RU2714468C1 - Method of producing hydrates from natural gas and ice - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to production of NG hydrates. Method of producing hydrates of natural gas involves their formation from ice in an atmosphere of natural gas at constant pressure and cyclic temperature variation in range of 268–278 K due to use of natural ambient cold. Method also employs a reactor equipped with a heat exchanger integrated into its walls, separated from the inner space of the reactor by an antifriction layer of an inert polymer material.

EFFECT: technical result consists in improvement of productivity of hydrates production.

1 cl, 1 dwg

Description

Область, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может найти применение при разделении/очистке и хранении/транспортировке природного газа (ПГ) в виде гидрата в условиях холодного климата. Основными особенностями изобретения являются упрощение технологии получения гидратов ПГ и снижение затрат на производство за счет использования естественных климатических условий Арктики.The invention relates to the oil and gas industry and may find application in the separation / purification and storage / transportation of natural gas (GHG) in the form of a hydrate in cold climates. The main features of the invention are the simplification of the technology for producing GHG hydrates and reducing production costs through the use of natural climatic conditions of the Arctic.

Применение газовых гидратов для хранения и транспортировки ПГ рассматривается довольно давно, однако практическое применение этих технологий крайне ограничено. Так, известно техническое решение [1. Watanabe S., Takahashi S., Mizubayashi H., Murata S., Murakami H. Demonstration project of NGH land transportation system / Proceedings of 6th International Conference on Gas Hydrates, Vancouver, Canada, 6-10 July 2008. - ICGH2008/pdfs/5442.pdf - 1 электрон, опт.диск (CD-ROM). - 8 p.; 2. Nakai, S. Development of natural gas hydrate (NGH) supply chain / Proceedings of the 25th world gas conferences, Kuala Lumpur, Malaysia, June 4-8, 2012.], где гидраты природного газа (ГПГ) образуются в реакторе проточного типа в процессе барботажа газовой фазы через воду, находящуюся в реакторе при термобарических условиях синтеза 5,3 МПа и 278 К. Образовавшаяся 10% суспензия ГПГ, за счет более низкой плотности, всплывает на поверхность водной фазы и через специальную трубу поступает в дегидратационную колонну, где при 5,5 МПа и 277 К в атмосфере природного газа происходит удаление излишка воды. Далее при 5,5 МПа и 277 К, через специальную систему отвода, 40% гидратная масса поступает в установку таблетирования/прессования, в которой дополнительно удаляется остаток влаги и формируются таблетки ГПГ различного размера с гидратосодержанием 70-98%. Для консервации полученных в виде таблеток синтетических газовых гидратов происходит их заморозка до 253 К в специальном охладительном аппарате работающем за счет процесса регазификации сжиженного природного газа (СПГ). После чего, избыточное давление газа-гидратообразователя в системе замораживания таблеток ГПГ сбрасывается до атмосферного и готовый продукт - таблетки ГПГ подаются в отделение отгрузки. Недостатком данного технического решения является сложность и многостадийность процесса, так как в самом реакторе формируется только промежуточный продукт в виде 10% суспензии ГПГ, что в свою очередь, требует множества дополнительных аппаратов для удаления воды, охлаждения продукта, формующих установок и т.д. Кроме того, охладительная система в приведенной технологии производства ГПГ основана на использовании тепловых эффектов процесса регазификации СПГ, что неразрывно связывает разработанный процесс получения синтетических гидратов природного газа с производством по сжижению ПГ.The use of gas hydrates for storage and transportation of GHGs has been considered for a long time, however, the practical application of these technologies is extremely limited. So, the technical solution is known [1. Watanabe S., Takahashi S., Mizubayashi H., Murata S., Murakami H. Demonstration project of NGH land transportation system / Proceedings of 6th International Conference on Gas Hydrates, Vancouver, Canada, 6-10 July 2008. - ICGH2008 / pdfs /5442.pdf - 1 electron, optical disc (CD-ROM). - 8 p .; 2. Nakai, S. Development of natural gas hydrate (NGH) supply chain / Proceedings of the 25th world gas conferences, Kuala Lumpur, Malaysia, June 4-8, 2012.], where natural gas hydrates (GPG) are formed in a flow reactor type during the bubbling of the gas phase through the water in the reactor under thermobaric synthesis conditions of 5.3 MPa and 278 K. The 10% suspension of HGP formed due to the lower density floats to the surface of the aqueous phase and enters a dehydration column through a special pipe, where at 5.5 MPa and 277 K in the atmosphere of natural gas, excess water is removed. Then at 5.5 MPa and 277 K, through a special drainage system, 40% of the hydrated mass enters the tabletting / pressing unit, in which the moisture residue is additionally removed and various-size GPG tablets are formed with a hydrate content of 70-98%. To preserve the synthetic gas hydrates obtained in the form of tablets, they are frozen to 253 K in a special cooling device operating due to the process of regasification of liquefied natural gas (LNG). After that, the excess pressure of the hydrate-forming gas in the freezing system of the GPG tablets is discharged to atmospheric and the finished product - the GPG tablets are fed to the shipment department. The disadvantage of this technical solution is the complexity and multi-stage process, since only the intermediate product is formed in the reactor itself in the form of a 10% suspension of GPG, which in turn requires many additional apparatuses for removing water, cooling the product, forming plants, etc. In addition, the cooling system in the above GPG production technology is based on the use of the thermal effects of the LNG regasification process, which inextricably links the developed process for producing synthetic natural gas hydrates with the production of GHG liquefaction.

