УСТАНОВКА СЖИЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F25B9/02 

Установка сжижения относится к криогенной технике, в частности к установкам сжижения природного газа, работающих за счет использования перепада давления, существующего между магистральным газопроводом и давлением газа, подаваемого потребителю, и может быть применена во всех случаях, где при наличии давления газа требуется обеспечить сжижение или получить низкие температуры.

Известны установки сжижения (Энциклопедия газовой промышленности), МАО "ТВАНТ", 4-е изд., 1994, с. 452 - 461).

Эти установки весьма трудоемки, поэтому требуют значительных капитальных затрат, сложны в управлении, а для и эксплуатации необходим высококвалифицированный обслуживающий персонал, что приводит к большим эксплуатационным затратам и существенно снижает их рентабельность.

Известна также установка сжижения газа с использованием вихревых труб и вихревых охладителей газа (SU, патент 1775026, кл. F 25 B 9/02, 1989).

Недостатком этой установки является низкий коэффициент сжижения вследствие малой эффективности используемых вихревых труб и отсутствия условий для эффективной работы вихревых охладителей.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению является устройство сжижения (SU, патент 2044973, кл. F 25 J 1/00, 1995), содержащее размещенные в криостате вихревые охладители с теплообменником.

Недостатками этой установки сжижения являются:
снижение эффективности процесса сжижения из-за противодавления, возникающего вследствие выхлопа в общий объем криостата потоков из обоих отводов вихревых охладителей;
значительный капельный унос жидкости из криостата вследствие высокой скорости потока после расширения в вихревом охладителе,
самоторможение процесса сжижения, возникающее вследствие противодавления паров криостата, образующихся в процесса его захолаживания и заполнения жидким продуктом.

Техническая задача данного изобретения - увеличение коэффициента сжижения.

Поставленная задача достигается тем, что в установке сжижения, включающей размещенные в криостате вихревые охладители с теплообменником, лбъем криостата разделен на верхнюю и нижнюю зоны, при этом в верхней зоне размещены разветвоелнный коллектор подвода газа высокого давления теплообменника и вихревые охладители, отводы газа низкого давления которых сообщены с зоной низкого давления теплообменника, а отводы жидкости из вихревых охладителей соединены с нижней зоной криостата, которая дросселем соединена с верхней зоной.

Экспериментально установлено, что наибольшая эффективность охлаждения газа в вихревых охладителях обеспечивается при расширении обоих отводов в атмосферу, т. е. при отсутствии противодавления. При этом, если начальная температура потока близка к температуре конденсации газа, то часть разделенного потока отводится из охладителя в виде весьма переохлажденного потока газа низкого давления, а другая часть в виде жидкости при более высоком давлении (подтверждением служат результаты экспериментальных исследований вихревых охладителей газа, "Журнал технической физики", 1983, N 9, с. 1770 - 1776 и Omerican inctitut of Physics, 1984, p. 1089 - 1093).

В предложенном техническом решении для обеспечения раздельного расширения каждой части отводимых потоков из вихревых охладителей криостат делится на две зоны (объема), с которыми соединены соответствующие отводы охладителей. В верхней зоне, где размещены вихревые охладители, выхлоп из отвода переохлажденного потока газа низкого давления производят в эту же зону. Так как этот объем соединен с зоной давления теплообенника, то увеличение объема выхлопа газового потока охладителя приближает к степени расширения соответственного атмосферному. Второй парожидкостный отвод вихревого охладителя соединен с нижней зоной криостата, поэтому давление в ней выше, чем в верхней зоне. Для снижения давления расширения в нижней зоне криостата необходимо увеличивать объем нижней зоны криостата до оптимального значения, которое должно быть соответственным отношению давлений отводимых потоков (так, если отношение давлений потоков составляет 3:1, то и отношение объемов зон должно быть соответственным). Для уменьшения соединение полостей криостата дросселем, что, кроме сепарации жидкости обеспечивает изоэнтропное расширение пара с понижением температуры и эффективное охлаждение коллектора подвода газа высокого давления. Эвакуация пара из нижней зоны криостата через дроссель исключает возможность появления паров пробок и проскока пара в криостат потребителя, что вызывает пульсации давления, гидроудары и способствует снижению производительности.

