ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР
GAS-DYNAMIC SEPARATOR

Изобретение относится к оборудованию для низкотемпературной обработки газов, например, многокомпонентных природных и нефтяных углеводородных газов. Оно может быть использовано для низкотемпературной подготовки, переработки, осушки, отбензинивания многокомпонентных углеводородных газов.
Известен газодинамический сепаратор (Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. М.: ООО « Недра - Бизнесцентр», 1999, с.336). Сепаратор включает сопло, завихритель потока перед ним и расширитель потока за ним для расширения, охлаждения и повышения давления газового потока, каналы отбора сконденсированной жидкости в зону пониженного давления.
Недостатками этого сепаратора являются большие энергетические затраты и ограниченность точки росы подготовленного газа по воде и углеводородам.
Некоторое повышение эффективности газодинамического сепаратора и снижение затрат энергии достигается в устройстве по патенту РФ №2291736, МПК B01D 45/12, B01D 53/26 - прототип, который включает завихритель исходного потока высоконапорного многокомпонентного углеводородного газа, патрубок ввода в исходный поток жидкости, сопло Лаваля изоэнтальпийного расширения и охлаждения закрученного потока, сепарационную камеру отделения сконденсированных компонентов от расширенного и охлажденного вращающегося потока газа, устройство удаления конденсата из сепарационной камеры, сборник конденсата с пониженным давлением, эжектор отбора газовой фазы из сборника конденсата, диффузор повышения давления очищенного газового потока.
Однако в этом газодинамическом сепараторе эффективность улавливания сконденсировавшихся компонентов при сверхзвуковых скоростях не превышает 15÷20%. Потери энергии в виде давления также высоки и составляют порядка 30% от исходного давления.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности газодинамической сепарации и снижении затрат энергии - давления газа.
Технический результат достигается тем, что в газодинамическом сепараторе, включающем корпус, патрубок ввода исходного многокомпонентного углеводородного газа, завихритель газа, патрубок ввода жидкости в поток газа, сопло Лаваля для изоэнтальпийного расширения и охлаждения закрученного потока газа, сепарационную камеру для отделения сконденсированных компонентов от расширенного и охлажденного вращающегося потока газа, пленкосъемник конденсата, сборник конденсата, эжектор отбора газовой фазы из сборника конденсата и диффузор для повышения давления очищенного газового потока, в корпусе установлена поперечная перегородка, разделяющая его внутреннее пространство на две полости, первая из которых соединена с патрубком входа исходного газа, входом в завихритель и сборником конденсата, причем, в этой полости коаксиально с корпусом последовательно расположены завихритель, сопло Лаваля и сепарационная камера, а вторая полость соединена с пленкосъемником конденсата из сепарационной камеры, эжектором и дополнительным сборником конденсата. В первой полости между корпусом и сепарационной камерой установлен шнек. Патрубок ввода в исходный поток жидкости подсоединен к первой полости. Пленкосъемник снабжен улиткообразным отбойником.
Установление в корпусе поперечной перегородки, разделяющей его внутреннее пространство на две полости, первая из которых соединена с патрубком входа исходного газа, входом в завихритель и сборником конденсата, причем, в этой полости коаксиально с корпусом последовательно расположены завихритель, сопло Лаваля и сепарационная камера, а вторая полость соединена с пленкосъемником конденсата из сепарационной камеры, с эжектором и дополнительным сборником конденсата, а также установление шнека в первой полости между корпусом и сепарационной камерой, подсоединение к первой полости патрубка ввода в исходный поток жидкости и снабжение пленкосъемника улиткообразным отбойником позволило в конечном счете повысить эффективность газодинамической сепарации и снизить затраты энергии - давление газа.
Авторам и заявителям не известны сепараторы жидкости из газового потока, в которых бы повышение эффективности сепарации и расширение диапазона достигалось бы подобным образом.
На фигуре 1 представлен общий вид газодинамического сепаратора.
На фигуре 2 представлен разрез I-I на фигуре 1.
На фигуре 3 представлен разрез II-II на фигуре 1.
