Процесс сжижения газа: технологии и области применения сжиженного газа

Технологии, связанные сExtraction, транспортировкой и переработкой газа, развиваются с удивительной скоростью. В наше время все чаще можно услышать такие сокращения, как СПГ (сжиженный природный газ) и СУГ (сжиженный углеводородный газ). Каждые несколько дней природный газ появляется в новостях в разных контекстах.

Тем не менее, чтобы получить полное представление о данной теме, важно сначала разобраться в процессах сжижения газа, понять его цели и преимущества. Этот процесс имеет множество нюансов.

Процесс сжижения газа включает в себя охлаждение газа до очень низких температур, при которых он переходит в жидкое состояние. Основная цель сжижения — уменьшение объема газа, что облегчает его транспортировку и хранение. Сжиженный газ занимает в 600 раз меньший объем, чем в газообразном состоянии, что делает его более экономически целесообразным для транспортировки на большие расстояния, особенно по морю.

Для осуществления сжижения углеводородов возводятся современные заводы. Крупные заводы по сжижению газа оснащены сложным оборудованием и высокими технологиями, которые позволяют эффективно и безопасно проводить процесс. Современные технологии сжижения могут включать в себя использование различных циклов охлаждения, таких как цикл Крайоса (Cyrus), процесс Пираньи (Priestly) и другие.

Сжиженный природный газ находит применение в различных областях: от бытового использования в качестве топлива для автомобилей до промышленных процессов, таких как производство электроэнергии и теплоэнергетики. Также СПГ активно используется в качестве сырья в химической промышленности, что делает его важным компонентом в производстве множества товаров.

Кроме того, на мировом рынке наблюдается рост спроса на сжиженный газ, что способствует развитию новых маршрутов транспортировки и новых технологий. Страны, обладающие большими запасами природного газа, стремятся развивать инфраструктуру для его сжижения и экспорта, чтобы укрепить свои позиции на международной арене.

Таким образом, процесс сжижения газа играет ключевую роль в современных энергетических системах, открывая новые возможности для безопасной и эффективной доставки энергоресурсов в различные уголки мира.

Причины сжижения природного газа

Голубое топливо добывается из недр земли в виде смеси, содержащей метан, этан, пропан, бутан, гелий, азот, сероводород и другие газы, а также их производные.

Некоторые компоненты используются в химической промышленности, а другие сжигаются в котлах и генераторах для выработки электричества и тепла. Дополнительно часть извлеченного газа служит горючим для газовых двигателей.

Специалисты в области газовой промышленности утверждают, что при транспортировке природного газа на расстояние свыше 2500 км, сжиженный вариант часто оказывается более экономически целесообразным, чем транспортировка по трубам.

Основная цель сжижения газа заключается в упрощении его перевозки на дальние расстояния. Если добыча и потребление газа расположены близко друг к другу, то прокладка трубопровода может оказаться более выгодным вариантом. Однако в ряде случаев строительство магистрали становится слишком дорогостоящим или сложным из-за географических особенностей, что делает сжижение более привлекательным.

Экономический аспект и безопасность транспортировки

После сжижения газ заливается в специальные контейнеры для транспортировки морем, по рекам, суше или железной дороге. Процесс сжижения требует значительных энергетических затрат.

В зависимости от производства, на сжижение может тратиться до 25% первоначального объема газа. Это означает, что для получения необходимого объема энергии может потребоваться сжечь до одной тонны СПГ на каждые три тонны готового продукта. Однако, учитывая высокий спрос на природный газ, такие затраты вполне оправданы.

В жидком состоянии метан (или пропан-бутан) занимает объем, в 500–600 раз меньший, чем в газообразной форме.

Пока газ остается в жидкой форме, он не является горючим и безопасен с точки зрения взрывоопасности. Он начинает гореть лишь после регазификации, когда газовая смесь вновь становится горючей для использования в котлах и плитах. Поэтому СПГ или СУГ, используемые как топливо, всегда подлежат регазификации.

Области применения

Термины «сжиженный газ» и «сжижение газа» чаще всего обсуждаются в контексте транспортировки углеводородных энергетических ресурсов. Вначале происходит извлечение газа, затем его преобразование в СУГ или СПГ, после чего полученная жидкость транспортируется и вновь превращается в газ для дальнейшего применения.

СУГ состоит более чем на 95% из пропан-бутановой смеси, тогда как СПГ содержит 85-95% метана. Эти два типа топлива имеют и схожие черты, и весомые отличия.

СУГ используется в качестве:

• топлива для газовых повозок;
• горючего для газохранилищ автономного отопления;
• компонента для заправки зажигалок и газовых баллонов объемом от 200 мл до 50 л.

Применение СПГ в основном связано с транспортировкой на большие расстояния. Для хранения СУГ достаточно емкости, которая выдерживает давление несколько атмосфер, в то время как для сжиженного метана нужны криогенные резервуары.

