RU2156417C1

RU2156417C1 - High-capacity cryogenic complex for liquefaction of natural gas

Info

Publication number: RU2156417C1
Application number: RU99110184A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кириллов
Original assignee: Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-09-20

Abstract

FIELD: complex for liquefaction of natural gas. SUBSTANCE: natural gas at increased pressure is fed from main gas line to vortex tube where it is divided into two flows: cold flow and hot flow. Cold flow in form of liquefied gas is drained to heat-insulated reservoir via main. Hot flow is preliminarily cooled in heat exchanger, throttled through valve and condensed in condenser of Stirling cryogenic machine. Liquid gas is drained to Dewar flask and is fed to reservoir by means of pump. Vapor of liquefied gas is throttled to condensing reservoir from gas-containing portion of reservoir via recondensation loop where it is condensed due to heat exchange and is returned to reservoir. EFFECT: enhanced efficiency; low cost; ecological safety; increased liquefaction coefficient. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин, работающих по циклу Стирлинга, а также получения и хранения сжиженных газов, например природного газа. The invention relates to the field of cryogenic technology, cryogenic gas refrigeration machines operating on the Stirling cycle, as well as the production and storage of liquefied gases, such as natural gas.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например, с дросселированием или дентандерные, однако в области криогенных температур (60-160К) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.И. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, cтp.185-186). It is known that various cycles are used for gas liquefaction, for example, with throttling or dentar, however, in the cryogenic temperature range (60-160K), the most highly efficient cycle is the cycle with a refrigerating machine operating on the Stirling cycle. The efficiency of cryogenic Stirling machines is almost 2 times higher compared to other plants used for gas liquefaction (Usyukin I. I. Installations, machines and apparatuses of cryogenic equipment. M: Light and food industry, 1982, pp. 185-186).

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113 К) (Нефтегазовая вертикал./Анал. журнал N 9-10 (24-25), М., 1998, стр.123/). Однако, существует проблема высокоэффективного получения сжиженного природного газа.It is known that liquefied natural gas is considered as a promising liquid fuel, and the boiling point of liquefied natural gases corresponds to a temperature of -162 ^o C (113 K) (Oil and gas vertical. / Anal. Journal N 9-10 (24-25), M., 1998 p. 123 /). However, there is a problem of highly efficient production of liquefied natural gas.

Известно, что для сжижения газов может применяться вихревая труба (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П.Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр.50). Однако, при применении вихревой трубки коэффициент сжижения не превышает 15% от общего количества подаваемого в трубку газа. It is known that for the liquefaction of gases a vortex tube can be used (RB Scott. Technique of low temperatures. Translation under the editorship of prof. MPMalkov, M .: Publishing House of Foreign Literature., 1962, p. 50). However, when using a vortex tube, the liquefaction coefficient does not exceed 15% of the total amount of gas supplied to the tube.

Известна холодильная установка с вихревой трубой для снижения газовой смеси, включающая в себя источник газа с повышенным давлением (магистральный газопровод), вихревую трубу, магистраль теплого потока, магистраль холодного потока и емкость для сжиженного газа (см. патент США N 3775988, кл. F 25 J 1/00, 1973, фиг. 10). Однако, данная установка имеет низкую производительность. Known refrigeration plant with a vortex tube to reduce the gas mixture, including a gas source with high pressure (main gas pipeline), a vortex tube, a heat flow line, a cold flow line and a container for liquefied gas (see US patent N 3775988, class F 25 J 1/00, 1973, Fig. 10). However, this installation has poor performance.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при получении, хранении и использовании сжиженных газов, например природного газа, а также в снижения экологического загрязнения окружающей среды и увеличении коэффициента сжижения газа. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the efficiency of systems and reduce material costs in the receipt, storage and use of liquefied gases, such as natural gas, as well as to reduce environmental pollution and increase the coefficient of gas liquefaction.

