RU2498153C1 - Device to prepare natural gas for transportation - Google Patents
Device to prepare natural gas for transportation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2498153C1 RU2498153C1 RU2012135215/04A RU2012135215A RU2498153C1 RU 2498153 C1 RU2498153 C1 RU 2498153C1 RU 2012135215/04 A RU2012135215/04 A RU 2012135215/04A RU 2012135215 A RU2012135215 A RU 2012135215A RU 2498153 C1 RU2498153 C1 RU 2498153C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- pulp
- water
- hydrate
- reactor
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при получении, хранении и транспорте, предпочтительно беструбопроводном, природного газа.The invention relates to the gas industry and can be used in the receipt, storage and transport, preferably pipeless, natural gas.
Газификация объектов, удаленных от магистральных трубопроводов, низконапорными отводами с существенно различными расходами по ним в весенне-летний и осенне-зимний периоды является малорентабельной, а в определенной своей части убыточной. В силу этого актуальным является расширение сети беструбопроводных поставок природного газа, удовлетворительное по рентабельности и простоте реализации как для поставщика, так и для потребителя.Gasification of facilities remote from main pipelines with low-pressure bends with significantly different costs for them in the spring-summer and autumn-winter periods is unprofitable, and in some part unprofitable. Therefore, it is relevant to expand the network of pipelineless supplies of natural gas, satisfactory in terms of profitability and ease of implementation for both the supplier and the consumer.
Известно устройство для переработки природного газа сжижением выполненное в виде турбодетандера (Васильев Ю.Н. «Моторные топлива будущего». «Газовая промышленность» 1995 г., №1).A device for processing natural gas by liquefaction is made in the form of a turboexpander (Vasiliev Yu.N. "Motor fuels of the future". "Gas industry" 1995, No. 1).
Недостатком указанного устройства является сложность изготовления турбодетандеров на большие расходы, работающих в области криогенных температур, необходимость использования специальных криогенных конструкционных материалов для изготовления детандера и соответственно большие капитальные затраты, необходимость глубокой очистки газа от высококипящих по сравнению с метаном компонентов, которые в противном случае замерзают и выводят турбодетандер из строя, принципиальная невозможность непрерывной работы однодетандерной системы, в то время как резервирование ведет к повышению затрат, сложность управления режимами работы детандера при изменяющихся давлениях, расходах и температурах проходящего через ГРС природного газа.The disadvantage of this device is the difficulty of manufacturing turbo-expanders at high costs, working in the field of cryogenic temperatures, the need to use special cryogenic structural materials for the manufacture of the expander, and therefore the high capital costs, the need for deep gas purification from components that are otherwise high-boiling compared to methane and freeze disable the turbo-expander, the fundamental impossibility of continuous operation of the one-expander system, in while redundancy leads to higher costs, the complexity of controlling the expander’s operating modes under varying pressures, flows, and temperatures of natural gas passing through the gas distribution system.
Известно также устройство для подготовки природного газа для транспортирования, включающее реактор, сообщенный с источником газа и воды, средство охлаждения смеси воды и газа и средство поддержания давления в реакторе не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования (см. RU №2200727, С07С 5/02, 1997 г.).There is also known a device for preparing natural gas for transportation, including a reactor in communication with a gas and water source, means for cooling a mixture of water and gas and means for maintaining the pressure in the reactor not lower than the equilibrium required for hydrate formation (see RU No. 2200727, С07С 5/02 , 1997).
К недостаткам устройства относятся высокие энергозатраты, т.к. при получении газогидратов требуется неоднократное компремирование и последующее охлаждение газа. Кроме того, комплект оборудования необходимого для реализации способа громоздок и материалоемок.The disadvantages of the device include high energy consumption, because upon receipt of gas hydrates, repeated compression and subsequent cooling of the gas is required. In addition, a set of equipment necessary for the implementation of the method is bulky and material-intensive.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение выражается в снижении энергозатрат на получения гидратов и снижение массо-габаритных характеристик комплекта оборудования необходимого для получения гидратов.The problem to which the claimed invention is directed is expressed in reducing energy costs for producing hydrates and reducing the weight and size characteristics of a set of equipment necessary for producing hydrates.
