ДРОССЕЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН И СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ РАЗМЕРОВ КАПЕЛЕК ЖИДКОСТИ В ПРОТЕКАЮЩЕМ ЧЕРЕЗ НЕГО ПОТОКЕ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
THROTTLE VALVE AND METHOD OF INCREASING SIZES OF LIQUID DROPS IN FLUID MEDIUM FLOW PASSING THROUGH IT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к дросселирующему клапану и к способу увеличения размеров капелек жидкости в протекающем через дросселирующий клапан потоке текучей среды.
Уровень техники
В нефтегазовой промышленности контрольные клапаны используют для регулирования давления, уровня, температуры и скорости потока. В некоторых случаях, если по длине контрольного клапана возникает достаточное падение давления, эти контрольные клапаны работают в режиме подсоса, или дросселирования. При переработке природного газа такое понижение давления через клапан приводит к понижению температуры без отвода от газа тепла или работы. Этот так называемый изоэнтальпийный процесс расширения известен так же, как охлаждение Джоуля-Томпсона (ДТ). Клапан, создающий такое понижение давления, называют клапаном ДТ. Эффект охлаждения через клапан ДТ используют для конденсации части потока природного газа таким образом, чтобы сжиженную фракцию можно было отделить в каком-либо аппарате. Для большей части этих разделительных аппаратов движущей силой является либо инерция, либо сила тяжести, или, иными словами, массы сжиженных капель определяют эффективность разделения. Такой низкотемпературный сепаратор (НТС) с расположенным перед ним дросселирующим клапаном обычно называют системой ДТ-НТС.
Даже хотя основной функцией клапана ДТ является регулирование скорости потока, часто забывают, что другой его функцией является создание способной отделяться жидкой фазы. В газоперерабатывающей промышленности средний размер капелек, образующихся в результате изоэнтальпийного расширения в клапане ДТ, не известен, а отсюда в значительной степени не известна и эффективность разделения в расположенных после клапана (по ходу процесса) сепараторах. И, действительно, время от времени возникают проблемы, связанные с качеством газа, причиной которых является неоптимальная эффективность разделения. В этих случаях часто показателем тенденции углеводородных капелек иметь слишком малые размеры является сохранение слишком высокой точки росы углеводородов.
В международной патентной заявке WO 2004/001260 и патентах США 4384592 и 4671321 раскрыты дросселирующие клапаны, которые оборудованы закручивающими средствами, которые создают завихрения в проходящем через клапан потоке текучей среды.
Клапаны, известные из патентов США 4384592 и 4671321, снабжены перфорированными рукавами, в которых перфорации имеют разные ориентации относительно центральной оси рукава, вследствие чего в проходящем через клапан струйном потоке возникает множество завихрений, которые могут быть противоположно закрученными и выполняют функцию шумоподавителей.
Клапан, известный из международной патентной заявки WO 2004/001260, оборудован стержнем клапана, который ограничивает струйную циклонную камеру, имеющую как тангенциальные, так и нетангенциальные входы. Если клапан полностью или почти полностью открыт, текучая среда протекает только через тангенциальные входы, не создавая закручиваний в струйном потоке. Если же клапан почти закрыт, текучая среда протекает только через нетангенциальные входы, порождая завихрения и сопротивление потоку, а также уменьшая эрозионный и кавитационный износ клапанного механизма.
В патентах США 4055961 и 4544390 и международной патентной заявке WO 2004083691 раскрыты дросселирующие клапаны, в которых в результате эффекта Джоуля-Томпсона происходит конденсация газообразных компонентов.
Проблема известных клапанов Джоуля-Томпсона и других известных дросселирующих клапанов состоит в том, что размер сконденсированных капелек, как правило, мал, вследствие чего возникает эмульсионный режим потока, из которого невозможно легко отделить жидкую и газообразную фазы.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является разрешение названной проблемы и предложение дросселирующего клапана, в котором могут образовываться капельки жидкости более крупные, чем в известных дросселирующих клапанах.
