способ разделения компонентов газовых смесей

Формула изобретения

Способ разделения компонентов газовых смесей путем сжижения, включающий адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, отличающийся тем, что изменяют парциальное давление газовых компонентов в смеси так, чтобы в момент прохождения газовым потоком сопла температура конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, была выше температуры конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации, и выбирают геометрию сопла, обеспечивающую сохранение в процессе охлаждения компонента с более высокой при нормальном давлении температурой конденсации в газовой фазе и сжижение компонента с более низкой при нормальном давлении температурой конденсации в количестве, достаточном для растворения в нем газовой фазы компонента с более высокой температурой конденсации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения и может быть использовано в различных областях техники.

Известен способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий постадийное охлаждение смеси газов до температур сжижения каждого компонента и отбор соответствующей жидкой фазы на каждой стадии (см. описание к заявке Японии N 07253272, F 25 J 3/06, 1995 [1]). Недостатком известного способа является малая эффективность при больших энергозатратах.

Известен способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы (см. описание к патенту США N 3528217, НКИ 55-15, МКИ B 01 D 51/08, 1970 [2]). В известном способе отбор жидкой фазы осуществляют путем направления газожидкостной смеси на перфорированную перегородку с отклонением потока от прямолинейного движения. В результате, под действием возникающих при отклонении потока центробежных сил капли жидкой фазы поступают в приемник. Окончательная сепарация компонентов осуществляется в жидкой фазе. Недостатком известного способа является его малая эффективность. Во-первых, необходима сепарация компонентов из сжиженной смеси газов, а во-вторых, при отклонении газового потока, двигающегося со сверхзвуковой скоростью, возникают ударные волны, повышающие температуру газа, что в результате приводит к обратному переходу части сконденсировавшихся капель в газовую фазу.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ сепарации газов путем их сжижения, известный из описания к патенту США N 5306330, НКИ 95-29, МКИ B 01 D 51/08, 1994 [3] . Известный способ может быть использован как для сжижения однокомпонентных газов, так и для разделения их смесей (см. колонку 1, строки 5-10 в описании [3]).

Способ включает охлаждение газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы. Для отбора жидкой фазы охлажденный газовый поток, уже содержащий капли сконденсировавшейся жидкой фазы, отклоняют в направлении к первоначальной осевой линии сопла и разделяют тем самым на два потока. В результате отклонения потока под действием сил инерции образовавшиеся капли смещают от оси повернутого потока и направляют по каналу в смеси с газом, а осушенный газ - по другому каналу.

Недостатком известного способа является его малая эффективность. Это обусловлено тем, что при таком повороте газового потока возникают ударные волны, за которыми возрастает его температура, что приводит к испарению части уже сконденсировавшихся капель.

Кроме того, при сжижении выделяемой компоненты парциальное давление его остающейся газовой фазы понижается. Следовательно, для более полного (дальнейшего) сжижения необходимо обеспечить понижение статической температуры потока, что может быть достигнуто увеличением степени адиабатического расширения потока, а значит увеличением его числа Маха. Это приводит к существенному уменьшению выходного давления потока, что резко сужает эффективность этой технологии.

Заявляемый в качестве изобретения способ направлен на повышение эффективности разделения газовых смесей путем их сжижения.

Указанный результат достигается тем, что способ разделения компонентов газовых смесей путем сжижения включает адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы, при этом изменяют парциальное давление газовых компонентов в смеси так, чтобы в момент прохождения газовым потоком сопла температура конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, была выше температуры конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации, и выбирают геометрию сопла, обеспечивающую сохранение в процессе охлаждения компонентов с более высокой при нормальном давлении температурой конденсации в газовой фазе и сжижение компонента с более низкой при нормальном давлении температурой конденсации в количестве, достаточном для растворения в нем газовой фазы компонента с более высокой температурой конденсации.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:

- изменение парциального давления газовых компонентов в смеси так, чтобы в момент прохождения газовым потоком сопла температура конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, была выше температуры конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации;

- выбор геометрии сопла, обеспечивающий сохранение в процессе охлаждения компонента с более высокой (при нормальном давлении) температурой конденсации в газовой фазе;

- выбор геометрии сопла, обеспечивающий сжижение компонента с более низкой (при нормальном давлении) температурой конденсации в количестве, достаточном для растворения в нем газовой фазы компонента с более высокой температурой конденсации.