Газодинамический сепаратор (фиг.1) состоит из корпуса 1, перегородки 2, разделяющей его внутреннее пространство на две полости 3 и 4. Полость 3 снабжена патрубком входа исходного газа 5, патрубком ввода в исходный газ жидкости 6, в ней установлены завихритель 7 с входом 8, сборник конденсата 9, сопло Лаваля 10, сепарационная камера 11, снабженная пленкосъемником 12, и шнек 13 между корпусом 1 и сепарационной камерой 11. В полости 4 установлены эжектор 14, дополнительный сборник конденсата 15, улиткообразный отбойник 16, установленный на пленкосъемнике 12, и диффузор 17.
Установка в корпусе 1 (фиг.1) перегородки 2 и разделение его внутреннего пространства на две полости 3, 4, первая из которых соединена с патрубком 5 входа исходного газа, входом 8 в завихритель 7 (фиг.1, 2) и сборником конденсата 9, а также расположение в полости 3 коаксиально с корпусом 1 последовательно завихрителя 7, сопла Лаваля 10 и сепарационной камеры 11 позволяет:
- во-первых, достаточно глубоко охладить исходный поток газа 18 (фиг.1) путем его теплообмена с потоком газа 19 (фиг.1), истекающего из сопла Лаваля 10 через стенки сепарационной камеры 11 при высоком давлении исходного газа;
- во-вторых, провести конденсацию компонентов в газе при высоком исходном давлении и низкой температуре, что повышает количество жидкой фазы, выделяемой из газа, и в конечном итоге улучшает процесс сепарации;
- в-третьих, отделить конденсат от газовой фазы при небольшой скорости ее перемещения. Величина этой скорости на два порядка меньше скорости потока газа 19, истекающего из сопла Лаваля 10. Это позволяет эффективно очищать газовую фазу от жидкости практически без потерь давления;
- в-четвертых, удалить конденсат в сборник 9 под давлением исходного газа, при котором он не испаряется, что, как следствие, повышает эффективность сепарации.
Соединение второй полости 4 с пленкосъемником 12 конденсата из сепарационной камеры 11, с эжектором 14 и дополнительным сборником конденсата 15 позволяет эффективно отвести жидкую фазу, образовавшуюся при расширении и глубоком охлаждении газа - поток 19 в сопле Лаваля 10, из сепарационной камеры 11 в полость 4 и затем в дополнительный сборник конденсата 15, находящиеся под пониженным давлением, которое создает эжектор 14, отбирая из полости 4 и сборника конденсата 15 газовую фазу.
Установка в первой полости 3 между корпусом 1 и сепарационной камерой 11 шнека 13 позволяет увеличить площадь теплообмена и придать охлаждаемому исходному газу винтообразное движение, что с одной стороны повышает эффективность охлаждения газа, конденсации из него компонентов и процесса сепарации за счет центробежных сил.
Подсоединение к первой полости 3 патрубка 6 ввода в исходный газ жидкости позволяет подавать в охлаждаемый газ:
- ингибиторы гидратообразования (метанола) и, как следствие, не допустить появления кристаллогидратов, на которые затрачивается холод и при этом ухудшается конденсация компонентов;
- абсорбенты, которые расширяют возможности газодинамического сепаратора, например:
- керосиновые фракции, которые повышают эффективность конденсации углеводородных компонентов в интервале температур 15-40°С охлаждаемого газа - поток 18, что в конечном итоге повышает эффективность сепарации;
- диэтиленгликоль или триэтиленгликоль, которые предварительно осушают исходный газ - поток 18 от паров воды при температурах 15-30°С, тем самым снижают энергетические затраты холода на ее конденсацию, уменьшают вероятность появления кристаллогидратов и, в конечном итоге, повышают эффективность очистки газа;
2
2
- моноэтаноламин, который позволяет очистить газ от кислых компонентов (СО и HS), тем самым расширяет функциональные возможности газодинамического сепаратора и повышает его эффективность.
Снабжение пленкосъемника 12 улиткообразным отбойником 16 (фиг.1, 3) позволяет погасить скорость движения конденсата, удаляемого из сепарационной камеры 11, и отвести его в сборник 15 без гидродинамического удара.
Предлагаемый газодинамический сепаратор работает следующим образом.
