СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ГАЗОВ
METHOD OF GAS MIX SEPARATION

Предлагаемое изобретение относится к технике переработки попутного или природного газа, а именно к процессу низкотемпературной сепарации компонент газа.
Известен способ разделения смеси газов (патент ЕР 2326403 АО), включающий охлаждение смеси газов и расширение смеси во вращающемся потоке с разделением смеси на продукт, обогащенный целевыми компонентами, и продукт, обедненный этими компонентами, прокачку части продуктов, полученных из смеси газов, через колонну, включение обедненного продукта в состав выходного газа.
Однако такой способ не позволяет достичь высокой степени очистки от целевых компонент, т.к. температура точки росы обедненного потока остается достаточно высокой из-за того, что затруднительно получить низкие температуры в теплообменниках, расположенных перед входом в сопло, из-за конденсации компонент в теплообменниках.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ разделения по патенту RU 2272973 С1, включающий охлаждение смеси газов, расширение смеси в закрученном потоке в сопле с разделением смеси на продукт, обогащенный тяжелыми компонентами, и продукт, обедненный этими компонентами, направлении по крайней мере части обогащенного продукта в ректификационную колонну, направление по крайней мере части газофазных продуктов, полученных в ректификационной колонне, в смесь до ее расширения, нагрев обедненного продукта за счет охлаждения смеси газов.
Однако такой способ также не позволяет получать высокую степень очистки из-за невозможности получить низкие температуры в теплообменниках.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение степени очистки выходного газа.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе разделения смеси газов, включающем охлаждение смеси, расширение продуктов, получаемых из смеси, прокачивание по крайней мере части продуктов через ректификационную колонну, расширение смеси в закрученном потоке в сопле с разделением потока на поток, обогащенный компонентами тяжелее метана, и поток обедненными этими компонентами, нагрев обедненного потока за счет охлаждения продуктов, получаемых из смеси, согласно изобретению нагретый газовый поток сжимают в компрессоре, охлаждают в аппарате воздушного охлаждения, часть полученного газового продукта используют в качестве выходного продукта, другую часть дополнительно охлаждают, расширяют, продукты расширения направляют в колонну и/или смешивают с газофазными продуктами, поступающими из колонны в сопло.
Работа предлагаемого изобретения иллюстрируется на примерах устройств, схемы которых приведены на Фиг.1, 2.
На Фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - сырьевой газ или смесь газов; 2 - хладагент; 3-18 продукты, получаемые из смеси; 19-20 - теплообменники; 21-22 - сепараторы, 23 - сопловой сепаратор; 24 - ректификационная колонна; 25-26 - компрессоры; 27-28 - аппараты воздушного охлаждения; 29 - насос; 30-34 - клапаны, 35 - смеситель, 36 - эжектор.
Смесь 1 поступает в смеситель 35, в котором смешивается с газофазным продуктом 17, полученным в сепараторе 22. При этом газ 17 предварительно нагревается в теплообменнике 19, сжимается в компрессоре 25 и охлаждается в аппарате 27 воздушного охлаждения. Смесь 3 охлаждается в теплообменнике 19, полученная двухфазная смесь в сепараторе 21 разделяется на газовый 5 и жидкий 4 продукты, которые расширяются в клапанах 30, 31 и направляются в колонну 24. Расширение газа 5 может быть проведено в турбине детандера или в сопле. Вместо многопоточного теплообменника 19 могут быть использованы несколько теплообменников.
Газофазный продукт 7 из колонны подается в сопловой сепаратор 23, в котором расширяется во вращающемся потоке в сопле и разделяется на обогащенный компонентами тяжелее метана поток 8 и поток 9, обедненный этими компонентами. Обогащенный поток 8 подается в сепаратор 22, в котором разделяются жидкий 14 и газофазный 17 продукты, жидкость 14 с помощью насоса 29 направляется в колонну 24. Обедненный поток 9 направляют в нагреваемые каналы рекуперативного теплообменника 20, и далее дополнительно нагревают в теплообменнике 19, сжимают в компрессоре 26, охлаждают в аппарате 28 воздушного охлаждения, часть полученного газа 10 используют в качестве выходного продукта 11. Другую часть 12 дополнительно охлаждают в теплообменнике 20, расширяют в клапане 34 и направляют в колонну 24.
