При каком давлении метан становится жидким

ИА Neftegaz.RU. Сжиженный природный газ (СПГ) — природный газ, искусственно сжиженный путем охлаждения до -160°C, для облегчения хранения и транспортировки.

СПГ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, плотность которой в 2 раза меньше плотности воды.
На 75-99% состоит из метана. Температура кипения − 158…−163°C.
В жидком состоянии не горюч, не токсичен, не агрессивен.
Для использования подвергается испарению до исходного состояния.
При сгорании паров образуется диоксид углерода( углекислый газ, CO2) и водяной пар.

1 тонна СПГ — это примерно 1,38 тыс м3 природного газа после регазификации.
Примерно — потому что плотность газа и компонентный на разных месторождения разная.
Формулу Менделеева — Клайперона никто не отменял.
Кроме метана в состав природного газа могут входить: этан, пропан, бутан и некоторые другие вещества.
Плотность газа изменяется в интервале 0,68 — 0,85 кг/м³, но зависит не только от состава, но и от давления и температуры в месте расчета плотности газа.
Стандартные условия для температуры и давления – это установленные стандартом физические условия, с которыми соотносят свойства веществ, зависящие от этих условий.
Национальный институт стандартов и технологий (NIST) устанавливает температуру 20 °C (293,15 K) и абсолютное давление 1 атм (101.325 кПа), и этот стандарт называют нормальной температурой и давлением (NTP).
Плотность компонентов газа сильно различается:
Метан — 0,668 кг/м³, 
Этан — 1,263 кг/м³, 
Пропан — 1,872 кг/м³.

Поэтому, в зависимости от компонентного состава изменяется и количество м3 газа при переводе из тонн.

Процесс сжижения идет ступенями, на каждой из которых газ сжимается в 5-12 раз, затем охлаждается и передается на следующую ступень. 

Собственно сжижение происходит при охлаждении после последней стадии сжатия.
Процесс сжижения таким образом требует значительного расхода энергии — до 25 % от ее количества, содержащегося в сжиженном газе.

Ныне применяются 2 техпроцесса:

• конденсация при постоянном давлении (компримирование), что довольно неэффективно из-за энергоемкости,
• теплообменные процессы: рефрижераторный — с использованием охладителя и турбодетандерный/дросселирование с получением необходимой температуры при резком расширении газа.

В процессах сжижения газа важна эффективность теплообменного оборудования и теплоизоляционных материалов.

При теплообмене в криогенной области увеличение разности температурного перепада между потоками всего на 0,5ºС может привести к дополнительному расходу мощности в интервале 2 — 5 кВт на сжатие каждых 100 тыс м3 газа.

Недостаток технологии дросселирования — низкий коэффициент ожижения — до 4%, что предполагает многократную перегонку.

Применение компрессорно-детандерной схемы позволяет повысить эффективность охлаждения газа до 14 % за счет совершения работы на лопатках турбины.

Термодинамические схемы позволяют достичь 100% эффективности сжижения природного газа:

• каскадный цикл с последовательным использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана путем последовательного снижения их температуры кипения,
• цикл с двойным хладагентом — смесью этана и метана,
• расширительные циклы сжижения.

Известно 7 различных технологий и методы сжижения природного газа:

• для производства больших объемов СПГ лидируют техпроцессы AP-SMR™, AP-C3MR™ и AP-X™ с долей рынка 82% компании Air Products,
• технология Optimized Cascade, разработанная ConocoPhillips,
• использование компактных GTL-установок, предназначенных для внутреннего использования на промышленных предприятиях,
• локальные установки производства СПГ могут найти широкое применение для производства газомоторного топлива (ГМТ),
• использование морских судов с установкой сжижения природного газа (FLNG), которые открывают доступ к газовым месторождениям, недоступным для объектов газопроводной инфраструктуры,
• использование морских плавающих платформ СПГ, к примеру, которая строится компанией Shell в 25 км от западного берега Австралии.

Процесс сжижения газа:

Оборудование СПГ-завода:

• установка предварительной очистки и сжижения газа,
• технологические линии производства СПГ,
• резервуары для хранения, в тч специальные криоцистерны, устроенные по принципу сосуда Дюара,
• для загрузки на танкеры — газовозы,
• для обеспечения завода электроэнергией и водой для охлаждения.

