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혼합냉매 혼합비에 따른 천연가스 액화공정 성능 비교
Determination of Mixing Ratio of Mixed Refrigerants and Performance Analysis of Natural Gas Liquefaction Processes 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.6, 2013년, pp.677 - 684  

김민진 (부경대학교 화학공학과) ,  이경범 (부경대학교 화학공학과) ,  유준 (부경대학교 화학공학과)

초록
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혼합냉매를 사용하여 천연가스를 액화하는 혼합냉매공정(Mixed refrigerant cycle, MRC)은 공정이 간단하고 장치비가 적게 들며 운전 또한 용이하여 널리 채택되고 있는 공정이다. MRC에서 중요한 기술 중 하나는 혼합냉매를 선택하고 최적의 혼합비를 결정하는 것이다. 본 연구에서는 일반적인 MRC에서 혼합냉매와 혼합냉매의 혼합비가 공정의 성능에 미치는 효과를 살펴보았다. 이를 위해 통계적 기법 중 실험계획법의 하나인 혼합물 설계와 반응 표면법을 이용하여 전체 공정의 에너지 소비가 최소가 되게 하는 최적의 냉매를 선택하고 그 혼합비를 결정하였다. 여러 냉매와 혼합비에 따른 MRC 공정의 모사는 Aspen HYSYS를 사용하였으며 혼합물설계와 반응 표면법은 Minitab을 사용하였다. 연구결과 냉매로는 methane ($C_1$), ethane ($C_2$), propane ($C_3$)과 nitrogen ($N_2$)가 선택되었으며 에너지 소비를 최소화하는 혼합비(몰 비) 또한 구할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A mixed refrigerant cycle (MRC) has been widely used in liquefaction of natural gas because it is simple and easily operable with reasonable equipment costs. One of the important techniques in MRC is selection of a refrigerant mixture and decision of its optimum mixing ratio. In this work, it is exa...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 설계의 목적은 공정에서 동력을 사용하는 압축기의 소비동력을 최소로 하는 최적의 혼합냉매 조성을 찾는 것이다. 일반적으로 최적화를 논할 때 초기비용과 연간 운전 비용, 장비 비용 같은 요소들을 고려해야 하지만 이번 연구에서는 액화공정을 위한 장비 구매는 마친 것으로 가정하고 운전비용의 최소화를 목적함수로 두었다.
  • 1에 나타낸 캐스케이드 사이클은 단일 순수냉매를 이용하여 천연가스를 순차적으로 냉각시키는 공정이다. 혼합 냉매에 대한 개념은 고전적인 캐스케이드 사이클을 유지하는데 따르는 어려움을 극복하기 위해서였다. LNG 공정의 온도는 상온에서 -160℃까지 그 범위가 넓기 때문에 캐스케이드 사이클은 3가지 순수 냉매를 이용한 3단계의 다단계 냉각 사이클을 거친다.
  • 혼합물 설계법을이용하여 각냉매의 혼합비를 변화시켜 각 냉매의 혼합비가 압축기의 소비동력에 미치는 영향을 알아보기 위해선 각 냉매 혼합비의 제한범위가 필요하였다. 이 범위는 결과 비교를 위한 기존 연구[13,14,16-19]들이 사용했던 범위들을 모두 포함하는 넓은 범위(C1: 0.

가설 설정

  • 이러한 이유로 기존에도 혼합냉매의 조성계산을 위한 방법이 연구되어 왔다. Little [9]의 LRS(liquid refrigerant supply) system은 응축기나 after cooler에서의 부분응축에서만 적용 가능하고 압력을 가정하여 계산을 하였고, Alexeev and Quack [10]은 예냉사이클 (233-243 K)을 가진 냉각 사이클에서 계산할 수 있지만 역시 압력을 가정하여서 계산하였고 체적효율(volumetric efficiency)이 100%라는 가정을 도입하였다. Gong [11]은 Linde-Hampson refrigerator의 혼합 냉매 조성 선택방법을 제시하였고 압축효율도 역시 고려하지만 이때 계산된 mole fraction은 열교환기의 엑서지 효율을 나타낼 뿐이었다.
  • 실제 공정에서 이들은 전처리 공정을 통하여 모두 제거된 후 최종적으로 순수한 천연가스가 액화공정으로 유입되어 처리된다. 본 연구에서도 공급되는 천연가스는 전처리를 통하여 불순물과 무거운 탄화수소체들이 제거된 순수한 상태로 공급된다고 가정하였다.
  • 본 설계의 목적은 공정에서 동력을 사용하는 압축기의 소비동력을 최소로 하는 최적의 혼합냉매 조성을 찾는 것이다. 일반적으로 최적화를 논할 때 초기비용과 연간 운전 비용, 장비 비용 같은 요소들을 고려해야 하지만 이번 연구에서는 액화공정을 위한 장비 구매는 마친 것으로 가정하고 운전비용의 최소화를 목적함수로 두었다. 액화에 사용되는 동력은 압축기를 위한 동력이 유일하므로 압축기를 위한 동력의 최소화를 목적함수로 둔다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최근에 천연가스가 각광받는 이유는 무엇입니까? 이 때문에 세계적으로 액화 천연가스 (Liquefied Natural Gas, LNG)의 생산 수요 역시 증가하고 있다. 천연가스는 석탄, 석유와 같은 다른 화석연료보다 훨씬 더 이산화탄소 방출량이 적고 열량이 높으며 무색, 무취, 무독성의 청정연료로서 최근에 각광받고 있다[1].
전형적인 MRC는 캐스케이드 사이클보다 효율이 낮은데 그 이유는 무엇입니까? 하지만 전형적인 MRC는 캐스케이드 사이클보다 낮은 효율을 가진다. 이는 MRC가 캐스케이드 사이클 보다 더 작은 온도 구동력을 가지지만 열교환기 내에서 온도 교차를 방지하기 위해 냉매의 유량을 훨씬 크게 설정해야 하고, 이런 열역학적 손실이 비효율로 이어 지기 때문이다. 뿐만 아니라, 입구 흐름 조건에 따라 MRC는 민감 하게 바뀔 수 있는데 이 때문에 여유 있게 장비 설계를 해야 하며 따라서 낮은 효율을 보이게 된다[7]. 이러한 이유들로 인해, 현재 다양한 냉매와 액화사이클이 개발되어 왔지만 현재 몇몇 소수의 방법만 사용되고 있다.
천연가스는 무엇이며 어떻게 구성되어 있습니까? 천연가스는 메탄을 주요 성분으로 하는 화석연료로서 메탄 외에도 에탄, 부탄, 프로판과 소량의 불순물(H2O, N2, CO2, H2S)로 구성되어 있고, 스팀터빈을 사용하여 전기를 생산하는 복합화력발전의 주 원료이다. 2013년 현재 대한민국은 연간 3,500만 톤의 천연가스를 수입하고 있으며 국제 유가가 인상됨에 따라 천연가스의 소비는 날로 증가하는 추세다.
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참고문헌 (21)

