Устройство для сепарации многокомпонентной среды (варианты)

Группа изобретений относится к устройствам для низкотемпературной обработки многокомпонентной среды, а именно для сепарации природного газа, и может быть использована с целью отделения жидкой фракции углеводородных газов, а также более тяжелых углеводородов С₅₊ при подготовке природного газа в нефтегазовой промышленности. Устройство для сепарации многокомпонентной среды содержит сопловой канал, включающий конфузорный, диффузорный участки и критическое сечение между ними. В диффузорном участке установлено устройство закручивания потока многокомпонентной среды, которое выполнено в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, причем входной конус расположен на расстоянии от критического сечения, при котором обеспечивается значение сверхзвуковой скорости потока многокомпонентной среды. На поверхности профилированного тела вращения выполнены профилированные лопатки, между которыми образованы каналы. В выходной части диффузорного участка установлен полый конус с образованием кольцевой полости для прохода жидкой фракции углеводородов. В варианте исполнения устройство дополнительно содержит электрогенератор, соединенный с устройством закручивания потока многокомпонентной среды. Группа изобретений позволяет значительно повысить эффективность процесса улавливания сконденсировавшихся компонентов при сверхзвуковых скоростях и обеспечить возможность генерации электроэнергии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для низкотемпературной обработки многокомпонентной среды, а именно - для сепарации природного газа и может быть использовано с целью отделения жидкой фракции углеводородных газов, а также более тяжелых углеводородов С₅₊ при подготовке природного газа в нефтегазовой промышленности.

Известно устройство для сжижения газа или выделения одного или нескольких газов из их смеси, содержащее последовательно соосно установленные форкамеру с размещенным в ней средством для закрутки газового потока, дозвуковое или сверхзвуковое сопло с пристыкованной к нему рабочей частью, к которой присоединено средство для отбора жидкой фазы, дозвуковой диффузор или комбинация сверхзвукового и дозвукового диффузора, при этом сопло выполнено с соотношениями площадей поперечных сечений входа и выхода к минимальному сечению сопла, обеспечивающими на его выходе достижение статического давления и статической температуры, которые соответствуют условию конденсации газа или его целевых компонент, длина рабочей части - обеспечивающей формирование капель конденсата с размером, превышающим 0,5 мкм, и их дрейф под действием центробежных сил от осевой зоны рабочей части до стенок средства отбора капель, а угол раскрытия рабочей части - обеспечивающим поддержание условий конденсации газа или его целевых компонент в ней, при этом устройство снабжено дополнительным дозвуковым или сверхзвуковым соплом, установленным в форкамере (Патент RU 2348871, МПК F25J 3/00, 2009).

Недостатками известного устройства для сжижения газа или выделения одного или нескольких газов из их смеси является сложность конструкции, обусловленная наличием дополнительного дозвукового или сверхзвукового сопла, низкая эффективность отвода жидкой фракции к периферийным областям диффузорного участка, а также необходимость в высокой степени закручивания газового потока в форкамере до обеспечения значений центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла более 10000g с целью предупреждения уноса капель сконденсировавшейся жидкой фазы с основным потоком газа и достижения каплями стенок диффузорного участка. Известное устройство для сжижения газа или выделения одного или нескольких газов из их смеси предназначен для сжижения и разделения газового потока, при этом не имеет возможности генерации электрической энергии.

Из уровня техники известен турбогенератор, содержащий смонтированные внутри основного трубопровода с газом высокого давления турбину и генератор, при этом перед турбиной внутри основного трубопровода установлены последовательно и аксиально завихритель, секция сепарации жидкости и секция отбора газожидкостного потока, причем секция отбора газожидкостного потока соединена дополнительным трубопроводом с основным потоком после турбины, а в дополнительном трубопроводе установлен регулирующий клапан (Патент RU №2746349, МПК F25B 11/00, F01D 15/10, F01D 1/02, B01D 45/12, B01D 45/16, 2021).