Существует технология, позволяющая сэкономить на сжижении до 50% энергии, с использованием энергии, теряемой на газораспределительных станциях (ГРС) при дросселировании природного газа от давления магистрального трубопровода (4-6 МПа) до давления потребителя (0,3-1,2 МПа):

• используется как собственно потенциальная энергия сжатого газа, так и естественное охлаждение газа при снижении давления.
• дополнительно экономится энергия, необходимая для подогрева газа перед подачей к потребителю.

Чистый СПГ не горит, сам по себе не воспламеняем и не взрывается.
На открытом пространстве при нормальной температуре СПГ возвращается в газообразное состояние и быстро растворяется в воздухе.
При испарении природный газ может воспламениться, если произойдет контакт с источником пламени.
Для воспламенения необходимо иметь концентрацию испарений в воздухе от 5 % до 15 %.
Если концентрация до 5 %, то испарений недостаточно для начала возгорания, а если более 15 %, то в окружающей среде становится слишком мало кислорода.
Для использования СПГ подвергается регазификации — испарению без присутствия воздуха.
СПГ является важным источником энергоресурсов для многих стран, в том числе Японии ,Франции, Бельгии, Испании, Южной Кореи.

Транспортировка СПГ— это процесс, включающий в себя несколько этапов:

• морской переход танкера — газовоза,
• автодоставка с использованием спецавтотранспорта,
• ж/д доставка с использованием вагонов-цистерн,
• регазификация СПГ до газообразного состояния.

Регазифицированный СПГ транспортируется конечным потребителям по газопроводам.

Основные производители СПГ по данным 2009 г:

Катар -49,4 млрд м³, Малайзия — 29,5 млрд м³; Индонезия-26,0 млрд м³; Австралия — 24,2 млрд м³; Алжир — 20,9 млрд м³; Тринидад и Тобаго -19,7 млрд м³.

Основные импортеры СПГ в 2009 г: Япония — 85,9 млрд м³; Республика Корея -34,3 млрд м³; Испания- 27,0 млрд м³; Франция- 13,1 млрд м³; США — 12,8 млрд м³; Индия-12,6 млрд м³.

Производство СПГ в России

На 2018 г в РФ действует 2 СПГ-завода.

СПГ-завод проекта Сахалин-2 запущен в 2009 г, контрольный пакет принадлежит Газпрому, у Shell доля участия 27,5%, японских Mitsui и Mitsubishi — 12,5% и 10% . 

По итогам 2015 г производство составило 10,8 млн т/год, превысив проектную мощность на 1,2 млн т/год.

Однако из-за падения цен на мировом рынке доходы от экспорта СПГ в долларовом исчислении сократились по сравнению с 2014 г на 13,3% до 4,5 млрд долл США/год.

2м крупным игроком на рынке российского СПГ становится компания НОВАТЭК, которая в январе 2018 г ввела в эксплуатацию СПГ — завод на проекте Ямал-СПГ.

Новатэк-Юрхаровнефтегаз (дочернее предприятие Новатэка ) выиграл аукцион на право пользования Няхартинским участком недр в ЯНАО.

Няхартинский участок недр нужен компании для развития проекта Арктик СПГ. Это 2й проект Новатэка, ориентированный на экспорт СПГ.

В США введены в эксплуатацию 5 терминалов по экспорту СПГ общей мощностью 57,8 млн т/год. 

На европейском газовом рынке началось жесткое противостояние американского СПГ и российского сетевого газа.

Сжижение метана

Природные газы в большом количестве содержат метан (до 98%), который при средних давлениях и низких температурах может быть превращен в жидкость – так называемый сжиженный метан. Метан также в значительных количествах (до 97%) содержится в попутном нефтяном газе. После выделения из последнего тяжелых углеводородов он также может быть превращен в сжиженный метан.

Главное преимущество сжиженного метана состоит в том, что каждый кубометр его при атмосферном давлении и температуре –161,45°С занимает в 600 раз меньший объем, чем в газообразном виде. Кроме того, запасы сжиженного газа можно создать в любом пункте независимо от геологических условий. Транспорт сжиженного газа позволяет осуществить широкую международную торговлю газом путем морских поставок его в танкерах. Ниже приведены некоторые свойства чистого сжиженного метана.

