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KR102312640B1 - 혼합 냉매 시스템 및 방법 - Google Patents

혼합 냉매 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102312640B1
KR102312640B1 KR1020157029554A KR20157029554A KR102312640B1 KR 102312640 B1 KR102312640 B1 KR 102312640B1 KR 1020157029554 A KR1020157029554 A KR 1020157029554A KR 20157029554 A KR20157029554 A KR 20157029554A KR 102312640 B1 KR102312640 B1 KR 102312640B1
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Abstract

혼합 냉매 시스템 및 방법, 더 구체적으로는 효율의 향상과 전력 소비의 감소를 제공하는 혼합 냉매 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명은 개략적으로 천연 가스와 같은 유체를 냉각시키기 위해 적절한 혼합 냉매 시스템 및 방법에 관한 것이다. 천연 가스 및 기타 가스는 저장 및 수송을 위해 액화된다. 액화는 가스의 체적을 감소시키고, 하나 이상의 냉동 사이클에서 간접적 열교환을 통해 가스를 냉각시킴으로써 실시된다.

Description

혼합 냉매 시스템 및 방법{MIXED REFRIGERANT SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 개략적으로 천연 가스와 같은 유체를 냉각시키기 위해 적절한 혼합 냉매 시스템 및 방법에 관한 것이다.
관련 출원
본 출원은 전체 내용이 참조에 의해 본원에 포함되는 2013년 3월 15일에 출원된 미국 가특허출원 제 61/802,350 호의 우선권을 주장한다.
천연 가스 및 기타 가스는 저장 및 수송을 위해 액화된다. 액화는 가스의 체적을 감소시키고, 하나 이상의 냉동 사이클(refrigeration cycle)에서 간접적 열교환을 통해 가스를 냉각시킴으로써 실시된다. 이 냉동 사이클은 설비의 복잡성 및 사이클의 성능 효율로 인해 고가이다. 그러므로 덜 복잡하고, 효율이 높으며, 작동 비용이 저렴한 가스 냉각 및/또는 액화 시스템을 위한 요구가 존재한다.
주로 메탄인 천연 가스의 액화는 전형적으로 약 -160℃ 내지 -170℃까지 가스 흐름을 냉각시키고, 다음에 약 대기압까지 압력을 강하시킬 것을 요구한다. 도 1에 도시된 바와 같은 가스상 메탄의 액화를 위한 전형적 온도-엔탈피 곡선은(60 바의 압력의 메탄, 35 바의 압력의 메탄, 및 35 바의 압력의 메탄/에탄 혼합물)은 S자 형상의 곡선을 따라 3 개의 영역을 갖는다. 약 -75℃를 초과하는 온도에서 가스가 냉각될 때, 약 -75℃를 초과하는 온도에서 가스는 과열방지되고, 약 -90℃ 미만의 온도에서 액체는 과냉된다. 이들 온도 사이에 가스가 액체로 응축되는 비교적 평평한 영역이 관찰된다. 60 바의 메탄 곡선에서, 가스는 임계 압력을 초과하므로, 임계 온도의 상측에는 오로지 하나의 상만이 존재하고, 그러나 그것의 비열은 임계 온도의 근처에서 크고, 임계 온도 미만에서 냉각 곡선은 더 낮은 압력(35 바) 곡선과 유사하다. 95% 메탄/5% 에탄을 위한 35 바의 곡선은 이슬점 및 포립점(bubble point)을 반올림하는 분순물의 효과를 도시한다.
냉동 공정은 천연 가스를 액화시키기 위해 필수적인 냉각을 공급하고, 이들 중 가장 효과적인 것은 이상적으로는 전체의 온도 범위를 통해 몇 도의 범위 내로 도 1의 냉각 곡선에 밀접하게 접근하는 가열 곡선을 갖는다. 그러나, 냉각 곡선의 S자 형상 및 큰 온도 범위로 인해, 이와 같은 냉동 공정은 설계하는 것이 어렵다. 순수 성분의 냉매 공정은 이것의 평평한 증기화 곡선으로 인해 2 상 영역 내에서 최상으로 작동한다. 다른 한편, 다성분 냉매 공정은 경사진 증기화 곡선을 갖고, 비과열(de-superheating) 영역 및 과냉 영역을 위해 더 적절하다. 양 유형의 공정 및 이들 2개의 하이브리드가 천연 가스의 액화를 위해 개발되었다.
캐스케이드(cascade)식 멀티레벨의 순수 성분 냉동 사이클은 초기에 프로필렌, 에틸렌, 메탄, 및 질소와 같은 냉매로 사용되었다. 충분한 레벨에서, 이와 같은 사이클은 도 1에 도시된 냉각 곡선에 접근하는 순 가열 곡선을 생성할 수 있다. 그러나, 레벨의 수가 증가함에 따라, 추가의 압축기 트레인(train)이 요구되고, 이것은 바람직하지 않게 기계적 복잡성을 증가시킨다. 더욱이, 순수 성분 냉매는 천연 가스 냉각 곡선을 따르는 대신 일정한 온도에서 증기화하고, 냉동 밸브는 액체를 증기로 비가역적으로 플래싱(flashing)하므로 이와 같은 공정은 열역학적으로 비효율적이다. 이러한 이유로, 혼합 냉매 공정은 자본 비용 및 에너지 소비를 감소시키기 위해, 그리고 운전성을 향상시키기 위해 호평을 받아왔다.
만 레이(Man ley)의 미국 특허 번호 5,746,066은 캐스케이드식 멀티레벨의 순수 성분 공정의 열역학적 비효율성을 제거하는 에틸렌 회수를 위한 캐스케이드식 멀티레벨의 혼합 냉매 공정을 설명하고 있다. 이것은, 냉매가 가스 냉각 곡선을 따라 상승하는 온도에서 증기화되고, 액체 냉매는 플래싱 전에 과냉각되므로 열역학적 비가역성을 감소시키기 때문이다. 순수 냉매 공정에 비해 더 적은 수의 냉매 사이클이 요구되므로 기계적 복잡성이 다소 감소된다. 예컨대, 뉴톤(Newton)의 미국 특허 번호 4,525,185; 리우(Liu) 등의 미국 특허 번호 4,545,795; 파라도스키(Paradowski) 등의 미국 특허 번호 4,689,063; 피셔(Fischer) 등의 미국 특허 번호 6,041,619; 및 스톤(Stone) 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2007/0227185 및 헐시(Hulsey) 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2007/0283718을 참조할 것.
이 캐스케이드식 멀티레벨의 혼합 냉매 공정은 공지된 가장 효율적인 공정 중의 하나이지만, 더 용이하게 작동시킬 수 있는 더 단순하고, 더 효율적인 공정이 요구된다.
단일의 냉동용 압축기를 필요로 하고, 또한 기계적 복잡성을 감소시키는 단일의 혼합 냉매 공정이 개발되었다. 예컨대, 스웬손(Swenson)의 미국 특허 번호 4,033,735를 참조할 것. 그러나, 주로 2 가지 이유로, 이러한 공정은 위에서 논의된 캐스케이드식 멀티레벨의 혼합 냉매 공정보다 다소 많은 전력을 소비한다.
첫째, 전형적인 천연 가스 냉각 곡선에 밀접하게 접근하는 순 가열 곡선을 생성하는 단일의 혼합 냉매 조성을 발견하는 것이 불가능하지는 않더라도 어렵다. 이와 같은 냉매는 비등 온도가 상 평형에 의해 열역학적으로 제한되는 다양한 비교적 높은 비점의 성분 및 낮은 비점의 성분을 필요로 한다. 더 높은 비점의 성분은 저온에서의 동결을 방지하기 위해 더 제한된다. 바람직하지 않은 결과는 냉각 공정 내의 다수의 점에서 비교적 큰 온도 차가 필연적으로 발생하는 것이고, 이것은 전력 소비의 면에서 비효율적이다.
둘째, 단일의 혼합 냉매 공정에서, 더 높은 비점의 성분이 공정의 더 온난한 말기에서만 냉동을 제공함에도 불구하고, 냉매 성분의 전부는 최저 온도까지 운반된다. 바람직하지 않은 결과는 더 낮은 온도에서 "불활성"인 성분을 냉각 및 재가열하기 위해 에너지가 소비되어야하는 것이다. 캐스케이드식 멀티레벨의 순수 성분 냉동 공정 또는 캐스케이드식 멀티레벨의 혼합 냉매 공정에서는 그렇지 않다.
이러한 둘째의 비효율을 완화시키기 위해, 또한 첫째의 문제에 대처하기 위해, 단일의 혼합 냉매로부터 더 무거운 획분(fraction)을 분리시키고, 냉동의 더 높은 온도 레벨에서 이 더 무거운 획분을 사용하고, 다음에 후속의 압축을 위해 더 가벼운 획분과 더 무거운 획분을 재혼합시키는 다수의 해결책이 개발되었다. 예컨대, 포드비엘니액(Podbielniak)의 미국 특허 번호 2,041,725; 퍼렛(Perret)의 미국 특허 번호 3,364,685; 사르스텐(Sarsten)의 미국 특허 번호 4,057,972; 캐리어(Carrier) 등의 미국 특허 번호 4,274,849; 팬(Fan) 등의 미국 특허 번호 4,901,533; 우에노(Ueno) 등의 미국 특허 번호 5,644,931; 우에노 등의 미국 특허 번호 5,813,250; 아만(Arman) 등의 미국 특허 번호 6,065,305; 로버츠(Roberts) 등의 미국 특허 번호 6,347,531; 및 슈미트(Schmidt)의 미국 특허 출원 공개 번호 2009/0205366을 참조할 것. 면밀한 설계에 의해, 비평형에서 흐름의 재혼합이 열역학적으로 비효율적임에도 불구하고 이들 공정은 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 이것은 가벼운 획분 및 무거운 획분이 고압에서 분리되고, 다음에 저압에서 재혼합되어 단일의 압축기 내에서 함께 압축될 수 있기 때문이다. 일반적으로, 흐름이 평형에서 분리되고, 별도로 처리되고, 다음에 비평형 상태에서 재혼합되는 경우, 열역학적 손실이 발생하고, 이것은 궁극적으로 전력 소비를 증가시킨다. 그러므로 이와 같은 분리의 수는 감소되어야 한다. 이들 공정의 모두는 더 가벼운 획분으로부터 더 무거운 획분을 분리시키기 위해 냉동 공정의 다양한 장소에서 단순한 증기/액체 평형을 사용한다.
