СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к средствам использования природного газа, в частности к установкам сжижения природного газа, работающим за счет использования перепада давления между магистральными газопроводами и линией подачи газа потребителю.

Известны способы и установки для сжижения природного газа, включающие теплообменник для предварительного охлаждения сжатого газа, подаваемого в вихревую трубу, из которой один поток отводится в виде пара, а второй - в виде парожидкостной смеси. Пар отделяется от жидкости в криостате и эвакуируется в межтрубную полость теплообменника (патент RU 2103620, C1, F 25 В 9/02, 1998).

Недостатки известной установки и способа заключаются в том, что, во-первых, потоки за вихревой трубой не могут иметь температуру ниже температуры жидкости, с которой в камере вихревой трубы осуществляется интенсивный теплообмен, а значит, холодопроизводительность определяется только дроссель-эффектом. Во-вторых, температура отводимого пара ниже температуры исходного сжатого газа, что не позволяет использовать полностью и располагаемую холодопроизводительность. Смешивание обоих потоков пара, отводимых из вихревой трубы и имеющих различную температуру, непосредственно в полости низкого давления теплообменника, принципиально делает бессмысленным использование вихревых труб. И, наконец, в установке отсутствуют средства для очистки, осушки и дегидратизации сжатого газа, что приведет к быстрому забиванию теплообменника.

И в этих случаях необходимо предварительное сжатие природного газа до высокого давления, на что затрачивается дополнительная энергия.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения в части способа и в части устройства является способ сжижения природного газа, включающий очистку нерасширившегося газа от примесей, охлаждение его в теплообменнике и в вихревой трубе с разделением газа в вихревой трубе на охлажденный и нагретый потоки, отделение образовавшегося сжиженного газа и сбор его в накопительной емкости, и устройство для реализации этого способа, содержащее линию подачи нерасширившегося газа, фильтр для очистки газа от примесей, теплообменник, вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата (см. патент US 3775988, кл. F 25 J 1/00, 1973).

Недостатками известного способа и используемого для его осуществления устройства являются:
- необходимость нескольких стадий сжатия - расширения для получения коэффициента сжижения 0,03 - 0,15;
- сложность отделения капель конденсата от основного потока, для этого используется либо одна из вихревых труб, работающая фактически как циклон, либо специальная ректификационная колонна.

Технический результат заявленного по изобретению способа - бескомпрессорное получение сжиженного природного газа с использованием перепада давления на ГРС (газораспределительных станциях) между магистральным и идущим на потребление газом.

Предметом изобретения является также и устройство для осуществления данного способа сжижения природного газа.

Технический результат при применении устройства заключается в возможности применения способа утилизации холода, образующегося при редуцировании природного газа на ГРС с одновременным бескомпрессорным получением сжиженного газа.

Для достижения технического результата в способе сжижения природного газа, включающем очистку сжижаемого (сжатого, нерасширившегося) газа от примесей, охлаждение в теплообменнике, охлаждение в вихревой трубе, разделение газа в вихревой трубе на охлажденный и нагретый потоки, отделение образовавшегося конденсата и сбор его в накопительной емкости - сборнике конденсата, захоложенный нерасширившийся газ, отобранный из узла редуцирования (G_общ. ) разделяют на два потока, первый пропускают через вихревую трубу при отношении массового расхода газа, охлажденного на выходе из вихревой трубы и общего, поступившего в вихревую трубу (с параметром μ = G_охл./=G_общ.тр.= 0,4-0,7, где G_охл. - охлажденный поток из вихревой трубы, который затем поступает в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника, а затем к потребителю, второй поток газа (нерасширившегося) - G_сжиж. направляют в тот же теплообменник по трубам для охлаждения до температуры T₁/T₀=0,6-0,95, где T₀ - температура входящего газа, T₁ - температура выходящего газа, затем дросселируют при отношении давления P₀/P₁=1,2-5,0, где P₀ - начальное давление на входе, P₁ - конечное давление на выходе, сжижают, а нагретый поток из вихревой трубы поступает к потребителю редуцированного газа.

Для достижения технического результата устройство для осуществления способа по изобретению для сжижения природного газа, содержащее линию подачи нерасширившегося газа, фильтр для очистки газа от примесей, теплообменник, вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата, снабжено дросселем, расположенным между теплообменником и сборником конденсата, и узлом разделения линии подачи нерасширившегося газа на две линии, одна из которых присоединена к фильтру и затем через трубное пространство теплообменника к дросселю, а другая - к вихревой трубе, линия отвода холодного газа которой подсоединена к межтрубному пространству теплообменника, а линия отвода нагретого газа - к потребителю.

