Воздухоразделительные установки для получения жидких криопродуктов, использующие холод сжиженного природного газа

В установках такого типа система регазификации СПГ связана с технологической схемой ВРУ и оказывает непосредственное влияние на работу ВРУ, обеспечивая ввод необходимой холодопроизводительности, позволяющей отводить определенное количество криопродуктов в жидком виде. Связь системы регазификации СПГ с технологической схемой ВРУ может осуществляться различно, однако при практическом решении этой задачи, как правило, руководствуются определенными положениями, которые являются в большей степени общими для всех установок, утилизирующих холод СПГ.

В значительной степени общими являются вопросы, связанные с разработкой технологической схемы системы регазификации и выбора основных параметров ее работы.

Одним из первых вопросов, подлежащих разрешению, является выбор наиболее рациональной системы использования холода регазифицируемого СПГ.

При построении технологической схемы ВРУ наиболее целесообразно было бы осуществление непосредственного охлаждения перерабатываемого воздуха СПГ.

Однако при возникновении утечек газа в теплообменниках узла регазификации появляется опасность образования взрывоопасных смесей воздуха с метаном, являющимся основным компонентом СПГ.

В связи с этим для обеспечения большей взрывобезопасности ВРУ обычно идут на применение в схеме промежуточного теплоносителя, который охлаждают СПГ и с его помощью вводят в установку необходимую холодопроизводительность. В качестве теплоносителя (хладоносителя) целесообразно использовать газы, которые являются продуктами разделения воздуха, но в достаточной степени инертны по отношению к метану. Такими газами являются азот и аргон. Однако в связи с тем, что извлечение аргона из воздуха предусматривается не на всех ВРУ и содержание его в воздухе относительно мало, наиболее приемлемым промежуточным теплоносителем в ВРУ, утилизирующих холод СПГ, является азот.

Второй вопрос, который приходится решать при разработке системы регазификации СПГ и схемы ВРУ, – это выбор давления, при котором должна осуществляться регазификация СПГ.

Здесь возможны два варианта: газификация СПГ при низком давлении с последующим сжатием в компрессоре, куда ПГ поступает при температуре окружающей среды, или газификация под высоким или повышенным давлением путем нагнетания СПГ с помощью насоса.

Выше было показано (см. рис. 2.2.2), что при кипении жидкого СН₄ под давлением около 0,12 МПа давление циркуляционного потока азота, используемого в качестве промежуточного хладоносителя, если последний должен быть сконденсирован, составляет 2,2–2,5 МПа. Если регазификация СПГ идет при более высоком давлении, то это вызовет необходимость повышения давления циркуляционного N₂.

Наконец, последнее обстоятельство, которое должно быть принято во внимание при разработке системы регазификации СПГ, связано с влиянием примесей тяжелых углеводородов на процесс регазификации.

К числу таких примесей необходимо отнести этан, пропан, бутан и более тяжелые углеводороды, которые в определенных количествах содержатся в СПГ. Эти примеси могут выпадать в твердом виде в теплообменных аппаратах, где происходит регазификация СПГ.

Поэтому в схеме ВРУ для обеспечения надежной и устойчивой работы должны быть предусмотрены специальные устройства для удаления этих примесей.

Первая промышленная ВРУ, утилизирующая холод регазифицируемого СПГ, принадлежащая компании Tokyo Liquefied Oxygen Co, была пущена в эксплуатацию в 1971 году [20, 23, 38, 39, 40]. Сжиженный природный газ поступает на ВРУ по изолированному трубопроводу d_вн = 51 мм, длиной 1,5 км с массовой скоростью 1080 кг/(м²·с).

Принципиальная схема установки показана на рис. 2.4.1.

Данная ВРУ является установкой низкого давления, использующей циркуляционный азотный цикл среднего давления, с помощью которого в ВРУ вводится необходимая холодопроизводительность, выделяемая при регазификации СПГ.

Атмосферный воздух сжимается в турбокомпрессоре 1 до давления 0,6 МПа и, пройдя установку предварительного азото-водяного охлаждения (на рис. 2.4.1 не показана), поступает в криогенный блок.

