УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к газовой промышленности и может быть использована при получении, хранении и транспорте, предпочтительно беструбопроводном, природного газа.
Известно устройство для переработки природного газа ожижением выполненное в виде турбодетандера (Васильев Ю.Н. «Моторные топлива будущего». «Газовая промышленность» 1995 г., №1).
Недостатком указанного устройства является сложность изготовления турбодетандеров на большие расходы, работающих в области криогенных температур, необходимость использования специальных криогенных конструкционных материалов для изготовления детандера и соответственно большие капитальные затраты, необходимость глубокой очистки газа от высоко-кипящих по сравнению с метаном компонентов, которые в противном случае замерзают и выводят турбодетандер из строя, принципиальная невозможность непрерывной работы однодетандерной системы, в то время как резервирование ведет к повышению затрат, сложность управления режимами работы детандера при изменяющихся давлениях, расходах и температурах проходящего через ГРС природного газа.
Известно также устройство для подготовки природного газа для транспортирования, включающее реактор, сообщенный с источником газа и воды, средство охлаждения смеси воды и газа и средство поддержания давления в реакторе не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования ( №2200727, С07С 5/02, 1997 г.).
К недостаткам устройства относится высокие энергозатраты т.к. при получении газогидратов требуется неоднократное компремирование и последующее охлаждение газа. Кроме того, комплект оборудования необходимого для реализации способа громоздок и материалоемок.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение выражается в снижении энергозатрат на получения гидратов и снижение массо-габаритных характеристик комплекта оборудования необходимого для получения гидратов.
Техническим результатом, ожидаемым от использования данной полезной модели, является снижение энергетических, капитальных и текущих затрат для получения газового гидрата. Кроме того снижается материалоемкость комплекта оборудования необходимого для реализации способа
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для подготовки природного газа для транспортирования, включающее реактор, сообщенный с источником газа и воды, средство охлаждения смеси воды и газа и средство поддержания давления в реакторе не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования отличается тем, что в качестве реактора использован резервуар, рассчитанный на давление более 1 МПа, теплоизолированный с возможностью поддержания температуры на уровне 0,2°С, снабженный средством перемешивания материала, при этом, в качестве средства охлаждения смеси воды и газа использована тонкодисперсная водоледяная пульпа, для чего устройство содержит вакуумный льдогенератор, выполненный в виде теплоизолированного резервуара, сообщенного с источником морской воды и вакуумным выходом турбокомпрессора, предпочтительно выполненного с возможностью создания в резервуаре разряжения, равного по величине давлению тройной точки морской воды, при этом выход льдогенератора, сообщен с отделителем льда от рассола, ледовый выход которого сообщен со смесителем льда и пресной воды, причем источник природного газа сообщен с газовым входом реактора и газовой турбиной турбокомпрессора, выполненной с возможностью использования энергии газов, продуктов сжигания природного газа, а второй вход реактора, посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы снабженного первым пульповым насосом сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы, выполненным в виде теплоизолированного резервуара, при этом гидратный выход реактора, пульпопроводом гидратсодержащей пульпы сообщен с накопителем гидратсодержащей пульпы, выполненным в виде теплоизолированного резервуара, с возможностью поддержания давления не ниже равновесного, исключающего диссоциацию гидратсодержащего материала, с возможностью отгрузки из него гидратсодержащей пульпы, кроме того, водяной выход реактора сообщен со смесителем льда и пресной воды, при этом, выход смесителя льда и пресной воды, посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы снабженного вторым пульповым насосом сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы. Кроме того, рассольный выход отделителя льда от рассола через рассольный насос сообщен с полостью полого резервуара льдогенератора. Кроме того, для получения льда используют льдогенератор, обеспечивающий достижение значений холодильного коэффициента не менее 12, при температуре кипения -3°С и конденсации +6°С. Кроме того, в льдосодержащей пульпе содержание льда составляет, около 50% ее объема.
Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной технической задачи, а именно снижении энергозатрат на получения гидратов и снижение массо-габаритных характеристик комплекта оборудования необходимого для получения гидратов.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана заявленная установка; на фиг.2 показана диаграмма формирования гидрата; на фиг.3 дана иллюстрация некоторым режимам нестационарного теплообмена в термически тонких телах.
