Способ частичного сжижения природного газа (варианты)

Группа изобретений относится к области сжижения природных газов высокого давления и их смесей. В способе частичного сжижения природного газа прямой поток после охлаждения дросселируют и разделяют на продукционный и технологический потоки. Продукционный поток охлаждают, дросселируют, разделяют в ректификационной колонне на жидкую фракцию и паровую фракцию. Паровую фракцию направляют на реконденсацию с последующим направлением части реконденсированного продукционного потока в ректификационную колонну в качестве флегмового орошения. Другую часть реконденсированного продукционного потока дросселируют и разделяют на жидкостную фазу, являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу, направляемую далее в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока. Предварительно охлажденный технологический поток дросселируют, испаряют за счет реконденсации продукционного потока, а после повторного дросселирования направляют в обратный поток. Также описан вариант способа частичного сжижения природного газа. Предложенная группа изобретения позволит получить сжиженный природный газ с малым содержанием высококипящих компонентов, в том числе диоксида углерода, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками, при снижении энергетических затрат на его производство. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Группа изобретений относится к области сжижения природных газов высокого давления и их смесей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ частичного сжижения природного газа, включающий предварительное охлаждение прямого потока газа высокого давления, отделение части прямого потока, ее расширение и соединение с обратным потоком, охлаждение прямого потока, дросселирование и разделение в сборнике-сепараторе парожидкостной смеси на паровую и жидкостную фазы (см. RU 2212598 C1, опубл. 20.09.2003, МПК7 F25J 1/00).

Недостатком известного способа является низкая эффективность разделения компонентов смеси за счет изотермической двукратной сепарации жидкой и паровой фаз. Для достижения повышенной чистоты продукта при изотермическом разделении из сборника-сепаратора установки приходится извлекать чрезвычайно малое количество пара, которое затем реконденсируется и выдается потребителю в качестве конечного продукта, Так как доля чистого пара весьма мала, величину прямого потока требуется увеличивать, что возможно только за счет сокращения доли потока, уходящего на расширение в расширяющее устройство. При уменьшении этого потока сокращается производительность расширительного устройства и коэффициент сжижения установки снижается. Потери производительности в таком способе сжижения могут достигать 20% и более по сравнению со способом сжижения без реконденсации в зависимости от требуемой чистоты продукта.

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, заключается в получении сжиженного природного газа с малым содержанием высококипящих компонентов, в том числе диоксида углерода, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками, при снижении энергетических затрат на его производство.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе частичного сжижения природного газа, включающего предварительное охлаждение прямого потока газа высокого давления, прямой поток после охлаждения дросселируют и разделяют на продукционный и технологический потоки, при этом продукционный поток охлаждают, дросселируют, разделяют в ректификационной колонне на жидкую фракцию и паровую фракцию, которую направляют на реконденсацию с последующим направлением части реконденсированного продукционного потока в ректификационную колонну в качестве флегмового орошения, а также дросселированием другой части реконденсированного продукционного потока и разделением ее на жидкостную фазу, являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу, направляемую далее в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а предварительно охлажденный технологический поток дросселируют, испаряют за счет реконденсации продукционного потока, а после повторного дросселирования направляют в обратный поток.

Предварительно охлажденный технологический поток перед дросселированием может быть направлен в испаритель-конденсатор ректификационной колонны, а жидкая фракция из ректификационной колонны может быть сжата, направлена на испарение и нагрев с промежуточным дросселированием, а затем направлена в обратный поток.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе частичного сжижения природного газа, включающего предварительное охлаждение прямого потока газа высокого давления, отделение части прямого потока, ее расширение и соединение с обратным потоком, охлаждение другой части прямого потока, прямой поток после охлаждения разделяют на продукционный и технологический потоки, при этом продукционный поток охлаждают, дросселируют, разделяют в ректификационной колонне на жидкую фракцию и паровую фракцию, которую направляют на реконденсацию с последующим направлением части реконденсированного продукционного потока в ректификационную колонну в качестве флегмового орошения, а также дросселированием другой части реконденсированного продукционного потока и разделением ее на жидкостную фазу, являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу, направляемую далее в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а предварительно охлажденный технологический поток дросселируют, испаряют за счет реконденсации продукционного потока, а после повторного дросселирования направляют в обратный поток.

При этом предварительно охлажденный технологический поток перед дросселированием может быть направлен в испаритель-конденсатор ректификационной колонны, а жидкая фракция из ректификационной колонны может быть сжата, направлена на испарение и нагрев с промежуточным дросселированием, а затем направлена в обратный поток.

Группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1-3 представлены схемы установок для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 1, на фиг.4-6 - схемы установок для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 2.

