способ сжижения природного газа

Формула изобретения

Способ сжижения природного газа путем его охлаждения в теплообменнике подаваемым туда жидким азотом, который при этом получают из потока воздуха путем адиабатического расширения последнего и соответственно его охлаждения до температуры сжижения азота, отличающийся тем, что поток воздуха смешивают с частицами углерода размером не более 500 нм, при этом частицы углерода составляют 30-70% от общей массы смеси воздуха с указанными частицами, после чего смесь разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в ней.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технологии сжижения природного газа.

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.

Этот способ базируется на 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 данный способ требует весьма высокого давления исходного природного газа (300-500 атм). Поэтому его реализация целесообразна в непосредственной близости от скважин, поскольку такое давление имеет газ, поступающий из скважины. Однако в магистральных газопроводах газ находится под давлением не выше 70 атм и для его снижения описываемым способом необходимо его предварительное сжатие до давления не менее 300 атм. Это связано как с большими затратами энергии, так и с серьезной экологической опасностью в местах нахождения газовых станций.

Известен способ сжижения природного газа, находящегося под относительно небольшим давлением, включающий его охлаждение в теплообменнике подаваемым туда жидким азотом, который получают из потока воздуха путем его расширения и охлаждения при этом до температуры сжижения азота, RU 2162579.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Охлаждение воздуха в способе-прототипе включает последовательно чередующиеся два изотермических и два изохорических процесса.

Рабочее тело при этом не расходуется, а изменяет свой объем при нагревании и охлаждении. Рабочий цикл включает четыре такта: сжатие, нагревание, рабочий ход, охлаждение.

Данный способ весьма непроизводителен, поскольку энергопоглощающей субстанцией является газ, имеющий малую энергоемкость (любой газ). Процесс теплообмена протекает очень медленно. В способе-прототипе при использовании даже довольно крупногабаритного оборудования (2×2×2) м без учета компрессора и теплообменника можно получить из воздуха всего 1-2 кг жидкого азота в час, что в конечном счете обусловливает низкую производительность получения сжиженного природного газа.

Задачей изобретения является повышение производительности способа сжижения природного газа.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе сжижения природного газа путем его охлаждения в теплообменнике подаваемым туда жидким азотом, который при этом получают из потока воздуха путем адиабатического расширения последнего и, соответственно, его охлаждения до температуры сжижения азота, поток воздуха смешивают с частицами углерода размером не более 500 нм, при этом частицы углерода составляют 30-70 мас.% от общей массы смеси воздуха с указанными частицами, после чего смесь разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в ней.

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

Если в способе-прототипе энергопоглощающей субстанцией при получении жидкого азота является газ, имеющий малую энергоемкость, то в заявленном способе энергопоглощающей субстанцией являются частицы твердого вещества - углерода, энергоемкость которого в десятки раз больше по сравнению с любым газом. 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 воздуха с этими частицами. Если доля частиц углерода менее 30 мас.%, то энергопоглощение слишком мало, и эффективного охлаждения воздуха и, тем более, конденсации азота не происходит. Если доля частиц углерода превышает 70 мас.%, то в такой смеси недостаточно воздуха, также невелико и количество конденсированного азота. Соответственно, мал 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".

Заявленный способ поясняется чертежом, на котором приведена схема его реализации.

Сжатый воздух от компрессора подают в смеситель 1. В этот же смеситель через патрубок 2 вводят частицы углерода, которые перемешиваются с воздухом; частицы углерода имеют размер не более 500 нм и составляют от 30 до 70 мас.% от общей массы смеси. В конкретном примере используют части интеркалированного графита.

Затем открывают сопло 3 - сверхзвуковое сопло Лаваля и разгоняют смесь до скорости, превышающей скорость звука в этой смеси. На выходе из сопла 3 происходит адиабатическое расширение смеси, давление падает, смесь охлаждается и происходит разделение ее компонентов. При t° - 195,8°С в конденсационной камере 4 конденсируется жидкий азот, который стекает в сборник 5 и затем поступает в радиатор 6 теплообменника 7. Несконденсировавшийся остаток воздуха выходит в атмосферу через патрубок 8 с обратным клапаном. Частицы углерода пролетают через камеру 4 и оседают в сборнике 9, после чего посредством повторного интеркалирования могут быть приведены в исходное состояние для повторного использования.

В теплообменник 7 через патрубок 10 подают исходный природный газ, который охлаждается с помощью радиатора 6. Радиатор 6 соединяют с радиатором 11, который предварительно охлаждает воздух, поступающий в смеситель 1. Отработавший азот выходит в атмосферу.

В конкретном примере в смеситель подавали сжатый воздух под давлением 300 атм при температуре после предварительного охлаждения - 18°С в количестве 40 кг/сек. В поток поступающего в смеситель воздуха вводили порошок интеркалированного графита в количестве 50 мас.% от общей массы смеси с размером частиц не более 500 нм. В теплообменник 7 подавали с переходной газовой станции природный газ - метан при давлении 70 атм в количестве 8 кг/сек при t° 20°C. Выход сжиженного газа - 62% от массы исходного природного газа. Расход энергии на единицу конечного продукта - 610 кДж/кг.

Реализующая данный способ установка с габаритами (без учета компрессора и теплообменника) не более 1×0,7×0,7 м обеспечивает производительность до 500 кг сжиженного природного газа в час.