УСТАНОВКА СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в газовой промышленности, прежде всего для получения «теплого» сжиженного природного газа при давлении выше атмосферного.

Известны способ и система для производства сжиженного природного газа [US 2010313597, опубл. 16.12.2010 г., МПК F25J 1/02], реализуемые на установке, включающей многопоточный теплообменник с прямым и обратным ходом многокомпонентного хладогента, прямым ходом очищенного природного газа и прямым ходом газа сепарации, интегрированной холодильной машины, включающей компрессор с газотурбинным приводом, холодильник, прямой и обратный ходы многопоточного теплообменника и редуцирующее устройство, а также редуцирующее устройство охлажденного природного газа, сепаратор сжиженного природного газа с линией вывода сжиженного природного газа и линией вывода газа сепарации, на которой расположены компрессор, прямой ход многопоточного теплообменника, и сепаратор с линиями вывода топливного газа и дополнительного количества сжиженного природного газа. При этом многопоточный теплообменник может быть соединен со вспомогательной холодильной машиной, приводимой в действие за счет вторичного тепла газотурбинного привода компрессора интегрированной холодильной машины.

Недостатком данной установки является высокое удельное энергопотребление из-за затрат энергии на охлаждение газа сепарации.

Наиболее близка к предлагаемому изобретению установка получения сжиженного природного газа [RU 2767848, опубл. 22.03.2022 г., МПК F25J 1/00], включающая расположенные на линии природного газа дожимной компрессор, блок очистки и осушки и многопоточный теплообменник с прямым и обратным ходом многокомпонентного хладогента, прямым ходом природного газа и обратным ходом отпарного газа, соединенный линией циркуляции многокомпонентного хладогента с компрессором, оснащенным приводом, и редуцирующим устройством, образующими интегрированную холодильную машину, а также расположенные на линии природного газа, после многопоточного теплообменника, редуцирующее устройство и сепаратор с линией вывода сжиженного природного газа и линией вывода отпарного газа с обратным ходом теплообменника, примыканием линии вывода топливного газа, соединенной с приводом компрессоров, и компрессором, которая соединена с линией природного газа после блока очистки и осушки, при этом компрессоры соединены с приводом, который соединен со вспомогательной холодильной машиной, работающей за счет вторичного тепла отходящих газов привода и соединенной с холодильником, расположенным на линии циркуляции многокомпонентного хладогента до или после компрессора. Кроме того, на линии природного газа после примыкания линии подачи отпарного газа может быть размещен дополнительный холодильник, соединенный со вспомогательной холодильной машиной.

Недостатком данной установки является большая загрузка адсорбента в блоке очистки и осушки из-за высокой температуры очищаемого и осушаемого природного газа. В случае применения абсорбционной очистки это приводит к высокому содержанию паров воды в газе, подаваемом на осушку после абсорбционной очистки от углекислого газа, и, соответственно, к большой загрузке адсорбента, а в случае применения адсорбционной очистки от углекислого газа это приводит к большой загрузке адсорбента из-за малой адсорбционной емкости адсорбента при высокой температуре.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение загрузки адсорбента.

Техническим результатом является снижение загрузки адсорбента за счет снижения температуры очищаемого и осушаемого природного газа, что позволяет повысить адсорбционную емкость адсорбента и снизить его загрузку. Это достигается путем выполнения многопоточного теплообменника из двух секций (высокотемпературной и низкотемпературной) и расположения блока очистки и осушки между секциями многопоточного теплообменника на линии природного газа, а также расположением блока очистки и осушки на линии подачи части отпарного газа в качестве топливного газа после низкотемпературной секции многопоточного теплообменника.

Предложено два варианта установки, отличающихся конструкцией низкотемпературной секции многопоточного теплообменника.