Изобретение поясняется схемой установки сжижения, представленной в разрезе на фиг. 1; на фиг. 2 показано сечение улитки вихревого охладителя; а на фиг. 3 схемно показан подвод и отвод газа.

Лучший, по нашему мнению, вариант конструкции составлен из следующих элементов: защитный кожух с опорами 1, фланец 2 входа газа высокого давления, трубчатый змеевик 3, внутренняя обечайка 4, верхний коллектор 5 теплообменника, теплообменник 6 с сердечником, трубная доска 7, трубки теплообменника 8, нижние коллекторы 9 теплообменника высокого давления, трубки 10 подвода газа к вихревым охладителям, вихревые охладители 11, отводы 12 переохлажденного газа из охладителей, отводы 13 жидкости из охладителей, перегородка 14 криостата, днище 15 нижнего объема криостата, дроссель 16, отверстия 17 в обечайке 4 для отвода газа низкого давления, фланцы 18 отвода газа из установки, опоры 19 для крепления трубной доски и теплообменика, отвод 20 жидкого продукта, теплоизоляция 21 днища криостата с термостатами, эжекторы 22, запорно-регулирующие вентили 23.

Установка сжижения работает следующим образом.

Входящий через фланец 2 поток высокого давления по трубчатому змеевику 3, размещенному между защитным кожухом 1 и внутренней обечайкой 3, размещенному между защитным кожухом 1 и внутренней обечайкой 4, поступает в коллектор теплообменника 5. При этом возможно предварительное дросселирование частично охлажденного потока высокого давления, например, 16,0 МПа и выше за счет установки сужения на конце змеевика 3, что исключает применение металлоемкого защитного корпуса 1. В коллекторе 5 теплообменника, закрывающего трубную доску 7, поток дробится на трубках 8 диаметром 10 х 1 или 8 х 1, которые прочно и плотно закрепляются в трубной доске. Все трубки 9 одинаковой длины и послойно навиваются на сердечник теплообменника 6 с зазором между слоями для прохода обратного потока.

В нижней части теплообменника 6 поток вновь собирается в кольцевые коллекторы 9, жестко соединенные между собой. Из коллектора 9 по трубке 10 поток высокого давления поступает на вход вихревых охладителей 11, размещенные на перегородке 14. В охладителе 11 поток, проходя спираль улитки, ускоряется до звуковой скорости (фиг. 2) центробежно расширяется, понижая при этом температуру, разделяется и отводится из охладителя через отводы 12 и 13. Из отвода 12 газовый поток поступает в верхнюю зону криостата, которая сообщается с зоной низкого давления обратного потока теплообменника, охлаждая при этом коллектор 9 подвода газа высокого давления. Из отвода 13 парожидкостная смесь поступает в нижнюю зону криостата 15, где расширяется с сепарацией жидкости, которая по отводу 20 поступает в криостат потребителя, а пар из криостата 15 через дроссель 16 поступает в верхнюю зону, где дополнительно охлаждается за счет изоэнтропного расширения и теплообменивается с коллектором подвода газа 9. В верхней части теплообменника 8 поток газа низкого давления через отверстия 17 на обечайке 4 поступает встречно потоку высокого давления трубчатого змеевика 3 и далее через фланцы, расположенные на силовом контуре 1 (фиг. 3), выводится из установки на утилизацию. Для лучшей эвакуации обратного потока и интенсификации его теплообмена за счет увеличения скорости установки снабжена эжекторами 22, работа которых настраивается вентилями 23.

