Jak a proč se plyn zkapalňuje: technologie výroby a rozsah použití zkapalněného plynu

Technologie související s výrobou, přepravou a zpracováním zemního plynu se vyvíjejí rychlým tempem.A mnoho lidí dnes slyší zkratky LPG a LNG. Téměř každý druhý den je ve zprávách v té či oné souvislosti zmíněno palivo zemní plyn.

Ale jak vidíte, aby bylo jasné, co se děje, je důležité nejprve pochopit, jak se plyn zkapalňuje, proč se to dělá a jaké výhody to poskytuje nebo neposkytuje. A v tomto vydání je spousta nuancí.

Pro zkapalnění plynných uhlovodíků se budují velké high-tech závody. Dále se pečlivě podíváme na to, proč je to všechno potřeba a jak se to děje.

Proč se zemní plyn zkapalňuje?

Modré palivo se získává z útrob země ve formě směsi metanu, ethanu, propanu, butanu, helia, dusíku, sirovodíku a dalších plynů, jakož i jejich různých derivátů.

Některé z nich se používají v chemickém průmyslu a některé se spalují v kotlích nebo turbínách k výrobě tepelné a elektrické energie. Část vytěženého objemu se navíc používá jako palivo pro plynové motory.

Výpočty plynařů ukazují, že pokud je třeba modré palivo dopravit na vzdálenost 2 500 km nebo více, pak ve zkapalněné formě je často výhodnější to udělat než potrubím.

Hlavním důvodem zkapalňování zemního plynu je zjednodušení jeho přepravy na velké vzdálenosti. Pokud se spotřebitel a studna na výrobu plynového paliva nacházejí na pozemku nedaleko od sebe, je snazší a výhodnější položit mezi ně potrubí.V některých případech je ale stavba dálnice příliš drahá a problematická kvůli geografickým nuancím. Proto se uchylují k různým technologiím výroby LNG nebo LPG v kapalné formě.

Ekonomika a bezpečnost dopravy

Po zkapalnění je plyn přečerpáván do kapalné formy do speciálních nádob pro přepravu po moři, řece, silnici a/nebo železnici. Technologicky je přitom zkapalňování z energetického hlediska dost nákladný proces.

V různých závodech to spotřebuje až 25 % původního objemu paliva. To znamená, že k výrobě energie požadované technologií musíte spálit až 1 tunu LNG na každé tři tuny v hotové podobě. Zemní plyn je ale nyní velmi žádaný, vše se vyplácí.

Ve zkapalněné formě zaujímá metan (propan-butan) 500–600krát menší objem než v plynném stavu

Zatímco zemní plyn je kapalina, je nehořlavý a nevýbušný. Teprve po odpaření při zpětném zplynování, výsledné směs plynů se ukazuje jako vhodný pro zapálení kotle a sporáky. Pokud se tedy jako uhlovodíkové palivo používá LNG nebo LPG, musí být znovu zplynovány.

Použití v různých oblastech

Nejčastěji se v souvislosti s přepravou uhlovodíkových nosičů energie zmiňují pojmy „zkapalněný plyn“ a „zkapalnění plynu“. To znamená, že se nejprve vytěží modré palivo a poté se přemění na LPG nebo LNG. Výsledná kapalina je pak transportována a poté vrácena do plynného stavu pro jedno či druhé použití.

LPG (zkapalněný ropný plyn) je z 95 % nebo více složen ze směsi propan-butan a LNG (zkapalněný zemní plyn) je z 85–95 % metan.Jedná se o podobné a zároveň radikálně odlišné druhy paliva.

LPG z propan-butanu se používá především jako:

• palivo pro plynové motory;
• palivo pro čerpání do plynových nádrží autonomních topných systémů;
• kapaliny pro doplňování zapalovačů a plynových lahví o objemu od 200 ml do 50 l.

LNG se obvykle vyrábí výhradně pro přepravu na dlouhé vzdálenosti. Pokud pro skladování LPG stačí nádoba schopná odolat tlaku několika atmosfér, pak jsou pro zkapalněný metan nutné speciální kryogenní nádrže.