Оборудование для хранения СПГ требует высокой технологии и занимает значительные площади. Использование такого топлива в легковых автомобилях невыгодно из-за высокой стоимости баллонов. Хотя грузовики на СПГ уже существуют, в легковом автопарке это топливо в ближайшем будущем вряд ли получит широкое распространение.

Сжиженный метан все чаще используется в:

• железнодорожных локомотивах;
• морских судах;
• водном транспорте.

Кроме использования в роли топлива, LPG и LNG применяются в своем жидком виде на нефтехимических и газохимических предприятиях для производства различных пластиков и других материалов на основе углеводов.

Выбор сжиженного газа как альтернативного топлива также ставит перед собой экологические задачи. Сжиженный метан является более чистым топливом по сравнению с углем и нефтью, так как его сжигание приводит к меньшему выбросу углекислого газа и других загрязняющих веществ. Это делает его привлекательным для использования в условиях строгих экологических норм и требований.

Технологические достижения в области криогенной техники и хранения сжиженного газа также способствуют увеличению его применения. Современные криогенные системы позволяют значительно снизить потери при транспорте и хранении, что делает сжиженный газ более конкурентоспособным на мировом рынке.

Методы получения СУГ и СПГ

Чтобы превратить метан из газообразного состояния в жидкое, его необходимо охладить до -163 °C, в то время как пропан-бутан сжижается при -40 °C. Поэтому технологии и расходы на производство сильно различаются.

Один литр СПГ соответствует примерно 1,38 куб. м природного газа (конкретное значение зависит от давления и температуры), то есть объем уменьшается приблизительно в 620 раз.

Для сжижения природного газа используют разные технологии от разных компаний, среди которых:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimized Cascade;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL и другие.

Все эти технологии основаны на компримировании и тепловом обмене. Процесс сжижения происходит на заводе в несколько этапов, где газ сжимается и охлаждается до температуры, при которой он переходит в жидкость.

Подготовка газовой смеси

Перед началом сжижения природный газ должен быть очищен от воды, гелия, водорода, азота, серных соединений и прочих примесей. Для этого обычно применяют адсорбционные технологии глубокого обессоливания, пропуская газ через молекулярные ситы.

Затем проходит второй этап подготовки, который включает удаление тяжелых углеводородов. В итоге в газе остаются только этан и метан (или пропан и бутан) с содержанием примесей менее 5%, чтобы уже эту фракцию начать охлаждать и сжижать.

Начальная подготовка, включающая удаление ненужных компонентов, необходима для защиты холодильного оборудования от повреждений, вызванных воздействием воды, углекислоты, серных соединений и так далее.

Фракционирование способствует очистке от вредных примесей и выделению основного газа для дальнейшего сжижения. При давлении 1 атм температура перехода в жидкое состояние составляет -163 °C для метана, -88 °C для этана, -42 °C для пропана и -0,5 °C для бутана.

Как раз эти температурные различия объясняют необходимость деления продолжительного процесса на фракции перед сжижением газа на заводе. Для каждого типа углеводородного газа требуется своя технологическая линия, так как универсальной технологии сжижения не существует.

Ключевой процесс сжижения

Основой для перевода газа в жидкую фазу служит холодильный цикл, в ходе которого тепло удаляется от среды с низкой температурой к среде с высокой. Это многоступенчатый процесс, требующий мощных компрессоров для обработки теплоносителей и теплообменников.

Недавно в промышленности наблюдается тенденция к применению более энергоэффективных и экологически чистых технологий, что позволяет снизить углеродный след производственных процессов.

Технологии компримирования являются высокоэффективными, хотя и затратными, позволяя за один цикл сжимать газ в 5-12 раз.

В качестве хладагентов на различных этапах сжижения применяются:

• пропан;
• метан;
• этан;
• азот;
• вода (морская и очищенная);
• воздух.

Например, на заводе «Ямал-СПГ» компания Новатэк использует прохладный арктический воздух для первичного охлаждения природного газа, что позволяет снизить его температуру до +10 °C с минимальными затратами. В летние месяцы вместо этого используется морская вода из Северного Ледовитого океана, которая на глубине всегда имеет температуру 3-4 °C.

На последующем этапе в качестве конечного хладагента используется азот, получаемый прямо на месте из воздуха. Таким образом, Арктика предоставляет все необходимое для получения СПГ, начиная с природного газа и заканчивая рабочими агентами для сжижения.

Сжижение пропан-бутана происходит по аналогичному принципу, но при менее низких температурах – -42 °C вместо -163 °C для метана. Поэтому процесс сжижения газа для газгольдеров обходится гораздо дешевле, хотя пропан-бутановый СУГ на рынке пользуется меньшим спросом.