Техническим результатом, ожидаемым от использования данного изобретения, является снижение энергетических, капитальных и текущих затрат для получения газового гидрата. Кроме того, снижается материалоемкость комплекта оборудования необходимого для реализации способа.The technical result expected from the use of this invention is to reduce energy, capital and current costs for obtaining gas hydrate. In addition, the material consumption of the set of equipment necessary for the implementation of the method is reduced.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для подготовки природного газа для транспортирования, включающее реактор, сообщенный с источником газа и воды, средство охлаждения смеси воды и газа и средство поддержания давления в реакторе не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования отличается тем, что в качестве реактора использован резервуар, рассчитанный на давление более 1 МПа, теплоизолированный с возможностью поддержания температуры на уровне 0,2°C, снабженный средством перемешивания материала, при этом, в качестве средства охлаждения смеси воды и газа использована тонкодисперсная водоледяная пульпа, для чего устройство содержит вакуумный льдогенератор, выполненный в виде теплоизолированного резервуара, сообщенного с источником морской воды и вакуумным выходом турбокомпрессора, предпочтительно выполненного с возможностью создания в резервуаре разряжения, равного по величине давлению тройной точки морской воды, при этом выход льдогенератора, сообщен с отделителем льда от рассола, ледовый выход которого сообщен со смесителем льда и пресной воды, причем источник природного газа сообщен с газовым входом реактора и газовой турбиной турбокомпрессора, выполненной с возможностью использования энергии газов, продуктов сжигания природного газа, а второй вход реактора, посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы снабженного первым пульповым насосом сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы, выполненным в виде теплоизолированного резервуара, при этом гидратный выход реактора, пульпопроводом гидратсодержащей пульпы сообщен с накопителем гидратсодержащей пульпы, выполненным в виде теплоизолированного резервуара, с возможностью поддержания давления не ниже равновесного, исключающего диссоциацию гидратсодержащего материала, с возможностью отгрузки из него гидратсодержащей пульпы, кроме того, водяной выход реактора сообщен со смесителем льда и пресной воды, при этом, выход смесителя льда и пресной воды, посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы снабженного вторым пульповым насосом сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы. Кроме того, рассольный выход отделителя льда от рассола через рассольный насос сообщен с полостью полого резервуара льдогенератора. Кроме того, для получения льда используют льдогенератор, обеспечивающий достижение значений холодильного коэффициента не менее 12, при температуре кипения -3°C и конденсации +6°C. Кроме того, в льдосодержащей пульпе содержание льда составляет, около 50% ее объема.The specified technical result is achieved in that a device for preparing natural gas for transportation, including a reactor in communication with a source of gas and water, means for cooling the mixture of water and gas and means for maintaining the pressure in the reactor not lower than the equilibrium required for hydrate formation, differs in that in quality the reactor used a tank designed for a pressure of more than 1 MPa, thermally insulated with the ability to maintain a temperature of 0.2 ° C, equipped with a means of mixing the material, at that, as a means of cooling the mixture of water and gas, fine-dispersed ice-water pulp was used, for which the device comprises a vacuum ice generator made in the form of a heat-insulated reservoir in communication with a source of sea water and a vacuum outlet of a turbocompressor, preferably configured to create a discharge of equal magnitude in the reservoir the pressure of the triple point of sea water, while the output of the ice maker is communicated with the separator of ice from the brine, the ice outlet of which is communicated with the mixer and fresh water, the source of natural gas being in communication with the gas inlet of the reactor and the gas turbine of the turbocompressor, configured to use the energy of gases, products of natural gas combustion, and the second inlet of the reactor, through the slurry conduit of the ice-containing pulp provided with the first pulp pump, is in communication with the storage of the ice-containing pulp, made in the form of a heat-insulated tank, with the hydrated outlet of the reactor, the hydrate-containing pulp slurry conduit is connected with the hydrate-containing storage pool made in the form of a thermally insulated tank, with the ability to maintain a pressure not lower than equilibrium, excluding dissociation of hydrated material, with the possibility of shipment of hydrated pulp from it, in addition, the water outlet of the reactor is in communication with an ice and fresh water mixer, while the ice mixer and fresh water, by means of a slurry pipeline of an ice-containing pulp provided with a second pulp pump is communicated with an ice-containing pulp accumulator. In addition, the brine outlet of the ice separator from the brine through the brine pump is in communication with the cavity of the hollow reservoir of the ice maker. In addition, an ice maker is used to produce ice, which ensures that the refrigeration coefficient reaches at least 12 at a boiling point of -3 ° C and condensation + 6 ° C. In addition, in an ice-containing pulp, the ice content is about 50% of its volume.
Сравнение признаков заявленного решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".A comparison of the features of the claimed solution with the features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:The features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks:
Признаки: «… в качестве реактора использован резервуар, рассчитанный на давление более 1 МПа, теплоизолированный с возможностью поддержания температуры на уровне 0,2» - обеспечивают возможность получения газогидрата в достаточно простых условиях с позиций требований, предъявляемых к материалам, используемых для изготовления оборудования и, кроме того, потребляемых энергоресурсов.Signs: “... a reservoir is used as a reactor, designed for a pressure of more than 1 MPa, thermally insulated with the ability to maintain a temperature of 0.2” - provide the possibility of obtaining gas hydrate in fairly simple conditions from the standpoint of the requirements for the materials used for the manufacture of equipment and In addition, consumed energy.
Признаки, указывающие, что реактор снабжен "… средством перемешивания материала», обеспечивают возможность равномерного распределения по объему реактора водоледяной пульпы.Signs indicating that the reactor is equipped with "... a means of mixing the material", provide the possibility of uniform distribution of ice-water pulp throughout the reactor volume.
Признаки: «в… качестве средства охлаждения смеси воды и газа использована тонкодисперсная водоледяная пульпа» - обеспечивают (при равномерном распределении по объему реактора водоледяной пульпы) высокую эффективность теплоотвода - тепловой энергии, выделяющейся при зарождении частиц гидрата эффективно поглощается плавящимися частицами водного льда (теплота гидратообразования природного газа составляет 410 кДж/кг, а теплота плавления водного льда 335 кДж/кг). При этом 1 кг водоледяной пульпы (при 30%-й концентрации в ней частиц водного льда) в 5 раз эффективнее по хладоемкости любых однофазных хладоносителей, и в т.ч. воды. При этом частицы водного льда служат центрами зарождения новой фазы газового гидрата (см. Olga Zatsepina. HYDRATE FORMATION IN ENVIRO-MENT. University of British Colambia. 1997), обеспечивая гетерогенный механизм рост частиц гидрата, т.к. на них адсорбируются пузырьки природного газа (Рамм В.М. Адсорбция газов. М.: Химия, 1976 г. - 549 с.), являющиеся компонентом гидрата.Signs: “finely dispersed ice-water pulp was used as a means of cooling a mixture of water and gas” - provide (with uniform distribution of ice-water pulp throughout the reactor volume) high heat dissipation efficiency - the heat energy released during the formation of hydrate particles is effectively absorbed by the melting particles of water ice (heat of hydration natural gas is 410 kJ / kg, and the heat of fusion of water ice is 335 kJ / kg). At the same time, 1 kg of ice-water pulp (at a 30% concentration of water ice particles in it) is 5 times more effective in the cold storage capacity of any single-phase refrigerant carriers, including water. Moreover, water ice particles serve as centers of nucleation of a new phase of gas hydrate (see Olga Zatsepina. HYDRATE FORMATION IN ENVIRO-MENT. University of British Colambia. 1997), providing a heterogeneous mechanism for the growth of hydrate particles, because natural gas bubbles are adsorbed on them (Ramm V.M. Gas adsorption. M .: Chemistry, 1976 - 549 p.), which are a component of the hydrate.
