устройство для непрерывного кондиционирования поступающего из хранилища природного газа

Формула изобретения

1. Устройство для непрерывного кондиционирования поступающего из хранилища природного газа перед его закачкой в распределительные трубопроводы для поставки потребителям, содержащее

смесительную станцию для изготовления горючего газа из природного газа и кислорода,

реакционный аппарат для каталитического сжигания подводимой смеси из горючего газа и природного газа,

подключенную к выходу реакционного аппарата по меньшей мере одну станцию осушки, имеющую по меньшей мере один сепаратор, в частности, для отделения воды,

и по меньшей мере одну расширительную арматуру для снижения давления,

отличающееся тем, что реакционный аппарат (14) и по меньшей мере одна сепарационная камера (25) сепаратора (17) расположены в закрытом корпусе (15), причем

в корпусе (15) между реакционным аппаратом (14) и сепарационной камерой (17) расположена смесительная камера (16), в которую заходит первая подводящая линия (21) для поступающего из хранилища холодного природного газа, причем

предусмотрен перепуск (23) для непосредственного входа вытекающего из реакционного аппарата (14) подогретого природного газа в смесительную камеру (16), причем

смесительная камера (16) имеет выпускное устройство (24) смесительной камеры, которое ведет в сепарационную камеру (25), причем реакционный аппарат (14), сепарационная камера (25) м смесительная камера (16) имеют сливные устройства (26, 27, 28) для отвода конденсата в расположенные снаружи конденсатные ловушки, причем

вторая подводящая линия (22) поступающего из хранилища природного газа заходит в корпус (15) в зоне, которая соответствует расположению реакционного аппарата (14) в корпусе (15), и

на входе подводящих линий (21, 22) для природного газа в корпус (15) предусмотрена расширительная арматура (19, 20).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус (15) выполнен как полый цилиндр.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что реакционный аппарат (14) представляет собой концентрически встроенный в полый цилиндрический корпус (15) конструктивный элемент.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реакционный аппарат (14) содержит засыпку из каталитического зерна, поверхность которого обработана в паровой среде в присутствии палладия и/или платины.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая и вторая подводящие линии (21, 22) природного газа заходят примерно тангенциально в содержащий реакционный аппарат (14) корпус (15) и в смесительную камеру (16).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что перепуск (23) представляет собой поперечное днище (33) между смесительной камерой (16) и реакционным аппаратом (14), которое выполнено в форме решета посредством большого числа перфораций.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что выпускное устройство (24) смесительной камеры (16) представляет собой проем в ее поперечном днище (32), расположенном напротив поперечного днища (33), в сторону смежного со смесительной камерой (16) сепаратора (17).

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что сепаратор (17) разделен на зону, содержащую несколько циклонных сепараторов (42), и зону с несколькими фильтровальными элементами (43), причем эти зоны расположены в направлении движения потока природного газа между выпускным устройством (24) смесительной камеры в поперечном днище (32) и выходом (44) из корпуса (15).

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в концентрическом кольцевом пространстве (35), расположенном между корпусом (15) и выполненным как вставленный конструктивный элемент реакционным аппаратом (14) установлен по меньшей мере один направляющий элемент (41).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что направляющий элемент (41) представляет собой уложенный по спирали вокруг наружной оболочки реакционного аппарата (14) прессованный элемент.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что прессованный элемент представляет собой ленту полосовой стали, которая закреплена, стоя на наружной оболочке, на реакционном аппарате (14).

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реакционный аппарат (14) имеет по меньшей мере один термочувствительный датчик.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что несколько термочувствительных датчиков расположены один возле другого, по меньшей мере, вдоль одного измерительного стержня (38, 39), который проходит внутрь реакционного аппарата (14) параллельно его продольной оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для непрерывного кондиционирования поступающего из хранилища природного газа перед его закачкой в распределительные трубопроводы для поставки потребителям, содержащему смесительную станцию для изготовления горючего газа из природного газа и кислорода, реакционный аппарат для каталитического сжигания подводимой смеси из горючего газа и природного газа, подключенную к выходу реакционного аппарата по меньшей мере одну станцию осушки, имеющую по меньшей мере один сепаратор, в частности, для отделения воды и по меньшей мере одну расширительную арматуру для снижения давления.

