СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ГАЗОВОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
SEPARATION OF SEPARATE COMPONENTS FROM GAS MIX AND DEVICE TO THIS END

Взаимосвязанная группа изобретений относится к технике разделения газовых смесей на компоненты и может быть использована в угольной промышленности при подготовке каптируемой шахтной метановоздушной смеси для ее утилизации в когенерационных установках.
Известный способ извлечения отдельных компонентов из газовой смеси [1], который включает в себя закручивание потока газовой смеси в завихрителе и разделение закрученного потока в противоточной вихревой трубе на два потока: центральный, с преобладанием в нем легких компонентов, и периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов, причем последний поток дополнительно сепарируется с отделением наиболее тяжелых примесей (диоксида углерода и твердых частичек пыли) и средневзвешенных компонентов (азот, очищенный воздух).
Недостатком известного способа является низкая продуктивность, которая ограничивается техническими возможностями противоточной вихревой трубы и сложностью процесса разделения потоков за счет введения дополнительного сепарирования периферийного потока. Это значительно ограничивает область промышленного использования способа.
Известный способ извлечения отдельных компонентов из газовой смеси [2], который включает в себя закручивание газовой смеси открытым вращающимся шнеком и разделение закрученного потока в шнеке на два: центральный, с преобладанием в нем легких компонентов - в основном метана,  и периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов, при этом центральный поток в зоне, прилегающей к оси шнека, с содержанием легкой компоненты 80…90% отсасывается, сжимается и направляется в камеру сгорания газовой турбины, а остальная часть центрального потока с содержанием легкой компоненты до 5% направляется непосредственно на вход этой же газовой турбины.
Недостатком способа является его низкая продуктивность и экономическая нецелесообразность: для получения утилизированной энергии необходимо, наряду с извлеченным небольшим количеством легкой компоненты газовой смеси - метана, сжигать дорогое авиационное топливо как основное топливо турбины.
Также известен, выбранный как прототип, способ извлечения отдельных компонентов газовой смеси [3], который включает закручивание потока газовой смеси в завихрителе, разделение закрученного потока в прямоточной вихревой трубе на центральный и периферийный потоки, для извлечения разных компонентов через регулируемые отводы разделенных потоков, при этом при значении тангенциальной составляющей скорости закрученного потока, близком к какой-то критической величине, тяжелые компоненты смеси преобладают в центральном потоке, а при значении этой составляющей скорости больше какой-то критической величины тяжелые компоненты смеси преобладают в периферийном потоке.
Недостатком способа является низкая эффективность разделения компонентов из-за наличия в предложенной прямоточной вихревой трубе нестационарного осевого вихревого шнура, который турбулентизирует поток и уменьшает эффект разделения компонентов. Кроме того, указанный способ предусматривает нестабильный режим работы при значении тангенциальной составляющей скорости закручивания, близком к какой-то критической величине, когда разделение потока практически отсутствует. Под критической скоростью в описании этого способа понимается минимальная окружная скорость полного закручивания газовой смеси, при которой обеспечивается вращение в периферийной зоне потока наиболее тяжелых по молекулярной массе компонентов газовой смеси.
Известно устройство для извлечения отдельных компонентов из газовой смеси [1], которое состоит из завихрителя в виде пассивной газовой турбины, оснащенной для своей работы компрессором и соединенной с конусной противоточной вихревой трубой, где происходит разделение закрученного потока газовой смеси на два: центральный, с преобладанием в нем легких компонентов, и периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов. После разделения легкие компоненты, которые состоят в основном из метана, через пустотелый вал турбины подаются на утилизацию, а периферийный поток с тяжелыми фракциями дополнительно сепарируется на узком конце вихревой трубы. Узкий конец вихревой трубы оснащен кольцевой камерой-коллектором, которая соединена через продольные щели в корпусе вихревой трубы с внутренней полостью трубы, благодаря чему в камеру-коллектор попадает часть тяжелых компонентов, включая взвешенную пыль. Более легкие компоненты, состоящие из очищенного воздуха и азота вместе с парами воды выпускаются в атмосферу.