Указанный технический результат в первом варианте достигается тем, что в предлагаемой установке, включающей дожимной компрессор, блок очистки и осушки и многопоточный теплообменник с прямым и обратным ходом многокомпонентного хладогента и прямым ходом природного газа, соединенный линией циркуляции многокомпонентного хладогента с циркуляционным компрессором и редуцирующим устройством, образующими интегрированную холодильную машину, а также расположенные после многопоточного теплообменника на линии природного газа, редуцирующее устройство и сепаратор с линией вывода сжиженного природного газа и линией вывода отпарного газа, соединенной с линией природного газа и оснащенной теплообменником и примыканием линии подачи топливного газа, при этом компрессоры соединены с приводом, оснащенным линией подачи топливного газа, который соединен со вспомогательной холодильной машиной, работающей за счет вторичного тепла отходящих газов привода, и соединенной с холодильником, расположенным на линии циркуляции многокомпонентного хладогента после компрессора, особенность заключается в том, что многопоточный теплообменник состоит из высокотемпературной секции, оснащенной прямым и обратным ходом многокомпонентного хладогента и прямым ходом природного газа, и низкотемпературной секции, оснащенной прямым и обратным ходом многокомпонентного хладогента, прямым ходом природного газа и обратным ходом отпарного газа, между секциями на линии природного газа расположен блок очистки и осушки, который также расположен на линии подачи топливного газа из линии отпарного газа между ее примыканием к линии природного газа перед дожимным компрессором и низкотемпературной секцией многопоточного теплообменника, кроме того, на линии природного газа между дожимным компрессором и высокотемпературной секцией многопоточного теплообменника расположен дополнительный холодильник, соединенный со вспомогательной холодильной машиной.

Второй вариант отличается тем, что линия природного газа после блока очистки и осушки разделена на две линии подачи первой и второй части природного газа, а низкотемпературная секция многопоточного теплообменника выполнена в виде двухпоточного теплообменника «отпарной газ/первая часть природного газа» и трехпоточного теплообменника «прямой и обратный хладогент/вторая часть природного газа».

При необходимости перед примыканием линии отпарного газа к линии природного газа может быть установлен компрессор, а после дожимного компрессора может быть установлен блок предварительной осушки, соединенный с линией топливного газа линией подачи отходящего газа.

В качестве многокомпонентного хладогента используют, например, смесь азота и углеводородов С₁-С₅ или фреонов. Блок очистки и осушки включает, например, адсорбционную установку и может быть дополнен оборудованием для удаления тяжелых углеводородов. Компрессоры оснащены холодильниками сжатого газа с внешним хладогентом, например, атмосферным воздухом. Привод компрессоров включает по меньшей мере один двигатель внешнего или внутреннего сгорания и по меньшей мере один преобразователь энергии (механическую, гидравлическую или магнитную муфту, или электрогенератор), передающий механическую энергию на компрессоры посредством известных механических, гидравлических, магнитных или электрических устройств (например, посредством электродвигателей). Привод также оснащен устройством для генерации холода за счет тепла отработанных газов (вспомогательной холодильной машиной, например, абсорбционного типа), соединенным с холодильниками. В качестве остальных элементов установки могут быть установлены любые устройства соответствующего назначения, известные из уровня техники.

Выполнение многопоточного теплообменника из высокотемпературной и низкотемпературной секций и расположение блока очистки и осушки между указанными секциями многопоточного теплообменника на линии природного газа позволяет проводить осушку и очистку природного газа при низкой температуре (минус 30-50°С), за счет чего повысить адсорбционную емкость адсорбента и, соответственно, понизить его загрузку. А расположение блока очистки и осушки на линии подачи части отпарного газа позволяет использовать топливный газ в качестве продувочного газа в блоке очистки и осушки, исключить расходование стороннего продувочного газа, применение систем утилизации газа регенерации и, соответственно, увеличить выход сжиженного природного газа.

Установка показана на прилагаемых чертежах и в первом варианте (фиг. 1) включает входной 1 и циркуляционный 2 компрессоры, оснащенные приводом 3 (соединение привода и компрессоров показано штрих-пунктиром), который соединен прямым и обратным потоками теплоносителя со вспомогательной холодильной машиной 4, которая в свою очередь соединена с холодильниками 5 и 6 прямым и обратным потоками хладогента, а также многопоточный теплообменник, включающий высокотемпературную 7 и низкотемпературную 8 секции. Каждая из секций оснащена прямым и обратным ходом многокомпонентного хладогента и прямым ходом очищенного природного газа, а низкотемпературная секция, дополнительно, оснащена обратным ходом газа сепарации. Кроме того, установка включает сепаратор 9, редуцирующее устройство 10, интегрированную холодильную машину в составе компрессора 2, холодильника 6 и редуцирующего устройства 11, а также блок очистки и осушки 12. В варианте 2 (фиг. 2) низкотемпературная секция многопоточного теплообменника выполнена в виде двух аппаратов: двухпоточного теплообменника «отпарной газ/первая часть природного газа» 13 и трехпоточного теплообменника «прямой и обратный хладогент/вторая часть природного газа» 14. При необходимости в обоих вариантах на линии природного газа после дожимного компрессора может быть установлен блок предварительной осушки 15.

