Диссертация (1172966), страница 21
Текст из файла (страница 21)
В главе 2термодинамическими исследованиями с использованием известного уравнениясостояния Пенга-Робинсона установлены как классическое поведение фазовогосостояния и состава газовых смесей, так и их особенности.Так, например, установлена такая особенность как то, что приопределенных термобарических параметрах в бинарных смесях азот-этан, азотпропан, азот-бутан и азот-изобутан образуется трехфазная система, состоящая издвухнесмешивающихсяжидкихфазигазовойфазы,ивтрех-ичетырехкомпонентных газовых углеводородных смесях с азотом происходитобразованиеаналогичнойтрехфазнойсистемы.Установленныйэффектнеобходимо учитывать при проведении научных исследований и инженерныхрасчетов, проектировании и модернизации процессов производства СПГ, т.к.наличиевприродномгазеазотаоказываетвлияниенасостояниетермодинамического равновесия системы и часто вызывает отклонения реальныхтермодинамических параметров системы от расчетных.С другой стороны, установлено, что бинарные смеси метана, этана,пропана, изобутана и бутана обладают характеристиками смесей взаимнорастворимых компонентов.
При постоянном давлении для изученных бинарныхсмесей наблюдается сосуществование жидкой и паровой фаз, которое зависит отколичественного соотношения компонентов смеси, а состав паровой и жидкой фаз– от давления и температуры. Анализ Р-Т диаграмм фазового равновесия дляданных бинарных смесей показал тот интересный результат, что чем большеразность критических температур компонентов смеси, тем выше максимальноекритическое давление для данной пары компонентов. Это указывает насуществование двухфазной области пар-жидкость при давлениях значительноболее высоких, чем критические давления компонентов, составляющих смесь.156Полученные результаты имеют значение при выборе технологического давлениявустановкахподготовкиисжижениягазадляобоснованиявыборанадкритического значения технологического давления с целью предотвращениятечения двухфазных потоков в системе.Проведенныйнамианализзависимостейкоэффициентовфазовогоравновесия (К) углеводородных компонентов природного газа от температурывыявил наличие максимальных значений К для некоторых пар компонентов.
Этоуказывает на возможность выбора оптимальных термобарических параметров Р иТ, при которых разделение компонентов смеси можно проводить наиболееэнергоэффективно.Полученные нами кривые фазового равновесия газовых смесей позволяютприсозданиипроцессовпроизводстваСПГопределятьоптимальныетермобарические параметры сжижения газов и выделения заданных компонентовв зависимости от их состава в исходной сырьевой смеси.Полученныерезультатыосуществленныхтермодинамическихисследований стали неотъемлемой частью разработки технологических основкомплексного обоснования производства СПГ, материалы которых изложены внижеследующих разделах.3.1 ВведениеКомплекс производства СПГ является дорогостоящим и сложным техникотехнологическим объектом.
Эффективность его функционирования зависит отмногихфакторов:наличиядостаточныхресурсовприродногогаза,технологических процессов подготовки и сжижения газа, расходных материаловдля осуществления всех технологических процессов комплекса СПГ, местарасположения производственного комплекса СПГ, назначения и требуемогокачества СПГ.На практике решение о строительстве комплекса СПГ в том или иномрегионе принимается на основе анализа спроса на природный газ, наличия157ресурсной базы и квалифицированных кадров, доступа к технологиям иоборудованию, возможностям инвестирования.При разработке проекта производственного комплекса СПГ необходимоучитыватьразличныехарактеристикирегиона:социально-экономическую,промышленную, климатическую. Оценка потенциального спроса на природныйгазвотсутствиепоставокпогазопроводупозволяетрассчитатьпроизводительность установки СПГ.
Качество сырьевого газа определяет выбортехнологических процессов для подготовки и сжижения газа с получениемзаданного качества. Как отмечалось в предыдущих главах, термодинамическиесвойства углеводородных смесей, входящих в состав сырьевого газа, играютопределяющую роль в выборе параметров технологических процессов комплексаСПГ.Выбор технико-технологических решений будет определять эффективностьэксплуатации и надежность производственного комплекса, а также, чтонемаловажно, конечную стоимость газа для потребителя.3.2 Основные современные технологические и технические решенияпроизводства СПГРазработка и совершенствование технологических процессов производстваСПГ, как показано в главе 2, базируется на принципах термодинамики.3.2.1 Идеальные процессы сжижения газовС позиций термодинамики процесс сжижения природного газа представляетсобой переход вещества из газообразного состояния в жидкое, который можетосуществляться путем снижения температуры газа при постоянном давлении илипутем повышения давления при постоянной температуре.
