Спосіб вилучення і конденсування шахтного метану та комбінована установка для його здійснення (варіанти)

Номер патенту: 69591

Опубліковано: 15.09.2004

Автор: Смірнов Леонард Федорович

Є ще 19 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини з концентрацією метану та інших вуглеводнів 80-99% масових, що включає процеси витягнення метану з дегазаційної свердловини, його попереднього стиснення, охолодження і при контактуванні з водою утворення газогідратів з подальшим плавленням, який відрізняється тим, що цей метан змішують з важкими вуглеводнями та іншими речовинами-домішками, що знижують тиск гідратоутворення і підвищують концентрацію азоту в газовій фазі при плавленні газогідратів до 95-99 % масових, утворення газогідратів здійснюють при температурі 0÷2ºС, а плавлення ведуть при температурі 30÷40ºС з отриманням тиску метану 10-40 МПа.

2. Спосіб вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини за п. 1, який відрізняється тим, що як речовини - домішки при гідратоутворенні - використовують пропан і бутани з їх концентраціями в газовій суміші до моменту гідратоутворення 10-25 % масових.

3. Спосіб вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що утворення газогідратів здійснюють в пункті знаходження свердловини А, а плавлення - в пункті В - зарядження, наприклад балонів стиснутим газом, а від пункта А до пункта В газогідрати транспортують у вигляді сконцентрованої до 40-50 % по твердій фазі газогідратної суспензії, яку концентрують безпосередньо при гідратоутворенні в кристалізаторі-цистерні шляхом циркуляції через неї охолодженої води і удержання газогідратів при фільтрації газогідратної суспензії на виході з цього кристалізатора-цистерни.

4. Спосіб вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини за пп. 1, 2, в якому тиск метану 10-40 МПа, одержаний після плавлення газогідратів, надалі використовується для зрідження цього метану при температурах –150÷-170ºС шляхом, наприклад, здійснення внутрішнього каскадного циклу, який відрізняється тим, що після останнього з каскаду процесів охолодження газового потоку метану, наприклад, в кінцевому теплообміннику і його останнього дроселювання з відділенням рідкої фази метану її стискують, наприклад, насосом рідкого метану до 0,4-1,0 МПа, потім після підігрівання "зворотним ходом" в тому ж самому кінцевому теплообміннику зворотно дроселюють до 0,1÷0,12 МПа, розділяють на збагачену метаном продуктову рідину і газ, який викидають.

5. Спосіб вилучення і конденсування метану з шахтного дегазаційного повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів 10÷95 % масових, що включає процеси попереднього стиснення і охолодження цього вихідного повітря, при контактуванні з водою утворення газогідратів, газогідратної ректифікації метанової фракції від повітря, головним чином - азоту, для здійснення якої в нижній частині колони однократної ректифікації підігрівають та плавлять частину газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану) для створення газового ректифікованого потоку, а частину, що залишилась - за рахунок іншого теплоносія, а з верхньої частини колони відбирають нижчеутворюючий газогідрат компонент (азот), додатково його стискують і, уводячи у контакт з водою і відводячи теплоту гідратоутворення, готують газогідратну суспензію (флегму), яку повертають в верхню частину колони для ректифікації, який відрізняється тим, що вихідне повітря після його стиснення і охолодження змішують в процесі ректифікації з пропаном-бутаном до концентрації останніх в газовій суміші 3÷25 % масових, плавлення частини нерозплавлених газогідратів з вищеутворюючого газогідрат компоненту, що залишилась, ведуть при температурі 0÷2ºС за рахунок регенеративного утворення флегми з газогідратів нижчеутворюючого газогідрат компоненту при температурі 5÷8ºС і в суміші з пропаном, концентрація якого в газовій суміші перед початком гідратоутворення флегми є 3÷10 % масових, причому тиск азоту, що не ввійшов у склад флегми і викидається, знижують детандуванням, повертаючи цим роботу, яка була раніше витрачена для додаткового стиснення нижчеутворюючого газогідрат компоненту, а також часткового повернення роботи, витраченої раніше для стиснення вихідного повітря, а низька температура цього викиданого азоту використовується, наприклад, для опріснення солоної води шляхом продування його крізь солону воду і льодоутворення.

6. Спосіб вилучення і конденсування метану з шахтного дегазаційного повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів 10÷95 % масових, що включає процеси попереднього стиснення і охолодження цього вихідного повітря, газогідратної ректифікації метано-етанової фракції від повітря, головним чином - азоту, для здійснення якої в нижній частині колони однократної ректифікації підігрівають та плавлять частину газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану) для створення газового ректифікованого потоку, а частину, що залишилась - за рахунок іншого теплоносія, а з верхньої частині колони відбирають нижчеутворюючий газогідрат компонент (азот), додатково його стискують і, уводячи у контакт з водою і відводячи теплоту гідратоутворення, утворюють газогідратну суспензію (флегму), яку повертають в верхню частину колони для ректифікації, та конденсування продуктового метану, який відрізняється тим, що вихідне повітря після його стиснення і охолодження і в процесі ректифікації змішують з пропаном до концентрації останнього в газовій суміші 3÷25 % масових, плавлення іншої частини нерозплавленого вищеутворюючого газогідрат компоненту ведуть при температурі 20÷30ºС за рахунок підводу низькопотенційного тепла, наприклад тепла конденсації холодильного агента, з утворенням газу (метану) високого тиску 20-100 МПа для транспортування та заправлення в балони, зрідження або інших цілей, утворення флегми з газогідратів нижчеутворюючого газогідрат компоненту ведуть при температурі 0ºС і в суміші з пропаном, концентрація якого в газовій суміші перед початком гідратоутворення флегми є 3÷10 % масових, за рахунок відводу теплоти гідратоутворення, наприклад теплом кипіння холодильного агента, причому тиск азоту, що не ввійшов у склад флегми і викидається, знижують детандуванням, повертаючи цим роботу, яка була раніше витрачена для попереднього стиснення вихідного дегазаційного повітря, а низька температура цього викиданого азоту використовується, наприклад, для опріснення солоної води шляхом продування його скрізь солону воду і льодоутворення.

7. Спосіб вилучення і конденсування метану з шахтного дегазаційного повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів 10÷95 % масових за пп. 5 і 6, що здійснюється в процесі однократної газогідратної ректифікації при рівномірному збільшенні температури і складу метану у газовій фазі по висоті РК у напрямі зверху-униз, який відрізняється тим, що газ по висоті РК змішують з пропаном рівномірно, зверху-униз по висоті РК наростаючим значенням і так, щоб при нижчій температурі на першому ступені ректифікації (тобто в кристалізаторі) концентрація пропану у газовій фазі після змішування була не нижче 3 % масових, а при вищій температурі на останньому ступені ректифікації (тобто в нижчій частині РК) концентрація пропану в газовій фазі після змішування була 20÷25 %, вихідне повітря перед процесом ректифікації змішують з пропаном до такої його концентрації в газовій суміші, що знаходиться у місці уводу вихідного повітря в РК, яку для вибраного тиску в РК і температури у місці уводу вихідного повітря в РК розраховують підбором так:

- задають значення кількості домішуваного пропану у місці уводу вихідного повітря в РК,

- для системи газова суміш - вода для відомих умов температури, складу газової фази і тиску в РК знаходять константи фазової рівноваги , де  і  - мольні долі компонентів (головним чином метану, пропану, азоту) в газовій і газогідратних фазах відповідно (причому ),

- по константах Кі розраховують суму ,

- потім, змінюючи кількість домішуваного пропану, забезпечують таке його значення у місці подання вихідного повітря в РК, при якому сума .

8. Розділювач шахтного дегазаційного повітря для здійснення способу за п. 5, який складається з ступеневого компресора вихідного газу, що надходить з дегазаційної свердловини, холодильників для охолодження стиснутого газу між ступенями компресора і на виході з нього, РК, яка має в середній частині вхід охолодженого вихідного газу, в нижній своїй частині кубовий вбудований теплообмінник для часткового плавлення газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану), які опускаються в нижню частину РК, і вихід в плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану, а в верхній частині РК- вихід через додатковий компресор в кристалізатор для утворення флегми з нижчеутворюючого газогідрат компоненту (азоту), після якого є сепаратор розділення газогідратної суспензії (флегми) і газу-азоту, який відрізняється тим, що плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану і кристалізатор для утворення флегми з газогідратів азоту виконані регенераційними (R) в єдиному корпусі як один апарат-плавильник-кристалізатор газогідратів, в якому теплота утворення газогідратів азоту, що виділяється, наприклад, в трубний простір, передається через теплообмінну поверхню для плавлення газогідратів метану в міжтрубний простір, причому трубний його простір має входи азоту - зверху РК, води розплаву газогідратів - з міжтрубного простору і рідкого пропану - з відстійника пропану і води, а вихід трубного простору з'єднаний з входом сепаратора, вихід якого по викиданому азоту з'єднаний з входом першого ступеня детандера (наприклад, турбо), який зблокований з додатковим компресором (турбо) і є його приводом, а останні ступені детандера (наприклад, турбо) зблоковані з ступенями компресора (турбо) вихідного повітря, причому вихід цього азоту після кожного з останніх ступенів детандера з'єднаний з входом льодогенераторів виморожуючого опріснювача солоної води.

9. Розділювач шахтного дегазаційного повітря за п. 8, скомбінований з зріджувачем шахтного метану (ЗШМ, варіант 2), який відрізняється тим, що виходи азоту після останніх ступенів детандера з'єднані з входом теплообмінника ЗШМ2 з метою використання холоду азоту для попереднього перед зрідженням метану його охолодження до температури мінус 40°С - мінус 50°С.

10. Розділювач шахтного дегазаційного повітря для здійснення способу за п. 6, який складається з компресора вихідного газу, що надходить з дегазаційної свердловини, холодильників для охолодження стиснутого газу між ступенями компресора і на виході з нього, РК, яка має в середній частині вхід охолодженого вихідного газу, в нижній своїй частині кубовий вбудований теплообмінник для часткового плавлення газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану), які опускаються в нижню частину РК, і вихід в плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану, а в верхній частині РК - вихід в кристалізатор для утворення флегми з нижчеутворюючого газогідрат компоненту (азоту), який відрізняється тим, що плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану виконаний секціонованим (виконуючи функцію термокомпресора), причому в цих секціях вбудовані теплообмінники, наприклад конденсатори холодильної машини; кристалізатор для утворення флегми з газогідратів азоту має вбудований теплообмінник, наприклад випарник холодильної машини, і має входи азоту - зверху РК, води розплаву газогідратів - з секцій плавильника і рідкого пропану - з відстійника пропану, а вихід кристалізатора по викиданому азоту з'єднаний з входом першого ступеня детандера (наприклад, турбо), а потім послідовно з входом другого ступеня детандера (турбо), які зблоковані з компресором (турбо) вихідного повітря, повертаючи частину його роботи, а вихід цього азоту після першого і другого ступенів детандера з'єднаний з входом льодогенераторів виморожуючого опріснювача солоної води.

11. Розділювач шахтного дегазаційного повітря за пп. 6, 10, який відрізняється тим, що виходи азоту після першої і другої ступенів детандера з'єднані з входом теплообмінника зріджувача шахтного метану (ЗШМ, варіант 1), який попередньо вилучається в розділювач шахтного дегазаційного повітря і використовується для попереднього перед зрідженням охолодження цього метану до температури мінус 40°С - мінус 50°С.

12. Спосіб вилучення і конденсування метану з шахтного вентиляційного повітря з концентрацією метану 0,3÷1,5 % масових для діючої шахти, що включає процес відсмоктування повітря з витягувального стовбура шахти, який відрізняється тим, що метан витягають за допомогою зворотного газотурбінного циклу низького тиску і адсорбційного насоса, процеси в яких здійснюються наступним чином:

- повітря з витягувального стовбура шахти стискують, наприклад, компресором (турбо) до 0,15÷0,2 МПа;

- очищають це повітря від вугільного пилу та вуглекислого газу шляхом, наприклад, контакту з водою;

- охолоджують до температури -20÷-40ºС з одночасним осушенням від вологи прямого потоку повітря у три прийоми - спочатку холодильною машиною, а потім двічі за рахунок теплообміну з його холодним зворотним потоком;

- очищають від метану за допомогою низькотемпературної адсорбції при температурі -20÷-40ºС і тиску 0,3÷0,18 МПа з подальшим витягненням метану з адсорбенту шляхом десорбції при нагріві адсорбенту гарячим повітрям після його стиснення з температурою 100÷140ºС та зменшення тиску над адсорбентом до 10÷20 кПа, причому отриманий метан відсмоктують, наприклад, за допомогою вакуум-насоса і стискують, наприклад, компресором, до тиску реалізації;

- потім це повітря розширюють, наприклад, детандером (турбо), до тиску 0,1 МПа з отриманням температури -30÷-50ºС;

- потім це повітря перед поверненням в припливний стовбур шахти нагрівають до температури 2ºС, відводячи холодом цього зворотного потоку повітря теплоту адсорбції метану шляхом регенеративного охолодження прямого потоку, і потім, шляхом контакту з солоною шахтною водою для кінцевого очищення повітря з отриманням льодорозсольної суспензії, з якої після сепарації від розсолу, промивання льоду від розсолу і змішування льоду з чистою водою утворюють льодоводяну суспензію, яку спрямовують в шахту для місцевого охолодження, а потім повертають на поверхню шахти як опріснену чисту талу воду.

13. Розділювач шахтного вентиляційного повітря діючої шахти для здійснення способу за п. 12, що має пристрій для відсмоктування повітря від витягувального стовбура шахти, який відрізняється тим, що відсмоктування повітря з витягувального стовбура шахти здійснюють компресором (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером (турбо) і має компенсуючий електродвигун, причому нагнітання компресора з'єднано з всмоктуванням детандера через водяний барботажний абсорбер, три послідовні охолоджувачі повітря і адсорбер метану, при цьому вихід детандера через останній перед адсорбером охолоджувач повітря і контактний льодогенератор з'єднаний з припливним стовбуром шахти, а вихід льодорозсольної суспензії з льодогенератору через сепараційно-промивну колону, яка перетворює цю суспезію в льодоводяну, з'єднаний з шахтним місцевим повітроохолоджувачем.

14. Спосіб вилучення і конденсування метану з шахтного вентиляційного повітря для газоносної недіючої ліквідаційної шахти, яка припинила вуглевидобуток, що включає процес відсмоктування повітря з витягувального стовбура шахти, який відрізняється тим, що:

- в шахті - підвищують дифузію метану з газовіддавальних вугільних шарів і вуглепороди в штреки, які вивітрюються, і збільшують концентрацію метану у вентиляційному повітрі "безлюдної" шахти до 3 % масових шляхом:

- підвищення температури витягуваного повітря в шахті на 10÷20ºС за рахунок подання в шахту нагрітого до 70÷80ºС сухого повітря, очищеного від пилу, вуглекислоти і метану,

- зниження тиску цього повітря на 10÷15 кПа нижче атмосферного шляхом підвищення продуктивності його відсмоктування, наприклад, компресором (турбо) і герметизації шахти,

- оновлення старих запилених поверхонь вугільних шарів і шарів вуглепороди виробок шляхом струшувальних вибухів малої потужності, які відколюють від цих поверхонь куски вуглепороди товщиною 5÷10 см і відкривають канали дифузії метану;

- на поверхні шахти - сприяють низькотемпературній адсорбції метану із збагаченої метаноповітряної суміші за рахунок:

- підвищення тиску повітря до 0,15÷0,2 МПа,

- очищення повітря від вугільного пилу та вуглекислого газу шляхом, наприклад, контакту з водою,

- зниження температури прямого потоку повітря до -10÷-30ºС з одночасним осушенням від вологи холодильною машиною і за рахунок теплообміну з його холодним зворотним потоком,

- розширення зворотного потоку повітря до тиску 0,1 МПа з отриманням температури -5÷-40ºС і використанням холоду цього потоку повітря для відводу теплоти адсорбції і регенераційного охолодження прямого потоку,

- періодичної регенерації адсорбенту за рахунок періодичної десорбції з нього метану шляхом нагріву адсорбенту гарячим повітрям з температурою 100÷140ºС, наприклад, після компресора і зниженням над ним тиском до 10÷20 кПа, наприклад, вакуум-насосом, причому вилучений метан далі стискують, наприклад, компресором до тиску реалізації.

15. Розділювач шахтного вентиляційного повітря для "сухої" (С) газоносної недіючої ліквідаційної шахти (Л), яка припинила вуглевидобуток, для здійснення способу за п. 14, що має пристрій для відсмоктування повітря від витягувального стовбура шахти, який відрізняється тим, що як пристрій для відсмоктування повітря з витягувального стовбура шахти використовують компресор (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером (турбо) і компенсуючим електродвигуном, причому нагнітання компресора з'єднано з всмоктуванням детандера через теплообмінник підігріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, що спрямовується в припливний стовбур шахти, водяний барботажний абсорбер, три послідовні охолоджувачі повітря і адсорбер метану першого ступеня, при цьому вихід детандера з'єднаний з входом адсорбера метану другого ступеня, вихід якого з'єднаний з входом теплообмінникапідігріву цього повітря перед його поданням в припливний стовбур шахти.

16. Розділювач шахтного вентиляційного повітря для газоносної недіючої ліквідаційної шахти (Л), яка припинила вуглевидобуток і "наражається на обводнення" для здійснення способу за п. 14, що має пристрій для відсмоктування повітря з витягувального стовбура шахти і пристрої для відкачування і демінералізації солоної шахтної води, який відрізняється тим, що як пристрій для відсмоктування повітря з витягувального стовбура шахти використовують компресор (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером (турбо) і компенсуючим електродвигуном, причому нагнітання компресора з'єднано з всмоктуванням детандера через теплообмінник підігріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, яке спрямовується в припливний стовбур шахти, водяний барботажний абсорбер, три послідовні охолоджувачі повітря і адсорбер метану, при цьому вихід детандера через останній перед адсорбером охолоджувач повітря і контактний льодогенератор виморожуючого опріснювача солоної шахтної води з'єднаний з припливним стовбуром шахти через теплообмінник підогріву цього повітря.

17. Розділювач шахтного вентиляційного повітря для газоносної недіючої ліквідаційної шахти, яка припинила вуглевидобуток і "наражається на обводнення", за п. 16, який відрізняється тим, що вихід льоду з льодогенератора виморожуючого опріснювача солоної шахтної води з'єднаний через сепараційно-промивну колону з плавильником льоду, в який вбудований конденсатор теплосилової установки, в випаровувач котрої вбудований теплообмінник, вхід якого по гарячому теплоносію з'єднаний з виходом цього теплоносія з адсорбера метану, вихід якого з'єднаний з дном абсорбера.

18. Спосіб вилучення метану за п. 12, який відрізняється тим, що в умовах малої концентрації метану у дегазаційному повітрі (нижче 8 % масових), недостатньої для його ефективного вилучення, це дегазаційне повітря підмішують у потік вентиляційного повітря перед процесом очищення цього повітря від вугільного пилу та вуглекислого газу.

