устройство для разделения компонентов газовых смесей

Формула изобретения

Устройство для разделения компонентов газовых смесей, содержащее сверхзвуковое сопло и средство для отбора жидкой фазы, отличающееся тем, что форкамера сопла снабжена средством для закрутки газового потока, а средство для отбора жидкой фазы выполнено в виде последовательно размещенных по ходу потока кольцевых щелей, образованных стенками сопла и коаксиальных полых усеченных конусов по числу компонентов в разделяемой смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для разделения компонентов газовых смесей методом их сжижения и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Известно устройство для разделения газовых смесей, содержащее проточную камеру с теплообменником и средство для отбора сжиженных компонентов (см. описание к заявке Японии N 07252372, F 25 J 3/06, 1995). Недостатком известного устройства является его малый КПД, что обусловлено использованием теплообменника для охлаждения газовой смеси для сжижения.

Известно устройство для разделения газовых смесей и изотопов, содержащее испаритель, криволинейное сверхзвуковое сопло, разделитель в виде охлаждаемого ножа и приемники разделенных компонентов (см. описание к патенту РФ N 2085267, B 01 D 59/18, 1997). Недостатком известного устройства является сложность конструкции и малая эффективность как по использованию энергии, необходимой для осуществления, так и по степени разделения.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство для разделения компонентов газовых смесей путем сжижения, известное из описания к патенту США N 3528217, МКИ В 01 D 51/08, НКИ 55-15, 1970. Известное устройство содержит сверхзвуковое сопло и средство для отбора сжиженных компонентов, выполненное в виде криволинейного участка сопла с перфорированной стенкой. При изменении траектории движения газового потока возникает центробежная сила, за счет которой капли сжиженных компонент проходят сквозь перфорацию в приемник жидкой фазы.

Недостатком известного устройства является его малая эффективность. Во-первых, после сжижения газовой смеси необходимо осуществлять их разделение в жидкой фазе. Во-вторых, при отклонении сверхзвукового газового потока от прямолинейного движения возникают ударные волны, которые приводят к повышению температуры в газовом потоке, что в свою очередь вызывает испарение некоторой части уже сконденсировавшихся капель.

Заявляемое в качестве изобретения устройство направлено на повышение эффективности - снижение энергозатрат при реализации технологического процесса и обеспечение разделения газовых компонентов непосредственно во время их сжижения.

Указанный результат достигается тем, что устройство для разделения компонентов газовых смесей содержит сверхзвуковое сопло и средство для отбора жидкой фазы, при этом форкамера сопла снабжена средством для закрутки газового потока, а средство для отбора жидкой фазы выполнено в виде последовательно размещенных по ходу потока кольцевых щелей, образованных стенками сопла и коаксиальных полых усеченных конусов, по числу компонентов в разделяемой смеси.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются: - снабжение форкамеры сопла средством для закрутки газового потока; - выполнение средства для отбора жидкой фазы в виде нескольких последовательно размещенных по ходу газового потока кольцевых щелей, образованных стенками сопла и коаксиально соединенных с ним и между собой полых усеченных конусов, при этом число щелей соответствует числу разделяемых компонентов в газовой смеси.

Снабжение форкамеры сверхзвукового сопла средством для закрутки газового потока повышает эффективность устройства, так как, с одной стороны, обеспечивает создание в газовом потоке, во время прохождения им сопла, центробежных сил, необходимых для отделения сконденсировавшихся капель от основного газового потока, а, с другой стороны, устраняет необходимость осуществлять для этого изгиб стенок сопла, что приводит к повышению температуры газового потока.

Поскольку, в отличие от прототипа, образующая в процессе охлаждения газа жидкая фаза будет собираться за счет центробежных сил не в одном определенном месте, а равномерно распределяться по стенкам с образованием пленочного течения, то оптимальным является выполнение средства для отбора жидкой фазы в виде кольцевых щелей.

А поскольку по мере перемещения по соплу газовый поток охлаждается и его температура по мере удаления от критического сечения сопла понижается, то процесс образования жидкой фазы для каждого газового компонента смеси, будет начинаться в различных областях внутреннего объема сопла, в зависимости от температуры фазового перехода. Соответственно, и образовавшиеся капли будут достигать стенок под действием центробежных сил на различных участках, т.е. будет происходить пространственная сепарация сжиженных газовых компонент. Соответственно и устанавливается несколько кольцевых щелей для отбора жидкой фазы (последовательно по потоку). При этом место установки щелей определяется расчетным путем, исходя из физических свойств компонентов газовой смеси и законов термогазодинамики. В соответствии с расчетами может быть выбрана и ширина щели равной толщине пленки жидкой фазы в месте ее отбора с тем, чтобы исключить попадание газовой фазы через щель в приемники сжиженных газов. Для расчета необходимо учитывать такие факторы, как геометрия сопла, давление на входе в него, величину центробежного ускорения в потоке и т.п.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 схематично представлены продольные разрезы двух вариантов выполнения его основного узла, отражающего сущность предложения.

