Cum și de ce se lichefiază gazul: tehnologia de producție și domeniul de utilizare a gazului lichefiat

Tehnologiile legate de extracția, transportul și prelucrarea gazului natural se dezvoltă într-un ritm rapid. Și mulți au auzit astăzi despre abrevierile GPL (LPG) și GNL (LNG). Aproape în fiecare zi, în știri, combustibilul gazos natural este menționat într-un context sau altul.

Dar, sunteți de acord, pentru a avea o înțelegere clară a ceea ce se întâmplă, este important să înțelegeți inițial cum se lichefiază gazul, de ce se face acest lucru și ce beneficii aduce sau nu. Iar în această chestiune există o mulțime de nuanțe.

Pentru a produce lichefierea hidrocarburilor gazoase, se construiesc fabrici mari de înaltă tehnologie. În continuare, vom analiza cu atenție: de ce este necesar tot acest lucru și cum se întâmplă.

De ce se lichefiază gazul natural?

Din adâncurile pământului, combustibilul albastru este extras sub formă de amestec de metan, etan, propan, butan, heliu, azot, hidrogen sulfurat și alte gaze, precum și diferiți derivați ai acestora.

O parte dintre ele sunt utilizate în industria chimică, iar o parte este arsă în cazane sau turbine pentru generarea de energie termică și electrică. În plus, o anumită cantitate din cele extrase este folosită drept combustibil pentru motoare.

Calculele specialiștilor în gaze arată că, dacă combustibilul albastru trebuie livrat pe o distanță de 2500 km sau mai mult, atunci, în formă lichefiată, de multe ori este mai avantajos decât prin conductă

Principalul motiv al lichefierii gazului natural este simplificarea transportului său pe distanțe lungi. Dacă consumatorul și sonda de extracție a combustibilului gazos se află pe uscat la o distanță mică unul de celălalt, atunci este mai simplu și mai avantajos să se construiască o conductă între ele. Dar, în unele cazuri, construirea unei magistrale este prea costisitoare și problematică din cauza particularităților geografice. De aceea, se recurge la diferite tehnologii de obținere a GNL sau GPL în formă lichidă.

Economia și siguranța transporturilor

După ce gazul este lichefiat, sub formă lichidă este pompat în containere speciale pentru transport maritim, fluvial, auto și/sau feroviar. În același timp, din punct de vedere tehnologic, lichefierea este un proces destul de costisitor din punct de vedere energetic.

În diferite fabrici, se cheltuie până la 25% din volumul inițial de combustibil. Adică, pentru a produce energia necesară conform tehnologiei, trebuie să se ardă până la 1 tonă de GNL pentru fiecare trei tone de produs finit. Dar gazul natural este acum foarte solicitat, totul se amortizează.

În formă lichefiată, metanul (propan-butanul) ocupă un volum de 500–600 de ori mai mic decât în stare gazoasă.

Atâta timp cât gazul natural se află în stare lichidă, nu este inflamabil și este sigur la explozie. Abia după evaporare în timpul regazeificării, amestecul gazos obținut devine potrivit pentru ardere în cazane și plite de gătit. Prin urmare, dacă GNL sau GPL sunt utilizate drept combustibil de hidrocarburi, ele trebuie cu siguranță regazeificate.

Utilizarea în diverse domenii

Cel mai adesea, termenii „gaz lichefiat” și „lichefierea gazului” sunt menționați în contextul transportului de purtător de energie hidrocarbură. Adică, mai întâi are loc extracția combustibilului albastru, apoi transformarea sa în GPL sau GNL. Mai departe, lichidul obținut este transportat și apoi readus în stare gazoasă pentru una sau alta aplicație.

GPL (gaz petrolier lichefiat) constă în proporție de 95% sau mai mult din amestec de propan-butan, iar GNL (gaz natural lichefiat) constă în proporție de 85-95% din metan. Acestea sunt tipuri de combustibil similare și, în același timp, radical diferite.

GPL-ul din propan-butan este utilizat în principal ca:

• combustibil pentru motoare cu gaz;
• combustibil pentru umplerea rezervoarelor de gaz ale sistemelor autonome de încălzire;
• lichide pentru umplerea brichetelor și a buteliilor de gaz cu capacitate de la 200 ml până la 50 l.

GNL-ul este de obicei produs exclusiv pentru transport pe distanțe lungi. Dacă pentru depozitarea GPL-ului este suficient un recipient capabil să reziste la o presiune de câteva atmosfere, atunci pentru metanul lichefiat sunt necesare rezervoare criogenice speciale.

