Установка очистки газов

Установка очистки газов (природного, попутного нефтяного и др.), в том числе низкого давления, от высококипящих углеводородов, влаги, и при необходимости, от сернистых соединений, включая сероводород, может применяться в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности. Установка содержит вертикальный жидкостно-газовый инжектор со сменным соплом кольцевого сечения, установленный на сепаратор с заземленными двухтрубными опорами, которое одновременно выполняют функцию холодильника рабочей жидкости (РЖ), циркуляционный контур с центробежным насосом (ЦБН), эжектором для подпитки РЖ, холодильником труба в трубе, эжектором для подачи, при необходимости, известного реагента в РЖ - воду. Водный раствор реагента поступает в сопло и при истечении в форме кольцевой струи в струйно-капельном (в форкамере), газо - жидкостноэмульсионном (в рабочей камере и конфузоре) и пенном (в сепараторе) состояниях реагирует с большой скоростью избирательно и необратимо с сероводородом и меркаптанами в газе. При этом жидкие продукты реакции удаляются из сепаратора как готовый продукт на использование. Сепаратор содержит два кольцевых коллектора для удаления скопившегося конденсата углеводородов и вывода и подачи РЖ в ЦБН. Газ, пройдя через специальные фильтры, подается в однотрубный вихревой аппарат (ВА), реализующий эффект Ранка-Хильша, для его более гонкой очистки от высококипящих углеводородов и влаги. ВА включает в одном корпусе вихревую трубу с трубами холодного и горячего потоков с винтовым закручивающим устройством трубчатый холодильник, конденсационно-сепарирующие узлы, узлы регулирования соотношения горячего и холодного потоков и расхода газа при его колебаниях для сохранения оптимального режима работы ВА. Очищенный и объединенный внутри ВЛ газ проходит холодильник в циркуляционном контуре, охлаждая РЖ, и уходит как готовый продукт.

Таким образом, несложная в аппаратурно-технологическом оформлении установка позволяет производить предварительную очистку газов от конденсирующихся компонентов, удалять из газов сероводород и меркаптаны, компримировать и транспортировать газ в инжекторе сепаратора и выполнять более глубокую очистку в ВА.

Полезная модель относится к устройствам - установкам для очистки газов (природного попутного нефтяного и др.) в том числе и низкого давления от высококипящих углеводородов, влаги и, при необходимости, от сернистых соединений, включая сероводород. Установка предназначена для использования в газо- и нефтедобывающей и нефтехимической отраслях промышленности.

Известны установки для компримирования и подачи в систему газосбора попутных нефтяных газов концевых ступеней сепарации нефти с помощью жидкостно-газового инжектора с многоствольным соплом (см. Васильев Ю.Н., Гладков Е.П. «Экспериментальное исследование вакуумного водо - воздушного эжектора с многоствольным соплом» в сб. «Лопаточные машины и струйные аппараты», вып.5, из-во «Машиностроение», 1971, с.262-306), включающие циркуляционный контур с центробежным насосом, емкости- сепараторы, холодильники (см. книгу К.Г..Донец «Гидроприводные струйные компрессорные установки» - М.: Недра, 1990, с.158-169)

Недостатками известных установок является:

- низкие степени осушки от водяных паров и удаления из газа высококипящих углеводородов;

- не выделяется для использования как самостоятельный продукт углеводородный конденсат;

- наличие отдельных, самостоятельных аппаратов (емкостей, сепараторов, холодильников и др.) с измерительными и контролирующими приборами;

- холодильники требуют самостоятельного использования охлаждающего агента;

- не обеспечивает очистку газов от сернистых соединений. Известен контактный аппарат в котором использован инжектор с соплом кольцевого сечения (см. А.С. 177846, 1965, Бюл №2, 1966) па основе которого и выполненных сопоставительных исследований (ж. «Химическая промышленность», 1969, №3, с.69-70) был разработан, изготовлен и положительно испытан в промышленных условиях в составе установки

опытно - промышленный образец инжекционного абсорбера, содержащего вертикальный цилиндрический корпус с контактной тарелкой из 73 инжекторов со встроенным сепаратором и патрубками ввода и вывода газов и рабочей жидкости. Установка включала инжекционный абсорбер, циркуляционный контур с центробежным насосом и фильтрующей емкостью (ж. «Химическая промышленность», 1982, №2, с.61).

