EA002780B1 - Способ и устройство для разделения компонентов газовых смесей и сжижения газа - Google Patents

Abstract

Устройство для сжижения газа содержит сопло, имеющее сужающуюся часть, горловину сопла, расширяющуюся часть (при использовании сверхзвукового сопла), а также рабочую часть. С соплом связаны лопатки или другое средство для придания закрутки для обеспечения значительной скорости закрутки газа, поступающего в сопло. В сопле газ подвергается адиабатическому расширению, скорость газа возрастает, а температура газа падает. Это вызывает конденсацию газа с образованием капель. Затем газ проходит через рабочую часть, имеющую стенку. Здесь происходит дальнейшая конденсация, по меньшей мере, части газового потока с увеличением размера капель. Центробежные эффекты, возникающие вследствие закрутки, отбрасывают капли на стенку рабочей части. Конденсированные капли жидкой фазы отбирают от остающегося газа, по меньшей мере, вблизи стенки рабочей части. Способ по изобретению может быть использован как для сжижения газа, так и для выделения одного газа или нескольких газов из смеси газов.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения и может быть использовано в различных областях техники, включая применения для получения сжиженных газов, например для использования в газо- и нефтепереработке, в металлургии, химии и других областях техники.

Уровень техники

Широко применяемый способ сжижения газа включает сжатие газа в компрессоре, предварительное охлаждение в теплообменнике и дальнейшее охлаждение в детандере с последующим расширением газа в дроссельном вентиле, приводящим к охлаждению и конденсации (см. Политехнический словарь, 1989, М.:СЭ, стр. 477 [1]).

Недостатком известного способа является сложность его осуществления и чувствительность к наличию капель жидкости во входном газопроводе.

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. заявку Японии № 07253272, Р 25 1 3/06, 1995 [2]). Недостатком известного способа является малая эффективность при больших энергозатратах.

Известен также способ разделения компонентов газовых смесей путем их сжижения, включающий адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы (см. патент США № 3528217, НКИ 55-15, МКИ В0Ш 51/08, 1970 [3]). В известном способе отбор жидкой фазы осуществляют путем направления газожидкостной смеси на перфорированную перегородку с отклонением потока от простого прямолинейного движения. В результате отклонения потока возникают центробежные силы, и под действием этих центробежных сил капли жидкой фазы смещаются в радиальном направлении наружу. При этом капли жидкой фазы проходят сквозь перфорированную перегородку для последующей сепарации и поступают в приемник. Недостатком известного способа является его малая эффективность. Причина этой низкой эффективности состоит в том, что при отклонении газового потока, двигающегося со сверхзвуковой скоростью, возникают ударные волны, повышающие температуру газа, что в результате приводит к нежелательному испарению части сконденсировавшихся капель обратно в газовую фазу.

Среди известных способов наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ сепарации газов путем их сжижения по патенту США № 5306330, НКИ 95-29, МКИ Β01Ό 51/08, 1994 [4]. Известный способ может быть использован для разделения компонентов газовых смесей (см. колонку 1, строки 5-10 в документе [4]).

Данный способ включает охлаждение газов в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы. В зоне сопла присутствует ударная волна, и принцип действия известного способа состоит в том, что уже сформировавшиеся капли имеют большую инерцию. Как следствие, капли за соплом сохраняют более высокую скорость, что облегчает их сепарацию под действием центробежных эффектов. Для отбора жидкой фазы охлажденный газовый поток, уже содержащий капли сконденсировавшейся жидкой фазы, отклоняют по криволинейной траектории от входной оси сопла. В результате отклонения потока, под действием инерции и возникающих центробежных сил, образовавшиеся капли смещаются в радиальном направлении наружу от оси потока. После этого поток разделяют на два канала, причем одна часть потока, включающая капли, проходит по одному каналу, а другая часть потока, по существу, сухая и свободная от капель жидкой фазы, проходит по другому каналу. Данный способ сходен со способом, раскрытым в [3], в том, что газ, по существу, приводят во вращение, т. е. он совершает поворот вокруг оси, перпендикулярной первоначальной оси и направлению течения потока в сопле.

