Способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления
NATURAL GAS LIQUEFACTION METHOD AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к технологии низкотемпературного сжижения высоконапорного природного газа и других углеводородных газов, например попутных нефтяных газов, находящихся под давлением и может использоваться в установках ГФУ и газораспределительных станциях (ГРС), в производствах и хранении сжиженных природных и других низкомолекулярных нефтехимических газов.
Способ сжижения природного газа или других газов, находящихся под давлением, осуществляется с использованием процессов ступенчатого дросселирования и вихревого эффекта, центробежной сепарации газожидкостных смесей и рекуперации теплообмена холодного и горячего потоков, с достижением криогенных температур сжижения метановой фракции природного газа.
1
0
Известен дроссельный рекуперативный способ сжижения природного газа, находящегося под давлением (патент 2158400, F25J 1/00, 2000 - [1]), который включает разделение исходного газа на два потока, причем первый поток пропускают через вихревую трубу при отношении массового расхода μ=0,4-0,7, а второй поток нерасширившегося потока газа подают на сжижение по трубам рекуперативного теплообменника, где его охлаждают до температуры, определяемым отношением: Т/Т=0,6-0,95, при этом, только одна часть газа поступает через фильтр в трубы рекуперативного теплообменника на сжижение, а другая часть через узел разделения поступает в вихревую трубу.
Устройство для сжижения природного газа содержит линии подвода и отвода газа, узел разделения газа на два потока, вихревую трубу, теплообменник, дроссель, расположенный между накопительной емкостью и теплообменником.
С помощью этого устройства способ сжижения осуществляют таким образом, чтобы отношение давлений на входе в теплообменник и в сборнике конденсата состаляло диапазон 1,2-5,0, отношение массового расхода охлажденного газа на выходе из вихревой трубы и общего газа, поступающего в вихревую трубу, было равно 0,4-0,7. В теплообменнике газ охлаждается до температуры, определяемой отношением 0,6-0,95. Использование изобретения позволяет утилизировать холод, образующийся при редуцировании природного газа на ГРС с одновременным безкомпрессорным получением сжиженного газа. Данный способ имеет следующие недостатки:
- энергетическому разделению подвергается только часть потока, поступающая в вихревую трубу, а не весь поток; - к тому же, эта часть потока не подвергается очистке, а это недопустимо для нормальной работе вихревой трубы;
- к тому же, эта часть потока не подвергается очистке, а это недопустимо для нормальной работе вихревой трубы;
- это может привести к забивке диафрагмы кристаллообразующимися примесями, т.к. работает при сверхзвуковых скоростях, при максимальных перепадах давлений.
Прототипом способа предполагаемого изобретения принят способ-установка сжижения (патент 2103620, F25B 9/02, 1998 - [2]). Техническим результатом данного изобретения является реализация независимого расширения разделенных потоков вихревых охладителей (типа вихревой трубы).
Для этого, криостат делится на две зоны объема, верхнюю и нижнюю, в верхней зоне, размещены разветвленный коллектор подвода газа высокого давления, выполняющий функцию теплообменника и вихревые охладители. Отводы газа низкого давления сообщены с зоной низкого давления теплообменника, а отводы жидкости из вихревых охладителей, размещенных в верхней зоне, соединены с нижней зоной криостата дросселем.
Для снижения давления расширения в нижней зоне криостата до оптимального значения, происходит выравнивание давления, за счет дроссельного отверстия в перегородке, в результате чего обеспечивается сепарация парожидкостной от жидкости, в результате пар поступает в верхнюю зону, а жидкость накапливается в нижней части криостата и поступает потребителю сжиженного газа.
Несмотря на достигнутые цели, данный способ-установка имеет следующие недостатки:
- ступенчатое охлаждение исходного потока природного газа осуществляется по протяженному участку, включающему пространство размещения трубчатого теплообменника по периферии корпуса, между защитным кожухом и внутренней обечайкой корпуса криостата. Это усложняет конструкцию криостата и его изготовление;
- приводимые доводы о том, что, благодаря дросселирования газа из трубчатого теплообменника, позволит снизить толщину корпуса криостата - неправильно, поскольку, давление будет понижаться в трубчатом теплообменнике, а не в корпусе криостата;
- усложненное исполнение соединений переходов от кольцевого коллектора к элементам вихревых охладителей теплообменника в нижней зоне криостата, причем, особую сложность вызывает изготовление и монтаж сопловых вводов к элементам коллектора;
В связи с этим, указанные недостатки аналога и прототипа является задачей, которую надо решить, для исключения указанных недостатков в предполагаемом изобретении - способа сжижения природного газа.
