СПОСОБ ОЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК F25J1/00 F25B9/04 

Настоящее изобретение относится к криогенной технике, а именно к способу ожижения природного газа.

Для получения сжиженного природного газа широко используются дроссельные ожижительные циклы с различными способами предварительного охлаждения природного газа (ПГ).

Схематически эти процессы можно описать как циклы разомкнутого типа с использованием регенеративных теплообменников, в которых сжатый в компрессоре ПГ охлаждается до низких температур обратным потоком несжиженного газа из отделителя жидкости. После теплообменника холодный поток газа высокого давления дросселируется, жидкая фаза низкого давления выводится из отделителя жидкости, а несжиженный газ низкого давления (близкого к атмосферному) после рекуперации холода в теплообменнике также выводится из установки.

Максимальный коэффициент ожижения достигается в каскадных холодильных схемах, где в качестве внешнего хладагента для охлаждения прямого потока газа используются индивидуальные углеводороды или их смеси. Вследствие применения сложного, дорогостоящего и энергоемкого оборудования такие способы ожижения оказываются экономически выгодными только при организации крупномасштабного производства, измеряемого миллионами т/год. Тот же недостаток (необходимость применения сложного дорогостоящего оборудования) присущ установкам малой и средней производительности, где используются технологические схемы с использованием внутренних циркуляционных холодильных контуров, в основу которых положен принцип изоэнтропийного расширения части потока ожижаемого газа в детандерных агрегатах (цикл Гейландта и его разновидности).

Применительно к объектам, осуществляющим редуцирование уже предварительно сжатого ПГ, подаваемого по магистральным газопроводам - газоредуцирующим станциям и газоредуцирующим пунктам может быть применен наиболее простой процесс ожижения - классический дроссельный цикл. Ожижение в нем основано исключительно на рекуперативной утилизации прямым потоком газа высокого давления холода несконденсировавшейся части ожижаемого потока [1] (прототип). Технологически он заключается в охлаждении газа в рекуперативном теплообменнике, дросселировании и разделении образующейся парожидкостной смеси в конденсатосборнике с выводом паров в рекуперативный теплообменник, а жидкости - потребителю.

Способ обладает рядом достоинств (низкая стоимость, простота реализации, надежность), но характеризуется малым коэффициентом ожижения. Повышение коэффициента ожижения обычно достигается за счет введения в цикл дополнительных источников холодопроизводительности.

Нами предлагается способ ожижения ПГ в дроссельном цикле с использованием внутреннего холодильного контура, в основу которого положен процесс энергоразделения потока ПГ в вихревой трубе (ВТ) [2]. По эксплуатационным и стоимостным характеристикам ВТ намного дешевле, чем детандерные агрегаты и устройства. По сравнению с классическим дроссельным циклом заявляемый способ позволяет существенно повысить коэффициент ожижения ПГ.

Принципиальная схема предлагаемого способа приведена на фиг. 1.

Природный газ высокого давления (точка 2 на схеме), разделяясь на два потока, поступает соответственно в предварительный теплообменник (основная часть) и в вихревую трубу.

Из вихревой трубы холодная составляющая газа (точка 3) противотоком направляется в предварительный теплообменник, а горячая (точка 4) выводится из контура установки и объединяется с холодной составляющей, прошедшей предварительный теплообменник (точка 1).

Охлажденный в предварительном теплообменнике газ высокого давления (точка 6) проходит через рекуперативный теплообменик, где его температура дополнительно понижается (точка 7) за счет теплообмена с обратным потоком несконденсировавшегося (точка 9) после дросселирования (точка 8) газа.

Окончательно остаточный холод обратного потока газа (точка 10) утилизуется в предварительном теплообменнике в результате теплообмена с прямым потоком газа высокого давления.

Параметры выводимой из конденсатосборника жидкости характеризуются точкой (0).

Для подтверждения возможности осуществления изобретения ниже приводится его расчетное обоснование.

Известно [2] , что максимума Q_o достигает при относительной доле холодного потока газа (μ), выходящего из ВТ, на уровне 0.55 - 0.6.

С учетом этого обстоятельства, уравнение теплового баланса работы вихревой трубы имеет вид:
i₂+Q₀= μ^*i₁+(1-μ)^*i₄ (1)
где i₁ - энтальпия выходного потока из предварительного теплообменника;
i₂ - энтальпия входного потока в вихревую трубу (ВТ);
i₄ - энтальпия выходного потока из ВТ.

Формально запись уравнения (1) предполагает подaчу в ВТ 1 кг сжатого газа.

