Способ образования и выделения конденсата из газовой смеси и устройство для его осуществления

 

Гетерогенная конденсация осуществляется при разгоне газовой смеси в конфузоре с каплями предварительно поданного на вход конфузора конденсата низкокипящих компонентов смеси, подлежащих выделению. Конденсация производится в канале конфузорно-диффузорной формы с центральным подвижным в осевом направлении осесимметричным телом с щелевыми отверстиями для отбора конденсата, расположенными на стенках диффузора и лобовой части центрального тела в минимальном сечении устройства, и щелевыми отверстиями, расположенными в наиболее широкой части центрального тела на выходе из диффузора. Устройство также содержит разбрызгиватель конденсата, установленный на входе в конфузор, сливную емкость для конденсата, а также сливную и дренирующую магистрали. Использование изобретения позволит с малыми энергетическими потерями конденсировать низкокипящие компоненты газовой смеси и совместить процессы выделения конденсата из газовой смеси и сепарации в одном устройстве, а также использовать устройство в качестве дросселя для понижения давления высоконапорного газа. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, но может быть использовано в других отраслях техники, где необходимо выделение низкокипящих компонент из газовой смеси. В частности, в практике добычи газа проблема выделения низкокипящих компонент связана с необходимостью осушки газа и возможностью использования выделенного конденсата в качестве низкооктанового топлива.

Прототипом данного изобретения можно считать "Устройство для низкотемпературной обработки газа" (авт. св. 386221, кл. 25 3/08, Ч.С. Гусейнов и др., 1973 г.). С целью понижения температуры газовой смеси и создания необходимого переохлаждения для возникновения условий конденсации низкокипящих компонент в этом устройстве предлагается разгонять газовую смесь до сверхзвуковой скорости в ряде последовательно установленных конусов, расположенных на периферии центробежного сепаратора. Образовавшийся конденсат предлагается отбирать через щели, образованные между выходом и входом каждой последовательной пары конусов. На выходе из устройства предусматривается установка участка, называемого конфузором, для перехода потока к дозвуковой скорости.

Предложенное устройство имеет существенные, принципиальные недостатки, ставящие под сомнение возможность его реализации. Во-первых, организовать сверхзвуковой поток в негладко спрофилированном коническом участке, да еще при наличии скачков конденсации, которые там непременно должны возникнуть, практически невозможно. Неизбежно возникнувшие скачки уплотнения на сверхзвуковом участке устройства приведут к большим потерям полного давления. К тому же образовавшийся ранее конденсат, пройдя скачок уплотнения, частично или даже полностью испарится. Из-за возникнувшей системы скачков уплотнения поток на выходе из сверхзвукового участка окажется дозвуковым и вновь будет разгоняться в выходном конфузоре, что также приведет к дополнительным потерям полного давления. Во-вторых, в предложенном устройстве может осуществляться только гомогенная конденсация, т.е. конденсация на собственных зародышах, подученных в результате флюктуации молекул газа вследствие понижения его температуры существенно ниже температуры насыщения. Размеры образовавшихся в результате такой конденсации капель соизмеримы с размерами молекул газа и отсепарировать их инерционным способом, как предлагается в устройстве, не представляется возможным. Но даже гипотетическая модель предложенного устройства обладает тем существенным недостатком, что будучи устройством с постоянной геометрией, оно может работать только на одном режиме, например, с постоянным расходом газовой смеси при постоянном давлении на входе.

Гомогенная конденсация газовой смеси требует для своего осуществления больших перепадов давления и сверхзвуковых скоростей потока, которые в дальнейшем необходимо переводить в дозвуковые, и все это вместе, да еще при наличии конденсата в потоке, связано с большими потерями полного давления. Отсепарировать получившуюся в результате гомогенной конденсации очень мелкодисперсную жидкость без предварительной коагуляции, а следовательно, дополнительного устройства и дополнительных потерь полного давления, крайне сложно. Применение гомогенной конденсации возможно тогда, когда необходимо сработать излишний располагаемый перепад давления, что и делают при дросселировании газа на высоконапорных скважинах. На практике, например, при эксплуатации низконапорных газовых скважин, необходимые для гомогенной конденсации располагаемые перепады давления отсутствуют, а поэтому для осуществления конденсации газа или какой-либо компоненты газовой смеси необходимы другие способы и другие устройства.

