СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ И СЕПАРАЦИИ ГАЗОВ Российский патент 2010 года по МПК F25J3/06 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для получения сжиженных газов, а также разделения компонентов газовых смесей или выделения одного или нескольких целевых компонентов.

Известны способ и устройство для получения сжиженного газа, которое содержит сверхзвуковое сопло, использующее адиабатическое расширение газа для его охлаждения, и средство для отбора жидкой фазы, выполненное в виде отогнутого к оси участка сопла с перфорированными стенками. Под воздействием возникающих при отклонении газового потока центробежных сил капли сконденсировавшегося газа проходят сквозь перфорацию и поступают в приемник (см. US №3528217, НКИ 55-15, 1970).

Недостатком известного способа является его относительно малый КПД. Это обусловлено тем, что при отклонении сверхзвукового потока, что необходимо в известном устройстве для отбора жидкой фазы, возникают ударные волны, приводящие к повышению температуры газового потока, что приводит, в свою очередь, к испарению части уже сконденсировавшихся капель.

Кроме того, имеют место потери полного давления в газе, прошедшем ударную волну. Указанные потери приводят к значительному перепаду давления между входом и выходом из устройства.

Из RU 2137065, F25J 1/00, 1999, известно устройство для сжижения газа. Известное устройство содержит сопло с форкамерой, в которой размещено средство для закрутки газового потока. Устройство снабжено средством для отбора жидкой фазы, выполненным в виде кольцевой щели, образованной стенками сопла и полого конуса. При работе устройства реализуется способ сжижения газа, который предусматривает, что газовый поток под давлением подается на вход форкамеры, закручивается и далее расширяется в сверхзвуковом сопле. В результате адиабатического расширения газ охлаждается и на некотором расстоянии от критического сечения сопла начинается процесс конденсации с образованием жидкой фазы. Под воздействием центробежных сил образовавшиеся капли будут отбрасываться к стенкам сопла с образованием в их окрестности слоя обогащенной газожидкостной смеси, которая будет проходить в кольцевую щель, образованную стенками сопла и стенками полого конуса, и поступать в приемник.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ сжижения газа, реализуемый с помощью устройства, известного из описания к патенту RU 2167374, F25J 3/06, 2001.

Газовый поток под давлением подвергается закрутке и подается на вход сопла (сверхзвукового или дозвукового). В результате адиабатического расширения газ охлаждается, и на некотором расстоянии от критического сечения сопла начнется процесс конденсации жидкой фазы. Под воздействием центробежных сил в закрученном потоке образовавшиеся капли отбрасываются к стенкам сопла с образованием вблизи них слоя газа, обогащенного каплями жидкой фазы, который отбирается, а поток обедненной газовой смеси поступает на выход устройства.

Недостатком известного способа является его относительно низкая эффективность сепарации. В закрученном потоке при больших значениях центробежных ускорений а>>10000g (а именно такие ускорения необходимы для эффективной сепарации) возникают неустойчивости, приводящие к крупномасштабным турбулентным пульсациям, которые способствуют перемешиванию потока, обогащенного каплями жидкой фазы, с потоком обедненной газовой смеси, что существенно ухудшает процесс сепарации.

Заявляемый в качестве изобретения способ направлен на повышение эффективности сепарации компонент газовой смеси или сжиженной части газа путем исключения эффектов, способствующих перемешиванию потока в местах отбора сепарируемой компоненты.

Указанный результат достигается тем, что способ сжижения и сепарации газов или выделения одного или нескольких газов из их смеси включает подачу в основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло потоков газа, состоящих из одной или нескольких частей, закрутку одной или нескольких частей потока вокруг размещенных полностью или частично в основном сопле дополнительных дозвуковых или сверхзвуковых сопел, выходы которых размещены в дозвуковой или сверхзвуковой части основного сопла, и совместную подачу всех частей газового потока в основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло, обеспечивающее расширение газа с достижением статического давления и статической температуры, которые соответствуют условию конденсации газа или его целевых компонент, и отбор газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, от обедненной ими газовой смеси, при этом газовые потоки через дополнительные сопла подают закрученными и/или незакрученными с обеспечением давлений на выходах дополнительных сопел, достаточных для истечения газа из них в основном сопле.

