Способ и установка для разогрева природного газа

Изобретение относится к газовой промышленности. Настоящее изобретение представляет способ и установку для нагрева природного газа, причем способ включает в себя следующие стадии: a) подачу природного газа, который имеет температуру от -10°C до 50°C и находится под давлением по меньшей мере в 30 бар, из трубопровода снабжения природным газом в первую систему полостей теплообменника, b) подачу средства нагрева (теплоносителя), имеющего температуру в пределах от 30°C до 160°C, во вторую систему полостей теплообменника, причем первая и вторая система полостей герметически изолированы друг от друга и от окружающей среды, c) нагрев природного газа в первой системе полостей до температуры в пределах от 20°C до 150°C посредством теплоносителя во второй системе полостей, причем в качестве теплообменника применяют пластинчатый теплообменник, включающий в себя по меньшей мере две пары теплообменных пластин. Теплообменные пластины каждой пары теплообменных пластин полностью сварены по меньшей мере по своим наружным краям, d) отвод нагретого природного газа из первой системы полостей по меньшей мере еще на одну стадию обработки. Техническим результатом является повышение КПД и уменьшение габаритов теплообменника, благодаря чему можно добиться снижения затрат. 3 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение касается способа и установки для разогрева природного газа.

Как правило, природный газ транспортируют из добывающих и перерабатывающих установок по транспортным трубопроводам (магистральным газопроводам) на предприятия газоснабжения и другим крупным потребителям, например, на предприятия химической промышленности, под давлением более 40 бар. При этом в зависимости от давления, протяженности подачи и наружной температуры, природный газ имеет температуру от 0°C до 25°C.

Как на предприятиях газоснабжения, так и в химической промышленности с природного газа, находящегося под давлением, необходимо это давление предварительно довести до более низкого значения, чтобы его можно было применять для различных целей. Поскольку в силу эффекта Джоуля-Томсона газ при снятии давления охлаждается, то до и/или после снятия давления его необходимо нагреть, чтобы снова получить исходную температуру и предотвратить таким образом нежелательные побочные эффекты, например конденсацию.

На нынешнем уровне техники нагрев газа, находящегося под давлением, проводят в теплообменниках, в которых устанавливают прямой или непрямой контакт газа с теплоносителем (средством нагрева), причем газ нагревается, а теплоноситель одновременно охлаждается. Широко распространенный тип теплообменника - это теплообменники в виде пучка труб, у которых подлежащий нагреву газ проводят по пучку теплообменных труб, которые омывает теплоноситель. Теплообменники в виде пучка труб обладают, однако, тем недостатком, что им необходимо много места.

Напротив, пластинчатые теплообменники более компактны и обладают лучшим коэффициентом полезного действия.

Чтобы использовать преимущества пластинчатого теплообменника и повысить КПД имеющейся установки, [применяют], например, известный из международная заявки WO 2009/152830 A1 комплект для переоборудования теплообменника в виде пучка труб, в котором из обычного цилиндрического теплообменника удаляют пучки труб и заменяют их пакетом теплообменных пластин.

Общая проблема пластинчатых теплообменников, известных на нынешнем уровне техники, состоит в том, что они не пригодны для разогрева газа, находящегося под давлением по меньшей мере в 30 бар, или же не описаны для такого применения.

В этом контексте задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы представить способ и установку для того, чтобы иметь возможность безопасно и эффективно разогревать находящийся под давлением природный газ.

В первом аспекте настоящего изобретения эту задачу решают посредством способа разогрева природного газа, который включает в себя следующие стадии:

a) Подача природного газа, который имеет температуру от -10°C до 50°C и находится под давлением по меньшей мере в 30 бар, из трубопровода снабжения природным газом в первую систему полостей теплообменника,

b) Подача теплоносителя, имеющего температуру в пределах от 30°C до 160°C, во вторую систему полостей теплообменника, причем первая и вторая система полостей герметически изолированы друг от друга и от окружающей среды,

c) Нагрев природного газа в первой системе полостей до температуры в пределах от 20°C до 150°C посредством теплоносителя во второй системе полостей и

d) Отведение нагретого природного газа из первой системы полостей по меньшей мере на еще одну стадию обработки.

