Сжижение природного газа

СЖИЖЕНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА (а. liquefaction of natural gas; н. Erdgasverflussigung; ф. liquefaction du gaz naturel; и. liquefacion del gas natural, liquidacion de gas natural, соndensacion de gas natural) — перевод природного газа в жидкое состояние при температурах, меньших критической. Осуществляется для резервирования природного газа с целью последующего его использования в период пикового газопотребления, для транспортировки газа (автодорожным, железнодорожным, речным и морским транспортом).

Сжиженные природные газы используют в качестве альтернативного топлива для двигателей автомобилей, автобусов и др., а также передвижных электростанций, в промышленности — для термической обработки металлов, ведения технологических процессов и др. Технологические схемы установок сжижения природного газа различаются, прежде всего, принятым холодильным циклом, который выбирается главным образом в зависимости от того, с какой целью производится сжижение природного газа, а также давления и состава поступающего на установку природного газа. На последний влияет способ и длительность периода разработки месторождения, время года и др. Многообразие этих факторов не позволяет составить универсальные термодинамические диаграммы для природного газа. Перед поступлением в установку сжиженного природного газа горючие газы очищаются от кислых газов (H₂S, CО₂) и осушаются (перспективно в этих случаях применение молекулярных сит). Кроме того, в начальной стадии процесса сжижения природного газа из газа выделяются высококипящие парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды, т.к. наличие их даже в малых количествах может привести в процессе сжижения к образованию твёрдой фазы и закупориванию аппаратуры и арматуры установок (тяжёлые углеводороды парафинового ряда растворяются в сжиженном природном газе). При содержании тяжёлых углеводородов менее 3-4% от общего объёма природного газа расчёты холодильных циклов проводятся как для чистого метана (в случае низких температур и высоких давлений при наличии в газе тяжёлых углеводородов, азота, гелия и др. их поведение существенно отклоняется от поведения идеальных растворов). Чем больше тяжёлых углеводородов содержит природный газ, тем выше температура его сжижения и меньше энергетические затраты. Азот, присутствующий в природном газе, увеличивает испаряемость сжиженного природного газа, снижает холодопроизводительность цикла сжижения природного газа и, следовательно, увеличивает энергетические затраты.

Промышленные методы сжижения природного газа основаны на испарении жидкости, использовании эффекта Джоуля — Томсона, а также процессе адиабатного расширения газа (в специальной машине-детандере). С помощью холодильного цикла, основанного на испарении одной жидкости, получают температуры не ниже 200 К. Однако, используя несколько сред (холодильных агентов) так, чтобы среда с более низкой точкой кипения конденсировалась под давлением благодаря действию испаряющейся другой, более высоко кипящей среды, достигают температур конденсации природного газа — т.н. каскадный метод сжижения природного газа с использованием промежуточных холодильных агентов (наиболее распространён). В первом цикле (температура на входе 293 К, на выходе 230 К) холодильным агентом служит в основном пропан (реже аммиак), во втором (температура на входе 230 К, на выходе 173 К) — этилен, конденсирующиеся под давлением в пропановом (аммиачном) испарителе. Под воздействием испаряющегося этилена происходит сжижение подаваемого из газопровода сжатого природного газа, который затем транспортируется потребителю или поступает в хранилище сжиженного природного газа. Разработан также однопоточный каскадный цикл, где в качестве холодильного агента используется многокомпонентная смесь углеводородов с азотом (путём дозирования в природный газ этана, этилена, пропана, бутана и азота), а в случае, когда необходимо получить температуру до 117 К, — чистый метан или смесь, имеющая высокую (более 96%) концентрацию метана (давление в испарителе выше атмосферного). Различают следующие холодильные циклы, основанные на использовании эффекта Джоуля — Томсона: с однократным дросселированием, с однократным дросселированием и предварительным охлаждением специальным потоком с посторонним хладагентом (азот, аргон и др.), с двойным дросселированием. Циклы, основанные на изоэнтропийном расширении газа с отдачей внешней работы, обычно применяются в сочетании с использованием эффекта Джоуля-Томсона.

Для крупных установок сжижения природного газа (производительность 1,5-5 млн. м³ сжиженного газа в сутки) наиболее экономичен однопоточный каскадный цикл сжижения природного газа и его модификации. Однако, наряду с относительно малыми энергозатратами (0,4 кВт•ч на кг сжиженного газа), здесь используется большое количество однотипного металлоёмкого оборудования. В случае, когда давление природного газа на входе в установку сжижения природного газа на 2,5 МПа (и более) превышает рабочее давление установки, эффективно использование детандерных циклов сжижения природного газа. При этом упрощаются теплообменное оборудование, а также технология, регулирование работы и обслуживание установок. Затраты на сооружение и эксплуатацию установок сжижения природного газа зависят главным образом от исходных параметров поступающего природного газа (состава, давления и температуры), местоположения комплекса сжижения и хранения сжиженного природного газа, возможности его транспортировки, общей производительности комплекса сжижения природного газа и единичной производительности установки сжижения природного газа, типа и конструкции компрессорного оборудования и теплообменной аппаратуры, затрат на подготовку газа к сжижению, возможности получения побочных продуктов. Перспективным является строительство плавучих установок для производства сжиженного природного газа, используемых при разработке морских газовых месторождений в случае, когда прокладка подводных газопроводов на сушу практически невозможна или экономически не оправдана.