Hoe en waarom wordt gas vloeibaar gemaakt: productietechnologie en toepassingsgebied van vloeibaar gas

Technologieën die verband houden met de winning, het transport en de verwerking van aardgas ontwikkelen zich in een snel tempo. En velen horen tegenwoordig regelmatig de afkortingen LNG (LPG) en LPG (LNG). Vrijwel dagelijks wordt in het nieuws in de ene of andere context natuurlijke gasbrandstof genoemd.

Maar u zult het ermee eens zijn dat het, om een duidelijk begrip te krijgen van wat er gebeurt, belangrijk is om eerst te begrijpen hoe gas vloeibaar wordt gemaakt, waarom dit wordt gedaan en welk voordeel het biedt of niet. En er zijn talloze nuances in deze kwestie.

Om gasvormige koolwaterstoffen vloeibaar te maken, worden grote hightechfabrieken gebouwd. Vervolgens zullen we in detail bekijken: waarom dit allemaal nodig is en hoe het gebeurt.

Waarom wordt aardgas vloeibaar gemaakt?

Uit de aardbodem wordt aardgas gewonnen als een mengsel van methaan, ethaan, propaan, butaan, helium, stikstof, waterstofsulfide en andere gassen, alsook verschillende derivaten daarvan.

Een deel ervan wordt gebruikt in de chemische industrie, en een deel wordt verbrand in ketels of turbines voor de opwekking van thermische en elektrische energie. Bovendien wordt een bepaalde hoeveelheid van het gewonnen gas gebruikt als motorbrandstof voor gasmotoren.

Berekeningen van gasdeskundigen tonen aan dat als blauwe brandstof over een afstand van 2500 km of meer moet worden vervoerd, het in vloeibare vorm vaak voordeliger is dan via pijpleidingen.

De belangrijkste reden voor het vloeibaar maken van aardgas is het vereenvoudigen van het transport over lange afstanden. Als de consument en de winningsput van gasbrandstof zich op het land dicht bij elkaar bevinden, is het eenvoudiger en voordeliger om een pijp tussen hen te leggen. Maar in sommige gevallen blijkt het bouwen van een pijpleiding te duur en problematisch vanwege geografische nuances. Daarom wordt er gebruik gemaakt van verschillende technologieën om LNG of LPG in vloeibare vorm te verkrijgen.

Economie en veiligheid van transport

Nadat het gas is vloeibaar gemaakt, wordt het in vloeibare vorm in speciale tanks gepompt voor transport over zee, rivier, over de weg en/of per spoor. Daarbij is het vloeibaarmakingsproces technologisch gezien een tamelijk energie-intensief proces.

In verschillende fabrieken wordt tot 25% van de oorspronkelijke brandstofvolumen hiervoor gebruikt. Dat betekent dat om de benodigde energie volgens de technologie te produceren, tot 1 ton LNG verbrand moet worden voor elke drie ton ervan in de uiteindelijke vorm. Maar aardgas is momenteel zeer gewild, alles wordt terugverdiend.

In vloeibare vorm neemt methaan (propaan-butaan) 500–600 keer minder volume in dan in gasvormige toestand.

Zolang aardgas in vloeibare toestand verkeert, is het niet brandbaar en explosieveilig. Pas na verdamping tijdens de regasificatie is het verkregen gasmengsel geschikt voor verbranding in ketels en kookplaten. Daarom moeten LNG of LPG, als ze als koolwaterstofbrandstof worden gebruikt, noodzakelijkerwijs worden geregasificeerd.

Gebruik in verschillende domeinen

Meestal worden de termen 'vloeibaar gas' en 'vloeibaarmaking van gas' genoemd in de context van het transport van koolwaterstofenergiedragers. Dat wil zeggen, eerst vindt de winning van blauwe brandstof plaats, en daarna de omzetting ervan in LPG of LNG. Vervolgens wordt de verkregen vloeistof getransporteerd en daarna weer teruggebracht naar gasvormige toestand voor de een of andere toepassing.

LPG (vloeibaar koolwaterstofgas) bestaat voor 95% of meer uit een propaan-butaanmengsel, en LNG (vloeibaar aardgas) voor 85–95% uit methaan. Dit zijn vergelijkbare en tegelijkertijd wezenlijk verschillende soorten brandstof.

LPG van propaan-butaan wordt hoofdzakelijk gebruikt als:

• gasvormige motorbrandstof;
• brandstof voor injectie in gastanks van autonome verwarmingssystemen;
• vloeistoffen voor het bijvullen van aanstekers en gasflessen met een inhoud van 200 ml tot 50 l.

LNG wordt doorgaans uitsluitend geproduceerd voor transport over lange afstanden. Als voor de opslag van LPG een container die een druk van enkele atmosferen kan weerstaan voldoende is, dan zijn voor vloeibaar methaan speciale cryogene tanks vereist.

