RU2305234C2

RU2305234C2 - Gas liquefying method

Info

Publication number: RU2305234C2
Application number: RU2005129866/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Сергеевич Гусев (RU); Виктор Сергеевич Гусев; В чеслав Петрович Голанов (RU); Вячеслав Петрович Голанов; Николай Васильевич Покровский (RU); Николай Васильевич Покровский; Андрей Георгиевич Сартаков (RU); Андрей Георгиевич Сартаков; Александр Николаевич Черницкий (RU); Александр Николаевич Черницкий
Original assignee: Открытое акционерное общество "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова"
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-08-27
Also published as: RU2005129866A

Abstract

FIELD: cryogenic technologies, possibly production of liquid cryogenic fuel.

SUBSTANCE: method for liquefying gas by means of liquid cooling agent is realized in heat exchanger having upper and lower tube volumes, upper and lower inter-tube spaces. Gas to be liquefied is fed to lower part of lower tube volume. Then from upper part of lower tube volume it is supplied through pipeline to upper part of upper tube volume. From lower part of upper tube volume liquefied gas through separator used for removing gaseous products is drained to storage tank. Liquid cooling agent is fed to lower inter-tube space and vapor of cooling agent is taken from upper inter-tube space for passing it alternatively through regenerators for further recovering. In regenerators cooled by means of vapor of cooling agent liquefied gas is preliminarily compressed before supplying it to lower tube volume.

EFFECT: improved manufacturing effectiveness due to lowered losses of liquefied gas and optimal usage of liquid cooling agent.

1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано преимущественно в энергетике при производстве жидкого криогенного топлива, например жидкого метана.The invention relates to cryogenic technology and can be used mainly in the energy sector in the production of liquid cryogenic fuel, for example liquid methane.

Известен способ сжижения газа, предусматривающий охлаждение его жидким хладагентом в теплообменнике, имеющем трубный объем и межтрубное пространство, при этом сжижаемый газ подают в трубный объем, а хладагент в межтрубное пространство (см. книгу Д.Л.Глазменко "Получение кислорода", М., 1965, с.456, рис.188).A known method of liquefying a gas, providing for its cooling with liquid refrigerant in a heat exchanger having a pipe volume and annular space, while the liquefied gas is fed into the pipe volume, and the refrigerant in the annular space (see the book D. L. Glazmenko "Obtaining oxygen", M. , 1965, p. 456, fig. 188).

Недостатком этого способа сжижения газа являются низкие производительность и экономичность в связи с заполнением теплообменных труб кристаллами сжижаемого газа, если температура затвердевания его выше температуры кипения хладагента.The disadvantage of this method of gas liquefaction is low productivity and efficiency due to the filling of heat exchange tubes with crystals of the liquefied gas, if its solidification temperature is higher than the boiling point of the refrigerant.

Наиболее близким к предлагаемому способу сжижения газа по технической сущности является способ сжижения газа, включающий охлаждение его в теплообменнике, имеющем трубный объем и межтрубное пространство, при этом сжижаемый газ подают в трубный объем, состоящий из соединенных трубопроводом верхнего и нижнего трубных объемов, а хладагент - в межтрубное пространство, причем сжижаемый газ под одинаковым давлением подают в нижнюю часть нижнего трубного объема и одновременно в верхнюю часть верхнего трубного объема, а сжиженный газ отбирают из трубопровода, соединяющего верхний и нижний трубные объемы (см. патент РФ №2087811, кл. F25В 39/04, 1994).Closest to the proposed method of gas liquefaction, the technical essence is a method of gas liquefaction, comprising cooling it in a heat exchanger having a pipe volume and an annular space, while the liquefied gas is supplied to the pipe volume, which consists of the upper and lower pipe volumes connected by a pipeline, and the refrigerant into the annulus, wherein the liquefied gas under the same pressure is supplied to the lower part of the lower pipe volume and simultaneously to the upper part of the upper pipe volume, and the liquefied gas is taken of the pipeline connecting the upper and lower pipe volume (cm. Russian patent №2087811, Cl. F25V 39/04, 1994).

