Устройство для сжижения газа Российский патент 2025 года по МПК F25J3/06 

[01] Область техники

[02] Изобретение относится к криогенной технике, а именно к устройству для сжижения, очистки и сепарации многокомпонентной среды с целью выделения из исходного сырья одного или нескольких целевых компонентов.

[03] Уровень техники

[04] Основная идея способа сжижения газа с использованием сверхзвукового потока состоит в его предварительном сжатии, направлении в сопло Лаваля, где газ расширяется при быстром снижении температуры. Снижение температуры приводит сжижению влаги и некоторых компонентов, входящих в состав исходного сырья. Основным преимуществом такого способа являются высокая производительность и надежность из-за отсутствия движущихся механических частей. Однако, основным его недостатком считается невысокий коэффициент полезного действия (КПД), уступающий альтернативному способу сжижения газа с использованием турбодетандеров.

[05] За последние 30 лет эволюционное развитие способа сжижения газа в ультразвуковом потоке было подчинено основной задаче - повышение значения КПД. Принципиальным решением в целях повышения КПД стало создание целого семейства изобретений инерционных сепараторов, где газовый поток перед подачей в сопло раскручивается.

[06] В патенте РФ RU2631876 предлагается повысить КПД за счет усложнения конструкции камеры, позволяющей устранить оседания и стекания обратно к сопловой коробке с дальнейшим затоплением ее конденсирующейся влагой, снижения диссипативных потерь теплового градиента и повышения эффективности конденсации в вихревом аппарате. Недостатком указанного устройства является значительное усложнение конструкции, что вступает в противоречие с основным преимуществом сверхзвуковой сепарации газов.

[07] В заявке США US2022/0203381 предложено устройство сжижения газа, в котором повышение производительности добиваются за счет регулировочного механизма для изменения закрученного движения. Авторы учли, что состав исходного газа может меняться. Для каждого соотношения компонентов требуются определенные параметры скорости и угла подачи входящего газа. С целью оптимального подбора параметров работы установки и гибкой ее перенастройки в состав сепаратора введены механизмы регулировки закручивания потока газа. Недостатком такого устройства является появление в его составе движущихся механических частей. Это не только усложняет систему, но и снижает ее надежность. При этом работа устройства ведется в условиях низких температур, часто с образованием кристаллов льда, что приводит к необходимости очищать рабочие поверхности или использовать, например, метиловый спирт для противодействия образованию льда. Использование различных движущихся механизмов в таких системах только усиливает проблему кристаллических осадков.

[08] В патенте РФ RU2773182 устройство сжижения газа содержит электрогенератор, который утилизирует скоростной поток на выходе из устройства сепарации и сжижения газа, превращая кинетическую энергию потока в электрическую. Недостатком указанного способа является наличие вращающих механических частей, отсутствие которых изначально считалось одним из преимуществ сверхзвукового способа сжижения газа.

[09] В евразийском патенте ЕА012741 В1, так же как и в заявке США US2008/0196582, усиление конденсации компонентов добиваются посредством облучения смеси с помощью источника ультрафиолетового излучения. Под действие ионизирующего излучения происходит коагуляция мелких частиц, что повышает КПД установки. Недостатком данного решения считается быстрое загрязнение защитного стекла ультрафиолетового источника, что в значительной степени влияет на эффективность данного способа.

[010] В заявке на выдачу европейского патента ЕР1499419А описан сепаратор, в который инжектируют распыленную жидкость в виде электрически заряженных капель с помощью щелевидного или трубчатого сопла, в котором поток текучей среды ускоряется до околозвуковой или сверхзвуковой скорости и тем самым расширяется и охлаждается. Сепаратор имеет электростатически заряженную стенку, которая притягивает электрически заряженные капли, служащие центрами конденсации для других изначально газообразных компонент, находящихся в многофазном потоке текучих сред, из которых, по меньшей мере, некоторые становятся пересыщенными при охлаждении внутри сопла.

[011] Аналогичное решение предложено в патенте РФ RU2367859. В устройстве в месте конденсации жидкой фазы на нее воздействуют постоянным электрическим полем с возможностью обеспечения переноса образовавшейся жидкой фазы на стенки сопла. Отбор жидкой фазы осуществляют через перфорацию в стенках сопла или кольцевую щель в месте, отстоящем от точки росы на расстоянии, определяемом соотношением L=V⋅τ, где L - расстояние от точки росы до места выпадения на стенки сопла жидкой фазы, V - средняя скорость потока на этом участке, х - время движения капелек жидкой фазы от одной стенки сопла до другой.

