СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01D53/14 B01D45/12 

Изобретение относится к промышленным способам очистки газов от газового конденсата, в частности к абсорбционным способам очистки, и может быть использовано преимущественно при пониженных давлениях очищаемого газа в химической, нефтехимической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для очистки природного газа от растворимых газов, а также в строительстве, пищевой промышленности - для транспортировки влагопоглощающих материалов, в деревообработке - для осушки древесины, в холодильной технике и т.д.

Известен способ очистки газов от газового конденсата путем абсорбции его жидким химическим абсорбентом, включающий разделение абсорбента на тонко- и груборегенерируемые потоки, один из которых завихряют и направляют в среднюю часть абсорбера с отводом очищенного газового потока, а второй поток подают на регенерацию, после которой абсорбент подают в верхнюю часть абсорбера (см., например, а.с. СССР 1797967, кл. В 01 D 53/14 от 1990 г.).

Недостатком известного способа является низкая эффективность очистки газов от газового конденсата из-за неэффективного контакта очищаемого газа с абсорбентом. Это объясняется тем, что, во-первых, процесс регенерации абсорбента длительный, т. к. низки скорости потока абсорбента, что обусловлено техническими возможностями технологического процесса. Во-вторых, ограничена поверхность контакта очищаемого газа с жидким абсорбентом, что требует увеличения количества абсорбента. К тому же требуются большие энерго- и материалозатраты из-за громоздкости технологической схемы и из-за использования химического абсорбента.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ очистки газов от газового конденсата, включающий абсорбцию его жидким абсорбентом в виде собственного газового конденсата, завихрение газового потока в межтрубном кольцевом пространстве, последующее завихрение газового потока в вихревой трубе с одновременной конденсацией абсорбента в ней, вывод конденсата на абсорбцию и отвод очищенного газа и конденсата (см. патент РФ 2139751, кл. В 01 D 53/14, 45/12, F 25 В 43/00, от 1997 г.).

Хотя в этом известном способе абсорбцию очищаемого газа ведут жидким абсорбентом, в качестве которого используют собственный газовый конденсат, который формируют в вихревой трубе после завихрения потока газа, что значительно упрощает технологический процесс очистки, снижает энерго- и материалозатраты, повышает интенсивность абсорбционных процессов, однако и этот известный способ недостаточно эффективен, поскольку не обеспечивает требуемую глубину очистки газов от газового конденсата. Как следствие - невозможность обеспечить полный вывод конденсата из газового потока, что может привести в дальнейшем к нежелательным последствиям от образования конденсата в газопроводе. Это объясняется тем, что в известном способе очистки основное отделение конденсата и влаги из потока газа после его абсорбции ведут путем сепарации в межтрубном кольцевом пространстве (прохождение потока через оребрение, изменение направления движения потока при достижении преграды - диска энергоразделителя), что недостаточно эффективно для глубокой очистки газов. При этом и разница полученных вследствие вихревого эффекта температур потоков, взаимодействующих при их движении в устройстве, недостаточна для дополнительной конденсации очищаемого потока.

Кроме того, известный способ технологически сложен, требует больших энергозатрат, т. к. требует создания высоких скоростей и больших давлений для отделения конденсата, получения собственного газового конденсата и последующего осуществления им абсорбции.

Известно устройство для очистки газов от газового конденсата, содержащее размещенную в кожухе вихревую трубу с энергоразделителем, патрубок ввода, отводы очищенного газа и конденсата (см. а.с. СССР 258319, кл. В 01 D 45/12 от 1970 г.).

Поток очищаемого газа поступает через тангенциальный патрубок ввода в вихревую трубу, где он, проходя по каналам энергоразделителя, приходит в интенсивное вращательное движение. В результате поток под действием центробежных сил разделяется в полости вихревой трубы на жидкость и газ, причем жидкость располагается по периферии, а газ - вблизи оси. При этом газ охлаждается и через отвод холодного потока выводится потребителю, а жидкость отводится через отвод конденсата.