Устройство вышеназванного типа известно из европейской патентной публикации ЕР 0 920 578.

В известном устройстве поступающий из хранилища газ подогревают для компенсации возникающего при его расширении эффекта Джоуля-Томсона. Это осуществляется путем каталитического сжигания смешанного с кислородом частичного потока поступающего из хранилища природного газа, который вслед за тем вновь смешивают с основным потоком, в результате чего протекающая дальше смесь подогревается до температуры смешения.

Подогретый до температуры смешения поток природного газа протекает затем по меньшей мере через еще одну стадию сепарации, прежде чем происходит его расширение. Нагретый природный газ покидает известное устройство насыщенным водяным паром и требует дальнейшего трудоемкого кондиционирования посредством подключаемой на выходе после расширения станции осушки.

Таким образом, как недостаток известного устройства следует рассматривать то, что образующаяся при каталитической реакции обмена кислорода и высших углеводородов природного газа вода не может удаляться конденсацией и по большей части остается в виде водяного пара в транспортируемом дальше газовом потоке. Вследствие этого, требуется пересмотр в сторону увеличения параметров подключаемой на выходе осушки газа, а также учитывать, что после расширения все еще имеет место выделение конденсата в транспортирующем расширенный природный газ трубопроводе.

С одной стороны, это невыгодно в экономическом отношении и, с другой стороны, существует опасность того, что конденсат может привести к сбою в функционировании линии подачи газа из хранилища или что «гидравлический удар» приведет к повреждению последовательно подключенных установок.

Также относительно невелико время пребывания холодного природного газа в зоне смешения, так что подключенный на выходе сепаратор воды в известном устройстве практически не дает желательного эффекта.

Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство, которое может постоянно кондиционировать подаваемый из хранилища природный газ таким образом, что он годится для прямой закачки в трубопроводы, предназначенные для поставки потребителям.

Эта задача решается за счет признаков пункта 1 формулы изобретения.

Варианты усовершенствования и предпочтительные формы осуществления устройства согласно изобретению вытекают из пунктов 2-13 формулы изобретения.

Непрерывное кондиционирование поступающего из хранилища природного газа посредством заявленного устройства обеспечивает расширение вытекающего из хранилища под относительно высоким давлением природного газа непосредственно до его подачи в корпус устройства посредством расширительной арматуры, подключенной на входе подводящих линий природного газа в корпус. Другие расширения осуществляются затем внутри аппарата, в частности вначале в реакторе и далее в смесительной камере, в которой подаваемый холодный природный газ смешивают с вытекающим из реактора потоком природного газа.

В результате расширения природный газ сильно охлаждается, вследствие чего сразу же происходит образование конденсата и гидратов на входе природного газа в аппарат, в подводящие линии. Выделенный при этом конденсат без особых проблем улавливается или собирается и отводится.

Кроме реакционного аппарата в корпусе расположена по меньшей мере одна сепарационная камера. Вытекающий из сепарационной камеры газ подается в распределительные трубопроводы для поставки потребителям. Следовательно, предусмотрены относительно короткие пути движения потока с тем преимуществом, что выделяющийся конденсат лишь непродолжительное время находится в контакте с природным газом. Этим снижают загрязнение конденсата, который представляет собой главным образом воду, высокими углеводородными цепями.

Так как в корпусе между реакционным аппаратом и сепарационной камерой расположена смесительная камера, в которую заходит первая подводящая линия поступающего из хранилища холодного природного газа, то пути движения потока дальше выгодно снижены до минимального размера. Этому способствует также то, что перепуск из реакционного аппарата в смесительную камеру выполнен таким образом, что обеспечивает непосредственный вход вытекающего из реакционного аппарата подогретого природного газа в смесительную камеру. Перепуск может быть выполнен, например, в форме перегородки между реакционным аппаратом и смесительной камерой, которая имеет большое число отверстий и, следовательно, выполнена подобно решету или перфорированному днищу.