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

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

Известно также устройство для разделения компонентов газовых смесей и изотопов, содержащее испаритель, криволинейное сверхзвуковое сопло, разделитель в виде охлаждаемого ножа и приемники разделенных компонентов (см. описание к патенту РФ № 2085267, Β01Ό 59/18, 1997 [5]). Недостатком известного устройства является сложность конструкции и малая эффективность как по использованию энергии, необходимой для осуществления, так и по степени разделения.

Все рассмотренные способы, за исключением первого, имеют общий недостаток, существенно снижающий их эффективность и заключающийся в наличии ударной волны, возни кающей в результате изменения направления газового потока. Такие ударные волны, вопервых, нагревают газ, что приводит к испарению капель, и, во-вторых, существенно снижают давление газа на выходе устройства.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении эффективности разделения газовых смесей путем их сжижения и в обеспечении сепарации компонентов смеси в момент их сжижения.

Указанная задача решается согласно настоящему изобретению созданием способа сжижения, который включает адиабатическое охлаждение смеси газов в сверхзвуковом или дозвуковом сопле и отбор жидкой фазы. При этом согласно изобретению изменяют парциальное давление газовых компонентов в смеси. Таким образом, в соответствии с одним аспектом изобретения парциальные давления в исходной газовой смеси могут быть модифицированы в устройстве по изобретению таким образом, чтобы температура конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, была выше температуры конденсации компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации. Далее 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 основной массы газовой фазы компонента с более высокой температурой конденсации.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ сжижения газа, включающий следующие операции:

(1) закрутку газа;

(2) подачу закрученного газового потока с начальными значениями температуры и давления через сопло, предназначенное для расширения газа;

(3) обеспечение возможности адиабатического расширения газа за горловиной сопла ниже по ходу потока в рабочей части, имеющей стенку, в результате чего имеет место падение температуры и конденсация, по меньшей мере, части газа с образованием капель жидкой фазы;

(4) обеспечение возможности движения капель в направлении стенки рабочей части под действием центробежных сил, создаваемых закруткой; и (5) отделение капель сжиженного компонента газа от газа, остающегося в газообразном состоянии, по меньшей мере, в зоне, примыкающей к стенке рабочей части.

Предпочтительно, способ по изобретению предусматривает, что отбор жидкой фазы от газового потока осуществляют в рабочей части в месте, отстоящем на расстоянии Ь от точки росы для сжиженного компонента газа, где Ь = Ухт, где V -скорость газового потока на выходе из сопла, а τ - время движения капель сжиженного компонента газа от оси сопла до стенки рабочей части. Под точкой росы понимается область внутри сопла, в которой начинается переход из газовой фазы в жидкую.

Отбор капель жидкой фазы может быть осуществлен посредством любых подходящих средств, например, через кольцевую щель или через отверстия перфорации.

Способ по изобретению может быть применен к сжижению газа, содержащего множество газовых компонентов, обладающих различными свойствами, и включает адиабатическое расширение газа таким образом, что, по меньшей мере, два газовых компонента начинают конденсироваться с образованием капель во взаимно смещенных в осевом направлении зонах за горловиной сопла по направлению потока, причем отбор жидкой фазы этих газовых компонентов осуществляют взаимно независимо.

В подобном случае предусматривается отдельный приемник для каждого газового компонента, размещенный в зоне, которая расположена на расстоянии Ь₁ от места на оси, в которой происходит конденсация соответствующего газового компонента, где значение Ь₁ определяется выражением Ь₁ = У₁хт₁, в котором Ь₁ расстояние от точки росы ί-го газового компонента до места отбора ί-ого сжиженного компонента газа, V; - скорость газового потока в точке росы ί-го газового компонента, а т₁ - время движения капель ί-го сжиженного компонента от оси сопла до стенки рабочей части.

