Hur och varför man förvätskar gas: produktionsteknik och användningsområden för flytande gas

Tekniker relaterade till utvinning, transport och bearbetning av naturgas utvecklas i snabb takt. Och idag är förkortningarna LNG och LPG välkända för många. Nästan varje dag nämns naturgasbränsle i nyheterna i ett eller annat sammanhang.

Men, håll med om att för att få en tydlig förståelse av vad som händer, är det viktigt att först förstå hur gas kondenseras, varför det görs och vilken nytta det ger eller inte ger. Och det finns många nyanser i denna fråga.

För att producera kondensation av gasformiga kolväten byggs stora högteknologiska anläggningar. Därefter ska vi noggrant gå igenom: vad allt detta behövs för och hur det går till.

Varför kondenserar man naturgas?

Från jordens inre utvinns det blå bränslet som en blandning av metan, etan, propan, butan, helium, kväve, vätesulfid och andra gaser, samt olika derivat av dem.

En del av dem används inom kemisk industri, och en del förbränns i pannor eller turbiner för att generera värme- och elektrisk energi. Plus att en viss mängd av det utvunna används som gasmotorbränsle.

Beräkningar från gastekniker visar att om det blå bränslet måste levereras över ett avstånd på 2500 km eller mer, är det ofta mer lönsamt att göra det i kondenserad form än via pipeline.

Den främsta anledningen till att kondensera naturgas är att förenkla transporten över långa avstånd. Om konsumenten och gasbränsleutvinningsborrningen ligger på land nära varandra, är det enklare och mer lönsamt att lägga ett rör mellan dem. Men i vissa fall blir det för dyrt och problematiskt att bygga en ledning på grund av geografiska nyanser. Därför använder man sig av olika tekniker för att få LNG eller LPG i flytande form.

Ekonomi och transportsäkerhet

Efter att gasen har kondenserats pumpas den i flytande form i speciella behållare för transport med sjö-, flod-, väg- och/eller järnvägstransport. Tekniskt sett är kondensation en ganska energikrävande process.

Vid olika anläggningar går upp till 25% av den ursprungliga bränslevolymen åt till detta. Det vill säga för att producera den energi som krävs enligt tekniken måste man förbränna upp till 1 ton LNG för varje tre ton färdig produkt. Men naturgas är mycket efterfrågad just nu, allt betalar sig.

I flytande form upptar metan (propan-butan) 500–600 gånger mindre volym än i gasform

Medan naturgasen är i flytande form är den inte brännbar och explosionssäker. Först efter avdunstning under regasifiering blir den gasblandning som erhålls lämplig för förbränning i pannor och spisar. Därför, om LNG eller LPG används som kolvätebränsle, måste de nödvändigtvis regasifieras.

Användning inom olika områden

Oftast nämns termerna 'flytande gas' och 'förgasning' i samband med transport av kolväteenergi. Det vill säga, först utvinns det blå bränslet och sedan omvandlas det till LPG eller LNG. Därefter transporteras den erhållna vätskan och efteråt återförs den till gasform för en eller annan användning.

LPG (flytande kolvätegas) består till 95% eller mer av en propan-butanblandning, medan LNG (flytande naturgas) består till 85–95% av metan. Dessa är likartade och samtidigt helt olika bränsletyper.

LPG från propan-butan används främst som:

• motorgasbränsle;
• bränsle för påfyllning i gasbehållare för autonoma värmesystem;
• vätskor för påfyllning av tändare och gasflaskor med kapacitet från 200 ml till 50 l.

LNG produceras vanligtvis enbart för långväga transport. För lagring av LPG räcker det med en behållare som tål ett tryck på flera atmosfärer, medan flytande metan kräver speciella kryogena tankar.

Utrustningen för lagring av LNG är högteknologisk och tar mycket plats. Att använda sådant bränsle i personbilar är inte lönsamt på grund av de dyra flaskorna. Lastbilar som drivs med LNG i form av enstaka experimentella modeller kör redan på vägarna, men inom personbilssegmentet kommer detta 'flytande' bränsle troligen inte att få bred användning inom en snar framtid.

Flytande metan som bränsle används nu allt oftare vid drift av:

• järnvägsdiesellokomotiv;
• fartyg;
• flodtransport.

Förutom användning som energibärare används LPG och LNG även direkt i flytande form vid gas- och petrokemiska anläggningar. Av dem tillverkas olika plaster och andra material på kolvätebasis.

Tekniker för framställning av LPG och LNG

För att omvandla metan från gasform till vätska måste den kylas till -163 °C. Propan-butan förvätskas redan vid -40 °C. Följaktligen skiljer sig tekniken och kostnaderna i båda fallen kraftigt.

En liter LNG motsvarar ungefär 1,38 kubikmeter ursprunglig naturgas (denna siffra beror på temperatur och tryck), volymminskningen är cirka 620 gånger

För att förvätska naturgas används följande tekniker från olika företag:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimized Cascade;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL och andra;

Grunden för alla dessa är processer för komprimering och/eller värmeväxling. Förvätskningsoperationen sker i en anläggning i flera steg, under vilka gasen gradvis komprimeras och kyls till temperaturen för övergång till flytande fas.

Förberedelse av gasblandningen

Innan man börjar förvätska rå naturgas måste man avlägsna vatten, helium, väte, kväve, svavelföreningar och andra föroreningar. För detta används vanligtvis adsorptionsteknik för djuprening av gasblandningen genom att leda den genom molekylsilar.

Därefter sker det andra steget i förberedelsen av råmaterialet, där tunga kolväten avlägsnas. Slutligen återstår endast etan och metan (eller propan och butan) i gasen med en föroreningsvolym på mindre än 5 %, för att sedan börja kyla och förvätska denna fraktion.

