Проточный реактор для осушки природного газа

Проточный реактор для осушки природного газа содержит трубопровод (1,2) и устройство физического воздействия на газовый поток электромагнитной волной ультрафиолетового диапазона в интервале длин волн 130-200 нанометров, включающее сосуд (6) из кварцевого стекла, заполненный ксеноном (7) и источник энергии, в качестве которого выбран источник СВЧ энергии (5), связанный через устройство ввода энергии (4) с СВЧ резонатором (3), встроенным в трубопровод (1,2). При этом сосуд (6) расположен внутри резонатора (3). Технический результат заключается в повышении эффективности осушки газа, структурном сокращении технологии.

Изобретение относится к газовой промышленности и используется при промысловой и заводской подготовке природного газа к магистральному транспорту по трубопроводам.

Необходимым условием снижения транспортных потерь и обеспечения надежности подачи к потребителю является подготовка газа к дальнему (магистральному) транспорту в соответствии со стандартами (в России ОСТ 51.40-93). Одним из основных условий является обеспечение однофазного состояния транспортируемой по магистральным трубопроводам газовой среды. В качестве показателя качества газа регламентируются точки росы газа по водной фазе и углеводородам. Точка росы по влаге - это та температура газовой смеси, при которой газ становится насыщенным водяными парами при заданном значении давления в трубопроводе. Дальнейшее и даже малое снижение температуры приводит к конденсации водяных паров, а в некоторых случаях образование льда и/или газовых гидратов, которые нарушают условия нормальной транспортировки продуктов по трубопроводам. Таким образом, цель подготовки природного и попутного нефтяного газа к транспортировке - осушка газа от паров воды до определенного уровня и выделения из газа тяжелых углеводородов.

В зависимости от характеристик добываемого газа и конкретных условий его переработки используют способы осушки, основанные на удалении воды из состава смеси под действием внешнего физического воздействия, основанные на охлаждении газа и физико-химическом отделении с помощью адсорбентов (абсорбентов).

Известен и широко используется в промысловых и заводских условиях способ низкотемпературной сепарации (НТС) природного газа газоконденсатных месторождений путем охлаждения газа до температуры ниже точки росы по воде и последующего удаления сконденсированной влаги с использованием в качестве холодопроизводящего процесса расширения газа.

Известна осушка газа путем охлаждения с использованием хладоагентов (аммиак, пропан, этан, смеси углеводородов [Т.М.Бекиров, Г.А.Лангаков Технология обработки газа и конденсата / М.: Недра, 1999, с.325], рекуперируемым по обычному холодильному циклу с помощью компрессоров. Используют охлаждение газа посредством изоэтропийного (детандирование) расширения газа [Грищенко А.И., Истомин В.А., Кульков А.Н., Сулейманов Р.С. Сбор и промысловая подготовка газа северных месторождений / М.: Недра, 1999, с.379]. Использование потенциальной энергии пластового газа дает экономическое преимущество по сравнению с компрессорным охлаждением. К этому типу способов осушки относится основанный на охлаждении газа в охладителях вихревого принципа действия [Патент РФ 2151865]. В указанном патенте при понижении давления растворенная в газе влага вымораживается до температуры точки росы ниже 42°C.

Физико-химические способы осушки газа используют процесс абсорбции - поглощение влаги жидкими или твердыми поглотителями - абсорбентами и адсорбции - поглощение влаги гранулированными адсорбентами. Абсорбция - поглощение вещества всем объемом абсорбента. Адсорбция - поглощение вещества поверхностью адсорбента. Более 70% добываемого в РФ газа подготавливается к транспорту с применением этих способов [Т.М.Бекирев, Г.А.Ланчаков Технология обработки газа и конденсата / М.: Недра, 1999, с.106].

Указанные способы и устройства технически сложны, энергозатратны и требуют при практической реализации значительных капитальных затрат. Кроме того, существенным недостатком всех приведенных аналогов является плохо решенная проблема утилизации отсепарированной и токсичной водной фазы, содержащей такие примеси как метанол, гликоли, углеводороды и т.н. В действующей практике она либо закачивается в скважины на глубину более 800 м, либо «сжигается» в факельных устройствах. Однако захоронение загрязненной воды, как и других отходов производства, составляет отдельную глобальную проблему защиты биосферы. Эффективность «сжигания» водной фазы весьма низкая, что приводит к накоплению воды с несгоревшими органическими примесями вокруг факельных устройств, к испарению всей массы промстоков.

Известны способ и устройство его реализации, способные исключить недостатки всех вышеприведенных аналогов [Патент РФ 2284850]. Этот способ осушки природного газа, включает физическое воздействие на объем газовой смеси для уменьшения содержания влаги с помощью электромагнитной волны ультрафиолетового диапазона в интервале длин волн 130-200 нм. Проточный реактор для осушки природного газа, позволяющий реализовать данный способ, содержит трубопровод и устройство физического воздействия на газовый поток электромагнитной волной ультрафиолетового диапазона в интервале длин волн 130-200 нм, выполненное в виде эксимерных ламп барьерного разряда с корпусами в виде сосудов из кварцевого стекла, имеющих форму продолговатых цилиндров, заполненных газом ксеноном. Эксимерные лампы равномерно размещены в трубопроводе и подключены к импульсно-модулированному источнику высоковольтного высокочастотного напряжения. Под действием электрического поля в газе происходит спонтанное излучение электромагнитных волн ультрафиолетового диапазона в интервале длин волн 130-200 нм. В этом диапазоне длин волн наиболее эффективно происходит диссоциация молекул воды при вынуждающем действии квантов излучения, энергии которого достаточно для разрыва межатомных связей. Результатом этой реакции является уменьшение содержания влаги в осушаемом природном газе. Указанный проточный реактор для осушки природного газа принят за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатками прототипа являются: низкая эффективность реактора, связанная с малым уровнем мощности (интенсивности) ультрафиолетового излучения из эксимерных ламп, сложностью технологического обслуживания ламп и повышенными энергозатратами, связанными с их большим количеством.

Технический результат предлагаемого устройства - повышение эффективности осушки газа, структурное сокращение технологии. Достижимость технического результата основана на использовании СВЧ энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что в проточном реакторе для осушки природного газа, содержащем, как и прототип, трубопровод и устройство физического воздействия на газовый поток электромагнитной волной ультрафиолетового диапазона в интервале длин волн 130-200 нанометров, включающее сосуд из кварцевого стекла, заполненный ксеноном и источник энергии, в отличие от прототипа, в качестве источника энергии выбран источник СВЧ энергии, связанный через устройство ввода СВЧ энергии с СВЧ резонатором, встроенным в трубопровод, при этом сосуд расположен внутри резонатора.

Сосуд заполнен ксеноном, который способен при возникновении в сосуде СВЧ разряда испускать ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 130-200 нанометров. За счет эффективного поглощения СВЧ энергии газовой смесью (до 85%) и объемного СВЧ разряда в газе плотность потока мощности ультрафиолетового излучения может достигать значения порядка 4,7·10³ Вт/см ². [М.С.Артеев Вакуумно-ультрафиолетовая флюоресценция димеров ксенона при возбуждении мощными наносекундными СВЧ импульсами / Известия ВУЗов. Физика, изд. ТГУ, 2009, т.52, 11/2, с.352-355] В отличие от прототипа, в объеме газового сосуда предлагаемого устройства может обеспечиваться плотность потока мощности ультрафиолетового излучения в 10⁵ раз больше плотности потока мощности, которую обеспечивает газовый объем эксимерной лампы (2,6·10^-2 Вт/см² ). Из этого сравнения следует, что используя один источник СВЧ энергии и один газовый объем можно достичь такого же эффекта осушки природного газа, что и от 10⁵-10⁶ газовых объемов эксимерных ламп, используемых в прототипе. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность осушки газа, структурно сократить технологию и, тем самым упростить обслуживание и повысить надежность работы всей системы по осушке природного газа.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых: на фиг.1 схематически представлен проточный реактор для осушки природного газа, на фиг.2 - пример конкретного выполнения заявляемого устройства и на фиг.3 - разрез А-А фиг.2.

Проточный реактор состоит (фиг.1) из трубопровода 1, 2, в который встроен СВЧ резонатора 3 с устройством ввода СВЧ энергии 4. Устройство ввода СВЧ энергии 4 соединяет СВЧ резонатор 3 с источником СВЧ энергии 5 и обеспечивает передачу энергии из источника СВЧ энергии 5 в резонатор 3. Внутри резонатора 3 расположен сосуд 6, выполненный из радиопрозрачного материала, способного пропускать электромагнитные волны СВЧ диапазона и ультрафиолетового диапазона - кварцевого стекла. Сосуд 6 заполнен газом ксеноном 7.

Проточный реактор работает следующим образом. СВЧ энергия из источника 5 через устройство ввода 4 поступает в СВЧ резонатор 3. Внутри резонатора 3 возбуждаются СВЧ поля с электрической напряженностью, обеспечивающей электрический пробой газа-ксенона 7. При электрическом пробое газа возникает объемный СВЧ разряд, который возбуждает атомы газовой смеси, в результате чего возникает излучение ультрафиолетового диапазона с избирательной длиной волны 130-200 нанометров. Это излучение через радиопрозрачные стенки газового сосуда 6 попадает в резонатор 3, через который проходит природный газ из трубопровода 1 в трубопровод 2. Поток природного газа, проходя через резонатор 3, облучается ультрафиолетовым излучением, под действием которого происходит фотохимическая реакция с диссоциацией молекул воды. Результатом этой реакции является уменьшение содержания влаги в природном газе, выходящем из резонатора 3 и поступающем в трубопровод 2. Таким образом происходит осушка природного газа в предлагаемом устройстве.

