СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF NATURAL GAS LIQUEFACTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области сжижения газов и их смесей и может быть использована при переработке природного газа.
Из уровня техники известен способ сжижения газа на шельфе или побережье арктических морей (патент России №2344359, кл. F25J 1/00, опубл. 20.01.2009). Способ реализуется на установке, состоящей из двух контуров: контура очистки газа от примесей, выделения из него тяжелых углеводородов, азота и сжижения природного газа и контура циркуляции хладагента, в котором поток хладагента после сжатия и охлаждения разделяют в узле деления на два потока в соотношениях от 1:19 до 1:33. Больший поток хладагента направляют на охлаждение в теплообменник, а меньший - через дроссельный вентиль в куб отпарной колонны, затем оба потока хладагента, после выравнивания давлений в них, смешивают. Недостаток известного способа состоит в том, что он обладает высокими энергетическими затратами.
Наиболее близкими техническими решениями, принятыми заявителем в качестве прототипа, являются способ сжижения газа и установка для его осуществления (патент России №2344360, кл. F25J 1/00, опубл. 20.01.2009). Известный способ реализуется на установке, состоящей из двух контуров: контура очистки газа от примесей, выделения из него тяжелых углеводородов, азота и сжижения природного газа и контура циркуляции хладагента, в котором поток хладагента после сжатия и охлаждения разделяют в узле деления на два потока в соотношениях от 1:19 до 1:33. Больший поток хладагента направляют на охлаждение в теплообменник, а меньший - через дроссельный вентиль в куб отпарной колонны, затем оба потока хладагента, после выравнивания давлений в них, смешивают. Установка для сжижения природного газа включает контур очистки газа от примесей, выделения из него тяжелых углеводородов и азота и сжижения природного газа, а также контур циркуляции хладагента. Узел деления сжижаемого газа выполнен с двумя выходами, к которым подключены первая и вторая линии сжижаемого газа, которые объединяются в узле смешения потоков сжижаемого газа. Первая линия сжижаемого газа проходит через первый теплообменник, а вторая линия сжижаемого газа - через второй теплообменник. Обе линии содержат вентили и измерители давления, обеспечивающие выравнивание давлений сжижаемого газа в первой и второй линиях перед их объединением в узле смешения потоков сжижаемого газа, выход которого соединен с первым сепаратором, верхняя часть которого соединена с отпарной колонной третьей линией сжижаемого газа, проходящей через первый теплообменник. Верхняя часть отпарной колонны соединена трубопроводом со вторым теплообменником, а нижняя часть отпарной колонны соединена четвертой линией сжижаемого газа, проходящей через теплообменник-переохладитель. Контур циркуляции хладагента включает узел деления сжатого хладагента с двумя выходами, к которым подключены первая и вторая линии хладагента, объединяющиеся в первом узле смешения потоков хладагента. Первая линия хладагента проходит через третий теплообменник, а вторая линия - через третий дроссельный вентиль и куб отпарной колонны. Обе линии содержат вентили и измерители давления, обеспечивающие выравнивание давлений хладагента в первой и второй линиях перед их объединением в первом узле смешения потоков хладагента. Использование известных способа и установки приводит к высоким энергетическим затратам.
Технический результат, достигаемый группой изобретений, заключается в снижении энергетических затрат, необходимых для выполнения процесса сжижения газа.
Технологическая схема сжижения природного газа представлена на чертеже.
Сущность способа сжижения газа заключается в том, что предварительно очищенный и осушенный природный газ охлаждают и конденсируют в теплообменнике предварительного охлаждения до температуры минус 52-54°С, затем сепарируют, отделяя жидкую этановую фракцию, которую направляют на фракционирование, а газовый поток с первого сепаратора последовательно охлаждают в теплообменнике сжижения до температуры минус 120-125°С, переохлаждают газообразным азотом в теплообменнике переохлаждения до температуры минус 150-160°С. Давление переохлажденного сжиженного природного газа (СПГ) снижают в жидкостном детандере до 0,11-0,13 МПа. Переохлажденный СПГ направляют на сепарирование, после чего сжижаемый газ направляют в емкость хранения СПГ. Отсепарированный газ направляют в систему топливного газа, смешанный хладагент, состоящий из азота, метана, этана, пропана, бутана и пентана из теплообменника предварительного охлаждения компримируют до давления от 3,0 до 3,1 МПа, охлаждая до температуры 26-30°С, и разделяют в сепараторах на потоки тяжелого жидкого хладагента и легкого газообразного смешанного хладагента. Причем потоки тяжелого жидкого хладагента подают насосами для смешения с тяжелым жидким хладагентом из последнего сепаратора, потоки тяжелого жидкого смешанного хладагента и легкого газообразного смешанного хладагента направляют для охлаждения до температуры минус 52-54°С за счет подачи обратного смешанного потока низкого давления тяжелого и легкого смешанного хладагента. Затем тяжелый жидкий смешанный хладагент переохлаждают в теплообменнике предварительного охлаждения, дросселируют до давления 0,25-0,27 МПа и подают вместе с легким смешанным хладагентом, направленным из теплообменника сжижения, для охлаждения трубных потоков теплообменника предварительного охлаждения. Легкий смешанный хладагент конденсируют и последовательно переохлаждают в теплообменнике предварительного охлаждения и теплообменнике сжижения. Переохлажденный сжиженный легкий смешанный хладагент, полученный на выходе теплообменника сжижения, направляют на дросселирование до давления 0,25-0,27 МПа и далее на охлаждение его трубных потоков. Газообразный азот низкого давления из теплообменника азотного цикла последовательно компримируют в компрессоре турбодетандера до давления 1,2-1,4 МПа и в компрессорах азотного цикла до давления 3,5-3,7 МПа, охлаждают в воздушных охладителях до температуры 26-30°С, и в теплообменнике азотного цикла до температуры минус 107-109°С за счет обратного потока азотного хладагента низкого давления, затем азот расширяют до давления 0,8-1,0 МПа и направляют для переохлаждения потока СПГ в теплообменник переохлаждения, затем рекуперативно нагревают в теплообменнике азотного цикла до температуры 22-24°С потоком азота высокого давления и возвращают на всас компрессора турбодетандерного агрегата.
