Установка сжижения природного газа Российский патент 2024 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в газовой промышленности для сжижения компримированного природного газа.

Известны способ и система для производства сжиженного природного газа [US 2010313597, опубл. 16.12.2010 г., МПК F25J1/02] путем охлаждения прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента, дросселирования, разделения на сжиженный природный газ и отпарной газ, компримирования и охлаждения отпарного газа, разделения с получением дополнительного количества продуктового газа.

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

Наиболее близка к предлагаемому изобретению установка получения сжиженного природного газа [RU 2767848, опубл. 22.03.2022 г., МПК F25J 1/00], которая в одном из вариантов включает расположенные на линии природного газа: входной компрессор, блок очистки и осушки и многопоточный теплообменник с прямым ходом природного газа и обратным ходом газа сепарации (отпарного газа). Также многопоточный теплообменник включает прямой и обратный ход многокомпонентного (смешанного) хладагента, соединенные линией циркуляции смешанного хладагента, на которой расположены компрессор, оборудованный приводом, холодильник и редуцирующее устройство, образующие вместе интегрированную холодильную машину. При этом на линии сжатого природного газа после многопоточного теплообменника расположены редуцирующее устройство и сепаратор с линией вывода сжиженного природного газа и линией вывода отпарного газа, которая соединена с линией сжатого природного газа и на которой последовательно расположены: обратный ход многопоточного теплообменника и ответвление линии топливного газа, соединенной с приводом, компрессор отпарного газа. Кроме того, привод соединен со вспомогательной холодильной машиной, работающей за счет вторичного тепла отходящих газов привода, которая соединена с холодильником линиями ввода/вывода вспомогательного хладагента. Возможна установка дополнительного холодильника, соединенного со вспомогательной холодильной машиной, на линии сжатого природного газа между примыканием линии отпарного газа и многопоточным теплообменником.

Недостатком данной установки является, во-первых, применение многопоточного теплообменника, в качестве которого общемировой практикой является применение витых спиральных или алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников, дорогих и сложных в изготовлении и поставляемых, преимущественно, из-за рубежа.

Во-вторых, сложность установки из-за необходимости ее комплектации внешними системами подачи продувочного газа в блок очистки и осушки, а также утилизации кислого газа, газа регенерации и водометанольного раствора (метанол всегда присутствует в природном газе, поскольку применяется при его добыче и подготовке), образующимися в блоке очистки и осушки.

В-третьих, установка имеет высокое энергопотребление из-за неэффективного использования в многопоточном теплообменнике высокопотенциального холода отпарного газа, поскольку им охлаждается поток природного газа, который на выходе из многопоточного теплообменника имеет относительно высокую температуру. Высокое энергопотребление установки является также следствием соединения линии отпарного газа после компрессора с линией природного газа после блока очистки и осушки, что приводит к повышению температуры природного газа на входе в многопоточный теплообменник из-за смешения очищенного и осушенного природного газа с нагретым в результате компримирования отпарным газом, что приводит к увеличению нагрузки на холодильный контур и повышению энергопотребления компрессора интегрированной холодильной машины. Кроме того, затраты энергии требуются на обеспечение функционирования внешних систем подачи продувочного газа, утилизации кислого газа, газа регенерации и водометанольного раствора.

Задачей предлагаемого изобретения является исключение применения многопоточного теплообменника, упрощение установки и снижение энергопотребления.

Техническим результатом является:

- исключение применения многопоточного рекуперативного теплообменника путем использования двухпоточного рекуперативного и трехпоточного теплообменников, например, с теплообменными блоками спиральных змеевиковых элементов, выпускаемых российскими производителями, например ООО «АНОД-ТЦ» (http://www.and-tc.ru/),

- упрощение установки и снижение ее энергопотребления за счет исключения использования внешних систем подачи продувочного газа в блок очистки и осушки, и утилизации кислого газа, газа регенерации и водометанольного раствора из блока очистки и осушки, путем соединения линии отпарного газа после компрессора отпарного газа с блоком очистки и осушки, а также путем соединения блока очистки и осушки с приводом компрессоров линией газа регенерации, что позволяет использовать в качестве топливного газа непосредственно влажный газ регенерации, содержащий пары метанола и кислые компоненты природного газа,

