СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА
GAS LIQUEFACTION METHOD

Способ сжижения газа относится к холодильной и криогенной технике и предназначен для сжижения испарившихся составляющих, например топлив в энергетических установках наземного базирования и транспортных средств.
Известны абсорбирующие холодильные циклы, заключающиеся в сжатии и охлаждении газа в бесконтактном теплообменнике, с его последующим дросселированием (рис. 1.30, стр. 48, Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Под общей редакцией И.А. Сакуна. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987).
Недостатками данного способа являются, во первых, сложность осуществления из-за наличия насосов, компрессоров, имеющих малый ресурс эксплуатации, а также низкая экономичность из-за больших затрат энергии и использовании бесконтактных теплообменников, что ухудшает теплопередачу между теплоносителями.
Известен способ охлаждения газа с помощью жидкого теплоносителя в бесконтактном теплообменнике (рис. 4.16, стр. 358, Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Под общей редакцией И.А. Сакуна. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987).
Недостаток способа в том, что низка его экономичность, т.к. теплопередача идет через стенку теплообменника, что снижает его эффективность.
Известен способ (патент FR 2165731, F25D 3/00, опубл. 1973), в котором сжижаемый газ подают в виде дисперсных частиц. Дисперсный газ состоит из частиц перегретой жидкости, пространство между которыми заполнено недоохлажденным газом.
Недостаток способа заключаются в том, что сложно получить дисперсный газ, т.к. необходимо иметь дополнительный источник холода для получения частиц перегретой жидкости в газе, во вторых, возникает сложность в равномерной подаче и раздачи дисперсного газа по коллекторам и при его подаче в холодную жидкость, т.к. это приводит к колебанию перепадов давления на гидравлических сопротивлениях из-за чередования порций недоохлажденного газа и перегретой жидкости.
Задачи изобретения: повышение эффективности теплопередачи и улучшение экономичности, а также упрощение конструкции системы для сжижения газов.
Поставленные задачи в способе сжижения газа, заключающегося в сжижении газа путем его охлаждения холодной жидкостью с температурой ниже температуры конденсации сжижаемого газа, при этом холодной жидкостью заполняют емкость, а сжижаемый газ распыляют и подают в нижние слои столба холодной жидкости, решаются тем, что сжижаемый газ подают в виде пузырьков, а сжижение их ведут до полного испарения холодной жидкости и замещают ее жидкой фазой сжижаемого газа, а также тем, что измеряют давление во внутренней полости в нижней точке емкости и преобразуют его в управляющий сигнал регулятора давления сжижаемого газа на входе в нижние слои холодной жидкости и тем, что перед началом сжижения газа измеряют уровень холодной жидкости, а в процессе сжижения уровень смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости, сравнивают его с контрольным значением и по полученному сигналу управляют подачей порции холодной жидкости в емкость, при этом уровень холодной жидкости перед процессом сжижения газа и уровень смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в процессе сжижения газа поддерживают постоянным и тем, что при увеличении температуры сжижаемого газа на входе в нижние слои столба холодной жидкости уменьшают размер пузырьков сжижаемого газа, а при ее снижении увеличивают размер пузырьков сжижаемого газа и тем, что пары холодной жидкости, выходящие из емкости, пропускают через первую полость теплообменника, а через его вторую полость пропускают сжижаемый газ перед его подачей в нижние слои столба холодной жидкости и тем, что пары холодной жидкости подают в систему утилизации.
В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в холодильной и криогенной технике и предназначено для сжижения испарившихся составляющих, например топлив или окислителей в энергетических установках наземного базирования и транспортных средств, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 представлена схема установки для сжижения газа.
На фиг. 2 представлена схема установки с датчиком температуры сжижаемого газа на входе и нижние слои холодной жидкости.
На фиг. 3 представлена схема установки с дополнительным теплообменником.
