СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ КОНДЕНСАТА ИЗ ГАЗОВОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F25J3/08 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, но может быть использовано в других отраслях техники, где необходимо выделение низкокипящих компонент из газовой смеси. В частности, в практике добычи газа проблема выделения низкокипящих компонент связана с необходимостью осушки газа и возможностью использования выделенного конденсата в качестве низкооктанового топлива.

Прототипом данного изобретения можно считать "Устройство для низкотемпературной обработки газа" (авт. св. 386221, кл. 25 3/08, Ч.С. Гусейнов и др., 1973 г.). С целью понижения температуры газовой смеси и создания необходимого переохлаждения для возникновения условий конденсации низкокипящих компонент в этом устройстве предлагается разгонять газовую смесь до сверхзвуковой скорости в ряде последовательно установленных конусов, расположенных на периферии центробежного сепаратора. Образовавшийся конденсат предлагается отбирать через щели, образованные между выходом и входом каждой последовательной пары конусов. На выходе из устройства предусматривается установка участка, называемого конфузором, для перехода потока к дозвуковой скорости.

Предложенное устройство имеет существенные, принципиальные недостатки, ставящие под сомнение возможность его реализации. Во-первых, организовать сверхзвуковой поток в негладко спрофилированном коническом участке, да еще при наличии скачков конденсации, которые там непременно должны возникнуть, практически невозможно. Неизбежно возникнувшие скачки уплотнения на сверхзвуковом участке устройства приведут к большим потерям полного давления. К тому же образовавшийся ранее конденсат, пройдя скачок уплотнения, частично или даже полностью испарится. Из-за возникнувшей системы скачков уплотнения поток на выходе из сверхзвукового участка окажется дозвуковым и вновь будет разгоняться в выходном конфузоре, что также приведет к дополнительным потерям полного давления. Во-вторых, в предложенном устройстве может осуществляться только гомогенная конденсация, т.е. конденсация на собственных зародышах, подученных в результате флюктуации молекул газа вследствие понижения его температуры существенно ниже температуры насыщения. Размеры образовавшихся в результате такой конденсации капель соизмеримы с размерами молекул газа и отсепарировать их инерционным способом, как предлагается в устройстве, не представляется возможным. Но даже гипотетическая модель предложенного устройства обладает тем существенным недостатком, что будучи устройством с постоянной геометрией, оно может работать только на одном режиме, например, с постоянным расходом газовой смеси при постоянном давлении на входе.

Гомогенная конденсация газовой смеси требует для своего осуществления больших перепадов давления и сверхзвуковых скоростей потока, которые в дальнейшем необходимо переводить в дозвуковые, и все это вместе, да еще при наличии конденсата в потоке, связано с большими потерями полного давления. Отсепарировать получившуюся в результате гомогенной конденсации очень мелкодисперсную жидкость без предварительной коагуляции, а следовательно, дополнительного устройства и дополнительных потерь полного давления, крайне сложно. Применение гомогенной конденсации возможно тогда, когда необходимо сработать излишний располагаемый перепад давления, что и делают при дросселировании газа на высоконапорных скважинах. На практике, например, при эксплуатации низконапорных газовых скважин, необходимые для гомогенной конденсации располагаемые перепады давления отсутствуют, а поэтому для осуществления конденсации газа или какой-либо компоненты газовой смеси необходимы другие способы и другие устройства.

Целью данного изобретения является разработка эффективного способа выделения конденсата из газовой смеси, основанного на гетерогенной конденсации, осуществляемого при относительно небольших перепадах давления, а следовательно, с малыми энергетическими потерями, и с размерами капель конденсата, приемлемыми для инерционного сепарирования, а также разработка устройства, способного эффективно выполнять указанные функции в широком диапазоне изменения рабочих параметров потока, в частности, расходов газовой смеси.

