УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
NATURAL GAS LIQUEFACTION DEVICE

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для сжижения природного газа и утилизации попутного газа путем его сжижения.
Известна система вихревых труб для извлечения этана, пропан-бутана и конденсата из больших объемов природного газа, представляющая собой параллелепипед или куб, образованный параллельными вихревыми трубами, объединенными в секции, каждая из которых состоит из цилиндрического корпуса, тангенциального сопла подачи сжатого природного газа, диафрагмы с центрально расположенными в ней отверстиями со стороны сопла, дроссельного вентиля на противоположном конце трубы [патент №2410612 РФ F251 J3/00, опубликован 27.01.2011], которая предназначена лишь для частичного извлечения жидких фракций этана, пропан-бутана и конденсата.
Известно также устройство для сжижения природного газа, содержащее узел разделения линии подачи газа, вихревые трубы, линию отвода охлажденного газа, дроссельные устройства, пять рекуперативных теплообменных аппаратов, линии потребителей редуцированного газа, линии отвода частично нагретого газа, линию отвода несжиженного газа [патент №2285212 РФ, F25J 1/00, опубликован 10.10.2006]. Применение большого количество теплообменных аппаратов и трубопроводов приводит к увеличению габаритных и массовых характеристик, что снижает экономическую эффективности и эксплуатационную надежность устройства.
Известно устройство для сжижения газа, содержащее линию подачи газа, три вихревых трубы с линиями отвода частично нагретого и охлажденного газа, установленные перед входом в каждую вихревую трубу поршневой компрессор и теплообменный аппарат, дроссельное устройство на линии отвода сжиженного газа из емкости для сбора конденсата [патент US 3775988, МПК F25J 1/00, F25J3/02, опубликовано 04.12.1973, Figura 1].
Линии отвода частично нагретого газа от второй и третьей вихревой трубы подведены к теплообменникам предшествующих вихревых труб, первой и второй соответственно. Линии выходящего из теплообменника газа соединены с линией подачи газа в первую вихревую трубу.
Применение большого количества поршневых компрессоров, требующих частого технического обслуживания, существенно увеличивает габариты и металлоемкость устройства, осуществление охлаждения с использованием нескольких стадий сжатия-расширения, а также отсутствие сепарации от нежелательных примесей, что снижает экономическую эффективность и надежность устройства.
Общим недостатком рассмотренных устройств является отсутствие их защиты от твердых частиц двуокиси углерода, который кристаллизуется непосредственно в устройстве при температуре -57°С.
Наиболее близким по технической сущности изобретения является прототип устройства [патент №2580250, F25J 1/00 2006].
Известно устройство для сжижения природного газа, содержащее линию подачи газа, три вихревых трубы с линиями отвода нагретого и охлажденного газа, связанные между собой каскадно через линии охлажденного газа. Содержит теплообменные аппараты, линию отвода сжиженного газа и емкость для сбора конденсата. Теплообменные аппараты размещены на линиях отвода частичного нагретого газа первых двух вихревых труб. На линиях отвода охлажденного газа вихревых труб установлены дроссели, а линии отвода нагретого газа всех труб подведены к входу первой вихревой трубы. При этом первые две трубы оснащены сепарационными узлами, которые снабжены линиями отвода газа и линиями отвода механических примесей, подключенными к емкости сброса механических примесей.
К недостаткам устройства прототипа относится установка сепарационного узла на входе в вихревую трубу разделения потока, а также применение цилиндрических труб.
Образующееся тепло при разделении газового потока на входе в вихревую трубу непрерывно подается в сепарационный узел за счет теплопроводности, что не исключает нарушения функционального режима достижения температуры газов -50 и -60°С.
Применение цилиндрических вихревых труб увеличивает габаритные характеристики устройства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности переработки природного газа или попутного нефтяного газа путем их последовательного сжижения и сепарационного фазового разделения с одновременной очисткой от нежелательных примесей.
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что сепарационные узлы первой и второй вихревых труб установлены на внешних диаметрах диафрагм, в которых отверстия для отбора сжиженной части газа выполнены в виде кругового ряда по диаметру диафрагмы, с внешней стороны которой установлен кожух, в который сверху вмонтирована линия отвода газа, а снизу - линия отвода механических примесей и сжиженных диоксида углерода СО, сероводорода HS и др.