Изменение парциального давления газовых компонентов в смеси так, чтобы в момент прохождения газовым потоком сопла температура конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, была выше температуры конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации, позволяет повысить эффективность разделения газов по следующим причинам: Сначала в газовом потоке начинает конденсироваться газовый компонент, имеющий более низкую температуру конденсации при нормальном давлении. При этом возникает множество мелких капель (туман), которые растворяют в себе компоненту с более высокой температурой конденсации (при нормальном давлении), находящуюся в газовой фазе, удаляя ее тем самым из смеси.

Выбор геометрии сопла, обеспечивающий сохранение в процессе охлаждения компонента с более высокой (при нормальном давлении) температурой конденсации в газовой фазе и сжижение компонента с более низкой ( при нормальном давлении) температурой конденсации в количестве, достаточном для растворения в нем газовой фазы компонента с более высокой температурой конденсации, также позволяет повысить эффективность разделения газовых компонентов в смеси, поскольку компонент с более высокой температурой конденсации, сохраняясь в газовой фазе в процессе адиабатического охлаждения, будет полностью удален из смеси путем растворения его в жидкой фазе второго компонента, которая удаляется при осуществлении способа известным образом. Соответственно, чтобы удалить компонент, находящийся в газовой фазе, необходимо достаточное количество компонента, находящегося в жидкой фазе, обеспечивающего растворение в себе газовой компоненты.

Геометрия сопла, обеспечивающего выполнение указанных выше условий, выбирается на основании известных законов термогазодинамики и исходных данных газового потока: давления на входе в сопло, температуры газа, химического состава смеси и начального соотношения их парциальных давлений, а также справочных данных о растворимости газовых компонент в жидкостях и сжиженных газах при различных температурах и давлениях, известных из уровня техники (см. , например, "Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого охлаждения". Гальперин И.И., Зеликсон Г.М., Раппопорт, Л.Л. Гос. научно-техн. издат. хим. литературы, М., 1963, изд. 2).

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг. 1 представлен продольный разрез (упрощенный) принципиальной схемы аппарата, с помощью которого может быть реализован способ; на фиг. 2 представлены зависимости температуры конденсации от величины парциального давления для этана, метана, бутана, пропана.

Устройство для сжижения газа содержит форкамеру 1, сверхзвуковое сопло 2 и полый конус 3, образующий с соплом кольцевую щель 4. Конус жестко соединен с соплом одним из известных способов, например, с помощью пилонов (на чертеже не показано). Форкамера снабжена одним из известных средств для закрутки газового потока (не показано). Это может быть циклон, центробежный нагнетатель, тангенциальный подвод газа, закручивающие лопасти и т.п.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом.

На вход форкамеры подается закрученный поток газовой смеси, подлежащий разделению, обеспечивающий центробежное ускорение в потоке во время прохождения им сопла. Параметры газового потока, подаваемого на вход с тем, чтобы обеспечить требуемые значения ускорения, рассчитываются исходя из законов гидродинамики и геометрии сопла. Из форкамеры газовая смесь проходит в сопло, и в результате адиабатического расширения охлаждения и на некотором расстоянии от критического сечения сопла начинается процесс конденсации газового компонента, имеющего более высокую температуру конденсации при подобранных для данного случая парциальных давлениях компонентов смеси. Подбор осуществляется на основе расчетов или с использованием справочных данных. В таблице приведены данные конденсации некоторых газов в зависимости от их давления, позаимствованные из справочника "Таблицы физических величин" под ред. И. К. Кикоина. М., Атомиздат, 1976, с. 239-240 [4]. На основании этих данных построены кривые, приведенные на фиг. 2, позволяющие осуществить выбор. Например, при нормальном давлении (1 атм) температура конденсации (сжижения) метана - 161,5^oC, а этана - 88,6^oC. Но если в смеси газов парциальное давление этана будет 1 атм, а метана 40 атм, то метан будет сжижаться при более высокой температуре - 86,3^oC.

Пропан при нормальном давлении конденсируется (сжижается) при более высокой температуре, чем этан (-42,1^oC). Но если в газовой смеси парциальное давление пропана будет в 1 атм, а этана 10 атм, то температура сжижения этана повысится до -32^oC и будет выше температуры сжижения пропана почти на 10^o. Аналогично можно подобрать соответствующие парциальные давления для пары бутан-пропан или бутан-этан. Например, температура сжижения бутана при нормальном давлении - 0,5^oC, т. е. выше температуры сжижения пропана на 41,6^oC. Но если парциальное давление бутана оставить в 1 атм, а парциальное давление пропана сделать более 5 атм, то (см. таблицу) температура сжижения (конденсации) бутана станет ниже температуры конденсации (сжижения) пропана.

