СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ Российский патент 2024 года по МПК F25J3/00 B01D53/24 

Изобретение относится к методам разделения многокомпонентных газовых смесей путем адиабатического охлаждения газовых потоков при дросселировании в соплах Лаваля с дальнейшим центробежным сепарированием образовавшихся высококипящих компонентов и может быть использовано в различных областях техники.

Известен способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий постадийное охлаждение смеси газов до температур сжижения каждого компонента и отбор соответствующей жидкой фазы на каждой стадии (патент JP 07253272, F 25 J 3/06, опубл. 03.10.1995 г.). Газовая смесь, содержащая множество различных видов газовых компонентов, охлаждается до надлежащей температуры через линию нагревателя и линию охлаждения, и ее температура поддерживается устройством управления нагревателя на более низком уровне, чем температура сжиженного газа компонента, при этом указанный газовый компонент, содержащийся в газовой смеси, сжижается. Затем жидкость, содержащая сжиженный и заданный газовый компонент, извлекается из отверстия для извлечения жидкости, расположенного в камере охлаждения газа. Компонент несжиженного газа извлекается из отверстия для извлечения газа, расположенного в камере охлаждения газа, а затем газовые компоненты отдельно разделяются на различные состояния жидкости и газа и экстрагируются.

Недостатком известного способа является малая эффективность при больших энергозатратах.

Известен способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы (патент US 3528217, B01D 51/08, опубл. 15.09.1970 г.). В известном способе отбор жидкой фазы осуществляют путем направления газожидкостной смеси на перфорированную перегородку с отклонением потока от прямолинейного движения. В результате, под действием возникающих при отклонении потока центробежных сил капли жидкой фазы поступают в приемник. Окончательная сепарация компонентов осуществляется в жидкой фазе.

Недостатком известного способа является его малая эффективность.

Известен способ сепарации газов путем их сжижения (патент US 5306330, B01D 51/08, опубл. 1994 г.). Известный способ может быть использован как для сжижения однокомпонентных газов, так и для разделения их смесей. Разделение осуществляется с помощью сужающегося-расширяющегося сопла, в котором расширяющаяся часть является выпуклой.

Недостатком известного способа является его малая эффективность. Это обусловлено тем, что при таком повороте газового потока возникают ударные волны, за которыми возрастает его температура, что приводит к испарению части уже сконденсировавшихся капель.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ разделения компонентов газовых смесей (патент RU 2143654, F25J 3/06, опубл. 27.12.1999 г.). В способе разделения компонентов газовых смесей путем сжижения парциальное давление газовых компонентов в смеси изменяют так, чтобы в момент прохождения газовым потоком сопла температура конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, была выше температуры конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации. Кроме того, выбирают геометрию сопла, обеспечивающую сохранение в процессе охлаждения компонента с более высокой при нормальном давлении температурой конденсации в газовой фазе и сжижение компонента с более низкой при нормальном давлении температурой в количестве, достаточном для растворения в нем газовой фазы компонента с более высокой температурой конденсации.

Недостатком известного способа является низкое КПД и высокое гидравлическое сопротивление, так как закрутка потока для центробежного сепарационного разделения высококипящих компонентов осуществляется до критического сечения и для сохранения момента инерции требуется интенсивная закрутка потока Ф>0,6 (параметр Хигера-Бэра), в результате чего возникают приосевые тороидальные зоны обратных токов [В.А. Архипов. Курс лекций по теории и практике закрученных потоков. Часть 1. Томск: ТГУ, 1999. - 60с].

Заявляемый в качестве изобретения способ направлен на повышение эффективности сепарации высококипящих компонентов газовой смеси полученных при дросселировании путем оптимизации гидро-газодинамики и трансформировании газовых потоков, предотвращающий перемешивание токов газа в местах отбора периферийной области сепарационной камеры и исключению образования приосевой тороидальной зоны обратных токов.

Указанный результат достигается тем, что способ разделения многокомпонентной смеси включающий, адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы осуществляют распараллеливанием потока смеси газов на несколько дозвуковых или сверхзвуковых дросселирующих сопел Лаваля, расположенных по круговому контуру таким образом, чтобы получаемый на выходе из сопел Лаваля объединённый поток имел момент инерции вращения, с помощью которого обеспечивается процесс центробежной сепарации частиц, сконденсировавшихся из высококипящих компонентов газовой смеси при дросселировании, и продвижение частиц конденсата по границе сепарационного пространства до фазоразделительного устройства, выводящего частицы конденсата за пределы границы сепарационного пространства.

Способ разделения многокомпонентной смеси используют для одной газовой смеси последовательно несколько раз с разными степенями дросселирования для последовательного выделения разных фракций из газовой смеси.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема его реализации фиг.1, фиг. 2.

