Kaskadni procesi

Pojednostavljeni klasični kaskadni ciklus

Kriva hlađenja kaskadnog ciklusa na tri i devet nivoa za prirodni gas.

Propan prethodno ohlađeni MRC ciklus hlađenja za prirodni gas.

Kaskadni ciklus mešanog rashladnog sredstva.

Kaskadni procesi

Klasični kaskadni ciklus

Pojednostavljeni tok klasičnog kaskadnog procesa je prikazan na slici. Kada se koristi za likvifikaciju prirodnog gasa, struja prirodnog gasa nakon prečišćavanja se sukcesivno hladi isparavanjem propana, etilena i metana. Svaki od ovih gasova se likvifikuje u konvencionalnim rashladnim petljama sličnim onom prikazanom na slici u postu Džul-Tomsonov efekat pod nazivom Jednostavan Lindeov ciklus koji se koristi kao frižider. Svako rashladno sredstvo može da se ispari na dva ili tri nivoa pritiska da bi se povećala efikasnost hlađenja, ali po cenu znatno povećane složenosti procesa.

Krive hlađenja za likvifikaciju prirodnog gasa kaskadnim procesom su prikazane na slikama. Očigledno je da se efikasnost kaskadnog ciklusa može značajno poboljšati povećanjem broja upotrebljenih nivoa rashladnog sredstva. Stvarni rad potreban za kaskadni ciklus od devet nivoa prikazan na slici je približno 80% od onog koji je potreban za ciklus kaskade na tri nivoa prikazan na slici za istu propusnost. Ovo povećanje efikasnosti se postiže minimiziranjem temperaturnih razlika između rashladnog sredstva i prirodnog gasa tokom svakog koraka krive hlađenja.

Kaskadni sistem se može prilagoditi bilo kojoj krivi hlađenja; tj. količina rashladne opreme koja se isporučuje na različitim temperaturnim nivoima može se odabrati tako da se temperaturne razlike u isparivačima i izmenjivačima toplote približavaju praktičnom minimumu (manje temperaturne razlike smanjuju nepovratnost, a samim tim i manju potrošnju energije).

Kaskadni ciklus mešovitog rashladnog sredstva

Sa pojavom velikih postrojenja za likvifikaciju prirodnog gasa, poseban naglasak mora biti posvećen još jednom ciklusu, koji se koristi isključivo u proizvodnji LNG; naime, ciklus kaskade mešovitog rashladnog sredstva (MRC). Ovaj ciklus je varijacija kaskadnog ciklusa opisanog iznad i uključuje cirkulaciju jedne struje rashladnog sredstva pažljivo pripremljene od mešavine rashladnih sredstava. Pojednostavljivanje procesa kompresije i razmene toplote u takvom ciklusu može, pod određenim okolnostima, ponuditi potencijal za smanjenje kapitalnih izdataka u odnosu na konvencionalni kaskadni ciklus. Obratite pažnju na sličnost krive MRC ciklusa hlađenja propanom prethodno ohlađenog prirodnog gasa na slici sa odgovarajućom krivom hlađenja za kaskadni ciklus od devet nivoa na slici.

Slika prikazuje pojednostavljenu verziju MRC ciklusa. Hlađenje potrebno za hlađenje i likvifikaciju prirodnog gasa obezbeđuje cirkulišući mješoviti rashladni tok koji sadrži komponente kao što su butan, propan, etan, metan i azot. Ovaj tok se kompresuje dvostepenim kompresorom, a toplota kompresije se odvodi u interkuler i naknadni hladnjak sa rashladnom vodom. Struja mešanog rashladnog sredstva, kao rezultat kompresije i hlađenja, delimično se kondenzuje i dve faze se razdvajaju u prvom separatoru. Tečnost i gornji deo pare teku kao odvojeni tokovi do prvog izmenjivača, gde se toplota prenosi na povratni tok rashladnog sredstva. Para se pri tome delimično kondenzuje i teče iz ovog izmenjivača toplote u drugi separator, gde se faze ponovo razdvajaju.

Tečna faza iz prvog separatora, koja protiče kroz prvi izmenjivač, se pothlađuje, a zatim smanjuje pritisak pre nego što se vrati kroz prvi izmenjivač na topli kraj kako bi se obezbedilo hlađenje za tri rashladna toka (dovod prirodnog gasa i para i tečno rashladno sredstvo tokovi iz prvog separatora). Gornji deo pare i tečnosti iz drugog separatora se kao odvojeni tokovi šalju u drugi izmenjivač na dalje hlađenje. Tečnost iz drugog separatora se ponovo pothlađuje u drugom izmenjivaču i smanjuje pritisak pre nego što se vrati u drugi izmenjivač kao struja rashladnog sredstva.

Gornji deo pare iz drugog separatora se hladi i potpuno kondenzuje u drugom i trećem izmenjivaču, a zatim se smanjuje pritisak da bi se obezbedio konačni nivo hlađenja pri povratku kroz treći izmenjivač. Ovaj povratni tok spaja se sa drugim strujama tečnosti ubrizganim na hladnom kraju drugog i prvog izmenjivača kako bi se obezbedilo hlađenje za (1) hlađenje i likvifikaciju dovoda prirodnog gasa, (2) delimično kondenzovanje tokova pare rashladnog sredstva i (3) pothlađenje tokova tečnog rashladnog sredstva. Ukupni kombinovani tok rashladnog sredstva iz prvog izmenjivača teče u dvostepeni kompresor gde se ponovo kompresuje za recirkulaciju.

Opis u prethodnom paragrafu daje osnovne koncepte procesa sa mešanim rashladnim sredstvom.

Svi mešoviti procesi rashladnog sredstva koriste višekomponentnu mešavinu rashladnog sredstva, koja se više puta delimično kondenzuje, odvaja, hladi, širi i zagreva dok se rashladno sredstvo kreće kroz proces likvifikacije prirodnog gasa. Dakle, ovi procesi zahtevaju sofisticiranije metode projektovanja kao i potpunije poznavanje termodinamičkih svojstava gasovitih smeša nego što je potrebno za jednostavne ekspandere ili kaskadne cikluse. Takođe, ovi procesi moraju da rukuju dvofaznim mešavinama u svim izmenjivačima toplote.