Поскольку известное устройство осуществляет только грубое разделение газожидкостных сред на жидкую и газообразную, поэтому оно не обеспечивает глубокую очистку газов от газового конденсата.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для очистки газов от газового конденсата, содержащее кожух с размещенной в нем концентрично с образованием межтрубного кольцевого пространства вихревой трубой с камерами горячего и холодного потоков и установленным на границе указанных камер энергоразделителем, выполненным в виде тангенциальных сопел в стенке вихревой трубы с входного ее конца и перекрывающего торец указанного конца вихревой трубы и торец кожуха диафрагменного диска со сквозным осевым каналом, связывающим камеры горячего и холодного потоков, а также с выполненными в стенке вихревой трубы со стороны перекрытого герметично выходного ее конца выходными соплами, связывающими камеру горячего потока с межтрубным кольцевым пространством, и патрубок ввода очищаемого газа, патрубки вывода очищенного газа и конденсата (см. патент РФ 2139751, кл. В 01 D 53/14, 45/12, F 25 В 43/00, от 1997 г.).

Образовавшийся в результате вихревого эффекта горячий периферийный поток в камере горячего потока вихревой трубы при соприкосновении с холодным потоком очищаемого газа, проходящего в межтрубном кольцевом пространстве, конденсируется на внутренней стенке камеры горячего потока вихревой трубы. Образовавшийся собственный газовый конденсат непрерывно впрыскивается в виде пара в зону абсорбции, увеличивая тем самым поверхность абсорбции. Поток газа, обогащенный конденсатом, завихряется в межтрубном кольцевом пространстве и, дойдя до диска энергоразделителя, меняет направление. Как следствие - происходит отделение конденсата. Отсепарированный газожидкостный конденсат выводится по радиальным каналам в энергоразделителе, а оставшийся поток газа поступает через входные тангенциальные сопла в вихревую трубу, в которой осуществляется дальнейшая очистка газов от газового конденсата. Холодный очищенный газ через камеру холодного потока вихревой трубы, находящуюся за энергоразделителем, вне кожуха, выводится потребителю. А горячий поток, проходя через камеру горячего потока, конденсируется при взаимодействии с холодным потоком в межтрубном кольцевом пространстве и вновь впрыскивается в виде пара в межтрубное пространство на абсорбцию.

Однако и это известное устройство имеет недостаточную эффективность очистки газов от газового конденсата, поскольку не обеспечивает требуемую глубину очистки из-за невозможности обеспечения полного вывода конденсата из газового потока, что может привести в дальнейшем к нежелательным последствиям от образования конденсата в газопроводе.

Это объясняется тем, что в известной конструкции устройства недостаточны поверхности теплообмена, т. к. патрубок отвода конденсата выполнен в диафрагменном диске энергоразделителя, т.е. на границе камер горячего и холодного потоков, поэтому вообще не используется потенциальная энергия камеры холодного потока для интенсификации процесса теплообмена. Как следствие - конденсат выводится в том количестве, которое отделилось в результате сепарации в межтрубном кольцевом пространстве. При этом часть газа теряется с конденсатом.

Кроме того, известное устройство сложное, требует больших энергозатрат для создания высоких скоростей и больших давлений для сепарации, получения абсорбента и осуществления абсорбции собственным газовым конденсатом. При этом при существующем конструктивном выполнении устройства невозможно интенсифицировать процесс очистки газов.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения глубины очистки газов от газового конденсата путем воздействия на газовые потоки дополнительным холодом вихревого эффекта охлаждения.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе очистки газов от газового конденсата, включающем абсорбцию газов жидким абсорбентом в виде собственного газового конденсата, завихрение газового потока в вихревой трубе с одновременной конденсацией абсорбента в ней и отвод очищенного газа и конденсата, абсорбцию ведут при пониженном давлении, обогащенный собственным газовым конденсатом поток газа делят на два потока, один из которых завихряют в вихревой трубе с одновременным его переохлаждением, очисткой и отводом очищенного газа, при этом другой газовый поток охлаждают и сепарируют, а отсепарированный газ подают в общий поток очищенного газа.

Благодаря тому, что абсорбцию потока газа ведут собственным газовым конденсатом при пониженном давлении, после чего обогащенный абсорбентом газовый поток делят на два потока, один из которых завихряют в вихревой трубе с целью отделения сухого очищенного газа и получения собственного газового конденсата, обеспечиваются условия для эффективных теплообменных процессов в устройстве, что позволяет эффективнее, проще и интенсивнее провести очистку газов. Это объясняется тем, что за счет вихревого эффекта происходит одновременно очистка газа от конденсата в вихревой трубе, переохлаждение отделившегося осевого газового потока и передача от этого потока дополнительного холода второму потоку газа, не попавшему в вихревую трубу. Благодаря этому появилась возможность при более низкой температуре провести более полную конденсацию второго потока газа с последующим выводом конденсата.

А проведение сепарации выведенного газоконденсата с последующим вводом отделенного газа в общий поток очищенного газа позволит избежать потерь очищаемого газа, обеспечить требуемую глубину очистки.

