УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2023 года по МПК F25J3/00 B01D53/24 

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 потока, 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 отсутствие 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, причем наружная поверхность упомянутого профилированного тела вращения, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, при этом на поверхности указанного профилированного 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 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, причем устройство закручивания потока и полый конус последовательно установлены на выходе из второй части диффузорного участка, с большим углом раствора, а внутри упомянутого полого конуса выполнен конфузорно-диффузорный переход, при этом упомянутый ротор содержит токосъемник, а в поперечном сечении ротора выполнены профилированные каналы, причем в упомянутых каналах установлены электрические нагревательные элементы, связанные с токосъемником, который связан с электрогенератором и/или внешним источником электроэнергии.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на. 1 показан продольный разрез устройства для сепарации многокомпонентной среды с электрическими нагревательными элементами в профилированных каналах устройства закручивания потока; на фиг. 2 показан выносной элемент А - разрез ротора, в поперечном сечении которого выполнены профилированные каналы, в которых установлены электрические нагревательные элементы.

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. Ротор также содержит токосъемник 16. В сечении упомянутого ротора выполнены один или несколько сообщающихся профилированных каналов 17, в которых установлены электрические нагревательные элементы 18. При этом электрические нагревательные элементы 18 связаны с токосъемником 16, который связан с электрогенератором 13 и/или внешним источником 20 электроэнергии.

Устройство работает следующим образом.

Поток многокомпонентной среды (газовой или газожидкостной смеси) под действием входного давления направляется в сопловой канал 1 предложенного устройства, после чего проходит конфузорный участок 2, в котором происходит увеличение скорости потока, далее поток многокомпонентной среды проходит через критическое сечение 4 и подается в диффузорный участок 3. В критическом сечении 4 скорость потока многокомпонентной среды увеличивается до звуковых значений в данной среде, а в диффузорном участке 3 скорость упомянутого потока достигает значений выше скорости звука в данной среде, при этом статическое давление потока резко снижается, одновременно осуществляется резкое 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 направляется 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 происходит равномерное распределение сверхзвукового потока многокомпонентной среды по каналам 12, образованным между профилированными лопатками 11, в результате чего происходит расширение и завихрение упомянутого потока 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, являющееся частью ротора 14, во вращение, тем самым часть кинетической энергии потока многокомпонентной среды преобразуется в механическую работу. Крутящий момент с ротора 14 передается электрогенератору 13 для выработки электроэнергии. Отделенная жидкая фракция тяжелых углеводородов поступает в пристеночный периферийный слой диффузорного участка 3 за счет центробежной силы, а затем - в кольцевую полость 8 и далее направляется 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 поверхности вращающегося устройства 5 закручивания потока (фиг. 1, фиг. 2), организуется включение электрических нагревательных элементов 18, установленных в профилированных каналах 17. Включение электрических нагревательных элементов 18 позволяет осуществить нагрев стенки устройства 5 закручивания потока и, тем самым, создать на поверхности упомянутого устройства закручивания устойчивую жидкостную пленку, исключающую возможность льдообразования при резком снижении температуры потока многокомпонентной среды. Подача электрической энергии к упомянутым нагревательным элементам 18 осуществляется при помощи токосъемника 16, на который электроэнергия поступает от электрогенератора 13 и/или от внешнего источника 20.

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 при подготовке природного газа в нефтегазовой промышленности. Устройство для сепарации многокомпонентной среды содержит сопловой канал с конфузорным, диффузорным участками и критическим сечением и устройство закручивания потока, выполненное в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов. На поверхности тела вращения размещены лопатки с каналами между ними. Устройство закручивания потока соединено с электрогенератором. Устройство также содержит полый конус, установленный с образованием кольцевой полости. Устройство закручивания потока размещено на валу и вместе с ним образует ротор, связанный с электрогенератором. Диффузорный участок соплового канала выполнен состоящим из двух профилированных частей, имеющих разные углы раствора, с переходом от меньшего угла раствора к большему и с образованием излома внутреннего профиля в точке перехода. Устройство закручивания потока и полый конус последовательно установлены на выходе из части с большим углом раствора, а внутри полого конуса выполнен конфузорно-диффузорный переход. Ротор содержит токосъемник. В поперечном сечении ротора выполнены профилированные каналы, в которых установлены электрические нагревательные элементы, связанные с токосъемником, который связан с электрогенератором и/или внешним источником электроэнергии. Техническим результатом является исключение льдообразования в газовом потоке и на стенках проточной части и уменьшение возможности возникновения процесса гидратообразования. 2 ил.

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, причем наружная поверхность упомянутого профилированного тела вращения предпочтительно эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, при этом на поверхности указанного профилированного 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 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, причем устройство закручивания потока и полый конус последовательно установлены во второй части диффузорного участка с большим углом раствора, а внутри упомянутого полого конуса выполнен конфузорно-диффузорный переход, при этом упомянутый ротор содержит токосъемник, а в поперечном сечении ротора выполнены профилированные каналы, причем в упомянутых каналах установлены электрические нагревательные элементы, связанные с токосъемником, который связан с электрогенератором и/или внешним источником электроэнергии.