СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК F25J1/02 

Предлагаемое изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано преимущественно в энергетике при производстве жидкого криогенного топлива, например жидкого метана.

Известен способ сжижения газа, предусматривающий охлаждение его жидким хладагентом в теплообменнике, имеющем трубное и межтрубное пространства, при этом сжигаемый газ подают в трубное, а жидкий хладагент - в межтрубное пространства (см. книгу Д.Л. Глизманенко "Получение кислорода". М., 1965, с.456, рис.188).

Недостатками этого способа сжижения газа являются низкие производительность и экономичность в связи с заполнением теплообменных труб кристаллами сжижаемого газа.

Наиболее близким к предлагаемому способу сжижения газа по технической сущности является способ сжижения газа, включающий охлаждение его жидким хладагентом в теплообменнике, имеющем трубное и межтрубное пространства, при этом сжижаемый газ подают в трубное, а хладагент - в межтрубное пространство, причем сжижаемый газ в трубное пространство подают под одинаковым давлением одновременно сверху и снизу, а сжиженный газ из трубного пространства отводят из его средней части (см. патент Российской Федерации 2087811, кл. F 25 В 39/04, 1994).

Недостатками данного способа сжижения газа являются также низкие производительность и экономичность из-за потерь значительного количества сжижаемого газа, охлажденного до температуры, близкой к его температуре сжижения, вследствие отсутствия соглассованности поверхностей теплообмена верхней и нижней частями теплообменника.

Целью изобретения является повышение производительности и экономичности путем уменьшения потерь жидкого криогенного хладагента и сжижаемого газа.

Поставленную цель достигают тем, что в известном способе сжижения газа, включающем охлаждение его жидким криогенным хладагентом в теплообменнике, имеющем верхнее и нижнее трубные и верхнее и нижнее межтрубные пространства, при этом сжижаемый газ подают в верхнее трубное пространство, хладагент испаряют в нижнем межтрубном пространстве и подают в верхнее межтрубное пространство, а сжиженный газ отводят из верхнего трубного пространства снизу, пары хладагента из верхнего межтрубного пространства подают в нижнее трубное пространство, а также тем, что пары хладагента из нижнего трубного пространства теплообменника подают в регенераторы, через которые поочередно пропускают сжижаемый газ, а также тем, что пары хладагента из ренегераторов подают в систему утилизации.

В известных технических решениях признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа, не обнаружены, что позволяет сделать вывод о существенности отличий.

На чертеже представлена упрощенная принципиальная схема установки для осуществления предлагаемого способа сжижения газа.

Установка содержит теплоизолированный вертикальный кожухотрубный теплообменник 1, имеющий верхнее 2 и нижнее 3 трубные и верхнее 4 и нижнее 5 межтрубные пространства, трубопроводы 6 и 7 для подвода сжижаемого газа и жидкого криогенного хладагента соответственно в верхнее трубное 2 и нижнее межтрубное 5 пространства, трубопроводы 8 и 9 для отвода сжиженного газа и паров хладагента соответственно из верхних трубного 2 и межтрубного 4 пространств, трубопровод 10 для подачи паров хладагента из верхнего межтрубного пространства 2 в нижнее трубное пространство 3 и трубопровод 11 для отвода паров хладагента из нижнего трубного пространства 3.

Теплообменник 1 снабжен датчиками 12 и 13 уровня. Трубопровод 6 имеет фильтр 14 и датчики 15 и 16 соответственно давления и температуры, трубопровод 7 - запорно-регулирующий орган 17, трубопровод 8 - датчики 18 и 19 соответственно давления и температуры, трубопровод 9 - быстродействующий запорный орган 20, предохранительный клапан 21 и датчики 22 и 23 соответственно давления и температуры, а трубопровод 10 - запорно-регулирующий орган 24. Запорно-регулирующий орган 17 снабжен блоком управления 25, подключенным через датчик 13, быстродействующий запорный орган 20 - блоком управления 26, подключенным через датчик 22, а запорно-регулирующий орган 24 - блоком управления 27, подключенным через датчик 23.

