СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ
METHOD OF OBTAINING LIQUEFIED GAS

Область применения
Изобретение относится к технологии получения сжиженных газов, а также к разделению на компоненты смесей газов, и может быть использовано в газонефтедобывающей и перерабатывающей промышленности в металлургии, химии и других областях техники.
Уровень техники
Известен способ сжижения газа, включающий сжатие газа в компрессоре, предварительное охлаждение в теплообменнике и охлаждение в детандере с последующим расширением газа в дроссельном вентиле с отбором жидкой фазы (см. Политехнический словарь. М., 1989, стр.477). Недостатком известного способа является его низкий КПД.
Известно, устройство для сжижения газа, содержащее корпус в виде рупора, в котором последовательно размещены несколько насадок, снабженные дисками с множеством сопел для распыления газа с обеспечением его охлаждения до перехода в жидкое состояние (см. описание к заявке Япония №07071871). Недостатком известного устройства является его низкий КПД.
Известно устройство для получения сжиженного газа, которое содержит сверхзвуковое сопло, обеспечивающее адиабатическое охлаждение газа, и средство для отбора жидкой фазы, выполненное в виде отогнутого к оси участка сопла с перфорированными стенками. Под воздействием возникающих при отклонении газового потока центробежных сил капли сконденсировавшегося газа проходят сквозь перфорацию и поступают в приемник (см. описание к патенту США №3528217 МКИ B01D 51/08, НКИ 55-15, 1970).
Недостатком известного устройства является его относительно малый КПД. Это обусловлено тем, что при отклонении сверхзвукового потока, что необходимо в известном устройстве для отбора жидкой фазы, возникают ударные волны, приводящие к повышению температуры газового потока, что приводит, в свою очередь, к испарению части уже сконденсировавшихся капель.
Кроме того, имеют место потери полного давления в газе, прошедшем ударную волну. Указанные потери приводят к значительному перепаду давления на входе и выходе устройства.
Известно устройство для сжижения газа (патент РФ №2137065 F25J 1/00, 1999).
Известное устройство содержит сопло с форкамерой, в которой размещено средство для закрутки газового потока. Устройство снабжено средством для отбора жидкой фазы, выполненным в виде кольцевой щели, образованной стенками сопла и полого бонуса конуса.
Недостатком известного устройства является его относительно малый КПД, что обусловлено потерей давления в газовом потоке, проходящем через устройство. Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является описанный в патенте РФ №2167374 С1, 7 F25J 3/06, 2001 способ сжижения газа, включающий его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы. При этом перед подачей в сопло его закручивают до достижения центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла не менее чем до 10000g. За счет созданного в потоке центробежного ускорения капельки от оси сопла начинают движение к его стенкам и оседают на них.
Недостатком известного способа является его относительно невысокая эффективность. Во-первых, не происходит полного разделения «газ»-«жидкость», поскольку в центральной зоне сопла существует область, в которой центростремительное ускорение равно нулю или мало для того, чтобы обеспечить эффективную сепарацию капелек из потока. Во-вторых, не происходит выделение из потока капелек, имеющих размер менее 0,5 мкм. За счет этого осуществить эффективную сепарацию компонент газа с температурами кипения менее 220К с эффективностью более 75-85% не удается.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности получения сжиженных газов.
Сущность изобретения
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе сжижения газа, включающий его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор образовавшейся жидкой фазы, согласно изобретению в месте конденсации жидкой фазы на нее воздействуют постоянным электрическим полем с возможностью обеспечения переноса образовавшейся жидкой фазы на стенки сопла, а отбор жидкой фазы осуществляют через перфорацию в стенках сопла или кольцевую щель в месте, отстоящем от точки росы на расстоянии, определяемом соотношением L=V·τ, где L - расстояние от точки росы до места выпадения на стенки сопла жидкой фазы, V - средняя скорость потока на этом участке, τ - время движения капелек жидкой фазы от одной стенки сопла до другой.
Другие возможные вариации способа допускают, что проводят принудительную ионизацию образовавшихся в сверхзвуковом потоке капелек жидкой фазы.
Другие возможные вариации способа допускают, что электрическое поле формируют под таким углом к потоку, который подбирается экспериментально, исходя из условия максимального выделения из потока образовавшейся жидкой фазы.
Другие возможные вариации способа допускают, что электрическое или магнитное поле вместе или по отдельности создают с градиентом по потоку.
Способ сжижения газа включает его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор образовавшейся жидкой фазы, при этом в тех зонах потока, где происходит последовательная конденсация компонент газа, на них воздействуют однородным электрическим полем.
Под действием электрического поля капельки образовавшейся жидкой фазы приобретут ускорение не менее 10000g и под его действием осядут на стенки сопла, откуда они могут быть выведены обычным способом, например: через перфорацию в стенках сопла либо через кольцевую щель в стенке сопла.