Сущность установки для осуществления способа сжижения газа заключается в том, что она содержит теплообменник предварительного охлаждения, пять сепараторов, два дросселя, теплообменник сжижения, три компрессора, предназначенных для сжатия смешанного хладагента, пять воздушных охладителей, два насоса, жидкостный детандер, теплообменник переохлаждения, турбодетандерный агрегат, включающий детандер и компрессор, два компрессора азотного цикла. В установке вход теплообменника предварительного охлаждения предназначен для подачи природного газа. Первый выход теплообменника предварительного охлаждения соединен с входом первого сепаратора, выход газового потока которого соединен с первым входом теплообменника сжижения, первый выход которого соединен с входом теплообменника переохлаждения, первый выход которого соединен через жидкостной детандер с входом второго сепаратора, выход отсепарированного газа которого предназначен для передачи в систему топливного газа. Выход сжиженного газа второго сепаратора соединен с емкостью хранения сжиженного природного газа (СПГ), выход жидкой этановой фракции первого сепаратора соединен с входом блока фракционирования. Выход смешанного хладагента теплообменника предварительного охлаждения соединен с входом первого компрессора, выход которого соединен с входом воздушного охладителя, последовательно соединенного с входом сепаратора, предназначенного для разделения на потоки тяжелого жидкого хладагента и легкого газообразного смешанного хладагента. Упомянутые первый компрессор, воздушный охладитель и сепаратор образуют первую ступень, по крайней мере, трехступенчатого компрессора, все ступени которого идентичны. Выход легкого газообразного смешанного хладагента сепаратора i-й ступени (где i=1,2) соединен с входом компрессора (i+1)-й ступени трехступенчатого компрессора, выход легкого газообразного смешанного хладагента сепаратора последней ступени соединен со вторым входом теплообменника предварительного охлаждения. Выходы потоков тяжелого жидкого хладагента сепараторов первой и второй ступени через первый и второй насосы соответственно объединены с выходом потока тяжелого жидкого хладагента сепаратора третьей ступени для подачи на третий вход теплообменника предварительного охлаждения. Второй выход теплообменника предварительного охлаждения соединен со вторым входом теплообменника сжижения, второй выход которого через второй дроссель соединен с входом теплообменника сжижения, предназначенным для охлаждения его трубных потоков. Третий выход теплообменника предварительного охлаждения через первый дроссель объединен с третьим выходом теплообменника сжижения для подачи в межтрубное пространство теплообменника предварительного охлаждения для охлаждения его трубных потоков. Второй выход теплообменника переохлаждения соединен с входом теплообменника азотного цикла, первым и вторым выходами соединенного с входами соответственно детандера и компрессора турбодетандерного агрегата, выходы которых соединены с входами передачи холода потоку СПГ теплообменника переохлаждения и второго компрессора азотного цикла соответственно, выход последнего из которых соединен с последовательно соединенными пятым воздушным охладителем, первым компрессором азотного цикла и четвертым воздушным охладителем, выход которого предназначен для подачи потока азота высокого давления на другой вход теплообменника азотного цикла.
Установка сжижения природного газа, на которой реализуется способ сжижения природного газа, включает в себя два контура:
- контур смешанного хладагента;
- контур азотного хладагента.
