RU2104449C1 - Блок сжижения газа - Google Patents

Abstract

Использование: криогенная техника. Сущность: предложены изменения конструкции вихревых охладителей и схемы их соединений, с соосным размещением в силовом корпусе блока, при этом верхний охладитель обеспечивает сепарацию и отвод жидкости с эффективным охлаждением теплообменника, исключая вынос капель. За счет установки вихревого эжектора на выходе несжиженной части потока обеспечивается полная утилизация паров криостата для охлаждения входного потока, что позволяет в целом сжижать до 25% входного потока давлением 6,0 МПа при противодавлении несжиженной части 0,6 МПа. Набором таких модульных блоков соединений вихревых охладителей в одном силовом корпусе можно создавать установки любой производительности. 2 ил.

Description

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для сжижения природного и других газов, а также во всех случаях, где требуется обеспечить получение низких температур при наличии сжатого газа.

Известны способы сжижения газов и устройства, их реализующие, обобщенные в многочисленной специальной литературе. Как правило, в качестве генератора холода используются вихревые энергоразделители (патенты США N 3775986, кл. F 25 B 1/00 НКИ 62/23 1973; N 4458494, кл. F 25 B 9/02 НКИ 62/5, 1984). Недостатком этих установок является низкий коэффициент сжижения из-за малой эффективности вихревых труб.

Наиболее близкой по технической сущности является установка сжижения природного газа (патент России N 1775026, кл. F 25 B 9/02), в которой использованы два соосно размещенных вихревых охладителя газа (верхний и нижний), отводы холодных потоков которых направлены встречно друг другу и разделены дополнительной перегородкой, установленной на теплообменнике основного охлаждения, подключенного к входам первого и второго вихревых охладителей вдоль их оси.

Недостатками противопоставляемой установки являются:
- снижение коэффициента сжижения из-за выноса парожидкостной смеси вследствие высоких скоростей расширения газа и отсутствие системы задержки и отделения капель;
- работа установки обеспечивается только при высоком начальном давлении (4,5 МПа и выше), тогда как магистральные газопроводы в местах больших газопотреблений имеют давление 3,6-4,2 МПа, что существенно сказывается на коэффициенте сжижения;
- верхний охладитель, потребляющий до 50% входного потока, является по существу струйным ускорителем выноса капель жидкости из зоны расширения, и генерируемый им холод малоэффективно используется для охлаждения входного потока;
- вследствие накопления тяжелых фракций природного газа в нижней части, где отсутствует их отвод, происходит уменьшение объема и степени расширения потока, что приводит к постепенному самоторможению процесса сжижения.

Задачей изобретения является повышение коэффициента сжижения и устранение указанных недостатков.

Это достигается тем, что в нижней части верхней охладитель выполнен замкнутым и снабжен отверстиями для выхода конденсата, расположенными на поверхности наибольшего диаметра, выход газа из верхней части верхнего охладителя заглушен по оси и на его боковой поверхности выполнены отверстия, в нижней части блок снабжен трубой отвода жидкого продукта и в ней соосно размещен нижний отвод нижнего охладителя, а в верхней части - патрубком отвода паровой фракции, причем на последнем установлен вихревой эжектор, соединенный с паровой зоной криостата.

Наличие замкнутой камеры расширения в верхнем охладителе с отверстиями по периферии способствует центробежной сепарации тяжелых фракций газа и их отводу из камеры расширения, а также более эффективному охлаждению осевой трубки вследствие того, что происходит встречное движение потоков с интенсивным теплообменом за счет вращения вокруг трубки осевого теплообменника поднимающегося вверх холодного потока, тогда как в противопоставляемом имеет место попутное движение с теплообменом от вращающегося потока, для которого характерен низкий коэффициент теплоотдачи.

Закрытие отвода газа вверх из верхнего охладителя и выпуск его перпендикулярно оси по касательной к поверхности устраняет эжекционный эффект, что предотвращает вынос капель жидкости из нижних объемов установки и способствует лучшему теплообмену с входящим потоком высокого давления.

Введение кольцевого зазора между трубкой отвода жидкого продукта из нижней части блока и соосно размещенного отвода нижнего охладителя предотвращает накопление конденсата, образующегося при расширении потока в верхнем охладителе, и способствует сохранению постоянного объема расширения, исключая самоторможение процесса расширения и сжижения потоков. Ограниченность объема камер расширения в обоих охладителях и свободного объема блока приводит к повышению конечного давления расширения потока до 0,8 МПа и выше при начальном давлении потока, равном 6,0 МПа, следовательно, отношение входного и выходного давлений потоков вместо оптимального значения расширения в пределах 8-10 снижается до 5, что существенно уменьшает коэффициент сжижения. Активно влиять на это можно двумя способами: увеличением объема свободного пространства блока, что приводит к значительному удорожанию изделия, и понижением температуры потока, подаваемого на расширение в охладители. В предлагаемой конструкции обеспечивается последнее требование за счет утилизации холода пара криостата с помощью вводимого вихревого эжектора. За счет дросселирования потока, выходящего из блока, и добавления холодной массы пара из криостата несжиженная часть потока имеет более низкую температуру, чем в противопоставляемом варианте, что позволяет более эффективно охлаждать входной поток. Такая схема позволяет обеспечить понижение температуры входного потока до его конденсации, а давление в криостате до 0,3 МПа и ниже, что в целом способствует получению высокого значения коэффициента сжижения.

На фиг. 1 показана схема блока сжижения, в разрезе; на фиг.2 - сечение улитки, одинаковое для охладителя и эжектора по принципу, но разное по размерам.

