УСТАНОВКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗОВЫХ ИЛИ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к газовой и нефтяной, а также к химической отраслям промышленности и может быть использована для получения сжиженных газов, а также разделения компонентов газовых смесей или выделения одной или нескольких целевых фракций углеводородов из природного сырья.
Известно устройство для сжижения многокомпонентной газовой смеси, содержащее блок очистки и осушки газа, холодильную машину для предварительного охлаждения многокомпонентной газовой смеси, теплообменник для глубокого ее охлаждения, соединенный через дроссель с основным сепаратором, снабженного двумя трубопроводами. По первому трубопроводу с верхней полости основного сепаратора отводят газовую фазу в теплообменник для рекуперации холода, а по другому трубопроводу из нижней полости основного сепаратора отводят жидкую фазу потребителю. Устройство дополнительно снабжено двумя технологическими контурами: первый контур служит для сжижения многокомпонентной газовой смеси, имеющей параметры после теплообменника ниже критических значений и содержит дополнительный сепаратор, установленный после теплообменника, оснащенный расширителем по газовой полости и соединенный с трубопроводом обратного потока и жидкостным дросселем, установленным параллельно дросселю и соединенным также с обратным потоком. Второй контур служит для сжижения многокомпонентной газовой смеси, имеющей параметры после теплообменника выше критических значений и содержит газовый дроссель, установленный параллельно дросселю и соединенный с обратным потоком (патент RU № 2204093, кл. F25J 1/00, 10.05.2003).
Недостатком известного устройства является его относительно низкая эффективность сепарации компонентов природного газа.
Известна установка переработки углеводородного сырья газоконденсатных залежей с целью разделения природного газа на фракции. Установка включает входной сепаратор, рекуперативный газовый теплообменник, эжектор, низкотемпературный сепаратор, трехфазные разделители первой и второй ступеней, дегазатор. Установка дополнительно снабжена последовательно соединенными рекуперативным теплообменником, колонной деэтанизации конденсата, компрессором, аппаратом воздушного охлаждения и рекуперативным газожидкостным теплообменником, вход рекуперативного теплообменника соединен с выходом конденсата из дегазатора, вход в верхнюю часть колонны деэтанизации соединен с выходом конденсата из дегазатора, выход рекуперативного газожидкостного теплообменника соединен с входом низкотемпературного сепаратора. Установка дополнительно снабжена блоком стабилизации деэтанизированного конденсата, блоком первичной переработки стабильного конденсата, блоком каталитической переработки бензиновой фракции, блоком сжижения осушенного газа, блоком каталитической переработки осушенного газа. Установка позволяет обеспечить отделение газообразных углеводородов (метана и этана) от сжижаемых и жидких углеводородов (пропан + высшие) (патент RU № 2182035, кл. В01D 53/00, 10.05.2002).
Кроме того известна установка, реализующая способ подготовки газоконденсатной смеси к транспорту трехступенчатой сепарацией, включающий подачу пластового газа в сепаратор первой ступени, подачу отсепарированного в первой ступени газа через теплообменник первой ступени охлаждения в сепаратор второй ступени, подачу отсепарированного во второй ступени газа через теплообменник второй ступени охлаждения и расширяющее устройство, дроссель или эжектор, в сепаратор третьей ступени, подачу отсепарированного в третьей ступени газа последовательно через теплообменники второй и первой ступени охлаждения и отвод из сепараторов жидкости в разделители, поочередную подачу нестабильного конденсата из разделителей в две накопительные емкости, поочередную подачу газа высокого давления после первичного сепаратора к этим емкостям для транспортировки нестабильного конденсата из этих емкостей (патент RU № 2294430, кл. Е21В 43/34, 27.02.2007).
Недостатком известного устройства, реализующего данный способ, является его относительно низкая эффективность и сложность конструкции.
Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности является устройство для сжижения и сепарации газа, которое содержит сопло с форкамерой с размещенным в ней средством для закрутки газового потока высокого давления, которое коаксиально охватывает, расположенный по его центральной оси канал для подачи газа или газожидкостной смеси низкого давления, при этом сопло снабжено установленным на выходе сверхзвуковым и/или дозвуковым диффузором и средством для отбора жидкой фазы, выполненным в виде перфорации в стенках сопла и/или кольцевой щели, образованной стенками сопла и входным участком диффузора (патент RU № 2348871, кл. F25J 3/00, 10.03.2009).