Сущность заявляемого способа сжижения природного газа и устройства для его осуществления представлено на фигуре 1, включающей следующие позиции:
Блоки:
блок А - сборник сжиженного природного газа;
блок В - секция центробежной сепарационной очистки исходного газа от конденсата и примесей;
блок С - секция рекуперативного теплообмена холодного потока вихревого охладителя и исходного газа;
блок G - секция охлаждения сжиженным газом горячего (охлажденного) конца вихревого охладителя;
блок Е - секция сепарации и регулирования горячего (охлажденного) потока газа.
2
Технологические потоки: I - исходный поток высоконапорного природного газа; II - выход отсепарированного конденсата и примесей; III - выход отсепарированных углеводородных фр. С+; IV - выход низконапорного газа; V - выход сжиженного природного газа.
2
На фигуре 1 изображен схематический разрез устройства для реализации заявляемого способа, включающего следующие позиции: 1 - корпус емкости-криостата; 2 - патрубок тангенциального ввода; 3 - выходное отверстие патрубка 2 во внутреннее пространство циклона; 4 - центральный патрубок циклона; 5 - нижний конус циклона; 6 - верхний конус циклона; 7 - втулка верхнего конуса циклона; 8 - конический отбойник центрального патрубка циклона; 9 - пространство для выхода отсепарированного газа из циклона; 10 - горизонтальная перегородка между блоками В и С; 11 - патрубок с коническим концом, соединяющий полое пространство 9 и вход в трубное пространство 13 теплообменного блока; 12 - теплообменный блок; 13 - теплообменные элементы - трубы теплообменного блока; 14 - трубка, соединяющая выход газа из трубного пространства теплообменного блока с входом в вихревую камеру; 15 - вихревая камера охладителя; 16 - горизонтальная перегородка между блоками С и G; 17 - дроссельная трубка; 18 - горячий конец вихревого охладителя; 19 - сжиженный газ (хладагент) горячего конца охладителя; 20 - горизонтальная перегородка между блоками G и Е; 21 - отбойник горячего конца; 22 - конический сетчатый отбойник (демистер); 23 - полое пространство над сетчатым отбойником; 24 - патрубок выхода газа низкого давления; 25 - вентиль - клапан точной регулировки; 26 - патрубок вывода отсепарированных фр. С+; 27 - патрубок вывода отсепарированного конденсата и примесей; 28 - горизонтальная перегородка между блокам А и В; 29 - патрубок выхода сжиженного газа; 30 - труба для слива сжиженного газа из межтрубного пространства теплообменного блока 12; 31 - сжиженный природный газ; 32 - консольная опора установки емкости-криостата; 33 - теплоизоляция экранно-вакуумная; 34 - насыпная теплоизоляция (перлитная крошка);
Технический результат способа сжижения природного газа заключается в следующем:
Исходный поток природного газа I поступает в емкости-криостата 1, посредством патрубка 2 (3) тангенциального входа в циклонный сепаратор, состоящего из элементов 4, 5, 6, 7 и 8 (назначение элементов подробно описано выше), с помощью которого осуществляется сепарация газожидкостного потока природного газа от конденсата и примесей (блок А и В).
В результате действия центробежных сил, конденсат и примеси накапливаются в периферийной области циклона, а затем выводятся посредством зазора между кромкой нижнего конуса циклона 5 и внутренней стенкой емкости-криостата 1 и накапливаются в сборнике - сверху горизонтальной перегородки 28, а затем выводятся посредством патрубка 27 за пределы емкости (блок В).
