СЕПАРАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЯ, А ТАКЖЕ ЭТАНА И ПРОПАН-БУТАНОВОЙ ФРАКЦИИ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к области добычи, транспортировки и переработки природного газа, а более конкретно - к получению гелия, а также этана и пропан-бутановой фракции из природного газа в поле центробежных сил.
Известен сепаратор для разделения материалов на фракции в поле центробежных сил, в частности, для осушки газа от капельной влаги (1).
Однако в этом сепараторе не предусмотрено получение гелия, а также этана и пропан-бутановой фракции из природного газа. В то же время, как отмечено академиком Канторовичем А.Э. (2) на втором Сибирском энергетическом конгрессе, прошедшем 11-12 апреля в Новосибирском академгородке, при развитии газовой промышленности Восточной Сибири и Республики Саха следует учитывать высокое содержание в природных газах этого региона таких элементов, как этан, пропан, бутан и конденсат. Ежегодная добыча гелия в Восточной Сибири и и Республике Саха может быть доведена к 2020 г. до 135-150 млн. кубометров в год. При освоении газовых месторождений Лено-Тунгусской провинции необходимо предусмотреть строительство заводов по выделению гелия и его хранилищ (2). В связи с этим Квашниным А.В., Добрецовым Н.Л. и Канторовичем А.Э. поставлена задача формирования гелиевой промышленности и развития нефте- и газопереработки с опережением по отношению к добыче нефти и газа, а также предложено законодательно определить, что на экспорт газ будет поставляться только после выделения из него гелия, а также этана и пропан-бутановой фракции (2), (3), (4).
Задача полезной модели - разработать сепаратор для получения гелия, а также этана и пропан-бутановой фракции из природного газа.
Поставленная задача решается созданием сепаратора для получения гелия, а также этана и пропан-бутановой фракции из природного газа, включающего цилиндрический корпус с сепарационным каналом, образованным внутренней поверхностью корпуса и закручивающим устройством, размещенным внутри корпуса на его оси; патрубок подачи природного газа; патрубок вывода метана, размещенный внутри направляющего стакана, расположенного над закручивающим устройством; патрубок вывода гелия; патрубок вывода конденсата этана и пропан-
бутановой фракции в нижней части корпуса, отличающийся тем, что патрубок вывода гелия размещен внутри патрубка вывода метана на его оси.
Сепаратор для получения гелия, а также этана и пропан-бутановой фракции из природного газа представлен на Фиг.1 и Фиг.2. Сепаратор состоит из цилиндрического корпуса 1 с сепарационным каналом 2, образованным внутренней поверхностью корпуса и закручивающим устройством 3, размещенным внутри корпуса на его оси. Сепаратор содержит также патрубок 4 подачи природного газа с приемной улиткой 5; патрубок вывода метана 6, размещенный внутри направляющего стакана 7, расположенного над закручивающим устройством 3; патрубок вывода конденсата 8; патрубок вывода гелия 9, размещенный внутри патрубка для вывода метана 6.
Можно рассмотреть три варианта работы сепаратора для получения гелия, а также этана и пропан-бутановой фракции из природного газа. При этом следует учитывать, что метан и гелий растворены друг в друге.
Первый вариант.
Из природного газа, состоящего на 96 процентов из метана, выделяется этан и пропан-бутановая фракция. В этом случае сепаратор работает следующим образом. Природный газ под давлением 55 атмосфер, имеющий температуру окружающей среды, поступает в патрубок подачи природного газа 4 с приемной улиткой 5, а затем через направляющий стакан 7 - в закручивающее устройство 3, где закручивается и под действием возникшей центробежной силы, а также аэродинамической силы, направленной от центра к периферии, направляется в сепарационный канал, где происходит отделение газа от жидких этана и пропан-бутановой фракции. Этан и пропан-бутановая фракция стекают вниз и выводятся из сепаратора через патрубок а 8, а метан - через патрубки 6 и 9. При этом способе работы сепаратора эффективно выделяется только этан и пропан-бутановая фракция, что также решает часть поставленной задачи.
Второй вариант.
Перед подачей газа в сепаратор он пропускается через вихревую трубу с диафрагмой в виде сопла Лаваля (4). При этом газ разделяется на две части. Через диафрагму с одной стороны вихревой трубы выходит газ, охлажденный до температуры - 83 градуса Цельсия, а с другой стороны трубы - через регулируемую кольцевую щель с температурой +80, +100 градусов Цельсия. При этом метан становится жидким, а гелий остается газообразным (6). Плотность гелия при температуре -73 градуса Цельсия и давлении 55 атмосфер составляет 14,5 кг на метр кубический, а плотность жидкого метана 162 кг на метр кубический (6). После разделения в вихревой трубе на два потока (холодный и горячий) эти два потока газа направляются в два разных сепаратора. Холодный поток (жидкий метан с газообразным гелием) направляется в один сепаратор, направляющий стакан 7 которого заполнен катализатором и в сепарационном канале которого происходит разделение газообразного гелия и жидкого метана под действием центробежной силы, а также аэродинамической силы, направленной от
центра к периферии. Для предотвращения уноса катализатора перед закручивающим аппаратом устанавливается кольцо из металлической сетки. Далее жидкий метан стекает вниз и выводится из сепаратора через патрубок вывода конденсата 8, а гелий выводится из сепаратора через патрубок 9. Горячий поток газа может быть направлен в дугой сепаратор, направляющий стакан которого 7 также заполнен катализатором и в сепарационном канале 2 которого также может быть осуществлен разделение газообразных метана и гелия. При этом метан выводится из сепаратора через патрубок 6, а гелий - через патрубок 9. Или в другом варианте горячий поток газа может вообще не обрабатываться. Т.к. вихревые трубы эффективно работают лишь на малых диаметрах, то для достижения высокой производительности необходимо применять батареи из вихревых труб.
Третий вариант.
Если обработка в вихревой трубе не позволяет охладить метан до критической температуры и перевести его в жидкое состояние, то производится его охлаждение до экономически целесообразного уровня и далее переработка газа идет по первому варианту с выводом этана и пропан-бутановой фракции через патрубок вывода конденсата 8, а метан и гелий выводятся через патрубки 6 и 9. При этом более низкая температура газа позволяет увеличить плотность метана и облегчить его отделение от гелия.
Литература.
1. Патент №1717266 СССР, В07В 7/08. Сепаратор / Е.П.Шелудяков. Зарегистрирован в Госреестре изобр. СССР 8.11.1991.
2. А.Канторович, академик / Выступление на Втором Сибирском Энергетическом конгрессе. / Важнейший национальный проект России. / Наука в Сибири, №16, 19 апреля 2007 г., с.6. http://www-sbras.ru./HBC/.
3. Анатолий Квашнин, Полномочный представитель Президента РФ в Сибирском Федеральном округе. / Выступление на Втором Сибирском энергетическом конгрессе. / Успехи и проблемы энергетики Сибири. / Наука в Сибири, №16, 19 апреля 2007 г., c.4. http://www-sbras.ru./HBC/.
4. Н.Добрецов. Председатель Сибирского отделения Российской Академии Наук. / Выступление на Втором Сибирском энергетическом конгрессе. / Наука дает конструктивные решения. / Наука в Сибири, №16, 19 апреля 2007 г., с.4. http://www-sbras.ru./HBC/.
5. А.С. SU 901762 A, F25B 9/02, 1982 (Балабаев Г.М. и др.)
6. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, М.: «Наука», 1972, с.211, 521 с.