Недостатками данной установки являются:

- сложная контактная тарелка с малыми многочисленными инжекторами;

- отдельно стоящая емкость- фильтр;

- применительно к компримированию и очистке природного, попутного нефтяного газов потребуется значительная реконструкция абсорбера и инжекторов;

- установка кроме компримирования не обеспечит требуемой очистки-осушки газов и удаление углеводородного конденсата.

Требуемую очистку газов можно достичь, использую вихревую трубу, реализующую эффект Ранка - Хильша.

Известна вихревая установка для подготовки попутного нефтяного газа нефтедобычи к транспорту («Химическое и нефтегазовое машиностроение», 2000, №7, с.16), содержащая трехпоточную вихревую трубу (ТВТ), сепараторы, теплообменник и соответствующую трубную обвязку. ТВТ имеет ввод газа, вывод конденсата отделенного от газа внутри аппарата, выводы холодной и горячей составляющей. В ТВТ использовано тангенциальное закручивающее устройство (ТЗУ) с элементом, регулирующим расход исходного газа.

Недостатками установки являются:

- относительно сложное аппаратурное оформление; самостоятельные сепараторы и теплообменник для охлаждения исходного газа холодным потоком;

- для эффективной работы требует наличие давление исходного газа;

- клиновидный элемент со штоком в ТЗУ для регулирования расхода (см. Патент РФ №203590 Бюл. №15, 1995), находясь в газовом канале, нарушает аэродинамику движения газа в ТЗУ;

- возможные проскоки конденсата в горячий поток газа при перфорации горячей трубы;

- при кольцевой щели в горячей трубе трудно обеспечить соостность частей трубы;

- установка не обеспечивает очистку газов от сернистых соединений.

Для удаления из газов сернистых соединений, включая сероводород, используется, как правило, методы химического их связывания с реагентом. В практике нефтедобычи для этого в установках используются в качестве реагентов водные растворы моно- и диэтаполамина и др.(см. книгу Т.М.Бекиров «Промысловая и заводская обработка природных и нефтяных газов», М.: «Недра», 1980, с.124-139).

Недостатками установок являются:

- обратимость химических реакций взаимодействия сернистых соединений с реагентами;

- сложное аппаратурное оформление, включая аппаратуру регенерации насыщенных химсорбентов.

Известно «Средство для удаления сероводорода и меркаптанов из газов, нефти,...» (см. Патент РФ №2241668, Бюл №34 2004), представляющее собой водный раствор реагента ГОАДЭ общей формулой C₄H ₉NO₂. Водный раствор ГОАДЭ с высокой скоростью вступает в необратимую реакцию с сернистыми соединениями избирательно по отношению к сероводороду и меркаптанам. При этом продукты взаимодействия реагента с сернистыми соединениями используют как товарный продукт.

На основе перечисленных недостатков известных процессов очистки газов и рассмотрения реагентов для удаления сернистых соединений формулируются следующие технические задачи полезной модели:

1. Очистка газов от влаги, высококипящих углеводородов и, при необходимости, от сернистых соединений, включая сероводород,

на единой установке с упрощенным аппаратурным оформлением, используя эффекты инжекции температурного разделения газа (эффект Ранка-Хильша), и известного реагента для избирательного (при необратимой реакции) удаления из газов сернистых соединений.

2. Обеспечение возможности повышения давления исходного низконапорного газа, необходимого для работы вихревого аппарата, позволяющего получить газ требуемого качества и углеводородный конденсат для полезного использования.

3. Обеспечение возможности регулирования расхода газа в вихревом аппарате при изменении расхода исходного газа для сохранения оптимального режима его работы и регулирование режима работы вихревой трубы.