В состав установки, предназначенной для осуществления способа сжижения природного газа, входят следующие элементы и блоки:
- теплообменник предварительного охлаждения - 1;
- с первого по пятый сепараторы - 2, 20, 8, 11, 14;
- первый и второй дроссели - 3, 5;
- теплообменник сжижения - 4;
- с первого по третий компрессоры - 6, 9, 12, предназначенные для сжатия смешанного хладагента;
- с первого по пятый воздушные охладители - 7, 10, 13, 23, 25;
- первый и второй насосы - 15, 16;
- жидкостной детандер 19;
- теплообменник переохлаждения - 17;
- теплообменник азотного цикла - 18;
- турбодетандерный агрегат, включающий детандер 21 и компрессор - 22;
- два компрессора азотного цикла - 24, 26;
- блок фракционирования - 27;
- емкость хранения СПГ - 28.
Предварительно очищенный и осушенный природный газ подают на сжижение и затем охлаждают за счет холода смешанного хладагента в теплообменнике предварительного охлаждения 1 до температуры минус 52-54°С. Двухфазный поток проходит через первый сепаратор 2, где происходит отделение этановой фракции, после чего жидкость из первого сепаратора направляют на фракционирование. Газовый поток направляют в теплообменник сжижения 4 и охлаждают до температуры минус 120-125°С.
Далее сжиженный природный газ (СПГ) переохлаждают в теплообменнике переохлаждения 17 азотом до температуры минус 150-160°С.
Давление переохлажденного СПГ, выходящего из теплообменника переохлаждения 17, снижают в жидкостном детандере 19 до 0,11-0,13 МПа. СПГ низкого давления поступает в сепаратор 20, и затем его направляют в емкость хранения СПГ.
Применение жидкостного детандера 19 позволяет сэкономить количество энергии, затрачиваемой на процесс сжижения, за счет использования энергии расширения сжиженного газа.
Контур смешанного хладагента
Смешанный хладагент состоит из азота, метана, этана, пропана, бутана и пентана.
Смешанный хладагент компримируют в компрессорах 6, 9, 12 до давления 3,0-3,1 МПа. Между ступенями сжатия его охлаждают в воздушных охладителях (7, 10, 13) до температуры 26-30°С. Двухфазные потоки подают в сепараторы 8, 11, 14 смешанного хладагента для разделения на поток «тяжелого жидкого смешанного хладагента» и поток «легкого газообразного смешанного хладагента». При этом потоки «тяжелого жидкого смешанного хладагента» из сепараторов 8 и 11 подают насосами 15, 16 для смешения с жидкостью из сепаратора 14. Состав и количество «тяжелого жидкого смешанного хладагента» по ступеням зависит от состава смешанного хладагента, который выбирают таким образом, чтобы обеспечить наименьшие затраты при сжижении природного газа в зависимости от температуры окружающей среды.
Потоки тяжелого и легкого смешанного хладагента охлаждают в теплообменнике 1 до температуры минус 52-54°С за счет обратного потока тяжелого и легкого смешанного хладагента низкого давления.
Тяжелый смешанный хладагент переохлаждают в теплообменнике 1 и дросселируют на дросселе 3 до давления 0,25-0,27 МПа в межтрубное пространство теплообменника 1, куда поступает также легкий смешанный хладагент из теплообменника сжижения 4 для охлаждения трубных потоков теплообменника 1.
Легкий смешанный хладагент конденсируют и переохлаждают в теплообменниках 1 и 4. Затем переохлажденный сжиженный легкий смешанный хладагент дросселируют на дросселе 5 до давления 0,25-0,27 МПа в межтрубное пространство теплообменника сжижения 4 и охлаждают трубные потоки теплообменника сжижения 4.
Потоки тяжелого и легкого смешанного хладагента низкого давления объединяют и возвращают в межтрубное пространство теплообменника 1 для охлаждения его трубных потоков.
Смешанный хладагент низкого давления выходит из теплообменника 1 в виде пара с температурой 20-25°С, который направляют для прохождения нового цикла циркуляции хладагента.
Смешанный хладагент используют для охлаждения потока газа до температуры минус 120-125°С.
Контур азотного хладагента
Газообразный азот низкого давления компримируют в компрессоре 22 турбодетандерного агрегата с приводом от детандера 21 до давления 1,2-1,4 МПа и в компрессорах азотного цикла 24, 26, до давления 3,5-3,7 МПа, охлаждают в воздушных охладителях 23, 25 до температуры 26-30°С и в теплообменнике азотного цикла 18 до температуры минус 107-109°С за счет обратного потока азотного цикла низкого давления.
Далее азот расширяют в детандере 21 до давления 0,8-1,0 МПа, и он отдает свой холод потоку СПГ в теплообменнике переохлаждения 17, затем рекуперативно нагревают в теплообменнике азотного цикла 18 до температуры 22-24°С потоком азота высокого давления и возвращают на всас компрессора 22.
Снижение энергетических показателей, затрачиваемых на процесс сжижения газа, достигается за счет использования смешанного хладагента на стадии предварительного охлаждения и сжижения и азотного цикла на стадии переохлаждения.