способ сжижения природного газа

Формула изобретения

Способ сжижения природного газа, включающий его охлаждение путем его расширения, при этом газ перед охлаждением смешивают с энергопоглощающей субстанцией, после чего смесь разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в ней, отличающийся тем, что в качестве энергопоглощающей субстанции используют частицы углерода размером не более 500 нм, при этом частицы углерода составляют 30-70% от общей массы смеси газа с указанными частицами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технологии сжижения природного газа, преимущественно поступающего из скважины.

Известен способ получения сжиженного природного газа, включающий сжатие исходного газа в компрессорной ступени турбодетандера, впрыск в него метанола, охлаждение газа, осушку и очистку от диоксида углерода путем контактирования с метанолом, отделение от водо-конденсат-метанольной смеси, разделение ее на составляющие и регенерацию выделенного метанола с последующим его возвратом на стадии осушки и очистки; после охлаждения газ разделяют на три потока в следующем массовом соотношении: 1,7:2,3:1,0 соответственно, при этом первый поток направляют на нагревание, а затем смешивают со вторым потоком перед их подачей в расширительную ступень детандера, третий поток подают на контактирование с охлажденным метанолом, после чего его дополнительно охлаждают, отделяют жидкий конденсат и смешивают с первым и вторым потоками на входе в детандер, см. RU 95117635.

Недостатком данного способа является необходимость предварительного охлаждения, сложность реализации ввиду необходимости разделения газа на три потока строго в заданных соотношениях, высокая стоимость оборудования, необходимого для осуществления способа.

Известен способ сжижения природного газа, подаваемого под давлением, включающий разделение исходного потока сжатого газа на две части, охлаждение первой части в теплообменнике, а второй части - в охладителе, с последующим их смешением, расширением и отделением образовавшейся жидкой фазы от газообразной фазы, которую подают в теплообменник обратным потоком; перед охлаждением первую часть исходного потока подают в вихревую трубу, из которой отводят холодный и горячий потоки, причем холодный поток смешивают с обратным потоком и направляют в теплообменник, а горячий направляют в теплообменник прямым потоком, затем смешивают его с охлажденной в охладителе второй частью исходного потока перед расширением, см. RU 2178129.

Для реализации данного способа необходимо сложное и дорогостоящее оборудование, в частности детандер, компрессор, дополнительный вихревой охладитель и т.д. Для сжижения газа необходимо осуществление нескольких циклов охлаждения, что существенно увеличивает энергозатраты и время, необходимое для получения сжиженного газа.

Известен способ сжижения природного газа, включающий его охлаждение путем расширения. Природный газ перед охлаждением смешивают с энергопоглощающей субстанцией парами жидкости или газом с молярной массой М 40 кг/моль. Пары жидкости или газ составляют 10-50 мас.% от общей массы получаемой смеси. Далее смесь разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в ней, RU 2212599 С1.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Этот способ базируется на новом принципе, который состоит в том, что благодаря добавке к природному газу энергопоглощающей субстанции с весьма большой молекулярной массой, более чем в три раза превышающей молекулярную массу природного газа, энергия полученной газовой смеси при ее разгоне делится пропорционально молекулярным массам компонентов смеси. Поэтому при последующем охлаждении путем расширения большую часть энергии отбирает компонент с большей молекулярной массой, что обеспечивает охлаждение и сжижение легкого компонента (природного газа).

Однако использование в качестве энергопоглощающей субстанции паров жидкости или газа с большой молекулярной массой приводит сначала к образованию кластеров, а затем и макроскопических капель вследствие конденсации паров жидкости или газа, что ухудшает гидродинамические характеристики потока и затрудняет разгон смеси до сверхзвуковой скорости. Это объясняется тем, что капли в потоке приобретают форму аэродинамических профилей, испытывающих значительное лобовое сопротивление. В результате для разгона смеси требуются высокие затраты энергии и, соответственно, снижается эффективность способа.