Поставленные задачи решаются тем, что установка включает жидкостно-газовый инжектор с циркуляционным контуром и, дополнительно, однотрубный вихревой аппарат; при этом инжектор скомпонован в единый аппарат с трубчатым холодильником, сменной втулкой сопла кольцевого сечения, газожидкостным сепаратором (далее сепаратор), установленным (с инжектором) на заземленные двухтрубные опоры, выполняющих одновременно функцию холодильника рабочей жидкости; сепаратор при этом снабжен внутри стаканом- фильтром, двумя кольцевыми коллекторами с выводными патрубками (для углеводородного конденсата и рабочей жидкости), а патрубок вывода газа - каплеотбойником; циркуляционный контур за центробежным насосом имеет эжектор подпитки рабочей жидкости, холодильник труба в трубе, эжектор подачи реагента для удаления сернистых соединений из газов; вихревой аппарат содержит корпус с верхней крышкой и нижней крышкой - конденсатосборником, верхней и нижней перегородками, образующими с корпусом камеры последовательно холодного потока, приемную и общую; вихревую трубу по оси аппарата с трубами холодного и горячего потоков; при этом труба горячего потока с цилиндро - конической втулкой на верхнем конце закреплена в нижней перегородке; один конец трубы холодного потока с

винтовым закручивающим устройством установлен в цилипдро - коническую втулку, а другой конец с крестовиной со стержнем пропущен через сальник в верхней перегородке, а стержень пропущен через сальник в верхней крышке в механизм их перемещения; между перегородками установлены трубки, соединяющими пространство камеры холодного потока с пространством общей камеры; на определенном расстоянии от винтового закручивающего устройства труба горячего потока содержит две пары поперечных прорезей противоположных друг другу и смещенных вдоль оси относительно друг друга; при этом пространство через щели сообщается с кольцевой камерой вокруг трубы, выводные каналы которой подведена в зазор между стенкой корпуса и тонкостенным цилиндром, опущенного до начала нижней крышки - кондепсатосборника; выход трубы горячего потока снабжен соплом, а тонкостенный цилиндр снабжен конфузарно - диффузорным элементом, которые образуют инжектор; при этом на конце диффузора закреплен конденсатоотводник в виде капала полукруглого сечения, свернутого в спираль до начала нижней крышки - конденсатосборника; перед соплом в трубу горячего потока установлена крестовина с трубкой по оси, а за соплом по оси установлен подвижный клапан со стержнем, проходящим через трубку крестовины и нижнюю крышку - копденсатосборника вне аппарата и входящим в механизм его осевого перемещения; патрубок вывода газа сепаратора соединен трубопроводом с патрубком ввода приемной камеры вихревого аппарата; далее патрубок вывода газов вихревого аппарата соединен с патрубком ввода холодильника труба в трубе.

На фиг.1 представлена принципиальная схема установки очистки газов с общим видом инжектора, сепаратора с опорами и вихревого аппарата (ВА).

На фиг.2 дан продольный разрез инжектора и сепаратора с опорами.

На фиг.3 дан продольный разрез ВА.

На фиг.4 дан вид ВА по А-А.

На фиг.5 дан вид ВА по В-В.

Установка очистки гзов (см. фиг.1) включает жидкостно-газовый инжектор 1, вихревой аппарат 2, сепаратор 3 с заземленными опорами,

циркуляционный контур с центробежным насосом 4, с эжектором 5, холодильником труба в трубе 6, эжектором 7, емкость для реагента 8, газовый трубопровод 9.

Инжектор (см. фиг.2) включает камеру рабочей жидкости 1.1. с патрубком его ввода 1.2, перегородку 1.3, газовую камеру с патрубком 1.4, трубки 1.5, корпус сопла 1.6, сменную втулку сопла 1.7 образующую кольцевое сечение сопла, форкамеру 1.8, конфузор 1.9, рабочую камеру 1.10, диффузор 1.11. Инжектор диффузорной частью устанавливается в сепаратор 3.1 через крышку 3.2. Сепаратор включает заземленные опоры 3.3 являющимися одновременно холодильником для рабочей жидкости и состоящие из наружных заглушенных с нижнего конца труб 3.3 и внутренних труб 3.4, открытых с нижнего конца и верхним концом соединяющихся с кольцевым коллектором 3.5 с выводным патрубком рабочей жидкости 3.6. Сепаратор 3.1 снабжен внутри круговым стаканом-фильтром 3.7, снаружи которого установлен в средней части сепаратора кольцевой коллектор 1.8 с патрубком вывода конденсата 1.9. Сепаратор имеет патрубок 3.10 вывода газа с фильтром 3.11, патрубок 3.12 вывода продуктов взаимодействия реагента с сернистыми соединениями; патрубок 3.13 служит для слива рабочей жидкости из сепаратора.

