СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к газоперерабатывающей промышленности и может использоваться при сжижении природных газов и их смесей, преимущественно в установках малотоннажного производства.

Природный газ на сегодняшний день является одним из самых востребованных природных ресурсов в мире. За последние десять лет уровень добычи и потребления газа возрос более чем на 20%. Доля природного газа на мировом рынке энергетических ресурсов продолжает активно расти, что обусловлено его доступностью, универсальностью, а также высокими экологическими характеристиками. Одновременно с ростом роли газа на мировом рынке увеличивается и рост сжиженного природного газа (СПГ). Ожидается, что он будет играть все более важную роль на мировых энергетических рынках, и в скором будущем возможно опережение рынка традиционного природного газа. В настоящее время в Российской Федерации бурно развивается рынок СПГ, ведется реализация как крупных проектов производительностью до 1.5 млн.т. СПГ в год, так и разработка и строительство малотоннажных установок сжижения производительностью до 20 т/ч. Если крупнотоннажные установки сжижения ориентированы на производство СПГ для экспорта, то малотоннажные установки могут быть использованы для покрытия нужд в топливе в отдаленных районах, где газоснабжение посредством газопроводов затруднено или невозможно. Важнейшими характеристиками производства при сжижении природного газа в малотоннажных установках являются энергоэффективность сжижения, а также качество получаемого в технологическом процессе сжиженного природного газа.

В связи с заметным ростом потребления сжиженного природного газа вопросы его получения становятся все более актуальными. Поэтому перед специалистами возникает задача создания новых технологий и оборудования, повышающих эффективность процессов сжижения.

Известно устройство, содержащее подающую и возвратную магистрали, компрессор высокого давления, первый и второй метановые противоточные теплообменники, первый и второй сепараторы, первое и второе расширительные устройства, дополнительно снабженное фреоновым рефрижераторным циклом, где первое расширительное устройство выполнено в виде эжектора (Патент РФ на изобретение №2180082, МПК F25J 1/00, публ. 27.02.2002)

Недостатком известного технического решения является отсутствие очистки и осушки газа перед сжижением, низкая эффективность за счет использования одноконтурной холодильной машины, использования двух последовательных сепараторов увеличивающих потери в цикле сжижения.

Известен способ частичного сжижения газа, в котором прямой поток охлаждают, дросселируют, разделяют на продукционный и технологический потоки, продукционный поток далее охлаждают, дросселируют, разделяют в ректификационной колонне, на жидкую и паровую фазы, паровую фазу, частично реконденсируют с получением готового продукта, а остальной объем газа, в том числе технологический поток, после прохождения по установке сбрасывают за пределы установки (Патент РФ на изобретение №2525759, МПК F25J 1/00, публ. 20.08.2014) - прототип.

Недостатком прототипа является сложность технологического процесса получения СПГ с предварительным отделением из природного газа тяжелых фракций, газообразного азота и углекислоты, низкая эффективность процесса с получением готового продукта в количестве не более 14,2% от массового потока сырьевого газа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа и установки сжижения природного газа, обеспечивающих повышение эффективности процесса сжижения.

Техническими результатами, достигаемыми при реализации изобретения, являются увеличение коэффициента сжижения природного газа при повышении его чистоты, экономия ресурсов при уменьшении объема операций осушки и очистки, улучшение экологических показателей процесса за счет использования всего объема газа, забираемого из газопровода, при отсутствии сбросов газа в атмосферу.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе сжижения природного газа, включающем подачу природного газа по подающей магистрали в компрессор исходного газа, компримирование газа с формированием прямого потока, предварительное охлаждение прямого потока в первом противоточном теплообменнике, осушку и очистку прямого потока, охлаждение прямого потока в первом теплообменнике-испарителе холодильной машины, последовательное охлаждение прямого потока во втором и третьем противоточных теплообменниках, между которыми расположен второй теплообменник-испаритель холодильной машины, дросселирование прямого потока охлажденного газа, подачу прямого потока в сепаратор с последующим разделением на жидкую и паровую фракции, подачу жидкой фракции в криогенный резервуар хранения, согласно изобретению из паровой фракции формируют обратный поток газа, проходящий по возвратной магистрали в качестве охладителя для прямого потока через межтрубное пространство третьего, второго, четвертого и первого противоточных теплообменников, и подают в компрессор очищенного газа, где обратный поток компримируют и после дополнительного охлаждения в четвертом противоточном теплообменнике, минуя блок очистки и блок осушки, смешивают с газом прямого потока в подающей магистрали в смесителе, расположенном на входе теплообменника-испарителя первого контура холодильной машины.