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6+выше
В полость 3 газодинамического сепаратора (фиг.1) через патрубок 5 подается исходный многокомпонентный углеводородный газ-поток 18. Компонентный состав исходного газа в массовых долях: СН - 0,778819; СН - 0,06861; CH - 0,041102; СН - 0,026154; CH - 0,01383; С - 0,071485. Исходный газ имеет термодинамические параметры, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1Начальные параметры исходного газ-потока 18
№ П.п
Наименование параметра
Размерность
Газовая фаза
Жидкая фаза
1
2
3
4
5
1
Давление, Р<sub>0</sub>
МПа
16,0
16,0
2
Температура, Т<sub>0</sub>
°С
40
40
3
Молекулярная масса
18,71
65,46
4
Плотность
кг/нм<sup>3</sup>
8,038
643,0
5
Доля фазы, масс.
0,9951
0,0049
6
Вязкость
Па·с
1,91·10<sup>-5</sup>
9,28·10<sup>-2</sup>
7
С<sub>р</sub>/С<sub>v</sub>
1,816
8
Удельная теплоемкость
кДж/(кмоль·град)
62,22
145,90
9
Фактор сжимаемости
0,7694
Исходный многокомпонентный углеводородный газ-поток 18 (фиг.1) проходит в полости 3 между стенками цилиндрического корпуса 1 сепаратора и цилиндрической сепарационной камерой 11. Поток исходного газа 18 охлаждается путем теплообмена в противотоке с газом - поток 19, истекающим из сопла Лаваля 10. Газ-поток 19 при истечении из сопла 10 имеет начальные параметры, которые представлены в таблице 2. После охлаждения поток 18 имеет параметры, представленные в таблице 3.
Таблица 2Начальные параметры потока 19 на выходе из сопла Лаваля 10
№ П.п
Наименование параметра
Размерность
Газовая фаза
Жидкая фаза
1
2
3
4
5
1
Режим истечения
число Маха
1,5
2
Статическое давление, Р<sub>2</sub>
МПа
4,51
3
Статическая температура, Т<sub>2</sub>
°С
минус 88
4
Массовая доля
0,9877
0,0123
5
Молекулярная масса фаз
16,0
30,98
6
Плотность фаз
кг/м<sup>3</sup>
74,66
434
7
Удельная теплоемкость фаз
кДж/(кмоль·град)
75,07
78,66
8
Фактор сжимаемости
0,6041
9
C<sub>p</sub>/C<sub>v</sub>
1,125
10
Вязкость
Па·с
1,049·10<sup>-5</sup>
1,28·10<sup>-4</sup>
Таблица 3Параметры потока исходного газа 18 после теплообмена
№ П.п
Наименование параметра
Размерность
Газовая фаза
Жидкая фаза
1
2
3
4
5
1
Давление, P<sub>1</sub>
МПа
16,0
2
Температура, T<sub>1</sub>
°С
минус 30
3
Массовая доля фаз в сверхзвуковом потоке
0,63
0,37
4
Молекулярная масса фаз
16,2
30,98
5
Плотность фаз
кг/м<sup>3</sup>
74,66
430
6
Удельная теплоемкость фаз
кДж/(кмоль·град)
75,07
78,66
7
Фактор сжимаемости
0,6041
9
C<sub>p</sub>/C<sub>v</sub>
1,125
10
Вязкость
Па·c
1,049·10<sup>-5</sup>
1,28·10<sup>-4</sup>
Во время охлаждения исходного газа - поток 18 углеводородные компоненты конденсируются и отделяются от газовой фазы за счет центробежной силы, которая образуется при закручивании газа шнеком 13. Жидкая фаза отводится под давлением в сборник конденсата 9. Очищенная газовая фаза перед соплом Лаваля 10 имеет параметры, представленные в таблице 4.
Таблица 4Параметры очищенного газовой фазы перед соплом Лаваля 10
№ П.п
Наименование параметра
Размерность
Газовая фаза
Жидкая фаза
1
2
3
4
5
1
Давление, P<sub>1</sub>
МПа
15,95
2
Температура, T<sub>1</sub>
°С
Минус 30
3
Массовая доля фаз
0,999
0,001
4
Молекулярная масса фаз
16,2
30,98
5
Плотность фаз
кг/м3
74,66
434
Удельная теплоемкость фаз
кДж/кмоль·град)
75,07
78,66
7
Фактор сжимаемости
0,6041
9
C<sub>p</sub>/C<sub>v</sub>
1,125
10
Вязкость
Па·с
1,049·10<sup>-5</sup>
1,28·10<sup>-4</sup>
Очищенная газовая фаза подается в сопло 10, в котором она изоэнтальпийно расширяется. Расширенный поток газа 19 на выходе из сопла Лаваля 10 имеет параметры, представленные в таблице 2. При температуре минус 88°С происходит дополнительная конденсация углеводородных компонентов. Конденсат отделяется от расширенного и охлажденного газа 19 за счет вихревого движения после завихрителя 7. Этот конденсат поступает в пленкосъемник 12 и отводится в улиткообразный отбойник 16, где затормаживается и после которого поступает в сборник конденсата 15. Из полости 4 и сборника конденсата 15 газовая фаза отбирается эжектором 14, создавая в них пониженное давление, которое способствует эффективному отводу жидкости из пленкосъемника 12.
