Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЧАСТИЧНОГО СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Изобретение относится к области сжижения газов и их смесей, в частности, к частичному сжижению природного газа на газораспределительных станциях за счет использования перепада давлений между магистральным и распределительным газопроводами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ частичного сжижения природного газа, включающий разделение потока природного газа высокого давления на технологический и продукционный потоки, дросселирование продукционного потока газа после его охлаждения с образованием парожидкостной смеси, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы с последующим направлением в обратный поток несконденсировавшегося природного газа, расширение технологического потока газа с понижением его температуры и возвращение его обратным потоком с охлаждением продукционного потока газа (RU 2127855 C1, опубл. 20.03.1999, МПК6 F25J 1/00, F25B 9/02).

Недостатком известного способа является невозможность его использования для сжижения природного газа, имеющего в своем составе высокое содержание диоксида углерода, поскольку при осуществлении способа возможна кристаллизация диоксида углерода и забивка им оборудования.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение производительности и надежности процесса сжижения природного газа, имеющего в исходном составе большое содержание диоксида углерода (не менее 0,6% (6000 ppm)), а также уменьшение доли высококипящих компонентов в сжиженном природном газе.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе частичного сжижения природного газа, включающем разделение потока природного газа высокого давления на технологический и продукционный потоки, дросселирование продукционного потока газа после его охлаждения с образованием парожидкостной смеси, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы с последующим направлением в обратный поток несконденсировавшегося природного газа, расширение технологического потока газа с понижением его температуры и возвращение его обратным потоком с охлаждением продукционного потока газа, отличающийся тем, что продукционный поток газа перед последовательным охлаждением газа в предварительном, основном и дополнительном теплообменниках подвергают осушке и очистке от CO₂, а технологический поток газа осушают, охлаждают, после чего расширяют в дроссельном вентиле первой ступени, затем дополнительно охлаждают, расширяют в дроссельном вентиле второй ступени и смешивают с нагретым в дополнительном теплообменнике обратным потоком несконденсировавшегося природного газа, причем температуру газа перед дроссельным вентилем второй ступени выбирают минимальнодопустимой, при которой не происходит кристаллизация CO₂ после прохождения газа через дроссельный вентиль второй ступени.

На фиг.1 представлена блок-схема установки для реализации предлагаемого способа частичного сжижения природного газа на газораспределительных станциях. На фиг.2 представлен график зависимости паросодержания в сепараторе (линия продукционного потока) от суммарного содержание высококипящих компонентов (ВКК) в сжиженном природном газе (СНГ).

Установка для реализации способа частичного сжижения природного газа включает в себя источник газа высокого давления 1, например, магистральный трубопровод, трубопровод газа низкого давления 15, например, распределительный трубопровод, линию технологического потока 3, линию продукционного потока 14, линию обратного потока 12, блок осушки технологического и продукционного потоков газа 2, блок очистки продукционного потока от диоксида углерода 13, предварительный теплообменник 4, основной теплообменник 11, дополнительный теплообменник 10, дроссельный вентиль 7, дроссельные вентили первой 5 и второй 6 ступеней, сборник-сепаратор 9, трубопровод слива жидкости 8 из сборника-сепаратора.

Каждый из блоков осушки и очистки технологического и продукционного потоков газа 2 и 13 может быть выполнен из двух переключающихся адсорберов с системой регенерации адсорбента и предварительного охлаждения осушаемого газа.

Предварительный и основной теплообменники 4 и 11 представляют собой трехпоточные теплообменники, через которые проходят два потока высокого давления линий технологического и продукционного газа 3 и 14, и один поток низкого давления линии обратного потока 12.

Способ реализуется следующим образом.

Поток газа высокого давления отбирают из источника высокого давления 1 и разделяют на технологический 3 (84%) и продукционный 14 (16%) потоки. Технологический поток 3 направляют на адсорбционный блок осушки потока газа 2 и прямым потоком пропускают через предварительный трехпоточный теплообменник 4, где его охлаждают обратным потоком (до температуры 252 K), а затем направляют через дроссельный вентиль 5, в котором газ расширяют до промежуточного давления (25 бар), после чего охлаждают в основном теплообменнике 11 до температуры 182 K, далее расширяют в дросселе 6 до давления трубопровода газа низкого давления 15 с понижением температуры до 155 K (исходя из максимальной растворимости CO₂ в газе при давлении 6 бар) - температура за дросселем 6 определяет температуру перед ним, и в качестве обратного потока пропускают через основной 11 и предварительный 4 теплообменники, охлаждая прямые потоки. Продукционный поток пропускают через блок осушки 2 и блок очистки 13 и прямым потоком направляют последовательно через предварительный трехпоточный теплообменник 4, основной трехпоточный теплообменник 11 и дополнительный теплообменник 10, где его охлаждают обратным потоком и расширяют, пропуская через дроссельный вентиль 7. После дросселирования газ направляют в сборник-сепаратор 9, после чего жидкую фазу через трубопровод слива жидкости 8 направляют в емкость (на фиг.1 не показано) для отправки потребителю, а не сжиженную часть газа возвращают через линию обратного потока 12, через теплообменники 10, 11 и 4 в трубопровод газа низкого давления 15.

