Kako i zašto se ukapljuje plin: tehnologija proizvodnje i područje upotrebe ukapljenog plina

Tehnologije povezane s vađenjem, prijevozom i preradom prirodnog plina razvijaju se ubrzanim tempom. I mnogima su danas poznate kratice LPG i LNG. Gotovo svaki dan u vijestima se u nekom kontekstu spominje prirodno plinsko gorivo.

Ali, složit ćete se, da bismo imali jasno razumijevanje onoga što se događa, važno je ispočetka razumjeti kako se plin ukapljuje, zašto se to radi i kakvu korist donosi ili ne donosi. A nijansi u ovom pitanju ima mnogo.

Kako bi se proizvelo ukapljivanje plinovitih ugljikovodika, grade se velike visokotehnološke tvornice. Dalje ćemo pažljivo analizirati: čemu sve to služi i kako se odvija.

Zašto se ukapljuje prirodni plin?

Iz podzemlja se plavo gorivo crpi u obliku smjese metana, etana, propana, butana, helija, dušika, sumporovodika i drugih plinova, te njihovih raznih derivata.

Dio se koristi u kemijskoj industriji, a dio se spaljuje u kotlovima ili turbinama za proizvodnju toplinske i električne energije. Osim toga, određeni dio iscrpljenog koristi se kao gorivo za plinske motore.

Proračuni plinara pokazuju da ako plavo gorivo treba isporučiti na udaljenosti od 2500 km i više, tada je u ukapljenom obliku često isplativije to učiniti nego cjevovodnim putem.

Glavni razlog ukapljivanja prirodnog plina je pojednostavljenje njegovog prijevoza na velike udaljenosti. Ako se potrošač i bušotina za vađenje plinskog goriva nalaze na kopnu blizu jedan drugome, tada je jednostavnije i isplativije položiti cijev između njih. Ali u nizu slučajeva izgradnja magistralnog plinovoda ispada preskupa i problematična zbog geografskih nijansi. Stoga se pribjegava raznim tehnologijama dobivanja LPG ili LNG u tekućem obliku.

Ekonomika i sigurnost prijevoza

Nakon što se plin ukaplji, on se u obliku tekućine pumpa u posbne spremnike za prijevoz morem, rijekom, cestovnim i/ili željezničkim prometom. Pritom je ukapljivanje tehnološki prilično skup proces s energetskog stajališta.

U različitim tvornicama na to odlazi do 25% izvornog volumena goriva. To jeset, za proizvodnju energije potrebne tehnologijom, mora se spaliti do 1 tona LPG na svake tri tone gotovog proizvoda. Ali prirodni plin je sada vrlo tražen, sve se isplati.

U ukapljenom obliku metan (propan-butan) zauzima 500–600 puta manji volumen nego u plinovitom stanju

Dok je prirodni plin u tekućem stanju, nije zapaljiv i eksplozijski je siguran. Tek nakon isparavanja tijekom regasifikacije, dobivena plinska smjesa postaje prikladna za izgaranje u kotlovima i kuhinjskim pločama. Stoga, ako se UNP ili UPP koriste kao ugljikovodično gorivo, moraju se obavezno regasificirati.

Uporaba u različitim područjima

Najčešće se izrazi "ukapljeni plin" i "ukapljivanje plina" spominju u kontekstu prijevoza ugljikovodičnog energetskog nositelja. To jest, prvo se vrši vađenje prirodnog plina, a zatim njegova pretvorba u UNP ili UPP. Zatim se dobivena tekućina prevozi i nakon toga ponovno vraća u plinovito stanje za jednu ili drugu primjenu.

UNP (ukapljeni ugljikovodični plin) se 95% i više sastoji od smjese propan-butana, a UPP (ukapljeni prirodni plin) 85–95% od metana. To su slična i istovremeno potpuno različita goriva.

UNP iz propan-butana uglavnom se koristi kao:

• gorivo za plinske motore;
• gorivo za punjenje u spremnike autonomnih sustava grijanja;
• tekućine za punjenje upaljača i plinskih boca kapaciteta od 200 ml do 50 l.

UPP se obično proizvodi isključivo za prijevoz na velike udaljenosti. Ako je za skladištenje UNP dovoljan spremnik koji može izdržati tak od nekoliko atmostfera, onda su za ukapljeni metan potrebni posbni kriogeni rezervoari.