Также указанные технические результаты достигаются тем, что в установке сжижения природного газа, содержащей подающую магистраль, на которой размещены компрессор исходного газа, первый противоточный теплообменник, блок осушки, блок очистки, первый теплообменник-испаритель холодильной машины, второй противоточный теплообменник, второй теплообменник-испаритель холодильной машины, третий противоточный теплообменник, дроссельно-эжекторный узел, сепаратор, криогенный резервуар хранения, и возвратную магистраль, на которой размещены третий противоточный теплообменник, второй противоточный теплообменник, четвертый противоточный теплообменник и первый противоточный теплообменник, согласно изобретению возвратная магистраль дополнительно содержит компрессор очищенного газа, возвращаемого обратным потоком после сепарации и рекуперации в противоточных теплообменниках, с возможностью раздельного компримирования очищенного газа, его дополнительного охлаждения в четвертом противоточном теплообменнике и смешения с газом прямого потока подающей магистрали в смесителе, расположенном на входе теплообменника-испарителя первого контура холодильной машины.

Первый и второй теплообменники-испарители холодильной машины образуют раздельные охлаждающие контуры.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг.1 представлена предлагаемая установка для реализации описываемого способа.

Установка сжижения природного газа содержит подающую магистраль 1 и возвратную магистраль 2. На подающей магистрали 1 размещены компрессор исходного газа 3, первый противоточный теплообменник 4, блок осушки 5, блок очистки 6, теплообменник-испаритель 7 первого контура холодильной машины 8, второй противоточный теплообменник 9, теплообменник-испаритель 10 второго контура холодильной машины 8, третий противоточный теплообменник 11, дроссельно-эжекторный узел 12, сепаратор 13, криогенный резервуар хранения 14. На возвратной магистрали 2 размещены третий противоточный теплообменник 11, второй противоточный теплообменник 9, четвертый противоточный теплообменник 15 и первый противоточный теплообменник 4, а также компрессор очищенного газа 16.

Способ реализуется в установке следующим образом.

Природный газ подается из газопровода по подающей магистрали, компримируется в компрессоре исходного газа и формирует первичный прямой поток установки сжижения. Полученный газ высокого давления предварительно охлаждается в первом противоточном теплообменнике, осушается в блоке осушки и поступает в блок очистки. В блоке очистки процесс протекает при низкой температуре и высоком давлении, что позволяет добиться высокой степени очистки при малом количестве адсорбента. Осушенный и очищенный прямой поток газа поступает в теплообменник-испаритель первого контура холодильной машины, которая обеспечивает поступление дополнительного внешнего охлаждения. Далее прямой поток поступает последовательно во второй и третий противоточные теплообменники, между которыми установлен теплообменник-испаритель второго контура холодильной машины, обеспечивающий последовательное охлаждение прямого потока. Затем прямой поток поступает в дроссельно-эжекторный узел, где за счет понижения давления в эжекторе происходит основное охлаждение прямого потока. Применение эжектора позволяет поддерживать давление СПГ в криогенном резервуаре хранения, используя энергию потока для совершения работы. На выходе из дроссельно-эжекторного узла газ прямого потока переходит в двухфазное состояние с количеством жидкой фазы до 50% и поступает в сепаратор. В сепараторе происходит разделение двухфазного потока на жидкую и паровую фазы СПГ. Жидкая фаза поступает в криогенный резервуар хранения, откуда отгружается потребителю. Паровая фаза формирует низкотемпературный обратный поток, состоящий из очищенного газа с минимальным количеством примесей. По возвратной магистрали обратный поток последовательно проходит через межтрубное пространство третьего, второго, четвертого и первого противоточных теплообменников, отдав в процессе рекуперации свой холод прямому потоку. После этого обратный поток подают на компрессор очищенного газа, не смешивая с исходным газом. Далее обратный поток компримируют, подают в четвертый противоточный теплообменник для охлаждения и минимизации разницы температур перед смешением с прямым потоком и, минуя блок очистки и блок осушки, для которых он является балластным потоком, смешивают с газом прямого потока в смесителе, расположенном на входе теплообменника-испарителя первой контура холодильной машины, с дальнейшим вовлечением очищенного и осушенного обратного потока в процесс сжижения газа.

