RU2500950C1 - Preparation method of natural gas for transportation - Google Patents
Preparation method of natural gas for transportation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2500950C1 RU2500950C1 RU2012135217/04A RU2012135217A RU2500950C1 RU 2500950 C1 RU2500950 C1 RU 2500950C1 RU 2012135217/04 A RU2012135217/04 A RU 2012135217/04A RU 2012135217 A RU2012135217 A RU 2012135217A RU 2500950 C1 RU2500950 C1 RU 2500950C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- gas
- water
- hydrate
- particles
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при получении, хранении и, предпочтительно, беструбопроводном транспорте природного газа.The invention relates to the gas industry and can be used in the receipt, storage and, preferably, pipe-free transport of 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.
Известен способ переработки природного газа и поставки его потребителю в виде сжиженного природного газа (СНГ) при получении последнего на газоредуцирующих станциях (ГРС) с применением турбодетандеров (Васильев Ю.Н. «Моторные топлива будущего», «Газовая промышленность» 1995 г., №1).A known method of processing natural gas and supplying it to the consumer in the form of liquefied natural gas (LPG) upon receipt of the latter at gas reduction stations (GDS) using turbo expanders (Vasiliev Yu.N. “Motor fuels of the future”, “Gas industry” 1995, No. one).
Недостатком указанного способа 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 method 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, while while redundancy leads to higher costs, the complexity of controlling the expander's operating modes under varying pressures, costs and temperatures of natural gas passing through the gas distribution system.
Известен также способ переработки природного газа и поставки его как топлива потребителю в виде СПГ при получении последнего на ГРС по дроссельно-вихревой технологии (см №2202078, F25J 1/00, 2001 г.). Данный способ прост в аппаратном оформлении, эффективно использует тепло и холод, получаемые при сработке давления природного газа при его дросселировании на ГРС, промышленно опробован и оценен как перспективный.There is also a known method of processing natural gas and delivering it as fuel to the consumer in the form of LNG upon receipt of the latter at the gas distribution system using throttle-vortex technology (see No. 2202078, F25J 1/00, 2001). This method is simple in hardware design, efficiently uses the heat and cold obtained when the pressure of natural gas is throttled during throttling at the gas distribution system, it has been industrially tested and evaluated as promising.
Недостатком описанного способа является то, что он позволяет получить в виде сжиженного газа не более 4-6% от проходящего через ГРС природного газа, для хранения, транспортировки и использования СПГ у потребителя в качестве топливного газа требуется дорогостоящая криогенная аппаратура (температура продукта в транспортной емкости или емкости хранения примерно равна 125°C при давлении около 0,6 МПа, что приводит к повышению себестоимости топлива). Отходящий от установки получения СПГ газ имеет пониженную температуру, что не всегда приемлемо для эксплуатации трубопровода низкого давления из-за возможного смерзания его с грунтом прокладки, миграции грунтовых вод к фронту промерзания, деформации трубопровода и в итоге его повреждения.The disadvantage of the described method is that it allows you to get in the form of liquefied gas no more than 4-6% of the natural gas passing through the gas distribution station, expensive cryogenic equipment is required for storage, transportation and use of LNG as fuel gas (product temperature in the transport tank or storage capacity is approximately equal to 125 ° C at a pressure of about 0.6 MPa, which leads to an increase in the cost of fuel). The gas leaving the LNG production unit has a lowered temperature, which is not always acceptable for the operation of a low pressure pipeline due to its possible freezing with the laying soil, groundwater migration to the freezing front, deformation of the pipeline, and as a result of its damage.
Известен также способ подготовки природного газа для транспортирования, включающий, получение газовых гидратов путем смешения газа с водой в реакторе, непрерывного охлаждения и поддержания требуемых температур полученной смеси с одновременным поддержанием давления не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования (см. RU №2200727, C07C 5/02, 1997 г.).There is also known a method of preparing natural gas for transportation, including the production of gas hydrates by mixing gas with water in a reactor, continuous cooling and maintaining the required temperature of the resulting mixture while maintaining a pressure not lower than the equilibrium pressure necessary for hydrate formation (see RU No. 2200727, C07C 5 / 02, 1997).