На фиг. 1 система содержит емкость хранилище 1 холодной жидкости соединенная через заправочный клапан 2 с трубопроводом 3 для се заправки. Газовая полость емкости хранилища 1 для ее наддува соединена через клапан 4 с трубопроводом. 5. Система также содержит трубопровод 6, соединенный с выходом клапана 2, емкостью хранилищем 1 и последовательно через клапан 7 и дроссель 8 с емкостью 9, клапаном слива 10 и датчиком давления 11, установленным в нижней части емкости 9 и соединенным с блоком управления 12. Система содержит трубопровод 13 подачи сжижаемого газа, соединенный последовательно через регулятор давления 14 и отсечной клапан 15 с коллектором 16, установленным в нижней части внутpеннего объема емкости 9. Коллектор 16 имеет отверстия для выхода сжижаемого газа в нижние слои холодной жидкости. Блок управления 12 соединен с регулятором давления 14 и отсечным клапаном 15. Система содержит датчик 17 уровня жидкости в емкости 9, соединенный через блок управления 13 с клапаном 7, дросселем 8 и клапаном дренажа 19 из емкости 9. Паровая полость емкости 9 через клапан дренажа 19 и обратный клапан 20 соединена с системой утилизации паров холодной жидкости через трубопровод 21, а также с предохранительным клапаном 23 и газоанализатором 22, который соединен с блоком управления 12 и с блоком управления 18.
Ha фиг. 2 система дополнительно содержит датчик температуры 2-1 на входе сжижаемого газа в коллектор 16, при этом датчик температуры 24 соединен с блоком управления 12.
На фиг. 3 система дополнительно содержит первую полость 25 теплообменника, вход которой соединен с выходом обратного клапана 20, а выход с трубопроводом 21 системы утилизации паров холодной жидкости. Вход второй полости 26 теплообменника соединен с трубопроводом 13 подачи сжижаемого газа, а ее выход с входом регулятора давления 14.
Способ по п. 1 формулы (фиг. 1) осуществляют следующим образом. Открывают заправочный клапан 2 и через трубопровод 3 выполняют заправку емкости хранилища 1 холодной жидкостью, например жидким азотом, после этого закрывают заправочный клапан 2. Из емкости хранилища 1 холодную жидкость, например жидкий азот, путем передавливания с помощью наддува емкости хранилища 1 через клапан 4 и трубопровод 5 от внешнего источника газа высокого давления заливают через клапан 7 и дроссель 8 в емкость 9 до контрольного уровня, измеряемого датчиком 17, а пары холодной жидкости аз емкости 9 выходят в утилизатор через клапан дренажа 19, обратный клапан 20 и трубопровод 21. После этого открывают отсечной клапан 15 подачи сжижаемого газа, например метана, из трубопровода 13 через регулятор давления 11. С выхода отсечного клапана 15 сжижаемый газ, например метан, поступает в коллектор 16, откуда через отверстия в нем попадает в нижние слои холодной жидкости, например жидкого азота. Пузырьки сжижаемого газа, например метана, под действием сил Архимеда поднимаются вверх через слои холодной жидкости, например жидкого азота, они охлаждаются и конденсируются, образуя жидкую фазу сжижаемого таза, например метана. Образовавшаяся пары холодной жидкости, например азота, заполняет паровую полость над зеркалом смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9, а излишки паров холодной жидкости, например азота, через клапан 19, обратный клапан 20 и трубопровод 21 поступают в утилизатор паров холодной жидкости, например азота. Полученная жидкая фаза сжижаемого газа, например метана, переохлаждена, т.к. его температура испарения значительно выше температуры испарения холодной жидкости, например жидкого азота. Поэтому в паровой полости над зеркалом смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9 с начала и во всем периоде процесса сжижения сжижаемого газа находятся пары холодной жидкости, например азота. При использовании в качестве холодной жидкости жидкого азота, а в качестве сжижаемого газа метана, получают полное сжижение газообразного метана и постепенное замещение жидким метаном жидкого азота в емкости 9. В конце процесса сжижения в паровой полости емкости 9 находиться смесь паров холодной жидкости, например азота, и паров сжижаемого газа, например метана. Процесс сжижения контролируют по падению давления, измеренного датчиком 11 в нижней части емкости 9, и сравненного с контрольным значением в блоке управления 12. Плотность жидкой фазы сжижаемого газа, например метана, меньше плотности холодной жидкости, например азота, а давление насыщенных паров переохлажденного метана значительно ниже давления насыщенных паров азота, поэтому в процессе сжижения газа давление измеренное датчиком 11 снижается. Завершение процесса сжижения газа, например метана, контролируют газоанализатором 22, при этом его измерения содержания паров сжижаемого газа в паровой полости емкости 9 поступают в блок управления 12 и блок управления 18. При повышении процентного содержания паров сжижаемого газа, например метана, в паровой полости емкости 9, например выше 50%, блок управления 18 выдает команду на проверку и закрытие клапана 7 и клапана дренажа 19, а блок управления 12 на закрытие отсечного клапана 15. Жидкую фазу сжижаемого газа, например жидкого метана, направляют к потребителю через клапан слива 10 и далее процесс сжижения повторяют. При возрастании давления в паровой полости над зеркалом смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9 выше рабочего значения открывают предохранительный клапан 23. Использование контактного Охлаждения путем пропускания пузырьком сжижаемого газа через холодную жидкость снижает потери теплоты по сравнению с бесконтактным способом охлаждения и снижает расход холодной жидкости на сжижение сжижаемого газа, что повышает экономичность процесса сжижения газа.