Промышленную применимость изобретения подтверждает конкретный пример его выполнения. Заявляемое техническое решение использовали при сжижении природного газа следующего состава, % мол.: метан 95,0, этан 2,4, пропан 0,8, норм-бутан 0,24, норм-пентан 0,04, гексаны + высшие углеводороды 0,01, диоксид углерода 0,3, азот 1,3, кислород 0,01, водород 0,01, гелий 0,01.

Природный газ подавали из газопровода по подающей магистрали в компрессор исходного газа, компримировали до давления 25 МПа с формированием первичного прямого потока. Прямой поток охлаждали в первом противоточном теплообменнике до 10°С, осушали в установке осушки до значения точки росы минус 70°С (при нормальных условиях) и подавали на очистку. В установке очистки осуществляли частичную очистку прямого потока газа от тяжелых фракций (С₃+) и очистку от диоксида углерода CO₂ до значения не более 150 ppm. Далее сухой и чистый газ поступал в теплообменник-испаритель первого контура холодильной машины, где охлаждался до температуры минус 25°С. После чего, поступая последовательно во второй противоточный теплообменник, теплообменник-испаритель второго контура холодильной машины, третий противоточный теплообменник, прямой поток ступенчато охлаждался до температуры минус 40°С, минус 70°С, минус 80°С соответственно. После охлаждения прямой поток поступал в дроссельно-эжекторный узел, где, за счет понижения давления с 25 МПа до 6,0 МПа, осуществлялось основное охлаждение прямого потока. На выходе из дроссельно-эжекторного узла газ прямого потока переходил в двухфазное состояние, с количеством жидкой фазы до 50%, и поступал в сепаратор. В сепараторе осуществляли разделение двухфазного потока на жидкую и паровую фазы СПГ. Жидкая фаза, пройдя через регулятор, в котором давление снижалось до 0,4 МПа, поступала в криогенный резервуар хранения для отгрузки потребителю. Дроссельно-эжекторный узел без затрат дополнительной энергии обеспечивал поддержание избыточного давления в паровой подушке криогенном резервуаре хранения не выше 0,4МПа.

Паровая фаза, формируя обратный поток с температурой минус 135°С, состояла из метана с минимальным количеством нейтральных примесей и имела следующий состав, % мол.: метан 97,0, этан 0,3, пропан 0,01, норм-бутан 0,04, норм-пентан 0, гексаны + высшие углеводороды 0, диоксид углерода 0, азот 2,5, кислород 0,03, водород 0,05, гелий 0,03.

По возвратной магистрали обратный поток последовательно направляли через межтрубное пространство третьего, второго, четвертого и первого противоточных теплообменников с отдачей в процессе рекуперации свой холод прямому потоку. После этого обратный поток поступал на вход компрессора очищенного газа, не смешиваясь с исходным газом. Далее обратный поток компримировали до давления 25 МПа и через четвертый противоточный теплообменник, минуя блоки очистки и осушки, смешивали с газом прямого потока в смесителе, размещенным на входе теплообменника-испарителя первого контура холодильной машины. Это позволило получить СПГ следующего состава, % мол.: метан 98,0, этан 1,1, пропан 0,25 норм-бутан 0,04, норм-пентан 0, гексаны + высшие углеводороды 0, диоксид углерода 0,01, азот 0,82, кислород 0,01, водород 0, гелий 0.