Поясним физическую природу действия электрического поля на образовавшиеся капельки жидкой фазы.
Что собой представляет сконденсировавшаяся в определенном сечении сопла жидкая фаза какого-либо из компонентов, входящих в состав природного газа? Это капельки, либо имеющие заряд, либо его не имеющие. Ничего другого быть просто не может. Установлено, что центрами конденсации газа, теми центрами, на которых и образуется большая часть зародышей конденсации, являются положительно или отрицательно заряженные молекулы, то есть ионы. А поскольку конденсация газа в сверхзвуковой трубе проходит в неравновесных условиях, образование ионов в ней просто неизбежно. Таким образом, каждая капелька несет на себе как минимум единичный заряд, равный 1,6x10" Кл. При этом каждая капелька может нести не единичный заряд, а может быть заряжена многократно.
Рассмотрим случай, когда поток природного газа, подаваемый прямо из скважины, подается в сопло, где и происходит его адиабатическое охлаждение. Охлажденный поток, содержащий заряженные капельки воды (или любого другого компонента, входящего в состав природного газа), пропускают между пластинами заряженного плоского конденсатора или между пластинами, на которых электрический потенциал создается постоянным током. Перейдя в систему отсчета, связанную с потоком, можем рассматривать ионизированный газ (даже атмосферный воздух содержит ионы) между двумя параллельными пластинами, заряженными противоположными зарядами. При этом между пластинами возникает практически однородное электрическое поле, которое действует на заряженные капли воды, и, как следствие, возникает упорядоченное движение капель в направлении действующих на них со стороны электрического поля сил: положительно заряженные капли движутся к отрицательной пластине (обладающей отрицательным зарядом), а отрицательно заряженные - к положительной. Помимо упорядоченного движения капли, конечно, продолжают участвовать в броуновском движении под действием ударов частиц несущего газа (как молекул, так и аэрозоля). Если бы не происходило ударов между каплями и частицами газа, электрическое поле все время разгоняло бы заряженные капельки. Именно так и происходит между столкновениями: капля ускоряется, и составляющая ее скорости, направленная вдоль действующей на нее электрической силы F, увеличивается; затем происходит столкновение, и капля теряет эту скорость полностью или частично, все зависит от размера капли и от размера того объекта, с которым произошло столкновение.
Эта сила F, действующая на заряженную капельку, создается электрическим полем. И определяется простой формулой
Сила, действующая на каплю, имеет размерность в Ньютонах. Е - напряженность электрического поля - измеряется в вольтах на метр (В/м) и q - заряд капли - определяется в кулонах (Кл).
С другой стороны, ускорение (а), создаваемое этой силой, обратно пропорционально массе капле. И эту силу можно найти, используя второй закон Ньютона, F=m·a. Поскольку и та, и другая силы равны, то можем приравнять их друг другу и записать E·q=m·a, отсюда довольно легко определить то ускорение, которое действует на каплю:
-19
3
-7
3
Возьмем напряженность поля на уровне 3·10 В/м, это примерно втрое меньше, чем пробойная напряженность поля для метана, находящегося под атмосферным давлением, q - заряд, возьмем единичный заряд, равный 1,6·10 Кл. Массу капли при ее радиусе в 0,1 мкм легко рассчитать по формуле m=4/37πrρ, где r=1·10 м, а ρ - плотность - 1000 кг/м (для воды).
-8
Произведя несложные вычисления, получим, что капелька, в зависимости от знака своего заряда, будет двигаться либо к пластине с положительным потенциалом, либо к пластине с отрицательным потенциалом с ускорением более 100000g. Что более чем достаточно для достижения капелькой стенок сопла. Поскольку как минимум на порядок превышает то центробежное ускорение, которое создается в потоке для выделения капелек жидкой фазы (см. Патент RU №2139479 С1, 6 F25J 1/00, 1998 г. или RU 2167374 С1, 7 F25J 3/06, 2001 г.) При этом для получения ускорения мы ни на один оборот не закрутили наш поток, поток остался ламинарным, у нас нет опасности срыва пленки жидкой фазы со стенок сопла. А кроме того, поскольку в формуле [2] ускорение обратно пропорционально массе частицы, то с уменьшением массы частицы ускорение, приходящееся на нее, заметно возрастет. Так, при радиусе частицы в 0,01 мкм (1·10 м) ускорение, приходящееся на нее, будет уже 100000000g. При этом мы для того, чтобы получить такую прибавку в ускорении, не истратили ни грамма энергии, и чем меньше капелька, тем большими будут действующие на нее силы. При создании в потоке центробежного ускорения все по-другому. Там его величина не зависит от массы частицы и определяется только скоростью движения тела по окружности и радиусом этой окружности.