Согласно изобретению, устройство снабжено теплообменным смесителем вихревого типа (ВС), размещенным на линиях отвода нагретого газа и охлажденного потока газов из сепарационных узлов, а сепарационные узлы установлены на внешних диаметрах диафрагм, что позволяет уменьшить количество теплообменных аппаратов, потери тепла при подаче газа на вход первой вихревой трубы, уменьшить габариты и массу теплообменного устройства, повысить экономические показатели при производстве и эксплуатации установки.
Применение конических вихревых труб позволяет уменьшить их габаритные характеристики при равных условиях протекания технологического процесса.
Использование дросселей совместно с вихревыми трубами позволяет обеспечить глубокое охлаждение метана.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для сжижения природного газа, на фиг. 2 - фрагмент вихревой трубы с сепарационным узлом.
Устройство для сжижения газа содержит линию подачи газа I, три вихревые трубы (ВТ) 1, 4, 7, линии отвода охлажденного газа II, IV, VI и линии отвода нагретого потока газа Х, XI, XII. На линиях отвода охлажденного потока газа II, IV, VI установлены дроссели 3, 6, 8. На линиях отвода нагретого потока газа Х, XI, XII от BT первой, BT второй и BT третьей размещен теплообменный смеситель вихревого типа 10.
Поток нагретого газа смешивается с охлажденным потоком газов, поступающих из сепарационных узлов 1 и 4 вихревых труб ВТ1 и ВТ2 по линиям VIII и IX в теплообменный смеситель вихревого типа 10 и далее по линии XIII подается к входу ВТ1. Линия охлажденного потока газа VI от ВТ3 подключена к дроссельному устройству 8, к емкости для сбора конденсата 9.
Вихревые трубы BT1 и ВТ2 содержат сопловые блоки 11, 12 и сепарационные узлы 1 и 4. Сепарационные узлы 1 и 4 установлены на корпусе диафрагмы, в начальном ее сечении выполнена проточка кольцевой щели 15, в которой выполнены отверстия по внешнему диаметру диафрагмы.
К патрубку 17 подведены линии отвода механических примесей в емкости 2 и 5, а патрубок 16 связан с линиями отвода газа VIII и IX, подключенными к выходным линиям X и XI нагретого потока ВТ1 и ВТ2.
Устройство для сжижения природного газа работает следующим образом.
Магистральный природный газ или попутный нефтяной газ по линии I поступает в вихревую трубу ВТ1, где происходит разделение потока газа на охлажденный и нагретый, при этом нагретый поток отводится по линии X и поступает в теплообменный смеситель вихревого типа 10, а охлажденный поток направляется по линии II через дроссельное устройство 3 по линии III на вход в вихревую трубу ВТ2. Часть потока вихревой трубы ВТ1 в сепарационном узле диафрагмы разделяется на охлажденную жидкую и газообразную фракции, из которых газообразная охлажденная часть по линии VIII поступает в теплообменный смеситель вихревого типа 10, а жидкая - в емкость 2 через нижние отверстия сепарационного аппарата под действием силы тяжести.
Охлажденный поток проходит через дроссельное устройство 3, в котором происходит изотропное расширение газа (эффект Джоуля-Томсона) и дополнительное понижение температуры газа (примерно, снижение давления на 0,1 МПа понижает температуру на 3°С).
2
2
Во втором каскаде ВТ2 вновь происходит охлаждение и разделение потока газа, причем охлажденный поток газа поступает в третью вихревую трубу ВТ3, проходя по линии IV, через дроссельное устройство 6, а нагретый поток газа в ВТ2 поступает в теплообменный смеситель вихревого типа 10 по линии XI. Во второй вихревой трубе ВТ2 температура понижается и происходит дальнейшее разделение части газового потока в сепарационном узле на жидкие сероводород HS, углекислый газ СО и газ, который по линии IX подается в теплообменный смеситель вихревого типа, в котором происходит некоторое понижение температуры газа. Жидкая и твердые фракции отводятся в емкость 5.
В третий каскад охлажденные газы от дросселя 6 по линии V поступают на вход ВТ3, охлажденный поток по линии VI проходит через дроссельное устройство 8, где газ охлаждается до температуры кипения метана, после чего образовавшийся конденсат поступает в емкость 9.
Нагретый газ из ВТ3 по линии XII поступает в теплообменный смеситель вихревого типа 10, а затем, в составе смешанного потока с выровненной по объему температурой, поступает на вход ВТ1.
В предложенном устройстве заложен принцип каскадного охлаждения газа с применением трех вихревых труб, трех дроссельных устройств и теплообменного смесителя вихревого типа, обеспечивающих стабильную работу устройства.