При работе первого варианта установки природный газ, поступающий по линии 16, сжимают компрессором 1, смешивают с частью отпарного газа, поступающей по линии 17, охлаждают сначала в холодильнике 5, соединенном со вспомогательной холодильной машиной 4 линиями ввода/вывода хладогента 18, затем охлаждают в высокотемпературной секции многопоточного теплообменника 7, очищают и осушают в блоке 12, охлаждают в низкотемпературной секции многопоточного теплообменника 8, редуцируют с помощью устройства 10 и разделяют в сепараторе 9 на СПГ, выводимый по линии 19, и отпарной газ, который выводят по линии 20, нагревают при прохождении обратным ходом в низкотемпературной секции многопоточного теплообменника 8, и разделяют на два потока. Первый поток по линии 17 направляют в линию 16, второй поток по линии 21 подают в блок 12 в качестве продувочного газа, при этом из блока 12 по линии 22 газ регенерации, содержащий углекислый газ и пары воды, в качестве топливного газа направляют в привод 3. Многокомпонентный хладогент подают на циркуляцию по линии 23 с помощью компрессора 2, сначала охлаждают в холодильнике 6, соединенном со вспомогательной холодильной машиной 4 линиями ввода/вывода хладогента 18, затем охлаждают в высокотемпературной и низкотемпературной секциях многопоточного теплообменника 7 и 8 при подаче прямым ходом, редуцируют с помощью устройства 11 и нагревают при прохождении обратным ходом в высокотемпературной и низкотемпературной секциях многопоточного теплообменника 8 и 7.

Работа второго варианта отличается тем, что природный газ (линия 16) после блока 12 разделяют на два потока, первый поток охлаждают в теплообменнике 13 отпарным газом, а второй поток охлаждают в теплообменнике 14 хладогентом, циркулирующим по контуру 23, затем потоки соединяют и редуцируют в устройстве 10.

При необходимости смесь природного газа и отпарного газа подвергают предварительной осушке в блоке 15 до температуры точки росы по воде ниже, чем температура смеси природного и отпарного газа на выходе из высокотемпературной секции многопоточного теплообменника 7 (показано пунктиром).

Работоспособность установки подтверждается примерами.

Пример 1. Природный газ состава (% об.): метан 96,5%, этан 1,79%, пропан 0,17%, бутаны 0,07%, С₅₊ 0,03%, углекислый газ 0,42%, азот 1,01%, в количестве 4590 нм³/час при давлении 1,2 МПа и 13,8°С смешивают с 807 нм³/час отпарного газа, сжимают компрессором 1 до 5 МПа и охлаждают в холодильнике 5 и секции 7 до минус 40°С, очищают и осушают в блоке 12, доохлаждают в секции 8 до минус 111,4°С, редуцируют с помощью устройства 10 до 0,4 МПа и разделяют в сепараторе 9 на 3,0 т/час СПГ, и отпарной газ, который нагревают в секции 8 и разделяют на два потока. 514 нм³/час первого потока в качестве продувочного газа подают в блок 12, из которого соответствующий объем топливного газа подают в привод 3, а второй поток направляют на смешение с природным газом. Хладогент сжимают до 2,5 МПа компрессором 2, охлаждают до 9°С в холодильнике 6 с помощью абсорбционной холодильной машины 4, до минус 106°С в секциях 7 и 8, редуцируют до 2 МПа с помощью устройства 11 и нагревают до 4,2°С в секциях 8 и 7. При этом в качестве адсорбента в блоке 12 загружен цеолит NaX в количестве 228 кг при четырех-адсорберной схеме и 24-часовом цикле очистки и осушки (динамическая емкость адсорбента по парам воды 0,16 г/г).

Пример 2. В условиях примера 1 5397 нм³/час природного газа с температурой минус 39°С после блока 12 разделяют на 1640 нм³/час первого потока, который охлаждают в теплообменнике 13 и второй поток, который охлаждают в теплообменнике 14, потоки соединяют и при минус 111,4°С направляют в сепаратор 9. Загрузка цеолита NaX в блоке 12 также составила 228 кг.

В условиях примеров 1 и 2 на установке, описанной в прототипе, при динамической емкости цеолита NaX по парам воды 0,08 г/г, загрузка адсорбента составила 456 кг.

Полученный результат - снижение загрузки адсорбента - обусловлен выполнением многопоточного теплообменника из высокотемпературной и низкотемпературной секций, между которыми расположен блок очистки и осушки, который также расположен на линии подачи части отпарного газа в качестве продувочного газа.

