СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ДРОССЕЛЬНОМ ЦИКЛЕ Российский патент 2004 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к области криогенной техники, в частности к сжижению природных и других низкокипящих многокомпонентных газов.

Известен способ сжижения природного газа в дроссельном цикле, включающий повышение давления газа, отвод теплоты сжатия в окружающую среду, его охлаждение в теплообменнике обратным потоком газа, дросселирование охлажденного газа с образованием газожидкостной смеси, ее разделение на целевую жидкость и паровую фазу, отвод целевой жидкости потребителю, а паровой фазы в теплообменник с образованием обратного потока, смешивание обратного потока с новой порцией исходного природного газа и направление его на повышение давления [1].

Недостатками указанного способа являются низкий коэффициент сжижения газа, равный отношению количества полученной целевой жидкости к количеству газа, направляемому на повышение давления, и, как следствие, высокие удельные энергетические затраты на получение целевой жидкости - сжиженного природного газа.

Известен также способ сжижения природного газа в дроссельном цикле с предварительным охлаждением, включающий повышение давления газа, отвод теплоты сжатия, его последовательное охлаждение в первом теплообменнике обратным потоком газа, в испарителе холодильной машины, во втором теплообменнике обратным потоком газа, дросселирование охлажденного газа с образованием газожидкостной смеси, ее разделение на целевую жидкость и паровую фазу, отвод целевой жидкости потребителю, а паровой фазы во второй теплообменник с образованием обратного потока и затем в первый теплообменник, смешивание обратного потока с новой порцией исходного природного газа и направление его на повышение давления [2].

Недостатками указанного способа являются повышенные удельные энергетические затраты на получение целевой жидкости, связанные с дополнительными затратами энергии в холодильной машине, а также высокие капитальные и эксплуатационные затраты на установку.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ сжижения природного газа в дроссельном цикле, включающий повышение давления природного газа с образованием прямого потока, отвод теплоты сжатия в окружающую среду и конденсацию части высококипящих компонентов в прямом потоке, последовательное охлаждение прямого потока в одной или нескольких ступенях охлаждения за счет холода обратного потока с отделением жидкой фазы высококипящих компонентов и ее дросселированием в обратный поток, дросселирование прямого потока, выводимого из последней ступени охлаждения, с образованием газожидкостной смеси, ее разделение на целевую жидкость и паровую фазу, отвод целевой жидкости потребителю, а паровой фазы в ступени охлаждения с образованием обратного потока, последующее смешение обратного потока с новой порцией исходного природного газа и направление его на повышение давления [3]. В данном способе эффект достигается за счет того, что высококипящие компоненты природного газа (пропан, бутан, пентан и др.), имеющие высокий изотермический дроссель-эффект, дросселируют в обратный поток и используют в качестве хладоагентов, циркулирующих в цикле. Такое решение позволяет повысить коэффициент сжижения газа.

Недостатками указанного способа сжижения природного газа являются ограниченная область применения и недостаточно высокий коэффициент сжижения газа, ограничиваемые повышением давления газа до докритических значений. Повышение давления газа выше критического значения не позволяет осуществить конденсацию части высококипящих компонентов газа, их отделение в ступенях охлаждения и дросселирование в обратный поток, в результате чего высококипящие компоненты невозможно использовать в качестве хладоагентов, что существенно снижает коэффициент сжижения газа.

Решаемая задача - повышение коэффициента сжижения природного газа в дроссельном цикле при одновременном снижении энергетических затрат на единицу произведенной целевой жидкости, а также расширение диапазона применяемости дроссельных циклов.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе сжижения природного газа в дроссельном цикле, при котором подают исходный природный газ на сжижение, повышают давление природного газа с образованием прямого потока, отводят теплоту сжатия в окружающую среду, прямой поток охлаждают не менее чем в одной ступени охлаждения, где от него предварительно отделяют жидкую фазу высококипящих компонентов и дросселируют в обратный поток, дросселируют прямой поток после ступени охлаждения с образованием газожидкостной смеси, разделяют ее в сепараторе на целевую жидкость и паровую фазу с образованием обратного потока, который направляют на охлаждение прямого потока и смешение с исходным природным газом, а целевую жидкость отводят потребителю, кроме этого, ведут предварительное охлаждение прямого потока после отвода теплоты сжатия в окружающую среду, снижают давление прямого потока перед входом не менее чем в одну ступень охлаждения до значения, величина которого ниже значения критического давления прямого потока на входе в эту ступень охлаждения, причем предварительное охлаждение прямого потока ведут в дополнительном теплообменнике.