Поскольку мы сориентировали электрическое поле так, что его силовые линии направлены поперек потока, то по своему вектору (направлению) это ускорение направлено так же, как и ускорение, создаваемое за счет закрутки потока (центробежное ускорение), а значит, и действие, оказываемое на капельки в потоке ускорением, созданным при помощи электрического поля, будет полностью тождественно действию, оказываемому на капельки центробежным ускорением. При этом действие всех других факторов, тормозящих движение капли в потоке, будет одинаково, вне зависимости от того, каким способом мы создаем ускорение, заставляющее капельки двигаться к стенкам сопла. От того, что мы добавили электрическое поле, в потоке ничего не изменится, кроме одного, в нем теперь нет центральной зоны, в которой центробежное ускорение стремится к нулю. И, кроме того, давайте вспомним, что мы считали, что капелька образовавшейся жидкой фазы имеет всего один элементарный заряд. В реальности, заряд на капле при ее диаметре уже в 1 мкм может на много порядков превышать единичный заряд. А это означает, что на столько же порядков возрастет и ускорение, действующее на эту каплю. Теперь рассмотрим, как можно управлять процессом осаждения капелек в том случае, если они не имеют никакого заряда.
2
4
Дело в том, что все компоненты, входящие в состав природного газа, либо уже являются полярными молекулами с довольно большим значением дипольного момента (вода, все серосодержащие газы, молекулы СО), либо являются в обычном состоянии абсолютно неполярными молекулами, например СО или CH, но могут быть поляризованы во внешнем электрическом поле за счет упругой или электронной поляризации. Молекулы, помещенные в однородное электрическое поле, поменяют свою ориентацию таким образом, что их положительные заряды развернуться в сторону минуса электрического поля, а отрицательные - в сторону плюса. При этом для неполярных молекул эта ориентация будет полной, а для полярных - частичной, поскольку на их ориентацию большое влияние оказывает броуновское движение.
За счет приложенного электрического поля все молекулы конденсирующегося компонента в потоке займут такое положение, при котором их положительные заряды будут направлены в сторону отрицательных зарядов других молекул, а отрицательные заряды - в сторону положительных. Диполи начнут взаимодействовать друг с другом.
Энергия взаимодействия двух диполей, расположенных на одной линии, определяется по формуле
Продифференцируем это выражение с тем, чтобы получить силу взаимодействия двух диполей
-30
-12
-9
-13
-14
-26
Здесь ρ - дипольный момент молекулы, для воды равный 6,21·10 Кл·м, ε - постоянная Фарадея, равная 8,85·10 Ф/м, r - расстояние между молекулами, равное 10 м. Проведя несложные вычисления, нетрудно убедиться, что сила притяжения, действующая между двумя диполями, имеет размерность порядка 10-10 Ньютона. Бесконечно мало. Но и масса молекулы воды также бесконечно мала и имеет размерность 10 степени. А это означает, что, несмотря на малость силы притяжения, два диполя воды будут мчаться навстречу друг другу с громадными ускорениями, и их слияние будет происходить практически мгновенно. В конечном итоге это приведет к быстрому росту капелек образовавшееся жидкой фазы до размеров, при которых уже возможно их выделение из потока. Осуществляется это следующим способом.
При использовании электрического поля возможно использование эффекта, связанного с влиянием электрического поля на капельку жидкости, состоящую из диполей. На Фиг.1 представлена эпюра давлений действующих на каплю, движущуюся в сверхзвуковом потоке (левая часть рисунка), и модель формы капли (правая часть рисунка). Представлена же модель потому, что капелька имеет размер меньше длины видимого света, и в никакой оптический микроскоп ее увидеть нельзя.
Теперь, если эту капельку поместить в электрическое поле, направленное перпендикулярно потоку, то капелька под действием электрического поля еще больше растянется, поскольку капелька образовавшейся жидкой фазы состоит из диполей. Затем поместим эту капельку в поле, расположенное под углом к потоку. Под действием поля капелька опять растянется, но уже таким образом, что она будет двигаться в потоке, под углом к нему. Общий вид такой капельки показан на Фиг.2.
На ее затемненной по отношению к потоку стороне появится область разрежения, а на стороне, обращенной к потоку, появится область, имеющая давление выше, чем в окружающем каплю потоке. За счет этого появится сила F, перемещающая каплю поперек потока к одной из стенок. Очевидно, что угол поворота капли в потоке будет зависеть от взаимного расположения поля и потока, напряженности поля, размера капли. Очевидно, что можно обеспечить такой режим при движении, при котором капли будут достигать стенок за длину пробега, равную двум-трем диаметрам сопла. А это позволяет отказаться от использования центробежного ускорения и вести весь процесс в наиболее благоприятном течении как для самой трубы, так и для процессов, в ней протекающих - ламинарном. Поскольку при таком течении потери полного давления в потоке при прохождении им трубы будут минимальны.