Транспортировка и хранение газа

Основная часть СПГ транспортируется крупногабаритными морскими танкерами от одного берега к другому. Транспортировка по суше ограничена необходимостью поддерживать температуру «жидкого голубого топлива» на уровне около -160 °C; в противном случае метан начинает превращаться в газ и становится опасным.

Кроме того, для обеспечения безопасности на этапе транспортировки разработаны специальные системы мониторинга и управления, которые позволяют отслеживать состояние резервуаров и изменять условия хранения в зависимости от внешних факторов.

Для транспортировки СУГ используются баллончики объемом 5-50 литров с давлением до 1,5-2 МПа, а также более крупные цистерны, рассчитанные на 5-17 МПа.

Давление в резервуарах с СПГ находится близко к атмосферному. Однако подъем температуры жидкого метана выше -160 °C вызывает его переход в газообразное состояние, увеличивая давление в резервуаре. Это создает значительные риски. Поэтому танкеры, перевозящие СПГ, оборудуются системами для поддержания низких температур и имеют надежный слой теплоизоляции.

СУГ подвергается регазификации непосредственно в газохранилищах, в то время как регазификация СПГ осуществляется на специализированных промышленных установках без доступа воздуха. Жидкий метан постепенно превращается в газ при положительной температуре, однако если это произойдет в открытом воздухе без соответствующих условий, это может привести к аварии.

Новые технологии регазификации позволяют повышать эффективность использования возобновляемых источников энергии, которые могут быть интегрированы в процесс, что также способствует снижению затрат.

По завершении процесса сжижения природного газа на специализированном заводе, полученный сжиженный природный газ (СПГ) отправляется на транспортировку, а затем в регазификационном центре снова преобразуется в газообразное состояние для дальнейшего использования.

Будущее сжиженного водорода

Кроме прямого сжижения и использования природного газа, можно извлечь еще один источник энергии – водород. Метан обозначается как СН₄, пропан – С₃Н₈, а бутан – С₄Н₁₀.

Все эти ископаемые топлива содержат водород в своем составе, и задача заключается в его выделении.

Основные преимущества водорода заключаются в его экологичности и обширной доступности в природе, однако значительные затраты на сжижение и убытки из-за постоянного испарения существенно уменьшают привлекательность этого источника.

Для перевода водорода из газообразного состояния в жидкое его необходимо охладить до температуры -253 °C. Для достижения такой температуры применяются многоступенчатые системы охлаждения и установки для сжатия и расширения. На данный момент технологии, необходимые для этого процесса, остаются достаточно дорогостоящими, но активные исследования направлены на их удешевление.

Также рекомендуем вам ознакомиться с другой нашей статьей, где мы подробно описываем процесс создания водородного генератора для использования в домашних условиях. Узнать больше можно по ссылке.

Важно отметить, что сжиженный водород гораздо более взрывоопасен по сравнению с сжиженными углеводородами, такими как LPG и LNG. Даже небольшая утечка водорода в сочетании с кислородом образует газовоздушную смесь, способную воспламеняться от незначительной искры. Хранение жидкого водорода возможно исключительно в специальных криогенных контейнерах. Проблем у водородного топлива на сегодняшний день достаточно много.

С другой стороны, водород может стать ключевым компонентом в переходе к устойчивым источникам энергии. Его можно использовать в топливных элементах, которые генерируют электроэнергию, лишь выделяя воду в качестве побочного продукта. Это делает водород подходящей альтернативой для транспортных средств и стационарных источников энергии.

В последние годы также наблюдается рост интереса к синтетическому водороду, который производится из возобновляемых источников энергии путем электролиза. Этот процесс позволяет создать водород, который будет существенно более экологичным и экономически выгодным. Инвестирование в научные исследования и разработки технологий водородной энергетики может способствовать дальнейшему снижению затрат и повышению безопасности.

Тем не менее, для полноценного внедрения водородного топлива необходимо разработать инфраструктуру, которая обеспечивала бы надежный и безопасный цикл хранения, транспортировки и использования водорода. Это требует как государственных инвестиций, так и частного партнерства, что является важным шагом к созданию устойчивой энергетической системы будущего.

Заключение и полезное видео по теме

Процесс производства сжиженного газа и его необходимость:

Информация о сжиженных газах:

Существует несколько технологий для сжижения газов. Для метана применяются одни методы, а для пропан-бутана — другие. Сжиженные углеводороды (СУГ) проще и безопаснее транспортировать и хранить, их стоимость ниже. Однако процесс получения метанового СПГ отличается высокой стоимостью и сложностью. Кроме того, его регазификация требует наличия специализированного оборудования. Тем не менее, сегодня метан пользуется большим спросом на рынке, что приводит к его сжижению в значительных объемах.

Если у вас есть уточняющие вопросы или вы хотите поделиться своими мыслями касательно сжижения газа, не стесняйтесь оставлять комментарии или задавать вопросы в блоке ниже.