Наиболее близким аналогом приведенного процесса получения синтетических гидратов природного газа, является техническое решение [3. Семенов М.Е., Шиц Е.Ю., Портнягин А.С. Способ получения гидратов природного газа и разработка на его основе концептуальной технологической схемы процесса их производства // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2016. - №3 - С. 53-58.], в котором синтез ГПГ осуществляется из льда диаметром от 1 до 3 см в закрытых реакторах повышенного давления в 5-10 МПа при 2-х температурных режимах: от 278 до 283 К и от 268 до 263 К. Суть технического решения состоит в перемещении, заправленных готовыми заготовками изо льда и ПГ реакторов, оснащенных колесами из отделения с положительными температурами в отделение с отрицательными температурами. Этим решением достигается условие формирования гидрата природного газа при плавлении льда с последующим охлаждением продукта в самом реакторе. Для достижения результата и получения гидратов природного газа с использованием ледяных заготовок необходимо от 4-х до 8-ми циклов оттаивания/замораживания льда. Таким образом, система поддержания необходимых температурных режимов в самих реакторах обеспечивается без использования специальных охлаждающих или нагревательных устройств. Недостатком данного технического решения является длительность процесса формирования гидратов из-за низкой эффективности теплообмена в реакторах.The closest analogue of the above process for producing synthetic hydrates of natural gas is a technical solution [3. Semenov M.E., Shits E.Yu., Portnyagin A.S. The method of producing natural gas hydrates and the development on its basis of a conceptual technological scheme of the process of their production // Transport and storage of petroleum products and hydrocarbons, 2016. - No. 3 - P. 53-58.], In which the synthesis of gas-vapor generation is carried out from ice with a diameter of 1 up to 3 cm in closed high-pressure reactors of 5-10 MPa at 2 temperature conditions: from 278 to 283 K and from 268 to 263 K. The essence of the technical solution consists in the movement of reactors equipped with wheels filled with finished billets made of ice and NG, equipped with wheels from the department with positive The temperature in the compartment with negative temperatures. This solution achieves the condition for the formation of natural gas hydrate during ice melting, followed by cooling of the product in the reactor itself. To achieve the result and obtain natural gas hydrates using ice blanks, 4 to 8 ice thawing / freezing cycles are necessary. Thus, the system for maintaining the necessary temperature conditions in the reactors themselves is provided without the use of special cooling or heating devices. The disadvantage of this technical solution is the length of the hydrate formation process due to the low heat transfer efficiency in the reactors.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности получения гидратов.The aim of the present invention is to increase the productivity of hydrates.

Отличительной особенностью изобретения является использование в процессе получения газогидратов естественного холода и реакторов с интегрированным теплообменником позволяющим применить метод термоциклирования в диапазоне температур от 268 до 278 К, что способствует снижению энергозатрат на получение ГПГ и улучшению теплообмена в системе реактор/окружающая среда, а также в применении в реакторах покрытия из морозостойкого прочного полимера для защиты стенок реактора от коррозии и упрощения разгрузки-выгрузки готового продукта, за счет снижения адгезии газогидрата к поверхности емкости-реактора.A distinctive feature of the invention is the use in the process of producing gas hydrates of natural cold and reactors with an integrated heat exchanger, which allows applying the thermal cycling method in the temperature range from 268 to 278 K, which helps to reduce energy costs for receiving GPG and improve heat transfer in the reactor / environment system, as well as in application in reactors, coatings made of frost-resistant durable polymer to protect the walls of the reactor from corrosion and simplify the unloading and unloading of the finished product, due to t reducing the adhesion of gas hydrate to the surface of the reactor vessel.