Не известны другие такие технические решения, имеющие идентичные признаки с признаками заявляемого изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Охлажденный нерасширившийся газ из узла редуцирования разделяют в узле разделения 2 на два потока: одна часть (G_сжиж.) газа по линии подачи 9 поступает через фильтр 3 в трубы рекуперативного теплообменника 4 на сжижение, другая часть (G_{общ. вихр.тр.}) поступает через узел разделения 2 по линии подачи 10 в вихревую трубу 1 с параметром (отношением) μ < 0,4 охлаждающий газ хотя и имеет низкую температуру, но количество его слишком мало для охлаждения сжижаемого газа, и это приводит к резкому уменьшению коэффициента сжижения. При μ > 0,7 температура охлаждающего газа может оказаться выше температуры сжижения.

Отношение температур выходящего и входящего газа в рекуперативном теплообменнике T₁/T₀ лежит в диапазоне T₁/T₀=0,6-0,95. При T₁/T₀<0,6 сжижение может очень активно начаться уже в теплообменнике, что приведет к забиванию трубок. При T₁/T₀<0,95 основная нагрузка по захолаживанию и сжижению газа падает на дроссель 5, что приведет к резкому снижению коэффициента сжижения, т.е. к снижению общей эффективности способа. Другая часть газа по линии подачи (10) поступает в вихревую трубу (1); охлажденный газ из вихревой трубы по линии подачи (8) поступает в межтрубное пространство теплообменника (4), а затем к потребителю, а нагретый в вихревой трубе газ по линии (магистрали)(12) подается к потребителю редуцированного газа.

На чертеже представлена схема устройства по изобретению.

Устройство содержит фильтр 3, вихревую трубу 1, кожухотрубный рекуперативный теплообменник 4, узел разделения газа 2, дроссель 5, сборник конденсата 6 (накопительная емкость), линии подачи и отвода газа 7, 8, 9, 10, 11, 12 в вихревую трубу, в фильтр, теплообменник, к потребителю, регулирующие вентили 13.

Устройство работает следующим образом.

Нерасширившийся захоложенный газ из узла редуцирования разделяется в узле разделения 2 на два потока: один поток (G_сжиж.) проходит по линии 9 через фильтр 3 и поступает по линии 9 в трубы теплообменника 4, другой поток по линии 10 (G_{общ.в.т.}) поступает в вихревую трубу 1. Из вихревой трубы 1 охлажденный газ поступает в межтрубное пространство теплообменника 4 и затем по линии 8, к потребителю. Нагретый газ из вихревой трубы по линии 12 сразу поступает в линию потребителя.

Захоложенный, нерасширившийся и частично сконденсировавшийся газ из труб теплообменника 4 с давлением P₀ проходит по линии 11 через дроссель 5 и образующийся конденсат собирается в сборнике 6 с давлением P₁. Отношение давлений P₀/P₁ лежит в пределах 1,2-5.

При P₀/P₁<1,2 уменьшается холодопроизводительность за счет эффекта Джоуля-Томсона и вообще происходит очень быстрое "запирание" конденсатопровода и уменьшение коэффициента сжижения.

При P₀/P₁ > 5 также происходит уменьшение коэффициента сжижения, но уже за счет повышения температуры конденсации при сжижении давления. Кроме того, при этом затрудняется слив самотеком конденсата из сборной емкости.

Ниже приводятся конкретные примеры осуществления изобретения.

Пример 1.

При редуцировании природного газа на газораспределительной станции (ГРС) газ с параметрами G_общ. = 2000 нм³/ч, Р₀=4,3 МПа, T₀=248 К подается в установку на сжижение. Часть газа G_сжиж. направляется в теплообменник 4, другая часть с расходом G_общ. направляется в вихревую трубу 1, в которой разделяется на два потока. Нагретый поток отводится непосредственно к потребителю редуцированного газа. Охлажденный поток в количестве μ = G_охл./G_общ. в. т. = 0,5 направляется в теплообменник 4 для сжижения природного газа, для чего необходимо поток G_сжиж. охладить до температуры T₁ = 0,7. Сконденсированный газ из теплообменника 4 через дроссель 5 подается в сборник конденсата 6. Давление в сборнике конденсата 6 (P₁) поддерживается на уровне, достаточном для безнасосной периодической перекачки сжиженного природного конденсата в транспортную емкость (P₀ = 3). При этом вследствие понижения давления часть природного газа регазифицируется, и пар отводится к потребителю редуцированного газа.

Поскольку давление газа, отбираемого из магистрали в количестве G_общ., меняется в течение года, также меняется его температура, а расход газа, требуемый потребителем редуцированного газа, изменяется как во времени года, так и по времени суток; поэтому приведенные в примере 1 цифры являются средние, а коэффициент сжижения G_сжиж./G_общ., достижимый при описанных условиях, составляет 0,08-0,10 (G_сжиж. - массовый поток конденсата). Давление в магистрали колеблется от 3,5 до 7,5 МПа. Предложенный способ позволяет сохранять работоспособность установки в широком интервале начальных параметров, причем с увеличением начального давления и сжижения начальной температуры коэффициент сжижения увеличивается. Рассмотрим крайние случаи. (T₀ и T₁ - температура входящего газа и охлажденного выходящего газа соответственно).

