Устройство для сжижения природного газа и способ для его реализации
NATURAL GAS LIQUEFACTION DEVICE AND METHOD FOR THE REALIZATION THEROF

Изобретение относится к низкотемпературному сжижению природного газа или другого низкомолекулярного газа, например попутного нефтяного или нефтехимического газа, и может использоваться на газораспределительных станциях (ГРС) в производстве и хранения сжиженных природных газов, применяемых в газовой промышленности.
Известны способы и установки, для сжижения природного газа, например, установка сжижения (патент RU 2103620, F25B 9/02, 1998 - [1]), в которой сжижение природного газа осуществляется с использованием независимого расширения (дросселирования) потоков вихревых охладителей в криостате, с делением объема на зоны, соединенных соответствующим образом с отводами потоков вихревых охладителей.
В изобретении [1], в установке сжижения размещены вихревые охладители, с помощью которых достигается эффективное использование начального входного давления. Это достигается за счет размещенного в верхней зоне криостата разветвленного коллектора подвода газа высокого давления, теплообменника и вихревых охладителей, отводы газа которых сообщены с нижней зоной криостата, который посредством дроссельной диафрагмы соединен с верхней зоной.
Несмотря на достигнутые цели, включая независимое расширение разделенных потоков вихревых охладителей и достижение технического эффекта процесса сжижения природного газа, данное устройство имеет следующие недостатки:
- охлаждение входящего потока газа осуществляется по сложной схеме, т.к. исходный поток газа проходит по периферийной диаметральной зоне корпуса криостата, где размещен трубчатый змеевик, после которого поступает в трубное пространство теплообменника и, только после этого, входящий газ охлаждается, за счет рекуперации генерируемого холодного потока, проходящего по межтрубному пространству теплообменника;
- утверждение, что предлагаемая конструкция устройства позволит снизить толщину защитного корпуса, за счет дросселирования давления газа, из трубчатого змеевика, размещенного между защитным корпусом и внутренней обечайкой, не соответствует истине, поскольку снижение давления влияет на толщину труб змеевика, а не толщину защитного корпуса, в котором размещен трубчатый теплообменник;
- усложненное исполнение конструктивных элементов, в частности соединительных переходов от коллектора теплообменника в нижней зоне криостата с вихревыми охладителями с теплообменником. Это приведет к трудности по практической реализации изготовления данных узлов и сборки, в целом, конструкции устройства.
Наиболее близким, по технической сущности изобретения, реализующего устройство является - прототип устройства (патент RU 2500959, F25J, 1/00, 2013 - [2]).
Технический результат устройства - прототипа достигается тем, что исходный поток природного газа, после очистки и осушки направляют в вихревой охладитель, который размещен в трехсекционной емкости-сепараторе вертикально.
Предлагаемое устройство содержит адсорбер, фильтр, теплообменник, вихревую трубу с охлаждаемым горячим концом трубы. Горячий конец трубы имеет сепарационное устройство в виде соосно установленного внутреннего конуса в конической части горячего конца с возможностью изменения зазора между коническими поверхностями. Компактность конструкции и возможность регулирования осуществляемых процессов внутри ем костим позволяет управлять производством, при получении требуемых параметров и качество товарных продуктов.
Несмотря на достигнутый технический результат прототипа устройства, ему присущи недостатки, в частности:
- криогенные процессы, осуществляемые в трехсекционной емкости-сепараторе, наиболее эффективны при минимальных потерях тепла в окружающую среду, что в данной конструкции не предусматривается. Это, прежде всего, отсутствие эффективной теплоизоляции емкости, теплообменника и газопроводов, что приведет к снижению эффективности процесса сжижения, из-за возможных теплопритоков извне;
- предварительное охлаждение исходного потока осуществляется в выносном рекуперативном теплообменнике, т.е. расположенном за пределами емкости, где размещена вихревая труба, генерируемая холод, что приедет к значительным потерям холода;
- сложность устройства регулирования расхода газа на горячем конце вихревой трубы, а это имеет большое значение для получения режима с оптимальными параметрами работы охладителя.