그러나, 단순한 일단계 증기/액체 평형 분리는 환류를 구비하는 다중 평형 단계를 사용하는 것과 동일한 정도로 획분을 농축시킬 수 없다. 농축이 더 크면 클 수록 특정의 온도 범위에 걸쳐 냉동을 제공하는 조성물을 분리시키는 정밀도가 더 커질 수 있다. 이것은 전형적 가스 냉각 곡선을 따르는 공정 성능을 향상시킨다. 기오티어(Giauthier)의 미국 특허 번호 4,586,942 및 스토크만(Stockmann) 등의 미국 특허 번호 6,334,334(후자는 LIMUM®3 공정으로서 출시됨)는 상이한 온도 구역에서 냉동을 위해 사용된 분리된 획분을 더 농축시키고, 따라서 전체 공정의 열역학적 효율을 향상시키기 위해 상기 주위의 압축기 트레인에서 분획화(fractionation)를 채용할 수 있는 방법을 설명하고 있다. 획분을 농축시키고 이것의 증기화의 온도 범위를 감소시키기 위한 두 번째 이유는 이것이 공정의 냉동부를 벗어나는 경우에 완전히 증기화되도록 보장하기 위한 것이다. 이것은 냉매의 잠열을 최대한 이용하고, 하류의 압축기로의 액체의 혼입을 배제한다. 이러한 동일한 이유로, 무거운 획분 액체는 통상적으로 공정의 일부로서 냉매의 더 가벼운 획분 내에 재주입된다. 무거운 획분의 분획화는 재주입 시의 플래싱을 감소시키고, 2상 유체의 기계적 분산을 향상시킨다.
스톤(Stone) 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2007/0227185에 예시되어 있는 바와 같이, 공정의 냉동부로부터 부분적으로 증기화된 냉동 흐름을 제거하는 것이 공지되어 있다. 스톤 등은 이것을 2개의 별개의 혼합 냉매를 필요로 하는 캐스케이드식 멀티레벨의 혼합 냉매 공정에 관련하여(열역학적 이유가 아닌) 기계적 이유로 실시하였다. 부분적으로 증기화된 냉동 흐름은 압축 직전에 이것의 사전에 분리된 증기 획분과의 재혼합 시에 완전히 증기화된다.
무거운 획분이 주 열교환기를 벗어날 때 완전히 증기화되지 않는 경우에, 무거운 획분의 단순한 평형 분리가 혼합 냉매 공정 효율을 상당히 향상시키는 것이 발견된 다중-흐름식 혼합 냉매 시스템이 공지되어 있다. 예컨대, 구스하나스(Gushanas) 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2011/0226008을 참조할 것. 액체 냉매가 압축기의 흡인부에 존재하는 경우, 사전에 분리되어야 하고, 경우에 따라 더 높은 압력으로 펌핑되어야 한다. 액체 냉매가 냉매의 증기화된 더 가벼운 획분과 혼합되는 경우, 압축기의 흡인 가스는 냉각되고, 이것은 요구되는 전력을 더 감소시켜 준다. 냉매의 무거운 성분은 열교환기의 저온 단부에 닿지 않도록 유지되고, 이것은 냉매 동결의 가능성을 감소시킨다. 또한, 중간 단계 중에 무거운 획분의 평형 분리는 제 2 단계 또는 더 높은 단계의 압축기(들) 상의 부하를 감소시키고, 이것은 공정 효율을 향상시킨다. 독립적인 예냉각(pre-cool) 냉동 루프에서 무거운 획분을 사용하면, 열교환기의 난온 단부(warm end)에서 가열/냉각 곡선이 거의 종료될 수 있고, 이것은 더 효율적 냉동을 유도한다.
"저온 증기" 분리는 고압 증기를 액체 흐름 및 증기 흐름으로 분획(fractionating)시키기 위해 사용되어 왔다. 예컨대, 위에서 논의된 스토크만 등의 미국 특허 번호 6,334,334; "중국의 최신 LNG 기술"(Lange, M., 2010년 10월 14일, 5차 아시아 LNG 수뇌회담); "극저온 혼합 냉매 공정"(International Cryogenics Monograph Series, Venkatarathnam, G., Springer, pp 199-205); 및 "상이한 작동 조건 하에서의 중간 규모의 LNG 공정의 효율"(Bauer, H., Linde Engineering)을 참조할 것. 에어 프러덕츠사(Air Products)에 의해 AP-SMR™ LNG 공정으로서 출시된 다른 공정에서는 "난온"의 혼합 냉매 증기가 저온 혼합 냉매 흐름 및 증기 흐름으로 분리된다. 예컨대, "미래의 LNG 플랜트 및 플로팅 LNG 설비를 위한 천연 가스 액화 기술의 기술혁신"(International Gas Union Research Conference 2011, Bukowski, J. et al.)을 참조할 것. 이러한 공정에서, 이와 같이 분리된 저온 액체는 단독으로 중온(middle temperature) 냉매로서 사용되고, 공통의 복귀 흐름과 합류되기 전에 이와 같이 분리된 저온 증기로부터 분리된 상태로 유지된다. 저온 액체 흐름 및 증기 흐름은 다른 복귀 냉매와 함께 캐스케이드를 통해 재혼합되고, 열교환기의 저부로부터 함께 배출된다.
위에서 논의된 증기 분리 시스템에서, 저온 증기 분리기 내의 액체를 부분적으로 응축시키기 위해 사용되는 난온 냉동(warm temperature refrigeration)은 고압 어큐뮬레이터로부터의 액체 의해 제공된다. 본 발명자들은 더 높은 압력 및 이상적 온도 미만의 온도를 필요로 한다는 것을 발견하였고, 이들 모두는 바람직하지 않게도 작동 중에 더 많은 전력을 소모한다.
다단계의 혼합 냉매 시스템임에도 저온 증기 분리를 사용하는 다른 공정은 코스테인 오일(Costain Oi)의 영국 특허 번호 2,326,464에 설명되어 있다. 이러한 시스템에서, 별개의 환류 열교환기로부터의 증기는 액체 흐름 및 증기 흐름으로 부분적으로 응축 및 분리된다. 이와 같이 분리된 액체 흐름 및 증기 흐름은 저압 복귀 흐름에서 재합류되기 전에 냉각되고, 독립적으로 플래싱된다. 다음에, 저압 복귀 흐름은 주 열교환기로부터 배출되기 전에 전술한 환류 열교환기로부터의 과냉각 및 플래싱된 액체와 혼합되고, 다음에 압축기 단계들 사이에 설치된 분리 드럼에 의해 제공되는 과냉각 및 플래싱된 액체와 더 혼합된다. 이 시스템에서, "저온 증기" 분리된 액체와 전술한 환류 열교환기로부터의 액체는 저압 복귀 흐름에 합류되기 전에 혼합되지 않는다. 즉, 이들은 저압 복귀 흐름과 독립적으로 합류하기 전에는 분리된 상태를 유지한다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명자들은 특히 고압 어큐뮬레이터로부터 얻어지는 액체와 저온 증기 분리된 액체를 이들이 복귀 흐름에 합류되기 전에 혼합시킴으로써 전력 소비가 상당히 감소될 수 있음을 발견하였다.
본 명세서에 설명된 실시형태에 따르면, 저온 증기 분리는 고압 분리로부터 얻어지는 응축된 증기를 저온 액체 획분 및 저온 증기 획분으로 분획시키기 위해 사용된다. 저온 증기 획분은 저온 냉매로서 사용될 수 있으나, 효율은 저온 액체 획분이 고압 어큐뮬레이터 분리로부터 얻어지는 액체와 혼합될 때 얻어질 수 있고, 얻어지는 조합물은 중온 냉매로서 사용된다.
본 명세서의 실시형태에서, 저온 분리기 액체와 고압 어큐뮬레이터 액체로부터 형성되는 중온 냉매는 중온 냉매가 주 냉동 통로(primary refrigeration passage) 내에 도입되는 대략의 지점에서 공급물 가스(천연 가스인 경우)를 액체 천연 가스(LNG)로 실질적으로 응축시키도록 적절한 온도 및 양을 제공한다. 반면에 저온 분리기 증기로부터 생성되는 저온 냉매는 이와 같이 응축된 LNG를 원하는 최종 온도로 과냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 본 발명자들은 이와 같은 공정은 최소의 추가 자본 비용으로 전력 소비를 10%만큼 감소시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다.
본 명세서의 실시형태에서, LNG와 같은 가스를 냉각시키기 위한 열교환 시스템 및 공정은 실질적으로 복귀 냉매의 이슬점에서 작동될 수 있다. 본 시스템 및 공정을 사용하면, 액체 냉각제를 순환시키기 위해 압축 측 상에서 요구되는 펌핑이 방지되거나 최소화되므로 상당한 절감이 달성된다. 복귀 냉매의 이슬점에서 열교환 시스템을 작동시키는 것이 바람직할 수는 있다고 하더라도 종래에는 실제로 그렇게 효율적으로 실시하는 것이 곤란하였다.