Текст

Пропозиція відноситься до вилучення природних вуглеводнів (основний компонент їх - метан) з шахтни х свердловин і шахтного повітря діючих та припинивших вугледобичу ліквідаційних, але газоносних шахт і його конденсування (тобто згущення шляхом підвищення тиску компресією або гідратоутворенням або зрідженням) для зручності його транспортування та використання для зарядження балонів, наприклад, газобалонних автомобілів, підвищення прибутковості проектів внаслідок більш високої ціни реалізації такого сконденсованого метану (що заохочує інвестування таких екологічних проектів), а також використання попутних е фектів в комбінованих установках, наприклад охолодження шахтного повітря та очищення - демінералізації солених шахтних вод. Пропозиція також може бути використана і для переробки будь-яких метаноповітряних сумішей, які викидаються, наприклад, з покинутих вичерпаних газових, газоконденсатних або нафтови х свердловин, а також інших газових сумішей, як бінарних (наприклад, метан-водень, метан-етан і інші), так і багатокомпонентних (наприклад, коксовий газ, водяний газ). Пропозиція відноситься до групи винаходів, які схожими прийомами дозволяють отримати однаковий технічний результат во всьому діапазоні концентрацій метану у ша хтни х метаноповітряних сумішах - від 0,3% масових метану до 99% і видати метан у готовому для транспортних пристроїв сконденсованому вигляді. В ша хта х є 4 джерела метану; 1. В газі з дегазаційних свердловин є 90 ¸ 98% метану ("багата" суміш), дебіт при початку експлуатації - до , 30м 3/хв і тиск до 10МПа. За 1 ¸ 1 5 року дегазації дебіт зменшується, а тиск знижується до атмосферного. У середньому з кожної свердловини можно вилучити біля 16т (метану)/добу або 8,25млн. м 3/рік. 2. В дегазаційному ша хтному повітрі концентрація метану та інши х вуглеводнів є 10 ¸ 95% масових ("середня" суміш), витрати такій метаноповітряної суміші в шахта х є 20 ¸ 70 м 3/хв. З кожного такого потоку скидається в атмосферу від 11 до 34т (метану)/добу або від 6,6 до 18,9млн. м 3/рік. Примітка: газ з дегазаційних свердловин і дегазаційне шахтне повітря - не одне і теж. Перший газ - практично чистий вуглеводень, він відводиться з свердловини, гирло якої знаходиться на поверхні Землі. Другий газ - це те ж самий практично чистий вуглеводень, але який відводиться з свердловини, гирло якої знаходиться у ша хті на глибині; після відкачування метану з підземної свердловини вакуум-насосом і під час транспортування цього газу на поверхню шахти (декілька кілометрів) в нього через негерметичні місця усмоктовується повітря, що суттєво знижує концентрацію метану (у австрійців, наприклад, концентрація вихідного дегазаційного повітря близька к 80%, в Донбасі - 10 ¸ 50% (звісно, славяне, що з них візьмеш?). , 3. В вентиляційному шахтному повітрі метану є всього 0,3 ¸ 1 5 % масових ("бідна" суміш), але витрати такого повітря велики - біля 10000м 3/хв (17000т/добу) на 1 вентиляційний витяжний стовбур. В ша хта х буває 3-5 стовбурів і з кожного стовбура діючої ша хти можливо вилучити 30 ¸ 100 т (метану)/добу. Наприклад шахта ім. Засядько має 3 витяжних стовбура з загальним виходом вентиляційного повітря біля 54000м 3/хв, що при концентрації метану 1% дає викид 798,5т (метану)/добу або 437,18млн. м 3/рік, що перевищує потреби у метані таких міст як Одеса і Харків, разом узятих. 4. Після зупинення вугледобичи у недіючої газоносної ліквідаційної шахти газовіддача вугільних вироботок значно зменшується (десорбції "власного" метану з поверхневого вугілля вже практично нема, але продовжується дифузія газу з глибинних шарів в повітря вироботок, приближуючись к природній питомий газовіддачі нерозвантажених вугільних шарів, яка є 0,01 ¸ 0,032 м 3/хв×м 2 /в Донбасі "газують" не тільки вугільні пласти, але і вуглепорода /). Ця дифузія метану з мантії Землі ще буде продовжуваться багато років. Якщо прийняти мінімальне значення, то при умовном діаметрі вироботки 3м і ії довжині 1км (а в старих шахтах загальна довжина вироботок на усіх горизонтах є декілька десятків кілометрів) газовіддача буде 94,2мм 3/хв×км або 49,5млн. м 3/рік×км або 90,43т/добу×км. Запропоновано не багато способів, схем і конструкцій, які відносяться к вилученню метану і його конденсуванню. Це обумовлено технологічними труднощами розділення метаноповітряних сумішей, а головне неекономічністю для інвестора тих пропозицій, які вирішують суто вузьку задачу - вилучення метану і не вирішують задачу його більш прибуткового використування, а також не розв'язують системно і в комплексі дуже важливі для шахт проблеми - охолодження повітря, особливо глибоких горизонтів шахти, і демінералізацію шахтної води. Відомий спосіб вилучення і компресії метану з дегазаційної свердловини з концентрацією метану та інших вуглеводнів 90 ¸ 99% масових. Метан відкачують вакуум-насосом, а потім компресором в газопровідну трубу, але головним чином використують саме на шахті (отопления, гаряче тепловодопостачання, теплиці). Недоліки способу - нема акумулювання газу, високи електровитрати, низька прибутковість. В другому, більш прибутковому варіанті, метан з дегазаційної свердловини стискують компресором (3 ступені) до 31,4МПа, охолоджують водою в міжступеневих і кінцевому холодильниках, потім заряжають цим метаном товстостінни кулі діаметром 1,6м. Ці кулі розвозють автомашиною до пункту заправлення газобалонних автомобілів і заправляють балони автомобілів під тиском 20МПа. Такі 2 газокомпресорні станції збудував в Донбасі ПО "Донецьквугілля"; зараз одна станція поки ще працює, а другу вже розворовали. , Недоліки способу - високи питоми електровитрати - біля 1,3 ¸ 1 5 кВт-г/кг метану; високий тиск транспортування, велика маса товстостінних кулів і високи капітальні витрати; неможливість увесь газ, що є в кулях, перепустити в балони - в ідеальному випадку - на 70% (масових) і тільки в ізотермічному процесі, при швидкому ж спорожненні, тобто в процесі, близького до адіабатного, кулі розряжаються на 55 ¸ 60% і в цьому випадку біля 40% метану, що залишився в кулях, приходитися як баласт везти назад /!/ до свердловини (щоб помягшити цей недолік приходитися використувати комутацію куль). В наступному більш прибутковому варіанті метан з дегазаційної свердловини стискують компресором (3 ступені) до 12МПа, охолоджують водою, потім холодильною машиною до -40°С, потім охолоджують до -120 ¸ 160°С за рахунок теплообміну со зворотним регенераційним потоком, потім дроселюють до 0,12 ¸ 0,25 МПа і зріджують, після чого пар як зворотний потік повертають на рециркуляцію в останню ступень компресора, а зріджений метан транспортують в цистернах під тиском 0,12 ¸ 0,25 МПа на газозаправочну станцію, там його підігрівають, випаровують до тиску 20МПа і заряжають балони газобалоних автомобілів. Спосіб зрідження цей - цикл високого тиску, з циркуляцією потоку середнього тиску, з проміжним охолодженням і дроселюванням - описаний в книзі "С.Я. Герш. Глубокое охлаждение (ч. 1 - Термодинамические основы сжижения и разделения газов, с.121). Госэнероиздат, Москва. 1957". Недоліки способу - досить значні питоми електровитрати - біля 0,85кВт-г/кг зрідженого метану, велика доля машинного обладнання, нема обладнання для відділення важких фракцій вуглеводнів - пропану, бутанів, гексану. Схема такого зріджувача шахтного метану ЗШМ2 використана у винаході, як варіант у тандемі з розділювачем шахтного дегазаційного повітря РШДП-R (Фіг.9). Відомий ще більш ефективний варіант зрідження природного газу шля хом, наприклад, здійснення внутрішнього каскадного циклу (И.П. Усюкин. Установки, машины и аппараты криогенной техники. Москва, 1976, см. лист 178, атлас, часть 1). В цьому циклі є 2 потока, не змішуваних, роздійних. Перший - це холодильний багатокомпонентну суміш газів (метан, етан, пропан і азот) стискують рециркуляційним компресором до 4МПа, охолоджують спочатку водою в проміжному холодильнику, а потім в каскаді регенераційних теплообмінників за рахунок холоду зворотних потоків, причому після кожного охолодження і кожного проміжного дроселювання відділяють компонент газової фази (у послідовності-пропан, етан, азот), який повертають як зворотний потік, а рідка фаза тече у наступний теплообміннику бік зниження тиску, а після його останнього дроселювання повністю повертається назад через регенераційні теплообмінники на усмоктування рециркуляційного компресора. Другий потік - це вихідний природний газ, який при постійному невеликому тиску проходить каскад вказаних регенераційних теплообмінників, не змішуючись з холодовиробляючою сумішшю, а після останнього охолодження дроселюється до 0,12МПа і використується як продукт - метан з чистотою до 94 ¸ 96% . Питоми електровитрати у цьому способі - біля 0,5 ¸ 0,6 кВт-г/кг зрідженого метану. Недоліки способу - значні витрати рециркуляційних потоків, наявність 2 роздільних потоків дуже ускладнює схему, нема обладнання для відділення важких фракцій вуглеводнів -пропану, бутанів, гексану, значний домішок азоту у продуктовому метані. Схема такого зріджувача шахтного метану ЗШМ(1) удосконалена у винаході, як варіант у тандемі з розділювачем шахтного дегазаційного повітря РШДП-ТК-ЗШМ(І) (Фіг.1). Відомий спосіб конденсування метану у вигляді газогідратів (Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. Изд-во "Недра", Москва, 1974). Цей спосіб може бути використаний і для сгущення метану та інших вуглеводнів (з концентрацією 90 ¸ 99% масових) з дегазаційної свердловини. Він включає процеси витягнення метану з дегазаційної свердловини, його попереднього стиснення, охолодження і при контактуванні з водою утворення газогідратів з подальшим їх плавленням та зворотним отриманням газу підвищеного тиску. Недоліки способу значний тиск, потрібний для гідратоутворення метану (близько 25МПа при 20°С), що потрібує значних електровитрат; значний домішок компонентів повітря -кисню, а особливо азоту, які також переходять при такому високому тиску у склад газогідратів, а потім після їх плавлення, підмішуються в продуктовий метан. Схема гідратоутворювача шахтного метану ГШМ удосконалена у ряді варіантів винаходу: з розділювачами шахтного дегазаційного повітря РШДП-R (Фіг.5), РШДП-R-ЗШМ2 (Фіг.9), РШДП-ТК-ЗШМ1 (Фіг.11), транспортному варіанті - гідратоутворювача шахтного метану ГШМ (Фіг.3). Примітка: розшифровка абревіатур - нижче (після назв фігур і також далі по тексту). У теперешний час метан з шахтного дегазаційного повітря не вилучається. Таке повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів не менш як 50% використується як паливо в котельнях, як домішок до природного газу, що забирається з газопроводів, а також в малому обсягу - для приводу невеликих газомоторних електрогенераторів. Але відоми технічні способи, які можливо використати для розділення дегазаційної метаноповітряної суміші. До ним відноситься процес ректифікації газів у системі рідина-пар, який дуже широко використується для розділення повітря на азот, кисень, аргон, криптон і ксенон. В цьому способі вихідна газова суміш стискується, охолоджується до температури зрідження і потім парорідинна суміш ректифікується (С.Я.Герш. Глубокое охлаждение /ч. 1 -Термодинамические основы сжижения и разделения газов, с.210/. Госэнергоиздат, Москва. 1957) в ректифікаційній колоні (РК). В ций РК пар і рідина рухаються протитоком. Пар і рідина по висоті РК обмінюються теплом і речовиною. Пар, підіймаючись, зрощується рідиною (зветься-флегма) і поступово збагачується нижчекиплячим компонентом (для пари метан-азот це азот) і з верху РК відбирається пар з концентрацією азоту 95 ¸ 99% . Рідина, стікаючи униз по тарілкам, на яких при контакті пара і рідини здійснюється тепло і масопередача, поступово збагачується вищекиплячим компонентом - метаном і з низу РК (зветься куб РК; в ньому температура вище, чем в верху РК на величину різниці температур кипіння чистих компонентів при однаковому тиску) відбирається рідина з концентрацією метану 97 ¸ 99% . Примітка: для газової суміші той компонент є ви щекиплячим, який при однаковому тиску кипить при більшій температури. Недоліки спосібу-процес здійснюється при дуже низьких температурах -150 ¸ -160°С , велики капитальні витрати на ряд низькотемпературних теплообмінників. Відомий спосіб розділення газових сумішей за допомогою газогідратної ректифікації, яка здійснюється в системі газ-твердий газогідрат у воді (у вигляді газогідратної суспензії). Для розділення пари метан-етан цей процес описаний у "Patent of USA №2399723, 1946" (На російської мові цей патент докладно розкритий у книзі "Кудряшов В.И., Бухгалтер Э.Б. Направления использования гідратного процесса в промышленности. Научнотехнический обзор. Серия: Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. ВНИИГАЗПРОМ, Москва, 1976, 47с."). Спосіб придатний для вилучення і конденсування метану з шахтного дегазаційного повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів 10-95% масових. Але опишем цей спосіб і установку для його здійснення детальніше, оскільки вони є прототипом той частини винаходу, яка відноситься до дегазаційного повітря. Вихідна газова суміш (40% етана + 60% метана) попередньо стискується до 0,1 ¸ 0,4 МПа, охолоджується до 4°С і прямується в ректифікаційну колону РК. Тут вона контактується з водою і при цьому утворюються газогідрати, у які входять як метан, так і етан. Але метан в цієї парі є нижчеутворюючим газогідрат компонентом, оскільки він при однаковому з етаном тиску утворює газогідрати при нижчей, чем етан, температури. По висоті РК здійснюється газогідратна ректифікація. При утворенні газогідратів у їх склад переважно входить вище утворюючий газогідрат компонент (етан); при плавленні газогідратів з їх складу переважно виходить нижчеутворюючий газогідрат компонент (метан). Газова суміш піднімається уверх, а назустріч їй стікає флегма (тобто газогідратна суспензія - тверді газогідрати в суміші з водою). Газова суміш, піднімаючись уверх, зрощується більш холодною флегмою і поступово збагачується нижчеутворюючим газогідрат компонентом (метаном) і з верху РК при температури 1,1°С відбирається пар з концентрацією метану 90%. Флегма, стікаючи униз по тарілкам, на яких при контакті пара і флегми здійснюється тепло і масопередача, поступово збагачується вище утворюючим газогідрат компонентом - етаном і з низу РК (куба) при 7,8°С відбирається газогідратна суспензія, в газогідратах якої концентрація етана досягає 90%. Цю суспензію з низу РК підігрівають та плавлять частину газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (етану) для створення газового ректифікуємого потоку, що рухається уверх, а оставша частина газогідратів відводиться насосом і подається в плавильник (на мові оригінала - дегідратор). В плавильник вбудований змійовиковий теплообмінник, через поверхню котрого передається тепло (стороннє теплове джерело) для плавлення газогідратів; вони плавиться при 0,84МПа і 0,56°С. Газ, що виділяється при плавленні газогідратів, відводиться з плавильнику як продукт - етан (його концентрація-90%). Вода з плавильнику реціркулює знову в установку. Газ, який не перейшов у склад газогідратів при вказаних умовах в РК, складається на 85% з метану і відводиться з верху РК. Цей газ стискується і разом з реціркуляційною водою подається в теплообмінник типа "труба у тр убі", де при 2МПа і 1,5°С відбувається гідратоутворення, теплота якого відводиться стороннім тепловим джерелом. Газогідратна суспензія, що утворилася у цьому теплообміннику, і газ, що не перейшов у газогідрати, прямуються в сепаратор, де діється їх розділення. Газ відводиться з установки і складається на 90% з метану (це другий продукт), а газогідратна суспензія як флегма повертається у вер хню частину РК. Недоліки способу, якщо його безпосередньо використати для розділення пари метан - азот (шахтної дегазаційної суміші): 1. Треба 2 теплових джерела, щоб відвести теплоту гідратоутворення і підвести теплоту плавлення газогідратів; ці теплоти значні - 3485кДж/кг метану у складі газогідрату і їх підвод-відвод є значна технічна проблема. 2. При розділенні пари метан-азот потрібний високий тиск в РК (вище 15МПа), що дуже ускладнює реалізацію цього процесу. 3. Неможливо отримати високу чистоту нижчеутворюючого газогідрат компонента (азоту, тобто зменшити утрати метану), оскільки неможливо знизити температур у гідрато утворення для отримання флегми нижче 0°С (буде утворюватися лід, який заблокує рух фле гми). 4. Не використуються потенційні можливості способу для зниження електровитрат і його комбінування для рішення інших важливих суто ша хтних проблем, таких як охолодження повітря або демінералізація шахтної соленої води, які енергетичне було б можливо і доцільно зв'язати з вилученням і конденсуванням метану. Способів і установок для вилучення метану з ша хтного вентиляційного повітря діючих і припинивших вугледобичу ліквідаційних (але газоносних) шахт нами не виявлено. Відомий процес адсорбції метану з вугілля. Але не відомі ані спосіб, ані схема такої установки, яки б зв'язали у сукупність дії, їх режими і послідовність в єдину пропозицію, що дала б те хнічний результат - енергетичне ефективне і з мінімумом капітальних витрат вилучення метану і його конденсування з бідного метаном вентиляційного повітря. Задача, на рішення котрої направлен винахід: 1. Запропонувати рішення, які дозволили б у єдиній системі вилучати та конденсувати метан з усіх його джерел в шахтах, в усьому діапазоні концентрацій метану у ша хтному повітрі і витрат повітря, екологічно чисто, з підвищенням рівня техніки безпеки робіт у шахтах, з мінімумом електровитрат і капіталовкладень, привабливо і прибуткове для інвестора. 2. Знизити тиск процесів розділення метаноповітряної суміши, приблизити температуру процесів к температурі оточуючого середовища, підвищити концентрацію метану у продуктовому газі, підвищити концентрацію азоту у скидаємому потоку азоту (тобто зменшити утрати метану). 