Способ охлаждения и конденсации природного газа

 

ОЙИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ и 645618

Союз боввтвкйл

Социалистическим

Республнн

fr 4

1 (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 20.12.71 (21) 1728742/23-26 (23) Приоритет — (32) 21.12.70 (31) 7046084 (33) Франция (51) М. Кл.з

F 25J 1/00

Государственный комитет

СССР ло делам изобретений и открытий (43) Опубликовано 30.01.79. Бюллетень № 4 (53) УДК 621.59 (088.8) (45) Дата опубликования описания 30.01.79 (72) Автор изобретения

Иностранец

Бернар Дарредо (Франция) Иностранная фирма

«Л Эр Ликид, Сосьете Аноним Пур, Л. Этюд Эл, Эксплуатасьон

Дэ Просэдэ Жорж Клод» (Франция) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ

ПРИРОДНОГО ГАЗА

Изобретение относится к холодильной технике, касается способа охлаждения и конденсации газовых смесей и может быть использовано для ожижения природного газа.

Известен способ охлаждения и конденсации природного газа с использованием холода циркуляционной газовой смеси, содержащей по меньшей мере одну составляющую охлаждаемого и конденсируемого газа (1). Способ включает охлаждение и частичную конденсацию под высоким давлением циркуляционной газовой смеси, расширение смеси до промежуточного давления с получением первой сконденсированной фракции, испарение и нагрев этой фракции, сжатие нагретой фракции до высокого давления. Первую сконденсированную фракцию получают непосредственно после сжатия. В этом способе могут быть использованы два различных варианта: с циклом охлаждения незамкнутого типа, в котором газовая смесь и циркулирующая соединяются и подвергаются вместе частичной конденсации, и с циклом охлаждения замкнутого типа, в котором газовая смесь и циркулирующая функционируют в отдельных трубах, где они конденсируются независимым образом.

К недостаткам указанного способа следу5 ет отнести относительно большую степень необратимости некоторых рабочих фаз и увеличение, таким образом, общей энергии поглощаемой при конденсации обрабатываемой газовой смеси, колебание темпераl0 туры, существующее между циркулирующей смесью в процессе частичной конденсации и в процессе повторного нагрева.

Известен также способ охлаждения и конденсации природного газа с использова15 нием холода газового потока, состоящего из нескольких компонентов с различной точкой кипения, включающий многократное сжатие газового потока от низкого до высокого давления, охлаждение его внешним

20 хладагентом, каскадную сепарацию с получением жидкой фракции, которую охлаждают вместе с природным газом расширенным потоком этой же фракции и возвращают на первую ступень сжатия, и газо25 образной фракции, которую после охлаждения подвергают дальнейшей сепарации и охлаждению вместе с природным газом(2).

645618

Однако и этот способ потребляет много энергии для конденсации обрабатываемой газовой смеси.

Целью изобретения является снижение расхода энергии, потребляемой в процессе охлаждения и конденсации природного газа.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе охлаждения и конденсации природного газа с использованием холода газового потока жидкую фракцию, полученную после первой ступени сепарации газового потока, расширяют до промежуточного давления и дополнительно сепарируют с получением более тяжелой сжиженной фракции и менее тяжелой газообразной фракции, из которых газообразную фракцию подвергают сжатию с промежуточного давления до высокого, а жидкую фракцию испаряют, расширяют до низкого давления, нагревают путем теплообмена с природным газом, подлежащим сжижению, и остаток газового охлаждаемого потока, полученного после первой ступени сепарации, возвращают на первую ступень сжатия.

Изобретение позволяет обогатить первую сконденсированную фракцию циркуляционной смеси тяжелыми составляющими, следовательно, составляющими с высокой температурой кипения, и выпаривание первой сконденсированной фракции происходит при более высокой температуре. Уменьшается отклонение температуры между кривой выпаривания и кривой конденсации циркуляционной смеси, улучшается термодинамическая эффективность первого теплообмена и, следовательно, потребление энергии.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены схемы установок, позволяющих осуществить предлагаемый способ; на фиг. 4 — диаграммы теплообмена, иллюстрирующие кривые охлаждения и нагрева, относящиеся к первому теплообменнику охлаждающей известной установки каскадного цикла (на оси орди нат откладывают количества тепла G в килокалориях, а на оси абсцисс откладывают температуру Т, C; кривые, отмеченные сплошной линией, соответствуют диаграмме теплообмена первого теплообменника известной установки, взятой в качестве прототипа, кривые, отмеченные пунктирной линией, соответствуют диаграмме теплообмена установки согласно фиг. 1 при давлениях, расходе обрабатываемого газа, идентичных известной установке); на фиг. 5 — графически выраженная в относительных значениях (т. е. для ожижения 1 мэ природного газа) полная поверхность теплообмена (5), не включающая поверхность теплообмена конечного конденсатора, размещенного после компрессора в известной установке и для фиг. 1 и 3 в зависимости от мощности, поглощаемой циркуляционной смесью, 5

