СПОСОБ ОСУШКИ И ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ПОСЛЕДУЮЩИМ СЖИЖЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F25J3/06 B01D53/26 B01D45/12 

Предлагаемое изобретение относится к криогенной технике и технологии, а именно, к способам и устройствам осушки, очистки и сжижения природного газа, отбираемого из магистрального газопровода, так и для другого низкомолекулярного газа, например, получаемого на нефтехимическом производстве газоразделения, а также при хранении и выдаче товарных сжиженных и газообразных газов на газораспределительных станциях (ГРС).

Рассматриваемая технология может использоваться, как для газа природного происхождения, так и для газа, поступающего с нефтехимического производства, для получения газомоторных и авиационных топлив, а также специального горючего, которые применяются в автотранспортной, авиационной и других отраслях промышленности.

Отбираемый из газопровода природный или нефтехимический газ проходит предварительную подготовку, включающую охлаждение (или нагрев) в предварительном теплообменнике, сепарацию образовавшейся двухфазной смеси от водного и углеводородного конденсата, дросселирование газа и его сжижение в вихревой трубе и последующее разделение на товарные сжиженный и газообразный продукты.

Сжижение газа основано на редуцировании высоконапорного газа, например, находящегося в магистральном газопроводе с давлением порядка 30-60 атм. до сравнительно низкого давления 5-7 атм. Рассматриваемая технология газоразделения относится к классу вихревых труб, работа которых основана на проявлении эффекта Ранка, а также процессов сепарации двухфазных многокомпонентных углеводородных систем в многоступенчатых центробежных сепараторах.

Аналогом предлагаемого изобретения является способ газодинамической сепарации (патент RU 2291736, B01D 45/12, B01D 53/26, 2007 г. - [1]), который используется для низкотемпературной обработки природных и нефтяных газов, в том числе для сушки газа путем сепарации и конденсации из него водных и (или) углеводородных компонентов.

Способ включает закрученную подачу исходного потока высоконапорного многокомпонентного углеводородного газа в сопло, изоэнтальпийное расширение газа с охлаждением при его истечении с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью, конденсацию компонентов в расширенном и охлажденном вращающемся потоке газа, отделение от газа конденсата, сбор конденсата в зоне с пониженным давлением, которую создают путем эжектирования из нее газовой фазы, повышения давления путем его торможения в диффузоре и удаление очищенного газа и конденсата.

В исходный газ дополнительно вводят конденсируемые углеводородные компоненты в жидкой или паровой фазах, в расширенном и охлажденном вращающимся потоке создают приосевую область, состоящую преимущественно из газовой фазы, и периферийную область - из газожидкостной смеси сконденсированных и несконденсированных компонентовследнюю отводят в зону пониженного давления, где производят разделение газожидкостной симеси на жидкость и газ, последний эжектируют очищенным газом в приосевую область, проводя однократную или многократную сепарацию, достигая повышения эффективности сепарации.

В данном изобретении, несмотря на достижение повышения эффективности сепарации многокомпонентной углеводородной смеси, ему присущи недостатки, к которым можно отнести:

высоконапорный исходный поток газа, представляющий многокомпонентную углеводородную смесь, закрученным потоком подается для проведения сушки в сопло со звуковой скоростью без предварительной подготовки, включающей очистку от механических примесей (при определенных параметрах давления и температуры).

В этом случае, возможно образование гидратов при определенных температурах, а наличие водного и углеводородного конденсатов, а также присутствие механических примесей, может привести к забивке сопла, имеющего, как правило, минимальное проходное сечение отшлифованные поверхности (при сверхвысоких скоростях).

Реализация газодинамической сепарации, включающей закрученную подачу потока высоконапорного многокомпонентного углеводородного газа в сопло, а также ввод эжектированием очищенного газа и конденсируемых углеводородных компонентов в исходный поток сопряжена со сложностью, так как ввод данных компонентов должен осуществляться при высоком давлении, которое требуется для создания закрученного потока газа и получения дроссельного эффекта при прохождении через сопло, а очищенный газ и жидкие углеводородные компоненты образующиеся после дросселирования а, следовательно, находятся при низком давлении. Поэтому ввод компонентов в зону высокого давления бескомпрессионным способом затруднен.

Известен аналог «Способ сжижения природного газа» (патент RU 2202078, F25J 1/00, 2003 г. - [2]).

Также известен «Способ сжижения природного газа» (патент RU 2429434, F25J/00, 2011 г. - [3]), являющийся прототипом заявленной группы изобретений (способа осушки и очистки природного газа с последующим сжижением и устройства для осуществления способа).

