Диссертация (1172966), страница 32
Текст из файла (страница 32)
руководствуются выборомнаименьших потерь энергии на основе термодинамического подхода.Рассмотрим процесс сжижения природного газа, который можно условноразделить на три стадии:1)охлаждение углеводородной смеси до начала конденсации;2)конденсация до полного образования жидкости;3)переохлаждение образовавшейся жидкости.Для исследования данных процессов нами был выбран природный газ,который после очистки от нежелательных примесей и осушки представляет собойсмесь легких углеводородов с азотом. Примерный состав такого газа приведен втаблице 3.18.Таблица 3.18 – Примерный состав природного газа после очистки и осушкиКомпонентМольная доляМетан0,8062Этан0,1013Пропан0,0341Изобутан0,0086Бутан0,0090Азот0,0408Газ представляет собой смесь взаимно растворимых компонентов,диаграмма Р-Т которого приведена на рисунке 3.40.243Рисунок 3.40 – Р-Т диаграмма природного газа: состав газа указан в таблице 3.18(Источник: составлено автором)С использованием данных Р-Т диаграммы на рисунке 3.41 представленадиаграмма охлаждения природного газа данного состава при давлении 3,7 МПа(давление сжижения природного газа для ряда технологических процессов [7]) вкоординатах «Отведенная теплота (Q’) – температура (T)», полученная нами прирасчете.
Данное давление меньше критического и выбрано произвольно, так,чтобы в процессе охлаждения было обеспечено наличие двухфазной области.Отведенная теплота Q’ представляет собой разность энтальпий природного газамежду состоянием в начальный момент охлаждения (например, при температуре20 °С) и каким-либо состоянием в процессе охлаждения:Q’ = H0 – h(T),(3.14)где H0 – энтальпия газа в начальный момент охлаждения, h(T) – энтальпия газапри достижении температуры Т.244Т.е., диаграмма T-Qʹ показывает, какое количество теплоты необходимоотвести от молярной или массовой единицы потока газа данного состава призаданном давлении, чтобы охладить газ до заданной температуры.Рисунок 3.41 – Кривая охлаждения природного газа при давлении 3,7 МПа(Источник: составлено автором)В начальный момент охлаждения температура газа составляет 20 °С, дляохлаждения которого необходимо отвести количество теплоты, величина которойопределяется теплоемкостью газа.
При температуре минус 18 °С в жидкую фазуначинают выпадать, в основном, наиболее тяжелые компоненты – бутаны, инаправление кривой изменяется. Кривая охлаждения становится более пологой,так как для конденсации компонентов требуется дополнительный отвод тепла,определяемыйвеличинойскрытойтеплотыпарообразования-конденсации.Процесс конденсации завершается при температуре минус 89 °С, и направление245кривой охлаждения опять меняется: она более резко уходит вниз. Необходимоеколичество тепла для переохлаждения жидкости определяется её теплоемкостью.Способ, каким отводится теплота от природного газа, определяетсебестоимость СПГ.
В свете программы газификации регионов России, в томчисле и на основе СПГ, стоит задача поиска энергоэффективных технологийохлаждения природного газа с целью снижения себестоимости СПГ.3.4.1 Исследование динамики охлаждения смесей компонентов природногогазаЭнергоэффективность процесса охлаждения природного газа зависит отсостава газа и выбранного давления. Так как основу природного газа составляютметан, этан и пропан (бутаны после очистки газа от тяжелых углеводородовприсутствуют в незначительном количестве: сумма углеводородов С4+ не должнапревышать 2,4 %, также см.
таблицу 3.18), в качестве модели для дальнейшихисследований была выбрана смесь данных компонентов.Известно,чточистыевеществаконденсируютсяприпостояннойтемпературе и при заданном давлении. Кривая охлаждения чистого метана припроизвольно выбранном докритическом давлении 2 МПа приведена нарисунке 3.42 (состав смеси 1,0:0:0). При данном давлении температураконденсации метана составляет минус 108 °С. Для перевода метана изгазообразного состояния в жидкое при данной температуре необходимо откаждого киломоля метана отвести 5,5 МДж теплоты.
