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, охлаждение и дросселирование прямого потока, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы и направление паровой фазы в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества потребляемого газа и наиболее полного его использования, прямой поток после предварительного теплообменника очищают адсорбированием, охлаждают до процесса конденсации, фильтруют от твердых примесей, дросселируют, переохлаждают, сконденсированный поток разделяют на два потока, один поток направляют в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а второй поток дросселируют и разделяют на паровую (отбросной поток) и жидкую фазу, отводимую в качестве продукта, причем отбросной поток после нагрева используют в качестве регенерирующего потока при десорбции.

2. Установка для частичного сжижения природного газа, состоящая из источника газа высокого давления, теплообменника предварительного охлаждения газа, устройства для осушки газа, основного теплообменника, дроссельного вентиля, фильтра-сепаратора, сборника-сепаратора парожидкостной смеси, внутри которого установлен конденсатор-испаритель погружного типа, регуляторов давления до себя и регулятора уровня, отличающаяся тем, что в качестве источника газа высокого давления установлен компрессор с приводом, например, от двигателя, работающего на природном газе, устройство для осушки газа выполнено в виде попеременно работающих адсорберов, основной теплообменник выполнен трехпоточным, фильтр-сепаратор твердых примесей установлен после основного теплообменника перед дросселем, вход в конденсатор-испаритель соединен с прямым потоком после дросселя, а его выход соединен с двумя потоками обратным потоком, идущим в основной теплообменник, и потоком на второй дроссель, причем поток после второго дросселя соединен с паровым объемом сборника-сепаратора, а паровой объем сборника-сепаратора соединен с отбросным потоком (выход паровой фазы), а последний через основной теплообменник и подогреватель - с входом регенерирующего потока в адсорберы.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что на линии отбросного потока после основного теплообменника последовательно установлен теплообменник-рекуператор, вход обратного потока которого соединен с выходом регенерирующего потока газа из адсорбера.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что выход регенерирующего потока после подогревателя также соединен с входом в змеевик, размещенный на корпусе фильтра-сепаратора.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что выход отработанного регенерирующего потока соединен с входом рабочего газа в двигатель и/или дожимающий компрессор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газоперерабатывающей отрасли и криогенной технике и может быть использовано для сжижения природного и других газов.

Известно наиболее простое устройство для сжижения природного газа с дроссельным циклом охлаждения (патент США №6085547, кл. НКИ 62-613; МКИ 7 F 25 J 1/00, опубл. 11.07.2000 г., патент России №2127855 С1, МКИ 6 F 25 J 1/00, опубл. в бюл. №8 от 20.03.99 г.).

Технологически он заключается в охлаждении и очистке сжатого газа от примесей в предварительном и основном теплообменниках, дросселировании и разделении образующейся парожидкостной смеси в сборнике-сепараторе с выводом паров в теплообменники для утилизации их холода и охлаждения газа, идущего на сжижение, а жидкости - потребителю.

Одним из основных недостатков описанного способа сжижения природного газа является присутствие примесей углекислого газа и воды, что ведет к неустойчивой работе дросселя и аппаратов из-за наличия твердых примесей.

Известен способ сжижения природного газа (патент России №2202078 С2, МКИ 7 F 25 J 1/00, опубл. в бюл. №10 от 10.04.2003 г.) с использованием охлаждения потока газа перед дросселированием также путем теплообмена с обратным потоком, освобождения от примесей в двух попеременно работающих теплообменниках-вымораживателях, дающих глубокое осушение потока газа перед его дросселированием, полученный двухфазный поток сепарируют, удаляют жидкую фазу, а газ обратным потоком направляют для теплообмена с прямым потоком высокого давления. В цикле дополнительно введена вихревая труба, холодный поток из которой подается на доохлаждение потока сжатого газа, а теплый - для отогрева теплообменника-вымораживателя.

Основным недостатком этого способа является низкий процент (до 6-8%) сжижения газа, связанный с неэффективностью цикла и потерями при переключении теплообменников-вымораживателей.

Известен также способ частичного сжижения природного газа и установка для его реализации (патент России №2212598 С1, МКИ 7 F 25 J 1/00, опубл. в бюл. №26, 20.09.2003 г.), взятый за прототип, включающий предварительное охлаждение и осушку прямого потока газа высокого давления, охлаждение и дросселирование прямого потока, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы и направления паровой фазы в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока.

К недостаткам этого способа и установки для его реализации следует отнести низкий коэффициент использования (всего до 15%) природного газа. В газе, прошедшем цикл ожижения по этой схеме, возрастает количество примесей, например азота, по сравнению с исходным продуктом, поэтому его нельзя повторно использовать, т.е. замкнуть цикл.