3. Запропонувати рішення, які дозволили б у єдиній системі використати тиск газів, що відводяться як продукти, і їх холодопродукційність як для зниження електровитрат, так і в комбінованих установках охолодження шахтного повітря та очищення - демінералізації солених ша хтних вод. Виконання поставленного завдання досягається тим, що для "багатих" метаном сумішей в способі вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини з концентрацією метану та інших вуглеводнів 80 ¸ 99°С масових, що включає процеси витягнення метану з дегазаційної свердловини, його попереднього стиснення, охолодження і при контактуванні з водою утворення газогідратів з подальшим плавленням, цей метан змішують з важкими вуглеводнями та іншими речовинами-домішками, що знижують тиск гідратоутворення і підвищують концентрацію азота в газовій фазі при плавленні газогідратів до 95 ¸ 99°С масових, утворення газогідратів здійснюють при температурі 0 ¸ 2°С , а плавлення ведуть при температурі 30 ¸ 40°С з отриманням тиску метана 10 ¸ 40 МПа. В цьому способі вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини у якості речовин-домішок при гідратоутворенні використовують пропан і бутани з їх концентраціями в газовій суміші до терміну гідратоутворення 10 ¸ 25% масових. Крім того в цьому способі вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини утворення газогідратів здійснюють в пункті знаходження свердловини А, а плавлення - в пункті В - зарядження, наприклад, балонів стиснутим газом, а від пункта А до пункта В газогідрати транспортують у вигляді сконцентрованої до 40 ¸ 50% по твердій фазі газогідратної суспензії, яку концентрують безпосередньо при гідратоутворенні в кристалізаторі-цистерні шляхом циркуляції через неї охолодженої води і удержання газогідратів при фільтрації газогідратної суспензії на виході з цього кристалізатора-цистерни. Крім того в цьому способі вилучення і конденсування метану з дегазаційної свердловини, в якому тиск метану 10 ¸ 40 МПа, одержаний після плавлення газогідратів, надалі використується для зрідження цього метану при температурах -150 ¸ -170°С , шляхом, наприклад, здійснення внутрішнього каскадного циклу, після останнього з каскаду процесів охолодження газового потоку метану, наприклад, в кінцевому теплообміннику і його останнього дроселювання з відділенням рідкої фази метану ії стискують, наприклад, насосом рідкого метану до 04 ¸ 1 МПа, потім після підігрівання "зворотним ходом" в тому ж самому кінцевому теплообміннику зворотно дроселюють до 0,1 ¸ 0,12 МПа, розділяють на збагачену метаном продуктову рідину і газ, який викидають. Виконання поставленного завдання досягається також тим, що для "середніх" по наявності метана сумішей в способі вилучення і конденсування метану з ша хтного дегазаційного повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів 10 ¸ 95% масових, що включає процеси попереднього стиснення і охолодження цього вихідного повітря, при контактуванні з водою утворення газогідратів, газогідратної ректифікації метанової фракції від повітря, головним чином - азоту, для здійснення якої в нижній частині колони однократної ректифікації підігрівають та плавлять частину газогідратів вище утворюючого газогідрат компоненту (метану) для створення газового ректифікуємого потоку, а частину, що залишилась - за рахунок іншого теплоносія, а з верхньої частині колони відбирають нижчеутворюючий газогідрат компонент (азот), додатково його стискують і, контактуючи з водою і відводячи теплоту гідратоутворення, готують газогідратну суспензію (флегму), яку повертають в вер хню частину колони для ректифікації, вихідне повітря після його стиснення і охолодження змішують в процесі ректифікації з пропаном-бутаном до концентрації останніх в газовій суміші 3 ¸ 25% масових, плавлення частині нерозплавлених газогідратів з вищеутворюючого газогідрат компоненту, що залишилась, ведуть при температурі 0 ¸ 2°С за рахунок регенератівного утворення флегми з газогідратів нижчеутворюючого газогідрат компоненту при температурі 5 ¸ 8°С і в суміші з пропаном, концентрація якого в газовій суміші перед початком гідратоутворення флегми є 3 ¸ 10% масових, причому тиск азоту, що не ввійшов у склад флегми і викидається, знижують детандуванням, повертаючи цим роботу, яка була раніше витрачена для додаткового стиснення нижчеутворюючого газогідрат компоненту, а також часткового повернення роботи, витраченої раніше для стиснення вихідного повітря, а низька температура цього викидаємого азоту використовується, наприклад, для опріснення соленої води шляхом продування його крізь солену воду і льодоутворення. Крім того в способі вилучення і конденсування метану з шахтного дегазаційного повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів 10 ¸ 95% масових, що включає процеси попереднього стиснення і охолодження цього вихідного повітря, газогідратної ректифікації метано-етанової фракції від повітря, головним чином - азоту, для здійснення якої в нижній частині колони однократної ректифікації підігрівають та плавлять частину газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану) для створення газового ректифікуємого потоку, а частину, що залишилась - за рахунок іншого теплоносія, а з верхньої частині колони відбирають нижчеутворюючий газогідрат компонент (азот), додатково його стискують і, контактуючи з водою і відводячи теплоту гідрато утворення, утворюють газогідратну суспензію (флегму), яку повертають в верхню частину колони для ректифікації, та конденсування продуктового метану, вихідне повітря після його стиснення і охолодження і в процесі ректифікації змішують з пропаном до концентрації останнього в газовій суміші 3 ¸ 25% масових, плавлення іншої частини нерозплавленого вищеутворюючого газогідрат компоненту ведуть при температурі 20 ¸ 30°С за рахунок підводу низькопотенційного тепла, наприклад, тепла конденсації холодильного агенту, з утворенням газу (метану) високого тиску 20 ¸ 100 Па для транспортування та заправлення в балони, зрідження або інших цілей, утворення флегми з газогідратів нижчеутворюючого газогідрат компоненту ведуть при температурі 0°С і в суміші з пропаном, концентрація якого в газовій суміші перед початком гідратоутворення флегми є 3 ¸ 10% масових, за рахунок відвода теплоти гідратоутворення, наприклад теплом кипіння холодильного агенту, причому тиск азоту, що не ввійшов у склад флегми і викидається, знижують детандуванням, повертаючи цим роботу, яка була раніше витрачена для попереднього стиснення вихідного дегазаційного повітря, а низька температура цього викидаємого азоту використується, наприклад, для опріснення соленої води шляхом продування його скрізь солену воду і льодоутворення. Крім того в способі вилучення і конденсування метану з шахтного дегазаційного повітря з концентрацією метану та інших вуглеводнів 10 ¸ 95% масових, що здійснюється в процесі однократної газогідратної ректифікації при рівномірном збільшенні температури і складу метану у газовій фазі по висоті РК у напрямі зверху-униз, газ по висоті ректифікаційної колони РК змішують з пропаном рівномірно, зверху-униз по висоті РК наростаючим значенням і так, щоб при нижчий температури у перший ступені ректифікації (тобто в кристалізаторі Кр) концентрація пропану у газовій фазі після змішування була не нижче 3% масових, а при вищий температури в останній ступені ректифікації (тобто в нижчий частині РК) концентрація пропану в газовій фазі після змішування була 20 ¸ 25% , вихідне повітря перед процесом ректифікації змішують з пропаном до такої його концентрації в газовій суміші, що знаходиться у місті увіда вихідного повітря в РК, яку для обранного тиску в РК і температури у місті увіда ви хідного повітря в РК розраховують підбором так: - задають значення кількості домішуємого пропану у місті увіду ви хідного повітря в РК, - для системи газова суміш-вода для відомих умов температури, складу газової фази і тиску в РК знаходять константи фазової рівноваги, К і = У і / Х і де У і і Х і - мольні долі компонентів (головним чином метану, пропану, азоту) в газовій і газогідратних фазах відповідно (причому SУ і = 1 ) - по константам К; розраховують суму SХ і = У і / К і , - потім змінюючи кількість домішуємого пропану, добиваються такого його значення у місті подання вихідного повітря в РК, при якому сума SУ і = 1 . Вищевказаний спосіб для "середньої" суміші здійснюється в розділювачі шахтного дегазаційного повітря РШДП-R, який складається з ступеневого компресора вихідного газу, що надходить з дегазаційної свердловини, холодильників для охолодження стиснутого газу між ступенями компресора і на виході з нього, ректифікаційної колони РК, яка має в середній частині вхід о холодженого вихідного газу, в нижній своїй частині кубовий вбудований теплообмінник для часткового плавлення газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану), які опускаються в нижню частину РК, і вихід в плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану, а в верхній частині РК- вихід через додатковий компресор в кристалізатор для утворення флегми з нижчеутворюючого газогідрат компоненту (азоту), після якого є сепаратор розділення газогідратної суспензії (флегми) і газу-азоту, тим, що плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану і кристалізатор для утворення флегми з газогідратів азоту виконані регенераційними (R) в єдиному корпусі як один апарат – плавильник - кристалізатор газогідратів, в якому теплота утворення газогідратів азоту, що виділяється, наприклад, в трубній просторині, передається через теплообмінну поверхню для плавлення газогідратів метану в міжтрубній просторині, причому трубна його просторінь має входи азоту - з верху РК, води розплава газогідратів з міжтрубної просторині і рідкого пропану - з відстойника пропану і води, а ви хід тр убної просторині з'єднаний з входом сепаратора, вихід якого по викидаємому азоту з'єднаний з входом першої ступені детандера (наприклад, турбо), яка зблокована з додатковим компресором (турбо) і є його приводом, а останні ступені детандера (наприклад, турбо) зблоковані з ступенями компресора (турбо) вихідного повітря, причому вихід цього азоту після кожної з останніх ступеней детандера з'єднаний з входом льодогенераторів виморожуючого опріснювача соленої води. Крім того в розділювачі шахтного дегазаційного повітря РШДП-R, скомбінованого з зріджувачем шахтного метану (ЗШМ, варіант 2), виходи азоту після останніх ступенів детандера РШДП-R з'єднані з входом теплообмінника ЗШМ2 з метою використування холоду азоту для попереднього перед зрідженням метану його охолодженням до температури мінус 40°С ¸ мінус 50 °С . Вищевказаний спосіб для "середньої" суміші здійснюється також в розділювачі шахтного дегазаційного повітря РШДП-ТК, який складається з компресора вихідного газу, що надходить з дегазаційної свердловини, холодильників для охолодження стиснутого газу між ступенями компресора і на виході з нього, ректифікаційної колони (РК), яка має в середній частині вхід охолодженого вихідного газу, в нижній своїй частині кубовий вбудований теплообмінник для часткового плавлення газогідратів вище утворюючого газогідрат компоненту (метану), які опускаються в нижню частину РК, і вихід в плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану, а в верхній частині РК- ви хід в кристалізатор для утворення флегми з нижчеутворюючого газогідрат компоненту (азоту), тим, що плавильник для кінцевого плавлення газогідратів метану виконаний секціонованим (виконуючи функцію термокомпресора ТК), причому в цих секціях вбудовані теплообмінники, наприклад, конденсатора холодильної машини; кристалізатор для утворення флегми з газогідратів азоту має вбудований теплообмінник, наприклад випарник холодильної машини, і має входи азоту - з верху РК, води розплаву газогідратів - з секцій плавильника і рідкого пропану - з відстойника пропану, а ви хід кристалізатора по викидаємому азоту з'єднаний з входом першої ступені детандера (наприклад, турбо), а потім послідовно з входом другої ступені детандера (турбо), які зблоковані з компресором (турбо) вихідного повітря, повертаючи частину його роботи, а вихід цього азоту після першої і другої ступенів детандера з'єднаний з входом льодогенераторів виморожуючого опріснювача соленої води. Крім того вищевказаний спосіб для "середньої" суміші здійснюється в розділювачі шахтного дегазаційного повітря РШДП-ТК-ЗШМ тим, що виходи азоту після першої і другої ступенів детандера з'єднані з входом теплообмінника зріджувача шахтного метану (ЗШМ, варіант 1), який попередньо вилучається в РШДП-ТК і використується для попереднього перед зрідженням охолодженням цього метану до температури мінус 40°С ¸ мінус 50 °С . Виконання поставленного завдання досягається також тим, що для "бідних" по наявності метана сумішей , спосіб вилучення і конденсування метану з шахтного вентиляційного повітря з концентрацією метану 0,3 ¸ 1 5 % масових для діючої шахти, що включає процес відсмоктування повітря з витягувального стовбуру ша хти, метан витягають за допомогою зворотного газотурбінного циклу низького тиску і адсорбційного насосу, процеси в яких здійснюються наступним чином: - повітря з витягувального стовбура шахти стискують, наприклад, компресором (турбо) до 0,15 ¸ 0,2 МПа; - очищають це повітря від вугільного пилу та вуглекислого газу шляхом, наприклад, контакту з водою; - охолоджують до температури -20 ¸ - 40°С з одночасним осушенням від вологи прямого потоку повітря у три прийоми - спочатку холодильною машиною, а потім двічі за рахунок теплообміну з його холодним зворотним потоком; - очищають від метану за допомогою низькотемпературної адсорбції при температурі -20 ¸ - 40°С і тиску 0,13 ¸ 0,18 МПа з подальшим витягненням метану від адсорбента шляхом десорбції при нагріві адсорбента гарячим повітрям після його стиснення з температурою 100 ¸ 140°С та зменшення тиску над адсорбентом до 10 ¸ 20 кПа, причому отриманий метан відсмоктують, наприклад, за допомогою вакуум-насосу і стискують, наприклад, компресором, до тиску реалізації; - потім це повітря розширюють, наприклад, детандером (турбо), до тиску 0,1 МПа з отриманням температури -30 ¸ - 50°С ; - потім це повітря перед поверненням в приточний стовбур шахти нагрівають до температури 2°С, відводячи холодом цього зворотного потока повітря теплоту адсорбції метану шляхом регенеративного охолодження прямого потоку, і потім контактуючи з соленою шахтною водою для кінцевого очищення повітря з отриманням льодорозсольної суспензії, яку після сепарації від розсолу, промивання льоду від розсолу і змішування льоду з чистою водою утворюють як льодоводяну суспензію, яку прямують в ша хту для місцевого охолодження, а потім повертають на поверхню шахти як опріснену чисту талу воду. Вищевказаний спосіб для "бідної" суміші здійснюється в розділювачі шахтного вентиляційного повітря діючої шахти РШВП-Д, що має пристрій для відсмоктування повітря від витягувального стовбур у шахти, тим, що відсмоктування повітря від витягувального стовбуру ша хти здійснюють компресором (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером (турбо) і має компенсуючий електродвигун, причому нагнітання компресора з'єднано з всосуванням детандера через водяний барботажний абсорбер, три послідовні охолоджувачі повітря і адсорбер метану, при цьому вихід детандеру через останній перед адсорбером охолоджувач повітря і контактний льодогенератор з'єднаний з приточним стовбуром шахти, а ви хід льодорозсольної суспензії з льодогенератору через сепараційно-промивну колону, яка перетворює цю суспензію в льодоводяну, з'єднаний з шахтним місцевим повітроохолоджувачем. Крім того в способі вилучення і конденсування метану з шахтного вентиляційного повітря для газоносної недіючої ліквідаційної шахти , яка припинила вугледобичу, що включає процес відсмоктування повітря з витягувального стовбур у шахти: - в шахті - підвищують дифузію метану з газовіддаючих вугільних шарів і вуглепороди в штреки, які вивітрюються, і збільшенню концентрації метану у вентиляційному повітрі "безлюдної" шахти до 3% масових шляхом: - підвищення температури витягувального повітря в шахті на 10 ¸ 20°С за рахунок подання в шахту нагрітого до 70 ¸ 80°С сухого повітря, очи щеного від пилу, вуглекислоти і метану, - зниження тиску цього повітря на 10 ¸ 15 кПа нижче атмосферного шляхом підвищення продукційності його відсосування, наприклад, компресором (турбо) і герметизації шахти, - оновлення старих запилених поверхонь вугільних шарів і шарів вуглепороди вироботок шляхом струшувальних вибухів малої потужності, які відколюють від цих поверхонь куски вуглепороди товщиною 5 ¸ 10 см і відкривають канали дифузії метану; - на поверхні шахти - сприяють низькотемпературної адсорбції метану із збагаченої метаноповітряної суміші за рахунок: - підвищення тиску повітря до 0,15 ¸ 0,2 МПа, - очищення повітря від вугільного пилу та вуглекислого газу шляхом, наприклад, контакту з водою, - зниження температури прямого потоку повітря до -10 ¸ - 30°С з одночасним осушенням від вологи холодильною машиною і за рахунок теплообміну з його холодним зворотним потоком, - розширення зворотного потоку повітря до тиску 0,1МПа з отриманням температури -5 ¸ - 40°С і використанням холоду цього потоку повітря для відводу теплоти адсорбції і регенераційного охолодження прямого потоку, - періодичної регенерації адсорбента за рахунок періодичної десорбції з нього метану шляхом нагріву адсорбента гарячим повітрям з температурою 100 ¸ 140°С , наприклад, після компресору, і зниженням над ним тиском до 10 ¸ 20 кПа, наприклад, вакуум-насосом, причому вилучений метан далі стискують, наприклад, компресором, до тиску реалізації. Вищевказаний спосіб для "бідної" суміші здійснюється також, як варіант, в розділювачі шахтного вентиляційного повітря для "сухої" (С) газоносної недіючої ліквідаційної шахти (Л), яка припинила вугледобичу РШВП-ЛС, що має пристрій для відсмоктування повітря від витягувального стовбура шахти, тим, що як пристрій для відсмоктування повітря від витягувального стовбуру ша хти використують компресор (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером (турбо), і компенсуючим електродвигуном, причому нагнітання компресора з'єднано з всосуванням детандера через теплообмінник підогріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, що прямується в приточний стовбур ша хти, водяний барботажний абсорбер, три послідовні охолоджувачі повітря і адсорбер метану першого ступеня, при цьому вихід детандера з'єднаний з входом адсорбера метану другого ступеня, ви хід якого з'єднаний з входом теплообмінника підогріва цього повітря перед його поданням в приточний стовбур ша хти. Вищевказаний спосіб для "бідної" суміші здійснюється також, як варіант, в розділювачі шахтного вентиляційного повітря для газоносної недіючої ліквідаційної шахти (Л), яка припинила вугледобичу і "наражається на обводнення" РШВП-ЛО, має пристрій для відсмоктування повітря від витягувального стовбуру шахти і пристрої для відкачування і демінералізаціі соленої шахтної води, тим, що як пристрій для відсмоктування повітря від витягувального стовбура шахти використують компресор (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером (турбо), і компенсуючим електродвигуном, причому нагнітання компресора з'єднано з всосуванням детандера через теплообмінник підогріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, яке прямується в приточний стовбур шахти, водяний барботажний абсорбер, три послідовні охолоджувачі повітря і адсорбер метану, при цьому вихід детандера через останній перед адсорбером охолоджувач повітря і контактний льодогенератор виморожуючого опріснювача соленої шахтної води з'єднаний з приточним стволом шахти через теплообмінник підогріву цього повітря. Крім того в розділювачі шахтного вентиляційного повітря для газоносної недіючої ліквідаційної шахти, яка припинила вугледобичу і "наражається на обводнення" РШВП-ЛО, вихід льоду з льодогенератору виморожуючого опріснювача соленої шахтної води з'єднаний через сепараційно-промивну колону з плавильником льоду, в який вбудований конденсатор теплосилової установки, в випаровувач котрої вбудований теплообмінник, вхід якого по гарячому теплоносію з'єднаний з виходом цього теплоносія з адсорбера метану, а ви хід якого з'єднаний з дном абсорбера. Крім того в способі вилучення метану при умовах малої концентрації метану у дегазаційному повітрі (нижче 8% масових), недостатньої для його ефективного вилучення, це дегазаційне повітря підмішують у потік вентиляційного повітря перед процесом очищення цього повітря від вугільного