Достигнутый коэффициент сжижения газа составил 48%.

Таким образом, заявленное изобретение, по сравнению с известными техническими решениями, позволяет повысить коэффициент сжижения природного газа до 50% с получением его чистоты при содержании СО₂ не более 150 ppm, снизить затраты на операциях осушки и очистки, а также улучшает экологические показатели за счет переработки всего объема подаваемого газа.

Изобретение относится к газоперерабатывающей промышленности и может использоваться при сжижении природного газа преимущественно в установках малотоннажного производства. Способ сжижения природного газа включает подачу природного газа по подающей магистрали в компрессор исходного газа, компримирование газа с формированием прямого потока, предварительное охлаждение прямого потока и его дросселирование, подачу прямого потока в сепаратор с последующим разделением на жидкую и паровую фракции, подачу жидкой фракции в криогенный резервуар хранения. Из паровой фракции формируют обратный поток газа, проходящий по возвратной магистрали в качестве охладителя для прямого потока через межтрубное пространство третьего, второго, четвертого и первого противоточных теплообменников и подающийся в компрессор очищенного газа, где обратный поток компримируют и после дополнительного охлаждения, минуя блок очистки и блок осушки, смешивают с газом прямого потока. Техническими результатами являются увеличение коэффициента сжижения природного газа при повышении его чистоты, экономия ресурсов при уменьшении объема операций осушки и очистки, улучшение экологических показателей процесса. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжижения природного газа, включающий подачу природного газа по подающей магистрали в компрессор исходного газа, компримирование газа с формированием прямого потока, предварительное охлаждение прямого потока в первом противоточном теплообменнике, осушку и очистку прямого потока, охлаждение прямого потока в первом теплообменнике-испарителе холодильной машины, последовательное охлаждение прямого потока во втором и третьем противоточных теплообменниках, между которыми расположен второй теплообменник-испаритель холодильной машины, дросселирование прямого потока охлажденного газа, подачу прямого потока в сепаратор с последующим разделением на жидкую и паровую фракции, подачу жидкой фракции в криогенный резервуар хранения, отличающийся тем, что из паровой фракции формируют обратный поток газа, проходящий по возвратной магистрали в качестве охладителя для прямого потока через межтрубное пространство третьего, второго, четвертого и первого противоточных теплообменников и подающийся в компрессор очищенного газа, где обратный поток компримируют и после дополнительного охлаждения в четвертом противоточном теплообменнике, минуя блок очистки и блок осушки, смешивают с газом прямого потока в подающей магистрали в смесителе, расположенном на входе теплообменника-испарителя первого контура холодильной машины.

2. Установка сжижения природного газа, содержащая подающую магистраль, на которой размещены компрессор исходного газа, первый противоточный теплообменник, блок осушки, блок очистки, первый теплообменник-испаритель холодильной машины, второй противоточный теплообменник, второй теплообменник-испаритель холодильной машины, третий противоточный теплообменник, дроссельно-эжекторный узел, сепаратор, криогенный резервуар хранения, и возвратную магистраль, на которой размещены третий противоточный теплообменник, второй противоточный теплообменник, четвертый противоточный теплообменник и первый противоточный теплообменник, отличающаяся тем, что возвратная магистраль дополнительно содержит компрессор очищенного газа, возвращаемого обратным потоком после сепарации и рекуперации в противоточных теплообменниках, с возможностью раздельного компримирования очищенного газа, его дополнительного охлаждения в четвертом противоточном теплообменнике и смешения с газом прямого потока подающей магистрали в смесителе, расположенном на входе теплообменника - испарителя первого контура холодильной машины.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что первый и второй теплообменники-испарители холодильной машины образуют раздельные охлаждающие контуры.