Способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления
NATURAL GAS LIQUEFACTION METHOD AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к технике и технологии сжижения природного газа, в частности для газораспределительных станций (ГРС). Природный газ высокого давления, поступающий из магистрального газопровода или газораспределительной станции (ГРС). Для сжижения природного газа наиболее распространен дроссельно-рекуперативный способ с использованием различных холодильных контуров, базирующихся на принципе вихревого энергоразделения части сжатого потока или всего потока напорного газа.
Известен способ сжижения природного газа (патент RU 2429434, F25J 1/00, 2010 - [1]), в котором для сжижения природного газа используется дроссельный рекуперативный способ со вспомогательным контуром охлаждения на базе основной вихревой трубы с одновременным использованием горячего потока вспомогательной трубы для отогрева оборудования, выведенного из работы. Камера энергетического разделения основной вихревой трубы подвергается дополнительному охлаждению хладагентом, претерпевающим фазовые превращения: кипение при отборе тепла от вихревой трубы и конденсацию при отдаче тепла внешнему теплоносителю, а в качестве теплоносителя, которому отдается тепло при конденсации хладагента, используется холодный поток вспомогательной вихревой трубы. Предлагаемое техническое решение позволяет полностью использовать холод, заключенный в «холодном» потоке вспомогательной трубы. Причем, за счет внешнего охлаждения камеры энергоразделения основной вихревой трубы, ее «холодный» поток имеет минимально возможную температуру.
Несмотря на достижение технического решения по повышению эффективности процесса сжижения, имеются недостатки:
- поток газа высокого давления непосредственно из магистрали подают параллельными потоками без очистки в две вихревые трубы: основную и вспомогательную, а очистку газа производят только выходящих потоков двух вихревых труб, что нецелесообразно;
- для повышения эффективности сжижения используется дополнительное охлаждение камеры энергетического разделения основной вихревой трубы хладагентом, претерпевающим фазовые превращения, включающие кипение и конденсацию, в частности кипящего фреона для дополнительного охлаждения горячего конца основной вихревой трубы. Это приводит к усложнению технологии и повышению капиталовложений, а следовательно удорожанию производства.
Прототипом способа сжижения предполагаемого изобретения является способ (Патент RU 2528460, F25J 1/00, F25B 9/04, 2012 - [2]). Способ включает вихревую трубу, которую размещают вертикально в трехсекционной емкости-сепараторе, разделенной горизонтальными перегородками на: верхнюю, среднюю и нижнюю. При этом, в верхней секции размещен холодный конец с теплообменником-змеевиком вихревой трубы, в средней - горячий конец, а в нижней - регулирующее устройств расхода горячего потока и сепарационное устройство по отделению из горячего потока жидкой фазы, содержащее регулирующий клапан.
Данное изобретение имеет следующие недостатки:
- необходимая очистка от влаги и примесей осуществляется предварительно в многоступенчатом центробежном сепараторе, а затем уже в верхней секции емкости - вихревом энергетическом разделителе, т.е. в двух аппаратах;
- нижнее расположение регулирующего устройства горячего потока вихревой трубы технологически и конструктивно нерационально, поскольку требует сложной конструкции регулятора расхода горячего потока газа, а так как кубовая часть затоплена сжиженным газом, что потребует сложной конструкции уплотнения на выходе ручки регулятора за пределы емкости.
Представляем техническое решение для реализации способа сжижения газа, в котором решены указанные выше недостатки. Сущность заявляемого изобретения на способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления представлена на фигуре 1, включающей технологические и конструктивные элементы устройства для реализации заявленного способа, включающие следующие позиции:
Блоки деления вертикальной емкости-криостата на секции, раскрывающие техническую сущность происходящих технологических процессов сжижения природного газа в устройстве - секционной емкости-криостате.
- блок А - сборник сжиженного газа;
- блок В - тангенциальный ввод исходного потока природного газа в циклон, рекуперативное охлаждение и очистка исходного газа в циклоне;
- блок С - охлаждение горячего конца вихревого охладителя сжиженным газом;
- блок G - представляет две зоны: нижнюю и верхнюю, в нижней зоне осуществляется сепарация газа от сконденсированных углеводородов
2
фр. С+, в верхней зоне - ввод отсепарированного газа в тангенциальные щели сепарационных патрубков;
- блок F - пространство, заполненное сжиженным газом (хладагентом) для охлаждения сепарационных патрубков;
- блок Е - где осуществляется выход отсепарированного газа из сепарационных патрубков.