В «Способах сжижения природного газа» [2 и 3] сжижение природного газа осуществляется с использованием дроссельного рекуперативного способа в вихревых трубах, а очистку газа от примесей осуществляют в двух переключающихся теплообменниках-вымораживателях, один из которых находится в работе, а другой в это время отогревается и очищается от накопившихся примесей.

Для отогрева теплообменника-вымораживателя используют теплый поток газа от дополнительной вихревой трубы, работающей параллельно с основной вихревой трубой холодильного контура. Холодный поток газа, генерируемый дополнительной вихревой трубой, используют для охлаждения исходного потока сжатого газа, проходящего через предварительный теплообменник-вымораживатель.

В прототипе: «Способе…» [3] камера энергетического разделения основной вихревой трубы подвергается дополнительному охлаждению хладагентом, претерпевающим фазовые превращени: кипение при отборе тепла от вихревой трубы и конденсацию при отдаче тепла внешнему теплоносителю, а в качестве теплоносителя используется холодный поток вспомогательной вихревой трубы.

В данных способах [2 и 3] использовано две вихревые трубы, из которых одна из них работает в режиме максимальной холодопроизводительности, а другая для получения высокотемпературного газа для целей эффективного и быстрого отогрева предварительного теплообменника-вымораживателя.

Несмотря на достижение результата - повышение эффективности процесса сжижения и рост производительности по готовому продукту - сжиженному газу предлагаемые способы имеют следующие недостатки:

исходный высоконапорный поток природного газа поступает параллельными потоками, в один из двух предварительных теплообменников-вымораживателей, а также на вход основной и вспомогательной трубы и, только после этого, разделенными потоками (холодным и теплым) поступают на отогрев теплообменников-вымораживателей.

Таким образом, подача природного газа осуществляется непосредственно из магистрали в вихревые трубы неосушенным и неочищенным, так как осушка и очистка газа осуществляется только параллельного потока. Подача неочищенного газа в вихревую трубу может привести к забивке сопла кристаллогидратами и механическими примесями. Учитывая, что «улитка» сопла имеет высокую степень обработки вплоть до полировки поверхности, возможно повреждение ее механическими взвесями, что приведет к выходу из строя.

Аналогичные последствия могут иметь место и при подаче неочищенного потока газа в рекуперативный и предварительный теплообменники-вымораживатели, в которых осуществляется очистка и осушка газа путем вымораживания на теплообменной поверхности.

Как правило, в качестве теплообменников используют аппараты кожухот-рубчатого типа, состоящие из множества труб, закрепленных в трубных решетках, которые также могут забиваться, если через трубное или межтрубное пространство будет подаваться неочищенный газ.

Предлагаемая регенерация отогревом теплообменников применима только для случая, когда будет подаваться магистральный газ, содержащий только водный и углеводородный конденсат, но очищенный от механических примесей. Отогрев позволит очистить газ только от водных и углеводородных гидратов, но не от забивки трубного и межтрубного пространства механическими загрязнениями.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение эффективности отделения тяжелой фазы, включающей водно-углеводородный конденсат и механические примеси, от легкой углеводородной части газа, а также предотвращение образования кристаллогидратов и повышение эффективности сжижения.

Технический результат согласно способу достигается тем, способ осушки и очистки природного газа с последующим сжижением в трехпоточной вихревой трубе с получением холодного, горячего газообразных и жидкого потоков, включает сепарацию образовавшегося сжиженного газа и сбор в накопительной емкости-сепараторе, при этом охлаждение или нагрев природного газа проводят до температуры максимальной конденсации углеводородной фракции €4 и выше путем подачи холодного или горячего потоков газа вихревой трубы в рекуперативные теплообменники, затем проводят многоступенчатую центробежную сепарацию газового потока от образовавшегося углеводородного конденсата - фракции С4, водного конденсата, гидратов и механических примесей (шлама), которые выводят в емкость-сепаратор для дальнейшей переработки, а отсепарированный газ после охлаждения холодным потоком в рекуперативном теплообменнике направляют на вход вихревой трубы, а выходящий из нее холодный поток после дросселирования направляют совместно с отсепарированной жидкой фазой из горячего потока вихревой трубы в расходный сепаратор, из верхней части которого отводят газообразный товарный продукт, а из нижней части - товарную сжиженную фракцию природного газа.

Предпочтительно, многоступенчатую центробежную сепарацию газа проводят на не менее трех ступенях (зонах) сепарации, после рекуперативных теплообменников при условии поддержания разности температур не менее 20-30°C между верхней сепарационной зоной отвода газа и нижней сепарационной зоной отвода отсепарированных газа и жидкости, причем более охлажденной должна быть верхняя зона.