Указанный результат достигается также тем, что подаваемый на вход основного сопла поток газа формируют, используя несколько раздельных источников газа.

Указанный результат достигается также тем, что одну или несколько частей подаваемого на вход основного сопла газа формируют из газа, полученного от разделения полученной на выходе основного сопла газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, с обеспечением перепада давлений, достаточного для поступления его в основное сопло.

На вход основного дозвукового или сверхзвукового сопла поток газа в соответствии с предлагаемым изобретением может подаваться двумя способами:

- подачей единого общего потока с его разделением на несколько частей непосредственно перед входом в основное сопло с использованием для осуществления операции разделения известных технических средств;

- формирование подаваемого потока в основное сопло из нескольких независимых частей, каждая из которых может формироваться путем использования для этого отдельных источников газа.

Разделение потока на несколько частей необходимо для того, чтобы обеспечить возможность подачи одних отдельных частей потока в основное сопло, а других частей - в дополнительные сопла, которые размещаются (полностью или частично) в основном сопле.

Та часть (части) потока, которая подается непосредственно в основное сопло, закручивается любым известным образом вокруг дополнительных сопел. Отдельные потоки, подаваемые в дополнительные сопла, могут предварительно закручиваться или не закручиваться. Потоки из дополнительных сопел подаются в основное сопло, где смешиваются с потоком, поданным в основное сопло непосредственно.

Подача, по крайней мере, одной части потока сначала через дополнительное сопло, а затем в основное позволяет повысить эффективность сепарации за счет повышения устойчивости закрученного потока внутри основного сопла. Из проведенных опытов и данных литературы известно, что определенная часть вихревого потока, расположенная в окрестности оси основного сопла, неустойчива и прецессирует относительно оси, приводя тем самым к возмущению потока и ухудшению процесса сепарации. Поэтому разделение входного потока на несколько частей позволяет обеспечить необходимые центробежные силы внутри сопла за счет закрутки одной или нескольких частей исходного потока, а вдув дополнительных струй вдоль оси основного сопла через дополнительные сопла (или сопло), размещенные внутри основного потока, позволяет обеспечить отсутствие крупномасштабных пульсаций потока.

При этом поток через все дополнительные сопла может быть подан закрученным, или же поданным через все дополнительные сопла незакрученным, или же через часть сопел закрученным и через часть сопел незакрученным. Выбор интенсивности закрутки той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, определяется расчетным путем исходя из возможной величины перепада давления.

При интенсивной (сильной) закрутке той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, через дополнительные сопла подается незавихренная струя (струи), стабилизирующая (стабилизирующие) вихревой поток и тем самым устраняющая перемешивание, которое снижает эффективность сепарации. При применении менее интенсивной (слабой) закрутки той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, более выгодно использовать для стабилизации потока вдув через дополнительное сопло (дополнительные сопла) завихренной струи. В промежуточных вариантах, при относительно сильной (относительно слабой) закрутке той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, используется подача через часть дополнительных сопел закрученной струи, а через другие дополнительные сопла незакрученной струи.

Для обеспечения возможности реализации способа сжижения и сепарации газов или выделения одного или нескольких газов из их смеси подача газа в основное сопло должна осуществляться так, чтобы в процессе его расширения в сопле были достигнуты статическая температура и статическое давление, которые приводят к конденсации газа или входящих в состав газовой смеси целевых компонент. Подбор указанных параметров может осуществляться как на основании результатов газодинамических и термодинамических расчетов, так и сочетанием расчетов с экспериментальным уточнением параметров потока путем их подбора.