Таким образом, указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачу их решения, от которых зависит повышение эффективности сжижения природного газа. Отмеченные недостатки устранены в предполагаемом изобретении устройства.
Сущность заявляемого устройства для сжижения природного газа и способа для его реализации представлено на фигуре 1.
На фигуре 1 также представлены следующие данные:
Технологические потоки: I - исходный поток высоконапорного газа; II - выход сжиженного газа (СПГ); III - выход низконапорного газа; IV - выход отсепарированной фракции С2+.
Устройство содержит следующие конструктивные элементы: 1 - теплообменник; 2 - вихревой охладитель; 3 - емкость-сепаратор; 4 - горизонтальная перегородка; 5 - нижняя секция емкости; 6 - верхняя секция емкости; 7 - горячий конец вихревого охладителя; 8 - холодный конец вихревого охладителя; 9 - центральная труба; 10 - трубки теплообменника; 11 - верхняя трубная решетка; 12 - нижняя трубная решетка; 13 - полое пространство между верхней и нижней трубных решеток; 14 - угловой патрубок; 15 - цилиндросферический стакан; 16 - вспомогательная горизонтальная перегородка; 17 - нижняя зона горизонтальной перегородки; 18 - верхняя зона вспомогательной перегородки; 19 - патрубок; 20, 21 - сквозные дроссельные отверстия диафрагмы в горизонтальной перегородке 4; 22 - цилиндрический патрубок со сферическими краями; 23 - цилиндроконический патрубок; 24 - шарик; 25 - пружина; 26 - направляющая втулка; 27 - пластина с центральным отверстием; 28 - вертикальная труба; 29 - запорно-регулирующий вентиль; 30 - труба; 31 - запорно-регулирующий вентиль; 32 - труба; 33 - запорно-регулирующий вентиль; 34 - трубная врезка; 35 - запорно-регулирующий вентиль; 36 - экранно-вакуумная, размещенная на корпусе 3 и насыпная теплоизоляция - перлитная крошка; 37 - консольная опора.
Техническая сущность предлагаемого изобретения устройства для сжижения природного газа заключается в том, что теплообменник и вихревой охладитель размещены в двухсекционной емкости-сепараторе, которая разделена горизонтальной перегородкой на нижнюю и верхнюю секции, при этом горячий конец размещен в верхней секции, а холодный конец в нижней секции, где размещена камера охладителя с холодным концом, который соединен с центральной трубой, являющейся сердечником теплообменника, в котором вертикально размещены трубки меньшего диаметра, причем трубки закреплены в нижней и верхней трубных решетках, диаметры которых равны внутреннему диаметру вертикальной емкости-сепаратора, а между горизонтальной перегородкой и верхней трубной доской имеется полое пространство, в котором находится вихревая камера с входным патрубком, соединяющим с межтрубным пространством теплообменника, в верхней секции размещен горячий конец, заключенный в цилиндросферический стакан, который установлен на горизонтальной перегородке, а внутреннее пространство, образованное между внешней поверхностью горячего конца и внутренней поверхностью стакана, разделено вспомогательной кольцевой перегородкой на верхнюю и нижнюю зоны, в верхней зоне верхнего пространства цилиндросферического стакана, под перегородкой, в стенке цилиндросферического стакана имеется сквозное отверстие с патрубком, а в горизонтальной перегородке, в зоне и, вне зоны размещения цилиндросферического стакана, имеются дроссельные отверстия-диафрагмы с выходом в нижнее полое пространство, а в верхней зоне цилиндросферического стакана размещено сепарационное устройство, состоящее из цилиндрического патрубка со сферическими краями, в виде отбойного колпачка, установленного соосно горячему концу параллельным зазором к внутренней стенке горячего конца, а внутри отбойного колпачка, также соосно, установлен цилиндроконический патрубок, в переходе от цилиндрической к конической части которого установлено регулирующее устройство, состоящее из шарика и примыкающей к нему пружины, часть которой с плотной посадкой одета на конец вертикальной трубы, а труба выводится за пределы цилиндросферического стакана через направляющую втулку с зазором по отношению к трубе, а направляющая втулка закреплена в пластинке, закрывающей раструб конуса цилиндроконического патрубка, на выходящем участке трубы, за пределы верхней секции емкости-сепаратора установлен запорно-регулирующий вентиль и труба для вывода газа низкого давления, а также в нижней секции емкости в районе размещения межтрубного пространства над трубной решеткой имеется патрубок с трубой, выходящей из емкости-сепаратора, на выходящем участке установлен запорно-регулирующий вентиль для входа исходного потока природного газа, из кубовой части сборника продуктового сжиженного газа также размещена труба из кубовой части емкости-сепаратора с трубой, для вывода продуктового сжиженного газа, а также патрубок врезки в верхнюю зону цилиндросферического стакана и выходящей трубы установлен запорно-регулирующий вентиль и трубы вывода из сборника отсепарированных тяжелых фракций С2+.