Реализация предлагаемого устройства дает возможность проведения процесса осушки природного газа с высокой эффективностью и структурным сокращением технологии.

В конкретном примере реализации предложенного реактора для осушки природного газа (Фиг.2, 3) СВЧ резонатор 3 представлял собой металлический (медный) цилиндр 8 с крышкой 9, выполненный герметизированным. Посредством патрубков 10 с фланцами резонатор 3 включен в рассечку трубопровода 1, 2, (газопровода) с условным проходом Д_у100. При этом внутренний диаметр патрубков 10 совпадал с внутренним диаметром трубопровода. Резонатор 3 имел размеры: радиус R=12,5 см; длина l=40 см. Выбор размеров продиктован условием возбуждения в цилиндрическом резонаторе Е₀₁₀ вида колебаний, для которого электрическое поле везде параллельно оси резонатора и имеет максимум напряженности в приосевой области резонатора, а магнитные силовые линии являются концентрическими окружностями. Для данного вида колебаний резонансная длина волны равна:

,

т.е. совпадает с критической длиной волны E₀₁ в круглом волноводе и не зависит от длины резонатора [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ // Под редакцией акад. Н.Д.Девяткова, М.: «Высшая школа», 1970].

При данных размерах резонатора резонансная длина волны составляла ₀=32.78 см. Это соответствует одной из разрешенных для гражданского применения частот f₀915 МГц.

Выбор частоты дополнительно обусловлен наличием российских источников СВЧ колебаний (магнетронов), работающих на частоте 915 МГц, обеспечивающих в непрерывном режиме выходную мощность 25÷50 кВт.

С учетом того, что критическая длина волны E_01кр=32.78 см, а диаметр патрубков 10 и газопровода с Д_у100 гораздо меньше значения _кр, газопровод оказывается запредельным для данной длины волны, т.е. волна практически не распространяется в газопроводе. За счет отражения волны от запредельных участков газопровода обеспечивается резонансный режим резонатора 3.

Возбуждение резонатора 3 осуществлялось магнетронным генератором типа М93 посредством устройства ввода энергии 4, выполненного в виде петли, размещенной в максимуме магнитного поля, причем плоскость петли перпендикулярна силовым линиям магнитного поля в резонаторе 3. Ввод петли в резонатор 3 осуществлялся через изолятор 12.

Сосуд 6, заполненный ксеноном 7, представлял собой кварцевую цилиндрическую колбу диаметром 12 мм и длиной 320 мм, закрепленную внутри резонатора 3 посредством двух цилиндрических держателей 11 (фиг.3), обеспечивающих беспрепятственный проход природного газа в объем резонатора 3. Для откачки и заполнения сосуда 6 ксеноном с давлением порядка 180÷230 мм рт.ст. было предусмотрено устройство напуска ксенона (на фиг.2 не показано).

Для сравнения энергетических показателей предлагаемого реактора для осушки газа с показателями реактора-прототипа была принята мощность СВЧ источника Р_СВЧ=25 кВт. С учетом размеров газового сосуда ( 12 мм, l=320 мм, толщина стенки d=1 мм) плотность потока мощности ультрафиолетового излучения составляла не Р=4.7 кВт/см ², которая была получена в работе [М.С.Артеев Вакуумно-ультрафиолетовая флюоресценция димеров ксенона при возбуждении мощными наносекундными СВЧ импульсами / Известия ВУЗов. Физика, 2009, т.52, 11/2, с.352-355] при Р_СВЧ=25 МВт, а была равной Р0,2 кВт/см².

Для устройства - прототипа (эксимерной лампы) плотность потока мощности составляет 26 мВт/см². Отсюда следует, что плотность потока мощности ультрафиолетового излучения с одного газового объема, предлагаемого нами устройства в 7·10³ раз больше соответствующего показателя, обеспечиваемого одной эксимерной лампой при одинаковых газовых объемах.

При этом потребляемая мощность СВЧ генератора в примере конкретного исполнения составляла 42 кВт при к.п.д. 60%. Для сравнения потребляемая мощность 7·10 ³ штук эксимерных ламп составляет порядка 215 МВт при к.п.д. лампы 10%.

Порядок приведенных выше величин является подтверждением преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и в части энергозатрат.

Проточный реактор для осушки природного газа, содержащий трубопровод и устройство физического воздействия на газовый поток электромагнитной волной ультрафиолетового диапазона в интервале длин волн 130-200 нм, включающее сосуд из кварцевого стекла, заполненный ксеноном, и источник энергии, отличающийся тем, что в качестве источника энергии выбран источник СВЧ энергии, связанный через устройство ввода энергии с СВЧ резонатором, встроенным в трубопровод, при этом сосуд расположен внутри резонатора.