CZ310346B6 - Zařízení pro zkapalňování metanu - Google Patents

Zařízení pro zkapalňování metanu Download PDF

Info

Publication number
CZ310346B6
CZ310346B6 CZ2023-516A CZ2023516A CZ310346B6 CZ 310346 B6 CZ310346 B6 CZ 310346B6 CZ 2023516 A CZ2023516 A CZ 2023516A CZ 310346 B6 CZ310346 B6 CZ 310346B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
methane
gaseous
condensation
outlet
cooling
Prior art date
Application number
CZ2023-516A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2023516A3 (cs
Inventor
Vladyslav Tsyplakov
Original Assignee
Mirai Intex Sagl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mirai Intex Sagl filed Critical Mirai Intex Sagl
Priority to CZ2023-516A priority Critical patent/CZ310346B6/cs
Priority to EP24222338.6A priority patent/EP4579164A3/en
Publication of CZ2023516A3 publication Critical patent/CZ2023516A3/cs
Publication of CZ310346B6 publication Critical patent/CZ310346B6/cs

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/004—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by flash gas recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/005—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by expansion of a gaseous refrigerant stream with extraction of work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/007—Primary atmospheric gases, mixtures thereof
    • F25J1/0072—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0203—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0205—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level SCR refrigeration cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0203—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0208—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle in combination with an internal quasi-closed refrigeration loop, e.g. with deep flash recycle loop
    • F25J1/0209—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle in combination with an internal quasi-closed refrigeration loop, e.g. with deep flash recycle loop as at least a three level refrigeration cascade
    • F25J1/021—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle in combination with an internal quasi-closed refrigeration loop, e.g. with deep flash recycle loop as at least a three level refrigeration cascade using a deep flash recycle loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0269—Arrangement of liquefaction units or equipments fulfilling the same process step, e.g. multiple "trains" concept
    • F25J1/0271—Inter-connecting multiple cold equipments within or downstream of the cold box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0204—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the feed stream
    • F25J3/0209—Natural gas or substitute natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/66—Landfill or fermentation off-gas, e.g. "Bio-gas"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/60—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams the fluid being hydrocarbons or a mixture of hydrocarbons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/90—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being boil-off gas from storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

Zařízení pro zkapalňování metanu obsahuje chladicí modul (A) opatřený vstupem plynného metanu, k jehož výstupu je přiřazen kondenzační a separační modul (B) opatřený výstupem (702) kapalného metanu. Chladicí modul (A) obsahuje alespoň jeden rekuperační výměník (1, 3) tepla a chladič (2) spřažený s chladicím zařízením (8), přičemž navazující kondenzační a separační modul (B) obsahuje kondenzační chladicí zařízení (9) a alespoň jeden rekuperační výměník (5) tepla, na který navazuje odlučovač (7) plynné a kapalné fáze metanu, před nímž je zařazeno škrticí zařízení (6), přičemž odlučovač (7) plynné a kapalné fáze metanu je opatřen výstupem (703) plynné fáze metanu, k němuž jsou přiřazena vratná potrubí (R1, R2, R3) procházející přes rekuperační výměníky (1, 3, 5) tepla až do koncového vratného potrubí (R4).