Согласно изобретению, предлагается дросселирующий клапан, имеющий кожух, корпус клапана, который подвижно размещен в кожухе для регулирования расхода потока текучей среды, протекающей от входного канала для жидкой среды в выходной канал для текучей среды клапана таким образом, что поток текучей среды расширяется и охлаждается, и закручивающие средства, которые придают вихревое движение текучей среде, протекающей через выходной канал для текучей среды, отличающийся тем, что закручивающие средства ориентированы таким образом, что, если клапан полностью открыт, текучая среда закручивается относительно продольной оси выходного канала для текучей среды, заставляя тем самым капельки жидкости, которые образуются при расширении вдоль направления потока клапана, закручиваться в направлении внешнего периметра выходного канала для текучей среды и сливаться (коалесцировать).
Дросселирующий клапан может включать в себя по существу конический центральный корпус, который расположен в выходном канале для текучей среды и который является в значительной степени коаксиальным с центральной осью выходного канала для текучей среды, и который при этом образует канал для текучей среды с постепенно увеличивающейся площадью поперечного сечения в направлении потока, вследствие чего возникает вихрь с фактором закручивания, который стимулирует рост и слияние капелек сконденсированной текучей среды.
Клапан, кроме того, может иметь перфорированный рукав, через который текучая среда протекает от входного канала для текучей среды в выходной канал для текучей среды. В процессе работы корпус клапана обеспечивает возможность текучей среде протекать от входного канала для текучей среды в выходной канал для текучей среды, а закручивающие средства выполняются в виде расположенных с интервалами продольно и по окружности рукава перфораций, которые, по меньшей мере, частично имеют тангенциальную ориентацию относительно продольной оси рукава, в результате чего при работе клапана поток текучей среды вынужден закручиваться относительно продольной оси выходного канала текучей среды.
Центральные оси, по меньшей мере, нескольких перфораций могут пересекаться с продольной осью рукава на выбранном расстоянии D и под выбранным острым углом от 0 до 90 градусов, а внутренняя поверхность перфорированного рукава может быть расположена на радиусе R от продольной оси рукава так, чтобы отношение расстояния D к радиусу R составляло от 0,2 до 1, предпочтительно от 0,5 до 0,99.
Клапаном может быть клапан Джоуля-Томпсона, имеющий, по существу, трубчатый канал для текучей среды и корпус клапана, включающий в себя поршень, способный перемещаться в существенно продольном направлении по выходному каналу для текучей среды, а перфорированный рукав может быть закреплен на поршне таким образом, что существенно кольцеобразный выходной конец входного канала для текучей среды, по меньшей мере, частично охватывает перфорированный рукав, в результате чего, когда корпус клапана находится в полностью открытом состоянии, по меньшей мере, часть текучей среды вынуждена протекать от входного канала для текучей среды через нерадиальные перфорации в перфорированном рукаве в выходной канал для текучей среды.
Согласно изобретению, предлагается способ увеличения размеров капелек в потоке многофазной текучей среды, включающем в себя капельки жидкости и несущую текучую среду, протекающем через выводную секцию дросселирующего клапана, в которой закручивающие средства придают закрученное движение текучей среде, протекающей через выходной канал для текучей среды, отличающийся тем, что существующее в дросселирующем клапане свободное давление используется для изоэнтальпийного расширения с целью создания закрученного течения в потоке текучей среды, протекающей через выходной канал клапана, заставляя капельки жидкости закручиваться в направлении внешнего периметра выходного канала для текучей среды и сливаться в более крупные капельки жидкости.
Текучей средой может быть либо 1) преимущественно газообразный носитель с жидкой фазой, либо 2) преимущественно жидкий носитель с несмешивающейся жидкой и/или газообразной фазой. Примером варианта 1) является способ низкотемпературного разделения с помощью клапана Джоуля-Томпсона, в который подается поток природного газа с жидкой фракцией конденсатов: воды и гликоля. Примером варианта 2) является способ стабилизации конденсата с помощью дросселирующего клапана, в который подается поток конденсата с жидкой фракцией воды и/или гликоля.
Эти и другие признаки, цели и преимущества дросселирующего клапана и способ согласно настоящему изобретению станут более очевидными из прилагаемой формулы изобретения, реферата и описания одного из вариантов осуществления дросселирующего клапана согласно настоящему изобретению, в котором делаются ссылки на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А описывает продольный вид в разрезе дросселирующего клапана согласно настоящему изобретению.