Пример 2.

Давление газа зимой при большом отборе газа потребителем составляет 3,5 МПа, температура газа на входе в вихревую трубу 1 составляет 230 К. Тогда отношение температуры T₁/T₀ = 0,75, расход охлажденного потока μ = G_охл./G_{общ.ви хр.тр.} = 0,6, коэффициент сжижения G_сжиж./G_общ. = 0,15-0,18. При этом G_сжиж./G_{общ.в.т.} = 0,2; P₀/P₁=4.

Пример 3.

Давление газа в магистрали летом при малом отборе газа потребителем составляет 6 МПа, его температура на входе в вихревую трубу T₀ = 268 К. μ = G_охл./G_{общ.ви хр.тр.} = 0,4 температура газа на выходе из вихревой трубы 1 составляет 170 К, в теплообменнике 4 газ конденсируется при температуре T₁ = 190К (T₁/T₀ = 0,7) и при дросселировании его часть в виде пара отводится потребителю не только в процессе перелива в транспортную емкость, но постоянно при дросселировании и заполнении сборника конденсата 6. При этом G_сжиж./G_общ.вт. = 0,15, P₀/P₁ = 3, коэффициент сжижения (эффективность устройства) равен 0,1-0,12.

Из приведенных примеров следует, что во всем интервале начальных параметров осуществляется сжижение природного газа. Для непрерывной работы установки необходима предварительная очистка природного газа, которая производится по известным технологиям и поэтому конкретно не описывается.

Способ сжижения природного газа включает разделение газа на два потока, очистку газа от примесей, охлаждение нерасширившегося газа в теплообменнике холодным газом из вихревой трубы, дросселирование газа и сбор сжиженного газа в накопительной емкости, отвод нагретого газа из вихревой трубы к потребителю. Устройство для сжижения природного газа содержит линии подвода и отвода газа, узел разделения газа на два потока, фильтр, вихревую трубу, теплообменник, дроссель, расположенный между накопительной емкостью и теплообменником, с помощью этого устройства способ осуществляют таким образом, чтобы отношение давлений на входе в теплообменник Р₀ и в сборнике конденсата Р₁ составляло 1,2 - 5,0, отношение массового расхода охлажденного газа на выходе из вихревой трубы и общего газа, поступающего в вихревую трубу, было равно 0,4 - 0,7. В теплообменнике газ охлаждается до температуры, определяемой отношением Т₁/Т₀ = 0,6 - 0,95. Использование изобретения позволяет утилизировать холод, образующийся при редуцировании природного газа на газоразделительных станциях с одновременным бескомпрессорным получением сжиженного газа. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжижения природного газа, включающий очистку нерасширившегося (сжатого) газа от примесей, охлаждение его в теплообменнике и в вихревой трубе с разделением газа в вихревой трубе на охлажденный и нагретый потоки, отделение образовавшегося сжиженного газа и сбор его в накопительной емкости, отличающийся тем, что нерасширившийся газ, отобранный из узла редуцирования, разделяют на два потока, первый поток пропускают через вихревую трубу при отношении массового расхода на выходе из трубы охлажденного газа и общего газа, поступающего в вихревую трубу, определяемого параметром μ = 0,4-0,7, при этом охлажденный поток расширенного газа из вихревой трубы подают в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника, а затем к потребителю, а нагретый поток из вихревой трубы подают к потребителю редуцированного газа, второй поток нерасширившегося газа подают на сжижение по трубам рекуперативного теплообменника, где его охлаждают до температуры, определяемой отношением
Т₁/Т₀ = 0,6 - 0,95,
где Т_о - температура входящего газа;
Т₁ - температура охлажденного выходящего газа,
и дросселируют перед сбором в накопительной емкости при отношении давлений
Р_о/Р₁ = 1,2 - 5,0,
где Р_о - начальное давление на входе в теплообменник;
Р₁ - конечное давление в сборнике конденсата. 2. Устройство для сжижения природного газа, содержащее линию подачи нерасширившегося газа, фильтр для очистки газа от примесей, теплообменник, вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата, отличающееся тем, что устройство снабжено дросселем, расположенным между теплообменником и сборником конденсата, и узлом разделения линии подачи нерасширившегося газа на две линии, одна из которых присоединена к фильтру, и затем через трубное пространство теплообменника к дросселю, а другая - к вихревой трубе, линия отвода холодного газа которой подсоединена к межтрубному пространству теплообменника, а линия отвода нагретого газа - к потребителю.