Комбинированный аппарат для охлаждения газа
COMBINED DEVICE FOR GAS COOLING

Изобретение относится к криогенной и нефтегазовой технике, в частности к области производства сжиженного природного газа (СПГ) и может быть применен в конструкции аппаратов для охлаждения и сжижения природного газа с одновременной отбивкой капельной жидкости испарившегося хладагента при производстве СПГ.
Известен аппарат сжижения газа, включающий витой трубчатый теплообменник и связанные с ним вихревые охладители, диаметрально противоположные отводы потоков которых соединены с разными объемами, при этом отводы жидкого продукта вихревых охладителей размещены в межтрубной полости теплообменника, а отводы переохлажденного потока газа из вихревых охладителей собраны в коллектор, проходящий по оси витого теплообменника до входа сжижаемого газа в аппарат, при этом патрубок отвода жидкого продукта из аппарата соединен с осевой трубой теплообменника, в верхней части которой выполнена перфорация, расположенная ниже уровня выхода переохлажденного газа (RU 2193740 С1, 27.11.2002).
Недостаток данного аппарата заключается в необходимости использования сепарационных устройств после аппарата для предотвращения уноса с парами хладагента капельной жидкости хладагента, а также в низкой эффективности вихревых труб и необходимости утилизации горячего потока, образовавшегося после расширения газа в вихревых трубах.
Наиболее близким к предложенному является теплообменный аппарат для охлаждения природного газа, содержащий цилиндрический кожух и размещенные в нем спирально навитые теплообменные трубки, при этом кожух снабжен соединенными с трубками патрубками для ввода и вывода потоков первой и второй среды, а также патрубками для ввода в полость кожуха и вывода потока третьей среды, которая находится в межтрубном пространстве и вступает в теплообмен с проходящим по трубам потоком среды (RU 2636287 С2, 21.11.2017).
При использовании аппарата в установках сжижения природного газа в качестве третьей среды используется хладагент, кипящий в межтрубном пространстве аппарата. Недостатком этого аппарата является необходимость использования сепарационных устройств для отделения капельной жидкости от паров выходящего хладагента, чтобы предотвратить попадание жидкости на всас компрессора, на который направляется на сжатие газообразный хладагент.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании аппарата для охлаждения газа для использования в установках сжижения газа, осуществляющего сепарацию выходящих из теплообменной секции паров хладагента от капельной жидкости.
Техническая проблема решается аппаратом для охлаждения газа, содержащим теплообменную секцию, включающую цилиндрический кожух и размещенный в нем по меньшей мере один пучок спирально навитых теплообменных трубок, при этом согласно изобретению аппарат снабжен цилиндрическим корпусом с вводами и выводами для хладагента и охлаждаемого газа, теплообменная секция размещена в цилиндрическом корпусе, в котором над теплообменной секцией размещена сепарационная секция для разделения паровой и жидкой фаз хладагента, а также в корпусе расположено по меньшей мере одно переливное устройство, выполненное с возможностью отвода жидкого хладагента из по меньшей мере одной сепарационной секции в нижнюю часть кожуха теплообменной секции.
Кроме того, в частном случае выполнения аппарата сепарационная секция включает расположенные последовательно одна над другой устройства сепарации, устройство сепарации выходящих паров хладагента установлено непосредственно над теплообменной секцией, расположенное над ней по меньшей мере одно устройство входной сепарации хладагента соединено с входом для хладагента, и перед выводом для газообразного хладагента расположено устройство сепарации выходящего газообразного хладагента.
Возможен вариант выполнения аппарата, в котором теплообменная секция содержит один пучок теплообменных трубок, спирально навитых на сердечнике.
В других вариантах теплообменная секция содержит два или более пучка теплообменных трубок для различных газовых потоков, спирально навитых на сердечнике.
Возможен вариант, когда первый пучок навит на сердечнике, а последующий или последующие пучки навиты поверх предыдущих пучков.
При этом пучки могут быть навиты под разными углами при одинаковой высоте навивки пучков, либо пучки могут быть навиты под одинаковыми углами при различной высоте навивки пучков.
Также возможен вариант, когда теплообменные трубки всех пучков навиты на сердечнике вперемежку с одинаковым углом навивки.
