Устройство для получения сжиженных газов

Полезная модель относится к устройствам получения сжиженных газов, а также к разделению на компоненты смесей газов, таких как природный, и может быть использована в газо-нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности в металлургии, химии и других областях техники.

Техническим результатом является повышение эффективности получения сжиженных газов.

Устройство для сжижения газа, выполненное с возможностью его адиабатического охлаждения в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, содержащее форкамеру, на вход которой подается поступающий под давлением газ, сверхзвуковое сопло, с дополнительным полым конусом, образующим с соплом кольцевую щель, отличается тем, что содержит пластины, формирующие постоянное электрическое поле, к которым подведен постоянный ток, причем пластины расположены по отношению к потоку таким образом, что на место конденсации жидкой фазы воздействует однородное электрическое поле.

Область применения

Полезная модель относится к устройствам получения сжиженных газов, а также к разделению на компоненты смесей газов, таких, как природный, и может быть использована в газо-нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности в металлургии, химии и других областях техники.

Уровень техники

Известен способ сжижения газа, включающий сжатие газа в компрессоре, предварительное охлаждение в теплообменнике и охлаждение в детандере с последующим расширением газа в дроссельном вентиле с отбором жидкой фазы (см. Политехнический словарь. 1989 г. М., стр.477). Недостатком известного способа является его низкий КПД.

Известно, устройство для сжижения газа содержащее корпус в виде рупора, в котором последовательно размещены, несколько насадок, снабженные дисками с множеством сопел для распыления газа с обеспечением его охлаждения до перехода в жидкое состояние, (см. описание к заявке Япония №07071871). Недостатком известного устройства является его низкий КПД.

Известно устройство для получения сжиженного газа, которое содержит сверхзвуковое сопло, обеспечивающее адиабатическое охлаждение газа и средство для отбора жидкой фазы, выполненное в виде отогнутого к оси участка сопла с перфорированными стенками. Под воздействием возникающих при отклонении газового потока центробежных сил капли сконденсировавшегося газа проходят сквозь перфорацию и поступают в приемник (см. описание к патенту США N 3528217 МКИ В01D 51/08, НКИ 55-15, 1970). Недостатком известного устройства является его относительно малый КПД. Это обусловлено тем, что при отклонении сверхзвукового потока, что необходимо в известном устройстве для отбора жидкой фазы, возникают ударные волны, приводящие к повышению температуры газового потока, что приводит, в свою очередь, к испарению части уже сконденсировавшихся капель.

Кроме того, имеют место потери полного давления в газе, прошедшем ударную волну. Указанные потери приводят к значительному перепаду давления на входе и выходе устройства.

Известно устройство для сжижения газа (патент РФ N 2137065 F25J 1/00, 1999). Известное устройство содержит сопло с форкамерой, в которой размещено средство для закрутки газового потока. Устройство снабжено средством для отбора жидкой фазы, выполненным в виде кольцевой щели, образованной стенками сопла и полого конуса. Недостатком известного устройства является его относительно малый КПД, что обусловлено потерей давления в газовом потоке, проходящем через устройство. Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ, описанный в патенте RU №2139479 C1 6 F25J 1/00. 1998 г или RU 2167374 C1 7 F25J 3/06. 2001 г. Способ сжижения газа включает его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, при этом перед подачей в сопло его закручивают до достижения центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла не менее чем до 10000g. За счет созданного в потоке центробежного ускорения, капельки от оси сопла начинают движение к его стенкам и оседают на них.

Недостатком известного способа является его относительно невысокая эффективность. Во-первых, не происходит полного разделения «газ» - «жидкость», поскольку в центральной зоне сопла существует область, в которой центростремительное ускорение равно 0 или мало для того, чтобы обеспечить эффективную сепарацию капелек из потока. Во-вторых, не происходит выделение из потока капелек, имеющих размер менее 0,5 микрона. За счет этого осуществить эффективную сепарацию компонент газа с температурами кипения менее 220°К, с эффективностью более 75-85% не удается.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности получения сжиженных газов.

