Способ охлаждения и сжижения газа с низкой температурой кипения - SU1627097A3
Код документа: SU1627097A3
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способам для охлаждения и сжижения по меньшей мере одного газа с низкой точкой кипения, такого, например, как природный газ, или любой смеси газов, содержащей по крайней мере один газ с низкой точкой кипения.
Цель изобретения - снижение энергозатрат и повышение термодинамической эффективности при использовании пластинчатых теплообменников.
На фиг. 1 изображена схема устройства для охлаждения и сжижения глза с низкой точкой кипения, такого, например , как природный газ , на фиг.2- схема криогенного теплообменника контура основной охлаждающей жидкое- ги , первый вариант1, на фиг. 3 - то ЖР, второй вариант | на фиг. 4-ю , третий вариант; на фиг. 5 - схема предлагаемого устройства, вариант; на фиг. 6 - схема вспомогательного охлаждающего контура, вариант.
Установка для реализации способа (фиг.1) содержит открытый контур 1 сжижаемого газа, замкнутый контур 2 основной охлаждающей жидкости, закрытый контур 3 вспомогательной -охлаждающей жидкости. Закрытые контуры основной и вспомогательной охлаждающих жидкостей символически ограничены и заключены в прямоугольную рамку, обозначенную штрих- пунктирной линией, а путь движения сжижаемого гаяа обозначен сплошной толстой линией. Контур 1 сжижаемого газа и контур 2 основной охлаждающей жидкоеги термически связаны между собой посредством общих криогенных теплообменников 4 и 5., сжижения и переохлаждения газа и предварительного охлаждения газа. Контуры 2 и 3 основной охлаждающей жидкости и вспомогательной охлаждающей жидкости связаны между собой посредством по меньшей мере одного общего криогенного теплообменника 6 предварительного охлаждения и по меньшей мере частичного сжижения основной охлаждающей жидкости .
Открытый контур 1 сжижаемого газа включает в себя трубу 7 подвода к теп лообменнику 5 предварительного охлаждения , подсоединенную к по меньшей мере одному внутреннему каналу 8 этого теплообменника, выход которого посредством трубы 9 подключен к фа- культативно устанавливаемому аппарату 10 обработки газа, служащему, например , для извлечения этана. Таким образом, можно предусмотреть установку и других аппаратов обработки газа, в частности на уровне криогенного теплообменника 4 можно предусмотреть аппарат для извлечения азота. Выход аппарата 10 посредством трубы 11 подключен к входу теплообменника 4.
Ответвление 12 трубы 7 подключается к каналу 13 отвода части сжижаемого газа в криогенный теплообменник 6 контура вспомогательной охлаждающей ЖИДКОСТИ, ВЫХОД КОТОРОГО ПОДСОе-
динен посредством трубы 14 к трубе 11 установленной перед входом в теплообменник 4. Труба 11 подсоединена к внутреннему каналу 15 отвода, проходящему через криогенный теплообменник 4. Задний конец канала 15 на выходе из теплообменника 4 подсоединен к трубе 16 отвода сжиженного газа, на которой установлен по меньшей мере один расширительный орган 17, напри- мер расширительный клапан.
Закрытый контур 2 содержит основную охлаждающую жидкость, представляющую собой смесь нескольких компонентов по меньшей мере основная часть которых - углеводороды. Относительный молярный состав этой охлаждающей жидкости может, например, быть следующим,/.
