МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
MULTI-STAGE CYCLONE SEPARATOR FOR FLUID MEDIUM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к многоступенчатому циклонному сепаратору для текучей среды, к системе для сепарации жидкостей, к способу сепарации жидкостей из потока сжимаемой текучей среды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Использование циклонных сепараторов для текучей среды для извлечения газоконденсатных жидкостей (NGL) из природного газа является "установившейся практикой" в нефтегазодобывающей промышленности. NGL извлекаются, чтобы формировать добавочную стоимость, или вследствие определенных технических условий, которые должны удовлетворяться.
WO 03/029739A2 описывает циклонный сепаратор, содержащий трубчатую горловинную часть, в которой поток текучей среды ускоряется, возможно, до сверхзвуковой скорости и быстро охлаждается в результате адиабатического расширения. Быстрое охлаждение приводит к конденсации и/или затвердеванию конденсирующихся паров в потоке текучей среды в небольшие капли или частицы. Если поток текучей среды является потоком природного газа, исходящим из скважины добычи природного газа, то конденсирующиеся пары могут содержать воду, углеводороды, углекислый газ, сероводород и ртуть. Эти сепараторы, кроме того, содержат узел лопастей обеспечивающих завихрение во входной части выше по потоку относительно горловинной части, причем данная лопасть или лопасти наклоняются или формируют спираль относительно центральной оси горловинной части, чтобы создавать вихревое движение потока текучей среды в рамках сепаратора. Центробежные силы, проявленные посредством вихревого движения для смеси текучей среды, приводят к тому, что сжиженные и/или затвердевшие компоненты относительно высокой плотности завихряются к внешней периферии внутренней горловинной части и отводной секции выпуска, тогда как газообразные компоненты относительно низкой плотности концентрируются около центральной оси сепаратора.
Газообразные компоненты затем выпускаются из сепаратора в первичную центральную выпускную трубу, тогда как поток обогащенного конденсирующимися парами текучей среды выпускается из сепаратора во вторичный выпуск, который находится на внешней окружности отводной секции выпуска. Более подробное описание циклонного сепаратора приводится ниже со ссылкой на фиг.1.
Сверхзвуковой циклонный сепаратор для текучей среды, как подробнее описано ниже со ссылкой на фиг.1, содержит сепараторную камеру 5 расходящейся текучей среды (разделитель потока), чтобы отбирать и отделять текучие компоненты обогащенные конденсирующимися парами от текучих компонентов обедненных конденсирующимися парами. Состав отделенной жидкой смеси определяется посредством условия локального равновесия между газовой фазой и жидкой фазой при указанной температуре (T) и давлении (P) в циклонном сепараторе для текучей среды в позиции внешней вторичной выпускной трубы 6. Преимущество этого устройства разделения потока состоит в том, что оно налагает минимальное возмущение на поток, давая возможность восстановления максимального статического давления обоих потоков.
Тем не менее циклонный сепаратор для текучей среды, как описано со ссылкой на фиг.1, имеет некоторые недостатки, к примеру:
- объем удержанной жидкости в высокоскоростной секции (между горловинной частью 4 и сепараторной камерой 5 для текучей среды) является относительно высоким, поскольку первые капли должны уже осаждаться в или перед горловинной частью 4 и должны транспортироваться в сепараторную камеру 5 для текучей среды. Вдоль этого пути объем удержанной жидкости увеличивается и приводит к диссипативному взаимодействию между газовой фазой и жидкой фазой, тем самым ограничивая максимальную допустимую жидкостную нагрузку в циклонном сепараторе для текучей среды. Это, в частности, имеет место для более тяжелых газов, к примеру, попутных газов;
- жидкости с компонентами с относительно высокой точкой кипения должны главным образом формироваться около горловинной части 4, при этом жидкости с компонентами с относительно низкой точкой кипения должны главным образом формироваться около сепараторной камеры 5 для текучей среды; как результат, компоненты с высокой точкой кипения смешиваются с компонентами с низкой точкой кипения;
- в циклонном сепараторе для текучей среды могут формироваться гидраты, которые могут прилипать к стенке, тем самым уменьшая эффективность циклонного сепаратора для текучей среды;
- поток поступающего газа также может содержать частицы текучей среды и твердые частицы, которые могут отрицательно влиять на производительность циклонного сепаратора для текучей среды
- уровень расширения потока ограничивается, как только жидкости формируются, тем самым ограничивая общий объем жидкостей, которые могут формироваться.
WO 00/23757 описывает устройство для сепарации компонентов газовых смесей посредством разжижения, с использованием циклонного сепаратора для текучей среды. Согласно WO00/23757 устройство содержит более одного вторичного выпуска, расположенных в различных позициях вдоль центральной оси циклонного сепаратора для текучей среды после горловины. Позиции вторичных выпусков выбираются с учетом вычисленной точки росы различных компонентов, скорости потока газа и времени для прохождения капель конкретного компонента к стенке. Посредством выполнения этого различные сжиженные газообразные компоненты отделяются в различных вторичных выпусков. WO 00/23757 описывает фракционирование чистых углеводородных компонентов из смеси углеводородов в различных вторичных выпусков, расположенных в различных позициях вдоль центральной оси циклонного сепаратора для текучей среды после горловины. Тем не менее, чистота этих отделенных углеводородных фракций не является оптимальной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Задача состоит в том, чтобы обеспечить циклонный сепаратор для текучей среды и способ, которые преодолевают, по меньшей мере, один из вышеописанных недостатков.
Согласно аспекту предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий горловинную часть, которая размещается между секцией впуска сходящейся текучей среды и секцией выпуска расходящейся текучей среды,
- причем циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью продвигать циклонный поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды в направлении вниз по потоку,
- при этом секция выпуска расходящейся текучей среды содержит внутреннюю первичную выпускную трубу для текучих компонентов обедненные конденсирующимися парами и внешнюю вторичную выпускную трубу для текучих компонентов обогащенные конденсирующимися парами, при этом циклонный сепаратор для текучей среды содержит дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу, причем внешняя вторичная выпускная труба размещается в первой позиции вдоль центральной оси циклонного сепаратора для текучей среды, а дополнительная внешняя вторичная выпускная труба размещается во второй позиции вдоль центральной оси циклонного сепаратора для текучей среды.
Согласно дополнительному аспекту предусмотрена система для сепарации жидкостей из входной подачи, содержащей поток сжимаемой текучей среды, причем система содержит циклонный сепаратор для текучей среды, как описано выше, и ректификационную колонну, при этом:
- внешний вторичный выпуск, размещенный в первой позиции, соединяется с первым уровнем в рамках ректификационной колонны, и
- дополнительный внешний вторичный выпуск, размещенный во второй позиции, соединяется со вторым уровнем в рамках ректификационной колонны,
- причем первая позиция располагается выше по потоку относительно второй позиции, и первый уровень ниже второго уровня.
Согласно дополнительному аспекту предусмотрен способ сепарации жидкостей из потока сжимаемой текучей среды, при этом способ содержит:
- предоставление циклонного потока текучей среды в циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий секцию впуска сходящейся текучей среды, горловинную часть и секцию выпуска расходящейся текучей среды, соответственно,
- получение первого потока из внешнего вторичного выпуска в первой позиции вдоль центральной оси циклонного сепаратора для текучей среды, и
- получение третьего потока из внутренней первичной выпускной трубы, и
- получение второго потока из дополнительного внешнего вторичного выпуска во второй позиции вдоль центральной оси циклонного сепаратора для текучей среды.
Согласно дополнительному аспекту, предусмотрен способ для сепарации жидкостей из входной подачи, являющейся потоком сжимаемой текучей среды, причем система содержит систему охлаждения, циклонный сепаратор для текучей среды согласно вышеуказанному и сепараторную колонну, при этом:
- система охлаждения выполнена с возможностью принимать входную подачу и выводить предварительно охлажденную подачу в циклонный сепаратор для текучей среды,
- циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью принимать предварительно охлажденную подачу и формировать обогащенную конденсирующимися парами первую выходную подачу и обогащенную конденсирующимися парами вторую выходную подачу в направлении сепараторной колонны,
- сепараторная колонна выполнена с возможностью формировать верхнюю подачу сепараторной колонны,
- при этом система выполнена с возможностью направлять, по меньшей мере, часть верхней подачи сепараторной колонны в систему охлаждения, чтобы охлаждать входную подачу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления далее описываются, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, на которых соответствующие ссылочные обозначения указывают соответствующие части и на которых:
Фиг.1 схематично иллюстрирует вид в продольном сечении циклонного сепаратора,
Фиг.2a и 2b схематично иллюстрируют фазовую диаграмму,
Фиг.3, 4, 5 схематично иллюстрируют циклонный сепаратор для текучей среды согласно различным вариантам осуществления,
Фиг.6 и 7 схематично иллюстрируют циклонный сепаратор для текучей среды согласно варианту осуществления,
Фиг.8a и 8b схематично иллюстрируют циклонный сепаратор для текучей среды согласно двум вариантам осуществления,
Фиг.9 и 10 схематично иллюстрируют сепараторную систему согласно вариантам осуществления, и
Фиг.11, 12 схематично иллюстрируют циклонные сепараторы для текучей среды согласно дополнительным различным вариантам осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве примера фиг.1 иллюстрирует вид в продольном сечении сепаратора для текучей среды, который также может упоминаться как циклонный сепаратор, циклонный инерционный сепаратор, циклонный сепаратор для текучей среды.
Ссылаясь теперь на фиг.1, показан циклонный инерционный сепаратор, который содержит вихревое впускное устройство, содержащее грушевидный центральный корпус 1, на котором монтируется множество лопастей 2, обеспечивающих завихрение, и которое размещается коаксиально центральной оси I циклонного сепаратора и в циклонном сепараторе так, что путь 3 кольцевого потока создается между центральным корпусом 1 и кожухом 20 сепаратора.
Ширина кольцевого пространства 3 проектируется так, что площадь поперечного сечения кольцевого пространства постепенно сокращается ниже по потоку от лопастей 2, обеспечивающих завихрение, так что, при использовании, скорость текучей среды в кольцевом пространстве постепенно увеличивается и достигает сверхзвуковой скорости в местоположении ниже по потоку от лопастей обеспечивающих завихрение.
o max
n min
Циклонный сепаратор дополнительно содержит трубчатую горловинную часть 4, из которой, при использовании, завихренный поток текучей среды выпускается в сепараторную камеру 5 расходящейся текучей среды, которая оборудована центральной первичной выпускной трубой 7 для газообразных компонентов и внешней вторичной выпускной трубой 6 для текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами. Центральный корпус 1 имеет практически цилиндрическую продолговатую хвостовую секцию 8, на которой монтируется узел лопаток 19 выпрямляющих поток. Центральный корпус 1 имеет наибольшую внешнюю ширину или диаметр 2R, который превышает наименьшую внутреннюю ширину или диаметр 2R трубчатой горловинной части 4.