Description

Zařízení pro zkapalňování metanu
Oblast techniky
Vynález se týká zařízení pro zkapalňování metanu obsahujícího chladicí modul opatřený vstupem plynného metanu, k jehož výstupu je přiřazen kondenzační a separační modul opatřený výstupem kapalného metanu.
Dosavadní stav techniky
Metan je jedním z nejjednodušších uhlovodíků, je součástí zemního plynu, v němž je ho obsaženo asi 70 až 90 %, a bioplynu v němž je ho obsaženo asi 50 až 55 %, avšak vyčištěním jej lze upravit na biometan, který obsahuje minimálně 95 % metanu. Metan se při běžných teplotách vyskytuje v plynné formě, ale lze ho zkapalnit, přičemž v kapalném stavu zaujímá 600 krát menší objem než ve stavu plynném.
Zkapalnění metanu má několik výhod. Zkapalněný metan je snadno skladovatelný a transportovatelný. Díky tomu lze metan využít jako palivo pro automobily, autobusy a lodě. Zkapalněný metan má také nižší emise oxidu uhličitého než benzin a nafta, což z něj dělá čistší palivo. Zkapalnění metanu také umožňuje jeho využití jako chladicího média v průmyslu.
Kritický stav látky je takový, ve kterém mizí rozdíl (hranice) mezi její kapalnou a parní fází, tj. mají stejné základní vlastnosti. Pro každou látku existuje teplota, nad kterou se nemůže žádným zvýšením tlaku přeměnit na kapalinu. Tato teplota se nazývá kritická teplota. Tlak nasycených par odpovídající kritické teplotě se nazývá kritický tlak. Objem páry při kritické teplotě a tlaku se nazývá kritický objem. Kritické parametry metanu jsou tlak 4,6 MPa a teplota -82 °C. Metan nelze zkapalnit při tlacích nad kritickou hodnotou. Aby bylo možné metan zkapalnit při atmosférickém tlaku (0,1 MPa), musí být ochlazen na teplotu pod -161 °C. Mnoho známých chladicích zařízení, která by mohla zajistit tuto úroveň teploty, má nízkou účinnost a při zvýšení kondenzační teploty nad -161 °C dochází ke zvýšení tlaku. Proto vznikla myšlenka vyvinout systém s hledáním optimální teploty pro využití známé chladicí technologie.
Technologie zkapalňování metanu je známa například z US 2021/0364228 A1, který popisuje zařízení obsahující v sérii za sebou uspořádaný generátor pro vytváření metanu z vodíku a kysličníku uhličitého, na který navazuje zařízení pro sušení plynné směsi z generátoru a čisticí prostředky pro odstraňování kysličníku uhličitého z plynné směsi. Za čisticími prostředky je zařazen kondenzátor metanu a za ním odlučovač kapalného metanu od plynného vodíku, přičemž kapalný metan je z odlučovače veden do zásobníku kapalného metanu. Z odlučovače a ze zásobníku jsou plynné složky vodíku a metanu odváděny zpět na vstup generátoru pro vytváření metanu. Zásobník kapalného metanu slouží k plnění přepravních nádrží.
US 2021/0364228 A1 popisuje obecný princip zkapalňování metanu získaného chemickou reakcí vodíku a kysličníku uhličitého a jeho další separaci od vodíku. Zdroje tepla a chladu ani jejich uspořádání nejsou v tomto spisu podrobně popsány, takže jej nelze použít k vytvoření konkrétního systému a/nebo zařízení pro zkapalňování metanu, které by bylo schopné dlouhodobě metan zkapalňovat beze ztrát plynného metanu a s co nejmenšími energetickými nároky.
CN 204648828 U popisuje chladicí systém na zkapalňování metanu, u něhož je plyn pro zkapalnění přiváděn do nádrže, k níž je připojen metanový kompresor, z něhož je stlačený metan přiváděn do chladiče metanu, z něhož metan přechází do polypropylénového chladicího systému, na který navazuje etylénový chladicí systém a zásobník tekutého metanu. Tekutý metan je ze zásobníku přiváděn do metanového výměníku tepla, který slouží k chlazení blíže neznázorněného
- 1 CZ 310346 B6 chladicího systému a z něhož je ohřátý metan veden zpět do nádrže. Tento vynález se týká chladicích strojů a chladicích systémů a nesouvisí přímo s výrobou zkapalněného metanu. Vytváření kapalného metanu tímto způsobem je složité a ekonomicky velmi náročné.
US 11243026 B2 popisuje zařízení pro zkapalňování metanu a plnění transportní nádrže. Zařízení pro zkapalňování metanu obsahuje systém pro zkapalňování, systém pro filtraci a plnění transportní nádrže. Systém pro zkapalňování se skládá z prvního výměníku tepla, kompresoru, druhého výměníku tepla, zkapalňovacího výměníku a čerpadla, jehož výstup je připojen k zásobní nádrži určené ke skladování zkapalněného metanu. K výstupu zásobní nádrže je přes systém pro filtraci a plnění připojena transportní nádrž. Plynný metan odpařující se v nádržích a je vratným systémem přiváděn před vstup prvního výměníku tepla.
Během zkapalňování plynný metan vstupuje do zařízení o teplotě blízké -100 °C. Plynný metan pak vstupuje do tepelného výměníku, kde se zahřívá na teplotu přibližně 20 °C a dále do kompresoru, kde se stlačí na tlak 15 bar. Výstupní teplota kompresoru je přibližně 80 °C, protože je chlazený. Metan vystupující z kompresoru má tedy tlak 15 barů a teplotu na výstupu z kompresoru 80 °C. Metan je následně ochlazen na teplotu 20 °C ve druhém výměníku tepla. Metan poté opět prochází prvním výměníkem tepla, kde se jeho teplota sníží na -90° C. V této fázi je metan stále v plynném stavu. Je zkapalňován ve zkapalňovacím výměníku, kde se ochladí na teplotu nasycení blízkou -114 °C, což odpovídá tlaku nasycení 15 barů. Zkapalněný metan je poté skladován v zásobní nádrži při tlaku 15 barů a teplotě -114 °C. Ze zásobní nádrže je pak kapalný metan přepouštěn do transportní nádrže, v níž je jeho tlak menší než 8 bar. Nevýhodou tohoto zařízení je zejména vysoká spotřeba energie.
Zařízení pro zkapalňování metanu je známo rovněž z EP 3045849 A2. Ke zkapalňování metanu je použita Joule-Thompsonova metoda, která spočívá ve výrazném zvýšení tlaku metanu a dalším škrcení v Joule-Thompsonových ventilech bez přívodu chladu z externího zdroje. Tato metoda je energeticky velmi náročná a proto neefektivní. Lze ji proto použít pro vysokou produktivitu kapalného metanu a pro zdroje metanu s vysokým tlakem. Ve spisu je popsáno použití rekuperačního proudění v plynném stavu, ale protože jsou použity pouze dva rekuperační výměníky tepla, je obtížné termodynamicky vyrovnat proudění kvůli velkým teplotním rozdílům v hlavním proudu. Důsledkem je nedostatečná rekuperace a snížení účinnosti výměníků tepla. Ze spisu dále není zřejmé, zda popisovaný systém může fungovat při dílčích průtocích, protože pokud se skutečný průtok metanu liší od vypočteného, je obtížné energeticky vyrovnat systém.
EP 4123251 A2 popisuje výrobu LNG ze zemního plynu obsahujícího metan. K oddělení složek směsi se používají rektifikační kolony, přičemž tlak plynu vstupujícího do systému je 20 až 80 bar. Řešení se netýká zkapalňování čistého metanu.
Podobně v US 9863697 B2 je popisován integrovaný chladicí systém na metan pro zkapalňování zemního plynu za účelem výroby LNG. Proud zemního plynu je zkapalňován nepřímým teplem, přičemž chladivo je plynný metan nebo zemní plyn obíhající v plynném expanzním cyklu za účelem výroby prvního proudu LNG. První proud LNG je expandován a jeho výstupem je plynná a kapalná fáze, které se oddělí a vznikne první proud plynu a druhý proud LNG. Druhý proud LNG je expandován a vznikne plynná a kapalná fáze, které jsou odděleny a vznikne druhý proud plynu a třetí proud LNG, který celý nebo jeho část tvoří výsledný produkt LNG. Řešení je energeticky velmi náročné a neslouží ke zkapalňování čistého metanu.