Такое взаимодействие двух потоков позволяет значительно упростить технологический процесс очистки, снизить энергозатраты и металлоемкость.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство, которое, как и наиболее близкое к нему по патенту РФ 2139751, содержит кожух с размещенной в нем концентрично с образованием межтрубного кольцевого пространства вихревой трубой с камерами горячего и холодного потоков и установленным на границе этих камер энергоразделителем, выполненным в виде тангенциальных сопел в стенке вихревой трубы с входного ее конца и диафрагменного диска со сквозным осевым каналом, с выходными соплами, выполненными в стенке вихревой трубы со стороны перекрытого герметично выходного ее конца, и патрубки ввода, вывода очищенного газа и конденсата. В отличие от известного в предлагаемом устройстве кожух охватывает снаружи камеры горячего и холодного потоков вихревой трубы, диафрагменный диск энергоразделителя установлен внутри вихревой трубы, внутри кожуха установлен дополнительно профилированный диск со сквозным осевым и радиальными каналами, перекрывающий межтрубное кольцевое пространство по торцу камеры холодного потока вихревой трубы с образованием в межтрубном кольцевом пространстве дополнительной камеры теплообмена, а на торце камеры горячего потока вихревой трубы по оси устройства установлен в направлении патрубка ввода очищаемого газа аэродинамический элемент, при этом в радиальных каналах профилированного диска выполнены патрубки вывода конденсата и ввода газа, связанные с устройством для сепарации, при этом патрубок ввода газа связан по радиальному каналу с патрубком вывода очищенного газа.

Благодаря тому, что диафрагменный диск энергоразделителя установлен внутри вихревой трубы, а внутри кожуха по торцу камеры холодного потока установлен профилированный диск с радиальными каналами для вывода конденсата, при этом кожух охватывает снаружи как камеру горячего, так и холодного потоков вихревой трубы, появилась возможность создать более эффективное переохлаждение осевого потока газа, и создание дополнительной камеры теплообмена для второго потока, не попавшего в вихревую трубу, в которой передается дополнительный холод этому потоку, благодаря чему обеспечивается наиболее полная конденсация газового потока, обогащенного абсорбентом.

Благодаря тому, что радиальные каналы для вывода конденсата выполнены за пределами камеры холодного потока, появилась возможность более глубоко охладить поток газа вне вихревой трубы, наиболее полно его сконденсировать и вывести на устройство для сепарации. Введение устройства для сепарации позволит отделить дополнительное количество газа из конденсата.

Таким образом, предложенные конструктивные признаки устройства обеспечивают согласно предложенному способу глубокую очистку газов от газового конденсата путем воздействия на газовые потоки дополнительным холодом вихревого эффекта охлаждения. Как следствие - повышается эффективность и интенсификация очистки газов от газового конденсата, снижаются энергозатраты.

На чертеже схематично представлен продольный разрез заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа.

Устройство для очистки газов от газового конденсата содержит кожух 1, в котором установлена концентрично с образованием межтрубного кольцевого пространства 2 вихревая труба 3 с камерами горячего 4 и холодного 5 потоков и энергоразделителем, установленным на границе камер 4 и 5. Энергоразделитель состоит из выполненных в стенке вихревой трубы 3 со стороны входного ее конца тангенциальных сопел 6 и установленного внутри вихревой трубы 3 диафрагменного диска 7 со сквозным осевым каналом 8, связывающим камеры горячего 4 и холодного 5 потоков. Внутри кожуха 1 установлен профилированный диск 9, перекрывающий межтрубное кольцевое пространство 2 по торцу камеры 5, при этом в кольцевом пространстве, окружающем камеру холодного потока 5, формируется дополнительная камера 10 теплообмена, выполняющая функцию трансформатора холода. Профилированный диск 9 имеет сквозной осевой канал 11, связывающий камеру 5 холодного потока с патрубком 12 вывода очищенного от газового конденсата газа. Для отвода конденсата в диске 9 выполнены радиальные каналы 13, связанные посредством патрубка 14 вывода конденсата с устройством 15 для сепарации. Выполненные также в диске 9 радиальные каналы 16 связывают посредством патрубка 17 устройство 15 для сепарации с патрубком 12 вывода очищенного газа. На другом конце вихревой трубы 3 в ее стенке выполнены выходные сопла 18, связывающие камеру 4 горячего потока с межтрубным кольцевым пространством 2, при этом торец камеры 4 горячего потока герметично перекрыт, например, крышкой 19 с закрепленным на ней по оси трубы 3 и направленным в сторону патрубка 20 ввода очищаемого газа аэродинамическим элементом, например, в виде гвоздя 21. Кожух 1 устройства охватывает снаружи как камеру 4 горячего потока, так и камеру 5 холодного потока вихревой трубы 3.

