устройство для сжижения газа

Формула изобретения

1. Устройство для сжижения газа, содержащее сопло с форкамерой с размещенным в ней средством для закрутки газового потока, при этом сопло снабжено установленным на выходе сверхзвуковым и/или дозвуковым диффузором и средством для отбора жидкой фазы, выполненным в виде перфорации в стенках сопла и/или кольцевой щели, образованной стенками сопла и входным участком диффузора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дозвуковой диффузор снабжен средством для спрямления закрученного газового потока.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство для спрямления газового потока установлено в дозвуковом диффузоре там, где осевая скорость потока соответствует М=0,25-0,45, где М - число Маха в данной среде.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для получения сжиженных газов, а также разделения компонентов газовых смесей.

Известно устройство, содержащее компрессор, теплообменник, детандер, дроссельный вентиль и средство для отбора жидкой фазы (см. Политехнический словарь, 1989, М., "СЭ", с. 477 [1]). Недостатком известного устройства является сложность его конструкции и чувствительность к наличию капель в потоке на входе в устройство.

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 N 07071871, F 25 J 1/00, 1995 [2]). Недостатком известного устройства является его относительно малый 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 В 01 D 51/08, НКИ 55-15, 1970 [3]).

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.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является устройство для сжижения газа, известное из описания к патенту РФ N 2137065 F 25 J 1/00, 1999 [4].

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 бонуса.

Недостатком известного устройства является его относительно малый КПД, что обусловлено потерей давления в газовом потоке, проходящем через устройство.

Например, при М = 3.0 на вход устройства подается газ с давлением 200 атм, а из устройства газ выходит с давлением 50 атм, где М - число Маха сверхзвукового потока.

Заявляемое в качестве изобретения устройство направлено на повышение КПД при осуществлении процесса сжижения газов, что достигается за счет снижения перепада давления между входом и выходом устройства.

Указанный результат достигается тем, что устройство для сжижения газа содержит сопло с форкамерой с размещенным в нем средством для закрутки газового потока, при этом сопло снабжено установленным на выходе сверхзвуковым и/или дозвуковым диффузором, и средством для отбора жидкой фазы, выполненным в виде перфорации в стенках сопла и/или кольцевой щели, образованной стенками сопла и входным участком диффузора.

Указанный результат достигается также тем, что дозвуковой диффузор снабжен средством для спрямления закрученного газового потока.

Указанный результат достигается также тем, что средство для спрямления газового потока установлено в дозвуковом диффузоре там, где осевая скорость потока соответствует М = 0,25 - 0,45, где М - число Маха в данной среде.

Заявляемое устройство характеризуется следующими особенностями:

- на выходе из сопла устанавливается дозвуковой диффузор, или сверхзвуковой диффузор, или комбинация двух диффузоров - дозвукового и сверхзвукового;

- средство для отбора жидкой фазы может быть выполнено в трех различных вариантах:

а) в виде перфорации на стенках сопла на тех участках, где сконденсировавшиеся капли достигают стенок за счет центробежных сил, вызванных закруткой потока;

б) в виде кольцевой щели, образованной стенками сопла и входным участком диффузора, устанавливаемого на выходе сопла;

в) в виде комбинации предыдущих двух - перфораций стенок и кольцевой щели;

- снабжение дозвукового диффузора средством для спрямления закрученного газового потока;

- установка средства для спрямления газового потока в области дозвукового диффузора там, где осевая скорость потока соответствует М = 0,25 - 0,45 в данной среде.

Использование дозвукового диффузора или комбинации сверхзвукового и дозвукового диффузоров позволяет повысить КПД устройства, т.к. обеспечивает уменьшение необходимого перепада давления газового потока между его входом в устройство и на выходе из него. При этом в зависимости от числа М используемого сопла средство для восстановления давления выполняется в виде дозвукового диффузора или комбинации сверхзвукового и дозвукового диффузоров. Так, если используется дозвуковое сопло, начальный участок полого конуса выполняется в виде дозвукового диффузора с углом полураспада 3 - 6^o. Если же используется сверхзвуковое сопло, то используется комбинация диффузоров - сверхзвукового и дозвукового, устанавливаемых последовательно по ходу потока.

