[논문]터보 팽창기를 활용한 NGL 회수공정 최적화에 대한 연구

김유미; 조정호

doi:10.5762/kais.2011.12.3.1473

터보 팽창기를 활용한 NGL 회수공정 최적화에 대한 연구
An Optimization Study on the NGL Recovery Process Using Turbo-expander 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.3, 2011년, pp.1473 - 1478

초록
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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 75% 이상으로 정하였으며, 탈메탄탑의 탑저에서 에탄에 대한 메탄의 몰비는 0.015로 정하였다. 한편 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 최소화시키기 위해서 원료를 분리하여 side reboiler와 열교환시킴으로써 냉열의 일부 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 is 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 is furtherly cooled and partially condensed through a turbo-expander and the power generated from the expansion of turbo-expander was delivered to the compressor for the residue gas compression. Liquid stream is being cooled by Joule-Thomson expansion valve and is fed to the middle section of the demethanizer. Ethane recovery percent for feed natural gas was set to 75% and methane to ethane molar ratio was fixed as 0.015. Propane refrigeration heat duty was reduced by splitting the feed stream and to exchange heat with side reboiler.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 NGL 회수공정을 위한 프로판 냉동 사이클을 포함한 열교환망의 구성과 탈메탄탑의 압력 결정 및 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 최소화시키기 위하여 원료를 분리하여 side reboiler와 열교환을 통해서 냉열을 회수하는 공정에 대한 전산모사를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

이는 좀 더 많은 냉열을 회수할 수 있게 하여 냉동 사이클의 heat duty를 줄이는 장점이 있다. 둘째, 터보 팽창기를 통해 얻은 동력을 회수하여 첫 번째 압축기로 동력을 전달해 줄 수 있다는 것이다. 셋째, 터보 팽창기 후단에서 부분 응축이 이루어져 액상이 발생되는데, 이는 탈메탄탑에서 환류 스트림의 역할을 수행하게 되어 에탄의 회수율을 증가시켜 주는 장점이 있다.
반대로 탈메탄탑의 압력을 너무 낮게 정하면 residue gas의 delivery pressure를 맞추기 위해서 압축기 소요 동력이 증가한다는 단점이 있다. 둘째, 플래쉬 드럼 전단의 온도를 정하는 것이다. 이것은 탈메탄탑의 운전압력 조건하에서 주어진 에탄 회수율을 맞출 수 있는 온도를 결정하면 된다.

제안 방법

그림 4에는 탈메탄탑의 운전압력의 변화에 따른 프로판 냉매 압축기의 소요동력과 residue gas 압축기의 소요 동력의 합의 변화를 나타낸 것이다. 그림 4에서 보듯이 탈메탄탑의 운전압력이 27bar일 때, 총 소요동력이 43,857kW로 최소가 되므로 이를 탈메탄탑의 최적의 운전압력으로 결정하였다.
우선 NGL 회수공정의 설계를 위해서 탈메탄탑의 운전압력을 27 bar로 정하였다. 탈메탄탑의 운전압력을 결정한 다음에는 플래쉬 드럼 전단의 천연가스의 온도를 탈메탄탑 하부에서 에탄의 회수율인 75%를 만족할 수 있도록 정하였다.
우선 NGL 회수공정의 설계를 위해서 탈메탄탑의 운전압력을 27 bar로 정하였다. 탈메탄탑의 운전압력을 결정한 다음에는 플래쉬 드럼 전단의 천연가스의 온도를 탈메탄탑 하부에서 에탄의 회수율인 75%를 만족할 수 있도록 정하였다. 그림 2에는 천연가스의 주입 온도를 45℃에서 시작하여 탈메탄탑 하부에서 에탄 회수율 75%를 얻는데 필요한 플래쉬 드럼 전단의 온도인 -54.

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[5]을 사용하였으며, 열역학 모델식으로는 Peng-Robinson 상태방정식[6]을 적용하였다. 탈메탄탑 하부에서 에탄의 회수율은 75% 이상으로 정하였으며, 하부에서 에탄에 대한 메탄의 몰비는 0.

