천연가스 액화를 위한 캐스케이드 냉동사이클의 전산모사에 대한 연구 [2]: 다단 캐스케이드 냉동 사이클에 적용 A Simulation Study on the Cascade Refrigeration Cycle for the Liquefaction of the Natural Gas [2]: An Application to the Multistage Cascade Refrigeration Cycle원문보기
본 논문에서는 천연가스를 액화시키기 위해서 프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 이용한 다단 캐스케이드 냉동사이클에 대한 전산모사를 PRO/II with PROVISION 8.3에 내장되어 있는 Peng-Robinson 상태방정식을 활용하여 수행하였다. 천연가스의 조성은 한국가스공사로부터 제공받은 것을 적용하였으며, 유량은 연간 500만톤으로 가정하였다. 프로판 냉매의 공급온도는 $-40^{\circ}C$로, 에틸렌 냉매의 공급온도는 $-95^{\circ}C$로 메탄 냉매의 공급온도는 $-155^{\circ}C$로 각각 정하였으며, 천연가스와 각각의 냉매의 최소 접근온도는 $3^{\circ}C$로 정하였다. 다단 냉동을 위한 프로판 냉동 사이클은 3단 냉동을 가정하였으며, 에틸렌 냉동 사이클은 2단 냉동을 그리고 메탄 냉동 사이클은 3단 냉동을 가정하였다. 메탄 냉매에 의해서 $-152^{\circ}C$까지 냉각된 천연가스는 줄-톰슨 팽창에 의해서 $-162^{\circ}C$까지 냉각되어 액화가 일어나도록 하였다. 결론적으로 캐스케이드 냉동 사이클과 줄-톰슨 팽창을 통한 천연가스의 액화율은 몰 비로 91.71%이며, 액화천연가스 1.0 kg/hr당 0.433 kW의 압축 일이 필요함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 천연가스를 액화시키기 위해서 프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 이용한 다단 캐스케이드 냉동사이클에 대한 전산모사를 PRO/II with PROVISION 8.3에 내장되어 있는 Peng-Robinson 상태방정식을 활용하여 수행하였다. 천연가스의 조성은 한국가스공사로부터 제공받은 것을 적용하였으며, 유량은 연간 500만톤으로 가정하였다. 프로판 냉매의 공급온도는 $-40^{\circ}C$로, 에틸렌 냉매의 공급온도는 $-95^{\circ}C$로 메탄 냉매의 공급온도는 $-155^{\circ}C$로 각각 정하였으며, 천연가스와 각각의 냉매의 최소 접근온도는 $3^{\circ}C$로 정하였다. 다단 냉동을 위한 프로판 냉동 사이클은 3단 냉동을 가정하였으며, 에틸렌 냉동 사이클은 2단 냉동을 그리고 메탄 냉동 사이클은 3단 냉동을 가정하였다. 메탄 냉매에 의해서 $-152^{\circ}C$까지 냉각된 천연가스는 줄-톰슨 팽창에 의해서 $-162^{\circ}C$까지 냉각되어 액화가 일어나도록 하였다. 결론적으로 캐스케이드 냉동 사이클과 줄-톰슨 팽창을 통한 천연가스의 액화율은 몰 비로 91.71%이며, 액화천연가스 1.0 kg/hr당 0.433 kW의 압축 일이 필요함을 알 수 있었다.
In this paper, simulation works for a multi-stage cascade refrigeration cycle using propane, ethylene and methane as refrigerants have been performed for the liquefaction of natural gas using Peng-Robinson equation of state built-in PRO/II with PROVISION release 8.3. The natural gas feed composition...
In this paper, simulation works for a multi-stage cascade refrigeration cycle using propane, ethylene and methane as refrigerants have been performed for the liquefaction of natural gas using Peng-Robinson equation of state built-in PRO/II with PROVISION release 8.3. The natural gas feed compositions were supplied from Korea Gas Corporation and the flow rate was assumed to be 5.0 million tons per annual. Supply temperature for propane refrigerant was fixed as $-40^{\circ}C$, that for ethylene refrigerant as $-95^{\circ}C$, and that for methane refrigerant as $-155^{\circ}C$. For the multi-stage refrigeration cycle, three-stage refrigeration was assumed for propane refrigeration cycle, two-stage refrigeration for ethylene refrigeration cycle and three-stage refrigeration for methane refrigeration cycle. Natural gas was finally cooled and liquefied to $-162^{\circ}C$ by Joule-Thomson expansion. Conclusively, 91.71% by mole of the natural gas liquefaction ratio was obtained through a cascade refrigeration cycle and Joule-Thomson expansion and 0.433 kW of compression power was consumed for the liquefaction of 1.0 kg/hr of natural gas.