- снижение энергопотребления, которое достигается, также:

- за счет установки двухпоточного рекуперативного и трехпоточного теплообменников взамен многопоточного теплообменника, что позволяет охладить отпарным газом в двухпоточном рекуперативном теплообменнике часть сжатого природного газа до более низкой температуры, что снижает энергопотребление компрессора интегрированной холодильной машины,

- за счет соединения линии сжатого отпарного газа, нагретого в результате сжатия, с блоком очистки и осушки, что исключает повышение температуры природного температуры газа на входе двухпоточного рекуперативного и трехпоточного теплообменников и снижает энергопотребление компрессора интегрированной холодильной машины, а также снижает энергозатраты на нагрев адсорбента в блоке очистки и осушки.

Кроме того, исключаются затраты времени на сброс и повышение давления при адсорбционной осушке, что позволяет уменьшить продолжительность стадии регенерации адсорбента и снизить объем загрузки адсорбента.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке сжижения природного газа, включающей расположенные на линии природного газа блок очистки и осушки и теплообменник с прямым ходом природного газа и обратным ходом отпарного газа, а также с прямым и обратным ходами многокомпонентного хладагента, соединенными линией циркуляции многокомпонентного хладагента, на которой расположены компрессор, оборудованный приводом, холодильник и редуцирующее устройство, образующие вместе интегрированную холодильную машину, при этом на линии природного газа после теплообменника расположены редуцирующее устройство и сепаратор с линией сжиженного природного газа и линией отпарного газа, на которой последовательно расположены теплообменник и компрессор отпарного газа, кроме того, привод соединен со вспомогательной холодильной машиной, работающей за счет вторичного тепла отходящих газов привода, которая соединена линиями ввода/вывода вспомогательного хладагента с холодильником, а также дополнительным холодильником, расположенным на линии природного газа между блоком очистки и осушки и теплообменником, особенность заключается в том, что в качестве теплообменника установлены двухпоточный рекуперативный и трехпоточный теплообменники, после дополнительного холодильника линия природного газа разделена на линии первого и второго природного газа, соединенные с сепаратором, на линии первого природного газа расположен двухпоточный рекуперативный теплообменник с прямым ходом первого природного газа и обратным ходом отпарного газа, а также редуцирующее устройство, на линии второго природного газа расположен трехпоточный теплообменник с прямым ходом второго природного газа, прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента, а также редуцирующее устройство, линия отпарного газа после компрессора отпарного газа соединена с блоком очистки и осушки в качестве линии продувочного газа, блок очистки и осушки соединен с приводом линией газа регенерации в качестве линии топливного газа.

При избытке отпарного газа для использования в качестве продувочного газа, балансовую часть отпарного газа подают в природный газ, для чего линия отпарного газа после компрессора отпарного газа может быть соединена с линией природного газа перед дополнительным холодильником или линия отпарного газа перед компрессором отпарного газа может быть соединена с линией газа регенерации.

В качестве многокомпонентного хладагента используют, например, смесь азота и углеводородов С₁-С₅. В качестве вспомогательного хладагента используют, например, воду или смесь воды с гликолем. Блок очистки и осушки включает, например, установки аминовой очистки и адсорбционной осушки. Компрессоры могут быть оснащены холодильниками сжатого газа с внешним хладагентом, например, атмосферным воздухом. Привод компрессоров включает по меньшей мере один внешнего сгорания (например, двигатель Стирлинга) или двигатель внутреннего сгорания (например, дизельный или газотурбинный двигатель) 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 (например, вспомогательной холодильной машиной абсорбционного типа), соединенным с холодильниками линиями ввода/вывода вспомогательного хладагента. В качестве остальных элементов установки могут быть установлены любые устройства соответствующего назначения, известные из уровня техники.

Установка двухпоточный рекуперативный и трехпоточный теплообменники качестве теплообменника позволяет исключить использование многопоточного теплообменника и обеспечивает возможность комплектования установки теплообменниками российского производства, а также позволяет использовать в максимальной мере потенциал холода потока отпарного газа для охлаждения природного газа, проходящего прямым ходом, до более низких температур, что соответствующим образом снижает энергопотребление компрессора интегрированной холодильной машины.