В реверсивных теплообменниках 2 криогенного блока он охлаждается обратными потоками отбросного и циркуляционного азота до состояния, близкого к насыщению, и подается в нижнюю колонну 4. Одновременно с охлаждением воздуха в теплообменниках 2 происходит осушка воздуха и очистка его от примесей СО₂, которые вымерзают в каналах теплообменника. Удаление этих примесей происходит в период холодного дутья при переключении секций теплообменников.

Рис. 2.4.1. Схема ВРУ для одновременного получения жидких О₂, N₂ и Аr
с использованием холода СПГ:
I – воздух; II – жидкий N₂; III – жидкий О₂; IV – жидкий Ar; V – СПГ; VI – ПГ; VII – газообразный азот; VIII – газообразный Н₂; IX – отбросной азот;

1 – турбокомпрессор; 2, 9, 12, 14, 15 – теплообменники; 3 – переохладитель;
4 – нижняя колонна; 5 – верхняя колонна; 6 – конденсатор-испаритель;
7 – колонна сырого аргона; 8, 16 – адсорберы; 10 – колонна;
11 – блок очистки; 13, 17 – компрессоры; 18, 19, 20, 21 – емкости

Циркуляционный азот сжимается турбокомпрессором 13 с 0,55 до 3,3 МПа и разделяется на два потока.

Большая часть циркуляционного N₂ поступает в теплообменник 15, где охлаждается за счет регазифицируемого СПГ, а меньшая после охлаждения в теплообменнике 14 частью обратного потока циркуляционного N₂ посылается на доохлаждение ~ до 123 К в нижнюю секцию теплообменника 15.

Окончательное охлаждение циркуляционного N₂ производится в теплообменнике 12, после чего этот поток дросселируется в нижнюю колону. Часть циркуляционного азота (примерно 60 %), отводимого из нижней колонны 4, поступает в непереключающиеся секции теплообменников 2, пройдя которые и подогревшись до температуры окружающей среды при Р ≈ 0,55 МПа, поступает в компрессор 13. Другая часть циркуляционного N₂ в виде обратного потока поступает в компрессор 13 после прохождения через теплообменники 12 и 14.

Жидкий азот, отводимый из карманов нижней колонны 4, переохлаждается в переохладителе 3, и часть N₂ обеспечивает питание флегмовой верхней колонны 5, а другая часть отводится в виде готового продукта в емкость 21.

Молярная доля N₂ в получаемом жидком азоте составля­ет 99,999 %. В среднюю часть колонны 5, после прохождения через адсорберы ацетилена 8, дросселируется поток кубовой жидкости, отбираемой из колонны 4.

Жидкий продукционный кислород с молярной долей О₂ 99,8 % отводится из межтрубного пространства конденсатора-испарителя 6 и с помощью насосов (на рис. 2.2.6 не показаны) подается в емкость 20 для хранения жидкого О₂.

Для получения аргона в схему установки включена колонна сырого аргона 7, из которой сырой аргон после прохождения через теплообменник 9 поступает в блок очистки 11 сырого аргона от кислорода.

После удаления кислорода (методом каталитического гидрирования) и осушки, смесь Ar+N₂ снова поступает в криогенный блок, охлаждается в теплообменнике 9 и разделяется в колонне 10 с получением чистого аргона, содержащего 99,999 % молярных долей Ar.

Жидкий аргон из куба колонны 10 отводится в емкость 19, предназначенную для хранения жидкого Ar.

Сжиженный природный газ, подаваемый на регазификацию, из емкости 18 проходит через адсорберы 16, где очищается от СО₂ и газифицируется в теплообменнике 15 при давлении около 0,15–0,17 МПа.

Выходящий из теплообменника 15 ПГ нагнетается компрессором 17 в трубопровод и при Р = 2,7 МПа поступает в городскую газовую сеть.

Для обеспечения большей безопасности установки теплообменники, в которых циркуляционный азот охлаждается СПГ, вынесены из основного криогенного блока.