Таким образом, мы получили способ, который позволяет управлять сепарацией частиц, совершенно не используя при этом центробежное ускорение. При этом вне зависимости от того, как ориентировано поле относительно потока: перпендикулярно к нему или под углом, слияние частиц за счет диполь-дипольного взаимодействия будет происходить все так же активно, поскольку определяющим в этом процессе является напряженность электрического поля, обеспечивающая взаимную ориентацию частиц аэрозоля в потоке. Можно показать, что диполь-дипольное взаимодействие проявляется на расстояниях много больших, чем длина свободного пробега молекул в газе. Движение заряженных частиц будет происходить к стенкам сопла так же активно, поскольку и здесь определяющим является напряженность поля.
Для создания электрического поля с градиентом по потоку могут быть использованы две пластины, расположенные под углом.
Для создания магнитного поля с градиентом по потоку могут быть использованы соленоиды либо постоянные магниты, выполненные, например, из редкоземельных металлов. Изменяя число витков проволоки, приходящееся на единицу длины соленоида, можно внутри него создать магнитное поле с неоднородной напряженностью.
Отличительными признаками заявляемого способа являются: адиабатическое охлаждение газового потока в сверхзвуковой трубе; воздействие на поток, в зоне конденсации компонент, электрическим полем; осуществление отбора жидкой фазы через кольцевую щель или перфорацию в стенках сопла, которую выполняют на расстоянии L=V·τ, где V - средняя скорость газового потока от места начала появления зародышей конденсации, τ - время движения капель сжиженной компоненты от одной стенки сопла до другой; не требуется высокое давление на входе в устройство, поскольку высокое давление необходимо для обеспечения высокой скорости закрутки потока и получения высоких значений центробежного ускорения, в данном случае ускорение создается другим способом, и высокое давление не требуется.
Использование электрического поля приводит либо к появлению огромных значений ускорений, действующих поперек движения потока на капельки в том случае, если капельки имеют заряд, что в конечном итоге и обеспечивает быстрое достижение капельками стенок сопла. Либо, если капельки не заряжены, то электрическое поле, размещенное под углом к потоку, таким образом ориентирует капельки, что на них начинают действовать аэродинамические силы, также быстро смещающие капельки к стенкам сопла. Отпадает необходимость в закрутке потока, вихревой эффект Ранка-Хилша не проявляет себя. Поскольку нет закрутки потока, нет и центральной зоны, в которой ускорение стремиться к нулю и из которой не происходит выделение образовавшейся жидкой фазы.
Выбор места отбора жидкой фазы на основании указанной формулы также повышает эффективность способа, поскольку именно в этом месте все образовавшиеся капельки жидкой фазы достигнут стенок сопла и могут быть удалены известным способом, либо с использованием перфорации на стенках сопла, либо через кольцевую щель, как это показано на чертеже, иллюстрирующем настоящее изобретение. Угол наклона электрического поля относительно потока подбирается экспериментально, исходя из условия максимального выделения образовавшейся жидкой фазы данного компонента природного газа.
Заявленный способ сжижения газа может быть реализован, например, на основе следующего устройства, показанного на Фиг.3.
Устройство содержит форкамеру 1, сверхзвуковое сопло 2, полый конус 3, образующий с соплом кольцевую щель 4, пластины 5, к которым подводится постоянный ток и между которыми формируется электрическое поле. Пластины 5 могут быть размещены так, чтобы электрическое поле, формируемое ими, было под таким углом к потоку, который подбирается экспериментально, исходя из условия максимального выделения из потока образовавшейся жидкой фазы.
На основе этого устройства способ реализуется следующим образом. На вход форкамеры 1 подается сжатый компрессором или поступающий под давлением из скважины газ. Параметры газового потока рассчитываются в сопле исходя из законов газодинамики таким образом, чтобы за счет адиабатического расширения сопла (определяемого заданным числом Маха (М)) начиналось образование конденсата (точка росы) какого-либо из компонентов природного газа. Проходя через точку росы, поток попадает в однородное электрическое поле, под действием которого образовавшаяся жидкая фаза переносится на стенки сопла и далее выводится из потока через кольцевую щель 4. При этом попадание в эту щель газа можно практически исключить, подобрав экспериментальным или расчетным путем толщину пленки жидкости, образовавшейся на стенках сопла 2. Далее, изготовив щель 4 таким образом, чтобы ее ширина была равна толщине пленки жидкости, мы исключим попадание в щель газовой фазы.