СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ИЛИ НЕФТЯНОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
LIQUEFACTION METHOD OF NATURAL OR OIL GAS, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к технологии сжижения природного газа, реализация которой осуществляется на установке сжижения и может использоваться в нефтехимической и газовой промышленности, в частности, при производстве моторных топлив из природных или нефтяных газов.
Сжижение природных газов, отбираемых, как правило, из магистральных газопроводов, например Средняя Азия - Центр (САЦ), осуществляется за счет перепада давления между САЦ и товарными криогенными емкостями, из которых газ поступает потребителю. Технологической особенностью данного производства является использование вихревых аппаратов типа «вихревая труба», работающих на принципе перепада давления от 30-70 атм между газопроводом и потребителем, где давление 3-6 атм.
Известны способы и установки для сжижения природного газа (патент RU 2157487, F25J 1/00, 1999 - [1]), в которых исходный поток делится на два: одна часть поступает на фильтр и рекуперативный теплообменник на сжижение, а другая - в вихревую трубу с образованием холодного и горячего потоков. Первая часть потока захолаживается в рекуперативном теплообменнике за счет холодного потока. Горячий поток после редуцирования поступает потребителю.
Недостатки аналога [1]: энергетическому разделению в вихревой трубе подвергается только часть потока (µ=0,4-0,7), а не весь поток, другая часть потока очищается от примесей, захолаживается в рекуперативном теплообменнике холодным потоком вихревой трубы, дросселируется вентилем и поступает в сборник конденсата. Вследствие чего В вихревую трубу поступает неочищенная часть потока, хотя именно этот поток должен быть очищен, так как в нем недопустимо наличие примесей (сверхвысокие скорости, максимальный перепад давлений и т.д.).
В связи с тем, что в вихревую трубу поступает только часть потока, другая часть на дросселирование, неэффективно используется перепад давления системы магистраль - потребитель, так как часть потока сжижается с использованием дроссельного эффекта Джоуля-Томсона, а это ниже эффекта Ранка, используемого в вихревой трубе.
К недостаткам можно отнести также и то, что горячий поток вихревой трубы представляет собой двухфазную систему, но он не подвергается сепарации жидкой фазы, а направляется в качестве готового продукта потребителю. Также жидкая фаза, выходящая из вихревой трубы, рекуперируется в теплообменнике, где образуется двухфазная система, но она не сепарируется, а выводится в качестве готового продукта.
Также жидкая фаза в рекуперативном теплообменнике частично испаряется, а следовательно, неполное сжижение газа и неэффективный теплообмен.
Прототипом заявляемого изобретения в части способа является способ сжижения природного газа (патент RU 2429434, F25J 1/00, 2010 - [2]), в котором для предварительного охлаждения газа используются теплообменники-вымораживатели и две вихревые трубы, основная и вспомогательная. В вихревых трубах газ разделяется на два потока - холодный и горячий. Камера энергетического разделения основной вихревой трубы подвергается дополнительному охлаждению хладагентом (фреоном), претерпевающим фазовые превращения (кипение и конденсацию). В качестве внешнего теплоносителя используется холодный поток вспомогательной трубы.
В теплообменниках-вымораживателях происходит очистка и осушка за счет вымораживания на теплообменной поверхности влаги и кристаллизирующихся примесей. Выделение от жидких тяжелых углеводородов (конденсата) осуществляется во встроенных в нижней части теплообменниках-сепараторах.
Данный способ позволяет повысить эффективность процесса сжижения и рост производительности по готовому продукту - сжиженному природному газу. Однако он обладает рядом недостатков, а именно:
- необходимость наличия двух вихревых труб, что усложняет процесс сжижения и увеличивает эксплуатационные расходы;
- для захолаживания горячего конца основной вихревой трубы используется внешний хладагент, что требует дополнительного теплообменника и хладагента;
- неподготовленность исходного газа по очистке от влаги и механических примесей приводит к накоплению кристаллизирующихся примесей, блокирующих течение газа в трубках теплообменников-вымораживателей. Это требует дополнительного ремонта теплообменной и другой аппаратуры.