Primär förberedelse med avlägsnande av allt onödigt från naturgasen görs för att skydda kylutrustningen från aggressiv påverkan av vatten, koldioxid, svavelföreningar etc.

Fraktionering gör det möjligt att bli av med skadliga föroreningar och endast utvinna den huvudsakliga gasen för efterföljande förvätskning. Vid tryck 1 atm är övergångstemperaturen till flytande tillstånd för metan -163 °C, för etan -88 °C, för propan -42 °C och för butan -0,5 °C.

Det är just dessa temperaturskillnader som förklarar varför man delar upp i fraktioner och först därefter förvätskar gasen som anländer till anläggningen. Det finns ingen enhetlig teknik för förvätskning för alla typer av gasformiga kolväteföreningar. För varje typ måste man bygga och använda sin egen processlinje.

Huvudprocessen för kondensation

Grunden för att omvandla gas till flytande form är en kylcykel, under vilken värme överförs från en miljö med låg temperatur till en miljö med högre temperatur med hjälp av ett köldmedium. Denna process är flerstegs och kräver kraftfulla kompressorer för expansion/kompression av värmebäraren samt värmeväxlare.

Komprimeringsteknikerna är högteknologiska, energikrävande och kostsam, men i en cykel kan de komprimera gasen 5–12 gånger.

Som köldmedium i olika stadier av förvätskning används:

• propan;
• metan;
• etan;
• kväve;
• vatten (havs- och renat);
• luft.

Till exempel, för primärkylning av naturgas vid Novateks Yamal-LNG används sval arktisk luft, vilket gör det möjligt att sänka temperaturen på råmaterialet till +10 °C med minimala kostnader. Och under varma sommarmånader är det istället planerat att använda havsvatten från Norra ishavet, som oberoende av årstid har en konstant temperatur på 3–4 °C på djupet.

Dessutom används kväve som slutlig kylmedel på Jamal, som utvinns direkt på plats ur luften. Som ett resultat ger Arktis allt som behövs för att producera LNG – från den ursprungliga naturgasen till de arbetsmedel som används i förvätskningsprocessen.

Propan förvätskas på ett liknande sätt som metan. Men kylningstemperaturerna som krävs är mycket lägre – minus 42 °C jämfört med minus 163 °C. Därför är förvätskning av gas för gasoltankar flera gånger billigare, men den resulterande propan-butan LPG är mindre efterfrågad på marknaden.

Transport och lagring

Nästan all LNG transporteras med stora havstankfartyg från en kust till en annan. Landtransport begränsas av behovet att hålla temperaturen på 'flytande blåbränsle' runt -160 °C, annars börjar metan övergå till gasform och bli explosivt.

För transport av LPG används flaskor på 5–50 liter med ett inre tryck på upp till 1,5–2 MPa och större tankbehållare avsedda för 5–17 MPa.

Trycket i en LNG-behållare är nära atmosfärstryck. Men om temperaturen på flytande metan stiger över -160 °C, börjar den omvandlas från vätska till gas. Som ett resultat ökar trycket i behållaren, vilket utgör en allvarlig fara. Därför är LNG-tankfartyg utrustade med anläggningar för att upprätthålla låga temperaturer och ett kraftigt isoleringsskikt.

LPG regasifieras till gas direkt i gasoltanken. Regasifiering av LNG sker i speciella industriella anläggningar utan syretillgång. Fysiskt sett övergår flytande metan vid positiv temperatur gradvis till gas. Men om detta sker i öppen luft utan särskilda förhållanden, kommer processen att leda till en explosion.

Efter att naturgas i form av LNG förvätskas på en fabrik, transporteras den och sedan förvandlas den igen på en annan fabrik (endast för regasifiering) tillbaka till gasform för vidare användning.

Utsikter för kondenserad väte

Förutom direkt förvätskning och användning i den formen kan man även få en annan energibärare från naturgas – väte. Metan är CH₄, propan C₃H₈, och butan C₄H₁₀.

Vätekomponenten finns i alla dessa fossila bränslen, man måste bara utvinna den.

De främsta fördelarna med väte är miljövänlighet och stor förekomst i naturen, men den höga kostnaden för förvätskning och förluster från kontinuerlig avdunstning gör dessa fördelar nästan oanvändbara.

För att omvandla väte från gas till vätska måste det kylas till -253 °C. För detta används flerstegs kylsystem och 'kompressions-/expansions'-anläggningar. För närvarande är sådana teknologier för dyra, men arbete pågår för att göra dem billigare.

Vi rekommenderar också att du läser vår andra artikel där vi i detalj berättar hur du gör en vätgasgenerator för hemmet själv. Mer information – gå till länken.

Till skillnad från LPG och LNG är flytande vätgas mycket mer explosivt. Även den minsta läcka i kombination med syre bildar en gas-luftblandning som antänds av den minsta gnista. Och lagring av flytande vätgas är endast möjlig i speciella kryogena containrar. Nackdelarna med vätgasbränsle är fortfarande för många.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Hur man producerar flytande gas och varför man kondenserar den:

Allt om flytande gaser:

Det finns flera tekniker för att kondensera gaser. För metan är de egna, och för propan-butan är de egna. Samtidigt är LPG billigare att framställa, och lättare och säkrare att transportera/lagra. Framställning av metanbaserad LNG är en mer kostsam och komplex process. Dessutom kräver dess regasifiering specialiserad utrustning. Samtidigt är metan mer efterfrågat på marknaden idag, så det kondenseras i mycket större volymer.

Har du förtydligande frågor eller din egen expertåsikt om ämnet gasförvätskning? Kanske har du något att tillägga till ovanstående. Tveka inte, fråga och/eller kommentera artikeln i blocket nedan.