Таким образом, общим для аналогов, прототипа и заявляемого способа осушки и очистки природного газа являются закрученная подача исходного потока высоконапорного многокомпонентного углеводородного газа в сопло, дроссельное энергетическое расширение газа с охлаждением, при его истечении с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью, что характерно для вихревой трубы, конденсация компонентов в расширенном и охлажденном вращающемся потоке газа, отделение от газа конденсата в зоне с пониженным давлением, сепарация разделенных газа и жидкости и последующий раздельный их вывод.

Отличием предлагаемого способа от аналогов и прототипа является то, что исходный поток газа нагревают или охлаждают (в зависимости от температуры газа, с которой он поступает из газопровода или из другого источника), до температуры максимальной конденсации фракции C4 и выше, путем подачи холодного или горячего потоков вихревой трубы, затем поток газа подвергают многоступенчатой центробежной сепарации с раздельным выводом отсепарированных газа и смеси конденсата и шлама. Отсепарированный газ, представляющий легкие углеводороды, предварительно охлаждают в теплообменнике холодным потоком и направляют на дроссельное энергетическое разделение при его истечении со звуковой скоростью в сопле вихревой трубы, а, образующийся холодный поток после рекуперации холода в теплообменнике, направляют в расходный сепаратор, из которого выводят в качестве товарных продуктов газа и сжиженного газа. Смесь конденсата и шлама разделяют в емкости-сепараторе, из которого раздельно выводят в виде водного и углеводородного конденсатов и шлама.

Сущность предложенного способа осушки и очистки природного газа, с последующим сжижением и устройства для осуществления поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 изображена принципиальная технологическая схема для реализации заявляемого способа и устройство для его осуществления. На фиг.2 представлена конструкция многоступенчатого центробежного сепаратора, представляющего устройство для реализации заявляемого способа. На фиг.3 -разрез по сечению А-А многоступенчатого центробежного сепаратора в месте тангенциального ввода исходного потока газа.

На технологической схеме (фиг.1) представлены потоки: I - исходный поток природного газа; II - отсепарированный газовый поток; III - водно-углеводородный конденсат и шлам: IV - холодный поток вихревой трубы; V -горячий поток вихревой трубы; VI - отрекуперированный (холодный) поток; VII - отсепарированная жидкая фаза из горячего потока; VIII - сжиженный природный газ; IX - водный конденсат; Х - углеводородный конденсат; XI - шлам (механические примеси).

На технологической схеме также представлены аппараты и арматура (устройства для реализации предложенного способа): 1, 2, 6 - рекуперативные теплообменники; 3 - многоступенчатый центробежный сепаратор (корпус); 4 - емкость-сепаратор; 5 - вихревая труба; 7 - расходный сепаратор, газовая полость которого соединина трубой с газовой полостью емкости-сепаратора 4; 8 - сепарационное устройство вихревой трубы; 9 - горячий конец вихревой трубы; 10 - холодный конец вихревой трубы; 11 - нижняя рубашки для подачи теплоносителя (рубашка для нагрева); 12 - верхняя рубашки для подачи хладагента (рубашка для охлаждения); 13 - 31 - запорно-регулирующие вентили; 32 - теплообменник-нагреватель; 33 - сепарационный элемент; 34 - патрубок тангенциального ввода; 35 - внутренний патрубок сепарационного элемента; 36 -тангенциальные щели; 37 - нижний конический отражатель; 38 - верхний конический отражатель; 39 - прорези; 40 - диффузор; 41 - конический отражатель; 42 - окна; 43 -кольцевое пространство; 44 - сетчатый отбойник; 45 - патрубок с коническим отражателем; 46 - патрубки для ввода и вывода теплоносителя; 47 - патрубки для ввода и вывода хладагента; 48 - патрубок вывода отсепарированной жидкости и шлама.

Ступени разделения многоступенчатого центробежного сепаратора: 1-я ступень - «A» (циклонная ступень разделения), 2-я ступень - «B» (прямоточно-центробежная ступень разделения), 3-я ступень - «C» (сетчатый отбойник - демистер).

Исходный поток природного газа I, поступает из магистрального высоконапорного газопровода (с давлением 30-60 атм.) на охлаждение (или нагрев) в рекуперативные теплообменники 1 (или 2), в которых доводится температура до максимальной конденсации тяжелых углеводородов C₄ и выше, а затем поток газа тангенциально поступает в многоступенчатый центробежный сепаратор, в котором происходит высокоэффективная сепарация газожидкостной смеси в поле центробежных сил, включая отделение сконденсированной жидкой фазы и шлама (поток III) от газа (потока II).

Отсепарированный газ II, после охлаждения в теплообменнике 6 холодным потоком IV, поступает на вход вихревой трубы 5, в которой осуществляется энергетическое разделение газа с образованием холодного IV и горячего V газообразных потоков. Холодный поток IV после рекуперативных теплообменников 6 и 1 поступает в расходный сепаратор 7, для разделения образовавшейся смеси на составляющие газ фракции - газообразную (поток V) и сжиженную (поток VIII).