Отсепарированный в циклоне газ, поступает в верхний кольцевой зазор между втулкой верхнего конуса 6 и центрального патрубка 4 конического отбойника центрального патрубка циклона 8 и выходит в полое пространство 9, а затем поступает в патрубок 11 теплообменного блока 12 (блок В и С).
В результате рекуперации «тепла», холодного потока, поступающего в межтрубное пространство рекуперативного теплообменника, охлажденный в трубном пространстве 13 поток газа поступает, посредством соединительной трубки 14 на вход камеры вихревого охладителя 15, установленной снизу горизонтальной перегородки 16 (блок С и G).
Охлаждение основной части (порядка 2/3 высоты) горячего конца, размещенной в блоке G, осуществляется, холодным потоком, дросселируемым из межтрубного пространства теплообменного блока 12 посредством дроссельной трубки 17 в сборник, размещенный над горизонтальной перегородке 16.
2
Выходящий горячий поток из горячего конца 18 вихревого охладителя подвергают сепарации от тяжелых углеводородов фр. С+ с помощью отбойного патрубка 21, установленного соосно на конце горячего конца.
Процесс сепарации тяжелых фракций углеводородов осуществляется из вращающегося вихревого горячего потока, происходящего внутри горячего конца охладителя. В результате процесса центробежной сепарации, при которой наиболее тяжелые фракции концентрируются в периферийной зоне и выносятся, поступая в кольцевую щель отбойного патрубка 21 и далее, накапливаются на поверхности горизонтальной перегородки 20, а затем выводятся посредством патрубка 26 за пределы емкости.
Горячий поток газа, выходящий через центральное отверстие в отбойном патрубке 21, затем поступает на конический сетчатый отбойник 22, с помощью которого газ сепарируется от остаточной влаги в виде сконденсированных капель конденсата. Отделенный конденсат стекает по периферии внутренней обечайки емкости на горизонтальную перегородку 20, а затем выводится посредством патрубка 26 за пределы емкости.
Отсепарированный газ низкого давления после сетчатого конического отбойника 22 выводится посредством патрубка, размещенного в верхней части емкости. Расход газа регулируется вентилем-клапаном точной регулировки 25, установленный на патрубке 24.
емкости. Расход газа регулируется вентилем-клапаном точной регулировки 25, установленный на патрубке 24.
Для сохранения низких температур и нормального режима технологических процессов, осуществляемых в емкости-криостате, на корпусе размещена тепловая изоляция.
В качестве теплоизоляции использовано две герметичные рубашки, в которых размещена тепловая изоляция: в первой, примыкающая к корпусу емкости-криостата использована экранно-вакуумная 33, а в наружной рубашке размещена насыпная - перлитная крошка. Причем, первая рубашка охватывает весь корпус емкости-криостата, а вторая рубашка охватывает основную нижнюю часть корпуса до верхней границы (до уровня блока G).
Таким образом, по сравнению с известными способами, предлагаемый способ обладает следующими существенными преимуществами:
- способ включает оптимальную и технологически обоснованную последовательность технологических процессов, для достижения конечной цели сжижения природного газа;
- обоснование принятой последовательности, начиная от подготовки и очистки исходного потока газа до конечной цели сжижения газа диктуется тем, что именно на начальной стадии необходимо очистить исходный поток газа от ненужного балласта. При этом, выбран процесс наиболее эффективный, с минимальными энергетическими потерями давления.
Сепарационный процесс является противоточным, т.к. разделяемые потоки очищаемого газа и балласта расходятся в противоположных направлениях, что характерно для процесса центробежной сепарации в циклоне;
- все проводимые технологические процессы от подготовки газа, рекуперации теплообменных процессов ступенчатой сепарации до конечного процесса сжижения и получения конечных продуктов осуществляются в одном секционном аппарате емкости- криостате с эффективной теплоизоляцией корпуса, что позволяют оптимизировать процесс сжижения.
Аналогом устройства для реализации предлагаемого способа сжижения природного газа является способ (патент RU 21500959, F25J 1/00, 2012 - [3]).