Вихревой аппарат (см. фиг.3) содержит корпус 2.1, верхнюю крышку 2.2 и нижнюю крышку - конденсатосборника 2.3 с фланцами, патрубки ввода 2.4 и вывода 2.5 газов и вывода 2.6 конденсата, перегородки неподвижною 2.7 и съемную 2.8, образующие с корпусом 2.1 камеры приемную 2.9 и холодного потока 2.10, а также между неподвижной перегородкой 2.7 и нижней крышкой - конденсатосборником 2.3 общую камеру 2.11, вихревую трубу с трубами горячего 2.12 и холодного 2.13 потоков.

Труба горячего потока с цилиндроконической втулкой 2.15 на конце закреплена в нижней перегородке 2.7; один конец трубы холодного потока 2.13 с винтовым закручивающим устройством (ВЗУ) 2.14 установлен в цилиндроконическую втулку 2.15, а другой конец с крестовиной 2.16 со стержнем 2.17 (см. фиг.6) пропущен через сальник 2.26 в верхней перегородке

2.8, а стержень пропущен через сальник в верхней крышке 2.10 в механизм их перемещения 2.18.

К конденсанионно - сепарирующим узлам ВА относятся (см. фиг.3.4 и 5) - трубы 2.19, приваренные по окружности в неподвижной перегородке 2.7, (см. фиг.2). Сверху на трубы 2.19 и трубу холодного потока 2.13 одевается перегородка 2.8 и герметизируется сальниками 2.20 и 2.26; перегородка зажимается между фланцами корпуса 2.1 и крышки 2.2. Трубки 2.19 соединяют пространства камеры холодного потока 2.10 и общей камеры 2.11; на трубе горячего потока выполнены две пары поперечных прорезей 2.21 и 2.22 (см. фиг.3) противоположно друг другу на расстоянии (1,25÷1,45) d (d-внутренний диаметр трубы) от среза ВЗУ, выполненные на ширину угла 90° от оси и смещенные относительно друг друга на 90° и расположенные в направлении оси на расстоянии (0,15÷0,25) d; пространство горячей трубы через прорези сообщено с кольцевой камерой 2.23 снаружи горячей трубы 2.12, выводные каналы 2.24 которой подведены в зазор между стенкой корпуса и тонкостенным цилиндром 2.25, опущенного до начала нижней крышки - конденсатосборника 2.3; выход трубы горячего потока снабжен соплом 2.27, а тонкостенный цилиндр 2.25 снабжен: конфузорно - диффузорным элементом 2.29, которые совместно образуют инжектор; при этом на конце диффузора закреплен конденсатоотводник 2.30 в виде канала полукруглого сечения, свернутого в спираль до начала нижней крышки - конденсатосборника 2.3 и выведенного за перегородку 2.28.

Для удаления конденсата из приемной камеры 2.9 на цилиндроконической втулке выполнены прорези 2.32 на уровне перегородки 2.7.

Для работы установки (см. фиг.1. 2. 3) сепаратор 3.2 заливается до определенного уровня рабочая жидкость (РЖ), в качестве которой обычно используется вода или рассол для зимних условий. При включенном центробежном насосе 4 (ЦБН) рабочая жидкость проходит заземленные опоры 3.3, являющимися одновременно двухтрубными холодильниками 3.3 в начале по большим продольно-оребленным трубам, охлаждаясь за счет холодного

