Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Технологии получения сжиженного природного газа. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 63 4 5 6 > Следующая >>>

Рис. 3.1. Процесс сжижения газа в координатах температура – энтропия Т(S):

– начальная температура газа; Тк – критическая температура;

– температура фазового перехода

Тепло, необходимое для испарения и нагрева газа от точки f до точки 1, можно взять у другого вещества, которое при этом будет охлаждаться. Если в роли сжижаемого газа выступает то же самое вещество, то его переход газообразного состояния в жидкое будет происходить по обратному пути 1–2–f (см. рис. 3.1). Линия 1–2–f описывает изменение состояния и охлаждаемого газа и нагревающегося хладагента. В точке f и охлаждаемый газ и хладагент находятся в жидкой фазе.

В реальных процессах в основном используют второй способ, причем на второй стадии может быть установлен дроссель, тогда цикл называется дроссельным. Или детандер, в этом случае цикл называют детандерным.

Рассмотрим элементарный дроссельный холодильный цикл, в котором циркулирует однокомпонентный газ, например, пропан (рис. 3.2).

Углеводородный газ, сжатый в компрессоре 1 и охлажденный до температуры окружающей среды в теплообменнике 2, проходит через дроссель 3 (клапан Джоуля-Томсона), где в процессе расширения его температура понижается. При охлаждении часть газа конденсируется и собирается в нижней части сепаратора 4, от куда подается в теплообменник-испаритель 5. В теплообменнике жидкость охлаждает более теплое вещество, при этом нагреваясь и испаряясь. Превратившись снова в газ, рабочее тело снова подается для сжатия в компрессор 1. Цикл замыкается.

Рис. 3.2. Принципиальная схема простого дроссельного цикла:

1 – компрессор; 2 – холодильник-конденсатор с внешним охлаждением;

3 – дроссель; 4 – сепаратор; 5 – холодильник-испаритель для охлаждения сжижаемого газа

Дроссельный эффект снижения температуры сравнительно невелик, поэтому для сжижения с критической температурой значительно ниже температуры окружающей среды дроссельные циклы комбинируют друг с другом. Хладагенты подбирают таким образом, чтобы температура сжижаемого газа понижалась ступенчато (рис. 3.3). На рис. 3.3 хладагент-1 имеет более высокую критическую температуру, чем хладагент-2.

Рис. 3.3. Каскадный принцип построения холодильных дроссельных циклов

Цикл с простым дросселированием был первым криогенным циклом, применяемым на практике. Этот цикл используется и сейчас в различных модификациях. Кроме того, рассмотренный цикл является неотъемлемой частью большинства современных криогенных установок.

Простой детандерный цикл изображен на рис. 3.4. Физическое отличие процессов, происходящих в детандере, от процессов, происходящих в дросселе, заключается в том, что расширение газа в детандере адиабатное, и совершенная при этом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается. Различают открытые и закрытые детандерные циклы. На рис. 3.4 показан закрытый цикл, в котором циркулирует отдельный поток хладагента. В открытых циклах поток газа при сжижении разделяется на две части, одна из которых подается в детандер и, охладившись, используется для охлаждения другой части газового потока в теплообменнике.

Рис. 3.4. Принципиальная схема детандерного цикла:

К – компрессор; ТК – теплообменник-конденсатор;

Д – детандер; ТИ – теплообменник-испаритель

В промышленных установках сжижения газа для повышения эффективности процесса вышеперечисленные циклы комбинируют друг с другом.

Хладагенты подбирают с различными температурами таким образом, чтобы температура сжижаемого газа понижалась ступенчато.

В табл. 3.1 приведены значения температуры кипения и критических температур некоторых газов.

Таблица 3.1

Значения температуры кипения

и критических температур некоторых газов

Компонент Температура кипения,

°С

Метан – 161,5 – 82,3 Этан – 88,6 32,3 Этилен – 103,7 9,7 Пропан – 42,0 97,0 Бутан – 0,5 152,0 Пентан 36,1 196,9 Кислород – 183,0 – 118,0 Азот – 196,0 –149,9 Водород – 252,8 –239, 9 Гелий – 269,0 – 267, 9

Критическая температура,

°С

3.2. КРИВАЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ХЛАДАГЕНТОВ

Рассмотрим кривую охлаждения ПГ (рис. 3.5) в координатах количество теплоты – температура при давлении 3,7 МПа. Кривая состоит из пяти прямолинейных участков, на каждом из которых происходит конденсация одного компонента.

На графике зависимость давления насыщенных паров метана, этилена и пропана от температуры (рис. 3.6) видно, что каждому компоненту соответствует определенный диапазон температур в процессе охлаждения ПГ и получения СПГ. При определенных термодинамических условиях пропан способен сконденсировать этилен, в свою очередь этилен конденсирует метан, и метан конденсирует поток ПГ. На такой схеме построены каскадные процессы сжижения газа.

Рис. 3.5. Кривая охлаждения природного газа

Рис. 3.6. График зависимости давления насыщенных паров метана,

этилена и пропана от температуры

Рассмотрим кривые охлаждения ПГ и чистых хладагентов при использовании одноступенчатых циклов охлаждения (рис. 3.7). В качестве чистых хладагентов возьмем пропан (минус 42 °С), этилен

(минус 104 °С) и метан (минус 162 °С). Если на кривую охлаждения

ПГ наложить уровни охлаждения трех различных хладагентов в трех различных простых циклах, получим график на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Кривые охлаждения ПГ и чистых хладагентов

при использовании одноступенчатых циклов охлаждения

Область диаграммы между кривыми охлаждения соответствует потерям тепла в циклах, т.е. такой процесс неэффективен, и следовательно, не применяется.