Водно-углеводородный конденсат и шлам (поток III), выводится из нижней зоны сепаратора 3 в емкость-сепаратор 4 для последующего разделения на водный (поток IX) и углеводородный (поток X) конденсат и шлам (поток XI).

Последующее разделение образовавшейся жидкой фазы на составляющие водный и углеводородный конденсаты и шлам осуществляются в емкости-сепараторе 4, а энергетическое сжижение и разделение легкой фазы (поток II) происходит в вихревой трубе 5 и расходном сепараторе 7.

Таким образом, по сравнению с известными способами осушки, очистки и сжижения природного газа предлагаемый способ обладает существенными преимуществами:

- исходный поток природного газа предварительно охлаждается (или нагревается) до определенных параметров по давлению и температуре, при которых достигается максимальная конденсация высококипящих углеводородов C4 и выше, например, при изобарическом снижении температуры до минус 10°C или изотермическом - при повышенном давлении, что характерно для условий магистрального газопровода (P=30-60 атм);

- предварительное охлаждение (или нагрев) осуществляется холодным и горячим потоками вихревой трубы, посредством рекуперативных теплообменников;

- только, после предварительного образования газожидкостной смеси в газовом потоке применяется многоступенчатая центробежная сепарация, которая позволяет осуществить высокоэффективную сепарацию по разделению образовавшейся тяжелой жидкой фазы и газа;

- осушенный, таким образом, газ подается на дроссельное энергетическое разделение газа в вихревой трубе и окончательную сепарацию на товарный и сжиженный газ. Выделение и своевременный отвод центробежной сепарацией водно-углеводородного конденсата предотвращает возможность образование кристаллогидратов;

- тяжелая жидкая фаза, представляющая водно-углеводородный конденсат и шлам, в дальнейшем разделяются на составляющие компоненты.

Для выполнения технического результата способа осушки и очистки природного газа производят в многоступенчатом центробежном сепараторе, поддерживая необходимую для максимальной конденсации высококипящих углеводородов €4 и выше, разность температур не менее 20-30 С между верхним и нижним потоками отводимого газа и жидкости, поддерживая более охлажденным верхний поток газа.

Поддержание указанных условий и своевременный отвод образовавшегося конденсата, предотвратит образование кристаллогидратов и позволит успешно провести дальнейшее энергетическое сжижение и разделение на составляющие компоненты легких углеводородных фракций на составляющие фазы: газ и жидкость.

Аналогом устройства для реализации предлагаемого способа осушки и очистки природного газа является способ (патент RU 2291736, B01D 45/12, B01D 53/26, 2007 г. - [1]).

В качестве устройства используется газодинамический сепаратор, представляющий собой вихревую камеру, в которую подается исходный поток высоконапорного многокомпонентного газа, закручивается и подается в сопло, откуда газ со звуковой скоростью расширяется и движется внутри цилиндрической холодильной камеры. В камере газ охлаждается, в результате чего происходит конденсация компонентов. С целью интенсификации конденсации в исходный газ дополнительно вводят конденсируемые компоненты в жидкой или паровой фазах, которые создают центры конденсации.

Как уже отмечалось выше, при рассмотрении способа газодинамической сепарации отмеченные недостатки способа [1] (стр.2), характерны и для устройства его реализующего, приведем следующие доводы:

- так как газодинамический сепаратор представляет собой конструктивно аналогию вихревой трубы, то имеется сопло, являющееся лимитирующим конструктивным элементом, не допускающим работу при звуковых скоростях с неочищенным газом от механических примесей и кристаллогидратов;

- конструкция газодинамического сепаратора предусматривает отвод отсепарированной жидкости из газожидкостной смеси в зону пониженного давления, размещенной между холодильной камерой и корпусом аппарата.

Однако такая работа сепаратора (вихревой трубы) допускается при работе на газе с небольшой влажностью. Как показывают исследования, работа вихревой трубы на сильно увлажненном газе приводит к снижению эффекта охлаждения, а также к нарушению равновесного процесса расширения паров влаги, что приведет к переохлаждению паров, а сам процесс будет происходить скачкообразно.

Вследствие этого при работе на сильно увлажненном газе, необходимо сепарацию основной влаги осуществлять в устройстве, размещенном до сопла.

Известен сепарационный элемент по авторскому свидетельству СССР SU 889106, B01D 3/06, 1981 г. - [4], являющийся аналогом устройства для реализации предложенного способа.

Также известен сепарационный элемент по авторскому свидетельству СССР SU 837370, B01D 45/12, 1981 г. - [5]. Устройства [4 и 5] представляют собой центробежный сепаратор с тремя ступенями разделения: первая - циклон (A); вторая - прямоточно-центробежный сепарационный элемент (B); третья - сетчатый отбойник (C) - демистер.