Признаки, указывающие, что «устройство содержит вакуумный льдогенератор, выполненный в виде теплоизолированного резервуара, сообщенного с источником морской воды и вакуумным выходом турбокомпрессора, предпочтительно выполненного с возможностью создания в резервуаре разряжения, равного по величине давлению тройной точки морской воды, при этом выход льдогенератора сообщен с отделителем льда от рассола, ледовый выход которого сообщен со смесителем льда и пресной воды», обеспечивают возможность получения тонкодисперсной водоледяной пульпы.Signs indicating that "the device contains a vacuum ice machine made in the form of a thermally insulated tank in communication with a source of sea water and a vacuum outlet of a turbocompressor, preferably configured to create a vacuum in the tank equal to the pressure of the triple point of sea water, while the output of the ice machine is communicated with a separator of ice from brine, the ice outlet of which is communicated with a mixer of ice and fresh water, "provide the ability to obtain fine ice water lpy.
Признаки, указывающие, что «источник природного газа сообщен с газовым входом реактора и газовой турбиной турбокомпрессора, выполненной с возможностью использования энергии газов, продуктов сжигания природного газа» обеспечивают подачу природного газа в реактор (для превращения его в газогидрат) и в газовую турбину турбокомпрессора льдогенератора (для использования в качестве энергоносителя.Signs indicating that “the source of natural gas is connected to the gas inlet of the reactor and the gas turbine of the turbocompressor, made with the possibility of using the energy of gases, products of combustion of natural gas” provide natural gas to the reactor (to turn it into gas hydrate) and to the gas turbine of the turbocompressor of the ice generator (for use as an energy carrier.
Признаки, указывающие, что «второй вход реактора, посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы снабженного первым пульповым насосом сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы», обеспечивают ввод средства охлаждения смеси воды и газа (льдосодержащей пульпы) в реактор из источника этого средства.Signs indicating that "the second inlet of the reactor, through the slurry conduit of the ice-containing pulp provided with the first pulp pump is in communication with the storage of the ice-containing pulp", provide the means for cooling the mixture of water and gas (ice-containing pulp) into the reactor from the source of this means.
Признаки, указывающие, что накопитель льдосодержащей пульпы выполнен «в виде теплоизолированного резервуара», обеспечивают сохранность льдосодержащей пульпы (исключают ее потери от таяния).Signs indicating that the storage of ice-containing pulp is made "in the form of a thermally insulated reservoir", ensure the safety of the ice-containing pulp (exclude its loss from melting).
Признаки, указывающие, что «гидратный выход реактора, пульпопроводом гидратсодержащей пульпы сообщен с накопителем гидратсодержащей пульпы», обеспечивают вывод готового гидратсодержащего материала и его накопление и хранение перед передачей потребителю.Signs indicating that "the hydrate outlet of the reactor is communicated with the hydrate-containing pulp pulp conduit to the hydrate-containing pulp drive" provide the outlet of the finished hydrate-containing material and its accumulation and storage before transfer to the consumer.
Признаки, указывающие, что накопитель гидратсодержащей пульпы выполнен в виде «теплоизолированного резервуара, с возможностью поддержания давления не ниже равновесного, исключающего диссоциацию гидратсодержащего материала, с возможностью отгрузки из него гидратсодержащей пульпы», обеспечивают возможность длительного содержания газогидрата в его накопителе.Signs indicating that the hydrate-containing pulp accumulator is made in the form of a “thermally insulated reservoir, with the possibility of maintaining a pressure not lower than equilibrium, excluding dissociation of the hydrate-containing material, with the possibility of hydrate-containing pulp being shipped from it”, provide the possibility of a long gas hydrate content in its accumulator.
Признаки, указывающие, что «водяной выход реактора сообщен со смесителем льда и пресной воды», обеспечивают подвод пресной воды (образующейся при таянии льдосодержащей пульпы, в процессе отбора ею тепла от смеси воды и газа, в ходе гидратообразования) необходимой для генерирования льдосодержащей пульпы, при ее смешивании со льдом и измельчении этой смеси.Signs indicating that the "water outlet of the reactor is in communication with the ice and fresh water mixer" provide a supply of fresh water (formed when the ice-containing pulp melts during the heat extraction from the mixture of water and gas during hydrate formation) necessary to generate an ice-containing pulp, when mixed with ice and grinding this mixture.
Признаки, указывающие, что «выход смесителя льда и пресной воды, посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы снабженного вторым пульповым насосом сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы» обеспечивают восполнение запасов льдосодержащей пульпы по мере ее расходования из накопителя льдосодержащей пульпы.Signs indicating that “the outlet of the ice and fresh water mixer through the slurry conduit of the ice-containing pulp provided with the second pulp pump is communicated with the ice-containing pulp accumulator” provide replenishment of the ice-containing pulp as it is consumed from the ice-containing pulp accumulator.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают повторное использование минерализованной части воды.The features of the second claim provide for the reuse of the mineralized portion of water.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают эффективность процесса льдогенерирования как процесса, определяющего эффективность заявленного способа.The signs of the third paragraph of the claims provide the efficiency of the ice generation process as a process that determines the effectiveness of the claimed method.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают возможность прокачивать пульпу насосом при сравнительно небольших затратах энергии на перекачивание.The features of the third claim provide the ability to pump the pulp with a pump at a relatively low cost of energy for pumping.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана заявленная установка; на фиг.2 показана диаграмма формирования гидрата; на фиг.3 дана иллюстрация некоторым режимам нестационарного теплообмена в термически тонких телах.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 schematically shows the claimed installation; figure 2 shows a diagram of the formation of hydrate; figure 3 is an illustration of some modes of unsteady heat transfer in thermally thin bodies.
