СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
GAS MIXTURE SEPARATION METHOD

Настоящее изобретение может быть использовано в установках, предназначенных для разделения газовых смесей, включая установки для обработки природных и попутных газов. Особый интерес изобретение представляет для газоперерабатывающих комплексов, в которых осуществляется извлечение из газа компонент, кристаллизующихся при низких температурах газа.
Известен способ разделения газовых смесей (GB898732, 1962), содержащих твердую фазу, в котором входной газ расширяют во вращающемся потоке в канале циклонного сепаратора с получением на выходе из канала циклонного сепаратора очищенного потока и потока, обогащенного целевыми фракциями.
Также известны способы низкотемпературного разделения газов, в которых входной газ расширяют во вращающемся потоке в канале прямоточного циклонного сепаратора, с получением на выходе из канала циклонного сепаратора очищенного потока и потока, обогащенного целевыми фракциями. При этом при расширении газа в канале циклонного сепаратора реализуются низкие температуры, при которых происходит отверждение некоторых компонентов газа, таких, например, как углекислый газ или сероводород. Пример такого способа приведен в патенте СА 2710915, 2009.
Недостатком описанных способов является то, что они неприемлемы для промышленного применения в условиях непрерывной работы установки в течение многих месяцев, т.к. на стенках сепараторов происходит постепенное образование отложений затвердевающих компонентов, что, в конечном счете, приводит к нарушению структуры потока внутри циклонного сепаратора и соответственно к ухудшению эффективности процесса сепарации.
Целью технического решения по настоящему изобретению является расширение диапазона работоспособности установок разделения газовых смесей, использующих расширение газа в циклонных сепараторах, и обеспечения их работоспособности при условиях, благоприятных для затвердевания отдельных компонентов, входящих в состав газовых смесей.
вх
оч
вх
оч
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе разделения газовых смесей, содержащих твердую фазу, входной газ расширяют во вращающемся потоке в канале циклонного сепаратора, с получением на выходе из канала циклонного сепаратора очищенного потока и потока, обогащенного целевыми фракциями, при этом в процессе расширения часть газа, движущуюся возле стенок, подогревают, подогрев проводят таким образом, чтобы температура внутренних поверхностей канала циклонного сепаратора была всюду выше температуры образования твердой фазы, при этом степень расширения потока в циклонном сепараторе поддерживают такой, что Р/Р>1.01 (где Р - полное давление входного газа, Р - полное давление очищенного потока на выходе из канала циклонного сепаратора).
Обогащенный целевыми фракциями поток можно подвергнуть повторному процессу разделения с расширением потока в канале дополнительного циклонного сепаратора.
При необходимости обогащенный целевыми фракциями поток сепарируют от жидкой и твердой фазы, и подвергают повторному процессу очистки с расширением потока в канале дополнительного циклонного сепаратора.
На Фиг.1 представлена принципиальная схема установки для осуществления предлагаемого способа разделения газовых смесей.
Установка работает следующим образом.
Сырой газ 1 поступает на вход циклонного сепаратора 2, в котором газ закручивают в завихрителе 3, а в канале 4 циклонного сепаратора газ расширяют во вращающемся потоке, с получением на выходе из канала циклонного сепаратора очищенного потока 5, и потока, обогащенного целевыми фракциями 6. В процессе расширения часть газа, движущуюся возле стенок подогревают, подогрев проводят таким образом, чтобы температура внутренних поверхностей канала 4 циклонного сепаратора была всюду выше температуры образования твердой фазы. Подвод тепла обозначен на Фиг.1 стрелками 7.
вх
оч
вх
оч
Степень расширения потока в циклонном сепараторе поддерживают такой, что Р/Р>1.01 (где Р - полное давление входного газа, Р - полное давление потока на выходе из канала циклонного сепаратора), для того чтобы обеспечить достаточно высокие скорости потока в канале циклонного сепаратора, обеспечивающие достаточный перенос тепла от стенок к части газа, находящегося возле стенки канала 4.