Для дополнительного увеличения коэффициента сжижения и снижения удельных энергозатрат доохлаждают прямой поток обратным потоком перед дросселированием прямого потока с образованием газожидкостной смеси в концевом теплообменнике.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено техническое решение, характеризующееся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию “новизна”.

На фиг.1 изображена принципиальная схема установки для сжижения природного газа по предлагаемому способу. Установка для сжижения природного газа в дроссельном цикле содержит компрессор 1 для повышения давления газа, соединенный трубопроводом прямого потока через теплообменник для отвода теплоты сжатия 2 с теплой частью дополнительного теплообменника 3, холодная часть теплообменника 3 соединена со ступенью охлаждения 4 через промежуточный дроссель 5, ступень охлаждения включает в себя отделитель 6, паровая полость которого соединена с теплой частью теплообменника 7, а жидкостная полость отделителя через жидкостной дроссель 8 соединена с трубопроводом обратного потока и холодной частью теплообменника 7, холодная сторона ступени охлаждения трубопроводом прямого потока через основной дроссель 9 соединена с сепаратором 10, а трубопроводом обратного потока - с паровой полостью сепаратора 10.

На фиг.2 приведена схема включения концевого теплообменника. Холодная сторона ступени охлаждения 4 соединена трубопроводами прямого и обратного потоков с теплой частью концевого теплообменника 11, холодная часть концевого теплообменника 11 соединена трубопроводом прямого потока через основной дроссель 9 с сепаратором 10, а трубопроводом обратного потока - с паровой полостью сепаратора 10.

На фиг.3 приведены характеристики установки в зависимости от повышения давления газа. Кривая 12 - значение коэффициента сжижения природного газа установки, работающей по предлагаемому способу, кривая 13 - значение удельных энергозатрат на получение 1 кг сжиженного природного газа установки, работающей по предлагаемому способу. Кривые 14 и 15 - соответственно значения коэффициента сжижения природного газа и удельных энергозатрат установки, работающей по дроссельному циклу способа [3], кривые 16 и 17 - соответственно значения коэффициента сжижения природного газа и удельных энергозатрат установки, работающей по дроссельному циклу способа [1].

Принцип работы установки для сжижения природного газа заключается в следующем.

Природный газ сжимают в компрессоре 1, образовавшийся прямой поток охлаждают в теплообменнике для отвода теплоты сжатия 2, затем прямой поток охлаждают в дополнительном теплообменнике 3 до заданной температуры и направляют в одну или несколько ступеней охлаждения 4, причем перед входом в ступень охлаждения давление прямого потока снижают в промежуточном дросселе 5 до промежуточного давления, значение которого ниже критического для газа прямого потока, входящего в ступень охлаждения, прямой поток в ступени охлаждения направляют в отделитель 6, в котором осуществляют отделение жидкой фазы высококипящих компонентов. После отделителя 6 прямой поток направляют в теплообменник 7 для дальнейшего охлаждения, а жидкую фазу высококипящих компонентов дросселируют в жидкостном дросселе 8 и смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник 7. После охлаждения прямого потока в одной или нескольких ступенях охлаждения 4 его дросселируют в основном дросселе 9 до давления обратного потока и разделяют в сепараторе 10 на паровую фазу и целевую жидкость. Целевую жидкость отводят потребителю, а паровую фазу из сепаратора 10, образующую обратный поток, направляют в одну или несколько ступеней охлаждения 4 и дополнительный теплообменник 3 для рекуперации холода, а затем смешивают с исходным природным газом.

Для дополнительного увеличения коэффициента сжижения и снижения удельных энергозатрат прямой поток из последней ступени охлаждения 4 (см. фиг.2) направляют в концевой теплообменник 11, в котором температуру прямого потока понижают за счет холода обратного потока, отводимого из сепаратора 10.

Существенность отдельных отличительных признаков, характеризующих предлагаемое техническое решение и обеспечивающих решение поставленной задачи, обосновывается следующим.

Известно, что коэффициент сжижения установки, работающей по дроссельному циклу, зависит от разности между значениями энтальпий выходящего обратного и входящего прямого потоков газа на теплой части первого теплообменника, так называемого “изотермического дроссель-эффекта”, который в свою очередь зависит от разности давлений и температур этих потоков, а также от состава газа.