Многокомпонентная смесь поступает через форкамеру 1 в дросселирующий закручиватель 3, который представляет собой многоканальные распараллеленные спирали с профилем дросселирующего сопла Лаваля, расположенных между корпусом 2 и цилиндрическим вытеснителем 4 на круговом контуре по винтовым линиям, обеспечивающий момент вращения потока по заданному углу крутки (фиг.2). За счёт адиабатического расширения при сверхзвуковом истечении газа в спиралевидных соплах Лаваля возникает эффект Джоуля – Томсона и происходит понижение температуры потока с образованием капель углеводородов и водяного конденсата непосредственно в самом канале. Спиралевидные каналы закручивателя изогнуты вдоль образующей таким образом, чтобы направить распараллеленные потоки к периферии, создав момент вращения, с помощью которого обеспечивается процесс центробежной сепарации частиц, сконденсировавшихся из компонентов газовой смеси при дросселировании. Трансформированный газовый поток, содержащий тяжелые сконденсированные частицы высококипящих компонентов первой ступени сепарации, движется в периферийной области сепарационного пространства с цилиндрической внешней границей, образуемой корпусом 2 и, коагулируясь вдоль стенки корпуса, образует пристеночное течение. Жидкая фаза, состоящая из углеводородов и водяного конденсата (УиВК), двигается вдоль стенки корпуса до фазоразделительного устройства 5, выполненного в виде щелевых камер и увлекается в конденсатосборник промежуточного отбора первой ступени сепарации 6. Цилиндрический вытеснитель 4 образует область квазитвердого тела в закрученном потоке и предотвращает образование приосевых тороидальных зон обратных токов. Дросселирующий закручиватель с распределенными соплами Лаваля и сепарационная камера первой ступени конденсации рассчитываются таким образом, чтобы выделить сначала высококипящие компоненты газовой смеси, обеспечить минимальный перепад давлений ∆P и понизить температуру газа перед второй ступенью конденсации для выделение высококипящих компонентов. Для выделения высококипящих компонентов предусмотрена вторая ступень сепарации. Предохлажденный и осушенный газ поступает в дроссель закручиватель второй ступени 7, который имеет такой же угол крутки, как и в первой ступени, так как сохраняется импульс вращения потока вдоль всей оси сепарационной камеры. Сконденсированный газоконденсат высококипящих компонентов за счёт центробежной силы движется в пристеночной области и улавливается через щелевые камеры 5 в кондесатозборник основного отбора второй ступени 8. Полностью осушенный и подготовленный газ выводится через выкидную камеру 9, где он восстанавливает часть давления и температуры.

На фиг. 3 приведена круговая проекция дросселирующего канала на диаметральное сечение закручивателя.

На фиг. 4 приведена осевая проекция дросселирующего канала на поперечное сечение закручивателя.

Ниже приведены примеры осуществления изобретения.

Пример 1. Компьютерное моделирование гидро-газодинамики, выполненное в программе «Ansys Fluent», показало эффективность применения данного способа направления потока через дросселирующий закручиватель, выполненного в виде распараллеленных каналов с профилем дросселирующего сопла Лаваля. В качестве несущей среды взят газ метан CH₄ с температурой -10°С, с абсолютным давлением на входе 9,6 МПа, расходом 92800 кг/ч, модель уравнение состояния Пенга-Робинсона [Peng, D. Y., and Robinson, D. B. A New Two-Constant Equation of State // Industrial and Engineering Chemistry: Fundamentals. 1976. Т. 15. С. 59-64.]. В результате движения газа через дросселирующий закручиватель происходит понижение его температуры, достаточное для конденсации высококипящих компонентов (фиг. 5).

Невысокий перепад давления ∆P ≈ 3МПа обусловлен низким гидравлическим сопротивлением дросселирующего закручивателя (фиг.6).

Для более детального анализа гидро-газодинамики дроссель закручиватель разложен на пять поясов (фиг.7) и построены графики полей давлений и полей температур (фиг.8, фиг.9). Зависимость температуры от давления по поясам представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Зависимость температуры от давления в дроссель закручивателе по поясам.

№ Давление, МПа Температура, °С 1 9,50 -10,00 2 9,48 -10,11 3 5,72 -39,00 4 6,76 -12,65 5 6,90 -11,00

Как видно, минимальная температура потока и максимальный перепад давления расположены в третьем поясе, сразу после критических сечений в спиралевидных соплах Лаваля, при этом, модуль скорости закрученного потока (фиг.10) с экстремумом в периферийной зоне свидетельствует о наличии центробежной сепарации и перемещении сконденсировавшихся компонентов вдоль стенки корпуса к щелевым камерам конденсатосборников.

Векторный анализ также показал отсутствие приосевой тороидальной зоны обратных токов, что исключает вторичное перемешивание сконденсировавшихся компонентов газа (фиг. 11).

Пример 2. Способ применяется в процессе комплексной подготовки природного газа (фиг. 12) в стадии низкотемпературной сепарации (НТС) с целью снижения его температур точки росы по воде и по углеводородам до нужных пределов, в соответствии с требованиями стандарта «СТО Газпром 089-2010».