Для некоторых газов может оказаться достаточным использование дозвуковых скоростей, однако, ожидается, что, как правило, будет необходимо обеспечивать вблизи критического сечения сопла скорость в газе, по существу, близкую к звуковой, для того, чтобы обеспечить сверхзвуковое расширение газа в сопле и в рабочей части.

В своем другом аспекте настоящее изобретение предусматривает создание устройства для сжижения газа, содержащего (1) средство для закрутки газового потока, (2) сопло, расположенное за указанным средством закрутки по направлению потока, которое содержит сужающуюся часть, присоединенную к средству для закрутки, и горловину, соответствующую критическому сечению;

(3) расширяющуюся рабочую часть, расположенную соосно с горловиной и имеющую стенку с углом расхождения, выбранным из условия компенсации роста пограничного слоя, причем при использовании устройства газ адиабатически расширяется в рабочей части за гор ловиной сопла в направлении потока, что вызывает конденсацию, по меньшей мере, части газа, с образованием капель сжиженного компонента газа; и (4) средство отбора жидкой фазы, присоединенное к рабочей части для отделения капель от газа.

В одном из своих конкретных аспектов изобретение применимо к газу, содержащему множество газовых компонентов, обладающих различными свойствами, причем парциальное давление этих компонентов таково, что когда газовый поток проходит через сопло, один компонент, имеющий при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, чем температура конденсации другого компонента, имел бы такое парциальное давление, чтобы в процессе адиабатического расширения он конденсировался первым. Например, в случае природного газа высокое парциальное давление метана может позволить ему конденсироваться первым в количестве, достаточном для растворения этана, все еще находящегося в газовой фазе.

Применительно к данному аспекту изобретения геометрия сопла выбирается таким образом, чтобы обеспечить в процессе охлаждения сохранение в газовой фазе компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации. Более конкретно, геометрия сопла выбирается такой, чтобы обеспечить конденсацию компонента, имеющего (при нормальном давлении) более низкую температуру конденсации в количестве, достаточном для растворения в нем основной массы газовой фазы компонента с более высокой температурой конденсации.

Это позволяет повысить эффективность разделения газовых фракций 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.

Эффективность разделения газовых фракций в смеси повышается в данном случае также потому, что 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 газового компонента.

Геометрия сопла, обеспечивающего выполнение указанных выше условий, выбирается на основании известных законов термодинамики и исходных данных газового потока: давления на входе в сопло, температуры газа, химического состава смеси и начального соотношения парциальных давлений газовых компонентов, а также справочных данных о растворимости газовых компонентов 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, 2-е изд. [6]).

Предпочтительно также выбрать такую геометрию сопла и параметры закрутки газового потока, чтобы обеспечить достижение ускорения, близкого и при этом несколько превышающего 10000 д, где д - ускорение свободного падения (т.е. примерно 10⁵ м/с²). Это значение ускорения рассчитано, исходя из того, что закрученный газ может рассматриваться как вращающееся твердое тело, т. е. его угловая скорость принимается постоянной в пределах от оси до границы сопла. Следует учесть, что подобная модель является теоретической, т.е. идеальной. Хорошее приближение к этой модели может быть достигнуто в результате наличия значительных градиентов скорости закрутки, приводящих к значительным силам вязкости.

Следовательно, реальное значение ускорения будет определяться известной формулой ω²τ, где ω - угловая скорость, а г - радиус. Другими словами, ускорение будет изменяться прямо пропорционально радиусу.

Значение 10000 д относится к ускорению на наружной поверхности закрученного потока, т.е. вблизи стенки сопла. Такое ускорение может быть достигнуто при г = 0,1 м и ω = 1000 с^-1.