При этом в качестве теплообменника применяют пластинчатый теплообменник, включающий в себя по меньшей мере две пары теплообменных пластин, причем теплообменные пластины каждой пары теплообменных пластин полностью сварены по меньшей мере по своим наружным краям.

В пластинчатых теплообменниках в смысле настоящего изобретения каждая пара теплообменных пластин формирует полость, в которой течет подлежащая нагреву среда (в данном случае природный газ) или среда нагрева (теплоноситель). Путем соединения двух или более пар теплообменных пластин создается система полостей для одной из сред. При этом пары теплообменных пластин размещены и соединены друг с другом так, что по следующим друг за другом полостям в каждом случае попеременно текут подлежащая нагреву среда и теплоноситель. Конструкция из двух или более пар теплообменных пластин обеспечена герметической изоляцией от наружной среды и обоих сред друг от друга. При этом отдельные пластины можно надлежащим образом структурировать, чтобы создать возможность оптимальной теплопередачи.

При реализации способа согласно изобретению пластинчатый теплообменник впервые применяют для нагрева природного газа. Это применение обладает прежде всего преимуществом существенно лучшего коэффициента полезного действия, поскольку коэффициенты теплопередачи выше, чем у обычно применяемых теплообменников в виде пучка труб, и поэтому при одинаковой производительности [такой теплообменник] значительно компактнее и легче.

Это положительно сказывается на потребностях в месте и на расходах.

В усовершенствованном варианте способа согласно изобретению ввиду того, что пары теплообменных пластин полностью сварены, природный газ на стадии а) способа можно подавать в теплообменник под давлением вплоть до 150 бар.

Предпочтительно, чтобы природный газ представлял собой технологический природный газ, причем под этим в смысле настоящего изобретения подразумевают природный газ, который без дальнейших стадий обработки вещества применяют в химической реакции.

Предпочтителен способ, при реализации которого по меньшей мере еще одна дополнительная стадия обработки представляет собой дальнейший нагрев, и/или снижение давления, и/или химическое преобразование, и/или сжигание.

Во втором аспекте изобретения названную в начале задачу решают посредством установки для нагрева природного газа, которая включает в себя

- теплообменник, который имеет первую систему полостей для природного газа и вторую систему полостей для теплоносителя, причем первая и вторая системы полостей герметически изолированы друг от друга и от окружающей среды,

- подачу природного газа из трубопровода снабжения природным газом в первую систему полостей теплообменника и

- отводящий трубопровод для нагретого природного газа из первой системы полостей по меньшей мере на еще одну стадию обработки.

Установка отличается тем, что теплообменник представляет собой пластинчатый теплообменник, включающий в себя по меньшей мере две пары теплообменных пластин, причем теплообменные пластины каждой пары теплообменных пластин полностью сварены по меньшей мере по своим наружным краям.

Ввиду того, что пары теплообменных пластин полностью сварены, в пластинчатый теплообменник можно непосредственно подавать природный газ, находящийся под давлением, что обеспечивает лучший коэффициент полезного действия. Кроме того, благодаря улучшению коэффициента полезного действия пластинчатый теплообменник можно сделать меньше, чем обычный теплообменник в виде пучка труб, что положительно сказывается на затратах на установку согласно изобретению.

Предпочтительно, чтобы благодаря сплошной сварке пар теплообменных пластин пластинчатый теплообменник можно было нагружать давлением вплоть до 150 бар.

В предпочтительной форме исполнения установки согласно изобретению на по меньшей мере одной дополнительной стадии обработки имеется еще один теплообменник, в частности пластинчатый теплообменник, или же расширительное устройство для природного газа, находящегося под давлением, благодаря чему можно создать интегрированную установку для нагрева и природного газа и снятия с него давления.