После выделения из попутного нефтяного газа высших углеводородов (пропан + высшие) он может направляться на установку снижения для получения сжиженного метана. Процессы получения сжиженного метана из природного газа и из отбензиненного попутного нефтяного газа одинаковы.

Значение теоретически минимальной работы является функцией только первоначального состояния газа и конечного состояния жидкости и не зависит от вида применяемого процесса.

Формула для определения теоретически минимальной работы имеет следующий вид:

Wr = T · ΔS – ΔH, где

Wr– минимальная (или обратимая) работа;

T – температура окружающей среды, в которую может быть отведено тепло;

ΔS – уменьшение энтропии при переходе газа от начального до конечного состояния;

ΔH – уменьшение энтальпии при переходе газа от начального состояния до конечного.

Вычисленная по этой формуле теоретически минимальная работа, которая требуется для превращения чистого метана, находящегося под давлением 34 кг/см 2 и при температуре 38°С, в жидкость при атмосферном давлении и температуре –161,5°С, составляет 117 квт·ч/100 м 3 сжиженного газа.

Действительные затраты работы будут находиться в пределах 285÷632 квт·ч/100 м 3 сжиженного газа и зависят главным образом от цикла, используемого для сжижения. Считают, что величина 285 квт·ч/100 м 3 сжиженного газа близка к экономически минимальному значению.

Ряд патентов в США по сжижению, хранению и транспортировке газа в сжиженном состоянии известны еще с 1914 года. А первые попытки промышленного использования процессов сжижения относятся к 1941 году.

Способы сжижения природного газа

1. Классический каскадный цикл с последовательным использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана путем последовательного снижения их температуры кипения.
2. Цикл с двойным хладагентом – смесью этана и метана.
3. Расширительные циклы сжижения.
4. Новый способ «объединенный» автохолодильный каскадный цикл (ARC), в котором производится ступенчатая конденсация углеводородов с использованием их в качестве хладагентов в последующей ступени охлаждения при циркуляции неконденсирующегося азота.

Преимущество этого нового способа, испытываемого на опытной установке в Нанте (Франция) мощностью 28,3 тыс.м 3 /сутки, заключается в том, что отсутствует стадия получения и хранения хладагентов, и они извлекаются непосредственно в процессе сжиженияе природного газа. Процесс требует меньших капитальных затрат в сравнении с обычным каскадным циклом, так как необходима только одна машина для циркуляции хладагентов и меньшее число теплообменников.

Каскадная схема, в которой раздельно используются три хладоагента с последовательно снижающейся температурой кипения, требует больших капитальных, но меньших эксплуатационных затрат. Эта схема была последовательно усовершенствована; в настоящее время чаще применяется смесь хладоагентов; новая схема называется самоохлаждающей, так как часть хладоагента – этан и пропан – получаются из сжижаемого природного газа. Капитальные затраты при этом несколько ниже. В большинстве случаев в каскадных схемах используются поршневые компрессоры, сравнительно дорогостоящие как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам.

Расширительные схемы представляют существенный интерес, так как в них могут использоваться центробежные, более экономичные, машины, но расширительные циклы требуют затрат энергии на 20-30% больших, чем каскадные. Охлаждение достигается изоэнтропийным расширением метана в турбодетандере. Поток газа, предварительно очищенного от воды, углекислого газа и других загрязнений, сжижается под давлением за счет теплообмена с холодным расширенным газовым потоком. Для получения одной части жидкости необходимо подвергнуть сжатию и расширению примерно 10 частей газа.

Интересная модификация расширительной схемы может быть получена при подаче потребителю газа значительно более низкого давления, чем в питающем трубопроводе. Тогда за счет расширения поступающего из трубопровода газа можно получить дополнительное количество СПГ в количестве около 10% подаваемого газа. При этом экономятся капитальные затраты на компрессоры и эксплуатационные расходы на их обслуживание.