Следует также отметить, что, вместо задания точного значения ускорения, оно может быть определено в функциональных терминах. Более конкретно, ключевое требование состоит в том, чтобы потери на трение не были чрезмерно высоки, т.е. угловая скорость не должна быть слишком большой. С другой стороны, даже капли с диаметром менее 5 мкм должны достигать участка стенки рабочей части, расположенного на приемлемом удалении. Кроме того, способ по изобретению должен быть конкурентоспособен с альтернативными методами в отношении падения давления.

На конце рабочей части предусмотрено средство (устройство) для отбора жидкости (в смеси с частью газового потока, находящегося в пограничном слое).

Средство для отбора жидкости может быть расположено смежно со сверхзвуковым диффузором; более того, это средство для отбора и сверхзвуковой диффузор могут составлять одно целое. Сверхзвуковой диффузор обеспечивает частичное преобразование кинетической энергии газового потока в возрастание давления. Таким образом, средство для отбора жидкой фазы может включать в себя кромку, находящуюся в пределах рабочей части, причем эта кромка одновременно образует переднюю кромку канала сверхзвукового диффузора. Подобная конфигурация выбрана для того, чтобы существенно, примерно в 1,2-1,3 раза, повысить эффективность сверхзвукового диффузора по сравнению со сверхзвуковым диффузором обычной конструкции.

За сверхзвуковым диффузором по ходу потока предпочтительно устанавливается дозвуковой диффузор, который обеспечивает дополнительную утилизацию части кинетической энергии, соответствующей аксиальной компоненте скорости, и может содержать устройство для утилизации части кинетической энергии, соответствующей вращательной компоненте скорости (путем устранения вращательного компонента вектора скорости). Для достижения наибольшей эффективности предпочтительное расположение данного устройства соответствует зоне, в которой число Маха М составляет 0,20,3.

Перечень фигур

Для того, чтобы обеспечить лучшее понимание изобретения и ясно показать, как оно может быть реализовано, будут использованы прилагаемые чертежи, на которых представлены предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 1 соответствует схематичному изображению, в продольном сечении, первого варианта сопла по настоящему изобретению.

Фиг. 2 соответствует схематичному изображению, в продольном сечении, второго варианта сопла по настоящему изобретению.

На фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий зависимость парциального давления от температуры для метана, этана, пропана и бутана.

На фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий зависимость эффективности Е закрутки от вихревого параметра 8.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 представлен первый вариант устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг. 1, форкамера 1 имеет входное отверстие 2 для подачи газа. Далее газ проходит через средство (устройство) 3 закрутки, которое содержит лопасти или лопатки 4, установленные на центральном осевом элементе. Лопатки 4 сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечить желаемую скорость закрутки.

За форкамерой 1 по ходу газового потока находится сопло 5. Сопло 5 содержит сужающуюся часть 6, горловину 7, соответствующую критическому сечению, и расширяющуюся часть 8 (эта часть 8 присутствует только в случае сверхзвукового сопла).

От сопла 5 отходит расширяющаяся рабочая часть 9. На фиг. 1 рабочая часть 9 показана отделенной от расширяющейся части 8 сопла 5. Однако должно быть понятно, что сопло и рабочая часть, по существу, выполняют одну и ту же функцию, т.е. обеспечивают непрерывное расширение газа, приводящее к ускорению газового потока, падению давления, снижению температуры (основная или значительная часть перечисленных явлений предпочтительно имеет место в сопле 5, а не в рабочей части 9) и, следовательно, способствуют конденсации заданных компонентов газового потока. Как показано на чертеже, расширяющаяся часть 8 сопла (когда она имеется) может иметь значительно больший угол расхождения, чем рабочая часть 9.

За рабочей частью 9 по ходу потока может быть установлен диффузор 10, установленный коаксиально с другими компонентами устройства. Наружная поверхность диффузора 10 и стенка, отходящая от рабочей части 9, служат для формирования кольцевой щели 11. Корпус диффузора 10 имеет переднюю кромку 12, которая образует переднюю внутреннюю кромку щели 11, одновременно являясь и передней кромкой сверхзвукового диффузора.