4

Установка (фиг. 1) содержит йоток 1 охлаждаемого и конденсируемого природного газа, блок охлаждения, включающий компрессор 2, состоящий из двух ступеней, концевой конденсатор 3, первый сепаратор 4, первый теплообменник 5, второй сепаратор

6, второй теплообменник 7, третий теплообменник 8, третий сепаратор 9, четвертый сепаратор 10, расширительные клапаны

11 — 15, Первый теплообменник имеет змеевики 16 — 18, второй — змеевики 19 — 21 и третий теплообменник имеет змеевики 22 и 23.

На фиг. 2 кроме идентичных позиций, указанных на фиг. 1, показаны промежуточный теплообменник 24 со змеевиками

25 — 27.

На фиг, 3 промежуточный теплообменник

24 имеет четвертый змеевик 28.

Установка, изображенная на фиг. 1, работает следующим образом, Циркуляционную смесь сжимают в компрессоре 2 до давления 40 бар, охлаждают и подвергают частичной конденсации в концевом конденсаторе 3 и первом сепараторе

4. Первую сконденсированную фракцию, полученную в сепараторе 4, отделяют от остальной циркулирующей смеси, расширяют в клапане 14 до промежуточного давления и подвергают дополнительной сепарации в сепараторе 9. После дополнительной сепарации в сепараторе 9 газовую фракцию направляют на дожатие до высокого давления во вторую ступень компрессора 2, а сконденсированную фракцию переохлаждают в змеевике 16 теплообменника 5, расширяют в клапане 11 до низкого давления, затем выпаривают и нагревают противотоком в теплообменнике 5, сепарируют в сепараторе 10, и газовую фракцию при низком давлении возвращают на всасывание в первую ступень компрессора 2. Остальную часть циркулирующей смеси выводят в виде газообразной фракции из сепаратора 4, частично конденсируют в змеевике 17 теплообменника 5 и направляют в сепаратор 6 для повторной сепарации. В сепараторе 6 из циркуляционной смеси отделяют вторую сконденсированную фракцию, переохлаждают в змеевике 19 теплообменника

7, расширяют в клапане 12 до низкого давления, выпаривают в противотоке со второй сконденсированной фракцией, нагревают в теплообменнике 7, затем в теплообменнике

5 и возвращают на всасывание первой ступени компрессора 2. После отделения второй сконденсированной фракции газовую смесь из сепаратора 6 конденсируют сначала в змеевике 20 теплообменника 7 за счет теплообмена с расширенной второй сконденсированной фракцией и в змеевике 22 теплообменника 8 за счет расширения сконденсированного остатка циркулирующей смеси в клапане 13, после чего ее выпаривают, нагревают в теплообменниках 8, 7 и 5 и

645618

5 подают на всасывание первой ступени компрессораа.

Поток 1 природного газа подвергают постоянному охлаждению и конденсации в змеевиках 18, 21 и 23 теплообменников 5, 7 и 8 за счет противоточного теплообмена со сконденсированными и расширенными фракциями циркулирующей смеси. Сконденсированную газовую смесь (природный газ) в случае необходимости подвергают переохлаждению, удаляют из блока охлаждения и расширяют до необходимого давления в клапане 15.

Работа установки, представленной на фиг. 2, отличается от работы установки на фиг. 1 промежуточным теплообменником

24. В этом теплообменнике частично выпаривают первую сконденсированную фракцию, расширенную до промежуточного давления в клапане 14. Тепло, необходимое для выпаривания, получают путем теплообмена с первой сконденсированной фракцией в змеевике 25 перед ее расширением до промежуточного давления, с первой сконденсированной фракцией, отделенной от газовой фракции и выходящей из сепаратора 9 по змеевику 26, и с другим потоком в процессе охлаждения, поступающим в змеевик

27. Этот другой поток может представлять собой циркулирующую смесь, которая должна быть охлаждена и сконденсирована (например, природный газ), или любая другая жидкость с температурой, близкой к окружающей, которую необходимо охлаждать.

Работа установки по схеме, представленной на фиг. 3, отличается от работы установки по схеме на фиг. 2 тем, что тепло, необходимое для выпаривания первой сконденсированной фракции в промежуточном теплообменнике 24, так же получают за счет теплообмена противотоком с циркулирующей газовой смесью, выходящей из сепаратора 4, в змеевике 28.