В данном изобретении вихревая труба размещена в трехсекционной емкости-сепараторе, разделенной горизонтальными перегородками. Вихревая труба размещена вертикально, причем в нижней секции размещен холодный конец трубы, в средней секции размещен горячий конец трубы, охлаждаемый холодным потоком, поступающим тангенциально из нижней секции после рекуперации теплоты при охлаждении исходного потока на входе в вихревую трубы в нижней секции. Из горячего потока сепарируется жидкая фаза, которая смешивается с поступающей жидкой фазой холодного потока и с отсепарированной остаточной жидкой фазой, выделенной в верхней секции емкости-сепаратора.
Несмотря на заявленные технические цели, изобретение имеет следующие недостатки:
- предварительное охлаждение исходного газа осуществляется в выносном рекуперативном теплообменнике, поэтому процесс теплообмен осуществляется вне емкости- сепаратора, что приведет к теплопотерям, а следовательно, к снижению эффективности теплообмена;
- сложность регулирования расхода (отвода)горячего потока, заключающегося в практическом использовании управления рукояткой с штоком, размещенном на значительном расстоянии от цилиндрической части сепарирующего устройства, с помощью которого осуществляется изменение просвета окон (сечения) регулирующих расход выходящего горячего потока газа, от которого зависит эффективность работы вихревой трубы, а, следовательно, производимой холодопроизводительности вихревой трубы.
Прототипом предлагаемого изобретения - устройства является (патент RU, 2103620, F25B 9/02, 1998 - [4]).
Технический результат устройства - установки достигается тем, криостат разделен на верхнюю и нижнюю зоны, при этом в верхней зоне размещен разветвтленный коллектор подвода газа высокого давления теплообменника, вихревые охладители, отводы газа низкого которых сообщены с зоной низкого давления теплообменника, а отводы жидкости их вихревых охладителей соединены с нижней зоной криостата дросселем с верхней зоной.
Несмотря на заявленные преимущества данного изобретения, оно не лишено недостатков, из которых, к главным можно отнести следующие:
- слишком сложные соединения элементов вихревых охладителей и их соединения с кольцевыми коллекторами рекуперативного теплообменника, а это трубки подвода к охладителям. Их многочисленность и требуемая точность работы мультивихревых охладителей, которые требуют шлифовки т.к. они работают при сверхзвуковых скоростях, практическое изготовление и монтаж вызовет затруднение, как и вся конструкция криостата в целом;
- данная конструкция криостата предусматривает подачу исходного потока природного газа предварительно подготовленным, т.е. строго кондиционного состава без посторонних влаги и примесей, что практически почти исключение, а также отсутствие других углеводородных фракций.
Отмеченные недостатки аналога и прототипа устройства позволяют создать устройство для сжижения природного газа, с устранением указанных выше недостатков.
Техническая сущность заявляемого устройства для сжижения природного газа и способа для его реализации, представлена на фигуре 1, где изображен схематический разрез устройства.
Устройство представляет собой вертикальную емкость-криостат, которая разделена горизонтальными перегородками на секции - блоки.
В каждом блоке включены следующие аппараты и конструктивные элементы:
Блок А - ограничен сверху горизонтальной перегородкой 28, а снизу сферическим днищем корпуса емкости 1. Нижняя часть емкости является сборником продуктового сжиженного газа, который поступает по трубе 30, а вывод сжиженного газа осуществляется через патрубок 29;
Блок В - ограничен снизу перегородкой 28, а сверху горизонтальной перегородкой 10. В блоке размещен циклонный сепаратор, который состоит из элементов: нижнего полого конуса 5, с диаметром раструба меньше, по отношению к внутреннему диаметру обечайки емкости, при этом образуется зазор между кромкой конуса и внутренней обечайкой емкости. Полый конус 5 снизу соединен с центральным патрубком 4 и верхним коническим отбойником 8, кромки которого размещены горизонтально на уровне размещения верхней границы обрамляющей верхнего полого конуса 6 с диаметром конуса раструба, равного диаметру внутренней обечайки емкости, а кромки конуса вплотную примыкают к внутренней стенке емкости, при этом, конус по меньшему сечению соединен соосно с втулкой 7 таким образом, что имеется кольцевой зазор между втулкой 7 и центральным патрубком 4.