Технологические потоки: I - исходный поток высоконапорного природного газа; II - вывод отсепарированного конденсата и примесей;
III - вывод отсепарированного конденсата и примесей; IV - вывод сжиженного природного газа; V - вывод углеводородной фракции С2+.
На фигуре 1, также представлены следующие позиции устройства: 1 - корпус емкости-криостата; 2 - патрубок тангенциального ввода исходного потока газа; 3 - центральный патрубок циклона с верней конической вставкой; 4- патрубок- удлинитель холодного конца; 5 - верхний конус циклона; 6 - нижний конус циклона; 7 - внутренние полу- диаметральные перегородки центрального патрубка циклона; 8 - распылительная головка патрубка холодного конца; 9 - патрубок отвода холодного потока в сборник сжиженного газа; 10 - пространство для сбора ж отсепарированной жидкой фазы тяжелой углеводородной фракции; 11 - нижняя горизонтальная перегородка, разделяющая пространство между нижним конусом циклона и сборником сжиженного газа; 12 - патрубок отвода отсепарированной тяжелой углеводородной фракции; 13 - холодный конец вихревого охладителя; 14 - патрубок отвода сжиженного газа к вертикальной трубе распределения газа; 15 - пространство выхода отсепарированного газа из циклона; 16 - конус; 17 - патрубок ввода отсепарированного газа в вихревой охладитель; 18 - камера вихревого охладителя; 19 - горячий конец вихревого охладителя; 20 - змеевик для охлаждения горячего конца охладителя; 21 - патрубки подвода сжиженного газа (хладагента) к змеевику 20; 22 - переливная труба; 23-отбойник жидкости; 24 -донышко, перекрывающее нижнее отверстие отбойника; 25 - горизонтальная перегородка в верхней части горячего конца; 26 - патрубок вывода сконденсированных углеводородов фр. С2+; 27 - горизонтальная перегородка для крепления камеры вихревого охладителя; 28 - пространство для вывода отсепарированного горячего потока; 29 - тангенциальные щели сепарационных патрубков; 30- нижняя горизонтальная перегородка для размещения сепарационных патрубков; 31- верхняя горизонтальная перегородка для размещения сепарационных патрубков; 32 - дроссель-диафрагма в перегородке; 33 - оребренный корпус сепарационного патрубка; 34 - ребра на поверхности сепарационных патрубках; 35 - отбойник жидкости сепарационного патрубка; 36 - пространство для выхода отсепарированного горячего потока; 37 - конус 38 - патрубок вывода низконапорного газа; 39- вентиль-клапан точной регулировки; 40 - патрубок вывода сжиженного газа; 41 - консольная опора емкости-криостата; 42 - экранно-вакуумная теплоизоляция; 43 - насыпная теплоизоляция (перлитная крошка).
Технический результат способа сжижения газа заключается в следующем:
Исходный поток газа высоконапорного газа I поступает в емкость-криостат 1 посредством патрубка 2 тангенциального ввода в циклонный сепаратор 3, в котором производят очистку сжижаемого газа от влаги и примесей методом центробежной сепарации.
В результате вращательного движения газожидкостной смеси и проявления центробежных сил, происходит расслоение смеси на приосевой и периферийные вращательные движения потоков. Поэтому, из периферийной области отводятся наиболее тяжелые фракции конденсата и примесей с горизонтальной перегородки 11, посредством патрубка 12, а приосевой - газообразная фаза выводится в кольцевую щель между верхними конусами циклона центрального патрубка 3 и 5, в пространство 15.
Такое совмещение одновременно происходящих в циклоне процессов способствует эффективности теплообмена и сепарации образовавшейся газожидкостной смеси на газовую и сконденсированную жидкую фазу и примеси. Отсепарированный газ выводится в пространство 15, а затем поступает в патрубок с конусом на вход в вихревой охладитель 18.
