способ частичного сжижения природного газа и установка для его реализации

Формула изобретения

1. Способ частичного сжижения природного газа, включающий предварительное охлаждение и осушку прямого потока газа высокого давления, отделение части прямого потока, ее расширение и соединение с обратным потоком, охлаждение прямого потока, дросселирование и разделение в сборнике-сепараторе парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы, отличающийся тем, что паровую фазу из сепаратора разделяют на два потока, первый поток направляют через первый регулятор давления газа в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а второй поток повторно конденсируют за счет теплообмена с жидкостной фазой, которую направляют в обратный поток, и дросселируют конденсированную фазу в сборник сжиженного газа с удалением паровой фазы, образовавшейся после вторичного дросселирования, причем разность температур между паром и жидкостью, необходимую для конденсации, обеспечивают или повышением давления пара, или понижением давления жидкости.

2. Установка для частичного сжижения природного газа, включающая последовательно расположенные по прямому потоку источник газа высокого давления, теплообменник для предварительного охлаждения и осушки газа, теплообменник, дроссельный вентиль продукционного потока, сборник-сепаратор парожидкостной смеси, а также расширительное устройство, на входе соединенное с входом теплообменника по линии прямого потока, а на выходе соединенное с входом теплообменника по линии обратного потока, отличающаяся тем, что она снабжена фильтром-сепаратором твердых частиц и капельной жидкости, установленным после теплообменника для предварительного охлаждения и осушки газа, вторым фильтром-сепаратором и дополнительным теплообменником, последовательно установленными после теплообменника, регулятором уровня жидкости, сборником-резервуаром сжиженного газа, первым и вторым регуляторами давления газа, установленными на линии обратного потока перед и после второго теплообменника, коллектором низкого давления, установленным на выходе обратного потока, и выносным испарителем-конденсатором, испарительная линия которого на входе соединена через регулятор уровня жидкости с прямым потоком, а на выходе - с обратным потоком после первого регулятора давления газа, а конденсаторная линия на входе соединена с паровым пространством сборника-сепаратора, а на выходе через дроссельный вентиль сжиженного газа соединена со сборником-резервуаром сжиженного газа.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что испарительная линия испарителя-конденсатора на входе соединена через регулятор уровня жидкости с днищем сборника-сепаратора.

4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что внутри сборника-сепаратора установлен конденсатор-испаритель погружного типа, который на входе соединен с прямым потоком установки перед дроссельным вентилем продукционного потока, а на выходе через байпасный вентиль соединен с конденсаторной линией выносного испарителя-конденсатора и через регулятор уровня жидкости соединен с его испарительной линией.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сжижения газов и их смесей, в частности к сжижению природного газа, отбираемого из трубопровода.

Известны способы частичного сжижения природного газа на газораспределительных станциях, основанные на использовании разности давлений между магистральным и распределительным трубопроводами. При этом в предварительной ступени охлаждения газ расширяют до давления распределительного трубопровода в дроссельном вентиле [см. патент США 6085547, кл. F 25 J 1/00, 2000 "Simple method and apparatus for the partial conversion df natural gas to liquid natural gas"], или детандере [см. статью "Выбор схемы ожижителя природного газа", Холодильная техника 9, 1999], причем во всех случаях предварительную очистку газа от высококипящих углеводородов и диоксида углерода производят в специальных адсорберах. Недостаток этих способов - высокая стоимость системы очистки и осушки газа и сложность ее эксплуатации, предусматривающая регулярную регенерацию адсорбента и его замену через 3-5 лет.

Ближайшим аналогом заявляемого способа является способ частичного сжижения природного газа за счет перепада давлений между магистральным и распределительным трубопроводами, включающий предварительное охлаждение и осушку прямого потока природного газа высокого давления, отделение части прямого потока, ее расширение и соединение с обратным потоком, охлаждение прямого потока, дросселирование и разделение в сборнике-сепараторе парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы [см. патент РФ 2168124, кл. F 25 J 1/00, 1999].

