 낮은 온도에서 작동하지 않지만, 가스의 기체-액체 상 포락선내에서 특정 증기 품질 "X"로 원하는 최종 온도 및 압력으로 플래시 할 수 있다. 액체 부분은 LPS로부터 제거되어 액체 저장 용기로 보내지고, 기체 상은 분리기로부터 제거되고 저온 저압 기체 상은 최종 스테이지 흡수식 냉각기 열교환기에서 냉각된 고온 농축상 가스 스트림을 추가로 냉각 시키는데 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 농축상 가스 스트림을 냉각시킴으로써, LPS로부터의 상기 저압 증기 리사이클 스트림은 최종 흡수식 냉각기 작동 온도에 근접한 온도로 가온 된다. 그런 다음, 상기 압축기 루프 내의 리사이클 가스를 선택된 리사이클 압축기 장치(표준 구상(nodular) 철 또는 탄소강 재료를 사용하고 극저온 작동에 필요한 스테인리스강의 필요성을 피하려면 -29℃ 이상)에 대해 수용 가능한 온도로 더 가온시키기 위하여 또 다른 열 교환기로 보내질 수 있다. 일단 저압 증기 리사이클 가스가 충분한 에너지를 교환하고 적절히 가온 되면, 상기 가스는 입구 가스 스트림과 조합되어 본 명세서에 기술된 바와 같이 압축될 수 있다.
특정 용도에 따라, 다른 공정이 가능하도록 과도한 냉각이 있을 수 있으며, 또는 흡수식 냉동 냉각 장치에 의해 충분한 냉각 부하(chilling duty)가 발생하도록 요구되는 추가적인 트림 열 에너지가 있을 수 있다. 압축열 에너지가 입구 스트림 및 리사이클 스트림으로부터 회수된 후(결합된 흐름은 입구 스트림 + 재순환 스트림("Y")과 동일함), 이 스트림은 흡수식 냉각 시스템에서 원하는 최종 온도에 도달할 때까지 흡수식 냉각 시스템의 하나 이상의 스테이지에 의해 추가로 냉각된다. LPS에서 저압 증기 리사이클 스트림은 "Y"와 동일한 질량 흐름을 가지거나, 액화시키기 위한 "X/(1-X)" 배(times) 입구 흐름을 가진다. LPS를 떠나는 상기 액체 질량 흐름은 시스템에 유입되는 가스 또는 가스 혼합물의 입구 질량 흐름과 동일하며, 원하는 시스템 액화 조건에서 응축되지 않는 가스가 축적되는 것을 방지하기 위해 임의의 연료 가스 또는 블리드 스트림이 적다.
본 명세서에서 언급된 가스 액화 방법은 계단식 다-단계 외부 냉동 공정 또는 현재 대규모 LNG 액화 설비에 사용되고 있으며 운영 및 유지를 위한 자본을 구축하고 운영하기 위해 상당한 순 에너지 투입 및 자본이 필요한 혼합 냉매 시스템을 갖는 기존의 냉동 공정에서 요구되는 추가 장비의 필요성을 최소화할 수 있다. 추가로, 납땜 알루미늄 열교환기(BAHX) 및 극저온 회전 장비가 필요하지 않는다.
보다 저온 및 저압의 액화 가스 또는 혼합 가스 생성물이 요구되어 추가적인 리사이클 또는 가스 블리드 스트림이 발생하면 추가적인 JT 플래시 단계를 추가할 수 있다. 액화되는 가스 또는 가스 혼합물의 성질에 따라, 비응축성 가스 또는 가스 혼합물의 액화를 허용하는 다른 작동 압력 및 온도의 다른 액화 공정에서는 연료 가스용 또는 비응축성 가스의 회수를 위한 공급 스트림으로서 증기 스트림의 하나 또는 그 조합을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이 방법의 한 가지 예는 -170℃의 낮은 액화 온도를 갖는 응용 분야에 적합하며 특히 LNG 생산 또는 딥 컷(deep cut) C2+ 복구에 적합하다.
응축상 가스를 사용하는 전술한 방법은 단열 팽창 전에 -71℃의 온도로 가스를 냉각시킬 수 있으며, 이것은 메탄을 액화시키는데 충분하다. 요구되는 액화 온도가 보다 낮은 다른 실시 예에서, 본 발명은 추가의 냉각 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 별도의 액화 공업용 가스의 증발(vapourization)은 액화시키기 위한 가스를 추가로 냉각시킨다. 가스를 액화하는 상기 방법은 압축기(하나 이상의 스테이지), 압축열 에너지 열 회수 시스템, 변형된 ARP, 하나 이상의 JT 밸브, 하나 이상의 LPS 용기, 하나 이상의 스테이지를 갖는 냉동 리사이클 압축기, 및 하나 이상의 액화 가스 증발기 열 교환기를 포함한다.