Соединение линии отпарного газа после компрессора отпарного газа с блоком очистки и осушки в качестве линии продувочного газа упрощает установку за счет исключения использования внешней системы подачи продувочного газа в блок очистки и осушки, а также снижает энергопотребление установки за счет исключения повышения температуры природного температуры газа на входе двухпоточного рекуперативного и трехпоточного теплообменников, что соответственно снижает энергопотребление компрессора интегрированной холодильной машины, а также снижает энергозатраты на нагрев адсорбента в блоке очистки и осушки.

Соединение блока очистки и осушки с приводом линией газа регенерации в качестве линии топливного газа упрощает установку за счет исключения использования внешних систем утилизации кислого газа, газа регенерации и водометанольного раствора, путем использования в качестве топливного газа привода компрессоров непосредственно влажного газа регенерации, содержащего пары метанола и кислые компоненты природного газа.

Установка показана на прилагаемом чертеже и включает блок очистки и осушки 1, компрессор отпарного газа 2, двухпоточный рекуперативный теплообменник 3, трехпоточный теплообменник 4, интегрированную холодильную машину, включающую компрессор многокомпонентного хладагента 5, холодильники 6 и 7, редуцирующее устройство 8, кроме того, редуцирующие устройства 9 и 10, сепаратор 11, при этом компрессоры соединены с приводом 12 (показано штрих-пунктиром). Привод 12 соединен также линиями ввода/вывода теплоносителя со вспомогательной холодильной машиной 13, соединенной в свою очередь линиями ввода/вывода вспомогательного хладагента с холодильниками 6 и 7.

При работе установки природный газ, поступающий по линии 14, очищают в блоке 1 от кислых компонентов (углекислого газа, сернистых соединений), паров метанола и воды, а также, при необходимости, от тяжелых углеводородов и паров ртути, охлаждают в холодильнике 6 и разделяют на первый и второй природный газ. Первый природный газ (линия 15) охлаждают при подаче прямым ходом в теплообменнике 3, редуцируют с помощью устройства 9 и направляют в сепаратор 11. Второй природный газ (линия 16) охлаждают при подаче прямым ходом в теплообменнике 4, редуцируют с помощью устройства 10 и также направляют в сепаратор 11. Из сепаратора 11 по линии 17 выводят сжиженный природный газ, а по линии 18 выводят отпарной газ, который нагревают при прохождении обратным ходом в теплообменнике 3, сжимают компрессором 2 и подают в блок 1 в качестве продувочного газа для регенерации адсорбента. Из блока 1 по линии 19 выводят газ регенерации, содержащий кислые компоненты (углекислый газ, сероводород, меркаптаны), пары метанола и воды, и подают в привод 12 в качестве топливного газа. Многокомпонентный хладагент циркулирует по линии 20 с помощью компрессора 5, при этом многокомпонентный хладагент сначала охлаждается в холодильнике 7, соединенном со вспомогательной холодильной машиной 13 линиями ввода/вывода вспомогательного хладагента 21, затем в теплообменнике 4, проходя прямым ходом, редуцируется с помощью устройства 8 и нагревается при прохождении обратным ходом в теплообменнике 4.

При избытке отпарного газа для целей использования в качестве продувочного газа, балансовую часть отпарного газа подают в природный газ, для чего линия отпарного газа после компрессора отпарного газа может быть соединена с линией природного газа перед дополнительным холодильником линией 23 или линия отпарного газа перед компрессором отпарного газа может быть соединена с линией газа регенерации линией 24 (показано пунктиром).