Величины давлений на выходах дополнительных сопел определяют путем расчетов, так чтобы обеспечить истечение газа из них в основное сопло.

Использование нескольких раздельных источников газа для формирования общего потока, подаваемого на вход основного сопла, позволяет осуществлять подачу на вход, по крайней мере, одного дополнительного сопла поток с более высоким полным давлением, что позволяет получать на выходе этого сопла более плотный поток с большей скоростью, что обеспечивает повышение эффективности сепарации за счет более жесткой стабилизации потока.

Формирование одной или нескольких частей подаваемого на вход основного сопла потока из газа, полученного от разделения на газ и жидкость газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, полученной на выходе основного сопла, и направление этого потока через дополнительное сопло обеспечивают повышение эффективности сепарации. Это происходит, например, за счет того, что в центральную часть вихревой зоны поступает газ с более высокой концентрацией сепарируемого компонента, чем в исходном потоке, с одной стороны, и с более низкой температурой, с другой, что способствует образованию в нем кластеров, являющихся зародышами. В описываемом частном случае реализации способа более высокая концентрация целевого сепарируемого компонента в поступающем в дополнительное сопло газе, по сравнению с концентрацией целевого компонента в исходном газе, обусловлена тем, что при разделении полученной на выходе основного сопла газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, имеет место термодинамическое равновесие и фазовое равновесие «газ-жидкость» при более высоких температурах, чем в сопле. Это приводит к тому, что происходит увеличение содержания целевой компоненты в газовой фазе. Кроме того, происходит насыщение удаляемого газа каплями жидкости за счет ее уноса. Более низкая температура поступающего в дополнительное сопло газа обусловлена, в основном, эффектом Джоуля-Томсона, имеющим место при расширении газа в основном сопле, поскольку давление выходных потоков ниже, чем на входе в основное сопло.

При этом подача газа от устройства сепарации, которое осуществляет разделение газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, должна осуществляться с обеспечением полного давления этого газа, достаточного для поступления его в основное сопло. Это достигается, например, путем установки устройства повышающего давление газа, или путем выбора места расположения выхода этого сопла в основном закрученном потоке, при котором перепад давлений между давлением в отбирающем устройстве и статическим давлением в закрученном потоке будет достаточным для истечения этого газа. При необходимости величину статического давления в месте расположения выхода из сопла можно регулировать, изменяя, например, интенсивность закрутки.

Вид основного сопла - дозвуковое или сверхзвуковое - выбирается в зависимости от термодинамических параметров сжижаемого газа или газовой смеси (состава, давления и температуры на входе в устройство, расхода, температуры точки росы и т.п.). Но во всех случаях основное сопло должно обеспечивать адиабатическое охлаждение газа или газовой смеси до такой степени, чтобы обеспечить переход газа или его части, желательно большей, в жидкую фазу.

Под рабочей частью, в дальнейшем, понимается отсек, являющийся продолжением сопла, в котором происходит рост капель и их сепарация под воздействием центробежных сил.

Средство для отбора жидкой фазы может быть выполнено в трех различных вариантах: а) в виде перфорации на стенках сопла и/или его рабочей части на тех участках, где сконденсировавшиеся капли достигают ее стенок за счет центробежных сил, вызванных закруткой потока; б) в виде кольцевой щели, образованной стенками рабочей части и входным участком диффузора, устанавливаемого на выходе рабочей части; в) в виде комбинации предыдущих двух - перфораций стенок и кольцевой щели.

Положение места вдува струи из дополнительного сопла в основной поток (форкамера, дозвуковая или сверхзвуковая часть основного сопла) зависит от интенсивности закрутки, термодинамических параметров потоков в основном и дополнительном сопле и соотношением их расходов.