На чертежах показаны реактор 1, его газовый 2 и второй 3 входы, источник природного газа 4, накопитель льдосодержащей пульпы 5, гидратный 6 и водяной 7 выходы реактора, узел хранения газогидрата 8, первый и второй пульповые насосы 9 и 10, рассольный насос 11, турбкомпрессор 12 (его газовая турбина, как часть компрессора отдельно не показана), теплоизолированный резервуар 13, отделитель льда от рассола 14, смеситель льда и рециркуляционной воды 15, источник питательной воды 16, газопроводы 17 и 18, пульпопроводы 19-21, соответственно, для перекачки газогидратной пульпы, для перекачки льдосодержащей пульпы и для перекачки льдосодержащей рассольной пульпы, трубопроводы 22-25 соответственно, для перекачки рециркуляционной воды, для перекачки рассола, прекачки питательной воды и подачи льда, средство перемешивания материала 26 в реакторе 1 (например, импеллер). Запорные и предохранительные клапаны, контрольно-измерительная аппаратура и прочие вспомогательные устройства, необходимые для работы установки на чертежах не показаны.
В качестве реактора 1 используют теплоизолированный резервуар, выдерживающий давление более 10 бар (1 МПа), теплоизолированный с возможностью поддержания температуры на уровне 0,2°С, снабженный средством перемешивания материала 26 известной конструкции, например лопастями закрепленными на приводном валу, снабженный соответствующей запорной арматурой и контрольно-измерительной аппаратурой.
Источник природного газа 4 (например, магистральный газопровод) сообщен газопроводами 17 и 18, соответственно, с газовым входом 2 реактора 1 и газовой турбиной (на чертежах не показана), обеспечивающей работу турбокомпрессора 12, выполненной с возможностью использования энергии газов - продуктов сжигания природного газа.
Гидратный выход 6 реактора 1 сообщен пульпопроводом 19 с узлом хранения газогидрата 8, а его водяной выход 7 сообщен трубопроводом 22 со смесителем льда и рециркуляционной воды 15.
Накопитель льдосодержащей пульпы 5 пульпопроводами 20 для перекачки льдосодержащей пульпы сообщен со вторым входом 3 реактора 1 (через первый пульповый насос 9) и, кроме того, через насос 10, сообщен со смесителем льда и рециркуляционной воды 15. В качестве накопителя льдосодержащей пульпы 5 использован теплоизолированный резервуар, выход которого сообщен со вторым входом 3 реактора 1.
В качестве узла хранения газогидрата 8 использован теплоизолированный резервуар (или несколько резервуаров), выполненных с возможностью сохранения термодинамического равновесия хранимой в них газогидратной пульпы (давление свыше 1 МПА и температура на уровне 0,2°С) и снабженных средствами отгрузки материала, выполненными известным образом.
В генератора льда выполнен, как вакуумный льдогенератор, предпочтительно марки IDE Tech. Конструктивно он представляет собой полый резервуар 13, заполняемый мормкой водой, агрегатированный с турбокомпрессором 12, который создает в резервуаре вакуум, равный по величине давлению тройной точки морской воды, за счет того, что его вакуумный выход открыт в полость полого резервуара 13.
В вакуумном льдогенераторе марки IDE Tech, холодильный коэффициент равен 12, при температуре кипения -3°С и конденсации +6°С, в то время как аммиачная холодильная установка при температуре конденсации +6°С имеет холодильный коэффициент не более 5, т.к. должна иметь температуру кипения -10°С (по причине того, что в испарителе невозможно обеспечить прямой контакт кипящего аммиака и кристаллизующейся морской воды). Дополнительное преимущество вакуумного льдогенератора, перед традиционными, заключается в применении турбокомпрессора, который использует в качестве энергоносителя природный газ, что позволяет при производстве газогидратных пульп значительно снизить расход электроэнергии.
Вход генератора льда (полого резервуара 13) сообщен трубопроводом 24 с источником питательной воды 16, в качестве которого используют водозаборник морской воды известной конструкции. Выход льдогенератора(полого резервуара 13) сообщен с отделителем льда от рассола 14, в качестве которого используют известное устройство аналогичного назначения, производительность которого соответствует производительности установки. При этом ледовый выход отделителя льда от рассола 14 сообщен со смесителем льда и пресной воды 15, а его рассольный выход, через рассольный насос 11 сообщен с полостью полого резервуара 13 льдогенератора.
Продукты разделения льдосодержащей рассольной пульпы на пресный лед и рассол используют следующим образом - лед самотеком по трубопроводу 25 сбрасывается в смеситель льда и рециркуляционной воды 15, а рассол концентрация солей в котором выше, чем в исходной морской воде либо сбрасывается в море, либо (как показано на чертеже), по трубопроводу 23 возвращается в полый резервуар 13 льдогенератора.
Заявленное устройство работает следующим образом
Формирование гидрата проходит на линиях формирования гидрата (фиг.2), которые отделены от линии равновесия гидрат-газ-вода зонами мета-стабильного состояния (а-б, г-д, ж-з).