Дополнительный теплообменник 10 нагревает обратный поток до температуры, достаточной для того, чтобы при смешении обратного и технологического потоков, поступающих в основной теплообменник 11, исключить выпадение CO₂ из смеси, поскольку при смешении технологического потока, имеющего температуру, близкую к температуре вымерзания CO₂, и обратного потока, имеющего наиболее низкую температуру в установке, присутствует повышенный риск выпадения CO₂ из смеси.

Чтобы исключить выпадение твердых частиц CO₂ при расширении газа, температура газа во время расширения в дроссельном вентиле 6 (дроссельный вентиль второй ступени) должна быть выше температуры кристаллизации CO₂ в одной и более фазах, образующихся при расширении. Для этого температуру газа перед дроссельным вентилем второй ступени выбирают минимальнодопустимой, при которой не происходит кристаллизация CO₂ после прохождения газа через дроссельный вентиль второй ступени. При дросселировании с заданным перепадом давления согласно эффекту Джоуля-Томпсона температура за дросселем зависит от температуры перед дросселем через соотношение:

T2=T1-α_h(P1-P2),

где T2 - температура за дроссельным вентилем второй ступени, T1 - температура перед дросселем, α_h - дифференциальный температурный эффект дросселирования (для метана ≈0,5-0,7 K/бар), P1 - давление перед дросселем (задано), P2 - давление за дросселем (задано).

Чтобы температура за дроссельным вентилем второй ступени (T2) была больше температуры кристаллизации при P2 (Tкр) при заданном перепаде давления температура перед дроссельным вентилем второй ступени (T1) должна удовлетворять условию:

T1=Tкр+α_h(P1-P2).

Схема простого дросселирования предполагает расширение потока сырьевого природного газа в дросселе продукционного потока полностью. При этих параметрах тяжелые углеводороды и углекислый газ, присутствующие в исходном газе, практически полностью сжижаются и растворяются в жидком метане. Доля их в сжиженном природном газе естественным образом увеличивается. С разделением сырьевого потока на продукционный и технологический баланс установки практически не меняется (коэффициент сжижения остается практически неизменным). Однако за счет разделения величина продукционного потока уменьшается. Тогда применимы следующие равенства:

k_L1=G(1-φ₁)

k_L2=Gψ(1-φ₂)

k_L1≈k_L2

1-φ₂≈(1-φ₁)/ψ

1>ψ>0

φ₂<φ₁

Здесь k_L1, k_L2 - коэффициенты сжижения простого дроссельного цикла и двухпоточного дроссельного цикла соответственно; G - массовый расход сырьевого газа; ψ - массовая доля продукционного потока; φ₁ - массовое паросодержание в продукционном потоке простого дроссельного цикла; φ₂ - массовое паросодержание в продукционном потоке двухпоточного цикла. Влияние паросодержания в линии продукционного потока на суммарное содержание высококипящих компонентов в сжиженном природном газе при давлении 0,6 МПа показано на фиг.2 (суммарное содержание высококипящих компонентов в сырьевом газе - 5 мол. %). На фиг.2 показано, что со снижением паросодержания снижается доля высококипящих компонентов в сжиженном природном газе, следовательно, качество сжиженного природного газа повышается.

Применение двухступенчатого дросселирования позволяет улучшить эффективность предварительного теплообменника, поскольку температура перед дроссельным вентилем будет меньше, чем в случае применения одноступенчатого дросселирования. Это позволяет уменьшить долю технологического потока, и, соответственно, увеличить производительность установки. В схеме с однократным дросселированием среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике составляет 25 K, тогда как для схемы с двухкратным дросселированием среднелогарифмическая разность температур в предварительном теплообменнике составляет 8 K.

Использование данного изобретения позволяет повысить производительность и надежность процесса частичного сжижения природного газа, имеющего в исходном составе большое содержание диоксида углерода, а также уменьшить долю высококипящих компонентов в сжиженном природном газе.