Трубчатая горловинная часть 4 содержит часть кольцевого пространства 3, имеющую наименьшую площадь поперечного сечения. Максимальный диаметр центрального корпуса 1 превышает минимальный диаметр трубчатой горловинной части 4.
Различные компоненты циклонного сепаратора, как показано на фиг.1, описываются ниже.
Лопасти 2, обеспечивающие завихрение, которые ориентированы под углом (α) относительно центральной оси I, создают циркуляцию в потоке текучей среды. Угол α может быть углом между 20° и 60°. Поток текучей среды затем принудительно протекает в область 3 кольцевого потока. Поверхность поперечного сечения этой области задается следующим образом:
annulus
outer
inner
2
2
A=π(R -R )
Причем последние два параметра являются внешним радиусом и внутренним радиусом кольцевого пространства в выбранном местоположении. Средний радиус кольцевого пространства в этом местоположении задается следующим образом:
mean
outer
inner
2
2
R=√[½( R +R )].
mean, max
φ=
x
При максимальном значении среднего радиуса R кольцевого пространства поток текучей среды протекает между узлом лопастей 2, обеспечивающих завихрение на скорости (U), причем эти лопасти отклоняют направление протекания потока текучей среды пропорционально углу отклонения (α), таким образом получая компонент тангенциальной скорости, который равняется UU*sin(α), и компонент осевой скорости U=U*cos(α).
mean, max
mean, min
В кольцевом пространстве 3 дальше по потоку относительно лопастей 2, обеспечивающих завихрение, завихренный поток текучей среды расширяется до высоких скоростей, при этом средний радиус кольцевого пространства постепенно сокращается с R до R.
Считается, что во время этого кольцевого расширения происходят два процесса:
2
(1) Нагрев или энтальпия (h) в потоке снижаются с объемом Δh=-1/2*U, тем самым конденсируя те составляющие потока, которые первыми достигают фазового равновесия. Это приводит к завихренному дисперсному потоку, содержащему небольшие жидкие или твердые частицы.
φ
(2) Компонент U тангенциальной скоростиувеличивается инверсно со средним радиусом кольцевого пространства практически в соответствии с уравнением:
φ,final
φ, initial
mean, max
mean, min
U=U*(R/R).
c
Это приводит к существенному увеличению центробежного ускорения частиц текучей среды (a), которое в завершение должно иметь следующий порядок:
c
φ,final
mean, min
2
a=(U /R)
В трубчатой горловинной части 4 поток текучей среды может принудительно дополнительно расширяться до более высокой скорости или поддерживаться на практически постоянной скорости. В первом случае конденсация является непрерывной, и частицы увеличивают массу. Во втором случае конденсация чаще всего прекращается после заданного времени релаксации. В обоих случаях центробежное действие приводит к тому, что частицы уходят к внешней окружности площади сечения потока, соседней с внутренней стенкой кожуха 20 сепаратора, которая называется областью сепарации. Интервал времени для ухода частиц к этой внешней окружности площади сечения потока определяет длину трубчатой горловинной части 4. Следует понимать, что частицы могут включать в себя твердые или затвердевшие частицы.
Дальше по потоку относительно трубчатой горловинной части 4 обогащенные конденсирующимися парами "мокрые" компоненты текучей среды имеют тенденцию концентрироваться рядом с внутренней поверхностью сепараторной камеры 5 расходящейся текучей среды, а "сухие" компоненты газообразной среды концентрируются на или около центральной оси I, после чего обогащенные "мокрыми" конденсирующимися парами "мокрые" текучие компоненты выпускаются во внешний вторичный выпуск 6 текучей среды через одну щель, ряд щелей или (микро)пористые части, тогда как "сухие" газообразные компоненты выпускаются в центральную первичную выпускную трубу 7 для текучей среды.
В первичной выпускной трубе 7 для расходящейся текучей среды поток текучей среды дополнительно замедляется так, что оставшаяся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию.
Первичная выпускная расходящаяся труба может быть оборудован узлом средства выпрямления потока, к примеру, лопастями 19 выпрямления потока, чтобы восстанавливать энергию циркуляции.
Термин "текучая среда" при использовании в данном документе означает жидкую, газовую фазу, а также комбинацию жидких и газовых фаз. Текучие среды, как задано здесь, также могут содержать твердые частицы.
Лопасти 2, обеспечивающие завихрение, могут заменяться другими подходящими устройствами сообщения завихрения. Например, лопасти 2, обеспечивающие завихрение, могут формироваться посредством предоставления тангенциального притока текучей среды.
Лопасти 9 выпрямления потока могут заменяться другими подходящими устройствами выпрямления потока.
Следует понимать, что циклонный сепаратор является практически симметричным вращательно относительно центральной оси I.
Следует подчеркнуть, что вышеописанный циклонный сепаратор является просто примером, и варианты осуществления, описанные ниже, также могут применяться в другом типе циклонных сепараторов, к примеру типе, поясненном в отношении WO00/23757.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг.2a схематично иллюстрирует фазовую диаграмму, показывающую кривую точек росы для углеводородной смеси. Фазовая диаграмма является диаграммой "давление-температура", показывающей различные фазы углеводородной смеси: жидкость L, газ G и смешанная фаза, содержащая жидкость и газ L+G. Линия, отделяющая смешанную фазу L+G от жидкости L, называется линией BP точек начала кипения. Линия, отделяющая смешанную фазу L+G от газа G, является линией DP точек росы. Линия точек росы и линия точек начала кипения пересекаются в критической точке CP.
Схематично, процесс, осуществляемый в циклонном сепараторе для текучей среды, указывается посредством линии A-B. Текучая среда поступает в циклонный сепаратор для текучей среды в газовой фазе (точка A) и проходит через фазовую диаграмму в точку B, в которой он является смесью жидкости и газа (точка B). Между точкой A и B, процесс пересекает линию DP точек росы, в которой начинается конденсация.
Здесь следует подчеркнуть, что фазовая диаграмма, как показано на фиг.2a, является типичной для текучей среды, являющейся смесью различных компонентов, к примеру, углеводородных компонентов. Состав смеси определяет позицию критической точки CP и позицию и форму линии BP точек начала кипения и линии DP точек росы.
Когда процесс проходит линию DP точек росы, поступая в область жидкости и газа L+G, должна формироваться жидкость. При понижении температуры T и понижении давления P, т.е. по линии AB, состав жидкости должен изменяться. Термин "состав" обычно задается как сумма фракций (на основе молярной массы) полной смеси компонентов I=1,…, N.
Следует подчеркнуть, что хотя различные чистые компоненты могут иметь различные температуры точки росы, это не приводит к последующей конденсации различных компонентов при следовании линии AB в смеси этих компонентов. Вместо этого при прохождении линии DP точек росы, сразу же жидкость, которая формируется, содержит смесь компонентов, состав которых должен изменяться при продвижении дополнительно к точке B.
Например, как предложено в документе предшествующего уровня техники WO0023757(A1), описывается циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий "множество сепараторных средств, например кольцевых щелей, причем сепараторное средство, например кольцевая щель i-того компонента, находится на расстоянии Li, при использовании, от точки росы компонента сжиженного газа, где Li=Vi*Ti, где Vi является скоростью при использовании потока газа в точке росы i-того компонента газа, а Ti является фактическим временем при использовании для прохождения сжиженных капель i-того компонента газа из оси сопла к стенке рабочей секции. Согласно WO 0023757 отдельные компоненты, присутствующие в смеси, отделяются с помощью множества сепараторных средств посредством последующей конденсации и сепарации компонента с наивысшей точкой кипения через первое сепараторное средство и второго компонента с наивысшей точкой кипения во втором сепараторном средстве и т.д.
Тем не менее варианты осуществления, представленные здесь, основаны на понимании заявителя, что такое разделение газообразной смеси на чистые разжиженные компоненты, как описано в WO 0023757, является физически невозможным. Переработка настоящим заявителем примера 3 WO 0023757 привела не к чистым компонентам (бутан, пропан, метан), а к трем различным смесям этих компонентов.
Из вышеозначенного следует заключить то, что обнаружено, что отсутствует значительное фракционирование компонентов в этих очень хороших растворимых смесях метана, этана, пропана и бутана.
Варианты осуществления, представленные здесь, основаны на понимании того, что фиг.2 не может состоять из отдельных линий кипения различных компонентов. При релевантных давлениях (например, 65 atm) межмолекулярные взаимодействия между различными компонентами являются слишком сильными, чтобы допускать идеальный характер изменения фаз. Как следствие, компоненты пара с более низкой температурой конденсации могут растворяться в жидкости компонента с более высокой температурой конденсации. Таким образом, границы фаз компонентов сливаются в одну эффективную границу фаз, допустимую для смеси в целом. Такая граница фаз для смеси показывается на фиг.2a.
Таким образом, физически невозможно получать жидкие фракции чистых компонентов в сверхзвуковом сепараторе, как предложено в WO 0023757(A1). Для такого фракционирования с резкой границей, как предложено в WO 0023757(A1), следует применять газодегидрационные котлы и дефлегматоры. В WO0023757 отсутствует идея использования этих способов.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что фракционирование чистых компонентов не достигается с помощью вариантов осуществления, предоставленных в WO 00023757. Следовательно, здесь предусмотрены варианты осуществления, которые используют это понимание, чтобы предоставлять улучшенный циклонный сепаратор для текучей среды.
Пунктирные линии, показанные на фиг.2a, представляют позиции в рамках фазовой диаграммы, которые имеют аналогичный состав жидкости. Таким образом, при прохождении от линии DP точек росы к точке B (вдоль пути AB) изменяется состав жидкости, полученной через внешнюю вторичную выпускную трубу 6, относительно текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами. Например, в позиции 1 вдоль пути AB состав жидкости может формироваться на 90% из этана и 10% из метана, при этом в позиции 2 вдоль пути AB состав жидкости может формироваться на 60% из этана и 40% из метана. Конечно, это простой пример с упоминанием только двух компонентов, при этом на практике состав может содержать множество дополнительных компонентов (этан, метан, пропан, бутан и т.д.).
Это понимание используется для того, чтобы предоставлять улучшенный циклонный сепаратор для текучей среды, как должно быть очевидным из вариантов осуществления, предоставленных ниже.
Вариант 1 осуществления
Таким образом, согласно первому варианту осуществления (см. фиг.3) предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий центральную первичную выпускную трубу 7 для газообразных компонентов и внешнюю вторичную выпускную трубу 6 для текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами, как пояснено выше со ссылкой на фиг.1, и содержащий дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 16. Эта дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16 может использоваться для текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами.
Внешняя вторичная выпускная труба 6 может быть размещена в первой позиции вдоль центральной оси I сепаратора, и дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16 может быть размещена во второй позиции вдоль центральной оси I сепаратора. Как первая, так и вторая позиции могут располагаться ниже по потоку от горловинной части.