Способ по п. 2 формулы (фиг. 1) осуществляют следующим образом. В связи с тем, что плотность смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9 будет изменяться, то для поддержания необходимого расхода сжижаемого газа, измеряют давление смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в нижней части емкости 9 датчиком 11, полученное значение сравнивают с контрольным значением в блоке управления 12 и управляют регулятором давления 14 подачи сжижаемого газа. Для холодной жидкости, например жидкого азота и для сжижаемого газа, например метана, при увеличение доли его жидкой фазы в смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа давление в нижней части емкости 9 уменьшается за счет меньшей плотности жидкой фазы метана. Это уменьшает сопротивление на выходе пузырьков сжижаемого газа из коллектора 16, что может привести к увеличению расхода сжижаемого газа через него. Поэтому блок управления 12 выдает команду на регулятор давления 14 для снижения давления и расхода сжижаемого газа через коллектор 16. Снижение расхода метана в процессе работы позволяет полностью его сжижать при движении пузырьков газа вверх через слои смеси холодной жидкости, например азота и жидкой фазы сжижаемого газа, например метана, в емкости 9. Для холодной жидкости, например жидкого азота и для сжижаемого газа, например кислорода, при увеличение доли его жидкой фазы в смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа давление в нижней части емкости 9 увеличивается за счет большей плотности жидкой фазы кислорода. Это увеличивает сопротивление на выходе пузырьков сжижаемого газа из коллектора 16, что уменьшает расход сжижаемого газа, например кислорода, через него. Поэтому блок управления 12 выдает команду на регулятор давления 14 для увеличения давления и расхода сжижаемого газа, например кислорода, через коллектор 16. Увеличение расхода кислорода позволяет не замедлять процесс его сжижения.
Способ по п. 3 формулы (фиг. 1) осуществляют следующим образом. Для поддержания постоянного уровня холодной жидкости перед процессом сжижения газа и поддержания постоянного уровня в процессе сжижения газа смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9 в ней измеряют уровень датчиком 17 и, если уровень снизился, что происходит из-за испарения холодной жидкости, например жидкого азота, и высокой температуры сжижаемого газа на входе в коллектор 16, то блок управления 18 подает команду на открытие клапана 7 и дросселя 8. При достижений требуемого уровня клапан 7 и дроссель 8 закрывают. Поддержание постоянного уровня жидкой фазы холодной жидкости и смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9 позволяет повысить безопасность сжижения газа, т.к. паровая полость емкости 9 остается постоянного объема, при этом жидкая фаза смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа не попадут в клапан дренажа 19 и в трубопровод 21 утилизации паров холодной жидкости, а также обеспечит полное сжижение сжижаемого газа за счет постоянной высоты столба смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9.