성능/효과

1. 탈메탄탑의 운전 압력은 27 bar로 정하였고, 이 운전 압력에서 에탄 회수율 75%를 얻어내기 위한 플래쉬 드럼의 전단의 온도는 -54.54℃임을 알 수 있었다.
2. 탈메탄탑에서 side reboiler와 bottom reboiler의 heat duty 분배를 통해서 회수한 열량은 12.0874x10⁶ kcal/hr로써 재비기의 총 열량인 16.9090x10⁶ kcal/hr에 비하여 약 71.495%의 냉열을 회수할 수 있었다.
3. side reboiler의 heat duty 분배를 통해서 회수한 냉열을 이용하여 천연가스 원료를 분리하여 냉각시킴으로써 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 13.6163x10⁶ kcal/hr에서 1.5252x10⁶ kcal/hr까지 줄일 수 있었다. 또한 냉매 압축기의 소요 동력도 13,925 kW에서 1,559 kW로 줄일 수 있었다.
5252x10⁶ kcal/hr이다. side reboiler와 열교환을 하지 않은 경우에 프로판 냉동 사이클의 heat duty는 13.6163x10⁶ kcal/hr이었으므로 side reboiler와 열교환을 하는 경우에는 side reboiler와 열교환을 하지 않는 경우에 비해서 heat duty가 89% 감소함을 알 수 있었다. 표 3에는 그림 1의 공정배열인 side reboiler와 원료 천연가스 사이의 열교환을 하는 경우에 대한 전산모사 결과를 요약하였다.
또한, 메탄과 에탄 사이의 분리도는 에탄과 프로판 사이의 분리도보다 크기 때문에 탈메탄탑의 이론단수는 재비기를 포함하여 10단이면 충분하다. 셋째, side reboiler와 열교환되는 천연가스의 분리 유량을 결정하여 이를 통해 프로판 냉동 사이클의 heat duty를 줄이는 것이다. 이는 side reboiler의 heat duty를 크게 할수록 유리하다.
둘째, 터보 팽창기를 통해 얻은 동력을 회수하여 첫 번째 압축기로 동력을 전달해 줄 수 있다는 것이다. 셋째, 터보 팽창기 후단에서 부분 응축이 이루어져 액상이 발생되는데, 이는 탈메탄탑에서 환류 스트림의 역할을 수행하게 되어 에탄의 회수율을 증가시켜 주는 장점이 있다. 그림 1에 의하면 터보 팽창기 X-101을 통해서 얻어진 동력은 residue gas의 압력을 높이는데 필요한 동력을 C-101 압축기에 전달한 후에 탈메탄탑의 상부로 주입된다.
플래쉬 드럼에 의해 분리된 기상류는 터보 팽창기인 X-101을 이용하여 탈메탄탑 상부의 압력까지 떨어뜨리는데 이때 터보 팽창기를 이용해서 압력을 낮출 경우에는 다음의 세 가지 측면에서의 장점이 있다. 첫째, 줄-톰슨 팽창밸브를 통해서 압력을 떨어뜨리는 경우보다 저온을 얻을 수 있기 때문에 탈메탄탑 상부에서 좀 더 저온의 기상류를 얻을 수 있다는 것이다. 이는 좀 더 많은 냉열을 회수할 수 있게 하여 냉동 사이클의 heat duty를 줄이는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화탄소는 천연가스 액화공정에서 어떤 문제를 야기하는가?	비탄화수소 성분으로 대표적인 것들은 이산화탄소 및 황화수소 성분과 수분을 예로 들 수 있다. 이 중에서 이산화탄소는 천연가스 액화공정에서 freezing 문제를 발생시키고, 황화수소 성분은 대기 방출에 대해 엄격히 제한되어 있는 독성 물질이기때문에 천연가스 액화공정에 주입하기 전에 반드시 제거해 주어야 한다. 이산화탄소와 황화수소 성분을 산성가스라고 부르며 이러한 산성가스는 monoethanol amine(MEA)이나 diethanol amine(DEA) 수용액을 이용하여 흡수탑과 탈거 탑으로 구성된 acid gas removal unit(AGRU)을 통해서 제거된다[1,2].
	천연가스 중에 포함되어 있는 수분은 어떻게 제거되는가?	이산화탄소와 황화수소 성분을 산성가스라고 부르며 이러한 산성가스는 monoethanol amine(MEA)이나 diethanol amine(DEA) 수용액을 이용하여 흡수탑과 탈거 탑으로 구성된 acid gas removal unit(AGRU)을 통해서 제거된다[1,2]. 또한 천연가스 중에 포함되어 있는 수분은 molecular sieve 또는 triethylene glycol(TEG) 용매를 이용한 수분 제거공정을 통해서 제거된다[3,4]. 전처리 공정을 거친 후의 천연가스는 NGL(Natural gas liquids) 회수공정을 거쳐서 에탄 이상의 성분들은 탈메탄탑의 하부로 얻어지고, 대부분의 메탄과 미량의 에탄 및 극히 일부분의 프로판 이상의 성분들은 탈메탄탑 상부로 얻어진다.
	NGL 회수공정을 설계 시 탈메탄탑의 운전 압력을 너무 높게 정할 경우 어떤 문제가 발생하는가?	NGL 회수공정을 설계하는 데 있어서 가장 중요한 것은 첫째, 탈메탄탑의 운전 압력을 정하는 것이다. 만일 탈 메탄탑의 압력을 너무 높게 정하면 탈메탄탑 상부 증기류의 온도가 높아지므로 회수되는 냉열의 양이 감소하여 프로판 냉동 사이클의 heat duty가 증가하게 되고 이는 냉동 사이클에 사용되는 압축기의 소요 동력을 증가시킨다. 반대로 탈메탄탑의 압력을 너무 낮게 정하면 residue gas의 delivery pressure를 맞추기 위해서 압축기 소요 동력이 증가한다는 단점이 있다.

참고문헌 (6)

Arthur Kohl and Richard Nielsen, "Gas Purification", Springer, 2005.
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.
Arthur J. Kidnay and William R. Parrish, "Fundamentals of Natural Gas Processing", Taylor & Franscis, 2006.
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.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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