이 실시 예에서, 최종 단계 변형된 흡수식 냉각기 온도에서 충분히 낮은 온도로 다른 농축상 가스를 냉각시키기 위하여 액화 가스는 전술한 단계에 액화 가스 증발기 열교환기를 이용하는 단계를 더 추가하여 생성되며 원하는 온도 및 압력에서 JT 단열 팽창에 의해 증기 품질 "X"로 산업용 가스 또는 가스 혼합물의 액화를 허용하기 위하여 상기 냉각된 농축상 가스는 LPS로부터 상기 리사이클 증기 스트림과 함께 더 냉각될 수 있다. LNG가 액화 가스 증발기(vapourizer)에서 사용되는 경우, 도 9 및 도 10에 도시된 방법의 실시 예를 이용하여 약 1kg의 공기는 각각 0.35kg의 증기화된 LNG를 위해 액화될 수 있다.
따라서, 다른 실시 예에 대한 단계는 유사하지만 가스 액화 응용에 필요한 작동 온도, 압력 및 열 및 물질 수지(material balance)가 상이할 수 있다. 린(lean) 및 리치 수화 암모니아 용액 농도의 용액 농도 및 유량(flow rate)은 주로 주변(히트 싱크 온도) 및 원하는 최종 냉각기 단계 작동 온도에 의존한다. 주어진 혼합 용액의 순환량(Circulation rate)은 필요한 총 냉각 부하와 시스템에 사용할 수 있는 열입력에 따라 달라진다. 이들 파라미터의 계산 및 결정은 이 개시의 이점을 갖는 당업자의 기술 범위 내에 있다.
본 발명의 한 특징은 VAT에서 상당한 양 및 일부 경우에는 모든 용액의 열 및 응축 에너지 열의 회수를 포함하며, 이 열은 종래의 ARP 구성에서 주위 환경 또는 히트 싱크(heat sink)에 대해 거부된다. 본 발명의 VAT 부분(segment)의 일 실시 예의 또 다른 특징은, 회전 진공 펌프 장치가 필요하지 않고 최종 냉각기 스테이지에서 -71℃의 매우 낮은 냉각을 달성할 수 있고, 따라서 최소의 회전 장비, 특히 극저온 회전 장비 없이 LNG의 액화를 달성하기 위한 보다 단순하고 강건한 적은 자본 비용 솔루션을 제공한다.
실시 예
하기 실시 예는 청구된 발명의 예시된 특정 실시 양태로 기술되며, 청구된 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 2 및 도 3에서, CO2 가스는 대기압 및 약 30℃에서 수용되고, 이어서　열 교환기(WHX-1, WHX-2 및 WHX-3)로 냉각되면서 3단계 압축(STG-1, STG-2 및 STG-3)을 통해 약 4400kPa의 압력으로 압축된다. 그 다음 상기 가스는 최종 분리기(MP Sep)에서 증기 리사이클 스트림에 의해 초기 냉각되고, 다음 흡수식 냉각기(NH3-CH1 (10)), WHX-1, WHX-2 및 WHX-3은 흡수식 냉각 시스템을 가동시키기 위해 수화 암모니아 시스템에 열을 전달한다.
그 다음, 상기 냉각된 CO2는 방출 압력과 방출 온도에서 JT 밸브를 통해 분리기(MP Sep)를 통과하고 상기 CO2는 2상 기체-액체로 존재하고, 일부 환경에서는 과냉각 상태로 존재하게 된다. 상기 액체 부분은 저장 용기로 방출되고, 동시에 임의의 플래시 가스 및 비응축성 증기를 포함하는 가스 부분은 리사이클 압축기, 배출용 블리드 스트림, 연료 가스 및/또는 경우에 따라 추가적인 공정으로 안내된다;
도 4와 도 5는 스위트 천연가스를 액화하기 위한 액화 방법과 시스템을 나타내고, 도 6은 천연가스 유로에 대한 몰리에르 선도를 보여준다. 첨부된 표 1은 이들 실시 예에 대한 열 및 물질 수지를 요약한다.