ПЕРЕОХЛ
а
б
г
д
ж
з
ПЕРЕОХЛ
В генераторе газогидратной пульпы (фиг.1) из раствора природного газа (ПГ: метан-90%, этан-5%, пропан-3%) в воде образуется гидрат природного газа (ГПГ). Точки а, г, ж (фиг.2) соответствуют состоянию равновесия системы «гидрат-газ-вода», причем это состояние не может перейти в процесс гидратообразования (а-б, г-д, ж-з) до тех пор, пока к системе не будет приложена определенного значения «движущая сила» гидратообразования (Потенциал Гиббса G, химический потенциал Δµ, переохлаждение Δt, пересыщение σ=Δµ/RT). Все частные случаи проявления движущей силы зарождения и роста новой фазы объединяет потенциал Гиббса, при отрицательных значениях которого возможно прохождение всех фазовых переходов). Известно, что при всех прочих равных условиях, процесс гидратообразования начинается раньше и проходит быстрее при наличии в воде различных механических включений, пузырьков газа или молекулярных комплексов-ассоциатов, которые всегда являются центрами образования новой фазы, в данном случае гидратной (гетерогенное зарождение). Начало процесса гидратообразования совпадает с достижением фигуративной точки системы газ-вода спинодали (фиг.2). Удаление от линии равновесия в область устойчивого состояния гидрата иллюстрирует повышение «движущей силы» гидратообразования. В данном случае «движущая сила» гидратообразования представлена переохлаждением системы газ-вода (температурный градиент переохлаждения Δt=t-t; t-t,; t-t) по отношению к равновесному состоянию (точки а, г, ж на фиг.2). При этом очевидно, что при снижении температуры системы газ-вода до одинакового значения (на пример до 0,2°С) градиент, выраженный в переохлаждении, при различных давлениях будет различным. Это позволяет снизить в газогидратном генераторе давление и соответственно энергозатраты, имея высокий потенциал градиента гидратообразования, полученный за счет межфазного теплообмена, резко снижающего температурный градиент между растущими частицами гидрата и хладоносителем и соответственно повышающего градиент переохлаждения Δt.
Кроме создания градиента обеспечивающего прохождение процесса гидратообразования в системе газ-вода, необходимо обеспечить отведение теплоты гидратообразования, которая для гидрата метана равна 410 кДж/кг.
Обычно, в процессе гидратообразования одновременно с формированием частиц гидрата проходит их диссоциация, обусловленная локальными температурными флуктуациями, которые всегда сопровождают экзотермические фазовые переходы. Они возникают из-за невозможности эффективного отведения теплоты от каждой зарождающейся и растущей частицы новой фазы, в связи с их удаленностью от теплообменной поверхности. Статистическая и молекулярная физика вводят, как параметр интенсивности роста или разрушения какой либо фазы, показатель превышение интенсивности одного процесса над другим, или их равенства, при равенстве возникающих и исчезающих частиц новой фазы в единицу времени (динамическое равновесие). Очевидно, что при бесконечно большой интенсивности отвода теплоты от каждой зарождающейся и растущей частицы гидрата величина температурных флуктуации, и соответственно количество диссоциаций отдельных частиц гидрата в единицу времени будет стремиться к нулю, при этом энергетическая эффективность процесса гидратообразования будет стремиться к своему теоретическому максимуму.
2
2
В газогидратном генераторе (реакторе 1) не существуют теплообменные поверхности, т.к. теплота выделяемая образующимися частицами газогидрата отводится от них сопоставимыми по размеру и находящимися в непосредственной близости к ним (в т.ч. контакте) частицами льдосодержащей пульпы. При этом интенсивность обеспеченного таким образом межфазного теплообмена (коэффициент теплоотдачи α, Вт/м*К) между поверхностью растущих частиц гидрата и плавящихся частиц водного льда размером 3…5 мкм достигает 3000…5000 Вт/м*К, что по эффекту сопоставимо с погружением частиц гидрата в кипящий Фреон-22.
Причина столь значительного влияния размеров кристаллов льдосодержащей пульпы на скорость их плавления, и в конечном счете на интенсивность теплоотвода от растущих частиц гидрата, заключается в том, что в термически тонких телах, при расстоянии от их термического центра до поверхности (R) порядка 5-10 мкм, скорость изменения температуры внутри объекта не зависит от теплопроводности, а определяется его размерами.
