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

Technológie súvisiace s ťažbou, prepravou a spracovaním zemného plynu sa rozvíjajú rýchlym tempom. A mnohí dnes počujú skratky skvapalneného zemného plynu (LNG) a skvapalneného ropného plynu (LPG).

Ale, súhlaste, aby ste mali jasné pochopenie diania, je dôležité najprv pochopiť, ako sa plyn skvapalňuje, prečo sa to robí a aký prínos to prináša alebo neprináša. A nuáns v tejto otázke existuje množstvo.

Na výrobu skvapalnených plynných uhľovodíkov sa stavajú veľké high-tech závody. Ďalej sa dôkladne pozrieme: na čo to všetko je a ako sa to deje.

Prečo sa skvapalňuje zemný plyn?

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

Časť z nich sa používa v chemickom priemysle a časť sa spaľuje v kotloch alebo turbínach na výrobu tepelnej a elektrickej energie. Plus určité množstvo vyťaženého sa používa ako plynné motorové palivo.

Výpočty plynárov ukazujú, že ak je potrebné dodať modré palivo na vzdialenosť 2500 km a viac, tak v skvapalnenej forme je to často výhodnejšie ako potrubím.

Hlavným dôvodom skvapalňovania zemného plynu je zjednodušenie jeho prepravy na veľké vzdialenosti. Ak sa spotrebiteľ a vrt na ťažbu plynného paliva nachádzajú na pevnine blízko seba, potom je jednoduchšie a výhodnejšie medzi nimi položiť potrubie. V niektorých prípadoch je však výstavba plynovodu príliš nákladná a problematická kvôli geografickým nuansám. Preto sa pristupuje k rôznym technológiám získavania LNG alebo LPG v kvapalnej forme.

Ekonomika a bezpečnosť prepravy

Po skvapalnení plynu sa v kvapalnej forme vstrekuje do špeciálnych nádrží na prepravu námornou, riečnou, automobilovou a/alebo železničnou dopravou. Technologicky je skvapalňovanie pomerne náročný proces z energetického hľadiska.

V rôznych závodoch sa na to spotrebuje až 25 % pôvodného objemu paliva. To znamená, že na výrobu potrebnej energie podľa technológie sa musí spáliť až 1 tona LNG na každé tri tony hotového produktu. Ale zemný plyn je dnes veľmi žiadaný, všetko sa oplatí.

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

Kým je zemný plyn v kvapalnom stave, nie je horľavý a je výbuchu bezpečný. Až po odparení počas regazifikácie je získaná plynná zmes vhodná na spaľovanie v kotloch a varných doskách. Preto, ak sa LNG alebo LPG používajú ako uhľovodíkové palivo, musia sa nevyhnutne regazifikovať.

Použitie v rôznych oblastiach

Najčastejšie sa termíny „skvapalnený plyn“ a „skvapalňovanie plynu“ spomínajú v kontexte prepravy uhľovodíkového nosiča energie. To znamená, že najprv prebieha ťažba modrého paliva a potom jeho premena na LPG alebo LNG. Ďalej sa získaná kvapalina prepravuje a potom sa opäť vracia do plynného stavu na to či ono použitie.

LPG (skvapalnený uhľovodíkový plyn) pozostáva z 95 % a viac z propán-butánovej zmesi, a LNG (skvapalnený zemný plyn) z 85–95 % z metánu. Sú to podobné a zároveň úplne odlišné druhy paliva.

LPG z propán-butánu sa v zásade používa ako:

• plynového motorového paliva;
• paliva na plnenie do plynových zásobníkov autonómnych vykurovacích systémov;
• kvapalín na plnenie zapaľovačov a plynových fliaš s objemom od 200 ml do 50 l.

LNG sa zvyčajne vyrába výhradne na prepravu na veľké vzdialenosti. Ak na skladovanie LPG postačuje nádoba schopná vydržať tlak niekoľkých atmosfér, pre skvapalnený metán sú potrebné špeciálne kryogénne rezervoáre.

Zariadenia na skladovanie LNG sa vyznačujú vysokou technologickou úrovňou a zaberajú veľa miesta. Používať takéto palivo v osobných automobiloch nie je výhodné kvôli vysokým nákladom na fľaše. Nákladné vozidlá na LNG v podobe jednotlivých experimentálnych modelov už po cestách jazdia, ale v segmente osobných áut toto „kvapalné“ palivo v blízkej budúcnosti pravdepodobne nenájde široké uplatnenie.

