Автореферат (1172965), страница 6
Текст из файла (страница 6)
При давлениях 7 и 10 МПа двухфазная областьотсутствует. Следовательно, повышение давления до сверхкритических значенийпозволяет избежать перекачки двухфазного потока по технологическим трубопроводам.27Отводимая теплота, кДж/кмольРисунок 15 – Кривые охлаждения смеси метана, этана и пропана при разныхдавлениях (справа указаны значения давления в МПа; точками на кривых обозначенадвухфазная область)Исследования также показали, что увеличение давления потока газа способствуетотводу теплоты от него. Так, для сжижения вышеобозначенной смеси метана, этана ипропана требуется отвести теплоту в количестве:− при давлении 2 МПа – 14,76 МДж/кмоль;− при давлении 3,7 МПа – 14,35 МДж/кмоль;− при давлении 5 МПа – 14,03 МДж/кмоль;− при давлении 7 МПа – 13,54 МДж/кмоль;− при давлении 10 МПа – 12,83 МДж/кмоль.Таким образом, нами установлено, что повышение давления природного газаповышает эффективность отвода теплоты.Создание более эффективных технологических процессов производства СПГсвязано с проблемой точности предсказания термодинамических свойствуглеводородных смесей, например, при применении смесевых хладагентов.
Применениесмесевых хладагентов (СХА) связано с необходимостью максимально приблизитькривые охлаждения природного газа и испарения используемого хладагента надиаграмме «Тепло – Температура» с целью уменьшения энергетических затрат насжижение. Поскольку состав хладагента зависит от состава сжижаемого газа, то длякаждого месторождения приходится индивидуально решать задачу подбора СХА.Подбор более сложного состава СХА, содержащего азот, метан, этан, пропан ибутаны, например, для однопоточных технологий сжижения, требует знаний28термодинамических свойств как отдельных компонентов, так и их смесей, а такжеприменения компьютерных расчетов.
В идеальном случае состав хладагента долженбыть таким, чтобы при давлении испарения его кривая испарения повторяла очертаниякривой охлаждения природного газа, но с разностью температур ΔТ по всей длинекривой охлаждения, как показано на рисунке 16. При этом разность температур горячегои холодного потоков должна быть минимальной настолько, насколько позволяетмаксимально возможная площадь теплообмена реального аппарата.Рисунок 16 - Кривые охлаждения природного газа и идеального хладагента(верхняя линия – кривая охлаждения природного газа, нижняя – линия испаренияидеального хладагента)Решение задачи подбора состава СХА для однопоточных технологий сжижениявозможно в графической форме. Для этого был разработан алгоритм, представленный нарисунке 17. Для его реализации необходима база данных по термодинамическимсвойствам компонентов СХА и их смесей, а также состав природного газа после очисткии осушки.
Также задается величина максимального и минимального температурногонапора в качестве границ «коридора», внутри которого должна проходить криваяиспарения СХА.29Рисунок 17 – Алгоритм подборасостава СХА для однопоточныхтехнологийРасчет и построение кривойохлаждения природного газа вкоординатахT-Qʹпозволяетопределить общее количествотеплоты, которое нужно отнять уприродного газа, чтобы перевестиего в жидкую фазу. При известнойплощадиповерхноститеплообмена реального аппаратазадается температурный напор,либо при заданном температурномнапорерассчитываетсяповерхность теплообмена.
Далеезадаетсяположениекривойиспарения СХА и давлениеиспарения.Вбазеданныхтермодинамическихсвойствкомпонентов природного газаведется поиск смесей, исходя изсоответствия кривых испарениясмесейизаданнойкривойиспарения искомого СХА. В случае, если находится совпадение кривых, задача решена.Если совпадений не находится, задается другое значение давления, и задача решаетсязаново.Таким образом, на основе проведенных исследований нами предложенаграфическая методика подбора состава СХА для холодильных циклов.Проведенные нами аналитические исследования литературных источниковпоказали, что для климатических условий Арктики наиболее эффективнымикрупнотоннажными процессами сжижения газа в настоящее время являются процессы спредварительным охлаждением пропаном или смесевым хладагентом (СХА).
Этотехнологический процесс Air Products C3MR™ с предварительным охлаждениемпропаном и конденсацией в цикле со смесевым хладагентом и процессы Shell DMR™ иAir Products DMR™ с использованием смесевых хладагентов как в цикле основного, таки в цикле предварительного охлаждения. Эти технологии были выбраны длятермодинамических исследований. Проведенные расчеты процессов сжиженияпоказали, что реализация преимуществ холодного климата возможна либо через общее30снижение энергозатрат (рисунок 18), либо через увеличение производительноститехнологических линий СПГ (рисунок 19).C3-MR0,28Призвод. технолог.