Сущность предлагаемого способа для выделения конденсата из газовой смеси заключается в следующем. Охлажденную до температуры насыщения конденсируемой компоненты газовую смесь разгоняют в конфузорном участке. Предварительно на вход в конфузорный участок впрыскивают жидкость той компоненты газовой смеси, которую необходимо конденсировать либо другую, имеющую температуру кипения, по крайней море, близкую к температуре кипения конденсируемой компоненты или ниже ее. Размеры капель впрыскиваемой жидкости должны быть приемлемыми для осуществления инерционной сепарации и определяются, в основном, давлением газа на входе в конфузор. Вместе с тем, они не должны быть достаточно мелкими, чтобы образовавшееся двухфазное течение в конфузоре было более близким к равновесному, т.к. это будет способствовать улучшению межфазового массообмена. При разгоне двухфазного потока в конфузоре давление и температура в нем будут падать, причем в гораздо большей степени, чем при разгоне чистого газа, т.к. часть энтальпии газа будет расходоваться на работу по разгону капель. В какой-то момент парциальное давление конденсируемой компоненты станет ниже давления насыщения, также вследствие теплообмена с потоком понизится и температура капель до значения, близкого к температуре насыщения. Парциальное давление насыщения собственного пара над выпуклой поверхностью капли всегда ниже, чем давление насыщения того же пара в потоке, а поэтому перенасыщенный пар конденсируемой компоненты будет диффундировать из потока на капли и там конденсироваться. Так произойдет гетерогенная конденсация выделяемой компоненты газовой смеси на каплях, находящихся в потоке, причем с существенно более низким переохлаждением, чем это было бы необходимо для осуществления ее гомогенной конденсации. В результате описанного выше процесса конденсации в конце конфузора расход жидкости, выделяемой из газовой смеси компоненты, будет большим, чем ее было подано на вход. В конце конфузора конденсат сепарируют от газовой фазы. Часть полученного конденсата вновь подают на вход в конфузор, а оставшийся избыток используют в тех или иных целях. Скорость газа в дальнейшем понижают в диффузоре до приемлемого уровня. На этом процесс выделения низкокипящих компонент из газовой смеси заканчивают.

Следует отметить, что предложенный способ пригоден и для выделения конденсата и из однокомпонентного потока.

Схема устройства для осуществления предложенного способа представлена на чертеже. Устройство включает подводящий трубопровод 1, распылитель жидкости 12, конфузорно-диффузорный участок, состоящий из сужающегося канала 2 и диффузорной части, образованной внешней цилиндрической обечайкой 4 и осесимметричным подподвижным в осевом направлении центральным телом 3. Схема конфузорно-диффузорного участка, представляющего собой сепаратор, взята из патента 2013108 на изобретение "Способ сепарации жидкости из газожидкостного потока и устройство для его осуществления" (автор А.А. Бузой, 1990 г.). Предложенное устройство также включает механизм привода центрального тела 5, манометры 6 и 7, магистраль отвода жидкости, с установленным на ней регулирующим краном 8, сливную емкость 9, дренажные магистрали, с установленными на них запорными кранами 10 и 13, магистраль подвода жидкости к разбрызгивателю, с установленным на ней насосом 11, магистраль отвода жидкости с краном 14.

Работа устройства происходит следующим образом. Образовавшуюся после впрыска жидкости в газовый поток в начальном сечении устройства I•I двухфазную смесь разгоняют в конфузоре 2 с понижением давления в потоке и понижением температур обеих фаз. При понижении температуры газа ниже температуры насыщения выделяемой из него компоненты начинается конденсация этой компоненты на каплях ядра потока, а также на пленке жидкости, образующейся как на стенках конфузора, так и на центральном теле. Эта пленка в обоих случаях имеет волнообразную структуру, а поэтому условия образования конденсата на ней близки к условиям образования конденсата на каплях. Течение потока в устройстве происходит с ускорением до минимального сечения конфузора II-II, горла устройства, и с торможением его в диффузорной части до сечения III-III, максимального сечения центрального тела (миделя).