Перепуск делает возможным отток горячих газов из реакционного аппарата в смесительную камеру, при этом во время входа горячих газов в смесительную камеру имеет место завихрение и перемешивание с подводимым в смесительную камеру холодным природным газом и разбавление гидратов природного газа. Переходящий из реакционного аппарата в смесительную камеру горячий природный газ сильно охлаждается вследствие смешения, в результате чего в смесительной камере сразу же начинается образование конденсата и, таким образом, выпадает конденсат.

Сепарация конденсата из природного газа осуществляется в устройстве согласно изобретению как в местах расширения на входе подводящих линий в корпус устройства, так и в самом корпусе. Сепарация конденсата происходит в реакционном аппарате, в смесительной камере и в сепараторе, подключенном на выходе смесительной камеры в направлении оттока обработанных газов.

Сепаратор представляет собой часть последовательно подключенной станции осушки и состоит из расположенной также в корпусе сепарационной камеры.

Сепарационная камера разделена с особым преимуществом на зону, содержащую несколько циклонных сепараторов, и зону с несколькими фильтровальными элементами.

Из смесительной камеры смесь природного газа может перетекать через выход непосредственно в смежную со смесительной камерой сепарационную камеру, при этом вначале она попадает в зону сепарационной камеры, в которой находятся несколько циклонных сепараторов. Циклонные сепараторы служат первичными сепараторами и очищают расширившийся природный газ. Следующая очистка представляет собой тонкую сепарацию в зоне сепарационной камеры, в которой расположено несколько фильтровальных элементов.

Затем очищенный и кондиционированный природный газ отводится из устройства.

Это конструктивное преобразование способа для подогрева поступающего из хранилища природного газа с учетом его охлаждения при расширении, в сочетании с выполнением входных отверстий в устройстве с расширительными клапанами и в сочетании с охлаждением смеси газовых потоков до и после реактора, обеспечивает выгодный, целенаправленный технологический процесс сепарации воды из природного газа и, вместе с тем, кондиционирования газа относительно точки росы водяного пара, при этом на входе и выходе устройства для непрерывного кондиционирования поступающего из хранилища природного газа осуществляются замеры точки росы, и информация обрабатывается и используется соответствующими средствами контроля и регулирования.

В связи с тем, что в заявленном устройстве среди прочего выгодно предусмотрено, что реакционный аппарат, сепарационная камера и смесительная камера имеют сливные устройства для отвода конденсата в расположенные снаружи конденсатные ловушки, то создаются максимально короткие промежутки времени контактирования природного газа с конденсатом. Таким образом, в устройстве минимизируется, во-первых, унос конденсата с газовым потоком и, во-вторых, нагрузка конденсата высокими углеводородными цепями.

Отдельный отвод конденсата на соответствующем этапе реализации способа имеет преимущество в том, что загрязненные в различной степени конденсаты могут подвергаться соответственно специальной подготовке.

Комбинирование фильтров с многократными циклонами для почти полного отделения конденсатов из газового потока обуславливает принудительный режим пропускания газового потока через сепаратор, выгодно отличающийся почти полным отделением конденсата из газа. Кроме того, заявленное устройство отличается также тем преимуществом, что пользователь извлекает выгоду из компактной конструкции в том, что касается производственной площади и себестоимости установки, так как все существенные компоненты для реализации кондиционирования, в частности сепаратор, подогреватель, устройство снижения давления газа и замеров, осушка и фильтрация газа, могут быть объединены в устройстве согласно изобретению и установлены in situ в соответствующем месте.

Отсутствие движущихся частей, таких как насосы или аналогичные устройства, снижает эксплуатационные и ремонтно-профилактические затраты.

Существенным для изобретения является комбинирование каталитической реакции обмена кислорода и углеводородов на катализаторе в реакционном аппарате устройства с расширением непосредственно в смесительном пространстве, в также тангенциальный приток природного газа через первую и вторую подводящие линии не только в смесительный аппарат, но также, в частности, в корпус вокруг реактора. Это способствует оптимальной сепарации конденсатов и конденсации водяного пара из каталитической реакции обмена, без локального генерирования отходящих газов. Расчетный кпд превышает 1,1, так как конденсация и удаление водяного пара, а также тепло, выделяемое в связи с конденсацией, находят полезное применение.