Echipamentul pentru depozitarea GNL-ului se remarcă printr-o tehnologie avansată și ocupă mult spațiu. Utilizarea unui astfel de combustibil în autoturisme nu este avantajoasă din cauza costului ridicat al buteliilor. Camioanele pe GNL, sub forma unor modele experimentale individuale, circulă deja pe drumuri, dar în segmentul autoturismelor, este puțin probabil ca acest combustibil „lichid” să își găsească o utilizare largă în viitorul apropiat.

Metanul lichefiat drept combustibil este din ce în ce mai des utilizat în exploatarea:

• locomotivelor feroviare;
• navelor maritime;
• transportului fluvial.

Pe lângă utilizarea ca purtător de energie, LPG și LNG sunt, de asemenea, utilizate direct în formă lichidă la fabricile petrochimice. Din ele se fabrică diverse materiale plastice și alte materiale pe bază de hidrocarburi.

Tehnologii de obținere a GNL și GPL

Pentru a transforma metanul din stare gazoasă în stare lichidă, acesta trebuie răcit la -163 °C. Iar propan-butanul se lichefiază deja la -40 °C. În consecință, tehnologiile și costurile în ambele cazuri diferă semnificativ.

Un litru de GNL este egal cu aproximativ 1,38 metri cubi de gaz natural inițial (această cifră depinde de temperatură și presiune), reducerea de volum – de aproximativ 620 de ori.

Pentru lichidificarea gazului natural se utilizează următoarele tehnologii de la diferite firme:

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

La baza tuturor acestora se află procese de comprimare și/sau schimb termic. Operația de lichidificare are loc la fabrică în mai multe etape, în care gazul este treptat comprimat și răcit până la temperatura de tranziție în fază lichidă.

Pregătirea amestecului gazos

Înainte de a începe lichidificarea gazului natural brut, din acesta trebuie îndepărtate apa, heliul, hidrogenul, azotul, compușii sulfului și alte impurități. Pentru aceasta, se aplică de obicei tehnologia de adsorbție pentru purificarea profundă a amestecului de gaze, prin trecerea acestuia prin site moleculare.

Apoi are loc a doua etapă de pregătire a materiei prime, în cadrul căreia sunt îndepărtați hidrocarburile grele. În final, în gaz rămân doar etanul și metanul (sau propanul și butanul) cu un volum de impurități sub 5%, pentru ca această fracțiune să fie răcită și lichidificată.

Pregătirea primară cu îndepărtarea din gazul natural a tot ceea ce este inutil se realizează pentru a proteja echipamentul de răcire de acțiunea agresivă a apei, dioxidului de carbon, compușilor sulfului etc.

Fracționarea permite eliminarea impurităților dăunătoare și separarea doar a gazului principal pentru lichidificarea ulterioară. La o presiune de 1 atm, temperatura de tranziție în stare lichidă pentru metan este de -163 °C, pentru etan de -88 °C, pentru propan de -42 °C, iar pentru butan de -0,5 °C.

Tocmai aceste diferențe de temperatură explică motivul pentru care se separă în fracțiuni și abia apoi se lichefiază gazul care ajunge la fabrică. Nu există o tehnologie unică de lichidificare pentru toate tipurile de compuși gazoși de hidrocarburi. Pentru fiecare dintre acestea trebuie construită și aplicată propria linie tehnologică.

Procesul principal de lichefiere

Baza pentru transformarea gazului în stare lichidă o constituie ciclul de refrigerare, în cadrul căruia, cu ajutorul unui agent frigorific, căldura este transferată de la un mediu cu temperatură scăzută la un mediu cu temperatură mai ridicată. Acest proces este în mai multe trepte și necesită existența unor compresoare puternice pentru expandarea/comprimarea agentului termic și a schimbătoarelor de căldură.

Tehnologiile de comprimare sunt de înaltă tehnologie, consumatoare de energie și costisitoare, însă într-un singur ciclu ele permit comprimarea gazului de 5–12 ori.

Ca agenți frigorifici, în diferite etape ale lichidificării, se utilizează:

• propan;
• metan;
• etan;
• azot;
• apă (de mare și purificată);
• aer.

De exemplu, pentru răcirea primară a gazului natural la „Yamal-SPG” al companiei Novatek, se utilizează aerul arctic rece, care permite reducerea temperaturii materiei prime cu costuri minime direct până la +10 °C. Iar în lunile călduroase de vară, în locul acestuia, este prevăzută utilizarea apei de mare din Oceanul Arctic, care, indiferent de anotimp, la adâncime are o temperatură constantă de 3–4 °C.