De apparatuur voor de opslag van LNG is zeer technologisch geavanceerd en neemt veel ruimte in beslag. Het gebruik van dergelijke brandstof in personenauto's is niet voordelig vanwege de hoge kosten van de tanks. Vrachtwagens op LNG in de vorm van enkele experimentele modellen rijden al over de wegen, maar in het segment van personenauto's zal deze 'vloeibare' brandstof in de nabije toekomst waarschijnlijk geen brede toepassing vinden.

Vloeibaar methaan als brandstof wordt nu steeds vaker gebruikt bij de exploitatie van:

• spoorwegdiesellocomotieven;
• zeeschepen;
• binnenvaartschepen.

Naast het gebruik als energiedrager worden LPG en LNG ook direct in vloeibare vorm toegepast in gas-petrochemische fabrieken. Er worden verschillende kunststoffen en andere op koolwaterstof gebaseerde materialen van gemaakt.

Technologieën voor het verkrijgen van LPG en LNG

Om methaan van gasvormig naar vloeibaar om te zetten, moet het worden gekoeld tot -163 °C. Propaan-butaan wordt echter al vloeibaar bij -40 °C. De technologieën en kosten verschillen dan ook sterk in beide gevallen.

Eén liter LNG is ongeveer gelijk aan 1,38 kubieke meter ruw aardgas (dit getal is afhankelijk van temperatuur en druk), de volumereductie is ongeveer 620 keer.

Voor het vloeibaar maken van aardgas worden de volgende technologieën van verschillende bedrijven gebruikt:

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

Aan de basis van al deze processen liggen compressie- en/of warmtewisselingsprocessen. De vloeibaarmakingsoperatie vindt plaats in een fabriek in verschillende fasen, waarbij het gas geleidelijk wordt gecomprimeerd en gekoeld tot de temperatuur van overgang naar de vloeibare fase.

Voorbereiding van het gasmengsel

Voordat men begint met het vloeibaar maken van ruw aardgas, moet men er water, helium, waterstof, stikstof, zwavelverbindingen en andere onzuiverheden uit verwijderen. Hiervoor wordt meestal een adsorptietechnologie voor diepe zuivering van het gasmengsel toegepast door het door moleculaire zeven te leiden.

Vervolgens vindt de tweede fase van de voorbereiding van de grondstof plaats, waarbij zware koolwaterstoffen worden verwijderd. Uiteindelijk blijven in het gas alleen ethaan en methaan (of propaan en butaan) over met een onzuiverheidsvolume van minder dan 5%, om deze fractie vervolgens te koelen en vloeibaar te maken.

De primaire voorbereiding met verwijdering van alle overbodige stoffen uit aardgas wordt uitgevoerd om de koelapparatuur te beschermen tegen agressieve invloeden van water, koolzuur, zwavelverbindingen, enz.

Door fractionering kunnen schadelijke onzuiverheden worden verwijderd en alleen het basisgas worden geïsoleerd voor verdere vloeibaarmaking. Bij een druk van 1 atm is de overgangstemperatuur naar vloeibare toestand voor methaan -163 °C, voor ethaan -88 °C, voor propaan -42 °C en voor butaan -0,5 °C.

Juist deze temperatuurverschillen verklaren waarom men fractioneert en pas daarna het gas dat de fabriek binnenkomt, vloeibaar maakt. Er bestaat geen uniforme vloeibaarmakingstechnologie voor alle soorten gasvormige koolwaterstofverbindingen. Voor elk ervan moet men een eigen technologische lijn bouwen en toepassen.

Het hoofdproces van vloeibaarmaking

De basis voor het overbrengen van gas naar vloeibare toestand is de koelcyclus, waarbij door een bepaald koelmiddel warmte wordt overgedragen van een omgeving met lage temperatuur naar een omgeving met hogere temperatuur. Dit proces is meertraps en vereist krachtige compressoren voor uitzetting/samendrukking van het koelmiddel en warmtewisselaars.

Compressietechnologieën zijn hightech, energie-intensief en kostbaar, maar in één cyclus kunnen ze het gas direct 5 tot 12 keer comprimeren.

Als koelmiddel worden in de verschillende fasen van vloeibaarmaking gebruikt:

• propaan;
• methaan;
• ethaan;
• stikstof;
• water (zee- en gezuiverd);
• lucht.

Bijvoorbeeld, voor de primaire koeling van aardgas op de Yamal-LNG van Novatek wordt koele Arctische lucht gebruikt, die het mogelijk maakt om de temperatuur van de grondstof met minimale kosten direct tot +10 °C te verlagen. En in de hete zomermaanden is in plaats daarvan voorzien in het gebruik van zeewater uit de Noordelijke IJszee, dat ongeacht de tijd van het jaar op diepte een constante 3–4 °C heeft.