С целью оценки температуры теплоносителя и его расхода, достаточных для предотвращения образования твердой фазы на внутренних поверхностях циклонного сепаратора, необходимо проводить расчет тепловых потоков к его поверхностям.
Тепловой поток от среды к стенке в широком диапазоне чисел Маха и Рейнольдса для турбулентного пограничного слоя может быть рассчитан по соотношениям теории Сполдинга-Чи. При этом течение газа может быть как дозвуковым, так и сверхзвуковым. В этом случае тепловой поток q можно представить в виде:
w
r
q=StVρ(H-H),
r
1
*
где St - число Стантона, V- скорость потока, ρ - плотность потока, H - энтальпия восстановления, равная , r - коэффициент восстановления, h - энтальпия, определяемая по термодинамическим параметрам на внешней границе пограничного слоя.
С другой стороны величина теплового потока будет:
*
w2
w1
q≈λ(T-T)/δ,
*
w1
w2
где δ - толщина стенки, λ - коэффициент теплопроводности материала стенки, T, T - температура стенки на внутренней и внешней поверхностях стенки.
Приведенные соотношения позволяют определить необходимую температуру на внешней поверхности стенки (и тем самым выбрать параметры теплоносителя) для обеспечения необходимой температуры газа на внутренней поверхности стенки циклонного сепаратора.
Температура образования твердой фазы может быть рассчитана с помощью программных комплексов, таких, например, как HYSYS и т.п.
В случаях, когда для нагрева потока используется более сложная система нагрева, необходимо использовать специальные расчетные комплексы, позволяющие рассчитывать тепловые потоки для сложных конструкций. Примерами таких комплексов являются программы CFX, FLUENT и др.
Нагрев стенок канала циклонного сепаратора может быть проведен с использованием индукционного метода нагрева, в этом случае металлический канал должен быть окружен коаксиально расположенной индукционной катушкой, частота изменения и сила тока в которой выбираются из условия достаточной подводимой мощности.
При небольших мощностях нагрева может быть использован электронагреватель, расположенный в полости, окружающей канал. При этом полость может быть заполнена теплопроводным материалом.
В процессе расширения газа в канале циклонного сепаратора может происходить конденсация отдельных компонентов газа, образование капель жидкости, образование твердой фазы в потоке и сепарация их к стенкам циклонного сепаратора. В этих случаях для правильного расчета тепловых потоков необходимо использовать специальные программные комплексы, такие как, например, CFX ANSYS, позволяющие рассчитывать тепловые потоки в двухфазных потоках.
В случаях, когда необходимо обеспечить более глубокое разделение газовой смеси, обогащенный водой поток подвергают повторному процессу разделения с расширением потока в канале дополнительного циклонного сепаратора. В этом случае, как показано на Фиг.2, обогащенный водой поток 6 направляется в циклонный сепаратор 8, в канале 9 циклонного сепаратора газ расширяют во вращающемся потоке, с получением на выходе из канала циклонного сепаратора очищенного потока 10, и потока, обогащенного обогащенного целевыми фракциями 11. В процессе расширения часть газа, находящуюся возле стенок, при необходимости можно подогревать, как, например, это показано на Фиг.3. Поток тепла в дополнительном циклонном сепараторе указан цифрой 12.
Для увеличения степени разделения газовой смеси из обогащенного целевыми фракциями потока 6 можно отсепарировать жидкую и твердую фазы 13, как это показано на Фиг.3. Сепарацию жидкой и твердой фазы можно проводить, например, с помощью дополнительного сепаратора 14. Газовая фаза 15 из сепаратора 14 направляется в дополнительный циклонный сепаратор 8.
При необходимости, для предотвращения отложения твердой фазы на стенках сепаратора 14, его стенки могут быть тоже подвергнуты нагреву.