Недостатком данного способа сжижения газа является низкая экономичность из-за потерь значительного количества сжижаемого газа, охлажденного до температуры выше его температуры сжижения, из-за отсутствия согласования поверхностей теплообмена верхнего и нижнего трубных объемов.The disadvantage of this method of gas liquefaction is low profitability due to the loss of a significant amount of liquefied gas, cooled to a temperature above its liquefaction temperature, due to the lack of coordination of the heat exchange surfaces of the upper and lower pipe volumes.

Задачей данного технического решения является повышение экономичности путем уменьшения потерь сжижаемого газа и оптимального использования жидкого хладагента.The objective of this technical solution is to increase efficiency by reducing losses of liquefied gas and the optimal use of liquid refrigerant.

Задача решается за счет того, что в предлагаемом способе сжижения газа сжижаемый газ подают в теплообменник в нижнюю часть нижнего трубного объема, затем из верхней части нижнего трубного объема подают в верхнюю часть верхнего трубного объема, а сжиженный газ отводят из нижней части верхнего трубного объема, при этом жидкий хладагент подают в нижнюю часть межтрубного пространства, а пары хладагента из верхней части межтрубного пространства подают поочередно в один из регенераторов, через который затем пропускают сжижаемый газ перед его подачей в нижний трубный объем.The problem is solved due to the fact that in the proposed method of gas liquefaction, liquefied gas is supplied to the heat exchanger in the lower part of the lower pipe volume, then from the upper part of the lower pipe volume it is fed to the upper part of the upper pipe volume, and liquefied gas is removed from the lower part of the upper pipe volume, liquid refrigerant is supplied to the lower part of the annular space, and refrigerant vapors from the upper part of the annular space are fed alternately to one of the regenerators, through which the liquefied gas is then passed before it feeding into the lower pipe volume.

В известных технических решениях признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа, не обнаружены, что позволяет сделать вывод о существенности отличий.In the known technical solutions, features similar to those distinguishing the claimed technical solution from the prototype are not found, which allows us to conclude that the differences are significant.

На чертеже представлена упрощенная принципиальная схема установки для осуществления предлагаемого способа сжижения газа.The drawing shows a simplified schematic diagram of an installation for implementing the proposed method of gas liquefaction.