Природный газ из добывающих скважин с составом, представленным в таблице 2, входит на установку комплексной подготовки газа (УКПГ) с абсолютным давлением не ниже 9,6 МПа и температурой 10°C, затем поступает в двухфазовый сепаратор Е-1, в котором отделяется углеводородный и водяной конденсат (УиВК).

Таблица 2 – Состав природного газа, подаваемого на УКПГ.

Компонент Содержание (мол. %) Метан 84 - 97 Этан 1 – 2 С₃ – С₄ 0,2 – 2 С₅+ 0,8 - 6 N₂ 0,2 – 0,6 CO₂ 0,001 – 0,6 H₂S 0 Отн. влажность 100%

Выходящий газ из сепаратора Е-1 смешивается с ингибитором гидратообразования (метанол), предохлаждается в агрегате воздушного охлаждения Т-2 и доохлаждается до температуры -10°C в теплообменнике Т-3, после чего поступает в аппарате предлагаемого способа Х-4, где, в первую очередь, разделяется УиВК, образовавшись в предыдущих стадиях охлаждения. Газ поступает в сверхзвуковую камеру аппарата Х-4, где, за счёт ускорения потока в следствии сокращения площади поперечного сечения, его давление падает до абсолютного значения 6,31 МПа, при этом его температура снижается до -37,5°C. При таких условиях содержащиеся в газе влага и углеводороды С3+ конденсируются, образуя двухфазовую смесь, которая разделяется в камере первой и второй ступени сепарации под действием центробежной силы. В последнем участке камеры основного отбора площадь поперечного сечения увеличивается, что способствует увеличению давления газа до 6,85 МПа (абсолютных) и, при этом, его температура растёт до -16°С.

Отбензиненный газ направляется в двухфазовый сепаратор Е-5 для удаления остатков капельных частиц УиВК. подогревается в теплообменнике Т-3 доохлаждающимся газом, выходящим из Т-2, и с температурой -12°С направляется в газопровод внешнего транспорта. Состав сухого отбензиненного газа (СОГ) показан в таблице 3. Температуры точки росы по воде и по углеводородам составляют 20,3°С (при давлении 3,92 МПа абс.) и 12°С (при давлении от 2,5 до 7,5 МПа абс.), в полном соответствии с требованиями стандарта «СТО Газпром 089-2010».

Таблица 3 – Состав сухого отбензиненного газа, отводимого из УКПГ.

Компонент Содержание (мол. %) Метан Более 96,5 Этан Не более 2,5 С₃ – С₄ Не более 0,5 С₅+ Не более 0,1 Н₂О Не более 0,02 CO₂ Не более 0,5 H₂S 0

УиВК, выходящий из Х-4, направляется в трёхфазовый сепаратор Е-8, в котором, при давлении 7 МПа абс., разделяется жидкая фаза на конденсат газовый нестабилизированный (КГН) и воду, а также отделяется газ, возвращаемый в сепаратор Е-5.

КГН, выходящий из сепаратора Е-8, дросселируется до абсолютного давления 0,25 МПа, нагревается до 30°C и поступает на стабилизацию в сепаратор Е-10. Газ, выходящий из Е-10, сжимается в компрессоре К-11 и смешивается с выходящим СОГ, или может быть утилизирован, частично или полностью, для производства электроэнергии в газовой поршневой установке. Конденсат газовый стабильный направляется на реализацию.

Изобретение относится к методам разделения многокомпонентных газовых смесей. Способ разделения многокомпонентной смеси газового потока включает адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле, конденсацию компонентов и отбор жидкой фазы. Осуществляют распределение потока газовой смеси на несколько потоков в параллельных спиралевидных каналах, выполненных в виде сверхзвуковых дросселирующих сопел Лаваля, изогнутых таким образом, чтобы направить потоки к периферии сепарационного пространства, и расположенных по круговому контуру таким образом, чтобы на выходе из каналов объединённый поток газовой смеси получал момент инерции вращения, обеспечивающий процесс центробежной сепарации частиц, конденсирующихся из газовой смеси за счёт адиабатического охлаждения при дросселировании, с продвижением частиц конденсата по границе сепарационного пространства до фазоразделительного устройства, выводящего частицы конденсата за пределы границы сепарационного пространства. Техническим результатом является повышение эффективности сепарации высококипящих компонентов газовой смеси. 12 ил., 3 табл.

Способ разделения многокомпонентной смеси газового потока, включающий адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле, конденсацию компонентов и отбор жидкой фазы, отличающийся тем, что осуществляют распределение потока газовой смеси на несколько потоков в параллельных спиралевидных каналах, выполненных в виде сверхзвуковых дросселирующих сопел Лаваля, изогнутых таким образом, чтобы направить потоки к периферии сепарационного пространства, и расположенных по круговому контуру таким образом, чтобы на выходе из каналов объединённый поток газовой смеси получал момент инерции вращения, обеспечивающий процесс центробежной сепарации частиц, конденсирующихся из газовой смеси за счёт адиабатического охлаждения при дросселировании, с продвижением частиц конденсата по границе сепарационного пространства до фазоразделительного устройства, выводящего частицы конденсата за пределы границы сепарационного пространства.