В частных случаях реализации, дополнительное или дополнительные дозвуковые или сверхзвуковые сопла могут быть установлены в форкамере в различных вариантах. В одном случае вход в них может располагаться перед средством для закрутки газового потока. Во втором случае вход может быть расположен за средством для закрутки потока. При этом в обоих случаях выходы дополнительных сопел могут располагаться только за средством для закрутки газового потока. В том случае, когда входы в дополнительные сопла расположены перед закручивающим устройством, а выходы за ним, в завихренный поток подается незавихренная струя газа, стабилизирующая вихревой поток. Этот случай, как правило, соответствует случаю использования интенсивной начальной закрутки. При применении менее интенсивной начальной закрутки может оказаться более выгодным использование для стабилизации потока уже закрученной струи. В этом случае вход в дополнительное сопло располагается за закручивающим устройством. При этом выходы из дополнительных сопел могут находиться как в форкамере, так в дозвуковой или сверхзвуковой части основного сопла.

Соединение входа дополнительного сопла с дополнительным источником газа может повышать эффективность сепарации, поскольку в этом случае может быть использовано существенно более высокое полное давление и, соответственно, более плотная струя с большей скоростью, что, в случае необходимости, обеспечит более жесткую стабилизацию потока.

Для обеспечения возможности поступления газа из газожидкостного сепаратора на вход дополнительного сопла необходимо, чтобы давление на выходе из дополнительного сопла было меньше, чем статическое давление в закрученном потоке в месте расположения выхода. Это достигается, например, соответствующим выбором интенсивности закрутки. Т.е. всегда можно выбрать такую интенсивность закрутки, что давление на оси потока в области установки выхода сопла будет достаточно малым для создания перепада, необходимого для подачи газа из газожидкостного сепаратора обратно в поток.

Сущность заявляемого способа сжижения и сепарации газов поясняется примерами его реализации и чертежами.

На фиг.1 схематично показано продольное сечение устройства, реализующего способ, с соосным размещением одного дополнительного сопла и размещением его входа перед средством для закрутки газового потока,

На фиг.2 схематично показано продольное сечение форкамеры и основного сопла устройства, реализующего способ, когда вход в несколько дополнительных дозвуковых сопел размещен после средства для закрутки газового потока, а их выходы в форкамере.

На фиг.3 представлено продольное сечение форкамеры и основного сопла устройства с дополнительным дозвуковым соплом, вход в которое соединен с внешним источником газа, а выход находится в дозвуковой части основного сопла.

На фиг.4 схематично показано продольное сечение устройства, снабженного дополнительным источником газа, в качестве которого использован газожидкостный сепаратор, газовый выход которого соединен с входом дополнительного дозвукового сопла, выход которого находится в дозвуковой части основного сопла.

Пример 1. Один из вариантов реализации устройства для сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.1, содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7. В форкамере 1 устройства установлено дополнительное сверхзвуковое сопло 8, вход которого снабжен устройством 9 регулирования расхода газа через дополнительное сопло. При этом вход в дополнительное сопло расположен перед средством 2 для закрутки газового потока, а выход из него в дозвуковой части основного сопла. Такое конструктивное решение, как правило, применяется при интенсивной начальной закрутке. Средство для отбора жидкой фазы 5 соединено с газожидкостным сепаратором 10.

Устройство работает следующим образом.

Газовая смесь поступает в форкамеру 1, при этом ее основная часть проходит через закручивающее устройство 2, а другая часть поступает на вход дополнительного сопла 8 (регулирование расхода осуществляется устройством 9). Закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации).

Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель до размеров, больших 0,5 мкм, и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя.

Направление части потока в виде незавихренной струи через дополнительное сопло стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса в устройстве, чем способствует повышению его эффективности.

Выбор дозвукового или сверхзвукового дополнительного сопла определяется интенсивностью закрутки и связанным с ней перепадом давлений между входом в дополнительное сопло и выходом из него. При высокой интенсивности закрутки предпочтительней использование сверхзвукового сопла, а при низкой - дозвукового.

Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь, проходя через сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры 6 и 7 соответственно, выходит из устройства.

Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - газовый, очищенный от целевой компоненты, и другой - газожидкостный, обогащенный этой компонентой, который, например, направляется в газожидкостный сепаратор 10, где разделяется на газовую и жидкую фазы.

Пример 2. Один из вариантов реализации устройства для сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.2 (представлено только продольное сечение форкамеры и основного сопла, остальные элементы, показаны на фиг.1), содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7.

В форкамере 1 устройства установлено несколько дополнительных дозвуковых сопел 8, входы которых снабжены устройствами 9 регулирования расхода газа через них. Сопла закреплены в форкамере 1 на пилонах 11 под некоторым углом к осевой линии устройства. При этом вход в дополнительные сопла расположен после средства 2 для закрутки газового потока. Такое конструктивное решение, как правило, применяется при относительно слабой начальной закрутке.

Устройство реализует способ следующим образом.

Газовая смесь поступает в форкамеру 1, проходит через закручивающее устройство 2, при этом часть закрученного потока поступает на вход дополнительных сопел 8 (регулирование расхода осуществляется устройством 9). Ускоренный в соплах 8 газовый поток смешивается с основной частью закрученного потока вблизи осевой линии и оказывает на него стабилизирующее воздействие. Далее, закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации). Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель до размеров, больших 0,5 мкм, и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя.

Направление части потока в виде завихренной струи через дополнительное сопло стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса в устройстве, чем способствует повышению его эффективности.

На фиг.2 представлен вариант размещения двух дополнительных сопел, расположенных под углом к оси потока. В этом случае газ из областей с высоким давлением, расположенных в периферийной области вихря, направляется в приосевую область вихря, где давление существенно ниже. Это стабилизирует положение центральной вихревой зоны при сохранении высокой тангенциальной скорости. Таким образом, формируют нужное распределение тангенциальной и осевой скорости в вихре, обеспечивающее отсутствие нестабильности потока.

Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь, проходя через сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры 6 и 7 соответственно, выходит из устройства.

Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - обогащенный целевой компонентой и другой - обедненный этой компонентой.

Пример 3. Один из вариантов реализации устройства для сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.3 (представлено только продольное сечение форкамеры, основного сопла и внешний источник газа, остальные элементы показаны на фиг.1), содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7. В форкамере 1 устройства установлено дополнительное дозвуковое сопло 8, вход которого снабжен устройством 9 регулирования расхода газа через дополнительное сопло.

Вход в дополнительное сопло соединен посредством трубопровода 11 с внешним источником газа 12, в качестве которого может быть использован любой из числа известных. Например, это может быть выход из какого-либо аппарата, используемого для обработки газовой смеси, газовая или газоконденсатная скважина, и т.д. При этом вход в дополнительное сопло расположен перед средством 2 для закрутки газового потока, а выход из него в дозвуковой части основного сопла.

Способ реализуется с помощью устройства следующим образом.

Газовая смесь поступает в форкамеру 1 и проходит через закручивающее устройство 2. Другой газовый поток из внешнего источника газа 13 через трубопровод 12 поступает на вход дополнительного сопла 8 (регулирование расхода осуществляется устройством 9). Закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации). Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель до размеров, больших 0,5 мкм, и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя. Направление газового потока из дополнительного источника газа в виде незавихренной струи через дополнительное сопло стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса в устройстве, чем способствует повышению его эффективности. Газ из дополнительного источника может содержать некоторое количество жидкой компоненты, капли которой выступают в качестве зародышей, чем способствуют процессу конденсации и повышают эффективность сепарации.

Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь выходит из устройства.

Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - газовый, очищенный от целевой компоненты, и другой - газожидкостный, обогащенный этой компонентой, который, например, направляется в газожидкостный сепаратор, где разделяется на газовую и жидкую фазы. Газовый поток из газожидкостного сепаратора может быть объединен с газовым потоком из устройства или направлен на вход устройства, как описано ниже в примере 4.