도 8은 상기 실시예의 유로(flowpath)를 묘사하기 위해 개발된, PTX 그래프 상에서 10kPa 압력까지 변형된 ARP 및 VAT의 흐름 경로를 보여주며, 일반적으로 수화 암모니아에 대한 종래 PTX 그래프는 100kPa 이하로 확장되지 않으며 대기압 이하에서 작동하는 ARP 시스템의 작동을 고려하지 않는다. 도 8은 10 kPa보다 낮은 압력 및 -71℃에서 VAT 상부에서 작동할 수 있는 수화 암모니아 4단계 가스 냉각 시스템의 유로를 묘사한 것이다. 표 1은 상기 가스, 메탄올, 수화 암모니아 용액 및 무수 암모니아가 유로를 통해 진행될 때 그 특성을 요약한 것으로, 메탄 및 무수 암모니아에 대해 이용 가능한 몰리에르 선도, 공개적으로 이용 가능한 표, 수화 암모니아 용액, 증기의 열역학적 특성에 대한 그래프 및 차트 및 스팀 테이블로부터 얻었다. 변형된 ARP 및 VAT에 대한 예상 성능 및 작동 파라미터에 대한 계산은 발명자가 발명의 일부로 개발하였다. 수작업 계산은 핵심 파라미터 및 핵심 시스템 작동 파라미터를 개발하기 위해 요구되는 반올림, 단순화, 추정 및 근사가 필요할 수 있다. 예를 들어 비응축성 가스는 제외하고 순수한 무수 암모니아는 필요한 수작업 계산을 단순화하는 것으로 가정되었다(목표 99.5% 순도 대비). 공정 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하는 수학적 시뮬레이션은 가스 액화 루프 및 변형된 ARP 및 VAT 시스템에 필요한 블리드 스트림의 상세한 공정 설계를 위하여 계산의 개선을 초래할 수 있다.
물에 포화된 천연가스(98% CH4 및 2% CO2)의 액화 방법은 도 4, 5 및 6A에서 보여진다. 상기 천연가스는 170kPa 압력 및 17℃에서 M1의 입구 분리기에서 유로로 공급된다. 상기 가스는 1단계 입구(COMP-IN)에서 압축되고 1단계 리사이클 가스(STG-1, M3)와 동일한 압력으로 650kPa (M2)로 압축된다. 1단계 입구의 압축열은 WHX-IN (M2에서 M2a)에서 회수된다. M3에서 M3a 에서 1단계 입구에서 압축열은 리사이클 가스(M20에서 M21)를 표준 구성 물질(비 극저온)의 압축기의 작동을 위한 최소 허용 온도인 최소 -29℃로 가온시키는데 사용된다. 2단계 리사이클 압축기의 흡입 입구 온도와 결합된 온도(combined temperature)는 47℃ 이다(M4). 수화물이나 결빙이 문제가 되지 않도록 M4의 온도와 압력을 검토해야 하며, 이 예제의 경우 문제는 없지만 입구 가스의 리사이클 비율 및 수분 함량은 적용 분야에 따라 달라질 수 있다.
혼합된 입구와 재순환 가스는 2차 리사이클 단계에서 2,200kPa (M5)로 압축되고, 상기 가스는 냉각되고 WHX-1(M5에서 M6)에서는 압축열이 회수된다. 상기 가스는 3단계 리사이클(STG-3)에서 추가로 압축되고 WHX-2 (M7에서 M8)에서 압축열은 160 ℃에서 47℃까지 회수된다.
이제 가스는 액화 공정을 준비하기 위해 전처리를 위한 유로의 한 지점으로 들어간다. HSX-5는 아민 접촉기(Amine Contactor)(M9)에 유입되는 유로의 가스를 사전에 제어하는 데 사용된다. 아민 접촉기에서 액화 공정 중 CO2의 고형화를 방지하기 위해 이산화탄소 함량이 20,000ppm에서 50ppm 미만으로 감소한다. TEG 글리콜 탈수기로 유입될 때 M10 지점에서 아민 접촉기를 빠져나가는 가스는 포화된 물이며, Ｍ11　지점에서 배출되는 수증기(water vapour) 함량은 0.065 kg/103 m3으로 감소한다. 지점 M12에서,　8,200kPa 및 -88℃에서 HPS로의 유로(M14)를 따라 응축이 발생하면서 약 75/25 메탄올/물 혼합물을 확보하기 위해 11.7kg의 메탄올을 주입한다. 상기　가스가　JT-1 밸브를 통과하면서 170kPa 및 -152℃로　플래시 되는　동안에　상기　응축된　메탄올　및　물　혼합물은　HPS(M16)로부터 제거되고　응고될　미량의　MeOH/H2O를　포함하는　탈수된　증기　스트림을 남기며，　액체　생성물을　여과함으로써　제거된다. 이러한 탈수 기술은 종래 기술에서 LNG와 같은 극저온 가스의 제조 중에 가스 스트림의 탈수 방법으로 이용되거나 인식되지 않았으며，종래의 분자체（molecular sieve） 탈수 장치에 대한 필요성을 없애기 위해 본 발명에서 사용될 수　있는 방법이다.