Сущность предлагаемого изобретения способ сжижения природного или нефтяного газа и устройство для его осуществления поясняется фигурой 1.
На фиг.2 представлено устройство для реализации способа - вихревая труба 1 с размещенным на поверхности горячего конца трубы змеевиком для подачи дросселируемого холодного потока с помощью дросселирующего вентиля.
На фиг.3 - вихревая труба в районе горячего конца кольцевой труби с размещенными на ней форсунками.
На фиг.4 - разрез А-А кольцевой трубы с форсунками.
Технический результат способа достигается следующим образом (фиг.1). Исходный поток газа I, предварительно осушенный от влаги и очищенный от механической пыли, предварительно охлаждается в теплообменнике жидкой фазой, находящейся в емкости-сепараторе, и поступает на вход вихревой трубы, расположенной в емкости-сепараторе. В вихревой трубе образуется холодный и горячий потоки. Холодный поток дросселируется и направляется на охлаждение горячего конца трубы, а следовательно, охлаждение выходящего из трубы горячего потока. В результате чего из горячего потока вихревой трубы на выходе происходит выделение жидкокапельной влаги, которая дросселируется регулирующим вентилем и выходит в виде жидкой фазы, которая стекает вниз емкости-сепаратора, а несконденсированная фаза горячего потока выводится в верхнюю часть емкости-сепаратора. Несконденсированную паровую фазу V и сконденсированную жидкую фазу IV используют для рекуперации холода при охлаждении исходного потока I, а затем выводят в качестве готовых продуктов (потоки IV и V).
В таблице 1 приведен исходный состав природного газа, поступающего на сжижение, а материальные балансы разделения этого газа - в табл.2 и 3.
Таблица 1
Усредненный состав исходного газа
Компонент
Формула
% об.
Азот
N<sub>2</sub>
0,81
Метан
СН<sub>4</sub>
95,55
Этан
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>
2,68
Пропан
С<sub>3</sub>Н<sub>8</sub>
0,6
Бутан
С<sub>4</sub>Н<sub>10</sub>
0,2
Пентан
С<sub>5</sub>Н<sub>12</sub>
0,16
Данные здесь и далее указаны при 0,1 МПа и 273К.
Таблица 2
Материальный баланс разделения при Р=3 МПа
Компонент
Поступает
Продукты разделения
Природный газ, об. доля
Метановая фр., об. доля
Жидкое автомобильное топливо, об. доля
N<sub>2</sub>
0,0081
0,0085
0,0003
СН<sub>4</sub>
0,9555
0,9816
0,4436
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>
0,0268
0,0098
0,3611
С<sub>3</sub>Н<sub>8</sub>
0,006
0,0001
0,1208
С<sub>4</sub>Н<sub>10</sub>
0,002
-
0,0412
C<sub>5</sub>H<sub>12</sub>
0,0016
-
0,033
1,0000
1,0000
1,0000
Т, К
303
293
155
Р, МПа
3,0
0,6
0,6
Р<sub>раб</sub>, кг/м<sup>3</sup>
22
4,7
546
V<sub>усл</sub>, моль/ч
100
95,16
4,84
V<sub>0</sub>, м<sup>3*)</sup>
10000
9516
484
G, кг/ч
7527
6920
607
<sup>*)</sup> Данные при 0°С и 0,1 МПа
Таблица 3
Материальный баланс разделения при давлении исходного газа 5 МПа
Компонент
Поступает
Продукты разделения
Природный газ, об. доля
Метановая фр., об. доля
Жидкое автомобильное топливо, об. доля
N<sub>2</sub>
0,0081
0,0088
0,0004
СН<sub>4</sub>
0,9555
0,9863
0,6383
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>
0,0268
0,0048
0,2534
С<sub>3</sub>Н<sub>8</sub>
0,006
0,0001
0,0672
С<sub>4</sub>Н<sub>10</sub>
0,002
-
0,0226
C<sub>5</sub>H<sub>12</sub>
0,0016
-
0,0181
1,0000
1,0000
1,0000
Т, К
303
293
149
Р, МПа
5,0
0,6
0,6
Р<sub>раб</sub>, кг/м<sup>3</sup>
36,9
4,65
498
V<sub>усл</sub>, моль/ч
100
95,15
8,85
V<sub>0</sub>, м<sup>3</sup>
10000
9515
885
G, кг/ч
7527
6601
926
Таким образом, основным преимуществом по сравнению с известным способом сжижения является то, что вихревая труба размещена в емкости-сепараторе, поэтому все протекающие низкотемпературные процессы по сжижению газа протекают в замкнутом пространстве и, следовательно, не имеют практически холодопотерь. Это позволяет достичь максимальной холодопроизводительности предлагаемого процесса и достичь высокой эффективности по сжижению природного газа.