Блок С - ограничен нижней перегородкой 10, а сверху горизонтальной перегородкой 16. Блок включает размещенный в данном блоке-секции теплообменный блок 12, представляющий собой рекуперативный теплообменник, состоящий из межтрубного и трубного 13 пространства.
Межтрубное пространство теплообменного блока 12 соединено с холодным концом вихревой камеры 15 вихревого охладителя. Выход из межтрубного пространства осуществляется снизу, посредством трубы 30, проходит через горизонтальную перегородку 10, затем внутри центрального патрубка 4 и проходит через горизонтальную перегородку 28 и выходит в кубовую часть емкости-криостата 31.
Дополнительный выход из межтрубного пространства теплообменника 12 осуществляется посредством патрубка 17 сообщающего с пространством над горизонтальной перегородкой 16.
Вход в трубное пространство теплообменника осуществляется посредством патрубка с коническим концом 11, вход в который осуществляется из полого пространства 9 потока газа, выходящего из циклона.
Блок G - размещен между горизонтальной перегородкой 16 и перегородкой 20. В блоке размещена большая часть горячего конца 18 вихревого охладителя. Сверху перегородки накапливается хладагент-сжиженный природный газ, поступающий из блока С по соединительной трубке 17.
Блок Е - размещен в верхней зоне внутреннего пространства емкости-криостата 1. В полости горячего конца охладителя размещены:
отбойник 21, предназначенный для сепарации тяжелых углеводородов, а сверху размещен сетчатый отбойник 22 для сепарации газа от остаточного конденсата, который выводится с горизонтальной перегородки 20, посредством патрубка 26 за пределы емкости. Из верхней зоны 23 емкости 1 отвод газа низкого давления осуществляют посредством патрубка 24, на котором размещен вентиль-клапан точной регулировки 25, с помощью которого осуществляют отбор и регулировку режима работы вихревого охладителя 15.
Корпус емкости-криостата имеет две защитные герметичные рубашки, размещенные на наружной поверхности, в которых размещена теплоизоляция. В первой рубашке, закрывающей снаружи всю наружную поверхность корпуса емкости-криостата, размещена экранно-вакуумная изоляция 33, во второй рубашке 34, которая обрамляет почти всю поверхность первой рубашки (доходит по высоте снизу и до уровня блока G), в ее полости размещена насыпная (перлитная крошка).
2
Для достижения технического результата - устройство для реализации заявляемого способа сжижения природного газа, содержащее сепаратор, рекуперативный теплообменник, вихревой охладитель, с линиями подачи и отводов холодного и горячего потоков газа, которые размещены в секционной вертикальной емкости-криостате, разделенной горизонтальными перегородками на секции-блоки, причем, в нижней секции размещен циклонный сепаратор и сборник товарного сжиженного газа, разделенные между собой горизонтальной перегородкой, в средней секции размещен теплообменный блок, также отделенный снизу и сверху горизонтальными перегородками, причем в нижней перегородке, размещенной на некотором расстоянии от верхнего конуса циклона имеется патрубок с коническим входом на конце патрубка, установленного через отверстие в горизонтальной перегородке, а сверху горизонтальная перегородка плотно примыкает к холодному концу вихревого охладителя и имеет выход в межтрубное пространство теплообменника, с которым соединен патрубок, верхний конец которого выходит сквозь верхнюю перегородку в пространство над перегородкой, а выход их трубного пространства теплообменника соединено патрубком с входом в камеру вихревого охладителя, а горячий конец охладителя, размещенный в верхней секции емкости разделен горизонтальной перегородкой находящейся на расстоянии порядка 2/3 высоты от нижней горизонтальной перегородки, а на конце горячего конца размещено отбойное устройство, дополнительно в верхней зоне расположен конический сетчатый отбойник, на уровне верхней горизонтальной перегородки размещен патрубок для вывода отсепарированных углеводородов С+, а в верхней части емкости-криостата имеется патрубок с коническим раструбом внутри емкости, а на выходящем участке патрубка за пределами емкости размещен вентиль-клапан точной регулировки, для вывода низконапорного газа, также в нижней части циклонного сепаратора имеется патрубок вывода отсепарированного конденсата и примесей, а из кубовой части емкости-криостата имеется патрубок вывода сжиженного газа, при этом, корпус емкости-криостата заключен в герметичную рубашку, в которой размещена, например, экранно-вакуумная теплоизоляция, а сверху имеется дополнительная герметичная рубашка, которая закрывает корпус емкости - криостата, до верхнего уровня конца вихревого охладителя, в полости этой рубашки размещена, например, насыпная теплоизоляционная насадка (перлитная крошка).