본 명세서의 실시형태에서, 저온 증기 분리기 내의 액체를 부분적으로 응축시키기 위해 사용되는 난온 냉동의 상당 부분은 최종 분리 또는 고압 분리에 의해서가 아닌 중간 단계 분리에 의해 생성된다. 본 발명자들은, 단간 분리 액체(interstage separation liquid)가 더 낮은 압력에서 생성되고, 또한 단간 분리 액체가 고압 분리로부터 얻어지는 증기를 부분적으로 응축시키기 위해 이상적 온도에서 작동하기 때문에, 난온 냉동을 제공하기 위해 고압 축적 액체보다 단간 분리 액체를 사용하는 것이 전력 소비를 감소시킨다는 것을 밝혀냈다.
추가의 장점은, 본 명세서의 실시형태에서와 같이, 단간 분리 중에 무거운 획분의 평형 분리는 또한 제 2 단계 또는 더 높은 단계의 압축기 상에 미치는 부하를 감소시키고, 이것은 공정 효율을 더 향상시킨다는 것이다.
일 실시형태는 혼합 냉매를 이용하여 유체를 냉각시키기 위한 열교환기에 관한 것으로서, 이 열교환기는,
난온 단부(warm end)(1) 및 저온 단부(cold end)(2);
상기 난온 단부에 배치되며 공급물 유체를 수용하도록 구성된 유입구, 및 상기 저온 단부에 배치된 생성물 유출구를 갖는 공급물 유체 냉각 통로(162)로서, 상기 생성물 유출구를 통해 생성물이 상기 공급물 유체 냉각 통로로부터 배출되는, 상기 공급물 유체 냉각 통로(162);
상기 저온 단부에 배치되며 저온 냉매 흐름(122)을 수용하도록 구성된 유입구, 상기 난온 단부에 배치되는 냉매 복귀 흐름 유출구, 및 중온(middle temperature) 냉매 흐름(148)을 수용하도록 구성되며 상기 저온 냉매 흐름 유입구와 상기 냉매 복귀 흐름 유출구 사이에 위치되는 유입구를 갖는 주 냉동 통로(104 또는 204)로서, 상기 냉매 복귀 흐름 유출구를 통해 증기상 또는 혼합상의 냉매 복귀 흐름이 상기 주 냉동 통로로부터 배출되는, 상기 주 냉동 통로(104 또는 204);
상기 난온 단부에서 고압 증기 흐름(34)을 수용하도록, 그리고 상기 고압 증기 흐름(34)을 냉각시켜서 혼합상의 저온 분리기 공급물 흐름(164)을 형성하도록 구성된 고압 증기 통로(166)로서, 상기 고압 증기 통로(166)는 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하는 유출구를 포함하고, 상기 저온 증기 분리기(VD4)는 상기 저온 분리기 공급물 흐름(164)을 저온 분리기 증기 흐름(160) 및 저온 분리기 액체 흐름(156)으로 분리하도록 구성되는, 상기 고압 증기 통로(166);
상기 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하며, 상기 저온 분리기 증기 흐름(160)을 응축 및 플래싱하여 상기 저온 냉매 흐름(122)을 형성하도록 구성된 유입구, 및 상기 저온 단부에 있는 상기 주 냉동 통로의 유입구와 연통하는 유출구를 갖는 저온 분리기 증기 통로;
상기 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하며 상기 저온 분리기 액체 흐름을 과냉각(subcool)하도록 구성된 유입구, 및 중온 냉매 통로와 연통하는 유출구를 갖는 저온 분리기 액체 통로;
상기 난온 단부에서 중비점(mid-boiling) 냉매 액체 흐름(38)을 수용하도록, 그리고 상기 중비점 냉각 액체 흐름을 냉각시켜서 과냉각 냉매 액체 흐름(124)을 형성하도록 구성되며, 상기 중온 냉매 통로와 연통하는 유출구를 갖는 고압 액체 통로(136); 및
과냉각 저온 분리기 액체 흐름(128)과 과냉각 냉매 액체 흐름(124)을 수용하고 이들 흐름을 혼합하여, 중온 냉매 흐름(148)을 형성하도록 구성되며, 상기 중온 냉매 흐름(148)을 수용하도록 구성된 상기 주 냉동 통로의 유입구와 연통하는 유출구를 갖는 중온 냉매 통로를 포함한다.
일 실시형태는 유체를 냉각시키는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은,
제 1 항의 열교환기 내에서 공급물 유체와 순환하는 혼합 냉매를 열적으로 접촉시켜서, 냉각된 생성물 유체를 얻는 단계를 포함하고, 상기 순환하는 혼합 냉매는 2개 이상의 C1-C5 탄화수소와 선택적으로 N2를 포함한다.
일 실시형태는 열교환기 내에서 혼합 냉매를 순환시키기 위한 압축 시스템에 관한 것으로서, 이 압축 시스템은,
저압 혼합 냉매 복귀 흐름(102/202)을 수용하기 위한 유입구 및 증기 유출구(14)을 포함하는 흡인 분리 장치(VD1);
상기 증기 유출구(14)와 유체 연통되고, 압축 유체 흐름(18)을 제공하기 위한 압축 유체 유출구를 갖는 압축기(16);
선택적으로, 상기 압축 유체 유출구 및 압축 유체 흐름(18)과 유체 연통되는 유입구 및 냉각 유체 흐름(22)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 애프터쿨러(aftercooler; 20);
선택적으로, 상기 애프터쿨러의 유출구 및 냉각 유체 흐름(22)과 유체 연통되는 유입구, 증기 흐름(24)을 제공하기 위한 증기 유출구, 및 고비점(high-boiling) 냉매 액체 흐름(48)을 제공하기 위한 액체 유출구를 갖는 단간 분리 장치(interstage separation device)(VD2);
상기 단간 분리 장치의 증기 유출구 및 증기 흐름(24)과 유체 연통되는 유입구 및 압축 유체 흐름(28)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 압축기(26);
선택적으로, 상기 압축 유체 흐름(28)과 유체 연통되는 유입구 및 고압 혼합상 흐름(32)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 애프터쿨러(30);
상기 고압 혼합상 흐름(32)과 유체 연통되는 유입구, 고압 증기 흐름(34)을 제공하기 위한 증기 유출구, 및 중비점 냉매 액체 흐름(36)을 제공하기 위한 액체 유출구를 갖는 어큐뮬레이터 분리 장치(accumulator separation device)(VD3);
선택적으로, 상기 중비점 냉매 액체 흐름(36)을 수용하기 위한 유입구, 중비점 냉매 액체 흐름(38)을 제공하기 위한 유출구, 및 선택적으로, 유체 흐름(40)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 분할 교차로(splitting intersection); 및
선택적으로, 상기 유체 흐름(40)과 유체 연통되는 유입구 및 냉각 유체 흐름(44)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 팽창 장치(42)를 포함하고,
상기 단간 분리 장치(VD2)는 상기 유체 흐름(44)을 수용하기 위한 유입구를 선택적으로 더 포함하고,
상기 분할 교차로가 존재하지 않는 경우, 상기 중비점 냉매 액체 흐름(36)은 상기 중비점 냉매 액체 흐름(38)과 직접 유체 연통된다.
일 실시형태는 유체를 냉각시키기 위한 시스템에 관한 것으로서, 이 시스템은 본 명세서에서 설명되는 임의의 열교환기와 임의의 압축 시스템을 연통 상태로 포함한다.
일 실시형태는 유체를 냉각시키는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은,
본 명세서에 기재된 하나 이상의 압축 시스템 내에서 공급물 유체와 순환하는 혼합 냉매를 열적으로 접촉시켜서, 냉각된 생성물 유체를 얻는 단계를 포함하고, 상기 순환하는 혼합 냉매는 2개 이상의 C1-C5 탄화수소와 선택적으로 N2를 포함한다.
일 실시형태는 공급물 유체를 냉각시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 방법은,
2개 이상의 C1-C5 탄화수소와 선택적으로 N2를 포함하는 고압 혼합 냉매 흐름을 분리시켜서, 고압 증기 흐름 및 중비점 냉매 액체 흐름을 형성하는 단계;
열교환기 내에서 상기 고압 증기를 냉각시켜서 혼합상 흐름을 형성하는 단계;
상기 혼합상 흐름을 저온 증기 분리기(VD4)로 분리시켜서, 저온 분리기 증기 흐름 및 저온 분리기 액체 흐름을 형성하는 단계;
상기 저온 분리기 증기 흐름을 응축하고 플래싱하여, 저온 냉매 흐름을 형성하는 단계;
상기 열교환기 내에서 상기 중비점 냉매 액체를 냉각시켜서, 과냉각 중비점 냉매 액체 흐름을 형성하는 단계;
상기 저온 분리기 액체 흐름을 과냉각시켜서 과냉각 저온 분리기 액체 흐름을 형성하고, 상기 과냉각 중비점 냉매 액체 흐름과 혼합하여 중온 냉매 흐름을 형성하는 단계;
상기 중온 냉매 흐름과 상기 저압 혼합상 흐름을 혼합하고 온난화(warming)시켜서, 탄화수소 및 선택적인 N2를 포함하는 증기 냉매 복귀 흐름을 형성하는 단계; 및
상기 공급물 유체와 상기 열교환기를 열적으로 접촉시켜서, 냉각된 공급물 유체를 형성하는 단계를 포함한다.
도 1은 메탄 및 메탄-에탄 혼합물의 온도-엔탈피 곡선의 그래프이다.
도 2는 본 발명의 공정 및 시스템의 일 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 공정 및 시스템의 제 2 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 공정 및 시스템의 제 3 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 공정 및 시스템의 제 4 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 공정 및 시스템의 제 5 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 공정 및 시스템의 제 6 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 공정 및 시스템의 제 7 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 공정 및 시스템의 제 8 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 공정 및 시스템의 제 9 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 공정 및 시스템의 제 10 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 공정 및 시스템의 제 11 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도이다.