메탄올 주입을　위한 유로의 M12 지점으로　돌아가면， 가스는 암모니아 냉각기 NH3-CH1, NH3-CH2, NH3-CH3, NH3-CH4 및 GGX-2를 통해 22℃(M12)에서 -88℃(M14)까지 순차적으로 냉각된다. 상기　실시 예에서는 따뜻한 주변 온도 때문에，HSX-3은 유익한 열전달 부하（heat transfer duty를 제공하지 않는다. 더 추운 기후에서 HSX-3는 상당한 냉각을 제공하여 NH3-CH1의 냉각 부하(duty)를　감소시킨다.　결과적으로 가스 액화 공정의 열효율은 겨울철에 주변 온도가 감소함에 따라 향상될 것이다.
냉각된　농축상　가스가　HPS에　도달하면， 이전에 언급된 바와 같이　상기　농축된 MeOH/H2O 액체는 지점 M16에서 제거되고,　탈수된 냉각 고압가스는 M15　지점(-88℃, 8,200kPa)에서 HPS를 떠나 Joule Thomson 밸브 JT-1을 통과하여 M17 지점 (170kPa, -152℃, 증기 분율 X = 0.53)에서 LPS로　플래시　된다　액체 LNG는 중력에 의해 M-18을 통해 LPS에서 LNG 저장 시스템으로 제거되고(미량 MeOH/H2O 고체는 여과되고 LNG로부터 제거된다)，차가운　리사이클　가스　증기는　열전달　유체로　작용하여 GGX-2 (M13에서 M-15)의 가스 스트림을 냉각시키고 M-19에서 M20 (-152 내지 -71)로 가온 되어 재순환되며，근접　접근　온도는　고압　극저온　열교환기를　사용하여　얻어진다. 상기　리사이클 가스는 비　극저온　압축　장치를　사용하기　위하여　GGX-1，저압 극저온 열교환기에서　최소 -29℃로　추가로　가온 되며，　비　극　저온　압축　장치는　가스　액화　플랜트의　크기가　증가함에　따라　왕복（reciprocating）　또는　원심（centrifugal）일　수　있다．　
상기 농후 용액(rich solution)은 이 적용을 위하여 50℃ 또는 그 이하의 과냉 상태 및 10.4 wt%로 VAT의 바닥으로부터 Aq l 지점인 리치 수화 암모니아 용액 펌프의 입구에서 수용된다. 추운 겨울의 주변 조건에 비해 따뜻한 주변 조건은 변형된 흡수식 ARP에 사용되는 전체 리치 및 린(lean) 솔루션을 감소시킨다. 이 실시 예에서, 린(lean) 농도는 5 wt%이고 리치(rich) 농도는 10.4 wt%이다.
이 실시 예에서 4개의 가스 냉각기(NH3-CH1, NH3-CH2, NH3-CH3, NH3-CH4)로부터 무수 암모니아 증기를 수용하는 VAT는 상단에서 10kPa로 작동하고 린(lean) 용액은 22℃의 온도로 과냉각 된다.
일반적으로 더 차가운 주변 온도 때문에 또는 히트 싱크(heat sink)를 사용할 수 있으므로 NH3-CH1 듀티에 대한 냉각기 부하(duty)가 감소하고, 이 실시 예에서 HSX-3은 M12a에서 22℃ 이하로 유로 온도를 감소시킬 수 없기 때문에, 그 부하(duty)는 최소한이다. 주변 온도가 낮으면 HSX-2(무수 암모니아 응축기)의 응축 작동(condensing operating) 압력도 감소한다. 변형된 ARP 및 VAT에 대한 주변 온도 감소의 민감도는 그림 8에서 그래픽으로 볼 수 있다(10kPa까지의 흡수기(absorber) 작동 압력에 대한 PTX 다이어그램). 낮은 암모니아 응축 압력(HSX-2) 및 린(lean) 수화 암모니아 용액(NH3-CH1)에 대한 감소한 듀티 부하(duty load)는 리치 및 린 용액의 농도(strength)와 순환률(circulation rate)를 더욱 최적화할 수 있는 기회를 제공한다.
리치 수화 암모니아 용액 펌프로 돌아가서, 펌프의 토출 압력(discharge pressure)은 암모니아 응축기(HSX-2) 응축 온도(및 압력)의 직접 함수(direct function )이다. 이 실시 예에서 Aq-2에 950kPa의 압력이 필요하며, 유동 경로의 이 지점에서 10.4 wt%의 농후 용액(rich solution)이 과냉각된다. 상기 농후 용액은 먼저 각 열교환기(WHX-IN, WHX-1, WHX-2)의 폐열 회수 듀티(duty)에 비례하는 유속 분배와 병렬로 분리하는 압축열 회수 단계로 흐르고, 10.4 wt% 및 940kPa에서 50℃(Aq2)에서 72.5℃(Aq10)로 온도가 상승하며, 상기 농후 용액은 여전히 과냉각되어 있다.
