СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
PROCEDURE FOR NATURAL GAS LIQUEFACTION

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к технологии сжижения природного газа.
Одним из наиболее простых и широко используемых способов сжижения газа в практике производства криогенных жидкостей является рекуперативный дроссельный цикл /1/.
В процессе его реализации исходный сжатый газ очищается от примесей, охлаждается в рекуперативных теплообменниках, дросселируется, образующаяся парожидкостная смесь разделяется, пары отводятся в рекуперативные теплообменники для утилизации холода и далее направляются в потребительскую газовую сеть низкого давления, а жидкость поступает потребителям сжиженного газа.
Основными недостатками описанного способа являются невысокая эффективность (доля жидкости при условиях практической реализации способа составляет 3…7%), а также повышенное содержание в сжиженном газе высококипящих примесных компонентов.
Известен дроссельный рекуперативный способ сжижения природного газа со вспомогательным контуром охлаждения, использующим в качестве источника дополнительной холодопроизводительности основную вихревую трубу, включающий охлаждение и очистку сжижаемого газа от примесей методом вымораживания в одном из двух переключающихся теплообменниках, один из которых работает, в то время как другой подвергается отогреву горячим потоком вспомогательной вихревой трубы, дросселирование охлажденного газа, разделение образующейся парожидкостной смеси, вывод жидкой фазы и подачу холодного пара в межтрубное пространство рекуперативных теплообменников для захолаживания прямого потока газа высокого давления /2/ - способ-прототип.
Данный способ позволяет увеличить эксергетический КПД цикла, повысить качество производимого сжиженного природного газа, обеспечивает непрерывность производства.
Однако он обладает рядом недостатков, снижающих эффективность процесса сжижения.
В прототипе холодные потоки основной и вспомогательной вихревых труб смешиваются и подаются в теплообменник для охлаждения газа высокого давления. При этом основная вихревая труба настроена на получение низких температур «холодного» потока, а вспомогательная вихревая труба - на получение высоких температур «горячего» потока. Вследствие этого температура «холодного» потока вспомогательной вихревой трубы будет всегда выше соответствующего потока основной вихревой трубы, причем эта разница может достигать 20…25°С.
При смешении данных газовых потоков основной и вспомогательной вихревых труб температура смеси, которая и поступает на охлаждение, будет иметь некоторое среднее значение. Оно будет определяться как значениями температур потоков, так и их расходов, но в любом случае температура смеси будет выше температуры холодного потока основной вихревой трубы, что снижает эффективность охлаждения потока газа высокого давления и, соответственно, эффективность процесса сжижения в целом.
Количество холода, которое может быть передано потоку газа высокого давления, зависит не только от расхода охлаждающего потока, но и от его температуры. При этом для каждого уровня температур имеется максимально возможный расход охлаждающего газа, соответствующий максимально возможному отводу тепла от газа высокого давления. Он определяется минимально возможной недорекуперацией на холодном конце теплообменника. Дальнейшее увеличение расхода охлаждающего потока не приведет к снижению температуры газа высокого давления и, соответственно, не позволит повысить производительность по сжиженному природному газу.
Также необходимо отметить, что в дроссельном устройстве расширение газа происходит по изоэнтропе, но чем ниже температура газа перед дросселированием, тем ближе данный процесс будет к изоэнтальпийному расширению, т.е. увеличивается доля образующейся жидкой фазы и, соответственно, возрастает производительность установки по сжиженному природному газу.
Таким образом, температура охлаждающего потока играет решающую роль в процессе сжижения природного газа по дроссельному циклу. При этом чем она ниже, тем выше эффективность процесса сжижения.
Целью предлагаемого способа является повышение эффективности процесса сжижения. Данная цель достигается тем, что 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 вихревой трубы. При этом за счет внешнего охлаждения камеры энергоразделения основной вихревой трубы ее «холодный» поток имеет минимально возможную температуру.
Принципиальная схема установки для реализации указанного способа приведена на Фиг.1.
Газ высокого давления с входа газораспределительной станции 1 поступает в один из двух предварительных теплообменников-вымораживателей 2, а также на вход основной 6 и вспомогательной 5 вихревых труб. В вихревых трубах газ разделяется на два потока: «холодный» и «горячий», при этом «горячий» поток газа из вспомогательной вихревой трубы 5 направляется на отогрев того из теплообменников 2, который выведен из работы, а «горячий» поток газа из основной вихревой трубы 6 - на выход установки.
Основная вихревая труба 6 располагается в емкости с жидким фреоном 8 и полностью погружена в него. В результате дополнительного охлаждения, которое происходит за счет теплообмена внешней поверхности камеры энергоразделения основной вихревой трубы 6 с кипящим фреоном, происходит дополнительное снижение температуры ее «холодного» потока. Конденсация паров фреона происходит на внешней поверхности труб, по которым протекает холодный газ низкого давления (этот поток формируется на базе «холодного» потока дополнительной делящей вихревой трубы 5). Трубки образуют теплообменник-конденсатор 7 и расположены над основной вихревой трубой 6. Сконденсированный жидкий фреон стекает самотеком в емкость 8.
