УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2023 года по МПК B01D45/12 F15D1/02 

Изобретение относится к устройствам для низкотемпературной обработки многокомпонентной среды, а именно - для сепарации природного газа, и может быть использовано с целью отделения жидкой фракции углеводородных газов, а также более тяжелых углеводородов С₅₊ с исключением гидрато- и льдообразования при подготовке природного газа в нефтегазовой промышленности.

Известны способ и устройство для разделения газовых смесей, содержащих водяные пары, в котором входной газ расширяют во вращающемся потоке в канале циклонного сепаратора с получением на выходе из канала циклонного сепаратора потока, не содержащего гидратов, и потока, обогащенного водой или гидратами, причем в процессе расширения часть газа, движущуюся возле стенок канала, подогревают, подогрев проводят таким образом, чтобы температура внутренних поверхностей канала циклонного сепаратора была всюду выше температуры гидратообразования, при этом степень расширения потока в циклонном сепараторе поддерживают такой, что Рвх/Роч>1,01 (где Рвх - полное давление входного газа; Роч - полное давление потока на выходе из канала циклонного сепаратора). В варианте исполнения перед расширением или в процессе расширения в газ добавляют ингибитор гидратообразования (Патент RU 2458298, МПК F25J 3/08, 2011).

Недостатками известного устройства являются низкая эффективность подогрева потока, обусловленная высокими потерями в окружающую среду при осуществлении нагрева, подогрев лишь периферийной области, что может приводить к возникновению гидратообразования в приосевой области потока, необходимость в высокой степени закрутки потока многокомпонентной среды в конфузорном участке соплового канала до обеспечения значений центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла с целью предупреждения уноса капель сконденсировавшейся жидкой фазы с основным потоком газа и достижения каплями стенок диффузорного участка, низкая эффективность отвода жидкой фракции к периферийным областям диффузорного участка.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится способ сепарации потока многокомпонентной среды и устройство для его осуществления, содержащее сопловой канал подачи потока с конфузорным и диффузорным участками, и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания потока многокомпонентной среды, установленное в упомянутом канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, при этом устройство для закручивания потока многокомпонентной среды выполнено в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, причем наружная поверхность упомянутого тела вращения, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, при этом на поверхности указанного тела вращения размещены профилированные лопатки с образованием каналов между ними, преимущественно спиралевидных, причем между концевой частью упомянутых лопаток и внутренней поверхностью диффузорного участка соплового канала образован кольцевой зазор, а в концевой части каналов выполнен профилированный зазор, при этом указанное устройство закручивания потока многокомпонентной среды установлено коаксиально в диффузорном участке соплового канала с возможностью радиального вращения вокруг своей продольной оси и соединено с электрогенератором, причем входной конус устройства закручивания потока многокомпонентной среды расположен на расстоянии от критического сечения, при котором обеспечивается значение скорости потока многокомпонентной среды выше скорости звука, при этом в выходной части диффузорного участка соплового канала закреплен полый конус с образованием кольцевой полости у внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц (Патент RU 2773182, заявка №2021138614, МПК F25J 3/06, 2022 -прототип).