Energeticky náročný je rovněž způsob a zařízení pro zkapalňování metanu (LMG) z různých zdrojů plynu popisovaný v US 10240863 B2. Systém obsahuje přívod plynu, čištění plynu od nevhodných příměsí, odstranění dusíku a kondenzace metanu, při níž je použito kryogenní chlazení. Řešení slouží ke snížení ztrát metanu při vypouštění dusíku do atmosféry a je energeticky náročné.
- 2 CZ 310346 B6
Cílem vynálezu je vytvořit zařízení pro zkapalňování metanu a navrhnout způsob/systém zkapalňování metanu s co nejnižšími energetickými nároky a zároveň eliminovat ztráty plynného metanu při zkapalňování.
Podstata vynálezu
Cíle vynálezu je dosaženo zařízením pro zkapalňování metanu obsahujícím chladicí modul, k jehož výstupu je přiřazen kondenzační a separační modul opatřený výstupem kapalného metanu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že chladicí modul obsahuje alespoň jeden rekuperační výměník tepla a chladič spřažený s chladicím zařízením, přičemž navazující kondenzační a separační modul obsahuje kondenzační chladicí zařízení a alespoň jeden rekuperační výměník tepla, na který navazuje odlučovač plynné a kapalné fáze metanu, před nímž je zařazeno škrticí zařízení, přičemž odlučovač plynné a kapalné fáze metanu je opatřen výstupem plynné fáze metanu, k němuž jsou přiřazena vratná potrubí, procházející přes rekuperační výměníky tepla až do koncového vratného potrubí. Použitím dvoustupňového chlazení s další kondenzací metanu, dochází k účinnému přenosu tepla při nižším rozdílem teplot v kondenzačním zařízení. V důsledku použití dvoustupňového chlazení pracuje každé chladicí zařízení s vlastní teplotní úrovní a dosahuje tak optimální účinnosti.
Ve výhodném provedení je na vstupu plynného metanu do chladicího modulu uspořádán teplý rekuperační výměník tepla, k němuž je připojen první chladič spřažený s prvním chladicím zařízením, přičemž vystup prvního chladiče je propojen se vstupem studeného rekuperačního výměníku tepla, jehož výstup je propojen se vstupem kondenzačního a separačního modulu, na jehož vstupu je uspořádán kondenzátor, který je spřažen s kondenzačním chladicím zařízením, přičemž výstup kondenzátoru je přes kondenzační rekuperační výměník tepla a škrticí zařízení propojen se vstupem odlučovače plynné a kapalné fáze metanu, který je opatřen výstupem kapalné fáze metanu a výstupem plynné fáze metanu, k němuž je připojeno první vratné potrubí plynného metanu, které je přes kondenzační rekuperační výměník tepla propojeno s druhým vratným potrubím, které je přes studený rekuperační výměník tepla propojeno s třetím vratným potrubím, které je přes teplý rekuperační výměník tepla propojeno s koncovým vratným potrubím. V rekuperačních výměnících tepla dochází k ochlazování metanu postupujícího zařízení v hlavním proudu, čímž se spotřebovává chlad vytvořený při zkapalňování metanu a šetří se tak energie.
Přitom je výhodné, jsou-li chladicímu modulu přiřazeny alespoň dva kondenzační a separační moduly propojené s výstupem chladicího modulu, který je tvořen výstupem studeného rekuperačního výměníku tepla. Větší počet kondenzačních a separačních modulů dovoluje zvýšit produktivitu zařízení.
Přídavné kondenzační a separační moduly jsou v podstatě stejné a obsahují první vratné potrubí propojující výstup plynné fáze metanu z příslušného odlučovače plynné a kapalné fáze metanu s příslušným rekuperačním kondenzačním výměníkem tepla, přičemž výstupy všech rekuperačních kondenzačních výměníků tepla jsou propojené s výstupem chladicího modulu tvořeným výstupem studeného rekuperačního výměníku tepla.
Pro stlačování metanu přiváděného hlavním proudem do zkapalňovacího zařízení je chladicímu modulu předřazen hlavní kompresor a vstupní chladič, které zajišťují potřebný tlak a teplotu vstupujícího metanu.
Pro využití plynného metanu vracejícího se z odlučovače plynné a kapalné fáze metanu vratnými potrubími a postupně předávajícího chlad hlavnímu proudu metanu v rekuperačních výměnících je koncové vratné potrubí propojeno s hlavním proudem plynného metanu přes přídavný kompresor a přídavný chladič, přičemž je vyústěno do hlavního proudu před chladicím modulem nebo před vstupem do hlavního kompresoru. Nedochází tedy ke ztrátě kapacity zařízení a
- 3 CZ 310346 B6 množství vyčištěného metanu vstupujícího do zařízení je rovno množství vytvořeného kapalného metanu.
Pro dosažení optimálního účinku zkapalňování je výhodné, jsou-li použitá chladicí zařízení tvořena vzduchovými chladicími stroji s uzavřeným cyklem.
Objasnění výkresů
Příklady provedení vynálezu budou popsány na základě přiložených výkresů, ve kterých znázorňuje:
obr. 1 schéma zařízení pro zkapalňování metanu pro výkon 3 tuny za den;
obr. 2 schéma zařízení pro zkapalňování metanu pro výkon 3 až 5 tun za den;
obr. 3 schéma zařízení pro zkapalňování metanu pro výkon 5 až 10 tun za den;
obr. 4 schéma zařízení pro zkapalňování metanu podle obr. 1 s předřazeným hlavním kompresorem a vzduchovým chladičem bez vracení par metanu do hlavního toku;
obr. 5 schéma zařízení pro zkapalňování metanu podle obr. 1 s předřazeným hlavním kompresorem a vzduchovým chladičem s vracením par metanu přes přídavný kompresor do hlavního toku za hlavním kompresorem; a obr. 6 schéma zařízení pro zkapalňování metanu podle obr. 1 s předřazeným hlavním kompresorem a vzduchovým chladičem s vracením par metanu přes přídavný kompresor do hlavního toku před hlavním kompresorem.
Varianty zapojení podle vynálezu se neomezují pouze na uvedené výkresy, mohou se měnit a doplňovat o použité obvodové prvky v závislosti na množství produkce kapalného metanu, vstupních podmínkách a známém standardním vybavení, které není v této patentové přihlášce blíže popisováno, a je odborníkovi běžně známo.
Příklady uskutečnění vynálezu
Zařízení podle vynálezu je určeno pro zkapalňování středotlakého metanu s nízkou kapacitou a externím zdrojem chladu.
Zdrojem metanu pro zkapalňovací systém může být jakýkoliv známý zdroj, jako je přírodní fosilní plyn, přidružený ropný plyn (APG), bioplyn a další.
Výstupní tlak ze systémů výroby bioplynu je obvykle 2 bar, přičemž obsah metanu je do 50 %, po primárním čištění se získá biometan s obsahem metanu 97 až 98 % a po dočištění se získá metan 100 % o tlaku 12 až 14 barů.
Zkapalněný metan se skladuje v zásobnících pod tlakem 2 až 4 bar. Pro zkapalňování metanu zvolil přihlašovatel hodnotu tlaku 22 bar, při které je teplota zkapalnění asi 105 °C, takže se tlak musí před vstupem do zařízení zvýšit na 22 bar.
Ke stlačení metanu na požadovaný tlak lze použít jakýkoliv známý kompresor libovolného typu (turbokompresorový, pístový, šroubový, spirálový atd.), jednostupňový i vícestupňový, s mezichlazením nebo bez něj, hlavní je zajistit požadovaný tlak a výkon.