Предлагаемый способ в описанном устройстве осуществляют следующим образом.

Поток газа, подлежащий очистке от газового конденсата, подают через патрубок 20 из газопровода на гвоздь 21 и крышку 19 камеры 4 горячего потока вихревой трубы 3. Набегающий невозмущенный поток газа обтекает указанную поверхность и далее выходные сопла 18 вихревой трубы 3, при этом скорость движения входящего потока газа плавно возрастает (из-за уменьшения поперечного сечения устройства), а давление газа в зоне выходных сопел 18 падает, в результате чего происходит впрыскивание конденсата из камеры 4 горячего потока через сопла 18 в межтрубное кольцевое пространство 2 для обогащения входящего потока газа жидким конденсатом и осуществления тем самым абсорбции. Молекулы жидкого конденсата, непосредственно прилегающие к наружной поверхности тела камеры 4 горячего потока, прилипают к этой поверхности под действием сил притяжения. Прилипшие молекулы из-за вязкости жидкости взаимодействуют с близлежащими слоями потока газа, подтормаживая их, и создают неожиданный эффект кипения и конденсации, что приводит к эффективному теплообмену в межтрубном кольцевом пространстве 2 устройства. При этом поток газа, обогащенный конденсатом, дойдя до энергоразделителя вихревой трубы 3, делится на два потока, один из которых поступает через входные тангенциальные сопла 6 в вихревую трубу 3, а другой остается в межтрубном кольцевом пространстве 2. При входе газового потока в вихревую трубу 3 происходит резкое увеличение скорости потока; поток завихряется; давление падает. Резкое падение давления приводит к разделению входящего в вихревую трубу 3 потока газа на теплую и холодную зоны (эффект Ранка-Хилша), причем чем выше скорости завихрения потока и ниже давление, тем ниже температура осевого потока в камере 4 горячего потока. В образовавшейся камере 4 горячего потока по периферии идет горячий поток, а по оси вихревой трубы 3 - холодный. Холодный осушенный газ меняет свое направление движения на противоположное и через канал 8 поступает в камеру 5 холодного потока, где он в результате дроссель-эффекта еще более охлаждается (переохлаждается), и затем через канал 11, патрубок 12 выводится потребителю.

А периферийный горячий поток газа, проходя через камеру 4 горячего потока, в результате теплообмена с холодным потоком газа, проходящим снаружи вихревой трубы 3, полностью конденсируется. И поскольку поток газа для очистки поступает в устройство непрерывно и давление в области выходных сопел 18 пониженное, то конденсат постоянно впрыскивается через сопла 18 в межтрубное пространство 2 на абсорбцию, обогащая газ собственным газовым конденсатом и обеспечивая тем самым более глубокую абсорбционную очистку газа. Причем создание в вихревой трубе переохлаждения потока газа при пониженном давлении превышает критическое охлаждение общего потока и приводит к гетерогенной конденсации паров конденсата, что резко увеличивает процесс массопередачи, растет интенсивность абсорбционного процесса.

В то же самое время другой поток газа, обогащенный собственным газовым конденсатом, но не попавший в вихревую трубу 3, попадает по межтрубному кольцевому пространству в дополнительную камеру 10 теплообмена, тормозится в ней профилированным диском 9 и, соприкасаясь со стенками камеры 5 холодного потока, получает дополнительное охлаждение. Как следствие - образуется дополнительный конденсат, который по радиальным каналам 13, патрубку 14 выводится в устройство 15 для сепарации, в котором отделяется конденсат от газа. Отсепарированный газ из устройства 15 по патрубку 17, через радиальные каналы 16 поступает в общий поток очищенного газа - в патрубок 12 и далее - потребителю. Отделившийся конденсат с устройства 15 также выводится потребителю.

Процесс переохлаждения второго газового потока, абсорбция и абсорбционная очистка газа при пониженном давлении идут непрерывно, замкнутым циклом по мере поступления в устройство газа для очистки и постоянным отводом очищенного газа и конденсата.

