Циклы ожижения метана

Наряду с этими способами в работе [25] рассматривается детандерный цикл ожижения ПГ, предложенный Ж. Лурье. В этом варианте цикла ожижения сжатого ПГ до Р 10 МПа используется циркуляционный метановый цикл.

В метановом циркуляционном цикле метан сжимается в компрессоре, затем охлаждается в пропановой компрессорной установке и направляется на расширение в детандер, где его температура понижается до 116 К. В этом состоянии поток поступает в теплообменник для охлаждения сжатого метана, ожижаемого в цикле.

По выходе из теплообменника метан циркуляционного потока поступает на сжатие в компрессор.

Сжиженный ПГ дросселируется до атмосферного давления и направляется в хранилище СПГ.

Этот цикл имеет меньшую сложность по сравнению с рассмотренным ниже каскадным способом ожижения ПГ. Он может быть рекомендован для установок небольшой производительности.

Значение х в этом цикле достигает 80 %, а остальные 20 % перерабатываемого ПГ идут в качестве топлива для привода установки. Расчетное значение удельных энергетических затрат при давлении ПГ, поступающего на ожижение и равного ~ 4,2 МПа, составляет 0,64 кВт×ч/кг СПГ.

Для крупных ожижительных установок весьма эффективными являются ожижители ПГ, работающие по каскадному циклу ожижения. Как показано в работе [48], сущность этого цикла состоит в том, что газ, ожижающийся при менее низкой температуре, используется в качестве холодильного агента для второго, более трудно конденсирующегося газа.

Этот метод был использован физиком Р. Пикте для получения жидкого кислорода, а позднее В. Кеезомом для ожижения азота, где в каскадном цикле применялись каскады, в которых в качестве рабочего газа использовались аммиак, этилен, метан и азот.

На рис. 1.3.11 приведена принципиальная схема установки ожижения ПГ (метана), работающей по трехкаскадному циклу. В данной установке так же, как и в аналогичной ей, приведенной в работах [25, 48], использован каскад «аммиак-этилен-метан (ПГ)».

В первом цикле каскада в компрессоре К1 аммиак сжимается до необходимого давления, затем охлаждается в теплообменнике ТО1, в который на охлаждение аммиака подается вода. Одновременно с охлаждением аммиака в теплообменнике ТО1 он конденсируется и жидкость с помощью дроссельного вентиля дросселируется в конденсатор-испаритель КИ1.

Во втором цикле в компрессоре К2 сжимается этилен, который охлаждается в двух параллельно установленных теплообменниках ТО2 и ТО3.

В первом из них поток сжатого этилена охлаждается аммиаком, пары которого поступают в теплообменник ТО2 из конденсатора-испарителя КИ1. Во втором для охлаждения части сжатого этилена используется часть газообразного этилена, выходящего из конденсатора-испарителя КИ2.

Рис. 1.3.11. Принципиальная схема трехкаскадной установки ожижения ПГ:
К1, К2, К3 – компрессоры; ТО1, ТО2, ТО3, ТО4, ТО5 – теплообменники;
ДВ, ДВ1 – дроссельные вентили; КИ1, КИ2 – конденсаторы-испарители;
ОЖ – отделитель жидкости

Конденсация потоков этилена, выходящих из теплообменников ТО2 и ТО3, осуществляется в конденсаторе-испарителе КИ1 за счет кипения в нем жидкого аммиака.

Сконденсированный в этом цикле этилен затем дросселируется с помощью дроссельного вентиля ДВ1 в конденсатор-испаритель КИ2.

В третьем цикле поток метана, состоящий из циркуляционного и ожижаемого потоков, сжимается в компрессоре К3 и затем охлаждается в двух параллельно установленных теплообменниках ТО4 и ТО5. В первом из них часть метана охлаждается частью потока этилена низкого давления, поступающего в теплообменник ТО4 из конденсатора-испарителя КИ2, а во втором – потоком циркуляционного метана, выходящего из отделителя жидкости ОЖ. Потоки низкого давления этилена, выходящие из теплообменников ТО2 и ТО3, затем поступают на сжатие в компрессор К2.

Метан, выходящий из теплообменников ТО4 и ТО5, затем поступает на конденсацию в конденсатор-испаритель КИ2 за счет кипения в этом аппарате жидкого этилена.

Ожиженный в конденсаторе-испарителе КИ2 метан затем дросселируется в отделитель жидкости ОЖ, откуда ожиженная часть метана в виде СПГ поступает потребителю.

Таким образом, в первом цикле испаряющийся аммиак используется для конденсации этилена во втором цикле, а испаряющийся этилен – для конденсации метана, циркулирующего в третьем цикле, и ожижаемого в цикле метана, отводимого в виде потока СПГ.

Определение величин потоков, циркулирующих в каждом из циклов, было проведено для значений давлений криопродуктов каждого из циклов, которые приведены в работах [25, 48] для оптимального режима работы такой каскадной установки.

При проведении расчетного анализа гидравлические потери по линии обратных потоков газов, выходящих из аппаратов КИ1, КИ2 и ОЖ, не учитывались и принималось, что кипение аммиака, этилена и метана в них происходит при Р = 0,1 МПа.

Величина удельных холодопотерь была принята равной q_c = 4,0 кДж/кг. Суммарный поток метана G, состоящий из потока, циркулирующего в цикле, и ожиженной части х, отводимой из установки в виде СПГ, был принят равным 1 кг. Принятые значения температур кипения, конденсации и давлений конденсации приведены в табл. 1.3.10.

Таблица 1.3.10