Пристрій для зрідження та сепарації компонентів газової суміші

Пристрій для зрідження та сепарації компонентів газової суміші, який складається з надзвукового сопла конфузорно-дифузорної форми, при цьому конфузорна частина сопла оснащена завихрювачем, а дифузорна частина - сепараційним пристроєм у вигляді кільцевої щілини між стінкою дифузорної частини сопла і вихідним дифузорним коаксіальним патрубком, який відрізняється тим, що у конфузорній частині сопла завихрювач розміщено так, що його крайній по потоку край співпадає з критичним перерізом сопла, а в дифузорній частині сопла по напрямку обертання потоку виконано тангенціальні щілини для попередньої сепарації, при цьому кут (α) конфузорної частини сопла знаходиться в межах 30 ÷60 °, а кут (β) дифузорної частини сопла не перевищує 4÷6 °. (11) UA обтічником, що призведе до ще більших гідравлічних втрат. Розміщення такого завихрювача вгору по потоку від сопла вирішить проблему з гідравлічними втратами, але призведе до іншої - різкого зменшення інтенсивності закрутки потоку під час його прискорення в критичному перерізі сопла, внаслідок різкого збільшення осьової складової швидкості потоку. Зменшення інтенсивності закрутки потоку в соплі також спричинить зменшення інтенсивності закрутки вниз по потоку від сопла, що призведе до зменшення ефективності сепарації крапель зріджених компонентів газу. Відома надзвукова труба для підготовки газу до дальнього транспортування (RU №2302590 С1, МПК F25B9/02, опубл. 10.07.2007р.), яка складається з сопла Лаваля, циклонного циліндричного сепаратора зі стрічковим завихрювачем, дифузора для відводу осушеного газу та дифузора для відводу зріджених компонентів газу. Кільцевий канал, що утворений дифузором для відводу зріджених компонентів і дифузором для відводу осушеного газу виконує роль сепараційного пристрою і каналу для відводу зріджених компонентів. (19) Винахід належить до кріогенної техніки і може використовуватись у нафтогазовій, хімічній, харчовій та інших галузях промисловості, де виникає необхідність у зрідженні та сепарації компонентів газової суміші. Відомий надзвуковий сепаратор (US 6776825 В2, Int. СІ. B01D51/08, опубл. 17.08.2004р.) для зрідження та сепарації компонентів газової суміші, що складається з сопла Лаваля, перед яким вгору по потоку встановлено аксіально-лопатковий завихрювач, а вниз по потоку сопло переходить у циліндричну трубу. Недоліком даного сепаратора є високі енергозатрати, що пов'язані зі значними втратами статичного тиску на аксіально-лопатковому завихрювачі з обтічником, оскільки наявність у завихрювача внутрішнього аксіального обтічника призводить до звуження проточного каналу в завихрювачі, і, відповідно, до додаткових гідравлічних втрат. Крім того, наявність у завихрювача внутрішнього аксіального обтічника не дозволяє розмістити завихрювач безпосередньо впритул до критичного перерізу сопла Лаваля, оскільки в такому випадку відбудеться його повне або часткове перекриття 97009 (13) C2 (21) a201003613 (22) 29.03.2010 (24) 26.12.2011 (46) 26.12.2011, Бюл.№ 24, 2011 р. (72) ЧЕБЕРДА ОЛЕКСІЙ ГРИГОРОВИЧ, СИНЮК БОРИС БОРИСОВИЧ, ДЯЧУК ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ, ТЮРІН ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ (73) ДОЧІРНЯ КОМПАНІЯ "УКРГАЗВИДОБУВАННЯ" НАЦІОНАЛЬНОЇ АКЦІОНЕРНОЇ КОМПАНІЇ "НАФТОГАЗ УКРАЇНИ" (56) RU 2167374 C1; 20.05.2001 CA 1089776 A1; 18.11.1980 RU 2139480 C1; 10.10.1999 EA 005482 B1; 24.02.2005 SU 1768242 A1; 15.10.1992 US 6513345 B1; 04.02.2003 CN 201212764 Y; 25.03.2009 2 3 Недоліком відомої надзвукової труби є низька ефективність сепарації зріджених компонентів завдяки наявності лише одного ступеня сепарації, а також його малій пропускній здатності. Окрім цього, розташування завихрювача в зоні надзвукових і трансзвукових швидкостей потоку, а також в зоні кріогенних температур спричиняє великі гідравлічні втрати і пред'являє особливі вимоги до матеріалу, з якого виготовляється завихрювач. Відомий пристрій для розділення компонентів газових сумішей (RU №2133137 С1, МПК B01D51/08, опубл. 