Недостатком известного устройства является низкая энергетическая эффективность из-за значительных затрат энергии на сжимание смеси для работы турбины, преобладающая часть которой после расширения в трубе выбрасывается в атмосферу, а также низкая его производительность, которая определяется техническими возможностями противоточной вихревой трубы. Эти недостатки существенно ограничивают промышленное использование устройства, поэтому их используют только на автомобилях для обработки небольших объемов выхлопных газов.
Известны устройства, которые выбраны как прототипы, для извлечения отдельных компонентов из газовой смеси, которые включают в себя завихритель потока газовой смеси, прямоточную вихревую трубу, в которой происходит разделение закрученного потока газовой смеси на два потока, центральный и периферийный, и отборники компонентов смеси в закрученных центральном и периферийном потоках, при этом:
- в вихревой трубе установлен по крайней мере еще один завихритель потока, что обеспечивает дозакручивание потока, и расстояние между завихрителями может регулироваться [3];
- отборник компонентов центрального потока состоит из двух коаксиальных частей с образованием регулируемого кольцевого зазора между ними, через который осуществляется отбор [4];
- корпус вихревой трубы состоит из двух коаксиальных частей с образованием регулируемого кольцевого зазора между ними, который окружен кольцевой камерой-коллектором с патрубком отбора компонентов периферийного потока [5].
Недостатком этих устройств является чрезмерная конструктивная сложность, которая ставит под сомнение их работоспособность, неэффективность разделения газовой смеси на компоненты в предложенной конструкции прямоточной вихревой трубы из-за наличия нестационарного осевого вихревого шнура, который турбулентизирует поток и уменьшает эффект разделения компонентов.
В основу первого из группы изобретений положена задача усовершенствования способа извлечения отдельных компонентов из газовой смеси, что обеспечивает повышение эффективности разделения компонентов в прямоточных вихревых трубах при сохранении их высокой продуктивности и экономической целесообразности использования за счет устранения возможного появления общих и локальных источников турбулентизации потока газовой смеси в трубе.
В основу второго из группы изобретений положена задача усовершенствования устройства для извлечения отдельных компонентов из газовой смеси путем замены конструкции прямоточной вихревой трубы и отборников компонентов смеси в закрученных центральном и периферийном потоках, что позволит ликвидировать общую турбулентизацию закрученного потока и локальную турбулентизацию в зонах отбора и тем самым увеличить эффективность извлечения отдельных компонентов из газовой смеси в прямоточной вихревой трубе при сохранении ее конструктивной простоты и высокой продуктивности.
Первая поставленная задача решается таким образом, что в способе извлечения отдельных компонентов из газовой смеси, который включает закручивание потока в завихрителе, разделение закрученного потока в прямоточной вихревой трубе на два потока: периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов, и центральный, с преобладанием в нем легких компонентов, и извлечение компонентов через регулируемые отводы разделенных потоков, согласно  изобретению закручивание потока проводится с ускорением движения потока до скорости, тангенциальная составляющая которой превышает минимальную окружную скорость полного закручивания газовой смеси данного состава и физических параметров ее состояния на величину, достаточную для разделения смеси на периферийный и центральный потоки, а само разделение закрученного потока на периферийный и центральный потоки происходит в кольцевом канале, в котором осевая зона освобождена от потока и на выходе из которого компоненты одного из потоков частично извлекаются при частичном торможении вращения этого потока и отделения зоны отбора компонентов от закрученного потока.