Целью данного изобретения является разработка эффективного способа выделения конденсата из газовой смеси, основанного на гетерогенной конденсации, осуществляемого при относительно небольших перепадах давления, а следовательно, с малыми энергетическими потерями, и с размерами капель конденсата, приемлемыми для инерционного сепарирования, а также разработка устройства, способного эффективно выполнять указанные функции в широком диапазоне изменения рабочих параметров потока, в частности, расходов газовой смеси.

Сущность предлагаемого способа для выделения конденсата из газовой смеси заключается в следующем. Охлажденную до температуры насыщения конденсируемой компоненты газовую смесь разгоняют в конфузорном участке. Предварительно на вход в конфузорный участок впрыскивают жидкость той компоненты газовой смеси, которую необходимо конденсировать либо другую, имеющую температуру кипения, по крайней море, близкую к температуре кипения конденсируемой компоненты или ниже ее. Размеры капель впрыскиваемой жидкости должны быть приемлемыми для осуществления инерционной сепарации и определяются, в основном, давлением газа на входе в конфузор. Вместе с тем, они не должны быть достаточно мелкими, чтобы образовавшееся двухфазное течение в конфузоре было более близким к равновесному, т.к. это будет способствовать улучшению межфазового массообмена. При разгоне двухфазного потока в конфузоре давление и температура в нем будут падать, причем в гораздо большей степени, чем при разгоне чистого газа, т.к. часть энтальпии газа будет расходоваться на работу по разгону капель. В какой-то момент парциальное давление конденсируемой компоненты станет ниже давления насыщения, также вследствие теплообмена с потоком понизится и температура капель до значения, близкого к температуре насыщения. Парциальное давление насыщения собственного пара над выпуклой поверхностью капли всегда ниже, чем давление насыщения того же пара в потоке, а поэтому перенасыщенный пар конденсируемой компоненты будет диффундировать из потока на капли и там конденсироваться. Так произойдет гетерогенная конденсация выделяемой компоненты газовой смеси на каплях, находящихся в потоке, причем с существенно более низким переохлаждением, чем это было бы необходимо для осуществления ее гомогенной конденсации. В результате описанного выше процесса конденсации в конце конфузора расход жидкости, выделяемой из газовой смеси компоненты, будет большим, чем ее было подано на вход. В конце конфузора конденсат сепарируют от газовой фазы. Часть полученного конденсата вновь подают на вход в конфузор, а оставшийся избыток используют в тех или иных целях. Скорость газа в дальнейшем понижают в диффузоре до приемлемого уровня. На этом процесс выделения низкокипящих компонент из газовой смеси заканчивают.

Следует отметить, что предложенный способ пригоден и для выделения конденсата и из однокомпонентного потока.

Схема устройства для осуществления предложенного способа представлена на чертеже. Устройство включает подводящий трубопровод 1, распылитель жидкости 12, конфузорно-диффузорный участок, состоящий из сужающегося канала 2 и диффузорной части, образованной внешней цилиндрической обечайкой 4 и осесимметричным подподвижным в осевом направлении центральным телом 3. Схема конфузорно-диффузорного участка, представляющего собой сепаратор, взята из патента 2013108 на изобретение "Способ сепарации жидкости из газожидкостного потока и устройство для его осуществления" (автор А.А. Бузой, 1990 г.). Предложенное устройство также включает механизм привода центрального тела 5, манометры 6 и 7, магистраль отвода жидкости, с установленным на ней регулирующим краном 8, сливную емкость 9, дренажные магистрали, с установленными на них запорными кранами 10 и 13, магистраль подвода жидкости к разбрызгивателю, с установленным на ней насосом 11, магистраль отвода жидкости с краном 14.