Недостатком этого известного устройства является его зависимость от эффективности разделения газа от жидкости, в используемом в комплекте с ним газожидкостным сепаратором, обусловленная частичным уносом конденсата.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является уменьшение уноса конденсата.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение эффективности разделения компонентов природного газа.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в первом варианте выполнения установка низкотемпературной сепарации газовых или газожидкостных смесей содержит соединенный с источником газовой или газожидкостной смеси высокого давления первый циклонный сепаратор, включающий расположенный по его центральной оси канал для подачи газовой или газожидкостной смеси низкого давления и коаксиально его охватывающий завихритель, за которыми по ходу потока последовательно размещены сопловой и сепарационный каналы, причем последний выполнен с выходами для двухфазной смеси и для очищенного газа, при этом выход для двухфазной смеси соединен со входом сепаратора для выделения жидкости, газовый выход которого соединен со входом второго циклонного сепаратора, выход для двухфазной смеси которого соединен с каналом для подачи газовой или газожидкостной смеси низкого давления первого циклонного сепаратора, а газовый выход второго циклонного сепаратора соединен с выходом для очищенного газа первого циклонного сепаратора
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что во втором варианте выполнения установка низкотемпературной сепарации газовых или газожидкостных смесей содержит источник газовой или газожидкостной смеси высокого давления и теплообменник с каналами для охлаждения и нагрева, при этом со стороны входа каналы для охлаждения соединены с источником газовой или газожидкостной смеси высокого давления, а со стороны выхода каналы для охлаждения соединены с первым циклонным сепаратором, включающим расположенный по его центральной оси канал для подачи газовой или газожидкостной смеси низкого давления и коаксиально его охватывающий завихритель, за которыми по ходу потока последовательно размещены сопловой и сепарационный каналы, причем последний выполнен с выходами для двухфазной смеси и для очищенного газа, при этом выход для очищенного газа соединен с каналом для нагрева теплообменника, а выход для двухфазной смеси соединен со входом сепаратора для выделения жидкости, газовый выход которого соединен со входом второго циклонного сепаратора, выход для двухфазной смеси которого соединен с каналом для подачи газовой или газожидкостной смеси низкого давления первого циклонного сепаратора, а газовый выход второго циклонного сепаратора соединен с выходом для очищенного газа первого циклонного сепаратора.
Упрощение схемы установки низкотемпературной сепарации газовых или газожидкостных смесей реализуется за счет предлагаемой схемы соединения входящих в нее устройств, что, в свою очередь, позволяет использовать не очень качественные, простые и дешевые сепараторы. Например, трехфазные разделители простой конструкции. При этом повышается эффективность сепарации, поскольку предложенная схема соединения, входящих в состав установки устройств, обеспечивает практическую ликвидацию уноса с газом жидкости из сепаратора (где газожидкостная смесь делится на газ и жидкость). Это обеспечивается тем, что конструкция 1-го циклонного сепаратора обеспечивает возможность подачи на его вход газожидкостной смеси низкого давления с выхода 2-го циклонного сепаратора, чем обеспечивается рециркуляция сепарируемой смеси внутри установки до полного разделения и получения требуемых целевых продуктов. Возникает возможность применять сепаратор газ-жидкость меньшей производительности (не более 40% от обычной), т.к. в сепаратор газ-жидкость попадает только не более 40% потока из первого циклонного сепаратора, основная часть потока сразу идет в теплообменник и далее к потребителю.
Кроме того, при эксплуатации установки, как показали проведенные исследования, достигается более низкая точка росы по воде и углеводородам, т.е. увеличивается отбор конденсата при том же перепаде давления. Также появляется возможность обеспечивать необходимую точку росы при меньшем перепаде давления и тем самым продлять период бескомпрессорной разработки месторождения.
Если на начальной стадии эксплуатации месторождения обеспечивается достаточно высокое давление на входе установки, то точка росы, необходимая для получения товарного газа, может быть достигнута уже за счет возникающего перепада давления на первом циклонном сепараторе.