При этом, холодный поток в виде парожидкостной смеси после охлаждения исходного газа, направляют по центральной трубе 9 в нижнюю часть сборника сжиженного газа, из которого часть сжиженного газа поднимается, по переливной трубе 22, за счет перепада давления, которое создается дросселируемым холодным потоком из вихревого охладителя.
В результате парообразования и повышения парциального давления в сборнике сжиженного газа, поднимающегося по переливной трубе 22 охлаждает горячий конец 19 вихревого охладителя 18, а из выходящего горячего поток сепарируется в отбойнике жидкая фаза, содержащая сконденсированные тяжелые углеводороды, накапливается на горизонтальной перегородке 25 и выводится за пределы емкости (поток V), а несконденсированная часть горячего потока поступает в верхнюю секцию в блок F прямоточной центробежной сепарации с сепарационными патрубками 33, размещенными между двумя горизонтальными перегородками 30 и 31 с охлаждаемым пространство, в котором размещены корпуса сепарационных патрубков, которые охлаждаются сжиженным газом, подаваемым в это пространство посредством вертикальной трубе 22, при этом отсепарированный от конденсата горячий поток газа выводится с одновременным регулированием расхода газа низкого давления посредством патрубка вывода 38, с помощью вентиля-клапана точной регулировки 39, а отсепарированный конденсат, представляющий собой сжиженный газ накапливается на горизонтальной перегородке 31 стекает через отверстия - диафрагмы 32 в пространство между перегородками, а затем по трубе 22 в сборник сжиженного газа, откуда выводится посредством патрубка 40 (поток IV) за пределы емкости-криостата 1, при этом, секционная емкость-криостат теплоизолирована двумя слоями тепловой изоляции 42 и 43.
Таким образом, по сравнению с известными способами сжижения газа предлагаемый способ обладает существенными преимуществами:
- способ сжижения предусматривает рациональную последовательность технологических процессов, начиная от подготовки, включая очистку исходного газа, совмещенную с рекуперативным теплообменом холодного потока и, совмещенную с центробежной сепарацией и вихревого энергоразделения с охлаждаемым горячим концом охладителя;
- на финальной стадии обработки газа использована технология центробежной прямоточной сепарации с применением охлаждаемых высокоскоростных сепарационных патрубков для максимально возможного снижения потерь низконапорного горячего потока путем его сжижения и увеличения выхода сжиженного товарного природного газа;
- все криогенные процессы сжижения проводятся в замкнутом пространстве в емкости-криостате и не имеют практически холодопотерь.
Аналогом устройства для реализации предлагаемого способа сжижения газа является способ-устройство сжижения газа (патент Патент RU 2483258, F25J l/00, 2011 - [3]).
Данный способ-устройство включает предварительную осушку, очистку, охлаждение исходного потока, сепарацию охлажденной газожидкостной смеси на газ и жидкость, дросселирование газа в вихревой трубе с получением холодного и горячего потоков и жидкого потока. Вихревую трубу располагают в полости емкости-сепаратора. Холодный поток из вихревой трубы дросселируют и направляют к внешней поверхности горячего конца вихревой трубы. Образованную жидкую фазу холодного потока и дополнительно сконденсированную жидкость горячего потока собирают в емкости-сепараторе, эту жидкую фазу и несконденсированную часть газа раздельно направляют на рекуперацию холода для охлаждения холодного потока природного газа.
Несмотря на достигнутые результаты, изобретение имеет недостатки:
- устройство для сжижения газа предусматривает предварительную подготовку по очистке сжижаемого газа - до поступления в емкость-сепаратор, в которой производят сжижение;
- управление регулировкой расхода горячего потока производят регулирующим устройством за пределами емкости, но вывод рукояток управления требуют специального уплотнения из сосуда, под высоком давлении (5,0- 7,5 МПа), что усложняет конструкцию для практической реализации.
Известно устройство для совмещенных технологий подготовки газа (Оптимизация компоновочных решений объектов подготовки газа за счет совмещения функций очистки и подогрева газа в едином аппарате // Газовая промышленность. 2018. №12 - [4]), согласно которой комплексная подготовка газа в зависимости от назначения производственных объектов, в т.ч. на ГРС.
