[논문]터보 팽창기를 활용한 NGL 회수공정에서 최적의 탈메탄탑의 운전압력 결정을 통한 냉동 소요동력 최소화에 대한 연구

김유미; 조정호

doi:10.5762/kais.2011.12.2.1032

터보 팽창기를 활용한 NGL 회수공정에서 최적의 탈메탄탑의 운전압력 결정을 통한 냉동 소요동력 최소화에 대한 연구
A Study on the Minimization of the Refrigeration Power Consumptions Through the Determination of Demethanizer Top Pressure in the NGL Recovery Process Using Turbo-expander 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.2, 2011년, pp.1032 - 1037

초록
AI-Helper

본 연구에서는 전처리 공정을 거친 천연가스로부터 에탄 이상의 성분을 회수하기 위한 탈메탄탑에 대한 전산모사와 공정 최적화를 수행하였다. 전처리된 천연가스는 탈메탄탑 상부의 차가운 기상류와의 열교환 및 프로판 냉동 사이클이 포함된 예냉공정을 거친 후에 기상과 액상이 분리된다. 기상은 터보 팽창기를 거치면서 생산되는 동력을 residue gas의 압력을 높이기 위한 압축기에 전달한 후에 부분적으로 응축되어 탈메탄탑 상부로 주입된다. 액상류는 줄-톰슨 팽창 밸브를 거친 후 더욱 냉각되어 탈메탄탑의 중간부로 주입된다. 원료 대비 에탄의 회수율은 80% 이상으로 정하였으며, 탈메탄탑의 탑저에서 에탄에 대한 메탄의 몰비는 0.0119로 정하였다. 한편 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 최소화시키기 위해서 원료를 분리하여 side reboiler와 열교환시킴으로써 냉열의 일부를 회수할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, simulation and optimization works for a demethanizer column have been performed to obtain ethane and heavier products from a pretreated natural gas stream. Pretreated natural gas feed stream was partially condensed after being precooled by exchanging heat with demethanizer top vapor stream and by using an external refrigeration cycle with a propane refrigerant. Vapor stream was cooled further and partially condensed through a turbo-expander. The power generated from the expansion of turbo-expander was delivered to the compressor for the residue gas compression. Liquid stream was cooled by Joule-Thomson expansion valve and was fed to the middle section of the demethanizer. Recovery percent of ethane for feed natural was set to 80% and methane to ethane molar ratio was fixed as 0.0119. On the other hand, some of the cold heat could be recovered by splitting the feed stream and by exchanging heat with side reboiler in order to reduce the heat duty in the propane refrigeration cycle.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이로 인해 회수 가능한 열량이 증가하게 되므로 프로판 냉동 사이클의 heat duty가 감소하게 되어 냉동 사이클에 필요한 압축기 소요 동력이 감소하게 된다. 따라서 residual gas의 delivery pressure를 맞추기 위한 압축기의 소요 동력과 냉동 사이클에 필요한 압축기의 소요 동력의 합을 최소화시킬 수 있는 최적의 탈메탄탑 상부 운전압력이 존재할 것이므로 이 운전압력을 7bar 에서 29bar까지 1bar씩 증가시켜 가면서 냉동기의 소요동력과 residue gas 압축기의 소요동력의 합이 최소가 되는 탈메탄탑의 운전압력을 결정하는 것이 본 연구의 일차적인 목적이다.
본 연구에서는 NGL 회수공정에서 총 소요 동력을 최소화시키기 위한 탈메탄탑의 최적의 운전압력을 결정하였으며, 이 운전압력 조건하에서 프로판 냉동 사이클을 터보 팽창기를 활용한 NGL 회수공정에서 최적의 탈메탄탑의 운전포함한 열교환망의 구성과 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 최소화시키기 위하여 원료를 분리하여 side reboiler와 열교환을 통해서 냉열을 회수하는 공정에 대한 전산모사를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

우선 탈메탄탑 상부의 운전압력 변화에 따른 총 소요 동력의 변화를 알아보기 위해서 그림 2와 같이 side reboiler를 연결하지 않은 경우에 대해 전산모사를 수행하였다.

이론/모형

표 1에는 본 연구에서 적용한 천연가스의 온도, 압력, 유량 및 조성을 나타내었다. NGL 회수공정에 대한 전산모사를 위해서 Invensys사의 PRO/II with PROVISION release 9.0[3]을 사용하였으며, 열역학 모델식으로는 Soave-Redlich-Kwong 상태방정식[4]을 적용하였다. 탈메탄탑 하부에서 에탄의 회수율은 80%로 정하였으며, 하부에서 에탄에 대한 메탄의 몰비는 0.