Особенностью данного сепаратора является то, что он состоит из трех самостоятельных сепарационных ступеней A, B и C, в каждой из которых осуществляется полный цикл сепарационного процесса: ввод исходного потока, непосредственно сепарация в рабочем объеме аппарата и отвод отсепарированных газа и жидкости. Ввод исходного газожидкостного потока в центробежный сепаратор производится тангенциально.

Основное количество жидкости сепарируется из газожидкостной смеси (до 90%) в ступени A. Дополнительное количество жидкости сепарируется (до 5-6%) в сепарационных ступенях B и C. Несмотря на сравнительно высокую сепарационную эффективность центробежного сепаратора (до 98%), он работает на чистых углеводородных средах, в которых отсутствует водный конденсат, способствующий образованию гидратов, а также газе, в котором отсутствуют механические примеси. Это может привести к забивке тангенциальных и кольцевых щелей внутри многоступенчатого центробежного сепаратора при высоких скоростях газа.

Технический результат также достигается тем, что устройство для осушки и очистки природного газа для осуществления способа содержит линию подачи исходного потока природного газа, рекуперативные теплообменники с линиями подачи холодного и горячего потоков вихревой трубы, сепаратор, вихревую трубу с линиями подачи и отвода разделенных газообразного и сжиженного потоков газа, рекуперативные теплообменники, при этом устройство содержит следующие аппараты: рекуперативный теплообменник охлаждения газа, поступающего из магистрального газопровода, рекуперативный теплообменник подогрева того же газа, многоступенчатый центробежный сепаратор, емкость-сепаратор сбора и разделения компонентов очистки газа, вихревую трубу с сепарационным устройством, рекуперативный теплообменник охлаждения газа, поступающего в вихревую трубу, расходный сепаратор, аппараты соединены между собой трубопроводами с запорно-регулирующими вентилями, при этом многоступенчатый центробежный сепаратор имеет корпус с тангенциальным входным патрубком, сепарационный элемент, размещенный соосно корпусу с образованием кольцевого канала, внутри сепарационного элемента размещен внутренний патрубок с тангенциальными щелями и имеющий нижний и верхний конические отражатели, в средней части патрубка имеются размещенные по периметру тангенциальные прямоугольные прорези, в верхней части патрубка установлен диффузор с коническим отражателем и находятся окна, напротив которых имеются окна сепарационного элемента, над сепарационным элементом установлен сетчатый отбойник, над которым в корпусе установлен патрубок с коническим отражателем, в днище корпуса сепаратора установлен патрубок, соединенный через запорно-регулирующий вентиль большого сечения с емкостью - сепаратором.

Предпочтительно, корпус многоступенчатого центробежного сепаратора по своей наружной поверхности имеет нижнюю рубашку нагрева и верхнюю рубашку охлаждения соответственно с патрубками ввода и вывода теплоносителя и хладагента.

Нумерация элементов устройства для реализации способа предложенного выше приведена на стр.7 и 8.

Устройство для реализации заявленного способа осушки и очистки природного газа, с последующим сжижением содержит рекуперативный теплообменник 1 для охлаждения газа, поступающего из магистрального газопровода, рекуперативный теплообменник 2 для подогрева того же газа, многоступенчатый центробежный сепаратор (корпус 3 сепаратора), емкость-сепаратор 4 - для сбора и разделения компонентов очистки газа, вихревую трубу 5, рекуперативный теплообменник 6 - для охлаждения газа поступающего в вихревую трубу, расходный сепаратор 7. Газовые полости расходного сепаратора 7 и емкости-сепаратора 4 соединены между собой отдельной трубой. Вихревая труба 5 содержит сепарационное устройство 8, горячий конец (участок) 9 и холодный конец (участок) 10. Корпус многоступенчатого центробежного сепаратора 3 по своей наружной поверхности имеет нижнюю рубашку для подачи теплоносителя (рубашку для нагрева) 11 и верхнюю рубашку для подачи хладагента (рубашку для охлаждения) 12. Вентиль 13 служит для подачи газа с магистрального газопровода. Вентиль 14 предназначен для подачи исходного потока газа в теплообменник 1, а вентиль 15 - в теплообменник 2. Вентили 16 и 17 служат для байпаса подачи исходного потока газа с магистрального газопровода в рекуперативные теплообменники охладителя 1 и нагревателя 2. Вентиль 18 служит для подачи холодного потока газа в теплообменник 1, а вентиль 19 - для подачи горячего потока газа в теплообменник 2. Вентиль 20 позволяет использовать оба рекуперативные теплообменники 1 и 2 для нагрева (закрыт вентиль 18 и открыты вентили 19 и 20) или охлаждения (закрыты вентили 19 и 20, а открыт вентиль 18) поступающего из магистрального газопровода исходного потока газа. Вентиль 21 предназначен для подачи теплоносителя в рубашку 11 нагрева корпуса многоступенчатого центробежного сепаратора 3 снизу, а вентиль 22 - для подачи хладагента в рубашку 12 охлаждения корпуса многоступенчатого центробежного сепаратора 3 сверху. Вентиль 23 большого проходного сечения служит для слива отсепарированной жидкости со шламом из многоступенчатого центробежного сепаратора 3 в емкость-сепаратор 4. Через вентиль 24 жидкая фаза из сепарационного устройства 8 вихревой трубы 5 сливается в расходный сепаратор 7, в которую также через вентиль 25 поступает парожидкостная фаза (холодный поток) из теплообменника 1. Вентиль 26 соединяет газовую полость расходного сепаратора 7 с горячим потоком вихревой трубы 5. Вентиль 27 предназначен для выдачи газообразного продукта потребителю (поток V). Вентиль 28 служит для выдачи сжиженного продукта из расходного сепаратора 7 (поток VIII). Для слива из емкости-сепаратора 4 используются следующие вентили: 29 - водного конденсата (поток IX), 30 - для углеводородного конденсата (поток X), 31 - большого проходного сечения для шлама и механических примесей (поток XI). Для подогрева углеводородного конденсата в емкости-сепараторе 4 используется теплообменник - нагреватель 32, работающий например, на горячей воде или паре.