- 4 CZ 310346 B6
V příkladu uskutečnění vynálezu podle obr. 1 obsahuje zařízení pro zkapalňování metanu chladicí modul A a kondenzační a separační modul B. Zařízení je určeno pro výrobu 3 tun zkapalněného metanu (LMG) za den. Metan v plynném skupenství vytvořený v libovolném známém zařízení pro jeho výrobu a vyčištěný některým ze známých způsobů je přiváděn o tlaku 22 bar do chladicího modulu A zařízení, konkrétně na vstup teplého rekuperačního výměníku 1 tepla, v němž je metan ochlazen na teplotu nižší než atmosférickou. K výstupu teplého rekuperačního výměníku 1 tepla je připojen vstup prvního chladiče 2, který je pro chlazení spřažen s prvním chladicím zařízením 8, které je ve znázorněném provedení tvořeno vzduchovým chladicím strojem s uzavřeným cyklem MIRAI LNG 30 s vodním chladičem 10 sloužícím k chlazení vody dodávané do vzduchového chladicího stroje MIRAI. Vodní chladič 10 je tvořen suchým chladičem (Dry Cooler), nebo freonovým chladičem (Freon Chiller), nebo jiným vhodným typem chladiče. Proces chlazení metanu v prvním chladiči 2 je způsoben přestupem tepla mezi teplým metanem a studeným dusíkem z prvního chladicího zařízení. V prvním chladiči 2 je metan pomocí chladicího zařízení 8 ochlazen z atmosférické teploty na teplotu -75 až -80 °C. K výstupu prvního chladiče 2 je připojen vstup studeného rekuperačního výměníku 3 tepla, v němž se metan dále ochladí asi o 2 až 5 °C. Výstup studeného rekuperačního výměníku 3 je zároveň výstupem z chladicího modulu A zařízení a je propojen se vstupem kondenzačního a separačního modulu B, který je totožný se vstupem kondenzátoru 4, který je spřažen s kondenzačním chladicím zařízením 9, které je ve znázorněném provedení tvořeno vzduchovým chladicím strojem s uzavřeným cyklem MIRAI LNG 90 opatřeným vodním chladičem 11 sloužícím k chlazení vody dodávané do vzduchového chladicího stroje MIRAI. Ke kondenzaci metanu v kondenzátoru 4 dochází v důsledku přestupu tepla z velmi studeného dusíku z kondenzačního chladicího zařízení 9 do teplejšího metanu, který se v důsledku toho ochladí na teplotu kondenzace a přejde do kapalného stavu. Vzduchové chladicí stroje s uzavřeným cyklem MIRAI LNG používají jako pracovní těleso dusík bez změny fázového stavu.
Na výstupu kondenzátoru 4 je metan v kapalné fázi, přičemž výstup kondenzátoru 4 je propojen se vstupem kondenzačního rekuperačního výměníku 5 tepla, který slouží k podchlazení kondenzovaného metanu o 2 až 5 °C, aby nedocházelo k jeho odpařování. Na výstup kondenzačního rekuperačního výměníku 5 tepla je připojeno škrticí zařízení 6 sloužící ke snížení tlaku metanu z kondenzačního tlaku na tlak blízký skladovacímu tlaku v nádržích LMG, tj. 2 až 6 bar. Schematicky znázorněné škrticí zařízení 6 může být tvořeno libovolným známým zařízením nebo skupinou zařízení pro snížení tlaku. Protože ke kondenzaci dochází při středním tlaku 22 bar, vzniká při expanzi ve škrticím zařízení 6 směs obsahující až 30 % plynné fáze metanu. K výstupu škrticího zařízení 6 je připojen vstup 701 odlučovače 7 sloužící k odloučení/separaci plynné fáze metanu od kapalné fáze metanu, pro jejíž odvádění je odlučovač 7 opatřen výstupem 702 LMG, z něhož je kapalný metan odváděn ke skladování. Jako odlučovač lze použít libovolný známý odlučovač/separátor typu plyn-kapalina.
Odlučovač 7 je v horní části opatřen výstupem 703 plynné fáze metanu, k němuž je připojeno první vratné potrubí R1, které je připojeno na rekuperační vstup 503 kondenzačního rekuperačního výměníku 5 tepla. Na rekuperační výstup 504 kondenzačního rekuperačního výměníku 5 tepla je připojeno druhé vratné potrubí R2, které je připojeno na rekuperační vstup 303 studeného rekuperačního výměníku 3 tepla. Na rekuperační výstup 304 studeného výměníku 3 tepla je připojeno třetí vratné potrubí R3, které je připojeno na rekuperační vstup 103 teplého rekuperačního výměníku 1 tepla, k jehož rekuperačnímu výstupu 104 je připojeno koncové vratné potrubí R4, které je připojeno k neznázorněnému známému zařízení pro výrobu nebo čištění metanu, nebo je připojeno do hlavního toku metanu, jak bude popsáno níže.
V proudovém schématu a dalších schématech nejsou zobrazeny uzavírací regulační přístroje, měřicí zařízení a podobně, aby výkres nebyl nepřehledný, ale aby byla znázorněna hlavní podstata vynálezu. Zmíněné chybějící prvky jsou odborníkovi standardně známé a slouží k tomu, aby byly zachovány informace o průběhu provozu systému, které nemají vliv na celkovou podstatu vynálezu.
- 5 CZ 310346 B6
Ve výkresech jsou schematicky znázorněny výměníky tepla, které mohou být libovolného typu, a odborník je zvolí tak, aby splňovaly požadované parametry přenosu tepla a provozu celého zařízení podle vynálezu.
Funkce zařízení podle obr. 1 je následující:
Metan v plynné skupenství je přiváděn do chladicího modulu A zařízení, v níž je zchlazen na teplotu -75 °C až -80 °C a přiveden do kondenzačního a separačního modulu B zařízení. Po přivedení plynného metanu do kondenzátoru 4 je metan pomocí chladu přiváděného z chladicího zařízení 9 tvořeného vzduchovým chladicím strojem s uzavřeným cyklem MIRAI LNG 90 zkapalněn a přes kondenzační rekuperační výměník 5 tepla a škrticí zařízení 6 je přiveden do odlučovače 7, v němž se odloučí plynná fáze metanu od kapalné fáze (LMG).
Plynná fáze metanu je z odlučovače 7 vedena prvním vratným potrubím R1 do kondenzačního rekuperačního výměníku 5 tepla, kde předává část svého chladu kapalnému metanu, který kondenzačním rekuperačním výměníkem 5 prochází, a zchladí kapalný metan o 2 až 5 °C. Z kondenzačního rekuperačního výměníku 5 tepla je plynná fáze metanu vedena druhým vratným potrubím R2 do studeného rekuperačního výměníku 3 tepla, v němž předává část svého chladu plynnému metanu, který tímto výměníkem 3 prochází, a zchladí plynný metan o 5 až 10 °C. Ze studeného rekuperačního výměníku 3 tepla je plynná fáze metanu vedena třetím vratným potrubím R3 do teplého rekuperačního výměníku 1 tepla, v němž předá další část svého chladu plynnému metanu a zchladí plynný metan na teplotu nižší než atmosférickou, konkrétně například na 25 až 30 °C pod atmosférickou teplotu. Z teplého rekuperačního výměníku 1 tepla je koncovým vratným potrubím R4 vedena plynná fáze metanu do známého neznázorněného zařízení pro výrobu nebo čištění metanu, nebo do hlavního toku metanu připojením koncového vratného potrubí R4 před nebo za hlavní kompresor 12, jak bude popsáno dále.
Pro výrobu většího množství zkapalněného metanu (LMG) za den byly vyvinuty varianty zařízení znázorněné na obr. 2 a obr. 3.
Zařízení znázorněné na obr. 2 je určeno pro výrobu 3 až 5 tun zkapalněného metanu (LMG) za den. Tato varianta zařízení pro zkapalňování metanu obsahuje stejný chladicí modul A jako zařízení podle obr. 1. Na výstup chladicího modulu A zařízení, tedy na výstup studeného rekuperačního výměníku 3, z něhož vystupuje plynný metan o teplotě -75 až -80 °C, jsou ale připojeny dva kondenzační a separační moduly B-1, B-2 zařízení.