На фиг.3 приведены расчетные кривые значения коэффициента сжижения природного газа установки 12, работающей по предлагаемому способу, и удельных энергозатрат 13. Характер представленных кривых показывает, что с увеличением значения повышения давления газа коэффициент сжижения установки, работающей по заявляемому способу, возрастает, а удельные энергозатраты снижаются.

Введение в схему дополнительного теплообменника позволяет повысить температуру выхода обратного потока, что также увеличивает изотермический дроссель-эффект на теплом конце теплообменника.

Снижение давления газа прямого потока на входе в ступень охлаждения до значения, оптимального для данного состава газа прямого потока, которое ниже критического, позволяет осуществить конденсацию и отделение высококипящих компонентов в ступенях охлаждения и использовать их в качестве хладоагентов с максимальной эффективностью. По мере работы установки происходит накопление высококипящих компонентов в циркулирующем через компрессор газе.

Отделение высококипящих компонентов из газа приводит к увеличению в его составе доли низкокипящих компонентов (азот, метан) и снижению значения критического давления газа, поэтому для успешного отделения других высококипящих компонентов в следующих ступенях охлаждения необходимо дальше снижать давление газа. Использование в способе охлаждения прямого потока в дополнительном теплообменнике и промежуточного дросселя повышает коэффициент сжижения газа до значения 0,22-0,30.

Введение в схему концевого теплообменника позволяет понизить температуру газа перед основным дросселем, в результате увеличивается коэффициент сжижения установки. Известно, что температура кипения у сконденсированных высококипящих компонентов выше, чем у несконденсированного газа, поэтому после дросселирования жидкой фазы высококипящих компонентов в последней ступени охлаждения ее температура будет выше, чем у паровой фазы в сепараторе. Таким образом, введение в схему концевого теплообменника 11 позволяет дополнительно понизить температуру прямого потока перед основным дросселем 9 за счет холода обратного потока, выходящего из сепаратора (паровой фазы), что приводит к увеличению коэффициента сжижения газа еще на 1,5-5,0%, в итоге коэффициент сжижения газа составляет 0,22-0,33 (кривая 12, фиг.3), а удельные энергозатраты на сжижение газа позволяет снизить до 0,7-0,8 кВт·ч/кг (кривая 13).

Выполнение способа сжижения показано на примере сжижения природного газа с использованием компрессоров автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС).

Компрессоры АГНКС осуществляют сжатие природного газа с давления 0,7 МПа (абс.) до давления 19,5÷20,0 МПа (абс.). Состав исходного природного газа, об.%: азот 1,0; метан 98,09; этан 0,59; пропан 0,17; изобутан 0,05; бутан 0,1. В расчетах приняты также следующие исходные данные: изотермический КПД компрессора равен 0,6, минимальная разность температур между потоками в теплообменниках равна 5 градусов. Учитывая, что содержание высококипящих компонентов (этан, пропан, бутаны) в исходном газе не превышает 5%, в установке сжижения достаточно одной ступени охлаждения.

Сжатый и осушенный природный газ после компрессора 1 расходом 3600 нм³/ч, охлажденный до температуры 303 К, направляют в дополнительный теплообменник 3, в котором газ охлаждается до температуры 205÷240 К, затем газ дросселируют в промежуточном дросселе 5 до давления 2,5÷3,5 МПа (абс.), после чего направляют в ступень охлаждения 4, где осуществляют отделение от прямого потока жидкой фазы высококипящих компонентов в отделителе 6 и охлаждение прямого потока до температуры 160÷175 К, после ступени охлаждения прямой поток направляют в концевой теплообменник 11, в котором температуру прямого потока понижают на 1,5÷3,0 К. После дросселирования в основном дросселе 9 до давления 0,7 МПа (абс.) образовавшуюся газожидкостную смесь направляют в сепаратор 10, в котором отделяют целевую жидкость - сжиженный природный газ, паровую фазу из сепаратора 10 в качестве обратного потока направляют в концевой теплообменник 11 для рекуперации холода, в ступень охлаждения, где осуществляют его смешивание со сдросселированной жидкой фазой высококипящих компонентов и в дополнительный теплообменник 3, смешивают с исходным природным газом и направляют в компрессор 1 для повышения давления. Производительность установки по целевой жидкости (сжиженному природному газу) составляет 830-850 кг/ч (коэффициент сжижения газа в установке составляет 0,315-0,325).