Для достижения этого технического результата криогенный комплекс по сжижению природного газа большой производительности включает в себя источник с повышенным давлением газа (магистральный газопровод), вихревую трубу, теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа, соединенную с вихревой трубой магистралями холодного и теплого потоков, при этом емкость для хранения сжиженного газа снабжена контуром переконденсации паров газа, состоящим из конденсирующей емкости, сообщенной с емкостью для хранения через дроссельный клапан и через обратный клапан, а магистраль теплого потока снабжена последовательно установленными за выходом вихревой трубы теплообменником охлаждения, своим дроссельным вентилем, расширительной емкостью, криогенной машиной Стирлинга, сосудом Дьюара, насосом высокого давления и своим обратным клапаном, соединенным через конденсирующую емкость с насосом высокого давления, причем магистраль хододного потока выполнена проходящей через емкость конденсации. В состав магистрали теплого потока может быть включено несколько криогенных машин Стирлинга. To achieve this technical result, a cryogenic complex for liquefying natural gas of high productivity includes a source with increased gas pressure (main gas pipeline), a vortex tube, a thermally insulated container for storing liquefied gas, connected to a vortex tube by high and cold flow lines, while the tank for the storage of liquefied gas is equipped with a gas vapor condensation circuit consisting of a condensing tank in communication with the storage tank through a throttle valve and through a non-return valve, and the heat flow line is equipped with a cooling heat exchanger sequentially installed at the outlet of the vortex tube, its throttle valve, expansion tank, cryogenic Stirling machine, Dewar vessel, high pressure pump and its non-return valve connected through a condensing tank to the high pressure pump, the main flow line is made passing through the condensation tank. The heat flow line may include several cryogenic Stirling machines.

Введение в состав криогенного комплекса по сжижению приходного газа большой производительности теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа с контуром переконденсации паров газа и оснащение магистрали теплого потока теплообменником охлаждения, криогенной машиной Стирлинга, сосудом Дьюара и насосом высокого давления позволяет получить новое свойство, заключающееся в 100% сжижении природного газа за счет применения эффекта вихревой трубы и криогенной машины Стирлинга, снижении затрат энергопотребления комплекса, за счет применения высокоэффективного холодильного цикла и эффекта дросселирования газов на магистрали теплого потока, а также переконденсация паров газа, образовавшихся в емкости для хранения сжиженного газа за счет внешнего теплопритока, тем самым исключая их выброс в окружающую среду. Introduction to the composition of the cryogenic complex for incoming gas liquefaction of a large capacity heat-insulated container for storing liquefied gas with a gas vapor condensation circuit and equipping the heat flow line with a cooling heat exchanger, a cryogenic Stirling machine, a Dewar vessel and a high pressure pump allows us to obtain a new property consisting in 100% liquefaction natural gas due to the use of the effect of the vortex tube and cryogenic Stirling machine, reducing the energy consumption of the complex, due to hostname highly efficient refrigeration cycle and the throttling effect on the gas line of the warm stream of gas and recondensation of the vapors formed in the liquefied gas storage tank by external heat input, thereby eliminating their release to the environment.

На чертеже изображен криогенный комплекс Кириллова по сжижению природного газа большой производительности. The drawing shows a cryogenic complex of Kirillov for liquefying natural gas of high productivity.

Криогенный комплекс по сжижению природного газа большой производительности включает в себя источник с повышенным давлением газа 1 (магистральный газопровод), регулировочный клапан 2, вихревую трубу 3, магистраль теплого потока 4 с теплообменником охлаждения 5, дроссельным вентилем 3, расширительной емкостью 7, криогенной машиной Стирлинга 8, сосудом Дъюара 9, насосом высокого давления 10 и обратным клапаном 11, магистраль холодного потока 12, контур переконденсации паров газа 13, содержащего дроссельный вентиль 14, конденсирующую емкость 15 и обратный клапан 16. Вихревая труба 3 соединена магистралями 4 и 12 с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа 17. Магистрали 4 и 12 проходят через конденсирующую емкость 15. Контур переконденсации начинается в газосодержащей части емкости 17, а заканчивается в емкости 17 в области жидкого газа. В теплообменник 5 для охлаждения газа подается внешняя среда по системе трубопроводов 18. The cryogenic complex for liquefying natural gas of high productivity includes a source with increased gas pressure 1 (main gas pipeline), control valve 2, vortex tube 3, heat flow line 4 with cooling heat exchanger 5, throttle valve 3, expansion tank 7, cryogenic Stirling machine 8, a Dewar vessel 9, a high pressure pump 10 and a non-return valve 11, a cold flow line 12, a vapor condensation circuit of a gas 13 containing a throttle valve 14, a condensing tank 15 and valve 16. The vortex tube 3 is connected by lines 4 and 12 to a thermally insulated tank for storing liquefied gas 17. Highways 4 and 12 pass through a condensing tank 15. The condensation circuit begins in the gas-containing part of the tank 17, and ends in the tank 17 in the liquid gas region. In the heat exchanger 5 for cooling the gas, the external medium is supplied through the piping system 18.