Из того же источника известна установка для частичного сжижения природного газа за счет перепада давлений между магистральным и распределительным трубопроводами, включающая последовательно расположенные по прямому потоку источник газа высокого давления, теплообменник для предварительного охлаждения и осушки газа, теплообменник, дроссельный вентиль продукционного потока, сборник-сепаратор парожидкостной смеси, а также расширительное устройство, на входе соединенное с входом теплообменника по линии прямого потока, а на выходе соединенное с входом теплообменника по линии обратного потока.

Недостаток известных способа и установки - высокая стоимость емкостного оборудования с повышенным рабочим давлением и возможность выпадения твердой фазы из жидкости при снижении давления сжиженного газа в процессе эксплуатации, что приводит к забивке трубопроводов и арматуры.

Технический результат данного изобретения - получение сжиженного природного газа с малым содержанием высококипящих компонентов и диоксида углерода при низкой стоимости его очистки.

Технический результат в части способа достигается тем, что в способе частичного сжижения природного газа, включающем предварительное охлаждение и осушку прямого потока природного газа высокого давления, отделение части прямого потока, ее расширение и соединение с обратным потоком, охлаждение прямого потока, дросселирование и разделение в сборнике-сепараторе парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы, согласно изобретению паровую фазу из сепаратора разделяют на два потока, первый поток направляют через первый регулятор давления газа в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а второй поток повторно конденсируют за счет теплообмена с жидкостной фазой, которую направляют в обратный поток, и дросселируют конденсированную фазу в сборник сжиженного газа с удалением паровой фазы, образовавшейся после вторичного дросселирования, причем разность температур между паром и жидкостью, необходимую для конденсации, обеспечивают или повышением давления пара, или понижением давления жидкости.

Технический результат в части установки достигается за счет того, что установка для частичного сжижения природного газа, включающая последовательно расположенные по прямому потоку источник газа высокого давления, теплообменник для предварительного охлаждения и осушки газа, теплообменник, дроссельный вентиль продукционного потока, сборник-сепаратор парожидкостной смеси, а также расширительное устройство, на входе соединенное с входом теплообменника по линии прямого потока, а на выходе соединенное с входом теплообменника по линии обратного потока, согласно изобретению снабжена фильтром-сепаратором твердых частиц и капельной жидкости, установленным после теплообменника для предварительного охлаждения и осушки газа, вторым фильтром-сепаратором и дополнительным теплообменником, последовательно установленными после теплообменника, регулятором уровня жидкости, сборником-резервуаром сжиженного газа, первым и вторым регуляторами давления газа, установленными на линии обратного потока перед и после второго теплообменника, коллектором низкого давления, установленным на выходе обратного потока, и выносным испарителем-конденсатором, испарительная линия которого на входе соединена через регулятор уровня жидкости с прямым потоком, а на выходе - с обратным потоком после первого регулятора давления газа, а конденсаторная линия на входе соединена с паровым пространством сборника-сепаратора, а на выходе через дроссельный вентиль сжиженного газа соединена со сборником-резервуаром сжиженного газа.

Технический результат в части установки достигается также за счет того, что испарительная линия испарителя-конденсатора на входе может быть соединена через регулятор уровня жидкости с днищем сборника-сепаратора.

Технический результат в части установки достигается также за счет того, что внутри сборника-сепаратора может быть установлен конденсатор-испаритель погружного типа, который на входе соединен с прямым потоком установки перед дроссельным вентилем продукционного потока, а на выходе через байпасный вентиль соединен с конденсаторной линией выносного испарителя-конденсатора и через регулятор уровня жидкости соединен с его испарительной линией.

На фиг.1 представлена предлагаемая установка для реализации описываемого способа.

На фиг. 2 - вариант предлагаемой установки для реализации описываемого способа.