Сущность устройства

Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для сжижения газа, выполненное с возможностью его адиабатического охлаждения в сверхзвуковом сопле и отбора жидкой фазы, содержащее форкамеру, на вход которой подается поступающий под давлением газ, сверхзвуковое сопло, с дополнительным полым конусом, образующим с соплом кольцевую щель, отличается тем, что содержит пластины, формирующие постоянное электрическое поле, к которым подведен постоянный ток, причем пластины расположены по отношению к потоку таким образом, что на место конденсации жидкой фазы воздействует однородное электрическое поле. Устройство для отбора жидкой фазы также может быть выполнено в виде кольцевой щели

или перфорации в стенках сопла, причем ширина щели выбрана таким образом, чтобы она была равна толщине пленки жидкости образующейся на стенке сопла. Перфорация или кольцевая щель также могут быть выполнены в месте, отстоящем от точки росы на расстоянии, определяемом соотношением L=V·, где L - расстояние от точки росы до места выпадения на стенки сопла жидкой фазы, V - средняя скорость потока на этом участке, - время движения капелек жидкой фазы от одной стенки сопла до другой.

Дополнительно устройство для сжижения газа может содержать устройство для ионизации частиц потока, выполненное с возможностью создания коронного разряда, либо источник ультрафиолетового излучения, либо источник лазерного излучения. Схема устройства для сжижения газа показана на Фиг.1. Устройство содержит форкамеру 1, сверхзвуковое сопло 2, полый конус 3, образующий с соплом кольцевую щель 4, пластины 5 к которым подводится постоянный ток, и между которыми формируется электрическое поле. Пластины 5 могут быть размещены так, чтобы электрическое поле, формируемое ими, было под таким углом к потоку, который подбирается экспериментально исходя из условия максимального выделения из потока образовавшейся жидкой фазы.

Принцип работы этого устройства, схема которого показана на Фиг.1, состоит в следующем. На вход форкамеры 1 подается сжатый компрессором или поступающий под давлением из скважины газ. Параметры газового потока, рассчитываются в сопле исходя из законов газодинамики, таким образом, чтобы за счет адиабатического расширения сопла (определяемом заданным числом Маха (М)), начиналось образование конденсата (точка росы). Проходя через точку росы поток, попадает в однородное электрическое поле, под действием которого образовавшаяся жидкая фаза переносится на стенки сопла и далее выводиться из потока через кольцевую щель 4. При этом попадание в эту щель газа можно практически исключить, подобрав экспериментальным или расчетным путем, толщину пленки жидкости образовавшейся на стенках сопла 2. Далее изготовив щель 4 таким образом, чтобы ее ширина была равна толщине пленки жидкости, мы исключим попадание в щель газовой фазы.

Сущность достигаемого технического результата по повышению эффективности получения сжиженных газов основана на следующих принципах. Процесс сжижения газа включает его адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, при этом в тех зонах потока, где происходит последовательная конденсация компонент газа, на них воздействуют электрическим полем, расположенным либо поперек потока, либо под углом к нему. Под действием электрического поля

капельки образовавшейся жидкой фазы приобретут ускорение не менее 10000g и под его действием, осядут на стенки сопла, откуда они могут быть выведены обычным способом, например: через перфорацию в стенках сопла, либо через кольцевую щель в стенке сопла. Поясним физическую природу действия электрического поля на образовавшиеся капельки жидкой фазы.

Что собой представляет сконденсировавшаяся в определенном сечении сопла жидкая фаза, какого либо из компонентов, входящих в состав природного газа? Это капельки либо имеющие заряд, либо его не имеющие. Ничего другого быть просто не может. Установлено, что центрами конденсации газа, теми центрами, на которых и образуется большая часть зародышей конденсации, являются положительно или отрицательно заряженные молекулы, то есть ионы. А поскольку конденсация газа в сверхзвуковой трубе проходит в неравновесных условиях, образование ионов в ней просто неизбежно. Таким образом, каждая капелька несет на себе как минимум единичный заряд равный 1,6×10^-19 Кл. При этом каждая капелька может нести не единичный заряд, а может быть заряжена многократно.