На чертежах показаны реактор 1, его газовый 2 и второй 3 входы, источник природного газа 4, накопитель льдосодержащей пульпы 5, гидратный 6 и водяной 7 выходы реактора, узел хранения газогидрата 8, первый и второй пульповые насосы 9 и 10, рассольный насос 11, турбкомпрессор 12 (его газовая турбина, как часть компрессора отдельно не показана), теплоизолированный резервуар 13, отделитель льда от рассола 14, смеситель льда и рециркуляционной воды 15, источник питательной воды 16, газопроводы 17 и 18, пульпопроводы 19-21, соответственно, для перекачки газогидратной пульпы, для перекачки льдосодержащей пульпы и для перекачки льдосодержащей рассольной пульпы, трубопроводы 22-25 соответственно, для перекачки рециркуляционной воды, для перекачки рассола, прекачки питательной воды и подачи льда, средство перемешивания материала 26 в реакторе 1 (например, импеллер). Запорные и предохранительные клапаны, контрольно-измерительная аппаратура и прочие вспомогательные устройства, необходимые для работы установки на чертежах не показаны.The drawings show the
В качестве реактора 1 используют теплоизолированный резервуар, выдерживающий давление более 10 бар (1 МПа), теплоизолированный с возможностью поддержания температуры на уровне 0,2°С, снабженный средством перемешивания материала 26 известной конструкции, например лопастями закрепленными на приводном валу, снабженный соответствующей запорной арматурой и контрольно-измерительной аппаратурой.As a
Источник природного газа 4 (например, магистральный газопровод) сообщен газопроводами 17 и 18, соответственно, с газовым входом 2 реактора 1 и газовой турбиной (на чертежах не показана), обеспечивающей работу турбокомпрессора 12, выполненной с возможностью использования энергии газов - продуктов сжигания природного газа.The source of natural gas 4 (for example, a gas main) is connected by gas pipelines 17 and 18, respectively, with a
Гидратный выход 6 реактора 1 сообщен пульпопроводом 19 с узлом хранения газогидрата 8, а его водяной выход 7 сообщен трубопроводом 22 со смесителем льда и рециркуляционной воды 15.The hydrate outlet 6 of the
Накопитель льдосодержащей пульпы 5 пульпопроводами 20 для перекачки льдосодержащей пульпы сообщен со вторым входом 3 реактора 1 (через первый пульповый насос 9) и, кроме того, через насос 10, сообщен со смесителем льда и рециркуляционной воды 15. В качестве накопителя льдосодержащей пульпы 5 использован теплоизолированный резервуар, выход которого сообщен со вторым входом 3 реактора 1.The storage of ice-containing pulp by 5
В качестве узла хранения газогидрата 8 использован теплоизолированный резервуар (или несколько резервуаров), выполненных с возможностью сохранения термодинамического равновесия хранимой в них газогидратной пульпы (давление свыше 1 МПА и температура на уровне 0,2°C) и снабженных средствами отгрузки материала потребителю, выполненных известным образом.As the gas hydrate storage unit 8, a thermally insulated tank (or several tanks) is used, made with the possibility of maintaining the thermodynamic equilibrium of the gas hydrate pulp stored in them (pressure above 1 MPA and a temperature of 0.2 ° C) and equipped with means for dispatching the material to the consumer, made known way.
В генераторе льда выполнен, как вакуумный льдогенератор, предпочтительно марки IDE Tech. Конструктивно он представляет собой полый резервуар 13, заполняемый морской водой, агрегатированный с турбокомпрессором 12, который создает в резервуаре вакуум, равный по величине давлению тройной точки морской воды, за счет того, что его вакуумный выход открыт в полость полого резервуара 13.The ice generator is designed as a vacuum ice machine, preferably of the IDE Tech brand. Structurally, it is a hollow tank 13 filled with sea water, aggregated with a turbocharger 12, which creates a vacuum in the tank equal to the pressure of the triple point of sea water, due to the fact that its vacuum outlet is open into the cavity of the hollow tank 13.
В вакуумном льдогенераторе марки IDE Tech, холодильный коэффициент равен 12, при температуре кипения -3°C и конденсации +6°C, в то время как аммиачная холодильная установка при температуре конденсации +6°C имеет холодильный коэффициент не более 5, т.к. должна иметь температуру кипения -10°С (по причине того, что в испарителе невозможно обеспечить прямой контакт кипящего аммиака и кристаллизующейся морской воды). Дополнительное преимущество вакуумного льдогенератора, перед традиционными, заключается в применении турбокомпрессора, который использует в качестве энергоносителя природный газ, что позволяет при производстве газогидратных пульп значительно снизить расход электроэнергии.In an IDE Tech brand vacuum ice maker, the refrigeration coefficient is 12 at a boiling point of -3 ° C and condensation + 6 ° C, while the ammonia refrigeration unit at a condensation temperature of + 6 ° C has a refrigeration coefficient of not more than 5, because . must have a boiling point of -10 ° C (due to the fact that in the evaporator it is impossible to provide direct contact of boiling ammonia and crystallized sea water). An additional advantage of a vacuum ice maker over traditional ones is the use of a turbocompressor, which uses natural gas as an energy carrier, which can significantly reduce energy consumption in the production of gas hydrate pulps.