Источник: «Производство и использование сжиженных газов за рубежом (Обзор зарубежной литературы)» (Москва, ВНИИОЭНГ, 1974)

Источник

При каком давлении метан становится жидким

Преимущества метана, а правильнее сказать природного газа — его экологическая чистота, дешевизна, обширная и разнообразная ресурсная база, высокая безопасность, возобновляемость, универсальность применения – дополняются также тем, что его можно транспортировать и хранить как в газообразном, так и в сжиженном состоянии. Правда, при сверхнизких, криогенных температурах.

Компримирование (сжатие) и сжижение природного газа применяются для уменьшения физических объемов хранилища. В сосуд вместимостью 1000 литров при нормальных условиях (давление 1 атмосфера и температура 0 o С) войдет один кубический метр природного газа (нормальный — нм 3 ), при давлении 200 атмосфер — примерно 220 нм 3 , а при температуре минус 162 o С — 600 нм 3 .

Другими словами: при одинаковой вместимости топливных резервуаров автомобиль на СПГ проедет расстояние почти в 2,5 раза больше чем автомобиль на КПГ с топливной ёмкостью аналогичной вместимости. Для транспорта, выполняющего рейсы на большие расстояния, это имеет решающее значение.

Для использования метана в качестве топлива на транспорте сжижение открывает дополнительные возможности. Теперь метановые заправочные станции теперь не нужно подключать к газотранспортной или газораспределительной системам. Попросту говоря, природный газ может быть доставлен потребителю практически в любую точку, также как доставляют прочите нефтепродукты, включая СУГ.

Сжиженный природный газ – СПГ (Liquefied natural gas — LNG) представляет собой криогенную (со сверхнизкой температурой -120 К или -153,1 оС) жидкость без запаха и цвета, плотность которой в два раза меньше плотности воды. СПГ не токсичен. Диапазон температур кипения метана (в зависимости от его состава) -158 … -163 o C. СПГ для двигателей должен минимум на 95 % состоять из метана; в остальные 5 % входят этан, пропан, бутан, азот и прочие примеси.

Для получения коммерческого СПГ входящий (трубный) природный газ необходимо максимально очистить от влаги, конденсата, серы и, ртути и — главное, — двуокиси углерода (СО2). При нормальном давлении она замерзает и превращается лед уже при температуре минус 78,5? С. Ледяная пробка в может привести к остановке двигателя, убыткам и, в конечном счете, дискредитации СПГ как перспективного моторного топлива.

Немного истории

В начале XIX века Английский ученый Майкл Фарадей доказал возможность сжижения газов и заложил основы холодильного цикла: при повышения давления при комнатной температуре газ переходит в жидкость; при её испарении и возвращении в газообразное состояние выделяется холод; при повторном сжатии (компримировании) газа снова переходит в жидкость. И так далее.

В конце XIX веке немецкий инженер Карл фон Линде, считающийся основоположником холодильной техники, создал первую промышленную воздухоразделительную машину; первым научился сжижать воздух, кислород, азот. Карл Линде начал буквально «делать деньги из воздуха»: его фирма производила и продавала жидкий кислород. Кстати, ему же принадлежит изобретение ацетиленовой горелки.

В истории СПГ были и другие вехи:
• 1886 год: польский физик Кароль Ольшевский получил первый сжиженный природный газ;
• 1915 год: американский промышленник Годфри Кэбот (кстати, прожил 101 год!) запатентовал технологию хранения сжиженных газов при сверхнизких температурах;
• 1917 в Западной Вирджинии, США построена первая установка по производству коммерческого СПГ;
• 1957 в эксплуатацию введен первый в мире танкер-метановоз Methane Pioneer, доставивший из США в Великобританию первую товарную партию СПГ;
• 1998 год: в России начал работать первый в стране коммерческий комплекс сжижения/транспортировки/потребления СПГ (на базе ООО «Лентрансгаз» /Сергей Сердюков/ и ООО «Сигма-газ» /Илья Ходорков/).