První kondenzační a separační modul B-1 je vytvořen stejně jako v provedení podle obr. 1 a obsahuje kondenzátor 4-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1, dále jen první kondenzátor 4-1, který je propojen s výstupem chladicího modulu A. První kondenzátor 4-1 je spřažen s kondenzačním chladicím zařízením 9-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1, které je ve znázorněném provedení tvořeno vzduchovým chladicím strojem s uzavřeným cyklem MIRAI LNG 90 opatřeným vodním chladičem 11-1 sloužícím k chlazení vody dodávané do vzduchového chladicího stroje. V prvním kondenzátoru 4-1 metan zkapalní. K výstupu prvního kondenzátoru 4-1 je připojen vstup kondenzačního rekuperačního výměníku 5-1 tepla prvního kondenzačního a separačního modulu B-1, dále jen prvního kondenzačního rekuperačního výměníku 5-1 tepla, v němž se kapalný metan ochlazuje o 2 až 5 °C, aby se zabránilo jeho odpařování. K výstupu prvního kondenzačního rekuperačního výměníku 5-1 je připojeno první škrticí zařízení 6-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1, dále jen první škrticí zařízení 6-1, v němž se snižuje tlak metanu na 2 až 6 bar. Výstup prvního škrticího zařízení 6-1 je propojen se vstupem odlučovače 7-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1, dále jen prvního odlučovače 7-1, v němž se odlučuje plynná fáze metanu od kapalné fáze metanu, která je z prvního odlučovače 7-1 odváděna výstupem LMG v jeho dolní části.
V horní části je první odlučovač 7-1 opatřen vývodem plynného metanu, k němuž je připojeno první vratné potrubí R1-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1, jehož výstup ústí
- 6 CZ 310346 B6 do vstupu prvního kondenzačního rekuperačního výměníku 5-1 tepla, v němž slouží k podchlazování kondenzovaného metanu. K výstupu prvního kondenzačního rekuperačního výměníku 5-1 je připojeno druhé vratné potrubí R2-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1, jehož výstup ústí do studeného rekuperačního výměníku 3 tepla, který je součástí chladicího modulu A a v němž jsou uspořádána vratná potrubí R3 a R4 stejně jako u provedení podle obr. 1.
Mezi chladicím modulem A a prvním kondenzačním a separačním modulem B-1 je potrubí s vychlazeným metanem o teplotě -75 až -80 °C rozděleno na dvě větve, z nichž první vede do prvního kondenzačního a separačního modulu B-1 a druhá větev potrubí s vychlazeným metanem vede do druhého kondenzačního a separačního modulu B-2 a vychlazený metan je přiváděn do kondenzátoru 4-2 druhého kondenzačního a separačního modulu B-2, dále jen druhého kondenzátoru 4-2, v němž zkapalní v důsledku chlazení kondenzačním chladicím zařízením 9-2 druhého kondenzačního a separačního modulu, které je k němu připojeno a je ve znázorněném provedení tvořeno vzduchovým chladicím strojem s uzavřeným cyklem MIRAI LNG 90, který je opatřen vodním chladičem 11-2. K výstupu druhého kondenzátoru 4-2 je připojen vstup kondenzačního výměníku 5-2 tepla druhého kondenzačního a separačního modulu B-2, dále jen vstup druhého kondenzačního výměníku 5-2 tepla, v němž se kapalný metan ochladí o 2 až 5 °C, aby se zabránilo jeho odpařování. K výstupu druhého kondenzačního výměníku 5-2 je připojeno druhé škrticí zařízení 6-2 druhého kondenzačního a separačního modulu B-2, dále jen druhé škrticí zařízení 6-2, v němž se tlak kapalného metanu snižuje na 2 až 6 bar. Výstup druhého škrticího zařízení 6-2 je propojen se vstupem druhého odlučovače 7-2 druhého kondenzačního a separačního modulu B-2, dále jen druhého odlučovače 7-2, v němž se odlučuje plynná fáze metanu od fáze kapalné. Kapalná fáze metanu je výstupem LMG v dolní části druhého odlučovače 7-2 odváděna, přičemž ve znázorněném provedení se potrubí pro odvod LMG z obou odlučovačů 7-1 a 7-2 spojí a kapalný metan z obou kondenzačních a separačních modulů B-1 a B-2 je odváděn ke skladování.
V horní části je druhý odlučovač 7-2 opatřen vývodem plynného metanu, k němuž je připojeno první vratné potrubí R1-2 druhého kondenzačního a separačního modulu B-2, jehož výstup ústí do vstupu druhého kondenzačního rekuperačního výměníku 5-2, v němž slouží k podchlazování kapalného metanu. K výstupu druhého kondenzačního rekuperačního výměníku 5-2 je připojeno druhé vratné potrubí R2-2 druhého kondenzačního a separačního modulu B-2, jehož výstup ústí do studeného rekuperačního výměníku 3 tepla, který je součástí chladicího modulu A a v němž jsou uspořádána vratná potrubí R3 a R4 stejně jako u provedení podle obr. 1. Ve znázorněném provedení je toto druhé vratné potrubí R2-2 druhého kondenzačního a separačního modulu B-2 před vyústěním do studeného výměníku 3 tepla spojeno s druhým vratným potrubím R2-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1.
Použitím dvou kondenzačních a separačních modulů B-1 a B-2 se ve srovnání s provedením zařízení podle obr. 1 zdvojnásobilo množství zkapalněného metanu.
Zařízení znázorněné na obr. 3 je určeno pro výrobu 5 až 10 tun zkapalněného metanu (LMG) za den. Tato varianta zařízení pro zkapalňování metanu obsahuje stejný chladicí modul A jako zařízení podle obr. 1 a zařízení podle obr. 2. Na výstup chladicího modulu A zařízení, tedy na výstup studeného rekuperačního výměníku 3, z něhož vystupuje plynný metan o teplotě -75 až 80 °C, jsou ale připojeny tři kondenzační a separační moduly B-1, B-2 a B-3 zařízení.
První a druhý kondenzační a separační modul B-1 a B-2 jsou vytvořeny stejně jako u provedení zařízení podle obr. 2. Z druhé větve potrubí s vychlazeným metanem o teplotě -75 až -80 °C vedené do druhého kondenzačního a separačního modulu B-2 se před druhým kondenzačním a separačním modulem B-2 odděluje třetí větev, která vede do třetího kondenzačního a separačního modulu B-3, kde je vychlazený metan přiváděn do kondenzátoru 4-3 třetího kondenzačního a separačního modulu B-3, dále jen třetí kondenzátor B-3. Třetí kondenzátor 4-3 je propojen s třetím kondenzačním chladicím zařízením 9-3, které je ve znázorněném provedení tvořeno
- 7 CZ 310346 B6 vzduchovým chladicím strojem s uzavřeným cyklem MIRAI LNG 90, který je opatřen vodním chladičem 11-3. K výstupu třetího kondenzátoru 4-3 je připojen vstup kondenzačního výměníku 5-3 tepla třetího kondenzačního a separačního modulu B-3, dále jen třetího kondenzačního výměníku 5-3 tepla, v němž se kapalný metan ochladí o 2 až 5 °C, aby se zabránilo jeho odpařování. K výstupu třetího kondenzačního výměníku 5-3 je připojeno škrticí zařízení 6-3 třetího kondenzačního a separačního modulu B-3, dále jen třetí škrticí zařízení 6-3, v němž se tlak kapalného metanu snižuje na 2 až 6 bar, což je tlak blízký skladovacímu tlaku v nádržích LMG. Výstup třetího škrticího zařízení 6-3 je propojen se vstupem odlučovače 7-3 třetího kondenzačního a separačního modulu B-3, dále jen třetího odlučovače 7-3, v němž se odlučuje plynná fáze metanu od fáze kapalné. Kapalná fáze metanu je výstupem LMG v dolní části třetího odlučovače 7-3 odváděna, přičemž ve znázorněném provedení se potrubí pro odvod LMG ze všech tří odlučovačů 7-1, 7-2 a 7-3 spojí a kapalný metan ze všech tří kondenzačních a separačních modulů B-1, B-2 a B-3 je odváděn ke skladování.
