fizykochemiczne własności skroplonego metanu i...

Fizykochemiczne własności skroplonego metanu i azotu

- Parametry - Wartość parametru Jednostka Uwagi

METAN [CH4]

Masa molowa 16,043 Kg/Kmol

Gęstość normalna 0,7175 Kg/m3

Gęstość względna 0,5549 -

Lepkość dynamiczna 10,22 x 106 Pa x s

Punkt potrójny

Temperatura 90,680 (-182,4) K (0

C)

Ciśnienie 0,117 Bar

Gęstość cieczy 451,53 Kg/m3

Gęstość pary 0,25153 Kg/m3

Punkt wrzenia

Temperatura 111,63 (-161,52) K (0

C)




Punkt krytyczny

Temperatura 190,53 (-82,62) K (0

C)


Gęstość 162,8 Kg/m3

Ilość gazu z 1m3

cieczy w temperaturze

wrzenia

630 Nm3 Gaz rozprężony do

ciśnienia 1 bar i 150

C

AZOT [N2]

Masa molowa 28,0135 Kg/Kmol

Gęstość normalna 1,2504 Kg/m3

Gęstość względna 0,9671 -

Lepkość dynamiczna 16,52 x 106 Pa x s

Punkt potrójny

Temperatura 63,148 (-210,002) K (0

C)




Punkt wrzenia

Temperatura 77,347 (-195,803) K (0

C)




Punkt krytyczny

Temperatura 126,2 (-146,95) K (0

C)


Gęstość 314,03 Kg/m3

Ilość gazu z 1m3

cieczy w temperaturze

wrzenia

710 Nm3 Gaz rozprężony do

ciśnienia 1 bar i 150

C

Przegląd metod skraplania gazu ziemnego (oprac. Zbigniew Żulicki)

Zgodnie z oceną U.S. Institute of Gas Technology, transport morski LNG

cechuje się większą opłacalnością (efektywnością transportu) w porównaniu z

rurociągiem podwodnym przy odległości powyżej 700 mil morskich oraz w

porównaniu z rurociągiem lądowym przy odległości powyżej 2200 mil morskich.

Do przygotowywania LNG do międzynarodowych przewozów morskich stosowana

jest z reguły specjalna technologia, zgodnie z którą gaz ziemny wydobyty ze złóż

lądowych lub na szelfie dostarczany jest rurociągami do terminali rozmieszczonych

na wybrzeżu. Gaz w tych terminalach jest oczyszczany i skraplany [1].

Skraplanie gazu ziemnego jest więc ekonomiczne, kiedy duże ilości LNG

przewozi się na znaczne odległości. W wielu wypadkach opłacalne jest też

budowanie instalacji o mniejszej wydajności, służących jedynie do skraplania gazu

podbieranego z gazociągu. Umożliwia to pokrywanie nierównomierności lokalnego

zapotrzebowania poprzez regazyfikację LNG przechowywanego w zbiornikach

niskotemperaturowych.

Obecnie w zależności od pożądanej wydajności instalacji oraz składu

przerabianego gazu i ciśnienia, stosowane są zasadniczo trzy metody skraplania

gazu ziemnego:

i. klasyczny cykl kaskadowy;

ii. cykl kaskadowy z mieszanym czynnikiem chłodzącym;

iii. cykl rozprężny.

Gaz ziemny przed procesem skraplania należy odpowiednio przygotować,

usunąć z niego dwutlenek węgla, siarkowodór, azot oraz parę wodną i węglowodory

ciężkie. Gazy kwaśne usuwa się najczęściej w procesie absorpcji oraz, gdy ich

udziały są niewielkie poprzez proces adsorpcji na sitach molekularnych. Jeżeli

chodzi o parę wodną, najskuteczniejszą obecnie na świecie metodą osuszania gazu

jest adsorpcja na złożu sit molekularnych, natomiast rzadziej stosuje się osuszanie

gazu metodą glikolową. Również węglowodory ciężkie usuwa się z gazu ziemnego

poprzez proces adsorpcji, stosuje się tu złoże węgla aktywnego. Metody usuwania

azotu to obszerny temat. Istnieje bowiem wiele efektywnych metod, których wybór

zależy od wielu czynników procesowych. Najbardziej rozpowszechnioną metodą

jest niskotemperaturowa destylacja, poprzez obniżenie temperatury gazu ziemnego

do wartości zbliżonej do temperatury wrzenia metanu. Można wtedy rozdzielić

składniki gazu na zasadzie różnicy temperatur wrzenia.

Rozszerzający się i chłonny światowy rynek LNG zmierza w kierunku

optymalnych metod procesu i instalacji , które przyczynią się do obniżenia kosztów

zarówno kapitałowych jak i i operacyjnych, dla rosnącej wydajności. Prowadzi to do

większego zainteresowania technologiami alternatywnymi dla obróbki wstępnej,

skraplania i przechowywania gazu ziemnego.

