СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК F25J1/00 

Изобретение относится к технологии получения сжиженных газов и может быть использовано в газонефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, в металлургии, химии и других областях техники.

Известен способ сжижения газа, включающий сжатие газа в компрессоре, предварительное охлаждение в теплообменнике и охлаждение в детандере с последующим расширением газа в дроссельном вентиле с отбором жидкой фазы (см. Политехнический словарь. 1989, М., "СЭ", стр. 477 /1/). Недостатком известного способа является сложность его осуществления, большие энергозатраты и малый КПД.

Известен способ сжижения газа или многокомпонентных газовых смесей, включающий адиабатическое охлаждение газового потока в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, который осуществляют путем направления газожидкостной смеси на перфорированную перегородку с отклонением потока от прямолинейного движения (см. описание к патенту США N 3528217, НКИ 55-15, МКИ B 01 D 51/08, 1970 /2/). Недостатком известного способа является его относительно малая эффективность. Обусловлено это тем, что при отклонении газового потока, двигающегося со сверхзвуковой скоростью, возникают ударные волны, существенно повышающие температуру газа, что в результате приводит к обратному переходу части капель уже сжиженного газа в газообразное состояние.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является известный способ сжижения газа, включающий адиабатическое охлаждение газового потока в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы (см. описание к патенту США N 5306330, НКИ 95-29, МКИ B 01 D 51/08, 1994 /3/). Для того, чтобы осуществить отбор жидкой фазы, охлажденный газовый поток, уже содержащий капельки сконденсировавшейся жидкости, отклоняют в сопле и направляют на сепарирующий узел. В результате отклонения потока возникают центробежные силы, под действием которых образовавшиеся капли смещаются от оси потока и проходят по одному каналу, а осушенный газ - по другому.

Недостатком известного способа является его малая эффективность. Во-первых, не происходит полного разделения "газ - жидкость" и по каналу, предназначенному для отвода жидкой фазы наряду с каплями жидкости идет и газ, в результате чего возникает проблема повторной сепарации. Во-вторых, из-за поворота газового потока возрастает его температура, что приводит к испарению части уже сконденсировавшихся капель.

Заявляемое изобретение направлено на повышение эффективности методов получения сжиженных газов.

Указанный результат достигается тем, что способ сжижения газа включает его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, при этом перед подачей газового потока в сопло его закручивают до достижения центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла не менее 10000 g, а отбор жидкой фазы в сопле осуществляют на расстоянии L от точки росы, определяемом соотношением:
L = v•τ,
где L - расстояние от точки росы в сопле до места отбора сжиженной компоненты, м;
V - скорость газового потока на входе в сопло, м/с;
τ - время движения капель сжиженной компоненты от оси потока до стенки сопла, с;
g - ускорение свободного падения, м/c².

Отличительными признаками заявляемого способа являются:
- закрутка газового потока перед подачей его в сопло;
- закрутка потока до достижения в нем значений центробежного ускорения во время прохождения сопла не менее 10000 g;
- осуществление отбора жидкой фазы в месте, отстоящем на расстояние L = v•τ от точки росы, где под точкой росы понимается область внутри сопла, в которой начинается переход из газовой фазы в жидкую (образование центров конденсации).

Закрутка газового потока перед его подачей в сопло позволяет повысить эффективность способа сжижения, так как за счет этого в газовом потоке возникают центробежные силы, приводящие к отделению образовавшихся капель от газового потока, но при этом отпадает необходимость в повороте потока, как это предусмотрено в прототипе.

Закрутка до обеспечения значений центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла более 10000 g также повышает эффективность способа. Если ускорение будет менее указанного значения, то сконденсировавшиеся капли жидкой фазы не успеют достичь стенок сопла для их отбора и будут унесены газовым потоком. Возможное же увеличение длины сопла и снижение за счет этого ускорения не скомпенсирует снижение величины ускорения, так как одновременно с увеличением длины будет увеличиваться величина теплого пограничного слоя и, следовательно, диаметр сопла для обеспечения адиабатического процесса, а значит капли так и не достигнут стенок сопла и будут уноситься потоком газа.

Выбор места отбора жидкой фазы на основании указанного соотношения также повышает эффективность способа, поскольку именно в этом месте практически все сконденсировавшиеся капли достигнут стенок сопла и могут быть удалены известным методом, например путем перфорации стенок, как это предусмотрено в /2/, или созданием кольцевого зазора, как показано на чертеже, иллюстрирующем заявленное изобретение.

Сущность заявляемого способа сжижения газа поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором представлен продольный разрез (упрощенный) принципиальной схемы аппарата, с помощью которого может быть реализован способ.

