СПОСОБ ОБРАТНОГО СЖИЖЕНИЯ БОГАТОЙ МЕТАНОМ ФРАКЦИИ Российский патент 2017 года по МПК F25J1/02 F25J3/02 

Изобретение относится к способу обратного сжижения богатой метаном фракции, в частности испаренного газа.

Под понятием «испаренный газ» следует в последующем понимать как испаренный газ, так и газовые смеси, которые имеют аналогичный состав; лишь в качестве примера можно назвать вытеснительные газы, которые возникают, например, при погрузке сжиженного природного газа в транспортировочные баки на судах или грузовых автомобилях.

Богатые метаном газы, соответственно, испаренные газы требуют при их сжижении, начиная с определенной доли азота, принятия подходящих мер для извлечения через шлюз богатой азотом фракции с целью ограничения содержания азота в сжиженном природном газе обычным 1 мол.%.

В US 5036671 показан способ извлечения через шлюз богатой азотом фракции, в котором на холодном конце процесса сжижения подлежат отводу через один или несколько сепараторов газовые потоки, которые имеют относительно неочищенного газа значительно более высокое содержание азота. Эти газовые потоки, как правило, сжимают, возможно частично возвращают в неочищенный газ и обычно применяют в качестве горючего газа. В указанном в US 5036671 процессе сжижения выходящий из расположенного после процесса сжижения бака сжиженного природного газа испаренный газ нагревают и сжимают при приблизительно окружающей температуре.

Поскольку рабочее давление в таких баках сжиженного природного газа, как правило, лишь немного, обычно на 50 мбар, превышает окружающее давление, то при сжижении всасываемого с нагреванием испаренного газа существует повышенная вероятность создания в компрессоре разряжения. Это может приводить к входу воздуха, и тем самым кислорода, и тем самым представлять угрозу для безопасности.

Задачей данного изобретения является создание способа обратного сжижения богатой метаном фракции, который предотвращает указанные выше недостатки.

Для решения этой задачи предлагается соответствующий способ обратного сжижения богатой метаном фракции, в котором

а) богатую метаном фракцию сжимают до давления, которое по меньшей мере на 20% превышает критическое давление подлежащей сжатию фракции,

b) сжижают и переохлаждают,

с) расширяют до давления между 5 и 20 бар,

d) разделяют на газообразную богатую азотом фракцию и жидкую обедненную азотом фракцию, и

е) разгружают (снимают давление) обедненную азотом фракцию до давления между 1,1 и 2,0 бар,

f) при этом получающуюся газообразную фракцию без нагревания и сжатия смешивают с богатой метаном фракцией, и

g) получающаяся при разгрузке бедная азотом жидкая фракция продукта имеет содержание азота ≤1,5 мол.%.

Поскольку сжижение и переохлаждение богатой метаном фракции осуществляется с помощью по меньшей мере одного контура охлаждающего средства и/или по меньшей мере одного контура смеси охлаждающих средств и они имеют по меньшей мере один компрессор контура, то давление, до которого сжимается богатая метаном фракция, давление, до которого разгружается сжиженная и переохлажденная богатая метаном фракция, и температура, до которой охлаждается богатая метаном фракция, выбираются или варьируются согласно изобретению так, что

- приводная мощность применяемого для сжатия богатой метаном фракции компрессора и приводная мощность компрессора или компрессоров контура сдвигаются относительно друг друга, без изменения общей мощности более чем на ±5%, или

- приводная мощность применяемого для сжатия богатой метаном фракции компрессора и приводная мощность компрессора или компрессоров контура сдвигаются относительно друг друга так, что достигается распределение общей мощности между 30/70 и 70/30.