Przemysł LNG zastał zdominowany przez technologię jednego procesu,

wstępnie chłodzonego Procesu Mieszanego Czynnika Chłodniczego (Mixed

Refrigerant Process – MCR)[1]

Taki proces ma obecnie największy rekord w działających ponad 50

instalacjach na całym świecie. Od wielu lat firmy Technip, wraz z L’Air Liquide

oferowały również technicznie trafny i handlowo atrakcyjny wymiennik ciepła ze

zwiniętą zwojnicą w technologii Mieszanego Czynnika Chłodniczego (Mixed

Refrigerant), jednak proces nazwany Tealarc nie odniósł sukcesu. W latach

dziewięćdziesiątych sytuacja się zmieniła poprzez udoskonalenie procesów

używających żebrowo-płytowe wymienniki ciepła (PFHE). Proces Philips Optimised

Cascade zastosowano dla projektu Atlantic LNG w Point Fortin na Trynidadzie.

Przez wiele lat działał również proces mieszanego czynnika chłodniczego o nazwie

Pritchard – PRICO w Skikda (Algieria). Rynek Peak Shave LNG, przeprowadził

wiele modernizacji, które zmierzały w kierunku wymiany starszych, mniej wydajnych

instalacji działających w okresach szczytowych zapotrzebowań energii na

instalacje, w których zastosowano technologię mieszanego czynnika chłodniczego.

Zainteresowało to większe firmy technologiczne, takie jak: APCI; Pritchard;

Linde; L’Air Liquide; Gaz de France; Snamprogetii, CBI; BOC; Costain

2.8.1. Klasyczna metoda kaskadowa skraplania gazu ziemnego (rys. 1.).

Proces ten polega ona na ochładzaniu gazu ziemnego w trzech cyklach

chłodniczych, w których czynnikami chłodniczymi są propan, etan i metan. Na

wejściu gaz ziemny pod ciśnieniem 3-4 MPa, uprzednio osuszony i oczyszczony z

dwutlenku węgla przepływa przez wymiennik 1. Ochładzany jest w nim dzięki

wymienionym powyżej trzem kolejnym cyklom chłodniczym czyli tzw. układowi

kaskadowemu. Propan jako czynnik z pierwszego cyklu wykorzystuje się

jednocześnie do skroplenia drugiego czynnika - etanu w wymiennikach 1a i 1b,

natomiast etan do skroplenia trzeciego czynnika - metanu w wymiennikach 1c i 1d.

A więc w wymiennikach 1a i 1b przebiegają zarówno odparowanie propanu, jak i

skraplanie etanu jako czynnika chłodzącego w następnym cyklu, a przy tym

następuje jednocześnie ochłodzenie gazu ziemnego przepływającego w trzeciej

przestrzeni. Podobnie jest z pozostałymi czynnikami - etanem i metanem w

wymiennikach 1c i 1d. Czynniki chłodzące sprężane są w sposób kilkustopniowy w

celu uzyskania wyższych ciśnień w sprężarkach - 3, natomiast rozprężane są na

zwężkach dławiących. W kolejnych wymiennikach kaskadowego cyklu obniżania

temperatury (od wymiennika 1a do wymiennika 1f) temperatury czynników

chłodniczych wynoszą odpowiednio -32 ; -40 ; -68 ; -126 ; -1470C. Gaz ziemny

odbierany z wymiennika końcowego 1f jest rozprężany do separatora 2d, z którego

odbiera się LNG oraz gaz opałowy wykorzystywany na potrzeby własne zakładu lub

wprowadzany ponownie na wejście procesu.

0,1

5 M

Pa

0,5

5 M

Pa

0,1

7 M

Pa

0,5

5 M

Pa

1,5

MP

a

Propan Metan 3,7 MPa

3a

3c

4a

0,2 MPa

Gaz

opałowy

2a

2d

G

a 1a 1b 1c 1d 1e 1f

Etan

2b 3b

Metan

2c

Etan

4b

2,0 MPa

Rys.1. Schemat instalacji do skraplania gazu ziemnego klasyczną metodą kaskadową: 1 – spiralne wymienniki ciepła; 2 – separatory; 3 – sprężarki; 4 – chłodnice wodne; A – propanowy cykl chłodniczy; B – cykl chłodniczy etanowy; C – cykl chłodniczy metanowy;

2.8.2. Cykl kaskadowy z mieszanym czynnikiem chłodzącym (rys. 2.).

Jest to zmodyfikowanie klasycznego cyklu kaskadowego, polegające na

zastosowaniu jednej tylko sprężarki oraz jednego czynnika chłodzącego, który jest

mieszaniną węglowodorów oraz azotu czyli głównych składników gazu ziemnego.

Gaz ziemny jest najpierw wychładzany i częściowo schładzany w wymiennikach.

W przedstawionym na rysunku 2 schemacie zastosowano wstępne chłodzenie za

pomocą propanowego cyklu chłodzenia, jednak często w terminalach nadmorskich

do wstępnego chłodzenia wykorzystuje się chłodnice wodne. W propanowym

wymienniku ciepła chłodzi się jednocześnie wstępnie strumień mieszanego

czynnika chłodzącego tłoczonego przez sprężarkę 5, która pracuje w ramach cyklu

chłodniczego realizowanego z czynnikiem mieszanym. Część wymienników 2 i 3

przeznaczona jest do przepływu schładzanego gazu ziemnego. Większa część tych

wymienników stanowi odparowalnik czynnika chłodniczego, który przed

wprowadzeniem do nich jest rozprężany na zaworach Joule’a – Thompsona 7.