пилу та вуглекислого газу. Суть винаходу ілюструється на Фіг. 1¸ 14 : Фіг.1 - схема термокомпресора - зріджувача ша хтного метану з дегазаційної свердловини ТК-ЗШМ1 (варіант зрідження 1); Фіг.2- фазові рівноваги метан-азот в системі пар-рідина на діаграмі температура-концентрація (перескок газової суміші з стану нижчої "рибки" на стан верхньої "рибки"); Фіг.3 - схема гідратоутворювача шахтного метану ГШМ, який розташован безпосередньо в пункті А знаходження свердловини або біля установок вилучення метану на ша хті; Фіг.4 - схема термокомпресора шахтного метану, який використовує газогідрати метану після транспортування від ГШМ для отримання газу високого тиску і який розташован непосередньо на станції В зарядження - наповнення балонів газобалоних автомобілів; Фіг.5 - схема розділювача шахтного дегазаційного повітря РШДП-R, в якому використовується регенераційний цикл для зниження електровитрат; Фіг.6 - фазові рівноваги метан-азот в системі газ - газогідрат на діаграмі температура-концентрація; Фіг.7 - фазові рівноваги метан-азот з домішкою пропану в системі газ - газогідрат на діаграмі температураконцентрація; Фіг.8 - цикл розділювача шахтного дегазаційного повітря РШДП-R на діаграмі температура-тиск і фазові діаграми метану та компонентів шахтного дегазаційного повітря в прісний воді; Фіг.9 - схема розділювача шахтного дегазаційного повітря РШДП-К-ЗШМ2, який працює в тандемі з зріджувачем шахтного метану (варіант зрідження 2) і в якому використується холод від розширення скидаемого азоту і тиск вилученого метану; Фіг.10 - схема виморожуючого опріснювача ВО соленої шахтної води, який працює в тандемах з РШДП-R і РШДП-ТК і використує їх скидаємий холод; Фіг.11 - схема комбінованого розділювача шахтного дегазаційного повітря РШДП-ТК-ЗШМ1, який має три пристроя - власне РШДП, термокомпресор ТК для виробництва метану високого тиску 20 ¸ 100 МПа та зріджувач шахтного метану ЗШМ1 (варіант 1) для видання зрідженого метану при температурі -150°С; Фіг.12 - схема розділювача шахтного вентиляційного повітря діючих шахт РШВП-Д, який використує холодильний газотурбінний цикл з адсорбційним насосом для комбінованого вилучення метану, охолодження шахтного повітря і демінералізації соленої шахтної води; Фіг.13 - цикл РШВП-Д на діаграмі температура-ентропія; Фіг.14 - схема розділювача шахтного вентиляційного повітря ліквідаційних ша хт РШВП-ЛС, припинивших вугледобичу (варіант - "суха ша хта"); Фіг.15 - схема розділювача шахтного вентиляційного повітря ліквідаційних шахт РШВП-ЛО, припинивших вугледобичу (варіант - "ша хта, яка наражається на обводнення"). Розшифровка абревіатур установок: ЗШМ - зріджувач ша хтного метану; ГШМ - гідратоутворювач ша хтного метану; ТК -термокомпресор; РШДП-R- розділювач шахтного дегазаційного повітря (регенераційний цикл); ВО - виморожуючий опріснювач; РШВП-Д - розділювач шахтного вентиляційного повітря (діючих ша хт); РШВП-ЛС - розділювач шахтного вентиляційного повітря (ліквідаційній "сухої шахти"); РШВП-ЛО - розділювач шахтного вентиляційного повітря (ліквідаційній "шахти, яка наражається на обводнення"); ХМ - холодильна машина; ТН - тепловий насос. Розшифровка абревіатур апаратів для усіх установок: К - компресор; Д - детандер; ТА - турбоагрегат; Н - насос; ВН - вакуум-насос; НРМ- насос рідкого метану; С-сепаратор; СВ - свердловина; Т-теплообмінник; ТП - теплообмінник повітряний; ТВ - теплообмінник водяний; Х - холодильник; Кр - кристалізатор; П - плавильник; Кр-П - кристалізатор - плавильник; РВ - регулювальний вентиль; Ц - цистерна; Ц-Кр – цистерна - кристалізатор; РК - ректифікаційна колона; КП - конденсатор повітряний; ДГ - дегазатор; В - випаровувач; ВП - випаровувач повітряний; Р - редуктор; Ед - електродвигун; Ег - електрогенератор; СПК – сепараційна-промивна колона; ЛГ - льодогенератор; Ф - фільтр; ПОХ - повітроохолоджувач; Аб - абсорбер; Ад - адсорбер; ВС - витягувальний стовбур шахти; ПС - приточний стовбур шахти. Частина 1 - вилучення та конденсування метану з «багатої» суміші Згідно схеми на Фіг.1 термокомпресор - зріджувач шахтного метану з дегазаційної свердловини ТК-ЗШМ1 (варіант зрідження 1) є тандем, що складається з термокомпресору ТК і зріджувача шахтного метану ЗШМ1. В цьому тандемі, який знаходиться біля дегазаційної свердловини, вилучається і конденсується «багата» по метану і іншим вуглеводням газова суміш. Продуктами роботи тандема є: 1. Стиснений до 20 ¸ 40 МПа метан (з домішкою етана). 2. Рідка суміш пропана-бутанів. 3. Зріджений метан. Тандем готує стиснений і зріджений метан у різний час або одночасно. ТК - показаний на верхній частині схеми (безпосередньо вище теплообмінників T2* і Т2**), складається з компресору К, на всмоктування якого поступає метан з свердловини СВ за допомогою вакуум-насосу ВН, повітряних холодильників для охолодження газу між ступенями стиснення Х1 і на виході з компресору Х2, кристалізатора Кр, всередині якого є змійовиковий теплообмінник - випарник холодильної машини ХМ і мішалка, теплообмінників Т1 і T5, плавильника для кінцевого плавлення газогідратів метану, який виконаний секціонованим (секції П 1, П 2 , П 3, їх може бути більше - до 10), причому в цих секціях вбудовані теплообмінники - конденсатори 35 холодильної машини ХМ. Внизу секцій П є фільтрувальні сітки (не показані на Фіг.1) з розміром чарунок «у світу» 30 ¸ 100 мікрон, через які фільтрується вода, але затримуються кристали газогідратів. Нижче Кр розташований насос відцентровий Н, який перекачує газогідратну суспензію з Кр в секції плавильника. В схемі є також сепаратори пара від рідини C0 і С1. В схемі ХМ є теплообмінник Т6 і регулювальний вентиль РВ6. ТК працює наступним чином. З свердловини СВ після стиснення в ВН і компресорі К до 0,3 ¸ 0,5 МПа і охолодження до 20 ¸ 30°С по трубі 11 в Кр подається «багатий» метаном газ дегазації. В Кр цей газ змішується з водою і пропаном-бутанамі з їх концентраціями в газовій суміші до терміна гідратоутворення 10 ¸ 20% масових., охолоджується до 0 ¸ 2°С за рахунок кипіння рідкого холодильного агенту при -10 ¸ -5% в трубках випарника (що поступає по трубі 15 після регулюючого вентиля РВ6 а відводиться по трубі 14 на всмоктування в компресор холодильної машини ХМ) і утворює газогідрати метану, етану і пропан-бутанів. Робота мішалки, а також рециркуляція газогідратної суспензії по трубам 17, 8 і 12 збільшує швидкість гідратоутворення. Теплота фазового переходу - гідратоутворення відводиться за рахунок роботи ХМ. Наявність пропану і бутанів значно знижує рівноважний тиск гідратоутворення (наприклад, при 0°С при 100% метана з 2,63МПа до 0,2 ¸ 0,4 МПа при домішку 20чг10% пропану). Процес гідратоутворення в Кр - це процес безперервної дії, тече при постійних температури, тиску, концентрацій пропану і твердої фази. При гідратоутворенні з низу Кр по трубі 17 безперервно відкачується газогідратна суспензія (кількість твердої фази газогідратів в неї 20 ¸ 30% ) насосом Н і подається по трубі 18, через T5, по тр убі 19 і 20 в одну з секцій плавильника. Секції плавильника П1 ¸ П 3 працюють періодично і почергово, причому в кожній з них діється одна з наступних операцій: 1. «Наповнення», наприклад, секції Пі газогідратами (вода із суспензії проходить через фільтрувальні сітки і через трубу 22, теплообмінник Т5 і тр уби 23 і 13 повертається в Кр на рециркуляцію; газогідрати, розмір яких 30 ¸ 100 мікрон, затримуються на сітках і накопичуються до концентрації твердої фази в секції П 1 біля 40¸50%). Тиск в П 1 під час цієї операції - такий же, як і тиск в Кр. 2. «Плавлення» газогідратів, наприклад, в секції П 2 (під час цієї операції електромагнітні клапани на трубах 20, 21, 24, 29, яки з'єднують цю секцію з Кр-закрити) за рахунок підводу тепла з температурою 40 ¸ 50°С з конденсаторів 35. При цьому тиск в секції П2 підвищується (бо метан і етан з конденсованої - газогідратної фази переходить в газову фазу) до розрахункового 20 ¸ 40 МПа, після чого автоматикою відкриваються клапани на трубі 24 (цієї секції тільки) і газ високого тиску по трубі 25 через сепаратор Cо і трубі 27 прямується споживачу - в балони. Процес плавлення тече в П2 при постійній температури 30 ¸ 40°С і постійному тиску 20 ¸ 40 МПа поки усі накопичені газогідрати в цієї секції на розплавляться, причому важкі вуглеводні переходять з одної конденсованої фази - газогідратної в другу конденсовану фазу - рідку і залишаються в секції разом з водою, яка вийшла при плавленні газогідратів з їх складу. 3. «Злив» води і рідкої суміші пропан-бутанів здійснюється після першого ознаку зниження тиску в секції, наприклад, П 3. Закривається клапан на трубі 24 (цієї секції тільки) і відкривається клапан на трубі 29 (цієї секції тільки), яка з'єднує П 3 з сепаратором С 1. Рідина з П3 переливається по трубам 29 і 30, через T5 і по трубі 31 в С1, в котрому розділюється відстоюванням на воду і рідкі пропан-бутани. Вода по трубам 33 і 13 повертається в Кр. Розділення в С 1 так регулюється клапаном на трубі 32, що ли ше надмірна доля пропан-бутанів відводиться в балони по трубам 32 і 29, а рециркуляційна доля пропан-бутанів повертається в Кр разом з водою по трубам 33 і 13. Якщо ТК працює самостійно (без ЗШМ1), то він при стисненні «багатої» суміші (% мас.: метан, 94, етан, пропан, бутан - усі по 1, СО2-0,5 азот-2,5) до 20МПа при продуктивності 18,956т (стисненого газу)/добу (або 28771м 3/добу) має таки розрахункові показники: 1. Рівноважний тиск гідратоутворення при температури гідратоутворення ТА=0°С: - вихідного газу, тобто без домішку пропана РА=1,48МПа. - після домішку 20% пропану, тобто 0,2кг пропану на 1кг вихідного газу (склад газу став, % мас.: метан - 78,33, етан - 0,83, пропан - 17,5, бутан - 0,83, СО2 - 0,416, азот - 2,083) РА=0,431МПа. 2. Потужність компресору К при стисненні вихідного газу від 0,1 МПа до 0,45МПа Nк =76кВт. 3. Потужність компресору ХМ при стисненні вихідного газу від 0,45 МПа до 20МПа NXM=177,2кВт. 4. Сумарна потужність ТК: - в літній час NТК Л=NК+NXM+NНЦ=76+177,2+1=254,2кВт, тобто питоми витрати електроенергії є 0,32кВт-г/кг (стисненого газу) - в зимовий час (замість ХМ використовується природний холод) NТК З=77кВт. 5. Сумарна потужність відомого способу стиснення тій же кількості газу від 0,1МПа до 20МПа 4-х ступеневим компресором NК=262кВт. Примітка: Особливо перспективно конденсування метану за допомогою ТК при переході на тиск 40МПа і виїде (тобто на особливо міцні балони з композитів). ЗШМ1 - зріджувач ша хтного метану - показаний на нижній частині схеми Фіг.1, складається з однакових кожухотр убчасти х теплообмінників T2* і Т2**, що діють поперечасно, Т3 і Т4, сепараторів рідкої і газової фази С 2, С , С і С , регулювальних вентилів РВ1 ¸ РВ5 , насосу рідкого метану НРМ і цистерни зрідженого газу Ц. 3 4 5 Тандем ТК-ЗШМ1 працює на суміші з внутрішнім каскадним циклом наступним чином . Газ після ТК по трубі 25 прямується в теплообмінник Т1, потім по трубі 26 - в сепаратор Со, в якому відділяється крапельна волога. Після С0 по трубі 28 відбирається газ з тиском 12 ¸ 20 МПа і температурою близько 0°С, у якого вже попередньо відділені важки фракції вуглеводнів, починаючи з бутанів та газовий бензін (в С1), охолоджується до -50°С в теплообміннику T2* або Т2**, в яких на теплообмінних поверхнях виморожуються лід з водяних парів та вуглекислота, яки були в рівноважної концентрації в потоку газу після ТК. Примітка: один теплообмінник T2 охолоджує прямий потік, а в цей час в другий теплообмінник по трубі 39, а потім 41 або 42 прямується гарячий газ після К, отогріваючи його і при цьому тверді лід і вуглекислота плавляться і випаровуваються і скидаються в атмосферу через спеціальні дренажні вентилі (не показані на схемі). А отогріваючий газ після охолодження по трубам 50 або 43 і потім по трубі 16 прямується в Кр. Після Т2* або Т2** газ-суміш, в якому є метан, етан, пропан і азот (кисню мало - прирахуєм к азоту)по трубам 44 і 56 поступає в теплообмінник Т3, охолоджується в ньому до -80 ¸ -100°С , дроселюється в РВ1 до тиску 1 МПа і температури -90 ¸ -100°С , розділяється на рідку і газову фази в C2. Рідка фаза після C2 - це пропанова фрація, виходить по трубі 58, дроселюється в РВ2. до тиску 0,4МПа і як зворотний потік через теплообмінник Т3 по трубам 46 і 48, через теплообмінник T2* (або T2**), в яких рідка фаза викіпаєть при постійному тиску, але перемінний температури, і охолоджуючи прямий поток, повертається в Кр по трубам 51 або 52 і 53. Газова фаза після С 2 по трубі 62 поступає в кінцевий теплообмінник Т4, охолоджується в ньому до -130 ¸ -140°С , розділюється на 2 частині, які дроселюються в РВ3 (до тиску 0,4МПа) і в РВ4 (до тиску 0,12МПа). Після РВ3 - це холодопродукційний зворотний потік, кипить в Т4, після чого по трубі 61 приєднується к зворотному потоку після РВ2. Після РВ4 потік по трубі 73 поступає в сепаратор С 3, в котрому розлінюється на рідку і газову фази. Газова фаза - це азотна фракція з невеликою домішкою метану по трубам 74 і 75, через Т4, по трубі 60, через Т3, по трубам 57 і 45, через Т2,* (або Т2**), по трубам 40 і 38, через Т1 і по трубі 37 скидається в атмосферу. Рідка фаза - це метанова фракція з невеликою домішкою азоту з низу С 3 відводиться: 1. в відомому способі - по трубам 69 і 68 - в цистерну Ц. 2. в новому способі - по трубі 77 поступає в насос НРМ, стискується в ньому до 0,4¸1МПа, потім поступає по трубі 76 в кінцевий теплообмінник Т4, нагрівається в ньому «зворотним ходом», потім по трубі 63 поступає в С4, в котрому розділяється на рідину і газ при тиску 0,4 ¸ 1 МПа. Газ по трубі 64 приєднується к зворотному потоку після Т4 (труба 61). Рідина по трубі 45 через РВ5 зворотно дроселюється до тиску 0,1 ¸ 0,12 МПа і поступає в С5 , в котрому розділяється на рідину і газ, причому цей газ, збагачений азотом, викидають по трубі 66, а потім по трубі 75 і далі - по путі вже вказаному для газу з С3, а рідкий метан, який очищується від домішок азоту і збагачується метаном, по трубам 67 і 68 відводиться в цистерну Ц. На Фіг.2 зображени фазові рівноваги в системі пар-рідина на діаграмі температура-концентрація для суміші метан-азот для двох тисків (концентрація азоту - в мольних долях). При однаковому тиску метан-вищекиплячий компонент. При тиску, наприклад, 0,1МПа чистий метан кипить при -161,9°С, а чистий азот при -196°С. При тиску 1МПа чистий метан кипить при -124°С, а чистий азот при - 169°С. Суміш цих газів - неазеотропна, тобто пар і рідина мають різний склад. Рідина збагачена метаном, а пар збагачений нижчекиплячим компонентом - азотом. Суміш на діаграмі зображається «рибкою», нижче котрої суміш знаходиться в рідинній фазі, а вище - в паровій фазі. Нижчя крива «рибки»- це крива конденсації, а вища - крива кипіння. Між цимі кривими стан суміші парорідинний. Згідно Фіг.1 в ЗШМ1 після останнього з каскаду процесів охолодження газового потоку метану в кінцевому теплообміннику Т4 і його останнього дроселювання в РВ4 до тиску 0,1 МПа парорідинна суміш попадає в сепаратор С3. Термодинамічний стан цієї суміші (наприклад Т3=-178°С, Р3=0,1МПа і Х3=80% метану мольних) в цьому сепараторі зображається на Фіг.2 на нижчої «рибкі» нижчого тиску точкою С 3. Ця суміш складається з рідини, стан якої зображається точкою С3 (концентрація Х3 = 90% метану), і пару, стан якого зображається точкою С3 (Х3=20% метану). При стисненні рідини до 1МПа і підігріванні «зворотним ходом» до температури Т4=-132,5°С суміш попадає в сепаратор С 4 і її стан зображається на Фіг.2 на верхньої «рибці» більшого тиску точкою С 4 (Т4= 132,5°С, Р4=1МПа і Х4=90% метану мольних). Рідина після сепаратору С 5 має концентрацію Х4=95% метану, а пар Х4=75%. Після зворотного дроселювання до 0,1МПа суміш попадає в сепаратор С 5 і ії стан зображається на Фіг.2 на ніжній «рибці» нижчого тиску точкою С 5 (Т5= -1б5°С, Р5=0,1МПа і Х5=95% метану). Рідина після сепаратору С5 має концентрацію Х5=98% метану, а пар Х5=80%. Таким чином для вихідного газу з відносно високою концентрацією метану 80 ¸ 90% при «перескоку» газової суміші з стану нижчої «рибки» на стан верхньої «рибки», а потім зворотно в стан нижчої «рибки» здійснюється очищення суміші від азоту простими прийомами до концентрації метану в суміші, яка вже пригодна як паливо для газобалоних автомобілів. Газ після С 4 рециркулює в Кр (Фіг.1), а гази після С3 і С5 викидаються і метан в них є утрата. Питоми електровитрати у цієї схемі при зрідженні газу з 95% метану - не більш 0,5кВт-г/кг зрідженого метану. Діапазон тиску при «перескоку» газової суміші 0,4 ¸ 1 МПа диктується умовами тиску гідратоутворення в Кр, так як пар після С 4 реціркулює в Кр. Значення нижчого тиску 0,1 ¸ 0,12 МПа диктується умовами транспортування рідкого метану в цистернах. На Фіг.3 зображена схема гідратоутворювача шахтного метану ГШМ, який розташований безпосередньо в пункті А знаходження свердловини або біля установок вилучення метану на шахті і конденсує метан у твердому газогідратному стані. ГНІМ має компресори (2 ступеня) К1 і К2, проміжний Х1 і кінцевий X2 холодильники, 2 секції теплообмінника водяного ТВ, теплоізольовану цистерну-кристалізатор Ц-Кр, холодильну машину ХМ, яка складається з компресора К, конденсатора повітряного КП і випаровувача В холодильного агенту. Також є теплообмінник повітряний ТП і насоси Н 1 і H2. Після ТВ в Ц-Кр вмонтовані входи вихідного газу 14 і 15, які мають форсунки 2.5. Після В і ТП є вхід води 21 в Ц-Кр, який має усередині Ц-Кр колектор 24 з розбризгуючими форсунками. Усередині Ц-Кр є фільтрувальні грати 26, які мають розмір чашечок розміром «у світу» 30 ¸ 100 мікрон, через які фільтрується вода, але затримуються кристали газогідратів. Усі фільтрувальні грати 26 мають загальний колектор з трубою вихіда води 27. Крім того Ц-Кр має мішалки 23. Перед початком накопичування газогідратів обсяг Ц-Кр на 90% наповнений водою, у якої є рідка суміш пропана-бутанів. ГШМ працює так. Вихідний газ-метан з дегазаційної свердловини СВ через сепаратор С відсмоктується компресором К1, стискується в ньому, а також в К2. до 0,4 ¸ 1 МПа, охолоджується в Х1 і Х2 до 20 ¸ 30°С , прямується по трубі 8 в одну із секцій ТВ, що працюють почергово, і контактується в ньому з холодною водою з температурою біля 2°С, яка поступає в ТВ по трубі 28 у таксі кількості, щоб газ в ТВ охолоджувався до 3 ¸ 6°С і не нижче. Потім газ з верхньої частині ТВ по трубі 14 (або 15) прямується в Ц-Кр і через форсунки 25 розпилюється в нижній частині Ц-Кр в холодну воду з температурою 0°С, яка подається в нього по трубі 21 через верхній колектор с форсунками 24. При перемішуванні водної фази за допомогою мішалок 23 в Ц-Кр тече процес гідратоутворення. При цьому метан в Ц-Кр змішують (на Фіг. З не показано) з важкими вуглеводнями - пропан і бутанами з їх концентраціями в газовій суміші до терміну гідратоутворення 10 ¸ 20% масових, що знижує тиск гідратоутворення з 3 ¸ 4 МПа до 0,4 ¸ 1 МПа. Теплота гідратоутворення, що виділяється, відводиться шляхом циркуляції через Ц-Кр охолодженої води, яка нагрівається в ньому з 0°С до 2°С, причому здійснюється удержання газогідратів в обсягу Ц-Кр при фільтрації газогідратної суспензії через фільтрувальні грати 26 на виході з Ц-Кр. Вода знизу Ц-Кр по трубі 27 відбирається насосом Н 1, прямується по трубі 28 в одну із секцій ТВ, охолоджує