По сравнению с известными изобретениями предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- наличие сепарирующего устройства, позволяет осуществление отделения тяжелых углеводородных фракций, содержащихся в газе, а также конденсата влаги и других нежелательных примесей из сжижаемого газа;
- наличие регулирующего устройства расхода горячего потока позволяет осуществлять изменение параметров режима работы вихревого охладителя, что позволяет достигать эффективной работы вихревого охладителя и достигать максимальной степени сжижения газа;
- применение эффективной теплоизоляции, за счет наличия двойного слоя различных теплоизоляционных материалов, включающих экранно-вакуумной и насыпной, позволяет максимальное сохранение криогенной температуры, и достигнуть эффективной защиты от теплопотерь корпуса емкости-сепаратора.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Исходный поток газа I поступает в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника 1, для охлаждения холодным потоком. А затем, охлажденный поток газа поступает по угловому патрубку 14 на вход вихревого охладителя 2. Холодный поток, выходящий из холодного конца охладителя 2, сначала проходит по центральной трубе 9, для рекуперации холода в теплообменнике 1, а затем, поступает в кубовую часть емкости-сепаратора 3, размещенной ниже трубной решетки 12.
Не сконденсировавшиеся пары холодного потока сжиженного газа из кубовой части емкости, направляются вверх по трубному пространству 10 теплообменника 1, поступают в полое пространство 13 между верхней трубной решеткой 11 и горизонтальной перегородкой 4. Откуда пары холодного потока дросселируется в отверстиях-диафрагмах 20, 21, размещенных в горизонтальной перегородке 4 и поступает во внутреннее пространство нижней зоны 17 цилиндросферического стакана 15, где парожидкостная смесь конденсируется до сжиженного состояния, которая накапливается по высоте до предельного уровня - места размещения патрубка 19, охлаждает горячий конец 7 вихревого охладителя. Слив сжиженной фракции газа через патрубок 19 осуществляется в пространство верхней секции, в полое пространство, вне цилиндросферического стакана.
Сепарационное устройство, размещенное в верхней зоне цилиндросферического стакана 15, состоящее из соосно размещенных патрубков 22, 23 на горячем конце, позволяет из горячего потока газа осуществить сепарацию тяжелых углеводородов С2+, которая накапливается в верхней зоне цилиндросферического стакана, над вспомогательной перегородкой 16, а затем данная смесь выводится посредством трубы 30 и, установленного на ней, запорно-регулирующего вентиля 31, за пределы емкости-сепаратора 3 (поток IV).
Регулирование расхода горячего потока осуществляется с помощью устройства, представляющего собой шарико-пружинным клапаном, включающим цилиндроконический патрубок 23, шарик 24 и, примыкающий к нему пружины 25. Выход регулируемого горячего потока газа осуществляется посредством трубы 28 и установленного на ней запорно-регулирующего устройства 29 посредством трубы 28 вывод потока газа низкого давления (поток III).
В нижней секции емкости 3 в кубовой ее части имеется врезка трубы 32 с выводом за пределы емкости, на выходном участке трубы установлен запорно-регулирующий вентиль 33, вывод сжиженного газа (СПГ) посредством патрубка 32 (поток II).
В нижней секции 3 над нижней трубной решеткой 12 имеется трубная врезка 34 с выводом за пределы емкости, на выходящем участке трубы 34 установлен запорно-регулирующий вентиль 35 вход исходного потока природного газ (поток I).