표 1a 내지 표 1e 및 표 2a 내지 표 2f는 도 6 및 도 7에 각각 관련되는 본 발명의 수 개의 실시형태의 흐름 데이터이다.
다중-흐름 열교환기의 일 실시형태를 개략적으로 도시하는 공정 흐름도가 도 2에 제공되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시형태는 난온 단부(1) 및 저온 단부(2)를 갖는 다중-흐름 열교환기(170)를 포함한다. 열교환기는 이 열교환기 내의 냉동 흐름에 의한 열교환을 통한 열의 제거를 통해 냉각 통로(162) 내에서 냉각 및/또는 액화되는 고압 천연 가스 공급물 흐름과 같은 공급물 유체 흐름을 수용한다. 그 결과, 액체 천연 가스와 같은 생성물 유체의 흐름이 생성된다. 열교환기의 다중-흐름 설계에 의하면, 다수의 흐름을 단일의 열교환기 내에서 편리하고 에너지-효율적으로 통합할 수 있다. 적절한 열교환기는 미국 텍사스주 우드랜드의 차트 에너지 앤드 케미칼즈 사(Chart Energy & Chemicals, Inc.)로부터 구입할 수 있다. 차트 에너지 앤드 케미칼즈 사로부터 입수할 수 있는 플레이트 앤드 핀형 다중-흐름 열교환기는 물리적으로 콤팩트하다는 추가의 이점을 제공한다.
일 실시형태에서, 도 2를 참조하면, 공급물 유체 냉각 통로(162)는 난온 단부(1)에 있는 유입구 및 저온 단부(2)에 있는 생성물 유출구를 포함하고, 이 생성물 유출구를 통해 생성물이 공급물 유체 냉각 통로(162)로부터 배출된다. 주 냉동 통로(104)(또는 204, 도 3 참조)는 저온 단부에 배치되며 저온 냉매 흐름(122)을 수용하기 위한 유입구, 난온 단부에 배치된 냉매 복귀 흐름 유출구, 및 중온 냉매 흐름(148)을 수용하도록 구성된 유입구를 갖는데, 냉매 복귀 흐름 유출구를 통해 증기 냉매 복귀 흐름(104A)이 주 냉동 통로(104)로부터 배출된다. 열교환기에 있어서, 후자의 유입구에서, 주 냉동 통로(104/204)는 중온 냉매 통로(148)에 의해 연결되고, 여기서 저온 냉매 흐름(122)과 중온 냉매 흐름(148)이 혼합된다. 일 실시형태에서, 중온 냉매 흐름과 저온 냉매 흐름의 혼합은 열교환기 내에서 개략적으로 이들이 혼합되는 점으로부터 냉매 유동의 방향으로 주 냉매 유출구를 향해 하류측에 중온 구역을 형성한다.
본 명세서에서 통로와 흐름은 양자 모두 경우에 따라 도면에 표기된 동일한 도면부호에 의해 지칭된다는 것에 유의해야 한다. 또한, 열교환기는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 그리고 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 상이한 온도의 2개 이상의 흐름들 사이, 또는 흐름과 환경 사이에서 간접적인 열교환이 일어나는 장치 또는 이 장치 내의 영역이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "연통(communication)", "연통하는(communicating)" 등은 일반적으로 달리 규정되지 않는 한 유체 연통을 말한다. 그리고 비록 연통 상태에 있는 2개의 유체가 혼합시에 열을 교환할 수 있으나, 이와 같은 열교환이 열교환기 내에서 발생할 수 있더라도, 그러한 열교환은 열교환기 내에서의 열교환과 동일한 것으로 간주되지 않을 수 있다. 열교환 시스템은, 비록 구체적으로 설명되지 않았으나, 팽창 장치, 플래시 밸브(flash valve) 등과 같은 열교환기의 부품으로 본 기술분야에 일반적으로 공지된 물품들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "~의 압력 감소"는 상변화를 수반하지 않는 반면에, 용어 "플래싱"은 아주 부분적인 상변화라도 포함하는 상변화를 수반한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "고(high)", "중(middle)", "난(warm)" 등은 본 기술분야에서 관습적인 바와 같이 비교 가능한 흐름들에 관한 것이다. 표 1a 내지 표 1e 및 표 2a 내지 표 2f는 지침으로서의 예시적 값을 제시하고, 이들은 달리 규정되지 않는 한 제한적인 의도는 아니다.
일 실시형태에서, 열교환기는 난온 단부에서 고압 증기 흐름(34)을 수용하도록, 그리고 고압 증기 흐름(34)을 냉각시켜서 혼합상의 저온 분리기 공급물 흐름(164)을 형성하도록 구성된 고압 증기 통로(166)를 포함하는데, 고압 증기 통로(166)는 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하는 유출구를 포함하고, 저온 증기 분리기(VD4)는 저온 분리기 공급물 흐름(164)을 저온 분리기 증기 흐름(160)과 저온 분리기 액체 흐름(156)으로 분리하도록 구성된다. 일 실시형태에서, 고압 증기 흐름(34)은 압축측의 고압 어큐뮬레이터 분리 장치로부터 수용된다.
일 실시형태에서, 본 열교환기는 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하는 유입구를 갖는 저온 분리기 증기 통로를 포함한다. 저온 분리기 증기는 통로(168)에서 냉각되어 액체 흐름(112)으로 응축되고, 이어서, 팽창 밸브(114)에 의해 플래싱되어 저온 냉매 흐름(122)을 형성한다. 저온 냉매 흐름(122)은 그 후에 주 냉동 통로의 저온 단부에 유입된다. 일 실시형태에서, 저온 냉매는 혼합상이다.
일 실시형태에서, 저온 분리기 액체(156)는 통로(157)에서 냉각되어 과냉각 저온 분리기 액체(128)를 형성한다. 이 흐름은 이하에서 논의되는 과냉각 중비점 냉매 액체(124)와 혼합될 수 있고, 이렇게 혼합됨으로써, 144에서 플래싱되어, 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 중온 냉매(148)를 형성한다. 일 실시형태에서, 중온 냉매는 혼합상이다.
일 실시형태에서, 열교환기는 고압 액체 통로(136)를 포함한다. 일 실시형태에서, 고압 액체 통로는 압축측의 고압 어큐뮬레이터 분리 장치로부터 고압 액체(38)를 수용한다. 일 실시형태에서, 고압 액체(38)는 중비점 냉매 액체 흐름이다. 고압 액체 흐름은 난온 단부에 유입되고, 과냉각 냉매 액체 흐름(124)을 형성하도록 냉각된다. 위에서 언급된 바와 같이, 과냉각 저온 분리기 액체 흐름(128)은 과냉각 냉매 액체 흐름(124)과 혼합되어 중온 냉매 흐름(148)을 형성한다. 일 실시형태에서, 냉매 액체(124, 128) 중 하나 또는 양자 모두는 팽창 밸브(126 및 130)에서 독립적으로 플래싱될 수 있고, 그 후 도 4의 실시예에서 도시된 바와 같이 중온 냉매(148)로 혼합된다.
일 실시형태에서, 이렇게 혼합된 저온 냉매(122)와 중온 냉매(148)는 주 냉동 통로(104) 내에 냉동(refrigeration)을 제공하고, 여기서 이들은 증기상 또는 혼합상의 냉매 복귀 흐름(104A/102)으로서 배출된다. 일 실시형태에서, 이들은 증기 냉매 복귀 흐름(104A/102)으로서 배출된다. 일 실시형태에서, 이 증기는 과열 증기 냉매 복귀 흐름이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 열교환기는 난온 단부에서 고비점 냉매 액체 흐름(48)을 수용하도록 구성된 예냉각 통로를 더 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 고비점 냉매 액체 흐름(48)은 압축측의 압축기들 사이의 단간 분리 장치에 의해 제공된다. 고비점 액체 냉매 흐름(48)은 예냉각 액체 통로(138) 내에서 냉각되어 과냉각 고비점 액체 냉매(140)를 형성한다. 다음에, 과냉각 고비점 액체 냉매(140)는 팽창 장치(142)에서 플래싱되거나 압력 감소되어, 난온 냉매 흐름(158)을 형성하며, 이 난온 냉매 흐름(158)은 증기와 액체의 혼합상 또는 액체상일 수 있다.
일 실시형태에서, 난온 냉매 흐름(158)은 냉각을 제공하는 예냉각 냉동 통로(108) 내로 유입된다. 일 실시형태에서, 예냉각 냉동 통로(108)는, 예컨대, 고압 증기(34)를 냉각 및 응축시켜 혼합상의 저온 분리기 공급물 흐름(164)을 형성하기 위해 고압 증기 통로(166)에 실질적인 냉각을 제공한다.
일 실시형태에서, 난온 냉매 흐름은 증기상 또는 혼합상의 난온 냉매 복귀 흐름(108A)으로서 예냉각 냉동 통로(108)로부터 배출된다. 일 실시형태에서, 난온 냉매 복귀 흐름(108A)은 도 8에 도시된 바와 같이 단독으로, 또는 냉매 복귀 흐름(104A)과 혼합되어 복귀 흐름(102)을 형성하여 압축측으로 복귀한다. 복귀 흐름(108A, 104A)은 혼합되는 경우 혼합 장치에 의해 혼합될 수 있다. 비제한적 혼합 장치의 예는 정적 혼합기, 파이프 세그먼트, 열교환기의 헤더(header), 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다.
