ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС КИРИЛЛОВА ПО СЖИЖЕНИЮ И ХРАНЕНИЮ ПРИРОДНОГО ГАЗА БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 F25B9/14 

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., 1931, 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.

Известно, что для ожижения газов может применяться вихревая труба (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П.Малкова, М.: Изд. иностр. литер. , 1932, стр.50). Однако при применении вихревой трубки коэффициент ожижения не превышает 15% от общего количества подаваемого в трубку газа.

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

Для достижения этого технического результата технологический комплекс по сжижению и хранению природного газа большой производительности включает в себя источник с повышенным давлением газа (магистральный газопровод), вихревую трубу с магистралями теплого потока с дроссельным клапаном и холодного потока, криогенную машину Стирлинга, теплоизолированную емкость с азотным экраном для сжиженного газа, причем магистраль теплого потока выполнена сообщенной с емкостью сжиженного газа и снабжена последовательно установленными за выходом вихревой трубы дроссельным клапаном, расширительной емкостью, промежуточным теплообменником и конденсирующим змеевиком, размещенным в жидком азоте азотного экрана, также комплекс снабжен замкнутым азотным контуром, состоящим из линии газообразного азота и линии жидкого азота, при этом линией газообразного азота соединена верхняя часть азотного экрана с предохранительным клапаном, который через промежуточный теплообменник соединен со своим дроссельным клапаном, далее со своей расширительной емкостью и с конденсатором криогенной машины Стирлинга, а линией жидкого азота соединены конденсатор криогенной машины Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, обратный клапан и азотный экран. В комплексе может быть параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга.

Введение в состав технологического комплекса по сжижению и хранению природного газа большой производительности криогенной машины Стирлинга, теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа с азотным экраном и замкнутого азотного контура, соединяющего конденсатор криогенной машины Стирлинга с азотным экраном теплоизолированной емкостью, а также снабжение магистрали теплого потока расширительной емкостью и конденсирующим змеевиком, расположенным в азотном экране, позволяет получить новое свойство, заключающееся в высокоэффективном сжижении природного газа за счет применения эффекта вихревой трубы и 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 энергопотребления комплекса, за счет применения высокоэффективного холодильного цикла и эффекта дросселирования газов на различных участках технологического комплекса.

На чертеже изображен технологический комплекс по сжижению природного газа большой производительности.

Технологический комплекс по сжижению и хранению природного газа большой производительности включает в себя источник с повышенным давлением газа 1 (магистральный газопровод), регулировочный клапан 2, вихревую трубу 3, магистраль теплого потока 4 с дроссельным клапаном 5 расширительной емкостью 6, промежуточным теплообменником 7 и конденсирующим змеевиком 8, магистраль холодного потока 9, теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа 10 с азотным экраном 11, криогенную машину Стирлинга 12, замкнутый азотный контур, соединяющий конденсатор (не показан) криогенной машины Стирлинга 12 с азотным экраном 11 емкости для хранения сжиженных газов 8. Замкнутый контур азота включает в себя линию жидкого азота 13 с сосудом Дьюара 14, насосом высокого давления 15, обратным клапаном 16, и линию газообразного азота 17 с предохранительным клапаном 18, дроссельным клапаном 19, расширительной емкостью 20. Линия жидкого азота 13 начинается из конденсатора (не показан) холодильной машины Стирлинга 12 и заканчивается в азотном экране 11. Линия газообразного азота начинается в газосодержащей зоне азотного экрана 11 и заканчивается в конденсаторе машины Стирлинга 12. Магистраль холодного потока газа 9 соединена с емкостью для хранения сжиженного газа 10, а линия газообразного азота 17 проходит через промежуточный теплообменник 7 магистрали теплого потока газа 4. Конденсирующий змеевик 15 расположен в жидком азоте азотного экрана 11.

Технологический комплекс по сжижению и хранению природного газа больной производительности работает следующим образом.