Установка содержит вертикальный теплоизолированный кожухотрубный теплообменник 1, имеющий верхний трубный объем 2, нижний трубный объем 3, кожух 4, образующий с верхним и нижним трубными объемами 2 и 3 верхнее межтрубное пространство 5 и нижнее межтрубное пространство 6, магистраль подвода сжижаемого газа 7, сообщенную с нижней частью нижнего трубного объема 3, магистраль подвода жидкого хладагента 8, сообщенную с нижней частью нижнего межтрубного пространства 6, магистраль отвода сжиженного газа 9 и магистраль отвода паров хладагента 10, причем магистраль отвода сжиженного газа 9 сообщена с нижней частью верхнего трубного объема 2, а магистраль отвода паров хладагента 10 - с верхней частью верхнего межтрубного пространства 5, трубопровод 11, соединяющий верхние части верхнего и нижнего трубных объемов 2 и 3, датчик уровня жидкого хладагента 12, сообщенный с нижним межтрубным пространством 6, на магистрали подвода сжижаемого газа 7 датчик давления 13 и датчик температуры 14, на магистрали подвода жидкого хладагента 8 запорно-регулирующий орган 15, на магистрали отвода сжиженного газа 9 датчик давления 16 и датчик температуры 17, на магистрали отвода паров хладагента 10 предохранительное устройство 18, датчик давления 19 и датчик температуры 20, на трубопроводе 11 датчик давления 21 и датчик температуры 22, регенераторы 23 и 24, у которых тепловые концы 25 и 26 сообщены с трубопроводом подачи сжижаемого газа 27 коллектором 28, имеющим быстродействующие запорные органы 29 и 30, и с атмосферой посредством коллектора 31, имеющего быстродействующие запорные органы 32 и 33, а холодные концы 34 и 35 сообщены с магистралью подвода сжижаемого газа 7 посредством коллектора 36 и с магистралью отвода паров хладагента 10 посредством коллектора 37 и трубопровода 38, имеющего запорно-регулирующий орган 39, сепаратор 40, внутренняя полость которого сообщена с трубопроводом отвода сжиженного газа 9, с атмосферой трубопроводом 41, имеющим запорно-регулирующий орган 42, датчик давления 43 и датчик температуры 44, и с хранилищем посредством трубопровода 45, имеющего запорно-регулирующий орган 46, блок управления 47, подключенный к запорно-регулирующему органу 15 и датчику уровня жидкого хладагента 12, блок управления 48, подключенный к запорно-регулирующему органу 39 и датчику температуры 20, блок управления 49, подключенный к датчику температуры 17 и запорно-регулирующему органу 46, блок управления 50, подключенный к реле времени 51, насадку 52 регенератора 23 с датчиком температуры 53 и насадку 54 с датчиком температуры 55.The installation comprises a vertical heat-insulated shell-and-tube heat exchanger 1 having an upper pipe volume 2, a lower pipe volume 3, a casing 4, forming with the upper and lower pipe volumes 2 and 3 an upper annular space 5 and a lower annular space 6, a liquefied gas supply line 7 in communication with the lower part of the lower pipe volume 3, the line for supplying liquid refrigerant 8, communicated with the lower part of the lower annular space 6, the line for the discharge of liquefied gas 9 and the line for the removal of vapor of the refrigerant 10 m liquefied gas discharge line 9 is connected with the lower part of the upper pipe volume 2, and the refrigerant vapor discharge pipe 10 is connected to the upper part of the upper annular space 5, a pipe 11 connecting the upper parts of the upper and lower pipe volumes 2 and 3, the liquid level sensor 12 connected to the lower annular space 6, on the line for supplying liquefied gas 7, a pressure sensor 13 and a temperature sensor 14, on the line for supplying liquid refrigerant 8, a shut-off and regulating organ 15, on the line for removing liquefied gas 9 yes a pressure sensor 16 and a temperature sensor 17, on the refrigerant vapor return line 10 a safety device 18, a pressure sensor 19 and a temperature sensor 20, on the pipe 11 a pressure sensor 21 and a temperature sensor 22, regenerators 23 and 24, in which the thermal ends 25 and 26 are communicated with a liquefied gas supply pipe 27 to a manifold 28 having quick-acting shut-off bodies 29 and 30, and to the atmosphere through a manifold 31 having quick-acting shut-off bodies 32 and 33, and cold ends 34 and 35 are in communication with the liquefied gas supply line 7 in the middle by means of a manifold 36 and with a refrigerant 10 vapor exhaust manifold by means of a manifold 37 and a pipe 38 having a shut-off-regulating body 39, a separator 40, the inner cavity of which is connected to the liquefied gas discharge piping 9, with an atmosphere pipe 41, having a shut-off-regulating body 42, a pressure sensor 43 and a temperature sensor 44, and with the storage by means of a pipeline 45 having a shut-off regulating body 46, a control unit 47 connected to a shut-off-regulating organ 15 and a liquid refrigerant level sensor 12, the control unit 48, connected to a shut-off regulating body 39 and a temperature sensor 20, a control unit 49, connected to a temperature sensor 17 and a shut-off regulating body 46, a control unit 50 connected to a time relay 51, a nozzle 52 of the regenerator 23 with a temperature sensor 53 and nozzle 54 with a temperature sensor 55.

Предлагаемый способ сжижения газа осуществляют следующим образом.The proposed method of gas liquefaction is as follows.

В исходном положении установки все запорно-регулирующие и быстродействующие запорные органы закрыты.In the initial position of the installation, all locking-regulating and quick-acting locking elements are closed.