Фиг.1В описывает в увеличенном масштабе вид в поперечном сечении выходного канала дросселирующего клапана на фиг.1А.
Фиг.1C иллюстрирует закрученное движение потока текучей среды в выходном канале дросселирующего клапана на фиг.1А и 1В.
Фиг.1D иллюстрирует концентрирование капелек жидкости на внешнем периметре выходного канала дросселирующего клапана на фиг.1А и 1В.
Фиг.2А описывает продольный вид в поперечном сечении традиционного дросселирующего клапана.
Фиг.2В описывает в увеличенном масштабе вид в поперечном сечении выходного канала на фиг.2А.
Фиг.2С иллюстрирует неупорядоченное движение потока текучей среды в выходном канале традиционного дросселирующего клапана на фиг.2А и 2В.
Фиг.2В иллюстрирует равномерный режим потока с небольшими капельками жидкости в выходном канале традиционного дросселирующего клапана на фиг.2А и 2В.
Осуществление изобретения
Вариант осуществления дросселирующего клапана согласно настоящему изобретению, показанный на фиг.1А-D, имеет геометрию клапана, способного усиливать процесс слияния капелек, образующихся при расширении вдоль маршрута потока клапана Джоуля-Томпсона или другого дросселирующего клапана. Эти более крупные капельки отделяются лучше, чем они бы отделялись в традиционном клапане Джоуля-Томпсона или других дросселирующих клапанах.
Клапан, показанный на фиг.1А, имеет кожух 1 клапана, в котором корпус 2 клапана поршневого типа и связанный с ним перфорированный рукав 3 подвижно размещены таким образом, что при вращении зубчатого колеса 4 на оси 5 клапана зубчатый поршневой шток 6 заставляет корпус клапана поршневого типа совершать возвратно-поступательное движение в выходном канале 7 для текучей среды, что иллюстрируется стрелкой 8. Клапан имеет выходной канал 9 для текучей среды, у которого имеется кольцеобразная выходная секция 9А, которая может охватывать поршень 2 и/или перфорированный рукав 3, а поток текучей среды, который при этом может течь от входного канала 9 для текучей среды в выходной канал 7 для текучей среды, регулируется осевым положением корпуса 2 клапана поршневого типа и соединенного с ним перфорированного рукава 3. Клапан, кроме того, имеет конический центральный элемент 15, который в существенной степени коаксиален центральной оси 11 выходного канала 7 для текучей среды и с помощью которого в выходном канале 7 площадь поперечного сечения постепенно увеличивается в направлении потока, следствием чего является контролируемое замедление потока текучей среды в выходном канале 7 и завихрение с фактором закручивания, который стимулирует рост и слияние капелек сконденсированной текучей среды.
Фиг.1В иллюстрирует то, что в дросселирующем клапане согласно изобретению перфорированный рукав 3 имеет наклонные, или нерадиальные, перфорации 10, которые просверлены в выбранной частично тангенциальной ориентации относительно центральной оси 11 выходного канала 7 для текучей среды таким образом, что продольная ось 12 каждой из перфораций 10 пересекает центральную ось 11 на расстоянии D, отношение которого к внутреннему радиусу R рукава 3 составляет от 0,2 до 1, преимущественно от 0,5 до 0,99.
Наклонные перфорации 10 создают закрученное течение в потоке текучей среды, протекающей через выходной канал 7 для текучей среды, что иллюстрируется стрелкой 14. Закрученное движение может быть также создано специальной геометрией запорного устройства клапана или стержня клапана. Имеющееся в клапане согласно изобретению свободное давление используется для изоэнтальпийного расширения с целью создания закрученного течения в потоке текучей среды. Затем кинетическая энергия рассеивается главным образом в результате гашения завихрений вдоль длины трубы, отходящей от клапана по ходу потока.
Фиг.1C и 1D иллюстрируют двойную выгоду от создания закрученного течения в выходном канале клапана.
1. Упорядоченная скоростная схема -> меньше сдвиг на поверхностях раздела -> меньше разбиение капелек -> более крупные капли.