Zařízení pro skladování LNG je vysoce technologické a zabírá mnoho místa. Není rentabilní používat takové palivo v osobních automobilech kvůli vysokým nákladům na válce. Nákladní automobily s pohonem na LNG ve formě jednotlivých experimentálních modelů již jezdí po silnicích, ale v segmentu osobních automobilů toto „kapalné“ palivo pravděpodobně v blízké budoucnosti nenajde široké uplatnění.

Zkapalněný metan jako palivo se nyní stále více používá v provozu:

• železniční dieselové lokomotivy;
• námořní plavidla;
• říční doprava.

Kromě využití jako nosiče energie se LPG a LNG používají také přímo v kapalné formě v plynárnách a petrochemických závodech. Používají se k výrobě různých plastů a dalších materiálů na bázi uhlovodíků.

Technologie pro získávání LPG a LNG

Aby se metan přeměnil z plynu na kapalinu, musí se ochladit na -163 °C. A propan-butan zkapalňuje při -40 °C. V souladu s tím jsou technologie a náklady v obou případech velmi odlišné.

Jeden litr LNG se rovná přibližně 1,38 metru krychlovému. m počátečního zemního plynu (tento údaj závisí na teplotě a tlaku), pokles objemu - asi 620krát

Ke zkapalňování zemního plynu se používají následující technologie od různých společností:

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

Všechny jsou založeny na procesech stlačování a/nebo výměny tepla. Operace zkapalňování probíhá v zařízení v několika stupních, během kterých je plyn postupně stlačován a ochlazen na teplotu přechodu do kapalné fáze.

Příprava směsi plynů

Než budete moci surový zemní plyn zkapalnit, musíte z něj odstranit vodu, helium, vodík, dusík, sloučeniny síry a další nečistoty. K tomuto účelu se obvykle používá adsorpční technologie pro hloubkové čištění plynné směsi jejím průchodem přes molekulární síta.

Poté nastává druhý stupeň přípravy suroviny, během kterého se odstraňují těžké uhlovodíky. Díky tomu v plynu zůstane pouze ethan a metan (případně propan a butan) s objemem nečistot menším než 5 %, takže tato frakce se může začít ochlazovat a zkapalňovat.

Primární příprava s odstraněním všeho nepotřebného ze zemního plynu se provádí za účelem ochrany chladicího zařízení před agresivními účinky vody, oxidu uhličitého, sloučenin síry apod.

Frakcionace umožňuje zbavit se škodlivých nečistot a izolovat pouze hlavní plyn pro následné zkapalnění. Při tlaku 1 atm je teplota přechodu do kapalného stavu pro metan -163 °C, pro etan -88 °C, pro propan -42 °C a pro butan -0,5 °C.

Právě tyto teplotní rozdíly vysvětlují důvod, proč je plyn vstupující do zařízení rozdělen na frakce a teprve poté zkapalněn. Pro všechny typy plynných uhlovodíkových sloučenin neexistuje jediná technologie zkapalňování. Pro každý z nich je nutné postavit a používat vlastní výrobní linku.

Základní proces zkapalňování

Základem přeměny plynu na kapalné skupenství je chladicí cyklus, při kterém dochází k přenosu tepla jedním nebo druhým chladivem z prostředí s nízkou teplotou do prostředí s vyšší. Tento proces je vícestupňový a vyžaduje výkonné kompresory pro expanzi/kompresi chladicí kapaliny a výměníků tepla.

Kompresní technologie jsou špičkové, energeticky náročné a nákladné, ale v jednom cyklu umožňují stlačit plyn 5–12krát najednou

Následující se používají jako chladivo v různých fázích zkapalňování:

• propan;
• metan;
• etan;
• dusík;
• voda (mořská a vyčištěná);
• vzduch.

Například pro primární chlazení zemního plynu v Yamal LNG společnosti Novatek se používá chladný arktický vzduch, který umožňuje okamžité snížení teploty suroviny s minimálními náklady na +10 °C. A v horkých letních měsících je místo toho zajištěno využití mořské vody ze Severního ledového oceánu, která bez ohledu na roční období v hloubce stálých 3–4 °C.

Přitom dusík, získaný přímo na místě ze vzduchu, se v Yamalu používá jako konečné chladivo. Výsledkem je, že Arktida poskytuje vše potřebné k výrobě LNG – od počátečního zemního plynu až po pracovní látky používané při procesu zkapalňování.