Установка для реализации данного способа включает источник газа высокого давления 1 (например, магистральный газопровод), теплообменник 2 для предварительного охлаждения и осушки газа, фильтр-сепаратор твердых частиц и капельной жидкости 3, расширительное устройство 4 (например, детандер или вихревая труба), теплообменник 5, фильтр-сепаратор 6, дополнительный теплообменник 7, дроссельный вентиль 8 продукционного потока, сборник-сепаратор 9 парожидкостной смеси, выносной испаритель-конденсатор 10, первый регулятор давления газа 11, регулятор 12 уровня жидкости в сборнике-сепараторе, дроссельный вентиль 13 сжиженного газа, сборник 14 сжиженного газа, второй регулятор давления газа 15, коллектор низкого давления 16 (например, распределительный газопровод при давлении Р₂).

Установка работает следующим образом.

Часть газа высокого давления (P₁=3,0-6,0 МПа) из магистрального трубопровода 1 отбирается на установку сжижения природного газа и поступает в теплообменник 2, где охлаждается и осушается вымораживанием путем кристаллизации влаги в потоке с выносом твердых частиц из теплообменника и отделением их на фильтре-сепараторе 3. В теплообменнике 2 могут также частично конденсироваться высококипящие примеси, которые выделяются из основного потока в фильтре-сепараторе 3. После теплообменника 2 часть прямого потока отбирается и расширяется в расширительном устройстве 4 (детандер или вихревая труба) до давления Р₂ с понижением температуры, причем при расширении происходит выпадение влаги в виде кристаллов и высококипящих компонентов в виде капельной влаги. Предполагается, что расширительное устройство работоспособно в этих условиях. Расширившийся поток соединяется с обратным потоком и поступает в теплообменник 5, где охлаждает прямой поток. В прямом потоке после теплообменника 5 также могут содержаться капельная жидкость и кристаллы влаги, которые отделяются на фильтре 6. Затем прямой поток поступает в теплообменник 7, где охлаждается обратным потоком, и расширяется через дроссельный вентиль 8 в сборник-сепаратор 9 до некоторого давления Р₃, значение которого находится между давлением магистрального трубопровода и давлением распределительного трубопровода (Р₁>Р₃>Р₂). После дросселирования образуется парожидкостная смесь, которую в сепараторе разделяют на пар и жидкость. Пар, выходящий из сепаратора, разделяется на две части. Первая часть проходит через регулятор 11, где давление газа понижается с Р₃ до Р₄ (Р₃>P₄>P₂), и направляется в качестве обратного потока в теплообменник 7, где охлаждает прямой поток газа перед дросселированием. Вторая часть обратного потока направляется в линию конденсации испарителя-конденсатора 10, где конденсируется при давлении Р₃. Конденсация пара производится за счет испарения жидкости, которая отбирается со дна сборника-сепаратора 9, дросселируется в регуляторе 12 до промежуточного давления Р₄ с соответствующим понижением температуры и направляется в линию испарения испарителя-конденсатора 10. После выхода из испарительной линии испарителя-конденсатора 10 пар при давлении Р₄ присоединяется к обратному потоку установки, который повторно дросселируется на регуляторе давления 15 с давления Р₄ до давления распределительного газопровода Р₂ и возвращается в сеть низкого давления.

После выхода из линии конденсации аппарата 10 жидкость дросселируется на вентиле 13 в сборник-резервуар 14 с давления Р₄ до давления хранения (P₅= 0,15-0,18 МПа).

Величина давления Р₄ выбирается таким образом, чтобы избежать выпадения диоксида углерода в обратном потоке на выходе из испарителя-конденсатора 10, а значение Р₃ должно обеспечить необходимую разность температур для конденсации-испарения в испарителе-конденсаторе 10.

В процессе работы необходимая разность температур между прямым и обратным потоками на выходе из теплообменника 5 регулируется с помощью дроссельного вентиля 8. Давление Р₃ в сборнике-сепараторе 9 поддерживается регулятором давления 11, уровень жидкости в сборнике-сепараторе 9 удерживается регулятором 12 по показаниям уровнемера. Дросселем 13 поддерживается заданное значение температуры жидкости на выходе из испарителя-конденсатора 10. Регулятор 15 поддерживает значение давления Р₄.