Установка может быть снабжена регенераторами 28 и 29, теплые концы 30 и 31 которых сообщены с газопроводом посредством трубопровода 32 и атмосферный посредством коллекторов 33 и 34, а холодные концы 35 и 36 - с трубопроводами 6 и 11 посредством коллекторов 37 и 38 соответственно. При этом коллектор 33 имеет быстррдействующие запорные органы 39 и 40, а коллектор 34 - быстродействующие запорные органы 41 и 42, управляемые блоком управления 43, подключенным через реле 44 времени. Она может быть снабжена смесителем 45, газовая полость которого сообщена с трубопроводом 8 и атмосферой посредством трубопровода 46, имеющего запорно-регулирующий орган 47 и датчики 48 и 49 соответственно давления и температуры, а жидкостная полость - с хранилищем посредством требопровода 50, имеющего запорно-регулирующий орган 51, снабженный блоком управления 52, подключенным через датчик 19. Регенератор 28 имеет насадку 53 и датчик 54 температуры, а регенератор 29 - насадку 55 и датчик 56 температуры.

Поверхности F и F₁ теплообмена соответственно верхнего 2 и нижнего 3 трубных пространств теплообменника 1 выбраны из условия F:F₁=5,5...6,2. Поверхности F₂ и F₃ теплообмена соответственно регенераторов выбраны из условия F₂= F₃>F. Диаметры D и D₁ условных проходных сечений соответственно трубопроводов 6 и 7 выбраны из условия D≤D₁:4, диаметры D₂ и D₃ условных проходных сечений соответственно трубопроводов 8 и 9 - из условия D₂=D₃≥4D, диаметры D₄ и D₅ условных проходных сечений соответственно трубопроводов 10 и 11 из условия D₄=D₅=D₃, диаметры D₆, D₇, D₈, D₉, D₁₀ соответственно трубопровода 32, коллекторов 33,34,37 и 38 - из условия D₆=D₇=D₈=D₉=D₁₀=4,5... 5,2 D, а диаметр D₁₁ условного проходного сечения трубопровода 50 - из условия D₁₁=0,8...D₂.

Предлагаемый способ сжижения газа осуществляют следующим образом.

В исходном положении установки все запорно-регулирующие и быстродействующие запорные органы закрыты.

Открывают запорно-регулирующий орган 17 и подают жидкий криогенный хладагент, например жидкий азот, в нижнее межтрубное пространство 5 и в нижнюю часть верхнего межтрубного пространства 4 теплообменника 1 до контрольного уровня, контролируемого датчиком 12. Затем открывают запорно-регулирующий орган 39 и под давлением подают сжижаемый газ, например природный газ, из газопровода через трубопровод 32 в регенератор 28, а оттуда через трубопровод 6 в верхнее трубное пространство 2 теплообменника 1. Жидкий хладагент, находящийся в нижней части верхнего межтрубного пространства 4 теплообменника 1, начинает кипеть, отнимая тепло от сжижаемого газа, движущегося в его трубном пространстве 2 сверху вниз. Пары хладагента, образующиеся в результате теплообменных процессов, заполняют верхнюю часть верхнего межтрубного пространства 4 теплообменника 1, где нагреваются до контрольной температуры, измеряемой датчиком 23, отдавая холод сжижаемому газу, движущемуся в его трубном пространстве 2 сверху вниз. При повышении температуры паров хладагента в верхнем межтрубном пространстве 4 теплообменника 1 до контрольной, измеряемой датчиком 23, открывают запорно-регулирующие органы 24 и 42. В результате этого пары хладагента из верхнего межтрубного пространства 4 теплообменника 1 поступают в его нижнее трубное пространство 3. Сжижаемый газ, движущийся в верхнем трубном пространстве 2 теплообменника 1, охлаждается до температуры сжижения, отдавая тепло жидкому хладагенту и его парам, и конденсируется. После этого жидкий хладагент из нижней части верхнего межтрубного пространства 4 теплообменника 1 удаляют путем уменьшения площади проходного сечения клапана запорно-регулирующего органа 17, открывают запорно-регулирующий орган 51 и сжиженный газ направляют в сепаратор 45, где от сжиженного газа отделяют газообразный азот и выбрасывают в атмосферу через трубопровод 46, а сжиженный газ по трубопроводу 50 - в хранилище, а оттуда - к потребителю. Пары хладагента, поступающие из верхнего межтрубного пространства 4 теплообменника 1 в его нижнее трубное пространство 3, охлаждаются, отдавая тепло жидкому хладагенту через его поверхность теплообмена, и через трубопровод 11 поступают в регенератор 29, где, пройдя через множество извилистых каналов его насадки 55, нагреваются, отдавая холод последней, и через коллектор 34 выбрасываются в атмосферу. При этом насадка 55 регенератора 29 охлаждается. После истечения заданного времени работы регенератора 29 одновременно закрывают быстродействующий запорный орган 39 и открывают быстродействующие запорные органы 40 и 42, и сжижаемый газ из газопровода через трубопровод 32 и коллектор 33 подают в регенератор 29, где он охлаждается, отдавая тепло его насадке 53, пройдя через ее множество извилистых каналов, и направляется к теплообменнику 1. Пары хладагента из нижнего трубного пространства 3 теплообменника 1 поступают в регенератор 28, где, пройдя через множество извилистых каналов его насадки 53, нагреваются, отдавая холод последней, и через коллектор 34 выбрасываются в атмосферу. При этом насадка 53 регенератора 28 охлаждается. Цикл работы регенераторов 28 и 29 повторяют. Режим работы установки поддерживают блоками управления 25, 26, 27, 43 и 52 и контролируют по датчикам 12, 13, 18, 19, 22, 23, 48, 49, 54 и 56.