Процесс конденсации метанапредставлен на диаграмме горизонтальным отрезком на изотерме минус 108 °С.246Рисунок 3.42 – Кривые охлаждения смесей метана, этана и пропана разногосостава при давлении 2 МПа: над кривыми указан молярный состав смесиметан:этан:пропан(Источник: составлено автором)Как видно, добавление к метану 3 % этана и 1 % пропана видоизменяеткривую охлаждения: она становится более пологой. Смесь компонентовконденсируется в интервале температур, а границы этого интервала зависит отсостава смеси.
Видно, что увеличение содержания этана смещает началоконденсации смеси в область более высоких температур. Такое же влияниеоказывает добавление пропана. Также можно отметить, что добавление в смесьболее высококипящих компонентов увеличивает общее количество отводимойтеплоты в процессе конденсации. Так, смесь, содержащая:− 96 % метана, 3 % этана и 1 % пропана, требует для полнойконденсации 7,4 МДж на 1 кмоль смеси;− 92 %метана, 7 % этана и 1 % пропана – 7,75 Мдж/кмоль;247− 88 % метана, 11 % этана и 1 % пропана – 8,2 Мдж/кмоль;− 84 % метана, 11 % этана и 5 % пропана – 9,6 Мдж/кмоль.На весь процесс охлаждения от температуры плюс 20 °С (температураокружающей среды), конденсации и переохлаждения до температуры минус160 °С требуется отвод теплоты для смеси, содержащей:− 100 % метана – 13,93 Мдж/кмоль;− 96 % метана, 3 % этана и 1 % пропана – 14,38 МДж/кмоль;− 92 %метана, 7 % этана и 1 % пропана – 14,76 Мдж/кмоль;− 88 % метана, 11 % этана и 1 % пропана – 15,14 Мдж/кмоль;− 84 % метана, 11 % этана и 5 % пропана – 15,81 Мдж/кмоль.Таким образом, более жирный газ требует более высоких энергозатрат насжижение по сравнению с процессом сжижения сухого газа.Для исследования влияния давления на процесс охлаждения и конденсациибыла выбрана смесь, содержащая 92 % метана, 7 % этана и 1 % пропана.Рассматривался процесс охлаждения смеси от температуры 20 °С до минус 160 °Спри давлении 2, 3,7, 5, 7 и 10 МПа.
Охлаждение смеси при давлении 2, 3,7 или5 МПа в определенный момент приводит к образованию двухфазного потока. Придавлении 2 МПа двухфазная область соответствует интервалу температур отминус 69 до минус 104 °С; при давлении 3,7 МПа – от минус 60 до минус 85 °С;при давлении 5 МПа – от минус 58 до минус 73 °С. При давлениях 7 и 10 МПадвухфазная область отсутствует. Следовательно, повышение давления досверхкритических значений позволяет избежать перекачки двухфазного потока потехнологическим трубопроводам.
Кривые охлаждения смеси для разных значенийдавления представлены на рисунке 3.43.248Рисунок 3.43 – Кривые охлаждения смеси метана, этана и пропана при разныхдавлениях: справа указаны значения давления в МПа; точками на кривыхобозначена двухфазная область(Источник: составлено автором)Исследования также показали, что увеличение давления потока газаспособствует отводу теплоты от него. Так, для сжижения вышеобозначеннойсмеси метана, этана и пропана 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.Т. е., повышение давления природного газа повышает эффективностьотвода теплоты.2493.4.2 Повышение энергоэффективности технологий сжижения природногогаза на основе смесевых хладагентовКак отмечалось, при выборе промышленных технологий охлаждения исжижения руководствуются термодинамическим принципом наименьших потерьэнергии.
