СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК F25B39/04 

Предлагаемое изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано преимущественно в энергетике при производстве жидкого криогенного топлива, например жидкого метана.

Известен способ сжижения газа, предусматривающий охлаждение его жидким хладагентом в теплообменнике, имеющем трубное и межтрубное пространство, при этом сжижаемый газ подают в межтрубные, а жидкий хладагент в трубное пространство теплообменника (см. книгу В.П.Беляева "Криогенная техника и технология". М. Энергоатомиздат, 1982, с. 34, рис. 1.15).

Недостатком этого способа сжижения газа является низкая производительность из-за недостаточно высокой интенсивности теплообменных процессов между сжижаемым газом и хладагентом.

Наиболее близким к предлагаемому способу сжижения газа по технической сущности является способ сжижения газа, предусматривающий охлаждение его жидким хладагентом в теплообменнике, имеющем трубное и межтрубное пространства, при этом сжижаемый газ подают в трубное, а жидкий хладагент в межтрубное пространства теплообменника (см. книгу Д.Л. Глизманенко "Получение кислорода". М. 1965, с. 456, рис. 188).

Недостатком данного способа сжижения газа является то, что производительность и экономичность недостаточно высоки из-за засорения теплообменных труб кристаллами сжижаемого газа.

Целью изобретения является повышение производительности и экономичности путем исключения возможности засорения теплообменных труб кристаллами сжижаемого газа.

Поставленную цель достигают тем, что в известном способе сжижения газа, предусматривающем охлаждение его жидким хладагентом в теплообменнике, имеющем трубное и межтрубное пространства, при этом сжижаемый газ подают в трубное, а жидкий хладагент в межтрубное пространства, сжижаемый газ в трубное пространство теплообменника подают под одинаковым давлением одновременно сверху и снизу, а сжиженный газ отводят через его среднюю часть, а также тем, что хладагент испаряют в нижней части межтрубного пространства теплообменника, а также тем, что сжиженный газ из трубного пространства теплообменника отводят через патрубок, расположенный выше зоны кипения хладагента, а также тем, что измеряют уровень жидкого хладагента в межтрубном пространстве теплообменника, сравнивают его с контрольным значением и по полученному сигналу управляют подачей жидкого хладагента, а также тем, что измеряют температуру паров хладагента в межтрубном пространстве теплообменника, преобразуют ее в управляющий сигнал регулятора расхода сброса паров хладагента, а также тем, что пары хладагента подают в систему утилизации.

В известных технических решениях признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, не обнаружены, что позволяет сделать вывод о существенности отличий.

На чертеже представлена упрощенная принципиальная схема установки для осуществления предлагаемого способа сжижения газа.

Установка содержит теплоизолированный вертикальный кожухотрубный теплообменник 1, имеющий трубное и межтрубное пространства, и подключенные к нему трубопроводы 2 и 3 для подачи жидкого хладагента, трубопровод 5 для выдачи сжиженного газа потребителю и устройство 6 для сброса паров хладагента в атмосферу.

Теплообменник 1 включает в себя кожух 7 и размещенные в нем пучки 8 и 9 теплообменных труб, соединенных между собой последовательно посредством коллектора 10, имеющего патрубок 11 для отвода сжиженного газа, соединенный с трубопроводом 5, и датчики 12 и 13 соответственно уровня и температуры паров хладагента. Пучки 8 и 9 теплообменных труб расположены в жидкостной 14 и газовой 15 полостях кожуха 7 соответственно. Часть пучка 8 теплообменных труб может быть расположена в газовой полости 15. Трубное пространство пучка 8 теплообменных труб снизу посредством коллектора 16 сообщено с трубопроводом 2, а трубное пространство пучка 9 теплообменных труб сверху посредством коллектора 17 с трубопроводом 3. Жидкостная полость 14 кожуха 7 сообщена с трубопроводом 4, а газовая полость 15 с устройством 6. Поверхность F теплообмена пучка 8 теплообменных труб меньше поверхности F₁ теплообмена пучка 9 теплообменных труб. Поверхности F и F₁ могут быть выбраны из условия F F₁ 0,15.0,25. Диаметры D, D₁ и D₂ соответственно коллекторов 10, 16 и 17 равны; диаметр D₃ патрубка, сообщающего жидкостную полость 14 с трубопроводом 4, больше диаметра D; диаметр D₄ патрубка, сообщающего газовую полость 15 с устройством 6, больше диметра D₃; диаметр D₅ отвода 33 равен или меньше диаметра D₄. Диаметры D₃ и D₄ могут быть выбраны из условий D₃ ≥ 4D и D₄ ≥ 1,25 D₃ и D₅ D₄ 0,8. 1. Датчик 12 расположен в зоне между жидкостной 14 и газовой 15 полостями, а датчик 15 в верхней части газовой полости 15.

Трубопровод 2 имеет запорный орган 18, регулятор 19 давления газа и контрольно-измерительный прибор 20. Трубопровод 3 соединен с трубопроводом 2 на участке после запорного органа 18. Трубопровод 4 имеет запорный орган 21, регулятор 22 расхода жидкости, датчик 23 температуры и контрольно-измерительный прибор 24, а трубопровод 5 запорный орган 25, регулятор 26 расхода жидкости, датчик 27 температуры и контрольно-измерительный прибор 28. Устройство 6 имеет запорный 29 и предохранительный 30 органы, сообщенные с атмосферой, и контрольно измерительные приборы 31 и 32. Оно снабжено сообщенным с системой утилизации отводом 33, имеющим запорный орган 34 и регулятор 35 расхода газа. Регулятор 22 снабжен блоком управления 36, подключенным через датчик 12, регулятор 25 - блоком управления 37, подключенным через датчик 27, а регулятор 35 блоком управления 38, подключенным через датчик 13.