Пример 4. Один из вариантов устройства для реализации способа сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.4, содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7. В форкамере 1 устройства установлено дополнительное дозвуковое или сверхзвуковое сопло 8, вход которого снабжен устройством 9 регулирования расхода газа через дополнительное сопло. Вход в дополнительное сопло соединен посредством трубопровода 12 с внешним источником газа, в качестве которого используется газовый выход газожидкостного сепаратора 10. При этом вход в дополнительное сопло расположен перед средством 2 для закрутки газового потока.

Устройство реализует способ следующим образом.

Газовая смесь поступает в форкамеру 1, при этом ее основная часть проходит через закручивающее устройство 2, а другая часть поступает на вход дополнительного сопла 6 (регулирование расхода осуществляется устройством 7). Закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации). Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя.

Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь, проходя через сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры 6 и 7 соответственно, выходит из устройства.

Газ из газожидкостного сепаратора 10 по трубопроводу 12 поступает на вход дополнительного сопла 8. Его расход регулируется устройством 9.

Направление газового потока из газожидкостного сепаратора на вход дополнительного сопла обеспечивает решение двух задач. Во-первых, как и в предыдущих примерах, незавихренная струя, выходящая из дополнительного сопла, стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса. Во-вторых, т.к. газ, выходящий из газожидкостного сепаратора, всегда содержит некоторое количество жидкости в виде мелкодисперсных капель и направление его в трубопровод может вызывать сложности при дальнейшей транспортировке. Предлагаемое решение позволяет снизить количество жидкости в подготовленном газе, чем способствует повышению эффективности сепарации.

Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - газовый поток, подготовленный к транспорту, и другой - поток жидкости.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для получения сжиженных газов, а также разделения компонентов газовых смесей или выделения одного или нескольких целевых компонентов. Способ сжижения и сепарации газов включает подачу в основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло потоков газа, состоящих из одной или нескольких частей, закрутку одной или нескольких частей потока вокруг размещенных полностью или частично в основном сопле дополнительных дозвуковых или сверхзвуковых сопел, выходы которых размещены в дозвуковой или сверхзвуковой части основного сопла, совместную подачу всех частей газового потока в основное сопло и отбор газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, от обедненной ими газовой смеси. Основное сопло обеспечивает расширение газа с достижением статического давления и статической температуры, которые соответствуют условию конденсации газа или его целевых компонент. Газовые потоки через дополнительные сопла подают закрученными и/или незакрученными с обеспечением давлений на выходах дополнительных сопел, достаточными для истечения газа из них в основном сопле. Техническим результатом является повышение эффективности сепарации путем исключения эффектов, способствующих перемешиванию потока в местах отбора сепарируемой компоненты. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ сжижения и сепарации газов или выделения одного или нескольких газов из их смеси, включающий подачу в основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло потока газа, состоящего из одной или нескольких частей, закрутку одной или нескольких частей потока вокруг размещенных полностью или частично в основном сопле одного или нескольких дополнительных дозвуковых или сверхзвуковых сопел, выходы которых размещены в дозвуковой или сверхзвуковой части основного сопла, и совместную подачу всех частей газового потока в основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло, обеспечивающее расширение газа с достижением статического давления и статической температуры, которые соответствуют условию конденсации газа или его целевых компонент, и отбор газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, от газовой смеси, при этом газовые потоки через дополнительные сопла подают закрученными и/или незакрученными с обеспечением давлений на выходах дополнительных сопел достаточными для истечения газа из них в основном сопле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подаваемый на вход основного сопла поток газа формируют используя несколько раздельных источников газа.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что одну или несколько частей подаваемого на вход основного сопла газа формируют из газа, полученного от разделения полученной на выходе основного сопла газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, с обеспечением давления этого газа, достаточного для поступления его в основное сопло.