К недостаткам способа относится то, что процесс получения гидратов по необходимости высоко энергозатратный, т.к. требуется неоднократное ком-премирование и последующее охлаждение газа, и использование этой же энергии на создание условий гидратообразования и консервацию гидратов. Кроме того, для реализации способа необходимо осуществлять предварительную очистку газа от тяжелых углеводородов.The disadvantages of the method include the fact that the process of obtaining hydrates, if necessary, is highly energy-consuming, because repeated com- bination and subsequent cooling of the gas is required, and the use of the same energy to create conditions for hydrate formation and preservation of hydrates. In addition, for the implementation of the method, it is necessary to carry out preliminary gas purification from heavy hydrocarbons.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение выражается в снижении энергозатрат на получения гидратов.The problem to which the invention is directed is expressed in reducing energy costs for 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 способаThe 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 implementing the method is reduced
Указанный технический результат достигается тем, что способ подготовки природного газа для транспортирования, включающий, получение газовых гидратов путем смешения газа с водой в реакторе, непрерывного охлаждения и поддержания требуемых температур полученной смеси с одновременным поддержанием давления не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования, отличается тем, что, процесс получения газовых гидратов осуществляют при температуре +0,2°C и давлении 1МПа, при этом, для охлаждения смеси газа с водой используют водоледяную пульпу, предпочтительно, с крупностью частиц не более 10 мкм, которые равномерно распределяют по объему реактора, при этом содержание льда составляет, около 50% ее объема. 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, для получения льда используют минерализованную, предпочтительно морскую воду.The specified technical result is achieved in that the method of preparing natural gas for transportation, including the production of gas hydrates by mixing gas with water in the reactor, continuous cooling and maintaining the required temperatures of the resulting mixture while maintaining the pressure not lower than the equilibrium required for hydrate formation, is characterized in that, the process of producing gas hydrates is carried out at a temperature of + 0.2 ° C and a pressure of 1 MPa, while ice-cold PU is used to cool the gas-water mixture Sny, preferably with a particle size of not more than 10 microns are evenly distributed along the reactor volume, wherein the ice content is about 50% of its volume. 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, mineralized, preferably seawater, is used to produce ice.
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 … «процесс получения газовых гидратов осуществляют при температуре 0,2°C и давлении 1 МПа» обеспечивают возможность реализации способа в достаточно простых условиях с позиций требований, предъявляемых к материалам, используемых для изготовления оборудования и, кроме того, потребляемых энергоресурсов.Signs ... "the process of producing gas hydrates is carried out at a temperature of 0.2 ° C and a pressure of 1 MPa" provide the possibility of implementing the method in fairly simple conditions from the standpoint of the requirements for the materials used for the manufacture of equipment and, in addition, the energy consumed.