Установка согласно изобретению, в частности, годится для реализации описанного выше способа согласно изобретению.

Также настоящее изобретение касается применения пластинчатого теплообменника, включающего в себя по меньшей мере две пары теплообменных пластин, причем теплообменные пластины каждой пары теплообменных пластин полностью сварены по меньшей мере по наружным своим краям, для нагрева природного газа, находящегося под давлением по меньшей мере 30 бар. Такое применение до сих пор не было известно на нынешнем уровне техники.

При этом предпочтительно, чтобы пластинчатый теплообменник применяли для нагрева технологического природного газа, в частности под давлением вплоть до 150 бар.

Прочие признаки, преимущества и возможности применения следуют из приводимого ниже описания предпочтительного примера исполнения, который, однако, не ограничивает изобретение. При этом все описанные признаки сами по себе или в произвольном сочетании образуют предмет изобретения, также независимо от его краткого изложения в пунктах формулы изобретения или их взаимосвязи.

Установки, в которых применяют находящийся под давлением природный газ, в Германии должны соответствовать правилам DVGW (DeutscherVereindesGas-undWasserfaches е. V. - Германского союза газовой и водной отраслей), которые задают граничные условия, например, для проведения через них газа. По правилам DVGW в настоящее время для нагрева находящегося под давлением природного газа какие-либо пластинчатые теплообменники не допущены (не авторизованы).

Поэтому для крупномасштабных (промышленных) установок химической индустрии, доступ посторонних к которым отсутствует и для которых в частности предусмотрено настоящее изобретение, применяется руководство 97/23/EG (“Директива ЕС по оборудованию, работающему под давлением”), которая задает требования ко вводу в оборот (то есть, предписания к устройству) оборудования, работающего под давлением. Кроме того, в правилах техники безопасности при эксплуатации применяются рабочие предписания для эксплуатантов установок под давлением.

Основной элемент установки согласно изобретению для нагрева природного газа, в частности технологического природного газа - это пластинчатый теплообменник, пары теплообменных пластин которого вдоль своего наружного края, то есть по своей образующей, полностью сварены друг с другом. Наружные участки в каждом случае двух теплообменных пластин (попарно) наложены друг на друга, а наружные края, в частности, выгнуты так, что они образуют V-образный паз, который, предпочтительно, сваривают лазером. Для соединения двух пар теплообменных пластин в теплообменных пластинах предусмотрены сквозные отверстия, которые предпочтительно сварены, так что образовавшаяся система полостей герметично закрыта. Две системы полостей, которые герметично закрыты друг от друга и от окружения, образуют пластинчатый теплообменник, причем пары теплообменных пластин, по которым протекает технологический природный газ, и пары теплообменных пластин, по которым протекает теплоноситель, расположены попеременно.

Такой пластинчатый теплообменник, который, в частности, применяется в настоящем изобретении, описан, например, в германской заявке DE 102007056717 B3 и продается фирмой GESMEX GmbH, например, под обозначением XPS®. Речь при этом идет о некоторого рода гибриде, поскольку этот тип имеет геометрические показатели теплообменника в виде пучка труб, то есть имеет цилиндрическую оболочку, но который заполнен пакетами теплообменных пластин.

Технологический природный газ, который находится под давлением по меньшей мере 30 бар (согласно изобретению возможны значения давления вплоть до 150 бар), и температура которого составляет от -10°C до 50°C, подают непосредственно в первую систему полостей из трубопровода снабжения природным газом. Одновременно во вторую систему полостей подают средство нагрева (теплоноситель) с температурой между 30°C и 160°C, предпочтительно циркулирующий по закрытой системе трубопроводов и через нагревательное устройство. Теплоноситель через обладающий хорошей теплопроводностью материал теплообменных пластин (например, аустенитную сталь или сплавы на никелевой основе) передает свое тепло технологическому природному газу.

