УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА СЖИЖЕНИЯ ГАЗОВ И ИХ ХРАНЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЕМКОСТИ С АЗОТНЫМ ЭКРАНОМ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин, работающих по циклу Стирлинга, а также получения и хранения сжиженных газов, например природного газа.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60 - 160 К) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов. (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185 - 186).

Известно из криогенной техники, что температура кипения азота соответствует температуре -196^oC (77 К), а также использование жидкого азота как охлаждающей жидкости. (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 43). Однако, в технологиях по производству сжиженного природного газа, жидкий азот ранее не использовался.

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113 К). (Нефтегазовая вертикаль. /Анал. журнал 9 - 10 (24 - 25). М. , 1998, стр. 123/). Однако существует проблема высокоэффективного получения и хранения сжиженного природного газа, как криогенной жидкости.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителями с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287 - 288).

Известно устройство сосуда Дъюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202).

Известно, что ввиду внешних теплопритоков в емкостях с криогенными жидкостями образуется выпар (пары сжиженных газов), количество которого зависит от многих факторов: формы емкостей; типов теплоизоляции и т.д. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер. , 1962, стр. 250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха. (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М. , 1961, стр. 35). Однако использование жидкого воздуха в различных технологиях требует повышенных мер взрыво- и пожаробезопасности, а также ранее данные машины не применялись в технологиях для сжижения и хранения сжиженного природного газа.

Известны конструкции сосудов для хранения и перевозки жидких газов с малыми потерями на испарение на основе азотного экрана, включающие в себя сосуд с жидким газом, размещенным в сосуде с жидким азотом, и предохранительным клапаном для выпуска паров азота. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 257 - 258). Однако в данных технических решениях жидкий азот используется только для уменьшения внешних теплопритоков, не рассматриваются вопросы использования жидкого азота для снижения газов, а также вопросы сохранения азота, и следовательно, эффективность азотного экрана будет постоянно снижаться с испарением жидкого азота и выбросом его паров в окружающую среду.

Известна установка, позволяющая осуществить сжижение и хранение газа, содержащая линию сжижения газа, соединяющую магистральный газопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа с размещенными на ней дроссельным клапаном и промежуточным теплообменником, а также замкнутый контур с дроссельным клапаном, газовая линия которого проходит через промежуточный теплообменник (Патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975). Однако в целях повышения эффективности установки в целом целесообразно применить замкнутый азотный контур с криогенной машиной Стирлинга для переконденсации азота.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности системы и снижении материальных затрат при получении, хранении и использовании сжиженных газов, например природного газа, а также в повышении безопасности эксплуатации данных систем и снижении экологического загрязнения окружающей среды.

Для достижения этого технического результата, универсальная установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию снижения газа, соединяющего магистральный газопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа с размещенными на ней дроссельным клапаном и промежуточным теплообменником, а также замкнутый контур с дроссельным клапаном, газовая линия которого проходит через промежуточный теплообменник, снабжена криогенной машиной Стирлинга, через конденсатор которой проходит замкнутый контур, заполненный азотом, при этом теплоизолированная емкость выполнена с азотным экраном, соединенным с конденсатором криогенной машины Стирлинга жидкостной линией замкнутого контура, с размещенной на ней сосудом Дъюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, а линия сжижения газа снабжена регулирующим клапаном и конденсирующим змеевиком, расположенным в области азотного экрана.

Введение в состав универсальной установки для сжижения газов и их хранения криогенной машины Стирлинга, замкнутого азотного контура, соединяющего конденсатор криогенной машины Стирлинга с азотным экраном теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа, и конденсирующего змеевика в зоне азотного экрана, расположенного на линии сжижения природного газа, позволяет получить новое свойство, заключающееся в высокоэффективном сжижении природного газа за счет теплообмена с жидким азотом, в высокоэффективном хранении сжиженного газа за счет применения азотного экрана с возможностью переконденсации паров азотного экрана в криогенной машине Стирлинга, снижении затрат мощности холодильной машины за счет применения высокоэффективного холодильного цикла и эффекта дросселирования газов на различных участках универсальной установки.

На чертеже изображена универсальная установка для сжижения газов и их хранения.