Комплексная подготовка газа в зависимости от назначения может реализовываться по-разному, наиболее необходимый базовый набор технологических элементов включает аппараты очистки и подогрева газа
Одно из современных тенденций строительства и эксплуатации промышленных объектов, включающих новые нестандартные решения - совмещение аппаратов очистки и подогрева газа в едином корпусе.
Инновационные решения специалистов ООО Завод «Газпроммаш» разработали конструкцию, в которой оптимально сочетаются вихревая сепарационная насадка, фильтрующий элемент тонкой очистки и теплообменный трубный пучок.
3
3
Используемые в настоящее время фильтры-сепараторы недостаточно эффективны, имеют ограничения по влагосодержанию очищаемого газа (не более 1,5 г/Н м) и могут применяться только на газораспределительных станциях и в установках подготовки топливного и импульсного газа при условии подачи в них предварительно осушенного газа. Позднее были разработаны аппараты, позволяющие увеличить производительность по газу при влагосодержании очищаемого газа до 100, мг/Нм.
Сепарационная насадка, состоящая из лопаток, закрепленных на опорных кольцах с определенным шагом, которые в зоне нахлестки образуют щелевые каналы. Наличие в насадке нескольких ступеней сепарации, имеющих повышенные характеристики по эффективности, позволяет уверенно осуществлять сепарацию капельной влаги и механических примесей от газового потока.
Трубный пучок в разработанных аппаратах имеет U-образную форму и рассчитан на нагрев рабочей среды на 25°С при температуре теплоносителя в контуре 95°С.
Несмотря на инновационные решения, имеются недостатки:
- разработанные технологические узлы для подготовки в основном рассчитаны на положительные температуры, но криогенные температуры требуют дополнительных разработок в части материалов и технологии вихревого энергоразделения;
- отсутствуют совмещенные процессы рекуперационного теплообмена для осуществления конденсационных процессов и сепарации при использовании компактных аппаратов, в которых проводятся одновременно два процесса.
Известен прототип устройства (Патент RU 21500959, F25J 1/00, 2012 - [5]), в котором вихревую трубу размещают вертикально, причем в нижней секции размещен холодный конец трубы, в средней секции размещен горячий конец трубы, охлаждаемый холодным потоком, поступающим тангенциально из нижней секции после рекуперации теплоты при охлаждении исходного потока на входе в вихревую трубы в нижней секции. Из горячего потока сепарируется жидкая фаза, которая смешивается с поступающей жидкой фазой холодного потока и с отсепарированной остаточной жидкой фазой, выделенной в верхней секции емкости-сепаратора.
Несмотря на заявленные технические цели, изобретение имеет следующие недостатки:
- предварительное охлаждение исходного газа осуществляется в выносном рекуперативном теплообменнике, поэтому процесс теплообмена осуществляется вне емкости- сепаратора, что приведет к теплопотерям, а следовательно, к снижению эффективности теплообмена;
- сложность регулирования расхода (отвода)горячего потока, заключающегося в практическом использовании управления рукояткой с штоком, размещенном на значительном расстоянии от цилиндрической части сепарирующего устройства, с помощью которого осуществляется изменение просвета окон (сечения) регулирующих расход выходящего горячего потока газа, от которого зависит эффективность работы вихревой трубы, а следовательно, производимой холодопроизводительности вихревой трубы.
Отмеченные недостатки устранены в предполагаемом изобретении устройства.
Сущность устройства для реализации предлагаемого способа приведена на фигуре 1.
Устройство включает размещенные в секционной емкости-криостате центробежный циклонный сепаратор 3, рекуперативный теплообменник, вихревой охладитель 18, прямоточно-центробежный сепаратор с сепарационными патрубками 33 таким образом, что в нижней секции (блок В) размещен центробежный циклонный сепаратор 3, состоящий из верхнего и нижнего 6 конуса, причем верхний конус нижним основанием закреплен на центральном патрубке циклона 3, у которого верхний конус встроен в нижний конус таким образом, что образуется щель между концом цилиндрической части центрального патрубка циклона и нижним конусом 5. Также, внутри цилиндрической части центрального патрубка циклона размещены горизонтальные полудиаметральные пластины 7, закрепленные на внутренней стенке патрубка 3 в шахматном порядке внутри цилиндра.