Мировой рынок СПГ

К настоящему времени сформировался самостоятельный сегмент мирового газового рынка с собственной законодательной, технологической, промышленной, ресурсной и инфраструктурой базой. По данным из различных источников, в 2013 году:
• мировая добыча природного газа превысила 3,5 трлн. м 3 ;
• на мировой рынок поставлено 1,036 трлн. м 3 — почти треть мировой добычи;
8226; переработано в СПГ 0,3 трлн. м 3 (примерно 9,2% от общего объема или 31% от экспортного объема) и произведено примерно около 235 млн. т. товарного СПГ;
• прогноз производства СПГ на 2020 год составляет 400 млн. т (550 млрд. м 3 ); на 2030 — 500 млн. тонн (685 млрд. м 3 );
• сжижение природного газа в 17 странах осуществляют 86 заводов суммарной производительностью 286 млн. т;
• импорт СПГ осуществляется в 30 стран мира;
• выполнено 3998 рейсов танкеров СПГ;
• СПГ транспортируют более 420 танкеров суммарной вместимостью 62 млн. м 3 ;
• прием, хранение, регазификация и перевалка СПГ выполняется в 21 стране мира на 104 терминалах общим объемом 721 млн. тонн .

В 2014 году мировое производство СПГ составило по разным оценкам от 239 до 246 млн. т., т.е. примерно 9,6% от общего объема добычи природного газа. Международный союз импортеров СПГ (GIIGNL) утверждает, что паспортная мощность заводов сжижения природного газа к концу 2014 года достигла 298 млн. т, хотя полностью они не используются.

38% мирового объёма СПГ получено в Азиатско-тихоокеанском регионе.

Количество рейсов танкеров СПГ выросло до 4 023.

По некоторым прогнозам, в 2020 году производство СПГ может достичь 400 млн. т. (примерно 550 млрд. м 3 ), что будет эквивалентно 1/10 мирового рынка сырой нефти. К 2030 году мировой рынок СПГ может пересечь рубеж 500 млн. тонн в год (685 млрд. м 3 ).

Заводы по производству СПГ и регазификационные термналы

Цены на СПГ

Основным мотивом перехода на использование СПГ, также как и КПГ, является стремление сократить затраты на топливо. При этом СПГ предпочтительнее КПГ, поскольку по сравнению со сжатым газом он увеличивает пробег на одну заправку примерно в 2,5 раза при одинаковой вместимости систем хранения. Примечательно, что даже в условиях существенного падения цен на нефть (20% за шесть месяцев: июль 2014 – январь 2015) пессимистичный прогноз обвала цен на природный газ для автотранспорта не сбылся. Так, на переходе 2014/2015 года цены розничные на СПГ сократились только на один процент. Розничные цены на природный газ для автотранспорта намного более стабильны, чем цены на нефтепродукты. Предыдущее снижение цен на СПГ отмечалось в январе – июле 2014 года. Но даже тогда оно составило всего 7%.

Наибольший экономический эффект от использования сжиженного природного газа можно получить на тяжелом транспорте: морские и речные суда, железнодорожные локомотивы, магистральные тягачи, карьерные самосвалы, самолеты.

Транспорт на сжиженном метане:

Слева направо: морской паром Viking Grace, Финляндия;
газотурбовоз ГТ-1, Россия; магистральный тягач, Великобритания

Немного технологии

Производственно-коммерческий цикл СПГ включает сжижение природного газа (liquefaction of natural gas) — перевод входного природного газа из газообразного в сжиженное состояние за счет глубокого снижения температуры до -162 o С (-260 o F); краткосрочное хранение (до нескольких недель), транспортировку (дальность доставки автомобильным, железнодорожным и морским транспортом практически не ограничена); регазификацию (regasification) — возвращение СПГ в газообразное состояние и в завершении использование газа (use of gas) потребителем.

Источниками природного газа для переработки в СПГ в зависимости от конкретной задачи могут быть газотранспортная система и объекты на ней (компрессорные, газораспределительные станции, АГНКС, подземные хранилища), месторождения, малодебитные скважины, газовые коллекторы, возобновляемые источники и т.д.

Переработка природного газа в СПГ (natural gas processing into LNG) производится на специальных сухопутных и плавучих комплексах, использующих различные технологии: дросселированние — работа на разнице давлений газа на входе и в установке сжижения и каскадное охлаждение хладагентами. Для сокращения затрат на сжижение желательно, чтобы перепад давлений был не менее 25 – 30 атмосфер. Выбор конкретной технологии зависит от желаемой производительности оборудования, состава входящего газа, свойств и назначения итогового продукта.