Другие предпочтительные варианты выполнения способа, согласно изобретению, для обратного сжижения богатой метаном фракции, которые представляют предметы зависимых пунктов формулы изобретения, характеризуются тем, что

- богатую метаном фракцию сжимают до давления, которое по меньшей мере на 30% превышает критическое давление подлежащей сжатию фракции,

- сжиженную и переохлажденную богатую метаном фракцию разгружают до давления между 7 и 15 бар, и/или

- обедненную азотом фракцию разгружают до давления между 1,2 и 1,8 бар.

Ниже приводится более подробное пояснение способа, согласно изобретению, для обратного сжижения богатой метаном фракции, а также его других предпочтительных вариантов выполнения, со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором изображено:

фиг. 1 - пример выполнения способа согласно изобретению.

Подлежащую обратному сжижению богатую метаном фракцию 1 сжимают в выполненном одноступенчатым или многоступенчатым компрессорном блоке С1 до давления, которое по меньшей мере на 20%, предпочтительно по меньшей мере на 30% превышает критическое давление подлежащей обратному сжижению богатой метаном фракции 1. За счет этого предотвращаются двухфазные потоки подлежащей обратному сжижению богатой метаном фракции 1 в теплообменнике или теплообменниках следующей ступени сжижения.

Согласно изобретению, подлежащую обратному сжижению богатую метаном фракцию 1 перед ее сжатием С1 не нагревают. На основании сжатия С1 подлежащая обратному сжижению богатая метаном фракция нагревается до температуры выше температуры окружения, за счет чего она в теплообменнике Е1 охлаждается с помощью воды или воздуха примерно до температуры окружения.

Сжатую богатую метаном фракцию 2 охлаждают в теплообменнике Е2 до температуры между -100 и -140°C и при этом сжижают и переохлаждают.

Охлаждение сжатой богатой метаном фракции можно в принципе осуществлять в любом контуре охлаждающего средства или контуре смеси охлаждающих средств, а также в их комбинации. Показанный на фиг. 1 контур охлаждающего средства представляет лишь один из множества вариантов. Показанный на фиг. 1 теплообменник Е2 может быть образован в действительности из нескольких отдельных теплообменников и/или теплообменных участков. Предпочтительно, он выполнен в виде спирального теплообменника с двумя пучками труб или в виде паяного пластинчатого теплообменника.

После выполненного сжижения и переохлаждения давление выходящей из теплообменника Е2 богатой метаном фракции 3 уменьшают в клапане V1 до значения между 5 и 20 бар, предпочтительно между 7 и 15 бар. Получающуюся при этом газообразную богатую азотом фракцию 4 отводят из головки расположенного после клапана V1 сепаратора D1, нагревают в теплообменнике Е2 с помощью подлежащей охлаждению богатой метаном фракции 2, причем это нагревание является не обязательным. Затем подогретую богатую азотом фракцию 5, если это желательно, сжимают в одноступенчатом или многоступенчатом компрессорном блоке С2 и подают через трубопровод 6 для ее дальнейшего применения, например, в качестве горючего газа. Эта богатая азотом фракция 5 имеет предпочтительно давление между 5 и 20 бар, в частности, между 7 и 15 бар. Таким образом, она, например, пригодна непосредственно для сжигания в паровых котлах. При применении в качестве горючего газа в газовых турбинах значительно уменьшаются расходы на сжатие по сравнению с уровнем техники, в котором исходным является более низкое давление в баке.

Давление получающейся после расширения в сепараторе D1 жидкой обедненной азотом фракции снижают в клапане V2 до значения между 1,1 и 2,0 бар, предпочтительно между 1,2 и 1,8 бар. Получающуюся при этом снижении давления (разгрузке) газообразную фракцию отводят через трубопровод 8 из головки сепаратора D2 и без нагревания подмешивают к подлежащей сжатию богатой метаном фракции 1. Образующаяся в сборнике сепаратора D2 жидкая фракция представляет сжиженный природный газ; он имеет содержание азота ≤1,5 мол.%.