Таким образом, применение способа сжижения природного газа или других нефтяных газов с применением вихревой трубы с дополнительным охлаждением горячего потока, из которого сепарируется жидкая фаза, осуществляется дросселирующим холодным потоком, что позволяет достичь максимального эффекта сжижения природного газа, являющегося конечным продуктом производства.
1
2
Для достижения технического результата способа сжижения газа с вихревой трубой, размещенной в емкости-сепараторе, образующийся холодный поток вихревой трубы дросселируют в противоток горячего потока, а сепарируемая жидкость из обоих потоков накапливается в нижней части емкости-сепаратора. Процесс осуществляется при условии оптимального режима работы вихревой трубы и проявления эффекта Ранка при отношениях давлений газа до и после вихревой трубы P/P≤4-5 и максимальной холодопроизводительностью при µ=0,5-0,6 (µ - доля холодного потока). Это регулируется соотношением потоков регулирующим вентилем 4 (фиг.1, 2 и 3) на горячем конце трубы. Регулировка давления до и после емкости-сепаратора, а следовательно, на выходе холодного и горячего потоков вихревой трубы осуществляется регулирующими клапанами 10 и 11 (фиг.1).
Аналогом устройства для реализации заявляемого способа является «Способ и устройство для сжижения природного газа» (патент RU 228212, F25J 1/00, 2004 - [3]). Технический результат достигается тем, что устройство для сжижения природного газа содержит фильтр очистки исходного газа от примесей, разделение исходного потока газа на три линии. Первый поток охлаждают в вихревой трубе при соотношении массовых расходов µ=0,4-0,7. Охлажденный поток из вихревой трубы направляют в систему рекуперативных теплообменников, частично охлаждая его, и отводят потребителю. Горячий поток дросселируют, охлаждают в теплообменнике и подают в другую вихревую трубу с дополнительным потоком. Второй поток подают на сжижение с µ=0,07-0,22, дросселируют и собирают конденсат в емкости. Третий поток охлаждают в вихревой трубе с дополнительным притоком. Холодный поток дросселируют, охлаждают в теплообменниках и отводят редуцированный газ потребителю.
Техническим результатом изобретения является увеличение доли выхода конденсата - сжиженного природного газа с использованием перепада давления на газораспределительной станции (ГРС).
Однако наличие двух труб (двухпоточных) осложняет процесс разделения и сжижения газа. Сжижение газа происходит в основном в рекуперативных теплообменниках за счет холода холодных потоков двух вихревых труб. Конденсация жидкой фазы производится только за счет редуцирования в дроссельных устройствах.
Деление исходного газа на три потока также осложняет технологическую схему процесса и увеличивает капитальные затраты. Кроме того, наличие как минимум трех дроссельных устройств вызывает необходимость достаточно высокого начального давления системы и обеспечения дроссельного эффекта Джоуля-Томпсона, а следовательно, достижения требуемой температуры охлаждения. Это менее эффективно в сравнении с дроссельными эффектами Ранка, используемыми в вихревых трубах.
