Fizykochemiczne własności skroplonego metanu i azotu

Fizykochemiczne własności skroplonego metanu i azotu
- Parametry -
Wartość parametru
Jednostka
16,043
0,7175
0,5549
6
10,22 x 10
Kg/Kmol
3
Kg/m
Pa x s
90,680 (-182,4)
0,117
451,53
0,25153
0
K ( C)
Bar
3
Kg/m
3
Kg/m
111,63 (-161,52)
1,01325
422,62
1,819
0
K ( C)
Bar
3
Kg/m
3
Kg/m
190,53 (-82,62)
45,96
162,8
630
0
K ( C)
Bar
3
Kg/m
3
Nm
28,0135
1,2504
0,9671
6
16,52 x 10
Kg/Kmol
3
Kg/m
Pa x s
63,148 (-210,002)
0,1253
867,771
0,675123
0
K ( C)
Bar
3
Kg/m
3
Kg/m
77,347 (-195,803)
1,01325
808,607
4,61381
0
K ( C)
Bar
3
Kg/m
3
Kg/m
126,2 (-146,95)
33,99
314,03
710
0
K ( C)
Bar
3
Kg/m
3
Nm
Uwagi
METAN [CH4]
Masa molowa
Gęstość normalna
Gęstość względna
Lepkość dynamiczna
Punkt potrójny
Temperatura
Ciśnienie
Gęstość cieczy
Gęstość pary
Punkt wrzenia
Temperatura
Ciśnienie
Gęstość cieczy
Gęstość pary
Punkt krytyczny
Temperatura
Ciśnienie
Gęstość
3
Ilość gazu z 1m cieczy w temperaturze
wrzenia
Gaz rozprężony do
0
ciśnienia 1 bar i 15 C
AZOT [N2]
Masa molowa
Gęstość normalna
Gęstość względna
Lepkość dynamiczna
Punkt potrójny
Temperatura
Ciśnienie
Gęstość cieczy
Gęstość pary
Punkt wrzenia
Temperatura
Ciśnienie
Gęstość cieczy
Gęstość pary
Punkt krytyczny
Temperatura
Ciśnienie
Gęstość
3
Ilość gazu z 1m
cieczy w temperaturze
wrzenia
Gaz rozprężony do
0
ciśnienia 1 bar i 15 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.
3,7 MPa
Metan
0,55 MPa
Propan
3a
0,15 MPa
3c
4a
0,2 MPa
Gaz
opałowy
2a
2d
1a
1b
1c
Etan
4b
Etan
1e
3b
0,55 MPa
2b
1d
1f
1,5 MPa
a
0,17 MPa
G
Metan
2c
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
Gaz
opałowy
4,0 MPa
5
4a
1
2
3
G
4c
7
a
7
Propan
0
-40 C
7
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
WĘGLOWODORY
E2
ZB
E3
E4
E5
E6
JT6
GAZ ZIEMNY
MIESZANINA
JT5
JT1
C1
E1
V1
JT2
V2
JT3
V3
JT4
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.
LNG
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
turbodetanderze
można
skroplić
około
10%
ze
strumienia
15-tu
w
%
przechodzącego przez wymiennik 2, 5% strumienia z separatora 5 kierowane jest
do strumienia gazu z turbiny.
G
Sprężony gaz ziemny 2,0 MPa
a
Gaz
nieskroplony 90%
2
-900C
15%
85%
4
1
3
7
5
-1570C
5%
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.