Работоспособность установки подтверждается примером. Природный газ состава (% об.): метан 96,6%, этан 2,42%, пропан 0,18%, бутаны 0,08%, С₅₊ 0,03%, углекислый газ 0,27%, азот 0,43%, в количестве 11530 нм³/час при давлении 6,0 МПа и 38,7°С очищают и осушают в блоке 1, смешивают с 1317 нм³/час избытка отпарного газа, охлаждают сначала вспомогательным хладагентом в холодильнике 6 до 8 °С, затем разделяют на две части. 730 нм³/час первой части охлаждают в теплообменнике 3 до минус 114 °С, редуцируют с помощью редуцирующего вентиля 9 до 0,8 МПа и подают в сепаратор 11. Вторую часть природного газа охлаждают в теплообменнике 4 до минус 111 °С, редуцируют с помощью редуцирующего вентиля 10 до 0,8 МПа и также подают в сепаратор 11, где разделяют на 8,06 т/час сжиженного природного газа, и 1897 нм³/час отпарного газа, который нагревают в теплообменнике 3 и разделяют на два потока. 580 нм³/час первого потока в качестве продувочного газа с помощью компрессора 2 направляют в блок 1, и затем в качестве топливного газа в смеси с кислым газом, парами воды и метанола подают в привод 12, а второй поток подают в поток природного газа перед холодильником 6. Многокомпонентный хладагент сжимают до 2,5 МПа компрессором 5, охлаждают в холодильнике 7 с помощью абсорбционной холодильной машины 13 до 8 °С и в теплообменнике 4 до минус 110 °С, редуцируют до 0,5 МПа с помощью редуцирующего вентиля 8 и нагревают до 5,8 °С в теплообменнике 4. Расчетное удельное потребление энергии в компрессорах 2 и 5 составило 0,169 кВт/кг сжиженного природного газа. Установка не содержит многопоточного теплообменника и внешних систем подготовки продувочного газа и утилизации кислого газа, газа регенерации и водометанольного раствора.

В условиях примера на установке, описанной в прототипе, расчетное энергопотребление в компрессорах составило 0,254 кВт/кг сжиженного природного газа.

Таким образом, предлагаемая установка более проста, позволяет исключить применение многопоточного теплообменника и снизить энергопотребление и может найти применение в газовой промышленности.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в газовой промышленности. Предложена установка, включающая блок очистки и осушки 1, компрессор отпарного газа 2, двухпоточный рекуперативный теплообменник 3, трехпоточный теплообменник 4, интегрированную холодильную машину, включающую компрессор многокомпонентного хладагента 5, холодильники 6 и 7, редуцирующее устройство 8, кроме того, редуцирующие устройства 9 и 10, сепаратор 11. Компрессоры соединены с приводом 12, который соединен также линиями ввода/вывода теплоносителя со вспомогательной холодильной машиной 13, соединенной в свою очередь линиями ввода/вывода хладагента с холодильниками 6 и 7. Техническим результатом является исключение применения многопоточного теплообменника, упрощение установки и снижение энергопотребления. 1 ил.

Установка сжижения природного газа, включающая расположенные на линии природного газа блок очистки и осушки и теплообменник с прямым ходом природного газа, контур циркуляции многокомпонентного хладагента, на котором расположены компрессор, оборудованный приводом, холодильник и редуцирующее устройство, образующие вместе интегрированную холодильную машину, при этом на линии природного газа после теплообменника расположены редуцирующее устройство и сепаратор с линией сжиженного природного газа и линией отпарного газа, на которой последовательно расположены теплообменник и компрессор отпарного газа, кроме того, привод соединен со вспомогательной холодильной машиной, работающей за счет вторичного тепла отходящих газов привода, которая соединена линиями ввода/вывода вспомогательного хладагента с холодильником, а также дополнительным холодильником, расположенным на линии природного газа между блоком очистки и осушки и теплообменником, отличающаяся тем, что в качестве теплообменника установлены двухпоточный рекуперативный и трехпоточный теплообменники, после дополнительного холодильника линия природного газа разделена на линии первого и второго природного газа, соединенные с сепаратором, на линии первого природного газа расположен двухпоточный рекуперативный теплообменник с прямым ходом первого природного газа и обратным ходом отпарного газа, а также редуцирующее устройство, на линии второго природного газа расположен трехпоточный теплообменник с прямым ходом второго природного газа, прямым и обратным ходом многокомпонентного хладагента, а также редуцирующее устройство, линия отпарного газа после компрессора отпарного газа соединена с блоком очистки и осушки в качестве линии продувочного газа, блок очистки и осушки соединен с приводом линией газа регенерации в качестве линии топливного газа.