Азот0-2
Метан35-55
Этилен или этан 28-65
Пропилен или
пропан0-15
В направлении циркуляции охлаждающей жидкости контур 2 включает в себя последовательно первый компрессор 18 и второй компрессор 19 для сжатия охлаждающей жидкости в газообразном состоянии, приводимые в действие либо каждый своим двигателем, либо общим двигателем. Во втором случае их валы механически соединяются между собой. Компрессоры 18 и 19 последовательно соединены с теплообменником-охладителем 20, охлаждающая жидкость в который предпочтительно поступает извне и может представлять собой воду или охлажденный воздух. Теплообменник-охладитель 20 трубой 21 соединен с компрессором 22. Компрессоры 22 и 23 могут приводится в действие общим двигателем,двигателем,приводящи в действие компрессоры 18 и 19,или же иметь каждый свой собственный двигатель Компрессоры 22 и 23 последовательно подключены по меньшей мере к одному промежуточному охладителю 24, охлаждающая жидкость в который предпочтительно поступает извне и может, например, представлять собой воду или охлажденный воздух. Выход компрессора 23 посредством трубы 25 и через теплообменник-охладитель 26 (охлаждающая жидкость в который предпочтительно подается извне и может представлять собой воду или охлажденный воздух) подсоединен к входу теплообменника 6, а точнее к одному из внутр енних каналов 27. Криогенный теплообменник 6 контура вспомогательной охлаждающей жидкости предпочтительно представляет собой пластинчатый теплообменник. На выходе теплообменника 6 задний конец его внутреннего канала 27 посредством трубы 28 подсоединен по меньшей мере к одному фазоотделителю 29. Камера сбора жидкости этого фазоотделителя посредством трубы 30 подсоединена к входу теплообменника 4, а точнее к переднему концу по меньшей мере одного канала 31, проходящего внутри теплообменника 4 в том же направлении , что и внутренний канал 15, по которому идет сжиженный газ. На выходе теплообменника 4 внутренний канал 31 разделяется на два канала 32 и 33 отвода, подсоединенные к входам органон 34 и 35 расширения соответственно . К выходу каждого органа 34 и 35 рас тирения подсоединены каD1
налы 36 и 37, проходящие внутри криогенного теплообменника 4 в том же направлении, что и внутренний канал 15 сжижаемого газа и внутренний канал 31, но противотоком.
Камера сбора пара фаэоотделите- ля 29 посредством трубы 38 соединена с входом криогенного теплообменника 4, а точнее с передним концом по меньшей мере одного его внутреннего канала 39, идущего параллельно каналам 15 и 31. Задний конец канала 39 на выходе из теплообменника 4 разделяется на два канала 40 и 41, подключенные к входам органов 42 и 43 расширения. Выходы органов 42 и 43 расширения подсоединены к каналам 44 и 45, проходящим внутри криогенного теплообменника 4 в том же направлении, что и каналы 15, 31, 36, 37 и 39.
Криогенный теплообменник 4 контура 2 основной охлаждающей жидкости представляет собой пластинчатый теплообменник , содержаний различные клн лы для каждой жидкости и газа, участвующих п теплообмене, а именно сжижаемый газ, жидкую или парообразную фазу или фракцию основной охлаждающей жидкости, частично конденсировавшейся , а также фракции, полученные и предыдущих после расширения на различных уровнях давления. После выхода из криогенного теплообменника 4 каналы 36 и 44 отвода фракций основной охлаждающей жидкости, доведенных до одного и того же давления, например до среднего давления п пределах порядка 1,5-3 бар, соединяются в один канал 46, который может проходить через теплообменник 5 предварительного охлаждения сжижаемого газа противотоком. Задний конец канала 46 подсоединен к всасывающему отверстию компрессора 19. После выхода из криогенного теплообменника 4 каналы 37 и 45 отвода фракций основной охлаждающей жидкости, доведенных до одного и того же давления, например низкого давления порядка менее 1 бара, сливаются в один канал 47 отвода, задний конец которого выходит во всасывающее отверстие компрессора 18.