일 실시형태에서, 난온 냉매 흐름(158)은 예냉각 냉동 통로(108)로 유입되는 대신, 도 3에 도시된 바와 같이, 주 냉동 통로(204)에 도입된다. 주 냉매 통로(204)는, 중온 냉매(148)가 주 냉동 통로 내에 유입되는 지점의 하류측이면서, 복귀 냉매 흐름(2)을 위한 유출구의 상류측에 유입구를 포함한다. 중온 냉매 흐름(148)과 사전에 혼합된 저온 냉매 흐름(122) 및 난온 냉매 흐름(158)은 대응하는 영역, 예컨대, 주 냉동 통로(204) 내의 난온 냉매(158)의 도입 지점과 냉매 복귀 흐름 유출구 사이에 난온 냉동(warm temperature refrigeration)을 제공하도록 혼합된다. 이러한 예는 도 3의 열교환기(270)에 도시되어 있다. 혼합된 냉매(122, 148, 158)는 혼합상 또는 증기상일 수 있는 혼합 복귀 냉매 흐름(202)으로서 배출된다. 일 실시형태에서, 주 냉동 통로(204)로부터의 냉매 복귀 흐름은 증기상 복귀 흐름(202)이다.
도 5는 위에서 논의된 도 4와 마찬가지로 중온 냉매 흐름(148)을 형성하기 위해 과냉각 저온 분리기 액체 흐름(128)과 과냉각 냉매 액체 흐름(124)을 혼합시키기 위한 대안적 구성을 도시한다. 일 실시형태에서, 냉매 액체(124, 128) 중 하나 또는 양자 모두는 팽창 밸브(126 및 130)에서 독립적으로 플래싱될 수 있고, 그 후 중온 냉매(148)로 혼합된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 개략적으로 172로 표시된 압축 시스템의 실시형태가 170으로 예시된 열교환기와 조합하여 도시되어 있다. 일 실시형태에서, 압축 시스템은 열교환기 내에서 혼합 냉매를 순환시키기에 적합하다. 저압 복귀 냉매 흐름(102)(또는 비록 도시되어 있지 않으나, 202)을 수용하기 위한 유입구 및 증기 유출구(14)를 갖는 흡인 분리 장치(VD1)가 도시되어 있다. 압축기(16)는 증기 유출구(14)와 유체 연통되어 있으며, 압축 유체 흐름(18)을 제공하기 위한 압축 유체 유출구를 포함한다. 압축 유체 흐름(18)을 냉각시키기 위한 선택적인 애프터쿨러(20)가 도시되어 있다. 애프터쿨러(20)는, 존재하는 경우, 단간 분리 장치(VD2)에 냉각 유체 흐름(22)을 제공한다. 단간 분리 장치(VD2)는 제 2 단계 압축기(26)에 증기 흐름(24)을 제공하기 위한 증기 유출구 및 또한 열교환기에 액체 흐름(48)을 제공하기 위한 액체 유출구를 갖는다. 일 실시형태에서, 액체 흐름(48)은 고비점 냉매 액체 흐름이다.
증기 흐름(24)은 단간 분리 장치(VD2)와 연통하는 유입구를 통해 압축기(26)에 제공되고, 압축기(26)는 증기(24)를 압축시켜 압축 유체 흐름(28)을 제공한다. 선택적인 애프터쿨러(30)는, 존재하는 경우, 어큐뮬레이터 분리 장치(VD3)에 고압 혼합상 흐름(32)을 제공하기 위해 압축 유체 흐름(28)을 냉각시킨다. 어큐뮬레이터 분리 장치(VD3)는 고압 혼합상 흐름(32)을 고압 증기 흐름(34)과 고압 액체 흐름(36)으로 분리시키는데, 고압 액체 흐름(36)은 중비점 냉매 액체 흐름일 수 있다. 일 실시형태에서, 고압 증기 흐름(34)은 열교환기의 고압 증기 통로에 이송된다.
선택적인 분할 교차로가 도시되어 있는데, 이 분할 교차로는 어큐뮬레이터 분리 장치(VD3)로부터 중-고압 액체 흐름(36)을 수용하기 위한 유입구, 열교환기에 중비점 냉매 액체 흐름(38)을 제공하기 위한 유출구, 및 단간 분리 장치(VD2)에 역으로 유체 흐름(40)을 제공하기 위한 선택적인 유출구를 갖는다. 유체 흐름(40)을 위한 선택적인 팽창 장치(42)가 도시되어 있는데, 이것은 존재하는 경우 단간 분리 장치에 팽창된 냉각 유체 흐름(44)을 제공하고, 단간 분리 장치(VD2)는 선택적으로 유체 흐름(44)을 수용하기 위한 유입구를 더 포함한다. 분할 교차로가 존재하지 않는 경우, 중비점 냉매 액체 흐름(36)은 중비점 냉매 액체 흐름(38)과 직접 유체 연통된다.
도 7은 저압 액체 냉매 흐름(14l)을 펌핑하기 위한 선택적인 펌프(P)를 더 포함하고, 일 실시형태에서 저압 액체 냉매 흐름(14l)의 온도는 중간 압력으로 펌핑하기 위한 흡인 분리 장치(VD1)보다 앞서 냉매 복귀 흐름(108A)과 냉매 복귀 흐름(104A)의 혼합의 플래싱 냉각 효과에 의해 강하되었다. 위에서 설명한 바와 같이, 펌프로부터의 유출 흐름(18l)은 단간 드럼(VD2)으로 진행한다.
도 8은 흡인 분리 장치(VD1)로 복귀하는 상이한 냉매 복귀 흐름들의 예를 도시한다. 도 9는 천연 가스 액체 회수 또는 질소 제거 등과 같은 외부의 공급물 처리를 위한 공급물 유체 유출구 및 유입구(162A, 162B)를 포함하는 다수의 실시형태를 도시한다.
일 실시형태에서, 열교환기는 공급물 유체 냉각 통로와 독립적으로 연통하며 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성된 외부 처리부, 전처리부, 후처리부, 통합 처리부 또는 이들의 조합 중 하나 이상의 처리부를 포함한다. 외부 처리부, 전처리부 및 후처리부의 각각은 탈황, 탈수, CO2의 제거, 하나 이상의 천연 가스 액체(NGL)의 제거, 하나 이상의 동결 성분의 제거, 에탄의 제거, 하나 이상의 올레핀의 제거, 하나 이상의 C6 탄화수소의 제거, 하나 이상의 C6+ 탄화수소의 제거, 생성물로부터의 N2의 제거를 독립적으로 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 열교환기는, 공급물 유체 냉각 통로(162)와 연통하고, 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성되며, 탈황, 탈수, CO2의 제거, 하나 이상의 천연 가스 액체(NGL)의 제거, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 전처리부를 포함한다.
일 실시형태에서, 열교환기는, 공급물 유체 냉각 통로(162)와 연통하고, 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성되며, 하나 이상의 천연 가스 액체(NGL)의 제거, 하나 이상의 동결 성분의 제거, 에탄의 제거, 하나 이상의 올레핀의 제거, 하나 이상의 C6 탄화수소의 제거, 하나 이상의 C6+ 탄화수소의 제거 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 외부 처리부를 포함한다.
일 실시형태에서, 열교환기는, 공급물 유체 냉각 통로(162)와 연통하고, 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성되며, 생성물로부터의 N2의 제거를 포함하는 하나 이상의 후처리부를 포함한다.
더욱이, 본 시스템 및 방법이 천연 가스의 액화의 관점에서 이하에 설명되지만, 이들은 공기 또는 질소를 포함하는, 그러나 이것에 한정되지 않는 천연 가스 이외의 가스의 냉각, 액화 및/또는 처리를 위해 사용될 수도 있다.
열의 제거는 본 명세서에 설명되는 시스템 내의 단일의 혼합 냉매를 사용하여 열교환기 내에서 수행된다. 본 시스템의 냉동부(refrigeration portion)의 흐름의 예시적인 냉매 조성, 조건 및 유동은 이하에서 설명되는 바와 같이, 표 1a 내지 표 1e 및 표 2a 내지 표 2f에 제공되어 있으나, 이것에 제한되지 않는다.
일 실시형태에서, 난온의 고압 증기 냉매 흐름(34)은 열교환기(170)의 고압 증기 통로(166/168)를 통해 진행할 때 냉각, 응축 및 과냉각된다. 그 결과, 흐름(112)은 열교환기(170)의 저온 단부로부터 배출된다. 흐름(112)은 팽창 밸브(114)를 통해 플래싱되고, 흐름(122)으로서 열교환기 내로 재진입되어, 흐름(104)이 주 냉동 통로(104)를 통해 진행할 때 냉동(refrigeration)을 제공한다. 팽창 밸브(114)의 대안으로서, 터빈 또는 오리피스를 포함하는 다른 유형의 팽창 장치가 사용될 수 있으나, 이것에 제한되지 않는다.
난온의 고압 액체 냉매 흐름(38)은 열교환기(170) 내로 유입되고, 고압 액체 통로(136) 내에서 과냉각된다. 이에 의해 얻어지는 흐름(124)은 열교환기로부터 배출되고, 팽창 밸브(126)를 통해 플래싱된다. 팽창 밸브(126)의 대안으로서, 터빈 또는 오리피스를 포함하는 다른 유형의 팽창 장치가 사용될 수 있으나, 이것에 제한되지 않는다. 매우 중요한 것으로서, 이에 의해 얻어지는 흐름(132)은 열교환기(170)에 재유입되어 주 냉동 통로(104)와 직접적으로 연결되는 대신에, 먼저 과냉각 저온 분리기 액체(128)와 혼합되어 중온 냉매 흐름(148)을 형성한다. 이 중온 냉매 흐름(148)은 그 후에 열교환기 내에 재진입되고, 중온 냉매 흐름(148)은 주 냉동 통로(104) 내에서 저압 혼합상 흐름(122)과 혼합된다. 이렇게 혼합 및 난온화된 냉매는 선택적으로 과열될 수 있는 증기 냉매 복귀 흐름(104A)으로서 열교환기(170)의 난온 단부로부터 배출된다.