в ньому газ, потім по трубі 10 (або 11)„ трубам 16 і 19 поступає в випаровувач В (в теплий сезон), охолоджується в ньому, наприклад, в трубної просторіші до 0°С за рахунок кипіння холодильного агенту в міжтрубної просторині і потім по трубам 20 і 21 повертається в Ц-Кр на гідратоутворення. Пар холодильного агенту після В по трубі 29 відсмоктується компресором К, стискується в ньому, потім по трубі 30 поступає в конденсатор повітряний КП, конденсується в ньому і потім, як рідина рециркулює через трубу 31, регулювальний вентиль 32 і трубу 33 в випаровувач В. Взимку, коли температура повітря нижче -10°С, ХМ не працює і охолодження води здійснюється холодним повітрям шляхом циркуляції води по трубам 17 і 18 через ТП. Процес гідратоутворення в Ц-Кр продовжується до того часу, поки обсяг Ц-Кр не наповниться газогідратами на 40 ¸ 50% . Вище 50% накопичити тверду фазу неможливо тому, що при такому значенні процес гідратоутворення кінетично зупиняється, а нижче 40% транспортувати метан економічно недоцільно. Секції ТВ працюють почергово тому, що при гідратоутворенні у склад газогідратів переходить тільки чиста вода (це процес опріснення вихідної води), а усі домішки (солі, органіка і інше) вихідної води, яка поступає в ГШМ по трубі 9 за допомогою насоса Н2, а також машинна олія, якою забруднюється газ в компресорах К1 і К2, поступово концентруються в рециркуляційній воді, яку через деякий час треба скидати по трубам 12 і 13. Після наповнення Ц-Кр газогідратами робота ГШМ зупиняється і Ц-Кр з газогідратами під тиском 0,4 ¸ МПа при 0 ¸ 2°С транспортують до пункта В. На Фіг.4 зображена схема термокомпресора ТК шахтного метану, який використує газогідрати метану після транспортування від ГШМ для отримання газу високого тиску і який розташований безпосередньо на станції В зарядження - наповнення балонів газобалоних автомобілів. ТК має у своєм у складі мобільний Ц-Кр, з низу якої на станції В здійснюється вихід газогідратної суспензії поза фільтрувальних ґрат (на Фіг.4 не показаних) і по трубі 1. На станції В є секційний плавильник П 1, П 2, П 3 (секцій може бути більше - до 10); в кожну секцію вбудований теплообмінник, а в нижній частині розташовані фільтрувальні сітки, сепаратор С води від рідких пропан-бутановій суміші, дегазатор ДГ води (з насадкою), насоси відцентровані Н3 ¸ Н6 , вакуум-насос ВН, а також тепловий насос ТИ. Останній - це холодильна машина, яка працює в холодний сезон на вироблення тепла для плавлення газогідратів, і має в своєму складі компресор К, випаровувач повітряний ВП, а роль конденсатора виконує теплообмінник, вбудований в секції П 1,2,3 . Влітку замість ТН працює теплообмінник повітряний ТІЇ, який обігрівається теплом повітря або сонця. ТК працює так. В секціях П так же, як і в ТК на Фіг.1 почергово здійснюються операції «наповнення», «плавлення», «злив»: 1. «Наповнення», наприклад, секції П 1 газогідратами - з секції П 1 вода, що була накопичена в необхідному обсягу в цієї секції, по трубам 6, 21, за допомогою Н 4, по трубі 8 прокачується в Ц-Кр. Ця вода розжижує газогідрату суспензію в обсягу Ц-Кр до концентрації твердої фази 20 ¸ 25% , яка при роботі мішалок вже стає транспортабельною. Ця суспензія насосом Н3 по трубам 1, 2, 3 подається в П 1. Газогідрати в Пі накопичуються на фільтрувальній сітки, а вода рециркулює знову в Ц-Кр. Ця операція здійснюється при тиску в Ц-Кр і в усьому контурі циркуляції 0,12 ¸ 0,25 МПа і доки секція П 1 не заповниться гідратами. 2. «Плавлення» газогідратів, наприклад, в секції П 2 здійснюється шляхом циркуляції через теплообмінник, вбудований в ідо секцію, пару холодильного агенту, який після компресора К поступає по трубам 20 і 14 в цей теплообмінник і конденсується; після чого рідкий холодильний агент по трубам 7, 16, через регулювальний вентиль 17 і по трубі 18 прямується в випаровувач повітряний ВП і там за рахунок тепла оточуючого середовища (в том числі і взимку) випаровувається, замикаючи цикл теплового насосу ТН, Влітку плавлення гідратів здійснюється гарячою водою, яка теплом літнього повітря або сонця підігрівається в ТП до 30 ¸ 40°С . По міри плавлення в цієї секції газогідратів газ високого тиску (20¸40МПа) відбирається по трубам 4 і 15 в балони газобалоних автомобілів. Після плавлення гідратів і відбору газу належного тиску той ГАЗ, що має тиск нижче, чім треба для зарядження балонів, комутується (тобто перепускається в ті секції, в яких закінчилася операція «наповнення», але ще не почалася операція «плавлення») - схема комутації - не показана. 3. «Злив» води і рідкої суміші пропан-бутанів здійснюється після зниження тиску в секції, наприклад П 3, близько до 0,5МПа. Ця операція виконується по двум версіям; А) без видання опрісненої води - суміш і вода зливається по трубі 6 і далі в Ц-Кр. Б) з виданням опрісненої талої чистої води питного стандарту - по трубам 5 і 9 рідка суміш і вода зливаються в сепаратор С, в якому менш плотна суміш (600кг/м 3) витікає з верхньої частині С по трубі 29 в Ц-Кр, а більш важка вода відбирається знизу С і по трубі 22 подається в дегазатор ДГ, в якому за допомогою вакуум-насосу ВН вакуум ується від вуглеводнів і потім насосом Н 5 постачається споживачу. Після розрядки від метану, але со зворотньою кількістю рідкої пропан-бутанової суміші, Ц-Кр повертають на станцію А. Якщо ГШМ працює при стисненні до 20МПа і транспортуванні «багатої» вихідної суміші з витратою 20м 3/хв або 0,2191кг/с (яка має склад, % мас.: метан-94, етан, пропан, бутан - всі по 1, СО2-0,5 азот-2,5), то при продуктивності 16,7т (стисненого газу)/добу (або 9,394мдн. м 3/ рік) він має таки розрахункові показники; 1. При температурі гідратоутворення ТА=0°C рівноважний тиск гідратоутворення вихідного газу в цистернікристалізатору РА=3МПа (розрахунок виконаний для самого гіршого варіанту - без Домініку пропана). 2. Потужність компресорів К1+К2 при стисненні вихідного газу від 0,1 МПа до 3МПа N(К1+К2)=168,7кВт. 3. Потужність компресора К холодильної машини ХМ, яка відводить теплоту гідрато утворення в режиму температур кипіння -5°С і конденсації 30°С, NXM=171кВт. 4. Сумарна потужність електрообладнання на станції А (влітку, тобто в найгіршому варіанті) N=NXM+NН1=348кВт, 5. Потужність компресора К теплового насосу ТН, який підводить теплоту плавлення гідратів в режиму температур кипіння +5°С і конденсації 35°С, NXM=145,6кВт. 6. Сумарна потужність електрообладнання на станції В (взимку, тобто в найгіршому варіанті) N = N К + NSH = 160кВт . 7. Сумарна потужність електрообладнання на станціях А+В (в найгіршому варіанті) N=NА+NВ=508KBT, тобто питоми витрати електроенергії є 0,73кВт-г/кг (стисненого газу) 8. Сумарні капітальні витрати на станції А+В є 0,624млн.дол. Частина 2 – Вилучення та конденсування метану з "середньої" суміші Згідно схеми на Фіг.5 розділювач шахтного дегазаційного повітря РШДП-R, в якому використується регенераційний цикл для зниження електровитрат, має в своєму складі турбоагрегат перший ТА1, в якому на єдиному валу насаджені турбокомпресори К1, К2 - першого і другого ступенів, турбодетандери Д2, Д3-другого і третього ступенів, редуктор-мультиплікатор Р і компенсуючий електродвигун; турбоагрегат другий ТА2, в якому на едином) валу насаджені додатковий турбокомпресор К3 і турбодетандер Д1 - першого ступеня; холодильники X , Х і Х - для охолодження газу після ступенів стиснення, теплообмінники Т 1 ¸ Т 5 , кохухотр убчастий 1 2 3 регенераційний кристалізатор-плавильник Кр-П газогідратів, виконаний в єдиному корпусі як один апарат, в якому теплота утворення газогідратів азоту, що виділяється, наприклад, в трубній просторині, передається через теплообмінну поверхню для плавлення газогідратів метану в міжтрубній просторині; ректифікаційну колону РК, в нижній частині котрої вбудований кубовий теплообмінник Т1, а по висоті якої є наклонні (або горизонтальні) перфорировані перегородка, на які збоку по всій висоті РК є входи пропану, а в одній точці - вхід ви хідної дегазаційної газової суміші (секція РК нижче цього входу зве ться - відгінна секція, вище входу-концентраційна секція); сепаратори С1 і С2 відстійникового типу, насос відцентрований Н, вакуум-насос ВН, регулювальні вентилі РВ, а також виморожуючи опріснювачи ВО1 і ВО2 соленої шахтної води, які використують скидаємий холод з скидаємих потоків азоту після другого і третього ступенів детандування (тобто розширення) цих потоків. Головним апаратом ВО є льодогенератори (більш детальніше о ВО - див. далі, Фіг.10). Тр убна просторінь Кр-П має входи азоту - з вер ху РК, води розплаву газогідратів - з міжтрубної просторині і рідкого пропану - з відстійнику пропану і води С1, а ви хід трубної просторині з'єднаний з входом сепаратора С 2, вихід якого по викидаємому азоту з'єднаний з входом першої ступені турбодетандера Д1, яка зблокована з додатковим турбокомпресором К3 і є його приводом, а останні ступені турбодетандерів Д2 і Д3 зблоковані з ступенями турбокомпресорів К1 і К2. вихідного повітря, причому вихід цього азоту після кожної з останніх ступенів турбодетандера з'єднаний з входом льодогенераторів виморожуючого опріснювача соленої води ВО1 і ВО2 . РШДП-R призначений для вилучення метану з дегазаційного повітря з середньою концентрацією вуглеводнів, головним чином - метану. РШДП-R працює так. Вихідний газ з дегазаційної свердловини С В відкачується ВН до тиску 0,15 ¸ 0,25 МПа, причому на трубі 1 внаслідку негерметичності є підсмоктування повітря (головним чином - азоту; розрахунки виконані для системи метан-азот), яке знижує концентрацію метану після ВН до 10 ¸ 50% масових Примітка: концентрація метану в дегазаційному повітрі може бути і ви ще - до приблизно 95%. Потім цю метано-повітряну газову суміш стискують в К1 і К2 до 0,4 ¸ 1 МПа, якщо далі використується як домішок пропан і інші важкі вуглеводні, або до 3 ¸ 4 МПа, якщо пропан і інші знижуючи тиск гідратоутворення домішки не використуються. Після охолодження в проміжному холодильнику Х1, а потім і в кінцевому холодильнику X2 (до приблизно 30°С - водою або повітрям) газова суміш далі охолоджується в Т1 до приблизно 10°С за рахунок теплообміну з очищеними від азоту газогідратів метану-вище утворюючого газогідрат компоненту, які опускаються в РК на контакт з кубовим теплообмінником Т1, підігріваються на ньому та частково плавляться, створюючи газовий ректифікуємий потік. Після Т1 газова суміш далі по трубам 7 і 8 поступає послідовно і охолоджується в Т2 і Т 3 до приблизно 4°С за рахунок теплообміну з очищеним метаном і очищеним азотом і поступає в середню частину РК. Тут ії змішують з пропаном-бутаном (які поступають по трубі 36) до концентрації останніх в газовій суміші 3-25% масових, потім вона контактується з газогідратною суспензією (сумішшю води і газогідратів, причому твердої фази в цієї суміші - 10 ¸ 20% ). Ця газогідратна суспензія, що стікає униз в РК, має також назву - флегма. При контакті газової суміші з водою утворюються газогідрати, у які входять усі компоненти газової суміші - як метан і пропан-бутани (які подають по всій висоті РК рівномірно по трубам 37), так і азот. Але азот в цієї суміші є нижчеутворюючим газогідрат компонентом, оскільки він при однаковому з метаном (а тім більш з пропаном-бутанами) тиску утворює газогідрати при нижчий, чем метан, пропан, бутани температури. По висоті РК здійснюється газогідратна ректифікація. В верху РК температура 0°С, унизу +7°С. При утворенні газогідратів у їх склад переважно входить вищеутворюючий газогідрат компонент (пропан-бутани, потім метан); при плавленні газогідратів з їх складу переважно виходить нижчеутворюючий газогідрат компонент (азот). Газова суміш піднімається уверх, а назустріч їй стікає флегма (тобто газогідратна суспензія - тверді газогідрати в суміші з водою). Газова суміш, піднімаючись уверх, зрощується більш холодною флегмою і поступово збагачується нижчеутворюючим газогідрат компонентом (азотом) і з верху РК при температури 0°С відбирається пар з концентрацією азоту 95%. Флегма, стікаючій униз по тарілкам, на яких при контакті пара і флегми здійснюється тепло і масопередача, поступово збагачується вище утворюючим газогідрат компонентом - метаном і з низу РК (куба) при 7°С відбирається газогідратна суспензія, в газогідратах якої концентрація метана досягає 97%. А важкі вуглеводні - практично усі вийшли у склад газогідратів. Цю суспензію з низу РК підігрівають та плавлять частину газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану) для створення газового ректифікуємого потоку, що рухається увер х, а оставша частина газогідратів відводиться самотечею через регулювальний вентиль РВ1 і подається по трубі 11 в міжтрубну просторінь плавильника Кр-П. Плавильник працює в тандемі з кристалізатором, має з ним загальну поверхню, через яке скидається тепло утворення газогідратів азота і яке використується для плавлення газогідратів метана і пропан-бутанів; вони плавляться при 0,2 ¸ 0,4 МПа і 0 ¸ 2°С . Газ-метан, що виділяється при плавленні газогідратів, відводиться з плавильнику через трубу 12, сепаратор С1, трубу 13, Т2 і тр убу 14 як продукт (його концентрація - 97-99%). Рідки пропан-бутани, що виділяються при плавленні газогідратів, відводяться з плавильнику як рециркулянти і разом з водою і газом - метаном прямуються в сепаратор С 1, в якому рідка і газова фази розділюються. Рідка фаза (вода + пропан-бутани) з С1 за допомогою насоса Н рециркулює: частина по трубі 35 в КР, а частина при трубі 36 - на змішування з вихідним повітрям перед його входом в РК. Газ, який не перейшов у склад газогідратів при вказаних умовах в РК, складається на 95% з азоту і відводиться з верху РК по тр убі 15. Цей газ стискується додатковим турбокомпресором К3 до 1¸ 4 МПа (в варіанті з домішками пропан-бутанів) або 10 ¸ 14 МПа (якщо здійснюється варіант без домішку пропан-бутанів і не треба високоє чистоти скидаємого азоту), охолоджується поступово в Х3 до 30°С, а потім в T5 до 5°С і потім по трубі 18 подається в трубн у просторінь кристалізатора Кр-П. Тут при змішуванні з реціркуляційною водою і домішками пропан-бутанів (концентрація яких в газовій суміші перед початком гідратоутворення флегми є 3 ¸ 10 масових) при перемішуванні мішалкою і параметрах 1¸ 4 МПа і 5 ¸ 8°С утворюється флегма з газогідратів нижчеутворюючого газогідрат компоненту (азоту), теплота цього фазового регенеративного переходу відводиться на плавлення газогідратів вищеутворюючого газогідрат компоненту (метану) та пропан-бутанів, як вказано вище. Газогідратна суспензія, що утворилася в цьому Кр, і газ, що не перейшов у газогідрати і що ще більше збагатився азотом (тобто кристалізатор Кр - це перша ступінь ректифікації), прямуються по трубі 19 в сепаратор C2, де діється їх розділення. Газ-азот відводиться з установки і складається на 97-99% з азоту (це другий продукт), а газогідратна суспензія по грубі 20, через РЕ2, по трубі 21, через послідовно Т4 і Т6 в яких вона охолоджується до 0°С, і по трубі 23 повертається як флегма у верхню частину РК. Газ-азот, що відводиться з C2 по трубі 24, має високий тиск (1¸ 4 МПа або 10 ¸ 14 МПа - в залежності від варіанту), детандується в турбодетандері Д1, повертаючи цим частину роботи, яка була раніше витрачена для додаткового стиснення турбокомпресором К3 нижчеутворюючого газогідрат компоненту, потім по трубам 25 і 26 послідовно поступає і нагрівається в Т5 і Т4 і по тр убі 27 прямується на детандування в турбодетандер Д2, повертаючи цим частково роботу, яка була раніше витрачена для стиснення вихідного повітря, потім цей газ-азот, який значно знизив свою температуру (до -50 ¸ - 70°С ) при розширенні, по трубі 28 прямується в льодогенератор виморожуючого опріснювача ВО1, в якому газ-азот продувається крізь солену воду і утворює лід, який потім, при розплавленні. дає чисту талу питну воду (детальніше про роботу ВО - див. опис Фіг. 9). На виході з ВО. газ - азот має температуру біля 0°С і він по трубі 29, через Т6, по трубі 30, через Т3, по трубі 31 прямується на детандування в турбодетандер Д3, повертаючи цим також частково роботу, яка була раніше витрачена для стиснення вихідного повітря, потім цей газ-азот, який також значно знизив свою температуру при розширенні, по трубі 32 прямується в льодогенератор виморожуючого опріснювача ВО2, в якому газ-азот продувається крізь солену воду і утворює лід, який також потім при розплавленні дає чисту талу питну воду. РШДП-R по схемі на Фіг.5 для умов дегазаційного повітря шахти ім. Засядько з витратою 200м 3/хв і концентрацією метана в вихідному повітрі 12,3% масових (незначні домішки в ньому інших вуглеводнів віднесені до метану), а кисень, аргон, вуглекислота, інші - до азоту) має таки розрахункові показники (розрахунок виконаний для варіанту з незначною домішкою реціркуляційного пропану в низ РК- до 10% масових): 1. Продуктивність 38,62т (метану)/добу (або 21млн. м 3/рік). 2. Параметри роботи РК: температура гідратоутворення газу змінного складу по висоті РК ТА=0°С (уверх колони), ТА=7°С (низ колони), рівноважний тиск гідратоутворення РА=4МПа. 3. Параметри роботи Кр-П: температура гідратоутворення азоту в кристалізаторі Ткр=5°С, рівноважний тиск гідратоутворення азоту РКр=12МПа; температура плавлення гідратів метану в плавильнику ТП=0°С, рівноважний тиск РКр=12МПа; 4. Потужність турбокомпресорів К1+K2 при стисненні вихідного газу від 0,25МПа до 4 МПа N(К1+К2)=1542,4кВт. Потужність турбодетандерів Д2+ Д3 при розширенні скидаемого азоту від 2,33 МПа до 0,1 МПа (які повертають частину роботи стиснення) N(Д2+Д3) = 805,6 кВт. Потужність електродвигуна турбоагрегату ТА1 (з урахуванням КПД мультиплікатора 0,95) NТА1 = 775,5 кВт. 5. Потужність турбокомпресора К з при стисненні газу-азоту від 4МПа до 12МПа NКЗ=429,8кВт. Потужність турбодетандера Д1 при розширенні скидаемого азоту від 12МПа до 2,33МПа N Д1=429,8кВт. Робота стиснення в К3 повністю компенсується роботою розширення в Д1, тобто NТА2=0. 6. Сумарна потужність всього електрообладнання (з рахунком витрат на насос Н і мішалку в Кр) N=NТА1+NH+HМШ=775,5-107,3+5=887,5кВт, тобто ron-оми витрати електроенергії є 887,5×24/38,62×103=0,55кВт-г/кг (вилученого метану). 