Контур 3 содержит вспомогательную охлаждающую жидкость, предпочтительно представляющую собой смесь исключительно углеводородов, имеющую, на76
пример, следующий относительным молярный состав,2:
Этилен или этан 30-70 Пропилен или пропан 70-30 В направлении дпижения жидкости замкнутый контур 3 вспомогательной охлаждающей жидкости содержит следующие последовательные элементы: первый компрессор 48 и второй компрессор 49 с теплообменником-охладителем
50и третий компрессор 51 с конденсатором 52 и переохладителем 53, приводимыми в действие либо каждый своим двигателем, либо по меньшей мере одним для по меньшей мере двух компрессоров двигателем. Во втором случае валы компрессоров механически соединяются . Выходное отверстие второго компрессора 49 посредством трубы 54 соединено с входным или всасывающим отверстием третьего компрессора
51через теплообменник-охладитель, хладагент в который подается преимущественно извне и представляет собой, например, воду или охлажденный воздух . Выходное отверстие третьего компрессора 51 посредством трубы 55 соединено с конденсатором 52, выход
которого посредством трубы 56 соединен с переохладителем 53.
Выход переохладитепя 53 посредством трубы 57 соединен с криогенным теплообменником 6, который может представлять собой пластинчатый теплообменник , а точнее с передним концом канала 58, проходящего через теплообменник 6 в направлении, параллельном направлению каналов 1 3 и 27 сжижаемого газа и основной охлаждающей жидкости соответственно.
Канал 58 отвода вспомогательной охлаждающей жидкости в криогенный теппообменник 6 имеет, например, три
ответвления 59-61, предусмотренные в теплообменнике 6 на трех различных уровнях. Ответвления 59-61 связаны каждое с одним расширительным органом 62-64 соответственно, выходы которых соединены с сепараторами 65-67 фаз пар/жидкость. Во всех трех случаях камеры сбора жидкости сепараторов 65-67 посредством труб 68-70 соединены с входом криогенного теплообменника 6, а точнее - с передними концами каналов 71-73, проходящими внутри криогенного теплообменника 6 в направлении, приблизительно параллельном направлению канала 13 отвода
сжижаемого газа, канала 27 отвода основной охлаждающей жидкости и кана- 1 ла 58 отвода вспомогательной охлаждаю- шей жидкости перед расширением. Каме- ры сбора пара каждого сепаратора 65- 67 посредством труб 74-76 соединены с входом криогенного теплообменника 6, а точнее с передними концами каналов 77-79, проходящих внутри криоген- ного теплообменника 6 в том же направлении , что и другие каналы 13, 27 и 58. На выходе из теплообменника 6 каналы 71 и 77, 72 и 78, 73 и 79 соединяются попарно в один канал 80-82 соответственно. Канал 82 отвода соединяется с всасывающим отверстием компрессора 48, канал 81 отвода соединяется с всасывающим отверстием компрессора 49, а канал 80 отвода соединяется с всасывающим отверстием компрессора 51. Установка (в соответствии с вариантами на фиг.1-5) дополнительно содержит расширительные органы 83 и 84, трубы 85 и 86, сепаратор 87 и трубы 88-92.
Контур 1 работает следующим образом . Сжижаемый газ, например природный , подаваемый по трубе 7 при температуре +20°С и под давлением, например, 42,5 бар, проходит через канал 8 теплообменника 5, где он предварительно охлаждается за счет теплообмена с основной охлаждающей жидкостью , находящейся в парообразном состоянии после расширения в криогенном теплообменнике 4 и циркулирующей в канале 46 в направлении, противоположном направлению движения газа в канале 8. Выходя из теплообменника 5 через трубу 9, газ уже имеет температуру -45°С и давление 42 бар. Он проходит затем через аппарат 10 обработки и по трубе 11 поступает на вход канала 15 пластинчатого тепло- обменника 4, где он окончательно сжижается , а затем переохлаждается за счет теплообмена с основной охлаждающей жидкостью. После выхода из теплообменника 4 сжиженный газ имеет температуру -154°С и давление 41,5 бар. После этого он расширяется в расширительном органе 17 и транспортируется к месту его переработки или использования .
Часть сжижаемого газа может также быть предварительно охлаждена за счет теплообмена с вспомогательной охлаждающей жидкостью в криогенном
5
0 д $
0
5
теплообменнике 6, после чего эта часть соединяется с основной массой сжижаемого газа перед его подачей в криогенный теплообменник 4.