In this paper, simulation works for a multi-stage cascade refrigeration cycle using propane, ethylene and methane as refrigerants have been performed for the liquefaction of natural gas using Peng-Robinson equation of state built-in PRO/II with PROVISION release 8.3. The natural gas feed compositions were supplied from Korea Gas Corporation and the flow rate was assumed to be 5.0 million tons per annual. Supply temperature for propane refrigerant was fixed as $-40^{\circ}C$, that for ethylene refrigerant as $-95^{\circ}C$, and that for methane refrigerant as $-155^{\circ}C$. For the multi-stage refrigeration cycle, three-stage refrigeration was assumed for propane refrigeration cycle, two-stage refrigeration for ethylene refrigeration cycle and three-stage refrigeration for methane refrigeration cycle. Natural gas was finally cooled and liquefied to $-162^{\circ}C$ by Joule-Thomson expansion. Conclusively, 91.71% by mole of the natural gas liquefaction ratio was obtained through a cascade refrigeration cycle and Joule-Thomson expansion and 0.433 kW of compression power was consumed for the liquefaction of 1.0 kg/hr of natural gas.
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가설 설정
3215x106 kcal/hr를 낼 수 있는 유량으로 결정한다. 한편 모든 압축기의 효율은 실제 천연가스 액화공정에서 사용되고 있는 압축기의 효율이 Vendor에서 제공하고 있는 효율인 70%로 가정하였다. 아래의 표 3에는 메탄 냉동 사이클의 설계 조건을 나타내었다.
제안 방법
1. 천연가스 액화를 위해서 프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 이용한 다단 캐스케이드 냉동 사이클을 적용하였으며, 총 냉동 duty는 124.8104x106 kcal/hr이었다. 이때, 프로판 냉매가 담당하는 heat duty는 33.
다음의 그림 12에는 다단 캐스케이드 냉동 사이클의 성능 분석을 위해서 각각의 냉매를 이용한 냉동 사이클의 소요동력을 비교하였다.
본 연구에서는 천연가스의 액화를 위해서 프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 사용한 다단 캐스케이드 냉동 사이클에 대한 전산모사를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
이론/모형
액화공정에 사용한 천연가스의 원료 조건은 다음의 표 1에 나타내었다. 전산모사를 위해서 Invensys사의 PRO/II with PROVISION 8.3[4]을 사용하였으며, 열역학 모델식으로는 Peng-Robinson 상태방정식[5]을 사용하였다. 전산모사를 위한 첫 번째 단계로써 상기 표 1에 제시한 천연가스의 온도를 각각의 순수성분 냉매인 프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 이용하여 45℃에서 -152℃까지 냉각시킨 후에 줄-톰슨 팽창에 의해서 -162℃까지 떨어뜨리는 공정을 그림 6과 그림 7에 나타내었다.
성능/효과
2. 메탄 냉동 사이클의 소요 동력은 27,739.01 kW로써 총 소요 동력인 250,189.44 kW의 11.09%를 차지하고, 에틸렌 냉동 사이클의 소요 동력은 73,457.61 kW로써 총 소요 동력의 29.36%를 차지하며, 프로판 냉동 사이클의 소요 동력은 148,992.82 kW로써 총 소요 동력의 59.55%를 차지하였다. 이는 프로판의 경우에 하나의 냉동 사이클로 -40℃의 냉매의 생산이 가능하나 에틸렌의 액화를 위해서 프로판 사이클이 필요하기 때문에 두 개의 냉동 사이클이 존재하고 메탄의 경우에도 액화를 위해서 프로판, 에틸렌 및 메탄의 3개의 냉동 사이클이 필요하기 때문이다.
3. 프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 이용한 캐스케이드 냉동 사이클을 통한 천연가스 액화율은 몰 비로 91.71%였으며, 생산되는 LNG kg/hr 당 사용 동력은 0.4331 kW/(kg/hr)임을 알 수 있었다. 이 값은 동일한 본 연구와 동일한 공정을 갖는 다단 캐스케이드 냉동 사이클을 이용한 천연가스 액화 사이클에서 나타난 소요동력 값인 0.