일 실시형태에서, 증기 냉매 복귀 흐름(104A) 및 흐름(108A)(혼합상 또는 증기상일 수 있음)은, 예컨대, 각각 개별 유출구를 통해 열교환기의 난온 단부로부터 개별적으로 배출될 수 있거나, 또는 열교환기 내에서 혼합된 후 함께 배출될 수 있거나, 또는 열교환기로부터 이 열교환기에 부착되어 있는 공통의 헤더 내로 배출된 후에 흡인 분리 장치(VD1)로 복귀될 수 있다. 대안적으로, 흐름(104A) 및 흐름(108A)은 개별적으로 배출되며 흡인 분리 장치(VD1)에서 혼합될 때까지 그 상태로 유지될 수 있거나, 또는 이들 흐름은 증기상 유입구 및 혼합상 유입구를 통해 각각 혼합되어 저압 흡인 드럼 내에서 평형화된다. 흡인 드럼(VD1)이 설명되어 있으나, 다른 유형의 용기, 사이클론 분리기, 증류 유닛, 합체 분리기(coalescing separator), 또는 메시(mesh)형 또는 베인(vane)형 미스트 제거기를 포함하는 대안적인 분리 장치가 사용될 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 결과적으로, 저압 증기 냉매 흐름(14)은 드럼(VD1)의 증기 유출구로부터 배출된다. 위에서 언급된 바와 같이, 흐름(14)은 제 1 단계 압축기(16)의 유입구로 진행한다. 압축기(16)의 흡인 유입구의 흡인 드럼(VD1) 내에서의 상당히 상이한 조성의 증기를 포함하는 흐름(104A)과 혼합상 흐름(108A)과의 혼합에 의해, 압축기를 향해 진행하는 증기 흐름의 온도 및 그에 따른 압축기 자체의 온도를 강하시키는 부분적인 플래시 냉각 효과(partial flash cooling effect)가 생성되므로 압축기를 작동시키기 위해 요구되는 전력이 감소된다.
일 실시형태에서, 예냉각 냉매 루프는 열교환기(170)의 난온측에 진입하고, 상당한 액체 획분과 함께 배출된다. 부분적 액체 흐름(108A)은, 흡인 드럼(VD1)에서의 평형화와 분리, 압축기(16) 내에서의 얻어진 증기의 압축, 및 펌프(P)에 의한 얻어진 액체의 펌핑을 위해, 흐름(104A)로부터 사용된 냉매 증기와 혼합된다. 본 예에서, 평형은 헤더, 정적 혼합기 등에서 혼합이 실행되는 즉시 달성된다. 일 실시형태에서, 드럼은 압축기를 보호하는 것에 불과하다. 흡인 드럼(VD1) 내의 평형은 열 및 질량의 전달의 양자 모두에 의해 압축기(16) 내로 진입하는 흐름의 온도를 저하시키고, 따라서 압축기에 의한 전력 사용을 감소시킨다.
도 9에 도시된 다른 실시형태는 난온 냉동 루프, 중온 냉동 루프 및 저온 냉동 루프 내의 다양한 분리 장치를 포함한다. 일 실시형태에서, 난온 냉매 통로(158)는 분리 장치와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 난온 냉매 통로(158)는 난온 냉매 증기 통로(158v)와 유체 연통되는 증기 유출구 및 난온 냉매 액체 통로(158l)와 유체 연통되는 액체 유출구를 갖는 어큐뮬레이터 분리 장치(VD5)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 난온 냉매 증기 통로(158v)와 난온 냉매 액체 통로(158l)는 저압 고비점 흐름 통로(108)과 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 난온 냉매 증기 통로(158v)와 난온 냉매 액체 통로(158l)는 열교환기 내에서 또는 열교환기 외부의 헤더 내에서 서로 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 플래싱된 저온 분리기 액체 흐름 통로(134)는 중온 냉매 증기 통로(148v)와 유체 연통되는 증기 유출구 및 중온 냉매 액체 통로(148l)와 유체 연통되는 액체 유출구를 갖는 어큐뮬레이터 분리 장치(VD6)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 중온 냉매 증기 통로(148v)와 중온 냉매 액체 통로(148l)는 저압 혼합 냉매 통로(104)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 중온 냉매 증기 통로(148v)와 중온 냉매 액체 통로(148l)는 열교환기 내에서 또는 열교환기 외부의 헤더 내에서 서로 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 플래싱된 중비점 냉매 액체 흐름 통로(132)는 중온 냉매 증기 통로(148v)와 유체 연통되는 증기 유출구 및 중온 냉매 액체 통로(148l)와 유체 연통되는 액체 유출구를 갖는 어큐뮬레이터 분리 장치(VD6)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 중온 냉매 증기 통로(148v)와 중온 냉매 액체 통로(148l)는 저압 혼합 냉매 통로(104)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 중온 냉매 증기 통로(148v)와 중온 냉매 액체 통로(148l)는 열교환기 내에서 또는 열교환기 외부의 헤더 내에서 서로 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 플래싱된 중비점 냉매 액체 흐름(132) 및 플래싱된 저온 분리기 액체 흐름(134)은 중온 냉매 증기 통로(148v)와 유체 연통되는 증기 유출구 및 중온 냉매 액체 통로(148l)와 유체 연통되는 액체 유출구를 갖는 어큐뮬레이터 분리 장치(VD6)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 중온 냉매 증기 통로(148v)와 중온 냉매 액체 통로(148l)는 저압 혼합 냉매 통로(104)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 중온 냉매 증기 통로(148v)와 중온 냉매 액체 통로(148l)는 열교환기 내에서 또는 열교환기 외부의 헤더 내에서 서로 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 플래싱된 중비점 냉매 액체 흐름(132)과 플래싱된 저온 분리기 액체 흐름(134)은 어큐뮬레이터 분리 장치(VD6)와 유체 연통되기 전에 서로 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 저압 혼합상 흐름 통로(122)는 저온 냉매 증기 통로(122v)와 유체 연통되는 증기 유출구 및 저온 액체 통로(122l)를 갖는 어큐뮬레이터 분리 장치(VD7)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 저온 냉매 증기 통로(122v) 및 저온 액체 통로(122l)는 저압 혼합 냉매 통로(104)와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 저온 냉매 증기 통로(122v) 및 저온 액체 통로(122l)는 열교환기의 내부에서 또는 이 열교환기의 외부의 헤더 내에서 서로 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 난온 냉매 통로(158), 플래싱된 저온 분리기 액체 흐름 통로(134), 저압 중비점 냉매 통로(132), 저압 혼합상 흐름 통로(122)의 각각은 분리 장치와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 하나 이상의 프리쿨러(precooler)는 압축기(16)와 단간 분리 장치(VD2) 사이에 직렬로 제공될 수 있다.
일 실시형태에서, 하나 이상의 프리쿨러가 애프터쿨러(30)와 어큐뮬레이터 분리 장치(VD3) 사이에 직렬로 제공될 수 있다.
일 실시형태에서, 펌프는 흡인 분리 장치(VD1)의 액체 유출구와 단간 분리 장치(VD2)의 유입구 사이에 제공될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 펌프는 흡인 분리 장치(VD1)의 유출구와, 압축 유체 흐름(18) 또는 냉각 유체 흐름(22)과 유체 연통되는 유출구와의 사이에 제공될 수 있다.
일 실시형태에서, 프리쿨러는 프로판, 암모니아, 프로필렌, 에탄, 프리쿨러이다.
일 실시형태에서, 프리쿨러는 1, 2, 3 또는 4의 다단(multiple stages)을 특징으로 한다.
일 실시형태에서, 혼합 냉매는 2개, 3개, 4개 또는 5개의 C1-C5 탄화수소와 선택적으로 N2를 포함한다.
일 실시형태에서, 혼합 냉매는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, N-부탄, 이소부탄, 부틸렌, N-펜탄, 이소펜탄, 및 이들의 조합 중 2개 이상을 포함한다.
일 실시형태에서, 흡인 분리 장치는 액체 유출구를 포함하고, 유입구 및 유출구를 갖는 펌프를 더 포함하며, 흡인 분리 장치의 유출구는 펌프의 유입구와 유체 연통되고, 펌프의 유출구는 애프터쿨러의 유출구와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 혼합 냉매 시스템은 인터쿨러(intercooler)의 유출구와 단간 분리 장치의 유입구 사이에 직렬로 프리쿨러를 더 포함하고, 펌프의 유출구는 또한 프리쿨러와 유체 연통된다.
일 실시형태에서, 흡인 분리 장치는 중량 성분 냉매 어큐뮬레이터(heavy component refrigerant accumulator)이고, 그에 의해 압축기의 유입구를 향해 진행하는 기화된 냉매는 개략적으로 이슬점에 유지된다.
일 실시형태에서, 고압 어큐뮬레이터는 드럼이다.
일 실시형태에서, 단간 드럼은 흡인 분리 장치와 어큐뮬레이터 분리 장치 사이에 제공되지 않는다.
일 실시형태에서, 제 1 팽창 장치와 제 2 팽창 장치는 주 공정의 열교환기와 폐루프 연통되는 유일한 팽창 장치이다.
일 실시형태에서, 애프터쿨러는 흡인 분리 장치와 어큐뮬레이터 분리 장치 사이에 제공되는 유일한 애프터쿨러이다.
일 실시형태에서, 열교환기는 예냉각 냉동 통로를 위한 별개의 유출구를 갖지 않는다.
일 실시형태에서, 열교환기는 튜브/셸(tube/shell) 열교환기, 코일 권취식 열교환기, 또는 플레이트-핀(plate-fin) 열교환기, 또는 이들 중 2개 이상의 조합이다.
