Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Предлагаемое изобретение относится к криогенике, в частности к технике сжижения природного газа, и может быть использовано в газовой промышленности, а также в технических процессах сжижения природного газа как на специальных производствах, так и непосредственно на газораспределительных станциях (ГРС) магистральных газопроводов.

Известен способ сжижения природного газа, использующий эффект Ранка, при котором нерасширившийся газ очищают от примесей, охлаждают в теплообменном аппарате и в вихревой трубе с разделением на охлажденный и подогретый потоки, отделяют образовавшийся сжиженный газ и собирают его в накопительной емкости; подогретый поток возвращают на охлаждение в теплообменный аппарат и процесс охлаждения повторяют (Патент US 3775988, МПК F 25 J 1/00, F 25 J 3/02, опубл. 04.12.1973).

Недостатками известного способа являются: незначительный выход конденсата от 0,03 до 0,15 при необходимости нескольких стадий сжатия-расширения; сложность отделения капель конденсата от основного потока, для этого используется либо одна из вихревых труб, работающая фактически как циклон, либо специальная ректификационная установка.

Из известных способов сжижения природного газа наиболее близким к заявляемому, является способ, по которому нерасширившийся газ очищают от примесей, разделяют на два потока, первый поток пропускают через вихревую трубу с разделением на охлажденный и подогретый потоки, охлажденный поток подают в межтрубное пространство рекуперативного теплообменного аппарата, а затем к потребителю, а подогретый поток из вихревой трубы подают к потребителю редуцированного газа; второй поток нерасширившегося газа подают на сжижение по трубам теплообменного аппарата, где его охлаждают и дросселируют перед сбором в накопительной емкости. Отношение массовых расходов охлажденного газа на выходе из вихревой трубы и общего газа, поступающего в нее, составляет 0,4-0,7 (патент RU 2158400 С1, МПК⁷ F 25 J 1/00, дата публикации 27.10.2000, Способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления, авторы Ю.В.Чижиков, Я.М.Визель).

Недостатком известного способа является сравнительно невысокий выход конденсата от 0,05 до 0,2.

Известно устройство для сжижения природного газа, содержащее линию подачи нерасширившегося газа, фильтр для очистки газа от примесей, теплообменный аппарат, противоточную вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата (патент US 3775988, МПК F 25 J 1/00, F 25 J 3/02, опубл. 04.10.1973).

Из известных устройств для сжижения природного газа наиболее близким к заявляемому является устройство, содержащее узел разделения нерасширившегося газа на две линии, фильтр для очистки газа от примесей, теплообменный аппарат, дроссельное устройство, вихревую трубу с линиями подачи и отвода газа и сборник конденсата (патент RU 2158400 С1, МПК⁷ F 25 J 1/00, дата публикации 27.10.2000, Способ сжижения природного газа и устройство для его осуществления, авторы Ю.В.Чижиков, Я.М.Визель).

Известные устройства для сжижения природного газа также не обеспечивают достаточной доли выхода конденсата.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение доли выхода конденсата при бескомпрессорном получении сжиженного природного газа с использованием перепада давлений на ГРС между магистральным и идущим на потребление газом.

Технический результат достигается тем, что в способе сжижения природного газа, включающем очистку нерасширившегося газа от примесей, разделение его на потоки, первый поток нерасширившегося газа охлаждают в разделительной вихревой трубе с разделением на охлажденный и подогретый газ при отношении массовых расходов охлажденного газа на выходе из трубы и общего газа, поступающего в нее, составляющем 0,4-0,7, при этом охлажденный газ из вихревой трубы отводят к потребителю редуцированного газа, а второй поток нерасширившегося газа подают на сжижение - охлаждают в рекуперативном теплообменном аппарате, дросселируют и собирают образовавшийся конденсат в накопительной емкости, согласно изобретению нерасширившийся газ разделяют на три потока, при этом третий поток охлаждают в вихревой трубе с дополнительным потоком, при этом охлажденный газ из нее дросселируют, пропускают по тракту рекуперативного теплообменного аппарата, тем самым частично охлаждая нерасширившийся поток газа, подаваемый на сжижение, и отводят к потребителю редуцированного газа, а подогретый газ из нее отводят к потребителю редуцированного газа более высокого давления, при этом охлажденный газ из разделительной вихревой трубы первого потока перед отводом к потребителю редуцированного газа пропускают по тракту системы рекуперативных теплообменных аппаратов, частично охлаждая нерасширившийся поток газа, подаваемый на сжижение, а подогретый газ из нее дросселируют, охлаждают в теплообменном аппарате и подают в качестве дополнительного потока в вихревую трубу с дополнительным потоком, а второй поток нерасширившегося газа перед дросселированием подают на сжижение по тракту системы рекуперативных теплообменных аппаратов, при этом отношение массового расхода газа, подаваемого на сжижение, к общему расходу газа, поступающего в вихревые трубы, составляет 0,07-0,22.