Контур 2 основной охлаждающей жидкости работает следующим образом. Часть основной охлаждающей жидкости, доведенной до низкого давления, всасывается в газообразном состоянии при температуре -5.°С и давлении 0,08 бар первым компрессором 18, который доводит ее давление до 2 бар и температуру до 10°С, затем она всасывается вторым компрессором 19 одновременно с частью основной охлаждающей жидкости , давление которой доводят в среднем до 2 бар и температуру до 10 С. Весь объем жидкости доводится в компрессоре 19 до температуры и до давления 6,5 бар, затем прохо- дит через теплообменник-охладитель 20, где температура основной охлаждающей жидкости понижается, например , до 15°С. Через трубу 21 жидкость поступает во всасывающее отверстие компрессора 22, проходит через промежуточный охладитель 24, сжимается в компрессоре 23 и через трубу 25 проходит в теплообменник-охладитель 26. На выходе последнего основная охлаждающая жидкость имеет температуру 15°С и давление 27,4 бар. Она поступает затем в канал 27 криогенного теплообменника 6, где основная охлаждающая жидкость охлаждается за счет теплообмена с впомогательной охлаждающей жидкостью и сжижается частично.
Таким образом, сконденсировавшаяся основная охлаждающая жидкость имеет температуру -50°С и давление 26,5 бар, выходит из теплообменника 6 в виде смеси газовой и жидкой фаз, которые затем отделяются в фазоотде- лителе 29. Газовая фаза через трубу 38 поступает в отрезок канала 39, находящийся в криогенном теплообменнике 4, где она сжижается и переохлаждается до температуры . Чзсть этой сжиженной и переохлажденной газовой фазы проходит по каналу 41 и расширяется в расширительном органе 43 до давления 0,3 бар, а температура ее составляет -156°С. На выходе из канала 45 этой фракции сжиженной и переохлажденной газовой фазы температура и давление ее составляют соответственно -52 С и
у 1
0,08 бар. Другая часть сжиженной и переохлажденной газовой фазы проходит через канал 40 и доводится в расширительном органе 42 до давления 2,3 бар и температуры -153°С. На выходе этой фракции из канала 44 теплообменника 4 условия температуры и давления являются, например, следующими: -152°С и 2,10 бар.
Жидкая фаза основной охлаждающей жидкости из фазоотделителя 29 по трубе 30 поступает в канал 31 криогенного теплообменника 4, где она переохлаждается до температуры -154° а давление её доводится до 26 бар. Часть переохлажденной жидкой фазы основной охлаждающей жидкости проходит через расширительный орган 35, где давление ее снижается до порядка 0,3 бара, в то время как другая част переохлажденной жидкой фазы проходит по каналу 33 в расширительный орган 34, после чего ее давление составляет 2,3 бар, а температура -153°С. После прохождения по каналам 37 и 36 соответственно первая и вторая части жидкой фазы основной охлаждающей жидкости имеют следуюп(не условия давления и температуры: -52 С. и 0,08 бар; -52°Г и 2,10 6aj соответственно .
Таким образом, первая часть паровой фазы основной охлаждающей жидкости после конденсации и переохлаждения доводится до перлого давления , вторая ее часть - до второго давления, первая часть жидкой фазы основной охлаждающей жидкости после переохлаждения доводится до указанного первого давления, а вторая ее часть - до указанного второго давления . Фазы пар и жидкость могут быть разделены на желаемое число частей , например на три и более, причем давление, до которого доводится жидкая фаза, соответствует давлению, до которого доводится соответствующая часть паровой фазы. После испарения первые части фаз пар и жидкость смешиваются, вторые части фаз пар и жидкость также смешиваются.
Вторая возможность состоит в том, чтобы смешивать первые части фаз пар и жидкость и смешивать вторые части фаз пар и жидкость после расширения, но перед испарением (фиг.5).