Вход генератора льда (полого резервуара 13) сообщен трубопроводом 24 с источником питательной воды 16, в качестве которого используют водозаборник морской воды известной конструкции. Выход льдогенератора(полого резервуара 13) сообщен с отделителем льда от рассола 14, в качестве которого используют известное устройство аналогичного назначения, производительность которого соответствует производительности установки. При этом ледовый выход отделителя льда от рассола 14 сообщен со смесителем льда и пресной воды 15, а его рассольный выход, через рассольный насос 11 сообщен с полостью полого резервуара 13 льдогенератора.The input of the ice generator (hollow tank 13) is connected by a pipe 24 to a source of
Продукты разделения льдосодержащей рассольной пульпы на пресный лед и рассол используют следующим образом: лед самотеком по трубопроводу 25 сбрасывается в смеситель льда и рециркуляционной воды 15, а рассол концентрация солей в котором выше, чем в исходной морской воде либо сбрасывается в море, либо (как показано на чертеже), по трубопроводу 23 возвращается в полый резервуар 13 льдогенератора.The products of the separation of ice-containing brine pulp into fresh ice and brine are used as follows: by gravity, ice is discharged by pipeline 25 into an ice and recirculation water mixer 15, and brine, the salt concentration in which is higher than in the original sea water, is either discharged into the sea, or (as shown in the drawing), through the pipe 23 returns to the hollow tank 13 of the ice machine.
Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.
Формирование гидрата проходит на линиях формирования гидрата (фиг.2), которые отделены от линии равновесия гидрат-газ-вода зонами мета-стабильного состояния (а-б, г-д, ж-з).The hydrate formation takes place on the hydrate formation lines (Fig. 2), which are separated from the equilibrium line of hydrate-gas-water by zones of a meta-stable state (a-b, g-d, g-h).
В генераторе газогидратной пульпы (фиг.1) из раствора природного газа (ПГ: метан-90%, этан-5%, пропан-3%) в воде образуется гидрат природного газа (ГПГ). Точки а, г, ж (фиг.2) соответствуют состоянию равновесия системы «гидрат-газ-вода», причем это состояние не может перейти в процесс гидратообразования (а-б, г-д, ж-з) до тех пор, пока к системе не будет приложена определенного значения «движущая сила» гидратообразования (Потенциал Гиббса G, химический потенциал Δµ, переохлаждение Δt, пересыщение σ=Δµ/RT). Все частные случаи проявления движущей силы зарождения и роста новой фазы объединяет потенциал Гиббса, при отрицательных значениях которого возможно прохождение всех фазовых переходов). Известно, что при всех прочих равных условиях, процесс гидратообразования начинается раньше и проходит быстрее при наличии в воде различных механических включений, пузырьков газа или молекулярных комплексов-ассоциатов, которые всегда являются центрами образования новой фазы, в данном случае гидратной (гетерогенное зарождение). Начало процесса гидратообразования совпадает с достижением фигуративной точки системы газ-вода спинодали (фиг.2). Удаление от линии равновесия в область устойчивого состояния гидрата иллюстрирует повышение «движущей силы» гидратообразования. В данном случае «движущая сила» гидратообразования представлена переохлаждением системы газ-вода (температурный градиент переохлаждения ΔtПЕРЕОХЛ=tа-tб; tг-tд; tж-tз) по отношению к равновесному состоянию (точки а, г, ж на фиг.2). При этом очевидно, что при снижении температуры системы газ-вода до одинакового значения (например, до 0,2°C) градиент, выраженный в переохлаждении, при различных давлениях будет различным. Это позволяет снизить в газогидратном генераторе давление и соответственно энергозатраты, имея высокий потенциал градиента гидратообразования, полученный за счет межфазного теплообмена, резко снижающего температурный градиент между растущими частицами гидрата и хладоносителем и соответственно повышающего градиент переохлаждения ΔtПЕРЕОХЛ.In a gas hydrate pulp generator (FIG. 1), a natural gas hydrate (GPG) is formed from a solution of natural gas (NG: methane-90%, ethane-5%, propane-3%) in water. Points a, d, g (Fig. 2) correspond to the equilibrium state of the "hydrate-gas-water" system, and this state cannot go into the hydrate formation process (a-b, g-d, g-h) until no specific “driving force” of hydrate formation will be applied to the system (Gibbs potential G, chemical potential Δµ, supercooling Δt, supersaturation σ = Δµ / RT). All special cases of the manifestation of the driving force behind the nucleation and growth of a new phase are united by the Gibbs potential, at negative values of which the passage of all phase transitions is possible). It is known that, ceteris paribus, the hydrate formation process begins earlier and faster if various mechanical inclusions, gas bubbles, or molecular complexes-associates are always present in the water, which are always the centers of formation of a new phase, in this case hydrated (heterogeneous nucleation). The beginning of the hydrate formation process coincides with the achievement of the figurative point of the spinodal gas-water system (Fig. 2). The distance from the equilibrium line to the region of the stable state of the hydrate illustrates the increase in the "driving force" of hydrate formation. In this case, the “driving force” of hydrate formation is represented by supercooling of the gas-water system (temperature gradient of supercooling Δt OVER = t a -t b ; t g -t d ; t w -t z ) with respect to the equilibrium state (points a, g, g in figure 2). It is obvious that when the temperature of the gas-water system is reduced to the same value (for example, to 0.2 ° C), the gradient, expressed in supercooling, will be different at different pressures. This makes it possible to reduce the pressure and, accordingly, energy consumption in the gas hydrate generator, having a high hydration gradient potential obtained due to interphase heat transfer, which sharply reduces the temperature gradient between the growing hydrate particles and the coolant and, accordingly, increases the supercooling gradient Δt OVERCOOL .
Кроме создания градиента, обеспечивающего прохождение процесса гидратообразования в системе газ-вода, необходимо обеспечить отведение теплоты гидратообразования, которая для гидрата метана равна 410 кДж/кг.In addition to creating a gradient that ensures hydrate formation in the gas-water system, it is necessary to ensure the removal of hydration heat, which for methane hydrate is 410 kJ / kg.