V horní části je třetí odlučovač 7-3 opatřen vývodem plynného metanu, k němuž je připojeno první vratné potrubí R1-3 třetího kondenzačního a separačního modulu B-3, jehož výstup ústí do vstupu třetího kondenzačního rekuperačního výměníku 5-3, v němž slouží k podchlazování kapalného metanu. K výstupu třetího kondenzačního rekuperačního výměníku 5-3 je připojeno druhé vratné potrubí R2-3 třetího kondenzačního a separačního modulu B-3, jehož výstup ústí do studeného rekuperačního výměníku 3 tepla, který je součástí chladicího modulu A a v němž jsou uspořádána vratná potrubí R3 a R4 stejně jako u provedení podle obr. 1 a obr. 2. Ve znázorněném provedení je toto druhé vratné potrubí R2-3 třetího kondenzačního a separačního modulu B-3 před vyústěním do studeného výměníku 3 tepla spojeno s druhým vratným potrubím R2-2 druhého kondenzačního a separačního modulu B-2 a s druhým vratným potrubím R2-1 prvního kondenzačního a separačního modulu B-1.
Použitím tří kondenzačních a separačních modulů B-1 B-2 a B-3 se ve srovnání s provedením zařízení podle obr. 2 zvýšilo množství zkapalněného metanu vyráběného za den na 5 až 10 tun.
Vzhledem k tomu, že zařízení podle vynálezu je určeno pro zkapalňování čistého metanu a hodnota tlaku byla zvolena 22 bar, přičemž tlak metanu po vyčištění je 14 bar, je před vstupem do zařízení zařazen do hlavního proudu plynného metanu hlavní kompresor 20 a vstupní chladič 21, jak je znázorněno na obr. 4. Vstupní chladič 21 slouží k ochlazení plynného metanu stlačeného hlavním kompresorem 20 na teplotu blízkou teplotě atmosférické, přibližně o 2 až 5 °C nad atmosférickou teplotou.
Vlastní zařízení pro zkapalňování metanu je ve schématu použito z obr. 1, protože se jedná nejjednodušší variantu. Přesto je odborníkovi jasné, že lze použít kteroukoliv z variant znázorněných na obr. 1 až obr. 3. Odlučovač 7 plynné fáze metanu od jeho fáze kapalné je opatřen vstupem 701 kapalného metanu ze škrticího zařízení 6 a výstupem 702 kapalné fáze metanu (LMG), ke kterému je přes výstupní ventil 12 kapalného metanu připojen zásobník 13 kapalného metanu. Zásobník 13 kapalného metanu je opatřen známými blíže neznázorněnými výstupními prostředky kapalného metanu pro připojení a plnění cisteren nákladních automobilů pro rozvážení kapalného metanu, nebo nádrží dopravních prostředků opatřených motory pro spalování metanu, například lodí nebo nákladních automobilů. Zmíněným výstupním prostředkům kapalného metanu jsou přiřazeny prostředky pro zpětný odvod plynného metanu, který vznikne při plnění cisteren nebo nádrží, zpět do zásobníku 13 kapalného metanu, v němž se plynný metan shromažďuje v jeho horní části. Proto je zásobník 13 opatřen v horní části výstupem 703 plynného metanu a uzavíracím ventilem 14. V základní variantě podle obr. 4 je po otevření uzavíracího ventilu 14 odváděn plynný metan zpět do známého neznázorněného zařízení pro výrobu nebo čištění metanu. Stejně tak je koncovým vratným potrubím R4 odváděn plynný metan z odlučovače 7 po průchodu rekuperačními výměníky 5, 3 a 1, v nichž postupně předával svůj chlad.
- 8 CZ 310346 B6
V příkladu provedení podle obr. 5 je pro zkapalňování metanu opět použito zkapalňovací zařízení podle obr. 1, které představuje nejjednodušší variantu. Odlučovač 7 plynné fáze metanu od jeho kapalné fáze je v dolní části opatřen výstupem 702 kapalné fáze metanu (LMG), na který navazují další prostředky pro skladování a distribuci kapalného metanu, stejně jako v předcházejícím provedení podle obr. 4. Stejně jsou vytvořeny i prostředky pro zpětný odvod plynného metanu, který vznikne při plnění cisteren nebo nádrží, zpět do zásobníku 13 kapalného metanu. Zásobník 13 kapalného metanu je v horní části opatřen výstupem 703 plynného metanu a uzavíracím ventilem 14, k němuž je připojeno odváděcí potrubí plynného metanu, do něhož je přes propojovací ventil 15 vyústěno koncové vratné potrubí R4, jímž je odváděn plynný metan z odlučovače 7 po průchodu rekuperačními výměníky 5, 3 a 1, v nichž postupně předával svůj chlad. Na výstup odváděcího potrubí je připojen vstup přídavného kompresoru 30, jehož výstup je připojen ke vstupu přídavného chladiče 31, z jehož výstupu je plynný metan přiveden do hlavního proudu plynného metanu před chladicí modul A. Tlak plynného metanu na vstupu do přídavného kompresoru 30 je 1 až 3 bar a v přídavném kompresoru 30 je stlačen na 22 bar provozního tlaku pro zkapalňování, tedy na stejný tlak, který má hlavní proud plynného metanu po výstupu z hlavního kompresoru 20. Rovněž teplota plynného metanu po výstupu z přídavného chladiče 31 je stejná, nebo téměř stejná, jako teplota hlavního proudu plynného metanu po výstupu ze vstupního chladiče 21, tedy blízká teplotě atmosférické.
V příkladu provedení podle obr. 6 je pro zkapalňování metanu rovněž použito zkapalňovací zařízení podle obr. 1. Prostředky pro skladování a distribuci kapalného metanu jsou vytvořeny stejně jako u provedení podle obr. 4 a obr. 5. Prostředky pro shromažďování a odvod plynného metanu ze zásobníku 13 kapalného metanu jsou vytvořeny stejně jako u provedení podle obr. 5 včetně spojení odváděcího potrubí s koncovým vratným potrubím R4 a připojení přídavného kompresoru 30 a přídavného chladiče 31. Rozdíl je v tom, že výstup plynného metanu z přídavného chladiče 31 je přiveden do hlavního proudu plynného metanu před hlavním kompresorem 20. Přídavný kompresor 30 u tohoto provedení stlačuje plynný metan přiváděný ze zásobníku 13 kapalného metanu a plynný metan přiváděný koncovým vratným potrubím R4 pouze na tlak odpovídající tlaku plynného metanu v hlavním proudu před hlavním kompresorem 20.
Vracená plynná fáze metanu z odlučovače 7 plynné a kapalné fáze metanu je použita v rekuperačních výměnících 5, 3 a 1 postupnému předávání chladu kapalnému metanu v kondenzačním rekuperačním výměníku 5 a plynnému metanu ve studeném rekuperačním výměníku 3 a následně v teplém rekuperačním výměníku 1. Vracená plynná fáze metanu ze zásobníku 13 kapalného metanu je po spojení s vracenou plynnou fází metanu z odlučovače 7 plynné a kapalné fáze metanu je v provedení podle obr. 5 a obr. 6 zavedena zpět do hlavního proudu plynného metanu, což má za následek úplnou kondenzaci celého vstupní proudu plynného metanu v provozním režimu zařízení podle vynálezu.
Průmyslová využitelnost
Zařízení podle vynálezu je určeno ke zkapalňování metanu pomocí externích zdrojů chladu tvořených ve výhodném provedení vzduchovými chladicími stroji MIRAI. Vzhledem k tomu, že chlad získaný v chladicích strojích se v zařízení podle vynálezu vrací do oběhu pomocí rekuperačních výměníků tepla, dochází k úspoře energie, která se přibližně rovná hodnotě rekuperačního průtoku. Navíc se čistý plynný metan vznikající při snižování tlaku kapalného metanu na tlak pro skladování vrací zpět do zkapalňovacího cyklu, což představuje další energetickou úsporu.