유로의 다음 지점은 리치/린 용액 교환기이다. 상기 교환기는 상기 리치 용액이 변형된 ARP 정류기 컬럼으로 유입되는 Aq12 지점에서 리치 용액을 143℃로 추가 가열한다.
22℃의 응축 온도(HSX-2)에서 작동 압력의 결과로, 이 실시 예의 변형된 ARP 시스템은 924kW의 트림 열 요구(requirement)를 갖도록 계산되고, 이는 이용 가능한 저급 폐열 회수 스트림으로부터 보충될 수 있으나, 5 wt%의 린(lean) 용액 농도를 달성하기 위해서는 159℃의 궁극적인 최종 온도가 필요하다. 상기 추가 폐열은 발전기/서지 용기 또는 농후 용액 열 교환기 가열 루프를 따라 직접 공급될 수 있다.
일단 충분한 추가적인 트림 열(trim heat)이 제공되면 정류기 컬럼에서 필요한 환류(reflux) 및 증기 트래픽(vapour traffic)이 달성된다. 분류기(dephlegmator) DPX는 50℃의 출구 온도를 달성하기 위해 436kW의 냉각 듀티가 필요하며, 2로 가정된 환류비 및 린 포화 용액 농도 5 wt% (Aq14)에 기초하여 암모니아 스트림이 99.5 wt% 암모니아가 될 것으로 예상된다.
상기 린 용액 Aq14는 리치/린 용액 교환기에서 과냉각되고 온도는 159℃에서 85℃ (Aq15)로 감소한다. 유로의 Aq16 지점에서 상기 린 용액은 본 실시 예의 HSX-1에서 22℃로 추가로 냉각된다. 5 wt%로 과냉각된 린 용액은 리치 Aq 펌프 흡입(Rich Aq pump suction)보다 약 10.6m 높은 VAT 컬럼 상단으로 주입된다. 용액의 열과 응축열 에너지 및 암모니아 증기와 린 용액의 엔탈피 혼합에 기인한 온도 상승을 고려한 후 유로 NH3-19(-71℃ 및 10kPa)에서의 암모니아가 과냉각된 린 용액으로 완전히 용해되고 과냉각된 상태를 유지하기 위하여 5 wt%의 린 수화 암모니아 용액은 22℃로 과냉각 된다.
10kPa 작동 압력은 린 수화 암모니아 플래시 밸브를 조임으로써 전개되고 그렇게 함으로써 리치 수화 암모니아 펌프의 펌프 흡입 압력을 감소시키며, 다만 무수 암모니아 증기의 흡수를 보장하기 위해 흡입 압력을 NPSHR 보다 높게 유지하고 과냉각 상태를 유지한다.
암모니아 증기(NH3-1)가 DPX 상단에서 배출되는 유로의 지점으로 되돌아 오면, 상기 증기는 암모니아 응축기(HSX-2)로 계속 흘러간다. 이 열교환기의 응축 온도는 변형된 ARP의 리치 용액 면(rich solution side)에 대한 작동 압력을 설정한다. HSX-2는 이 실시 예에서 230kW를 제거하여 필요한 암모니아 증기 흐름을 응축한다.
NH3-2 이후에, 상기 암모니아는 완전히 응축되고, 도 7의 무수 암모니아 몰리에르 다이어그램은 본 발명의 이 부분의 열역학적 양상을 상세히 나타낸다. 상기 암모니아는 22℃에서 응축 압력이 900kPa이고, 본 발명의 변형된 ARP 및 VAT 양상에 대해 PFD에 도시된 바와 같이 4개의 냉각기에 대응하는 압력으로 플래시 된다. 도 5는 암모니아 냉각기와 관련하여 NH3 블리드 밸브 1, 2, 3 및 4를 도시한다. 이 실시 예에서 간략화된 수 계산(hand calculation)을 위해 블리드 스트림은 활용되지 않는다. 그러나 암모니아 냉각기에서 H2O의 축적을 방지하기 위해 각 암모니아 냉각기에 대해 약 5%의 블리드 스트림이 필요할 수 있으며, 이는 시스템을 비 기능적(non-functional)으로 만들 수 있다. 실제 블리드 스트림은 정류기 컬럼으로부터 생성된 암모니아의 순도에 의존하며, 이 실시 예에서 99.5% 순도를 목표로 하였다.