В результате конденсации одного из компонентов в сопле возникает большое количество мелких капель жидкой фазы (туман) с растворенной в них газовой фазой второго компонента. Поскольку поток в сопле является закрученным, то под воздействием центробежных сил сконденсированные капли жидкой фазы будут отбрасываться к стенкам сопла, образуя на них пленку. Место нахождения точки начала конденсации определяется расчетным путем с использованием известных уравнений гидро- и термодинамики. Также рассчитывается и время движения капель сжиженной компоненты от центра сопла до его стенок. В области сопла, где капли достигают его стенок, устанавливается средство для отбора жидкой фазы - перфорация, как в прототипе, или кольцевая щель, как показано на фиг. 1. Исходя из справочных данных, приведенных в [4], рассчитывается количество сжиженной компоненты, необходимой для полного растворения в ней газовой фазы второго компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации и на основании исходных данных о параметрах газовой смеси и известных зависимостей, вытекающих из законов термогазодинамики, рассчитывается геометрия сопла, обеспечивающая сжижение компонента с более низкой при нормальном давлении температурой конденсации в количестве, достаточном для полного растворения газовой фазы второго компонента с более высокой температурой конденсации при нормальном давлении и обеспечивающая его сохранение в газовой фазе в течение всего процесса охлаждения.

В результате в процессе осуществления предложенного способа, сжиженный компонент газа с более низкой температурой конденсации полностью растворяет в себе газовую фазу второго компонента и удаляется для дальнейшего разделения одним из известных методов, а очищенный от второго компонента газ с низкой температурой конденсации направляется для целевого использования.

Пример 2. Разделению подвергалась газовая смесь, содержащая метан и этан. Температура конденсации метана при нормальном давлении составляет - 161,5^oC, температура конденсации этана - 88,63^oC. Для того чтобы при охлаждении смеси температура конденсации метана была выше температуры конденсации этана на основании кривых, представленных на фиг. 2 или табличных данных (см. таблицу), определяют требуемые парциально давления газов в смеси. Так, например, при парциальном давлении этана в 1 атм его температура конденсации составит - 88,63^oC, а метана при парциальном давлении 40 атм - 86,3^oC. Следовательно, в проходящем через сверхзвуковое сопло газовом потоке порциальное давление этана должно быть меньше или равно 1/40 (2,5%) от парциального давления метана и, как следует из расчетов, содержать 95,3% метана и 4,7% этана по массе.

Исходя из того, что на вход сверхзвукового сопла подается газ с давлением 64 атм и температурой 226^oK, определялась геометрия сопла. При этом учитывалось, что для полного растворения этана, содержащегося в смеси (см. [4] ) необходимо, чтобы в жидкую фазу перешло не менее 8% из содержащегося в смеси метана и обеспечивалось нахождение этана в газовой фазе в течение всего процесса охлаждения газовой смеси. Также принималось во внимание и то обстоятельство, что в процессе охлаждения изменялось массовое соотношение газов (а значит и парциальное давление, влияющее на температуру конденсации) из-за того, что один компонент сжижался, а второй удалялся из смеси за счет растворения в жидкой фазе. Как показали эксперименты, в результате осуществления процесса сжижения содержание метана и этана в смеси приводило к увеличению разности температур их конденсации и обеспечивало сохранение этана в газовой фазе в течение всего процесса охлаждения.

Из проведенных, с учетом вышеизложенного, расчетов была выбрана геометрия сопла: диаметр критического сечения сопла 20 мм, длина сопла 1200 мм, стенки сопла спрофилированы в соответствии с уравнением:



где F_* - площадь критического сечения сопла;

F - площадь сечения сопла в произвольной точке;

M - число Маха;

- показатель адиабаты.

Расчет осуществлен на число Маха M= 1,33 при смеси = 1,89 (эта величина определена расчетно для данной смеси газов с учетом эффектов сверхcжижаемости и Джоуля-Томсона для использованных диапазонов температур и давлений.

Также было рассчитано место сбора сжиженного метана с растворенным в нем газообразным этаном, отстоящее от критического сечения сопла на 800 мм.

Таким образом, при реализации способа на вход форкамеры сопла подавался через тангенциальные щели газовый поток, содержащий по массе 4,7% этана и 95,3% метана под давлением 64 атм с расходом 21000 нм³/час, обеспечивающий прохождение газов через сопло со скоростью 400 м/сек и их адиабатическое охлаждение. В результате в приемник жидкой фазы поступало 8% сжиженного метана от подаваемого на вход сопла, содержащего весь растворенный в нем этан, а на выходе из сопла получали полностью очищенный от этана метан, который шел на дальнейшее целевое использование.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет эффективно выделять целевой газообразный продукт из газовых смесей.