Claims (8)

1. Zařízení pro zkapalňování metanu, obsahující chladicí modul (A) opatřený vstupem plynného metanu, k jehož výstupu je přiřazen kondenzační a separační modul (B) opatřený výstupem (702) kapalného metanu, vyznačující se tím, že chladicí modul (A) obsahuje alespoň jeden rekuperační výměník (1, 3) tepla a chladič (2) spřažený s chladicím zařízením (8), přičemž navazující kondenzační a separační modul (B) obsahuje kondenzační chladicí zařízení (9) a alespoň jeden rekuperační výměník (5) tepla, na který navazuje odlučovač (7) plynné a kapalné fáze metanu, před nímž je zařazeno škrticí zařízení (6), přičemž odlučovač (7) plynné a kapalné fáze metanu je opatřen výstupem (703) plynné fáze metanu, k němuž jsou přiřazena vratná potrubí (R1, R2, R3) procházející přes rekuperační výměníky (1, 3, 5) tepla až do koncového vratného potrubí (R4).
2. Zařízení pro zkapalňování metanu podle nároku 1, vyznačující se tím, že na vstupu plynného metanu do chladicího modulu (A) je uspořádán teplý rekuperační výměník (1) tepla, k němuž je připojen první chladič (2) spřažený s prvním chladicím zařízením (8), přičemž výstup prvního chladiče (2) je propojen se vstupem studeného rekuperačního výměníku (3) tepla, jehož výstup je propojen se vstupem kondenzačního a separačního modulu (B), na jehož vstupu je uspořádán kondenzátor (4), který je spřažen s kondenzačním chladicím zařízením (9), přičemž výstup kondenzátoru (4) je přes kondenzační rekuperační výměník (5) tepla a škrticí zařízení (6) propojen se vstupem (701) odlučovače (7) plynné a kapalné fáze metanu, který je opatřen výstupem (702) kapalné fáze metanu a výstupem (703) plynné fáze metanu, k němuž je připojeno první vratné potrubí (R1) plynného metanu, které je přes kondenzační rekuperační výměník (5) tepla propojeno s druhým vratným potrubím (R2), které je přes studený rekuperační výměník (3) propojeno s třetím vratným potrubím (R3), které je přes teplý rekuperační výměník (1) tepla propojeno s koncovým vratným potrubím (R4).
3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že chladicímu modulu (A) jsou přiřazeny alespoň dva kondenzační a separační moduly (B1, B2, B3) propojené s výstupem studeného rekuperačního výměníku (3) tepla chladicího modulu (A).
4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že každý kondenzační a separační modul (B1, B2, B3) obsahuje první vratné potrubí (R1-1, R1-2, R1-3) propojující výstup (703) plynné fáze metanu z příslušného odlučovače (7-1, 7-2, 7-3) plynné a kapalné fáze metanu s příslušným rekuperačním kondenzačním výměníkem (5-1, 5-2, 5-3), přičemž výstupy všech rekuperačních kondenzačních výměníků (5-1, 5-2, 5-3) jsou propojené s výstupem studeného rekuperačního výměníku (3) tepla chladicího modulu (A).
5. Zařízení podle libovolného z předcházejících nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že chladicímu modulu (A) je předřazen hlavní kompresor (20) a vstupní chladič (21), přes které prochází hlavní proud plynného metanu vstupující do zařízení pro zkapalňování.
6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že koncové vratné potrubí (R4) je přes přídavný kompresor (30 a přídavný chladič (31) přivedeno do hlavního proudu plynného metanu před chladicí modul (A).
7. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že koncové vratné potrubí (R4) je přes přídavný kompresor (30) a přídavný chladič (31) přivedeno na vstup hlavního kompresoru (20).
8. Zařízení podle libovolného z předcházejících nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že chladicí zařízení (8, 9) jsou tvořena vzduchovými chladicími stroji s uzavřeným cyklem.
CZ2023-516A 2023-12-28 2023-12-28 Zařízení pro zkapalňování metanu CZ310346B6 (cs)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2023-516A CZ310346B6 (cs) 2023-12-28 2023-12-28 Zařízení pro zkapalňování metanu
EP24222338.6A EP4579164A3 (en) 2023-12-28 2024-12-20 Device for methane liquefaction