Содержание высококипящих компонентов в конечном продукте будет соответствовать их содержанию в паровой фазе в сборнике-сепараторе 9 и практически не зависит от состава исходного газа, что исключает необходимость контроля газа на входе, подбор режимов очистки и т.д.

При высоком паросодержании потока после дросселя 8 существенно возрастает концентрация диоксида углерода в жидкой фазе сепаратора 9 и возможно выпадение кристаллов СО₂ из газа после полного испарения жидкости в испарителе-конденсаторе 10. Чтобы избежать этого, необходимо или повышать давление Р₄ и, соответственно, Р₃ или после испарителя-конденсатора 10 иметь парожидкостной поток и возвращать его в зону с более высокой температурой, например, после теплообменника 7. В первом случае повышается температура испарения жидкости в испарителе-конденсаторе 10 и, соответственно, температура сконденсированной фазы перед дросселем 13. В результате уменьшается коэффициент сжижения. Во втором случае необходимо контролировать и поддерживать на выходе из испарителя определенное паросодержание, что трудно осуществить технически, при этом также уменьшается производительность установки по сжиженному газу.

От этих недостатков можно частично избавиться, если концентрацию СО₂ при испарении жидкости в испарителе-конденсаторе 10 поддерживать на исходном уровне. Схема такой установки представлена на фиг.2

От предыдущей данная установка отличается тем, что в состав установки дополнительно введены вентиль 17 слива жидкости из сборника-сепаратора, испаритель 18 быстрого слива, байпасный вентиль 19, регулятор давления 20, погружной испаритель-конденсатор 21.

Особенность работы установки заключается в том, что перед дроссельным вентилем 8 часть прямого потока при давлении Р₁ отводится на конденсатор-испаритель 10, где газ конденсируется и охлаждается в трубках за счет теплообмена с жидкостной фазой сборника-сепаратора 9, которая кипит в межтрубном пространстве в условиях естественной циркуляции. Затем сконденсированная жидкость дросселируется с давления прямого потока Р₁ до давления обратного потока Р₄ в регуляторе 12. Парожидкостной поток после регулятора 12 поступает в испарительную линию испарителя-конденсатора 10, где испаряется при давлении Р₃ за счет теплообмена с потоком пара, проходящим через линию конденсации аппарата 10 при давлении Р₄. Далее, как и для предыдущей установки, сконденсированный при давлении Р₃ поток газа повторно дросселируется через вентиль 13 в сборник-резервуар 14. Если концентрация высококипящих компонентов в исходном газе относительно мала, то сжиженный газ высокого давления после конденсатора-испарителя 16 может непосредственно дросселироваться в резервуар 14, последовательно проходя вентили 19 и 13 при закрытом регуляторе 12.

В сборнике-сепараторе 9 происходит накопление высококипящих компонентов в жидкости за счет ее испарения при отводе тепла от потока газа высокого давления. Для исключения кристаллизации часть жидкости выводится из сборника и возвращается в обратный поток выше теплообменника 7 и перед вентилем 15 с понижением давления в вентиле 20. Паросодержание потока на выходе из испарительной линии теплообменника 10 и место ввода его в обратный поток определяется из условия отсутствия кристаллизации.

В случае чрезмерного накопления высококипящих примесей в жидкостной фазе в сепараторе-накопителе 9 возможен периодический слив жидкости из аппарата 9 через вентиль 17 в испаритель быстрого слива 18. После испарителя 18 газ направляется или в обратный поток установки, или сбрасывается в сеть низкого давления.

Как и для предыдущей установки, уровень жидкости в сборнике-сепараторе поддерживается путем регулирования расхода регулятором 12. Дросселем 13 поддерживается заданное значение температуры жидкости на выходе из аппарата 10. Необходимость слива жидкости определяется по повышению ее температуры.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения ниже приводится его обоснование.

Оценим величину промежуточного давления Р₃, которая выбирается из условия теплообмена между прямым и обратным потоками в теплообменнике 10.