Mieszany czynnik chłodniczy cyrkuluje w układzie w formach gazowej, ciekłej oraz

dwufazowej. Gaz ziemny ochłodzony w wymiennikach 1 i 2 kieruje się do

separatora 4a celem oddzielenia jego skroplonej części węglowodorów ciężkich

C2+. Część nie skroplona, o zasadniczym udziale metanu, rozprężana jest w

separatorze 4c, z którego odbierany jest LNG.[1]

6b 6a

4,0 MPa

5

4a

Gaz

opałowy

1

2 3 4c

G 7

a

7 7

Propan

-400C

4b

C2+

Rys. 2. Schemat instalacji do skraplania gazu ziemnego z zastosowaniem mieszanego czynnika chłodniczego 1 – spiralny wymiennik ciepła propanowy; 2,3 – spiralne wymienniki ciepła; 4 – separatory; 5 – sprężarka dwustopniowa; 6 – chłodnice; 7 – zawory J-T.

2.8.3. Pięcioetapowy cykl z mieszanym czynnikiem chłodniczym MCR (rys. 3.).

Proces skraplania gazu ziemnego przedstawiony na rys. 3 dominuje w

zmodernizowanych i nowo budowanych instalacjach. Rysunek 3 przedstawia

klasyczny proces MCR, w którym jako czynniki mieszaniny chłodniczej wykorzystuje

się azot, metan, etan, propan, butan. Gaz wsadowy jest ochładzany w

wymiennikach od E2 do E6, następnie wchodząc do zbiornika oznaczonego V6 jest

rozprężany na zaworze Joule’a-Thomsona. Ze zbiornika V6 odbierany jest LNG

oraz gaz opałowy na potrzeby produkcji. Natomiast mieszanina chłodnicza jest

sprężana poprzez sprężarkę z ciśnienia ok. 300kPa do ciśnienia 3000kPa,

następnie przechodzi przez chłodnicę wodną do separatora oznaczonego V1, gdzie

następuje wstępna kondensacja butanu i propanu. Kondensat rozpręża się na

zaworze Joule’a-Thompsona lub turbinie ekspansyjnej do ciśnienia 330kPa i

wprowadza do obiegu mieszaniny chłodniczej. W kolejnych stopniach następuje

kondensacja kolejnych składników mieszaniny, które wykorzystuje się do

schładzania wejściowego gazu ziemnego w wymiennikach ciepła. Po wymianie

ciepła w wymienniku E3 następuje oddzielenie węglowodorów ciężkich w

separatorze oznaczonym V5.

V5

GAZ ZIEMNY

MIESZANINA

WĘGLOWODORY

E2 E3 E4

E5 E6

ZB

JT6

C1 JT1 JT2 JT3 JT4

JT5

LNG

E1 V1 V2 V3 V4

Rys. 3. Schemat instalacji do skraplania gazu ziemnego – pięcioetapowy cykl z mieszanym czynnikiem chłodniczym MRC E - wymienniki ciepła; V – separatory; C – sprężarki; E1 – chłodnica wodna; JT – zawory Joule’a Thompsona.

2.8.4. Cykl rozprężania (rys. 4.).

Instalacje skraplające gaz ziemny metodą rozprężania wykorzystują do

wykonania procesu rozprężania zawory Joule’a-Thomsona i turbiny

ekspansyjne. Podstawową rolę w procesie odgrywa turbodetander 3, w którym

część gazu (około 85%) rozpręża się ( a wytworzoną energią napędza sprężarkę

4) i ochładza się do bardzo niskiej temperatury. Tę część gazu wykorzystuje się

następnie w wymienniku 2 do skroplenia około 15% gazu kierowanego sprzed

turbiny do tego wymiennika. Sześciokrotnie obniżając ciśnienie gazu w

turbodetanderze można skroplić około 10% ze strumienia 15-tu %

przechodzącego przez wymiennik 2, 5% strumienia z separatora 5 kierowane jest

do strumienia gazu z turbiny.

Sprężony gaz ziemny 2,0 MPa G

a

2

-900C

Gaz

nieskroplony 90%

15%

1

85% 4

3

7

5 5%

-1570C

6

10%

-1610C

Rys. 4. Schemat instalacji do skraplania gazu ziemnego metodą cyrkulacji rozprężania

1 – instalacja oczyszczania i osuszania; 2 – wymiennik ciepła; 3 – turbina ekspansyjna; 4 – sprężarka; 5 – oddzielacz; 6 – zbiornik LNG; 7 – zawór redukcyjny.

[1] Kocemba A. „Znaczenie LNG na światowym rynku paliw gazowych” 2000.

fizykochemiczne własności skroplonego metanu i...

Documents