Возможен вариант выполнения аппарата, когда по меньшей мере одно переливное устройство выполнено с возможностью отвода жидкого хладагента из по меньшей мере одной сепарационной секции в нижнюю часть кожуха теплообменной секции через пространство между корпусом и кожухом теплообменной секции.
В другом варианте теплообменные трубки навиты на полый сердечник, и по меньшей мере одно переливное устройство выполнено с возможностью отвода жидкого хладагента из по меньшей мере одной сепарационной секции в нижнюю часть кожуха теплообменной секции через полость сердечника.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан предлагаемый комбинированный аппарат для охлаждения газа.
На фиг. 2 приведена схема введения каждого из двух охлаждаемых газов в соответствующий пучок спирально навитых теплообменных трубок через один штуцер с трубной решеткой.
На фиг. 3 приведена схема введения каждого из двух охлаждаемых газов в соответствующий пучок спирально навитых теплообменных трубок через несколько штуцеров с трубной решеткой.
Комбинированный аппарат состоит из спирально навитой одно- или многопоточной теплообменной секции в нижней части аппарата и сепарационной секции разделения равновесных фаз капельной жидкости и пара в верхней части аппарата (фиг. 1). Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, в нижней части которого коаксиально расположен цилиндрический кожух 2 теплообменной секции, внутри которого на центральной трубе 3 спирально навиты теплообменные трубки 4. На фиг. 1 показан аппарат с двумя пучками 5 и 6 теплообменных трубок 4 для охлаждения двух разных потоков газов. Корпус 1 и кожух 2 имеют вводы и выводы для охлаждаемых газов - входной штуцер 7 для первого газа, выходной штуцер 8 для первого газа, входной штуцер 9 для второго газа и выходной штуцер 10 для второго газа. На штуцерах установлены трубные решетки 11, с которыми соединены теплообменные трубки 4 соответствующих пучков. В нижней части корпуса 1 имеется штуцер 12 вывода балансового жидкого хладагента на последующую ступень охлаждения/сжижения газа, а в верхней части - штуцер 13 вывода газообразного хладагента на сжатие.
Сепарационная секция, состоящая из нескольких устройств сепарации, служит для отбивки капельной жидкости от отделяемой паровой фазы поступающего в аппарат хладагента, испарившегося в теплообменной секции хладагента и выводимого на последующее сжатие суммарного потока газообразного хладагента.
В верхней части кожуха 2 над теплообменными трубками расположено устройство 14 сепарации выходящих паров хладагента, которое представляет собой, например, тарелку с центробежными элементами или иное сепарационное устройство. Над ним в корпусе 1 расположено устройство 15 входной сепарации хладагента, соединенное с штуцером 16 ввода хладагента. Выше может быть расположено еще одно или более устройств 17 сепарации хладагента, соединенное со штуцером 18 ввода хладагента, например, с антипомпажной линии. Эти устройства 15, 17 сепарации могут представлять собой, например, горизонтальный сетчатый каплеотбойник или иной сепарационный элемент.
Вверху корпуса 1 под штуцером 13 вывода газообразного хладагента расположено устройство 19 сепарации выходящего газообразного хладагента, которое может представлять собой горизонтальный сетчатый каплеотбойник, или вертикальные жалюзийные блоки шевронного типа, или другой сепарационный элемент.
Переливные устройства 20 одно или несколько, расположенные под устройством 19 сепарации, направляют жидкий хладагент с устройств сепарации в кольцевое пространство между корпусом 1 и кожухом 2 и/или в полость центральной трубы 3, через которые хладагент попадает в нижнюю часть теплообменной секции, где полость кожуха 2 сообщена с полостью корпуса 1, и заполняет межтрубное пространство теплообменной секции.
Переливные устройства 20 могут представлять собой, например, сборную или глухую тарелку с трубами для перетока жидкости или иной переливной элемент.