Пример. Очищаемый газ, например нефтяной, с газожидкостным конденсатом и влагой следующего состава, вес. %: метан - 58,54; этан - 20,38; пропан - 12,21; изобутан - 0,85; норм.бутан - 2,9; изопентан - 0,40; норм.пентан - 0,47; гексан плюс высшие - 0,85; гелий - 0,014; азот - 2,886; диоксид углерода - 0,2 (влажность газа при 20^oС относительная 80,8%), - в количестве 30000 нм³/ч при Т=12^oС под давлением 0,34 МПа поступает через патрубок 20 во входные тангенциальные сопла 6 вихревой трубы 3. Отсепарированный конденсат с устройства 15 в количестве 100 кГ/ч направляется потребителю для производства моторного топлива (в стабильном состоянии отвечает требованиям отраслевого стандарта ОСТ 51.65-80). Общий объем очищенного газа (собранный из вихревой трубы 3 и поступивший с устройства 15 для сепарации) в количестве 29200 нм³/ч с давлением 0,29 МПа направляется потребителю (соответствует ГОСТу 20448-90).

Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить производительность очистки (интенсифицировать процесс) не менее, чем в 2 раза. Наиболее полная очистка газа позволяет исключить в газопроводах гидроудары, что приводит к сокращению аварийных ситуаций.

Вместе с этим, поскольку очищенный газ имеет более низкую температуру, то появилась возможность пропускать большие объемы газа при малых диаметрах газопровода.

Решается задача повышения глубины очистки газов от газового конденсата путем воздействия на газовые потоки дополнительным холодом вихревого эффекта охлаждения. Способ очистки включает абсорбцию жидким абсорбентом в виде собственного газового конденсата (ГК) при пониженном давлении, разделение потока газа на два, один из которых завихряют в вихревой трубе (ВТ)3 с одновременной конденсацией абсорбента в ней и одновременным его переохлаждением, а другой газовый поток охлаждают и сепарируют, очищенный газ от обоих потоков подают потребителю. Устройство для очистки газов от ГК включает установленную в кожухе 1 с образованием межтрубного кольцевого пространства 2 ВТЗ с камерами горячего 4 и холодного 5 потоков, на границе которых установлен энергоразделитель, состоящий из тангенциальных сопел 6 и диафрагменного диска 7 с осевым каналом 8. Внутри кожуха установлен профилированный диск (ПД)9, перекрывающий кольцевое пространство 2, при этом образуется дополнительная камера 10 теплообмена - трансформатор холода. В ПД 9 выполнены радиальные каналы 13 для отвода конденсата, который дополнительно сепарируется в устройстве для сепарации 15. Очищенный газ по патрубкам 12, 17 выводится потребителю. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки газов от газового конденсата, включающий абсорбцию жидким абсорбентом в виде собственного газового конденсата, завихрение газового потока в вихревой трубе с одновременной конденсацией абсорбента в ней, отвод очищенного газа и конденсата, отличающийся тем, что абсорбцию ведут при пониженном давлении, обогащенный собственным газовым конденсатом поток газа делят на два потока, один из которых завихряют в вихревой трубе с одновременным его переохлаждением, очисткой и отводом очищенного газа, при этом другой газовый поток охлаждают и сепарируют, а отсепарированный газ подают в общий поток очищенного газа. 2. Устройство для очистки газов от газового конденсата, включающее кожух с размещенной в нем концентрично с образованием межтрубного кольцевого пространства вихревой трубой с камерами горячего и холодного потоков и установленным на границе этих камер энергоразделителем, выполненным в виде тангенциальных сопел в стенке вихревой трубы с входного ее конца и диафрагменного диска со сквозным осевым каналом, с выходными соплами, выполненными в стенке вихревой трубы со стороны перекрытого герметично выходного ее конца, и патрубки ввода, вывода очищенного газа и конденсата, отличающееся тем, что кожух охватывает снаружи камеры горячего и холодного потоков вихревой трубы, диафрагменный диск энергоразделителя установлен внутри вихревой трубы, а внутри кожуха установлен дополнительно профилированный диск со сквозным осевым и радиальными каналами, перекрывающий межтрубное кольцевое пространство по торцу камеры холодного потока вихревой трубы с образованием в межтрубном кольцевом пространстве дополнительной камеры теплообмена, а на торце камеры горячего потока вихревой трубы по оси устройства установлен в направлении патрубка ввода очищаемого газа аэродинамический элемент, при этом в радиальных каналах профилированного диска выполнены патрубки вывода конденсата и ввода газа, связанные с устройством для сепарации, при этом патрубок ввода газа связан по радиальному каналу с патрубком вывода очищенного газа.