Наиболее близким по технической сущности изобретения (устройства, реализующего предложенный способ) является прототип (А.с. СССР №853313, F25B 9/02, 1981 - [4]), в котором используется трехпоточная вихревая труба, позволяющая максимально сепарировать жидкую фазу из углеводородной смеси. Это достигается установкой в полости горячего конца вихревой трубы цилиндрической вставки с возможностью изменить зазор между конусной поверхностью горячего конца вихревой трубы и цилиндром, что позволяет выводить жидкую фазу из горячего потока газа.
Однако в данной конструкции трехпоточной вихревой трубы горячий конец трубы не охлаждается, а следовательно, не достигается максимальной сепарации жидкой фазы из горячего потока. Кроме того, горячий поток с остаточным содержанием жидкой фазы не может использоваться как конечный продукт и требует дополнительной сепарации с применением специальной аппаратуры.
Отмеченные недостатки устранены в предлагаемом устройстве изобретения. Прежде всего тем, что дросселируется холодный поток на поверхность горячего потока вихревой трубы, а это, в основном, жидкая фаза, имеющая наиболее низкую температуру, а следовательно, эффективность охлаждения максимальная. Кроме того, вихревая труба размещена внутри емкости-сепаратора. Это позволяет осуществить процессы охлаждения и сепарации жидкой фазы из обоих потоков, т.е. горячего и холодного, осуществлять при максимально низкой температуре и получить сжиженный газ, что является целью данного изобретения.
Сущность устройства для реализации предлагаемого способа сжижения природного или нефтяного газа приведена на фиг.2, 3 и 4.
Устройство включает осушитель (адсорбер), фильтр (на фигурах не показаны), вихревую трубу 1, состоящую из горячего конца 2 и холодного 3, регулирующего устройства (вентиля) 4, отбойника 5 для сепарации жидкой фазы из горячего потока. Вихревая труба 1 размещена в емкости-сепараторе 6, имеющей сборник жидкости 7. На холодном потоке из холодного конца 3 вихревой трубы 1 установлен дросселирующий вентиль 8. В емкости-сепараторе 6 на трубопроводе исходного потока газа установлен рекуперативный теплообменник 9. В верхней части емкости-сепаратора 6 установлен регулирующий клапан 10 для отбора газовой фракции. На выходе из сборника жидкости 7 установлен вентиль 11 жидкой фазы - сжиженного газа, на входе исходного потока газа в емкость-сепаратор 6 установлен регулирующий вентиль 12, а на горячем конце 2 вихревой трубы 1 может быть установлен змеевик 13 (см. фиг.2) или кольцевая труба 14 с размещенными на ней форсунками (см. фиг.3 и 4).
По сравнению с известными изобретениями предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- позволяет с помощью предлагаемого отбойника 5 получить щелевидный кольцевой канал для отвода отсепарированной жидкокапельной влаги из вращающегося потока газа во внутреннем пространстве горячего конца 2 трубы, а жидкая фаза обирается в нижней части емкости-сепаратора 6;
- позволяет осуществить охлаждение горячего конца вихревой трубы 2 дросселируемым холодным потоком посредством вентиля 8, что приводит к охлаждению горячего конца 2 трубы и проходящего внутри него потока газа, а также дополнительно конденсировать жидкокапельную влагу, содержащуюся в потоке газа, и отсепарировать ее посредством отбойника 5;
- позволяет осуществить охлаждение горячего конца 2 вихревой трубы 1 посредством подачи дросселируемого холодного потока вентилем 8, что способствует ее конденсации горячего потока и эффективному выведению отбойником 5;
- произвести охлаждение горячего конца 2 вихревой трубы 1 путем дросселируемого холодного потока газа вентилем 8, подачей и распылением его из кольцевой трубы 14 с помощью форсунок, что позволяет дополнительно сконденсировать и отсепарировать жидкую фазу из выходящего горячего потока, которая собирается в нижней части емкости-сепаратора 6, откуда выводится из сборника-ловушки 7 в виде сжиженного готового продукта 4.