Вторая поставленная задача решается таким образом, что в устройстве для извлечения тяжелых компонентов из газовой смеси, которое включает в себя завихритель потока газовой смеси, прямоточную вихревую трубу, где происходит разделение закрученного потока газовой смеси на два потока: периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов, и центральный, с преобладанием в нем легких компонентов, и отборник тяжелых компонентов газовой смеси из периферийного потока в виде кольцевой камеры-коллектора, соединенной через продольные щели в корпусе вихревой трубы с внутренней полостью трубы, согласно изобретению завихритель состоит из многозаходного шнека с центральным телом, которое при закручивании сжимает и ускоряет движение газового потока смеси, а за центральным телом для протекания закрученного потока сформирован кольцевой канал с помощью установленной коаксиально с ним цилиндрической штанги, при этом на выходе из кольцевого канала установлен отборник тяжелых компонентов смеси из периферийного потока, перед которым для торможения вращения периферийного потока установлены продольные ребра с высотой, которая увеличивается с течением потока, а продольные щели в корпусе вихревой трубы окружены цилиндрической коаксиальной с корпусом вихревой трубы обечайкой, которая отделяет зону отбора тяжелых компонентов от закрученного потока, а также тем, что в устройстве для извлечения легких компонентов из газовой смеси, которое включает в себя завихритель потока газовой смеси, прямоточную вихревую трубу, где происходит разделение закрученного потока газовой смеси на два потока: периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов, и центральный, с преобладанием в нем легких компонентов, и отборник легких компонентов газовой смеси из центрального потока в виде патрубка с кольцевым зазором, согласно  изобретению завихритель состоит из многозаходного шнека с центральным телом, которое при закручивании сжимает и ускоряет движение газового потока смеси, а за центральным телом для протекания закрученного потока сформирован кольцевой канал с помощью установленной коаксиально с ним цилиндрической штанги, при этом на выходе из кольцевого канала установлен, с зазором относительно цилиндрической штанги и коаксиально с ней, патрубок отбора легкой компоненты с центрального потока, перед которым для торможения вращения центрального потока установлены продольные ребра с высотой, которая увеличивается с течением потока, а кольцевой зазор окружен цилиндрической коаксиальной с корпусом вихревой трубы обечайкой, которая отделяет зону отбора легких компонентов от закрученного потока.
Сравнительный анализ заявленной конструкции с наиболее близкими прототипами показывает, что она обеспечивает аэродинамические условия течения потока газовой смеси в прямоточной вихревой трубе, которые уменьшают турбулентизацию его течения как вдоль всей трубы (устранение из области течения потока зоны возникновения нестационарного осевого вихревого шнура), так и в зоне отбора компонентов газовой смеси отделением этой зоны от закрученного потока.
Суть изобретения и схема его использования поясняются чертежами, где изображены
- на фиг.1 - заявленное устройство для извлечения тяжелых компонентов газовой смеси из периферийного потока, продольный разрез;
- на фиг.2 - разрез А-А  фиг.1;
- на фиг.3 - заявленное устройство для извлечения легких компонентов газовой смеси из центрального потока, продольный разрез;
- на фиг.4 - разрез Б-Б  фиг.4;
- на фиг.5 - схема подготовки шахтной метановоздушной смеси к ее утилизации в когенерационных установках с применением заявленных устройств.
Заявленный способ реализуется таким образом.
Поток газовой смеси, содержащий компоненты с разной молекулярной массой, закручивают с ускорением его течения в завихрителе, на выходе из которого тангенциальная составляющая скорости на периферии закрученного потока превышает минимальную скорость полного закручивания газовой смеси определенного состава и физических параметров состояния на величину, достаточную для возникновения разделения потока на два: периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов, и центральный, с преобладанием в нем легких компонентов. Для уменьшения влияния турбулентных пульсаций от осевого шнура, которые являются главным препятствием для эффективного протекания процесса разделения потока, закрученный поток направляется в кольцевую камеру, в которой приосевая зона свободна от потока, а ее длина превышает расстояние до сечения, в котором газовый поток в свободном вращательном вихревом движении располагается кольцевыми слоями с разным содержанием компонентов в порядке увеличения их содержания в направлении от оси вращения вихревого потока до периферии. После этого сечения начинается частичное торможение вращения потока и отбор компонентов заторможенного потока.