В соответствии со способом регулирование устройства осуществляется на основе контроля точки росы посредством установленных на входе и выходе природного газа замеров точки росы, которые могут быть использованы для целенаправленного изменения дозировки кислорода и изменения в регулировке расхода посредством регулирующих клапанов потока природного газа в подводящих линиях к реактору или непосредственно в зону смешения.

Корпус имеет предпочтительным образом форму полого цилиндра. Реакционный аппарат также представляет собой, в свою очередь, конструктивный элемент, концентрически встроенный в полый цилиндрический корпус. Этот конструктивный элемент входит в соприкосновение с природным газом или конденсатом, которые по причине концентрации кислорода, в сочетании с относительно высокой температурой, примерно 400ºC, особенно агрессивны. Поэтому используемый как реакционный аппарат конструктивный элемент выполнен из хромоникелевой стали, коррозионная стойкость которой сохраняется также и при высоких температурах.

В качестве реакционного слоя предусмотрен помещенный в реакционном аппарате насыпной материал окиси алюминия. Окись алюминия имеет поверхность зерна, обработанную в паровой среде в присутствии палладия и/или платины.

Первая и вторая подводящая линия природного газа подключены к корпусу таким образом, что, например, тангенциально заходят в реакционный аппарат и в смесительную камеру. Это обеспечивает оптимальное смешение в смесительной зоне и конденсацию водяного пара из горячей зоны реактора.

Корпус образует наружную емкость, а выполненный как встроенный конструктивный элемент реакционный аппарат представляет собой внутреннюю емкость корпуса. Обе они рассчитаны таким образом, что в находящееся между корпусом как наружной емкостью и реакционным аппаратом как внутренней емкостью концентрическое кольцевое пространство может протекать холодный природный газ, направляемый по второй подводящей линии. К подводимому холодному природному газу подмешивают ответвляемый от основного потока, поступающего из хранилища природного газа, частичный поток, в который на смесительной станции уже добавлен кислород и который следует рассматривать, следовательно, как горючий газ. Этот горючий газ пропускают через реакционный аппарат и затем смешивают с подводимым по тангенциальной подводящей линии природным газом.

Горючий газ могут подогревать на особой предварительной стадии до температуры активации реактора, так что втекающий горючий газ в реакционном аппарате сразу же может вступать в каталитическую реакцию обмена.

Так как закачиваемый по тангенциальной подводящей линии в корпус холодный природный газ обтекает реакционный аппарат в концентрическом кольцевом пространстве, то происходит охлаждение снаружи реакционного аппарата. Это действие, которое способствует отделению конденсата, может быть стимулировано дополнительно тем, что в концентрическом кольцевом пространстве используют, по меньшей мере, один направляющий элемент. Особенно выгодно направляющий элемент представляет собой конструктивно простой и, тем не менее, эффективный, уложенный по спирали вокруг наружной оболочки реакционного аппарата прессованный элемент, например ленту полосовой стали, которая закреплена на реакционном аппарате, стоя на наружной оболочке.

Для контроля и регулирования протекающего в реакционном аппарате процесса расширения и сжигания предусмотрены несколько термочувствительных датчиков. Они расположены один возле другого вдоль, по меньшей мере, одного измерительного стержня, который проходит в реакционном аппарате параллельно его продольной оси.

Например, по длине измерительного стержня могут быть распределены 20 термочувствительных датчиков.

Каждый термочувствительный датчик передает определенную им температуру как соответствующий сигнал на устройство регулирования и контроля реализации способа. Таким образом, на способ могут воздействовать соответственно управляющие включения расширительной арматуры и арматуры для дозировки кислорода на смесительной станции, на которой производят горючий газ. Кроме того, процесс может регулироваться также по точке росы, в частности, посредством установленных, по меньшей мере, на входе и выходе природного газа замеров точки росы.