7. Кількість опрісненої чистої талої води, яка може бути вироблена в ВО за рахунок холодопродуктивності скидаємого азоту - 81,5т(води)/добу. На Фіг.6 зображені експериментальні криви фазових рівноваг в системі газ - газогідрат на діаграмі температура-склад для пари метан-азот-вода для тисків 5, 7 і 14МПа (J. Jhavery and D.B.Robinson.Hydrates in the Methane-Nitrogen System. The Canadien Journal of Chenical Engineering, April 1963, pp.75-78). Склад - показаний на осі абсцис як концентрація азоту в мольних долях (на безводній основі). Ректифікація газової суміші зоснована на різниці констант фазових рівноваг Кі для компонентів газоповітряної суміші - азоту, кисню, аргону, вуглекислоти, метану, етану, пропану та ізо-бутану при різних температури і тиску. Зр учно при поясненні процесу представити газоповітряну суміш, яка складається з метану і азоту. Причому до азоту віднести кисень і аргон, а до метану етан, пропан-бутани і вуглекислоту (оскільки в цих гр упах і метан і азот-наібільш трудно, тобто при більшому тиску і більш знижених температурах утворюють газогідрати). Це значить, що з утворенням газогідратів метану і азоту, інші компоненти цих груп і тим більше вийдуть у склад газогідратів. На діаграмі температура-склад для бінарної газової суміші азот-метан зображений процес розділення метано-азотної суміші. На діаграмі точка А «рибки» показує параметри рівноважного гідратоутворення для метану при тиску 7МПа, точка В відповідно - для азоту. Вище вер хньої кривої - ізобари АnВ - зона існування метано-азотної газової суміші G в контакті з водою L. Нижче нижньої кривої - ізобари АmВ- зона існування газогідрату Н в контакті з газом G (при недостачі води). Верхня ізобара «рибки» АnВ зображує собою склад газової фази при данному тиску (на Фіг.6 - 7МПа) в залежності від температури, при котрої газова фаза знаходиться в рівновазі зо своїм газогідратом. Нижчя ізобара «рибки» АmВ зображує собою склад газогідрату (абсциса) при даному тиску в залежності від температури, при котрої газогідрат знаходиться в рівновазі з своєю газовою фазою. Хай точка 1 - параметри вихідної метано-азотної суміші при Т=15°С, Р=7МПа і мольної долі азоту У 1=0,3. Після охолодження суміші в контакті з водою до температури 5,5°С, отримуєм точку 2, в котрої соїснують газогідрати і газова суміш. В газогідрат уві ходить азот (точка 2'), мольна доля котрого складає в ньому X2"=0,19, в газовій суміші, котра знаходиться в рівновазі з газогідратом, концентрація азоту буде X2"=0,43. Нагрів газогідрату від температури точки 2 до температури точки 3 частково розплавить його з відділенням газу (У 3"=0,28 мольних долі. азоту N2) з збагаченням його метаном (Х3' =0,09 N2). Другий нагрів газогідрату до температури точки 4 дозволить ще глибше очистити газогідрат від азоту (Х3' =0,04N2). Вже третій нагрів газогідрату дозволить отримати метан, в котрому склад азоту буде тільки 0,02 мольних долі. Процес ректифікації (очистки) вищеутворюючого газогідрат компоненту – метану від азоту тече ізобаричне при підвищенні температури. Процес очистки нижчеутворюючого газогідрат компоненту - азоту від метану тече ізобаричне при тому же самому тиску, але при зниженні температури. Після охолодження газової суміші від стану 2" до стану 5, отримуєм газогідрат стану 5' і газову суміш стану 5". І так далі„ поки (при температури -7°С) не буде отримай азот, у котрого наявність метану буде нижче вибухової межі, тобто нижче 5% мольних.. Процеси утворення газогідрата нижчеутворюючого газогідрат компоненту і плавлення вищеутворюючого газогідрат компоненту діються одночасно по всій висоті РК. При цьому теплоти утворення і плавлення газогідратів регенеруються. Газова суміш і газогідрати переміщуються відносно один одного протитечію. На Фіг.6 видно, що температура ректифікації газової суміші сприятлива для ведення процесу (0 ¸ 16°С ) , але тиск занадто великий. Крім того, правий край «рибок» занурюється в зону мінусових температур, що не дає можливості отримати азот високої чистоти, тобто зменшити утрати метану. Крім того велики значення теплот гідратоутворення флегми і плавлення газогідратів метану на ви ході зо дна РК. Ці недоліки процесу в пропозиції усунені тим, що ви хідне повітря після його стиснення і охолодження змішують в процесі ректифікації з пропаном-бутаном до концентрації останніх в газовій суміші 3 ¸ 25% масових, плавлення частині нерозплавлених газогідратів з вищеутворюючого газогідрат компоненту, що залишилась, ведуть при температури 0 ¸ 2°С за рахунок регенеративного утворення флегми з газогідратів нижчеутворюючого газогідрат компоненту при температури 5 ¸ 8°С і в суміші з пропаном, концентрація якого в газовій суміші перед початком гідратоутворення флегми є 3-10% масових. Пояснення цих прийомів дано на Фіг.7 і Фіг.8. На Фіг.7 на діаграмі температура-концентрація зображені фазові рівноваги метан-азот з домішкою пропану в системі газ - газогідрат при тиску 1МПа. Це та ж сама система, що і на Фіг.6 (на безводній основі), але після добавлення до пари метан-азот пропану в різній кількості по тракту ректифікації. Криви 1 і 2-верхня і нижня ізобари «рибки», абсциси котрих - це концентрація азоту в мольних долях (пікала унизу). Крива 1 показує концентрацію азоту в газовій суміші, а крива 2 - рівноважну концентрацію азоту в газогідраті при тих же самих умовах - температури (ордината зліва) і тиску. Ордината справа показує рівноважні концентрації пропану в мольних долях у газовій суміші (чисельник) і в газогідраті (знаменник). Криви 3 і 4 - ізобари «рибки», абсциси котрих - це концентрація метану на безводній основі (шкала зверху) в мольних долях. Крива 3 показує концентрацію метану в газовій суміші, а крива 4 - рівноважну концентрацію метану в газогідраті при тих же самих температури і тиску. Край кривих 1 і 2 зліва - точка на ординаті при температури 7°С, де азоту нема, тобто мольна доля азоту і в газовій і в газогідратній фазах дорівнює 0, метану в газовій фазі - 0,91, а пропану в газовій фазі - 0,11 (або 25,36% пропану масових). Край кривих 1 і 2 справа - це розбіг при гранично нижчої температури роботи РК, при котрої концентрація азоту в газовій фазі є 0,98 мольних долів, а в рівноважній газогідратній фазі 0,36, причому рівноважні концентрації пропану відповідно -0,022 мольних долів (або 3,42% масових) і 0,642 мольних долів. Край кривих 3 і 4 справа - точка на ордінаті при температури 0°С, де метану нема, тобто мольна доля метану і в газовій і в газогідратній фазах дорівнює 0, азоту в газовій фазі - 0,98, а пропану в газовій фазі - 0,022 (або 3,42% пропану масових). Край кривих 3 і 4 зліва - це розбіг при гранично вищої температури роботи РК при даному тиску (1МПа), при котрої концентрація метану в газовій фазі є 0,91 мольних долів, а в рівноважній газогідратній фазі -0,33, причому рівноважні концентрації пропану відповідно-0,11 мольних долів (або 25,36% масових) і 0,6666 мольних долів. Також діаграма дає розподіл концентрацій 3-х компонентної системи метан-азот-пропан на будь якой висоті РК. Наприклад при 4,75°С концентрації суміші в газовій фазі: азот - 0,37, метан - 0,56, пропан - 0,0696 мольних долів (SUі » 1) концентрації компонентів в газогідраті: азот - 0,085, метан - 0,21, пропан - 0,6959 мольних долів (SХ і » 1). РК працює в граничному інтервалі температур 0 ¸ 7°С , який обумовлен ідеальним процесом ректифікації, в якому отримують метан і азот з чистотою 100%. Технологія ректифікації газової суміші в РК - це «тонкий» процес. Він потребує рівномірного збільшення температури і складу метану у газовій фазі по висоті РК у напрямі зверхууниз, наявності достатньої (не менш 6-7°С), постійної і незмінної різниці температур по висоті РК (між низом і верхом РК). Температура у вер ху РК, де е практично чистий азот, тобто той компонент, який має найвищий тиск, повінна бути не вище 0°С, щоб максимально понизити тиск процесу. Щоб знизити тиск процесу до прийнятного (не більш 1МПа) пропонується у винаходу до азоту добавити пропану до його концентрації у газовій фазі після змішування не нижче 3% масових. Нижче 0°С процес не йде, так як лід заблокує роботу РК. Температура у низу РК, де є практично чистий метан, повинна бути не нижче 7°С, щоб забезпечити різницю температур в процесах тепло і масопередачі по висоті РК, Для цього пропонується у винаходу і доста тньо, щоб при вищий температури в останній ступені ректифікації (тобто в нижчий частині РК) концентрація пропану в газовій фазі після змішування була 20 ¸ 25% . Тобто пропонується, щоб газ по висоті ректифікаційної колони РК змішувався з пропаном рівномірно, зверху-униз по висоті РК наростаючим значенням і так, щоб концентрація пропану зверху РК була нижче (3% масових.), а знизу РК - вище (20 ¸ 25 %) . Якщо масова концентрація пропану по висоті РК буде однакова (тобто однакова для чистого метану і чистого азоту), то внаслідок їх різних концентрацій в мольних долях, температури гідратоутворення метану (низ РК) і азоту (верх РК) суттєво зближуються, різниця температур по висоті РК суттєво зменшується (і даже може бути негативною) і процес ректифікації стає неможливим. Наприклад (див. прикладення 1), якщо масова концентрація пропану по висоті РК буде однакова і дорівнювати 3,42% масових, то мольна доля пропану (верх РК) буде 0,022 і температура гідратоутворення азоту при тиску 1МПа буде 0°С; мольна доля пропану (низ РК) при 3,42% масових буде 0,0127 і температура гідратоутворення метану при тому ж самому тиску буде -1,94°С. Діапазон 20 ¸ 25% - внизу РК мотивується так: при 25% пропану у газовій фазі з метаном температура гідратоутворення метану є 7°С, що дає разницю температур між низом і верхом РК, достатнью для здійснення процесу ректифікації; перевищити 25% нема сенсу, так як збільшується кількість реціркуляційного пропану, що збільшить енерговитрати; 20% - це випадок, коли є не тільки метан у газовій фазі, але е ще етан і інші компоненти; нижче 20 ¸ 25% - зменшується різниця температур по висоті РК. Увід вихідної суміші має бути точно під ту тарілку РК, в якої концентрація метан-азота цієї вихідної суміші точно відповідає концентрації газової суміші, яка підіймається в цьому місті РК. Для цього у винаході пропонується вихідне повітря перед процесом ректифікації змішувати з пропаном до такої його концентрації в газовій суміші, що знаходиться у місті увіда ви хідного повітря в РК, яку для обранного тиску в РК (наприклад 1МПа) і температури у місті увіда вихідного повітря в РК (наприклад 4°С) розраховують підбором так: - задають значення кількості домішуємого пропану у місті увіду ви хідного повітря в РК - для системи газова суміш-вода для відомих умов температури, складу газової фази і тиску в РК знаходять константи фазової рівноваги K і = У і / Х і , де У і і Х і - мольні долі компонентів (головним чином метану, пропану, азоту) в газовій і газогідратних фазах відповідно (причому SУ і = 1 ), - по константам К; розраховують суму SX і = У і / К і , - потім змінюючи кількість домішуємого пропану, добиваються такого його значення у місті подання вихідного повітря в РК, при якому сума SУ і = 1 . У прикладенні дається приклад використання подібного розрахунку. Таким чином, приміщення пропану ви щевказаними прийомами до процесу ректифікації метан-азотної суміші дає наступні результати: 1. значно знижує тиск процесу; 2. допомагає одержати різницю температур між швом і верхом РК; 3. розширює концентраційний інтервал між рівноважними складами компонентів в негідратній (газової) і гідратній фазах, що полегшує процес ректифікації і зменшує висоту РК; 4. підвищує швидкість гідратоутворення, так як пропан, ініціруючи, формуючи і стабілізуючи структур у газогідрату, «тягне» за собою молекули метану і азоту в його структур у, що полегшує зароджуванню кластерів і в кінцевому результаті - гідратоутворенню. На Фіг.8 на діаграмі температура-тиск зображений цикл розділювача шахтного дегазаційного повітря РШДПR, схема котрого вже описана на Фіг.5. Криви N2, O2 CO2 «метан», «етан» і «пропан» - це фазові діаграми метану та цих компонентів шахтного дегазаційного повітря в прісний воді. Справа кожної рівноважної кривої є компонент + вода, зліва - газогідрат цього компонента. Самі криви - це моноваріантні криви фазового переходу першого роду. В циклі РШДП-R діються такі процеси: 0 - показники стану ви хідної метано-повітряної дегазаційної суміші теля ВН; 0-1, 2-3 - двоступеневе стиснення вихідної суміші в компресорах К1 і К 2; 1-2, 3-4 - охолодження суміші в проміжному і кінцевому холодильниках Х1 і X2; 4-7, 7-8, 8-9 - охолодження суміші в теплообмінниках Т1, Т 2 і Т 3 послідовно; 9- стан вихідної газової суміші на вході в ратифікаційну колону РК (4°С, 4 МПа); 9-10 - зниження температури газової суміші до 0°С при її підйомі (від місця входу газової суміші до верху РК) в концентраційної секції РК в процесі ректифікації; 9-11- підвищення температури газогідратів при їх опусканні (від місця входу газової суміші до низу РК) в відгінної секції РК в процесі ректифікації; 11-9 - пониження температури газу, який вийшов із складу газогідратів при їх частковому розплавленні в кубі РК, і його підйомі (від низу до міста входу в РК ви хідної газової суміші) в процесі ректифікації; 10-12- стиснення повітря (в ньому є біля 5% метану), який відбирають з верху РК , в компресорі К3; 12-13 - охолодження повітря в холодильнику Х3; 13-А- охолодження повітря в теплообміннику Т3; А - гідрато утворення повітря (5% метанe + домішок пропану) в кристалізаторі-плавильнику Кр-П (в трубної просторині) при 5°С і 12МПа, відділення повітря, яке не вийшло в газогідрати, від газогідратів в сепараторі C2; А-14- адіабатичне розширення повітря в турбодетандері Д1; 14-15,15-16- нагрів повітря в теплообмінниках Т5 і T 4 16-17,21-18- адіабатичне розширення повітря в ступенях турбодетандера Д2 і Д3; 17-6-5-21 - нагрів повітря послідовно в виморожуючому опріснювачі ВО1 і в теплообмінниках Т6 і Т3 ; 18-24- нагрів повітря в виморожуючому опріснювачі ВО2; 24 - стан видачного повітря; 11- В - транспортування газогідратної суспензії з низу РК в плавильник П з пониженням тиску; В- плавлення газогідратів метану в міжтрубної просторині П при 0°С і 2МПа; В-19 - нагрів метану в теплообміннику Т2; 19- стан видачного метану; В-20-подання води і рідкого пропану насосом Н із сепаратора С1 в Кр; 20-А - нагрів води в Кр; А-10- подання газогідратів повітря в суспензії (флегми) із сепаратора С з в верх РК (з зниженням температури і тиску); ТА-ТВ=5-0=5°С - різниця температур при теплопередачі в Кр-П. Тобто організація циклу з досягненням цієї різниці температур забезпечує те, що плавлення частині нерозплавлених газогідратів з вищеутворюючого газогідрат компоненту, що залишилась після вихіду з низу РК, ведуть при температурі 0 ¸ 2°С за рахунок регенеративного утворення флегми з газогідратів нижчеутворюючого газогідрат компоненту при температури 5 ¸ 8°С і в суміші з пропаном. На Фіг.9 показана схема тандему РШДП-К-31.ПМ2, тобто розділювача шахтного дегазаційного повітря РШДПR, який працює в комбінації з зріджувачем шахтного метану ЗШМ2 (варіант зрідження 2), і в якому використується холод від розширення скидаемого азоту і тиск вилученого метану. Установка має в своєму складі РШДП-R, який вже описан на Фіг.5, і зріджувач ша хтного метану ЗШМ2, який має компресор К, холодильник X, теплообмінники Т 1* ¸ Т 4 * , два адсорбера Ад і цистерну Ц рідкого метану. В цієї комбінованої установці виходи азоту після останніх ступенів детандера Д2 і Д3 з'єднані з входом теплообмінника T2* зріджувача ша хтного метану ЗШМ2. Холод скидаемого після Д2 і Д3 азоту використується для попереднього охолодження метану до температури мінус 40°С - мінус 50°С перед його зрідженням. РШДП-R-ЗШМ2 працює так. Метан, вилучений в РШДП-R, по трубі 38 поступає в ЗШМ2, стискується компресором К до 12МПа, о холоджується в холодильнику Х до 30°С, потім в теплообміннику Т1* до 0°С. Потім від стиснутого метану в сепараторі С відділяється крапельна вода, потім газ по грубі 42 поступає в один з адсорберів Ад, в котрому від нього адсорбентом відводяться водяні пари і вуглекислота (другий Ад в цей час знаходиться в процесі регенерації - від його адсорбенту за допомогою тепла десорбуються і скидаються волога і вуглекислота). Після Ад стиснутий метан по трубі 43 прямують в теплообмінник Т2*, в якому він охолоджується до -40°С ¸ - 50°С за рахунок теплообміну з холодними (- 50 °С ¸ - 70°С ) потоками азоту (тобто точніше - повітря), які поступають на вхід в Т 2* по трубам 28 і 32, а виходять після Т2* по трубам 56 і 57. Ме тан після Т2* розділяється на 2 потоку: прямий по трубі 47 прямують в Т3* і охолоджують в ньому до -102°С. зворотний - по трубі 44 дроселюють в регулюючому вентилі РВ3 до тиску 2МПа і температурі -106°С і цим: потоком в Т3* протитечею охолоджують прямий потік. Зворотний потік по трубі 45, через Т1* повертають на всмоктування в компресор К. Прямий потік по трубі 48 прямують в Т4*, охолоджують в ньому до -105°С, потім по трубі 49 направляють до РВ4, дроселюють до тиску 0,25 ¸ 0,6 МПа і температури -150 ¸ -134°С . При цьому метан зріджується і по трубі 50 поступає в цистерну Ц для транспортування. Незріджена частину прямого потоку (це в основному домішки повітря, які не були вилучені раніше в РШДП-R, по трубі 51 направляють до PB5, дроселюють до тиску 0,1МПа і через Т4*, Т3* і Т1* скидають в атмосферу. Інтервал охолодження метану в T2* до температури мінус 40°С ¸ мінус 50 °С пояснюється тим, що саме до таких температур спроможні охолодити метан холодопродуктивні потоки азоту після останніх ступенів детандеру РШДП-R. На Фіг.10 показаний приклад схеми виморожуючого опріснювача ВО соленої шахтної води, який працює в тандемах з РШДП-R і РШДП-ТК і використує їх скидаємий холод. ВО має льодогенератори ЛГ 1 і ЛГ 2 (це вертикальні апарати, в нижній частині вони мають форсунки для розпилення повітря), сепараційно-промивну колону СПК, теплообмінники Т1 і T 2, фільтри (2 секції, одна працює, друга в цей час очищається) цистерну Ц талої води, а також в разі потреби повітроохолоджувач ПОХ, розташований на глибша шахти. ВО працює так. Холодний азот ( -50 ¸ - 70°С ) після останніх ступенів детандеру Д2 і Д3 (див. Фіг.5) по трубам 1 і 2 (Фіг.10) поступає в льодогенератори ЛГ 2 (в цьому апараті тиск 0,3 ¸ 0,5 МПа) і ЛГ 1 (в цьому апараті тиск 0,1МПа) і розпилюється за допомогою форсунок і продувається крізь солену воду. Ця вода - ша хтна (концентрація солей в неї 0,3 ¸ 10% ), вона спочатку насосом Н 1 протискується через фільтр, в якому вона очищається від взважувальних часточек, потім охолоджується до +5°С в теплообмінниках Т1 і Т 2. і потім прямується в ЛГ 1 (самотечію) і ЛГ 2 (за допомогою насосу H2). В ЛГ 1 і ЛГ 2 утворюється льодорозсольна суспензія, котра з ЛГ 1 за допомогою насосу Н 3, а з ЛГ 2 самотечію подається в нижню частину СПК. В цій колоні льодорозсольна суспензія, піднімаючись, відділяється від розсолу і у вигляді льоду промивається прісною водою від поверхневої соленої плівки. З верхнього торця СПК виходить чистий лід, котрий, змішуючись з прісною водою, яка подається по трубам 11 і 12, вже у стані льодоводяної суспензії виводиться з опріснювача через сепаратор С насосом H5, через трубу 20 і міжтрубну просторинь теплообмінника Т1. Лід в Т 1 частково плавиться. повертаючи свій холод вихідної соленої шахтної воді. Льодоводяну суспензію прямують по трубі 30 в цистерну Ц, або по трубі 31 в тр убну просторинь 33 повітроохолоджувача ПОХ, який розташований біля найбільш гарячих лавів глибокої шахти. Через міжтрубну просторинь ПОХ прогоняється повітря, яке охолоджується. Після розплавлення льоду в ПОХ прісна вода по трубі 32 прямується в Ц. В сепараторі С знизу відбирається частина прісної води, яка за допомогою Н 4 по трубам 13, 11 і 12 рециркулює в СПК для забезпечення процесів промивки і гідротранспорту льоду. З середньої частини СПК виводиться розсол ( 7 ¸ 20% солей), який уходить через бокові фільтровальні грати 14 і далі по трубам 15,16 на рециркуляцію в ЛГ 1 і ЛГ 2. Частина розсолу по трубі 18 прямується в Т2 для регенерації холоду і потім по трубі 28 викидається з установки. На Фіг.11 показана схема розділювача шахтного дегазаційного повітря РШДП-ТК-ЗШМ1, який має комбіновані пристрої - термокомпресор ТК для виробництва метану високого тиску 20 ¸ 100 МПа та зріджувач ша хтного метану ЗШМ 1 (варіант 1) для видання зрідженого метану при температури -150°С. В цьому тріо установок, який на відміну від тандему ТК-ЗШМ1 (Фіг.1) споживає не «багату», а «середню» по метану дегазаційну метаноповітряну суміш, продуктами роботи є: 1. Стиснений до 20 ¸ 40 МПа метан (з домішкою етану). 