Наиболее совершенный вариант конструкции включает: силовой корпус 21, выполненный в соответствии с требованиями к сосудам, работающим под давлением, магистраль подвода предварительно охлажденного газа 1, соединенная с трубчатым витым теплообменником 2, витки которого разделены тонкой перегородкой 19 и снабжены турбулизаторами по наружной поверхности. Выход газа из теплообменника 2 соединен с верхним вихревым охладителем 3, через который проходит теплообменник 4, подводящий вторую часть входного потока к второму охладителю 5. На камере расширения охладителя 3 в зоне наибольшего диаметра выполнены отверстия 6, а на верхнем отводе - отверстия 7, выполненные по касательной к поверхности патрубка. Нижний отвод 8 охладителя 5 размещен соосно с трубкой отвода жидкого продукта 9, образуя кольцевой зазор 10, через который отводится конденсат, образующийся в верхнем охладителе 3. Соединение охладительной 3 и 5 находится в корпусе 21 в свободно подвешенном состоянии и крепится стяжкой 11 к патрубку отвода несжиженного потока и (или) корпусу 21, а в нижней части может опираться на изгиб трубки теплообменника 4. На патрубке отвода пара 12 из корпуса 21 установлен вихревой эжектор 13, работа которого поясняется схемой (фиг.2) и включает: улитку 14, к которой примыкает отвод из криостата с одной стороны, а с другой - общий отвод в теплообменник предварительного охлаждения (не показан).

Работа блока сжижения происходит следующим образом. Поток газа высокого давления после предварительного охлаждения входит в теплообменник 2 и делится на две части: до 30% поступает в охладитель 3, в улитке 14 поток ускоряется до звуковой скорости и центробежно расширяется в камере, вследствие чего охлаждается и конденсируется. Конденсат из камеры отводится через отверстия 6, а низкотемпературный поток газа отводится по оси вверх с вращением, интенсивно охлаждая встречный поток в теплообменнике 4, и выводится из охладителя через отверстия 7 по касательной к поверхности патрубка. Другая часть входного потока охлаждается в теплообменнике 4, расположенном по оси обоих охладителей, где генерируется наиболее низкая температура, и поступает на вход охладителя 5, где аналогично ускоряется в улитке до звуковой скорости и расширяется с понижением температуры за счет уменьшения внутренней энергии вследствие совершения газом работы расширения. Сжиженная часть потока уходит вниз по патрубку 8 охладителя, а далее по трубе 9 в криостат (не показан). Переохлажденный поток газа охладителя 5 поднимается вверх, охлаждая теплообменник 4, камеру расширения охладителя 3 и теплообменник 2, как показано стрелками. Далее через патрубок 12 поток входит в эжектор 13, где за счет центробежного вращения в осевой зоне улитки 14 образуется пониженное давление. В эту зону засасывается пар из криостата, и после смешения этих двух потоков за эжектором 13 газ с весьма низкой температурой поступает в теплообменник предварительного охлаждения (не показан), что обеспечивает в целом снижение температуры входного потока и увеличивает общий коэффициент сжижения.

Предложенная совокупность новых признаков позволяет сжижать до 25% входного потока при начальном давлении 6,0 МПа, а при входном давлении 3,5 МПа достигается приемлемый для практики и рентабельности коэффициент сжижения 7% при конечном давлении расширения до 0,6 МПа. Набором таких модулей соединенных охладителей, размещенных в одном корпусе, можно обеспечивать любую требуемую производительность при наличии резерва газа на входе.

Изобретение может быть применено прежде всего на газораспределительных станциях для получения жидкого метана без энергозатрат за счет использования существующего перепада давления с 4,0-7,5 МПа до 0,6 МПа, срабатывание которого приводит к значительному охлаждению газа, подаваемого потребителю, и требует принятия специальных мероприятий по его подогреву. Себестоимость получаемого жидкого продукта по предлагаемой технологии с содержанием метана до 92% превышает стоимость исходного газа всего на 25%. На больших газораспределительных станциях можно размещать криогенные хранилища, которые будут в летнее время наполнять жидким метаном для того, чтобы в зимнее время покрывать пиковое газопотребление за счет такого резерва. При этом достигается круглогодичная работа компрессорных станций в оптимальном режиме, что обеспечивает их более долгий срок службы. Такие установки сжижения, позволяющие получать наиболее экономично существенно более дешевого и экологически более чистого моторного топлива, чем дают продукты нефтепереработки, имеют неоспоримое преимущество для применения в обозримом будущем в силу следующих факторов.

Блок сжижения отличает простота и надежность, высокое быстродействие (выход на режим до 10 мин) и возможность работы в полуавтоматическом режиме при минимальном обслуживании, т.е. предельно низкие эксплуатационные затраты.

Предлагаемый блок сжижения может быть использован также в холодильной технике при использовании промежуточного теплоносителя (тосол) для заморозки и хранения продуктов, сырья и заготовок для различных отраслей народного хозяйства при расположении таких комплексов вблизи газораспределительных станций, что исключает не только энергопотребление, но, главное, отпадает необходимость в использовании фреонов и аммиака.

Claims (1)

1. Блок сжижения газа, включающий соосно расположенные нижний и верхний вихревые охладители, соединенные проходящим через них теплообменником, отличающийся тем, что в нижней части верхний охладитель выполнен замкнутым и снабжен отверстиями для выхода конденсата, расположенными на поверхности наибольшего диаметра, выход газа из верхней части верхнего охладителя заглушен по оси и на его боковой поверхности выполнены отверстия, в нижней части блок снабжен трубой отвода жидкого продукта и в ней соосно размещен нижний отвод нижнего охладителя, а в верхней части патрубком отвода паровой фракции, причем на последнем установлен вихревой эжектор, соединенный с паровой зоной криостата.

Images