Работает заявленное устройство следующим образом.
Исходный поток газа I, пройдя регулирующий вентиль 12, предварительно захолаживается жидкой фазой, находящейся в нижней части емкости-сепаратора 6 в змеевике 9, и поступает в камеру энергетического разделения вихревой трубы 1. В вихревой трубе происходит разделение газа на холодный II и горячий III потоки. Для регулирования соотношения потоков служит регулирующий вентиль 4 на горячем конце 2 трубы 1.
Для отвода отсепарированной жидкости с горячего конца трубы применяется отбойник 5. Для повышения эффективности работы вихревой трубы предлагается доохлаждение горячего конца трубы, которое осуществляется следующими устройствами.
На фиг.1 представлено охлаждение дросселирующим холодным потоком II посредством дросселирующего вентиля 8. В этом случае температура холодного потока понижается и, контактируя непосредственно с поверхностью горячего конца 2 трубы 1, способствует увеличению выделения жидкой фазы как непосредственно в полости горячего потока, так и контактируя с протекающей по поверхности горячего конца 2 трубы 1 отсепарированной пленочной жидкостью после отбойника 5. Отсепарированная жидкость стекает в нижнюю часть емкости-сепаратора 6, которая выводится из отстойника 7 в качестве готового продукта IV.
На фиг.2 дополнительное охлаждение горячего конца трубы 2 осуществляется подачей холодного потока, дросселируемого в змеевик 13 на горячем конце трубы. В этом случае происходит дополнительное отделение жидкой фазы за счет контакта протекающей по поверхности горячего конца отсепарированной пленочной жидкости после отбойника 5 и за счет охлаждения горячего потока, протекающего внутри трубы.
На фиг.3 доохлаждение горячего конца трубы 2 и эффективное выделение жидкой фазы из холодного и горячего потоков происходит путем дросселирования холодного потока через дросселирующий вентиль 8, подачей его в кольцевую трубу с форсунками 14 для непосредственного контакта с отсепарированной жидкостью, выходящей из горячего конца трубы 2 и отбойника 5. Отсепарированная жидкость накапливается в нижней части емкости-сепаратора 6, которая отводится в качестве готового продукта как сжиженный газ.
Холодный поток II дросселируется посредством вентиля 8 на внешнюю поверхность горячего конца вихревой трубы 2 и направлен (от начала горячего конца трубы к концу конической части вихревой трубы), т.е. слева направо, при этом горячий поток движется внутри вихревой трубы слева направо и выходит двумя потоками: основной поток, проходящий через регулирующее устройство 4, выходя через клапан 8, а другой поток, представляющий собой газожидкостную смесь, проходит через кольцевой отбойник в виде разрезанного тора и, проходя через щелевой канал отбойника, меняет направление на противоположное и поступает на внешнюю поверхность горячего конца вихревой трубы, на которую и дросселируется холодный поток II.
Приведенное движение холодного и горячего потоков содействует усилению конденсационного процесса образования жидкой фазы и последующей ее сепарации в сепарационном устройстве 5. Таким образом, жидкая фаза холодного потока, сконденсированная и отсепарированная из горячего потока, собирается в емкости-сепараторе 6.
Данный способ и устройство по сжижению природного газа могут быть реализованы на мобильных автономных производствах, например, по выпуску моторных топлив, являющихся альтернативными источниками по отношению к традиционным видам, - бензина и дизельного топлива.
Источники информации
1. Патент RU 2157487, F25J 1/00, 1999 г.
2. Патент RU 2429434, F25J 1/00, 2010 г. - прототип способа.
3. Патент RU 228212, F25J 1/00, 2004 г.
4. А.с. СССР №853313, F25B 9/02, 1981 г. - прототип устройства.