Данная конструкция выполняет функцию рекуперативного теплообменника между хладагентом (сжиженным газом), охлаждающим поверхность цилиндрического патрубка циклона, охлаждающего вращающийся тангенциально введенный исходный поток газа. Внутренний патрубок циклона вверху перекрыт горизонтальной пластинкой с размещенной в центре распылительной головкой 8 для подачи холодного потока в виде парожидкостной смеси, которая ступенчато стекает по пластинам 7 на нижнюю перегородку центрального патрубка в патрубок 9 отвода сжиженного газа в сборник.
На верхней горизонтальной перегородке 27 размещена камера вихревого охладителя 18 вихревого охладителя с входом посредством патрубка 17 с коническим концом 16, в который поступает из пространства 15 отсепарированный в циклоне поток газа. Выше перегородки 27 размещен горячий конец охладителя, по поверхности которого размещен змеевик для подачи хладагента посредством патрубков 21. На конце горячего конца размещен кольцевой отбойник 29, образующим со стенкой горячего конца щелевой канал для отвода отсепарированной жидкости, которая отводится за пределы емкости (V). Горячий поток газа подвергают конденсации и сепарации в блоке прямоточно-центробежной сепарации (блок F) посредством сепарационных патрубков 33, размещенных между двумя горизонтальными перегородками 30 и 31, а в полое пространство между перегородками, поступает сжиженный газ по переливной трубе 22 в верхнюю зону криостата, поскольку данная зона более низкого давления, по сравнению с нижней зоной более высокого давления, охлаждая сепарационные патрубки 33 с ребристой поверхностью 34 прямототочно-центробежного сепаратора.
Отсепарированный в прямоточно-центробежном сепараторе горячий поток газа поступает в верхнюю зону (блок Е пространство 36 а затем в выходящий патрубок 38 с коническим концом и выходит за пределы емкости 1 с регулированием расхода посредством вентиля-клапана точной регулировки 39.
На наружной поверхности емкости-криостата размещена теплоизоляции, которые заключены в герметичные рубашки, причем первый слой теплоизоляции представляет экранно-вакуумную теплоизоляцию 42, а сверху второй слой теплоизоляции представляет насыпную теплоизоляцию 43, например перлит, при этом в нижней секции размещен патрубок для вывода сжиженного газа из нижней секции емкости-криостата 1.
По сравнению с известными изобретениями, предлагаемое устройство устройство имеет следующие преимущества:
- предлагаемое устройство представляет собой комбинацию аппаратов с законченными циклами процессов. В частности, подготовка исходного газа к переработке, включает центробежную очистку от примесей, совмещенную с рекуперацией холодного потока при охлаждении исходного потока газа, вихревое энергоразделение с охлаждением горячего конца вихревого охладителя и сепарацией из горячего потока газа тяжелых углеводородов, вторичная сепарация на выходе горячего потока;
- все проводимые технологические процессы осуществляются в замкнутом пространстве секционной емкости-криостате.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Исходный поток газа I, представляющий высоконапорный природный газ, тангенциально подают посредством патрубка 2 в центробежный циклонный сепаратор, в котором осуществляется отделение и выведение из вращающегося потока газожидкостной смеси, за счет центробежных сил, вывод периферийного потока, представляющего конденсат и примеси в кольцевую щель между нижним конусом и внутренней стенкой корпуса емкости 1, которые выводятся посредством патрубка 12 за пределы емкости 1, а из приосевого вращающегося потока вокруг центрального патрубка 3, отсепарированный газ в кольцевую щель сверху между верхним конусом центрального патрубка 3 и нижним основанием верхнего конуса 5.
Отсепарированный газ поступает в пространство 15 (блок В), из которого газ поступает в патрубок 17 с коническим концом 15 на вход вихревого охладителя 18 с нижним холодным концом 13 и верхним концом 19, причем нижний конец соединен с удлинителем патрубка 4, на конце которого размещена распылительная головка 8, снизу под перегородкой центрального патрубка циклона 3. Посредством распылительной головки 8 распыляемый холодный поток газа перетекает ступенчато внутри центрального патрубка циклона, охлаждая стенку и соответственно вращающийся поток, благодаря рекуперации теплообмена осуществляется охлаждение исходного газового потока, после чего холодный поток стекает посредством патрубка отвода 9 в сборник сжиженного газа, размещенный в блоке А, а затем через патрубок 40 отводится потребителю (поток IV).