Наиболее целесообразно для реализации приведенного способа применение описанных ниже устройств.
Показанное на фиг.1 и 2 устройство для извлечения из газовой смеси тяжелых компонентов включает в себя корпус 1, завихритель в виде многозаходного шнека 2 с центральным телом 3, к которому коаксиально присоединена цилиндрическая штанга 4, которая вместе с внутренней поверхностью корпуса 1 вихревой трубы образует кольцевой канал длиной L. Начиная с разреза I-I, который находится на расстоянии l в пределах кольцевого канала (l<L), на корпусе трубы 1 установлены продольные ребра 5 с высотой, которая увеличивается с течением потока, и отборник тяжелых компонентов в составе продольных щелей 6, кольцевой камеры-коллектора 7 и выходного патрубка 9. Продольные щели 6 в корпусе вихревой трубы окружены цилиндрической обечайкой 8, которая установлена коаксиально с корпусом вихревой трубы 1 и которая отделяет зону отбора тяжелых компонентов от свободного пространства кольцевой камеры.
Показанное на фиг.3 и 4 устройство для извлечения из газовой смеси легких компонентов включает в себя корпус 1, завихритель в виде многозаходного шнека 2 с центральным телом 3, к которому коаксиально присоединена цилиндрическая штанга 4, которая вместе с внутренней поверхностью корпуса 1 образует кольцевой канал длиной L. Начиная с разреза I-I, который находится на расстоянии l в пределах кольцевого канала (l<L), установлены на цилиндрической штанге 4 продольные ребра 5 с высотой, которая увеличивается с течением потока, и отборник легких компонентов, состоящий из патрубка 10, установленного с зазором 11 коаксиально с цилиндрической штангой 4, и выходного патрубка 9. Кольцевой зазор 11 окружен цилиндрической обечайкой 12, установленной коаксиально с корпусом вихревой трубы 1 и которая отделяет зону отбора легких компонентов от свободного пространства кольцевой камеры.
Работа предложенных устройств показана на примере подготовки каптируемой шахтной метановоздушной смеси (МВС) для утилизации в когенерационных газопоршневых установках.
Для стабильного и экономически целесообразного производства тепло- и электроэнергии в когенерационных газопоршневых установках необходимы МВС с концентрацией метана в пределах 35…40% при влажности не более 80% и в небольших количествах форкамерный газ с горючей составляющей не менее 85…90% для розжига МВС в поршнях, в то время как в каптируемой шахтной МВС содержание метана составляет 20…25%, а влажность после прохождения через вакуум-насосные станции достигает 100%.
Для того чтобы стать пригодной для использования в когенерационных газопоршневых установках каптируемая шахтная МВС должна пройти газоподготовку в составе технологических операций обезвоживания в рамках первичной подготовки и обогащения метаном. Для осуществления последней операции могут найти применение предложенные устройства для извлечения из газовой смеси тяжелых и легких компонентов (см. фиг.5).
После первичной подготовки 13 МВС под давлением подается на устройство для извлечения из газовой смеси тяжелых компонентов 14, заявленное в п.2 формулы изобретения (фиг.1), в котором газовая смесь, проходя через завихритель в виде многозаходного шнека 2 с центральным телом 3 закручивается и ускоряется таким образом, чтобы на выходе из завихрителя тангенциальная составляющая скорости на периферии закрученного потока превышала минимальную окружную скорость полного закручивания газовой смеси заданного состава и физических параметров состояния на величину, достаточную для возникновения при торможении вращательного движения, процесса замещения легких компонентов газовой смеси тяжелыми в направлении к периферии потока. Этот процесс заканчивается в некотором сечении I-I (фиг.1) в середине кольцевого канала, образованного внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью цилиндрической штанги 4. После этого сечения газовая смесь во вращательном движении располагается кольцевыми слоями с разным содержанием компонентов в порядке увеличения их содержания в каждом последующем слое в направлении от оси вращения вихревого потока и, как следствие, формируются два вышеуказанных потока: периферийный, с преобладанием в нем тяжелых компонентов, и центральный, с преобладанием в нем легких компонентов.