В результате возврата высококипящих компонентов в обратный поток и затем на вход в компрессор в циркулирующем через компрессор газе происходит накопление таких высококипящих компонентов, как этан, пропан, изобутан, бутан, что приводит увеличению изотермического дроссель-эффекта. Состав циркулирующего через компрессор газа, следующий, об.%: азот 1,5; метан 84,3; этан 2,1; пропан 2,6; изобутан 2,4; бутан 7,1. В результате накопления высококипящих компонентов в газе дроссель-эффект на теплом конце дополнительного теплообменника увеличивается в 1,8 раза. Значение критического давления для данного газа равно 10,5 МПа.

После отделения высококипящих компонентов в ступени охлаждения состав газа будет следующим, об.%: азот 2,76; метан 96,56; этан 0,44; пропан 0,13; изобутан 0,04; бутан 0,07, и значение критического давления для такого газа уже равно 6,2 МПа.

Таким образом, использование предлагаемого способа сжижения природного газа позволяет увеличить производство сжиженного газа при неизменном количестве сжимаемого в компрессоре природного газа не менее чем на 80%, а удельные энергозатраты на единицу сжиженного природного газа снижаются не менее чем на 30%. Снижаются габариты и металлоемкость установки сжижения, а экономическая эффективность производства сжиженного природного газа возрастает.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Источники информации

1. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П. Малкова. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Энергия, 1973, с.56.

2. Архаров А.М. и др. Криогенные системы: Учебник для студентов вузов по специальности “Техника и физика низких температур”: В 2 т. Т. 1. Основы теории и расчета / А.М. Архаров, И.В. Марфенина, Е.И. Микулин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1996, с. 300.

3. Thorogood R. M. Mixed Refrigerant Processes for Natural Gas Liquefaction, -“Proc. Inst. Refrig.”, 1971-1972, № 68, pp. 32-40. (Тарагуд Р.М. Процессы сжижения природного газа с помощью холодильного агента сложного состава. Перевод № А-57297, Всесоюзный центр переводов научно-технической литературы и документации. М. 1978, стр. 7).

В способе сжижения природного газа в дроссельном цикле подают исходный природный газ на сжижение, повышают его давление с образованием прямого потока и отводят теплоту сжатия в окружающую среду. Далее ведут предварительное охлаждение прямого потока в дополнительном теплообменнике, снижают давление прямого потока перед входом не менее чем в одну ступень охлаждения до значения, величина которого ниже значения критического давления прямого потока на входе в эту ступень охлаждения. Прямой поток охлаждают не менее чем в одной ступени охлаждения, где от него предварительно отделяют жидкую фазу высококипящих компонентов и дросселируют в обратный поток. Далее прямой поток дросселируют с образованием газожидкостной смеси, разделяют ее в сепараторе на целевую жидкость и паровую фазу с образованием обратного потока, который направляют на охлаждение прямого потока и смешение с исходным природным газом. Целевую жидкость отводят потребителю. Доохлаждают прямой поток обратным потоком перед дросселированием прямого потока с образованием газожидкостной смеси в концевом теплообменнике. Использование изобретения позволит повысить коэффициент сжижения природного газа в дроссельном цикле при одновременном снижении энергетических затрат, расширить диапазон применяемости дроссельных циклов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сжижения природного газа в дроссельном цикле, при котором подают исходный природный газ на сжижение, повышают давление природного газа с образованием прямого потока, отводят теплоту сжатия в окружающую среду, прямой поток охлаждают не менее чем в одной ступени охлаждения, где от него предварительно отделяют жидкую фазу высококипящих компонентов и дросселируют в обратный поток, дросселируют прямой поток после ступени охлаждения с образованием газожидкостной смеси, разделяют ее в сепараторе на целевую жидкость и паровую фазу с образованием обратного потока, который направляют на охлаждение прямого потока и смешение с исходным природным газом, а целевую жидкость отводят потребителю, отличающийся тем, что ведут предварительное охлаждение прямого потока после отвода теплоты сжатия в окружающую среду, снижают давление прямого потока перед входом не менее чем в одну ступень охлаждения до значения, величина которого ниже значения критического давления прямого потока на входе в эту ступень охлаждения, причем предварительное охлаждение прямого потока ведут в дополнительном теплообменнике.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что доохлаждают прямой поток обратным потоком перед дросселированием прямого потока с образованием газожидкостной смеси в концевом теплообменнике.