Целью предлагаемого технического решения является повышение коэффициента использования природного газа и повышение процента сжижения газа в цикле.

Поставленная цель решается благодаря тому, что в способе частичного сжижения природного газа, включающем предварительное охлаждение и осушку прямого потока газа высокого давления, охлаждение и дросселирование прямого потока, разделение парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы и направления паровой фазы в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока; прямой поток после предварительного теплообменника очищают адсорбированием, охлаждают до процесса конденсации, фильтруют от твердых примесей, дросселируют, переохлаждают, сконденсированный поток разделяют на два потока, один поток направляют в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а второй поток дросселируют и разделяют на паровую (отбросной поток) и жидкую фазу, отводимую в качестве продукта; причем отбросной поток после нагрева используют в качестве регенерирующего потока при десорбции.

Для осуществления этого способа предложена установка частичного сжижения природного газа, состоящая из источника газа высокого давления, теплообменника предварительного охлаждения газа, устройства для осушки газа, основного теплообменника, дроссельного вентиля, фильтра-сепаратора, сборника-сепаратора парожидкостной смеси, внутри которого установлен конденсатор-испаритель погружного типа, регуляторов давления до себя и регулятора уровня, в которой в качестве источника газа высокого давления установлен компрессор с приводом, например, от двигателя, работающего на природном газе; устройство для осушки газа выполнено в виде попеременно работающих адсорберов; основной теплообменник выполнен трехпоточным; фильтр-сепаратор твердых примесей установлен после основного теплообменника перед дросселем; вход в конденсатор-испаритель соединен с прямым потоком после дросселя, а его выход соединен с двумя потоками - обратным потоком, идущим в основной теплообменник, и потоком на второй дроссель, причем поток после второго дросселя соединен с паровым объемом сборника-сепаратора, а паровой объем сборника-сепаратора соединен с отбросным потоком (выход паровой фазы), а последний через основной теплообменник и подогреватель - с входом регенерирующего потока в адсорберы.

Для наиболее полного использования тепла регенерирующего потока на линии отбросного потока после основного теплообменника последовательно установлен теплообменник-рекуператор, вход обратного потока которого соединен с выходом регенерирующего потока газа из адсорбера.

Для предотвращения забивки фильтра-сепаратора и его прогрева перед продувкой выход регенерирующего потока после подогревателя также соединен с входом в змеевик, размещенным на корпусе фильтра-сепаратора.

Для повторного использования газа отбросного потока выход отработанного регенерирующего потока соединен с входом рабочего газа в двигатель и/или дожимающий компрессор.

Установка для сжижения природного газа (ПГ), см. фиг.1, состоит из компрессора 1 с приводом от двигателя 2, например газового двигателя внутреннего сгорания (ГДВС), работающего, например, на ПГ и служащего для сжатия ПГ, поступающего по трубопроводу 3 из газораспределительного трубопровода (не показан); отделителя 4 для очистки газа от масла и капельной влаги; теплообменника 5 для предварительного охлаждения ПГ; блока 6 осушки газа от паров влаги и очистки от углекислоты, состоящего, например, из двух адсорберов 7 и 8, работающих попеременно; основного теплообменника 9 для охлаждения прямого 10 сжижаемого потока до температуры конденсации ПГ за счет теплообмена с обратным 11 и отбросным 12 потоками; фильтра-сепаратора 13, предназначенного для фильтрации твердых примесей и предотвращения забивки дроссельного вентиля 14; сборника-сепаратора 15 парожидкостной смеси, внутри которого установлен конденсатор-испаритель 16 погружного типа, выполненный в виде змеевика и служащий для переохлаждения ПГ перед дроссельным вентилем 17.

Для поддержания уровня жидкости в сборнике-сепараторе 15 служит датчик уровня 18, связанный с запорным вентилем 19 отбора продукционного потока 20 жидкости в криогенную накопительную емкость (не показана); а для поддержания давления ПГ в обратном 11 и отбросном 12 потоках служат регуляторы давления (РД) до себя 21 и 22, соответственно, установленные в теплой зоне.

В блоке 6 осушки и очистки газа кроме попеременно работающих адсорберов 7 и 8 установлен подогреватель 23, например электрический, служащий для подогрева потока 24 газа, идущего на регенерацию адсорберов 7 и 8, а также запорные вентили 25-30 и обратные клапана 31-34.

С целью сокращения затрат на подогрев регенерирующего потока газа 24 на линии отбросного потока 12 (см. фиг.2) после основного теплообменника 9 последовательно установлен рекуперативный теплообменник 35, служащий для дополнительного подогрева отбросного потока перед подогревателем 23 за счет использования тепла регенерирующего потока 24 газа после адсорберов, направляемого обратным потоком в рекуперативный теплообменник 35.