Признаки … «для охлаждения смеси газа с водой используют водоледяную пульпу» обеспечивают 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 ENVIROMENT. 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 ... "ice-water pulp is used to cool the gas-water mixture" provide high heat removal efficiency - the heat energy generated during the formation of hydrate particles is effectively absorbed by the melting particles of water ice (the heat of hydration of 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 ENVIROMENT. 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 предпочтительно используют частицы с крупностью «не более 10 мкм, которые равномерно распределяют по объему реактора» обеспечивают реализацию известного в теории теплообмена тезиса, что лучший вид теплообменной поверхности - ее отсутствие. Теплота отводится от образующихся частиц гидрата сопоставимыми по размеру и находящимися в непосредственной близости и контакте с ними частицами льда, составляющими льдосодержащую пульпу, 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 (P. Pronk, I. Celigueta Azurmendi, J.W. Meewisse and C.A. Infante Ferreira. FLUT-DIZED BED FOR ICE SLURRY PRODUCTION, PHASE 2, SECOND PROGRESS REPORT DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. Faculty of Design, Construction and Production Mechanical Engineering and Marine Technology, July 2002 to December 2002), что по эффекту сопоставимо с погружением частиц гидрата в кипящий Фреон-22 (Перельштейн И.И., Парушин Е.Б.. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. - М., Пищевая промышленность, 1998, 232 с.).The signs indicating that it is preferable to use particles with a particle size of "not more than 10 microns, which are evenly distributed over the reactor volume" provide the realization of the thesis known in the theory of heat transfer that the best type of heat transfer surface is its absence. Heat is removed from the resulting hydrate particles of comparable size and in close proximity and in contact with them ice particles constituting an ice-containing slurry, while the intensity of the interphase heat transfer thus provided (heat transfer coefficient α, W / m 2 * K) between the surface of the growing hydrate particles and melting particles of water ice with a size of 3 ... 5 μm reaches 3000 ... 5000 W / m 2 * K (P. Pronk, I. Celigueta Azurmendi, JW Meewisse and CA Infante Ferreira. FLUT-DIZED BED FOR ICE SLURRY PRODUCTION,
Признаки, указывающие, что в льдосодержащей пульпе «содержание льда составляет, около 50% ее объема» обеспечивают возможность прокачивать пульпу насосом при сравнительно небольших затратах энергии на перекачивание.Signs indicating that in an ice-containing pulp “ice content is about 50% of its volume” provide the ability to pump the pulp with a pump at a relatively low expenditure of energy for pumping.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают эффективность процесса льдогенерирования, как процесса определяющего эффективность заявленного способа.The signs of the second claim provide the effectiveness of the ice generation process, as a process that determines the effectiveness of the claimed method.
Признаки третьего пункта формулы изобретения снижают энергетические издержки процесса льдогенерирования.The features of the third claim reduce the energy costs of the ice generation process.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана установка, обеспечивающая реализацию заявленного способа; 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 an installation that ensures the implementation of the claimed method; 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 первый 2 и второй 3 входы, источник природного газа 4, накопитель льдосодержащей пульпы 5, первый 6 и второй 7 выходы реактора, узел хранения газогидрата 8, насосы 9, 10 и 11, соответственно, для перекачки льдосодержащей пульпы, для перекачки смеси рециркуляционной воды со льдом, для перекачки рассола, турбкомпрессор 12, генератор льда 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. Запорные и предохранительные клапаны, контрольно-измерительная аппаратура и прочие вспомогательные устройства, необходимые для работы установки, обеспечивающей реализацию заявленного способа на чертежах не показаны.The drawings show
В качестве реактора 1 используют теплоизолированный резервуар, выдерживающий давление более 10 бар, снабженный соответствующей запорной арматурой и контрольно-измерительной аппаратурой.As
Источник природного газа 4 (например, магистральный газопровод) сообщен газопроводами 17 и 18, соответственно, с первым входом 2 реактора 1 и газовой турбиной, обеспечивающей работу турбокомпрессора 12.The source of natural gas 4 (for example, the main gas pipeline) is connected by gas pipelines 17 and 18, respectively, with the
Первый выход 6 реактора 1 сообщен пульпопроводом 19 с узлом хранения газогидрата 8, а его второй выход 7 сообщен трубопроводом 22 со смесителем льда и рециркуляционной воды 15.The first outlet 6 of
Накопитель льдосодержащей пульпы 5 пульпопроводами 20 для перекачки льдосодержащей пульпы сообщен со вторым входом 3 реактора 1 (через 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 5 by
В качестве узла хранения газогидрата 8 использован теплоизолированный резервуар (или несколько резервуаров), выполненных с возможностью сохранения термодинамического равновесия хранимой в них газогидратной пульпы и снабженных средствами отгрузки материала потребителю.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 and equipped with means for shipping the material to the consumer.