В корпусе многоступенчатого центробежного сепаратора 3 (см. фиг.2 и 3) находится сепарационный элемент 33, к которому подведен патрубок тангенциального ввода 34. Сепарационный элемент 33 размещен соосно внутри корпуса многоступенчатого центробежного сепаратора 3 и содержит: внутренний патрубок 35 с тангенциальными щелями 36, нижний конический отражатель 37, верхний конический отражатель 38. Внутренний патрубок 35 сепарационного элемента 33 имеет в верхней части прорези 39 для выхода из его верхней части сепарируемого газа, также содержит диффузор 40 и конический отражатель 41. Сепарационный элемент 33 в средней части имеет окна 42 для выхода сепарируемой жидкости в кольцевое пространство 43, которое вместе с сепарационным элементом 33 сверху закрыто сетчатым отбойником 44, выше которого установлен выпускной патрубок 45 с коническим отражателем. Рубашка 11 имеет патрубки для ввода и вывода теплоносителя 46, а рубашка 12 - патрубки для ввода и вывода хладагента 47. Для вывода из многоступенчатого центробежного сепаратора 3 жидкой фазы и шлама в нижней части расположен патрубок 48 большого сечения.

По сравнению с известными изобретениями предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:

- ввод природного газа I включает предварительную подготовку к разделению (нагрев/охлаждение) в рекуперативных теплообменниках 1 и 2 газожидкостной смеси и шлама и позволяет сконденсировать тяжелую фазу, а следовательно, отсепарировать (выделить) основное количество уже на первой ступени (A), в циклонной части сепаратора при высоких входных скоростях (20-30 м/сек);

- последующий ввод отделенной легкой фазы через тангенциальные щели 36 в пространство внутреннего патрубка 35 - во второй ступени (В) с более высокими скоростями позволяет из закрученного потока выделить более мелкие частички жидкой фазы и остаточную взвесь твердых примесей и вывести через кольцевое пространство 43 между корпусом сепаратора 3, корпусом сепарационного элемента 33;

- отсепарированный газ выводится через кольцевое пространство между внутренним патрубком сепарационного элемента 35 и диффузором 40, газ выводится через прорези 39, находящиеся в верхней части внутреннего сепарационного элемента 33. Дополнительное выделение остаточной влаги происходит при отражении выходящего потока газа от конического отражателя 41 и поворотом направления на 90 градусов, выделенная влага стекает по поверхности верхнего конического отражателя 38 через окна 42, поступая в кольцевое пространство 43, стекая в нижнюю часть сепаратора 3;

- окончательная сепарация мельчайших капелек жидкости, находящаяся в туманообразном состоянии, отбивается в сетчатом отбойнике (демистере) третья ступень (C) - жидкость стекает в кольцевое пространство 43. Туда же стекает влага, накапливающаяся на внутренней поверхности верхней зоны сепаратора (над сетчатым отбойником), при выходе отсепарированного газа через патрубок с коническим отражателем 45.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Исходный поток газа I после нагрева или охлаждения в рекуперативных теплообменниках 1 и 2 до температуры максимальной конденсации углеводородов €4 и выше тангенциально поступает в трехступенчатый центробежный сепаратор, в котором осуществляется высокоэффективная сепарация газожидкостного потока и шлама с разделением тяжелой фазы (водно-углеводородного конденсата и шлама) от легкой фазы (газообразных фракций C₁-C₃).