Так, например, при сжижении метана температура сжижения которого равна - 161,5^oС, охлаждением его жидким азотом, температура кипения которого равна - 195,75^oС, в теплоизолированном вертикальном кожухотрубном теплообменнике 1, имеющем поверхности F и F₁ теплообмена его верхнего 2 и нижнего 3 трубных пространств, равные соответственно 11 м² и 2 м², и предварительным охлаждением его парами хладагента в регенераторах 28 и 29, имеющих поверхности F₂ и F₃ теплообмена, равные 686 м² , и диаметры D = 22 мм, D₁ = 80 мм, D₂ = 32 мм, D₃= D₄=D₅=80 мм, D₆=D₇=D₈=D₉=D₁₀= 100 мм и D₁₁ = 32 мм, природный газ в верхнее трубное пространство 2 теплообменника 1 подавали под давлением Р = 4,6...4,8 МПа, жидкий азот испаряли, погружая в него 7/10...9/10 поверхности F₁ теплообмена его нижнего трубного пространства 3, в верхней части его межтрубного пространства 4 температуру и давление Р_I паров хладагента поддерживали соответственно равными - 135...-142 ^oС и 1,5...2,1 МПа. При этом пары хладагента из верхнего межтрубного пространства 4 теплообменника 1 подавали в его нижнее трубное пространство 3, а оттуда - в регенераторы 28 и 29, которые переключали через 3 мин.

Как показали эксперименты, производительность установки повысилась на 5. . . 7%, а экономичность - на 55...57% по сравнению с прототипом. Это достигнуто благодаря уменьшению потерь жидкого криогенного хладагента и сжижаемого газа.

Использование предлагаемого способа сжижения газа в криогенном производстве позволяет снизить себестоимость выпускаемой продукции, что, например, в случае использования его на стенде для испытания авиационных двигателей, работающих на криогенном топливе, обеспечивает снижение топливно-энергетических затрат.

В способе сжижения газа сжижаемый газ подают в верхнее трубное пространство теплообменника. Хладагент испаряют в нижнем межтрубном пространстве теплообменника и подают в его верхнее межтрубное пространство. Сжиженный газ отводят из нижней части верхнего трубного пространства. Пары хладагента из верхнего межтрубного пространства подают в нижнее трубное пространство. Пары хладагента из нижнего трубного пространства теплообменника подают в регенераторы, через которые поочередно пропускают сжижаемый газ. Из регенераторов пары хладагента подают в систему утилизации. Использование изобретения позволит уменьшить потери жидкого криогенного хладагента и сжижаемого газа. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжижения газа, включающий охлаждение его жидким криогенным хладагентом в теплообменнике, имеющем верхнее и нижнее трубные и верхнее и нижнее межтрубные пространства, при этом сжижаемый газ подают в верхнее трубное пространство, хладагент испаряют в нижнем межтрубном пространстве и подают в верхнее межтрубное пространство, а сжиженный газ отводят из нижней части верхнего трубного пространства, отличающийся тем, что пары хладагента из верхнего межтрубного пространства подают в нижнее трубное пространство. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пары хладагента из нижнего трубного пространства теплообменника подают в регенераторы, через которые поочередно пропускают сжижаемый газ. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что пары хладагента из регенераторов подают в систему утилизации.