성능/효과

1. NGL 회수공정의 총 소요 동력을 최소화시키는 최적의 탈메탄탑 상부의 운전압력은 23 bar임을 알 수 있었으며, 이때 총 소요 동력은 6.930 kW임을 알 수 있었다. 또한 이 운전 압력에서 에탄 회수율 80%를 얻어내기 위한 플래쉬 드럼의 전단의 온도는 -52℃임을 알 수 있었다.
2. 탈메탄탑에서 side reboiler와 bottom reboiler의 heat duty 분배를 통해서 회수한 열량은 2.5152x106 kcal/hr로써 reboiler의 총 열량인 3.3307x106 kcal/hr에 비하여 약 75.52%의 냉열을 회수할 수 있었다.
3. side reboiler의 heat duty 분배를 통해서 회수한 냉열을 이용하여 천연가스 원료를 분리하여 냉각시킴으로써 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 3.2073x106 kcal/hr에서 0.6928x106 kcal/hr로써 약 78.40% 가량 줄일 수 있었다.
40% 가량 줄일 수 있었다. 또한 냉매 압축기의 소요 동력도 2,884 kW에서 623 kW로 역시 약 78.40%의 동력을 줄일 수 있었다.
930 kW임을 알 수 있었다. 또한 이 운전 압력에서 에탄 회수율 80%를 얻어내기 위한 플래쉬 드럼의 전단의 온도는 -52℃임을 알 수 있었다.
NGL 터보 팽창기를 활용한 NGL 회수공정에서 최적의 탈메탄탑의 운전회수공정에서 탈메탄탑은 다음과 같이 일반적인 증류탑과는 구분되는 특징이 있다[2]. 첫째, 탈메탄탑은 상부 응축기가 없으며, 따라서 환류 스트림이 존재하지 않는다. 하지만 터보 팽창기 후단에서 부분 응축이 이루어지기 때문에 액상류가 환류 스트림의 역할을 수행하게 되어 에탄 회수율을 높이는 기능을 수행한다.
표 2에는 탈메탄탑 상부의 운전압력 변화에 따른 플래쉬 드럼 전단의 온도와 탈메탄탑 상부 증기류의 온도 변화를 나타내었다. 표 2에 의하면 탈메탄탑 상부의 운전압력이 증가할수록 에탄 회수율 80%를 맞추기 위한 플래쉬 드럼 전단의 온도는 낮아지고 탈메탄탑 상부 증기류의 온도는 높아짐을 알 수 있다. 또한 탈메탄탑 상부의 운전압력이 29 bar를 넘게 되면 수렴된 결과를 얻을 수없었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기상은 어떻게 탈메탄탑 상부로 주입되는가?	전처리된 천연가스는 탈메탄탑 상부의 차가운 기상류와의 열교환 및 프로판 냉동 사이클이 포함된 예냉공정을 거친 후에 기상과 액상이 분리된다. 기상은 터보 팽창기를 거치면서 생산되는 동력을 residue gas의 압력을 높이기 위한 압축기에 전달한 후에 부분적으로 응축되어 탈메탄탑 상부로 주입된다. 액상류는 줄-톰슨 팽창 밸브를 거친 후 더욱 냉각되어 탈메탄탑의 중간부로 주입된다.
	NGL(natural gas liquids) 회수공정에서 에탄의 회수율을 점점 높이고 있는 추세인 이유는 무엇인가?	최근에 수분 또는 이산화탄소와 황화수소 등과 같은 산성가스가 제거된 천연가스로부터 에탄 이상의 성분을 얻어내기 위한 NGL(natural gas liquids) 회수공정에서 에탄의 회수율을 점점 높이고 있는 추세이다. 그 이유는 전에는 석유화학의 기초물질인 에틸렌을 주로 납사를 크래킹해서 얻어냈으나 최근에는 천연가스로부터 얻어낸 에탄을 크래킹하여 얻어내고 있기 때문이다. 에탄의 회수율을 높이기 위해서는 통상적으로 예냉과정을 거친 터보 팽창기를 통한 NGL 회수공정이 많이 사용되고 있으며 이에 대한 공정 개요도는 그림 1에 나타내었다[1].
	전처리된 천연가스는 어떻게 분리되는가?	본 연구에서는 전처리 공정을 거친 천연가스로부터 에탄 이상의 성분을 회수하기 위한 탈메탄탑에 대한 전산모사와 공정 최적화를 수행하였다. 전처리된 천연가스는 탈메탄탑 상부의 차가운 기상류와의 열교환 및 프로판 냉동 사이클이 포함된 예냉공정을 거친 후에 기상과 액상이 분리된다. 기상은 터보 팽창기를 거치면서 생산되는 동력을 residue gas의 압력을 높이기 위한 압축기에 전달한 후에 부분적으로 응축되어 탈메탄탑 상부로 주입된다.

참고문헌 (4)

Arthur J. Kidnay and William R. Parrish, "Fundamentals of Natural Gas Processing", Taylor & Franscis, 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.
Soave, G., "Equilibrium Constants from a Modified Redlich-Kwong Equation of State", Chem. Eng. Sci., vol. 35, pp. 1197-1203, 1972.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (4)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (4)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김유미 (3) 조정호 (47)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper