САМОАДАПТИРУЮЩИЙСЯ СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ
SELF-ADAPTING METHOD OF LOW TEMPERATURE SEPARATION OF GAS MIX

Изобретение относится к способам низкотемпературного разделения газовых смесей, которые можно использовать как для разделения природных нефтяных газов, так и газовых смесей любого состава.
Задачей настоящего изобретения является разработка нового способа низкотемпературного разделения потока газовых смесей с минимальными эксплуатационными затратами при сохранении высокой степени разделения газовой смеси любого состава.
Известны способы разделения природных и нефтяных газов, включающие сжатие исходного газа, ступенчатое охлаждение, сепарацию, в которых в качестве хладагентов или одного из хладагентов используют обратные потоки, то есть охлажденные выделенные газовые фракции (см. авт.св. СССР на изобретения №№732637, 798443).
Данные способы позволяют сравнительно снизить энергетические затраты за счет использования холода обратных потоков разделенных газовых компонентов в сравнении со способами, в которых используют специальные хладагенты. Однако процесс охлаждения идет в теплообменниках, которые используют в большом количестве для достижения эффективности разделения газовых смесей. Это существенно увеличивает эксплуатационные, капитальные и энергетические затраты, снижая эффективность способов.
Известен способ разделения углеводородных газов путем низкотемпературной ректификации, в котором конденсацию газов из смеси производят с помощью их контактирования в противотоке с низкотемпературным не растворимым в них хладоносителем (см. авт.св. СССР №132246 на изобретение «Способ разделения углеводородных газов». Дата приоритета от 16.01.1960).
Данный способ протекает в условиях контактирования паровой и жидкой фаз с низкотемпературным нерастворимым в последних хладоносителем под высоким давлением. Способ позволяет сократить количество теплообменной аппаратуры за счет осуществления процесса теплообмена путем непосредственного контактирования хладоносителя и разделяемой смеси. Однако использование специально приготовленного хладоносителя, конденсационных колонн не позволяет существенно снизить капитальные и энергетические затраты, существенно снижая эффективность данного способа.
Известен способ разделения воздуха низкотемпературной ректификацией, включающий охлаждение потока воздуха при теплообмене с продуктами разделения, отбор несбалансированного потока воздуха, часть которого конденсируют при теплообмене с жидким кислородом и подают на ректификацию (см. авт.св. СССР №783539 на изобретение «Способ разделения воздуха низкотемпературной ректификацией». Дата приоритета от 30.01.1979).
Данный способ основан на прямом контактировании в противотоке разделяемого газа с хладагентом, являющимся охлажденным продуктом разделения. При этом способ осуществляют с использования теплообменников и ректификационных колонн, что не позволяет существенно снизить капитальные и энергетические затраты, существенно снижая эффективность данного способа.
Анализ отобранной в процессе поиска информации позволил выявить наиболее близкое техническое решение способа низкотемпературного разделения попутного (природного) газа, в котором хладагент, содержащий соединения, входящие в состав исходного газа, перед сжатием смешивают с исходным газом, сжатую смесь или ее часть многоступенчато охлаждают, после одного из процессов охлаждения из смеси отбирают жидкую фазу, которую или часть которой используют в качестве хладагента или в составе хладагента в одном из процессов охлаждения, при этом хладагент дросселируют, нагревают, частично или полностью испаряют и затем смешивают с исходным газом (см. патент РФ №2272972 на изобретение «Способ низкотемпературного разделения попутного (природного) газа». Дата приоритета от 28.01.2004. МПК F25J 1/02. Прототип).
Известный способ предлагает использовать хладагент, содержащий компоненты исходного газа, а также продукт конденсации после охлаждения. Но основное низкотемпературное разделение осуществляют с использованием большого количества теплообменной аппаратуры. Это усложняет как процесс разделения, так и увеличивает капитальные и энергетические затраты на разделение газов, существенно снижая эффективность данного способа.
Таким образом, известные способы низкотемпературного разделения газовых смесей не обеспечивают высокую эффективность способов за счет высоких капитальных и энергетических затрат.
Заявляемый в качестве изобретения способ позволяет достичь нового технического результата - повышение экономической эффективности способа низкотемпературного разделения газовых смесей путем сокращения капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат с обеспечением высокой степени разделения газовых смесей любого состава.
Следующая совокупность существенных признаков характеризует сущность предлагаемого в качестве изобретения технического решения и способствует достижению нового технического результата.
Способ низкотемпературного разделения газовой смеси на компоненты, содержащий подачу в исходную газовую смесь хладагента, ступенчатое охлаждение смеси и выделение газовых компонентов, при котором низкотемпературный хладагент является частью жидкой фазы газового компонента после одной из стадий охлаждения, отличающийся тем, что выделение компонентов осуществляют из потока газовой смеси путем прямого введения на каждой стадии охлаждения непосредственно в поток газовой смеси низкотемпературного хладагента, являющегося продуктом разделения газовой смеси, полученным на каждой стадии охлаждения смеси и выделения компонентов, при этом часть каждого полученного продукта разделения доохлаждают с использованием внешнего холода, после которого возвращают напрямую на все стадии охлаждения газовой смеси и выделения газовых компонентов, причем поток газовой смеси, прошедший все стадии охлаждения и выделения компонентов, доохлаждают с использованием внешнего холода и возвращают напрямую на предыдущие стадии охлаждения смеси и выделения компонентов, образуя многократные циклы движения и охлаждения потока газовой смеси.
Для достижения результата в предлагаемом изобретении:
- хладагент может быть однокомпонентным и/или более низкокипящим газом, являющимся смесью выделенных жидких газовых компонентов.
- жидкую фазу газа, извлеченную при более низких температурах, чем температура ее кипения, возвращают на более ранние стадии охлаждения в качестве хладагента.
Итак, анализ выявленной информации о существующем уровне техники в области низкотемпературного разделения газовых смесей и сущность предложенного изобретения показали, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение способа отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Существенные отличительные признаки предлагаемого изобретения: «выделение компонентов осуществляют из потока газовой смеси путем прямого введения на каждой стадии охлаждения непосредственно в поток газовой смеси низкотемпературного хладагента, являющегося продуктом разделения газовой смеси, полученным на каждой стадии охлаждения смеси и выделения компонентов» позволяют использовать напрямую холод от полученных продуктов разделения, что и делает возможным исключить большое количество холодильного оборудования.
Существенный отличительный признак:
«часть каждого полученного продукта разделения доохлаждают с использованием внешнего холода, после которого возвращают на все стадии охлаждения газовой смеси и выделения газовых компонентов» совместно с вышеуказанным признаком, обеспечивает в способе необходимую температуру конденсации за счет использования холода выделенных компонентов и повышение концентрации каждого компонента на соответствующей стадии охлаждения и выделения. При этом внешний холод (холодильное оборудование) используется только в конце технологического процесса охлаждения и разделения на компоненты, этого достаточно. Поскольку именно прямое введение в поток газовой смеси продуктов разделения (путем распыления) в качестве низкотемпературного хладагента обеспечивает не только необходимую температуру конденсации компонентов, но и повышение их концентрации (доизвлечение).
Существенный отличительный признак: «причем поток газовой смеси, прошедший все стадии охлаждения и выделения компонентов, доохлаждают с использованием внешнего холода и возвращают на предыдущие стадии охлаждения смеси и выделения компонентов, образуя многократные циклы движения и охлаждения потока газовой смеси»,- обеспечивает многократное охлаждение потока газовой смеси до необходимых температур конденсации и концентрации газовых компонентов, входящих в смесь. Это позволяет начать процесс (запуск способа) охлаждения, конденсации и выделения компонентов из смеси при минимальном использовании внешнего холода, только в конце технологического процесса, что обеспечивает достижение поставленного технического результата.
Существенные отличительные признаки «хладагент может быть однокомпонентным и/или более низкокипящим газом, являющимся смесью выделенных жидких газовых компонентов» и «жидкую фазу газа, извлеченную при более низких температурах, чем температура ее кипения, возвращают на более ранние стадии охлаждения в качестве хладагента» также способствует получению технического результата.
Это объясняется тем, что подлежащие выделению из газовой смеси компоненты не сразу выделяются при прохождении потока газовой смеси через стадии охлаждения и разделения, а по мере увеличения концентрации каждого компонента при соответствующей его температуре кипения, что достигается многократным охлаждением газовой смеси и поступлением прямо в поток продуктов разделения, являющихся хладагентом.
Поэтому в начале процесса охлаждения и разделения на компоненты получают смеси выделенных газовых компонентов соответственно с разными температурами кипения (высоко- и низкокипящие газовые компоненты) с преимущественным преобладанием соответствующего каждой стадии охлаждения (температуре кипения) компонента. А по мере увеличения циклов охлаждения газовой смеси с прямым введением в смесь продуктов разделения происходит увеличение концентрации компонентов на соответствующих стадиях охлаждения и выделения, соответственно начинает максимально преобладать соответствующий каждой стадии охлаждения компонент, который может быть практически без примесей остальных компонентов.
Таким образом, способ разделения газовой смеси основан на прямом введении (впрыск) хладагента в газовую смесь, включая однокомпонентное охлаждение конечным продуктом и/или более низкокипящим газом, являющимся смесью выделенных жидких газовых компонентов (веществ). Способ разделения газовой смеси характеризуется тем, что жидкая фаза газа, извлеченная при более низких температурах, чем температура ее кипения, возвращается на более ранние стадии процесса и служит в роли хладагента.
Следовательно, использование в качестве низкотемпературного хладагента самих продуктов разделения газовой смеси и их прямое контактирование с потоком газовой смеси на всех стадиях охлаждения и выделения компонентов позволяет существенным образом минимизировать эксплуатационные и энергетические затраты на охлаждение смеси и разделение ее на компоненты за счет минимального использования внешнего холода (холодильного оборудования).
Следовательно, предлагаемая совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
В ходе проведенного заявителем поиска информации в области низкотемпературного разделения газовых смесей обнаружены отдельные существенные отличительные признаки заявленного изобретения, а именно использование хладагента, жидкой фазы газового компонента, полученного в процессе охлаждения смеси. Однако неизвестна совокупность существенных отличительных признаков.
Именно совокупность существенных отличительных признаков позволяет получить новый технический результат - повышение экономической эффективности способа низкотемпературного разделения газовых смесей путем сокращения капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат с обеспечением высокой степени разделения газовых смесей любого состава.
Следовательно, предлагаемое изобретение обладает таким критерием патентоспособности как «изобретательский уровень».
Сущность технического решения, предлагаемого в качестве изобретения, поясняется с помощью нижеприведенного примера и нижеуказанного чертежа, где на чертеже схематично изображен способ разделения газовой смеси в поточном движении.
Способ низкотемпературного разделения газовой смеси осуществляют при поточном движении газовой смеси 1 и можно его пояснить на следующей схематично изображенной системе 2.
Исходная газовая смесь 1 может быть как двухкомпонентной, так и многокомпонентной. На чертеже 1 показано низкотемпературное разделение газовой смеси 1, состоящей, например, из трех компонентов А, В, С с разными температурами кипения (условный газ).
В системе 2, предназначенной для охлаждения, конденсации и разделения газовой смеси 1 на компоненты при их температуре кипения, установлены устройства 3 для разделения, например сепараторы. Сепараторы - обычное стандартное промышленное оборудование.
Необходимое количество устройств 3 для разделения определяется количеством выделяемых компонентов. Устройства 3 делят пространство системы 2 на раздельные секции, соответствующие стадиям 4, 5, 6 охлаждения и конденсации газовых компонентов. На чертеже показаны три стадии 4, 5, 6, соответствующие трем условным компонентам А, В, С исходной смеси 1.
Для извлечения компонентов из смеси 1 используют, например, пропускные мембраны (стандартное промышленное оборудование).
В конце системы 2 устанавливают внешнее холодильное оборудование 7, стандартное, промышленно выпускаемое. Выход 8 системы 2 служит для удаления отработавшей смеси 1, то есть после максимального извлечения из нее компонентов А, В, С.
Для регулирования скорости потока газовой смеси 1 используют промышленно выпускаемые проточные двигатели (не показаны). Принцип их действия основан на увеличении или уменьшении скорости потока смеси 1 при изменении состава смеси 1 (концентрации компонентов).
Управление процессом разделения газовой смеси 1 в системе 2 автоматизировано и осуществляется с помощью промышленного компьютера (не показан). В него вводят необходимые для выделения каждого компонента данные, а именно температуры кипения газовых компонентов А, В, С, входящих в состав смеси 1, которые необходимы на каждой стадии охлаждения и выделения соответствующего компонента.
Способ осуществляют следующим образом.
Исходную газовую смесь 1 с заданной скоростью подают потоком в систему 2 охлаждения и выделения газовых компонентов А, В, С.
Поток газовой смеси 1 проходит последовательно все стадии 4, 5, 6 охлаждения, включая устройства 3 для выделения компонентов. Затем поток 1 поступает во внешнее холодильное оборудование 7, где его охлаждают и возвращают напрямую в поток смеси 1 на предыдущие стадии 4, 5, 6 охлаждения и выделения компонентов А. В. С, образуя многократные циклы движения и охлаждения потока газовой смеси 1 (запуск способа). Это необходимо для запуска системы 2 с целью охлаждения смеси и выделения газовых компонентов путем достижения их температур кипения.
И так смесь 1 циклично двигается, пока не охладится до необходимых температур кипения каждого компонента А, B, С. В результате многократного движения и охлаждения потока смеси 1 на соответствующих стадиях 4, 5, 6 охлаждения начинают конденсироваться соответствующие компоненты А, В, С. Это позволяет собирать постепенно выделяющийся продукт разделения, газовый компонент, на каждой стадии.
Так на стадии 4 - это максимальное преобладание компонента C с растворенными в нем другими компонентами В и А, так как на этой стадии охлаждения поддерживают температуру кипения самого высококипящего компонента С.
На стадии 5 - это максимальное преобладание компонента В с растворенными в нем другими компонентами, остатками С, и компонентом А, так как здесь более низкая температура кипения и соответствует температуре кипения компонента В.
Соответственно на стадии 6 - это максимальное преобладание компонента А с растворенными в нем остатками компонентов В, С, так как здесь самая низкая температура кипения и соответствует температуре кипения компонента А.
Итак, извлеченные таким образом газы будут иметь состав:
С - чистый компонент с растворенными в нем газами А и В.
В - с примесями компонента С и с растворенным в нем газом А.
А - с примесями компонентов В и С.
Часть каждого продукта разделения отбирают в качестве готового продукта А1, B1, C1, а другую часть каждого продукта А2, В2, С2 направляют на внешнее холодильное оборудование 7 на дополнительное охлаждение. Затем каждую доохлажденную часть продукта разделения А2, В2, С2 направляют на все стадии охлаждения 4, 5, 6 и разделения прямым введением в поток смеси 1 (распыление) для осуществления прямого контактирования и соответственно охлаждения смеси 1. То есть используют в качестве низкотемпературного хладагента, а также для повышения концентрации выделяющихся компонентов (доизвлечение компонентов).
При этом смесь 1, из которой максимально извлечены газовые компоненты А, В, С, удаляют из системы 2 на выходе 8.
На каждой стадии охлаждения извлекают только те капли перешедшего в жидкость газа, которые можно извлечь; остальные, которые уходят дальше по системе 2, полезны в дальнейшем, так как их возвращают на охлаждение всех стадий процесса. В промежуточных стадиях перед точками кипения компонентов А и В происходит доизвлечение предыдущего компонента. Компонент С доизвлекается перед точкой кипения компонента В. Компоненты С+В доизвлекаются перед точкой кипения компонента А.
Способ разделения газовой смеси основан на прямом введении (впрыск) низкотемпературного хладагента в газовую смесь, включая однокомпонентное охлаждение конечным продуктом и/или более низкокипящим газом, являющимся смесью выделенных жидких газовых компонентов (веществ). Способ разделения газовой смеси характеризуется тем, что жидкая фаза газа, извлеченная при более низких температурах, чем температура ее кипения, возвращается на более ранние стадии процесса и служит в роли хладагента (в примере - компоненты С, В, извлеченные на следующих стадиях).
В результате соблюдения заданного для каждого компонента режима получают компоненты путем извлечения исключительно при их температурах «кипения».
Основной принцип данного способа разделения - это адаптация под любой «газ» независимо от его состава, что означает возможность низкотемпературного разделения газовой смеси любого состава (природные, нефтяные, производственно-бытовые, воздушные газы и т.п.) исключительно при их температурах «кипения».
Таким образом, в результате применения заявляемого способа достигается новый технический результат - повышение экономической эффективности способа низкотемпературного разделения газовых смесей путем сокращения капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат с обеспечением высокой степени разделения газовых смесей любого состава.
Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемое изобретение позволяет существенно сократить эксплуатационные, капитальные и энергетические затраты при сохранении высокой степени разделения газовых смесей любого состава, соответственно найдет применение не только в нефтегазовой промышленности, но и в химической, экологической очистке производственно-бытовых газов.