참조에 의해 포함되는 문헌
2010년 3월 17일에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/726,142 및 2001년 12월 25에 특허된 미국 특허 번호 6,333,445의 내용은 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 도시 및 설명되었으나, 청구항 및 본 명세서의 다른 부분에서 범위가 한정되는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 변화 및 개조가 실시될 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자에게 명백할 것이다.
[표 1a]
Figure 112015099451840-pct00001
[표 1b]
Figure 112015099451840-pct00002
[표 1c]
Figure 112015099451840-pct00003
[표 1d]
Figure 112015099451840-pct00004
[표 1e]
Figure 112015099451840-pct00005
[표 2a]
Figure 112015099451840-pct00006
[표 2b]
Figure 112015099451840-pct00007
[표 2c]
Figure 112015099451840-pct00008
[표 2d]
Figure 112015099451840-pct00009
[표 2e]
Figure 112015099451840-pct00010
[표 2f]
Figure 112015099451840-pct00011

Claims (45)

  1. 혼합 냉매를 이용하여 유체를 냉각시키기 위한 열교환기에 있어서,
    난온 단부(warm end)(1) 및 저온 단부(cold end)(2);
    상기 난온 단부에 배치되며 공급물 유체를 수용하도록 구성된 유입구, 및 상기 저온 단부에 배치된 생성물 유출구를 갖는 공급물 유체 냉각 통로(162)로서, 상기 생성물 유출구를 통해 생성물이 상기 공급물 유체 냉각 통로로부터 배출되는, 상기 공급물 유체 냉각 통로(162);
    상기 저온 단부에 배치되며 저온 냉매 흐름(122)을 수용하도록 구성된 유입구, 상기 난온 단부에 배치되는 냉매 복귀 흐름 유출구, 및 중온(middle temperature) 냉매 흐름(148)을 수용하도록 구성되며 상기 저온 냉매 흐름 유입구와 상기 냉매 복귀 흐름 유출구 사이에 위치되는 유입구를 갖는 주 냉동 통로(primary refrigeration passage)(104 또는 204)로서, 상기 냉매 복귀 흐름 유출구를 통해 증기상 또는 혼합상의 냉매 복귀 흐름이 상기 주 냉동 통로로부터 배출되는, 상기 주 냉동 통로(104 또는 204);
    상기 난온 단부에서 고압 증기 흐름(34)을 수용하도록, 그리고 상기 고압 증기 흐름(34)을 냉각시켜서 혼합상의 저온 분리기 공급물 흐름(164)을 형성하도록 구성된 고압 증기 통로(166)로서, 상기 고압 증기 통로(166)는 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하는 유출구를 포함하고, 상기 저온 증기 분리기(VD4)는 상기 저온 분리기 공급물 흐름(164)을 저온 분리기 증기 흐름(160) 및 저온 분리기 액체 흐름(156)으로 분리하도록 구성되는, 상기 고압 증기 통로(166);
    상기 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하는 유입구를 갖고, 상기 저온 분리기 증기 흐름(160)을 응축 및 플래싱(flashing)하여 상기 저온 냉매 흐름(122)을 형성하도록 구성되고, 상기 저온 단부에 있는 상기 주 냉동 통로의 유입구와 연통하는 유출구를 갖는 저온 분리기 증기 통로;
    상기 저온 증기 분리기(VD4)와 연통하는 유입구를 갖고, 상기 저온 분리기 액체 흐름을 과냉각(subcool)하도록 구성되고, 중온 냉매 통로와 연통하는 유출구를 갖는 저온 분리기 액체 통로;
    상기 난온 단부에서 중비점(mid-boiling) 냉매 액체 흐름(38)을 수용하도록, 그리고 상기 중비점 냉매 액체 흐름을 냉각시켜서 과냉각 냉매 액체 흐름(124)을 형성하도록 구성되며, 상기 중온 냉매 통로와 연통하는 유출구를 갖는 고압 액체 통로(136); 및
    과냉각 저온 분리기 액체 흐름(128)과 과냉각 냉매 액체 흐름(124)을 수용하고 이들 흐름을 혼합하여, 중온 냉매 흐름(148)을 형성하도록 구성되며, 상기 중온 냉매 흐름(148)을 수용하도록 구성된 상기 주 냉동 통로의 유입구와 연통하는 유출구를 갖는 중온 냉매 통로를 포함하는
    열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 난온 단부에서 고비점(high-boiling) 냉매 액체 흐름(48)을 수용하고, 상기 고비점 냉매 액체 흐름을 냉각시키며 상기 고비점 냉매 액체 흐름의 압력을 플래싱 또는 감소시켜서, 난온 냉매 흐름(158)을 형성하도록 구성된 예냉각(pre-cool) 통로를 더 포함하는
    열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 예냉각 통로는 상기 난온 단부에 있는 유입구 및 유출구를 갖는 예냉각 액체 통로(138), 상기 예냉각 액체 통로(138)의 유입구와 연통하는 유입구 및 유출구를 갖는 팽창 장치(142), 및 상기 팽창 장치(142)의 유출구와 연통하는 유입구를 갖는 난온 냉매 통로(158)를 더 포함하는
    열교환기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 주 냉동 통로(204)는 상기 중온 냉매 유입구와 상기 냉매 복귀 흐름 유출구 사이에 난온 냉매 흐름(158)을 수용하도록 구성된 유입구를 더 포함하고,
    상기 예냉각 통로는 상기 난온 단부에 있는 유입구 및 유출구를 갖는 예냉각 액체 통로(138), 상기 예냉각 액체 통로(138)의 유출구와 연통하는 유입구 및 유출구를 갖는 팽창 장치(142), 및 상기 팽창 장치(142)의 유출구와 연통하는 유입구 및 상기 중온 냉매 유입구와 상기 난온 단부에 있는 상기 냉매 복귀 흐름 유출구와의 사이에서 상기 주 냉동 통로(204)의 유입구와 연통하는 유출구를 갖는 난온 냉매 통로(158)를 더 포함하는
    열교환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 주 냉동 통로(204)로부터의 상기 냉매 복귀 흐름은 증기상 복귀 흐름(202)인
    열교환기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 예냉각 통로는 상기 난온 단부에 있는 유입구 및 유출구를 갖는 예냉각 액체 통로(138), 상기 예냉각 액체 통로(138)의 유출구와 연통하는 유입구 및 유출구를 갖는 팽창 장치(142), 상기 팽창 장치(142)의 유출구와 연통하는 유입구 및 유출구를 갖는 난온 냉매 통로(158), 및 상기 난온 냉매 통로(158)의 유출구와 연통하는 유입구 및 상기 난온 단부에 있는 유출구를 갖는 예냉각 냉동 통로(108)를 더 포함하고,
    상기 예냉각 냉동 통로(108)의 유출구를 통해 증기상 또는 혼합상의 난온 냉매 복귀 흐름(108A)이 상기 예냉각 냉동 통로로부터 배출되는
    열교환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주 냉동 통로(104)로부터의 상기 냉매 복귀 흐름은 증기상 복귀 흐름(104A)인
    열교환기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 난온 냉매 복귀 흐름(108A)은 혼합상 복귀 흐름인
    열교환기.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 난온 냉매 복귀 흐름(108A)은 증기상 복귀 흐름인
    열교환기.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉매 복귀 흐름(104A) 및 난온 냉매 복귀 흐름(108A)과 연통하는 유입구를 갖고, 상기 냉매 복귀 흐름(104A)과 난온 냉매 복귀 흐름(108A)을 혼합시키도록 구성되고, 분리 장치와 연통하는 유출구를 갖는 복귀 통로(102)를 더 포함하는
    열교환기.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환기의 외부에 있는 헤더(header)를 더 포함하고,
    상기 헤더는 상기 냉매 복귀 흐름(104A) 및 난온 냉매 복귀 흐름(108A)과 연통하고, 상기 냉매 복귀 흐름(104A)과 난온 냉매 복귀 흐름(108A)을 혼합시키도록 구성되며, 상기 헤더는 복귀 통로(102), 분리 장치, 또는 이들의 조합과 연통하는 유출구를 갖는
    열교환기.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉매 복귀 흐름(104A)과 상기 난온 냉매 복귀 흐름(108A)은 상기 난온 단부에서 서로 유체 연통되지 않는
    열교환기.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉매 복귀 흐름(104A)과 상기 난온 냉매 복귀 흐름(108A)은 상기 난온 단부에서 상기 열교환기 외부의 헤더 내에서 서로 유체 연통되는
    열교환기.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉매 복귀 흐름(104A)과 상기 난온 냉매 복귀 흐름(108A)은 흡인 분리 장치(VD1)에서 또는 상기 흡인 분리 장치(VD1)와 상기 열교환기 사이의 지점에서 서로 유체 연통되는
    열교환기.