VAT의 상단에서, VAT로 유입되는 암모니아는 상기 용액이 VAT를 따라 내려갈 때 수화 암모니아 용액의 농도 및 온도가 증가하는 높이, 온도, 질량 유속으로 존재한다. 도 8(PTX 차트)에 도시 된 바와 같이, 상기 용액은 이 실시 예의 4개의 가스 유로 냉각기에서 NH3-19(Aq17 24.6℃, 10kPa, 5.5 wt%), NH3-15(Aq18 28.1℃, 13kPa, 6.2 wt%), NH3- 11(Aq19 34.1℃, 30kPa, 7.3 wt), 및 NH3-6(Aq20, 49.8℃, 72kPa, 10.4 wt%) 흐름에 대해 과냉각 상태를 유지한다. 과열된 용액이 최저 혼합 지점(Aq20)에서 존재한다면, VAT 상단에서 원하는 작동 압력을 유지하고 초과열을 제거하고 리치 수화 암모니아 용액을 과냉각시키기 위하여 펌프 흡입(Aq1) 이전에 열교환기 HSX-4를 사용할 수 있다.
공기의 액화를 설명하는 도 8 및 도 9에 도시된 또 다른 실시 예에서, 입구 가스는 임계점 이하의 압력에서 전달된다. 액화된 공기는 온도 및 압력 조건에 도달할 수 있도록 최종 단계 흡수 냉각기(-70℃에서 작동)의 유로 하류에 추가의 냉각을 제공하기 위한 액화 가스 증발기를 사용함으로써 생성될 수 있고 소정의 품질 "X"로 기체-액체 상 포락선 내에 있도록 원하는 온도 및 압력에서 가스 또는 가스 혼합물이 플래시 된다.
예를 들어, 천연가스는 상기 기술된 방법을 사용하여 액화될 수 있으며, 그 다음에 변형된 흡수식 냉각 시스템의 최종 냉각 단계에 의해 제공되는 냉각 이상(beyond)으로 공기 스트림에 추가적인 냉각을 제공하기 위해 상기 LNG는 증기화 될 수 있다. 그 다음, 상기 증발된 천연가스는 전술한 바와 같은 대안적인 실시 예를 사용하는 LNG 액화 루프의 공급원이 되거나, 공기 액화 플랜트가 LNG를 연료원으로서 활용하는 현장에 공동 배치되는 경우 가스 연료의 공급원이 될 수 있다. 상기 방법은 액화가 가능하기 위한 매우 낮은 온도(-170℃ 이하)가 요구되는 가스의 액화에 적합하며, 계단식 다단계 외부 냉각 공정에서 기존의 냉동 공정에 필요한 추가 장비를 최소화한다.
정의 및 해석
본 명세서의 온도 및 압력에 대한 모든 언급은 "약"이라는 용어로 수정되는 것으로 간주되어야 하며, 이는 지정된 값의 ± 5%, ± 10%, ± 20% 또는 ± 25%의 변동을 의미한다. 예를 들어, "약" 50%는 일부 실시 예에서 45% 내지 55%의 변동을 나타낼 수 있다. 정수 범위는, "약"이라는 용어는 범위의 각 끝에서 열거된 정수보다 크거나 작은 정수 중 하나 또는 두 개를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 다르게 표시되지 않는 한, 용어 "약"은 상기 조성물의 기능성 또는 설명된 실시 양태의 관점에서 동등한 상기 범위에 근접한 값 및 범위를 포함하고자 한다. "약"이라는 용어는 지정된 값을 측정하는 데 사용된 도구, 장치 또는 방법의 부정확성을 반영할 수도 있다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 전술한 특정 개시 내용의 다양한 수정, 개조 및 변형이 본 명세서에 청구된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 다양한 특징 및 요소는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에서 서술되거나 청구된 특정 실시 예와 상이한 방식으로 조합될 수 있다. 달리 말하면, 임의의 요소 또는 특징은 두 실시 예 사이에서 명백하거나 고유한 비 호환성이 없거나, 특별히 배제된 경우를 제외하고는, 다른 실시 예에서 임의의 다른 요소 또는 특징과 결합될 수 있다.
단수 형태 "하나"는 문맥상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 언급 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "시설"에 대한 언급은 그 시설의 복수를 포함한다. 청구항은 임의의 선택적인 요소를 배제하도록 작성될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 청구항 구성요소의 인용 또는 "부정적인" 제한의 사용과 관련하여, 본 명세서는 "단독으로", "단지" 등과 같은 배타적인 용어의 사용을 위한 선행 기준으로서의 역할을 하기 위한 것이다. 용어 "바람직하게", "바람직하다", "선호한다", "선택적으로", "할 수도 있다." 및 유사한 용어는 참조되는 항목, 조건 또는 단계가 본 발명의 선택적(필수적이지 않은) 특징임을 나타내는 데 사용된다.
