Способ сжижения криогенных газов

Изобретение относится к области криогенной техники, в частности к способам сжижения и использования криогенных газов. Способ сжижения криогенных газов включает процессы: сжижения рабочего газа, при котором рабочий газ сжимают в компрессоре, охлаждают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и дросселируют до получения жидкости; использования рабочего газа, при котором сжиженный газ испаряют и нагревают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и используют в потребителе; охлаждения хладагента, при котором хладагент охлаждают в теплообменнике при теплообмене со сжиженным рабочим газом; нагрева охлажденного хладагента, при котором хладагент нагревают в теплообменнике при теплообмене с рабочим газом; и перемещения транспортными средствами сжиженного рабочего газа к месту потребления и хладагента к месту сжижения рабочего газа. В указанных процессах в качестве хладагента используют жидкость, температура плавления которой превышает температуру сжижения рабочего газа, в качестве теплообменника используют хладоаккумулятор, который перед нагревом сжиженного рабочего газа заполняют хладагентом, последний охлаждают до отверждения и переохлаждают, а при сжижении рабочего газа хладагент нагревают до текучего состояния и утилизируют. Использование изобретения позволяет существенно упростить и удешевить процесс сжижения любых криогенных газов.

 

Изобретение относится к области криогенной техники, в частности к способам сжижения и использования криогенных газов.

Сжижение криогенных газов является сложным и дорогостоящим технологическим процессом. Для сжижения криогенного газа его предварительно сжимают компрессором до высокого давления, затем прямой поток газа охлаждают в теплообменнике обратным потоком газа, затем дросселируют с получением криогенной жидкости, которую подают и хранят в теплоизолированной емкости.

Известно устройство по патенту РФ №2262645, F25J 1/00, 2005, в котором природный газ сжижают указанным способом, но дополнительно охлаждают испаряемым хладагентом - фреоном или пропаном, получаемым в холодильной машине. Сжиженный природный газ используется, в том числе, для отгрузки потребителям. По этому способу энергия сжижения газа расходуется вместе с газом.

Известно также устройство по патенту РФ №2137067, F25J 1/02, 1999, в котором природный газ дополнительно охлаждают хладагентом - жидким азотом, вырабатываемым в замкнутом холодильном контуре.

Известен способ сжижения природного газа по патенту РФ №2137066, F25J 1/02, 1999, по которому газ в холодильном процессе дополнительно охлаждают хладагентом - азотом или смесью газов на основе азота. При этом параметры хладагента регулируют в широком диапазоне путем изменения его состава и давления.

Известен также способ сжижения газовой смеси по патенту РФ №2205337, F25J 1/02, 2001, по которому в качестве основного хладагента используют пропан или двуокись углерода, циркулирующие по замкнутому контуру. В изобретении энергия сжижения рабочего газа не возвращается.

Известен также способ по заявке на изобретение РФ №2005108560, A01G 23/00, 2006, по которому из смеси дымовых газов ТЭС выделяют путем сжижения двуокись углерода. Последнюю транспортируют в лесной питомник, где жидкость газифицируют, а газ используют для полезного обогащения атмосферы.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является способ для сжижения природного газа и его регазификации по патенту РФ №2212600, F25J 1/02, 2003, по которому осуществляют процессы: сжижения рабочего газа, при котором рабочий газ сжимают в компрессоре, охлаждают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и дросселируют до получения жидкости; использования рабочего газа, при котором сжиженный газ испаряют и нагревают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и используют в потребителе; охлаждения хладагента, при котором хладагент охлаждают в теплообменнике при теплообмене со сжиженным рабочим газом; нагрева охлажденного хладагента, при котором хладагент нагревают в теплообменнике при теплообмене с рабочим газом; и перемещения транспортными средствами сжиженного рабочего газа и хладагента.

Последнее изобретение имеет существенные недостатки. По этому способу выбор хладагентов достаточно ограничен тем условием, чтобы в процессах сжижения и испарения хладагента он не терял текучести. При этом диапазон рабочих температур хладагента оказывается жестко ограничен. В то же время некоторые хладагенты затруднительно или дорого использовать по другому назначению, то есть утилизировать. Например, использовать гелий в качестве хладагента для водорода весьма невыгодно.

Целью изобретения является расширение выбора веществ для использования их в качестве хладагентов при сжижении криогенных газов и получение возможности использования веществ с выгодными теплофизическими свойствами, а также доступных и недорогих веществ. При этом ставится задача исключить хранение и перевозку хладагента к потребителю рабочего газа.

Сущность изобретения состоит в том, что при осуществлении процессов: сжижения рабочего газа, при котором рабочий газ сжимают в компрессоре, охлаждают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и дросселируют до получения жидкости; использования рабочего газа, при котором сжиженный газ испаряют и нагревают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и используют в потребителе; охлаждения хладагента, при котором хладагент охлаждают в теплообменнике при теплообмене со сжиженным рабочим газом; нагрева охлажденного хладагента, при котором хладагент нагревают в теплообменнике при теплообмене с рабочим газом; и перемещения транспортными средствами сжиженного рабочего газа к месту потребления и хладагента к месту сжижения рабочего газа, - в отличие от аналога в качестве хладагента используют жидкость, температура плавления которой превышает температуру сжижения рабочего газа, в качестве теплообменника используют хладоаккумулятор, который перед нагревом сжиженного рабочего газа заполняют хладагентом, последний охлаждают до отверждения и переохлаждают, а при сжижении рабочего газа хладагент нагревают до текучего состояния и утилизируют.