На чертежах показан пример осуществления изобретения, из которого вытекают также другие признаки изобретения. При этом показаны:

Фиг. 1 - устройство для непрерывного кондиционирования поступающего из хранилища природного газа в форме блок-схемы;

Фиг. 2 - вид сбоку корпуса с реакционным аппаратом, смесительной камерой и сепаратором по фиг. 1 в продольном разрезе.

На фиг. 1 показана блок-схема для пояснения функционирования устройства в рамках реализации способа непрерывного кондиционирования поступающего из хранилища природного газа. Природный газ течет по магистральному трубопроводу 1 из детально не представленного хранилища, например подземной каверны и, в конечном итоге, в состоянии кондиционной готовности - в распределительный трубопровод 2, и дальше, к детально не обозначенным потребителям.

В точке ответвления 3 от магистрального трубопровода 1 отводят частичный поток и подают на смесительную станцию 4.

Позицией FQ1 обозначен датчик для определения степени влажности или выводимой из нее точки росы.

На смесительную станцию 4 по трубопроводу 5 кислорода подается газообразный кислород, который на смесительной станции 4 смешивают с загружаемым через штуцер 113 частичным потоком природного газа, ответвляемым в точке 3 от магистрального трубопровода 1. Контроль за изготовлением горючего газа из природного газа и кислорода на смесительной станции 4 осуществляется посредством представленного здесь лишь схематично электронного автоматического устройства 61. Из смесительной станции 4 горючий газ направляют по трубопроводу 6 на станцию подогрева 7.

Эта станция подогрева 7 выполнена как расположенный в емкости струйный насос с насосным соплом 8 и смесительным соплом 9.

Смесительное сопло 9 может перемещаться относительно насосного сопла 8 в направлении двойной стрелки 10 посредством рабочих цилиндров 11, 11', то есть управляется в зависимости от температуры, как это показано здесь штриховыми линиями.

Станция подогрева 7 по всасывающему трубопроводу 12 может всасывать выделяемые из каталитического процесса сжигания горячие газы, которые на смесительной станции 7 смешивают с подводимым насосным соплом 8 частичным потоком холодного природного газа. В результате этого смешения происходит подогрев ответвляемого в точке 3 частичного потока, который по смесительному трубопроводу 13 отводится в реакционный аппарат 14, как это здесь показано.

Реакционный аппарат представляет собой конструктивный элемент, который вставлен в корпус 15.

В корпусе 15 кроме реакционного аппарата 14 находятся также смесительная камера 16 и сепаратор 17.

Поступающий из хранилища холодный природный газ подается дальше по магистральному трубопроводу 1 через точку ответвления 3 и разветвляется на частичные трубопроводы 117 и 118. Они ведут к расширительной арматуре 19 и 20.

За расширительной арматурой 20 следует в направлении движения потока первая подводящая линия 21, которая выходит в смесительную камеру 16.

За расширительной арматурой 19 следует в направлении движения потока вторая подводящая линия 22. Учитывая место входа природного газа в корпус 15, расширительные арматуры 19 и 20 подключены, таким образом, в направлении движения потока на входе подводящих линий.

Позицией 23 обозначен перепуск для непосредственного входа отводимого от реакционного аппарата 14 подогретого природного газа в смесительную камеру 16. Через выпускное устройство 24 смесительной камеры нагретая газовая смесь перетекает в сепарационную камеру 15 сепаратора 17. Позициями 26, 27 и 28 обозначены сливные устройства для конденсата. Сливные устройства 26 и 27 конденсата расположены в зоне корпуса 15, в котором установлен реакционный аппарат 14. Сливное устройство 28 конденсата сообщается с сепарационной камерой 25 сепаратора 17.

На фиг. 2 показан вид сбоку корпуса 15 с фиг. 1 в разрезе. Корпус 15 выполнен в форме полого цилиндра, который с концов закрыт глухими фланцами 29, 30. Подводящие линии 21 и 22 расположены со смещением по центру, чтобы обеспечивать тангенциальный ввод природного газа в корпус 15.