Устройство содержит форкамеру 1, снабженную средством для закрутки газового потока, выбранным из числа известных. Это может быть центробежный насос, вентилятор, циклон и т.п. С соплом соединен первый усеченный конус 3¹, образующий между стеками сопла и конуса первую кольцевую щель 4¹. С первым конусом коаксиально соединен второй полый усеченный конус 3² с образованием между стенками конусов второй кольцевой щели 4². Соответственно, конусы 3² и 3³ образуют кольцевую щель 4³. Этот ряд может быть продолжен, исходя из числа компонентов в газовой смеси, подлежащей разделению.

Устройство для разделения газовых компонентов изготавливают следующим образом. Зная температуры фазовых переходов компонентов смеси, подлежащей разделению, и задавшись давлением газовой смеси, подаваемой на вход (например, от компрессора), исходя из законов термогазодинамики определяют геометрические размеры сопла, обеспечивающие адиабатическое охлаждение смеси до такой степени, чтобы обеспечить переход в жидкую фазу каждого из разделяемых компонентов. Затем вычисляют место расположения в сопле тех областей, где будет начинаться процесс конденсации каждого из компонентов. Определив скорость газа в каждой из этих областей и величину центробежного ускорения, определяют те участки стенок сопла, где будет оседать жидкая фаза каждого из компонентов. Это место определяется по соотношению L_i = v_ii, где i - номер выделяемого (сжижаемого) газового компонента, Li - расстояние от точки росы этого компонента в сопле до места установки i -той кольцевой щели, Vi - скорость газового потока в области точки росы i - того компонента, _i - время перемещения капель жидкости i -того компонента от оси потока до стенок сопла под действием центробежных сил.

Таким образом, предложенное устройство в общем случае, как оно характеризуется в формуле изобретения, пригодно для разделения любых газовых смесей, но учитывая, что температуры фазовых переходов у различных газов различны, то для разделения каждой конкретной газовой смеси необходимо создавать конкретное устройство на основе его принципиальной схемы и изложенных выше рекомендаций. При этом изменения, как следует из изложенного, касаются размеров сопла и взаимного расположения кольцевых щелей.

Устройство работает следующим образом. Закрученный газовый поток, содержащий разделяемые компоненты под давлением, подается на вход форкамеры 1 и проходит со сверхзвуковой скоростью в сопло 2. В результате адиабатического расширения газовая смесь охлаждается и в результате на некотором расстоянии от критического сечения сопла начинается процесс конденсации капель жидкой фазы газового компонента с наиболее высокой температурой фазового перехода. Под воздействием центробежных сил образовавшиеся капли будут отбрасываться к стенкам сопла и достигать их в расчетном месте, где образована стенками сопла и полого конуса 3¹ первая кольцевая щель 4¹. Двигаясь далее и расширяясь, газовая смесь охлаждается до температуры фазового перехода следующего компонента и для него повторяется процесс, описанный выше. Прошедшие в кольцевые щели потоки сжиженных компонентов поступают каждый в свой приемник жидкой фазы.

Таким образом, в предлагаемом устройстве одновременно с сжижением компонентов газовой смеси происходит и их разделение. Учитывая, что разделение происходит путем разнесения потоков жидкой фазы каждого компонента в пространстве, то достигается высокая степень сепарации.

Пример 1. Устройство для разделения многокомпонентной газовой смеси, содержащей бутан, пропан, метан (соответственно будут нумероваться как i = 1,2,3) и другие газы.

Зная температуры фазовых переходов Т₁ = 0,5^oC, Т₂ = - 42,07^oC, Т₃ = - 161,56^oC при нормальном атмосферном давлении и задавшись давлением подаваемой на вход сопла газовой смеси в 65 атм, были определены геометрические параметры, обеспечивающие охлаждение смеси до температуры сжижения всех газов: диаметр форкамер 120 мм, диаметр критического сечения сопла 10 мм, длина сопла 1800 мм, диаметр критического сечения сопла 10 мм, длина сопла 1800 мм, профиль стенок сопла относительно оси симметрии определяется уравниванием

где F_* - площадь критического сечения сопла;

F - площадь сечения сопла в произвольной точке;

М - число Маха;

показатель адиабаты.

На основании расчетов было установлено, что конденсация первого компонента (точка росы) начнется на расстоянии 200 мм до критического сечения сопла, второго - на расстоянии 180 мм от критического сечения сопла, а третьего - в 600 мм от него.

Также на основании расчетов было установлено место установки кольцевых щелей. Для первого компонента расстояние от его точки росы до места отбора его жидкой фазы L₁ = 260 мм, для второго L₂ = 400 мм, для третьего - L₃ - 900 мм.

Изготовленное на основание расчетов описанное устройство обеспечивало разделение компонентов с отбором 90-95% сжиженного бутана от подаваемого на вход устройства, 90-95% пропана и около 60% метана.