20.07.1999p.), який складається з надзвукового сопла конфузорно-дифузорної форми і сепараційного пристрою, при цьому конфузорна частина сопла (форкамера) оснащена завихрювачем, а сепараційний пристрій виконаний у вигляді послідовно розташованих по напрямку потоку кільцевих щілин, що утворені між стінками дифузорної частина сопла і дифузорних коаксіальних патрубків. У даному пристрої відсутні недоліки вищезгаданої надзвукової труби, оскільки завихрювач розташовано у конфузорній частині сопла до прискорення та охолодження потоку. Слід також зазначити, що у даному пристрої не конкретизуються ні конструкція завихрювача, ні його точне місце розташування, а саме: впритул до критичного перерізу сопла чи на деякій відстані від нього. Крім того, послідовне розташування дифузорних коаксіальних патрубків призводить до того, що найбільше навантаження по рідині сприймає перша по потоку кільцева щілина сепараційного пристрою, а решта щілин, внаслідок появи зриву потоку з передньої кромки дифузорного патрубка під час його обтікання потоком, знаходяться в тіні попередніх дифузорних патрубків, що перешкоджає потраплянню в них крапель зріджених компонентів газу і зменшує їх ефективність сепарації. Найбільш близьким аналогом до запропонованого винаходу є пристрій для зрідження газу (RU №2167374 С1, МПК F25J3/06, опубл. 20.05.2001p.), який складається з надзвукового сопла конфузорно-дифузорної форми, при цьому конфузорна частина сопла оснащена завихрювачем, а дифузорна частина - сепараційним пристроєм у вигляді перфорації у стінках сопла та кільцевою щілиною між дифузорною частиною сопла і вихідним дифузорним коаксіальним патрубком. У порівнянні з вищеописаним пристроєм, ефективність сепарації даного пристрою більша за рахунок використання додаткового ступеня сепарації у вигляді перфорації в дифузорній частині сопла, який також розвантажує по рідині кільцеву щілину. Недоліком цього пристрою є вибір перфорації в дифузорній частині сопла як додаткового сепараційного ступеня. Характер руху плівки зріджених компонентів газу в даному пристрої такий, що її потрапляння у перфорацію відбувається лише завдяки дії відцентрових сил і різниці статичних тисків у відповідному перерізі дифузорної частини сопла та за його межами. Крім того, напрямки руху плівки в дифузорній частині сопла та в перфорації 97009 4 знаходяться під прямим кутом між собою, що зменшує сепараційні характеристики перфорації. Слід також зазначити, що у даному пристрої не конкретизується місце розташування завихрювача у конфузорній частині сопла, а саме: впритул до його критичного перерізу чи на деякій відстані від нього. Ця особливість розміщення завихрювача значно впливає на інтенсивність закрутки потоку в критичному перерізі сопла, а потім і в його дифузорній частині, де власне і відбувається формування крапель зріджених компонентів газу та їх просування до внутрішньої поверхні сопла завдяки дії відцентрових сил. Технічною задачею винаходу є збільшення ефективності роботи пристрою для зрідження та сепарації компонентів газової суміші за рахунок зменшення гідравлічних втрат у конфузорній частині сопла, забезпечення безвідривного плину потоку в дифузорній частині сопла, утримання заданої інтенсивності закрутки потоку в критичному перерізі сопла, збільшення ступеня вилучення цільових компонентів з газу, а також розширення його робочого діапазону навантажень по рідині за рахунок розвантаження сепараційного пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для зрідження газу, який складається з надзвукового сопла конфузорно-дифузорної форми, при цьому конфузорна частина сопла оснащена завихрювачем, а дифузорна частина - сепараційним пристроєм у вигляді кільцевої щілини між стінкою дифузорної частини сопла і вихідним дифузорним коаксіальним патрубком, згідно з заявленим технічним рішенням, у конфузорній частині сопла завихрювач розміщено так, що його крайній по потоку край співпадає з критичним перерізом сопла, а в дифузорній частині сопла по напрямку обертання потоку виконано тангенціальні щілини для попередньої сепарації, при цьому кут (α) конфузорної частини сопла знаходиться в межах 