[012] Недостатком указанных способов является снижение уровня промышленной безопасности при эксплуатации подобных устройств. Исходный поток имеет значительное содержание влаги. Собственно, одним из основных предназначений сепараторов газа является понижение содержания влаги до требуемого уровня. Использование электрооборудования для реализации приведенных технических решений потребует дополнительных затрат на обеспечение безопасности, предъявляемой к электрооборудованию.

[013] Принципиально новым решением совершенствования технологии сжижения и разделения компонентов газа стало использование диффузоров или иных механизмов, установленных по потоку ниже сопла и являющимися генераторами ударной волны. Было установлено, что ударная волна в значительной степени снижает осевую составляющую скорости потока при почти сохранении тангенциальной составляющей. Благодаря этому эффекту плотность частиц (капель) в пристеночной области повышается, что приводит к повышению КПД устройства.

[014] В патенте РФ RU2348871 описано устройство для сжижения и сепарации газов, которое содержит как сверхзвуковое сопло, так и дозвуковой диффузор. Длина рабочей камеры выбрана с таким образом, чтобы обеспечить формирование капель с размером, превышающим 0,5 мкм. Использование дозвукового диффузора в комбинации со сверхзвуковым позволяет повысить КПД устройства. Недостатком указанного способа является невозможность извлечения из потока мелких капель с размером менее 0,5 мкм.

[015] В патенте РФ RU2229922 описан инерционный сепаратор, включающий последовательно соединенные сверхзвуковое сопло и генератор ударной волны в виде диффузора (соплом сужающейся/расширяющейся формы, расположенной за сепарационной частью сепаратора. Данное решение позволяет улавливать мелкие капели с размером 0,1-0,25 мкм. Дальнейшее развитие технологии сверхзвукового сжижения и сепарации газов направлено на улавливание мелких капель с размером менее 0,1 мкм, что в конечном итоге повышает качество конечного продукта и КПД установки в целом. Недостатком технического решения является разогрев ударной волной газового потока, что приводит к обратному переходу части жидких капель в газообразное состояние. Кроме того, образовывающаяся ударная волна может стать источником повышенной опасности при работе с газовоздушной смесью.

[016] Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство для сжижения газа, описанное в патент РФ RU2167374. Устройство содержит сопло с форкамерой с размещенным в ней средством для закрутки газового потока, сопло снабжено средствами закрутки потока и отбора жидкой фазы. Дозвуковой диффузор снабжен средствами спрямления закрученного газового потока, что позволяет снизить потери давления и повысить КПД устройства. Основным преимуществом устройства является простота конструкции и достаточно высокий КПД в сравнении с аналогами. В данном техническом решении не используются какие-либо дополнительные способы и механизмы, позволяющие увеличить глубину извлечения жидких капель из потока, что считается одним из недостатков этого изобретения.

[017] Таким образом, основной технической проблемой, на решение которой направлено рассматриваемое изобретение, является недостаточная эффективность устройств сжижения газа, связанная с невозможностью улавливания капель с размером менее 0,1 мкм, в том числе наночастиц.

[018] Раскрытие сущности изобретения

[019] Техническим результатом изобретения является повышение КПД устройства за счет коагуляции мелких капель с размером менее 0,1 мкм при воздействии на поток ультразвуком в дозвуковой части устройства.

[020] Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для сжижения газа содержит форкамеру и соединенное с ней сверхзвуковое сопло, при этом в форкамере установлено средство закрутки газового потока, а в сверхзвуковом сопле размещено внутреннее сопло, установленное с образованием между стенками внутреннего сопла и сверхзвукового сопла кольцевой щели сопла для отбора сжиженного газа. Канал внутреннего сопла образует последовательно расположенные сверзвуковой и дозвуковой диффузоры. В дозвуковом диффузоре размещен источник ультразвука, содержащий по меньшей мере один газоструйный излучатель, а на выходе из внутреннего сопла размещена центральная вставка, образующая с внутренним соплом кольцевую щель диффузора для отбора сжиженного газа.