В качестве генератора льда 13 применяют вакуумный льдогенератор, предпочтительно марки IDE Tech, с приводом от турбкомпрессора 12. Конструктивно он представляет собой полый резервуар, заполненный каким либо водным раствором, агрегатированный турбокомпрессором, который создает в резервуаре вакуум, равный по величине давлению тройной точки использующегося раствора (в данном случае - морской воды).As an ice generator 13, a vacuum ice machine, preferably of the IDE Tech brand, is used, driven by a turbocharger 12. Structurally, it is a hollow tank filled with any aqueous solution, aggregated by a turbocompressor, which creates a vacuum in the tank equal to the pressure of the triple point of the solution used (in this case, sea water).
В данном вакуумном льдогенераторе 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°C (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 this 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 it is impossible to provide direct contact between boiling ammonia and crystallized sea water in the evaporator). 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 13 сообщен трубопроводом 24 с источником питательной воды 16, в качестве которого используют водозаборник морской воды известной конструкции.The input of the ice generator 13 is communicated by a pipe 24 with a source of
В качестве отделителя льда от рассола 14 используют известное устройство аналогичного назначения, производительность которого соответствует производительности установки.As a separator of ice from brine 14 using a known device for a similar purpose, the performance of which corresponds to the performance of the installation.
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 генератор льда 13.The products of separation of the ice-containing brine pulp into fresh ice and brine are used as follows - by gravity, ice is discharged by pipeline 25 into the ice and recirculation water mixer 15, and the brine has a higher salt concentration than either in the original seawater or into the sea, or (as shown in the drawing), through the pipe 23 returns to the ice generator 13.
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 in water from a solution of natural gas (GH: 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 heat of hydration, 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 способе реализован известный в теории теплообмена тезис, что лучший вид теплообменной поверхности это ее отсутствие. В газогидратном генераторе, реализующем заявленный способ 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 method implements the thesis known in the theory of heat transfer that the best type of heat transfer surface is its absence. In a gas hydrate generator that implements the claimed method, 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 ensured (heat transfer coefficient α, W / m2 * 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 with the effect 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).
В прототипе использован принцип теплоотвода за счет прямого контакта образующихся частиц гидрата с однофазным хладоносителем (циркуляционной водой), который для выполнения функции хладоносителя, охлаждают. Его недостаток - малая удельная хладоемкость всех однофазных хладоносителей, и в т.ч. воды (теплоемкость воды равна 4,19 кДж/кг*К, что при температурном перепаде в теплообменном аппарате в 5°C позволяет 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).The prototype uses the principle of heat removal due to direct contact of the formed hydrate particles with a single-phase coolant (circulating water), which is cooled to perform the function of a coolant. Its disadvantage is the low specific cold storage capacity of all single-phase refrigerant carriers, including water (the heat capacity of water is 4.19 kJ / kg * K, which, when the temperature difference in the heat exchanger is 5 ° C, makes it possible to remove 21 kg of heat from the cooling object with one kilogram of coolant - 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 remove 110 kJ of heat from the cooling object - 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°C (при использовании в аммиака), 12°C - для фреонов, в то время как применение эффекта межфазного теплообмена посредством применения 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°С, 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 ° C (when used in ammonia), 12 ° C for freons, while the application of the effect of interphase heat transfer through the use of pulps as a coolant, reduces the temperature difference (distance b-c; d-e; s-i, Fig. 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 полости вакуумного льдогенератора 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 генератор льда 13.When ice is generated, seawater begins to solidify at a temperature of -2 ° C and a pressure of 420 Pa (the boiling - hardening temperature 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 the cavity of the 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 discharged into the sea or returned to the ice generator 13.