При постояннойтемпературе и неизменном составе газа фазовый переход газ-жидкость за счетподвода или отвода теплоты парообразования (конденсации) означает изменение158плотности и, следовательно, объема, занимаемого веществом. Процесс сжиженияосуществляется путем охлаждения газов при постоянном давлении нижекритической температуры (ТК) и последующей конденсации за счет отводатеплоты парообразования (конденсации).Так как при температуре Т > ТК плотности жидкости и газа выравниваются,необходимо охлаждение газа ниже ТК для достижения такой области температур,при которой газ и жидкость могут сосуществовать.Графическая интерпретация процесса сжижения газа представлена нарисунке 3.1Рисунок 3.1 – Графическая интерпретация процесса сжижения газа [7]Теоретически рассматривают два способа сжижения газа при минимальныхэнергозатратах.
При первом способе газ переводят в жидкое состояние спомощью последовательных процессов сжатия и расширения, совершаемых ссамим газом.Газ первоначально сжимают в компрессоре при постояннойтемпературе Т=Т0, а затем изоэнтропически расширяют в детандере до полнойконденсации. Линия 1-3 на рисунке 3.1 соответствует изотермическому сжатиюгаза от давления р1 до давления р3, а линия 3-f – изоэнтропическому расширению159газа (S=const) от давления р3 до давления рf (пунктирные стрелки). Точка f надиаграмме соответствует состоянию насыщенной жидкости.Минимальные затраты энергии, или минимальная удельная работаожижения газа (lmin), равна разности работ, затраченной при изотермическомсжатии газа в компрессоре (lК) и произведенной расширяющимся газом приизоэнтропийном процессе расширения в детандере (lД):lmin = lК – lДУдельнаяработакомпрессорапри(3.1)изотермическомсжатиигазаопределяется следующим выражением:lK = T0(s1 – s3) – (h1 – h3)(3.2)Удельная работа, совершаемая при изоэнтропийном расширении газа вдетандере:lД = h3 – hf(3.3)При условии равенства энтропий в точках 3 и f получаем окончательноевыражение для минимальной удельной работы:lmin = T0(s1 – sf ) – (h1 – hf )(3.4)где: T0 — температура окружающей среды; s1, sf — удельные энтропии газа(в точке 1) и жидкости (в точке f); h1, hf — удельные энтальпии газа и жидкостисоответственно в точках 1 и f.Второй способ сжижения газа – изобарный процесс при p1=const.
В этомслучае необходим внешний источник охлаждения, которым сначала газохлаждают до температуры начала конденсации, а затем конденсируют его,отнимая теплоту конденсации. На диаграмме в координатах Т-S процессу160охлаждения газа до начала конденсации соответствует изобара 1-2, а конденсациигаза – изотерма 2-f (сплошные стрелки). Удельная теплота охлаждения:qохл = h1 − h2(3.5)где h1, h2 – соответственно энтальпии газа в точках 1 и 2. Этому количествутеплоты на рисунке 3.2 соответствует площадь фигуры 1-2-b-c-1. Удельнаятеплота конденсации:qконд = h2 − h f(3.6)где h2, hf – соответственно энтальпии газа в точках 2 и f. Теплотеконденсации соответствует площадь фигуры 2-f-a-b-2.Общее количество теплоты, отводимой от единицы массы газа в процессесжижения 1-2-f:qx = qохл + qконд = h1 − h f(3.7)Общее количество теплоты, отводимое от газа при его сжижении,соответствует площади фигуры 1-2-f-a-c-1 на рисунке 3.1.В качестве внешнего источника охлаждения используют холодильныециклы.
Холодильный цикл – это установка, представляющая собой закрытыйконтур с циркулирующим рабочим веществом – хладагентом, – и включающаякомпрессор К, детандер Д и теплообменник Т (см. Рисунок ). Если параметрысистемы в начале и в конце цикла (точка 1) неизменны, то цикл являетсяполностью обратимым, или идеальным.161абРисунок 3.2 – Идеальный цикл сжижения газа:а – принципиальная схема: К –компрессор, Д – детандер, Т – теплообменник;б – цикл в диаграмме T-S [7]Хладагент последовательно изотермически сжимается в компрессоре К(линия 1-3), расширяется в детандере Д до состояния насыщенной жидкости(линия 3-f), испаряется (линия f-2) и нагревается (линия 2-1) в теплообменнике Т,а затем снова поступает в компрессор К. В теплообменнике Т охлаждаемый газ ихладагент контактируют между собой через теплопередающую поверхность,причем на всем протяжении процесса 1-2-f хладагент и охлаждаемый газ имеютодинаковые параметры состояния.
При этом охлаждение и конденсация газапроисходит в направлении 1-2-f, а испарение и нагрев хладагента – в направленииf-2-1.Энергетический баланс идеального холодильного цикла:lК – lД = qК – qх,(3.8)где lК – удельная работа компрессора; lД – удельная работа газа при егорасширении в детандере; qК – удельная теплота, отводимая в окружающую среду162при сжатии газа в компрессоре; qх – удельная теплота, отводимая от газа при егосжижении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