Обычно, в процессе гидратообразования одновременно с формированием частиц гидрата проходит их диссоциация, обусловленная локальными температурными флуктуациями, которые всегда сопровождают экзотермические фазовые переходы. Они возникают из-за невозможности эффективного отведения теплоты от каждой зарождающейся и растущей частицы новой фазы, в связи с их удаленностью от теплообменной поверхности. Статистическая и молекулярная физика вводят, как параметр интенсивности роста или разрушения какой либо фазы, показатель превышение интенсивности одного процесса над другим, или их равенства, при равенстве возникающих и исчезающих частиц новой фазы в единицу времени (динамическое равновесие). Очевидно, что при бесконечно большой интенсивности отвода теплоты от каждой зарождающейся и растущей частицы гидрата величина температурных флуктуации, и соответственно количество диссоциаций отдельных частиц гидрата в единицу времени будет стремиться к нулю, при этом энергетическая эффективность процесса гидратообразования будет стремиться к своему теоретическому максимуму.Usually, in the process of hydrate formation, simultaneously with the formation of hydrate particles, their dissociation proceeds due to local temperature fluctuations, which always accompany exothermic phase transitions. They arise due to the impossibility of efficient heat removal from each nascent and growing particle of a new phase, due to their remoteness from the heat exchange surface. Statistical and molecular physics introduce, as a parameter of the intensity of growth or destruction of a phase, an indicator of the excess of the intensity of one process over another, or their equality, when the emerging and disappearing particles of a new phase are equal per unit time (dynamic equilibrium). Obviously, at an infinitely high intensity of heat removal from each nascent and growing hydrate particle, the temperature fluctuations, and accordingly the number of dissociations of individual hydrate particles per unit time, will tend to zero, while the energy efficiency of the hydrate formation process will tend to its theoretical maximum.
В заявленном устройстве реализован известный в теории теплообмена тезис, что лучший вид теплообменной поверхности это ее отсутствие. В газогидратном генераторе (реакторе 1) не существуют теплообменные поверхности, т.к. теплота выделяемая образующимися частицами газогидрата отводится от них сопоставимыми по размеру и находящимися в непосредственной близости к ним (в т.ч. контакте) частицами льдосодержащей пульпы. При этом интенсивность обеспеченного таким образом межфазного теплообмена (коэффициент теплоотдачи α, Вт/м2*К) между поверхностью растущих частиц гидрата и плавящихся частиц водного льда размером 3…5 мкм достигает 3000…5000 Вт/м2*К, что по эффекту сопоставимо с погружением частиц гидрата в кипящий Фреон-22.The claimed device implements the thesis known in the theory of heat transfer that the best form of heat transfer surface is its absence. In a gas hydrate generator (reactor 1), there are no heat exchange surfaces, because the heat generated by the generated particles of gas hydrate is removed from them by comparable size and located in close proximity to them (including contact) particles of ice-containing pulp. In this case, the intensity of interphase heat transfer thus provided (heat transfer coefficient α, W / m 2 * K) between the surface of growing hydrate particles and melting water ice particles of 3 ... 5 μm in size reaches 3000 ... 5000 W / m 2 * K, which is comparable in effect with immersion of hydrate particles in boiling Freon-22.
Причина столь значительного влияния размеров кристаллов льдосодержащей пульпы на скорость их плавления, и в конечном счете на интенсивность теплоотвода от растущих частиц гидрата, заключается в сути чисел Био 
При значении безразмерного времени Fo=20 (для числа Bi=0,1) фактическая длительность процесса плавления кристалла водного льда размером 100 мкм составляет 0,2 секунды, а размером 5 мкм - 4*10-4 секунд.When the dimensionless time is Fo = 20 (for the number Bi = 0.1), the actual duration of the process of melting a water-ice crystal with a size of 100 microns is 0.2 seconds, and with a size of 5 microns - 4 * 10 -4 seconds.
Таким образом, при зарождении и росте частиц гидрата в окружении частиц водного льда величина локальных температурных флуктуации будет сведена к своему теоретическому минимуму и практически будет равна 0.Thus, during the nucleation and growth of hydrate particles surrounded by particles of water ice, the value of local temperature fluctuations will be reduced to its theoretical minimum and practically equal to 0.
При этом частицы водного льда одновременно служат центрами зарождения новой фазы газового гидрата, обеспечивая гетерогенный механизм рост частиц гидрата, т.к. на них адсорбируются пузырьки природного газа, являющиеся компонентом гидрата. При зарождении частицы гидрата начинают выделять тепловую энергию, которая тотчас поглощается плавящимися частицами водного льда, присутствующими непосредственно в месте зарождения гидрата. Равномерность распределения частиц водного льда и гидрата достигается постоянным подводом в реактор водоледяной пульпы и отводом рециркуляционной воды (фиг.1).In this case, water ice particles simultaneously serve as centers of nucleation of a new phase of gas hydrate, providing a heterogeneous mechanism for the growth of hydrate particles, since natural gas bubbles are adsorbed on them, which are a component of the hydrate. Upon nucleation, hydrate particles begin to release thermal energy, which is immediately absorbed by the melting particles of water ice present directly at the hydrate nucleation site. The uniform distribution of particles of water ice and hydrate is achieved by a constant supply of ice-water pulp to the reactor and recirculation of recirculated water (Fig. 1).