грунта, затем по внутренним трубам 3.4 и через коллектор 3.5 и выходной патрубкой 3.6 и трубопровод поступает в ЦБН 4, который прокачивает РЖ через холодильник труба в трубе 6. Охлаждающим агентом служит холодный газ из вихревого аппарата (ВА) 2 или захоложенная вода из артезианской скважины. Далее РЖ через патрубок 1.2 поступает в камеру 1.1 (см. фиг.2) и по патрубкам 1.5 в корпус сопла 1.6. Сменная втулка 1.7 образует сопло кольцевого сечения. Меняя наружный диаметр втулки, можно изменить и расход РЖ через кольцевое сопло. Истекающая из сопла кольцевая струя увлекает, всасывает газ как внешней, так и внутренней сторонами. Исходный газ поступает через патрубок 1.4 в газовую камеру, теплообменниваясь с РЖ через патрубки 1.5, откуда газ через сменную втулку и отверстия в перегородке 1.12 попадает в форкамеру 1.8 далее в конфузор 1.9, рабочую камеру 1.10 и диффузор 1.11. При истечении РЖ из кольцевого сопла образуется при разрушении струи двухсторонний кольцевой веер из струй и капель и на некотором расстоянии от сопла заполняется все сечение по диаметру распавшийся кольцевой струи, способствующее захвату и транспортированию большого количества газа, благодаря подсасыванию газа и по внутреннему каналу сопла. Из рабочей камеры 1.10 и диффузора 1.11 газожидкостная эмульсия истекает на поверхность РЖ в сепараторе 3.1 создавая «кипящую» пену. Диспрегированная холодная жидкость в газе, газожидкостная эмульсия и подвижная пена способствует конденсации части высококипяших углеводородов и более тесному контакту, взаимодействию реагента с сернистыми соединениями. Описанные явления происходят в зоне сетчатого стакана фильтра. Газ проходит через поверхность фильтра, освобождаясь от капель, а пена разрушается и не проходит вне фильтра; возможные механические примеси оседают на дно стакана. Далее сжатый газ удаляется вне сепаратора 3 через дополнительный фильтр 3.11 и патрубок 3.10. Для использования инжектора 3 как реактора в установке предусмотрена емкость 8 для реагента и инжектор 7 для приготовления его водного раствора и подачи в инжектор 3 (см. фиг.1), в котором происходит взаимодействие раствора с сернистыми соединениями. Дополнительное контактирование и связывание

сернистых соединений происходит и в сепараторе 3. Для подпитки рабочей жидкости и компенсации удаленного через патрубок 3.12 продуктов реакции служит ижектор 5. После сепаратора газ поступает, при необходимости дополнительной очистки - осушки газа от конденсирующихся компонентов вихревой аппарат 2.

Вихревой аппарат работает следующим образом:

Сжатый исходный газ, содержащий конденсирующие примеси, например высококипящие углеводороды и влагу, поступает в приемную камеру 2.9 через тангенциальный патрубок ввода 2.4, омывая трубу холодного потока 2.13 и трубки 2.19 с потоком охлажденного газа из камеры холодного потока 2.10.

Сжатый газ поступает в винтовые каналы ВЗУ 14, захватывая внесенный и образовавшийся конденсат через прорези 2.32. Разгоняясь до звуковых скоростей уже в винтовых каналах, начинается температурное разделение и активная конденсация высококипящих паров, продолжающаяся после истечения струй из каналов ВЗУ. Жидкая пленка конденсата, достигнув поперечных прорезей 2.21, 2.22, удаляется через них в кольцевую камеру 2.23, откуда через каналы 2.24 попадает в зазор между цилиндром 2.25 и корпусом 2.1 и стекает в нижнюю крышку - конденсатосборник 2.3 и уходит через патрубок 2.6 вне аппарата.

Режим работы ВА обеспечивается посредствам клапана 2.33 совмещенного со стержнем 2.34 и механизмом их перемещения по оси ВА. Прикрывая клапаном 2.33 выход сопла 2.27, увеличивается течение осевого холодного потока в диахрагмовое отверстие ВЗУ 2.14 далее в камеру холодного потока 2.10, трубки 2.19 и в общую камеру 2.11. Центровка клапана происходит благодаря движению стержня 2.34 по осевой трубке 2.36 крестовины 2.35.