Техническим результатом настоящего изобретения является возможность существенно упростить и удешевить процесс сжижения любых криогенных газов и их смесей. Эта возможность особенно важна при сжижении низкокипящих газов, например, гелия и водорода. Кроме того, появляется возможность выбора и применения в качестве хладагента многих нормальных и криогенных жидкостей и их смесей, доступных для получения на месте потребления рабочего газа и пригодных к утилизации на месте сжижения последнего, например, воды, спирта, воздуха, углекислого газа, азота. При этом исключаются ненужные перевозки теплоносителя от места его нагрева до места сжижения. Перед использованием рабочего газа и хладагента можно отделить их от компонентов смеси. Значительно упрощается устройство хладоаккумулятора, например, он может состоять из теплоизолированного корпуса, вертикальной трубы рабочего газа и присоединенного к ней набора тарелей, заполняемых хладагентом.

Сущность изобретения поясняется на примерах.

Пример 1. При сжижении углекислого газа используют переохлажденный лед. Для этого тарели хладоаккумулятора заполняют водой, замораживают воду и переохлаждают лед первоначально жидким азотом. Углекислый газ пропускают через хладоаккумулятор и охлаждают до жидкого состояния при температуре ниже -56,6°С за счет теплообмена со льдом. Жидкий углекислый газ и незаполненный хладоаккумулятор транспортируют к месту потребления углекислого газа, например, в лесопитомник. Пропуская жидкий газ через хладоаккумулятор, заполненный водой, согревают газ и используют в лесопитомнике. Затем хладоаккумулятор с намороженным льдом и пустой резервуар углекислого газа доставляют обратно к месту сжижения последнего. Цикл сжижения повторяется с возмещением потерь хладоресурса.

Пример 2. При сжижении природного газа используют переохлажденный «сухой» лед. Для этого тарели хладоаккумулятора заполняют жидкой углекислотой, замораживают ее и переохлаждают «сухой» лед первоначально жидким азотом. Природный газ пропускают через хладоаккумулятор и охлаждают до жидкого состояния при температуре ниже -162°С за счет теплообмена со льдом. Углекислый газ утилизируют, например, заполняя им баллоны. Жидкий природный газ и незаполненный хладоаккумулятор транспортируют к месту потребления природного газа. Пропуская жидкий газ через хладоаккумулятор, заполненный углекислотой, согревают газ и используют для сжигания. Затем хладоаккумулятор с намороженным льдом и пустой резервуар природного газа доставляют обратно к месту сжижения последнего. Цикл сжижения повторяется.

Пример 3. При сжижении водорода используют переохлажденный лед азота. Для этого тарели хладоаккумулятора заполняют жидким азотом, замораживают его в лед и переохлаждают твердый азот первоначально жидким водородом или неоном. Газообразный водород пропускают через хладоаккумулятор и охлаждают до жидкого состояния при температуре ниже 20-32 К в зависимости от давления за счет теплообмена со льдом. Азот утилизируют, например, заполняя им баллоны. Жидкий водород и незаполненный хладоаккумулятор транспортируют к месту потребления водорода. Пропуская жидкий водород через хладоаккумулятор, заполненный жидким азотом, согревают водород и используют для сжигания. Затем хладоаккумулятор с намороженным твердым азотом и пустой резервуар водорода доставляют обратно к месту сжижения последнего. Цикл сжижения повторяется.

В последнее время с развитием средств хранения и транспортировки сжиженных газов предложенный способ получает необходимые средства для реализации. Во всех примерах принята теплоизолированная емкость самой совершенной конструкции - с экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ), обеспечивающей длительное хранение криогенных жидкостей, см. заявки на изобретение №№2006146056 и 2007110972. Для транспортировки криогенных жидкостей разработаны и действуют теплоизолированные железнодорожные и автомобильные цистерны и суда-газовозы.

Предложенный способ может быть применен для любых производств, использующих привозной криогенный рабочий газ, в том числе для энергетических, металлургических, химических, цементных и других предприятий, а также для ряда транспортных средств.

Источники информации

1. Н.Б. Варгафтик, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1963 г.

Способ сжижения криогенных газов, по которому осуществляют процессы: сжижения рабочего газа, при котором рабочий газ сжимают в компрессоре, охлаждают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и дросселируют до получения жидкости; использования рабочего газа, при котором сжиженный газ испаряют и нагревают в теплообменнике при теплообмене с хладагентом и используют в потребителе; охлаждения хладагента, при котором хладагент охлаждают в теплообменнике при теплообмене со сжиженным рабочим газом; нагрева охлажденного хладагента, при котором хладагент нагревают в теплообменнике при теплообмене с рабочим газом; и перемещения транспортными средствами сжиженного рабочего газа к месту потребления и хладагента к месту сжижения рабочего газа, отличающийся тем, что в качестве хладагента используют жидкость, температура плавления которой превышает температуру сжижения рабочего газа, в качестве теплообменника используют хладоаккумулятор, который перед нагревом сжиженного рабочего газа заполняют хладагентом, последний охлаждают до отверждения и переохлаждают, а при сжижении рабочего газа хладагент нагревают до текучего состояния и утилизируют.