  1. Chang, H. S., Lee, B. N. and Gu, B. S., "A Raise Plan of competitiveness of Internal Company in the overseas Plant market,"Construction & Economy Research Institute of Korea, 19, 2-30(2007). 

  2. Cha, J. H. Lee, J. C. Roh, M. I. and Lee, K. Y., "Determination of the Optimal Operating Condition of the Hamworthy Mark I Cycle for LNG-FPSO," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(5), 733-742(2010). 

  3. Shukri, T., "LNG Technology Selection," Hydrocarbon Engineering, 9(2), 71-74(2004). 

  4. Kirillov, N. G., "Analysis of modern natural gas liquefaction technologies," Chemical and Petroleum Engineering, 40, 7-8(2004). 

  5. Cao, W.-S., Lu, X.-S., Lin, W.-S., Gu, A.-Z., "Parameter Comparison of Two Small-scale Natural Gas Liquefaction Process in Skid-mounted Packages," Appl. Therm. Eng., 26, 898-904(2006). 

  6. Barclay, M. A., Yang, C. C. "Offshore LNG: The Perfect Starting Point for the 2-phase Expander," Offshore technology conference (2006). 

  7. Finn, A. J., Johnson, G. L. and Tomlinson, T. R., "LNG Technology for Offshore and Mid-Scale Plants. Proceedings of the Seventy-Ninth Annual Convention of the Gas Processors Association," p. 429-450, Atlanta, Georgia, March 13-15, 2000. 

  8. Kennett, A. J., Limb, D. I. and Czarnecki, B. A., "Offshore Liquefaction of Associated Gas - A Suitable Process for the North Sea," 13th Annual OTC in Houston, pp 31-40 (1981). 

  9. Little, W. A., Method for Efficient Counter-current Heat Exchange Using Optimized Mixtures. U.S. Patent 5,644,502, 1997. 

  10. Alexeev, A. and Quack, H., Refrigerant mixture for a mixturethrottling process. U.S. Patent 6,513,338, 2003. 

  11. Gong, M. Q., Luo, E. C., Zhou, Y., Liang, J. T. and Zhang, L., "Optimum Composition Calculation for Multicomponent Cryogenic Mixture Used in Joule-Thomson Refrigerators," Advances in Cryogenic Engineering, 45, 283-290(2000). 

  12. Boiarskii, M., Khatri, A. and Kovalenko, V., "Design Optimization of the Throttle Cycle Cooler with Mixed Refrigerant," Cryocoolers 10, 457-465(1999). 

  13. Cao, W.-S., Lu, X.-S., Lin, W.-S. and Gu, A.-Z., "Parameter Comparison of Two Small-scale Natural Gas Liquefaction Process in Skid-mounted Packages," Appl. Therm. Eng., 26, 898-904 (2006). 

  14. Helgestad, D.-E., Modelling and optimization of the C3MR process for liquefaction of natural gas, Process Systems Engineering - Specialization Project Fall 2009. 

  15. Robert, C. R., The Properties of Gases and Liquids, 4th ed., McGraw-Hill Book Company, 1987. 

  16. Venkatarathnam, G., Cryogenic Mixed Refrigerant Processes, Springer, 2008. 

  17. Jung in Yoon et al., Characteristics of Cascade and C3MR Cycle on Natural Gas Liquefaction Process, World Academy of Science, Engineering and Technology 35, 2009. 

  18. Park, C. C., et al., Characteristics of LNG Refrigeration on two-stage Cascade Cryogenic Cycle by using C3MR Refrigerant, SAREK, 53-58 (2011). 

  19. Lee, K.-Y., et al., "Determination of the Optimal Operating Condition of the Dual Mixed Refrigerant Cycle at the Pre-FEED stage of the LNG FPSO Topside Liquefaction Process," Comput. Chem. Eng., 49(11), 25-36(2013). 

  20. Eretech, Perfect Business with new Minitab, 2005. 

  21. Kim, E.-J., et al., "Basic Design of Mixed Refrigerant Cycle in Bench Scale Unit LNG Plant's Liquefaction Process," SAREK, 729-734(2009). 

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