Отсепарированная газообразная фаза II, после охлаждения в теплообменнике 6 холодным потоком вихревой трубы 5, в которой происходит энергетическое сжижение конденсируемой части газа с образованием холодного IV, горячего V газообразных потоков и жидкого потока VII. Холодный поток, после рекуперативных теплообменников 6 и 1, поступает в расходный сепаратор 7, в котором разделяется на товарный газ (поток V), который смешивается с горячем потоком V, и сжиженный газ (поток VIII).

Тяжелая фаза (поток III), выводится из нижней зоны сепаратора 3 в емкость-сепаратор 4, где разделяется на составляющие водный IX и углеводородный конденсат (поток X) и шлам (поток XI).

Таким образом, предлагаемый способ осушки, очистки и последующее сжижение природного газа или другого (попутного, нефтяного или нефтехимического) позволяет осуществить эффективное отделение тяжелой фазы, включающей водно-углеводородный конденсат и механические примеси от легкой углеводородной части газа, за счет применения высокоэффективного трехступенчатого центробежного сепаратора.

Последующее сжижение отделенной легкой углеводородной части газа осуществляется дроссельным рекуперативным способом сжижения газа применением технологии вихревых труб, работа которых основана на эффекте Ранка.

Выполнение способа осушки и очистки природного газа, предварительно подготовленного по температуре максимальной конденсации влаги и последующей сепарацией, образовавшийся двухфазной смеси в высокоскоростном многоступенчатом центробежном сепараторе с последующим сжижением и устройства для его осуществления в совокупности с вышеизложенными признаками (признаками формулы изобретения) является новым для технологии подготовки природного газа при его сжижении, и, следовательно, соответствует критерию «новизна».

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известной технологии (способов) подготовки природного газа перед его сжижением, а также неизвестны технические решения по выполнению предложенной конструкции многоступенчатого центробежного сепаратора и его вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень». Так, как для осуществления отделения образовавшейся взвеси (жидкой фазы и примесей) последовательно в трех ступенях сепарации с возрастающими скоростями в каждой ступени: «Циклон» - «Прямоточно-центробежный» - «Сетчатый отбойник», в каждой из которых происходит полный цикл сепарации (сепарационного процесса). Причем уже отделившаяся тяжелая фаза из каждой ступени выводится раздельно и потоки не встречаются по направлению и поэтому исключен вторичный унос отсепарированной влаги.

Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

Источники информации

1. Патент RU 2291736, B01D 45/12, B01D 53/26, 2007 г.

2. Патент RU 2202078, F25J 1/00, 2003 г.

3. Патент RU 2429434, F25J/00, 2011 г. - прототип способа.

4. Авторское свидетельство СССР 889106, B01D 3/06, 1981 г.

5. Авторское свидетельство СССР 837370, B01D 45/12, 1981 г. - прототип устройства.

