Устройство для глубокого охлаждения природного и попутного нефтяного газов
NATURAL AND ASSOCIATED PETROLEUM GASES DEEP COOLING DEVICE

Изобретение относится к области подготовки природного и попутного нефтяного газов перед подачей потребителю.
Известна установка для извлечения этана из смеси с метаном (патент №97277), содержащая абсорбер, отгонную секцию, десорбер, компрессор, насос, турбодетандер, ускоритель завихрения, зонт для формирования пленки жидкости-поглотителя, регулятор давления «до себя», холодильник, этановую и метановую линии. Основным элементом, обеспечивающим глубокое охлаждение метано-этановой смеси, является турбодетандер.
Недостатком технического решения является большое количество применяемого оборудования с высокой стоимостью и сложностью в эксплуатации и требует значительных увеличений капитальных и эксплуатационных затрат.
Близким по существу получения холодного потока газа является устройство по способу охлаждения газового потока, в котором охлаждение проводят двустадийно от 0°С до -20°С с микродозами воды, причем на первой стадии в вихревой трубке Ранка-Хилша с температур 20-24°С до температур от 10-14°С до 1-2°С при давлении газового потока на входе 1-4 атм и посредством сопла Лаваля до температур от 0 до -20°С на второй стадии (патент №2524871).
Недостатком данного технического решения является: низкое давление газа, ограничивающее создавать высокие перепады давления, следовательно - получать более низкую температуру газа; отсутствие элементов отвода «горячего потока», вследствие чего неиспользованное тепло «горячего потока» снижает эффективность технологии.
2+выс
Заявляемое изобретение решает задачу четкого отделения высокомолекулярных углеводородов, содержащихся в природном и попутном нефтяном газах от метана, благодаря глубокому охлаждению газа. Эффект сепарации достигается в оптимальном режиме, т.е. с минимальной затратой перепада давления и количества оборудования, чему способствует наличие каналов для своевременного отвода «горячего потоков», обеспечивающих отвод каждого из компонентов по мере перехода его в жидкое состояние - сначала в аппарате Ранка-Хилша, затем в сопле Лаваля, а также наличие наклонных поверхностей, увеличивающих поверхности контакта между абсорбентом и углеводородами С. Газообразный этан, который благодаря большему молекулярному весу, чем этан, в закручивающемся потоке сопла Лаваля занимает периферийную область, т.е. ближе к абсорбенту, стекающему по внутренней стенке корпуса, и поглощается им, что также способствует более четкому отделению этана от метана.
Устройство из последовательно соединенных между собой в одном корпусе трубки Ранка-Хилша и сопла Лаваля выполнено с каналами для подачи в область течения абсорбента, растекание и пристенное движение которого поддерживается наклонными плоскостями.
i
Сопло Лаваля содержит внутреннюю обойму в металлическом корпусе, выполненную из эластомера с винтообразными канавками, создающими центробежные силы, причем переменная высота подъема винта h соответствует соотношению
i
i
h=(πd⋅tgα),
i
i
где h - высота подъема винта,  мм; d - переменный диаметр проходного сечения сопла, мм; α - угол подъема винта, градусы.
Пример расчета высоты подъема винта
а) у входа в сопло (в расширенном интервале по среднему значению d)
1
h=(3,14*120⋅tg20)=137 мм,
б) в суженном интервале (по среднему значению) сопла
2
h=(3,14*88⋅tg20)=100 мм.
Суммарная длина сопла до максимального сужения
1
2
h=h+h=137+100=237 мм.
Высота винта до максимального сужения h=237 мм, следовательно, поток газа совершает два полных оборота.
i
При постоянном значении угла подъема винта высота подъема винта h по мере сужения канала уменьшается, что сопровождается ускорением радиального движения потока, следовательно, повышением его центробежной силы, оптимальная его величина устанавливается исходя из условия минимизации гидравлических потерь, которые возникают от вынужденного вращательного движения потока.
Техническим результатом изобретения является большее снижение температуры газа в устройстве в оптимальном режиме.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для глубокого охлаждения природного и попутного нефтяного газов, содержащем вихревую трубку Ранка-Хилша и сопла Лаваля, последовательно соединенных между собой в одном корпусе и представляющие две ступени охлаждения газа, согласно изобретению соединение ступеней охлаждения выполнено с образованием каналов для отведения пропан-бутановой фракции после первой ступени, а этана - после второй, а внутренняя стенка корпуса снабжена наклонными плоскостями для пристенного растекания абсорбента, увеличивающими поверхности контактов между взаимодействующими компонентами.
i
i
i
i
Вторая ступень охлаждения происходит в сопле Лаваля, который содержит внутреннюю обойму в металлическом корпусе, выполненную из эластомера с винтообразными канавками, причем переменная высота подъема винта h соответствует соотношению h=πd⋅tgα, где d - переменный диаметр проходного сечения сопла в данном сечении, мм; α - угол подъема винта, градусы. устройство также включает подачу абсорбента - охлажденного пропан-бутана, который поглощает жидкий и газообразный этан, тем самым повышает эффект разделения метана от этана.
Сущность изобретения поясняет приведенный чертеж на фиг. 1.