Часть основной охлаждающей жидкости , испаряемая при низком давлении,
7 04
через канал 47 поступает в всасывающее отверстие компрессора 18, -i огда как вторая часть основной охлаждаю- . шей жидкости, испаряемая при среднем давлении, проходит через канал 46, теплообменник 5 предварительного охлаждения сжижаемого газа и поступает в всасывающее отверстие компресQ сора 19.
Контур 3 вспомогательной охлаждающей жидкости работает следующим образом . Вспомогательная охлаждающая жидкость в газообразном состоянии вы5 ходит из компрессоров 48, 49 и 51, имея температуру +46°С и давление 16 бар. После прохождения через конденсатор 52 и переохладитель 53 вспомогательная охлаждающая жидкость имеQ ет температуру +13°С и давление
15,1 бар. Часть вспомогательной охлаждающей жидкости, проходящая по ответвлению 59, имеет температуру 0°Г, и давление 15 бар. После расширения в
5 расширительном органе 62 температура снижается до -6 , 5 С,давление до 8,5 бар. Полученные таким образом фазы пар и жидкость отделяются в сепараторе 65 и подаются в криогенный теп0 лообменник 6 по каналам 77 и 71 для осуществления теплообмена с жидкостями , текущими по каналам 13, 27 и 58 через теплообменник 6.
Поскольку фазы пар и жидкость смешиваются после выхода из теплообменника 6, условия температуры и давления вспомогательной охлаждающей жидкости оказываются следующими: примерно 11°С и 8,5 бар. Эта часть вспомоQ гательной охлаждающей жидкости подводится к всасывающему отверстию компрессора 51 по каналу 80 и трубе 54.
Условия температуры и давления второй части вспомогательной охлаждаю5 Щей жидкости, протекающей по ответвлению 60, -25°С и 14,5 бар соответственно . После расширения в расширительном органе 63 температура понижается до -29°С, а давление до 4 бар. Полученные таким образом фазы пар и жидкость по каналам 78 и 72 соответственно поступают в теплообменник 6, где участвуют в теплообмене с другими жидкостями, протекающими через этот теплообменник 6, а затем смешиваются между собой после выхода из теплообменника 6 в канале 81. Условия температуры и давления этой части вспомогательной охлаждающей жидкости
5
0
5
и 3,9 бар соответственно. Эта часть вспомогательной охлаждающей жидкости поступает во всасывающее отверстие компрессора 49.
Третья часть вспомогательной охлаждающей жидкости проходит через ответвление 61, имея температуру-50 С ,и давление 14,2 бар. После расширения в расширительном органе 64 условия температуры и давления изменяются следующим образом: -54 С и 1,1 бар. Полученные таким образом фазы пар и жидкость отделяются в сепараторе 67 и по каналам 73 и 79 поступают в теплообменник 6, где участвуют в теплообмене с другими циркулирующими там жидкостями. После выхода из теплообменника 6 и смешивания эти фазы пар и жидкость имеют температуру -28 С и давление 0,90 бар. Третья часть вспомогательной охлаждающей жидкости подается в всасывающее отверстие компрессора 48 по каналу 82.
На фиг. 2 представлена часть устройства , обведенная на фиг.1 штрих- пунктирной линией. В этом варианте фаза пар основной охлаждакяцей жидкости после конденсации и переохлаждения в теплообменнике 4 доводится за один прием в расширительном органе 83 до первого давления. Жидкая фаза основной охлаждающей жидкости после переохлаждения в теплообменнике 4 доводится за один прием в расширительном органе 84 до второго давления , отличающегося от первого давления . Фаза пар, доведенная, например , до низкого давления меньше 1 бар, проходит через теплообменник 4, трубу 85 и поступает во всасываю- щее отверстие первого компрессора 18, жидкая фаза основной охлаждающей жидкости, доведенная до среднего давления (например, 1,5-3 бар), проходит через теплообменник 4, трубу 86 и поступает во всасывающее отверстие второго компрессора 19. Таким образом,устройство для охлаждения и сжижения газа с низкой точкой кипения , такого, например, как природный газ, представленное на. фиг. 2, работает аналогично устройству, представленному на фиг.1.