"및/또는"이라는 용어는 해당 항목 중 하나, 해당 항목의 모든 조합 또는 이 용어가 관련된 모든 항목을 의미한다. "하나 또는 그 이상"이라는 문구는 특히 그 용도와 관련하여 읽혀질 때 당해 기술 분야의 당업자에게 용이하게 이해될 수 있다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 시약 또는 성분의 양, 분자량, 반응 조건 등과 같은 성질을 나타내는 모든 수치는 근삿값이며 "약"이라는 용어로 모든 경우에서 임의로 변형된 것으로 이해된다. 이들 값은 본 명세서의 설명을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 또한, 이러한 값은 본질적으로 각각의 시험 측정에서 발견된 표준 편차로부터 반드시 발생하는 가변성을 포함하는 것으로 이해된다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 임의의 및 모든 목적을 위해, 특히 서술된 설명을 제공하는 관점에서, 본 명세서에 인용된 모든 범위는 또한 그 범위를 구성하는 개별 값, 특히 정수 값뿐만 아니라 모든 가능한 하위 범위 및 그 하위 범위의 조합을 포함한다. 인용된 범위(예: 중량 퍼센트 또는 탄소 그룹)에는 범위 내의 각 특정 값, 정수, 소수(decimal) 또는 항등원(identity)이 포함된다. 나열된 범위는 충분히 설명한 것처럼 동일한 범위를 최소한 절반, 3분의 1, 4분의 1, 5분의 1 또는 10분의 1로 세분화하는 것으로 쉽게 인식할 수 있다. 비 제한적인 예로서, 여기에서 논의된 각 범위는 하위 3분의 1, 중간 3분의 1 및 상위 3분의 1 등으로 쉽게 분류될 수 있다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, "까지", "적어도", "보다 큰", "미만", "초과", "이상" 등의 모든 언어는, 인용된 숫자를 포함하고 그러한 용어는 위에서 논의된 바와 같이 하위 범위로 연속적으로 분류될 수 있는 범위를 의미한다. 동일한 방식으로, 본 명세서에서 인용된 모든 비율은 또한 보다 넓은 비율 내에서 모든 하위 비율을 포함한다. 따라서, 라디칼, 치환체에 대해 열거된 특정 값 및 범위는 단지 예시를 위한 것이다; 라디칼 및 치환체에 대한 정의된 범위 내에서 다른 정의된 값 또는 다른 값을 배제하지 않는다.
당업자는 또한 구성요소가 일반적인 방식으로 함께 그룹화되는 경우(예를 들어, 마쿠시 그룹과 같은), 본 발명은 전체로서 나열된 전체 그룹뿐만 아니라 그룹의 각 구성요소 및 개별 그룹 및 주요 그룹의 모든 가능한 하위 그룹을 포함한다. 또한, 모든 목적을 위해, 본 발명은 주요 그룹뿐만 아니라 하나 이상의 그룹 구성요소가 없는 주 그룹을 포함한다. 따라서, 본 발명은 열거된 그룹의 구성요소 중 하나 이상의 구성요소를 명시적으로 배제하는 것을 예상한다. 따라서, 단서는 기재된 구성요소, 종 또는 실시 예 중 하나 이상에 의하여 개시된 카테고리 또는 실시 예 중 어느 하나에 적용될 수 있고, 예를 들어 명시적으로 부정적인 제한에서 사용되는 것처럼, 카테고리 또는 실시 예로부터 제외될 수 있다.
[표 1]
Figure 112017103417008-pct00001
[표 1 계속]
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Claims (19)

  1. 하기의 단계를 포함하는 가스를 액화하는 방법:
    (a) 입구 압력(inlet pressure)을 갖는 입구 가스 스트림(inlet gas stream)를 수용하고 상기 입구 가스 스트림를 원하는 압력으로 압축 또는 감압하여, 압축 또는 감압 가스 스트림을 생성하는 단계;
    (b) 다음 중 어느 하나에 의하여, 상기 압축 또는 감압된 가스 스트림을 액화시켜 액화 가스 생성물을 생성하는 단계,
    (i) 적어도 하나의 흡수식 냉각기(absorption chiller)를 통해 상기 압축 또는 감압된 가스 스트림을 냉각시켜, 냉각된 가스 스트림을 생성하고 냉각된 가스 스트림의 적어도 일부를 액화시키기 위해 상기 냉각된 가스 스트림의 압력을 단열적으로(adiabatically) 감소시켜 액화 가스 생성물을 생성하는 단계; 또는
    (ii) 적어도 하나의 흡수식 냉각기를 통해 압축 또는 감압된 가스 스트림을 냉각시켜 액화 가스 생성물을 생성하는 단계;
    (c) 암모니아 가스를 방출하고 린(lean) 수화-암모니아 용액을 생산하기 위하여, 정류기(rectifier)에서 리치(rich) 수화-암모니아(aqua-ammonia) 용액을 가열하는 단계;
    (d) 린(lean) 수화-암모니아 용액을 과냉각(subcooling)시키고 과냉각된 린(lean) 수화-암모니아 용액을 증기 흡수 탑(VAT, vapour absorption tower)의 상부로 순환시키는 단계;
    (e) 상기 정류기로부터 상기 암모니아 가스를 응축(condensing)하여 액체 암모니아(liquid ammonia)를 생성하고, 적어도 하나의 상기 흡수식 냉각기에서 사용하기 위한 냉각된(chilled) 액체 암모니아를 생성하기 위하여 액체(liquid) 암모니아를 플래시(flashing)하는 단계;
    (f) VAT 상부에서 대기압 이하의 작동 압력을 유지하면서, 단계 (c)에서의 리치 수화-암모니아 용액을 생성하기 위해 VAT 내에서 상기 적어도 하나의 흡수식 냉각기로부터의 암모니아 가스를 과냉각된 린(lean) 수화-암모니아로 흡수(absorbing)하는 단계.