Недостатками известного турбогенератора являются необходимость в высокой степени закрутки потока многокомпонентной среды до обеспечения значений центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла секции сепарации жидкости более 10000g с целью предупреждения уноса капель сконденсировавшейся жидкой фазы с основным потоком газа и достижения каплями стенок диффузорного участка, обусловленная установкой завихрителя перед секцией сепарацией жидкости, низкая эффективность генерации электроэнергии ввиду использования энергии обедненного газового потока, а также повышенные требования к качеству газа, проходящего через турбину.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится устройство для сепарации компонентов потока многокомпонентной среды, включающее форкамеру с установленным в ней средством закручивания потока среды, соединенный с форкамерой канал для сепарации и узел отбора капель и/или твердых частиц, при этом канал для сепарации выполнен в виде соплового канала для сепарации компонентов закрученного потока многокомпонентной среды, содержащего конфузорный, диффузорный и расположенный между ними цилиндрический участки, причем цилиндрический участок имеет длину образующей более 0,1D, где D - диаметр цилиндрического участка, при этом диффузорный участок выполнен с кольцевым уступом в виде ступени, плоскость которой расположена перпендикулярно оси канала с целью снижения уровня пульсации в потоке и, как следствие, увеличения эффективности сепарации и уменьшения потерь полного давления потока среды (Патент RU 2538992, МПК F25J 3/00, 2015 - прототип).

Недостатками известной конструкции является необходимость в высокой степени закрутки потока многокомпонентной среды в конфузорном участке соплового канала до обеспечения значений центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла более 10000g с целью предупреждения уноса капель сконденсировавшейся жидкой фазы с основным потоком газа и достижения каплями стенок диффузорного участка, низкая эффективность отвода жидкой фракции к периферийным областям диффузорного участка, низкая эффективность улавливания сконденсировавшихся компонентов при сверхзвуковых скоростях, отсутствие генерации электрической энергии.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании устройства для сепарации многокомпонентной среды, при работе которого не требуется высокая степень закрутки потока многокомпонентной среды в конфузорном участке, при этом организация направленного отвода жидкой фракции к периферийным областям диффузорного участка выполняется с гораздо большей эффективностью, благодаря чему происходит значительно меньший унос сконденсировавшейся фракции с основным газовым потоком, а также имеется дополнительная возможность генерации электрической энергии.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве для сепарации многокомпонентной среды, содержащем сопловой канал подачи потока многокомпонентной среды с конфузорным и диффузорным участками и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания упомянутого потока, установленное в указанном канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, согласно изобретению, устройство для закручивания потока многокомпонентной среды выполнено в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, причем наружная поверхность упомянутого тела вращения, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, при этом на поверхности указанного тела вращения размещены профилированные лопатки с образованием каналов между ними, преимущественно спиралевидных, причем в концевой части каналов выполнен профилированный зазор, при этом указанное устройство закручивания потока многокомпонентной среды установлено коаксиально в диффузорном участке соплового канала, причем входной конус устройства для закручивания потока многокомпонентной среды расположен на расстоянии от критического сечения, при котором обеспечивается значение скорости потока многокомпонентной среды выше скорости звука, при этом в выходной части диффузорного участка соплового канала закреплен полый конус с образованием кольцевой полости у внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц.

В варианте исполнения, в предложенном устройстве для сепарации многокомпонентной среды, содержащем сопловой канал подачи потока с конфузорным и диффузорным участками, и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания потока многокомпонентной среды, установленное в упомянутом канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, согласно изобретению, устройство для закручивания потока многокомпонентной среды выполнено в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, причем наружная поверхность упомянутого тела вращения, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, при этом на поверхности указанного тела вращения размещены профилированные лопатки с образованием каналов, преимущественно спиралевидных, между ними, причем между концевой частью упомянутых лопаток и внутренней поверхностью диффузорного участка соплового канала образован кольцевой зазор, а в концевой части каналов выполнен профилированный зазор, при этом указанное устройство закручивания потока многокомпонентной среды установлено коаксиально в диффузорном участке соплового канала с возможностью радиального вращения вокруг своей продольной оси и соединено с электрогенератором, причем входной конус устройства для закручивания потока многокомпонентной среды расположен на расстоянии от критического сечения, при котором обеспечивается значение скорости потока многокомпонентной среды выше скорости звука, при этом в выходной части диффузорного участка соплового канала закреплен полый конус с образованием кольцевой полости у внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц.

В варианте исполнения устройство для закручивания потока многокомпонентной среды является частью соединенного с электрогенератором ротора, установленного на опорах, предпочтительно, демпферных.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого устройства для сепарации многокомпонентной среды, на фиг. 2 показан продольный разрез предлагаемого устройства для сепарации многокомпонентной среды в соединении с электрогенератором, на фиг. 3 показан продольный разрез предлагаемого устройства для сепарации многокомпонентной среды, в котором устройство закручивания многокомпонентной среды является частью соединенного с электрогенератором ротора, установленного на опорах.