Daarbij wordt op de Yamal stikstof als eindkoelmiddel gebruikt, dat ter plaatse uit de lucht wordt gewonnen. Als gevolg daarvan levert het Arctisch gebied alles wat nodig is voor de productie van LNG – van het oorspronkelijke aardgas tot de in het vloeibaarmakingsproces gebruikte werkingsmiddelen.

Propaan wordt vloeibaar gemaakt volgens een vergelijkbaar schema als methaan. Alleen heeft het veel minder lage koeltemperaturen nodig – min 42 °C versus min 163 °C. Daarom kost het vloeibaar maken van gas voor gastanks vele malen minder, maar de verkregen propaan-butaan LPG is minder in trek op de markt.

Transport en opslag

Vrijwel al het LNG wordt vervoerd met grote zeegaande gastankers van de ene kust naar de andere. Vervoer over land is beperkt vanwege de noodzaak om de temperatuur van de 'vloeibare blauwe brandstof' rond -160 °C te houden, anders begint methaan over te gaan in gasvormige toestand en wordt het explosief.

Voor het vervoer van LPG worden cilinders van 5–50 liter gebruikt met een interne druk tot 1,5–2 MPa, en grotere tankcontainers die zijn ontworpen voor 5–17 MPa.

De druk in een LNG-tank ligt dicht bij de atmosferische druk. Maar als de temperatuur van vloeibaar methaan boven -160 °C stijgt, begint het van vloeistof in gas te veranderen. Als gevolg daarvan zal de druk in de tank beginnen te stijgen, wat een ernstig gevaar vormt. Daarom worden LNG-tankers uitgerust met installaties voor het handhaven van lage temperaturen en een dikke laag thermische isolatie.

LPG wordt weer omgezet in gas direct in de gastank. En de hervergassing van LNG vindt plaats in speciale industriële installaties zonder zuurstoftoegang. Fysisch gezien verandert vloeibaar methaan bij een positieve temperatuur geleidelijk in gas. Maar als dit direct in de lucht gebeurt zonder speciale omstandigheden, zal dit proces leiden tot een explosie.

Nadat aardgas in de vorm van LNG in een fabriek is vloeibaar gemaakt, wordt het vervoerd en vervolgens in een andere fabriek (alleen een hervergassingsfabriek) weer omgezet in gasvormige toestand voor verder gebruik.

Vooruitzichten voor vloeibare waterstof

Naast het direct vloeibaar maken en gebruiken in die vorm, kan uit aardgas ook nog een andere energiedrager worden verkregen – waterstof. Methaan is CH₄, propaan is C₃H₈, en butaan is C₄H₁₀.

De waterstofcomponent is aanwezig in al deze fossiele brandstoffen, men hoeft het alleen maar te scheiden.

De belangrijkste voordelen van waterstof zijn milieuvriendelijkheid en brede verspreiding in de natuur, maar de hoge kosten van het vloeibaar maken en verliezen door constante verdamping maken deze voordelen vrijwel teniet.

Om waterstof van gas naar vloeistof om te zetten, moet het worden gekoeld tot -253 °C. Hiervoor worden meer-traps koelsystemen en compressie/expansie-installaties gebruikt. Momenteel zijn dergelijke technologieën te duur, maar er wordt gewerkt aan het goedkoper maken ervan.

We raden u ook aan ons andere artikel te lezen, waarin we in detail hebben uitgelegd hoe u zelf een waterstofgenerator voor thuis kunt maken. Meer informatie – ga naar de link.

Ook is vloeibaar waterstof, in tegenstelling tot LPG en LNG, veel explosiever. De kleinste lekkage in combinatie met zuurstof geeft een gas-luchtmengsel dat ontsteekt door de kleinste vonk. En vloeibare waterstof kan alleen worden opgeslagen in speciale cryogene containers. Er zijn nog te veel nadelen aan waterstofbrandstof.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Hoe wordt vloeibaar gas geproduceerd en waarom wordt het vloeibaar gemaakt:

Alles over vloeibaar gemaakte gassen:

Er bestaan verschillende technologieën voor het vloeibaar maken van gassen. Voor methaan zijn ze anders, en voor propaan-butaan anders. LPG is goedkoper te verkrijgen en gemakkelijker en veiliger te vervoeren/op te slaan. Het verkrijgen van methaan-LNG is een duurder en complexer proces. Bovendien vereist de hervergassing ervan gespecialiseerde apparatuur. Methaan is tegenwoordig echter meer gevraagd op de markt, dus wordt het in veel grotere volumes vloeibaar gemaakt.

Heeft u verduidelijkende vragen of uw eigen expertmening over het onderwerp gasvloeibaarmaking? Misschien heeft u iets toe te voegen aan bovenstaande. Aarzel niet om te vragen en/of te reageren op het artikel in het onderstaande blok.