Propan zkapalňuje podobným způsobem jako metan. Jen to vyžaduje mnohem nižší teploty chlazení – minus 42 °C oproti minus 163 °C. Proto zkapalnění plyn pro plynové nádrže Stojí několikanásobně méně, ale samotný výsledný propanbutanový LPG je na trhu méně žádaný.

Doprava a skladování

Téměř celý objem LNG je přepravován velkými námořními tankery s plynem z jednoho pobřeží na druhé.Pozemní přeprava je omezena nutností udržovat teplotu „kapalného modrého paliva“ na hodnotách cca -160°C, jinak se metan začne přeměňovat do plynného skupenství a stane se výbušným.

Pro přepravu LPG se používají lahve 5–50 litrů s vnitřním tlakem do 1,5–2 MPa a větší cisternové kontejnery určené pro 5–17 MPa.

Tlak v nádrži LNG je blízký atmosférickému. Pokud však teplota kapalného metanu stoupne nad -160 °C, začne se z kapaliny měnit v plyn. V důsledku toho se tlak v nádobě začne zvyšovat, což představuje vážné nebezpečí. Cisterny na LNG jsou proto vybaveny nízkoteplotními údržbovými jednotkami a silnou vrstvou tepelné izolace.

LPG se znovu zplynuje na plyn přímo v plynové nádrži. A zpětné zplyňování LNG se provádí ve speciálních průmyslových zařízeních bez přístupu kyslíku. Podle fyziky se kapalný metan při kladných teplotách postupně mění v plyn. Pokud se to však děje přímo ve vzduchu mimo zvláštní podmínky, pak takový proces povede k výbuchu.

Poté, co je zemní plyn ve formě LNG v závodě zkapalněn, je transportován a následně opět v závodě (pouze zpětné zplynování) přeměněn zpět do plynného stavu pro další použití.

Vyhlídky na zkapalněný vodík

Kromě přímého zkapalňování a využití v této formě je možné ze zemního plynu získat i další nosič energie – vodík. Metan je CH₄, propan C₃N₈a butan C₄N₁₀.

Vodíková složka je přítomna ve všech těchto fosilních palivech, stačí ji izolovat.

Hlavními výhodami vodíku je šetrnost k životnímu prostředí a rozšířený výskyt v přírodě, nicméně vysoká cena jeho zkapalňování a ztráty neustálým odpařováním tyto výhody téměř na nic nesnižují.

K přeměně vodíku z plynu na kapalinu je nutné jej ochladit na -253 °C. K tomuto účelu se používají vícestupňové chladicí systémy a „kompresní/expanzní“ instalace. V současné době jsou takové technologie příliš drahé, ale pracuje se na snížení jejich nákladů.

Doporučujeme také přečíst si náš další článek, kde jsme podrobně popsali, jak si vyrobit vodíkový generátor pro váš domov vlastníma rukama. Další podrobnosti - jít odkaz.

Na rozdíl od LPG a LNG je také zkapalněný vodík mnohem výbušnější. Jeho sebemenší únik v kombinaci s kyslíkem vytváří směs plynu a vzduchu, která se vznítí při sebemenší jiskře. A skladování kapalného vodíku je možné pouze ve speciálních kryogenních nádobách. Vodíkové palivo má stále příliš mnoho nevýhod.

Závěry a užitečné video k tématu

Jak se vyrábí zkapalněný plyn a proč se zkapalňuje:

Vše o zkapalněných plynech:

Existuje několik technologií pro zkapalňování plynů. U metanu jsou jejich a u propan-butanu jsou jejich. Zároveň je levnější LPG pořídit, přeprava/skladování je jednodušší a bezpečnější. Výroba metanu LNG je dražší a složitější proces. Navíc jeho opětovné zplynování vyžaduje specializované vybavení. Metan je přitom dnes na trhu větší poptávka, takže se zkapalňuje v mnohem větších objemech.

Máte nějaké upřesňující dotazy nebo vlastní odborný názor na téma zkapalňování plynu? Možná máte k výše uvedenému něco dodat. Neváhejte se zeptat a/nebo okomentovat článek v rámečku níže.