55%로 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서 그림 12의 결론은 캐스케이드 냉동사이클을 구성하는 데 있어서 상대적으로 저온의 냉열을 사용할 경우 압축기에서 필요한 소요동력이 증가함을 알 수 있었다.
0704 kW로 나타났다. 이것으로부터 알 수 있는 것은 천연가스의 1 kg/hr의 온도를 45℃부터 -152℃까지 떨어뜨리기 위하여 0.4331 kW의 동력이 소요되는데 이 중에서 메탄 냉동 사이클의 소요동력은 0.0480 kW로써 전체 소요동력의 11.08%를 차지하는 반면에 에틸렌 냉동 사이클에서 소요되는 동력은 0.1272 kW로써 전체 소요 동력의 29.37%를 차지하였으며, 마지막으로 프로판 냉동 사이클에서 필요한 소요동력은 전체 소요동력의 59.55%로 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서 그림 12의 결론은 캐스케이드 냉동사이클을 구성하는 데 있어서 상대적으로 저온의 냉열을 사용할 경우 압축기에서 필요한 소요동력이 증가함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
캐스케이드 냉동이란?
한편 메탄을 냉매로 사용하면 냉매의 공급온도를 -155oC까지 낮출 수 있는데 메탄을 액화시키기 위해서는 에틸렌을 사용하여야 한다. 이와 같이 온도를 점차적으로 낮추기 위해서 냉매의 종류를 바꾸어서 냉동 사이클에 적용하는 것을 캐스케이드 냉동이라고 하고 이에 대한 개요도는 그림 2에 나타내었다[1]. 그림 2에 의하면 천연가스의 온도는 프로판 냉동 사이클에 의해 열교환기 E1 후단에서 -37oC까지 떨어지고, 에틸렌 냉동 사이클에 의해 열교환기 E2 후단에서 -92oC까지떨어지며, 메탄 냉동 사이클에 의해 열교환기 E3 후단에서 -152oC까지 떨어진 후에 팽창밸브에 의해서 -162oC까지 떨어진다.
공정상의 온도를 낮추는 방법에는 어떤것이 있는가?
공정상의 온도를 낮추는 방법은 줄-톰슨 팽창밸브를 사용하는 방법과 터보 팽창기를 사용하는 방법 및 냉매를 사용하여 냉동 사이클을 작동하는 방법으로 나눌 수 있다. 줄-톰슨 팽창밸브를 사용하는 과정은 등엔탈피 과정이고 터보 팽창기를 사용하는 과정은 등엔트로피 과정이다.
프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 이용한 다단 캐스케이드 냉동 사이클에 대한 전산모사 결과, heat duty는 어떻게 나타났는가?
1. 천연가스 액화를 위해서 프로판, 에틸렌 및 메탄 냉매를 이용한 다단 캐스케이드 냉동 사이클을 적용하였으며, 총 냉동 duty는 124.8104x106 kcal/hr이었다. 이때, 프로판 냉매가 담당하는 heat duty는 33.6336x106 kcal/hr로써 26.95%를 차지하고, 에틸렌 냉매가 담당하는 heat duty는 58.8553x106 kcal/hr로써 47.16%를 차지하며, 메탄 냉매가 담당하는 heat duty는 32.3215x106 kcal/hr로써 25.90%를 차지하였다. 또한 에틸렌을 냉각시키기 위해 프로판 냉매가 담당하는 heat duty는 174.1480x106 kcal/hr이었고 메탄을 냉각시키기 위해 에틸렌 냉매가 담당하는 heat duty는 56.2044x106 kcal/hr이었다.
Saeid Mokhatab, William A. Poe and James G. Speight, "Handbook of Natural Gas Transmission and Processing", Elsevier Inc., 2006.
Gas Processors Suppliers Association, "Engineering Data Book", Gas Processors Assication, 2004.
조정호, 김성태, 박종기, "PRO/II with PROVISION을 이용한 화학공정의 모사", 도서출판 아진, 2004.
Peng, D. Y., and Robinson, D. B., "A New Two-constant Equation of State for Fluids and Fluid Mixtures", Ind. Eng. Chem. Fundam., vol. 15, pp. 58-64, 1976.
차규상, 이철구, 이영범, 이상규, "천연가스 액화 Cycle의 효율 향상을 위한 연구", '10 한국가스학회추계학술발표회 논문집, pp. 26-31, 10월, 2010.
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