Таким образом, предлагаемая установка позволяет снизить загрузку адсорбента и может найти применение в газовой промышленности.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в газовой промышленности. Установка включает дожимной компрессор 1 с приводом 3 и вспомогательной холодильной машиной 4, соединенной с холодильниками 5 и 6, многопоточный теплообменник, сепаратор 9, редуцирующее устройство 10, интегрированную холодильную машину в составе компрессора 2, холодильника 6 и редуцирующего устройства 11. В первом варианте теплообменник состоит из высокотемпературной секции 7, оснащенной прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента и прямым ходом природного газа, и низкотемпературной секции 8, оснащенной прямым и обратным ходом хладагента, прямым ходом природного газа и обратным ходом отпарного газа. Во втором варианте низкотемпературная секция выполнена в виде двухпоточного теплообменника «отпарной газ/первая часть природного газа» 13 и трехпоточного теплообменника «прямой и обратный хладагент/вторая часть природного газа» 14. Между секциями на линии природного газа расположен блок 12 очистки и осушки, который также расположен на линии 21 подачи топливного газа из линии 20 отпарного газа между ее примыканием к линии природного газа перед компрессором 1 и низкотемпературной секцией теплообменника. Техническим результатом является снижение загрузки адсорбента. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка сжижения природного газа, включающая дожимной компрессор, блок очистки и осушки и многопоточный теплообменник с прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента и прямым ходом природного газа, соединенный линией циркуляции многокомпонентного хладагента с циркуляционным компрессором и редуцирующим устройством, образующими интегрированную холодильную машину, а также расположенные после многопоточного теплообменника на линии природного газа редуцирующее устройство и сепаратор с линией вывода сжиженного природного газа и линией вывода отпарного газа, соединенной с линией природного газа и оснащенной теплообменником и примыканием линии подачи топливного газа, при этом компрессоры соединены с приводом, оснащенным линией подачи топливного газа, который соединен со вспомогательной холодильной машиной, работающей за счет вторичного тепла отходящих газов привода и соединенной с холодильником, расположенным на линии циркуляции многокомпонентного хладагента после компрессора, отличающаяся тем, что многопоточный теплообменник состоит из высокотемпературной секции, оснащенной прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента и прямым ходом природного газа, и низкотемпературной секции, оснащенной прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента, прямым ходом природного газа и обратным ходом отпарного газа, между секциями на линии природного газа расположен блок очистки и осушки, который также расположен на линии подачи топливного газа из линии отпарного газа между ее примыканием к линии природного газа перед дожимным компрессором и низкотемпературной секцией многопоточного теплообменника, кроме того, на линии природного газа между дожимным компрессором и высокотемпературной секцией многопоточного теплообменника расположен дополнительный холодильник, соединенный со вспомогательной холодильной машиной.

2. Установка сжижения природного газа, включающая дожимной компрессор, блок очистки и осушки и многопоточный теплообменник с прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента и прямым ходом природного газа, соединенный линией циркуляции многокомпонентного хладагента с циркуляционным компрессором и редуцирующим устройством, образующими интегрированную холодильную машину, а также расположенные после многопоточного теплообменника на линии природного газа редуцирующее устройство и сепаратор с линией вывода сжиженного природного газа и линией вывода отпарного газа, соединенной с линией природного газа и оснащенной теплообменником и примыканием линии подачи топливного газа, при этом компрессоры соединены с приводом, оснащенным линией подачи топливного газа, который соединен со вспомогательной холодильной машиной, работающей за счет вторичного тепла отходящих газов привода и соединенной с холодильником, расположенным на линии циркуляции многокомпонентного хладагента после компрессора, отличающаяся тем, что многопоточный теплообменник состоит из высокотемпературной секции, оснащенной прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента и прямым ходом природного газа, и низкотемпературной секции, выполненной в виде двухпоточного теплообменника «отпарной газ/первая часть природного газа» и трехпоточного теплообменника «прямой и обратный хладагент/вторая часть природного газа», при этом линия природного газа после блока очистки и осушки разделена на линии подачи первой и второй частей природного газа, которые соединены после низкотемпературной секции в одну линию, между секциями на линии природного газа расположен блок очистки и осушки, который также расположен на линии подачи топливного газа из линии отпарного газа между ее примыканием к линии природного газа перед дожимным компрессором и низкотемпературной секцией многопоточного теплообменника, кроме того, на линии природного газа между дожимным компрессором и высокотемпературной секцией многопоточного теплообменника расположен дополнительный холодильник, соединенный со вспомогательной холодильной машиной.