Рассмотренная выше установка производит 10 т/ч жидкого О₂ с молярной долей кислорода 99,8 %; 3,81 т/ч жидкого N₂ (99,999 % N₂) и 268 кг/ч жидкого Ar с молярной долей аргона 99,999 %.

Расход СПГ, посылаемого на регазификацию, составляет 8 т/ч. Полученные на установке жидкие криопродукты сливают в стационарные емкости, имеющие массу хранимого продукта, соответственно: кислорода – 2000 т, азота – 900 т, и в две – для аргона емкостью по 15 т каждая. Основной режим работы установки предусматривает получение в качестве главного продукта – жидкого O₂ и побочного – жидкого N₂. При необходимости соотношение между получаемыми жидкими О₂ и N₂ может быть изменено в сторону увеличения производства жидкого N₂ при уменьшении доли жидкого О₂. В работах [20, 38, 39] произведено сравнение ВРУ, использующей холод регазифицируемого СПГ, и обычной ВРУ, схемы которых базируются на использовании циклов низкого давления с применением циркуляционного азотного цикла среднего давления. Основные данные этих установок и характеристики технологических потоков представлены в табл. 2.4.1.

В установке, не использующей холод сжиженного природного газа, необходимая холодопроизводительность получается за счет включения в схему турбодетандера среднего давления, установленного на потоке циркуляционного азота и хладоновой холодильной машины, обеспечивающей предварительное охлаждение сжатого циркуляционного N₂.

Как видно из табл. 2.4.1, при условии получения на сравниваемых ВРУ одних и тех же продуктов разделения воздуха и в одинаковых количествах на установке, использующей холод СПГ, несколько меньше капитальные затраты и существенно снижаются удельные затраты электроэнергии и себестоимость продукции.

Приведенная на рис. 2.4.1 схема ВРУ, использующей холод СПГ, в целом была работоспособна, однако эффективность работы теплообменника 15 довольно быстро снижалась. Последнее объяснялось тем, что в теплообменнике при испарении СПГ происходило отложение (вымерзание) на теплообменной поверхности тяжелых углеводородов, содержащихся в СПГ. Это приводило к необходимости отогрева и удаления примесей из теплообменника каждые два месяца [40]. Анализ этого процесса показал, что несмотря на то, что в качестве СПГ использовался газ, получаемый из Аляски, в котором содержится СН₄ значительно больше, чем в газах других месторождений, в нем содержится много видов тяжелых углеводородов. Так, содержание в молярных долях С₃Н₈ составляло 100·10^–4; С₄ – 99,2 ·10^–4; С₅ – 41,4·10^–4; С₆ – 54,4·10^–4; С₇ – 66,7·10^–4; С₈ – 11,7·10^–4 и С₉ – 0,1·10^–4 %. Кроме того, было обнаружено, что в отложениях содержится некоторое количество высших углеводородов, таких, как n-гептан, циклогексан, n-гексан и других, имеющих температуру замерзания от 173 до 280 К. В результате исследований, проведенных фирмой Tokyo Liquefied Oxygen Co, была предложена новая схема системы регазификации ВРУ [40], показанная на рис. 2.4.2.

Рис. 2.4.2. Схема узла регазификации СПГ с использованием
процесса "парциального" испарения:
I – циркуляционный азот из реверсивных теплообменников ВРУ;
II – циркуляционный N₂ из нижней колонны ВРУ; III – циркуляцион-
ный N₂ в нижнюю колонну; IV – ПГ; V – СПГ из емкости;
1, 7 – турбокомпрессоры; 2, 3, 4, 5 – теплообменники; 6 – сепаратор

В отличие от предыдущей системы с одним испарителем СПГ (см. рис. 2.4.1) в схему включено три теплообменника. СПГ из емкости (на рис. 2.4.2 не показана) дросселируется до Р = 0,17 МПа и при температуре 115 К поступает в теплообменник 3. Выходящая из теплообменника 3 парожидкостная смесь поступает в сепаратор 6.

Таблица 2.4.1