Рассмотрим случай, когда поток газа, прошедший адиабатическое охлаждение в сверхзвуковом сопле доходит до сечения, в котором температура опускается до точки росы воды. Заряженные капли воды (или любого другого компонента входящего в состав природного газа), пропускают между пластинами заряженного плоского конденсатора или между пластинами, на которых электрический потенциал создается постоянным током. Перейдя в систему отсчета, связанную с потоком, можем рассматривать ионизированный газ (даже атмосферный воздух содержит ионы) между двумя параллельными пластинами, заряженными противоположными зарядами. При этом между пластинами возникает практически однородное электрическое поле, которое действует на заряженные капли воды, и как следствие возникает упорядоченное движение капель в направлении действующих на них со стороны электрического поля сил: положительно заряженные капли движутся к отрицательной пластине (обладающей отрицательным зарядом), а отрицательно заряженные - к положительной. Помимо упорядоченного движения капли, конечно, продолжают участвовать в броуновском движении под действием ударов частиц несущего газа (как молекул, так и аэрозоля). Если бы не происходило ударов между каплями и частицами газа, электрическое поле все время разгоняло бы заряженные капельки. Именно так и происходит между столкновениями: капля ускоряется и составляющая ее скорости, направленная вдоль действующей на нее электрической силы F увеличивается; затем происходит столкновение и капля теряет эту скорость полностью или частично, все зависит от размера капли и от размера того объекта, с которым

произошло столкновение.

Эта сила F действующая на заряженную капельку, создается электрическим полем. И определяется простой формулой.

F=E·q[1]

Сила, действующая на каплю имеет размерность в Ньютонах. Е - напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (в/м) и q - заряд капли определяется в кулонах (Кл).

С другой стороны ускорение (а) создаваемое этой силой обратно пропорционально массе капле. И эту силу можно найти, используя второй закон Ньютона. F=m·а. Поскольку, и та и другая силы равны, то можем приравнять их друг другу и записать Е·q=m·a, отсюда довольно легко определить то ускорение, которое действует на каплю:

а=Е·q/m [2]

Возьмем напряженность поля на уровне 3*10 ⁶ в/м, это примерно второе меньше, чем пробойная напряженность поля для метана находящегося под атмосферным давлением, q - заряд, возьмем единичный заряд равный 1,6·10^-19 кл. Массу капли при ее радиусе в 0,1 микрон легко рассчитать по формуле m=4/3r³, где r=1·10^-7 м, а - плотность - 1000 кг/м³ (для воды).

Произведя несложные вычисления, получим, что капелька, в зависимости от знака своего заряда, будет двигаться либо к пластине с положительным потенциалом, либо к пластине с отрицательным потенциалом с ускорением более 100000 g. Что более чем достаточно для достижения капелькой стенок сопла.

При этом для получения ускорения мы ни на один оборот не закрутили наш поток, поток остался ламинарным, у нас нет опасности срыва пленки со стенок сопла. А, кроме того, поскольку в формуле [2] ускорение обратно пропорционально массе частицы, то с уменьшением массы частицы, ускорение приходящееся на нее, заметно возрастет. Так при радиусе частицы в 0,01 микрона ускорение, приходящееся на нее, будет уже 100000000 g. При этом мы, для того чтобы получить такую прибавку в ускорении не истратили ни грамма энергии, и чем меньше капелька, тем большими будут действующие на нее силы. При создании в потоке центробежного ускорения, все по другому. Там его величина не зависит от массы частицы, и определяется только скоростью движения тела по окружности и радиусом этой окружности.