«Холодный» поток газа основной вихревой трубы 6 смешивается с обратным потоком газа низкого давления из рекуперативного теплообменника 3 и подается в межтрубное пространство того из теплообменников 2, который находится в работе. В них происходит охлаждение газа высокого давления за счет теплообмена с холодным потоком газа низкого давления. Дополнительно в теплообменниках-вымораживателях 2 происходит очистка и осушка газа высокого давления за счет вымораживания на теплообменной поверхности влаги и кристаллизирующихся примесей. Во встроенном в нижней части теплообменников сепараторе газ дополнительно очищается от жидких фракций тяжелых углеводородов (конденсата).
После теплообменников-вымораживателей 2 газ высокого давления поступает в рекуперативный теплообменник 3, где дополнительно охлаждается не сконденсировавшимися парами, выходящими из сборника-сепаратора 4.
Далее газ высокого давления редуцируется и поступает в сборник-сепаратор 4, где парожидкостная смесь сепарируется, жидкая фракция отделяется и сливается в систему хранения. Газообразная фаза отводится и подается в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 3, где нагревается, охлаждая газ высокого давления, и далее выводится из установки.
В ходе работы установки на теплообменных поверхностях теплообменников-вымораживателей 2 происходит постепенное накопление кристаллизирующихся примесей, блокирующих течение газа в трубках, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления по линии высокого давления. В этом случае производится переключение на отогретый теплообменник 2, который вводится в работу, а "забившийся" примесями теплообменник подключается к линии отогрева. В процессе отогрева газ после отогреваемого теплообменника отводится в выходную магистраль газораспределительной станции 1.
Пример реализации способа.
При рассмотрении работы установки сжижения с контуром предварительного охлаждения на базе вихревой трубы в качестве примера рассматривается природный газ магистрального газопровода, обладающий составом и имеющий технологические параметры, характерные для ряда газораспределительных станций Северо-Запада РФ:
- Состав природного газа:
4
СН - 98,058±0,059% (об.)
2
6
СН - 0,723±0,093% (об.)
3
8
СН - 0,260±0,018% (об.)
4
10
i-CH - 0,0490±0,0037% (об.)
4
10
n-СН - 0,0513±0,0032% (об.)
5
12
i-CH - 0,0042±0,0042% (об.)
5
12
n-CH - 0,0100±0,0017% (об.)
2
СO - 0,0425±0,0017% (об.)
2
O - 0,0030±0,0021% (об.)
N2 - 0,751±0,036% (об.)
- Давление газа высокого давления (на входе в установку) - 3,7 МПа
- Давление газа низкого давления (на выходе установки) - 0,4 МПа
- Температура газа высокого давления (на входе в установку) -+7°С
Величина недорекуперации на нижнем конце
теплообменника 2 (по схеме на Фиг.1) - 5°С.
Доля холодного потока основной вихревой трубы - 0,45
Доля холодного потока вспомогательной вихревой трубы - 0,7
Отношение расхода через основную вихревую трубу к расходу
через вспомогательную вихревую трубу - 3,46
Для расчета эффективности энергоразделения сжатого природного газа в делящей вихревой трубе использовались эмпирические зависимости адиабатного коэффициента полезного действия и доли холодного потока от степени расширения газа в вихревой трубе /3/.
Для охлаждаемой делящей вихревой трубы дополнительное повышение адиабатного коэффициента полезного действия составляет 10%, что позволяет определить дополнительное снижение температуры холодного потока /4/.
Результаты проведенных расчетов представлены в таблице.
№ п/п
Наименование параметра
Единица измерения
Значение параметра
Установка сжижения с контуром на базе делящей вихревой трубы (прототип)
1
Температура холодного потока основной вихревой трубы
°С
-51,0
2
Температура холодного потока вспомогательной вихревой трубы
°С
-37,4
3
Температура газа на входе в контур предварительного охлаждения
°С
-46,8
4
Температура газа высокого давления на выходе из теплообменника-вымораживателя
°С
-41,8
5
Коэффициент сжижения цикла
%
6,72
Установка сжижения с контуром на базе делящей вихревой трубы с внешним охлаждением
1
Температура холодного потока основной вихревой трубы
°C
-55,8
2
Температура холодного потока вспомогательной вихревой трубы
°C
-37,4
3
Температура газа на входе в контур предварительного охлаждения
°C
-55,8
4
Температура газа высокого давления на выходе из теплообменника-вымораживателя
°C
-50,8
5
Коэффициент сжижения цикла
%
8,48
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность процесса сжижения, что приводит к увеличению коэффициента сжижения цикла в 1,26 раз и, соответственно, к такому же росту производительности по готовому продукту - сжиженному природному газу.
Источники информации
1. Справочник по физико-техническим основам криогенной техники, под редакцией М.П.Малкова, М., Издательство Энергия, 1978 г.
2. Патент РФ №2202078.
3. И.Л.Ходорков, Н.В.Пошернев. Опыт работы универсальной конической вихревой трубы на природном газе. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. №10.
4. И.Л.Ходорков, Н.В.Пошернев. Результаты испытаний конической вихревой трубы (КВТ) на природном газе в режиме с внешним охлаждением. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004. №4.