Способ по п. 4 формулы (фиг. 2) осуществляют следующим образом. Датчиком 24 измеряют температуру сжижаемого газа на входе в коллектор 16, сравнивают ее с контрольными значениями в блоке управления 12 и при ее увеличении по сравнению с контрольными значениями, уменьшают размер пузырьков сжижаемого газа, а при ее снижении увеличивают размер пузырьков сжижаемого газа. Размер пузырьков сжижаемого газа, выходящего из отверстий коллектора 16 в нижние слои холодной жидкости в емкости 9 изменяют несколькими вариантами. Во первых, изменением давления сжижаемого газа на входе в коллектор 16, т.е. при увеличении температуры сжижаемого газа на входе в коллектор 16, измеренной датчиком температуры 24, сигнал с которого поступает в блок управления 12, а блок управления 12 формирует команду на регулятор давления 14 на уменьшение давления сжижаемого газа. А при снижении температуры сжижаемого газа на входе в коллектор 16, измеренной датчиком температуры 24, сигнал с которого поступает в блок управления 12, а блок управления 12 формирует команду на регулятор давления. 14 на увеличение давления сжижаемого газа. Во вторых, изменением площади проходных сечений отверстий в коллекторе 16 для выхода пузырьков сжижаемого газа в нижние слои холодной жидкости. Изменение проходных сечений отверстий в коллекторе 16 выполняют двумя вариантами: механизмом изменения сечения отверстий или переключением разных полостей коллектора 16, каждая из полостей коллектора имеет разные диаметры отверстий для выхода сжижаемого газа. Изменение размеров пузырьков сжижаемого газа выходящего в нижние слои холодной жидкости из отверстий коллектора 16 позволяет уменьшить возможность попадания паров сжижаемого газа в паровую полость емкости 9, т.к. все пузырьки конденсируются в процессе их движения от коллектора 16 до зеркала жидкой фазы смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа.
Способ по п. 5 формулы (фиг. 3) осуществляют следующим образом. Пары холодной жидкости, выходящие из емкости 9 последовательно через клапан дренажа 19 и обратный клапан 20, имеют достаточно низкую температуру. Поэтому для использования этого холода из обратного клапана 20 пары холодной жидкости поступают на вход в первую полость 24 теплообменника, с выхода которой они направляются в трубопровод 21 утилизации паров холодной жидкости. На вход во вторую полость 25 теплообменника из трубопровода 13 подают сжижаемый газ, с выхода которой он поступает на вход регулятора давления 14. Использование остаточного холода паров холодной жидкости повышает экономичность процесса сжижения сжижаемого газа.
Способ по п. 6 формулы (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) осуществляют следующим образом. Пары холодной жидкости, выходящие из паровой полости емкости 9, подают в систему утилизации в трубопровод 21. Система утилизации паров холодной жидкости, например, может состоять из системы их охлаждения с помощью криогенных машин. Утилизация паров холодной жидкости позволяет повысить экономичность процесса сжижения газа.
Из-за того, что пузырьки сжижаемого газа непосредственно контактируют с холодной жидкостью, повышена эффективность теплопередачи, а также экономичность процесса сжижения газа, т.к. нет потерь при теплопередаче через стенку теплообменника.
Из-за управления подачей расхода сжижаемого газа также повышена экономичность и безопасность процесса сжижения, т.к. исключается возможность попадания паров сжижаемого газа, например, метана через клапан дренажа 19 в систему утилизации, например, азота.
Из-за поддержания уровня смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа в емкости 9 повышена экономичность и безопасность процесса сжижения газа, т.к. исключена возможность резкого снижения уровня, в результате чего сжижаемый газ из коллектора 16, проходя через слои смеси холодной жидкости и жидкой фазы сжижаемого газа, не достигает паровой полости емкости 9 в газообразном виде.
Из-за использования остаточного холода паров холодной жидкости в контактном теплообменнике для охлаждения сжижаемого газа на входе в установку также повышена экономичность процесса сжижения газов.
Из-за отсутствия дорогостоящих компрессоров и теплообменников упрощена схема системы сжижения газов, а также повышена безопасность сжижения горючих углеводородных газов, т.к. они не попадают в атмосферу.
За счет утилизации паров холодной жидкости также повышена экономичность процесса сжижения газа.
Таким образом, изобретением усовершенствован способ сжижения газа контактным методом путем его прокачки в виде отдельных пузырьков через холодную жидкость.