Кроме указанных преимуществ схема, показанная на фиг. 1, улучшает экономичность цикла охлаждения за счет того, что общее количество циркулирующей смеси остается практически неизменным, баланс по массам практически тот же, за исключением газовой фракции, полученной при промежуточном давлении в сепараторе 9, и которая посылается при более низкой температуре во вторую ступень сжатия. Сохраняется сжатие в первой ступени компрессора всей газовой фракции, полученной при промежуточном давлении. Если степень сжатия остается той же самой на обеих ступенях компрессора, то газовая фракция может составлять 10 — 12% циклической смеси, и в этом случае выигрыш энергии составляет от 5 до 6%.

Блок охлаждения (фиг. 2) может получить выигрыш энергии (по отношению к фиг, 1} еще больший за счет того, что пер6 вая сконденсированная фракция циркулирующей смеси, по крайней мере выпаренная в промежуточном теплообменнике, с одной стороны значительно увеличивае г процент газовой фракции, отделенной в сепараторе

9, с другой стороны обогащает еще больше первую сконденсированную фракцию тяжелыми составляющими.

Кроме того, весь холод, полученный в теплообменнике 24, в два раза дешевле с точки зрения энергии, так как сжатие циркулирующей смеси может быть сокращено наполовину.

Исследование диаграмм теплообмена, представленных на фиг. 4, позволяет представить теоретические положения, указанные выше. Кривые охлаждения (стрелки, указывающие вниз) представляют сумму количеств теплообмена газовой смеси (природный газ) на пути к охлажденной конденсации, циркулирующей смеси на пути к охлаждению и частичной конденсации и первой сконденсированной фракции, выходящей из сепаратора 4 нагрева (стрелки указывают вверх), они представляют количество тепла, подводимого циркулирующей смесью к первому теплообменнику 5, и содержащей первую сконденсированную часть в процессе выпаривания и нагрева при низком давлении.

С помощью кривых, показанных сплошными линиями, т. е. по известному способу установлено, что кривая охлаждения является функцией, строго линейной по температуре, и что кривая нагрева имеет угловую точку, соответствующую изменению резкого падения в средней зоне первого теплообменника 5. Отсюда следует большой сдвиг температуры, котбрый ухудшает термодинамическую эффективность цикла охлаждения.

С помощью кривых, представленных пунктирными линиями (фиг. 4), устанавливают с одной стороны, что кривая нагрева сближается с кривой охлаждения, и с другой стороны — кривая нагрева значительно больше сглажена. Следовательно, уменьшается отклонение температуры по всей длине первого теплообменника и возрастает обратимость первого теплообмена, и требуется меньшее количество энергии для ожижения обрабатываемой газовой смеси.

Кривые фиг. 5 показывают экономию, получаемую в результате изобретения на равной поверхности обмена или при равной затрате энергии. Кривые Аь относятся к известному способу, кривые А и А, относятся соответственно к фиг. 1 и 3.

Сравнение этих кривых позволяет установить: что по отношению к известному способу установка на фиг. 1 вносит экономию энергии около 5% на равной поверхности обме645618 юг.f

7 на и от 6 до 10 — на теплообменной поверхности с равной затратой энергии; что выбор между установками на фиг. 1 и 3 может быть сделан в зависимости от экономических критериев (случай фиг. 2 и 5

3 рассматриваются, когда энергия дорогая).

Изобретение не ограничивается описанными вариантами и может иметь множество вариантов в зависимости от рассматриваемых применений. 10

Формула изобретения

Способ охлаждения и конденсации природного газа с использованием холода га- 15 зового потока, состоящего из нескольких компонентов с различной точкой кипения, включающий многократное сжатие газового потока от низкого до высокого давления, охлаждение его внешним хладагентом, кас- 20 кадную сепарацию с получением жидкой фракции, которую охлаждают вместе с природным газом расширенным потоком этой же фракции и возвращают на первую ступень сжатия, и газообразной фракции, ко- 25 торую после охлаждения подвергают дальнейшей сепарации и охлаждению вместе с природным газом, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода энергии, жидкую фракцию, полученную после первой ступени сепарации газового потока, расширяют до промежуточного давления и дополнительно сепарируют с получением более тяжелой сжиженной фракции и менее тяжелой газообразной фракции, из которых газообразную фракцию подвергают сжатию с промежуточного давления до высокого, а жидкую фракцию испаряют, расширяют до низкого давления, нагревают путем теплообмена с природным газом, подлежащим сжижению, и остаток газового охлаждаемого потока, полученного после первой ступени сепарации, возвращают на первую ступень сжатия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Клименко А. П. Разделение природных углеводородных газов. Киев, «Техника», 1964, с. 350 — 351.

2. Уайт Г. К. Экспериментальная техника в физике низких температур, М., 1961, с. 18 — 22.

645618

1/0-а0

Но

Ю0 риа5

Составитель В. Ивочкин

Техред Н. Строганова Корректор И. Позняковская

Редактор Т. Пилипенко

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2702/16 Изд, № 141 Тираж 620 Подписное

НПО Государственного комитета по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5