В качестве теплоизоляции использовано два слоя: 3 экранно-вакуумная и 36 насыпная - перлитная крошка. Емкость-сепаратор установлена на консольной опоре 37.
Аналогом заявляемого изобретения способа сжижения природного газа, для реализации устройства является способ (патент RU 2429434, F25J, 1/00, 2006 - [3]), в котором для сжижения природного газа используется дроссельный рекуперативный способ с вспомогательным контуром охлаждения. Используются две вихревые трубы: основная и вспомогательная. При этом вспомогательный контур охлаждения используется на базе основной вихревой трубы с одновременным использованием горячего потока вспомогательной трубы для отогрева оборудования, выведенного из работы.
Камера энергетического разделения основной вихревой трубы подвергается дополнительному охлаждению хладагентом, претерпевающем фазовые превращения, при кипении и 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. При этом, за счет внешнего охлаждения камеры энергоразделения основной вихревой трубы ее холодный поток имеет минимально возможную температуру.
Несмотря на утверждение [3], что предлагаемое техническое решение позволяет полностью использовать холод холодного потока, предлагаемый способ имеет недостатки:
- наличие двух труб и двойных теплообменников - вымораживателей (рабочего и резервного) это усложняет технологическую схему и затрудняет управление технологическими процессами для поддержания нормального режима;
Прототипом заявляемого изобретения - способа для сжижения является (патент RU 2500959, F25J, 1/00, 2013 - [4]), в котором вихревую трубу размещают вертикально в трехсекционной емкости-сепараторе, разделенной горизонтальными перегородками.
В средней секции горячий конец вихревой трубы охлаждают холодным потоком, поступающим тангенциально в емкость-сепаратор из нижней секции после рекуперации теплоты при охлаждении исходного потока газа на входе в вихревую трубу в нижней секции.
Из горячего потока сепарируется жидкая фаза, которая смешивается с поступающей жидкой фазой, выделенной в верхней секции емкости-сепаратора. Газообразная фракция выводится из верхней секции, а сжиженная фракция выводится из средней секции, в качестве товарного продукта (СПГ). Горячий конец вихревой трубы имеет сепарационное устройство в виде соосно установленного внутреннего конуса в конической части горячего конца с возможностью изменения зазора между коническими поверхностями.
Недостатки прототипа [4] как способа и, как устройства, является то, что технический результат направлен на повышение эффективности сжижения природного газа. Однако, возможна частичная потеря энергоресурсов холода, по причине размещения внешнего рекуперативного теплообменника, где возможны энергетические потери во внешних коммуникациях теплообменника и трубопроводах.
К недостаткам прототипа можно также отнести отсутствие сепарационного устройства по выделению тяжелых углеводородных примесей из горячего потока.
Таким образом, указанные недостатки аналога и прототипа, ставят задачу выполнения технического результата заявляемого способа сжижения газа, для решения следующих задач:
- максимально-эффективное использование холода холодного потока вихревого охладителя, для охлаждения исходного потока газа в теплообменнике, размещенном в замкнутом объеме емкости-сепаратора;
- использование наиболее эффективного сепарационного и регулирующего устройств, размещенных внутри емкости-сепаратора
- разработка эффективной теплоизоляции для снижения тепла криогенных процессов, происходящих в замкнутом объеме емкости, в отличие от прототипа, в котором отсутствует теплоизоляция.
На фигуре 1 изображен схематический разрез устройства для сжижения природного газа и способа для его реализации.