[021] Указанный технический результат также достигается в частных вариантах реализации изобретения за счет того, что:

[022] - указанный источник ультразвука выполнен с возможностью работы в частотном диапазоне от 15 до 30 кГц и с уровнем звукового давления 120-160 дБ;

[023] - указанный источник ультразвука содержит от одного до шести газоструйных излучателей;

[024] - в качестве газоструйного излучателя использован генератор Гартмана;

[025] - в сверхзвуковом сопле перед внутренним соплом выполнена зона перфорации стенки для отбора сжиженного газа.

[026] В отличие от аналогов, в рассматриваемом устройстве для сжижения газа в дозвуковой части предусмотрен источник ультразвука в виде газоструйных излучателей, способных коагулировать твердые и мелкие частицы. Воздействие ультразвука на мелкие капли приводит к их взаимному колебанию, объединению и укрупнению. Образовавшиеся более крупные капли под действием центробежных сил извлекаются из потока газа.

[027] Для увеличения эффективности взаимодействия частиц требуется их многократное перенаправление для их взаимного перемещения. Если в сверхзвуковом потоке возникающая в результате закрученного потока турбулентность снижает КПД установки, то в дозвуковом потоке перемешивание закрученного потока увеличивает время взаимодействия частиц, а также формирует зоны с повышенной концентрацией частиц. Эти процессы в конечном итоге повышают уровень извлечения сжиженного газа.

[028] Краткое описание чертежей

[029] Изобретение поясняется фигурами, где:

[030] на фиг.1 показана схема устройства сжижения газа,

[031] на фиг.2 показаны места крепления газоструйных излучателей в дозвуковом диффузоре.

[032] Элементы обозначены на фигурах следующими позициями:

1 - форкамера,

2 - средство закручивания газового потока,

3 - сверхзвуковое сопло,

4 - зона перфорации,

5 - сверхзвуковой диффузор,

6 кольцевая щель сопла,

7 - дозвуковой диффузор,

8 - газоструйный излучатель,

9 - щель диффузора,

10 - внутреннее сопло,

11 - центральная вставка.

[033] Осуществление изобретения

[034] Устройство сжижения газа показано на Фиг. 1. Устройство включает форкамеру (1) и соединенное с ней сверхзвуковое сопло (3). Внутри форкамеры (1) размещено средство закручивания газового потока (2), например, в виде ориентированных под углом лопаток или шнекового механизма.

[035] В сверхзвуковом сопле (3) может быть выполнена зона перфорации (4) стенки, которая имеет распределенные по периметру (по окружности) сквозные отверстия для отбора сжиженного газа. За зоной перфорации (4) внутри сверхвукового сопла (3) размещено внутреннее сопло (10) в виде трубчатого элемента, который имеет криволинейный канал, образующий последовательно расположенные сверхзвуковой диффузор (5) и дозвуковой диффузор (7). При этом между стенками внутреннего сопла (10) и сверхвукового сопла (3) образована кольцевая щель сопла (6) для отбора сжиженного газа. Внутри дозвукового диффузора (7) размещен источник ультразвука, содержащий один или несколько газоструйных излучателей (8), способных генерировать ультразвуковые колебания в широком диапазоне частот. Устройство может содержать от 1 до 6 газоструйных излучателей (8), предпочтительно от 4 до 6. В случае нескольких излучателей они равномерно распределены по окружности дозвукового диффузора (7) (см. фиг.2). В качестве газоструйного излучателя может быть выбран классический газоструйный излучатель (генератор) Гартмана. Обычно при использовании такого излучателя применяют компрессоры, как источники сжатого газа. Однако в заявленном устройстве в работе излучателя применяется поток рабочего газа, что исключает необходимость применения компрессора.

[036] Экспериментально установлено, что максимальный эффект сжижения мелких капель за счет их укрупнения происходит в частотном диапазоне от 15 до 30 кГц и уровнем звукового давления 120-160 дБ. Использование в устройстве сразу нескольких излучателей позволяет не только увеличить мощность излучения, но и настроить каждый излучатель на разные частоты для обеспечения работы в диапазоне от 15 до 30 кГц.

[037] На выходе из дозвукового диффузора (7) также размещена центральная вставка (11) в виде сплошного элемента расширяющегося в направлении движения потока и образующего с внутренним соплом (10) кольцевую щель диффузора (9) для отбора части сжиженного газа.