По мере продвижения потока газа 19 по сепарационной камере 11 он нагревается при теплообмене с исходным газом - поток 18. Очищенный газ на выходе из сепарационной камеры 11 имеет параметры, представленные в таблице 5.
Таблица 5Параметры очищенного потока 18 на выходе сепарационной камеры 11
№ П.п
Наименование параметра
Размерность
Газовая фаза
Жидкая фаза
1
2
3
4
5
1
Режим истечения
число Маха
1,5
2
Статическое давление
МПа
4,51
3
Статическая температура
°С
минус 28
4
Массовая доля
0,9988
0,00012
5
Молекулярная масса фаз
16,1
19,9
6
Плотность фаз
кг/м<sup>3</sup>
73,89
234
7
Удельная теплоемкость фаз
кДж/(кмоль·град)
75,6
77,66
8
Фактор сжимаемости
0,70
9
С<sub>р</sub>/С<sub>v</sub>
1,125
10
Вязкость
Па·с
1,049·10<sup>-5</sup>
1,28·10<sup>-4</sup>
В диффузоре 17 очищенный газовый поток затормаживается и восстанавливает давление. Параметры очищенного потока после диффузора представлены в таблице 6.
Таблица 6Параметры потока очищенного газа на выходе диффузора 17
№ П.п
Наименование параметра
Размерность
Газовая фаза
Жидкая фаза
1
2
3
4
5
1
Режим истечения
число Маха
М<<1
2
Скорость
м/с
20
2
Статическое давление, Р<sub>4</sub>
МПа
13,34
3
Статическая температура, Т<sub>4</sub>
°С
плюс 30,1
4
Массовая доля
0,999999
0,000001
5
Молекулярная масса фаз
16,2
19,87
6
Плотность фаз
кг/м<sup>3</sup>
90,66
237
7
Удельная теплоемкость фаз
кДж/(кмоль·град)
75,62
78,67
8
Фактор сжимаемости
0,75
9
С<sub>р</sub>/С<sub>v</sub>
1,125
10
Вязкость
Па·с
1,049·10<sup>-5</sup>
1,28·10<sup>-4</sup>
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6+выше
3
8
4
10
5
12
Очищенный газ в предложенном газодинамическом сепараторе практически не содержит жидкой фазы и имеет следующий компонентный состав: CH - 0,9969766; СН - 0,00301; СН - 0,000012; СН - 0,000011; CH - 0,0000003. Он не содержит компонентов С, и из него практически удалены СН, СН, CH. Таким образом, предложенный газодинамический сепаратор обладает высокой эффективностью. Причем энергетические затраты на его реализацию составляют 16,25% от исходного давления.
Ввод в исходный газ при его теплообмене через патрубок 6 абсорбентов позволяет расширить возможности способа газодинамической сепарации.
Например, ввод:
- керосиновых фракций позволяет повысить эффективность конденсации на 15-25% углеводородных компонентов в интервале температур 15-40°С охлаждаемого газа - поток 18 и не допустить их дегазации при удалении конденсата, что повышает эффективность сепарации;
- диэтиленгликоля или триэтиленгликоля позволяет предварительно осушить исходный газ при температурах 15÷30°С от паров воды, тем самым снизить энергетические затраты холода на ее конденсацию, уменьшить вероятность появления кристаллогидратов и в конечном итоге повысить эффективность очистки газа;
2
2
- моноэтаноламина позволяет очистить газ от кислых компонентов (СО и HS), тем самым расширить функциональные возможности способа и повысить в конечном итоге его эффективность.
Предлагаемая конструкция газодинамического сепаратора позволила повысить эффективность газодинамической сепарации и снизить затраты энергии - давление газа.