Потоки технологического природного газа и теплоносителя можно проводить в одном направлении, противотоком или перекрестно, причем структурирование в системах полостей приводит к завихрению веществ (сред), так что теплопередача улучшается.

Нагретый технологический природный газ отводят из первой системы полостей по меньшей мере на еще одну стадию обработки, которая представляет собой нагрев, и/или снижение давления, и/или химическую реакцию, и/или сжигание.

Таким образом можно сначала, например, нагреть технологический природный газ в установке согласно изобретению, снять с него давление в расширительном устройстве, снова нагреть его еще в одной установке согласно изобретению, а затем подать в установку химического синтеза, например в установку для синтеза ацетилена.

В настоящем тексте изобретение описано применительно к нагреву технологического природного газа. Оно, однако, в принципе пригодно для нагрева любой другой газообразной среды, в частности для нагрева отопительного природного газа.

Настоящее изобретение впервые представляет способ и установку для нагрева природного газа, находящегося под давлением, которые отличаются тем, что по сравнении с нынешним уровнем техники они обладают улучшенным коэффициентом полезного действия и позволяют сделать теплообменник меньше, благодаря чему можно добиться существенного снижения затрат.

1. Способ нагрева природного газа, включающий в себя следующие стадии:

a) подача природного газа, который имеет температуру от -10°С до 50°С и находится под давлением по меньшей мере в 30 бар, из трубопровода снабжения природным газом в первую систему полостей теплообменника,

b) подача теплоносителя, имеющего температуру в пределах от 30°C до 160°C, во вторую систему полостей теплообменника, причем первая и вторая системы полостей герметически изолированы друг от друга и от окружающей среды,

c) нагрев природного газа в первой системе полостей до температуры в пределах от 20°C до 150°C посредством теплоносителя во второй системе полостей,

причем в качестве теплообменника применяется пластинчатый теплообменник, включающий в себя по меньшей мере две пары теплообменных пластин, и причем теплообменные пластины каждой пары теплообменных пластин полностью сварены по меньшей мере по своим наружным краям, и

d) отведение нагретого природного газа из первой системы полостей по меньшей мере на еще одну стадию обработки.

2. Способ по п. 1, причем природный газ на стадии (а) подают в пластинчатый теплообменник под давлением вплоть до 150 бар.

3. Способ по п. 1, причем природный газ представляет собой технологический природный газ.

4. Способ по одному из пп. 1-3, причем по меньшей мере еще одна дополнительная стадия обработки представляет собой дальнейший нагрев, и/или снижение давления, и/или химическое преобразование, и/или сжигание.

5. Установка для нагрева природного газа, включающая в себя

- теплообменник, который имеет первую систему полостей для природного газа и вторую систему полостей для теплоносителя, причем первая и вторая системы полостей герметически изолированы друг от друга и от окружающей среды,

- подачу природного газа из трубопровода снабжения природным газом в первую систему полостей теплообменника и

- отводящий трубопровод для нагретого природного газа из первой системы полостей по меньшей мере на еще один этап обработки,

отличающаяся тем, что теплообменник представляет собой пластинчатый теплообменник, включающий в себя по меньшей мере две пары теплообменных пластин, причем теплообменные пластины каждой пары теплообменных пластин полностью сварены по меньшей мере по своим наружным краям.

6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что на пластинчатый теплообменник можно подавать давление вплоть до 150 бар.

7. Установка по п. 5 или 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере на одной дополнительной стадии обработки имеется еще один теплообменник, в частности пластинчатый теплообменник, или же расширительное устройство для природного газа, находящегося под давлением.

8. Применение пластинчатого теплообменника, включающего в себя по меньшей мере две пары теплообменных пластин, причем теплообменные пластины каждой пары теплообменных пластин полностью сварены по меньшей мере по наружным своим краям, для нагрева природного газа, находящегося под давлением.

9. Применение по п. 8, причем пластинчатый теплообменник применяют для нагрева технологического природного газа, в частности под давлением вплоть до 150 бар.