Ako a prečo sa plyn skvapalňuje: technológia výroby a rozsah použitia skvapalneného plynu

Technológie súvisiace s výrobou, prepravou a spracovaním zemného plynu sa vyvíjajú rýchlym tempom.A veľa ľudí dnes počúva skratky LPG a LNG. Takmer každý druhý deň sa v správach spomína v tej či onej súvislosti palivo zemný plyn.

Ale vidíte, aby ste jasne pochopili, čo sa deje, je dôležité najprv pochopiť, ako sa plyn skvapalňuje, prečo sa to robí a aké výhody to poskytuje alebo neposkytuje. A v tomto čísle je veľa nuancií.

Na skvapalňovanie plynných uhľovodíkov sa stavajú veľké technologicky vyspelé zariadenia. Ďalej sa dôkladne pozrieme na to, prečo je to všetko potrebné a ako sa to deje.

Prečo je zemný plyn skvapalnený?

Modré palivo sa získava z útrob zeme vo forme zmesi metánu, etánu, propánu, butánu, hélia, dusíka, sírovodíka a iných plynov, ako aj ich rôznych derivátov.

Niektoré z nich sa používajú v chemickom priemysle a niektoré sa spaľujú v kotloch alebo turbínach na výrobu tepelnej a elektrickej energie. Okrem toho sa časť vyťaženého objemu používa ako palivo pre plynový motor.

Výpočty plynárov ukazujú, že ak je potrebné modré palivo dopraviť na vzdialenosť 2 500 km alebo viac, potom je to často výhodnejšie v skvapalnenej forme ako potrubím.

Hlavným dôvodom skvapalňovania zemného plynu je zjednodušenie jeho prepravy na veľké vzdialenosti. Ak sa spotrebiteľ a studňa na výrobu plynového paliva nachádzajú na pozemku neďaleko od seba, potom je jednoduchšie a výhodnejšie položiť medzi ne potrubie.Ale v niektorých prípadoch je výstavba diaľnice príliš drahá a problematická kvôli geografickým nuansám. Preto sa uchyľujú k rôznym technológiám výroby LNG alebo LPG v kvapalnej forme.

Ekonomika a bezpečnosť dopravy

Po skvapalnení sa plyn prečerpáva v kvapalnej forme do špeciálnych nádob na prepravu po mori, rieke, ceste a/alebo železnici. Technologicky je zároveň skvapalňovanie z energetického hľadiska dosť nákladný proces.

V rôznych závodoch to zaberie až 25 % pôvodného objemu paliva. To znamená, že na výrobu energie, ktorú technológia vyžaduje, musíte spáliť až 1 tonu LNG na každé tri tony v hotovej forme. Ale zemný plyn je teraz veľmi žiadaný, všetko sa vypláca.

V skvapalnenej forme zaberá metán (propán-bután) 500 – 600-krát menší objem ako v plynnom stave

Zatiaľ čo zemný plyn je kvapalina, je nehorľavý a nevýbušný. Až po odparení pri spätnom splyňovaní, výsledný zmes plynov sa ukazuje ako vhodný na zapálenie kotly a sporáky. Ak sa teda ako uhľovodíkové palivo používa LNG alebo LPG, musia sa znovu splyniť.

Použitie v rôznych oblastiach

Najčastejšie sa v súvislosti s prepravou uhľovodíkových nosičov energie spomínajú pojmy „skvapalnený plyn“ a „skvapalňovanie plynu“. To znamená, že sa najprv vyťaží modré palivo a potom sa premení na LPG alebo LNG. Výsledná kvapalina sa potom prepraví a potom sa vráti do plynného stavu na jedno alebo druhé použitie.

LPG (skvapalnený ropný plyn) je z 95 % alebo viac zložený zo zmesi propán-bután a LNG (skvapalnený zemný plyn) je z 85 – 95 % z metánu.Ide o podobné a zároveň radikálne odlišné druhy paliva.

LPG z propán-butánu sa používa najmä ako:

• palivo pre plynové motory;
• palivo na čerpanie do plynových nádrží autonómnych vykurovacích systémov;
• kvapaliny na plnenie zapaľovačov a plynových fliaš s objemom od 200 ml do 50 l.

LNG sa zvyčajne vyrába výlučne na prepravu na veľké vzdialenosti. Ak na skladovanie LPG stačí nádoba schopná odolať tlaku niekoľkých atmosfér, potom sú potrebné špeciálne kryogénne nádrže na skvapalnený metán.

