способ сжижения метана преимущественно для газонаполнительной станции транспортных средств

Формула изобретения

Способ сжижения метана преимущественно для газонаполнительной станции транспортных средств, заключающийся в том, что метан из газовой магистрали низкого давления сжимают в компрессоре высокого давления, затем последовательно охлаждают в первом и втором метановых противоточных теплообменниках, осуществляют разделение метана в две стадии на ожиженную и газовые фазы, причем газовые фазы возвращают в цикл ожижения, при этом после второго метанового противоточного теплообменника и первой стадии разделения осуществляют расширение метана, причем расширение ожиженной фазы после первой стадии разделения осуществляют в дросселе, отличающийся тем, что после первого метанового противоточного теплообменника метан дополнительно охлаждают фреоновым рефрижераторным циклом, охлаждение метана после второго метанового противоточного теплообменника осуществляют в эжекторе при расширении до давления 5 атм с температуры не выше 210 К до не ниже 135 К или до давления 12 атм с температуры не выше 210 К до не ниже 154 К, а после эжектора осуществляют первую стадию разделения метана на ожиженную и газовую фазы, причем газовую фазу возвращают в цикл ожижения на вход компрессора высокого давления через второй и первый метановые противоточные теплообменники, а газовую фазу метана после второй стадии разделения подают в приемную камеру эжектора в количестве, равном не более 10% от общего количества метана, подаваемого в сопло эжектора после второго метанового противоточного теплообменника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к установкам сжижения природного газа, в частности метана, для газонаполнительных станций транспортных средств.

Известен способ сжижения природного газа, заключающийся в том, что метан из газовой магистрали низкого давления сжимают в компрессоре высокого давления, затем последовательно охлаждают в первом и втором метановых противоточных теплообменниках, осуществляют разделение метана в две стадии на ожиженную и газовые фазы, причем газовые фазы возвращают в цикл ожижения, при этом после второго метанового противоточного теплообменника и первой стадии разделения осуществляют расширение метана, причем расширение ожиженной фазы после первой стадии разделения осуществляют в дросселе (см. патент США 4147525, МПК F 25 J 3/06, 1979).

Недостатком указанного способа является низкие эффективность и экономичность процесса.

Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса сжижения метана, обеспечение низкой стоимости, повышение эксплуатационной надежности, безопасности, долговечности, а также улучшение условий труда и техники безопасности работы персонала на газонаполнительных станциях транспортных средств.

Технический результат достигается тем, что в способе сжижения метана, преимущественно, для газонаполнительной станции транспортных средств метан из газовой магистрали низкого давления сжимают в компрессоре высокого давления, затем последовательно охлаждают в первом и втором метановых противоточных теплообменниках, осуществляют разделение метана в две стадии на ожиженную и газовые фазы, причем газовые фазы возвращают в цикл ожижения, при этом после второго метанового противоточного теплообменника и первой стадии разделения осуществляют расширение метана, причем расширение ожиженной фазы после первой стадии разделения осуществляют в дросселе, после первого метанового противоточного теплообменника метан дополнительно охлаждают фреоновым рефрижераторным циклом, охлаждение метана после второго метанового противоточного теплообменника осуществляют в эжекторе при расширении до давления 5 атм с температуры не выше 210 К до не ниже 135 К или до давления 12 атм с температуры не выше 210 К до не ниже 154 К, а после эжектора осуществляют первую стадию разделения метана на ожиженную и газовую фазы, причем газовую фазу возвращают в цикл ожижения на вход компрессора высокого давления через второй и первый метановые противоточные теплообменники, а газовую фазу метана после второй стадии разделения подают в приемную камеру эжектора в количестве, равном не более 10% от общего количества метана, подаваемого в сопло эжектора после второго метанового противоточного теплообменника.

На чертеже изображена схема установки сжижения метана для реализации данного способа.

Установка сжижения метана, преимущественно, для газонаполнительной станции транспортных средств содержит подающую и возвратную магистрали 1 и 2, компрессор 3 высокого давления, первый и второй метановые противоточные теплообменники 4 и 5, первый и второй сепараторы 6 и 7, состоящие из газовой и жидкостной частей, расширительное устройство, в виде эжектора 8, дроссель 9, при этом эжектор 8 расположен между вторым метановым противоточным теплообменником 5 и первым сепаратором 6, а дроссель 9 - между первым и вторым сепараторами 6 и 7, установка дополнительно снабжена независимым фреоновым рефрижераторным циклом, содержащим испаритель 10, расположенный на подающей магистрали 1 между первым и вторым метановыми противоточными теплообменниками 4 и 5 и циркуляционной магистралью 11. В эжекторе 8 осуществляют охлаждение метана при расширении до давления 5 атм с температуры не выше 210 К до не ниже 135 К или до давления 12 атм с температуры не выше 210 К до не ниже 154 К. Возвратная магистраль 2 начинается на газовой части первого сепаратора 6, проходит через второй и первый метановые противоточные теплообменники 5 и 4 и соединяется со входом в компрессор 3 высокого давления, а циркуляционная магистраль 11 начинается на газовой части второго сепаратора 7 и соединяется с приемной камерой эжектора 8. На циркуляционной магистрали 11 установлены расходомер 12 и регулирующая арматура (позиция на схеме не показана), при этом по циркуляционной магистрали 11 в приемную камеру эжектора 8 возвращают газовую фазу метана в количестве не более 10% по массе от общего количества метана, поступающего в сопло эжектора 8 по подающей магистрали 1.