В качестве датчика 12 уровня жидкости может быть использован датчик температуры.

Предлагаемый способ сжижения газа осуществляют следующим образом.

Открывают запорный орган 21 и заливают жидкий хладагент, например жидкий азот, в жидкостную полость 14 теплообменника 1 до контрольного уровня, измеряемого датчиком 12. Затем открывают запорный орган 18 и под давлением подают сжижаемый газ, например, природный газ из газопровода, в трубные пространства пучков 8 и 9 теплообменных труб. Жидкий хладагент, находящийся в жидкостной полости 14, начинает кипеть, отнимая тепло от сжимаемого газа, движущегося в трубном пространстве пучка 8 теплообменных труб снизу вверх. Пары хладагента, образующиеся в жидкостной полости 14, заполняют газовую полость 15, где нагреваются до контрольной температуры, измеряемой датчиком 13, отдавая холод сжижаемому газу, движущемуся в трубном пространстве пучка 9 теплообменных труб сверху вниз. При понижении температуры паров хладагента в газовой полости 15 до контрольной открывают запорный орган 29, в результате чего пары хладагента сбрасываются в атмосферу. Сжижаемый газ, движущийся в трубном пространстве пучка 8 теплообменных труб, охлаждается до температуры сжижения, отдавая тепло жидкому хладагенту, и конденсируется. При понижении температуры сжижаемого газа в патрубке 11 до контрольной величины, измеряемой датчиком 27, открывают запорный орган 25, в результате чего сжиженный газ из трубного пространства пучка 8 теплообменных труб направляется к потребителю. Сжижаемый газ, движущийся в трубном пространстве пучка 9 теплообменных труб, охлаждается до температуры сжижения, отдавая тепло парам хладагента, и конденсируется. Сжиженный газ из трубного пространства пучка 9 теплообменных труб поступает в коллектор 10 и, смешиваясь со сжиженным газом, идущим из трубчатого пространства пучка 8 теплообменных труб, направляется к потребителю. При необходимости открывают запорный орган 34, в результате чего пары хладагента из газовой полости 15 теплообменника 1 начинают поступать в систему утилизации. Режим работы установки поддерживают блоками управления 36, 37 и 38 и контролируют по контрольно-измерительным приборам 20, 24, 28, 31 и 32.

Так, например, при сжижении метана, температура сжижения которого равна -161,5^oC, охлаждением его жидким азотом, температура кипения которого равна -195,75^oC, в теплоизолированном вертикальном кожухотрубном темплообменнике 1, имеющем поверхности F и F₁ теплообмена, равные соответственно 2 м² и 11 м², и диаметры D D₁ D₂ 22 мм, D₃ 80 мм, D₄ 96 мм и D₅ 80 мм, метан в трубные пространства пучков 8 и 9 теплообменных труб подавали под давлением P 6 МПа одновременно, жидкий азот испаряли, погружая в него 2/3 поверхности F теплообмена пучка 8 теплообменных труб, в газовой полости 15 температуру t и давление P₁ паров хладагента поддерживали соответственно равными -175.-180^oC и 1,2.1,5 МПа, а пары хладагента из газовой полости 15 подавали в теплообменный аппарат, через который пропускали сжижаемый метан. Как показали эксперименты, производительность установки повысилась до 1500 кг/ч, что в 3,75 раза больше производительности установки согласно прототипу. Это достигнуто благодаря исключению возможности засорения теплообменных труб кристаллами сжижаемого газа. Экономичность при этом также повысилась. Расход жидкого азота для получения 1 т жидкого метана составляет 2,2.2,4 т, что в 1,6.1,7 раза меньше расхода жидкого азота при сжижении метана согласно прототипу.

Использование предлагаемого способа сжижения газа в криогенном производстве позволяет увеличить объем выпускаемой продукции и снизить себестоимость, что, например, в случае использования его на стенде для испытания авиационных двигателей, работающих на криогенном топливе, обеспечивает ускорение стендовой доводки новых образцов двигателей и снижение топливно-энергертических затрат.

Использование: при производстве жидкого криогенного топлива. Сущность изобретения: сжижаемый газ в трубное пространство теплообменника подают под одинаковым давлением одновременно сверху и снизу. Сжиженный газ отводят из средней части теплообменника. Хладагент испаряют в нижней части межтрубного пространства теплообменника. Сжиженный газ из трубного пространства отводят через патрубок, расположенный выше зоны кипения хладагента в межтрубном пространстве теплообменника. Уровень жидкого хладагента в межтрубном пространстве теплообменника измеряют и сравнивают с контрольным значением и по полученному сигналу управляют подачей жидкого хладагента. Температуру паров хладагента в межтрубном пространстве теплообменника измеряют и преобразуют в управляющий сигнал регулятора расхода сброса паров хладагента. Пары хладагента подают в систему утилизации. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжижения газа, включающий охлаждение его жидким хладагентом в теплообменнике, имеющем трубное и межтрубное пространства, при этом сжижаемый газ подают в трубное, а хладагент в межтрубное пространство, отличающийся тем, что сжижаемый газ подают под одинаковым давлением одновременно сверху и снизу, а сжиженный газ из трубного пространства отводят из его средней части. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что хладагент испаряют в нижней части межтрубного пространства теплообменника. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сжиженный газ из трубного пространства теплообменника отводят через патрубок, расположенный выше зоны кипения хладагента. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют уровень жидкого хладагента в межтрубном пространстве теплообменника, сравнивают его с контрольным значением и по полученному сигналу управляют подачей жидкого хладагента. 5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что измеряют температуру паров хладагента в межтрубном пространстве теплообменника и преобразуют ее в управляющий сигнал регулятора расхода сброса паров хладагента. 6. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что пары хладагента подают в систему утилизации.