În același timp, în calitate de agent frigorific final în Iamal se utilizează azotul obținut direct pe loc din aer. Ca urmare, Arctica oferă tot ce este necesar pentru producția de GNL – de la gazul natural brut până la agenții de lucru utilizați în procesul de lichefiere.

Propanul se lichefiază după un proces similar cu cel al metanului. Însă temperaturile de răcire necesare sunt mult mai puțin scăzute – minus 42 °C față de minus 163 °C. De aceea, lichefierea gazului pentru gazometre este de câteva ori mai ieftină, însă GPL-ul propan-butan obținut este mai puțin solicitat pe piață.

Transportul și depozitarea

Aproape întregul volum de GNL este transportat cu tancuri maritime de mari dimensiuni de la un țărm la altul. Transportul terestru este limitat de necesitatea menținerii temperaturii „combustibilului albastru lichid” la valori în jur de -160 °C, altfel metanul începe să treacă în stare gazoasă și devine exploziv.

Pentru transportul GPL se utilizează butelii de 5–50 litri cu presiune interioară de până la 1,5–2 MPa și containere-cisterne mai mari, proiectate pentru 5–17 MPa.

Presiunea din rezervorul cu GNL este apropiată de cea atmosferică. Totuși, dacă temperatura metanului lichid crește peste -160 °C, acesta va începe să se transforme din lichid în gaz. Ca urmare, presiunea din rezervor va crește, ceea ce reprezintă un pericol serios. De aceea, tancurile pentru transportul GNL sunt echipate cu instalații de menținere a temperaturilor scăzute și cu un strat puternic de izolator termic.

GPL-ul se regazifică în gaz direct în gazometru. Iar regazificarea GNL-ului se realizează în instalații industriale speciale, fără acces de oxigen. Din punct de vedere fizic, metanul lichid se transformă treptat în gaz la temperatură pozitivă. Totuși, dacă acest proces are loc direct în aer liber, în afara condițiilor speciale, va duce la o explozie.

După ce gazul natural sub formă de GNL este lichefiat într-o fabrică, acesta este transportat, iar apoi, din nou într-o fabrică (de această dată de regazificare), este transformat înapoi în stare gazoasă pentru utilizare ulterioară.

Perspectivele hidrogenului lichefiat

Pe lângă lichefierea directă și utilizarea în această formă, din gazul natural se poate obține și un alt purtător de energie – hidrogenul. Metanul este CH₄, propanul C₃H₈, iar butanul C₄H₁₀.

Componenta de hidrogen este prezentă în toate aceste combustibili fosili, trebuie doar să fie extrasă.

Principalele avantaje ale hidrogenului sunt ecologicitatea și răspândirea largă în natură, însă prețul ridicat al lichefierii sale și pierderile datorate evaporării constante anulează practic aceste plusuri.

Pentru a transforma hidrogenul din stare gazoasă în lichid, acesta trebuie răcit până la -253 °C. În acest scop se utilizează sisteme de răcire în mai multe trepte și instalații de „compresie/expansiune”. Deocamdată, astfel de tehnologii sunt prea costisitoare, dar se lucrează la ieftinirea lor.

Vă recomandăm să citiți și celălalt articol al nostru, în care am explicat detaliat cum să realizați un generator de hidrogen pentru casă cu propriile mâini. Mai multe detalii – accesați linkul.

De asemenea, spre deosebire de LPG și LNG, hidrogenul lichefiat este mult mai exploziv. Cea mai mică scurgere a acestuia, în combinație cu oxigenul, produce un amestec gaz-aer care se aprinde de la cea mai mică scânteie. Iar depozitarea hidrogenului lichid este posibilă doar în containere criogenice speciale. Dezavantajele combustibilului pe bază de hidrogen sunt încă prea multe.

Concluzii și material video util pe această temă

Cum se produce gazul lichefiat și de ce se lichefiază:

Totul despre gazele lichefiate:

Există mai multe tehnologii de lichefiere a gazelor. Pentru metan sunt unele, iar pentru propan-butan altele. În același timp, GPL este mai ieftin de obținut, iar transportul/depozitarea este mai simplă și mai sigură. Obținerea GNL (metan lichefiat) este un proces mai costisitor și mai complex. În plus, regazificarea acestuia necesită echipamente specializate. Cu toate acestea, metanul este mai căutat astăzi pe piață, motiv pentru care este lichefiat în volume mult mai mari.

Aveți întrebări suplimentare sau o opinie de expert pe tema lichefierii gazelor? Poate aveți ceva de adăugat la cele de mai sus. Nu ezitați, întrebați și/sau comentați articolul în blocul de mai jos.