Теплообменная секция может содержать один пучок теплообменных трубок 4 для одного газового потока, либо два или более пучка теплообменных трубок 4 для различных газовых потоков, спирально навитых на центральной трубе 3. В случае двух или более пучков первый пучок 5 навит на центральной трубе 3, а последующий или последующие пучки 6 навиты поверх предыдущих пучков. На фиг. 1, 2 показаны два пучка 5 и 6, один пучок 5 навит на центральную трубу 3, а другой пучок 6 навит поверх пучка 6. Пучки могут быть навиты различным образом. Пучки могут быть навиты под разными углами при одинаковой высоте навивки пучков, либо пучки могут быть навиты под одинаковыми углами при различной высоте навивки пучков. Также возможен вариант, когда теплообменные трубки 4 всех пучков навиты на полой трубе вперемежку с одинаковым углом навивки. Различные углы и различные высоты навивки для теплообменных трубок разнородных потоков позволяют достичь требуемых показателей по потерям давлений при достижении заданных температур охлаждаемых газовых потоков в условиях кипения при постоянной температуре хладагента, в которую полностью погружены теплообменные трубки 4.
При большом числе теплообменных трубок 4 подвод газа в каждый пучок и вывод газа может осуществляться через несколько штуцеров и трубных решеток. На фиг. 3 показаны штуцеры 21 и 22 ввода первого охлаждаемого газа во внутренний пучок и штуцеры 23 и 24 ввода второго охлаждаемого газа во внешний пучок теплообменных трубок.
Работа аппарата описана далее на примере аппарата с двумя пучками 5 и 6 теплообменных трубок.
Изобретение относится к аппаратам непрерывного действия. Хладагент, поступающий в сепарационную секцию, направляется по специальным коробам - переливным устройствам к теплообменным трубкам для заполнения теплообменной секции и непрерывного пополнения балансовой части выкипающего и отводимого на последующую ступень хладагента.
Хладагент, находящийся преимущественно в жидкой фазе, поступает в аппарат через устройство 15 сепарации, в котором происходит отделение жидкости от образовавшейся паровой фазы. Далее посредством переливного устройства 20, для предотвращения резкого неравномерного вскипания, хладагент направляется в нижнюю часть аппарата через пространство между кожухом 2 и корпусом 1. При стационарном режиме работы аппарата поддерживается необходимый уровень хладагента над теплообменными трубками 4. За счет испарения хладагента при постоянной температуре происходит охлаждение/сжижение первого газа, проходящего через наружный пучок 6 спирально навитых трубок 4, а также охлаждение дополнительного потока второго газа - хладагента более низкого давления, используемого на последних ступенях цикла сжижения газа. За счет решения по компоновке спирально навитых пучков 5, 6 «друг в друге», посредствам которого происходит охлаждение разнородных потоков за счет кипения чистого хладагента, полностью покрывающего теплообменные пучки, возможно достижение требуемых значений по гидравлическим потерям в трубках при достижении одинаковых температур охлаждения разнородных потоков за счет различных углов навивки и длин трубок. Балансовая часть жидкого хладагента выводится через штуцер 12, при непрерывном поступлении через переливное устройство 20 и испарении на пучках 5, 6. Испарившаяся часть хладагента поступает из теплообменной секции в устройство 12 сепарации, где отбивается капельная жидкость. Отсепарированная капельная жидкость направляется обратно в теплообменную секцию. Отсепарированная паровая фаза испарившегося с пучков хладагента объединяется с отсепарированной во входных устройствах 15, 17 сепарации паровой фазой поступающего хладагента. Объединенный паровой поток направляется к устройству 13 сепарации для окончательного отделения жидкости перед сжатием газообразного хладагента. Капельная жидкость с устройств сепарации направляется к нижней части аппарата.
Использование многопоточной спирально навитой теплообменной секции с расположением пучков «один в другом», комбинированного с сепарационной секцией позволит сократить затраты на реализацию системы «теплообменник-сепаратор», достичь низких гидравлических потерь по потокам, достичь низкого значения температурного напора для повышения эффективности теплообмена, при охлаждении/сжижении газа одновременно с другим потоком газа, значительно отличающимся по физическим свойствам и технологическим параметрам.
Использование однопоточной спирально навитой теплообменной секции, комбинированной с сепарационной секцией, позволит сократить затраты на реализацию системы «теплообменник-сепаратор» и достичь низких гидравлических потерь по потоку.