Транспортировка СПГ

Транспортировка СПГ может осуществляться автомобильным, железнодорожным и водным транспортом. Наземным и железнодорожным транспортом сжиженный метан перевозят, как правило, в специальных емкостях, по сути, являющихся термосами различной конструкции, обеспечивающими достаточно продолжительное время бездренажного хранения (boil-off time). Современные емкости для транспортировки СПГ в малых обьъемах выполняются в габаритах 20- и 40-футовых контейнеров.

Стационарные наземные, заглубленные и подземные хранилища большой вместимости (как правило, вертикальные цилиндрические изотермические резервуары), также как и транспортные емкости, имеют многослойную конструкцию. Сложный сэндвич из силовых, тепло- и гидро-изолирущих конструкций, криопроводов, насосов и др. систем призван обеспечить достаточно продолжительное и безопасное хранение СПГ.

Конструкция резервуаров плавучих терминалов для хранения и газификации СПГ (FSRU — floating storage and regasification unit), — а таких объектов на конец 2014 года в мире насчитывалось 20,- в принципе имеют аналогичную конструкцию.

Ёмкости для СПГ можно сравнить с русской матрешкой, состоящей из нескольких вложенных, но изолированных друг от друга сосудов. Их количество, геометрия, материалы изготовления, тип изоляции, вместимость, конструкция и т.д. зависят от назначения.

Автоцистерны и крио-контейнеры идеально подходят для малотоннажных поставок СПГ конечным потребителям. В рамках российских и европейских СПГ-проектов автомобильные перевозки сжиженного метана осуществляют на дальность до 1000 и даже 1500 километров.

Преимуществом крио-контейнеров является то, что они приспособлены для мульти-модальных перевозок и могут выполнять роль сменных стационарных хранилищ, требующих минимальной инженерной подготовки площадки потребителя. С другой стороны, только автоцистерны могут обеспечить бесперевалочную доставку СПГ «от двери до двери».

Крупные партии СПГ транспортируют на большие расстояния морскими танкерами – метановозами (LNG carrier). Единичная вместимость танкера (по воде) колеблется в пределах от 19 до 266 тысяч м 3 . Основной объем мировых перевозок СПГ (49,8%) приходится на танкеры вместимостью от 100 до 149,9 тысяч м 3 . Вместе с танкерами вместимостью от 150 до 199,9 тысяч м 3 они транспортируют более 80% мирового экспортного СПГ. Сводные данные представлены в таблице.

Мировой флот танкеров СПГ по вместимости

По типу резервуаров для СПГ большие танкеры делятся на две большие группы: сферические (moss type) и мембранные (membrane type). Основу мирового метанового флота составляют газовозы мембранного типа. Таких судов сегодня 303; они транспортируют 75% общего объема СПГ. Танкеры со сферическими резервуарами насчитываю 109 единиц. Их транспортные возможности оцениваются в 23,7%. На танкере монтируют от 3 до 5 (реже 6) сферических или мембранных резервуаров. На малых танкерах как правило устанавливаются традиционные стальные криогенные емкости.

В 2014 году танкеры СПГ выполнили 4023 рейсов (в 2013 — 3998), 1524 из которых назначением в Японию, 559 – в Южную Корею, 273 в Китай, 219 в Тайвань, 660 в Европу 175 – в Северную Америку.

Строительство танкеров СПГ

Ведущими строителями танкеров СПГ являются Южная Корея и Япония. Почти 60% (248 судов) мирового флота данной специализации построено в Южной Корее; 23% (98 судов) – в Японии. Российский флот танкеров СПГ, принадлежащий Совкомфлоту, насчитывает 10 судов суммарной вместимостью 1 409 тыс. м 3 южнокорейской (шесть танкеров), японской и шведской постройки (по два танкера).

Мировой флот танкеров СПГ по месту строительства

При подготовке раздела по СПГ использованы материалы IEA — International Energy Agency – IEA, 2015 edition; Wood Makenzie, USDoE; Douglas-Westwood; Auke Visser’s, Global LNG Industry Review in 2014; Zeus Intelligence; GIIGNL — International Group of Liquefied Natural Gas Importers; ОАО «Газпром»; НГА и др.

Источник