  15. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉매 복귀 흐름(104A)과 상기 난온 냉매 복귀 흐름(108A)은 서로 유체 연통되어 저압 혼합 냉매 증기 흐름(102)을 형성하고, 상기 저압 혼합 냉매 증기 흐름(102)은 흡인 분리 장치(VD1)와 유체 연통되는
    열교환기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 단일의 열교환기, 병렬로 배치된 하나 이상의 열교환기, 또는 직렬로 배치된 하나 이상의 열교환기, 또는 이들의 조합을 포함하는
    열교환기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 중온 냉매 흐름(148), 저온 냉매 흐름(122), 과냉각 냉매 액체 흐름(124), 과냉각 저온 분리기 액체 흐름(128), 또는 이들의 조합 중 하나 이상의 흐름과 독립적으로 연통하여, 이들 흐름 중 하나 이상을 독립적으로 팽창시키거나, 또는 분리시키거나, 또는 팽창 및 분리하도록 구성된 하나 이상의 팽창 장치, 분리 장치, 또는 이들의 조합을 더 포함하는
    열교환기.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 난온 냉매 흐름(158)과 연통하여 상기 난온 냉매 흐름(158)을 독립적으로 팽창시키거나, 또는 분리시키거나, 또는 팽창 및 분리하도록 구성된 하나 이상의 팽창 장치, 분리 장치, 또는 이들의 조합을 더 포함하는
    열교환기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 액체 냉매 펌핑(liquid refrigerant pumping) 유무에 관계없이 작동하도록 구성된
    열교환기.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 액체 펌핑을 동반하지 않고 작동하도록 구성된
    열교환기.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 증기 압축을 이용하여 작동하도록 구성된
    열교환기.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 냉매 복귀 흐름 유출구와 연통되는 복귀 냉매 통로(102) 내의 상기 혼합 냉매의 이슬점에서, 이슬점 미만에서, 또는 이슬점 초과에서 작동하도록 구성된
    열교환기.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 냉매는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, N-부탄, 이소부탄, 부틸렌, N-펜탄, 이소펜탄, 및 이들의 조합 중 2개 이상을 포함하는
    열교환기.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급물 유체 냉각 통로와 독립적으로 연통하며 상기 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성된 외부 처리부, 전처리부, 후처리부, 통합 처리부 또는 이들의 조합 중 하나 이상의 처리부를 더 포함하는
    열교환기.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 외부 처리부, 전처리부 및 후처리부의 각각은 탈황, 탈수, CO2의 제거, 하나 이상의 천연 가스 액체(NGL)의 제거, 하나 이상의 동결 성분의 제거, 에탄의 제거, 하나 이상의 올레핀의 제거, 하나 이상의 C6 탄화수소의 제거, 하나 이상의 C6+ 탄화수소의 제거, 생성물로부터의 N2의 제거를 독립적으로 포함할 수 있는
    열교환기.
  26. 제 1 항에 있어서,
    탈황, 탈수, CO2의 제거, 하나 이상의 천연 가스 액체(NGL)의 제거, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 전처리부를 더 포함하고,
    상기 전처리부는 상기 공급물 유체 냉각 통로와 연통하며, 상기 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성된
    열교환기.
  27. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 천연 가스 액체(NGL)의 제거, 하나 이상의 동결 성분의 제거, 에탄의 제거, 하나 이상의 올레핀의 제거, 하나 이상의 C6 탄화수소의 제거, 하나 이상의 C6+ 탄화수소의 제거 중 하나 이상을 포함하는 하나 이상의 외부 처리부를 더 포함하고,
    상기 외부 처리부는 상기 공급물 유체 냉각 통로와 연통하며, 상기 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성된
    열교환기.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성물로부터의 N2의 제거를 포함하는 하나 이상의 후처리부를 더 포함하고,
    상기 후처리부는 상기 공급물 유체 냉각 통로와 연통하며, 상기 공급물 유체, 생성물 유체 또는 양자 모두를 처리하도록 구성된
    열교환기.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 튜브/셸(tube/shell) 열교환기, 코일 권취식 열교환기, 또는 플레이트-핀(plate-fin) 열교환기, 또는 이들 중 2개 이상의 조합인
    열교환기.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 플레이트-핀 열교환기인
    열교환기.
  31. 유체를 냉각시키는 방법에 있어서,
    제 1 항에 기재된 열교환기 내에서 공급물 유체와 순환하는 혼합 냉매를 열적으로 접촉시켜서, 냉각된 생성물 유체를 얻는 단계를 포함하고, 상기 순환하는 혼합 냉매는 2개 이상의 C1-C5 탄화수소를 포함하는
    유체를 냉각시키는 방법.
  32. 열교환기 내에서 혼합 냉매를 순환시키기 위한 압축 시스템에 있어서,
    저압 혼합 냉매 복귀 흐름(102/202)을 수용하기 위한 유입구 및 증기 유출구(14)을 포함하는 흡인 분리 장치(VD1);
    상기 증기 유출구(14)와 유체 연통되고, 압축 유체 흐름(18)을 제공하기 위한 압축 유체 유출구를 갖는 압축기(16);
    상기 압축 유체 유출구 및 압축 유체 흐름(18)과 유체 연통되는 유입구 및 냉각 유체 흐름(22)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 애프터쿨러(aftercooler; 20);
    상기 애프터쿨러의 유출구 및 냉각 유체 흐름(22)과 유체 연통되는 유입구, 증기 흐름(24)을 제공하기 위한 증기 유출구, 및 고비점 냉매 액체 흐름(48)을 제공하기 위한 액체 유출구를 갖는 단간 분리 장치(interstage separation device)(VD2);
    상기 단간 분리 장치의 증기 유출구 및 증기 흐름(24)과 유체 연통되는 유입구 및 압축 유체 흐름(28)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 압축기(26);
    상기 압축 유체 흐름(28)과 유체 연통되는 유입구 및 고압 혼합상 흐름(32)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 애프터쿨러(30); 및
    상기 고압 혼합상 흐름(32)과 유체 연통되는 유입구, 고압 증기 흐름(34)을 제공하기 위한 증기 유출구, 및 중비점 냉매 액체 흐름(36)을 제공하기 위한 액체 유출구를 갖는 어큐뮬레이터 분리 장치(accumulator separation device)(VD3)를 포함하는
    압축 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 압축 시스템은 냉매 액체를 순환시키기 위한 액체 펌프를 포함하지 않는
    압축 시스템.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 흡인 분리 장치(VD1)는 액체 유출구(14l)를 더 포함하고,
    상기 압축 시스템은 액체 펌프(P)를 더 포함하며,
    상기 액체 펌프(P)는 액체 유출구(14l)와 유체 연통되는 유입구, 및 상기 압축 유체 흐름(18), 애프터쿨러(20), 냉각 유체 흐름(22), 단간 분리 장치(VD2) 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상과 유체 연통되는 유출구(18l)를 갖는
    압축 시스템.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 흡인 분리 장치(VD1)는 제 2 유입구(50), 제 2 유체 유출구(52) 또는 양자 모두를 더 포함하는
    압축 시스템.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 흡인 분리 장치(VD1)는 액체 냉매 유출구를 갖지 않는
    압축 시스템.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 저압 혼합 냉매 복귀 흐름(102/202)은 증기인
    압축 시스템.
  38. 제 32 항에 있어서,
    상기 저압 혼합 냉매 복귀 흐름(102/202)은 상기 혼합 냉매의 이슬점에 있거나, 또는 이슬점을 초과하거나, 또는 이슬점 미만인
    압축 시스템.
  39. 유체를 냉각시키기 위한 시스템에 있어서,
    제 1 항에 기재된 열교환기와 제 32 항에 기재된 압축 시스템을 연통 상태로 포함하는
    유체 냉각 시스템.
  40. 유체를 냉각시키는 방법에 있어서,
    제 32 항에 기재된 압축 시스템 내에서 공급물 유체와 순환하는 혼합 냉매를 열적으로 접촉시켜서, 냉각된 생성물 유체를 얻는 단계를 포함하고, 상기 순환하는 혼합 냉매는 2개 이상의 C1-C5 탄화수소를 포함하는
    유체 냉각 방법.
  41. 공급물 유체를 냉각시키는 방법에 있어서,
    2개 이상의 C1-C5 탄화수소를 포함하는 고압 혼합 냉매 흐름을 분리시켜서, 고압 증기 흐름 및 중비점 냉매 액체 흐름을 형성하는 단계;
    열교환기 내에서 상기 고압 증기를 냉각시켜서 혼합상 흐름을 형성하는 단계;
    상기 혼합상 흐름을 저온 증기 분리기(VD4)로 분리시켜서, 저온 분리기 증기 흐름 및 저온 분리기 액체 흐름을 형성하는 단계;
    상기 저온 분리기 증기 흐름을 응축하고 플래싱하여, 저온 냉매 흐름을 형성하는 단계;
    상기 열교환기 내에서 상기 중비점 냉매 액체를 냉각시켜서, 과냉각 중비점 냉매 액체 흐름을 형성하는 단계;
    상기 저온 분리기 액체 흐름을 과냉각시켜서 과냉각 저온 분리기 액체 흐름을 형성하고, 상기 과냉각 중비점 냉매 액체 흐름과 혼합하여 중온 냉매 흐름을 형성하는 단계;
    상기 중온 냉매 흐름과 상기 저온 냉매 흐름을 혼합하고 온난화(warming)시켜서, 탄화수소를 포함하는 증기 냉매 복귀 흐름을 형성하는 단계; 및
    상기 공급물 유체와 상기 열교환기를 열적으로 접촉시켜서, 냉각된 공급물 유체를 형성하는 단계를 포함하는
    공급물 유체 냉각 방법.
  42. 제 31 항 또는 제 40 항에 있어서,
    상기 순환하는 혼합 냉매는 N2를 더 포함하는
    유체를 냉각시키는 방법.
  43. 제 32 항에 있어서,
    상기 중비점 냉매 액체 흐름(36)을 수용하기 위한 유입구, 중비점 냉매 액체 흐름(38)을 제공하기 위한 유출구, 및 유체 흐름(40)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 분할 교차로(splitting intersection); 및
    상기 유체 흐름(40)과 유체 연통되는 유입구 및 냉각 유체 흐름(44)을 제공하기 위한 유출구를 갖는 팽창 장치(42)를 더 포함하고,
    상기 단간 분리 장치(VD2)는 상기 유체 흐름(44)을 수용하기 위한 유입구를 더 포함하는
    압축 시스템.
  44. 제 32 항에 있어서,
    상기 중비점 냉매 액체 흐름(36)은 상기 열교환기로의 중비점 냉매 액체 흐름(38)과 직접 유체 연통되는
    압축 시스템.
  45. 제 41 항에 있어서,
    상기 고압 혼합 냉매 흐름 및 상기 증기 냉매 복귀 흐름 중 적어도 하나는 N2를 더 포함하는
    공급물 유체 냉각 방법.
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