Если процесс теплообмена природного газа с хладагентами виспарителях холодильных циклов представить на диаграмме T-Qʹ, то к кривойохлаждения газа (см. рисунок 3.41) добавятся кривые испарения хладагентов.Когда хладагент представляет собой чистый компонент, то линия его испарениябудет совпадать с изотермой. В случае многоступенчатого цикла, когда испарениехладагента проводится на нескольких уровнях давления, в целом, линияиспарения хладагента представляет собой ступенчатую линию, при этомизотермы испарения будут соответствовать выбранному давлению испарения.Если при охлаждении природного газа используется смесевой хладагент (СХА),то линия его испарения будет пологой, как у природного газа (см. рисунок 3.13).Создание более эффективных технологических процессов производстваСПГ связано с проблемой точности предсказания термодинамических свойствуглеводородных смесей, например, при применении смесевых хладагентов.Применение смесевых хладагентов связано с необходимостью максимальноприблизить кривые охлаждения природного газа и используемого хладагента сцелью уменьшения энергетических затрат на сжижение.
Поскольку составхладагента зависит от состава сжижаемого газа, то для каждого месторожденияприходится решать задачу подбора СХА.Так, например, на основе термодинамических исследований фазовогоравновесия построена зависимость минимальной температуры охлаждениязаданногогазаотсоставасмесевогопредварительного охлаждения (рисунок 3.44).хладагентапропан-этанцикла250Рисунок 3.44 – Зависимость минимальной температуры газа на выходе из циклапредварительного охлаждения от состава СХА пропан-этан(Источник: составлено автором)Можно заметить, что использование чистого пропана позволяет охладитьгаз только до минус 27 °C, а при добавлении 30 % этана эта температурапонижается уже до минус 50 °C.Подбор более сложного состава СХА, содержащего азот, метан, этан,пропан и бутаны, например, для однопоточных технологий сжижения, требуетзнаний термодинамических свойств как отдельных компонентов, так и их смесей,а также применения компьютерных расчетов.
Известны методики подбораоптимального состава СХА [28, 75]. В идеальном случае состав хладагентадолжен быть таким, чтобы при давлении испарения его кривая испаренияповторяла очертания кривой охлаждения природного газа, но с разностьютемператур ΔТ по всей длине кривой охлаждения, как показано на рисунке 3.45.251При этом разность температур горячего и холодного потоков должна бытьминимальной настолько, насколько позволяет максимально возможная площадьтеплообмена реального аппарата.Рисунок 3.45 – Кривые охлаждения природного газа и идеального хладагента:синяя линия – кривая охлаждения природного газа, красная – линия испаренияидеального хладагента(Источник: составлено автором)Решение задачи подбора состава СХА для однопоточных технологийсжижения возможно в графической форме. Для этого был разработан алгоритм,представленный на рисунке 3.46.
Для его реализации необходима база данных потермодинамическим свойствам компонентов СХА и их смесей, а также составприродногогазапослеочисткииосушки.Такжезадаетсявеличинамаксимального и минимального температурного напора в качестве границ«коридора», внутри которого должна проходить кривая испарения СХА.252Рисунок 3.46 – Алгоритм подбора состава СХА для однопоточных технологий(Источник: составлено автором)253Расчет и построение кривой охлаждения природного газа в координатах TQʹ позволяет определить общее количество теплоты, которое нужно отнять уприродного газа, чтобы перевести его в жидкую фазу.
При известной площадиповерхности теплообмена реального аппарата задается температурный напорлибопризаданномтемпературномнапорерассчитываетсяповерхностьтеплообмена. Далее задается положение кривой испарения СХА и давлениеиспарения. В базе данных термодинамических свойств компонентов природногогаза с помощью компьютерной программы ведется поиск смесей, исходя из тогоусловия, что кривые испарения смесей должны отстоять от заданной кривойохлаждения природного газа на величину заданного температурного напора ΔТ. Вслучае, если в базе данных отсутствует кривая, полностью повторяющая профилькривой охлаждения природного газа, то возможен подбор двух или трех кривых,которые в совокупности будут повторять профиль заданной кривой. Тогда двекривые будут соответствовать двум холодильным циклам, три подобранныхкривых будут означать три последовательных холодильных цикла.Ниже приведен пример подбора рационального состава СХА для сжиженияприродного газа, состав которого после очистки и осушки приведен втаблице 3.18.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