Было установлено, что, если возникающего перепада давления на первом циклонном сепараторе недостаточно, то целесообразно использовать второй вариант выполнения установки, когда на входе установки размещен соответствующим образом, как это описано выше, теплообменник с каналами для охлаждения и нагрева.
Снижение температуры подаваемой на вход первого циклонного сепаратора газовой или газожидкостной смеси позволит компенсировать недостаток перепада давления, необходимого для достижения требуемой точки росы. Использование в качестве соплового канала в первом циклонном сепараторе дозвукового или сверхзвукового сопла и снабжение сепарационного канала средством для отбора жидкой фазы и дозвуковым диффузором или комбинацией сверхзвукового и дозвукового диффузоров позволяет повысить КПД устройства, т.к. обеспечивает уменьшение необходимого перепада давления газового потока между его входом в устройство и на выходе из него. При этом, в зависимости от числа Маха (М) потока на выходе из сепарационного канала, средство для восстановления давления выполняется в виде дозвукового диффузора или комбинации сверхзвукового и дозвукового диффузоров. Так, при числе М<1 начальный участок после устройства для отбора жидкой фазы выполняется в виде дозвукового диффузора с углом полураскрытия 3-6°. При М>1 применяется комбинация диффузоров - сверхзвукового и дозвукового, устанавливаемых последовательно по ходу потока, после устройства для отбора жидкой фазы. Вид основного сопла - дозвуковое или сверхзвуковое выбирается в зависимости от термодинамических параметров сжижаемого газа или газовой смеси (состава, давления и температуры на входе в устройство, расхода, температуры точки росы и т.п.). Но во всех случаях основное сопло должно обеспечивать адиабатическое охлаждение газа или газовой смеси до такой степени, чтобы обеспечить переход части смеси, в жидкую фазу.
Средство для отбора жидкой фазы может быть выполнено в трех различных вариантах;:
а) в виде перфорации на стенках сопла и/или его рабочей части на тех участках, где сконденсировавшиеся капли достигают ее стенок за счет центробежных сил, вызванных закруткой потока;
б) в виде кольцевой щели, образованной стенками рабочей части и входным участком диффузора, устанавливаемого на выходе сепарационного канала;
в) в виде комбинации предыдущих двух - перфораций стенок и кольцевой щели.
Средство для отбора жидкой фазы может быть использовано в любом из трех указанных выше вариантов - а) или б) или в) в зависимости от природы газа или состава газовой смеси и скорости газового потока в сопле. В некоторых случаях может являться предпочтительным выполнение средства для отбора жидкой фазы только в виде перфорации в стенках сопла и/или сепарационного канала. В зависимости от термодинамических параметров потока средства для отбора жидкости могут располагаться и на начальном участке дозвукового диффузора.
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема установки в соответствии с первым вариантом выполнения установки.
На фиг.2 представлена принципиальная блок-схемы второго варианта выполнения установки.
На фиг.3 представлен продольный разрез соплового канала первого циклонного сепаратора.
На фиг.4 представлен продольный разрез другого варианта выполнения соплового канала первого циклонного сепаратора.
Установка низкотемпературной сепарации газовых или газожидкостных смесей содержит соединенный с источником газовой или газожидкостной смеси высокого давления первый циклонный сепаратор 1, включающий расположенный по его центральной оси канал 2 для подачи газовой или газожидкостной смеси низкого давления и коаксиально его охватывающий завихритель 3, за которыми по ходу потока последовательно размещены сопловой 4 и сепарационный 5 каналы, причем последний выполнен с выходами для двухфазной смеси 6 и для очищенного газа 7. Выход 6 для двухфазной смеси соединен со входом сепаратора 8 для выделения жидкости, газовый выход которого соединен со входом второго циклонного сепаратора 9, выход для двухфазной смеси которого соединен с каналом 2 для подачи газовой или газожидкостной смеси низкого давления первого циклонного сепаратора. Газовый выход второго циклонного сепаратора 9 соединен с выходом для очищенного газа первого циклонного сепаратора 1.