2. Концентрирование капелек на внешней окружности 7А проходного сечения выходного канала 7 для текучей среды -> высокая численная плотность -> улучшенная коалесценция -> более крупные капли 18.
Хотя для создания закрученного течения подошел бы любой клапан Джоуля-Томпсона или воздушный и/или дросселирующий клапан какого-либо другого типа, предпочтительно использовать дросселирующий клапан с воздушной заслонкой, поставляемый Mokveld Valves B.V. и раскрытый в их международной патентной заявке WO 2004083691.
Фиг.2А-2D иллюстрируют традиционный клеточный клапан для регулирования скорости потока, поставляемый Mokveld Valves B.V., в котором поток текучей среды дросселируется, проходя через перфорированный рукав 23, который соединен с корпусом 22 клапана поршневого типа.
Традиционный дросселирующий клапан Mokveld, показанный на фиг.2А, имеет кожух 21 клапана, в котором подвижно размещен корпус 22 клапана поршневого типа и связанный с ним рукав 23 таким образом, что при вращении зубчатого колеса 24 на оси 25 клапана зубчатый поршневой шток 26 заставляет корпус клапана поршневого типа совершать возвратно-поступательное движение в выходной канале 27 для текучей среды, что иллюстрируется стрелкой 28. Клапан имеет входной канал 29 для текучей среды, у которого имеется кольцеобразная выходная секция 29А, которая может охватывать поршень 22 и/или перфорированный рукав 23, а поток текучей среды, который при этом может течь от входного канала 29 для текучей среды в выходной канал 27 для текучей среды, контролируется осевым положением корпуса 22 клапана и соединенного с ним перфорированного рукава 23.
Традиционный рукав 23 имеет перфорации 30 (прорези или отверстия), которые имеют радиальную ориентацию, т.е. расположены под прямым углом к цилиндрической поверхности рукава 23. Проходное сечение можно регулировать, перемещая поршень 22 и рукав 23 в осевом направлении.
Как иллюстрируется на фиг.2С, схема потоков в клеточном клапане с радиальными отверстиями очень неупорядочена, вследствие чего возникают большие силы сдвига, которые заставляют капельки разбиваться на более мелкие капельки.
Расчеты, иллюстрирующие влияние закручивания потока на размер капелек
Приведенные ниже расчеты иллюстрируют влияние закрученного движения на поток в эмульсионном режиме в выходном канале 7 для текучей среды на слияние и рост капелек жидкости.
Расчеты проводятся только в качестве примера и не ограничивают способ и дросселирующий клапан согласно настоящему изобретению применением какой-либо научной теории.
tan
В предположении, что клапан работает в условиях подсоса, средняя скорость тангенциального входа (U) текучей среды должна быть близкой к 150 м/с. Для типичного диаметра (D) клетки, равного 80 мм, напряженность вихря Г должна быть равной:
L
G
3
3
-7
2
2
Для определения того, в каком радиальном положении капелька с диаметром d=1 µm и плотностью ρ=650 кг/м будет вращаться в вихре газообразной текучей среды с плотностью ρ=650 кг/м, вязкостью ν=2-10 м/с и интенсивностью стока Q=4 м/с, используется следующее выражение:
eq
eq
В предположении, что >>99% всей массы жидкости представлено капельками с d≥1 µм, эта масса концентрируется в проходном сечении за пределами радиуса R=25 мм. Проходное сечение в клетке за пределами R=25 мм составляет 61% от общей площади проходного поперечного сечения. Численная плотность капельки (N) в этом случае увеличивается в 1,67 раза в сравнении с незакрученным потоком.
Базовой формулой для числа соударений между капельками одного и того же размера, согласно Chesters, является следующая:
col
3
где N обозначает число соударений, которые происходят за одну секунду в 1 м,
3
N обозначает число капелек в 1 м,
rel
U обозначает относительную скорость между капельками,
d обозначает диаметр капельки = 2r (радиус),
1
k обозначает константу порядка 1.
2
Поскольку N в закрученном потоке увеличена в 1,67 раза, скорость соударения капелек увеличивается в 1,67=2,8 раза.
rel
Относительная скорость (u) между капельками определяется:
1) броуновским движением,
2) турбулентным движением,
3) центробежным дрейфом.