Zariadenia na skladovanie LNG sú vysoko technologické a zaberajú veľa miesta. Nie je rentabilné používať takéto palivo v osobných automobiloch kvôli vysokým nákladom na valce. Nákladné vozidlá poháňané skvapalneným zemným plynom vo forme jednotlivých experimentálnych modelov už jazdia po cestách, ale v segmente osobných automobilov toto „tekuté“ palivo v blízkej budúcnosti pravdepodobne nenájde široké uplatnenie.

Skvapalnený metán ako palivo sa v súčasnosti čoraz viac používa v prevádzke:

• železničné dieselové lokomotívy;
• námorné plavidlá;
• riečna doprava.

Okrem použitia ako nosiča energie sa LPG a LNG používajú aj priamo v kvapalnej forme v plynárenských a petrochemických závodoch. Používajú sa na výrobu rôznych plastov a iných materiálov na báze uhľovodíkov.

Technológie na získavanie LPG a LNG

Aby sa metán premenil z plynu na kvapalinu, musí sa ochladiť na -163 °C. A propán-bután skvapalňuje pri -40 °C. V súlade s tým sú technológie a náklady v oboch prípadoch veľmi odlišné.

Jeden liter LNG sa rovná približne 1,38 kubického metra. m počiatočného zemného plynu (tento údaj závisí od teploty a tlaku), zníženie objemu - asi 620-krát

Na skvapalňovanie zemného plynu sa používajú tieto technológie od rôznych spoločností:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimalizovaná kaskáda;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL a kol.

Všetky sú založené na procesoch kompresie a/alebo výmeny tepla. Operácia skvapalňovania prebieha v zariadení v niekoľkých stupňoch, počas ktorých sa plyn postupne stláča a ochladzuje na teplotu prechodu do kvapalnej fázy.

Príprava plynnej zmesi

Skôr ako budete môcť skvapalniť surový zemný plyn, musíte z neho odstrániť vodu, hélium, vodík, dusík, zlúčeniny síry a iné nečistoty. Na tento účel sa zvyčajne používa adsorpčná technológia na hĺbkové čistenie plynnej zmesi jej prechodom cez molekulové sitá.

Potom nastáva druhá fáza prípravy suroviny, počas ktorej sa odstraňujú ťažké uhľovodíky. Výsledkom je, že v plyne zostáva len etán a metán (prípadne propán a bután) s objemom nečistôt menším ako 5 %, takže táto frakcia sa môže začať ochladzovať a skvapalňovať.

Primárna príprava s odstránením všetkého nepotrebného zo zemného plynu sa vykonáva za účelom ochrany chladiacich zariadení pred agresívnym pôsobením vody, oxidu uhličitého, zlúčenín síry a pod.

Frakcionácia vám umožňuje zbaviť sa škodlivých nečistôt a izolovať iba hlavný plyn na následné skvapalnenie. Pri tlaku 1 atm je teplota prechodu do kvapalného stavu pre metán -163 °C, pre etán -88 °C, pre propán -42 °C a pre bután -0,5 °C.

Práve tieto teplotné rozdiely vysvetľujú dôvod, prečo je plyn vstupujúci do zariadenia rozdelený na frakcie a až potom skvapalnený. Pre všetky typy plynných uhľovodíkových zlúčenín neexistuje jediná technológia skvapalňovania. Pre každý z nich je potrebné postaviť a použiť vlastnú výrobnú linku.

Základný proces skvapalňovania

Základom premeny plynu na kvapalné skupenstvo je chladiaci cyklus, počas ktorého sa teplo prenáša jedným alebo druhým chladivom z prostredia s nízkou teplotou do prostredia s vyššou. Tento proces je viacstupňový a vyžaduje výkonné kompresory na expanziu/stlačenie chladiacej kvapaliny a výmenníkov tepla.

Kompresné technológie sú špičkové, energeticky náročné a nákladné, ale v jednom cykle umožňujú stlačenie plynu 5 až 12-krát naraz

Nasledujúce sa používajú ako chladivo v rôznych štádiách skvapalňovania:

• propán;
• metán;
• etán;
• dusík;
• voda (morská a čistená);
• vzduchu.

Napríklad na primárne chladenie zemného plynu v Yamal LNG spoločnosti Novatek sa používa chladný arktický vzduch, ktorý umožňuje okamžité zníženie teploty suroviny s minimálnymi nákladmi na +10 °C. A v horúcich letných mesiacoch sa namiesto toho poskytuje na využívanie morskej vody zo Severného ľadového oceánu, ktorá má bez ohľadu na ročné obdobie konštantnú hĺbku 3–4 °C.