Так как осевая зона освобождена от потока в канале, нестационарный осевой вихревой шнур в потоке не возникает, турбулентизация потока снижается и, соответственно, повышается качество разделения потока компонентов.
После сечения I-I для улучшения аэродинамических условий отбора начинается частичное торможение вращения периферийного потока ребрами 5, и отбор заторможенного потока тяжелых компонентов - составляющих воздуха - из потока МВС через продольные щели 6 в кольцевую камеру-коллектор 7. Для предотвращения турбулентизации и нарушения расслоения периферийного потока продольные щели в корпусе вихревой трубы окружены цилиндрической обечайкой 8, которая отделяет заторможенную вращающуюся часть периферийного потока от закрученного. Отобранный воздух выбрасывается в атмосферу, а концентрация метана в МВС повышается. Процесс отбора и выброса воздуха, а также увеличение концентрации метана регулируются вентилями 20, 21, 22 и 23 с помощью системы автоматизированного управления, в состав которой входят газоанализаторы (не показана).
Обогащенная до 35…40% концентрации метана МВС накапливается в буферной емкости (ресивере) 15, откуда через вентиль 23 подается на сжигание в когенерационную установку 19. Из ресивера 15 небольшая часть обогащенной метаном МВС также отсасывается компрессором 16 и подается под давлением на устройство для извлечения из газовой смеси 17 легких компонентов, заявленное в п.3 формулы изобретения (см. фиг.3), в котором после сечения I-I для улучшения аэродинамических условий отбора начинается частичное торможение вращения центрального потока ребрами 5 и отбор затормаживаемого потока легких компонентов смеси - в основном метана - через кольцевой зазор 11. Для предотвращения турбулентизации и нарушения расслоения центрального потока кольцевой зазор 11 окружен цилиндрической обечайкой 12, которая отделяет заторможенную от вращения часть центрального потока от закрученного.
Отобранный метан с концентрацией до 85…90% накапливается в ресивере 18 для использования его в качестве форкамерного газа при работе когенерационных газопоршневых установок. Процесс работы устройства для извлечения из газовой смеси легких компонентов 15 регулируется вентилями 24, 25, 26 и 27 с помощью системы автоматизированного управления, в состав которой входят газоанализаторы (не показана).
Таким образом, применение заявленного способа и устройства для обогащения метаном шахтной МВС позволит довести ее до кондиций, пригодных для утилизации в когенерационных газопоршневых установках и получения рентабельной высококачественной электрической и тепловой энергии при значительном снижении выбросов парниковых газов в атмосферу.
Источники информации
1. Заявка США №2007/0231233, МIЖ С07С 11/24. Methane gas recovery and usage system for coalmines, municipal landfills and oil refinery distillation tower vent stacks. Опублiковано 4.10.2007.
6
2. Патент РФ №2096626, МПК E21F 7/00. Способ утилизации шахтной метановоздушной смеси и устройство для его осуществления. Опубликовано 20.11.1997.
6
3. Патент РФ №2081355, МПК F04F 5/00, F25B 9/02. Способ разделения сред с неоднородным полем плотностью и с разной молекулярной массой компонентов и вихревое устройство для его осуществления. Опубликовано: 10.06.1997.
6
4. Патент РФ №2107196, МПК F04F 5/00, F25B 9/04. Вихревая установка для выделения горючей составляющей из воздуха. Опубликовано: 20.03.1998.
6
5. Патент РФ №2107197, МПК F04F 5/00, F25B 9/04. Вихревая установка для выделения горючей составляющей из воздуха. Опубликовано: 20.03.1998.