Необходимый для слияния капелек размер лежит в пределах 1≤d≤5 µм. Для такого диапазона размеров в относительной скорости преобладает турбулентное движение. Броуновским движением можно пренебречь, потому что молекулярное столкновение не должно влиять на капельки размером 1 µм. Хотя центробежный дрейф усиливает относительное движение капелек в закрученных потоках, им все же можно пренебречь, так как более доминирующим движущим фактором является турбулентность.
3
125
Эффективность слияния может быть выражена в виде времени, в течение которого капелька увеличивается в размере. Капелька с d=1 µм не отделяется в обычных гравитационных или центробежных сепараторах. Чтобы она стала отделяемой, необходимо, чтобы ее диаметр был увеличен минимум в 5 раз. Для того чтобы увеличить диаметр капельки в 5 раз, должно произойти 5=125 столкновений. Минимальное необходимое время удерживания, позволяющее капельке столкнуться 125 раз с другими каплями (t) определено в приведенной ниже таблице. В приведенных уравнениях для времени слияния в качестве движущей силы в расчет принимается только турбулентное движение.
Таблица 1
Масштаб времени коалесценции для закрученного и незакрученного потоков
Незакрученное
Закрученное
<img file="00000004.tif" he="11" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />Минимальное необходимое время удерживания для создания при слиянии в 5 раз большей капельки
2,7 сек
0,2 сек
<img file="00000005.tif" he="11" wi="29" img-content="undefined" img-format="tif" />
9,192*10<sup>-13</sup>
6,5*10<sup>-12</sup>
Численная плотность при t<sub>o</sub> (N<sub>o</sub>)
1*10<sup>14</sup> м<sup>-3</sup>
1,67*10<sup>14</sup> м<sup>-3</sup>
Диаметр капельки (d)
1 µм
1 µм
Турбулентное рассеяние (∈)
1.10<sup>5</sup> м<sup>2</sup>/c<sup>3</sup>
1.10<sup>5</sup> м<sup>2</sup>/c<sup>3</sup>
Кинематическая вязкость (ν)
2.10<sup>-7</sup> м<sup>2</sup>/с
2.10<sup>-7</sup> м<sup>2</sup>/c
Константа (С) (Saffman & Turner)
1,3
1,3
Необходимый масштаб длины (L<sub>125</sub>) (осевая скорость = 10 м/с)
27 м
2 м
В первом приближении влияние закручивания потока на слияние капелек показывает решительное улучшение скорости слияния в результате турбулентности потока. Для пятикратного увеличения капелек, благодаря чему они становятся отделяемыми в традиционном сепараторном аппарате, в случае закрученного потока необходим масштаб длины, равный 2 м, в то время как для незакрученного потока необходимы 27 м.
Как иллюстрируется на фиг.1D, наличие в дросселирующем клапане согласно изобретению закрученного движения концентрирует капельки 18 в уменьшенном проходном сечении 7А на внешней границе (61% от всего сечения) выходного канала 7 для текучей среды, вследствие чего происходит увеличение численной плотности капельки приблизительно в 1,67 раза. Кроме того, скорость турбулентного рассеяния в вихревом ядре велика благодаря высокой тангенциальной скорости.
Нетрудно понять, что создание крупных капелек жидкости в выходном канале 7 дросселирующего клапана согласно изобретению должно облегчить разделение жидкой и газовой фаз в устройстве для разделения текучих сред, который может быть расположен после дросселирующего клапана. Такое последующее устройство для разделения текучей среды может включать в себя аппараты для гравитационного и/или циклонного разделения.
Текучая среда может быть либо 1) преимущественно газообразным носителем с жидкой фазой, либо 2) преимущественно жидким носителем с несмешивающейся жидкой и/или газообразной фазой. Примером варианта 1) является способ низкотемпературного сепаратора с клапаном Джоуля-Томпсона, куда поступает поток природного газа с жидкой фракцией конденсатов - воды или гликоля. Примером варианта 2) является процесс стабилизации конденсата с дросселирующим клапаном, куда поступает поток конденсата с жидкой фракцией воды и/или гликоля.