При этом значение Q_o может быть рассчитано по соотношению:
Q₀= μ^*(i₂-i₃) = μ^*ξ*ад

(i₂-i_3s) (2)
где μ - расходный коэффициент;
μ = 0.6 - холодный поток;
(1 - μ) = 0.4 - горячий поток;
ξ_ад - коэффициент приближения к адиабатическому процессу;
i_3s - энтальпия газа при постоянной энтропии, полученной при P_вх и T_вх.

Для большинства вихревых труб (трубы Ранка) значение коэффициента ξ_ад находится в пределах 0.4-0.45.

В дальнейших расчетах будем полагать его равным ξ_ад = 0.45.

При принятых условиях, по уравнению (2) легко рассчитать значение энтальпии газа в точке 3, а по ней определить и температуру газа, выходящего из ВТ - Т₃.

i₃= i₂-ξ*ад

(i₂-i_3s) (3)
Для окончательного определения основных оптимальных величин газовых потоков анализируемой схемы выполним тепловой балансовый расчет работы основного теплообменника.

Положим, что в него подается G кг основного потока сжатого газа.

Примем также, что его температура в точке 6 на величину в 5^o выше значения температуры холодного газа на выходе из BT - точка 3.

T6=T3 + 5 (4)
По ней легко найти абсолютное значение энтальпии сжатого потока в точке 6 - i₆.

Полагая равенство температур в точках T₁₀ и T₆, имеем:

где G_ж - доля жидкости, образующейся из потока сжатого газа при его дросселировании (идеальный дроссельный цикл).

Тогда

Абсолютное значение G найдем, решая уравнение теплового баланса работы предварительного теплообменника, записанного несколько иначе, чем это было рассмотрено ранее (уравнение 1).

G^*(i₂-i₆) = μ^*(i₁-i₃)+(G-G_ж)^*(i₁-i₁₀). (7)
С учетом того обстоятельства, что в вихревую трубу нами условно был направлен 1 кг рабочего газа, общее количество сжатого газа, поступившего в систему ожижения, определяется по уравнению:
ΣG = 1+G. (8)
Тогда общий коэффициент ожижения ПГ в установке может быть рассчитан по соотношению:

Соизмеряя полученное по уравнению (9) значение К_ож с величиной К_др, характеризующий идеальный дроссельный цикл ожижения, можно оценить общую энергетическую эффективность предлагаемого схемного решения процесса сжижения ПГ:

где

На основе уравнения (10) интегральная оценка эффективности предлагаемой схемы ожижения в зависимости от основных технологических параметров газа на входе в установку (входного давления и температуры), иллюстрируется графиком, приведенным на фиг. 2.

Из него следует, что в диапазоне входных давлений от 6 до 3 МПа и температур газа от 270 до 300K предлагаемая схема ожижения обеспечивает повышение реального коэффициента ожижения ПГ против идеального дроссельного цикла не менее чем на 28 - 46%.

При этом наибольшая эффективность достигается в случае "повышенных" (290 - 300K) температур газа на входе в установку.

Список литературы
1. Иванцов О.М., Двойрис А.Д. Низкотемпературные газопроводы. М., Недра, 1980, с. 207 - 209
2. Дыскин Л.М. Вихревые термостаты и воздухоосушители. ННГУ, Н.Новгород, 1991.

Природный газ высокого давления при температуре 270-300К разделяют на два потока, один из которых (основной) направляют в предварительный теплообменник, а другой - в вихревую трубу. Охлажденный в предварительном теплообменнике основной поток подают в рекуперативный теплообменник, где его температура дополнительно понижается за счет теплообмена с обратным потоком несконденсировавшегося газа, а затем - в дроссель. После дросселирования образовавшуюся жидкую фазу собирают в конденсатосборнике, а газовую после рекуперативного теплообменника объединяют с потоками, выходящими из вихревой трубы. Введение в цикл вихревой трубы увеличивает коэффициент сжижения по сравнению с дроссельным циклом на 28 - 46%. 2 ил.

Способ ожижения природного газа, состоящий в охлаждении газа в рекуперативном теплообменнике не сконденсировавшимся в цикле природным газом, его дросселировании и разделении образующейся парожидкостной смеси в конденсатосборнике, отличающийся тем, что исходный поток природного газа при температуре 270-300К разделяют на две части, одну из которых (основную) сначала подают в предварительный, а затем в рекуперативный теплообменник, а другую - в вихревую трубу, откуда образующийся холодный поток направляют в предварительный теплообменник для дополнительного охлаждения основной части ожижаемого потока природного газа.