На основании холодного всасывания подлежащих сжатию в компрессорной ступени С1 фракций, соответственно, газовых смесей 1 и 8 можно эффективно предотвращать упомянутую в начале угрозу безопасности, которая существует при сжатии всасываемых с нагреванием испаренных газов. Таким образом, исключается нежелательный и опасный вход воздуха, и тем самым кислорода, в компрессор С1.

На основании обратной подачи получающейся после второго расширителя V2 газообразной фракции 8 в подлежащую сжижению богатую метаном фракцию 1 можно экономично увеличивать количество производимого сжиженного природного газа и снижать общее потребление энергии.

Не изображенный на фиг. 1 альтернативный способ состоит в замене сепаратора D1 колонной для отгонки легких фракций. В нем расширенная в клапане V1 богатая метаном фракция 3 через подходящие вставки, такие как набивка или почвы, пропускается снизу через частичное количество подлежащей охлаждению богатой метаном фракции 2 с отделением азота. В качестве необходимого отгоночного газа подается частичный поток подлежащей охлаждению богатой метаном фракции 2 либо между теплообменниками Е1 и Е2, и при выполнении в виде спирального теплообменника с двумя пучками труб - между пучками.

Как указывалось выше, охлаждение и сжижение богатой метаном фракции 2 происходит в теплообменнике Е2 с помощью показанного лишь в качестве примера контура смеси охлаждающих средств. Эта смесь охлаждающих средств после подогрева и испарения в теплообменнике Е2 с помощью подлежащей охлаждению богатой метаном фракции 2 подается через трубопровод 10 в расположенный перед двухступенчатым компрессорным блоком С3 сепаратор D3. Он служит для безопасности компрессорного блока С3, поскольку в нем отделяются увлекаемые в смеси охлаждающих средств частицы жидкости.

Подлежащая сжатию смесь охлаждающих средств из головки сепаратора D3 подается через трубопровод 11 в компрессорный блок С3 и сжимается в его первой ступени до промежуточного давления. После охлаждения в промежуточном охладителе Е3 сжатая до промежуточного давления смесь охлаждающих средств через трубопровод 12 подается во второй сепаратор D4. Отводимая из его головки, имеющая более низкую температуру кипения фракция смеси охлаждающих средств подается через трубопровод 13 во вторую компрессорную ступень компрессорного блока С3 и сжимается в нем до желаемого конечного давления. Затем эта фракция смеси охлаждающих средств охлаждается в охладителе Е4 и через трубопровод 15 подается в третий сепаратор D5.

Создаваемая в этом сепараторе D5 жидкая фракция подается обратно через трубопровод 16 и клапан V3 перед вторым сепаратором D4. Извлекаемая из головки третьего сепаратора D5 через трубопровод 17, имеющая более низкую температуру кипения фракция смеси охлаждающих средств после смешивания с извлекаемой из отстойника второго сепаратора D4 жидкой, имеющей более высокую температуру кипения фракцией 14 смеси охлаждающих средств подается с помощью трубопровода 18 через теплообменник Е2. Для обеспечения возможности выравнивания разницы давления в трубопроводах 14 и 17 в трубопроводе 14 необходимо предусматривать насос Р.

Охлажденная, сжиженная и переохлажденная в теплообменнике Е2 смесь 18 охлаждающих средств после извлечения из теплообменника Е2 расширяется (разгружается) в клапане V4, а затем через трубопровод 19 подается в противотоке относительно подлежащей сжижению богатой метаном фракции 2 снова через теплообменник Е2.

В способе, согласно изобретению, обратного сжижения богатой метаном фракции можно за счет подходящего выбора давлений после компрессорного блока С1 и клапана V1, а также температуры охлажденной богатой метаном фракции 3 перед расширением в клапане V1 сдвигать относительно друг друга мощности используемого компрессора С1 и компрессора С3 охлаждающего контура, без заметного изменения, т.е. без повышения или снижения на ±5% общей мощности.