В корпусе диффузора 10 имеется центральный канал 13, который последовательно формирует сверхзвуковой диффузор 14, промежуточную часть 15 и дозвуковой диффузор 16.

Дозвуковой диффузор 16 может быть снабжен средством (устройством) 17 утилизации вращательной кинетической энергии, которое снабжено лопастями, или лопатками 18, прикрепленными к коаксиально установленному элементу. Далее по ходу потока имеется выходное отверстие 19 для выпуска разделенного газового компонента с восстановленным давлением.

Конфигурация лопаток 18 выбрана таким образом, чтобы обеспечить преобразование части кинетической энергии, соответствующей вращательной компоненте вектора скорости, в кинетическую энергию, соответствующую аксиальной компоненте вектора скорости. Далее эта кинетическая энергия, соответствующая аксиальной компоненте вектора скорости, в выходной части дозвукового диффузора, но перед выходным отверстием 19, может быть утилизирована в форме повышенного давления.

Геометрия дозвуковой части сопла и его сверхзвуковой части (если она имеется) подбирается, исходя из требования отсутствия отрыва потока на стенках. Закономерности изменения поперечного сечения диффузора вдоль его оси хорошо известны в аэродинамике (см. [9]). Угол расхождения рабочей части выбирается с учетом роста пограничного слоя. В случае малого содержания сжижаемого компонента (от 3 до 6%) этот угол следует выбирать для каждой стороны в интервале 0,5-0,8°. При большем содержании сжижаемого компонента конденсация в рабочей части может привести к значительному снижению объемной скорости газового потока. Данный эффект необходимо учитывать при выборе геометрии стенок рабочей части.

Как уже упоминалось, форкамера 1 снабжена средством (устройством) 3 для придания закрутки газовому потоку. Это средство, вместо показанных на фиг. 1 лопаток 4, может представлять собой циклон, центробежный нагнетатель, тангенциальный подвод газа, закручивающие лопасти и т.п.

Далее будет рассмотрена фиг. 4, которая взята, например, из монографии Сир1а А., ЬШеу Ό., 8угеб М. 8тег1 Ноте, Аьасиз Ргезз, 1984 [7], и на которой показана зависимость эффективности закрутки Е от вихревого параметра 8. Эффективность Е закрутки определяется, как отношение вращательной компоненты кинетической энергии к разности общего напора на входе и выходе устройства:

где

С₀- поток вращательного момента в радиальном направлении;

С_х - поток вращательного момента в осевом направлении;

К - радиус устройства.

На фиг. 4 значения Е и 8 представлены для различных вариантов средства закрутки. Первый вариант, обозначенный на фиг. 4 квадратами , является адаптивным блоком, описанным в указанной монографии [7]. Второй вариант, обозначенный кружками О, представляет собой устройство закрутки с осевым и тангенциальным входом (см [7]). Третий вариант, обозначенный треугольниками Δ, -это устройство закрутки с направляющими лопатками, создающими вращательный компонент (см. там же).

Можно видеть, что первый вариант средства обеспечивает достаточно однородную эффективность в некотором диапазоне значений 8. Второй вариант демонстрирует эффективность, которая быстро падает при возрастании параметра 8. Третий вариант дает сгруппированные результаты, соответствующие эффективности между 0,7 и 0,8, при значениях 8, превышающих 0,8.

Далее будет описан способ по данному изобретению, осуществляемый посредством устройства по фиг. 1.