Льдосодержащая пульпа (включающая мелкодисперсный лед и пресную воду) аккумулируется в накопителе 5, откуда закачиваются насосом в генератор газогидратной пульпы. В генераторе газогидратной пульпы частицы водного льда плавятся в процессе отвода теплоты от образующихся частиц гидрата 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 accumulator 5, from where it is pumped into the gas hydrate pulp generator. In a gas hydrate pulp generator, water ice particles melt during heat removal from the resulting hydrate particles and are removed as a recirculation water by a pump into an ice and recirculation water mixer 15.
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 (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012135217/04A RU2500950C1 (en) | 2012-08-16 | 2012-08-16 | Preparation method of natural gas for transportation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012135217/04A RU2500950C1 (en) | 2012-08-16 | 2012-08-16 | Preparation method of natural gas for transportation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2500950C1 true RU2500950C1 (en) | 2013-12-10 |
Family
ID=49711119
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012135217/04A RU2500950C1 (en) | 2012-08-16 | 2012-08-16 | Preparation method of natural gas for transportation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2500950C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2643370C1 (en) * | 2017-06-16 | 2018-02-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Plant for production of methane hydrate |
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 |
CA2368020A1 (en) * | 1999-03-24 | 2000-09-28 | Mark Raymond Taylor | Formation, processing, transportation and storage of 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 RU2012135217/04A patent/RU2500950C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
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 |
CA2368020A1 (en) * | 1999-03-24 | 2000-09-28 | Mark Raymond Taylor | Formation, processing, transportation and storage of 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 (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2643370C1 (en) * | 2017-06-16 | 2018-02-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Plant for production of methane hydrate |
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 |
---|---|---|
Tan et al. | A new boil-off gas re-liquefaction system for LNG carriers based on dual mixed refrigerant cycle | |
AU2013264211B2 (en) | Liquid hydrogen production device | |
RU2583172C2 (en) | Method of re-liquefying boil-off gas generated in storage tanks of liquid hydrogen | |
RU2496048C1 (en) | Method to deliver natural gas to consumer | |
JP2008546971A (en) | The modular storage, application and utilization process of clathrate hydrate | |
CN101619914A (en) | Refrigerant phase transformation-free refrigerator for recovering liquefied natural gas (LNG) cold energy | |
JP2014142161A (en) | Manufacturing apparatus and method of low temperature compression gas or liquid gas | |
RU2500950C1 (en) | Preparation method of natural gas for transportation | |
CN207894080U (en) | A kind of LNG cold energy recycling energy storage ice maker | |
KR20130069749A (en) | Device and method for manufacturing natural gas hydrate | |
CN102093921A (en) | Offshore natural gas liquefying method and device | |
CN103982774A (en) | Process flow and device of multi-functional liquefied natural gas satellite station | |
CN107620863B (en) | The re-liquefied system of one kind liquefaction hydro carbons BOG peculiar to vessel and technique | |
CN104197635B (en) | A kind of LNG fuels and energies ship harbour stops re-liquefied system and liquifying method | |
RU2498153C1 (en) | Device to prepare natural gas for transportation | |
CN107314234B (en) | A kind of processing system and method solving LNG loss with LNG hydraulic turbine | |
CN103881775B (en) | A kind of preparation of coalbed methane hydrate dissociation and energy-recuperation system | |
CN108798807A (en) | A kind of three-level power generation of LNG cold energy longitudinal direction and seawater desalination system and its method of comprehensive utilization | |
WO2011142115A1 (en) | Hydrogen gas liquefaction method and hydrogen gas liquefaction plant | |
RU2520220C2 (en) | Complex for natural gas supply to consumer | |
RU125296U1 (en) | DEVICE FOR PREPARATION OF NATURAL GAS FOR TRANSPORT | |
RU126804U1 (en) | DEVICE FOR TRANSPORTING NATURAL GAS | |
RU2504712C1 (en) | Method of natural gas delivery | |
RU125093U1 (en) | COMPLEX FOR DELIVERY OF NATURAL GAS TO CONSUMER | |
RU2505742C1 (en) | Device for natural gas delivery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150817 |