Второй вариант выполнения установки отличается от первого тем, что установка низкотемпературной сепарации газовых или газожидкостных смесей содержит теплообменник 10 с каналами для охлаждения и нагрева. Вход 11 в каналы для охлаждения теплообменника 10 соединен с источником газовой или газожидкостной смеси высокого давления, а выход 12 каналов для охлаждения теплообменника 10 соединен с первым циклонным сепаратором 1. Выход для очищенного газа первого циклонного сепаратора 1 соединен с каналом для нагрева теплообменника 10. Газовый выход второго циклонного сепаратора 9 соединен с выходом для очищенного газа первого циклонного сепаратора 1.
Сопловой канал 4 (см. фиг.4) может быть выполнен в виде сверхзвукового сопла 13 с протяженной расширяющейся частью 14 (сепарационным каналом), а на выходе сепарационного канала 5 выход 7 для очищенного газа может быть выполнен в виде комбинации сверхзвукового 15 и дозвукового 16 диффузоров.
Работа установки в зависимости от варианта ее выполнения продемонстрирована в приведенных ниже примерах.
Пример 1.
Наиболее общий первый вариант реализации установки приведен на фиг.1.
Газ от источника высокого давления подается на вход первого циклонного сепаратора 1, который может быть выбран из числа известных (см., например, RU 2348871), где подвергается закрутке с помощью завихрителя 3. Закрученный поток газа с высокой скоростью проходит через сопловой канал 4, где за счет адиабатического расширения происходит сжижение газа и капли жидкости за счет центробежных сил отбрасываются к стенкам сопла. Соответственно, в сепарационном канале 5 происходит разделение общего потока на газовый, в центральной зоне, и газожидкостный, в периферийной зоне. Газовый поток через выход 7 направляется к потребителю, а газожидкостная смесь направляется в сепаратор 8 для выделения жидкости из двухфазного потока. Сжиженный газ на выходе из него направляется на дальнейшую переработку, а газ, содержащий некоторое количество капель жидкости, направляется во второй циклонный сепаратор 9. Во втором сепараторе 9 из поступившего в него газа с каплями жидкости выделяется газ, который направляется вместе с очищенным газом из первого циклонного сепаратора 1 к потребителю, а двухфазная смесь - в канал 2 первого циклонного сепаратора 1 и, за счет возникшего вокруг него разрежения, созданного закрученным завихрителем 3 потоком газа высокого давления, всасывается в сопловой канал 4.
Пример 2.
Установка в соответствии со вторым вариантом выполнения работает следующим образом.
Газ от источника высокого давления подается в каналы 11 теплообменника 10 для охлаждения. Охлажденный газ по каналу 12 поступает на вход первого циклонного сепаратора 1, который может быть выбран из числа известных (см., например, RU 2348871), где подвергается закрутке с помощью завихрителя 3. Закрученный поток газа с высокой скоростью проходит через сопловой канал 4, где за счет адиабатического расширения происходит сжижение газа и капли жидкости за счет центробежных сил отбрасываются к стенкам сопла. Соответственно, в сепарационном канале 5 происходит разделение общего потока на газовый, в центральной зоне, и газожидкостный, в периферийной зоне. Газовый поток через выход 7 направляется в каналы для нагрева теплообменника 10 и далее к потребителю, а газожидкостная смесь направляется в сепаратор 8 для выделения жидкости из двухфазного потока.
Сжиженный газ на выходе из него направляется на дальнейшую переработку, а газ, содержащий некоторое количество капель жидкости, направляется во второй циклонный сепаратор 9. Во втором циклонном сепараторе 9 из поступившего в него газа с каплями жидкости выделяется газ, который направляется вместе с очищенным газом из первого циклонного сепаратора 1 в каналы для нагрева теплообменника 10, а двухфазная смесь - в канал 2 первого циклонного сепаратора 1 и, за счет возникшего вокруг него разрежения, созданного закрученным завихрителем 3 потоком газа высокого давления, всасывается в сопловой канал 4.
Настоящая полезная модель может быть использована в газовой и нефтяной или химической отраслях промышленности и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства для получения сжиженных газов и разделения компонентов газовых смесей.