Предпочтительно, можно требуемые мощности приводов А и В компрессорных блоков С1 и С3 согласовывать друг с другом так, что можно применять приводы (газовые турбины, паровые турбины и/или электродвигатели) одинаковой мощности. Эта унификация имеет большое экономическое преимущество. Такое перераспределение приводных мощностей используемого газового компрессора С1 и компрессора С3 охлаждающего контура не только не известно из уровня техники, но и не следует из него.

Извлекаемое из головки сепаратора D1 количество газа можно удерживать постоянным за счет изменения давления в сепараторе D1. Таким образом, получается варьируемое количество возвращаемой газообразной фракции 8 из сепаратора D2 на стороне всасывания используемого газового компрессора С1.

Как указывалось выше, предпочтительное перераспределение между компрессорными блоками С1 и С3 приводит к одинаковым приводным мощностям. Вместо этого решения 50/50 может быть достигнуто также любое другое распределение между 30/70 и 70/30. Соответствующее предпочтительное решение зависит, например, от силовых ступеней широко применяемых приводов (газовых турбин).

Заявлен способ обратного сжижения богатой метаном фракции, в частности испаренного газа. При этом богатую метаном фракцию сжимают до давления, которое по меньшей мере на 20% превышает критическое давление подлежащей сжатию фракции, сжижают и переохлаждают. Далее разгружают до давления между 5 и 20 бар и разделяют на газообразную богатую азотом фракцию и жидкую обедненную азотом фракцию. Обедненную азотом фракцию разгружают до давления между 1,1 и 2,0 бар, при этом получающуюся газообразную фракцию без нагревания и сжатия подмешивают в богатую метаном фракцию. Получающаяся при разгрузке бедная азотом жидкая фракция продукта имеет содержание азота ≤1,5 мол.%. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обратного сжижения богатой метаном фракции, в частности испаренного газа, в котором

а) богатую метаном фракцию (1) сжимают (С1) до давления, которое по меньшей мере на 20% превышает критическое давление подлежащей сжатию фракции,

b) сжижают и переохлаждают (Е2),

с) разгружают (V1) до давления между 5 и 20 бар,

d) разделяют на газообразную богатую азотом фракцию (4) и жидкую обедненную азотом фракцию (7) и

е) разгружают (V2) обедненную азотом фракцию (7) до давления между 1,1 и 2,0 бар,

f) при этом получающуюся газообразную фракцию (8) без нагревания и сжатия подмешивают в богатую метаном фракцию (1), и

g) получающаяся при разгрузке бедная азотом жидкая фракция (9) продукта имеет содержание азота ≤1,5 мол.%.

2. Способ по п. 1, в котором сжижение и переохлаждение (Е2) богатой метаном фракции (1) осуществляется с помощью по меньшей мере одного контура охлаждающего средства и/или по меньшей мере одного контура смеси охлаждающих средств, и при этом они имеют по меньшей мере один компрессор (С3) контура, отличающийся тем, что давление, до которого сжимается (С1) богатая метаном фракция (1), давление, до которого разгружается (V1) сжиженная и переохлажденная богатая метаном фракция (3), и температура, до которой охлаждается богатая метаном фракция, выбираются или варьируются так, что

- приводная мощность применяемого для сжатия богатой метаном фракции (1) компрессора (С1) и приводная мощность компрессора (С3) или компрессоров контура сдвигаются относительно друг друга, без изменения общей мощности более чем на ±5%, или

- приводная мощность применяемого для сжатия богатой метаном фракции (1) компрессора (С1) и приводная мощность компрессора (С3) или компрессоров контура сдвигаются относительно друг друга так, что достигается распределение общей мощности между 30/70 и 70/30.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что богатую метаном фракцию (1) сжимают (С1) до давления, которое по меньшей мере на 30% превышает критическое давление подлежащей сжатию фракции.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сжиженную и переохлажденную богатую метаном фракцию (3) разгружают (V1) до давления между 7 и 15 бар.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обедненную азотом фракцию разгружают (V2) до давления между 1,2 и 1,8 бар.