Для сжигания газа открывают запорно-регулирующий орган 15 на магистрали подвода жидкого хладагента 8 и подают хладагент, например жидкий азот, в нижнюю часть нижнего межтрубного пространства 6 теплообменника 1 до контрольного уровня, контролируемого датчиком уровня 12, затем открывают быстродействующий запорный орган 29 коллектора 28 на трубопроводе подачи сжижаемого газа 27 и подают сжижаемый газ, например природный газ, по трубопроводу подачи сжижаемого газа 27, коллектору 28 в тепловой конец 25 регенератора 23, затем из холодного конца 34 через коллектор 36 в магистраль подачи сжижаемого газа 7, из которой сжижаемый газ подают в нижний трубный объем 3, в результате чего за счет теплообмена жидкий хладагент закипает, образуя пары в межтрубном пространстве теплообменника 1, охлажденный в нижнем трубном объеме 3 сжижаемый газ по трубопроводу 11 подают в верхнюю часть верхнего трубного объема 2, где сжижаемый газ охлаждают до температуры сжижения, конденсируют и сжиженный газ по магистрали отвода сжиженного газа 9 подают в сепаратор 40 и далее по трубопроводу 45 в хранилище.For gas combustion, the shut-off regulating organ 15 is opened on the liquid refrigerant supply line 8 and the refrigerant, for example liquid nitrogen, is supplied to the lower part of the lower annular space 6 of the heat exchanger 1 to a control level controlled by the level sensor 12, then the quick-acting shut-off element 29 of the collector 28 on liquefied gas supply line 27, and liquefied gas, such as natural gas, is supplied through the liquefied gas supply line 27 to the manifold 28 to the heat end 25 of the regenerator 23, then from the cold end 34 through a collector 36 to the liquefied gas supply line 7, from which the liquefied gas is supplied to the lower pipe volume 3, as a result of which heat transfer boils, the liquid refrigerant boils, forming pairs in the annular space of the heat exchanger 1, the liquefied gas cooled in the lower pipe volume 3 is fed through the pipe 11 in the upper part of the upper pipe volume 2, where the liquefied gas is cooled to a liquefaction temperature, condensed and liquefied gas is supplied to the separator 40 through the liquefied gas discharge line 9 and then through the pipeline 45 to the storage.

При превышении температуры паров хладагента в верхнем межтрубном пространстве 5 выше контрольного значения, измеряемого датчиком температуры 20 на магистрали отвода паров хладагента 10, открывают быстродействующий запорный орган 33 на коллекторе 31 и запорно-регулирующий орган 39 трубопровода 38, в результате чего пары хладагента из верхнего межтрубного пространства 5 через трубопровод 38 и коллектор 37 подают в регенератор 24, где пары хладагента охлаждают насадку 54 и через коллектор 31 утилизируются. По истечении заданного времени работы регенератора 24 одновременно закрывают быстродействующие запорные органы 29 и 33 и открывают быстродействующие запорные органы 30 и 32, в результате чего прекращают подачу сжижаемого газа через регенератор 23 и подают сжижаемый газ через регенератор 24, где он предварительно охлаждается, пройдя через насадку 54, а пары хладагента из теплообменника 1 трубопроводом 38 и коллектором 37 подают в регенератор 23, где они охлаждают насадку 52 и через коллектор 31 утилизируются.When the temperature of the refrigerant vapor in the upper annulus 5 is higher than the control value measured by the temperature sensor 20 on the refrigerant vapor removal line 10, a quick-acting shut-off element 33 on the manifold 31 and a shut-off-regulating organ 39 of the pipe 38 are opened, as a result of which the refrigerant vapor from the upper annulus spaces 5 through a pipe 38 and a collector 37 are fed to a regenerator 24, where the refrigerant vapor cools the nozzle 54 and is disposed of through the collector 31. After the set operating time of the regenerator 24 has elapsed, the fast shut-off elements 29 and 33 are simultaneously closed and the fast shut-off bodies 30 and 32 are opened, as a result of which the flow of liquefied gas through the regenerator 23 is stopped and the liquefied gas is supplied through the regenerator 24, where it is pre-cooled after passing through the nozzle 54, and the refrigerant vapor from the heat exchanger 1 by the pipe 38 and the collector 37 is fed to the regenerator 23, where they cool the nozzle 52 and are disposed of through the collector 31.

Цикл работы регенераторов 23 и 24 повторяют.The cycle of the regenerators 23 and 24 is repeated.

В сепараторе 40 от сжиженного газа отделяют газообразные продукты, в том числе пары хладагента, которые утилизируются через трубопровод 41. Режимы работы установки поддерживают при помощи блоков управления 47, 48, 49, 50 и контролируют при посредстве датчиков давления 13, 16, 19, 21, 43, датчиков температуры 14, 17, 20, 22, 44, датчика уровня жидкого хладагента 12.In the separator 40, gaseous products, including refrigerant vapors, are disposed of from the liquefied gas, which are disposed of through the pipe 41. The operating modes of the installation are supported by control units 47, 48, 49, 50 and controlled by pressure sensors 13, 16, 19, 21 , 43, temperature sensors 14, 17, 20, 22, 44, liquid level sensor refrigerant 12.