Вид же сопла - дозвуковое или сверхзвуковое - выбирается в зависимости от ряда параметров сжижаемого газа/газовой смеси (давления на входе в устройство, расхода, температуры точки росы и т.п.). Но во всех случаях сопло должно обеспечивать адиабатическое охлаждение газа/газовой смеси до такой степени, чтобы обеспечить переход его или его части в жидкую фазу.

Средство для отбора жидкой фазы может быть использовано в любом из трех указанных выше вариантов - а) или б) или в) в зависимости от природы газа или состава газовой смеси и скорости перемещения газового потока в сопле. В некоторых случаях может являться предпочтительным выполнение средства для отбора жидкой фазы в виде перфорации в стенках сопла.

Если же использовать и перфорацию, и кольцевую щель, то, например, можно использовать предлагаемое устройство для сжижения многокомпонентных газов. Сначала через перфорацию в стенках сопла будет удаляться газовая компонента, конденсирующаяся при более высокой температуре, а затем через кольцевую щель - компонента с более низкой температурой конденсации.

Диффузор или комбинация диффузоров, устанавливаемые с образованием кольцевой щели со стенками сопла, обеспечивают совмещение функций средства отбора жидкой фазы и средства снижения необходимого перепада давлений. Благодаря такому расположению, сжиженный газ, перемещающийся по стенкам, удаляется, а поскольку входная (передняя) кромка диффузора разделяет жидкую и газовую фазу, то это практически исключает наличие пограничного слоя на входе в диффузор и повышает эффективность использования диффузора в 1,2 - 1,3 раза, что соответственно, в конечном итоге, увеличивает полное давление на выходе устройства, т. е. снижает необходимый перепад давления между входом и выходом устройства, т.е. повышает КПД устройства в целом.

Снабжение диффузора средством для спрямления закрученного газового потока позволяет преобразовать кинетическую энергию его вращательного движения в энергию поступательного, что в конечном итоге повышает давление газа на выходе устройства, а следовательно. сокращает перепад давлений между входом и выходом, что также повышает КПД устройства.

Наиболее оптимальным является установка спрямляющего устройства в области диффузора там, где осевая скорость потока соответствует М = 0,25 - 0,45. В этом случае перепад давлений между входом и выходом устройства минимален. Область, где скорость газового потока будет соответствовать М = 0,25 - 0,45. определяется расчетным путем, исходя из геометрии сопла, в котором осуществляется сжижение газа, давления газа на входе устройства, его расхода через сопло и т. п. Соответственно, при изменении каких-либо параметров, место расположения спрямляющего устройства для обеспечения оптимального КПД будет изменено.

Сущность заявляемого устройства для сжижения газа поясняется примерами его реализации и графическими материалами.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез одного из вариантов реализации устройства с использованием сверхзвукового сопла; на фиг. 2 представлен вариант устройства с использованием дозвукового сопла; на фиг. 3 изображено устройство с использованием только перфорации в качестве средства для отбора жидкой фазы.

Первый вариант устройства содержит форкамеру 1, в которой размещено средство 2 для закрутки газового потока, в качестве которого могут быть использованы закручивающие лопатки, тангенциальный подвод газа, шнековый механизм и т. п. Форкамера соединена со сверхзвуковым соплом 3, внутри которого на определенном расстоянии от выходного сечения сопла установлена комбинация диффузоров - сверхзвукового 4 и дозвукового 5. Указанная комбинация диффузоров соединена со стенками сопла известным образом (например, с помощью пилонов), так что между стенками сопла и сверхзвукового диффузора образуется кольцевая щель 6 для отбора сжиженного газа.

Внутри дозвукового диффузора установлено средство 7 для спрямления закрученного газового потока, которое может быть выбрано из числа известных (например, спрямляющие лопатки).

Второй вариант устройства содержит форкамеру 1, средство для закрутки газового потока 2, дозвуковое сопло 3, дозвуковой диффузор 5, средство для отбора жидкой фазы 6 в виде кольцевой щели между стенками сопла и диффузора и средство для спрямления газового потока 7.

В первых двух вариантах реализации (фиг. 1 и 2) в стенках сопла может быть выполнена перфорация 8. Число и размер отверстий, плотность перфорации определяются расчетным или экспериментальным путем.

В частных случаях (см. фиг. 3) в качестве средства для отбора жидкой фазы может быть использована только перфорация стенок сопла.

