СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 1999 года по МПК F25J3/00 

Изобретение относится к методам разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения и может быть использовано в различных областях техники.

Известен способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий постадийное охлаждение смеси газов до температур сжижения каждого компонента и отбор соответствующей жидкой фазы на каждой стадии (см.описание к заявке Японии N 07253272, F 25 J 3/06, 1995 [1]). Недостатком известного способа является малая эффективность при больших энергозатратах.

Известен способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы (см.описание к патенту США N 3528217, НКИ 55-15, МКИ B 01 D 51/08, 1970 [2]). В известном способе отбор жидкой фазы осуществляют путем направления газожидкостной смеси на перфорированную перегородку с отклонением потока от прямолинейного движения. В результате под действием возникающих при отклонении потока центробежных сил капли жидкой фазы поступают в приемник. Окончательная сепарация компонентов осуществляется в жидкой фазе. Недостатком известного способа является его малая эффективность. Во-первых, необходима сепарация компонентов из сжиженной смеси газов, а во-вторых, при отклонении газового потока, двигающегося со сверхзвуковой скоростью, возникают ударные волны, повышающие температуру газа, что в результате приводит к обратному переходу части сконденсировавшихся капель в газовую фазу.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ сепарации газов путем их сжижения известный из описания к патенту США N 5306330, НКИ 95-29, МКИ В 01 D 51/08, 1994 [3] ). Известный способ может быть использован как для сжижения однокомпонентных газов, так и для разделения их смесей (см.колонку 1, строки 5-10 в описании [3]). Способ включает охлаждение газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы. Для отбора жидкой фазы охлажденный газовый поток, уже содержащий капли сконденсировавшейся жидкой фазы, отклоняют в сопле и разделяют на два потока. В результате отклонения потока возникают центробежные силы, под действием которых образовавшиеся капли смещаются от оси потока и проходят по одному каналу в смеси с газом, а осушенный газ - по другому.

Недостатком известного способа является его малая эффективность. Это обусловлено тем, что при повороте газового потока возрастает его температура, что приводит к испарению части уже сконденсировавшихся капель.

Заявляемое изобретение направлено на повышение эффективности сжижения газовых смесей и их разделение на компоненты.

Указанный результат достигается тем, что способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения включает адиабатическое охлаждение смеси газов 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 10000g, а отбор жидкой фазы каждого из компонент осуществляют на расстоянии L от точки росы каждого компонента, определяемого соотношением:
L_i= V_i•τ_i,
где L_i - расстояние от точки росы i-того газового компонента до места отбора сжиженной компоненты, м;
V_i - скорость газового потока в точке росы i-того компонента, м/сек;
τ_i - время движения капель i-той сжиженной компоненты от оси потока до стенки сопла, сек.

g - ускорение свободного падения, м/с²
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 каждого из компонент на расстоянии L₁ от точки росы каждого компонента, определяемого соотношением:
L_i= V_i•τ_i,
где L_i расстояние от точки росы i-того газового компонента до места отбора сжиженной компоненты, м;
V_i - скорость газового потока в точке росы i-того компонента, м/сек;
τ_i - время движения капель i-той сжиженной компоненты от оси потока до стенки сопла, сек.

Закрутка газового потока перед его подачей в сопло позволяет повысить эффективность способа сжижения и разделения газов, так как за счет этого в газовом потоке во время прохождения сопла возникают центробежные силы, приводящие к сепарации образовавшихся капель жидкой фазы от основного газового потока, но при этом отпадает необходимость в повороте потока (как это предусмотрено в прототипе), приводящем к повышению температуры.

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 для отбора жидкой фазы каждого из компонентов на основании указанных соотношений также повышает эффективность способа, так как позволяет одновременно с процессом сжижения газовой смеси проводить не только разделение по фазам "газ - жидкость", но и разделение по сжиженным газовым компонентам. Учитывая, что точка росы для каждого из газовых компонент смеси зависит от температуры, а температура газового потока в сопле неоднородна, то области в объеме сопла, в которых будет начинаться процесс конденсации каждого из компонент газовой смеси, будут разнесены в пространстве. А поскольку процесс разделения фаз "газ - жидкость" под действием центробежных сил начинается после образования первых капель жидкой фазы, то и области, где эти капли достигнут боковых стенок сопла, будут разнесены в пространстве. Поэтому достаточно в выбранных по указанному соотношению местах установить средства для отбора жидкой фазы и удалять каждый из сжиженных газовых компонентов в отдельный приемник.

Сущность заявляемого способа разделения газовых смесей поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором упрощенно представлен один из возможных вариантов устройства, позволяющего реализовать способ, в разрезе.

Устройство для разделения компонентов газовых смесей содержит форкамеру 1, сверхзвуковое сопло 2 и соединенные с ним и между собой полые конусы 3 по числу разделяемых газовых компонентов, образующие последовательный ряд кольцевых щелей 4. Форкамера снабжена одним из известных средств для создания закрутки газового потока (на чертеже не показано). Это может быть установленный перед входом циклон, центробежный насос, вентилятор, поворотные лопатки и т.п., или просто выполненные в стенках форкамеры тангенциальные щели.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом.