Если использовать теплоотвод за счет прямого контакта образующихся частиц гидрата с однофазным хладоносителем (охлаждаемой циркуляционной водой), то с учетом малой удельной хладоемкостью однофазных хладо-носителей и в т.ч. воды (теплоемкость которой равна 4,19 кДж/кг*К), при температурном перепаде в теплообменном аппарате в 5°С можно отвести от объекта охлаждения одним килограммом хладоносителя 21 кДж теплоты - Q=cmΔt=4,19*1*5=21 кДж, тогда как плавление льдосодержащей пульпы, при 30%-й концентрации в ней частиц водного льда позволяет отвести одним килограммом пульпы от объекта охлаждения 110 кДж теплоты - Q=0,3*r*m=0,3*335*1=110 кДж, а при 50%-й концентрации около 170 кДж.If we use a heat sink due to direct contact of the formed hydrate particles with a single-phase coolant (cooled by circulating water), then taking into account the low specific cold capacity of single-phase coolants, including water (whose heat capacity is 4.19 kJ / kg * K), at a temperature difference of 5 ° C in the heat exchanger, one kilogram of coolant 21 kJ of heat can be removed from the cooling object - Q = cmΔt = 4.19 * 1 * 5 = 21 kJ, while melting an ice-containing pulp at a 30% concentration of water ice particles in it allows one kilogram of pulp to be removed from the cooling object 110 kJ of heat - Q = 0.3 * r * m = 0.3 * 335 * 1 = 110 kJ, and at a 50% concentration of about 170 kJ.
Теплота гидратообразования природного газа составляет 410 кДж/кг, а теплота плавления водного льда 335 кДж/кг.The heat of hydrate formation of natural gas is 410 kJ / kg, and the heat of fusion of water ice is 335 kJ / kg.
Низкий температурный градиент между образующимся газогидратом и плавящимся водным льдом является главным фактором энергоэффективности заявленного способа. При применении теплообменных аппаратов контактного типа самых современных конструкций температурный перепад между средами равен 9°С (при использовании в аммиака), 12°C - для фреонов, тогда как использование эффекта межфазного теплообмена с применением в качестве хладоносителя пульп, позволяет снизить температурный перепад (расстояние б-в; д-е; з-и, фиг.2) до 0,2°C. В этом случае точки а, г, ж (фиг.2) сместятся на изотерму 0,2°C, а расстояние а-б; г-д; ж-з (температурный градиент ΔtПЕРЕОХЛ, как «движущая сила» гидратообразования) увеличится до своего максимально возможного значения. Очевидно, что снижение температурного градиента между образующимися частицами гидрата и хладоносителем увеличивает градиент гидратообразования (переохлаждение системы газ-вода ΔtПЕРЕОХЛ относительно равновесных температур t1, t4, t7, фиг.2). Увеличение «движущей силы» гидратообразования снижает время задержки зарождения частиц гидрата и соответственно увеличивает производительность процесса генерирования газогидратной пульпы.The low temperature gradient between the resulting gas hydrate and melting water ice is the main factor in the energy efficiency of the claimed method. When using contact-type heat exchangers of the most modern designs, the temperature difference between the media is 9 ° С (when used in ammonia), 12 ° C - for freons, while using the effect of interphase heat exchange using pulps as a coolant allows to reduce the temperature difference (distance b-c; d-e; z-and, figure 2) up to 0.2 ° C. In this case, the points a, d, g (Fig.2) will shift to the isotherm 0.2 ° C, and the distance a-b; gd; gh (temperature gradient Δt OVERHEAD , as the "driving force" of hydrate formation) will increase to its maximum possible value. It is obvious that a decrease in the temperature gradient between the hydrate particles formed and the coolant increases the hydrate formation gradient (supercooling of the gas-water system Δt OVERCOOL relative to the equilibrium temperatures t 1 , t 4 , t 7 , Fig. 2). An increase in the “driving force” of hydrate formation reduces the delay time for the nucleation of hydrate particles and, accordingly, increases the productivity of the process of generating gas hydrate pulp.
Дополнительным фактором, повышающим эффективность процесса гидратообразования, является бесконечно большая площадь теплообмена между бесконечно большим количеством термически тонких тел (частиц гидрата и водного льда), что является причиной поддержания высоких значений теплового потока между растущими частицами гидрата и плавящимися частицами водного льда, при температурном градиенте между ними практически равным нулю.An additional factor that increases the efficiency of hydrate formation is the infinitely large heat transfer area between an infinitely large number of thermally thin bodies (hydrate particles and water ice), which is the reason for maintaining high heat flux between growing hydrate particles and melting particles of water ice, with a temperature gradient between almost equal to zero.
При генерировании льда морская вода начинает отвердевать при температуре -2°C и давлении 420 Па (температура кипения - отвердевания снижается до -3°C, при вымораживании из воды 30% твердой фазы, и до -5°C, при вымораживании 50% твердой фазы), при этом лед представляет собой химически чистую воду в твердом агрегатном состоянии. Полученный в вакуумном льдогенераторе водный лед, образует с жидкой фазой раствора льдосодержащую рассольную пульпу, которая передается на отделитель льда от рассола. После разделения льдосодержащей рассольной пульпы на пресный лед и рассол, лед самотеком подают в смеситель льда и рециркуляционной воды 15, а рассол либо сбрасывают в море, либо возвращают в полый резервуар 13 льдогенератора.When ice is generated, seawater begins to solidify at a temperature of -2 ° C and a pressure of 420 Pa (the boiling point of solidification decreases to -3 ° C, when 30% of the solid phase is frozen out of water, and to -5 ° C, when 50% of solid is frozen) phase), while ice is chemically pure water in a solid state of aggregation. The water ice obtained in a vacuum ice maker forms an ice-containing brine pulp with the liquid phase of the solution, which is transferred to the ice separator from the brine. After separation of the ice-containing brine pulp into fresh ice and brine, the ice is gravity fed into the ice and recirculation water mixer 15, and the brine is either dumped into the sea or returned to the hollow tank 13 of the ice maker.