Oprma za skladištenje UPP odlikuje se visokom tehnološkošću i zauzima puno prostora. Korištenje takvog goriva u osobnim automobilima nije isplativo zbog skupoće boca. Kamioni na UPP kao pojedinačni eksperimentalni modeli već voze cestama, ali u segmentu osobnih automobila to "tekuće" gorivo vjerojatno neće naći široku primjenu u bliskoj budućnosti.

Ukapljeni metan kao gorivo sada se sve češće koristi u radu:

• željezničkih lokomotiva;
• morskih brodova;
• riječnog prijevoza.

Osim korištenja kao energetskog nositelja, LPG i LNG se također izravno koriste u tekućem obliku u plinsko-naftno-kemijskim postrojenjima. Od njih se rade različite plastike i drugi materijali na bazi ugljikovodika.

Tehnologije dobivanja LNG i LPG

Da bi se metan preveo iz plinovitog u tekuće stanje, potrebno ga je ohladiti na -163 °C. A propan-butan se ukapljuje već pri -40 °C. Sukladno tome, tehnologije i troškovi u oba slučaja se jako razlikuju.

Jedan litar UPP otprilike je jednak 1,38 kubičnih metara izvornog prirodnog plina (ta brojka ovisi o temperaturi i tlaku), smanjenje volumena – otprilike 620 puta

Za ukapljivanje prirodnog plina koriste se sljedeće tehnologije različitih tvrtki:

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

U osnovi svih njih su procesi komprimiranja i/ili toplinske izmjene. Operacija ukapljivanja odvija se u pogonu u nekoliko faza, tijekom kojih se plin postupno komprimira i hladi do temperature prijelaza u tekuću fazu.

Priprema plinske smjese

Prije nego što se počne ukapljivati sirovi prirodni plin, iz njega je potrebno ukloniti vodu, helij, vodik, dušik, sumporne spojeve i druge nečistoće. Za to se obično primjenjuje adsorpcijska tehnologija dubinskog pročišćavanja plinske smjese propuštanjem kroz molekularna sita.

Zatim slijedi druga faza pripreme sirovine, tijekom koje se uklanjaju teški ugljikovodici. Na kraju u plinu ostaju samo etan i metan (ili propan i butan) s udjelom nečistoća manjim od 5%, kako bi se ta frakcija mogla početi hladiti i ukapljivati.

Primarna priprema s uklanjanjem svega nepotrebnog iz prirodnog plina provodi se kako bi se rashladna oprema zaštitila od agresivnog djelovanja vode, ugljičnog dioksida, sumpornih spojeva itd.

Frakcioniranje omogućuje uklanjanje štetnih nečistoća i izdvajanje samo glavnog plina za naknadno ukapljivanje. Pri tlaku od 1 atm temperatura prijelaza u tekuće stanje za metan je -163 °C, za etan -88 °C, za propan -42 °C, a za butan -0,5 °C.

Upravo te temperaturne razlike objašnjavaju razlog zašto se plin koji dolazi u pogon razdvaja na frakcije i tek onda ukapljuje. Ne postoji jedinstvena tehnologija ukapljivanja za sve vrste plinovitih ugljikovodičnih spojeva. Za svaki od njih potrebno je izgraditi i primijeniti vlastitu tehnološku liniju.

Glavni proces ukapljivanja

Osnova za pretvaranje plina u tekuće stanje je rashladni ciklus, tijekom kojeg se toplina pomoću jednog ili drugog rashladnog sredstva prenosi iz okoline niske temperature u okolinu više temperature. Taj je proces višestupanjski i zahtijeva snažne kompresore za ekspanziju/kompresiju toplinskog medija i izmjenjivače topline.

Tehnologije komprimiranja su visokotehnološke, energetski intenzivne i skupe, no u jednom ciklusu omogućuju komprimiranje plina od 5 do 12 puta.

Kao rashladno sredstvo u različitim fazama ukapljivanja koriste se:

• propan;
• metan;
• etan;
• dušik;
• voda (morska i pročišćena);
• zrak.

Na primjer, za primarno hlađenje prirodnog plina u «Jamal-SPG» tvrtke Novatek koristi se hladan arktički zrak, koji omogućuje snižavanje temperature sirovine uz minimalne troškove odmah na +10 °C. A u vrućim ljetnim mjesecima umjesto njega predviđena je uporaba morske vode iz Arktičkog oceana, koja na dubini ima stalnih 3–4 °C neovisno o godišnjem dobu.