Способ осуществляют следующим образом. В реактор (1), состоящий из внешнего цельнометаллического корпуса (2), куда подается избыточное давление до 8 МПа, и внутренней части состоящей из теплообменной рубашки (3) и полимерного покрытия (4) защищающего стенки реактора (1) и тепловую рубашку (3) от коррозии металла, а также снижающего возможность прилипания ГПГ к стенкам реактора, что облегчает процесс выгрузки готового продукта, из бункера для хранения льда (8) отгружается фракция льда размерностью 4÷5 см (7), количество которого регулируется с помощью заправочного устройства (9) снабженного запорной арматурой (6). Затем реактор вакуумируется, после чего в него подается ПГ, компримируемый до необходимого давления с помощью компрессора (15) по газовым магистралям (14) через распределительное устройство (11); далее посредством теплообменных установок (13), осуществляющих теплообмен между окружающей средой и теплоносителем, а также при необходимости способных увеличивать или уменьшать температуру теплоносителя, специального распределителя тепловых потоков (12) и тепловой развертке (10), в реакторе создается необходимая температура, которая изменяется в процессе гидратообразования по заранее определенной программе термоциклирования в диапазоне температур от 268 до 278 К с помощью расположенного внутри реактора теплообменника, выполненного в виде тепловой рубашки (3); далее в процессе выполнения программы термоциклирования происходит периодическая наработка гидратов из природного газа (5) и льда (7). После завершения программы термоциклирования процесс гидратообразования считается оконченным.The method is as follows. In the reactor (1), consisting of an external all-metal casing (2), where overpressure up to 8 MPa is supplied, and the inner part consisting of a heat-exchange jacket (3) and a polymer coating (4) of the reactor wall (1) and a heat jacket (3 ) from corrosion of the metal, as well as reducing the possibility of adhesion of the GPG to the walls of the reactor, which facilitates the process of unloading the finished product, from the ice storage bin (8) a fraction of ice of 4 ÷ 5 cm size (7) is dispatched, the amount of which is regulated using a filling device ( 9) equipped About shutoff valves (6). Then the reactor is evacuated, after which GHG is fed into it, compressed to the required pressure using a compressor (15) along the gas lines (14) through a switchgear (11); Further, by means of heat exchangers (13) that carry out heat exchange between the environment and the coolant, and also, if necessary, are able to increase or decrease the temperature of the coolant, a special heat flux distributor (12), and thermal sweep (10), the required temperature is created in the reactor, which changes in hydrate formation according to a predetermined thermal cycling program in the temperature range from 268 to 278 K using a heat exchanger located inside the reactor, made in the form e thermal shirt (3); Further, in the process of implementing the thermal cycling program, periodic production of hydrates from natural gas (5) and ice (7) occurs. After completion of the thermal cycling program, the hydrate formation process is considered completed.

Выгрузка ГПГ из реактора осуществляется через запорную арматуру (6) с помощью шнекового механизма (19) в бункер для накопления гидратов (18) где посредством прессовочного устройства (17) из ГПГ получают пеллеты определенной формы удобной для дальнейшего хранения и транспортировки ГПГ в виде сухого груза.The GPG is unloaded from the reactor through the shutoff valves (6) using a screw mechanism (19) into the hydrate storage hopper (18) where, by means of a pressing device (17), pellets of a certain shape are obtained from the GPG, which are convenient for further storage and transportation of GPG in the form of dry cargo .

При круглогодичном производстве гидратов природного газа в зимний период функционирования установки снижается/отсутствует генерирование холода (13), а в летний период снижается генерирование тепла, что приведет к экономии энергии. Действительно необходимы как нагревающая, так и охлаждающая системы в процессе производства, а снижение энергоемкости установки достигается необходимостью в охлаждения только три летних месяца. В таблице 1 приведено сравнение разработанного способа получения гидратов природного газа из льда с прототипом [3] по требованиям предъявляемым к разрабатываемому техническому оборудованию для производства ГПГ [4. Якушев B.C., Квон В.Т., Герасимов Ю.А., Истомин В.А. Современное состояние газогидратных технологий: Обз. инф. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2008. - 88 с].With the year-round production of natural gas hydrates in the winter period, the operation of the installation decreases / lacks the generation of cold (13), and in the summer period the generation of heat decreases, which will lead to energy savings. Both heating and cooling systems are really necessary during the production process, and a reduction in the energy intensity of the installation is achieved by the need for cooling only three summer months. Table 1 shows a comparison of the developed method for producing natural gas hydrates from ice with the prototype [3] according to the requirements for the developed technical equipment for the production of gas-turbine gas [4. Yakushev B.C., Kvon V.T., Gerasimov Yu.A., Istomin V.A. Current state of gas hydrate technologies: Review. inf. - M .: IRC Gazprom LLC, 2008. - 88 s].

Claims (1)

Способ получения гидратов природного газа, предусматривающий их образование из льда в атмосфере природного газа при постоянном давлении и цикличном изменении температуры в диапазоне 268-278 K за счет использования естественного холода окружающей среды, а также применения реактора, снабженного интегрированным в его стенки теплообменником, отделенным от внутреннего пространства реактора антифрикционным слоем из инертного полимерного материала.A method of producing natural gas hydrates, providing for their formation from ice in a natural gas atmosphere at constant pressure and a cyclical temperature change in the range of 268-278 K due to the use of natural cold environment, as well as the use of a reactor equipped with a heat exchanger integrated into its walls, separated from the inner space of the reactor with an antifriction layer of inert polymeric material.

Images