Устройство для сепарации многокомпонентной среды (далее - устройство) содержит сопловой канал 1 подачи потока, включающий конфузорный 2, диффузорный 3 участки и расположенное между ними критическое сечение 4. В диффузорном участке 3 соплового канала установлено устройство 5 закручивания потока многокомпонентной среды. Устройство 5 закручивания потока многокомпонентной среды выполнено в виде профилированного тела вращения, наружная поверхность которого, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка 3 соплового канала. Торцы упомянутого профилированного тела вращения соединены с основаниями входного 6 и выходного 7 конусов, причем входной конус 6 расположен на расстоянии от критического сечения 4 соплового канала, при котором обеспечивается значение скорости потока многокомпонентной среды выше скорости звука. На поверхности профилированного тела вращения выполнены профилированные лопатки 9, между которыми образованы каналы 8 для прохода потока многокомпонентной среды, преимущественно спиралевидные. В выходной части диффузорного участка 3 соплового канала установлен полый конус 11 с образованием между внутренней поверхностью диффузорного участка 3 соплового канала и наружной поверхностью упомянутого полого конуса 11 кольцевой полости 10 для прохода жидкой фракции углеводородов.

В варианте исполнения (фиг. 2) устройство для сепарации многокомпонентной среды дополнительно содержит электрогенератор 12, соединенный с устройством 5 закручивания потока многокомпонентной среды.

В варианте исполнения (фиг. 3) устройство 5 закручивания потока является частью ротора 13, установленного на опорах 14 и соединенного с электрогенератором 12.

Устройство работает следующим образом.

Многокомпонентная среда (газовая или газожидкостная смесь) под действием входного давления поступает в сопловой канал 1 подачи потока, а именно - в конфузорный участок 2 соплового канала, где скорость потока многокомпонентной среды увеличивается, после чего поток многокомпонентной среды проходит критическое сечение 4 соплового канала. В критическом сечении 4 соплового канала скорость потока многокомпонентной среды увеличивается до звуковых значений в данной среде, после чего поток многокомпонентной среды поступает в диффузорный участок 3 соплового канала, где значение скорости упомянутого потока становится выше скорости звука в данной среде, при этом статическое давление потока многокомпонентной среды достигает минимальных значений, статическая температура снижается до величин, значение которых ниже температуры точки росы, в результате чего происходит конденсация жидкой фракции углеводородных газов и более тяжелых углеводородов С₅₊ в дисперсном многокомпонентном газовом потоке в виде капель жидкости. Далее поток многокомпонентной среды подается на устройство 5 закручивания потока, которое имеет форму профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного 6 и выходного 7 конусов с целью снижения газодинамического сопротивления движению, предотвращения отрыва потока и уменьшения его неравномерности. Поток многокомпонентной среды, имеющий сверхзвуковую скорость, равномерно распределяется по каналам 8 устройства 5 закручивания потока, образованным между профилированными лопатками 9.

По мере прохождения потоком многокомпонентной среды каналов 8 устройства 5 закручивания потока, происходит его тангенциальная закрутка вокруг оси соплового канала 1 с одновременным расширением газа и направлением жидкой фракции тяжелых углеводородов в пристеночный слой на периферии диффузорного участка 3 соплового канала под действием центробежной силы.

В варианте исполнения (фиг. 2) при прохождении потоком многокомпонентной среды каналов 8 устройства 5 закручивания потока, происходит его тангенциальная закрутка вокруг оси соплового канала 1 с одновременным расширением газа и направлением жидкой фракции тяжелых углеводородов в пристеночный слой на периферии диффузорного участка 3 соплового канала под действием центробежной силы. После тангенциальной закрутки и по мере выхода потока многокомпонентной среды из профилированного зазора в концевой части каналов 8 возникает реактивная сила, приводящая устройство 5 закручивания потока во вращение, тем самым часть кинетической энергии потока многокомпонентной среды преобразуется в механическую работу. Крутящий момент с устройства 5 закручивания потока передается электрогенератору 12 для выработки электроэнергии.