Схема для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 1 (фиг.1) включает в себя источник газа высокого давления 1, предварительный теплообменник 2, регулирующий дроссель 3, подогревающий теплообменник 4, регулирующий дроссель продукционного потока 5, ректификационную колонну 6 с выходом кубовой жидкости 7, регулирующий дроссель технологического потока 8, теплообменник-реконденсатор 9, регулирующий дроссель 10, сборник-сепаратор 11, выход чистого жидкого продукта (сжиженного природного газа) 12, перепускной дроссель 13, обратный поток 14.

Схема для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 1 (фиг.2) дополнительно предусматривает наличие испарителя-конденсатора 20 в составе ректификационной колонны 6.

Схема для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 1 (фиг.3) дополнительно включает дожимающий криогенный насос 15, горячий теплообменник 16 и промежуточный дроссель 17.

Схема для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 2 (фиг.4) включает в себя источник газа высокого давления 1, предварительный теплообменник 2, промежуточный теплообменник 18, расширяющее устройство 19, подогревающий теплообменник 4, регулирующий дроссель продукционного потока 5, ректификационную колонну 6 с выходом кубовой жидкости 7, регулирующий дроссель технологического потока 8, теплообменник-реконденсатор 9, регулирующий дроссель 10, сборник-сепаратор 11, выход чистого жидкого продукта (сжиженного природного газа) 12, перепускной дроссель 13, обратный поток 14.

Схема для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 2 (фиг.5) дополнительно предусматривает наличие испарителя-конденсатора 20 в составе ректификационной колонны 6.

Схема для реализации способа частичного сжижения природного газа по варианту 2 (фиг.6) дополнительно включает дожимающий криогенный насос 15, горячий теплообменник 16 и промежуточный дроссель 17.

Способ по варианту 1 (см. фиг.1) реализуется следующим образом.

Газ высокого давления (прямой поток), представленный смесью: Метан 91%, Этан 3%, Пропан 1,5%, н-Бутан 0,5%, CO₂ 1%, N₂ 3%, с начальной температурой 293,15 К и давлением 15 МПа подают в предварительный теплообменник 2, где его охлаждают до 250-230 К. Последующее расширение газа в регулирующем дросселе 3 происходит до 5-8 МПа. Далее прямой поток разделяют на продукционный (25%) и технологический (75%) потоки, которые параллельно направляют на охлаждение в подогревающий теплообменник 4. После расширения в регулирующем дросселе 5 в ректификационную колонну 6 с десятью теоретическими тарелками подают продукционный поток в состоянии насыщенного пара с давлением 2,3 МПа. В ректификационной колонне 6 продукционный поток разделяется в результате тепломассообмена на жидкую (20%) и паровую (140%) фракции. Далее продукционный поток в виде паровой фракции направляют на реконденсацию в теплообменник-реконденсатор 9. Реконденсированный продукционный поток из ректификационной колонны 6 разделяют на флегмовый поток (43%), который возвращают в ректификационную колонну 6 на орошение, и поток (57%), который расширяется через регулирующий дроссель 10 в сборник-сепаратор 11 с давлением 0,6 МПа, где происходит его разделение на жидкостную фазу (70%), являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу (30%). Жидкостную фазу направляют потребителю через выход чистого жидкого продукта 12. Чистота конечного продукта по CO₂ - 50 ppm, содержание азота - 1%, суммарное содержание углеводородов $$C_2^{+}$$ менее 0,05%. Выход продукта составляет 14,2% от массового потока сырьевого газа (прямого потока). Паровую фазу направляют в качестве обратного потока в предварительный теплообменник 2 для охлаждения прямого потока.

Технологический поток, охлажденный в подогревающем теплообменнике 4 до температуры 161 К, направляют, после расширения в регулирующем дросселе 8 до давления 1,7 МПа, в теплообменник-реконденсатор 9, где он испаряется и нагревается до температуры 167 К. Затем технологический поток полностью испаряется в подогревающем теплообменнике 4 и после повторного расширения в регулирующем дросселе 13 до давления 0,6 МПа его направляют в обратный поток 14 совместно с паровой фазой из сборника-сепаратора 11. Температура обратного потока 14 на выходе из установки составляет 283,15 К.

Полученный сжиженный природный газ обладает высоким качеством, поскольку доля метана в нем стабильна и составляет не менее 98,5%. Пониженное содержание углеводородов $$C_2^{+}$$ и диоксида углерода предотвращает закупорку арматуры и аппаратов при отгрузке, хранении и регазификации сжиженного природного газа кристаллами диоксида углерода и тяжелых углеводородов $$C_5^{+}$$ , позволяет устранить явление ролловера при смешивании различных партий продукта, стабилизировать теплоту сгорания топлива, устраняет образование нагара в форкамерах двигателей при пиролизе углеводородов $$C_5^{+}$$ , снижает содержание оксидов азота в продуктах сгорания. Понижение содержания азота в сжиженном природном газе позволяет увеличить плотность сжиженного природного газа, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках, связанных с транспортом сжиженного природного газа, увеличивается теплотворная способность.