Для дополнительного разъяснения работы и достижения технического результата заявляемого изобретения можно отметить следующее: - в представленных прототипах способа и устройства компримированный (сжатый) природный газ, подвергаемый дроссельному рекуперативному способу сжижения, поступает после подготовки, включающей очистку и осушку от влаги и тяжелых углеводородных фракций, а также, в некоторых случаях, внешней рекуперации в теплообменных аппаратах, что приводит к дополнительным расходам энергоразделения и снижает энергоэффективность процесса сжижения;
- подбор наиболее рациональной последовательности технологических процессов и эффективного использования начального входящего давления компримированного газа, включая центробежную сепарацию, рекуперативный теплообмен, вихревое сжижение очищенного потока газа и дополнительное сепарирование отходящего газа низкого давления позволяют минимизировать, в целом, криогенный процесс сжижения природного газа и повысить его эффективность;
- указанная совокупность законченных циклов отдельных процессов, осуществляемых в комбинированном едином аппарате емкости-криостате,
при использовании двухступенчатой тепловой изоляции, позволяет избежать теплопотерь, что особенно важно при проведении низкотемпературных криогенных процессов сжижения, а значит достичь эффективности процесса сжижения.
Выбор конкретных процессов и их последовательность, в частности первым по ходу выбран циклонный центробежный сепаратор, который обладая преимуществами: высокой эффективностью работы (не менее 98-99%), при минимальных сопротивлениях, обеспечивающих разделение в поле центробежных сил вращающейся газожидкостной смеси, из которой с периферийных зон отделяется тяжелая фаза, в виде конденсата и нежелательных примесей, которая стекает в кольцевую щель, образованную между нижним конусом циклона и корпусом емкости, накапливается в кубовом пространстве емкости, а затем выводится.
Особенностью сепарации в циклоне является то, что разделяемые фазы газ и конденсат отводятся в противоположных направлениях, не контактируя между собой. Выходящий сверху очищенный поток газа рекуперируется в теплообменнике холодным, выходящим из вихревого охладителя и охлажденным поступает на вход в вихревую камеру, в которой осуществляется изоэнтропийное расширение (адиабатное), т.е. обратимое расширение при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Это позволяет получить повышение максимально возможной эффективности сжижения, поскольку камера энергетического разделения вихревого охладителя дополнительно охлаждается, за счет более холодного потока газа, а также, за счет дополнительного охлаждения горячего конца вихревого охладителя.
Выходящий из вихревого охладителя горячий поток также подвергается охлаждению частью холодного потока, отбираемого из теплообменного блока, накапливаясь на верхней горизонтальной перегородке, посредством трубки 17. Из горячего потока сепарируются остаточные количества тяжелых углеводородных фракций, с помощью отбойного колпачка на отводе горячего потока и сетчатого отбойника.
Регулирование расхода горячего потока, являющегося газом низкого давления, осуществляется вентилем-клапаном, размещенном на патрубке, с коническим концом. Наличие на патрубке конуса позволяет снизить гидродинамическое сопротивление выходящего горячего потока, а это имеет значение для регулирования параметров работы вихревого охладителя. Так как установленный на выходном патрубке вентиль-клапан точной регулировки влияет на режим работы вихревого охладителя.
Предлагаемый способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления позволит реализовать предлагаемую технологию (способ) и устройство, с целью поставленной технической цели.
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленного способа и устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует из общественных правил известных технологий способов сжижения природного газа и устройств для их реализации, что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляют никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент RU 2158400, F25J 1/00, 2000.
2. Патент 2103620, F25B 9/02, 1998 - прототип способа.
3. Патент RU 21500959, F25J 1/00, 2012
4. Патент 2103620, F25B 9/02, 1998 - прототип устройства.