В состав установки входит криогенная машина Стирлинга 1, замкнутый азотный контур, состоящий из линии жидкого азота 2 и линии газообразного азота 3, линия сжижения газа 4, теплоизолированная емкость для хранения сжиженного газа 5 с азотным экраном 6. Линия жидкого азота 2 начинается из конденсатора (не показан) холодильной машины Стирлинга 1 и включает в себя сосуд Дъюара 7, насос высокого давления 8, обратный клапан 9 и заканчивается в азотном экране 6. Линия газообразного азота начинается в газосодержащей зоне азотного экрана 6, включает в себя дроссельный клапан 10 и заканчивается в конденсаторе машины Стирлинга 1. Линия сжижения газа 4 соединяет магистральный газопровод 11 с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа 5 с азотным экраном 6 и включает в себя регулирующий клапан 12, дроссельный клапан 13, промежуточный теплообменник 14 и конденсирующий змеевик 15, расположенный в области азотного экрана 6.

Универсальная установка для сжижения газов и их хранения с азотным экраном работает следующим образом.

Природный газ повышенного давления из магистрального газопровода 11 по линии сжижения газа 4 поступает в конденсирующий змеевик 15, расположенный в азотном экране 6 теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа 5, для сжижения, процесс которого происходит за счет теплообмена с жидким азотом азотного экрана 6. Предварительно природный газ охлаждается при прохождении через дроссельный клапан 13 и промежуточный теплообменник 14. Из змеевика 15 сжиженный природный газ сливается в емкость 5 для хранения. Для регулирования подачи природного газа из газопровода 11 предусмотрен регулирующий клапан 12. Жидкий азот азотного экрана 6 используется для выполнения двух функций: сжижение природного газа и исключение внешних теплопритоков в емкость 5. Для своевременной подачи жидкого азота в азотный экран 6 и обеспечения сжижения природного газа предусмотрен замкнутый азотный контур, состоящий из линии слива жидкого азота 2 и линии газообразного азота 3. При теплообмене с природным газом жидкий азот азотного экрана 6 испаряется, переходит в газообразное состояние с повышением давления, и из верхней части азотного экрана 6 по линии газообразного азота 3 поступает в промежуточный теплообменник 14, где охлаждает газообразный природный газ перед конденсирующим змеевиком 15. После теплообмена с природным газом в теплообменнике 14 газообразный азот, проходя через дроссельный клапан 10, охлаждается и поступает в конденсатор (не показан) криогенной машины Стирлинга 1, где газообразный азот сжижается. Жидкий азот из конденсатора холодильной машины Стирлинга 1 по линии слива 2 сливается в сосуд Дъюара 7 и насосом повышенного давления 8 через обратный клапан 9 подается в азотный экран 6. Обратный клапан 9 предотвращает движение рабочей среды в обратном направлении. Наличие замкнутого азотного контура предотвращается загрязнение окружающей среды за счет отсутствия выброса выпара азотного экрана за пределы универсальной установки.

Источники информации
1. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185 - 186.

2. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 43.

3. Нефтегазовая вертикаль. /Аналитический журнал/ 9 - 10 (24 - 5). М., 1998, стр. 123.

4. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287 - 288.

5. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202.

6. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250.

7. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 35.

8. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 257 - 258.

9. Патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975. - прототип.

В универсальной установке для сжижения газов и их хранения линия сжижения газа соединяет магистральный трубопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа с размещенными на ней дроссельным клапаном и промежуточным теплообменником. Газовая линия замкнутого азотного контура проходит через промежуточный теплообменник. Теплоизолированная емкость выполнена с азотным экраном, соединенным с конденсатором криогенной машины Стирлинга жидкостной линией замкнутого контура с размещенными на ней сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном. Конденсирующий змеевик линии сжижения газа расположен в области азотного экрана. Использование изобретения позволит повысить эффективность и снизить материальные затраты при получении, хранении и использовании сжиженных газов. 1 ил.

Универсальная установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию сжижения газа, соединяющую магистральный газопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа с размещенными на ней дроссельным клапаном и промежуточным теплообменником, а также замкнутый контур с дроссельным клапаном, газовая линия которого проходит через промежуточный теплообменник, отличающаяся тем, что снабжена криогенной машиной Стирлинга, через конденсатор которой проходит замкнутый контур, заполненный азотом, при этом теплоизолированная емкость выполнена с азотным экраном, соединенным с конденсатором криогенной машины Стирлинга жидкостной линией замкнутого контура, с размещенными на ней сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, а линия сжижения газа снабжена регулирующим клапаном и конденсирующим змеевиком, расположенным в области азотного экрана.