Работа устройства происходит следующим образом. Образовавшуюся после впрыска жидкости в газовый поток в начальном сечении устройства II двухфазную смесь разгоняют в конфузоре 2 с понижением давления в потоке и понижением температур обеих фаз. При понижении температуры газа ниже температуры насыщения выделяемой из него компоненты начинается конденсация этой компоненты на каплях ядра потока, а также на пленке жидкости, образующейся как на стенках конфузора, так и на центральном теле. Эта пленка в обоих случаях имеет волнообразную структуру, а поэтому условия образования конденсата на ней близки к условиям образования конденсата на каплях. Течение потока в устройстве происходит с ускорением до минимального сечения конфузора II-II, горла устройства, и с торможением его в диффузорной части до сечения III-III, максимального сечения центрального тела (миделя).

Режим течения в устройстве с ускорением в конфузоре и торможением в диффузоре обеспечивают регулированием площади минимального сечения устройства, его горла, путем перемещения центрального конического тела 3. Контроль за наличием такого режима течения осуществляют за счет поддержания положительного перепада давления между манометрами 7 и 6, первый из которых установлен вблизи минимального сечения конфузора, а второй - вблизи минимального сечения диффузора, т.е. слева и справа от горла устройства, как показано на чертеже. С целью улучшения условий для конденсации газа и улучшения условий для сепарации капель в устройстве поддерживают режим течения, близкий к критическому, т.к. при этом увеличивается переохлаждение газа и увеличивается скорость капель. Для этой цели давление, регистрируемое манометром 7, поддерживают, по возможности, минимальным, сохраняя при этом положительный перепад давления между манометрами 7 и 6.

Конденсация выделяемой компоненты газовой смеси происходит на протяжении всего течения потока в устройстве. В минимальном сечении устройства конденсат отбирают через кольцевые щели, выполненные в передней части обечайки 4, и кольцевые щели, выполненные в передней части центрального тела 3. В диффузорной части устройства конденсат отбирают через щелевые отверстия, расположенные в мидельном сечении центрального тела.

Все магистрали отбора соединены между собой. Отобранный конденсат черен регулирующий кран 8 по трубопроводу подают в сливную емкость 9. Назначение крана 8 - создать такое сопротивление в сети трубопроводов, чтобы отбираемый через щелевые отверстия вместе с конденсатом газ, по возможности, в меньшем количестве попадал в сливную емкость. С этой целью проходное сечение крана 8 устанавливают таким, чтобы более инерционный и несжимаемый конденсат полностью проходил через кран, а для сжимаемого газа этот кран являлся бы сильным сопротивлением.

Часть газа вместе с конденсатом все же попадает в сливную емкость, хотя величина его расхода существенно меньше расхода газа через само устройство. Давление покоящегося газа в сливной емкости больше, чем давление движущегося газа в устройстве, а поэтому газ из сливной емкости дренируют через запорный кран 13 по магистрали, соединенной с устройством в районе его горла, где давление в потоке наименьшее. Таким образом, учитывая, что и жидкость на вход в устройство подают насосом 11 из сливной емкости, весь цикл конденсации и сепарации низкокипящих компонент из газовой смеси оказывается замкнутым.

Предложенное устройство может применяться и для других целей, помимо указанных в описании его работы.

Так, при эксплуатации высоконапорных газовых скважин возникает необходимость понизить давление газового потока, чтобы в дальнейшем не порвались отводящие трубопроводы. При этом часто одновременно необходимо отобрать идущую с газом попутную жидкость.

Прикрыв в описанном выше устройстве минимальное сечение до необходимой величины, его можно использовать в качестве дросселя и понизить давление в потоке до необходимой величины. При этом функция устройства, как сепаратора, сохраняется и попутная жидкость будет отбираться.