На фиг. 3 представлен другой вариант конструкции этой части устройства (выделенной на фиг.1 штрихпунк- тирной линией). В этом случае, после расширения конденсированной и пя0
0
5
0
реохлажденной фазы, пар в расширительном органе 83 и полученные газообразная и жидкая фазы разделяются в сепараторе 87, а затем вновь проходят , но уже противотоком через криогенный теплообменник 4. После испарения обе фазы смешиваются в трубе 89, соединенной со всасывающим отверстием компрессора 18. Следовательно, в этом случае фаза пар доводится до низкого давления.
Переохлажденная жидкая фаза основной охлаждающей жидкости расширяется 5 в расширительном органе 84 и идет противотоком через теплообменник 4, попадает в трубу 90 и затем во всасывающее отверстие компрессора 19. После выхода из сепаратора 87 фаза пар может не проходить вновь через теплообменник 4, а попадать непосредственно в трубу 89.
На фиг. 6 показано применение устройства этого варианта конструкции в контуре вспомогательной охлаждающей жидкости. В этом случае трубы 74-76, идущие от камер сбора пара сепараторов 65-67, соединяются непосредственно с каналами 80-82, минуя теплообменник 6.
На фиг. 4 представлен вариант конструкции части устройства, выделенной на фиг. 1 штрихпунктирной линией и похожей на вариант, представленный на фиг.2. В этом случае каждый из элементов расширительных органов ИЗ и 84 вместо того, чтобы находиться на выходе теплообменника 4, может устанавливаться в любом месте вдоль теплообменника 4 в направлении протекания различных жидкостей. Таким образом , канал 31 циркуляции жидкой фазы основной охлаждающей жидкости проходит не через весь теплообменник е 4. Это позволяет осуществлять расширение на различных уровнях температуры , в случае, когда после прохода клапана температура может оказаться более высокой. Перемещение расширения в соответствии с градиентом температуры соответствует перемещению расширительного органа вдоль тепло-- обменника в направлнии. протекания жидкостей.
На фиг. 5 представлен вариант конструкции устройства, в котором первые части фаз пар и жидкость смешиваются и вторые части фаз пар и жидкость смеши- ваются после расширения в расшири5
0
0
5
13if,
тельных органах 83 и 84 соотлетст- венно, но перед их направлением противотоком в теплообменник 4.
Пример. Охлаждение и сжижение какого-либо природного газа проводят в следующих услопиях: температура 20 С, давление 42,44 бар, массовый расход , 34.408 кг/ч.
Химический состав в молярном процентном отношении - Nz 0,36; Г 93,06, Сг 4,08, Г j 1,67, Г4 0,83.
Перед устройством окончательного расширения сжиженный газ получают в следующих условиях: температура 153,7°С, давление 41,44 бар.
7(Ю,
Массовым раскол и мо 1ярныи ,n идентичны укачанным ти пичинам.
При расчете попучают слочующие показатели,
Основной цикп охлаждения. Молярный состав,%: Г, 40, Г2 50, Г3 10. Молярное процентное соотнопение испа- ривгаейся жидкости в фазоотделителе 29 : 20.
Распределение жидких и переохлажденных Фракций основного хладагент, между двумя ypoiними определяется
как
Реферат
Изобретение относится к способу сжижения и охлаждения газа с низкой температурой кипения, например природного , за счет теплообмена с охлаждающей жидкостью, состоящей из нескольких компонентов, и позволяет снизить энергозатраты и повысить термодинамическую эффективность при использовании пластинчатых теплооб- менникоп. Способ заключается в том, что паровая фаза основной охлаждающей жидкости после конденсации и переохлаждения доводится за один раз по меньшей мере до первого давления, а жидкая фаза основной охлаждающей жидкости после переохлаждения доводится за один раз по меньшей мере до второго давления, отличающегося от первого. 6 ил. i (Л
Формула