На вход 2 форкамеры 1 подается поток газовой смеси, которому придана закрутка. В ре зультате создается центробежное ускорение в потоке во время прохождения им сопла и обеспечивается возможность разделения потока на компоненты, как будет подробно описано далее. Для того, чтобы обеспечить требуемые значения ускорения, параметры газового потока, подаваемого на вход, рассчитываются, исходя из законов гидродинамики и геометрии сопла. Из форкамеры 1 газовая смесь проходит в сопло 5, где она охлаждается в результате адиабатического расширения. На некотором расстоянии от критического сечения сопла (в случае использования сверхзвукового сопла) начинается процесс конденсации газового компонента с более высокой температурой перехода в жидкую фазу, который определяется в зависимости от парциальных давлений компонентов используемой газовой смеси. Указанное расстояние определяется соответствующими расчетами с использованием справочных данных о компонентах смеси. В приводимой далее таблице содержится информация о конденсации некоторых газов в зависимости от их давления, заимствованная из справочника Таблицы физических величин, И.К. Кикоин (ред.), Атомиздат, Москва, 1976, стр. 239-240 [8], который содержит подходящие примерные данные. На основе этих данных построены кривые, приведенные на фиг. 3.

Эти кривые могут быть использованы для того, чтобы определить параметры осуществления способа. Например, при нормальном давлении (1 атм.) температура конденсации (сжижения) метана составляет -161,5°С, а этана 88,6°С. Однако, если в газовой смеси парциальное давление этана составляет 1 атм., а метана 40 атм., то метан конденсируется первым, при более высокой температуре, составляющей 86,3°С (см. приводимый далее пример 2).

Образование капель или микрокапель в потоке начинается с формирования кластеров молекул (под кластером понимается группа объединенных или скомбинировавшихся молекул числом не более 5-10). Кластеризация потока происходит на временной шкале порядка 1,5х10^-8 - 10^-7 с, т.е. почти при термодинамическом равновесии. Соответственно, степень расхождения стенок сопла относительно оси или, другими словами, скорость охлаждающегося газа не имеют значения.

Механизм, приводящий к начальной кластеризации, является броуновским движением, тогда как по мере роста кластеров происходит их объединение в результате турбулентного перемешивания в потоке.

Условия, которые определяют форму сопла, - это минимизация потерь общего напора в потоке вследствие потерь на трение; вытекающее отсюда требование о гладкой стенке сопла; выбор такого угла расхождения сопла, чтобы обеспечить непрерывный поток в зоне, прилегающей к стенкам сопла. Аэродинамические требования к стенке сопла, удовлетворяющего указанным условиям, хорошо известны.

Приводимое далее уравнение (1) описывает зависимость между площадью поперечного сечения сопла и числом Маха. Уравнение, в которое входит отношение площадей поперечного сечения в любой конкретной точке и критического сечения сопла, позволяет рассчитать число Маха М. При известном числе Маха и известных температуре на входе и давлении в форкамере можно рассчитать температуру потока. Как уже упоминалось, геометрия сопла определяется по известным методикам.

Таким образом, должно быть понятно, что положение вдоль оси сопла точки росы для конкретного газового компонента зависит от угла расхождения сопла. Как известно, угол расхождения ограничивается рядом факторов. Для сверхзвукового сопла обычно угол расхождения для каждой стороны лежит в интервале от 3 до 12°. Соответственно, при данном угле расхождения и заданных начальных параметрах и составе газовой композиции положение точки росы зависит только от числа М Маха для газового потока или, другими словами, от отношения площади поперечного сечения в произвольной точке и площади критического сечения (поперечного сечения горловины) сопла.

Точка росы может быть найдена с помощью расчетов, использующих соответствующую компьютерную программу, в которой учитываются термодинамические свойства газа, параметры сопла и т.д.; дополнительно следует учесть расхождение между термодинамическим уравнением состояния природного газа и термодинамическими уравнениями для идеального газа. С учетом этих факторов может быть найдено точное положение точки росы по отношению к горловине сопла.