Поскольку мы сориентировали электрическое поле так, что его силовые линии направлены поперек потока, то по своему вектору (направлению) это ускорение направлено так же, как и ускорение создаваемое за счет закрутки потока (центробежное ускорение), а значит и действие, оказываемое на капельки в потоке ускорением,

созданным при помощи электрического поля, будет полностью тождественно, действию оказываемому на капельки центробежным ускорением. При этом действие всех других факторов, тормозящих движение капли в потоке, будет одинаково, в не зависимости от того каким способом мы создаем ускорение, заставляющее капельки двигаться к стенкам сопла. От того, что мы добавили электрическое поле, в потоке ничего не изменится, кроме одного, в нем теперь нет центральной зоны, в которой центробежное ускорение стремится к нулю. И, кроме того, давайте вспомним, что мы считали, что капелька образовавшейся жидкой фазы имеет всего один элементарный заряд. В реальности, заряд на капле при ее диаметре уже в 1 микрон может на много порядков, превышать единичный заряд. А это означает, что на столько же порядков, возрастет и ускорение, действующее на эту каплю. Теперь рассмотрим, как можно управлять процессом осаждения капелек, в том случае если они не имеют никакого заряда.

Дело в том, что все компоненты входящие в состав природного газа либо уже являются полярными молекулами с довольно большим значением дипольного момента (вода, все серосодержащие газы, молекулы СО), либо являются в обычном состоянии абсолютно неполярными молекулами например СО₂ или СН ₄, но могут быть поляризованы во внешнем электрическом поле за счет упругой или электронной поляризации.

Молекулы, помещенные в однородное электрическое поле, поменяют свою ориентацию таким образом, что их положительные заряды развернуться в сторону минуса электрического поля, а отрицательные в сторону плюса. При этом для неполярных молекул эта ориентация будет полной, а для полярных частичной поскольку на их ориентацию, большое влияние оказывает броуновское движение.

Энергия взаимодействия двух диполей расположенных на одной линии определяется по формуле

Продифференцируем это выражение с тем, чтобы получить силу взаимодействия двух диполей

Здесь - дипольный момент молекулы, для воды равный 6,21×10 ^-30 кл*м, - постоянная Фарадея равная 8,85 10^-12 ф/м), r - расстояние между молекулами, равное 10 ^-9 м. Проведя несложные вычисления нетрудно убедиться, что сила притяжения, действующая между двумя диполями имеет размерность порядка 10^-13-10^-14 Ньютона. Бесконечно мало. Но и

масса молекулы воды также бесконечно мала и имеет размерность 10^-29 степени. А это означает, что несмотря на малость силы притяжения, два диполя воды будут мчаться навстречу друг другу с громадными ускорениями и их слияние будет происходить практически мгновенно. В конечном итоге это приведет к быстрому росту капелек образовавшееся жидкой фазы, до размеров при которых уже возможно их выделение из потока. Осуществляется это следующим способом.

При использовании электрического поля возможно использование эффекта связанного с влиянием электрического поля на капельку жидкости, состоящую из диполей.

На Фиг.2 представлена эпюра давлений действующих на каплю движущуюся в сверхзвуковом потоке (левая часть рисунка) и модель формы капли (правая часть рисунка). Представлена же модель потому, что капелька имеет размер, меньше длины видимого света и в никакой оптический микроскоп ее увидеть нельзя.

Теперь если эту капельку поместить в электрическое поле направленное перпендикулярно потоку, то капелька под действием электрического поля еще больше растянется, поскольку капелька образовавшейся жидкой фазы состоит из диполей. Затем поместим эту капельку в поле расположенное под углом к потоку. Под действием поля капелька опять растянется, но уже таким образом, что она будет двигаться в потоке, под углом к нему. Общий вид такой капельки показан на Фиг.3.

На ее затемненной по отношению к потоку стороне, появится область разрежения, а на стороне, обращенной к потоку, появиться область, имеющая давление выше чем, в окружающем каплю потоке. За счет этого появится сила F, перемещающая каплю поперек потока к одной из стенок. Очевидно, что угол поворота капли в потоке будет зависеть от взаимного расположения поля и потока, напряженности поля, размера капли. Очевидно, что можно обеспечить такой режим при движении, при котором капли будут достигать стенок, за длину пробега равную двум-трем диаметрам сопла. А это позволяет отказаться от использования центробежного ускорения и вести весь процесс в наиболее благоприятном течении, как для самой трубы, так и для процессов в ней протекающих - ламинарном.