Известно, что для интенсивного теплообмена в испарителе-конденсаторе необходимо между потоками выдерживать разность температур 2-3К. Ниже приводятся значения температуры и давления насыщенного пара метана.

Из таблицы видно, что при давлении обратного потока 0,6 МПа, в сборнике-сепараторе достаточно поддерживать давление 0,7-0,8 МПа, при этом обеспечивается разность температур между потоками около 3-5,5К.

Возможность сжижения природного газа, очищенного от СО₂, покажем на конкретном примере.

Пусть давление прямого потока 3,0 МПа, давление в сборнике-сепараторе 9 - 1,0 МПа, давление обратного потока после регулятора давления 11 - 0,8 МПа, а после регулятора давления 15 - 0,6 МПа (фиг.1). Также примем, что концентрация СО₂ в исходном газе при давлении 3,0 МПА равна 0,02% (200ppm), а влагосодержание потока после дросселирования в вентиле 8 с давления 3,0 МПа до давления 1,0 МПа (равновесная температура 149 К) составляет 50%. Тогда концентрация СО₂ в жидкой фазе сборника-сепаратора составит 200/0,5=400 ррm. Растворимость СО₂ в жидком метане при температуре 149 К около 6000 ррm, т.е. выпадение осадка не происходит. Однако если жидкость дросселировать непосредственно в сборник-резервуар 14 до давления 0,12 МПа, то начнется выпадение твердого диоксида углерода, поскольку растворимость СО₂ в жидком метане при равновесном давлении 0,12 МПа около 300 ррm.

Если жидкость предварительно дросселировать на регуляторе 12 с давления 1,0 МПа до давления 0,8 МПа, то ее температура понизится до 144 К, и растворимость СО₂ в метане уменьшается до 4300 ррm, что по-прежнему выше концентрации СО₂ в жидкости. После испарения жидкости в испарителе-конденсаторе 10 пар возвращается в обратный поток при температуре 144 К и давлении 0,8 МПа, а концентрация в нем СО₂ остается равной 400 ррm. Растворимость СО₂ в газообразном метане при давлении 0,8 МПа и температуре 144 К, рассчитанная как для идеального раствора, равна 450 ррm, т.е. кристаллизации СО₂ в обратном потоке не происходит и диоксид углерода обратным потоком выносится в сеть низкого давления. Жидкий метан, полученный при конденсации пара в испарителе-конденсаторе 10, практически не содержит СО₂ и обладает высокими эксплуатационными характеристиками.

Если в условиях предыдущего примера принять, что влагосодержание потока после дроссельного вентиля 8 составляет 25% при прочих одинаковых условиях, то для получения чистого сжиженного природного газа необходимо переходить к установке на фиг.2. В этой установке пар, поступающий в обратный поток после испарителя-конденсатора 10, имеет исходную концентрацию по СО₂ и выпадение твердого осадка в обратном потоке исключена, как и в предыдущем примере. Чтобы избежать накопления СО₂ в жидкой фазе при испарении в конденсаторе 21, необходимо выводить часть жидкости из сборника. Для определения количества отбираемой жидкости составим баланс по СО₂ для сборника-сепаратора из условия, что концентрация СО₂ в жидкости постоянна и равна растворимости СО₂ в жидком метане при равновесной температуре. Имеем

C_GL1/x=C_LL2,

где С_G - концентрация СО₂ в исходном газе;

C_L -растворимость СО₂ в жидком метане при давлении в сборнике-сепараторе;

L1 - количество жидкости, которая испаряется в испарителе-конденсаторе;

L2 - количество жидкости, выводимой из сборника;

х - влагосодержание после дроссельного вентиля 8.

Для нашего примера

L2/L1=C_G/C_Lx=200/(60000,25)=0,13,

т. е. при данном способе очистки 13% жидкостной фазы необходимо выводить из сборника-сепаратора 9 или в обратный поток после теплообменника 7 или на испаритель 18.

Как и в предыдущем случае, жидкий метан, полученный при конденсации пара в испарителе-конденсаторе 10, практически не содержит СО₂ и обладает высокими эксплуатационными характеристиками.