Skvapalnený metán ako palivo sa v súčasnosti čoraz častejšie používa pri prevádzke:

• železničných rušňov;
• námorných lodí;
• riečnej dopravy.

Okrem použitia ako nosič energie sa LPG a LNG tiež používajú priamo v kvapalnej forme v plynárensko-petrochemických závodoch. Z nich sa vyrábajú rôzne plasty a iné materiály na uhľovodíkovej báze.

Technológie získavania LPG a LNG

Aby sa metán premenil z plynného stavu na kvapalný, musí sa ochladiť na -163 °C. Propán-bután sa skvapalňuje už pri -40 °C. Zodpovedajúcim spôsobom sa technológie a náklady v oboch prípadoch výrazne líšia.

Jeden liter LNG sa rovná približne 1,38 kubického metra pôvodného zemného plynu (tento údaj závisí od teploty a tlaku), zmenšenie objemu je približne 620-násobné.

Na skvapalňovanie zemného plynu sa používajú nasledujúce technológie od rôznych firiem:

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

V základe všetkých týchto procesov sú procesy komprimovania a/alebo tepelnej výmeny. Operácia skvapalňovania prebieha v závode v niekoľkých etapách, počas ktorých sa plyn postupne stláča a ochladzuje na teplotu prechodu do kvapalnej fázy.

Príprava plynovej zmesi

Predtým ako sa začne skvapalňovať surový zemný plyn, je potrebné z neho odstrániť vodu, hélium, vodík, dusík, zlúčeniny síry a ďalšie nečistoty. Na to sa zvyčajne používa adsorpčná technológia hĺbkovej čistoty plynnej zmesi jej prechodom cez molekulové sitá.

Potom nasleduje druhá etapa prípravy vstupnej suroviny, počas ktorej sa odstraňujú ťažké uhľovodíky. Výsledkom je, že v plyne zostáva len etán a metán (alebo propán a bután) s objemom nečistôt menej ako 5 %, aby sa táto frakcia mohla začať ochladzovať a skvapalňovať.

Primárna príprava s odstránením všetkého nepotrebného zo zemného plynu sa vykonáva na ochranu chladiaceho zariadenia pred agresívnym pôsobením vody, kyseliny uhličitej, sírnych zlúčenín atď.

Frakcionácia umožňuje zbaviť sa škodlivých nečistôt a vyčleniť len hlavný plyn na následné skvapalňovanie. Pri tlaku 1 atm je teplota prechodu do kvapalného stavu u metánu -163 °C, u etánu -88 °C, u propánu -42 °C a u butánu -0,5 °C.

Práve tieto teplotné rozdiely vysvetľujú dôvod, prečo sa rozdeľujú na frakcie a až potom sa skvapalňuje plyn prichádzajúci do závodu. Neexistuje jednotná technológia skvapalňovania pre všetky typy plynných uhľovodíkových zlúčenín. Pre každý z nich treba vybudovať a použiť svoju vlastnú technologickú linku.

Hlavný proces skvapalňovania

Základom pre premenu plynu do kvapalného stavu je chladiaci cyklus, počas ktorého sa chladivom prenáša teplo z prostredia s nízkou teplotou do prostredia s vyššou teplotou. Tento proces je viacstupňový a vyžaduje prítomnosť výkonných kompresorov na expanziu/stlačenie teplonosného média a výmenníkov tepla.

Technológie komprimovania sú vysokotechnologické, energeticky náročné a nákladné, avšak za jeden cyklus umožňujú stlačiť plyn hneď 5–12 krát

Ako chladivo sa na rôznych stupňoch skvapalňovania používajú:

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

Napríklad na primárne ochladenie zemného plynu v závode «Jamal-SPG» spoločnosti Novatek sa používa chladný arktický vzduch, ktorý umožňuje znížiť teplotu vstupnej suroviny s minimálnymi nákladmi hneď na +10 °C. A v horúcich letných mesiacoch je namiesto neho navrhnuté použitie morskej vody zo Severného ľadového oceánu, ktorá má bez ohľadu na ročné obdobie v hĺbke stále 3–4 °C.

Pričom ako konečné chladivo na Jamale používajú dusík, získavaný priamo na mieste zo vzduchu. V dôsledku toho Arktída poskytuje všetko potrebné na výrobu LNG – od pôvodného zemného plynu až po pracovné agensy používané v procese skvapalňovania.