Таким образом, все вышесказанное раскрывает принцип, на основе которого функционирует заявленное устройство, и которое позволяет управлять сепарацией частиц, совершенно не используя при этом центробежное ускорение. При этом в не зависимости от того, как ориентировано поле относительно потока перпендикулярно к нему или под углом, слияние частиц будет происходить все так же активно, поскольку определяющим в этом процессе является напряженность электрического поля. Движение заряженных частиц будет происходить к стенкам сопла так же активно, поскольку и здесь

определяющим является напряженность поля.

Отличительными признаками устройства являются: адиабатическое охлаждение газового потока в сверхзвуковой трубе; воздействие на поток в зоне конденсации компонент электрическим полем; осуществление отбора жидкой фазы на расстоянии L=V· где V - средняя скорость газового потока от места начала появления зародышей конденсации, - время движения капель сжиженной компоненты от одной стенки сопла до другой; не требуется высокое давление на входе в устройство, поскольку высокое давление необходимо для обеспечения высокой скорости закрутки потока и получения высоких значений центростремительного ускорения, в данном случае ускорение создается другим способом и высокое давление не требуется.

Использование электрического поля приводит либо к появлению огромных значений ускорений действующих поперек движения потока на капельки в том случае если капельки имеют заряд, что в конечном итоге и обеспечивает быстрое достижение капельками стенок сопла. Либо если капельки не заряжены, то электрическое поле, размещенное под углом к потоку, таким образом, ориентирует капельки, что на них начинают действовать аэродинамические силы, также быстро смещающие капельки к стенкам сопла. Отпадает необходимость в закрутке потока, вихревой эффект Ранка-Хилша не проявляет себя. Поскольку нет закрутки потока, нет и центральной зоны в которой ускорение стремиться к нулю и из которой не происходит выделение образовавшейся жидкой фазы.

Выбор места отбора жидкой фазы на основании указанной формулы также повышает эффективность устройства, поскольку именно в этом месте все образовавшиеся капельки жидкой фазы, достигнут стенок сопла и могут быть удалены известным способом, либо с использованием перфорации на стенках сопла либо через кольцевую щель как это показано на чертеже (см. Фиг.1), иллюстрирующем настоящее устройство.

1. Устройство для сжижения газа, выполненное с возможностью его адиабатического охлаждения в сверхзвуковом сопле и отбора жидкой фазы, содержащее форкамеру, на вход которой подается поступающий под давлением газ, сверхзвуковое сопло с дополнительным полым конусом, образующим с соплом кольцевую щель, отличающееся тем, что содержит пластины, формирующие постоянное электрическое поле, к которым подведен постоянный ток, причем пластины расположены по отношению к потоку таким образом, что на место конденсации жидкой фазы воздействует однородное электрическое поле.

2. Устройство для сжижения газа по п.1, отличающееся тем, что устройство для отбора жидкой фазы выполнено в виде кольцевой щели или перфорации в стенках сопла, причем ширина щели выбрана таким образом, чтобы она была равна толщине пленки жидкости образующейся на стенке сопла.

3. Устройство для сжижения газа по п.1 или 2, отличающееся тем, что перфорация или кольцевая щель выполнены в месте, отстоящем от точки росы на расстоянии, определяемом соотношением L=V·, где L - расстояние от точки росы до места выпадения на стенки сопла жидкой фазы, V - средняя скорость потока на этом участке, - время движения капелек жидкой фазы от одной стенки сопла до другой.

4. Устройство для сжижения газа по пп.1 и 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит устройство для ионизации частиц потока, выполненное с возможностью создания коронного разряда, либо источник ультрафиолетового излучения, либо источник лазерного излучения.