Технический результат достигается тем, что устройство для сжижения природного газа, содержащее фильтр очистки нерасширившегося газа от примесей, узел разделения линии его подачи на линии, первая из которых присоединена к разделительной вихревой трубе, линия отвода охлажденного газа которой подсоединена к потребителю редуцированного газа, а вторая линия присоединена через дроссельное устройство к сборнику конденсата, согласно изобретению снабжено узлом разделения подачи нерасширевшегося газа, выполненным в виде узла разделения на три линии, выполненным в виде узла разделения линии подачи нерасширившегося газа на 3 линии, при этом третья линия подсоединена к вихревой трубе с дополнительным потоком, линия отвода охлажденного газа которой подсоединена через дроссельное устройство к рекуперативному теплообменному аппарату системы рекуперативных теплообменных аппаратов, а затем к потребителю редуцированного газа, а линия отвода подогретого газа - к потребителю редуцированного газа более высокого давления, при этом линия отвода охлажденного газа из разделительной вихревой трубы подсоединена к системе рекуперативных теплообменных аппаратов и далее к потребителю редуцированного газа, а линия отвода подогретого газа из нее через дроссельное устройство и теплообменный аппарат подключена к приосевой области вихревой трубы с дополнительным потоком, вторая линия подачи нерасширившегося газа соединена с дроссельным устройством через систему рекуперативных теплообменных аппаратов.

Разделение нерасширившегося газа на три потока позволяет получить более глубокое охлаждение потока, идущего непосредственно на сжижение.

Использование вихревой трубы с дополнительным потоком как наиболее эффективной по холодопроизводительности также позволяет эффективно охлаждать поток газа, идущий на сжижение, а использование подогретого потока из нее позволяет исключить фактор обмерзания конструкции. Пределы 0,7-1,2 (отношение массовых расходов дополнительно вводимого и поступающего в вихревую трубу основного потоков газа) являются оптимальными по холодопроизводительности.

Использование системы рекуперативных теплообменных аппаратов целесообразно для обеспечения согласования температурных уровней непосредственно теплообменного аппарата и охлаждения газа от разделительной вихревой трубы, идущего для организации процесса предварительного охлаждения новой порции газа.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для сжижения природного газа.

Способ сжижения природного газа осуществляют следующим образом. Нерасширившийся газ очищают от примесей, разделяют на три потока. Третий поток поступает в вихревую трубу с дополнительным потоком. При этом отношение массовых расходов дополнительно вводимого и подаваемого в вихревую трубу основного потоков газа составляет 0,7-1,2. Степень понижения давления в вихревой трубе (отношение давления на входе в вихревую трубу к давлению охлажденного газа на выходе из нее) составляет 4-7. Охлажденный газ из вихревой трубы дросселируют, охлаждают в рекуперативном теплообменном аппарате и отводят к потребителю редуцированного газа. Подогретый газ из нее также отводят к потребителю редуцированного газа более высокого давления. Первый поток нерасширившегося газа поступает в разделительную вихревую трубу. Отношение массовых расходов охлажденного газа на выходе из вихревой трубы и общего газа, поступившего в нее, составляет 0,4-0,7. Степень понижения давления в разделительной вихревой трубе составляет 4-7. Подогретый газ из вихревой трубы дросселируют, охлаждают в рекуперативном теплообменном аппарате (например, воздушно-водяном) до температуры окружающей среды и подают в вихревую трубу с дополнительным потоком в качестве дополнительного потока. Охлажденный газ из нее далее пропускают через систему рекуперативных теплообменных аппаратов при учете согласования температурных уровней, где он смешивается с охлажденным газом из вихревой трубы с дополнительным потоком и отводится к потребителю. Согласование температурных уровней осуществляют во избежание необратимых потерь от смешения потока газа низкого давления, имеющего на выходе из рекуперативного теплообменного аппарата, расположенного на линии отвода несжиженной части газа из конденсатора, температуру, более высокую, чем температура охлажденного потока газа на выходе из разделительной вихревой трубы, посредством установки дополнительного теплообменного аппарата, в котором охлажденный газ из разделительной вихревой трубы нагревается за счет теплообмена с нерасширившимся потоком газа до температуры, равной температуре потока газа низкого давления на выходе из теплообменного аппарата, расположенного на линии отвода несжиженной части газа, при этом температура потока газа, подаваемого на сжижение, на входе в тот же теплообменный аппарат, замыкающий систему рекуперативных теплообменных аппаратов, превышает температуру потока газа низкого давления на величину недорекуперации в теплообменном аппарате. Первый и третий потоки обеспечивают предварительное захолаживание второго потока, который подают непосредственно на сжижение по тракту системы рекуперативных теплообменных аппаратов, дросселируют при отношении давлений на входе и на выходе из нее 4-7 и собирают конденсат в накопительной емкости. Конденсат отводят из сборника конденсата, а несжиженный газ низкой температуры подают в межтрубное пространство теплообменного аппарата системы рекуперативных теплообменных аппаратов для организации процесса предварительного охлаждения новой порции газа. При этом отношение массового расхода газа, подаваемого на сжижение, к общему расходу газа, поступающего в вихревые трубы, составляет 0,07-0,22. Поток газа высокого давления, подаваемый на сжижение, обменивается энергией с потоками газа низкого давления за счет теплопередачи через теплопередающие поверхности системы рекуперативных теплообменных аппаратов при реализации противоточной схемы движения теплоносителей, в результате чего происходит ступенчатое захолаживание потока газа высокого давления перед его дросселированием до давления в сети потребителя.