Propán sa skvapalňuje podľa schémy analogickej s metánom. Iba teploty chladenia, ktoré vyžaduje, sú oveľa menej nízke – mínus 42 °C oproti mínus 163 °C. Preto je skvapalňovanie plynu pre plynojem niekoľkonásobne lacnejšie, avšak samotný získaný propán-butánový LPG je na trhu menej žiadaný.

Preprava a skladovanie

Prakticky celý objem LNG sa prepravuje veľkorozmernými námornými tankermi-plynárenskými loďami z jedného brehu na druhý. Doprava po súši je obmedzená potrebou udržiavať teplotu „kvapalného modrého paliva“ na hodnotách okolo -160 °C, inak metán začína prechádzať do plynného stavu a stáva sa výbušným.

Na prepravu LPG sa používajú fľaše s objemom 5–50 litrov s vnútorným tlakom do 1,5–2 MPa a väčšie nádrže-cisterny určené na 5–17 MPa

Tlak v nádrži s LNG je blízky atmosférickému. Avšak, ak teplota kvapalného metánu stúpne nad -160 °C, začne sa meniť z kvapaliny na plyn. Následne tlak v nádrži začne stúpať, čo predstavuje vážne nebezpečenstvo. Preto sú tankery na prepravu LNG vybavené zariadeniami na udržiavanie nízkych teplôt a silnou vrstvou tepelného izolantu.

LPG sa regasifikuje na plyn priamo v plynojeme. Regasifikácia LNG sa vykonáva na špeciálnych priemyselných zariadeniach bez prístupu kyslíka. Podľa fyziky sa kvapalný metán pri pozitívnej teplote postupne mení na plyn. Ak by sa to však dialo priamo na vzduchu mimo špeciálnych podmienok, takýto proces by viedol k výbuchu.

Potom, čo sa zemný plyn vo forme LNG skvapalní v závode, prepraví sa a potom sa v ďalšom závode (iba regasifikačnom) premení späť do plynného stavu na ďalšie použitie.

Perspektívy skvapalneného vodíka

Okrem priameho skvapalňovania a používania v takejto forme možno zo zemného plynu získať aj ďalší energetický nosič – vodík. Metán je CH₄, propán C₃H₈ a bután C₄H₁₀.

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

Hlavné prednosti vodíka – ekologickosť a široká rozšírenosť v prírode, avšak vysoká cena jeho skvapalnenia a straty spôsobené neustálym vyparovaním tieto výhody prakticky anulujú.

Aby sa vodík z plynného skupenstva premenil na kvapalinu, musí sa ochladiť na -253 °C. Na to sa používajú viacstupňové chladiace systémy a zariadenia na «stláčanie/rozpínanie». Zatiaľ sú takéto technológie príliš drahé, ale pracuje sa na ich zlacnení.

Odporúčame tiež prečítať si náš ďalší článok, kde sme podrobne vysvetlili, ako si vyrobiť vodíkový generátor pre domácnosť vlastnými rukami. Podrobnejšie – prejdite na odkaz.

Tiež na rozdiel od LPG a LNG je skvapalnený vodík oveľa výbušnejší. Jeho najmenší únik v spojení s kyslíkom vytvára zmes plynu so vzduchom, ktorá sa vznieti od najmenšej iskry. Skladovanie kvapalného vodíka je možné len v špeciálnych kryogénnych kontajneroch. Nevýhod vodíkového paliva je zatiaľ príliš veľa.

Závery a užitočné video k téme

Ako sa vyrába skvapalnený plyn a prečo sa skvapalňuje:

Všetko o skvapalnených plynoch:

Existuje niekoľko technológií skvapalňovania plynov. Pre metán sú špecifické a pre propán-bután špecifické. Pritom LPG je lacnejšie získať a preprava/skladovanie je jednoduchšie a bezpečnejšie. Získavanie metánového LNG je nákladnejší a zložitejší proces. Plus jeho regasifikácia vyžaduje špecializované zariadenie. Pritom metán je dnes na trhu viac žiadaný, preto sa skvapalňuje v oveľa väčších objemoch.

Máte doplňujúce otázky alebo svoj odborný názor na tému skvapalňovania plynu? Možno máte čo dodať k vyššie uvedenému. Nebojte sa, pýtajte sa a/alebo komentujte článok v bloku nižšie.