Криогенный комплекс по сжижению природного газа большой производительности работает следующим образом. A cryogenic complex for liquefying natural gas of high productivity works as follows.

Природный газ повышенного давления из магистрального газопровода 1 через регулирующий клапан 2 поступает в вихревую трубу 3, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток в виде сжиженного газа сливается по магистрали 12 через конденсирующую емкость 15 в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа 17. Теплый поток газа по магистрали 4 проходит через теплообменник охлаждения 5, где происходит охлаждение потока хладоагентом системы охлаждения 18, например, окружающей средой, далее через дроссельный клапан 6 в расширительную емкость 7, при этом за счет эффекта Джоуля-Томпсона происходит дальнейшее охлаждение газа с конденсацией паров воды и других примесей, и поступает в конденсатор (не показан) холодильной машины Стирлинга 8, где газообразный природный газ сжижается, жидкий газ из конденсатора холодильной машины Стирлинга 8 сливается в сосуд Дъюара 9 и насосом высокого давления 10 через конденсирующую емкость 15 и обратный клапан 11 подается в емкость для хранения сжиженного газа 17. Обратный клапан 11 предотвращает движение рабочей среды в обратном направлении. Образовавшиеся пары сжиженного газа по контуру переконденсации газа 13 из газосодержащей части емкости 17 дросселируются в конденсирующую емкость 15, где за счет теплообмена с магистралями 4 и 12 конденсируются и сливаются вновь в емкость 17. Natural gas of high pressure from the main gas pipeline 1 through the control valve 2 enters the vortex tube 3, where it is divided into two streams: cold and warm. The cold stream in the form of liquefied gas is discharged along line 12 through a condensing tank 15 into a thermally insulated container for storing liquefied gas 17. A warm gas stream through line 4 passes through a cooling heat exchanger 5, where the stream is cooled by a refrigerant of cooling system 18, for example, the environment, then through the throttle valve 6 into the expansion tank 7, while due to the Joule-Thompson effect, gas is further cooled with condensation of water vapor and other impurities, and enters the condenser (n shown) of the Stirling refrigeration machine 8, where natural gas is liquefied, liquid gas from the condenser of the Stirling refrigeration machine 8 is discharged into the Dewar vessel 9 and the high pressure pump 10 is supplied through the condensing tank 15 and the non-return valve 11 to the liquefied gas storage tank 17. The non-return valve 11 prevents the movement of the medium in the opposite direction. The liquefied gas vapors formed along the gas condensation circuit 13 from the gas-containing part of the tank 17 are throttled to the condensing tank 15, where they are condensed and merged again into the tank 17 due to heat exchange with the mains 4 and 12.

Claims

1. A cryogenic complex for liquefying natural gas of high productivity, containing a source of high pressure gas (main gas pipeline), a vortex tube, a heat flow line, a cold flow line and a tank for liquefied gas, characterized in that the tank is thermally insulated for storing liquefied gas and connected with a vortex tube, cold and warm flow lines, while the liquefied gas storage tank is equipped with a gas vapor condensation circuit consisting of a condensing gas the tank connected to the storage tank through the throttle valve and through the non-return valve, and the heat flow line is equipped with a cooling heat exchanger sequentially installed behind the exit of the vortex tube, its throttle valve, expansion tank, cryogenic Stirling machine, Dewar vessel, high pressure pump and its non-return valve connected through a condensing tank to a high pressure pump, and the cold flow line is made passing through the condensation tank.

2. The cryogenic complex according to claim 1, characterized in that several cryogenic Stirling machines are included in the heat flow line.