  2. 제1항에 있어서,
    암모니아 가스를 방출하기 위해 상기 정류기(rectifier)에서 리치(rich) 수화-암모니아(aqua-ammonia) 용액을 가열하는 단계는 단계 (a)에서 회수된 압축 열을 사용하여 수행되는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각된 가스 스트림은 단계 (b)(i)에서 부분적으로 액화되고, 적어도 하나의 흡수식 냉각기에서 압축 또는 감압된 가스 스트림을 냉각하는 단계 이전에 액화된 가스 생성물에서 비-액화 가스를 분리하는 단계 및 압축 또는 감압된 가스 스트림을 추가로 냉각시키는 증기 재순환 루프(vapour recycle loop)에서 상기 비-액화 가스를 리사이클하는 단계, 그 다음 압축하고 비-액화 가스를 입구 가스 스트림과 결합하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입구 가스 스트림은 산업용 가스 또는 탄화수소 가스 또는 산업용 또는 탄화수소 가스의 임의의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입구 가스 스트림은 상기 입구 가스 스트림의 임계점 이하로 압축되고 상기 방법은 단열 팽창 이전에 -71℃보다 높은 가스 액화 온도에 도달하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    단계 (f)는 VAT 상부에서 -71℃의 온도를 유지하면서 수행되는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 흡수식 냉각기는 적어도 하나의 흡수식 냉각기에 사용되는 냉각된 액체 암모니아에서 물 농도의 증가를 방지하기 위해 액체 블리드 스트림(liquid bleed stream)을 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아 가스가 상기 VAT에서 과냉각 수화-암모니아 용액에 완전히 용해되도록, 상기 VAT 상부에서 대기압 이하의 작동 압력은 과냉각된 린 수화-암모니아 용액의 충분한 질량 흐름(mass flow)을 이용함으로써 그리고 상기 VAT에서 리치 수화-암모니아 용액을 제거하는 펌프의 흡입 압력을 유지하면서 린 수화-암모니아 용액의 순환을 제어하는 밸브를 조임(pinching)으로써 유지되는 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 흡수식 냉각기로부터 과냉각된 린 수화-암모니아 용액으로 상기 암모니아 가스를 흡수하는 용액의 열 및 응축열(heat of condensation) 에너지의 열의 일부 또는 전부가 VAT에서 회수되는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 흡수식 냉각기로부터의 암모니아 가스는 상기 VAT의 과냉각된 린 수화-암모니아 용액의 높이(elevation) 아래의 진입 점(entry point)에서 VAT에 들어가고, 따라서 VAT에서 과냉각된 린 수화-암모니아 용액의 수압 헤드(hydraulic head)는 VAT에서 과냉된 린 수화-암모니아 용액을 과냉각 상태로 유지하는 것을 용이하게 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    단계 (b)(i)는 냉각된 가스 스트림의 압력을 단열적으로 감소시키기 이전에 가스 스트림의 온도를 추가로 감소시키기 위해 가스/가스 열 교환기를 사용하여 냉각된 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 흡수식 냉각기를 통해 압축 또는 감압 가스 스트림을 냉각시키기 이전에 상기 압축 또는 감압 가스 스트림을 탈수시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 냉각된 가스 스트림은 충분한 양의 알코올을 냉각된 가스 스트림에 첨가하고 단계 (b)(i)의 단열 감압 단계 전에 알코올과 물을 응축시킴으로써 탈수되는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 액화 가스 생성물로부터 임의의 고형물을 제거하기 위하여 상기 액화 가스를 여과하는 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    적어도 하나의 흡수식 냉각기는 복수의 흡수식 냉각기를 포함하고, 여기서 상기 흡수식 냉각기 중 하나로부터 VAT로 들어가는 암모니아 가스의 진입 점은 흡수식 냉각기 중 다른 하나에서 VAT로 들어가는 암모니아 가스의 진입 점과 다른 높이에 있는 방법.
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