-4
На фиг.3 дана иллюстрация некоторым режимам нестационарного теплообмена в термически тонких телах. При значении безразмерного времени Fo=20 (для числа Bi=0,1) фактическая длительность процесса плавления кристалла водного льда размером 100 мкм составляет 0,2 сек., а размером 5 мкм - 4*10 сек. Таким образом, при зарождении и росте частиц гидрата в окружении частиц водного льда величина локальных температурных флуктуации будет сведена к своему теоретическому минимуму и практически будет равна 0. При этом частицы водного льда одновременно служат центрами зарождения новой фазы газового гидрата, обеспечивая гетерогенный механизм рост частиц гидрата, т.к. на них адсорбируются пузырьки природного газа, являющиеся компонентом гидрата. При зарождении частицы гидрата начинают выделять тепловую энергию, которая тотчас поглощается плавящимися частицами водного льда, присутствующими непосредственно в месте зарождения гидрата. Равномерность распределения частиц водного льда и гидрата достигается постоянным подводом в реактор водоледяной пульпы и отводом рециркуляционной воды (фиг.1).
Если использовать теплоотвод за счет прямого контакта образующихся частиц гидрата с однофазным хладоносителем (охлаждаемой циркуляционной водой), то с учетом малой удельной хладоемкостью однофазных хладоносителей и в т.ч. воды (теплоемкость которой равна 4,19 кДж/кг*К), при температурном перепаде в теплообменном аппарате в 5°С можно отвести от объекта охлаждения одним килограммом хладоносителя 21 кДж теплоты - Q=cmΔt=4,19*1*5=21 кДж, тогда как плавление льдосодержащей пульпы, при 30-%-й концентрации в ней частиц водного льда позволяет отвести одним килограммом пульпы от объекта охлаждения 110 кДж теплоты - Q=0,3*r*m=0,3*335*1=110 кДж, а при 50-%-й концентрации около 170 кДж.
ПЕРЕОХЛ
ПЕРЕОХЛ
1
4
7
Теплота гидратообразования природного газа составляет 410 кДж/кг, а теплота плавления водного льда 335 кДж/кг. Именно низкий температурный градиент между образующимся газогидратом и плавящимся водным льдом является главным фактором энергоэффективности заявленного способа. При применении теплообменных аппаратов контактного типа самых современных конструкций температурный перепад между средами равен 9°С (при использовании в аммиака), 12°С - для фреонов, тогда как использование эффекта межфазного теплообмена с применением в качестве хладоносителя пульп, позволяет снизить температурный перепад (расстояние б-в; д-е; з-и, фиг.2) до 0,2°С. В этом случае точки а,г,ж (фиг.2) сместятся на изотерму 0,2°С, а расстояние а-б; г-д; ж-з (температурный градиент Δt, как «движущая сила» гидратообразования) увеличится до своего максимально возможного значения. Очевидно, что снижение температурного градиента между образующимися частицами гидрата и хладоносителем увеличивает градиент гидратообразования (переохлаждение системы газ-вода Δt относительно равновесных температур t, t, t, фиг.2). Увеличение «движущей силы» гидратообразования снижает время задержки зарождения частиц гидрата и соответственно увеличивает производительность процесса генерирования газогидратной пульпы.
Дополнительным фактором, повышающим эффективность процесса гидратообразования, является бесконечно большая площадь теплообмена между бесконечно большим количеством термически тонких тел (частиц гидрата и водного льда), что является причиной поддержания высоких значений теплового потока между растущими частицами гидрата и плавящимися частицами водного льда, при температурном градиенте между ними практически равным нулю.
При генерировании льда морская вода начинает отвердевать при температуре -2°С и давлении 420 Па (температура кипения - отвердевания снижается до -3°С, при вымораживании из воды 30% твердой фазы и, до -5°С, при вымораживании 50% твердой фазы), при этом лед представляет собой химически чистую воду в твердом агрегатном состоянии. Полученный в вакуумном льдогенераторе водный лед, образует с жидкой фазой раствора льдосодержащую рассольную пульпу, которая передается на отделитель льда от рассола. После разделения льдосодержащей рассольной пульпы на пресный лед и рассол, лед самотеком подают в смеситель льда и рециркуляционной воды 15, а рассол либо сбрасывают в море, либо возвращают в полый резервуар 13 льдогенератора.
Льдосодержащая пульпа (включающая мелкодисперсный лед и пресную воду) аккумулируется в ее накопителе 5, откуда закачивается насосом в генератор газогидратной пульпы (реактор 1), где с помощью средства перемешивания материала 26, равномерно распределяется по объему реактора 1. В реакторе 1 частицы водного льда плавятся в процессе отвода теплоты выделяемой образующимися частицами газогидрата и в виде рециркуляционной воды удаляются насосом в смеситель льда и рециркуляционной воды 15.
Готовая газогидратная пульпа накапливается в узле хранения газогидрата 8, откуда отгружается потребителю.