Для обеспечения оптимальной работы ВА при изменении расхода газа выходное сечение ВЗУ регулируется посредствам совместного перемещения ВЗУ 2.14, трубы холодного потока 2.13, крестовины 2.16, стержня 2.17 с помощью механизма их перемещения 2.18 (см. фиг.3, 6). При перемещении ВЗУ вниз по цилиндроконической втулке 2.15 когда срез его окажется ниже

цилиндрической части втулки происходит увеличение выходного сечения, т.е. увеличение расхода газа через ВА.

Горячий поток, имея больший уровень давления, претерпев раскрутку в крестовине 2.32 истекает из сопла 2.27 и инжектирует холодный поток из общей камеры 2.11. Смешанный очищенный и осушенный поток выводится из ВА через патрубок 2.5 и пропускается через холодильник труба в трубе в циркуляционном контуре, отдавая холод РЖ и направляется потребителю. Конденсат не выведенный через прорези 2.21 и 2.22 и внесенный с холодным потоком с помощью конфузорно - дуффузорного узла 2.29 собирается в конденсатоотводчике 2.30 и стекает по винновому каналу в нижнюю крышку - конденсатосборник 2.3 и удаляется через патрубок 2.6 на использование.

Таким образом предлагаемая полезная модель установки позволит реализовать поставленные выше технические задачи.

Установка очистки газов (природного, попутного нефтяного и др.), в том числе низкого давления, от высококипящих углеводородов, влаги, при необходимости, от сернистых соединений, включая сероводород, содержит инжектор жидкостно-газовый, циркуляционный контур с центробежным насосом, холодильниками и сепараторами, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит вертикальный однотрубный вихревой аппарат, при этом инжектор скомпонован в единый аппарат с трубчатым холодильником, сменной втулкой сопла кольцевого сечения, газожидкостным сепаратором, установленным (с инжектором) на заземленные двухтрубные опоры, выполняющих одновременно функцию холодильника рабочей жидкости, сепаратор при этом снабжен внутри круговым стаканом-фильтром, двумя кольцевыми коллекторами с выводными патрубками (для углеводородного конденсата и рабочей жидкости), а патрубок вывода газа - каплеотбойником, циркуляционный контур за центробежным насосом имеет эжектор подпитки рабочей жидкости, холодильник труба в трубе, эжектор подачи реагента для удаления сернистых соединений из газов, вихревой аппарат содержит корпус с верхней крышкой и нижней крышкой - конденсатосборником, верхней и нижней перегородками, образующими с корпусом камеры последовательно холодного потока, приемную и общую, вихревую трубу по оси аппарата с трубами холодного и горячего потоков, при этом труба горячего потока с цилиндроконической втулкой на конце закреплена в нижней перегородке, один конец трубы холодного потока с винтовым закручивающим устройством установлен в цилиндроконическую втулку, а другой конец с крестовиной со стержнем пропущен через сальник в верхней перегородке, а стержень пропущен через сальник в верхней крышке в механизм их перемещения, между перегородками установлены трубки, соединяющие пространство камеры холодного потока с пространством общей камеры, на определенном расстоянии от винтового закручивающего устройства труба горячего потока содержит две пары поперечных прорезей, противоположных друг другу и смещенных вдоль оси относительно друг друга, при этом пространство трубы через щели сообщается с кольцевой камерой вокруг трубы, выводные каналы которой подведены в зазор между стенкой корпуса и тонкостенным цилиндром, опущенного до начала нижней крышки - конденсатосборника, выход трубы горячего потока снабжен соплом, а тонкостенный цилиндр снабжен конфузорно-диффузорным элементом, которые образуют инжектор, при этом на конце диффузора закреплен конденсатоотводчик в виде канала полукруглого сечения, свернутого в спираль до начала нижней крышки конденсатосборника, перед соплом в трубу горячего потока установлена крестовина с трубкой по оси, а за соплом по оси установлен подвижный клапан со стержнем, проходящим через трубку крестовины и нижнюю крышку конденсатосборника вне аппарата и входящим в механизм его осевого перемещения, патрубок вывода газа сепаратора соединен трубопроводом с патрубком ввода приемной камеры вихревого аппарата, далее патрубок вывода газов вихревого аппарата соединен с патрубком ввода холодильника труба в трубе.