Теплообменник 6 закреплен в корпусе 1 на опорах 19 и находится в подвешенном состоянии, что обеспечивает простоту и быстроту монтажа, хорошие эксплуатационные качества. В зависимости от уровня и совершенства технологии изготовления витых трубчатых теплообменников верхняя трубная доска 7 может быть выполнена в виде кольцевых коллекторов 9 и, в свою очередь, нижний коллектор 9 может быть заменен трубной доской с коллектором верхней части. Критериями такого выбора служат надежность, долговечность и стоимость.

Для уменьшения теплопритоков нижняя часть криостата 15 должна быть теплоизолирована экранно-вакуумной (пенополиуретановой) теплоизоляцией толщиной не менее 180 мм, а остальная часть - толщиной 120 мм.

Допускается применение пластинчатых теплообменников, гарантирующих длительную надежную работу установки при высоких начальных давлениях.

Установка сжижения может изготавливаться любой производительности при любых начальных давлениях, что гарантируется числом используемых вихревых охладителей и прочностью труб змеевика 3 и теплообменника 8.

Так как предлагаемая установка сжижения не имеет движущихся частей и не требует дополнительных энергозатрат, то размещение их на газораспределительных станциях (ГРС) с большим потреблением газа и начальным давлением 4,0 - 6,0 МПа (40 - 60 атм) позволяет при расширении до 0,3 - 0,6 МПа (4 - 7 абс. атм.) получать до 25% жидкого продукта самой низкой себестоимости. Кроме того, использование таких установок на ГРС позволяет подавать потребителям газ с температурой, отличающийся от входной на 3 - 5^oC (зависит от эффективности используемых теплообменников), тогда как при существующей системе при дросселировании потока на таком же перепаде давлений происходит существенное понижение температуры газа (0,5^oC на каждую атмосферу), что приводит к разрушениям газопроводов вследствие вспучивания глинистых грунтов.

Подобные установки сжижения окажутся весьма полезными для решения задачи "пик-шейвинг", т. е. покрытия пикового газопотребления в зимнее время, накапливая жидкий продукт летом, когда существенно снижается число потребителей газа.

Установки сжижения могут быть использованы в холодильной технике (через промежуточный теплоноситель) для заморозки и хранения продуктов, сырья и заготовок различных отраслей народного хозяйства, располагая такие холодильные комплексы на больших ГРС с большим газопотреблением и вблизи населенных пунктов.

Высокое быстродействие, отсутствие движущихся частей, простота обслуживания и высокая надежность таких установок позволяет рекомендовать их к применению во всех случаях, где требуется сжижать газ, получать низкие температуры или разделять смеси газов на составляющие.

Изобретение предназначено для сжижения природного газа и может быть использовано в холодильной технике для заморозки и хранения продуктов, сырья и заготовок различных отраслей народного хозяйства. В установке сжижения реализуется независимое расширение разделенных потоков вихревых охладителей. Деление объема креостата на зоны, соединенные соответствующим образом с отводами 12, 13 вихревых охладителей 11 и между собой, достигается эффективное срабатывание начального давления входного потока, поэтому применение таких установок, например на газораспределительных станциях магистрального газопровода, позволит при перепадах давления с 6,0 МПа до 0,6 сжижать до четверти входного потока и получать жидкий метан самой низкой себестоимости. При этом несжиженная часть входного потока будет отводиться потребителю при температуре, близкой к входной. Так же будет обеспечено независимое расширение каждой составляющей разделяемых потоков вихревых охладителей, что увеличивает степень расширения потока, дает понижение температуры, а следовательно, увеличивает коэффициент сжижения. 3 ил.

Установка сжижения природного газа, включающая размещенные в криостате вихревые охладители с теплообменником, отличающаяся тем, что объем криостата разделен на верхнюю и нижнюю зоны, при этом в верхней зоне размещен разветвленный коллектор подвода газа высокого давления теплообменника и вихревые охладители, отводы газа низкого давления которых сообщены с зоной низкого давления теплообменника, а отводы жидкости их вихревых охладителей соединены с нижней зоной криостата, которая дросселем соединена с верхней зоной.