Задачей настоящего изобретения является снижение затрат энергии, необходимых для обеспечения сверхзвуковой скорости потока и тем самым повышения эффективности способа.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе сжижения природного газа, включающем его охлаждение путем расширения, при этом газ перед охлаждением смешивают с энергопоглощающей субстанцией, после чего смесь разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в ней, в качестве энергопоглощающей субстанции используют частицы углерода размером не более 500 нм, при этом частицы углерода составляют 30-70 мас.% от общей массы смеси газа с указанными частицами.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Благодаря тому что в качестве энергопоглощающей субстанции используют частицы углерода, исключается образование кластеров и капель. Тем самым обеспечивается однородность поля скоростей потока, что позволяет достичь сверхзвуковой скорости потока при существенно меньших по сравнению с прототипом затратах энергии. При этом частицы углерода должны иметь размер не более 500 нм, в ином случае они ведут себя аналогично макроскопическим каплям, что вызывает нарушение однородности поля скоростей потока; частицы углерода должны составлять не менее 30 мас.% и не более 70 мас.% от общей массы смеси природного газа с этими частицами. Если доля частиц углерода (энергопоглощающей субстанции) менее 30 мас.%, то энергопоглощение слишком мало и эффективного охлаждения и тем более сжижения газа не происходит. Если доля частиц углерода превышает 70 мас.%, то в такой смеси недостаточно полезного продукта - газа и, соответственно, невелик выход конечного продукта - сжиженного газа.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема, поясняющая реализацию заявленного способа.

Из скважины в смеситель 1 под естественным давлением свыше 300 атм поступает природный газ. Через патрубок 2 в смеситель вводят частицы углерода, которые перемешиваются с природным газом; частицы имеют размер не более 500 нм и составляют от 30 до 70 мас.% от общей массы смеси. В конкретном примере использованы частицы интеркалированного графита.

Затем открывают сопло 3, в данном примере - сверхзвуковое сопло Лаваля; смесь разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в данной смеси. Это обеспечивается параметрами сопла 3, рассчитываемыми для каждого вида смеси. На выходе из сопла 3 происходит адиабатическое расширение смеси, давление падает, и, соответственно, падает температура смеси и происходит ее разделение, так как кинетическая энергия каждого компонента смеси пропорциональна его молекулярной массе. В примыкающей к соплу 3 конденсационной камере 4 конденсируется жидкий природный газ, который по магистрали 5 поступает в приемную емкость (не показана).

Частицы углерода, обладающие значительной кинетической энергией, пролетают через камеру 4 и оседают в сборнике 6, после чего посредством повторного интеркалирования могут быть приведены в исходное состояние для повторного использования.

Пример 1.

Исходный природный газ метан имеет исходное давление 350 атм. и температуру 20°С. В поток поступающего в смеситель газа введен порошок интеркалированного графита в количестве 30 мас.% от общей массы смеси с частицами размером не более 500 нм; выход сжиженного газа составил 48% от массы исходного природного газа при давлении 1 атм и температуре 161°С; расход энергии на единицу конечного продукта 500 кДж/кг.

Пример 2.

Исходный природный газ метан имеет исходное давление 350 атм и температуру 20°С. Введено 70 мас.% порошка интеркалированного графита от общей массы смеси с частицами не крупнее 500 нм; выход сжиженного газа 42% от массы исходного газа с выходным давлением 1 атм и температурой 161°С. Расход энергии 540 кДж/кг.

Пример 3.

Исходный природный газ метан имеет исходное давление 350 атм и температуру 20°С. Введено 50 мас.% порошка интеркалированного графита с размерами частиц до 500 нм; выход сжиженного газа 67% от массы исходного газа при давлении 1 атм и температуре 161°С.

Расход энергии 430 кДж/кг.

Пример 4 (прототип).

Метан смешивался с углекислым газом (М=44 кг/кмоль) в соотношении 50:50 мас.; выход сжиженного газа - 52% от массы исходного продукта при давлении 1 атм и температуре 161°С. Расход энергии 780 кДж/кг.

Для реализации способа использовано широко распространенное промышленное оборудование, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».