Zároveň sa v Yamale ako konečné chladivo používa dusík získaný priamo na mieste zo vzduchu. Výsledkom je, že Arktída poskytuje všetko potrebné na výrobu LNG – od pôvodného zemného plynu až po pracovné látky používané v procese skvapalňovania.

Propán sa skvapalňuje podobným spôsobom ako metán. Len to vyžaduje oveľa nižšie teploty chladenia – mínus 42 °C oproti mínus 163 °C. Preto skvapalnenie plyn pre plynové nádrže Stojí niekoľkonásobne menej, no samotný výsledný propán-butánový LPG je na trhu menej žiadaný.

Preprava a skladovanie

Takmer celý objem LNG sa prepravuje veľkými námornými tankermi z jedného pobrežia na druhé.Preprava po súši je obmedzená potrebou udržiavať teplotu „kvapalného modrého paliva“ na hodnotách okolo -160 °C, inak sa metán začne premieňať na plyn a stáva sa výbušným.

Na prepravu LPG sa používajú fľaše 5–50 litrov s vnútorným tlakom do 1,5–2 MPa a väčšie cisternové kontajnery určené na 5–17 MPa.

Tlak v nádrži LNG je blízky atmosférickému. Ak však teplota kvapalného metánu vystúpi nad -160 °C, začne sa meniť z kvapaliny na plyn. V dôsledku toho sa tlak v nádobe začne zvyšovať, čo predstavuje vážne nebezpečenstvo. Preto sú tankery LNG vybavené nízkoteplotnými udržiavacími jednotkami a silnou vrstvou tepelnej izolácie.

LPG sa znovu splyňuje na plyn priamo v plynovej nádrži. A spätné splyňovanie LNG sa vykonáva v špeciálnych priemyselných zariadeniach bez prístupu kyslíka. Podľa fyziky sa kvapalný metán pri kladných teplotách postupne mení na plyn. Ak sa to však deje priamo vo vzduchu mimo špeciálnych podmienok, potom takýto proces povedie k výbuchu.

Po skvapalnení zemného plynu vo forme LNG v závode je tento transportovaný a následne opäť v závode (iba spätné splyňovanie) prevedený späť do plynného stavu na ďalšie použitie.

Vyhliadky na skvapalnený vodík

Okrem priameho skvapalňovania a využitia v tejto forme je možné zo zemného plynu získať aj ďalší nosič energie – vodík. Metán je CH₄, propán C₃N₈a bután C₄N₁₀.

Vodíková zložka je prítomná vo všetkých týchto fosílnych palivách, len ju treba izolovať.

Hlavnými výhodami vodíka sú šetrnosť k životnému prostrediu a rozšírený výskyt v prírode, avšak vysoká cena jeho skvapalňovania a straty neustálym odparovaním tieto výhody takmer na nič neznižujú.

Aby sa vodík premenil z plynu na kvapalinu, musí sa ochladiť na -253 °C. Na tento účel sa používajú viacstupňové chladiace systémy a „kompresné/expanzné“ inštalácie. V súčasnosti sú takéto technológie príliš drahé, ale pracuje sa na znížení ich nákladov.

Odporúčame tiež prečítať si náš ďalší článok, kde sme podrobne opísali, ako si vyrobiť vodíkový generátor pre váš domov vlastnými rukami. Viac podrobností - choďte odkaz.

Taktiež na rozdiel od LPG a LNG je skvapalnený vodík oveľa výbušnejší. Jeho najmenší únik v kombinácii s kyslíkom vytvára zmes plynu a vzduchu, ktorá sa vznieti pri najmenšej iskre. A skladovanie kvapalného vodíka je možné len v špeciálnych kryogénnych nádobách. Vodíkové palivo má stále príliš veľa nevýhod.

Závery a užitočné video na túto tému

Ako sa vyrába skvapalnený plyn a prečo sa skvapalňuje:

Všetko o skvapalnených plynoch:

Existuje niekoľko technológií na skvapalňovanie plynov. Pre metán sú ich a pre propán-bután sú ich. Zároveň je lacnejšie získať LPG, preprava/skladovanie je jednoduchšia a bezpečnejšia. Výroba metánu LNG je drahší a komplexnejší proces. Navyše jeho opätovné splyňovanie vyžaduje špeciálne vybavenie. Zároveň je dnes na trhu väčší dopyt po metáne, takže sa skvapalňuje v oveľa väčších objemoch.

Máte nejaké upresňujúce otázky alebo vlastný odborný názor na tému skvapalňovania plynov? Možno by ste k vyššie uvedenému mali niečo dodať. Neváhajte sa spýtať a/alebo komentovať článok v poli nižšie.