Сжижение природного газа

Сжижение природного газа (СПГ) представляет собой процесс преобразования газообразного метана и сопутствующих углеводородов в жидкую фазу при низких температурах и высоком давлении. Основная цель — уменьшение объема газа для хранения и транспортировки. При стандартных условиях 1 м³ природного газа занимает примерно 600–650 м³ в жидком виде, что делает транспортировку морским и наземным транспортом экономически эффективной.

Ключевой физический принцип процесса заключается в охлаждении газа ниже его критической температуры, когда плотность вещества в жидкой фазе значительно выше, чем в газообразной. Для метана критическая температура составляет 190,6 K, а критическое давление — 4,6 МПа.

Термодинамические основы

Сжижение газа — это процесс, который требует значительного отвода тепла. Рассмотрим основные термодинамические этапы:

  1. Сжатие газа: Газ сжимается до высокого давления (часто 5–10 МПа) для последующего охлаждения и достижения нужной плотности. Сжатие сопровождается повышением температуры газа, которая затем удаляется при охлаждении.

  2. Охлаждение: Газ охлаждается в теплообменниках с использованием различных хладагентов (азот, этан, пропан). На этом этапе используется принцип рекуперации тепла: холодные потоки газа предварительно охлаждают входящий газ.

  3. Расширение и депрессия: После охлаждения газ расширяется через турбодетандер или клапаны Ж-образного типа. При адиабатическом расширении происходит понижение температуры и увеличение плотности, что приближает газ к точке конденсации.

  4. Конденсация: Газ достигает температуры конденсации и переходит в жидкую фазу. На этом этапе отделяются тяжелые углеводороды и сопутствующие компоненты, чтобы получить чистый СПГ.

Основные циклы сжижения

В промышленности применяются несколько термодинамических циклов:

  • Цикл Брэйтона–Хилла (газовый цикл с турбокомпрессорами): Используется для первичного охлаждения газа с последующим сжижением в теплообменниках. Основной недостаток — низкая термическая эффективность при больших объемах.

  • Цикл с многоступенчатым охлаждением (пропан–этан–метан): Наиболее широко используемый промышленный метод. Газ проходит через последовательно охлаждаемые стадии, каждая из которых использует свой хладагент с более низкой температурой кипения:

    • Пропан для охлаждения до ~200 K
    • Этан для снижения температуры до ~160 K
    • Метан для окончательного сжижения до ~112–115 K

  • Цикл с рекуперацией холода (APCI C3–MR): Современная схема, применяемая на крупных заводах СПГ. Позволяет минимизировать энергозатраты за счет рекуперации холода жидкого метана для предварительного охлаждения входящего газа.

Физико-химические свойства СПГ

После сжижения природный газ имеет следующие характерные свойства:

  • Плотность: 430–470 кг/м³ при температуре −162 °C
  • Температура кипения метана при 1 атм: 111,6 K (−161,6 °C)
  • Теплоемкость при низкой температуре: значимо снижается, что влияет на эффективность теплообмена в системах хранения
  • Теплота парообразования: около 510 кДж/кг, необходима для расчета теплообмена при испарении СПГ

Основные аппараты и оборудование

  1. Компрессоры: Используются многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением, обеспечивающие повышение давления газа перед его охлаждением.

  2. Теплообменники: Многоступенчатые теплообменники рекуперативного типа, работающие с хладагентами разной температуры, обеспечивают эффективный перенос тепла.

  3. Турбодетандеры и клапаны Ж-образного типа: Обеспечивают адиабатическое расширение газа и достижение температуры конденсации.

  4. Резервуары для хранения СПГ: Двойные стенки с вакуумной или пенопластовой изоляцией для минимизации теплопоступления и предотвращения испарения. Объем может достигать сотен тысяч кубометров.

Безопасность и особенности эксплуатации

СПГ — вещество крайне холодное и потенциально взрывоопасное при утечке. Основные аспекты безопасности включают:

  • Контроль температуры и давления в резервуарах и трубопроводах
  • Предотвращение контакта с кожей и оборудованием из-за обморожения
  • Использование материалов, способных сохранять прочность при криогенных температурах
  • Дистанционное управление процессами для минимизации человеческого риска

Энергетическая эффективность

Процесс сжижения требует значительных энергетических затрат. Основные направления повышения эффективности:

  • Использование рекуперации холода
  • Применение многоступенчатых циклов с хладагентами разной температуры
  • Оптимизация компрессорных установок и теплообменников
  • Минимизация потерь тепла при хранении и транспортировке СПГ

Эти меры позволяют снижать удельное потребление электроэнергии на тонну сжиженного газа, делая производство СПГ конкурентоспособным на мировом рынке.

Оглавление