линийСПГ, тонн/часУдельные энергозатраты,кВт*час/кг0,29Shell DMR0,270,260,250,240,23820C3-MRShell DMR8007807607407207006806600,22-25-18-11-431017Температура окружающей среды, 0СРисунок 18 – Зависимость удельныхэнергетических затрат процессов сжиженияприродного газа от изменения температурыокружающей среды-25-18-11-431017Температура окружающей среды,0СРисунок 19 – Зависимостьпроизводительности технологическихлиний сжижения природного газа отизменения температуры окружающейсредыПроведенные нами термодинамические исследования указывают на возможностьприменения известных технологий для сжижения метана угольных отложений (МУО) ивыявили особенности процессов подготовки и сжижения, базирующиеся на особенностисостава МУО.
В литературе приводятся данные, что состав примесей в МУО можетварьироваться в широком диапазоне, но коммерчески привлекательным считается газ ссодержанием метана не менее 90% мол. При этом состав МУО может меняться отскважины к скважине, т.к. они могут вскрывать различные пропластки, образованныеуглями, имеющими различные степени метаморфизма, принадлежащими к различнымклассам, и скважины подвержены затоплению пластовыми водами.Особенностьютехнологической линии производства СПГ из МУО является отсутствие необходимостив установках удаления тяжелых компонентов, стабилизации конденсата ифракционирования.
Практически полное отсутствие сероводорода в угольном газезначительно облегчает процесс удаления кислых компонентов, который в итогесводится только к очистке от углекислого газа. С другой стороны, из-за большогосодержания влаги в поступающем газе установка осушки должна быть болеепроизводительной.В МУО отсутствуют компоненты СХА, широко применяемых в мировойпрактике, а также применяющиеся в каскадных холодильных процессах. В случаевыбора такого процесса сжижения или технологии на основе СХА, необходимопредусмотреть поставку компонентов СХА, как для начальной загрузки холодильныхциклов, так и в процессе эксплуатации производства СПГ для пополнения хладагента,31общее количество которых уменьшается вследствие утечек через уплотнениякомпрессоров.В случае исключения использования углеводородов С2+ как компонентов СХА, вкачестве хладагентов процесса ожижения может быть использован азот или азотнометановая смесь, а также может быть применен дроссельный цикл высокого давления.Данные рекомендации обоснованы проведенными расчетами с использованиемуравнениясостоянияПенга-Робинсона.Результатыпроведенныхнамитермодинамических расчетов показали, что при том же расходе природного газа,одинаковом массовом выходе СПГ и топливного газа, азотно-метановый холодильныйцикл является более эффективным.
Затраты энергии на работу компрессора ихолодильника на 1 кг производимого СПГ в азотно-метановом цикле более чем на 20 %ниже, чем в азотном цикле. Экономия энергии в азотно-метановом цикле обусловленатем, что теплоемкость азотно-метановой смеси выше, чем чистого азота, иследовательно, при тех же условиях ниже расход хладагента в азотно-метановом циклеи более низкая, по сравнению с азотным циклом, нагрузка на компрессор ихолодильник.Для исследования сжижения МУО также нами была рассмотрена простаядроссельная схема с предварительным охлаждением с помощью серийной холодильноймашины.
Были изучены зависимости коэффициента ожижения газа от степени егосжатия в компрессоре и температуры предварительного охлаждения с помощьюхолодильной машины (минус 25, минус 35 и минус 45 °С). На рисунке 20 показано, чтокоэффициент ожижения растет с повышением давления нагнетания в компрессоре.Кроме того, чем ниже температура предварительного охлаждения, тем вышекоэффициент ожижения при том же давлении нагнетания.2015-25 С-35 С10-45 С506 707 808 9901011 12 13 14 1560100110120130140150Давление,МПаДавление,МПа*10Рисунок 20 - Зависимостькоэффициента ожижения МУО от давлениянагнетания в компрессоре и температурыпредварительного охлажденияКоэффициент ожижения, %Коэффициент ожижения, %253025,3%252015105050350 40400 45450 505005 10010 15015 20020 25025 30030 35Давление,МПа*10Давление,МПаРисунок 21 - Зависимость коэффициентаожижения МУО от давления нагнетанияпри температуре предварительногоохлаждения минус 45 °С32Силикагель КСМГСиликагель КСМ30Цеолит NaA2520151050-30-20-100102030Температура °СРисунок 22 – Зависимость равновеснойадсорбционной активности адсорбентов оттемпературы при давлении 4,5 МПаНеобходимая масса адсорбента, тАдсорбционная активность, %массНа рисунке 21 показано, что максимальное значение коэффициента ожиженияравное 25,3% было получено при давлениях нагнетания от 36 до 38 МПа, придальнейшем повышении давления коэффициент ожижения понижается из-заотрицательного дроссель-эффекта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
