Диссертация (1172966), страница 23
Текст из файла (страница 23)
В то же время, пропан приатмосферном давлении может испаряться при температуре минус 42 °С, а этан –при температуре минус 88 °С.Рисунок 3.6 – Зависимость давлений насыщенных паров компонентов природногогаза от температуры(Источник: составлено автором)170Как отмечено в работах [7, 81, 84-87 и др.], использование процессадросселирования для охлаждения возможно лишь в том случае, если исходныйтемпературный уровень процесса существенно ниже температуры инверсиирабочего вещества, а температура конденсации хладагента ниже его критическойтемпературы. Кроме того, дроссельный эффект даже при высоких давленияхсравнительно невелик. Для сжижения газов с критической температуройзначительнонижетемпературыокружающейсреды(например,метана)недостаточно одного холодильного цикла с внешним охлаждением.
В этом случаедроссельные циклы комбинируют друг с другом, подбирая хладагенты сразличными критическими температурами и ступенчато понижая температуруиспарителей.Значениякритическихтемпературнекоторыхкомпонентовприродного газа представлены в таблице 3.1.Таблица 3.1 – Значения критических температур некоторых газов [7]КомпонентТемператураКритическаякипения, ᴼС притемпература101,25 ПаТК, ᴼС при РКМетан-161,5-82,3Этан-88,632,27Этилен-103,79,7Пропан-4297Бутан-0,5152,01Пентан36,07196,9Кислород-183-118Азот-196-149,9Гелий-269-267,95Комбинацию холодильных циклов выстраивают так, чтобы испарительцикла с более высоким температурным уровнем (хладагент с более высокой171критической температурой) выступал в роли конденсатора цикла с более низкимтемпературным уровнем (хладагент с более низкой критической температурой).
Вэтом заключается принцип построения каскадных процессов, его иллюстрацияпредставлена на рисунке 3.7. Сжижаемый газ последовательно проходиттеплообменник сначала с более высокой температурой испарения хладагента Т1,затем теплообменник с более низкой температурой Т2.Рисунок 3.7 – Каскадный принцип построения холодильных циклов [7]Все лицензионные технологии сжижения природного газа можно условноразбить на три группы: однопоточные процессы (с одним ЗХЦ), каскадные сдвумя или с тремя ЗХЦ и процессы с ОХЦ.
Однопоточные и каскадные процессымогут использовать как чистые компоненты, так и их смеси в качествехладагентов. ОХЦ характеризуются тем, что в качестве хладагента выступаетчасть потока самого природного газа. Рисунок 3.8 иллюстрирует делениетехнологий сжижения на группы в зависимости от особенностей холодильныхциклов.172Рассмотрим основные принципы построения технологий сжижения с ЗХЦ.В таблице 3.2 представлена классификация основных технологий сжижения почислу ЗХЦ.Лицензионныетехнологиисжиженияприродного газаС замкнутымихолодильнымицикламиОднопоточныеС открытымихолодильнымицикламиКаскадныеРисунок 3.8 – Деление технологий сжижения на группы в соответствии сособенностями холодильных циклов(Источник: составлено автором)173Таблица 3.2 – Классификация технологиий сжижения по числу замкнутыххолодильных цикловКомпания-Средне- и малотоннажныеЧисло ХЦПроцесс*ХладагентBlack & VeatchPRICOСХАShell, APCISMRСХАBHP/LindeАзотSMRСХАLimumСХАKryopakPCMR/SCMRСХА/СХАTechnipTEALARCСХАПАО «Газпром»GMRСХА/N2ПАО «НОВАТЭК»Арктический каскадC2/ N2APCIC3MR, C3MR/SplitMRС3/СХАC3/MR (PMR)С3/СХАDMRСХА/СХАIFP/AxensLiquefinСХА/СХАAPCIAP-XС3/СХА/N2CascadeС3/Этилен/C1Optimised CascadeС3/Этилен/C1MFCСХА/СХА/СХАразработчик1Linde2КрупнотоннажныеShell3PhillipsStatoil / LindeОбозначения и сокращения в таблице:ХЦ – холодильный циклСХА – смесевой хладагентC1 – метанC2 – этанС3 – пропанN2 – азот*В таблице приведены торговые названия технологических процессов, подробноеописание которых дано в работах [7, 88-90]Источник: составлено авторомКак правило, процессы с одним ЗХЦ применяются в средне- ималотоннажном производстве СПГ, каскадные процессы с двумя ЗХЦ могутприменяться как в средне-, так и в крупнотоннажном производстве СПГ, апроцессы с тремя ЗХЦ – только в крупнотоннажном производстве СПГ.
Как174показывает практика, использование трех холодильных циклов в малотоннажномпроизводстве нецелесообразно, поскольку простота и компактность в данномслучае являются определяющими факторами.3.2.3.1 Каскадные технологииРассмотрим каскадные процессы с холодильными циклами на чистыхкомпонентах-хладагентах. При тех значениях давления, при которых работаютпромышленные установки, каждому из компонентов – метану, этану (илиэтилену) и пропану – соответствует определенный диапазон температур впроцессе охлаждения природного газа и получения СПГ.
При определенныхтермодинамических условиях пропан способен сконденсировать этан или этилен,этан или этилен способен сконденсировать метан. Т.е. газ с большей критическойтемпературой при низком давлении способен сконденсировать газ с меньшейкритической температурой, находящийся под высоким давлением. На этойзакономерностиоснованокаскадноепостроениехолодильныхциклов,принципиальная схема которого представлена на рисунке 3.9.