Льдосодержащая пульпа (включающая мелкодисперсный лед и пресную воду) аккумулируется в ее накопителе 5, откуда закачивается насосом в генератор газогидратной пульпы (реактор 1), где с помощью средства перемешивания материала 26, равномерно распределяется по объему реактора 1. В реакторе 1 частицы водного льда плавятся в процессе отвода теплоты выделяемой образующимися частицами газогидрата и в виде рециркуляционной воды удаляются насосом в смеситель льда и рециркуляционной воды 15.Ice-containing pulp (including fine ice and fresh water) is accumulated in its accumulator 5, from where it is pumped to the gas hydrate pulp generator (reactor 1), where, using the material mixing means 26, it is uniformly distributed throughout the volume of
Готовая газогидратная пульпа накапливается в узле хранения газогидрата 8, откуда отгружается потребителю.The finished gas hydrate pulp is accumulated in the gas hydrate storage unit 8, from where it is shipped to the consumer.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012135215/04A RU2498153C1 (en) | 2012-08-16 | 2012-08-16 | Device to prepare natural gas for transportation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012135215/04A RU2498153C1 (en) | 2012-08-16 | 2012-08-16 | Device to prepare natural gas for transportation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2498153C1 true RU2498153C1 (en) | 2013-11-10 |
Family
ID=49683218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012135215/04A RU2498153C1 (en) | 2012-08-16 | 2012-08-16 | Device to prepare natural gas for transportation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2498153C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2689376C1 (en) * | 2018-11-30 | 2019-05-28 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Method for preparing natural ethane-containing gas for transport in northern latitudes |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5536893A (en) * | 1994-01-07 | 1996-07-16 | Gudmundsson; Jon S. | Method for production of gas hydrates for transportation and storage |
| CA2306461A1 (en) * | 1997-10-14 | 1999-04-22 | Roland Bernard Saeger | Method and apparatus for producing gas hydrates |
| GB2348437A (en) * | 1999-03-24 | 2000-10-04 | Bg Intellectual Pty Ltd | Formation, processing, transportation and storage of solid gas hydrates |
| JP4488769B2 (en) * | 2004-03-02 | 2010-06-23 | 三井造船株式会社 | Hydrate generation method and generation apparatus |
| JP4822093B2 (en) * | 2004-12-24 | 2011-11-24 | 学校法人慶應義塾 | Hydrate continuous generation simulation method |
| RU2457010C1 (en) * | 2010-11-17 | 2012-07-27 | Учреждение Российской Академии наук Институт теплофизики Уральского отделения РАН | Method of obtaining gas hydrates |
-
2012
- 2012-08-16 RU RU2012135215/04A patent/RU2498153C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5536893A (en) * | 1994-01-07 | 1996-07-16 | Gudmundsson; Jon S. | Method for production of gas hydrates for transportation and storage |
| CA2306461A1 (en) * | 1997-10-14 | 1999-04-22 | Roland Bernard Saeger | Method and apparatus for producing gas hydrates |
| GB2348437A (en) * | 1999-03-24 | 2000-10-04 | Bg Intellectual Pty Ltd | Formation, processing, transportation and storage of solid gas hydrates |
| JP4488769B2 (en) * | 2004-03-02 | 2010-06-23 | 三井造船株式会社 | Hydrate generation method and generation apparatus |
| JP4822093B2 (en) * | 2004-12-24 | 2011-11-24 | 学校法人慶應義塾 | Hydrate continuous generation simulation method |
| RU2457010C1 (en) * | 2010-11-17 | 2012-07-27 | Учреждение Российской Академии наук Институт теплофизики Уральского отделения РАН | Method of obtaining gas hydrates |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2689376C1 (en) * | 2018-11-30 | 2019-05-28 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Method for preparing natural ethane-containing gas for transport in northern latitudes |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6324867B1 (en) | Process and system for liquefying natural gas | |
| RU2753342C2 (en) | Low-temperature mixed refrigerant for large-scale pre-cooling of hydrogen | |
| AU2013264212B2 (en) | Method for re-liquefying boil-off gas generated at liquid hydrogen storage tank | |
| RU2496048C1 (en) | Method to deliver natural gas to consumer | |
| CN101913604A (en) | Device and method for manufacturing dry ice by using liquefied natural gas cold energy | |
| AU2014243954A1 (en) | Closed loop ice slurry refrigeration system | |
| RU2498153C1 (en) | Device to prepare natural gas for transportation | |
| RU2500950C1 (en) | Preparation method of natural gas for transportation | |
| CN103007841B (en) | Preparation method and device for direct phase change heat transfer type gas hydrates | |
| RU2520220C2 (en) | Complex for natural gas supply to consumer | |
| RU125296U1 (en) | DEVICE FOR PREPARATION OF NATURAL GAS FOR TRANSPORT | |
| CN104611080A (en) | An integrated utilization device and a method for natural gas hydrate slurry | |
| RU2504712C1 (en) | Method of natural gas delivery | |
| JP2001010985A (en) | Device for producing natural gas hydrate and method for producing the same | |
| RU2505742C1 (en) | Device for natural gas delivery | |
| RU126804U1 (en) | DEVICE FOR TRANSPORTING NATURAL GAS | |
| RU125093U1 (en) | COMPLEX FOR DELIVERY OF NATURAL GAS TO CONSUMER | |
| JP2006233142A (en) | Method and apparatus for manufacturing gas clathrate | |
| JP2004353991A (en) | Cold device and cold method using carbon dioxide hydrate | |
| JP6526422B2 (en) | Geothermal power generation apparatus and geothermal power generation method | |
| RU2577462C2 (en) | Method of producing icy slush | |
| CN108439541B (en) | Method for natural gas peak regulation and water purification by using hydrate | |
| CN103470472B (en) | A kind of hydrate pressurization and the circulatory system | |
| CN110159378A (en) | A kind of natural gas overbottom pressure cold energy use system | |
| JP2007238850A (en) | Method and apparatus for forming gas hydrate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150817 |