2
Горячий конец трубы охлаждается посредством, размещенного на корпусе змеевика 20, в который подается сжиженный газ из патрубков 21, а из выходящего сверху горячего потока сепарируется в отбойнике 23 жидкая фаза, содержащая фр. С+, которая накапливается на горизонтальной перегородке 25 и выводится за пределы емкости (поток V), а несконденсированная часть горячего потока поступает в верхнюю секцию (блок F) прямоточной центробежной сепарации с сепарационными оребренными патрубками 33, 34, размещенными между двумя горизонтальными перегородками 30 и 31 с охлаждаемым пространством, которые охлаждаются сжиженным газом, подаваемым в это пространство, посредством патрубков 21, размещенных на вертикальной трубе 22. При этом, отсепарированный от конденсата горячий поток газа выводится сверху из пространства 36 (блок Е) с одновременным регулированием расхода газа низкого давления посредством патрубка вывода 38, с помощью вентиля-клапана точной регулировки 39, а отсепарированный конденсат, представляющий собой сжиженный газ накапливается на горизонтальной перегородке 31, а затем стекает через отверстия - диафрагмы 32 в пространство между перегородками 30 и 31, а затем по трубе 22 в сборник сжиженного газа, откуда выводится, посредством патрубка 40 (поток IV) за пределы емкости-криостата 1, при этом, секционная емкость-криостат теплоизолирована двумя слоями тепловой изоляции, заключенные в герметичные рубашки 42 и 43.
Технический результат изобретения более обстоятельно поясняется дополнительными пояснениями способа сжижения природного газа и устройства для его практической реализации, приводим следующие:
- реализация всего комплекса технологических процессов от подготовки сжатого исходного потока природного газа до его сжижения проводятся процессы охлаждения, рекуперативного теплообмена, с использованием дроссельного и вихревого эффекта полученных холодного и горячего (охлажденного) потоков вихревого охладителя, а также эффективной прямоточной центробежной сепарации с использованием сепарационных патрубков с оребренными поверхностями;
- весь комплекс технологических процессов осуществляется в замкнутом пространстве многосекционной емкости-криостата без вывода трубопроводов и коммуникаций, при условии использования эффективной двухслойной теплоизоляции, что особо важно для проведения криогенных процессов в замкнутом пространстве в изотермических условиях. При этом, вводится только один поток исходного сжатого природного газа, а выводится только два потока: отсепарированный конденсат и примеси и товарный поток сжиженного газа.
- наиболее оптимальные параметры входа исходного газа: давление температура 15°С.
- единичная производительность одного модуля порядка 1-10 т/ч. для увеличения производительности можно использовать набор данных модулей криостата, при их параллельном включении.
- исходный поток природного газа может быть использован из магистрального газопровода с давлением 2,5-7,0 МПа, а в распределительной сети 0,2-0,12 МПа. Сжижение газа в емкости-криостате от 5 до 30% газа, проходящего через установку;
При этом, никаких других изменений в заявленном способе и устройстве не предусматривается. Под конкретную производительность сепаратора, производится расчет размеров сепарационного патрубка и количество патрубков для установки на горизонтальных перегородках.
Предлагаемый способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления, позволит реализовать предлагаемую технологию способ и устройство, с целью поставленной технической цели.
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленного способа и устройства, не известна на данном уровне развития техники и не следует из общественных правил известных технологий способов сжижения природного газа и устройств для их реализации, что соответствует критерию «изобретательский уровень». Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляют никаких конструктивно технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент RU 2429434, F25J 1/00, 2000, F25B 9/02, 1995.
2. Патент RU 2528460, F25J 1/00, F25B 9/04, 2005. - прототип способа
3. Патент RU 2483258, F25J 1/00, F25B 9/02,1995.
4. А.В. Бурков, ООО Завод «Газпроммаш» Оптимизация компоновочных решений объектов подготовки газа за счет совмещения функций очистки и подогрева газа в едином аппарате // Газовая промышленность. 2018. №12.
5. Патент RU 21500959, F25J 1/00, 2012 - прототип способа/устройства.