Недостатками известной конструкции являются невозможность обеспечения безотрывного течения газа и формирования устойчивой пленки конденсата в периферийной пристеночной области диффузорного участка, снижение эффективности сепарации и попутной генерации электроэнергии в условиях резкого охлаждения потока многокомпонентной среды с последующими процессами гидратообразования и льдообразования, которые могут приводить к дисбалансу устройства закручивания многокомпонентной среды и перекрытию проточной части соплового канала.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании устройства для сепарации многокомпонентной среды, в котором отсутствуют указанные недостатки, и при работе которого исключается льдообразование в газовом потоке и на стенках проточной части, минимизируется возможность возникновения процесса гидратообразования, а также обеспечивается безотрывное течение газа и формирование устойчивой пленки конденсата в периферийной пристеночной области диффузорного участка.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве для сепарации многокомпонентной среды, содержащем сопловой канал подачи потока с конфузорным и диффузорным участками и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания потока, выполненное в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, при этом на поверхности указанного профилированного тела вращения размещены профилированные лопатки с образованием каналов между ними, причем между концевой частью упомянутых лопаток и внутренней поверхностью диффузорного участка соплового канала образован кольцевой зазор, а в концевой части каналов выполнен профилированный зазор, при этом указанное устройство закручивания потока установлено коаксиально в диффузорном участке соплового канала с возможностью радиального вращения вокруг своей продольной оси и соединено при помощи вала с электрогенератором, полый конус, установленный в выходной части диффузорного участка канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного участка и наружной поверхностью упомянутого конуса с образованием кольцевой полости, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц, согласно изобретению, указанное устройство закручивания потока размещено на валу, установленном в подшипниковом узле, и вместе с ним образуют ротор с возможностью радиального вращения, связанный с электрогенератором, при этом диффузорный участок соплового канала выполнен состоящим из двух профилированных частей, имеющих разные углы раствора проточной части, с переходом от меньшего угла раствора первой части к большему углу раствора второй части и с образованием излома внутреннего профиля в точке перехода профилей, причем устройство закручивания потока и полый конус последовательно установлены на выходе из второй части диффузорного участка, с большим углом раствора, при этом внутри указанного полого конуса выполнен конфузорно-диффузорный переход, а в поперечном сечении упомянутого ротора выполнены профилированные каналы с возможностью подачи и отвода рабочего тела для исключения образования посторонних частиц на лопатках упомянутого устройства закручивания потока.

В варианте исполнения устройство для сепарации многокомпонентной среды дополнительно содержит емкость с ингибитором, при этом в критическом сечении соплового канала упомянутого устройства установлены форсунки подачи ингибитора, соединенные магистралью с упомянутой емкостью, причем в указанной магистрали установлены насос ингибитора и запорно-регулирующая арматура.

В варианте исполнения устройство для сепарации многокомпонентной среды дополнительно оснащено гидравлической системой охлаждения подшипникового узла, при этом профилированные каналы ротора выполнены с возможностью подачи и отвода гидравлической жидкости упомянутой системы охлаждения.

В варианте исполнения устройство для сепарации многокомпонентной среды снабжено емкостью с ингибитором, насосом ингибитора, при этом профилированные лопатки и/или стенки каналов между профилированными лопатками устройства закручивания потока выполнены с профилированными отверстиями, причем емкость с ингибитором соединена магистралью с упомянутыми насосом, сообщающимися профилированными каналами ротора, а также упомянутыми профилированными отверстиями, при этом в данной магистрали установлена запорно-регулирующая арматура.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 показан продольный разрез устройства для сепарации многокомпонентной среды с возможностью подачи и отвода греющей среды от внешнего источника; на фиг. 2 показан выносной элемент А - разрез ротора; на фиг. 3 показан продольный разрез устройства для сепарации многокомпонентной среды, снабженного емкостью с ингибитором и форсунками; на фиг. 4 показан продольный разрез устройства для сепарации многокомпонентной среды, оснащенного гидравлической системой охлаждения подшипникового узла ротора; на фиг. 5 показан выносной элемент Б - разрез ротора, в котором профилированные каналы выполнены с возможностью подачи и отвода гидравлической жидкости от системы охлаждения подшипникового узла; на фиг. 6 изображен продольный разрез устройства для сепарации многокомпонентной среды, оснащенного емкостью с ингибитором, которая связана с профилированными каналами ротора; на фиг. 7 показан выносной элемент В - разрез ротора, в котором выполнены профилированные каналы для подачи ингибитора; на фиг. 8 изображен выносной элемент Г - разрез устройства закручивания потока с выполненными профилированными отверстиями в профилированных лопатках.