30÷60°, а кут (β) дифузорної частини сопла не перевищує 4÷6. Технічним результатом винаходу є зменшення гідравлічних втрат пристрою в його конфузорній частині сопла завдяки виконанню конфузора з кутом α=30÷60°, який забезпечує максимальне значення коефіцієнта витрат (продуктивності) пристрою. Виконання дифузорної частини сопла з кутом β=4÷6° дозволить запобігти відриву потоку з внутрішньої стінки дифузорної частини сопла, що сприяє формуванню та просуванню плівки рідини на її внутрішній поверхні, а також її відділенню в сепараційному пристрої. Крім того, виконання дифузорної частини сопла з кутом β=4÷6° збільшує довжину шляху та час перебування газової суміші в зоні низьких температур, що дозволить збільшити ступінь зрідження та вилучення цільових компонентів з газу. Розміщення у конфузорній частині сопла завихрювача таким чином, щоб його крайній по потоку край співпадав з критичним перерізом сопла дозволить не зменшити, а утримати інтенсивність закрутки потоку в критичному перерізі сопла такою, як вона була сформована у його конфузорній частині, що значно сприяє збільшенню ефективності сепарації пристрою. Технічним результатом винаходу є також розширення робо 5 чого діапазону навантажень по рідині пристрою для зрідження та сепарації компонентів газової суміші завдяки виконанню в дифузорній частині сопла по напрямку обертання потоку тангенціальних щілин для попередньої сепарації, що значно розвантажує сепараційний пристрій та запобігає виникненню вторинного винесення рідини. На Фіг.1 зображений повздовжній переріз запропонованого пристрою для зрідження та сепарації компонентів газової суміші, а на Фіг.2 - його поперечний переріз дифузорної частини сопла, де виконані тангенціальні щілини для попередньої сепарації. Запропонований пристрій складається з надзвукового сопла 1 конфузорно-дифузорної форми і сепараційного пристрою у вигляді кільцевої щілини 2, яка утворена між стінкою дифузорної частина сопла 1 і вихідним дифузорним коаксіальним патрубком 3, при цьому конфузорна частина сопла 1 оснащена завихрювачем 4, а в дифузорній частині сопла 1 по напрямку обертання потоку виконані тангенціальні щілини 5 для попередньої сепарації. Пристрій для зрідження та сепарації компонентів газової суміші працює таким чином. З трубопроводу газова суміш подається в конфузорну частину сопла 1, де вона, рухаючись у напрямку критичного перерізу сопла 1, постійно прискорюється. Завдяки завихрювачу 4 перед входом в сопло 1 газова суміш здобуває поступальнообертальний рух, який також прискорюється у міру наближення до сопла 1 і в його критичному пере Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 97009 6 різі набуває швидкості, що відповідає числу Маха М=1. Потім вниз по потоку в безпосередній близькості від критичного перерізу сопла 1 газ розширюється і прискорюється до М=1,3÷1,5, при цьому зменшується тиск і температура газу, що призводить до зрідження щонайменше деяких компонентів газової суміші. Ступінь охолодження і, відповідно, зрідження газу збільшується у міру віддалення потоку від критичного перерізу сопла 1 та у відповідному перерізі набуває максимального значення. Час перебування газу в зоні низьких температур складає всього декілька мілісекунд, що перешкоджає гідратоутворенню у випадках, коли пристрій використовується в нафтогазовій промисловості. Під впливом відцентрових сил закрученого потоку краплі зріджених компонентів рухаються по конічній траєкторії від повздовжньої осі потоку до внутрішньої стінки дифузорної частини сопла 1, де частина утвореної таким чином плівки та крапель зріджених компонентів відділяється через тангенціальні щілини 5 для попередньої сепарації, а решта відділяється через кільцеву щілину 2 між дифузорною частиною сопла 1 і вихідним дифузорним коаксіальним патрубком 3. Після цього очищений газ гальмується у вихідному дифузорному коаксіальному патрубку 3, що супроводжується підвищенням його статичного тиску і температури, та відводиться в трубопровід, а відділена рідина відводиться в ємність для збору відсепарованої рідини. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601