Устройство для сжижения газа содержит форкамеру 1, сверхзвуковое сопло 2 и полый конус 3, образующий с соплом кольцевую щель 4. Конус жестко соединен с соплом одним из известных способов, например с помощью пилонов (на чертеже не показано). Форкамера снабжена одним из известных средств для закрутки газового потока (не показано). Это может быть циклон, центробежный нагнетатель, тангенциальный подвод газа, закручивающие лопатки и т.п.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом.

На вход форкамеры подается закрученный поток газа, подвергаемого сжижению, обеспечивающий центробежное ускорение в потоке во время прохождения им сопла не менее 10000 g. Параметры газового потока на входе, обеспечивающие нужное значение ускорения, рассчитываются исходя из законов газодинамики и геометрии сопла. Проходя в сопло газ, расширяясь, подвергается адиабатическому охлаждению и на расстоянии от критического сечения сопла, определяемом заданным числом Маха (М), начинается образование конденсата (точка росы). Поскольку поток в сопле является закрученным, то под воздействием центробежных сил сконденсированные капли жидкой компоненты будут отбрасываться к стенкам сопла, образуя на них пленку жидкой фазы. Место нахождения точки росы определяется расчетным путем с использованием уравнений гидро- и термодинамики. Также рассчитываются и время движения капель сжиженной компоненты от центра сопла до его стенок. В области сопла, где капли достигают его стенок, располагается средство для отбора жидкой фазы. Это может быть, как уже указывалось выше, перфорация на стенках сопла. В этом случае капли жидкой фазы за счет центробежных сил будут легко удаляться в приемное устройство, но при этом вместе с ними будет поступать и часть газовой фазы. Если выполнить в этой области кольцевую щель, то образовавшаяся на стенках жидкая фаза будет удаляться через нее. При этом попадание газовой фазы в приемник вместе с жидкой можно будет практически исключить, подобрав расчетным (или экспериментальным) путем, исходя из параметров газового потока, ширину этой щели так, что она будет равной толщине пленки жидкой фазы в этом месте.

Пример 2. Получение сжиженного метана.

Способ осуществлялся по общей схеме, изложенной в примере 1. Использовалось устройство, представленное на чертеже, со следующими параметрами: внутренний диаметр форкамеры 120 мм, диаметр критического сечения сопла 10 мм, длина сопла 1000 мм, стенки сопла спрофилированы в соответствии с уравнением

где F_* - площадь критического сечения сопла;
F - площадь сечения сопла в произвольной точке;
M - число Маха;
- показатель адиабаты.

Для обеспечения закрутки газового потока в форкамере выполнены щели шириной 2 мм для обеспечения тангенциальной подачи газа под углом 2^o к ее касательной.

Из произведенных расчетов было установлено, что для обеспечения центробежного ускорения в потоке газа во время прохождения им сопла не менее 10000 g, газ должен подаваться с давлением не менее 50 атм. Кроме того, из расчета было установлено, что при выбранных геометрических размерах сопла процесс сжижения эффективен при подаче газа под давлением 200 атм, которое и было выбрано в качестве рабочего.

Исходя из этих данных и была рассчитана скорость движения газового потока в сопле, оказавшаяся равной 544 м/с, и место расположения точки росы (T = 173K при парциальном давлении 32 атм) - на расстоянии 60 мм от критического сечения сопла. Также расчетным путем было установлено оптимальное место отбора жидкой фазы, отстоящее от точки росы на 600 мм.

На вход форкамеры через тангенциальные щели подавался газообразный метан под давлением 200 атм с расходом 1800 нм³/час, в результате чего через сопло проходил закрученный поток газа с линейной скоростью 544 м/с и центробежным ускорением в нем 12000 g. В результате в приемник жидкой фазы через кольцевую щель поступал сжиженный метан со скоростью 3 кг/с.

Изобретение относится к технологии получения сжиженных газов и может быть использовано в газонефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, в металлургии, химии и других областях техники. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности методов получения сжиженных газов. Способ сжижения газа включает его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, при этом перед подачей газового потока в сопло его закручивают до достижения центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла не менее 10000 g, а отбор жидкой фазы в сопле осуществляют в месте отстоящем от точки росы на расстоянии, определяемом соотношением: L = v•τ, где L - расстояние от точки росы в сопле до места отбора сжиженной компоненты, м; V - скорость газового потока на входе в сопло, м/с; τ - время движения капель сжиженной компоненты от оси потока до стенки сопла, с; g - ускорение свободного падения, м/с². 1 ил.

Способ сжижения газа, включающий его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, отличающийся тем, что перед подачей газового потока в сопло его закручивают до достижения центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла не менее 10000 g, а отбор жидкой фазы в сопле осуществляют в месте, отстоящем от точки росы на расстоянии, определяемом соотношением
L = V•τ,
где L - расстояние от точки росы в сопле до места отбора сжиженной компоненты, м;
V - скорость газового потока на входе в сопло, м/с;
τ - время движения капель сжиженной компоненты от оси потока до стенки сопла, с;
g - ускорение свободного падения, м/с².