2. Рідка суміш пропана-бутанів. 3. Зріджений метан. Тріо готує стиснений і зріджений метан у різний час або одночасно. Таким чином тріо РШДП-ТК- ЗШМ1 більш універсально і придатне для переробки: - будь-яких концентрацій «середньої» дегазаційної суміші; - будь-яких варіантів реалізації метану. Конструкції і способи роботи ТК і ЗШМ 1 вже детально описані при розгляду фіг.1 і 5. На відміну від тандему ТК-ЗШМ1 тріо РШДП-ТК-ЗШМ1 має ректифікаційну колону РК, конструкція, спосіб і режими роботи якої вже детально описані при розгляду Фіг. 5 ¸ 7 . «Середня» дегазаційна метано-повітряна суміш обробляється в послідовності обладнання СВ ® ВН ® Х1 ® К ® Х 2 так же, як і на Фіг.1. Після чого стиснута суміш прямується по трубі 80, через T6, по трубі 82 в РК, де діється її розділення. З верху РК відбирається багата по азоту суміш і прямується по трубі 11 в кристалізатор Кр, в якому готується газогідратна флегма, яка насосом Н по трубі 18 подається в верхню частин у РК для забезпечення процесу ректифікації. Усе останнє обладнання працює так же, як і на Фіг.1. Комбінування як РШДП-ТК, так і РШДП-ТК- ЗШМ1 має можливість використати тиск і холод для підвищення економічності (так же, як і на Фіг. 5). Для цього вихід кристалізатора 83 (Фіг.11) по викидаємому азоту з'єднаний з входом першої ступені детандера Д2 (наприклад, турбо) (далі - обозначення Фіг.5), а потім послідовно з входом другої ступені детандера Д3 (турбо), які зблоковані з компресором К1 + К2, (турбо) вихідного повітря, повертаючи частину його роботи, а вихід цього азоту після першої і другої ступенів детандера з'єднаний з входом льодогенераторів виморожуючого опріснювача соленої води ВО1 і ВО2. Частина 3 - Вилучення та конденсування метану з «бідної» суміші , При малий концентрації метану в вентиляційному повітрі ( 0,3 ¸ 1 5 % мас.) і значних витрат повітря вилучення метану з нього являє трудну енергетичну та економичну проблему. Вилучення метану з цієї «бідної» суміші буде виправдуваним лише в комбінованій установці, в якій при рішенні завдання вилучення метану будуть одночасно вирішува ться трудні проблеми охолодження шахти та очищення забрудненої соленої шахтної води (трьохцільовій режим) або хоча б тільки вилучення метану і охолодження шахти (дво хцільовий режим). На Фіг.12 показана схема розділювача шахтного вентиляційного повітря діючих ша хт РШВП-Д, який використує холодильний газотурбінний цикл з адсорбційним насосом для комбінованого вилучення метану, охолодження шахтного повітря і демінералізації соленої шахтної води. РШВП-Д має у своєму складі турбоагрегат ТА, який складається з компресора К (тобто турбокомпресора), детандера Д (тобто турбодетандера), який насаджений на одному валу з К, редуктора-мультиплікатора Р і компенсуючого електродвигуна Ед/примітка: як ТА доцільно використати після деякого переобладнання авіаційний двигун (тандем турбіна-компресор), який відпрацював в повітрі свій літний моторесурс, але на землі з огляду своєї високої якості і надійності може відпрацювати ще 5 НО років/; абсорбер Аб, що має насадку, наприклад кольца Рашига, кожухотрубчасті теплообмінники Т 1 ¸ Т 3 , холодильну машину ХМ, адсорбери Ад (мінімум два), що мають адсорбент (активоване вугілля, силікагель, цеоліти), а також теплообмінники десорбції 21, вхід яких є від нагнітання компресору К, а вихід - у дно Аб, а крім того мають дім відсмоктування метану вакум-насос ВН і після нього компресор Кзн, і виморожуючий опріснювач ВО соленої шахтної води /аналогічний ВО на Фіг.10/. ВО має льодогенератор ЛГ, сепараційно-промивну колонну СПК, теплообмінник Ї4 і повітряохолоджувач ПОХ, розташований на глибині шахти біля найбільш гарячого й місця /лави, де працюють безпосередньо на видобутку вугілля і де температура досягає 43 ¸ 45°С /. Конструкція шахти щодо її вентилювання спрощено показана наявністю двох стовбуров витягувального ВС і приточного ПС, просторинь між якими в единичному ході уособлює багато тунелів і штреків шахти, що вентилюються холодним повітрям. З'єднання апаратів по переробляємому повітрю між собою показано на Фіг.12. Нагнітання компресора К з'єднано з всосуванням детандера Д через водяний барботажний абсорбер Аб, три послідовні охолоджувачі повітря Т1, T2, Т3 і адсорбер метану Ад, при цьому ви хід детандеру Д через останній перед адсорбером охолоджувач повітря Т3 і контактний льодогенератор ЛГ з'єднаний з приточним стовбуром шахти ПС, а вихід льодорозсольної суспензії з льодогенератору ЛГ через сепараційно-промивну колону СПК, яка перетворює цю суспензію в льодоводяну, з'єднаний з шахтним місцевим повітроохолоджувачем ПОХ. РШВП-Д працює так (в трьохцільовому режиму). Тепле, забруднене метаном, вуглекислотою, вологе та запилене вентиляційне повітря (тяжке для дихання) виходить з витягувального стовбура ВС шахти з параметрами (на прикладі одного із ВС шахти ім. Скочинського, Донецьк): виграти=10200м 3/хв (170м 3/с або 194кг/с), температура 27,2°С, тиск=95кПа, відносна вологість = 95%, концентрація метану = 0,3% масових, концентрація CO2 (вуглеводню)=0,5% масових, вугільного пилу - до 0,5%. Це повітря по повітряному каналу 1 (примітка; з огляду малого тиску і значних витрат повітря це не труба, а саме канал з розмірами квадрата 4х4м, запорна арматура є не вентілі, а шибери) подається в К, стискується в ньому до 0,15 ¸ 0,2 МПа, потім по каналу 2 подається в абсорбер Аб, в якому повітря барботує через насадку і шар біжучий воді. В Аб повітря охолоджується від 100°С до 20°С, очищується від СО2 і вугільного пилу. Вугільний шлам періодично виводять з нижньої частині Аб. Циркуляційну воду охолоджують, а від розчиненої CO2 позбавляються в градирні (це обладнання, як додаткове, на Фіг.12 не показано). Потім повітря по канну 3 прямують і охолоджують в Т1 за допомогою ХМ, що має холодопродуційність 6,195МВт, а електричну потужність 1,353МВт (тут і далі значення - для ВС шахти ім. Скочинського, отримані в результаті детального розрахунку). В Т1 холодоагент холодильної машини ХМ кипить при -10°С, охолоджуючи повітря до 0°С (гранично низької температури в цьому Т1). Після Т1 повітря прямують в сепаратор С, в якому скидається сконденсована в Ті крапельна вода - 0,965кг(води)/с. Подальше охолодження вентиляційного повітря від 0°С (канал 4) до -20°С (канал 5) відбувається в T2 (теплова потужність 4,646МВт) за рахунок регенерації холоду цього ж повітря, який виходить з адсорберу Ад з температурою -33°С; при цьому на трубках Т3 виморожується волога у вигляді льоду в кількості 0,31кг (льоду)/с. Кінцеве охолодження вентиляційного повітря від -20°С (канал 5) до -37°С (канал 8) відбувається в Т3 (теплова потужність 3,4МВт) за рахунок регенерації холоду цього ж повітря, який виходить з детандеру Д з температурою 50°С; при цьому на трубках Т 3 виморожується волога у вигляді льоду в кількості 0,067кг (льоду)/с. Потім охолоджене вентиляційне повітря по каналу 8 поступає в один з паралельно діючих адсорберів Ад, в котрому діється адсорбція метану при тиску повітря 0,13 ¸ 0,18 МПа і середньому парціальному тиску метану 0,9кПа. В результаті відділяється теплота адсорбції (0,84МВт-на активованому вугіллі), повітря нагрівається від 37°С до -33°С (канал 9). В Ад адсорбентом поглинається 0,5819кг(метану)/с (50,276т/добу), котрий може бути вилучений з Ад в результаті процеса десорбції. Цей зворотний процес діється в паралельному апараті внаслідок підведення к нему тепла (частини гарячого повітря після К по трубі 19 і повернення його у дно Аб по тр убі 20) і відсмоктування метану вакуум-насосом ВН під зниженим тиском від 10кПа до 100кПа), а потім компресором Квн від 100кПа до 0,6МПа і потім на його конденсування - зрідження або стиснення до потрібного тиску - в схемах з ТК, або ЗШМ (як вже описано на Фіг.1,3,4,9,11). Повітря після Ад (канал 9) нагрівається в Т2. від -33°С до -8,7°С (канал 10) і потім поступає по каналам 10 і 6 і розширюється в детандері Д від 130 ¸ 170 кПа до тиску 0,1МПа (примітка: поки повітря дішло до Д, тиск його зменшився внаслідок гідравлічних утрат), повертаючи частину роботи, яка раніше була витрачена на стиснення цього повітря в компресорі К, і охолоджуючись при цьому адіабатному розширенні до -50°С. Оскільки робота компресора К завжди більше роботи, яка повертається детандером Д, то додатково працює компенсуючий електродвигун (потужність його 6,876МВт). Повітря після Д (канал 7) спочатку нагрівається в Т3 до - 32°С (канал 11). З такою низькою температурою очищене повітря неможливо подавати в приточний стовбур ПС шахти (заборона санітарних норм!). Тому повітря потім прямують в нижню частину льодогенератору ЛГ, в який через теплообмінник Т4 подають солену ша хтну воду по трубам 17 і 13. Холодне повітря, барботуючи через шар соленої води, перетворює частину її в дід. При цьому повітря нагрівається до +2°С (канал 12) і при такий температури прямується в ПС ша хти для її загального охолодження, поглинання «нової» порції метану, що відділяється від вугілля і горної породи, газотранспортування цього метану, вуглекислоти і пилу к витягальному стовбур у ВС. Льодорозсольна суспензія ( 7 ¸ 12% льоду) із ЛГ насосом Н1 прямується в нижню частину сепараційнопромивної колони СПК і під дією напору, що створює насос Н1, рухається уверх. Розеол при цьому фільтрується через бокову фільтрувальну сітку і насосом Н 2 через Т4 скидається з ВО (труба 18) або прямується в роздільник розсолу на воду і сухі солі (не показан). Частина розсолу з СПК по трубам 24 і 13 повертається в ЛГ на рециркуляцію. Лід, піднімаючись в СПК, промивається опрісненою водою від поверхневої соленої плівки, яка окутує кожний кристалік льоду, переваливається за допомогою зогнутого козирька у сміжний боковий карман і потім разом з опрісненою водою насосом Н 3 (труба 14) прокачується як льодоводяна суспензія в шахту для адресного місцевого охолодження найбільш гарячих зон (лавів). Там розташован повітряохолоджувач ПОХ, що скомпонований, наприклад, з типових реброво-трубних секцій. В трубках цих секцій циркулює льодоводяна суспензія, лід плавиться, охолоджуя вентиляційне повітря, яке обвіває ці трубки. Вода, що одержується після плавлення льоду, виводиться по трубі 15 на поверхню шахти, віддаючи свій холод в Т4 . Це опріснена тала питна вода (труба 16) високої якості. Масові витрати отриманого в ЛГ льоду пропорційні тиску в компресорі К і холодопродукційності холодильної машини ХМ і для тиску 0,2 МПа складають біля 5 ¸ 8% від масових витрат вентиляційного повітря. Схема на Фіг.12 працює як трьохцільовому, так і в двохцільовому режиму. В трьохцільовому режиму вилучення метану, охолодження повітря (загальне до +2°С і місцеве - льодом), опріснення соленої води - шибер 31 відкритий, шибери 29 і 28 закрити, працює холодильна машина ХМ. В двохцільовому режиму - вилучення метану, охолодження шахти (тільки загальне до +2°С) - шибери 29 і 28 открити, шибер 31 закритий, ХМ не працює. Діапазон стиснення повітря компресором К 0,15 ¸ 0,2 МПа диктується тим, що нижче 0,15МПа тиск опустити неможливо, так як треба мати перепад тиску для роботи детандера Д (треба також урахувати гідравличні утрати тиску по тракту вентиляційного каналу і обладнання на шляху від К до Д); вище 0,2МПа тиск підвищувати недоцільно, так як мета вже досягнена і при меншему тиску і, крім того, збільшуються електровитрати на роботу турбоагрегату ТА. Гідравличні утрати тиску повітря автоматично зменшують тиск в адсорбері Ад до 0,13 ¸ 0,18 МПа. Діапазон температур охолодження повітря перед адсорбцією -20 ¸ - 40°С диктується потребами адсорбції метану із вентиляційного повітря. При малої концентрації метану в цієї метаноповітряної суміші (від 0,3 до 1,5%) його парціальний тиск невеликий і тому адсорбційне його поглинання мале. Адсорбція, як звісно, зростає з збільшенням тиску і зниженням температури. Розрахунки показують, що при загальному тиску повітря 0,2МПа, початкової концентрації метану в повітрі 0,4% масових, зменшенні концентрації метану в Ад з 0,4 до 0,1%, середній парціальний тиск метану в Ад складає Р = 0,9 кПа, а адсорбція на активованому вугіллі, яка розрахована по рівнянню Лєнгмюра, n ×b×P V0 = s 1+ b × P n s 56. 5 = при температури, наприклад -33°С, є V =2,4н×см 3(метану)/г (адсорбенту). Тут 0 b 6.68 × 10-3 (мм.рт.ст)-1 - константи для конкретного адсорбенту при певний температури (ці дані узяти з с.189 = «Справочника по физико-техническим основам глубокого охлаждения, Малков М.П., Данилов И.Б. и др. Госэнергоиздат, Москва, 1963»). При підвищенні температури адсорбції вище -20°С адсорбція метану з вентиляційного повітря значно зменшується, що приводить до надмірних розмірів адсорбера Ад; при зниженні температури: адсорбції нижче 40°С адсорбція покращується, але надмірно зростають єлектровитрати на охолодження повітря. Робота двох адсорберів Ад діється поперечасно, чергуються процеси адсорбції, нагріву адсорбента, десорбції, охолодження адсорбенту. Десорбцію метана здійснюють шляхом підогрівання адсорбенту до 100¸140°С (підведенням гарячого повітря після компресору К по каналу 19) і зменшенням тиску над адсорбентом до 10¸20кПа шляхом відсмоктуванням газу з Ад по трубі 23 вакуум -насосом ВН. Потім цей продуктовий метан стискують компресором Квн до тиску реалізації (або в газопровід, або в пристрої, що вже раніше були описані в даній заявці - в термокомпресор ТК (Фіг.1) для видання «газового» метану великого тиску 20 ¸ 40 МПа, або в ТК і потім в зріджувач ша хтного метану ЗШМ (Фіг.1) для видання «рідкого» метану, або в ТК, а потім в гідратоутворювач ша хтного метану ГШМ (Фіг.2) для віщання «гідратного» метану). Діапазон десорбції 10 ¸ 20 кПа диктується тим, що при тиску нижче 10кПа зростають значно єлектровитрати на роботу ВН і витрати на герметизацію Ад; при тиску ви ще 20кПа зростає час процеса десорбції і розміри Ад. Кінцевий тиск повітря 0,1МПа після його розширення детандером Д - це атмосферний тиск на поверхні шахти. Діапазон температур повітря 30 ¸ 50°С після розширення детандером Д диктується необхідністю охолоджувати в теплообміннику Т3 повітря перед адсорбером в діапазоні 20 ¸ 40°С , отримується внаслідок підтримки діапазону тисків повітря до і після компресору К. Температура +2°С, з якою очищене повітря повертають у шахту - нормативна. Знизити її не дозволяє ризик для шахтарів отримати простудні захворювання. Збільшити її - недоцільно, так як треба охолоджувати гарячу шахту. На Фіг.13 показаний типовий (умови шахти ім. Скочинського) цикл РШВП-Д на діаграмі температура-ентропія (точки на діаграмі відповідають обозначениям потоків на схемі РШВП-Д (Фіг.12). Цикл зображений між ізобарів тисків повітря Р1=100кПа=const і Р2=150кПа=const. Точка 1 - стан вихідного вентиляційного повітря з витягувального стовбур у ша хти (Т=27°С, Р=100кПа); 1-2 - стиснення цього повітря компресором К від 100кПа до 150кПа, процес - політропичний, тече з ростом ентропії і підвищенням температури до 120°С; 2-3 - охолодження повітря в абсорбері Аб водою (зниження температури до 30°С, процес тече з незначним зменшенням тиску з огляду гідравлічних утрат), очищення повітря від вугільного пилу і вуглекислоти /розчинність СO2 у воді приблизно в 77 разів перевищує розчинність метану у воді/; 3-4 - охолодження повітря до 0°С в теплообміннику Т 1 холодильною машиною ХМ; 4-5 - охолодження повітря до -20°С в теплообміннику Т2 за рахунок теплообміну з зворотним після Ад холодним повітрям, маючого температур у -33°С; 5-8 - охолодження повітря до -37°С в теплообміннику Т3 за рахунок теплообміну з зворотним після детандеру Д холодним повітрям, маючого температуру -50°С; 8-9 - процес адсорбції метану в Ад, повітря очищається від метану і нагрівається до 33°С внаслідок відділення теплоти адсорбції, тиск над адсорбентом - біля 130кПа; 9-10 - нагрів зворотного вентиляційного повітря в Т2 від -33°С до -9°С; Далі поток повітря тече через шибер 29. 6-7 - розширення повітря в детандері Д від 130кПа до приблизно 105кПа з зниженням температури до -50°С; 7-11 - нагрів зворотного вентиляційного повітря в Т3 від -50°С до -32°С; 11-12 - нагрів зворотного вентиляційного повітря в льодогенераторі ЛГ від -33°С до +2°С і подання його в приточний стовбур ПС ша хти. Для умов шахти ім. Скочинського при тиску після компресора 0,15МПа і роботі в трьохцільовому режиму РШВП-Д має наступні показники: - витрати ви хідного вентиляційного повітря (з концентрацією метана 0,3% масових) з одного витягувального стовбур у 10200м 3/хв; - продукційність по вилучаємому метану - 50,276т/добу; - продукційність по вилучаємому льоду (який потім стає чистою водою)-1200 т/добу, тобто холодопродукційність цього льоду в складі льодоводяної суспензії -біля 5МВт; - холодопродукційність повітря з температурою 2°С - біля 4,5МВт; - капітальні витрати - не більш 1,03млн.