Устройство для сепарации многокомпонентной среды содержит сопловой канал 1 с конфузорным 2 и диффузорным 3 участками, и расположенным между ними критическим сечением 4. Диффузорный участок 3 выполнен состоящим из двух профилированных частей, имеющих разные углы раствора проточной части, с переходом от меньшего угла раствора первой части к большему углу раствора второй части и с образованием излома внутреннего профиля в точке перехода профилей. Во второй части диффузорного участка 3 коаксиально и последовательно установлены устройство 5 закручивания потока и полый конус 6, внутри которого выполнен конфузорно-диффузорный переход 7. Между внутренней поверхностью диффузорного участка 3 и наружной поверхностью упомянутого полого конуса 6 образована кольцевая полость 8 для прохода жидкой фракции углеводородов. Устройство 5 закручивания потока выполнено в виде профилированного тела вращения, наружная поверхность которого, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка 3 соплового канала. Торцы профилированного тела вращения соединены с основаниями входного 9 и выходного 10 конусов. На поверхности упомянутого профилированного тела вращения выполнены профилированные лопатки 11, между которыми образованы каналы 12 для прохода потока многокомпонентной среды, преимущественно спиралевидные. Устройство 5 закручивания потока размещено на валу 14, установленном в подшипниковом узле 15, и вместе с ним образуют ротор (показан, но не обозначен) с возможностью радиального вращения, связанный с электрогенератором 13, причем в сечении упомянутого ротора выполнены один или несколько сообщающихся профилированных каналов 16 с возможностью подачи и отвода через них рабочего тела от внешнего источника 17.

В варианте исполнения (фиг. 3) устройство для сепарации многокомпонентной среды дополнительно содержит емкость 18 с ингибитором, а критическое сечение 4 соплового канала оснащено форсунками 19. Упомянутая емкость 18 с ингибитором соединена магистралью 20 с форсунками 19, при этом в магистрали 20 установлены насос 21 подачи ингибитора и запорно-регулирующая арматура 22.

В варианте исполнения (фиг. 4, фиг. 5) устройство для сепарации многокомпонентной среды дополнительно содержит гидравлическую систему охлаждения подшипникового узла, которая включает в себя емкость 23 охлаждающей жидкости, подающую 24 и обратную 25 магистрали. В подающей магистрали 24 установлены фильтр 26, насос 27 охлаждающей жидкости и запорно-регулирующая арматура 28. При этом профилированные каналы 16 ротора выполнены с возможностью подачи и отвода гидравлической жидкости упомянутой системы охлаждения.

В варианте исполнения (фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8) устройство для сепарации многокомпонентной среды оснащено емкостью 18 с ингибитором, насосом 21 подачи ингибитора, при этом профилированные лопатки 11 и/или стенки каналов 12 устройства закручивания потока выполнены с профилированными отверстиями 29, причем емкость 18 с ингибитором соединена магистралью 30 с упомянутыми насосом 21 подачи ингибитора, сообщающимися профилированными каналами 16 ротора, а также упомянутыми профилированными отверстиями 29, при этом в данной магистрали установлена запорно-регулирующая арматура 31.

Устройство работает следующим образом.