Соответственно, вместо двух внешних вторичных выпускных труб 6, 16 любое число вторичных выпусков может обеспечиваться в соответствующих дополнительных позициях вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, ниже по потоку от горловинной части 4.
Согласно варианту осуществления, предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий множество дополнительных внешних вторичных выпусков, размещенных в соответствующих дополнительных позициях вдоль центральной оси (I) циклонного сепаратора для текучей среды.
Циклонный сепаратор для текучей среды с двумя или более внешними вторичными выпускными трубами 6, 16, размещенными в различных позициях вдоль центральной оси I, может упоминаться как многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды. Многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды может содержать n ступеней (внешних вторичных выпускных труб), где n является натуральным числом, равным или большим 2.
Внешние вторичные выпускные трубы 6, 16 могут обеспечиваться посредством обеспечения кольцевых щелей 22 в кожухе циклонного сепаратора для текучей среды. Кольцевые щели 22 создаются при использовании трубок конической формы (формирующих внешние вторичные выпускные трубы 6, 16), выступающих в вихревом потоке в различных позициях в циклонном сепараторе для текучей среды. Передние края 23 этих конических трубок являются острыми с тем, чтобы минимизировать возмущения потока (например, отделение пограничных слоев, удары и т.д.).
Преимущество многоступенчатого циклонного сепаратора для текучей среды состоит в том, что объем удержанной жидкости в высокоскоростной секции циклонного сепаратора для текучей среды уменьшается, и тем самым энергетические потери также уменьшаются. Жидкость, которая формируется, удаляется из циклонного сепаратора для текучей среды на ранней стадии, и, следовательно, не возмущает или удерживает поток текучей среды дополнительно дальше по мере продвижения. Например, в случае многоступенчатого циклонного сепаратора для текучей среды жидкость, которая формируется на ранней стадии (например, около горловинной части 4), не возмущает или удерживает поток текучей среды ниже по потоку от (первой) внешней вторичной выпускной трубы 6. Это может оптимизировать процессы дальше ниже по потоку, к примеру, следующие процессы фракционирования.
Многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды имеет способность применять глубокое расширение к текучей среде, содержащей (потенциально) большой объем жидкости, без формирования понижения избыточного давления вдоль геометрии сепаратора. Это понижение избыточного давления, типичное для двухфазного потока, фактически предотвращается посредством удаления жидкости (первая внешняя вторичная выпускная труба), сформированной во время начального (дозвукового) расширения, перед началом сверхзвукового расширения. Кроме того, извлечение газоконденсатных жидкостей, уже сформированных "в середине" процесса расширения посредством вторичной выпускной трубы, сдвигает равновесие в пути, что способствует разжижению дополнительных газоконденсатных жидкостей.
Согласно дополнительному варианту осуществления первый поток может получаться из первой позиции, в которой локальное осевое число Маха меньше единицы, а второй поток может получаться из второй позиции, в которой локальное осевое число Маха равно или превышает единицу. Первая позиция может располагаться выше по потоку относительно второй позиции.
Вторичные выпуски могут рекомбинироваться после циклонного сепаратора для текучей среды или могут быть выполнены отделенными. В обоих случаях, многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды является преимущественным, поскольку он достигает более высокого выхода текучей среды, чем одноступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды.
Посредством предоставления многоступенчатого циклонного сепаратора для текучей среды, газы с высокой жидкой фракцией (к примеру, обогащенные углеводородом подаваемые газы) могут обрабатываться преимущественно с относительно низкой потерей давления при формировании, например, потока обедненной метаном текучей среды и потока обогащенной метаном текучей среды.
Фиг.2b показывает влияние этого варианта осуществления в фазовой диаграмме. Путь AB теперь заменяется путем A-B1-B2. B1 соответствует первому выпуску (при подсчете в направлении потока). Поскольку в этой позиции вещество фактически удаляется, новая огибающая фазы (линия DP2 точек росы) создается. Таким образом, дополнительное расширение должно приводить к точке B2 вместо предыдущей точки B. Наклон (dP/dT) линии расширения является показателем изэнтропической эффективности. Чем меньше наклон, тем выше изэнтропическая эффективность, т.е. большее падение температуры для данного падения давления. Посредством промежуточной сепарации в точке B1 меньший объем жидкости должен поступать на второй этап расширения вдоль кривой B1-B2, что уменьшает потери на трение, хотя дополнительные новые жидкости создаются вследствие большего падения температуры. Следовательно, расширение вдоль кривой B1-B2 является более эффективным, чем расширение вдоль начальной кривой A-B расширения, принадлежащей одноступенчатому процессу.
Согласно примеру насыщенный подаваемый газ поступает в циклонный сепаратор для текучей среды при давлении 90 бар и температуре -41°C. Газ проходит через лопасти 2, обеспечивающие завихрения, и проходит к горловинной части 4. После прохождения горловинной части 4 газ достигает внешней вторичной выпускной трубы 6 при давлении 54 бар и температуре -63°. Внешняя вторичная выпускная труба 6 отбирает и отделяет первую обогащенную конденсирующимися парами текучую среду и восстанавливает давление, приводя к выходному потоку при давлении 54-70 бар.
Затем газ достигает дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 16 при давлении 25 бар и температуре -92°. Дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16 отбирает и отделяет вторую обогащенную конденсирующимися парами текучую среду и восстанавливает давление, приводя к выходному потоку при давлении 54 бар. Первая обогащенная конденсирующимися парами текучая среда должен содержать относительно большой объем жидкости с высокой точкой кипения, при этом вторая обогащенная конденсирующимися парами текучая среда должна содержать относительно большой объем жидкости с точкой с низкой точкой кипения.
Таким образом, результатом этого варианта осуществления является формирование различных жидких смесей с различными молекулярными весами. Вышерасположенные щели (близко к горловинной части 4) формируют жидкую смесь с самым высоким молекулярным весом (например, обедненную метаном), тогда как нижерасположенные щели формируют жидкую смесь с самым низким молекулярным весом (например, обогащенную метаном).
Дополнительный результат этого варианта осуществления заключается в том, что общий объем жидкости, которая извлекается, является относительно высоким, т.е. выше, чем при использовании одноступенчатого циклонного сепаратора для текучей среды.
Предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий горловинную часть 4, которая размещается между секцией впуска сходящейся текучей среды и секцией выпуска расходящейся текучей среды,
- причем циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью продвигать циклонный поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды в направлении вниз по потоку,
- при этом секция выпуска расходящейся текучей среды содержит внутреннюю первичную выпускную трубу 7 для текучих компонентов обедненных конденсирующимися парами и внешнюю вторичную выпускную трубу 6 для текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами х, при этом циклонный сепаратор для текучей среды содержит дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 16, причем внешнюю вторичную выпускную трубу 6 размещается в первой позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, а дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16 размещается во второй позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды.
Также предусмотрен способ сепарации жидкостей из потока сжимаемой текучей среды, содержащий:
- предоставление циклонного потока текучей среды в циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий секцию впуска сходящейся текучей среды, горловинную часть 4 и секцию выпуска расходящейся текучей среды, соответственно,
- получение первого потока из внешнего вторичного выпуска 6 в первой позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, и
- получение третьего потока из внутренней первичной выпускной трубы 7.
- отличающийся посредством:
- получения второго потока из дополнительного внешнего вторичного выпуска 16 во второй позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды.
Первая позиция и вторая позиция могут быть в секции выпуска расходящейся текучей среды. Максимальный диаметр центрального корпуса 1 может превышать минимальный диаметр трубчатой горловинной части 4.
Многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды, описанный выше, может быть оборудован двумя ступенями сепарации, т.е. (первой) внешней вторичной выпускной трубой 6 и дополнительной внешней вторичной выпускной трубой 16. Ступени находятся в различных осевых местоположениях вдоль геометрии расширения циклонного сепаратора для текучей среды, тем самым предоставляя сепарацию пара/жидкости при двух давлениях расширения.
Согласно примеру первая сепарация может осуществляться на дозвуковых скоростях текучей среды, извлекая типично 20% текучей среды, из которых приблизительно 50% находится в жидкой фазе, и приблизительно 50% находится в паровой фазе.
Вторая сепарация осуществляется на сверхзвуковых скоростях текучей среды, извлекая (приблизительно) 30% текучей среды в жидкой фазе (приблизительно 50%) и в паровой фазе (приблизительно 50%).
Как первая, так и вторая сепарации приводят не к чистым фракциям (т.е. содержащим один компонент), а приводят к смеси.
Потоки сепарации (потоки через внешнюю вторичную выпускную трубу 6 и дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 16) составляют в целом приблизительно 98% от общего объема NGL, вводимой в циклонный сепаратор для текучей среды, что является высоким показателем по сравнению с одноступенчатым циклонным сепаратором для текучей среды. Оставшаяся часть текучей среды (приблизительно 56%) является перегретым паром, извлеченным из NGL.
Согласно примеру, при использовании, внешняя вторичная выпускная труба 6 может быть в дозвуковой области потока, а дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16 может быть в сверхзвуковой области потока.
Охлаждение в циклонном сепараторе для текучей среды, как описано выше, устанавливается посредством ускорения потока подачи до сверхзвуковой скорости. В сверхзвуковом режиме давление типично падает до коэффициента 1/4 давления подачи, между тем температура типично падает до коэффициента 1/3 относительно температуры подачи. Отношение T-падения в расчете на единичное P-падение для данного состава подачи определяется с помощью изэнтропической эффективности расширения, которая может составлять приблизительно 85%. Изэнтропическая эффективность выражает потери на трение и тепловые потери, возникающие в циклонном сепараторе для текучей среды.
Фиг.3 показывает как (первая) внешняя вторичная выпускная труба 6, так и дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16, размещаемые дальше по потоку относительно горловинной части 4. Тем не менее, как поясняется в дополнительном варианте осуществления ниже, дополнительная внешняя вторичная выпускная труба также может быть размещена выше по потоку относительно горловинной части 4.
Вариант 2 осуществления
Дополнительный вариант осуществления описывается со ссылкой на фиг.4.
Текучая среда, принимаемая посредством циклонного сепаратора, может содержать смесь газообразных компонентов (метана, этана, пропана, бутана и т.д.). Тем не менее текучая среда, поступающая в циклонный сепаратор, также может содержать жидкие компоненты, к примеру воду, разжиженные углеводороды. Эти жидкие компоненты, поступающие в циклонный сепаратор, упоминаются как свободные жидкости.
Кроме того, текучая среда, поступающая в циклонный сепаратор, также может содержать твердые компоненты, к примеру частицы пыли, гидраты, лед, обломки. Эти твердые компоненты, поступающие в циклонный сепаратор, упоминаются как свободные твердые тела.
Как свободные жидкости, так и свободные твердые тела проходят через циклонный сепаратор для текучей среды и должны отделяться от потока через центральную первичную выпускную трубу 7 в результате центробежной силы во внешней вторичной выпускной трубе 6, как показано на фиг.1. Тем не менее эти свободные жидкости и твердые тела имеют негативное воздействие на эффективность циклонного сепаратора для текучей среды, поскольку:
- свободные твердые тела могут повреждать внутреннюю стенку сепаратора,
- целевые конечные продукты циклонного сепаратора для текучей среды обычно не содержат свободные жидкости и/или твердые тела,
- свободные жидкости и/или твердые тела вызывают удерживание в системе, посредством чего потери являются самыми высокими в высокоскоростной секции,
- гидраты могут прилипать к стенке, создавая относительно высокий удерживаемый объем с пропорциональными потерями.
Поэтому цель состоит в том, чтобы предоставлять вариант осуществления, который преодолевает, по меньшей мере, один из этих отрицательных эффектов присутствия свободных жидкостей и/или твердых тел в текучей среде, поступающей в сепаратор.
Фиг.4 схематично иллюстрирует вид в продольном сечении циклонного сепаратора для текучей среды согласно варианту осуществления. Как показано на фиг.4, предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий горловинную часть 4, которая размещается между секцией впуска сходящейся текучей среды и секцией выпуска расходящейся текучей среды,
- причем циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью продвигать циклонный поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды в направлении вниз по потоку,
- при этом секция выпуска расходящейся текучей среды содержит внутреннюю первичную выпускную трубу 7 для текучих компонентов обедненных конденсирующимися парами и внешняя вторичная выпускная труба 6 для текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами, при этом циклонный сепаратор для текучей среды содержит дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 17, причем внешняя вторичная выпускная труба 6 размещается в первой позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, а дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 17 размещается во второй позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, при этом первая позиция располагается дальше по потоку относительно горловинной части 4, а вторая позиция располагается выше по потоку относительно горловинной части 4.
Вторая позиция может располагаться выше по потоку относительно горловинной части 4 и дальше по потоку относительно лопастей 2 обеспечивающие завихрение.
mean, max
Кроме того, вторая позиция может располагаться выше по потоку относительно горловинной части 4 и дальше по потоку относительно позиции максимального значения среднего радиуса R кольцевого пространства для кольцевого пространства 3, предоставленного между грушевидным центральным корпусом 1 и кожухом 20 сепаратора.
Во второй позиции дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 17 предоставляется, как показано на фиг.4. Дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 17 выполнена с возможностью выводить свободные жидкости и/или твердые тела, таким образом, она также может упоминаться как выпускная труба 17 для свободных жидкостей и твердых тел.
c
Во второй позиции выше по потоку относительно горловинной части 4 текучая среда имеет компонент Uφ тангенциальной скоростиотносительно центральной оси I, как описано выше. Как результат этого компонента тангенциальной скорости и соответствующего центробежного ускорения (a), свободные частицы принудительно подаются к (внешней стенке) кожуху 20 сепаратора для циклонного сепаратора для текучей среды и выходят через дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 17.
x
Одновременно, компонент U осевой скорости является относительно низким между устройством 2, обеспечивающим завихрение, и трубчатой горловинной частью 4, так что свободные жидкости и/или твердые тела не могут сильно повреждать циклонный сепаратор для текучей среды выше по потоку относительно дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 17.
Как показано на фиг.4, дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 17, предоставленная выше по потоку относительно горловины, может соединяться с резервуаром 40, в котором уровень жидкости (и твердых тел) поддерживается постоянным при использовании блока 41 регулирования уровня, соединенного с клапаном 42 дальше по потоку относительно резервуара 40. Газ, который может присутствовать в резервуаре 40, должен рассеиваться обратно в циклонный сепаратор для текучей среды.
Согласно этому варианту осуществления первая позиция (внешней вторичной выпускной трубы (6)) находится в секции выпуска расходящейся текучей среды, а вторая позиция (дополнительной внешней вторичной выпускной трубы (17)) находится в секции впуска сходящейся текучей среды.
max
17
Согласно варианту осуществления максимальная площадь поперечного сечения потока циклонного сепаратора для текучей среды, которая может совпадать с позицией лопастей 2 обеспечивающие завихрение, - это A, а площадь поперечного сечения потока циклонного сепаратора для текучей среды в позиции дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 17 - это A, и следующее выражение применяется для второй позиции:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>2</mn></mrow>
.
Эта область должна соответствовать области перед расширением, т.е. в которой, при использовании, скорость потока типично ниже 0,3 Маха. Дополнительно, в этой области поток не является сжимаемой текучей средой. Таким образом, в этой области конденсация практически не возникает.
Посредством предоставления внешней вторичной выпускной трубы 17 выше по потоку относительно горловинной части 4, свободные жидкости и/или твердые тела, которые могут присутствовать в потоке текучей среды, поступающей в циклонный сепаратор для текучей среды, могут удаляться, тем самым уменьшая негативное воздействие свободных жидкостей и/или твердых тел, как упомянуто выше.
Конечно, согласно дополнительному варианту осуществления могут предоставляться более двух внешних вторичных выпускных труб, причем, по меньшей мере, один из них размещается выше по потоку относительно горловины 4, и, по меньшей мере, один из них размещается дальше по потоку относительно 4 горловины.
Вариант 3 осуществления
Циклонные сепараторы для текучей среды, описанные в данном документе, зачастую используются в качестве части системы для сепарации жидкостей из потока сжимаемой текучей среды. Эта система может, например, содержать циклонный сепаратор для текучей среды и дополнительное устройство сепарации, размещенное дальше по потоку относительно циклонного сепаратора для текучей среды.
Внешняя вторичная выпускная труба 6 циклонного сепаратора для текучей среды, как показано на фиг.1, может соединяться с таким дополнительным сепаратором для текучей среды, чтобы подавать поток текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами в дополнительное устройство сепарации.
Дополнительное устройство сепарации может быть ректификационной колонной, как известно специалистам в данной области техники. Ректификационные колонны (также известные как "дистилляционные башни" или "дистилляционные колонны") являются колоннами, содержащими различные тарелки, предоставленные на различных (вертикальных) уровнях в рамках ректификационной колонны. В установившемся режиме работы каждая тарелка заполнена жидкостью. Ректификационная колонна нагревается снизу.
Согласно альтернативе вместо ректификационной колонны можно использовать другие сепараторные колонны, к примеру, насадочную колонну, рядные колонны, рядную контактную колонну (Rapter).
Компоненты должны проходить вверх как пар из одной тарелки в следующую посредством испарения и последующей конденсации на уровне следующей тарелки. Компоненты должны проходить вниз как жидкость из одной тарелки в следующую, когда тарелка переполняется. Как результат, компоненты с точкой с низкой точкой кипения в итоге в основном оказываются в самой высокой тарелке, и компоненты с высокой точкой кипения в итоге в основном оказываются в самой низкой тарелке.
Температура в ректификационной колонне понижается снизу вверх. Кроме того, состав жидкости в тарелках отличается на каждом уровне. Обычно в ректификационную колонну подается поток, содержащий компоненты с низкой и высокой точкой кипения. Этот поток подачи обычно подается в одну из тарелок в середине ректификационной колонны, которая содержит аналогичное потоку подачи соотношение компонентов с низкой и высокой точкой кипения.
Фиг.5 показывает вариант осуществления системы, содержащей циклонный сепаратор для текучей среды и ректификационную колонну COL-1. Циклонный сепаратор для текучей среды может быть таким, как описано выше, т.е. циклонным сепаратором для текучей среды, содержащим горловинную часть 4, которая размещается между секцией впуска сходящейся текучей среды и секцией выпуска расходящейся текучей среды,
- причем циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью продвигать циклонный поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды в направлении вниз по потоку,
- при этом секция выпуска расходящейся текучей среды содержит внутреннюю первичную выпускную трубу 7 для текучих компонентов, обедненных конденсирующимися парами, и внешнюю вторичную выпускную трубу 6 для текучих компонентов, обогащенных конденсирующимися парами, при этом циклонный сепаратор для текучей среды содержит дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 16, причем внешняя вторичная выпускная труба 6 размещается в первой позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, а дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16 размещается во второй позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды. Максимальный диаметр центрального корпуса 1 превышает минимальный диаметр трубчатой горловинной части 4. Кроме того, первая позиция и вторая позиция находятся в секции выпуска расходящейся текучей среды.
Ректификационная колонна COL-1 содержит множество тарелок 31, предоставленных на различных (вертикальных) уровнях в рамках ректификационной колонны COL-1.
Первый поток может получаться из внешней вторичной выпускной трубы 6 в первой позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, а второй поток может получаться, по меньшей мере, из одного дополнительного внешнего вторичного выпуска 16 во второй позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, причем вторая позиция находится дополнительно дальше по потоку относительно первой позиции. Первый поток содержит относительно больше компонентов с высокой точкой кипения по сравнению со вторым потоком. Например, первый поток может содержать относительно большой объем этана, при этом второй поток может содержать относительно большой объем метана.
Первый поток подается в конкретную тарелку на первом уровне в рамках ректификационной колонны COL-1, а второй поток подается в конкретную тарелку на втором уровне в рамках ректификационной колонны COL-1. Поскольку первый поток содержит больше компонентов с относительно высокой точкой кипения и имеет более высокую температуру, первый уровень ниже второго уровня.
Чтобы соединять внешние вторичные выпускные трубы 6, 16 с ректификационной колонной COL-1, могут предоставляться трубы 32, 33.
Таким образом, согласно варианту осуществления предусмотрена система для сепарации жидкостей из входной подачи S-1, содержащей поток сжимаемой текучей среды, причем система содержит циклонный сепаратор для текучей среды, как описано выше, и ректификационную колонну COL-1, при этом:
- внешний вторичный выпуск 6, размещенный в первой позиции, соединяется с первым уровнем в рамках ректификационной колонны COL-1, и
- дополнительный внешний вторичный выпуск 16, размещенный во второй позиции, соединяется со вторым уровнем в рамках ректификационной колонны COL-1,
- причем первая позиция располагается выше по потоку относительно второй позиции и первый уровень ниже второго уровня.
Также предусмотрен способ для сепарации жидкостей из входной подачи S-1, содержащей поток сжимаемой текучей среды, причем способ использует циклонный сепаратор для текучей среды по п.16 и ректификационную колонну COL-1, при этом способ содержит:
- получение через внешний вторичный выпуск 6, размещенный в первой позиции, потока, который подается на первый уровень в рамках ректификационной колонны COL-1, и
- получение через дополнительный внешний вторичный выпуск 16, размещенный во второй позиции, потока, который подается на второй уровень в рамках ректификационной колонны COL-1,
- причем первая позиция располагается выше по потоку относительно второй позиции и первый уровень ниже второго уровня.
Уровни могут выбираться таким образом, что при использовании, состав потока текучей среды, полученный из внешней вторичной выпускной трубы 6 в первой позиции, практически совпадает с составом и/или температурой жидкости на первом уровне в рамках ректификационной колонны COL-1, и состав потока текучей среды, полученный из дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 16 во второй позиции, совпадает с составом жидкости на втором уровне в рамках ректификационной колонны.
Конечно, согласно дополнительному варианту осуществления в случае если более двух внешних вторичных выпускных труб предоставляется, каждая внешняя вторичная выпускная труба может соединяться с собственным соответствующим уровнем в рамках ректификационной колонны COL-1.
Следует понимать, что соединение с ректификационной колонной COL-1, как описано выше, не является обязательным в случае, если фракционирование чистых компонентов является возможным для циклонного сепаратора для текучей среды. Тем не менее, как пояснено выше, невозможно получать фракционирование чистых компонентов с помощью многоступенчатого циклонного сепаратора для текучей среды, описанного в данном документе, как заявлено в WO00/23757.
Вариант 4 осуществления
Более ранние заявки на патент, поданные заявителем текущей заявки, а именно PCT-заявка номер PCT/NL2008/050172 и заявка на патент (Европа) номер 07104888.8, описывают циклонный сепаратор для текучей среды согласно фиг.1 без продолговатого хвостового конца 8.
Эти патентные документы идентифицируют такую проблему, что центральный корпус 1 и его продолговатый хвостовой конец 8 должны монтироваться наглухо, возможно в комбинации с применением силы предварительного напряжения/нагрузки при предварительном натяжении, чтобы предотвращать побочные колебания. Это затруднительно, поскольку это требует сложных стыковочных конструкций на внешних концах центрального корпуса 1 и продолговатого хвостового конца 8. Кроме того, передача этих больших сил предварительного напряжения/нагрузок при предварительном натяжении из центрального корпуса 1 в сепаратор требует крупного монтажного средства между этими частями, приводя к нежелательным потерям на трение и возмущениям потока. Более ранний патентный документ описывает циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий центральный корпус 1, как описано выше, со ссылкой на фиг.1, но не содержит продолговатую хвостовую секцию 8. Вместо этого центральный корпус содержит выпуск 13, направленный к трубчатой горловинной части 4, выполненный с возможностью добавлять центральный поток к горловинной части 4. Этот центральный поток принимает на себя роль продолговатой хвостовой секции 8 (предотвращение нарушения вихря), но преодолевает некоторые недостатки, ассоциированные с такой продолговатой хвостовой секцией 8, к примеру, недостатки, описанные выше.
Согласно этим более ранним патентным документам (PCT/NL2008/050172 и EP-заявка номер 07104888.8) предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, содержащий:
- горловинную часть 4, которая размещается между секцией впуска сходящейся текучей среды и секцией выпуска расходящейся текучей среды, причем секция выпуска расходящейся текучей среды содержит внутренний первичный выпуск 7 для текучих компонентов, обедненных конденсирующимися парами и внешний вторичный выпуск 6 для текучих компонентов, обогащенных конденсирующимися парами; и
- центральный корпус 10, предоставленный выше по потоку относительно горловинной части 4 в секции впуска текучей среды, при этом центральный корпус 10 размещается практически коаксиально центральной оси I сепаратора для текучей среды,
- причем сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью продвигать основной поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды,
- при этом центральный корпус 10 содержит выпуск 13, направленный к трубчатой горловинной части 4 и выполненный с возможностью добавлять центральный поток к горловинной части 4. Это схематично показывается на фиг.6.
Максимальный диаметр центрального корпуса 10 может превышать минимальный диаметр трубчатой горловинной части 4.
Фиг.6 показывает вид в поперечном сечении сепаратора для текучей среды. Идентичные ссылки с номерами используются для того, чтобы обозначать идентичные элементы, как указано выше. С другой стороны, предоставляется грушевидный центральный корпус 10, на котором монтируется ряд лопастей 2 обеспечивающих завихрение. Центральный корпус 10 размещается коаксиально центральной оси I сепаратора для текучей среды и в сепараторе так, что путь 3 кольцевого потока создается между центральным корпусом 10 и кожухом 20 сепаратора. Поток текучей среды, поступающий в сепаратор для текучей среды через этот путь кольцевого потока, упоминается как основной поток. Сепаратор для текучей среды дополнительно содержит трубчатую горловинную часть 4, сепараторную камеру 5 расходящейся текучей среды, которая оборудована центральной первичной выпускной трубой 7 для газообразных компонентов и внешней вторичной выпускной трубой 6 для текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами.
Согласно этому варианту осуществления центральный корпус 10 не содержит продолговатую хвостовую секцию 8, как показано на фиг.1. Вместо этого центральный корпус 10 содержит выпуск 13. Выпуск 13 размещается на стороне выпуска центрального корпуса 10, направляется к горловинной части 4. Позиция и направление выпуска 13 практически совпадают с центральной осью I. Выпуск 13 выполнен с возможностью добавлять центральный поток в циклонный сепаратор для текучей среды 1. Выпуск 13 также может упоминаться как центральный выпуск 13.
Труба 12 может предоставляться, чтобы предоставлять в выпуск 13 поток текучей среды, как показано на фиг.6. Труба может предоставлять поток текучей среды, исходящий из подходящего источника, который может находиться за пределами циклонного сепаратора для текучей среды.
При использовании, центральный поток практически совпадает с центральной осью I и окружается посредством основного потока. Центральный поток может быть завихренным потоком.
Центральный поток текучей среды, предоставленный посредством выпуска 13, обеспечивает то, что основной поток остается стабильным для всего сепаратора для текучей среды. Центральный поток играет роль, аналогичную практически цилиндрической вытянутой хвостовой секции 8, как описано выше со ссылкой на фиг.1, в том, что центральный поток предотвращает нарушение вихря в центральной оси основного потока.
Поскольку центральный поток не является жестким объектом (как хвостовая секция 8) и перемещается в идентичном направлении с основным потоком, трение между центральным потоком и основным потоком является относительно низким. Это способствует эффективности сепаратора для текучей среды.
Центральный корпус 10 может иметь практически круглую форму в поперечном осевом направлении и содержит выше по потоку относительно устройства 2 сообщения завихрения носовую секцию, диаметр которой постепенно увеличивается так, что степень увеличения диаметра постепенно понижается в направлении вниз по потоку, и центральный корпус 10 дополнительно содержит дальше по потоку относительно устройства сообщения завихрения секцию, диаметр которой постепенно понижается в направлении вниз по потоку. Это показывается на фиг.6, показывающем практически грушевидный центральный корпус 10.
Сепаратор для текучей среды может содержать кожух 20, в котором центральный корпус 10 размещается так, что кольцевое пространство 3 присутствует между внутренней поверхностью кожуха 20 и внешней поверхностью центрального корпуса 10.
Определенное число перекладин 21 может предоставляться между кожухом 20 и центральным корпусом 10, чтобы монтировать центральный корпус 10. Таким образом, предоставляется сепаратор для текучей среды, содержащий кожух 20, в котором центральный корпус 10 монтируется посредством определенного числа перекладин 21.
Согласно варианту осуществления перекладины 21 предоставляются выше по потоку относительно средства 2 сообщения завихрения, так что перекладины 21 оказывают меньший отрицательный эффект на основной поток. Согласно альтернативе средство 2 сообщения завихрения и перекладины 21 интегрируются в одну часть. Согласно варианту осуществления (не показан на чертежах) труба 12 может проходить через внутреннюю часть одной или более перекладин 21 или одного или более средств 2 сообщения завихрения к подаче.
Сепаратор для текучей среды может содержать выпуск 13, который содержит устройство сообщения завихрения для создания вихревого движения центрального потока в рамках, по меньшей мере, части сепаратора для текучей среды. Устройство сообщения завихрения может формироваться посредством одного из ряда лопастей, обеспечивающих завихрение 14, например, турбины, касательного впуска и т.д. Это схематично показывается на фиг.7, показывающем вид в поперечном сечении центрального корпуса 10 согласно варианту осуществления. Завихрение, предоставленное в центральный поток, может быть ниже завихрения основного потока (т.е. меньше вращений в секунду или меньше вращений в расчете на единичное осевое расстояние вдоль центральной оси I, так что нарушение вихря центрального потока не возникает). Посредством добавления завихрения к центральному потоку градиент скорости в направлении по касательной между центральным потоком и основным потоком уменьшается, приводя к меньшему трению. Кроме того, добавление завихрения к центральному потоку повышает стабильность смешанного потока, возникающего после того, как центральный поток смешивается с внешним основным потоком.
Следовательно, импульс центрального потока стимулируется посредством внешнего основного потока, как в осевом направлении, так и в направлении по касательной. Теперь, функция продолговатого хвостового конца 8 предшествующего уровня техники (т.е. чтобы предотвращать дополнительное тангенциальное ускорение, вызывающее нарушение вихря) заменяется посредством газообразного центрального потока. Вместо фрикционного рассеяния импульса на границе продолговатого хвостового конца 8, часть импульса основного потока используется (т.е. передается), чтобы приводить в движение центральный поток газа.
Устройство сообщения завихрения в выпуске 13 может формироваться так, что оно предоставляет для центрального потока завихрение или вращение в направлении, идентичном направлению центрального потока, что также называется режимом параллельного потока.
Согласно альтернативе устройство сообщения завихрения в выпуске 13 может формироваться так, что оно предоставляет для центрального потока завихрение или вращение в направлении, противоположном направлению центрального потока, т.е. режим встречного потока. Режим встречного потока может рассматриваться как постепенно рассеивающий импульс по касательной в основном потоке.
Варианты осуществления, описанные здесь со ссылкой на фиг.6. и 7, могут использоваться в комбинации с другими вариантами осуществления, описанными здесь, относительно многоступенчатых циклонных сепараторов для текучей среды, к примеру, описанных со ссылкой на фиг.3.
Согласно варианту осуществления (не показана) дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16, которая находится дальше всего по потоку от (первой) внешней вторичной выпускной трубы 6, выполнена с возможностью соединять, по меньшей мере, часть потока с выпуском 13.
Согласно дополнительному варианту осуществления и как показано на фиг.8a, (первая) внешняя вторичная выпускная труба 6, которая находится выше по потоку относительно (второй) внешней вторичной выпускной трубы 16, выполнена с возможностью соединять, по меньшей мере, часть потока с выпуском 13.
Газожидкостный резервуар 11 может предоставляться, чтобы собирать поток текучей среды из первой и/или дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 16 с текучими компонентами обогащенных конденсирующимися парами. Эти потоки текучей среды, главным образом, содержат жидкости и/или твердые тела, которые отделяются от потока текучей среды посредством циклонного сепаратора для текучей среды. Эта жидкость L собирается в газожидкостном резервуаре 11. Газообразные компоненты G могут присутствовать в газожидкостном резервуаре 11. Кроме того, жидкость L в газожидкостном резервуаре 11 может испаряться, формируя газообразные компоненты G. Следовательно, газожидкостный резервуар 11 может быть оборудован средством для сепарации жидкой фракции от газовой фракции. Подходящее сепараторное средство может содержать: завихряющие трубки, влагоотделители, лопастные влагоуловители и т.д.
Таким образом, согласно этому варианту осуществления одно или более внешних вторичных выпусков 6, 16 могут соединяться с газожидкостным резервуаром 11, из которого поток текучей среды направляется в выпуск 13, чтобы формировать центральный поток. Это является эффективным способом формирования центрального потока.
Текучая среда, предоставленная посредством вторичных выпускных труб 6, 16, может содержать газообразные компоненты, которые предположительно вышли из сепаратора для текучей среды через первичную выпускную трубу 7. Кроме того, жидкость L, которая предоставляется посредством вторичных выпускных труб 6, 16, может содержать компоненты, которые случайно захватываются посредством сформированной жидкости. Эти компоненты типично должны быть легкими компонентами (метан, этан, пропан), которые легко испаряются из жидкости L в газожидкостном резервуаре 11. Эти фракции испаренных компонентов направляются из газожидкостного резервуара на вход 12 и затем вводятся в сепаратор для текучей среды через выпуск 13, причем их конденсирующаяся фракция снова сжижается в горловинной части 4 и может быть отделена во втором случае.
Согласно фиг.8a, поток текучей среды может быть забран из газожидкостного резервуара 11, но следует понимать, что поток текучей среды также может быть забран из другого источника или может быть забран непосредственно из одного или более вторичных выпускных труб 6, 16, т.е. без газожидкостного резервуара 11.
Согласно дополнительному варианту осуществления внешняя вторичная выпускная труба 6 и дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16, по меньшей мере, частично возвращаются, чтобы предоставлять в выпуск 13 центральный поток. Фактически, когда еще больше внешних вторичных выпускных труб предоставляется (три, четыре или более), любой из этих внешних вторичных выпускных труб может использоваться, возможно, в комбинации, чтобы предоставлять в выпуск 13 центральный поток.
Таким образом, предусмотрен вариант осуществления циклонного сепаратора для текучей среды по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащего:
- центральный корпус 10, предоставленный выше по потоку относительно горловинной части 4 в секции впуска текучей среды, при этом центральный корпус 10 размещается практически коаксиально центральной оси I сепаратора для текучей среды, чтобы формировать путь 3 кольцевого потока между центральным корпусом 10 и кожухом 20 сепаратора,
- причем циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью продвигать циклонный основной поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды,
- при этом центральный корпус 10 содержит выпуск 13, направленный к трубчатой горловинной части 4 и выполненный с возможностью добавлять центральный поток к горловинной части 4,
- при этом, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одной из внешних вторичных выпускных труб 6, 16 соединяется с выпуском 13, чтобы, при использовании, предоставлять центральный поток. При использовании, центральный поток может практически совпадать с центральной осью I и может быть окружен посредством основного потока.
Дополнительно предусмотрен способ, как описано выше, в котором центральный корпус 10 предусмотрен выше по потоку относительно горловинной части 4 в секции впуска текучей среды, при этом центральный корпус 10 размещается практически коаксиально центральной оси I сепаратора для текучей среды, чтобы формировать путь 3 кольцевого потока между центральным корпусом 10 и кожухом 20 сепаратора, при этом способ содержит:
- использование циклонного сепаратора для текучей среды, чтобы продвигать циклонный основной поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды, при этом центральный корпус 10 содержит выпуск 13, направленный к трубчатой горловинной части 4 и выполненный с возможностью добавлять центральный поток к горловинной части 4, причем, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одной из внешних вторичных выпускных труб 6, 16 соединяется с выпуском 13, чтобы, при использовании, предоставлять центральный поток. При использовании, центральный поток может практически совпадать с центральной осью I и может быть окружен посредством основного потока.
Внешние вторичные выпускные трубы 6, 16, 17, используемые для того, чтобы предоставлять центральный поток, могут быть размещены в любой соответствующей позиции, к примеру, в секции сходящейся текучей среды, горловинной части 4 и сепараторной камере 5 расходящейся текучей среды. Внешняя вторичная выпускная труба 6 также может быть оборудована дополнительной внешней вторичной выпускной трубой 36, размещенной во внешней вторичной выпускной трубе 6, как подробнее описано ниже со ссылкой на фиг.12.
Фиг.8b схематично иллюстрируют разновидность варианта осуществления, описанного со ссылкой на фиг.8a. Согласно варианту осуществления многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды соединяется с ректификационной колонной COL-1, как описано выше, со ссылкой на фиг.5. Как можно видеть на фиг.8b, согласно этому варианту осуществления верхняя подача ректификационной колонны COL-1, по меньшей мере, частично используется в качестве ввода для выпуска 13, чтобы предоставлять центральный поток.
mean, max
Позиция выпуска 13 может быть в области, в которой, при использовании, получаются скорости в диапазоне 0,3-1 Мах. Позиция выпуска 13 может располагаться дальше по потоку относительно лопастей 2 обеспечивающих завихрение и выше по потоку относительно горловинной части 4, но безусловно дальше по потоку относительно R.
throat
Число Маха связано с площадью поперечного сечения (A) проточной трубы. Звуковая скорость (M=1) реализуется около наименьшей площади поперечного сечения в горловинной части 4. Наименьшая площадь поперечного сечения обозначается как A. При использовании, максимальное число Маха превышает 1 (т.е. сверхзвуковое) дальше по потоку относительно упомянутой горловины.
max
13
Наибольшая площадь поперечного сечения, которая может совпадать с позицией лопастей 2, обеспечивающих завихрение, обозначается как A. Площадь поперечного сечения в позиции выпуска 13 обозначается как A.
Выпуск 13 может быть размещен в области, в которой применяется следующее соотношение:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi><mi>r</mi><mi>o</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
и
Это соответствует области, в которой, при использовании, скорость выше 0,3 Маха. Область может соответствовать области, в которой, при использовании, скорость выше 0,3 Маха и ниже 1 Маха.
Вариант 5 осуществления
Настоящий вариант осуществления описывает схему процесса NGL-восстановления согласно варианту осуществления. Схема процесса содержит многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды, как описано выше.
Фиг.9 схематично иллюстрирует схему процесса на основе многоступенчатого циклонного сепаратора для текучей среды. Многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды может быть без продолговатого хвостового конца 8, как описано выше со ссылкой на фиг.6-8b.
Схема процесса может начинаться с помощью входной подачи S-1, являющейся потоком сжимаемой текучей среды (к примеру, подачи, содержащей природный газ), например, имеющей давление на входе ≥ 60 бар и температуру на входе ≈ 40°C. Входная подача S-1 предварительно охлаждается, чтобы формировать предварительно охлажденную подачу S-3.
Предварительное охлаждение может выполняться для нескольких (промежуточных) потоков продуктов с использованием первого блока E-1 охлаждения, чтобы формировать первую предварительно охлажденную подачу S-2. Первая предварительно охлажденная подача S-2 может быть охлаждена дополнительно посредством холодильного устройства C-1 с использованием, например, пропана в качестве охлаждающей текучей среды, чтобы формировать вторую предварительно охлажденную подачу S-3.
Чтобы получать высокую термодинамическую эффективность такого холодильного устройства C-1, температура второй предварительно охлажденной подачи S-3 может задаваться равной приблизительно -30°C. Холодильное устройство C-1 может, например, использовать пропан в качестве охлаждающей текучей среды. Такой цикл охлаждения может становиться неэффективным или безрезультатным при использовании для того, чтобы охлаждать до температур ниже -30°C.
Чтобы преодолевать это ограничение холодильного устройства C-1, предоставляется второй блок E-2 охлаждения. Вторая предварительно охлажденная подача S-3 может быть охлаждена еще дополнительно посредством второго блока E-2 охлаждения, чтобы формировать третью предварительно охлажденную подачу S-4. Во втором блоке E-2 охлаждения охлаждение выполнятся для верхнего продукта ректификационной колонны COL-1 (также известной как "дистилляционные башни" или "дистилляционные колонны"), предоставленной дополнительно ниже в схеме процесса. Пример такой ректификационной колонны COL-1 предоставляется выше. Эта верхняя подача ректификационной колонны S-22 направляется через второй блок E-2 охлаждения перед продвижением к выходу схемы процесса, как проиллюстрировано на фиг.9.
Верхняя подача ректификационной колонны S-22 используется затем для целей охлаждения во втором блоке E-2 охлаждения и первом блоке E-1 охлаждения. После первого блока E-1 охлаждения верхняя подача ректификационной колонны (S-22, S-27) направляется через компрессор и воздухоохладитель, после чего она комбинируется с подачей S-26, чтобы выходить из системы в качестве подачи S-30.
Перед тем, как третья предварительно охлажденная подача S-4 поступает в циклонный сепаратор для текучей среды, газ и жидкость, содержащие третью предварительно охлажденную подачу S-4, могут быть отделены в сосуде V-1. Газообразная верхняя подача S-5 сосуда V-1 поступает в циклонный сепаратор для текучей среды. Нижняя подача S-12 жидкости может быть направлена в третий блок E-3 охлаждения через первый клапан VLV-1, как подробнее описано ниже.
Фиг.9 показывает циклонный сепаратор для текучей среды, имеющий две внешних вторичных выходных трубы 6, 16, при этом циклонный сепаратор для текучей среды содержит горловинную часть 4, которая размещается между секцией впуска сходящейся текучей среды и секцией выпуска расходящейся текучей среды,
- причем циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью продвигать циклонный поток через секцию впуска сходящейся текучей среды и горловинную часть к секции выпуска расходящейся текучей среды в направлении вниз по потоку,
- при этом секция выпуска расходящейся текучей среды содержит внутреннюю первичную выпускную трубу 7 для текучих компонентов обедненных конденсирующимися парами и внешнюю вторичную выпускную трубу 6 для текучих компонентов обогащенных конденсирующимися парами, при этом циклонный сепаратор для текучей среды содержит дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 16, причем внешняя вторичная выпускная труба 6 размещается в первой позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды, а дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 16 размещается во второй позиции вдоль центральной оси I циклонного сепаратора для текучей среды.
Тем не менее следует понимать, что также может использоваться одноступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды, имеющий всего одну внешнюю вторичную выходную трубу 6, или может использоваться многоступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды, имеющий более двух внешних вторичных выходных труб, например, три, четыре или более.
(Первая) внешняя вторичная выходная труба 6 формирует первую выходную подачу S-7, а вторая внешняя вторичная выходная труба 16 формирует вторую выходную подачу S-8. Внутренняя первичная выпускная труба 7 формирует обедненную конденсирующимися парами подачу S-6.
Как можно видеть на фиг.9, обедненная конденсирующимися парами подача S-6 может использоваться в первом блоке E-1 охлаждения, чтобы формировать первую предварительно охлажденную подачу S-2. Эта обедненная конденсирующимися парами подача S-6 может удовлетворять спецификации на продукт с точки зрения точки росы углеводорода и теплотворной способности. Перед выходом из холодной секции схемы, S-6 проходит теплообменник E-1, чтобы способствовать охлаждению подачи. Если давление подачи минус падение давления в сепараторе (типично 40% давления на входе) выше или равно требуемому экспортному давлению, дополнительный компрессор не требуется, чтобы соединять подачу S-26 с (повторно сжатой и охлажденной) верхней подачей ректификационной колонны S-22, S-27, S-28, S-29.
Вследствие небольшого размера ректификационной колонны COL-1 (обработки только приблизительно 50% потока газа) и обводного канала для сжатия обедненного конденсирующимися парами потока S-6, может достигаться экономия операционных и капитальных затрат.
Первая выходная подача S-7 и вторая выходная подача S-8 дополнительно обрабатываются в ректификационной колонне COL-1, которая работает типично при давлении приблизительно 22 бар. Давления подач S-7 и S-8, выходящих из циклонного сепаратора для текучей среды, являются значительно более высокими и, следовательно, должны быть снижены до давления ректификационной колонны COL-1.
Перед поступлением в ректификационную колонну COL-1, более высокое давление S-7 выравнивается до более низкого давления S-8 посредством клапана VLV-2 и второго сосуда V-2.
Затем первая и вторая выходные подачи S-7, S-8 подаются во второй сосуд V-2, чтобы создавать подачу S-10 столба пара, а также подачу S-15 столба жидкости. Второй сосуд V-2 является просто примером. Согласно альтернативам, второй сосуд V-2 может быть опущен или может заменяться двумя сосудами, одним для подачи S-8 и одним для подачи S7, S-9.
Подача S-10 столба пара "непосредственно" соединяется с ректификационной колонной COL-1 через третий клапан VLV-3 (создающий подачу S-11 столба).
Подача S-15 столба очень холодной жидкости направляется через четвертый клапан VLV-4, после чего она продвигается в качестве охлажденной подачи S-16 в третий блок E-3 охлаждения. Подача S-16 может иметь температуру <-80°C. Третий блок E-3 охлаждения может использовать подачу S-16 для охлаждения бокового погона S-18 ректификационной колонны COL-1. После прохождения через третий блок E-3 охлаждения, подача S-16 может продвигаться в качестве подачи S-17 и может вводиться в ректификационную колонну COL-1.
Третий блок E-3 охлаждения дополнительно может использовать нижнюю подачу S-12 первого сосуда V-1, чтобы охлаждать боковой погон S-18 (через первую подачу S-13 создания клапана VLV-1). Нижняя подача S-12, S-13 превышает подачу S-16, но является менее холодной. После прохождения через блок E-3 охлаждения, эта подача может продвигаться в качестве подачи S-14, которая может использоваться в первом блоке E-1 охлаждения, и может продвигаться в качестве подачи S-25, чтобы поступать в ректификационную колонну COL-1.
Боковой погон S-18 типично может забираться из одной из тарелок номер три-семь тарелок (при подсчете сверху ректификационной колонны COL-1). Боковой погон S-18 затем подается в третий блок E-3 охлаждения, в котором он охлаждается для продуктов, косвенно забранных из циклонного сепаратора для текучей среды, к примеру, подача S-15 столба очень холодной жидкости, которая направляется в третий блок E-3 охлаждения через четвертый клапан VLV-4, после чего она продвигается в качестве охлажденной подачи S-19. Охлажденная подача S-19 повторно вводится в ректификационную колонну COL-1.
Повторное введение охлажденного бокового погона S-19 может выполняться, как показано на фиг.9. Охлажденный боковой погон S-19 может подаваться в третий сосуд V-3, верхняя подача S-20 которого повторно подается в ректификационную колонну COL-1 на уровне выше уровня, из которого забирается боковой погон S-18. Кроме того, нижняя подача S-21 также повторно подается в ректификационную колонну COL-1 на уровне выше уровня, из которого забирается боковой погон S-18. Таким образом, формируется обратный поток.
Внизу ректификационной колонны COL-1 может предоставляться газодегидрационный котел RB. Внизу создается нижняя подача S-23, которая может выходить из схемы процесса, как проиллюстрировано на фиг.9, через насос P-1, создающий подачу S-24. Часть подачи S-24 может подаваться обратно в ректификационную колонну COL-1.
Следует понимать, что ректификационная колонна COL-1 является просто примером сепараторной колонны, которая может использоваться. Другие подходящие сепараторные колонны также могут использоваться, к примеру, насадочная колонна, рядные колонны, рядная контактная колонна (Rapter), сверхзвуковой дегазатор жидкости (SCOD).
Вследствие обводного потока (т.е. S-6), подача S-11 столба содержит значительно меньше метана, чем более традиционные схемы, например, с использованием турбодетандера вместо циклонного сепаратора для текучей среды. Следовательно, схема относительно ректификационной колонны COL-1 адаптирована к этой другой подаче S-11 столба. Оптимальная производительность ректификационной колонны может достигаться посредством глубокого охлаждения бокового погона S-18 колонны с использованием третьего охлаждающего устройства E-3 и подачи холодных жидкостей, извлеченных в третьем сосуде V-3 (подачи S-21), содержащих высокую концентрацию (>40% молей) этана, наверх ректификационной колонны COL-1. Эта обогащенная холодным этаном жидкость (S-21) эффективно поглощает пропан на последнем этапе сепарации.
Кроме того, верхняя подача из ректификационной колонны S-22, соответственно, проходит через второе и первое охлаждающие устройства E-2 и E-1, чтобы охлаждать входную подачу S-1, и рекомбинируется с обедненной конденсирующимися парами подачей S-6, S-26 после повторного сжатия и (дополнительного) охлаждения (S-27, S-28, S-29), чтобы формировать подачу S-30.
Этот вариант осуществления имеет несколько преимуществ.
Вследствие предварительной сепарации в циклонном сепараторе для текучей среды, подача S-11 столба является меньшей, а также предварительно сконцентрированной. Подача S-11 столба меньше вследствие обхождения посредством перегретого потока (S-6) пара сепараторной колонны COL-1. Кроме того, подача S-11 столба, поступающая в сепараторную колонну, содержит больше NGL в расчете на единичный суммарный поток вследствие предварительного концентрирования в циклонном сепараторе для текучей среды (подачи S-7, S-8). Это приводит к значительной экономии для сепараторной колонны вследствие уменьшенного размера и значительной экономии операционных затрат вследствие уменьшенной нагрузки по нагреву газодегидрационного котла (до>40%) внизу колонны COL-1. Помимо этого, нагрузка по повторному сжатию ниже вследствие меньшего потока.
Использование циклонного сепаратора для текучей среды предоставляет дополнительные преимущества относительно, например, использования турбодетандера. Пуск циклонного сепаратора для текучей среды является фактически мгновенным, и поскольку отсутствуют движущиеся части, техническое обслуживание может уменьшаться до минимума. Кроме того, удаление жидкостей NGL в середине расширения изменяет огибающую фазы (см. фиг.2a и 2b), тем самым давая возможность более глубокого расширения и/или более эффективного расширения, поскольку объемная жидкостная нагрузка ограничивается, формируя больше жидкостей. Также циклонный сепаратор для текучей среды может быть эффективно выполнен в этой множественной параллельной конфигурации, предоставляя возможность ослабления потока без уменьшения термодинамической эффективности процесса расширения. В завершение, дополнительная экономия, вероятно, должна достигаться относительно капитальных затрат вследствие более компактного дизайна.
Фиг.10 показывает аналогичный вариант осуществления, проиллюстрированный более схематично. Фиг.10 схематично иллюстрирует систему CS охлаждения, циклонный сепаратор для текучей среды и сепараторную колонну COL. Входная подача S-1 сначала поступает в систему CS охлаждения, в которой она предварительно охлаждается. Затем, предварительно охлажденная подача S-4 подается в циклонный сепаратор для текучей среды.
Система охлаждения может содержать несколько охлаждающих частей к примеру, первый блок E-1 охлаждения, холодильное устройство C-1 и второе охлаждающее устройство E-2, как показано на фиг.9.
Как указано выше со ссылкой на фиг.9, между системой CS охлаждения и циклонным сепаратором для текучей среды могут присутствовать дополнительные устройства, к примеру первый сосуд V-1.
Циклонный сепаратор для текучей среды формирует первую выходную подачу S-7 и вторую выходную подачу S-8, которые направляются в сепараторную колонну COL. Первая и вторая выходные подачи S-7 и S-8 могут быть напрямую соединены с сепараторной колонной COL, но также могут быть косвенно соединены с сепараторной колонной COL, например, через сосуд.
Циклонный сепаратор для текучей среды может быть многоступенчатым циклонным сепаратором для текучей среды, но также может быть одноступенчатым циклонным сепаратором для текучей среды, содержащим только первую выходную подачу S-7 вместо первой и второй выходной подачи S-7, S-8.
Сепараторная колонна COL может, например, быть ректификационной колонной COL-1, насадочной колонной, рядными колоннами, рядной контактной колонной (Rapter). Кроме того, система может размещаться таким образом, чтобы формировать нижний обратный поток и верхний обратный поток.
Как указано выше со ссылкой на фиг.9, между циклонным сепаратором для текучей среды и сепараторной колонной COL могут присутствовать дополнительные устройства, к примеру, один или более вторых сосудов V-2. Циклонный сепаратор для текучей среды также может напрямую соединяться с сепараторной колонной COL.
Чтобы достигать эффективного охлаждения в системе CS охлаждения, относительно холодная верхняя подача ректификационной колонны S-22 используется в системе CS охлаждения, чтобы охлаждать входную подачу S-1.
Следует понимать, что схема процесса, иллюстрированная на фиг.10, является упрощенным представлением более подробной схемы процесса, иллюстрированной на фиг.9.
Следует понимать, что этот вариант осуществления также может осуществляться на практике с использованием одноступенчатого циклонного сепаратора для текучей среды. Согласно этому варианту осуществления предусмотрена система для сепарации жидкостей из входной подачи S-1, являющейся потоком сжимаемой текучей среды, причем система содержит систему CS охлаждения, циклонный сепаратор для текучей среды и сепараторную колонну COL, при этом:
- система CS охлаждения выполнена с возможностью принимать входную подачу S-1 и выводить предварительно охлажденную подачу S-4 в циклонный сепаратор для текучей среды,
- циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью принимать предварительно охлажденную подачу S-4 и формировать обогащенную конденсирующимися парами выходную подачу в сепараторную колонну,
- сепараторная колонна COL выполнена с возможностью формировать верхнюю подачу сепараторной колонны S-22,
- при этом система выполнена с возможностью направлять, по меньшей мере, часть верхней подачи сепараторной колонны S-22 в систему CS охлаждения, чтобы охлаждать входную подачу S-1.
Соответственно, может быть предусмотрен способ для сепарации жидкостей из входной подачи S-1, являющейся потоком сжимаемой текучей среды, причем система содержит систему CS охлаждения, циклонный сепаратор для текучей среды и сепараторную колонну COL, при этом:
- система CS охлаждения выполнена с возможностью принимать входную подачу S-1 и выводить предварительно охлажденную подачу S-4 в циклонный сепаратор для текучей среды,
- циклонный сепаратор для текучей среды выполнен с возможностью принимать предварительно охлажденную подачу S-4 и формировать обогащенную конденсирующимися парами выходную подачу в сепараторную колонну,
- сепараторная колонна COL выполнена с возможностью формировать верхнюю подачу сепараторной колонны S-22,
- при этом система выполнена с возможностью направлять, по меньшей мере, часть верхней подачи сепараторной колонны S-22 в систему CS охлаждения, чтобы охлаждать входную подачу S-1.
Согласно дополнительному варианту осуществления боковой погон S-18 забирается из сепараторной колонны COL и охлаждается в блоке E-3 охлаждения для продуктов, забранных из циклонного сепаратора для текучей среды, формируя охлажденную подачу S-19, которая повторно вводится в сепараторную колонну COL. Этот вариант осуществления может выполняться посредством системы для сепарации жидкостей, как описано выше, в которой сепараторная колонна COL содержит боковой выпуск и дополнительный блок E-3 охлаждения, при этом боковой выпуск соединяется с дополнительным блоком E-3 охлаждения, чтобы предоставлять боковой погон S-18 в блок E-3 охлаждения, причем дополнительный блок E-3 охлаждения выполнен с возможностью формировать охлажденную подачу S-19,
- причем дополнительный блок E-3 охлаждения выполнен с возможностью принимать, по меньшей мере, один боковой охлаждающий погон S-12, S-13; S-15, S-16, забранный между системой CS охлаждения и сепараторной колонной COL, при этом дополнительный блок E-3 охлаждения выполнен с возможностью использовать этот, по меньшей мере, один боковой охлаждающий погон S-12, S-13; S-15, S-16, чтобы охлаждать боковой погон S-18, забранный из сепараторной колонны COL, и при этом охлажденная подача S-19 повторно вводится в сепараторную колонну COL.
Кроме того, может предоставляться соответствующий способ, т.е. способ для сепарации жидкостей, как описано выше, в котором сепараторная колонна COL содержит боковой выпуск и дополнительный блок E-3 охлаждения, при этом способ содержит:
- забор бокового погона S-18 из сепараторной колонны COL через боковой выпуск,
- предоставление бокового погона S-18 в дополнительный блок E-3 охлаждения, чтобы формировать охлажденную подачу S-19,
- забор, по меньшей мере, одного бокового охлаждающего погона S-12, S-13; S-15, S-16 между системой CS охлаждения и сепараторной колонной COL,
- предоставление, по меньшей мере, одного бокового охлаждающего погона S-12, S-13, S-15, S-16 в блок E-3 охлаждения, чтобы охлаждать боковой погон S-18, забранный из сепараторной колонны COL, и
- повторный ввод охлажденной подачи S-19 в сепараторную колонну COL.
Вместо циклонного сепаратора для текучей среды может использоваться любой подходящий сепаратор.
Боковой погон S-18 может быть забран из тарелок с номерами три-семь сепараторной колонны (при нумерации сверху сепараторной колонны COL).
Следует понимать, что в случае если используется одноступенчатый циклонный сепаратор для текучей среды, имеющий всего одну внешнюю вторичную выходную трубу 6, должна присутствовать только первая выходная подача S-7, которая может подаваться во второй сосуд V-2, чтобы создавать подачу S-10 столба пара, а также подачу S-15 столба жидкости.
Вариант 6 осуществления
Дополнительный вариант осуществления описывается со ссылкой на фиг.11.
max
26
Согласно этому варианту осуществления предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, в котором первая позиция внешнего вторичного выпуска находится в секции выпуска расходящейся текучей среды, а вторая позиция находится в секции впуска сходящейся текучей среды. Максимальная площадь поперечного сечения потока циклонного сепаратора для текучей среды - это A, а площадь поперечного сечения потока циклонного сепаратора для текучей среды в позиции дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 26 - это A, и может быть такой, что во второй позиции:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi><mi>r</mi><mi>o</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
и
.
Следует понимать, что конденсация уже осуществляется перед так называемой горловинной частью 4, т.е. в секции отвода. В секции перед горловинной частью 4, скорость потока увеличивается так, что она достигает звуковой скорости около наименьшего поперечного сечения горловинной части 4 и сверхзвуковой скорости после прохождения наименьшего поперечного сечения горловинной части 4. Выше типично 0,3 Маха поток является сжимаемым потоком, где плотность ρ=ρ(v), причем v представляет скорость. Как результат, конденсация возникает в этой области.
Следовательно, дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 26 предоставляется перед горловинной частью 4, другими словами, выше по потоку относительно горловинной части и/или сепараторной камеры 5 расходящейся текучей среды.
Позиция дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 26 может быть в области, в которой, при использовании, получаются скорости в диапазоне 0,3-1 Мах. Позиция дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 26 располагается дальше по потоку относительно лопастей 2 обеспечивающих завихрение и выше по потоку относительно горловинной части 4.
throat
Число Маха связано с площадью поперечного сечения (A) проточной трубы. Звуковая скорость (M=1) реализуется около наименьшей площади поперечного сечения в горловинной части 4. Наименьшая площадь поперечного сечения обозначается как A. При использовании, максимальное число Маха практически равно M=1, а дальше по потоку относительно горловины с дополнительным расширением выше 1 (M>1) (т.е. сверхзвуковое).
max
26
Наибольшая площадь поперечного сечения обозначается как A. Площадь поперечного сечения в позиции дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 26 обозначается как A.
Чтобы размещать дополнительную вторичную выпускную трубу 26 правильно, она может быть размещена в области, в которой применяется следующее соотношение:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi><mi>r</mi><mi>o</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
и
Это соответствует области, в которой, при использовании, скорость типично выше 0,3 Маха.
Согласно дополнительному варианту осуществления, позиция дополнительной внешней вторичной выпускной трубы 26 может быть в области, в которой, при использовании, получаются скорости в диапазоне 0,5-1 Мах. Чтобы размещать дополнительную вторичную выпускную трубу 26 согласно этому варианту осуществления, она может быть размещена в области, в которой применяется следующее соотношение:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>3</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi><mi>r</mi><mi>o</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
и
.
Следует подчеркнуть, что вариант 2 осуществления выше относится к удалению жидкостей и твердых тел, уже присутствующих в потоке, поступающем в циклонный сепаратор для текучей среды, в то время как настоящий вариант осуществления относится к удалению сжиженных жидких частиц. Эти различные цели приводят к различным позициям дополнительных внешних вторичных выпускных труб 17 и 26, соответственно.
Вариант 7 осуществления
Дополнительный вариант осуществления описывается со ссылкой на фиг.12.
Согласно этому варианту осуществления предусмотрен циклонный сепаратор для текучей среды, в котором первая позиция и вторая позиция находятся в секции выпуска расходящейся текучей среды. Дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 36 может быть размещена во внешней вторичной выпускной трубе 6.
Фиг.12 схематично показывает циклонный сепаратор для текучей среды, как описано выше, со ссылкой на фиг.1, теперь содержащий дополнительную внешнюю вторичную выпускную трубу 36, размещенную во внешней вторичной выпускной трубе 6.
Как упомянуто выше, сепараторная камера 5 расходящейся текучей среды выполнена с возможностью отбирать и отделять текучие компоненты обогащенных конденсирующимися парами от текучих компонентов обедненных конденсирующимися парами. Тем не менее не только текучие компоненты обогащенных конденсирующимися парами отбираются и отделяются, но поток во внешней вторичной выпускной трубе 6 также может содержать газ.
6
37
37
Этот вариант осуществления использует избыточное падение давления, доступное во вторичном выпуске 6. Это падение давления может использоваться для того, чтобы дополнительно расширять обогащенная жидкостью текучая среда в этой кольцевой трубе (6) так, что возникает непрерывная конденсация. Вход внешней вторичной выпускной трубы 6 выступает в качестве второй горловины 37. Давление на входе внешней вторичной выпускной трубе 6 упоминается как P. Горловина может иметь ширину D зазора, при этом Dзадается практически перпендикулярной направлению протекания.
in
Давление на входе циклонного сепаратора для текучей среды упоминается как P.
out
drop
in
out
После второй горловины 37, потоку разрешено дополнительно расширяться до сверхзвуковой скорости, так что частота расширения является более высокой, если давление (P) на выходе из внешней вторичной выпускной трубы 6 становится более низким. Другими словами, чем выше падение давления (P=P-P) в циклонном сепараторе для текучей среды, тем большее расширение создается.
out
out
in
in
Давление P на выходе может быть определено посредством ректификационной колонны дальше по потоку относительно внешней вторичной выпускной трубы 6 (не показана на фиг.12). Типично давление P на выходе находится в диапазоне 10-35 бар, а давление P на входе типично находится в диапазоне 40-100 бар. Следовательно, доступное полное падение давления, доступное для внешней вторичной выпускной трубы 6, может составлять >50% давления P на входе.
Поскольку требуемое падение давления для глубокого NGL-восстановления типично равняется 40-45%, может быть доступно избыточное падение давления (например, 5% или более) во внешней вторичной выпускной трубе 6, чтобы создавать дополнительное расширение. Это избыточное падение давления может, следовательно, использоваться во внешней вторичной выпускной трубе 6, чтобы создавать дополнительное расширение и дополнительную конденсацию.
Поскольку поток во внешней вторичной выпускной трубе 6 по-прежнему завихряется, новые сжиженные капли принудительно подаются в дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 36 вместе со сжиженными каплями, уже присутствующими на входе внешней вторичной выпускной трубы 6, т.е. на входе второй горловины 37. Чтобы сохранять вихревое движение, средний диаметр внешней вторичной выпускной трубы 6 между второй горловиной 37 и дополнительной внешней вторичной выпускной трубой 36 может поддерживаться как можно меньшим или, по меньшей мере, может поддерживаться постоянным.
37
37
37
Дополнительная внешняя вторичная выпускная труба 36 может быть размещена во второй позиции дальше по потоку относительно первой позиции внешней вторичной выпускной трубы 6, так что первая и вторая позиция находятся на расстоянии X, посредством чего X≥5*D или X>10*D. Если избыточное падение давления во внешней вторичной выпускной трубе 6 превышает 5%, можно увеличивать расстояние D так, что оно более чем в 10 раз превышает D, чтобы давать в результате более высокий поток жидкости через трубу 36.
Вторая позиция может выбираться так, что она совпадает с позицией, в которой расширение является максимальным в рамках внешней вторичной выпускной трубы 6.
Посредством управления этим вторым устройством разделения при самой низкой температуре можно концентрировать жидкости дополнительно в проточной трубе 36, тем самым не допуская чрезмерного повторного испарения жидкостей с низкой точкой кипения.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Вышеприведенные описания имеют намерение быть иллюстративными, а не ограничивающими. Таким образом, специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что модификации описанного изобретения могут быть реализованы без отступления от объема формулы изобретения, изложенной ниже.