Устройство для глубокого охлаждения природного и попутного нефтяного газов содержит корпус 1, в котором помещены улитка 2 и сепарационная секция 3 трубки Ранка-Хилша; сопло Лаваля, технологически соединенное с трубкой Ранка-Хилша, включает корпус 4 и винтообразную обойму 5; патрубок 6 для образования кольцевого пространства 7 между патрубком и корпусом; тангенциальный ввод абсорбента 8; разливную наклонную поверхность 9; направляющий козырек 10; поддон для сбора жидкости 11; патрубок для отвода отделившихся от метана углеводородов (этана + высшие) 12; 13 и 14 - каналы для отвода отделившихся от метана углеводородов и подачи в область течения абсорбента. А-А - сечение наименьшего диаметра сопла Лаваля.
Устройство выполняет свое назначение в следующей последовательности. Сырой газ с линейной скоростью не менее 30 м/с поступает в улитку 2, где каждый компонент приобретает инерционные силы в соответствии с его плотностью, затем в сепарационной трубке 3 происходит их дифференциация на слои. Внешний слой имеет температуру выше первоначального, а внутренний - ниже. Внешний слой через верхний край трубки сепарационной секции поступает в поддон для сбора жидкости 11, чему способствует и сливающийся около стенки корпуса абсорбент. Охлажденный внутренний холодный поток далее поступает в сопло Лаваля 4, где дополнительно приобретает вращательное движение в винтовой обойме 5. По мере приближения потока к сечению наименьшего диаметра А-А, благодаря постепенному сокращению высоты подъема винта, возрастает ускорение потока, соответственно - и радиальные инерционные силы, отбрасывающие более тяжелый жидкий этан в периферийную область. В сопле Лаваля также происходит и температурное разделение на «холодный» и «горячий потоки». При этом «холодный поток», выработанный в сопле Лаваля, становится более охлажденным за счет передачи своего тепла «горячему потоку». К тому же, за счет закручивания путь движения газа в сопле Лаваля удлиняется, и, очевидно, процесс охлаждения газа становится более глубоким и стабильным.
После прохождения сопла Лаваля более тяжелые молекулы этана, приведенные в жидкое состояние, а заодно захваченные жидким потоком газообразные, преимущественно занимающие периферийные слои потока, смываются абсорбентом, стекающим по разливной наклонной плоскости 9.
Абсорбент, представляющий жидкий пропан-бутан, в кольцевое пространство между корпусом 1 и патрубком 6 подается через тангенциальный ввод 8 с тем, чтобы он растекался по всей внутренней поверхности корпуса, чему также способствует наклонный характер поверхностей 9 и 10. Для направления жидких фракций в область течения абсорбента имеются дополнительные каналы 13 и 14.
Изобретение направлено на извлечение высших углеводородов из смеси с метаном путем превращения высших углеводородов в жидкость, за счет использования разности молекулярных масс в поле инерционных сил и селективного поглощения этана жидким пропаном, как близким по своей природе компонентом, чем метан.
Превращение высших углеводородов в жидкость осуществляется путем охлаждения газа. Первую ступень охлаждения у нас представляет трубка Ранка-Хилша, вторую - сопло Лаваля. Возможность получения холода глубиной минус 50°С в предложенном устройстве, при котором 60…70% этана переходит в жидкое состояние, подтверждает следующий расчет первой ступени охлаждения.
Расчет вихревой камеры.
1
1
х
р
Рассчитать температуру охлаждения внутреннего холодного потока газа, поступающего в вихревую камеру температурой Т=15°С, давлением р=6,4 МПа. Давление холодного потока на выходе из вихревой камеры Р=1,6 МПа, средняя теплоемкость газа С=0,24 ккал/кг⋅°С; показатель адиабаты равен 1,4.
1
Если давление газа у входа, p задано (следовательно, известна степень расширения газа λ, то температурную эффективность η находим по формуле
x
s
где Δt - эффект охлаждения в вихревой камере; Δt - охлаждение при изоэнтропном расширении газа.
В вычислительных работах используем обобщенную характеристику вихревой камеры, составленной А.П. Меркуловым (фиг. 2).
Параметр η введен Р. Хилшем и выражается как отношение эффекта охлаждения в вихревой камере к эффекту охлаждения при изоэнтропном расширении газа с совершением внешней работы от параметров у входа.
1. Потребный эффект охлаждения для получения температуры газа минус 30 градусов составляет
x
1
x
Δt=T-T=15+30=45°С.
2. Задаемся относительным массовым расходом холодного потока μ, который для максимального охлаждения газа принимается μ=0,3.
3. По кривым фиг. 2 находим μ⋅η=0,15.
4. Вычисляем η=0,15/0,3=0,5.
5. Степень расширения газа в вихревой камере находим по формуле
где k - показатель адиабаты.
,
что согласуется с условием поставленной задачи.
Таким образом, пропустив газовую смесь через аппарат Ранка-Хилша, получили 0,3 доли газа с температурой минус 30 градусов. Эта доля газа, по логике центробежного разделения компонентов, состоит из метана и этана.
Дальнейшее их разделение требует большего их охлаждения, для чего предусмотрена вторая ступень - сопло Лаваля. В данном случае применение сопла Лаваля с винтообразной поверхностью помимо получения большого охлаждения газа обеспечивает и большие радиальные скорости газового потока, при котором молекулы этана, независимо от превращения этана в жидкость, центробежными силами будут отброшены в периферийную зону и сливаться в один поток с абсорбентом.