Природный газ повышенного давления из магистрального газопровода 1, через регулирующий клапан 2 поступает в вихревую трубу 3, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток в виде сжиженного газа сливается по магистрали 9 в теплоизолированную емкость 10. Теплый поток газа по магистрали 4 проходит через дроссельный клапан 5, при этом за счет эффекта Джоуля-Томпсона охлаждается, в расширительную емкость 6, далее поступает в промежуточный теплообменник 7, где происходит его дальнейшее охлаждение за счет теплообмена с парами азота, и конденсируется в змеевике 8 за счет теплообмена с жидким азотом азотного экрана 11, а затем сливается в емкость 10. Жидкий азот азотного экрана 11 используется для выполнения двух функции: сжижение природного газа и исключение внешних теплопритоков в емкость 10. Для своевременной подачи жидкого азота в азотный экран 11 и обеспечения сжижения природного газа из магистрали 4, предусмотрен замкнутый азотный контур, состоящий из линии слива жидкого азота 13 и линии газообразного азота 17. При теплообмене с природным газом жидкий азот азотного экрана 11 испаряется, переходит в газообразное состояние с повышением давления и из верхней части азотного экрана 11 по линии газообразного азота 17 через предохранительный клапан 18 поступает в промежуточный теплообменник 7, где охлаждает газообразный природный газ магистрали 4 перед конденсирующим змеевиком 8. После теплообмена с природным газом в теплообменнике 7 газообразный азот, проходя через дроссельный клапан 19 и расширительную емкость 20, охлаждается и поступает в конденсатор (не показан) холодильной машины Стирлинга 12, где газообразный азот сжижается. Жидкий азот из конденсатора холодильной машины Стирлинга 12, по линии слива 13, сливается в сосуд Дьюара 14 и насосом высокого деления 15 через обратный клапан 16 подается в азотный экран 11. Обратный клапан 16 предотвращает движение рабочей среды в обратном направлении. Наличие замкнутого азотного контура предотвращает загрязнение окружающей среды за счет отсутствия выброса выпара азотного экрана за пределы технологического комплекса.

Природный газ повышенного давления из газопровода поступает в вихревую трубу, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток в виде сжиженного газа сливается по магистрали в теплоизолированную емкость. Теплый поток газа предварительно охлаждается в дроссельном клапане и промежуточном теплообменнике. Затем конденсируется в змеевике за счет теплообмена с жидким азотом азотного экрана и сливается в емкость. Жидкий азот азотного экрана используется для выполнения двух функций: сжижения природного газа и исключения внешних теплопритоков в емкость. Для своевременной подачи жидкого азота в азотный экран и обеспечения сжижения природного газа из магистрали предусмотрен замкнутый азотный контур, состоящий из линии слива жидкого азота и линии газообразного азота. Для переконденсации паров азота применяется криогенная холодильная машина Стирлинга. Наличие замкнутого азотного контура предотвращает загрязнение окружающей среды за счет отсутствия выброса выпара азотного экрана за пределы технологического комплекса. Использование изобретения позволит повысить эффективность систем и снизить материальные затраты при получении, хранении и использовании сжиженных газов, например природного газа, а также снизить экологическое загрязнение окружающей среды и повысить коэффициент сжижения газов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Технологический комплекс по сжижению и хранению природного газа большой производительности, содержащий источник газа повышенного давления (магистральный газопровод), вихревую трубу, магистраль теплого потока, магистраль холодного потока и емкость сжиженного газа, отличающийся тем, что емкость выполнена теплоизолированной с азотным экраном, магистраль теплого потока выполнена сообщенной с емкостью сжиженного газа и снабжена последовательно установленными за выходом вихревой трубы дроссельным клапаном, расширительной емкостью, промежуточным теплообменником и конденсирующим змеевиком, размещенным в жидком азоте азотного экрана, также комплекс снабжен замкнутым азотным контуром, состоящим из линии газообразного азота и линии жидкого азота, при этом линией газообразного азота соединена верхняя часть азотного экрана с предохранительным клапаном, который через промежуточный теплообменник соединен со своим дроссельным клапаном, далее со своей расширительной емкостью и с конденсатором криогенной машины Стирлинга, а линией жидкого азота соединены конденсатор криогенной машины Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, обратный клапан и азотный клапан. 2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга.