Циклы для получения сжиженного природного газа

14 сентября 2023

Максим Талызин

Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой природный газ, переведенный в жидкое состояние охлаждением до температуры -161,5°С.

Природный газ является одним из лучших энергоносителей, поскольку при его сгорании выделяется меньше вредных выбросов, а основной компонент, метан, позволяет снизить удельный расход топлива приблизительно на 13%.

Поскольку удельный объем природного газа в жидкой фазе меньше приблизительно в 600 раз удельного объема в газовой фазе, создается возможность крупнотоннажной транспортировки газа в сжиженном состоянии на большие расстояния морским, автомобильным, железнодорожным транспортом, а также создания резервных запасов в резервуарах - хранилищах для покрытия пиковых нагрузок и неравномерностей потребления.

При производстве СПГ применяются следующие термодинамические циклы:

Классический каскадный цикл на 3-х рабочих веществах.
Однопоточный цикл на многокомпонентном хладагенте с одним и двумя контурами (цикл А.П. Клименко).
Детандерный цикл с использованием перепада давления на газоредуцирующих станциях (ГРС).
Дроссельный цикл с использованием перепада давления на ГРС.
Цикл с использованием жидкого азота из ВРУ.

Классический каскадный цикл (рис. 1) включает три ветви каскада:

в верхней ветви каскада используется пропан в качестве хладагента;
в средней ветви каскада используется этилен;
в нижней – метан.

Природный газ при давлении 45 бар проходит блок очистки и поступает в теплообменник верхней ветви каскада, где охлаждается до температуры минус 37° за счет отбора теплоты при кипении пропана.

После этого природный газ поступает в блок ректификации, далее природный газ охлаждается в теплообменнике средней ветви каскада до температуры минус 100°С, а после этого в теплообменнике нижней ветви переходит в жидкое состояние при давлении 1,2 бар и температуре минус 160°.

Сжиженный природный газ поступает в ресивер, откуда насосом СПГ подается в хранилище, а пары метана откачиваются компрессором.

В верхней ветви каскада применяется многопоточный теплообменник – в испарителе за счет кипения пропана происходит отвод теплоты от природного газа, конденсация этилена средней ветви каскада, конденсация паров метана нижней ветви каскада.

В теплообменнике средней ветви каскада происходит охлаждение природного газа и конденсация метана за счет кипения этилена (хладагент средней ветви каскада).

В теплообменнике нижней ветви каскада происходит конденсации природного газа за счет кипения метана.

Рисунок 1. Классический каскадный цикл для получения сжиженного природного газа

К преимуществам данного цикла относятся:

простота;
хорошая изученность;
высокая эффективность.

Недостатками являются:

громоздкая схема;
большая протяженность трубопроводов;
необходимость в многопоточных теплообменных аппаратах;
потребность в этилене.

Последний пункт — потребность в этилене — является важным, поскольку требования к чистоте данного хладагента высокие.

Например, если требования к пропану (табл. 1) ниже, чем возможно получить на существующих производствах (табл. 2), то требования к чистоте этилена (табл. 3) значительно выше.

Таблица 1. Требования по чистоте к пропану

№ п/п	Наименование компонента	Единица измерения	Содержание компонента
1	Пропан, не менее	% мол.	95
2	Этан, не более	% мол.	2
3	Сумма бутанов, не более	% мол.	3
4	CO2, не более	ppm мол.	50
5	Метанол, не более	ppm мол.	1
6	Вода, не более	ppm мол.	20
7	Сероводород, не более	ppm мол.	5
8	Общая сера, не более	ppm мол.	5
9	Диены, не более	ppm мол.	5
10	1,3-бутадиен, не нормируется	ppm мол.	определение обязательно
11	Алкины, не более	ppm мол.	5
12	Оксигенаты, не нормируется	ppm мол.	определение обязательно
13	Кислород, не более	ppm мол.	1
14	Олефины (С₂, С₃, С₄), не более	% мол.	1
15	Пропилен, не нормируется	ppm мол.	700

Таблица 2. Технические характеристики пропана

№ п/п	НАИМЕНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ	НОРМА
№ п/п	НАИМЕНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ	Хладон R290 МАРКА А ТУ 19.20.31-089- 48420562-2017	Хладон R290 МАРКА Б ТУ 19.20.31-089- 48420562-2017	Пропан ВЧ 4.0 ТУ 19.20.31-098- 48420562-2018
1.	Внешний вид	Бесцветный газ без запаха
2.	Объёмная доля, компонентов, %
	— пропана, %, не менее	99,9	99,8	99,99
	— сумма низкокипящих компонентов (воздух, метан, этан), не более	0,050	0,050	0,008
	— сумма высококипящих компонентов(пропилен, углеводороды С₄) и выше	0,150	0,150	0,006
3.	Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы %, не более	0,0001	0,0001	0,0010
4.	Массовая доля воды, % не более	0,001	0,001	0,0012
5.	Массовая доля нелетучего остатка, %, не более	0,01	0,01	0,001

Таблица 3. Требования по чистоте к этилену

№ п/п	Параметр	Единица измерения	Значение
1	Этилен	% _мол, не менее	99,9
2	Вода	ppmm, не более	5
3	Метанол	ppmm, не более	10
4	Диоксид углерода	ppmm, не более	50
5	Бензол	ppmm, не более	1
6	С6+	ppmm, не более	1