Способ получения гидратов из природного газа и льда

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может найти применение при разделении/очистке и хранении/транспортировке природного газа (ПГ) в виде гидрата в условиях холодного климата. Основными особенностями изобретения являются упрощение технологии получения гидратов ПГ и снижение затрат на производство за счет использования естественных климатических условий Арктики.

Применение газовых гидратов для хранения и транспортировки ПГ рассматривается довольно давно, однако практическое применение этих технологий крайне ограничено. Так, известно техническое решение [1. Watanabe S., Takahashi S., Mizubayashi H., Murata S., Murakami H. Demonstration project of NGH land transportation system / Proceedings of 6th International Conference on Gas Hydrates, Vancouver, Canada, 6-10 July 2008. - ICGH2008/pdfs/5442.pdf - 1 электрон, опт.диск (CD-ROM). - 8 p.; 2. Nakai, S. Development of natural gas hydrate (NGH) supply chain / Proceedings of the 25th world gas conferences, Kuala Lumpur, Malaysia, June 4-8, 2012.], где гидраты природного газа (ГПГ) образуются в реакторе проточного типа в процессе барботажа газовой фазы через воду, находящуюся в реакторе при термобарических условиях синтеза 5,3 МПа и 278 К. Образовавшаяся 10% суспензия ГПГ, за счет более низкой плотности, всплывает на поверхность водной фазы и через специальную трубу поступает в дегидратационную колонну, где при 5,5 МПа и 277 К в атмосфере природного газа происходит удаление излишка воды. Далее при 5,5 МПа и 277 К, через специальную систему отвода, 40% гидратная масса поступает в установку таблетирования/прессования, в которой дополнительно удаляется остаток влаги и формируются таблетки ГПГ различного размера с гидратосодержанием 70-98%. Для консервации полученных в виде таблеток синтетических газовых гидратов происходит их заморозка до 253 К в специальном охладительном аппарате работающем за счет процесса регазификации сжиженного природного газа (СПГ). После чего, избыточное давление газа-гидратообразователя в системе замораживания таблеток ГПГ сбрасывается до атмосферного и готовый продукт - таблетки ГПГ подаются в отделение отгрузки. Недостатком данного технического решения является сложность и многостадийность процесса, так как в самом реакторе формируется только промежуточный продукт в виде 10% суспензии ГПГ, что в свою очередь, требует множества дополнительных аппаратов для удаления воды, охлаждения продукта, формующих установок и т.д. Кроме того, охладительная система в приведенной технологии производства ГПГ основана на использовании тепловых эффектов процесса регазификации СПГ, что неразрывно связывает разработанный процесс получения синтетических гидратов природного газа с производством по сжижению ПГ.

Наиболее близким аналогом приведенного процесса получения синтетических гидратов природного газа, является техническое решение [3. Семенов М.Е., Шиц Е.Ю., Портнягин А.С. Способ получения гидратов природного газа и разработка на его основе концептуальной технологической схемы процесса их производства // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2016. - №3 - С. 53-58.], в котором синтез ГПГ осуществляется из льда диаметром от 1 до 3 см в закрытых реакторах повышенного давления в 5-10 МПа при 2-х температурных режимах: от 278 до 283 К и от 268 до 263 К. Суть технического решения состоит в перемещении, заправленных готовыми заготовками изо льда и ПГ реакторов, оснащенных колесами из отделения с положительными температурами в отделение с отрицательными температурами. Этим решением достигается условие формирования гидрата природного газа при плавлении льда с последующим охлаждением продукта в самом реакторе. Для достижения результата и получения гидратов природного газа с использованием ледяных заготовок необходимо от 4-х до 8-ми циклов оттаивания/замораживания льда. Таким образом, система поддержания необходимых температурных режимов в самих реакторах обеспечивается без использования специальных охлаждающих или нагревательных устройств. Недостатком данного технического решения является длительность процесса формирования гидратов из-за низкой эффективности теплообмена в реакторах.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности получения гидратов.

Отличительной особенностью изобретения является использование в процессе получения газогидратов естественного холода и реакторов с интегрированным теплообменником позволяющим применить метод термоциклирования в диапазоне температур от 268 до 278 К, что способствует снижению энергозатрат на получение ГПГ и улучшению теплообмена в системе реактор/окружающая среда, а также в применении в реакторах покрытия из морозостойкого прочного полимера для защиты стенок реактора от коррозии и упрощения разгрузки-выгрузки готового продукта, за счет снижения адгезии газогидрата к поверхности емкости-реактора.

Способ осуществляют следующим образом. В реактор (1), состоящий из внешнего цельнометаллического корпуса (2), куда подается избыточное давление до 8 МПа, и внутренней части состоящей из теплообменной рубашки (3) и полимерного покрытия (4) защищающего стенки реактора (1) и тепловую рубашку (3) от коррозии металла, а также снижающего возможность прилипания ГПГ к стенкам реактора, что облегчает процесс выгрузки готового продукта, из бункера для хранения льда (8) отгружается фракция льда размерностью 4÷5 см (7), количество которого регулируется с помощью заправочного устройства (9) снабженного запорной арматурой (6). Затем реактор вакуумируется, после чего в него подается ПГ, компримируемый до необходимого давления с помощью компрессора (15) по газовым магистралям (14) через распределительное устройство (11); далее посредством теплообменных установок (13), осуществляющих теплообмен между окружающей средой и теплоносителем, а также при необходимости способных увеличивать или уменьшать температуру теплоносителя, специального распределителя тепловых потоков (12) и тепловой развертке (10), в реакторе создается необходимая температура, которая изменяется в процессе гидратообразования по заранее определенной программе термоциклирования в диапазоне температур от 268 до 278 К с помощью расположенного внутри реактора теплообменника, выполненного в виде тепловой рубашки (3); далее в процессе выполнения программы термоциклирования происходит периодическая наработка гидратов из природного газа (5) и льда (7). После завершения программы термоциклирования процесс гидратообразования считается оконченным.

Выгрузка ГПГ из реактора осуществляется через запорную арматуру (6) с помощью шнекового механизма (19) в бункер для накопления гидратов (18) где посредством прессовочного устройства (17) из ГПГ получают пеллеты определенной формы удобной для дальнейшего хранения и транспортировки ГПГ в виде сухого груза.

При круглогодичном производстве гидратов природного газа в зимний период функционирования установки снижается/отсутствует генерирование холода (13), а в летний период снижается генерирование тепла, что приведет к экономии энергии. Действительно необходимы как нагревающая, так и охлаждающая системы в процессе производства, а снижение энергоемкости установки достигается необходимостью в охлаждения только три летних месяца. В таблице 1 приведено сравнение разработанного способа получения гидратов природного газа из льда с прототипом [3] по требованиям предъявляемым к разрабатываемому техническому оборудованию для производства ГПГ [4. Якушев B.C., Квон В.Т., Герасимов Ю.А., Истомин В.А. Современное состояние газогидратных технологий: Обз. инф. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2008. - 88 с].