천연가스 액화공정 설계(HYSYS를 활용한)

대표적인 청정에너지인 천연가스는 우리나라에 액체 상태인 LNG (Liquefied Natural Gas)로 수입되고 있다. 에너지로 사용하는 가스는 두 가지가 있는데 LNG와 LPG (Liquefied Petroleum Gas)이다. LNG는 주성분이 메탄인 천연가스이고 LPG는 주성분이 프로판이나 부탄이다. LNG는 LPG에 비하여 가격도 저렴하지만 공기보다 가볍기에 대기 중에 누출되었을 때 대기 중으로 쉽게 확산되어 폭발 위험성이 급격히 떨어지기에 더 안전하다고 할 수 있으며, 이러한 이유로 배관을 통한 공급방법인 도시가스로 사용되고 있다.

기체인 천연가스가 액화되면 그 부피가 약 600배로 줄어들기에 저장 및 이송을 위하여 천연가스 산지에서 액화하여 소비처로 이송하고, 소비처에서는 이를 재기화하여 가정이나 산업용으로 사용하게 된다. 하지만, 천연가스가 액화되는 온도는 약 -160℃로 이는 매우 낮은 온도이기에 액화하는데 많은 에너지가 소모된다. 이러한 이유로, LNG플랜트에는 높은 효율의 천연가스 액화사이클이 필요하다.

상업적으로 널리 사용되고 있는 액화사이클로는 메탄·에탄·프로판 순수 냉매 각각에 대한 3개 냉동사이클로 구성된 Cascade , 여러 냉매가 혼합된 하나의 냉매로 냉동사이클이 구성된 SMR , 이러한 Cascade 와 SMR 의 장점만으로 구성된 가장 널리 사용되고 있는 C3MR , 두 개의 혼합 냉매로 두 개의 냉동사이클이 구성된 DMR , SM 의 성능을 개선한 LIMUM , 3개의 혼합 냉매로 3개의 냉동사이클이 구성된 MFC , 그리고 C3M 에 질소 팽창사이클이 추가된 단위 생산설비로는 생산용량이 가장 큰 AP-X 공정이 있다. 이 책에서는 기본적인 냉동사이클에 대한 자세한 공정 구성방법을 설명한 이후에 가장 널리 사용되고 있는 Cascade , SMR , C3MR , LIMUM , 그리고 DMR 의 기본설계 및 공정 최적화 방법에 대하여 설명하겠다.

최근 우리나라에서도 국토교통부의 지원으로 추진 중인 LNG플랜트사업단 연구사업을 통하여 LNG플랜트 설계기술 및 천연가스액화공정의 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.

이 책의 내용은 화학공학, 플랜트 공학, 에너지 공학, 기계 공학 관련 학부생 및 대학원생을 대상으로 설명하고 있지만, HYSYS 을 이용한 화학공정에 대한 기본지식이 있다면 더욱 이해하기 쉬울 것으로 판단된다. 특히, 우리나라의 화학공정 엔지니어들에게 필요한 개념설계 및 기본설계의 바탕이 되는 공정설계를 위한 Simulation 작업을 상세히 설명하였기에, 초저온 공정이나 LNG 공정 등의 산업 현장 기술자나 연구 개발자 그리고 공정 설계 엔지니어들에게 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.

01. 천연냉매

02. 냉매 사이클 기본구조
2-1. 설계 기본
2-2. 기본 물성 설정
2-3. C3 냉매
2-3-1. Feed Gas의 결정
2-3-2. Propane 냉동사이클의 결정
2-4. 암모니아(Ammonia, NH3) 냉매
2-5. 부탄(i-Butane) 냉매

03. 천연가스의 액화
3-1. Cascade 공정
3-1-1. Cascade 공정 이론
3-1-2. Cascade 공정 Simulation
3-1-3. Cascade 공정 (다중 흐름 열교환기 사용)
3-2. SMR 공정
3-2-1. SMR 공정 이론
3-1-3. SMR 공정 Simulation

04. 천연가스 액화공정
4-1. Optimized Cascade 공정
4-2. 기액분리기가 있는 SMR 공정
4-2-1. 기액분리기가 있는 SMR 공정 기본
4-2-2. 다단의 기액분리기가 있는 SMR 공정
4-2-3. LIMUM? 공정

4-3. C3MR 공정

4-4. DMR 공정
4-4-1. 단순 구조 DMR (열교환기 한 개형)
4-4-2. 예냉/액화 DMR 공정 (열교환기 두 개형)
4-4-3. 기액분리기가 있는 예냉/액화 DMR 공정

References

이상규