Режим течения в устройстве с ускорением в конфузоре и торможением в диффузоре обеспечивают регулированием площади минимального сечения устройства, его горла, путем перемещения центрального конического тела 3. Контроль за наличием такого режима течения осуществляют за счет поддержания положительного перепада давления между манометрами 7 и 6, первый из которых установлен вблизи минимального сечения конфузора, а второй - вблизи минимального сечения диффузора, т.е. слева и справа от горла устройства, как показано на чертеже. С целью улучшения условий для конденсации газа и улучшения условий для сепарации капель в устройстве поддерживают режим течения, близкий к критическому, т.к. при этом увеличивается переохлаждение газа и увеличивается скорость капель. Для этой цели давление, регистрируемое манометром 7, поддерживают, по возможности, минимальным, сохраняя при этом положительный перепад давления между манометрами 7 и 6.

Конденсация выделяемой компоненты газовой смеси происходит на протяжении всего течения потока в устройстве. В минимальном сечении устройства конденсат отбирают через кольцевые щели, выполненные в передней части обечайки 4, и кольцевые щели, выполненные в передней части центрального тела 3. В диффузорной части устройства конденсат отбирают через щелевые отверстия, расположенные в мидельном сечении центрального тела.

Все магистрали отбора соединены между собой. Отобранный конденсат черен регулирующий кран 8 по трубопроводу подают в сливную емкость 9. Назначение крана 8 - создать такое сопротивление в сети трубопроводов, чтобы отбираемый через щелевые отверстия вместе с конденсатом газ, по возможности, в меньшем количестве попадал в сливную емкость. С этой целью проходное сечение крана 8 устанавливают таким, чтобы более инерционный и несжимаемый конденсат полностью проходил через кран, а для сжимаемого газа этот кран являлся бы сильным сопротивлением.

Часть газа вместе с конденсатом все же попадает в сливную емкость, хотя величина его расхода существенно меньше расхода газа через само устройство. Давление покоящегося газа в сливной емкости больше, чем давление движущегося газа в устройстве, а поэтому газ из сливной емкости дренируют через запорный кран 13 по магистрали, соединенной с устройством в районе его горла, где давление в потоке наименьшее. Таким образом, учитывая, что и жидкость на вход в устройство подают насосом 11 из сливной емкости, весь цикл конденсации и сепарации низкокипящих компонент из газовой смеси оказывается замкнутым.

Предложенное устройство может применяться и для других целей, помимо указанных в описании его работы.

Так, при эксплуатации высоконапорных газовых скважин возникает необходимость понизить давление газового потока, чтобы в дальнейшем не порвались отводящие трубопроводы. При этом часто одновременно необходимо отобрать идущую с газом попутную жидкость.

Прикрыв в описанном выше устройстве минимальное сечение до необходимой величины, его можно использовать в качестве дросселя и понизить давление в потоке до необходимой величины. При этом функция устройства, как сепаратора, сохраняется и попутная жидкость будет отбираться.

При ремонте магистральных трубопроводов необходимо отключать подачу газа. В качестве запорного крана можно использовать предложенное устройство, если прикрыть в нем полностью минимальное сечение. Это позволит сэкономить на установке дополнительного запорного крана.

При прохождении газотрубопроводов в районах вечной мерзлоты возникает необходимость захолаживания идущего по ним газа с целью предупреждения осадки трубопроводов.

Если на вход предлагаемого устройства подать в достаточно большом количестве жидкость, которая не будет испаряться при существующих температурах в потоке, то газ, разгоняя эту жидкость и теряя энтальпию на работу по ее разгону, к минимальному сечению будет существенно охлажден. Сама жидкость, поданная на входе в устройство, к выходу из устройства будет отсепарирована. Таким образом, предложенное устройство может быть использовано в качестве захолаживателя газа.