Часть 6 жидкого продукта используют в качестве хладоносителя в теплообменнике 19. Другую часть 18 жидкого продукта также направляют в качестве хладоносителя в теплообменник 19 и используют в качестве выходного продукта.
При необходимости в теплообменнике 19 может быть использован дополнительный хладагент 2.
Согласно п.2 формулы изобретения газофазный продукт 17 из сепаратора 22, являющийся частью обогащенного потока 16, используют в теплообменнике 19 для охлаждения смеси газов, сжимают компрессором 25, охлаждают в аппарате воздушного охлаждения 27 и направляют в смеситель 35.
Согласно п.3 формулы изобретения вместо дроссельного клапана 34 для расширения дополнительно охлажденной части газа может быть использован турбодетандер и/или сопло.
В случае использования сопла с получением в нем обедненного и обогащенного продуктов эти продукты могут быть направлены в колонну на тарелки разных уровней, что будет способствовать более эффективной работе колонны.
Согласно п.4 формулы изобретения в обогащенный поток 8 могут быть добавлена смесь и/иди продукты, полученные из смеси, имеющие температуру выше температуры точки росы обогащенного потока. Это позволит избежать появления твердой фазы (например, сухого льда) в трубопроводах, а также в сепараторе 22.
Согласно п.5 формулы изобретения дополнительно охлажденную часть газа после расширения направляют в эжектор 36 (Фиг.2), в котором используют в качестве эжектирующего или эжектируемого газа при смешении с продуктами 7, полученными из смеси газов, затем полученную смесь направляют в сопловой сепаратор 23.
Эжектор 36 может быть использован либо для снижения давления в ректификационной колонне, либо для снижения затрат энергии на сжатие.
Вместо смесителя 35 может быть также использован эжектор, что позволит более рационально использовать энергию при сжатии газов.
В таблице 1 приводятся данные по расчету параметров потоков в установке, приведенной в качестве примера на Фиг.1.
В таблице приняты обозначения: № - номер потока, T - температура потока, P - давление потока, приводятся также значения мольной доли компонент в соответствующих строках.
Как следует из приведенного примера, такая установка может быть использована для удаления значительной доли углекислоты из смеси 1, в которой начальное содержание ее достигает ~70%.
Расчеты выполнены для случая, когда разделение потока 7 происходит после расширения потока в сопле соплового сепаратора до давления 1 МПа с последующим восстановлением давления в диффузоре до 2.5 МПа
Таблица 1
№
1
3
7
9
11
15
16
18
Массовая доля газа
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
0,12
0,2
0,00
Температура
ºС
30,00
27,54
-60,35
-50,88
30,00
-61,89
-64,32
5,00
Давление
МПа
6,00
6,00
4,50
2,50
8,0
2,50
2,50
4,50
Расход
кг/ч
164139,47
181614,60
47164,07
28629,35
12628,61
70000,00
88534,72
141599,13
Мольный состав
CO2
0,698789
0,611298
0,135609
0,038539
0,038531
0,612829
0,549182
0,854932
CH4
0,199654
0,30102
0,850679
0,951227
0,951235
0,308918
0,387177
0,036058
C2H6
0,029948
0,027288
0,010989
0,009477
0,009476
0,027095
0,02385
0,03448
C3H8
0,029948
0,025493
0,002218
0,000724
0,000723
0,023974
0,019249
0,034534
i-C4H10
0,009983
0,008391
0,000258
0,000026
0,000026
0,007364
0,005661
0,010792
n-C4H10
0,009983
0,008369
0,000158
0,000007
0,000007
0,00707
0,005367
0,010397
i-C5H12
0,009983
0,00835
0,000055
0,000001
0,000001
0,006208
0,004642
0,009153
n-C5H12
0,009983
0,008346
0,000034
0
0
0,00587
0,004374
0,008661
С6+ и H2O
0,001729
0,001445
0,000001
0
0
0,000672
0,000498
0,000992