Для выполнения технического результата и сущности способа сжижения газа, с использованием заявляемого устройства, вихревой охладитель 2 и рекуперативный теплообменник 1 размещают в двухсекционной емкости - сепараторе 3, при этом, предварительное охлаждение исходного потока газа производят холодным потоком в межтрубном пространстве рекуперативного теплообменника, куда поток поступает из вихревого охладителя сначала в центральную трубу 9, где газ частично конденсируется и накапливается в кубовой части емкости - сборнике сжиженного газа, а несконденсированный поток холодного газа проходит противотоком по трубному пространству теплообменника 1 и поступает в полое пространство 13 между верхней трубной решеткой 11 и горизонтальной перегородкой 4, а затем дросселируется через отверстия - диафрагмы 20 в горизонтальной перегородке и, поступает в верхнюю секцию 6 емкости-сепаратора, во внутреннее пространство цилиндросферического стакана 15, ограниченное сверху вспомогательной горизонтальной перегородкой 16, где конденсат сжиженного газа накапливается, охлаждая горячий конец охладителя, избыточное количество сжиженного газа сбрасывается через отверстие в стенке цилиндросферического стакана и патрубком сброса 19 сжиженного газа в полое пространство верхней секции емкости-сепаратора, а выходящий горячий поток газа низкого давления сепарируют от тяжелых углеводородных фракций С2+, которые накапливаются в сборнике, размещенном на вспомогательной перегородке 6, ограниченной стенками горячего конца 7 и внутренней стенкой цилиндросферического стакана 15, а затем выводятся за пределы емкости-сепаратора посредством трубы 30 в боковой стенке емкости-сепаратора, выход регулируемого горячего потока газа осуществляется посредством трубы 28 и установленного на ней запорно-регулирующего устройства 29 посредством трубы 28 вывод потока газа низкого давления за пределы емкости-сепаратора, а ввод исходного потока газа осуществляется в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника в нижней секции емкости-сепаратора посредством трубы 34 с запорно-регулирующим вентилем 35, причем вывод сжиженного газа производят посредством трубы 32 с запорно-регулирующим вентилем 33.
Технический результат изобретения устройства для сжижения природного газа и способа его реализации более детально можно дополнить следующими пояснениями:
Основная аппаратура, включая рекуперативный теплообменник, вихревой охладитель, сепарационное, регулирующее устройства и трубопроводные коммуникации заключены компактно в единый блок в емкости-сепараторе, представляющий криогенный блок-модуль.
Наружная поверхность емкости-сепаратора должна быть тщательно теплоизолирована, как показано на фигуре 1. Емкость на наружной поверхности размещены две герметичные «рубашки», в которых расположена тепловая изоляция.
В «рубашке», размещенной на корпусе емкости должна быть размещена экранно-вакуумная теплоизоляция. А, поверх нее должен быть размещен второй слой насыпной теплоизоляции (например, перлитной крошки).
Особое внимание следует уделить нижней части емкости, где рабочая наиболее низкая криогенная температура порядка минус (130-160)°С.
Трубопроводы, входящие в криогенный блок и выходящие из него, также должны быть тщательно заизолированы тепловой изоляцией.
Режим работы вихревого охладителя рекомендуется при условии μ=0,4-0,7. Режим получения сжиженного газа, т.е. получение СПГ зависит от давления, наиболее предпочтителен диапазон хранения и использования сжиженного газа в диапазоне давлений от атмосферного до 0,; МПа, что соответствует температуре от минус 135 до 160°С.
Особое значение имеет конструкция рекуперативного теплообменника, размещенного в нижней секции емкости-сепаратора. Конструкция теплообменника должна обладать высокой эффективностью специальной конструкции, особенно конструкция теплообменного трубного пучка.
Например, использование вихревого теплообменного элемента по патенту RU 2101643. Данная конструкция основана на применении теплообменного элемента, снабженного завихрителями потока, что позволяет интенсифицировать теплообмен с повышенной эффективностью теплообмена.
Предлагаемый режим сжижения природного газа позволит сохранить работоспособность установки при исходном давлении высоконапорного природного газа, что характерно для магистрального газопровода в интервале 3,5 - ?,0 МПа, что позволит использовать отбор газа из магистрального газопровода или с газораспределительной станции ГРС.
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных конструкций устройств и способов сжижения природных газов, а также не известны технические решения по выполнению конструкции устройств СПГ и вспомогательного оборудования, что доказывает «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент RU 2103620, F25B 9/02, 1998.
2. Патент RU 2500959, F25J, 1/00, 2013 - прототип устройства.
3. Патент RU 2429434, F25J, 1/00, 2006.
4. Патент RU 2500959, F25J, 1/00, 2013 - прототип способа.