Установка дополнительно снабжена, по меньшей мере, одним устройством заправки транспортных средств. Устройство заправки транспортных средств содержит раздаточную емкость 13 с газовым выходом, по меньшей мере, один питающий трубопровод 14, заправочный трубопровод 15, рециркуляционные трубопроводы 16 и 17 газовых выходов раздаточной емкости 13 и метановой емкости 18 транспортного средства, жидкостная часть второго сепаратора 7 соединена питающим трубопроводом 14 с раздаточной емкостью 13, раздаточная емкость 13 выполнена с возможностью подключения к метановой емкости 18 транспортного средства посредством заправочного трубопровода 15, а рециркуляционные трубопроводы 16 и 17 газовых выходов раздаточной емкости 13 и метановой емкости 18 транспортного средства соединены с циркуляционной магистралью 11. При необходимости и для повышения удобства эксплуатации на питающих и заправочном трубопроводах 14 и 15 могут быть установлены подающие насосы 19 и 20 и расходомеры (на чертеже не показаны).

Способ осуществляется следующим образом.

Метан, поступающий из газовой магистрали низкого давления, сжимают в компрессоре 3 до давления 250 атм и частично охлаждают. Температура на выходе из компрессора равна примерно 300 К. Затем метан по подающей магистрали 1 направляют в первый метановый противоточный теплообменник 4, где охлаждают до температуры, равной около 280 К, за счет теплообмена с обратным потоком газообразного холодного метана, после указанного теплообменника метан дополнительно охлаждают в испарителе 10 до температуры, равной 238 К, за счет кипения жидкого фреона.

Фреоновые охлаждающие машины и рефрижераторные циклы взрыво- и пожаробезопасны, имеют высокие удельные характеристики охлаждения. Даже при больших концентрациях в воздухе, наиболее часто используемых, фреонов они безопасны для обслуживающего персонала, т.к. совершенно не воспламеняются и не взрывоопасны. При наличии утечек метана в рефрижераторный цикл, поскольку разница давлений в испарителе 10 и в подающей магистрали 1 очень велика (более 200 атм), он не будет образовывать взрыво- и пожароопасных смесей с фреоном. Холодильная машина фреонового рефрижераторного цикла обычно высокоэффективна, надежна и проста в эксплуатации. Поэтому изобретение позволяет повысить безопасность, эксплуатационную надежность и упростить условия эксплуатации установки для реализации способа.

После испарителя 10 метан направляют во второй метановый противоточный теплообменник 5, где охлаждают до температуры не более 210 К обратным потоком газообразного метана (газовой фазой). Затем метан направляют в эжектор 8, где происходит охлаждение метана при расширении и смешении с циркулирующей газовой фазой до температуры, равной 135 К или 154 К, и снижение давления до 5 атм или 12 атм соответственно. За счет использования кинетической энергии струи эжектора 8 происходит компримирование циркуляционной части потока метана до давления в возвратной магистрали 2, чем повышается эффективность и экономичность ожижения метана.

Из эжектора 8 метан поступает в первый сепаратор 6, где происходит его разделение на ожиженную и газовые фазы, при этом из газовой части сепаратора 6 газовую фазу возвращают в цикл ожижения на вход компрессора 3 высокого давления через второй и первый метановые противоточные теплообменники 5 и 4, а ожиженная фаза поступает в дроссель 9, где происходит снижение давления до 3 атм, после чего сжиженный метан направляют во второй сепаратор 7, из газовой части которого газовую фазу метана по циркуляционной магистрали 11 подают в приемную камеру эжектора 8 в количестве, равном не более 10% от общего количества метана, подаваемого в сопло эжектора 8 после второго метанового противоточного теплообменника 5, при этом расход метана определяется показаниями расходомера 12, а регулирование осуществляется с помощью общеизвестной регулирующей арматуры (позиция на схеме не показана). Ожиженный метан из жидкостной части сепаратора 7 по питающему трубопроводу 14 направляют в раздаточную емкость 13, а посредством заправочных трубопроводов 15 осуществляют заправку транспортных средств сжиженным метаном. Газообразный метан из раздаточной емкости 13 и метановой емкости 18 транспортного средства по рециркуляционным трубопроводам 16 и 17 направляют в циркуляционную магистраль 11 эжектора 8, возвращая в цикл ожижения.

Постоянная откачка эжектором 8 метана через рециркуляционные трубопроводы 16 и 17 из газовых выходов раздаточной емкости 13 и метановой емкости 18 транспортного средства предотвращает возможность критического увеличения давления в них, что повышает безопасность работы установки и снижает вероятность выбросов метана в атмосферу при заправке.