На вход форкамеры подается закрученный поток газовой смеси, подлежащий разделению, обеспечивающий центробежное ускорение в потоке во время прохождения им сопла не менее 10000 g. Параметры газового потока, подаваемого на вход с тем, чтобы обеспечить требуемые значения ускорения, рассчитываются исходя из законов гидродинамики и геометрии сопла. Из форкамеры газовая смесь проходит в сопло и в результате адиабатического расширения охлаждается, на некотором расстоянии от критического сечения сопла начинается процесс конденсации газового компонента с наиболее высокой температурой перехода в жидкую фазу (точка росы i-того компонента, где i = 1). Под действием центробежных сил образовавшиеся капли будут отброшены к стенкам сопла в области, определяемой соотношением L₁= V₁•τ₁. Перемещающийся далее по соплу поток остающихся в газовой фазе компонентов, составляющих смесь, продолжает охлаждаться, и в некоторой области сопла, отстоящей от точки росы первого компонента, начнется процесс конденсации второго компонента, имеющего более низкую температуру фазового перехода (точка росы второго компонента). Соответственно, на образующиеся капли жидкой фазы второго компонента начнет действовать центробежная сила закрученного газового потока, отбрасывая их на стенки сопла на расстоянии от точки росы, определяемом соотношением
L₂= V₂•τ₂.
Двигаясь далее по соплу и охлаждаясь, газовая смесь достигнет температуры фазового перехода третьего компонента (точка росы третьего компонента), и описанный выше процесс повторится. Место нахождения точек росы каждого из компонентов определяется исходя из геометрии сопла, температур фазового перехода каждого из компонентов, характеристик входящего потока и т.п. с использованием законов и зависимостей газотермодинамики. Соответственно, рассчитывается и место расположения области, где каждый из жидких компонентов собирается на стенках сопла и отстоящее от точки росы на расстоянии L_i= V_i•τ_i. В этих местах и размещаются средства для отбора жидкой фазы каждого компонента. Это средство может быть выполнено как в [2], т.е. в виде перфорации на стенках сопла в расчетных местах, и тогда жидкость под воздействием центробежных сил будет проходить сквозь отверстия перфорации. При этом в приемники будет попадать и некоторое количество газовой фазы, которая может быть отделена от жидкой известными методами.

Кроме этого, средство для отбора жидких компонент может быть выполнено как это показано на чертеже, а именно - в виде кольцевых щелей 4 по количеству разделяемых компонентов в газовой смеси. Когда капли жидкой фазы под действием центробежных сил достигнут в расчетных местах стенок сопла, то по ним начнется пленочное течение жидкости, которая будет попадать в кольцевую щель и эвакуироваться в приемник. При вертикальном расположении сопла этот процесс будет идти самотеком. При этом возможно исключить попадание газовой фазы в приемник с жидкой фазой, если на основании расчетов выполнить ширину щели равной (или чуть меньшей), чем толщина пленки жидкой фазы в данном месте.

Пример 2. Разделение многокомпонентной газовой смеси на метан, пропан, бутан и смесь оставшихся газов.

Способ осуществляется 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 1800 мм, стенки сопла спрофилированы в соответствии с уравнением

где F_* - площадь критического сечения сопла;
F - площадь сечения сопла в произвольной точке;
M - число Маха,
V - скорость потока,
a - скорость звука;
- показатель адиабаты.

Для обеспечения закрутки газового потока на входе форкамеры были установлены закручивающие лопатки. На основании проведенных расчетов было установлено, что для обеспечения центробежного ускорения не менее 10000 g в потоке газа во время прохождения им сопла газовая смесь должна подаваться с давлением не менее 50 атм. На основании газодинамических и термодинамических расчетов, исходя из геометрии сопла, химического состава и давления газа на входе (65 атм), было установлено, что точка росы бутана (Т = 0,5^oC при парциальном давлении 1,65 атм) будет расположена перед критическим сечением сопла на расстоянии 200 мм от него, а оптимальное место для отбора сжиженного бутана (отбор 90-95% бутана) будет отстоять на 200 мм от его точки росы.

Местонахождение точки росы для пропана (Т = - 39^oC при парциальном давлении 1,46 атм) будет расположено в 180 мм от критического сечения сопла, а область отбора 90-95% жидкой компоненты в 400 мм от нее.

Соответственно, для метана точка росы (Т = - 161,56^oC при давлении 1,06 атм) будет находиться в 600 мм от критического сечения сопла, а средство для отбора жидкой фазы должно находиться в 900 мм от точки росы, обеспечивая отбор более 50% сжиженного метана.

После проведения расчетов и установки в соответствии с их результатами в расчетных местах средств для отбора жидкой фазы на вход устройства была подана газовая смесь, состоящая из 88,8% метана, 6% пропана, 3,2% бутана, 1,9% прочие газы под давлением 65 атм с температурой 290К.

Процесс осуществлялся в течение 1 часа при расходе газовой смеси 5000 нм/час. В результате было получено жидких газов: бутана 10000 л, пропана 17000 л, метана 200000 л.

Способ был реализован на одном из газоперерабатывающих заводов России.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности предложенного способа разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения.

Изобретение относится к методам разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения и может быть использовано в различных областях техники. Способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения включает адиабатическое охлаждение смеси газов 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 каждого из компонентов осуществляют в месте, отстоящем от точки росы каждого компонента на расстоянии L, определяемом соотношением: L_i=V_i•τ_i, где L_i - расстояние от точки росы i-го газового компонента до места отбора сжиженной компоненты, м; V_i - скорость газового потока в точке росы i-го компонента, м/с; τ_i - время движения капель i-й сжиженной компоненты от оси потока до стенки сопла, с; g - ускорение свободного падения, м/с². Техническим результатом способа является повышение эффективности сжижения газовых смесей и их разделение на компоненты. 1 ил.

Способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий адиабатическое охлаждение смеси газов 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 каждого из компонентов осуществляют в месте, отстоящем от точки росы каждого компонента на расстоянии L, определяемом соотношением
L_i= V_i•τ_i,
где L_i - расстояние от точки росы i-го газового компонента до места отбора сжиженной компоненты, м;
V_i - скорость газового потока в точке росы i-го компонента, м/с;
τ_i - время движения капель i-й сжиженной компоненты от оси потока до стенки сопла, с;
g - ускорение свободного падения, м/с².