Поток многокомпонентной среды (газовой или газожидкостной смеси) под действием входного давления подается в сопловой канал 1 предложенного устройства и проходит через конфузорный участок 2, в котором увеличивается скорость потока, далее поток многокомпонентной среды направляется через критическое сечение 4 в диффузорный участок 3. В критическом сечении 4 скорость потока многокомпонентной среды увеличивается до звуковых значений в данной среде, а в диффузорном участке 3 достигается значение скорости упомянутого потока выше скорости звука в данной среде, при этом статическое давление потока достигает минимальных значений, происходит снижение статической температуры до значений ниже температуры точки росы, в связи с чем происходит конденсация жидкой фракции пропана, бутана и более тяжелых углеводородов С₅₊ в виде капель жидкости, а также обеспечивается расширение потока. Затем поток многокомпонентной среды подается на устройство 5 закручивания потока, которое имеет форму профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного 9 и выходного 10 конусов с целью снижения газодинамического сопротивления движению, предотвращения отрыва упомянутого потока, а также снижения его неравномерности. При этом поток многокомпонентной среды, имеющий сверхзвуковую скорость равномерно распределяется по каналам 12, образованным между профилированными лопатками 11, в результате чего происходит расширение и завихрение потока многокомпонентной среды с более высокой периферийной пристеночной плотностью, окружной скоростью и радиальным градиентом давления, по сравнению с аналогичными параметрами в приосевой области. По мере выхода потока многокомпонентной среды из профилированного зазора в концевой части каналов 12 возникает реактивная сила, приводящая устройство 5 закручивания потока и, соответственно, вал 14 во вращение, тем самым часть кинетической энергии потока многокомпонентной среды преобразуется в механическую работу. Крутящий момент с вала 14 передается электрогенератору 13 для выработки электроэнергии. Отделенная жидкая фракция тяжелых углеводородов направляется в пристеночный периферийный слой диффузорного участка 3 за счет центробежной силы, а затем - в кольцевую полость 8 и далее попадает в полость узла отбора капель и/или твердых частиц (на изображениях не показана). Основной отсепарированный газовый поток из диффузорного участка 3 направляется в конфузорно-диффузорный переход 7 полого конуса 6, после чего отбирается для дальнейшего использования.

С целью предупреждения возможного льдообразования на поверхностях устройства 5 закручивания потока (фиг. 1, фиг. 2), организуется подача и отвод греющей жидкой или газообразной среды от внешнего источника 17 через профилированные каналы 16, выполненные в поперечном сечении ротора. Подача греющей жидкой или газообразной среды позволяет осуществить нагрев стенки устройства 5 закручивания потока и, тем самым, создать на поверхности упомянутого устройства закручивания потока устойчивую жидкостную пленку, исключающую возможность льдообразования при резком снижении температуры потока многокомпонентной среды.

В варианте исполнения (фиг. 3) работа устройства реализуется аналогично, при этом, дополнительно, с целью предупреждения льдообразования, из емкости 18 при помощи насоса 21 осуществляется подача ингибитора к форсункам 19, а затем реализуется впрыск ингибитора в поток многокомпонентной среды, проходящий через критическое сечение 4. При этом регулирование расхода ингибитора выполняется при помощи запорно-регулирующей арматуры 22.

В варианте исполнения (фиг. 4, фиг. 5) при помощи насоса 27 из емкости 23 охлаждающая жидкость подается через фильтр 26 по магистрали 24 на охлаждение подшипникового узла 15, откуда нагретая жидкость поступает в профилированные каналы 16 ротора, откуда затем по магистрали 25 вновь отводится в емкость 23. Регулирование расхода охлаждающей жидкости осуществляется при помощи запорно-регулирующей арматуры 28. Подача нагретой жидкости от подшипников в каналы 16 позволяет осуществить нагрев стенки устройства 5 закручивания потока и, тем самым, создать на поверхности упомянутого устройства закручивания потока устойчивую жидкостную пленку, исключающую возможность льдообразования при резком снижении температуры потока многокомпонентной среды.

В варианте исполнения (фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8) из емкости 18 при помощи насоса 21 по магистрали 30 ингибитор подается в профилированные каналы 16 ротора, откуда затем через профилированные отверстия 29 поступает в полость диффузорного участка 3, где смешивается с потоком многокомпонентной среды, подаваемым на устройство 5 закручивания потока. При этом регулирование расхода ингибитора осуществляется при помощи запорно-регулирующей арматуры 31.

Использование предложенного устройства в нефтегазовой отрасли промышленности с целью отделения жидкой фракции углеводородных газов, а также более тяжелых углеводородов С₅₊ позволит исключить процессы гидрато- и льдообразования при подготовке природного газа, обеспечить гарантированное отсутствие ледяных пробок и отложений в проточной части устройства для сепарации, обеспечить безотрывное течение газа, формирование устойчивой пленки конденсата в периферийной пристеночной области диффузорного участка, а также повысить эффективность процесса улавливания сконденсировавшихся компонентов при сверхзвуковых скоростях газового потока.