Геометрические размеры устройства в зависимости от условий работы будут различными. В частности, на газопромысловых скважинах газ выходит из пласта на поверхность с различным давлением и расходом и поэтому, чтобы обеспечить сжижение добываемого газа, устройство следует приспосабливать под конкретные условия.

Устройство изготавливают следующим образом.

Задавшись давлением, температурой, химическим составом газа и его расходом, подаваемым на вход сопла, исходя из законов термогазодинамики, определяют тип и геометрические размеры сопла, обеспечивающего адиабатическое охлаждение газа/газовой смеси до такой степени, чтобы обеспечить переход его или части его компонент в жидкую фазу. Затем вычисляют место расположения в сопле области, где будет начинаться процесс конденсации капель. Вычислив скорость газа в этой области и величину центробежного ускорения, определяют место установки кольцевой щели или перфорации в стенках по соотношению

L = V t,

где L - расстояние от точки росы (начало конденсации) до места установки щели или перфорации;

V - скорость газа;

t - время перемещения капель жидкости от оси потока до стенок сопла под действием центробежных сил.

При этом возможно рассчитать и выполнить ширину этой щели таким образом, чтобы она соответствовала толщине пленки жидкости в месте ее нахождения. Для расчета необходимо учесть целый ряд факторов - давление и температуру газа на входе в сопло, геометрию сопла, величину центробежного ускорения в потоке.

Также расчетным путем определяется и место установки в диффузоре средства для спрямления закрученного газового потока, чтобы обеспечить максимальный КПД.

Таким образом, предложенное устройство в таком виде, как оно представлено на чертежах и охарактеризовано в формуле изобретения, пригодно для сжижения любых газов, а также отдельных компонент природного газа, но учитывая, что температуры фазового перехода "газ - жидкость" различны для разных газов, то геометрические размеры аппарата и расположение отдельных узлов будет определяться расчетным путем на основе известных знаний.

Устройство работает следующим образом. Газовый поток под давлением подается на вход форкамеры 1, подвергается закрутке с помощью средства 2 и подается в сопло 3 (сверхзвуковое или дозвуковое). В результате адиабатического расширения газ охлаждается, и на некотором расстоянии от критического сечения сопла начнется процесс конденсации жидкой фазы. Под воздействием центробежных сил в закрученном потоке сконденсировавшиеся капли будут отбрасываться к стенкам сопла 3 с образованием на них слоя жидкой фазы, которая будет поступать в кольцевую щель 6, образованную стенками сопла и диффузора, или удаляться через перфорацию 8 и далее транспортироваться в приемник сжиженного газа. Несконденсировавшийся газ поступает в диффузор 5 (или комбинацию диффузоров 4 и 5), где происходит преобразование кинетической энергии потока в потенциальную, что приводит к повышению давления в газовом потоке.

В дозвуковом диффузоре газовый поток взаимодействует со средством его спрямления 7, которое преобразует кинетическую энергию его вращательного движения в энергию поступательного движения, которая в свою очередь на последующем участке диффузора преобразуется в потенциальную, что влечет за собой дополнительное повышение давления на выходе устройства.

Пример 1. Устройство для сжижения метана. Задавшись температурой фазового перехода для метана при атмосферном давлении - 161, 56^oC и давлением газа на входе 200 атм, были определены геометрические размеры устройства: диаметр форкамеры 120 мм, диаметр критического сечения сопла 10 мм, длина сопла 1100 мм; стенки сопла спрофилированы в соответствии с уравнением



где F_* - площадь критического сечения сопла;

F - площадь сечения сопла в произвольной точке;

М - число Маха;

- показатель адиабаты.

На основании расчетов было определено, что конденсация жидкой фазы начнется на расстоянии 60 мм от критического сечения сопла (точка росы), а сконденсировавшиеся капли достигнут стенок сопла на расстоянии 600 мм от точки росы. Соответственно, комбинация диффузоров была установлена так, что кольцевая щель, образованная стенками сопла и комбинации диффузоров, находилась в расчетном месте. Также путем расчета было установлено, что скорость газового потока будет соответствовать числу Маха М = 0,3 на расстоянии 140 мм от места соединения сверхзвукового и дозвукового диффузоров, где и были установлены лопатки для спрямления газового потока.