дол.; - сумарна потужність електрообладнання - 6,48МВт, тобто питоми витрати електроенергії є 3,09кВт-г/кг (вилученого метану). Дуже актуальна на Україні проблема ліквідаційних шахт. їх закриття не знімає проблеми їх затоплювання соленою водою, яка потім по водопроникливим шарам просмоктується і підтоплює навколишню місцевість. Більшість таких шахт -газоносні. Вилучення метану з таких ша хт, якщо воно буде прибутковим, попутно вирішує і екологічні проблеми. Нижче запропонована технологія вилучення і конденсування метану для 2-х варіантів ліквідаційних ша хт: - «суха шахта» (Фіг.14), яка не - затоплюється і в якої невелика кількість води, що є в ша хтному повітрі - до 100 т/добу - може бути «винесена» на поверхню ша хти потоком цього вологого повітря; - «шахта, яка наражається на обводнення» (Фіг.15) - витрати соленої води, яка заливає шахту і яку треба відкачувати на поверхню і скидати в поверхневи водні джерела чистою і обезсоленою -100 ¸ 10 тис. т/добу. В газоносної недіючої ліквідаційної шахти, яка припинила вугледобичу, відсмоктують повітря з витягувального стовбур у ша хти і здійснюють оборотний (тобто холодильний) газотурбінний цикл з використанням адсорбційного насосу. Метан з таких шахт вилучається аналогічно, як і на діючої шахти, але є деяки особливості. Створюють умови, цю сприяють вилученню метана, а саме: - в шахті - підвищують дифузію метану з газовіддаючих вугільних шарів і вуглепороди в штреки, які вивітрюються, і збільшенню концентрації метану у вентиляційному повітрі «безлюдної» шахти до 3% масових шляхом (примітка: концентрація метану 3% масових - це 5% об’ємних або мольних, тобто це нижча вибухова межа метаноповітряної суміші і перевіщува ти її недоцільно; нижче 3% масових працювати також недоцільно, оскільки підвищуються електровитрати на «прокачування» повітря) шляхом: - підвищення температури витягувального повітря в шахті на 10 ¸ 20°С за рахунок подання в шахту нагрітого до 70 ¸ 80°С сухото повітря, очищеного від пилу, вуглекислоти і метану (примітка: тобто ша хта не охолоджується, а навпаки - підігрівається і чим більше, тім краще /розширюються канали фільтрації/, але нагрів повітря на більш ніж 10 ¸ 20°С (тобто вище ніж 40 ¸ 50°С ) неможливий з огляду надмірних енерговитрат), - зниження тиску цього повітря на 10 ¸ 15 кПа нижче атмосферного шляхом підвищення продукційності його відсосування, наприклад, турбокомпресором і герметизації шахти (примітка: тобто в шахті герметизуються усі входи-ви ходи за виключенням двох - витягувального і приточного стовбуров; витрати повітря, яке відсмоктується турбокомпресором з витягувального стовбура і же уводиться в приточили стовбур - балансуються по двом параметрам - тиску і концентрації метану на всосуванні компресора); - оновлення старих запилених поверхонь вугільних шарів і шарів вуглепороди вироботок шляхом струшувальних вибухів малої потужності, які відколюють від цих поверхонь куски вуглепороди товщиною 5 ¸ 10 см і відкривають канали дифузії метану (примітка: використуються або інша струшувальна техніка; запилени пори на глибину не більш 1¸ 2 см, але таку малу глибину висолювання практично важко досягнути); - на поверхні шахти - сприяють низькотемпературної адсорбції метану із збагаченої метаноповітряної суміші за рахунок: - підвищення тиску повітря до 0,15 ¸ 0,2 МПа (умови - таки ж самі, як і для діючої шахти); - очищення повітря від вугільного готу та вуглекислого газу шляхом, наприклад, контакту з водою (як і для діючої ша хти); - зниження температури прямого потоку повітря до -10 ¸ - 30°С з одночасним осушенням від вологи холодильною машиною і за рахунок теплообміну з його холодним зворотним потоком (усе, як і для діючої шахти, але температурний рівень вище з огляду того, що концентрація метану в повітрі над адсорбентом значно більше, внаслідок чого можливо здійснювати процес адсорбції з технічно спроможною швидкістю і при більш високої температури); - розширення зворотного потоку повітря до тиску 0,1МПа з отриманням температури -20 ¸ - 40°С і використанням холоду цього потоку повітря для видводу теплоти адсорбції і регенераційного охолодження прямого потоку (усе, як і для діючої ша хти, але температурний рівень вище з огляду попередньої причини); - періодичної регенерації адсорбента за рахунок періодичної десорбції з нього метану шляхом нагріву адсорбента гарячим повітрям з температурою 100 ¸ 140°С , наприклад, після компресору, і зниженням над ним тиском до 10 ¸ 20 кПа, наприклад, вакуум-насосом, причому вилучений метан далі стискують, наприклад, компресором, до тиску реалізації (усе, як і для діючої ша хти), На Фіг.14 показана схема розділювача шахтного вентиляційного повітря ліквідаційних шахт РШВП-ЛС, припинивших вугледобичу (варіант - «суха ша хта»). РШВП-ЛС має у своєму складі турбоагрегат ТА, який складається з компресора К (тобто турбокомпресора), детандера Д (тобто турбодетандера), який насаджений на одному валу з К, редуктора-мультиплікатора Р і компенсуючого електродвигуна Ед; водяний барботажний абсорбер Аб, теплообмінник Т0 підогріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, що прямується в приточний стовбур ПС шахти, три послідовні охолоджувача повітря - теплообмінники Т 1 ¸ Т 3 , холодильну машину ХМ, адсорбери метану першого Ад і 1 другого Ад2 ступенів (мінімум двох у кожній ступені), що мають адсорбент, а також теплообмінники десорбції 16 і 17, вхід яких є від нагнітання компресору К, а вихід - у дно Аб. Конструкція шахти щодо її вентилювання спрощено показана наявністю двох стовбуров - витягувального ВС і приточного ПС, просторінь між якими в единичному ході уособлює багато тунелів і штреків шахти, що вентилюються гарячим повітрям. З єднання апаратів по переробляємому повітрю між собою показано на Фіг.14. Нагнітання компресора К з'єднано з всосуванням детандера Д через теплообмінник Т0 підогріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, що прямується в приточний стовбур шахти ПС, водяний барботажний абсорбер Аб, три послідовні охолоджувачі повітря Т1, Т2, і Т3 і адсорбер метану першого ступеня Ад1, при цьому вихід детандера Д з'єднаний з входом адсорбера метану другого ступеня Ад 2, вихід якого з'єднаний з входом теплообмінника Т0 підогріва цього повітря перед його поданням в приточний стовбур шахти ПС. Між T2 і Т3 розташований сепаратор С вологи. Трубні просторині T2 і Т3 грають роль випаровувачів рідкого холодоагенту, який циркулює в циклі холодильної машини ХМ і є неазеотропною сумішшю фреонів, наприклад Ф22 + Ф-142в. При однаковому тиску в трубних просторинях температура кипіння неазеотропної суміші не однакова і така, що здійснює охолодження повітря, що тече в міжтрубної просторині, до 0°С - в Т2. і до -10 ¸ - 20°С - в Т 3. РШВП-ЛС працює так. Тепла метано-повітряна суміш з концентрацією метану до 3% масових з витягувального стовбуру ВС шахти по каналу 1 поступає в турбокомпресор К і стискується від 90 до 150 ¸ 200 кПа (примітка: далі, як приклад, приведені значення детального розрахунку РШВП-ЛС для тиску після компресора 150кПа) і потім охолоджується в декількох послідовних теплообмінниках (в То - від 100°С до 30°С, в абсорберу Аб водою - до 20°С /при цьому метано-повітряна суміш очищується від пилу і абсорбируємої вуглекислоти/, в Т1- до 10°С, в Т 2 і Т3 - холодипьною машиною ХМ до 0°С і -10°С відповідно). Потім суміш по каналу 8 подають в адсорбер першого ступеня Аді, в якому метан поглинається адсорбентом, наприклад, активованим вугіллям. При цьому концентрація метану в суміші в результаті адсорбції зменшується до 1,5%, а температура суміші в результаті відділення теплоти адсорбції підвищується до 10°С. Після Ад з обіднена суміш по каналу б поступає в турбодетандер Д, розширюється в ньому від 130кПа (тиск суміші зменшився внаслідок гідравлічних утрат!) до 100кПа і, охолодженая в результаті адіабатичного розширення до -5°С, по каналу 7 прямується в Ад 2, в якому концентрація метану в суміші зменшується до 0,1%. В Ад2 повітря нагрівається до +17°С. Після Ад2 повітря по каналу 9 поступає в Т1 , а потім по каналу 10 в То, прогрівається в них до 70 ¸ 80°С і з такою температурою по каналу 11 і приточний стовбур ПС прямується в безлюдну шахту, збільшуючії її температуру для збільшення газовіддачи. Після Т2 (0°С) по ходу повітря по каналу 4 є сепаратор С, в якому в крапельному стані відділяється основна маса води (75%), яка була в повітрі після Аб. Залишкова частина у вигляді льоду осаджується на холодних поверхнях Т3. Цей лід треба періодично удаляги (зупинкою роботи і отогрівом Т3 або виконанням Т3 у ви гляді двох секцій або регенераторів з насадкою, працюючих почергово). Холода детандування метано-повітряної суміші недостатньо з огляду її малого тиску для відводу значної теплоти адсорбції (при концентрації метану більш 2%). Тому суміш в Т2 і Т3 о холоджують за допомогою ХМ, у циклі котрої використується неазеотропна суміш холодоагентів (наприклад - фреонів 22 і 142в), киплячих при змінних температурах (ніжні - мінус 5°C в Т3 і мінус 15°С в Т 3 відповідно). З огляду того, що Ад 2 розташований на боці нижчого тиску (100кПа), умови адсорбції в ньому гірші, ніж в Ад1 (і при однакових кількостях поглиненного метану відповідно обсяг Ад2 в 3 разів більше обсягу Ад1). Високооборотний турбоагрегат ТА має компресор К (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером Д (турбо). З огляду того, що Д повертає тільки 25% роботи, яка була витрачена в К, цей ТА забезпечений компенсуючим електродвигуном Ед. Як ТА може бути використаний авіаційний турбодвігун, отпрацювавший літний моторесурс і переобладнаний на нові умови роботи. Після зарядження адсорберів Ад1 і Ад2 метаном здійснюється її розрядження-десорбція. Через теплообмінники 16 і 17, які вбудовані в Ад1 і Ад2, пропускається гаряче повітря з температурою 100 ¸ 140°С після компресору К (по каналу 13), яке потім повертають для переробки у дно абсорбера Аб (по каналу 12). Тиск в Ад знижується до кПа вакуум-насосом ВН, причому вилучений метан далі стискують компресором Квн до тиску реалізації. Для умов тиску після компресора 0,15МПа, довжині і діаметру вентиліруємої вироботки, що газує, 1км і 3м відповідно, а також регулюємої концентрації метану в повітрі після вироботки 2,8% масовик, РШВП-ЛС має наступні показники: - витрати ви хідного вентиляційного повітря (з концентрацією метана 2,8% масових) з витягувального стовбур у 2009,5м 3/хв або 38,2кг/с; - продукційність по вилучаемому метану - 1,01кг/с×км або 87,22т/добу×км або 47,75млн.м 3 (газу)/рік×км; - потужність турбоагрегата ТА (тобто потужність турбокомпресора К мінус потужність турбодетандера Д) =1537,3кВт; - потужність холодильної машини ХМ=452кВт; - потужність тандема вакуум-насоса ВН і компресора КВН=524кВт; - сумарна потужність електрообладнання - 2,513МВт, тобто питоми витрати електроенергії є 0,69кВт-г/кг (вилученого метану); - питома кількість адсорбованого метану в адсорберу першого ступеня Ад1=2,605×10-3кг(метану)/кг (адсорбенту); те ж саме для адсорберу другого ступеня Ад2=0,731×103 кг(метану)/кг (адсорбенту); - маса адсорбенту (активованого вугілля) при 6-ти годинний тривалісті насичення адсорбенту метаном для одного Ад1=4185т; те ж саме для одного Ад2=14914т; габарити одного Ад1 (це бетонна місткість) = 30х12х9,3м; габарити одного Ад2=30х30х13,3м; - капітальні виграти - не більш 1,2млн.дол; - доход від реалізації метану по ціні 60дол/1000м 3=2,86млн.дол/рік×км, чистий прибуток = не менш 1,33млн.дол/рік×км, На Фіг.15 показана схема розділювача шахтного вентиляційного повітря ліквідаційних шахт РШВП-ЛО, припинивших вугледобичу (варіант - «шахта, яка наражається на обводнення»). РШВП-ЛО має у своєму складі турбоагрегат ТА, який складається з компресора К (тобто турбокомпресора), детандера Д (тобто турбодетандера), який насаджений на одному валу з К, редуктора-мультиплікатора Р і компенсуючого електродвигуна Ед; теплообмінник Т0 підогріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, ідо прямується в приточний стовбур ПС ша хти, водяний барботажний абсорбер Аб, три послідовні охолоджувача повітря - теплообмінники T1 ¸ T3 , холодильну машину ХМ, що охолоджує повітря у теплообміннику Т , адсорбер 1 метану Ад (мінімум два апарата, яки діють почергово), що має адсорбент, а також теплообмінник десорбції 21, вхід якого є від нагнітання компресору К, а вихід - у дно Аб (через Т3). У складі установки є також виморожуючий опріснювач ВО соленої шахтної води, схема якого така ж, як і в РШВП-Д (Фіг.12) з деякими особливостями. ВО має барботажний льодогенератор ЛГ, сепараційно-промивну колону СПК і теплообмінник Т4. В ліквідаційній шахті нема потреби в охолодженні повітря, тому чистий лід після СПК використується по іншому призначенню, ніж в РШВП-Д (Фіг. 12). Для цього в сміжному боковому кармані СПК розташований теплообмінник Т6, що виконує роль плавильника льоду і одночасно конденсатора теплосилової установці, яка має у своєму складі також теплообмінник Т5 -випаровувач, турбіну Ту з електрогенератором Ег і насос Н 4. Ви хід льоду з льодогенератору ЛГ з'єднаний через СПК з плавильником льоду (тобто карманом СПК), Вхід теплообмінника Т5 по гарячому теплоносію з'єднаний з виходом цього теплоносія- гарячого повітря з адсорберу Ад метану, а вихід якого з'єднаний з дном абсорбера Аб. Конструкція шахти щодо її вентилювання спрощено показана наявністю двох стовбуров - витягувального ВС і приточного ПС, просторинь між якими в единичному ході уособлює багато тунелів і штреків шахти, що вентилюються гарячим повітрям. Нагнітання компресора К з'єднано з всосуванням детандера Д через теплообмінник Т0 підогріву сухого очищеного від пилу, вуглекислоти і метану повітря, яке прямується в приточний стовбур шахти ПС, водяний барботажний абсорбер Аб, три послідовні охолоджувачі повітря Т1, Т2, Т 3 і адсорбер метану Аб, при цьому ви хід детандера Д через останній перед адсорбером охолоджувач повітря Т3 і контактний льодогенератор ЛГ виморожуючого опріснювача соленої шахтної води з'єднаний з приточним стволом ПС шахти через теплообмінник Т0 підогріву цього повітря. РШВП-ЛО працює наступним чином. Тепла метано-повітряна суміш з концентрацією метану 2 ¸ 3% масових (не більш, як 3%) з витягувального стовбуру ВС шахти по каналу 1 поступає в турбокомпресор К і стискується від 90 до 150¸200кПа і потім охолоджується в декількох послідовних теплообмінниках (в Т0 - від 100°С до 30°С, в абсорберу Аб водою - до 20°С /при цьому метано-повітряна суміш очищується від пилу і абсорбируємої вуглекислоти/, в Ті холодильною машиною ХМ - до 0°С, в T 2 і Т3 - до -30°С). Потім суміш по каналу 8 подають в адсорбер Ад, в якому метан поглинається адсорбентом. При цьому концентрація метану в суміші в результаті адсорбції зменшується до 0,1%, а температура суміші в результаті відділення теплоти адсорбції підвищується до -5 ¸ - 10°С . Після Ад обіднена суміш по каналу 9, теплообмінники Т2. і Т3, по каналу 6 поступає в турбодетандер Д, розширюється в ньому від 130 ¸ 170 кПа (тиск суміші зменшився внаслідок гідравлічних утрат !) до 100кПа і, охолодженая в результаті адіабатичного розширення до -20 ¸ 40°С , по каналу 7 прямується в Т3 Після Т3 повітря прямують в нижню частину льодогенератору ЛГ, в який через теплообмінник Т4 подають солену ша хтн у воду по трубам 17 і 13. Холодне повітря, барботуючи через шар соленої води, перетворює частину й в лід. При цьому повітря нагрівається до -2°С (каналі 2) і при такий температури через сепаратор C 0 по каналу 25 прямується в Т0, прогрівається в ньому до 70 ¸ 80°С і з такою температурою по каналу 28 і приточний стовбур ПС прямується в безлюдну шахту, збільшуючи її температуру для збільшення газовіддачи. Після Т1 (0°С) по ходу повітря по каналу 4 є сепаратор С, в якому в крапельному стані відділяється основна маса води, яка була в повітрі після Аб. Залишкова частина у вигляді льоду осаджується на холодних поверхнях Т2 і Т 3, Цей лід треба періодично удаляти (зупинкою роботи і отогрівом Т2 і Т3 або виконанням їх у вигляді двох секцій або регенераторів з насадкою, працюючих почергово). Холода детандування метано-повітряної суміші недостатньо з огляду її малого тиск) для відводу значної теплоти адсорбції (при концентрації метану більш 2%). Тому суміш в Т 1 додатково охолоджують до 0°С за допомогою ХМ. Високооборотний турбоагрегат ТА має компресор К (наприклад, турбо), що насаджений на одному валу з детандером Д (турбо). З огляду того, що Д повертає тільки 25% роботи, яка була витрачена в К, цей ТА забезпечений компенсуючим електродвигуном Ед. Після зарядження адсорбера Ад метаном здійснюється його розрядження-десорбція. Через теплообмінник 21, який вбудований в Ад, пропускається гаряче повітря з температурою 100 ¸ 140°С після компресору К (по каналу 19), яке потім повертають по каналу 29, міжтрубну просторинь теплообмінника Т3 і каналу 20 для переробки у дно абсорбера Аб, Тиск в Ад знижується до 10 ¸ 20 кПа вакуум-насосом ВН, причому вилучений метан далі стискують компресором Квн До тиску реалізації. В тр убчастий просторищ теплообмінника Т5 при температурах 40 ¸ 50°С випаровується агент теплосилової установки, який потім розширюється в турбіні Ту, генеруючи електроенергію в електрогенераторі Ег, а потім конденсується в теплообміннику Т6 при температури +5, розплавляючи лід, що поступає в карман СПК, і таким чином готує видачн у талу чисту воду. Схема РШВП-ЛО на Фіг.15 має одну ступень адсорбції в протилежність схеми РШВП-ЛС на Фіг.14, що має 2 ступені адсорбції. Це має ту позитивну якість, що увесь процес адсорбції діється на стороні високого тиску, що збільшує поглинання метана адсорбентом і значно зменшує капітальні витрати. Той недолік, що є при цьому збільшення температури нагріву повітря в процесі адсорбції - переборюється як більшим зниженням температури повітря перед Ад (до - 40°С), так і зменшенням регулюємої концентрації метану в цьому повітрі (не до 3%, а до 2%). Схема РШВП-ЛО вимагає більше холода (на попутне опріснення соленої води), що досягається більшим тиском повітря після компресора К (не 150кПа, а 200кПа), але вона в загальному плані більш економічна. Наприклад при переробки 5000т/добу соленої шахтної води додатковий прибуток від реалізації чистої талої питної води високої якості по ціні лише 2коп/л (тобто 3,8дол/т) (примітка: середня світова ціна чистої питної води є 40дол/т; ціна очищеної води в Одесі є 20коп/л, тобто 3 дол/т; ціна привозної води в деяких селища х на узбережжі Криму є 60коп/л, тобто 111дол/т) оцінюється не менш як 3млн.дол/рік. Якщо приставити до РШВП-ЛО додатковий пристрій - роздільник розсолу на воду і сухі солі (див., наприклад, патент України №53239 А, Смірнов Л.Ф., «Спосіб опріснення і концентрування водних розчинів багатоступеневим виморожуванням та багатоступеневий виморожуючий опріснювач-концентратор для його здійснення»), то другий додатковий прибуток може принести також як реалізація сухих солей (CaSО4 і СаСО3 - для виробництва будівельних матеріалів, NaCI - харчова сіль високої якості марки «Екстра»), так і насичених розчинів (карналіта MgCl2×6Н2О і бишофита КСl×MgCl2×6H2О) - сировини для отримання магнія. В умовах малої концентрації метану у дегазаційному повітрі (нижче 8% масових), недостатньої для його ефективного вилучення в установках РШДВ-R або РШДВ-ТК, це дегазаційне повітря підмішують у потік вентиляційного повітря (канал 2, Фіг.12) перед процесом очищення цього повітря від вугільного пилу та вуглекислого газу і процес вилучення метану ведуть в РШВП-Д. Таким чином, запропонована пропозиція СИСТЕМНО в комбінованих термодінамично оптимизованих пристроях вирішує проблеми вилучення шахтного метану і його конденсування у випадках: - будь якої концентрації метану у шахтному повітрі; - будь яких витрат ша хтного повітря; - будь яких концентрацій домішок до метано-повітряної суміші - волога, СО2 , етан у, пропану, бутанів; - будь яких потреб, які виникають при комерційній реалізації вилученого метану - продаж по місту добування метану або після транспортування на інше місце; продаж - у вигляді нестиснутого газу або у конденсованому вигляді - стиснутому до 10 ¸ 40 МПа (і вище-до 550МПа, якщо буде потреба в майбутньому), зрідженому або газогідратному стані; транспортуванні - у зрідженому або газогідратному стані. Поруч з вилученням метану пропозиція СИСТЕМНО вирішує суто екологічні проблеми при вугледобичи - зменшення викиду озоноруйнуючого газу - метану, очищення соленої шахтної води и зменшення її зливу в о точуюче середовище. Крім того пропозиція СИСТЕМНО вирішує проблему охолодження шахти, особливо глибокої, що покращує умови роботи шахтарів і зменшує ризик вибухів метану.

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for extraction and condensing mine methane and combined installation for its implementation (versions)

Автори англійською

Smirnov Leonard Fedorovych

Назва патенту російською

Способ извлечения и конденсации шахтного метана и комбинированная установка для его осуществления (варианты)

Автори російською

Смирнов Леонард Федорович

МПК / Мітки

МПК: E21B 43/00

Мітки: комбінована, установка, конденсування, метану, спосіб, варіанти, шахтного, здійснення, вилучення

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/27-69591-sposib-viluchennya-i-kondensuvannya-shakhtnogo-metanu-ta-kombinovana-ustanovka-dlya-jjogo-zdijjsnennya-varianti.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб вилучення і конденсування шахтного метану та комбінована установка для його здійснення (варіанти)</a>

Подібні патенти