Группа изобретений относится к криогенной технике и технологии, а именно к способам и устройствам осушки, очистки и сжижения природного газа, отбираемого из магистрального газопровода, и других низкомолекулярных газов, получаемых на нефтехимическом производстве газоразделения, а также при хранении и выдаче товарных сжиженных и газообразных газов на газораспределительных станциях. Согласно способу осушки и очистки природного газа с последующим сжижением в трехпоточной вихревой трубе с получением холодного, горячего газообразных и жидкого потоков проводят сепарацию образовавшегося сжиженного газа и сбор в накопительной емкости-сепараторе. При этом охлаждение или нагрев природного газа проводят до температуры максимальной конденсации углеводородной фракции C₄ и выше путем подачи холодного или горячего потоков газа вихревой трубы в рекуперативные теплообменники. После этого проводят многоступенчатую центробежную сепарацию газового потока от образовавшегося углеводородного конденсата - фракции C₄, водного конденсата, гидратов и механических примесей - шлама, которые выводят в емкость-сепаратор для дальнейшей переработки. Отсепарированный газ после охлаждения холодным потоком в рекуперативном теплообменнике направляют на вход вихревой трубы, а выходящий из нее холодный поток после дросселирования направляют совместно с отсепарированной жидкой фазой из горячего потока вихревой трубы в расходный сепаратор. Из верхней части расходного сепаратора отводят газообразный товарный продукт, а из нижней части - товарную сжиженную фракцию природного газа. Устройство для осушки и очистки природного газа с последующим его сжижением содержит линию подачи исходного потока природного газа, рекуперативные теплообменники с линиями подачи холодного и горячего потоков вихревой трубы, сепаратор, вихревую трубу с линиями подачи и отвода разделенных газообразного и сжиженного потоков газа, емкость-сепаратор сбора и разделения компонентов очистки газа. Устройство дополнительно содержит следующие аппараты: рекуперативный теплообменник охлаждения газа, поступающего из магистрального газопровода, рекуперативный теплообменник подогрева того же газа, многоступенчатый центробежный сепаратор, рекуперативный теплообменник охлаждения газа, поступающего в вихревую трубу, расходный сепаратор. Вихревая труба содержит сепарационное устройство. Аппараты соединены между собой трубопроводами с запорно-регулирующими вентилями. При этом многоступенчатый центробежный сепаратор имеет корпус с тангенциальным входным патрубком, сепарационный элемент, размещенный соосно корпусу с образованием кольцевого канала. Внутри сепарационного элемента размещен внутренний патрубок с тангенциальными щелями и имеющий нижний и верхний конические отражатели. В средней части патрубка имеются размещенные по периметру тангенциальные прямоугольные прорези. В верхней части патрубка установлен диффузор с коническим отражателем и находятся окна, напротив которых имеются окна сепарационного элемента. Над сепарационным элементом установлен сетчатый отбойник, над которым в корпусе установлен патрубок с коническим отражателем. В днище корпуса сепаратора установлен патрубок, соединенный через запорно-регулирующий вентиль большого сечения с емкостью-сепаратором. Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение эффективности разделения тяжелой жидкой фазы от газа, а также предотвращение образования кристаллогидратов и повышение эффективности сжижения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ осушки и очистки природного газа с последующим сжижением в трехпоточной вихревой трубе с получением холодного, горячего газообразных и жидкого потоков, сепарацию образовавшегося сжиженного газа и сбор в накопительной емкости-сепараторе, отличающийся тем, что охлаждение или нагрев природного газа проводят до температуры максимальной конденсации углеводородной фракции C₄ и выше путем подачи холодного или горячего потоков газа вихревой трубы в рекуперативные теплообменники, затем проводят многоступенчатую центробежную сепарацию газового потока от образовавшегося углеводородного конденсата - фракции C₄, водного конденсата, гидратов и механических примесей - шлама, которые выводят в емкость-сепаратор для дальнейшей переработки, а отсепарированный газ после охлаждения холодным потоком в рекуперативном теплообменнике направляют на вход вихревой трубы, а выходящий из нее холодный поток после дросселирования направляют совместно с отсепарированной жидкой фазой из горячего потока вихревой трубы в расходный сепаратор, из верхней части которого отводят газообразный товарный продукт, а из нижней части - товарную сжиженную фракцию природного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что многоступенчатую центробежную сепарацию газа проводят на, по меньшей мере, трех ступенях - зонах сепарации после рекуперативных теплообменников при условии поддержания разности температур не менее 20-30°C между верхней сепарационной зоной отвода газа и нижней сепарационной зоной отвода отсепарированных газа и жидкости, причем более охлажденной должна быть верхняя зона.

3. Устройство для осушки и очистки природного газа для осуществления способа по любому из пп.1 и 2, содержащее линию подачи исходного потока природного газа, рекуперативные теплообменники с линиями подачи холодного и горячего потоков вихревой трубы, сепаратор, вихревую трубу с линиями подачи и отвода разделенных газообразного и сжиженного потоков газа, рекуперативные теплообменники, отличающееся тем, что устройство содержит следующие аппараты: рекуперативный теплообменник охлаждения газа, поступающего из магистрального газопровода, рекуперативный теплообменник подогрева того же газа, многоступенчатый центробежный сепаратор, емкость-сепаратор сбора и разделения компонентов очистки газа, вихревую трубу с сепарационным устройством, рекуперативный теплообменник охлаждения газа, поступающего в вихревую трубу, расходный сепаратор, аппараты соединены между собой трубопроводами с запорно-регулирующими вентилями, при этом многоступенчатый центробежный сепаратор имеет корпус с тангенциальным входным патрубком, сепарационный элемент, размещенный соосно корпусу с образованием кольцевого канала, внутри сепарационного элемента размещен внутренний патрубок с тангенциальными щелями и имеющий нижний и верхний конические отражатели, в средней части патрубка имеются размещенные по периметру тангенциальные прямоугольные прорези, в верхней части патрубка установлен диффузор с коническим отражателем и находятся окна, напротив которых имеются окна сепарационного элемента, над сепарационным элементом установлен сетчатый отбойник, над которым в корпусе установлен патрубок с коническим отражателем, в днище корпуса сепаратора установлен патрубок, соединенный через запорно-регулирующий вентиль большого сечения с емкостью - сепаратором.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что корпус многоступенчатого центробежного сепаратора по своей наружной поверхности имеет нижнюю рубашку нагрева и верхнюю рубашку охлаждения соответственно с патрубками ввода и вывода теплоносителя и хладагента.