В варианте исполнения (фиг. 3) при прохождении потоком многокомпонентной среды каналов 8 устройства 5 закручивания потока, происходит его тангенциальная закрутка вокруг оси соплового канала 1 с одновременным расширением газа и направлением жидкой фракции тяжелых углеводородов в пристеночный слой на периферии диффузорного участка 3 соплового канала под действием центробежной силы. После тангенциальной закрутки и по мере выхода потока многокомпонентной среды из профилированного зазора в концевой части каналов 8 возникает реактивная сила, приводящая устройство 5 закручивания потока, являющееся частью ротора 13, во вращение, тем самым часть кинетической энергии потока многокомпонентной среды преобразуется в механическую работу. Крутящий момент с ротора 13 передается электрогенератору 12 для выработки электроэнергии.

Жидкая фракция тяжелых углеводородов, движущаяся по периферии диффузорного участка 3 соплового канала, попадает в кольцевую полость 10 с частью газа и далее попадает в полость узла отбора капель и/или твердых частиц (на изображениях не показана), при этом основной отсепарированный газовый поток проходит внутри полого конуса 11, откуда отбирается для дальнейшего использования.

Благодаря организации направленного отвода жидкой фракции к периферийным областям диффузорного участка 3 соплового канала при помощи устройства 5 закручивания потока, процесс улавливания сконденсировавшихся компонентов при сверхзвуковых скоростях происходит с высокой эффективностью. При этом отсутствует необходимость в высокой степени закрутки многокомпонентной среды в конфузорном участке 2 соплового канала.

Использование предложенного устройства для сепарации многокомпонентной среды с целью отделения жидкой фракции углеводородных газов, а также более тяжелых углеводородов С₅₊ при подготовке природного газа в нефтегазовой промышленности позволит значительно повысить эффективность процесса улавливания сконденсировавшихся компонентов при сверхзвуковых скоростях, и тем самым снизить унос сконденсировавшейся фракции с основным газовым потоком, исключить необходимость в высокой степени закрутки потока многокомпонентной среды в конфузорном участке, при этом обеспечивается дополнительная возможность генерации электрической энергии.

1. Устройство для сепарации многокомпонентной среды, содержащее сопловой канал подачи потока многокомпонентной среды с конфузорным и диффузорным участками и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания упомянутого потока, установленное в указанном канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, отличающееся тем, что устройство для закручивания потока многокомпонентной среды выполнено в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, причем наружная поверхность упомянутого тела вращения, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, при этом на поверхности указанного тела вращения размещены профилированные лопатки с образованием каналов между ними, преимущественно спиралевидных, причем в концевой части каналов выполнен профилированный зазор, при этом указанное устройство для закручивания потока многокомпонентной среды установлено коаксиально в диффузорном участке соплового канала, причем входной конус устройства для закручивания потока многокомпонентной среды расположен на расстоянии от критического сечения, при котором обеспечивается значение скорости потока многокомпонентной среды выше скорости звука, при этом в выходной части диффузорного участка соплового канала закреплен полый конус с образованием кольцевой полости у внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц.

2. Устройство для сепарации многокомпонентной среды, содержащее сопловой канал подачи потока с конфузорным и диффузорным участками и расположенным между ними критическим сечением, устройство закручивания потока многокомпонентной среды, установленное в упомянутом канале, узел отбора капель и/или твердых частиц, установленный в выходной части диффузорного участка, отличающееся тем, что устройство для закручивания потока многокомпонентной среды выполнено в виде профилированного тела вращения, торцы которого соединены с основаниями входного и выходного конусов, причем наружная поверхность упомянутого тела вращения, предпочтительно, эквидистантна внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, при этом на поверхности указанного тела вращения размещены профилированные лопатки с образованием каналов между ними, преимущественно спиралевидных, причем между концевой частью упомянутых лопаток и внутренней поверхностью диффузорного участка соплового канала образован кольцевой зазор, а в концевой части каналов выполнен профилированный зазор, при этом указанное устройство закручивания потока многокомпонентной среды установлено коаксиально в диффузорном участке соплового канала с возможностью радиального вращения вокруг своей продольной оси и соединено с электрогенератором, причем входной конус устройства закручивания потока многокомпонентной среды расположен на расстоянии от критического сечения, при котором обеспечивается значение скорости потока многокомпонентной среды выше скорости звука, при этом в выходной части диффузорного участка соплового канала закреплен полый конус с образованием кольцевой полости у внутренней поверхности диффузорного участка соплового канала, причем упомянутая полость соединена с полостью узла отбора капель и/или твердых частиц.

3. Устройство для сепарации многокомпонентной среды по п. 2, отличающееся тем, что устройство для закручивания потока многокомпонентной среды является частью соединенного с электрогенератором ротора, установленного на опорах, предпочтительно, демпферных.