В случае забивки фильтра-сепаратора 13 (см. фиг.3) для его отогрева предусмотрен змеевик 36, намотанный на корпус фильтра-сепаратора 13, вход которого соединен с выходом регенерирующего потока 24 после подогревателя 23 через запорный вентиль 37.

Для повторного использования газа отбросного потока 12 выход отработанного потока 38 (см. фиг.4) соединен с входом рабочего газа в двигатель 2 и/или дожимающий компрессор (не показан).

Установка работает следующим образом.

Природный газ (см.фиг.1), поступающий по трубопроводу 3, сжимается в компрессоре 1 до давления 20 МПа, очищается от масла и капельной влаги в отделителе 4 и подается в виде прямого потока 10 в теплообменник 5 для предварительного охлаждения до температуры окружающей среды (303 К), а далее в один из адсорберов, например 7, блока очистки и осушки 6 (при открытом вентиле 25 и закрытых 26 и 29) для осушки ПГ от паров воды и очистки от углекислоты, после чего направляется в основной теплообменник 9 для охлаждения до температуры сжижения (133 К) обратным 11 и отбросным 12 потоками.

Прямой поток 10 в виде парожидкостной смеси, пройдя фильтр-сепаратор 13, где он освобождается от образовавшихся в жидкости твердых примесей, подается на дросселирование в дроссельный вентиль 14, а затем в змеевик конденсатора-испарителя 16 сборника-сепаратора 15, где он конденсируется и переохлаждается до температуры 128К, и основная часть (например, до 85%) переохлажденного прямого потока 10 в виде обратного потока 11 идет в основной теплообменник 9, а другая, меньшая его часть, вновь дросселируется в дроссельном вентиле 17 и поступает в сборник-сепаратор 15.

Образующиеся в сборнике-сепараторе 15 пары в качестве отбросного потока 12 направляются в основной теплообменник 9 для участия в охлаждении прямого потока 10. Далее отбросной поток 12 подается (при открытых вентилях 27 и 30 и закрытых 26 и 28) в адсорбер 8, стоящий на регенерации, для его продувки.

Часть накопившейся в сборнике-сепараторе 15 жидкости в виде продукционного потока 20 через запорный вентиль 19 отбирается в накопительную криогенную емкость (не показана), где накапливается и расходуется в виде жидкого продукта потребителем.

Уровень жидкости в сборнике-сепараторе 15 поддерживается (датчик уровня 18 - вентиль 19) таким, чтобы змеевик конденсатора-испарителя 16 был всегда погружен в нее, а давление паров над жидкостью регулируется регулятором давления 22 на отбросном потоке 12. Давление прямого потока 10 устанавливается регулятором давления 21 на обратном потоке 11.

Регенерация адсорбента в адсорберах ведется при двух режимах: теплым и холодным газом.

В установке, схема которой показана на фиг.2, отбросной поток 12 газа после основного теплообменника 9 проходит рекуперативный теплообменник 35, в котором регенерирующий поток подогревается потоком газа после регенерации адсорбера, например 8, и далее направляется на дополнительный подогрев в подогреватель 23, после чего подогретый газ идет на регенерацию адсорбера. Таким образом, используя тепло отходящих газов, уменьшаются затраты на подогрев регенерирующего потока.

При продувке адсорбера 8 холодным газом в режиме охлаждения отбросной поток 12 (при закрытых вентилях 27 и 29 и открытом 28) проходит обратный клапан 34, адсорбер 8, открытый вентиль 30, теплообменник 35 (в данном режиме теплообмен отсутствует), и далее отработанный поток 38 используется в зависимости от потребностей.

При забивке фильтра-сепаратора 13 (см. фиг.3) производится прогрев его корпуса, для чего часть потока 24, идущего на регенерацию, после подогревателя 23 через вентиль 37 направляют в змеевик 36. После отогрева фильтр-сепаратор 13 продувают.

Подогретый отбросной поток 12 (см. фиг.4) после регенерации одного из адсорберов и после теплообменника 35 направляют в двигатель 2, где он используется в качестве рабочего газа. Он может быть направлен также в дожимающий компрессор (не показан) и далее в газораспределительный трубопровод.

Отличительной особенностью предлагаемого способа и установки для его осуществления является то, что примеси, находящиеся в исходном ПГ, не накапливаются в цикле, а отводятся с отбросным потоком и/или частично сжигаются в ГДВС или возвращаются в газорапределительный трубопровод.

Способ позволяет повысить процент сжижения ПГ в цикле до 15% и повысить коэффициент использования газа до 60%.