Изобретение относится к устройствам для низкотемпературной обработки многокомпонентной среды и может быть использовано с целью отделения жидкой фракции углеводородных газов, а также более тяжелых углеводородов С₅₊. Устройство содержит сопловой канал с конфузорным и диффузорным участками и критическим сечением, устройство закручивания потока, выполненное в виде профилированного тела вращения с лопатками на поверхности. Устройство закручивания потока размещено на валу, вместе с которым образует ротор с возможностью радиального вращения, связанный с электрогенератором. Диффузорный участок выполнен состоящим из двух профилированных частей, имеющих разные углы раствора, с переходом от меньшего угла первой части к большему углу второй части и с образованием излома внутреннего профиля в точке перехода профилей. Устройство закручивания потока и полый конус последовательно установлены на выходе из второй части с большим углом раствора диффузорного участка. Внутри полого конуса выполнен конфузорно-диффузорный переход, а в поперечном сечении ротора выполнены профилированные каналы с возможностью подачи и отвода рабочего тела. Техническим результатом является повышение эффективности процесса улавливания сконденсировавшихся компонентов. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для сепарации многокомпонентной среды, содержащее сопловой канал подачи потока с конфузорным и диффузорным участками и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания потока, выполненное в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, при этом на поверхности указанного профилированного тела вращения размещены профилированные лопатки с образованием каналов между ними, причем между концевой частью упомянутых лопаток и внутренней поверхностью диффузорного участка соплового канала образован кольцевой зазор, а в концевой части каналов выполнен профилированный зазор, при этом указанное устройство закручивания потока установлено коаксиально в диффузорном участке соплового канала с возможностью радиального вращения вокруг своей продольной оси и соединено при помощи вала с электрогенератором, полый конус, установленный в выходной части диффузорного участка канала с кольцевым зазором между внутренней поверхностью диффузорного участка и наружной поверхностью упомянутого конуса с образованием кольцевой полости, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц, отличающееся тем, что указанное устройство закручивания потока размещено на валу, установленном в подшипниковом узле, и вместе с ним образует ротор с возможностью радиального вращения, связанный с электрогенератором, при этом диффузорный участок соплового канала выполнен состоящим из двух профилированных частей, имеющих разные углы раствора проточной части, с переходом от меньшего угла раствора первой части к большему углу раствора второй части и с образованием излома внутреннего профиля в точке перехода профилей, причем устройство закручивания потока и полый конус последовательно установлены на выходе из второй части диффузорного участка, с большим углом раствора, при этом внутри указанного полого конуса выполнен конфузорно-диффузорный переход, а в поперечном сечении упомянутого ротора выполнены профилированные каналы с возможностью подачи и отвода рабочего тела для исключения образования посторонних частиц на лопатках упомянутого устройства закручивания потока.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит емкость с ингибитором, при этом в критическом сечении соплового канала упомянутого устройства установлены форсунки подачи ингибитора, соединенные магистралью с упомянутой емкостью, причем в указанной магистрали установлены насос ингибитора и запорно-регулирующая арматура.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено гидравлической системой охлаждения подшипникового узла, при этом профилированные каналы ротора выполнены с возможностью подачи и отвода гидравлической жидкости упомянутой системы охлаждения.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено емкостью с ингибитором, насосом ингибитора, при этом профилированные лопатки и/или стенки каналов между профилированными лопатками устройства закручивания потока выполнены с профилированными отверстиями, причем емкость с ингибитором соединена магистралью с упомянутыми насосом, сообщающимися профилированными каналами ротора, а также упомянутыми профилированными отверстиями, при этом в данной магистрали установлена запорно-регулирующая арматура.