Объективность предложенного способа и устройства для выделения конденсата из газовой смеси по сравнению с имеющимися аналогами определяется следующим. Выделение низкокипящих компонент из газовой смеси происходит путем проведения гетерогенной конденсации газа на каплях предварительно введенной в поток жидкости и осуществляется при относительно малых перепадах давления и дозвуковых скоростях потока в устройстве, следовательно, связано с малыми энергетическими потерями. Процесс конденсации и процесс выделения конденсата из потока, т.е. сепарации, объединены в одном устройстве, а это экономически выгодно как при изготовлении устройства, так и при его эксплуатации. Габариты устройства сравнимы с габаритами подводящего трубопровода, а следовательно, оно имеет небольшую металлоемкость. Возможности использования устройства в качестве дросселя с отбором попутной жидкости, запорного крана и захолаживателя газа дают дополнительный экономический эффект. Весь процесс выделения конденсата в устройстве является замкнутым, а следовательно, экологически чистым.

Гетерогенная конденсация осуществляется при разгоне газовой смеси в конфузоре с каплями предварительно поданного на вход конфузора конденсата низкокипящих компонентов смеси, подлежащих выделению. Конденсация производится в канале конфузорно-диффузорной формы с центральным подвижным в осевом направлении осесимметричным телом с щелевыми отверстиями для отбора конденсата, расположенными на стенках диффузора и лобовой части центрального тела в минимальном сечении устройства, и щелевыми отверстиями, расположенными в наиболее широкой части центрального тела на выходе из диффузора. Устройство также содержит разбрызгиватель конденсата, установленный на входе в конфузор, сливную емкость для конденсата, а также сливную и дренирующую магистрали. Использование изобретения позволит с малыми энергетическими потерями конденсировать низкокипящие компоненты газовой смеси и совместить процессы выделения конденсата из газовой смеси и сепарации в одном устройстве, а также использовать устройство в качестве дросселя для понижения давления высоконапорного газа. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ образования конденсата из низкокипящих компонентов газовой смеси, включающий охлаждение газовой смеси до температуры насыщения ее низкокипящих компонентов при разгоне газовой смеси в конфузорном канале, отличающийся тем, что газовую смесь разгоняют в конфузоре совместно с каплями жидкости конденсируемого компонента, который предварительно подают на вход в конфузор. 2. Устройство для образования и выделения конденсата низкокипящих компонентов газовой смеси, включающее сепаратор с конфузорно-диффузорной проточной частью и подвижным в осевом направлении центральным телом, с щелевыми отверстиями для отбора выпадающей на стенки сепаратора и центральное тело жидкости, включающее также накопительную емкость для слива конденсата и подводящую к ней магистраль, отличающееся тем, что на входе в устройство установлен разбрызгиватель, через который подают в необходимом количестве в виде капель конденсат низкокипящих компонентов для разгона его совместно с газовой смесью в конфузорном участке устройства. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что положение центрального тела и, следовательно, величину площади минимального сечения устройства устанавливают путем поддержания положительного перепада давления между манометрами, установленными до и после минимального сечения устройства, вблизи его, сохраняя при этом минимально возможным давление в конце конфузора. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что магистраль отбора конденсата оборудована регулирующим краном. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что сливная емкость соединена трубопроводом с сепаратором вблизи его минимального сечения, где давление в устройстве минимальное. 6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что минимальное сечение в нем прикрывают до такого размера, что устройство выполняет функцию дросселя для понижения давления газа с одновременным отбором попутной жидкости. 7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что минимальное сечение в нем прикрывают полностью, и устройство выполняет функцию запорного крана. 8. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что на вход в устройство подают в необходимом количестве жидкость и разгоняют ее вместе с газом в конфузоре, тем самым существенно понижают температуру потока в конце конфузора и используют устройство в качестве захолаживателя газа, поданную же на вход в устройство жидкость отбирают, используя функции устройства, как сепаратора.