Устройство для сжижения природного газа содержит фильтр 1, узел разделения 2 линии подачи нерасширившегося газа на три линии 3, 4, 5. Линия 3 подсоединена к вихревой трубе с дополнительным потоком 6, линия отвода охлажденного газа из которой подсоединена через дроссельное устройство 7 к рекуперативному теплообменному аппарату 8 системы рекуперативных теплообменных аппаратов 9, а затем к линии потребителя редуцированного газа 10, а линия отвода подогретого газа из нее - к линии потребителя редуцированного газа более высокого давления 11. Линия 4 подсоединена к разделительной вихревой трубе 12, линия отвода подогретого газа из которой подсоединена через рекуперативные теплообменные аппараты газ-газ 13, 14 и 8 системы рекуперативных теплообменных аппаратов 9, к линии потребителя редуцированного газа 10, а линия отвода подогретого газа из нее подсоединена через дроссельное устройство 15 и рекуперативный теплообменный аппарат 16 (например, воздушно-водяной) к приосевой области вихревой трубы с дополнительным потоком 6. Линия 5 подключена через систему рекуперативных теплообменных аппаратов 9 и дроссельное устройство 17 к сборнику конденсата 18, имеющего линию отвода несжиженного газа 19 к рекуперативному теплообменному аппарату 20 системы рекуперативных теплообменных аппаратов 9 и линию отвода сжиженного газа 21.

Устройство работает следующим образом. Нерасширившийся газ из магистрали высокого давления проходит через фильтр 1 и в узле 2 разделяется на три потока. Один поток по линии 3 поступает в вихревую трубу с дополнительным потоком 6, охлажденный газ из которой через дроссельное устройство 7 поступает в тракт рекуперативного теплообменного аппарата 8 системы рекуперативных теплообменных аппаратов 9 и затем по линии 10 отводится к потребителю редуцированного газа, подогретый газ из нее поступает по линии 11 к потребителю редуцированного газа более высокого давления. Другой поток нерасширившегося газа по линии 4 поступает в разделительную вихревую трубу 12, подогретый газ из которой через дроссельное устройство 15 и рекуперативный теплообменный аппарат 16 поступает в приосевую область вихревой трубы с дополнительным потоком 6 в качестве дополнительного потока. Оставшийся поток по линии 5 проходит по тракту системы теплообменных аппаратов 9 и, минуя дроссельное устройство 17, поступает в сборник конденсата 18. Несжиженный газ по линии 19 подается в рекуперативный теплообменный аппарат 20 системы рекуперативных теплообменных аппаратов 9, а сжиженный природный газ отводится по линии 21 к потребителю.

Пример осуществления изобретения.

При редуцировании природного газа на ГРС газ с параметрами входное давление Р_ВХ=6,0 МПа и входная температура Т_ВХ=300 К подают в установку на сжижение, где он разделяется на три потока. Один поток газа поступает в вихревую трубу с дополнительным потоком, доля дополнительно вводимых масс газа μ_Д=1,2, степень понижения давления π=6, минуя дроссельное устройство, поступает в теплообменный аппарат, а затем к потребителю. Второй поток газа поступает в разделительную вихревую трубу, откуда холодный поток в количестве μ=0,55, степень понижения давления π=6 поступает в межтрубное пространство теплообменного аппарата. Отношение расходов G₁/G₂=0,37, где G₁ - массовый расход через вихревую трубу с дополнительным потоком, G₂ - массовый расход газа через разделительную вихревую трубу. Третий поток газа поступает в систему рекуперативных теплообменных аппаратов, причем отношение температур на выходе из системы и на входе в нее составляет 0,71, затем дросселируется до давления P_f=1,0 МПа и поступает в сборник конденсата. Давление в сборнике конденсата P_f поддерживается на уровне, достаточном для безнасосной периодической перекачки сжиженного природного газа в транспортную емкость. При этом часть несконденсировавшегося газа низкой температуры отводится по магистрали через систему теплообменных аппаратов к потребителю. Отношение массового расхода газа, подаваемого на сжижение, к общему расходу газа, поступающего в вихревые трубы, составляет 0,07-0,22.

Очистка природного газа производится по известным технологиям.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет увеличить долю выхода сжиженного природного газа. Кроме того, размещение установки на ГРС с начальным давлением 4,0-6,0 МПа позволяет, при расширении до 0,4-0,6 МПа, получать сжиженный природный газ низкой себестоимости и исключить фактор обмерзания конструкции ГРС за счет использования подогретого газа из вихревой трубы с дополнительным потоком.