[038] Устройство работает следующим образом. Газовая смесь под давлением поступает в форкамеру (1). В форкамере поток газовой смеси закручивается с помощью средства закручивания (2). Далее газовая смесь поступает в сверхзвуковое сопло (3), где в результате адиабатического расширения происходит быстрое понижение температуры. Снижение температуры приводит к конденсации влаги и различных фракций газовой смеси. Под действием центробежных сил твердые и жидкие частицы удаляются через отверстия зоны перфорации (4) и через кольцевую щель сопла (6). Обедненная газовая смесь поступает в сверхзвуковой диффузор (5), где скорость потока снижается до дозвуковой, после чего она попадает в дозвуковой диффузор (7). В диффузоре (7) содержащая мелкие капли газовая смесь подвергается воздействию ультразвуком установленными в диффузоре газоструйными излучателями (8). В результате воздействия ультразвука на мелкие капли происходит их коагуляция, размер капель увеличивается. Крупные капли под воздействием центробежных сил смещаются к стенке канала внутреннего сопла (10), образуя жидкую пленку, отделяемую от потока газа через щель диффузора (9).

[039] Сравнительный анализ результатов испытаний установок сверхзвуковой сепарации с установленными газоструйными излучателями и без таковых показал показал значительное преимущество заявленного технического решения.

[040] Экспериментально установлено, что сверхзвуковой сепаратор без газоструйных излучателей способен конденсировать целевые компоненты в диапазоне 15-30% от общего объема подаваемого на вход устройства газовой смеси. На выходе из устройства в товарном газе содержатся целевые компоненты в концентрации 3,56-5,11 г/нм³.

[041] В том же самом сверхзвуковом сепараторе с установленными внутри газоструйными излучателями, работающими в диапазоне частот 15 до 30 кГц и уровнем звукового давления 120-160 дБ, удалось за счет коагуляции и извлечения мелких капель целевых компонентов, удалось понизить их концентрацию в товарном газе до концентраций 3,2-4,33 г/нм³.

[042] Таким образом, благодаря использованию в составе устройства газоструйных излучателей удается повысить эффективность (КПД) улавливания жидких капель на 10-15% в зависимости от состава исходной смеси.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к устройству для сжижения, очистки и сепарации многокомпонентной среды с целью выделения из исходного сырья одного или нескольких целевых компонентов. Устройство содержит форкамеру (1) и соединенное с ней сверхзвуковое сопло (3). В форкамере (1) установлено средство закрутки газового потока (2). В сверхзвуковом сопле (3) размещено внутреннее сопло (10), установленное с образованием между стенками внутреннего сопла (10) и сверхзвукового сопла (3) кольцевой щели сопла (6) для отбора сжиженного газа. Канал внутреннего сопла (10) образует последовательно расположенные сверхзвуковой (5) и дозвуковой (7) диффузоры. При этом в дозвуковом диффузоре (7) размещен источник ультразвука, содержащий один газоструйный излучатель (8), а на выходе из дозвукового диффузора (7) размещена центральная вставка (11), образующая внутренним соплом (10) кольцевую щель диффузора (9) для отбора сжиженного газа. Техническим результатом является повышение КПД устройства за счет коагуляции мелких капель размером менее 0,1 мкм при воздействии на поток ультразвуком в дозвуковой части устройства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для сжижения газа, содержащее форкамеру (1) и соединенное с ней сверхзвуковое сопло (3), при этом в форкамере (1) установлено средство закрутки газового потока (2), а в сверхзвуковом сопле (3) размещено внутреннее сопло (10), установленное с образованием между стенками внутреннего сопла (10) и сверхзвукового сопла (3) кольцевой щели сопла (6) для отбора сжиженного газа, причем канал внутреннего сопла (10) образует последовательно расположенные сверхзвуковой (5) и дозвуковой (7) диффузоры, отличающееся тем, что в дозвуковом диффузоре (7) размещен источник ультразвука, содержащий по меньшей мере один газоструйный излучатель (8), а на выходе из дозвукового диффузора (7) размещена центральная вставка (11), образующая с внутренним соплом (10) кольцевую щель диффузора (9) для отбора сжиженного газа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный источник ультразвука выполнен с возможностью работы в частотном диапазоне от 15 до 30 кГц и с уровнем звукового давления 120-160 дБ.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный источник ультразвука содержит от одного до шести газоструйных излучателей (8).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве газоструйного излучателя (8) использован генератор Гартмана.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в сверхзвуковом сопле (3) перед внутренним соплом (10) размещена зона перфорации (4) стенки для отбора сжиженного газа.