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2023-516A CZ310346B6 (cs) 2023-12-28 2023-12-28 Zařízení pro zkapalňování metanu

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2023516A3 CZ2023516A3 (cs) 2025-03-19
CZ310346B6 true CZ310346B6 (cs) 2025-03-19

Family

ID=93925396

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2023-516A CZ310346B6 (cs) 2023-12-28 2023-12-28 Zařízení pro zkapalňování metanu

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4579164A3 (cs)
CZ (1) CZ310346B6 (cs)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0141378A2 (en) * 1983-10-25 1985-05-15 Air Products And Chemicals, Inc. Dual mixed refrigerant natural gas liquefaction with staged compression
US20050255012A1 (en) * 2002-08-15 2005-11-17 John Mak Low pressure ngl plant cofigurations
CN101625191A (zh) * 2009-08-10 2010-01-13 中国科学院理化技术研究所 一种应用分凝分离效应的气体低温液化分离系统
US20170102182A1 (en) * 2014-06-27 2017-04-13 Rtj Technologies Inc. Method and arrangement for producing liquefied methane gas (lmg) from various gas sources

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3021091B1 (fr) 2014-05-14 2017-09-15 Ereie - Energy Res Innovation Eng Procede et dispositif de liquefaction du methane
EP3045849A3 (en) 2015-01-14 2016-07-27 Luciano Ghergo A plant for liquefying methane gas
CN204648828U (zh) 2015-03-31 2015-09-16 昆仑能源湖北黄冈液化天然气有限公司 天然气液化甲烷制冷系统
US9863697B2 (en) 2015-04-24 2018-01-09 Air Products And Chemicals, Inc. Integrated methane refrigeration system for liquefying natural gas
FR3087526B1 (fr) 2018-10-18 2020-12-18 Air Liquide Installation et procede de production de methane liquefie
US20230003444A1 (en) 2021-06-28 2023-01-05 Air Products And Chemicals, Inc. Producing LNG from Methane Containing Synthetic Gas
CN117029378B (zh) * 2023-07-27 2024-09-03 成都赛普瑞兴科技有限公司 原料气参与制冷的级联式制冷循环lng液化系统和方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0141378A2 (en) * 1983-10-25 1985-05-15 Air Products And Chemicals, Inc. Dual mixed refrigerant natural gas liquefaction with staged compression
US20050255012A1 (en) * 2002-08-15 2005-11-17 John Mak Low pressure ngl plant cofigurations
CN101625191A (zh) * 2009-08-10 2010-01-13 中国科学院理化技术研究所 一种应用分凝分离效应的气体低温液化分离系统
US20170102182A1 (en) * 2014-06-27 2017-04-13 Rtj Technologies Inc. Method and arrangement for producing liquefied methane gas (lmg) from various gas sources

Also Published As

Publication number Publication date
EP4579164A2 (en) 2025-07-02
CZ2023516A3 (cs) 2025-03-19
EP4579164A3 (en) 2025-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112361712B (zh) 一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备
CA2775449C (en) Methods of natural gas liquefaction and natural gas liquefaction plants utilizing multiple and varying gas streams
US6131407A (en) Natural gas letdown liquefaction system
AU733788B2 (en) Use of a turboexpander cycle in liquefied natural gas process
Spitoni et al. Theoretical evaluation and optimization of a cryogenic technology for carbon dioxide separation and methane liquefaction from biogas
US4530744A (en) Method and apparatus for the producing of liquid hydrogen
KR101302310B1 (ko) 반폐쇄 루프 액화 천연 가스 처리
US20140352353A1 (en) Natural Gas Liquefaction System for Producing LNG and Merchant Gas Products
EA016746B1 (ru) Способ и система для получения сжиженного природного газа
AU2012270148A1 (en) Process for liquefaction of natural gas
CN101539362A (zh) 一种考虑总能系统的多级膨胀分布式天然气液化系统
US20230147955A1 (en) Hydrogen Liquefaction with Stored Hydrogen Refrigeration Source
CN100363699C (zh) 回收液化天然气冷能的空气分离系统
CN114165987A (zh) 一种液体二氧化碳生产装置及其生产方法
CN214095167U (zh) 一种采用氦气制冷循环系统的氢气液化设备
CN114518016A (zh) 二氧化碳捕集液化回收装置及方法
RU2719533C1 (ru) Способ производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции и комплекс (варианты) для его осуществления
CN105157348B (zh) 一种回收lng的液氮洗装置及其方法
CZ310346B6 (cs) Zařízení pro zkapalňování metanu
RU2753206C1 (ru) Способ автономного производства сжиженного природного газа и установка для его осуществления
CN216864098U (zh) 一种车载天然气液化装置
CN106016967B (zh) 一种回热式混合工质制冷气体液化循环系统
CN114686280A (zh) 一种车载天然气液化装置
US12281845B2 (en) Heat recovery steam generation integration with high pressure feed gas processes for the production of liquefied natural gas
CN118182734B (zh) 浮式液化天然气装置、回收氦气的方法