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 подготовка природного газа к транспорту.
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 потока, не содержащего гидратов. Пример такого способа приведен в патенте US 7357825, 2008 и в патенте ЕР 1131588, 2004.
Недостатком данного способа является то, что описанный метод неприемлем в случае разделения смесей газов, находящихся под высоким давлением газа и содержащих пары воды, т.к. при этих условиях в канале циклонных сепараторов на стенках образуются кристаллогидраты. Рост этих кристаллогидратов приводит к изменению геометрии канала сепаратора, что в конечном счете ведет к нарушению процесса сепарации.
Ближайшим аналогом является установка для подготовки природного и попутного газа к транспорту (см. патент RU 2336932, 2008), в которой посредством образования гидратов происходит удаление из газа сероводорода. В этой установке гидраты сепарируют в циклоне.
Недостатком данной установки является невозможность обеспечения работы установки в случае, если гидраты будут образовываться на стенках циклона.
Целью технического решения по настоящему изобретению является расширение диапазона работоспособности установок разделения газовых смесей, содержащих водяные пары и использующих расширение газа в циклонных сепараторах, и обеспечение их работоспособности при условиях, благоприятных для образования гидратов в канале сепаратора.
вх
оч
вх
оч
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе разделения газовых смесей, содержащих водяные пары, входной газ расширяют во вращающемся потоке в канале циклонного сепаратора, с получением на выходе из канала циклонного сепаратора потока, не содержащего гидратов, и потока, обогащенного водой или гидратами, в процессе расширения часть газа, движущуюся возле стенок, подогревают, подогрев проводят таким образом, чтобы температура внутренних поверхностей канала циклонного сепаратора была всюду выше температуры гидратообразования, при этом степень расширения потока в циклонном сепараторе поддерживают таким, что Р/Р>1.01 (где Р - полное давление входного газа, Р - полное давление потока на выходе из канала циклонного сепаратора).
Обогащенный водой поток может быть подвергнут повторному процессу разделения с расширением потока в канале дополнительного циклонного сепаратора.
Из обогащенного водой потока перед тем как подвергнуть его повторному процессу очистки с расширением потока в канале дополнительного циклонного сепаратора можно отсепарировать жидкость и гидраты.
Перед расширением или в процессе расширения в газ можно добавлять ингибитор гидратообразования.
На фиг.1 представлена принципиальная схема установки для осуществления предлагаемого способа разделения газовых смесей, содержащих водяные пары.
Установка работает следующим образом.
Сырой газ 1, содержащий пары воды, 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 потока 5, не содержащего гидратов, и потока, обогащенного водой 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 гидратообразования. Подвод тепла обозначен на фиг.1 стрелками 7.
вх
оч
вх
оч
Степень расширения потока в циклонном сепараторе поддерживают таким, 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 кристаллогидратов 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
где St - число Стантона, V - скорость потока, ρ - плотность потока H - энтальпия восстановления, равная
*
1
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 гидратообразования 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 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 потока 10, не содержащего гидратов, и потока, обогащенного водой 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 водой потока 6 можно отсепарировать жидкость 13, как это показано на фиг.3. Сепарацию жидкости 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 кристаллогидратов на стенках сепаратора 14, его стенки могут быть тоже подвергнуты нагреву.
Для уменьшения мощности обогрева канала циклонных сепараторов перед расширением или в процессе расширения в газ можно добавлять ингибитор гидратообразования.