Выполненный как полый цилиндр корпус 15 охватывает реакционный аппарат 14, смесительную камеру 16 и сепаратор 17. Эти встроенные элементы отделены друг от друга предусмотренными в корпусе поперечными днищами 31, 32, 33 и 34, причем поперечные днища 33 и 34 имеют множество отверстий, вследствие чего они выполнены подобно решетчатому или перфорированному листу.

Если поперечные днища 31 и 32 выполняют исключительно разделительную функцию, то поперечные днища 33 и 34 служат, по причине многочисленности отверстий, как перепуски. Поперечное днище 33 представляет собой перепуск для непосредственного входа отводимого от реакционного аппарата 14 нагретого каталитическим сжиганием природного газа в смесительную камеру 16.

Поперечное днище 34 обеспечивает вход протекающего через патрубок 36 подогретого горючего газа в реакционный аппарат 14, а затем при пропускании через слой катализатора, который как насыпной материал содержится в реакционном аппарате 14, обеспечивает поглощение тепла, выделяемого в результате каталитической реакции подмешенного кислорода.

Подогретый до температуры активации на станции подогрева 7 горючий газ направляется по ведущему через глухой фланец 29 патрубку 36 внутрь реакционного аппарата 14. После пропускания через насыпной материал катализатора, в котором осуществляется каталитическая реакция с выделением тепла, часть горячих газов по всасывающему трубопроводу 12 (фиг. 1) всасывается струйным насосом станции подогрева 7 для обеспечения тепловой энергии, необходимой для функционирования станции подогрева 7.

Всасывающее входное отверстие 136 всасывающего трубопровода 12 расположено вблизи поперечного днища 33, образующего перепуск 23 (фиг. 1) от реакционного аппарата 14 в смесительную камеру 16.

Всасывающий трубопровод 12 из реакционного аппарата 14 проходит после своего, видимого здесь изгиба 37 также через глухой фланец 29.

Глухой фланец 29 служит одновременно также опорой для укомплектованных термочувствительными датчиками измерительных стержней 38 и 39, которые проходят параллельно продольной оси реакционного аппарата 14 внутрь реакционного аппарата 14. Кроме того, как вариант предусмотрен еще по меньшей мере один нагревательный стержень 40, который может быть использован для нагрева реакционного слоя, например, перед запуском устройства.

В кольцевом пространстве 35 между корпусом 15 и наружной оболочкой реакционного аппарата 14 установлены направляющие элементы 41, здесь уложенный по спирали вокруг наружной оболочки реакционного аппарата 14 прессованный элемент в форме приваренной вертикально ленты полосовой стали, которая обозначена здесь штриховой линией.

Поступающий через подводящую линию 22 холодный природный газ обтекает реакционный аппарат 14 по кольцевому пространству 35 и охлаждает реактор таким образом, что конденсаты уже сепарируются.

На поперечном днище 32, которое отделяет смесительную камеру 16 от сепаратора 17, находится ведущее в сепарационную камеру 25 выпускное устройство 24 смесительной камеры.

Поперечное днище 31 разделяет сепаратор на расположенные рядом друг с другом две зоны: первую зону, в которую ведет выпускное устройство 24 смесительной камеры и которая оснащена несколькими циклонными сепараторами 42 для первичной сепарации, и вторую зону, в которой расположено несколько фильтровальных элементов 43.

Вытекающий из смесительной камеры 16 газ протекает через зону с циклонными сепараторами 42 и затем через зону с фильтровальными элементами 43. Наконец, природный газ через выход 44 выходит из устройства в состоянии кондиционной готовности и, следовательно, закачки.

Реакционный аппарат 14, смесительная камера 16 и сепаратор 17 снабжены сливными устройствами 47 конденсата, которые отводят отходящий конденсат в расположенную снаружи конденсатную ловушку 46. Конденсатная ловушка 46 разделена на три камерные зоны 48, 49 и 50, в которых конденсаты собирают отдельно один от другого, в зависимости от степени их загрязнения углеводородами, что делает их удаление или обработку экономически более выгодной.