Так, например, при сжижении природного газа метана, температура сжижения которого - 161,5°С, жидким азотом, температура кипения которого - 195,75°С, в теплообменнике, имеющем поверхности теплообмена верхнего и нижнего трубных объемов соответственно 11 м² и 2 м² при предварительном охлаждении природного газа, пропускаемого через охлажденную парами азота насадку регенератора, причем поверхность теплообмена его насадки составляла 68,6 м², при диаметрах магистрали подвода метана 7 Д=22 мм, магистрали подачи жидкого азота 8 Д₁=80 мм, магистрали отвода жидкого метана 9 Д₂=32 мм, магистрали отвода паров азота Д₃=100 мм, трубопровода 11 Д₄=22 мм, трубопровода подачи метана 27 и труб коллекторов 28, 31, 36, 37 Д₅=Д₆=Д₇=Д₈=Д₉=100 мм, трубопровода 38 Д₁₀=22 мм, трубопроводов 41 и 45 Д₁₁=Д₁₂=32 мм, природный газ в теплообменник подавали под давлением Р=4,6...4,8 МПа при уровне жидкого азота в нижнем межтрубном пространстве 6, соответствующем погружению в жидкий азот на 2/3 поверхности нижнего трубного объема 3, давление паров азота в теплообменнике поддерживали равным P₁=1,5...2,1 МПа, а их температуру -135...-142°С, переключение регенераторов производили через 3 мин.So, for example, during the liquefaction of natural gas methane, the liquefaction temperature of which is 161.5 ° C, with liquid nitrogen, the boiling point of which is 195.75 ° C, in a heat exchanger having heat exchange surfaces of the upper and lower pipe volumes, respectively 11 m ² and 2 m ² during pre-cooling of natural gas passed through a regenerator nozzle cooled by nitrogen vapor, the heat exchange surface of its nozzle being 68.6 m ² , with a diameter of the methane supply line 7 D = 22 mm, a liquid nitrogen supply line 8 D ₁ = 80 mm, railways methane 9 D ₂ = 32 mm, nitrogen vapor exhaust duct D ₃ = 100 mm, pipe 11 D ₄ = 22 mm, methane supply pipe 27 and manifold pipes 28, 31, 36, 37 D ₅ = D ₆ = D ₇ = D ₈ = D ₉ = 100 mm, pipelines 38 D ₁₀ = 22 mm, pipelines 41 and 45 D ₁₁ = D ₁₂ = 32 mm, natural gas was supplied to the heat exchanger under pressure P = 4.6 ... 4.8 MPa at the level of liquid nitrogen in the lower annulus 6, corresponding to immersion in liquid nitrogen on 2/3 of the surface of the lower pipe volume 3, the nitrogen vapor pressure in the heat exchanger was maintained equal to P ₁ = 1.5 ... 2.1 MPa, and their temperature was -135 ...- 142 ° С, switching for generators produced after 3 min.

Эксперименты показали повышение экономичности данного способа сжижения газа по сравнению с прототипом на 67...82% благодаря уменьшению потерь сжижаемого газа и жидкого хладагента.The experiments showed an increase in the efficiency of this method of gas liquefaction compared to the prototype by 67 ... 82% due to the reduction of losses of liquefied gas and liquid refrigerant.

Использование предлагаемого способа сжижения газа позволяет снизить себестоимость получаемой продукции за счет снижения материальных, трудовых и энергетических затрат.Using the proposed method of gas liquefaction can reduce the cost of production by reducing material, labor and energy costs.

Claims

1. A method of liquefying gas, in which the liquefied gas is cooled with liquid refrigerant in a heat exchanger having upper and lower pipe volumes, upper and lower annular spaces, while the liquefied gas is supplied to the upper and lower pipe volumes, liquefied gas is removed from the upper pipe volume, liquid the refrigerant is evaporated in the lower annulus and removed from the upper annulus, characterized in that the liquefied gas is supplied to the lower pipe volume, and from it to the upper pipe volume.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liquefied gas is supplied to the lower pipe volume through a regenerator cooled by refrigerant vapor, which is taken from the upper annulus.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the liquefied gas is sent to the storage through a separator, in which the liquefied gas is purified from gaseous products.