Для увеличения производительности ректификационной колонны по чистому парообразному продукту может быть установлен испаритель-реконденсатор 20 (см. фиг.2), который частично испаряет поток жидкости из ректификационной колонны 6 за счет охлаждения технологического потока. Это позволит увеличить количество чистого пара, отгоняемого из ректификационной колонны, до 160% от продукционного потока за счет сокращения величины жидкой фракции до 10% от продукционного потока. При этом производительность установки составит 15,7% от массового потока сырьевого газа (прямого потока) при сохранении качества продукта на прежнем уровне.

На линии прямого потока перед предварительным теплообменником 2 может быть установлен горячий теплообменник 16 с промежуточным дроссельным вентилем 17 (см. фиг.3). Таким образом, прямой поток от источника газа высокого давления 1 перед охлаждением в предварительном теплообменнике 2 подают на охлаждение в горячий теплообменник 16. Жидкую фракцию откачивают из ректификационной колонны 6 при помощи дожимающего криогенного насоса 15 и подают в горячий теплообменник 16 на испарение с последующим расширением через дроссель 17 до давления обратного потока и нагрев до температуры обратного потока. Из горячего теплообменника 16 поток смешивают с обратным потоком. Предложенный способ позволит дополнительно повысить производительность способа на 5-6%, а также утилизировать природный газ в виде обратного потока на 2% больше по сравнению со способом без криогенного насоса 15 и горячего теплообменника 16 (см. фиг.2).

Способ по варианту 2 (см. фиг.4) реализуется следующим образом.

Газ высокого давления (прямой поток), представленный смесью: Метан 98,5%, Этан 0,5%, Пропан 0,375%, н-Бутан 0,125%, CO₂ 0,5%, с начальной температурой 293,15 К и давлением 3,5 МПа подают в предварительный теплообменник 2, где его охлаждают до 230 К. Далее прямой поток разделяют на два потока, первый из которых (67%) направляют в расширяющее устройство 19 - турбодетандер с политропным КПД 75%, где он расширяется до давления обратного потока - 0,6 МПа - и, затем, объединяется с обратным потоком 14 на входе в промежуточный теплообменник 18, а второй поток (33%) охлаждают в промежуточном теплообменнике 18. Часть прямого потока после промежуточного теплообменника 18 разделяют на продукционный (47%) и технологический (53%) потоки, которые параллельно направляют на охлаждение в подогревающий теплообменник 4. После расширения в регулирующем дросселе 5 в ректификационную колонну 6 с десятью теоретическими тарелками подают продукционный поток в состоянии насыщенного пара с давлением 2,5 МПа. В ректификационной колонне 6 продукционный поток разделяется в результате тепломассообмена на жидкую (27%) и паровую (129%) фракции. Далее продукционный поток в виде паровой фракции направляют на реконденсацию в теплообменник-реконденсатор 9. Реконденсированный продукционный поток из ректификационной колонны 6 делится на флегмовый поток (43%), который возвращается в колонну на орошение, и поток (57%), который расширяется через регулирующий дроссель 10 и поступает в сборник-сепаратор 11 с давлением 0,6 МПа, где происходит его разделение на жидкостную фазу (66%), являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу (34%). Жидкостную фазу направляют потребителю через выход чистого жидкого продукта 12. Чистота конечного продукта по CO₂ - 50 ррm, суммарное содержание углеводородов $$C_2^{+}$$ менее 0,05%. Выход продукта составляет 7,5% от массового потока сырьевого газа (прямого потока). Паровую фазу направляют в качестве обратного потока в промежуточный и предварительный теплообменники 18 и 2, соответственно, для охлаждения прямого потока. Температура обратного потока 14 на выходе из установки составляет 283,15 К.

Технологический поток, охлажденный в подогревающем теплообменнике 4 до температуры 163 К, направляют, после расширения в регулирующем дросселе 8 до давления 1,7 МПа, в теплообменник-реконденсатор 9, где он испаряется и нагревается до температуры 167 К. Затем технологический поток полностью испаряется в подогревающем теплообменнике 4 и после повторного расширения в регулирующем дросселе 13 до давления 0,6 МПа его направляют в обратный поток совместно с паровой фазой из сборника-сепаратора 11.