Pritom se na Jamalu kao konačni hladionik koristi dušik koji se dobiva izravno na licu mjesta iz zraka. Kao rezultat toga, Arktik pruža sve potrebno za dobivanje UPP-a – od početnog prirodnog plina do radnih sredstava koja se koriste u procesu ukapljivanja.

Propan se ukapljuje po sličnoj shemi kao metan. Samo što su mu potrebne znatno više temperature hlađenja – minus 42 °C naspram minus 163 °C. Stoga je ukapljivanje plina za plinske spremnike višestruko jeftinije, međutim sam dobiveni propan-butanski UNP manje je tražen na tržištu.

Prijevoz i skladištenje

Praktički cjelokupna količina UPP-a prevozi se velikim pomorskim tankerima-plinskim prijevoznicima od jedne obale do druge. Kopneni prijevoz ograničen je potrebom održavanja temperature "tekućeg plavog goriva" na vrijednostima oko -160 °C, inače metan počinje prelaziti u plinovito stanje i postaje eksplozivan.

Za prijevoz UNP-a koriste se boce od 5–50 litara s unutarnjim tlakom do 1,5–2 MPa te veći spremnici-cisterne, predviđeni za 5–17 MPa

Tlak u spremniku s UPP-om blizu je atmosferskom. Međutim, ako temperatura tekućeg metana poraste iznad -160 °C, on će se početi pretvarati iz tekućine u plin. Kao rezultat toga, tlak u spremniku počet će rasti, što predstavlja ozbiljnu opasnost. Stoga su tankeri za prijevoz UPP-a opremljeni uređajima za održavanje niskih temperatura i snažnim slojem toplinske izolacije.

UNP se rasplinjava u plin izravno u plinskim spremnicima. Regasifikacija UPP-a obavlja se u posebnim industrijskim postrojenjima bez pristupa kisika. Prema fizici, tekući metan pri pozitivnoj temperaturi postupno prelazi u plin. Međutim, ako se to dogodi izravno na zraku izvan posebnih uvjeta, takav proces dovest će do eksplozije.

Nakon što se prirodni plin u obliku UPP-a ukapljuje u tvornici, prevozi se, a zatim se ponovno u tvornici (regasifikacijskoj) pretvara natrag u plinovito stanje za daljnju uporabu.

Perspektive ukapljenog vodika

Osim izravnog ukapljivanja i korištenja u takvom obliku, iz prirodnog plina također se može dobiti još jedan energent – vodik. Metan je CH₄, propan C₃H₈, a butan C₄H₁₀.

Vodikova komponenta prisutna je u svim tim fosilnim gorivima, potrebno ju je samo izdvojiti.

Glavne prednosti vodika su ekološka prihvatljivost i široka rasprostranjenost u prirodi, međutim visoka cijena njegovog ukapljivanja i gubici zbog stalnog isparavanja gotovo poništavaju te prednosti.

Da bi se vodik iz plinovitog stanja pretvorio u tekućinu, potrebno ga je ohladiti na -253 °C. Za to se koriste višestupanjski sustavi hlađenja i uređaji za "kompresiju/ekspanziju". Za sada su takve tehnologije preskupe, ali se radi na njihovom pojeftinjenju.

Preporučujemo vam također da pročitate naš drugi članak, u kojem smo detaljno opisali kako napraviti generator vodika za dom vlastitim rukama. Više informacija – posjetite poveznicu.

Također, za razliku od LPG i LNG, ukapljeni vodik je mnogo eksplozivniji. I najmanje njegovo propuštanje u kombinaciji s kisikom daje plinsko-zračnu smjesu koja se zapali od najmanje iskre. A skladištenje tekućeg vodika moguće je samo u posebnim kriogenim spremnicima. Nedostataka vodikovog goriva trenutno je previše.

Zaključci i koristan video na temu

Kako se proizvodi ukapljeni plin i zašto ga se ukapljuje:

Sve o ukapljenim plinovima:

Postoji nekoliko tehnologija ukapljivanja plinova. Za metan su svoje, a za propan-butan svoje. Pritom je LPG jeftinije dobiti, a transportirati/skladištiti jednostavnije i sigurnije. Dobivanje metanskog LNG je skuplji i složeniji proces. Osim toga, njegova regasifikacija zahtijeva specijaliziranu opremu. Pritom je metan danas traženiji na tržištu, pa se ukapljuje u mnogo većim količinama.

Imate li pitanja za pojašnjenje ili svoje stručno mišljenje o temi ukapljivanja plina? Možda imate što dodati gore navedenom. Slobodno pitajte i/ili komentirajte članak u bloku ispod.