Для увеличения эффективности процесса применяют процессы с несколькими уровнями охлаждения. Рассмотрим систему с двумя уровнями охлаждения (рис. 3.8). Здесь к схеме простого одноступенчатого цикла на линии подачи жидкости в испаритель-холодильник 5а поставлен делитель потока, и на отдельный поток жидкости поставлен второй дроссель 3б. Этот отдельный поток образует второй уровень охлаждения с более низкой температурой и более низким давлением. Таким образом, в схеме присутствуют два уровня давления потоков пропана, подаваемых на всасывание в компрессор, и два температурных уровня для охлаждения ПГ.

Если развивать эту схему, то можно добавить третий, четвертый или пятый уровень. На заводах СПГ сегодня максимально применялось пять уровней охлаждения однокомпонентного холодильного агента.

Рис. 3.8. Дроссельный цикл с двумя уровнями охлаждения

При использовании трех чистых хладагентов – пропана, этилена и метана – и трех уровней охлаждения для каждого получили девятиступенчатую каскадную систему (рис. 3.9). Сопоставление кривой охлаждения ПГ и кривой охлаждения хладагентов такой системы позволяет сделать вывод о ее большей эффективности по сравнению с каскадным процессом, использующим одноступенчатые холодильные циклы.

Рис. 3.9. Кривые охлаждения ПГ и чистых хладагентов

при использовании трехступенчатых циклов охлаждения

Эта система легла в основу некоторых промышленных процессов получения СПГ.

3.3. ЦИКЛ ОХЛАЖДЕНИЯ СО СМЕШАННЫМ ХЛАДАГЕНТОМ

Если возможно выстроить систему с тремя хладагентами и с тремя отдельными уровнями охлаждения для каждого хладагента, то для дальнейшего увеличения эффективности процесса можно скомбинировать несколько компонентов в одну собственную систему. В этом случае компоненты газовой смеси конденсируются по очереди, в результате чего кривая охлаждения смешанного хладагента становится более гладкой. Подбирая состав смеси хладагента, можно максимально приблизить кривую охлаждения хладагента к кривой охлаждения ПГ, максимально повысив эффективность процесса.

Рассмотрим простой холодильный цикл со СХА (рис. 3.10). Здесь охлажденный и сконденсировавшийся поток СХА, пройдя в прямом направлении, а затем дроссель, при прохождении теплообменника в обратном направлении используется для охлаждения самого себя и потока ПГ. В отличие от чистых компонентов конденсация СХА не происходит при какой-то постоянной температуре. Вместо нескольких кожухотрубчатых испарителей можно использовать один многопоточный теплообменник с увеличенной поверхностью теплообмена. Таким требованиям отвечают спиральновитые и ребристопластинчатые теплообменники.

Рис. 3.10. Дроссельный цикл со смешанным хладагентом:

1 – компрессор, 2 – конденсатор, 3 – сепаратор, 4 – насос,

5 – многопоточный теплообменник, 6 – дроссель

Холодильные циклы со СХА легли в основу большинства современных промышленных процессов сжижения ПГ.

3.4. ТИПЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА

Основные технологии получения сжиженного природного газа, которые нашли применение в промышленности [3]:

– классический каскадный процесс – процесс сжижения природного газа на трех чистых хладагентах: пропан, этилен и метан;

– модернизированный каскадный процесс (Conoco Philips) – отличие от классического каскада в том, что метановый цикл не замкнут;

– технологический процесс на однопоточном цикле со смешанным хладагентом TEALARC (Technip, Gazde Franceu L’Air Liquide) – цикл на основе смешанного хладагента (СХ) в однопоточном цикле охлаждения;

– технологический процесс на однопоточном холодильном цикле PRICOR (Black & Veatch). Отличие от предыдущей технологии состоит в том, что в смеси хладагентов используется изопентан;

– SMR (Air Products and Chemicals Inc., Linde) – процесс с дрос-

сельным циклом на СХ с одним значением давления расширения и тремя температурными уровнями расширяемого хладагента;

– C3MR (Air Products and Chemicals Inc.) – процесс с предварительным трехуровневым предварительным охлаждением пропаном и основным дроссельным циклом на СХ с одним значением давления расширения и двумя температурными уровнями расширяемого хладагента;

– C3MR Split MR (Air Products and Chemicals Inc.) – основное отличие процесса APCI C3MR/SplitMR от процесса APCI C3MR – оптимизированная конфигурация компрессоров и приводных газовых турбин;

– C3MR AP-X (Air Products and Chemicals Inc.) – процесс с предварительным трехуровневым пропановым циклом, основным детандерно-дроссельным циклом на СХ и криогенным детандерно-

дроссельным циклом на чистом холодильном агенте (азот). Этот гибридный процесс производства СПГ разработан на базе известной технологии C3MR;

– MFC (Statoil и Linde) – основана на применении трех раздельных контуров охлаждения со смешанными хладагентами;

– DMR (Shell) – процесс с предварительным трехуровневым циклом на первом СХ и основным дроссельным циклом на втором СХ с одним значением давления расширения и двумя температурными уровнями расширяемого хладагента;

– PMR (Shell) – процесс с одним циклом предварительного охлаждения и двумя параллельными циклами сжижения;

– DMR-Liquefin (AXENS) – отличие данного процесса от процесса DMR в том, что в цикле предварительного охлаждения смешанный хладагент испаряется на трех разных уровнях давления, а не на двух, как у процесса DMR.

Структура мирового опыта применения технологий сжижения природного газа приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Промышленное использование технологий сжижения

природного газа в мире

<<< < Предыдущая 1 23 / 63 4 5 6 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]