Полученный сжиженный природный газ обладает высоким качеством, поскольку доля метана в нем стабильна и составляет не менее 99,995%. Пониженное содержание углеводородов $$C_2^{+}$$ и диоксида углерода предотвращает закупорку арматуры и аппаратов при отгрузке, хранении и регазификации сжиженного природного газа кристаллами диоксида углерода и тяжелых углеводородов $$C_5^{+}$$ , позволяет устранить явление ролловера при смешивании различных партий продукта, стабилизировать теплоту сгорания топлива, устраняет образование нагара в форкамерах двигателей при пиролизе углеводородов $$C_5^{+}$$ , снижает содержание оксидов азота в продуктах сгорания.

Для увеличения производительности ректификационной колонны 6 по чистому парообразному продукту может быть установлен испаритель-реконденсатор 20 (см. фиг.5), который частично испаряет поток жидкости из ректификационной колонны 6 за счет охлаждения технологического потока. Это позволит увеличить количество чистого пара, отгоняемого из ректификационной колонны 6, до 140% от продукционного потока за счет сокращения величины жидкой фракции до 16% от продукционного потока. При этом производительность установки составит 8,2% от массового потока сырьевого газа (прямого потока) при сохранении качества продукта на прежнем уровне.

На линии прямого потока перед предварительным теплообменником 2 может быть установлен горячий теплообменник 16 с промежуточным дроссельным вентилем 17 (см. фиг.6). Таким образом, прямой поток от источника газа высокого давления 1 перед охлаждением в предварительном теплообменнике 2 подают на охлаждение в горячий теплообменник 16. Жидкую фракцию откачивают из ректификационной колонны 6 при помощи дожимающего криогенного насоса 15 и подают в горячий теплообменник 16 на испарение с последующим расширением через дроссель 17 до давления обратного потока и нагрев до температуры обратного потока. Из горячего теплообменника 16 поток смешивают с обратным потоком. Предложенный способ позволит дополнительно повысить производительность способа на 4-5%, а также утилизировать природный газ в виде обратного потока на 1,5% больше по сравнению со способом без криогенного насоса 15 и горячего теплообменника 16 (см. фиг.6).

Применяемые в настоящий момент высокотемпературные адсорбционные системы очистки не позволяют существенно снизить концентрацию тяжелых углеводородов в природном газе. Предлагаемая низкотемпературная очистка позволит отказаться от применения дорогостоящей высокотемпературной очистки при одновременном увеличении качества получаемого продукта.

Таким образом, использование данной группы изобретений позволит получить сжиженный природный газ с малым содержанием высококипящих компонентов, в том числе диоксида углерода, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками, при снижении энергетических затрат на его производство.

1. Способ частичного сжижения природного газа, включающий предварительное охлаждение прямого потока газа высокого давления, отличающийся тем, что прямой поток после охлаждения дросселируют и разделяют на продукционный и технологический потоки, при этом продукционный поток охлаждают, дросселируют, разделяют в ректификационной колонне на жидкую фракцию и паровую фракцию, которую направляют на реконденсацию с последующим направлением части реконденсированного продукционного потока в ректификационную колонну в качестве флегмового орошения, а также дросселированием другой части реконденсированного продукционного потока и разделением ее на жидкостную фазу, являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу, направляемую далее в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а предварительно охлажденный технологический поток дросселируют, испаряют за счет реконденсации продукционного потока, а после повторного дросселирования направляют в обратный поток.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно охлажденный технологический поток перед дросселированием направляют в испаритель-конденсатор ректификационной колонны.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что жидкую фракцию из ректификационной колонны сжимают, направляют на испарение и нагрев с промежуточным дросселированием, а затем направляют в обратный поток.

4. Способ частичного сжижения природного газа, включающий предварительное охлаждение прямого потока газа высокого давления, отделение части прямого потока, ее расширение и соединение с обратным потоком, охлаждение другой части прямого потока, отличающийся тем, что прямой поток после охлаждения разделяют на продукционный и технологический потоки, при этом продукционный поток охлаждают, дросселируют, разделяют в ректификационной колонне на жидкую фракцию и паровую фракцию, которую направляют на реконденсацию с последующим направлением части реконденсированного продукционного потока в ректификационную колонну в качестве флегмового орошения, а также дросселированием другой части реконденсированного продукционного потока и разделением ее на жидкостную фазу, являющуюся готовым продуктом, и паровую фазу, направляемую далее в качестве обратного потока для охлаждения прямого потока, а предварительно охлажденный технологический поток дросселируют, испаряют за счет реконденсации продукционного потока, а после повторного дросселирования направляют в обратный поток.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что предварительно охлажденный технологический поток перед дросселированием направляют в испаритель-конденсатор ректификационной колонны.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что жидкую фракцию из ректификационной колонны сжимают, направляют на испарение и нагрев с промежуточным дросселированием, а затем направляют в обратный поток.