При ремонте магистральных трубопроводов необходимо отключать подачу газа. В качестве запорного крана можно использовать предложенное устройство, если прикрыть в нем полностью минимальное сечение. Это позволит сэкономить на установке дополнительного запорного крана.

При прохождении газотрубопроводов в районах вечной мерзлоты возникает необходимость захолаживания идущего по ним газа с целью предупреждения осадки трубопроводов.

Если на вход предлагаемого устройства подать в достаточно большом количестве жидкость, которая не будет испаряться при существующих температурах в потоке, то газ, разгоняя эту жидкость и теряя энтальпию на работу по ее разгону, к минимальному сечению будет существенно охлажден. Сама жидкость, поданная на входе в устройство, к выходу из устройства будет отсепарирована. Таким образом, предложенное устройство может быть использовано в качестве захолаживателя газа.

Объективность предложенного способа и устройства для выделения конденсата из газовой смеси по сравнению с имеющимися аналогами определяется следующим. Выделение низкокипящих компонент из газовой смеси происходит путем проведения гетерогенной конденсации газа на каплях предварительно введенной в поток жидкости и осуществляется при относительно малых перепадах давления и дозвуковых скоростях потока в устройстве, следовательно, связано с малыми энергетическими потерями. Процесс конденсации и процесс выделения конденсата из потока, т.е. сепарации, объединены в одном устройстве, а это экономически выгодно как при изготовлении устройства, так и при его эксплуатации. Габариты устройства сравнимы с габаритами подводящего трубопровода, а следовательно, оно имеет небольшую металлоемкость. Возможности использования устройства в качестве дросселя с отбором попутной жидкости, запорного крана и захолаживателя газа дают дополнительный экономический эффект. Весь процесс выделения конденсата в устройстве является замкнутым, а следовательно, экологически чистым.

Формула изобретения

1. Способ образования конденсата из низкокипящих компонентов газовой смеси, включающий охлаждение газовой смеси до температуры насыщения ее низкокипящих компонентов при разгоне газовой смеси в конфузорном канале, отличающийся тем, что газовую смесь разгоняют в конфузоре совместно с каплями жидкости конденсируемого компонента, который предварительно подают на вход в конфузор.

2. Устройство для образования и выделения конденсата низкокипящих компонентов газовой смеси, включающее сепаратор с конфузорно-диффузорной проточной частью и подвижным в осевом направлении центральным телом, с щелевыми отверстиями для отбора выпадающей на стенки сепаратора и центральное тело жидкости, включающее также накопительную емкость для слива конденсата и подводящую к ней магистраль, отличающееся тем, что на входе в устройство установлен разбрызгиватель, через который подают в необходимом количестве в виде капель конденсат низкокипящих компонентов для разгона его совместно с газовой смесью в конфузорном участке устройства.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что положение центрального тела и, следовательно, величину площади минимального сечения устройства устанавливают путем поддержания положительного перепада давления между манометрами, установленными до и после минимального сечения устройства, вблизи его, сохраняя при этом минимально возможным давление в конце конфузора.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магистраль отбора конденсата оборудована регулирующим краном.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сливная емкость соединена трубопроводом с сепаратором вблизи его минимального сечения, где давление в устройстве минимальное.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что минимальное сечение в нем прикрывают до такого размера, что устройство выполняет функцию дросселя для понижения давления газа с одновременным отбором попутной жидкости.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что минимальное сечение в нем прикрывают полностью, и устройство выполняет функцию запорного крана.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на вход в устройство подают в необходимом количестве жидкость и разгоняют ее вместе с газом в конфузоре, тем самым существенно понижают температуру потока в конце конфузора и используют устройство в качестве захолаживателя газа, поданную же на вход в устройство жидкость отбирают, используя функции устройства, как сепаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1