Так, пропан,проходя через дроссельные устройства Д1-1, Д1-2 и Д1-3 в трех параллельныхпотоках, охлаждается и одновременно служит хладагентом для этана втеплообменнике Т1-1, метана в теплообменнике Т1-2 и природного газа (ПГ) втеплообменнике Т1-3. Этан или этилен, расширяясь параллельно в устройствахД2-1 и Д2-2, служит хладагентом для метана в теплообменнике Т2-1 и ПГ втеплообменнике Т2-2. В то же время, природный газ последовательноохлаждается в пропановом испарителе Т1-3, конденсируется в этановом(этиленовом) испарителе Т2-2 и переохлаждается в метановом испарителе Т3.175Рисунок 3.9 – Принципиальная схема каскадного построения холодильных цикловв промышленных технологиях:К1, К2, К3 – компрессоры; Х1, Х2, Х3 – холодильники компрессоров; С1, С2, С3 –сепараторы (возврат газовой фазы из сепараторов в компрессоры на схеме непоказан); Д1-n, Д2-n, Д3-n – дроссели (n = 1…3); Т1-n, Т2-n, Т3-n –теплообменные аппараты (n = 1…3)(Источник: составлено автором)На практике такой каскад с простыми дроссельными циклами неприменяется.
Для повышения эффективности каждый отдельный цикл разбиваютна ступени с промежуточными уровнями температуры и давления. Число уровней176охлаждения – это компромисс между капитальными вложениями, сложностьютехнологического оформления и эксплуатационными затратами.Известно, что с ростом давления в газе увеличивается его температураиспарения-конденсации. Эта закономерность послужила основанием для деленияхолодильных циклов на ступени с разным уровнем давления для испаренияхладагента.На рисунке 3.10 представлена схема ступенчатого холодильного цикла всравнении с простым дроссельным циклом. Очевидно, что деление цикла наступени требует кратного увеличения количества однотипного оборудования,однакоснижениеэксплуатационныхзатратвследствиеповышенияэффективности процесса компенсирует увеличенные капитальные вложения.абРисунок 3.10 – Холодильные циклы:а – одноступенчатый цикл; б – многоступенчатый цикл;1 – компрессор; 2 – холодильник-конденсатор с внешним охлаждением; 3 (а,б) –дроссель; 4 (а,б) – сепаратор; 5 (а,б) – холодильник-испаритель для охлажденияприродного газа [7]Известное сопоставление в координатах T-Q (более подробно T-Qдиаграммы рассматриваются в п.
3.5) кривой охлаждения природного газа икривой испарения хладагентов ступенчатого каскадного процесса (рисунок 3.11 а)позволяет сделать вывод о его бóльшей энергоэффективности по сравнению с177каскадным процессом, использующим одноступенчатые холодильные циклы(простой каскадный процесс, рисунок 3.11 б). Площадь между кривой испаренияхладагента и кривой охлаждения природного газа характеризует необратимыепотери энергии в циклах. Очевидно, что на правой диаграмме эта площадьменьше, чем на левой.абРисунок 3.11 – Кривые охлаждения природного газа и испарения хладагентов впростом (а) и ступенчатом (б) каскадном процессе:синяя линия – кривая охлаждения природного газа в процессе сжижения, красная– линия испарения хладагентов [7]К каскадным процессам на чистых хладагентах относятся процессConocoPhillipsOptimizedCascadeSMкомпанииConoco-Phillips,которыйиспользует двух- и трехступенчатые циклы на пропане, этилене и метане [7] и«Арктический каскад» компании ПАО «НОВАТЭК» с двумя последовательнымимногоступенчатыми холодильными циклами на этане и азоте [89].Как один из путей повышения эффективности процессов охлаждения иконденсации природного газа, в конце 50-х годов ХХ века советским ученым А.П.Клименко было предложено в качестве хладагентов вместо чистых компонентовприродного газа использовать их смеси [91].
Преимуществом смесевых178хладагентов (СХА) является то, что они испаряются в диапазоне температур,следовательно, кривая испарения СХА является не ступенчатой, а наклонной,близкой по характеру к кривой охлаждения природного газа. Так, например,одним из самых распространенных технологических процессов сжиженияприродного газа является процесс С3МR американской компании APCI. Впроцессе задействованы два ЗХЦ – на пропане и на СХА.
Принципиальная схемапроцесса представлена на рисунке 3.12.Рисунок 3.12 – Принципиальная схема процесса APCI C3MR:К1 – компрессор СХА; КП – компрессор пропана; Х1, ХП – холодильникикомпрессоров СХА и пропана соответственно; Т1 – теплообменник циклапредварительного охлаждения; Т2 – теплообменник основного циклаохлаждения; С1 – сепаратор; Д1, Д2, Д3 – дроссели [7]Известная графическая интерпретация данного процесса в координатах T-Qпредставлена на рисунке 1.7. Ступенчатая линия в верхней части кривойиспарения хладагента представляет собой трехступенчатый холодильный цикл напропане (предварительное охлаждение). Площадь между кривыми охлаждения и179испарения – необратимые затраты энергии в холодильных циклах. Пологаякривая, продолжающая ступенчатую линию, – кривая испарения СХА (основноеохлаждение, пунктирная линия).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