Следует отметить, что звуковая поверхность, на которой скорость потока точно равна звуковой скорости, не совпадает в точности с критическим сечением сопла, но расположена на небольшом расстоянии от него по ходу потока, т. е. в направлении сверхзвукового расширения потока. В данном случае под скоростью понимается полная скорость, т.е. векторная сумма скорости закрутки и скорости вдоль оси. В предположении, что угловая скорость постоянна, скорость закрутки оказывается пропорциональной радиусу. Следовательно, полная скорость увеличивается вместе с радиусом.

Таблица

Р, атм. Т°С Вещество	1	2	5	10	20	30	40
Бутан	-0,5	+18,8	50	79,5	116	140
Пропан	-42,1	-25,6	+1,4	26,9	58,1	78,7	94,8
Этан	-88,6	-75,0	52,8	-32,0	-6,4	+10,0	23,6
Метан	-161,5	-152,3	-138,3	-124,3	-108,5	-96,3	-86,3

При нормальном, или атмосферном давлении пропан конденсируется (сжижается) при более высокой температуре, чем этан (-42,1°С при атмосферном давлении). Однако, если парциальное давление пропана в газовой смеси составляет 1 атм., а парциальное давление этана 10 атм., то температура конденсации этана повышается до -32°С, т.е. становится выше, чем температура конденсации пропана почти на 10°С. Можно подобрать аналогичным образом соответствующие парциальные давления для пар бутан-пропан и бутан-этан. Например, при нормальном или атмосферном давлении температура конденсации бутана равна -0,5°С, т.е. она выше, чем температура конденсации пропана на 41,6°С. Однако, если парциальное давление бутана равно 1 атм., а парциальное давление пропана превышает 5 атм., то (см. таблицу), температура конденсации бутана становится ниже, чем температура конденсации пропана.

Как результат конденсации одного из компонентов, в сопле возникает множество мелких капель (туман), с растворенной в них газовой фазой второго компонента. Поток внутри сопла имеет значительный компонент закрутки (вихревой компонент), и это означает, что 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, может быть установлено средство для отбора жидкой фазы. Это средство может представлять собой перфорацию в стенке сопла или, как это показано на чертеже, кольцевую щель 11. Исходя из справочных данных [8], рассчитывается количество сжиженного или сконденсированного компонента, необходимое для полного растворения в нем максимальной практически достижимой доли газовой фазы второго компонента, имеющего при нормальном давлении более высокую температуру конденсации при атмосферном давлении. Таким образом, 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 максимально достижимой доли 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, сепарируется.

Геометрия сопла и, в частности, соотношение между площадями поперечного сечения выходного отверстия и горловины сопла были определены в соответствии с уравнением

Г^мЫ¹⁺Т^м’ )]“”“ ^ω где

Г* - площадь сечения горловины 2 (критического сечения) сопла;

Г - площадь сечения сопла в произвольной точке;

М - число Маха;

_ Ср ^γ_£ν- показатель адиабаты (соотношение удельных теплоемкостей).

В качестве примера, расчет был проведен для числа Маха М = 1,33 при значении γ для смеси, равном 1,89 (эта величина определена расчетно для данной смеси газов с учетом эффекта сверхсжижаемости и эффекта ДжоуляТомсона для использованных диапазонов давлений).

Значение Г* должно при этом выбираться, исходя из требуемого расхода потока через устройство.

Значение числа Маха на выходе сопла должно выбираться, исходя из требуемых температурных показателей разрабатываемого способа.

Уравнение (1) было использовано для расчета площади выходного сечения сопла с учетом требуемого числа Маха.

Угол расхождения сопла должен выбираться на основе приведенных выше требований; в результате могут быть определены значения Г(х) для любой точки х на оси.

Из уравнения (1) может быть также рассчитано число Маха М(х) для любой точки х на оси.

Давление вдоль оси было рассчитано в соответствии со следующим уравнением:

Р₅₁ =Р₀[1 + ^2м²]^Т_1, (2) где

Ρ_8ί соответствует статическому давлению на стенку устройства;

γ- соотношение удельных теплоемкостей;

М - число Маха.

В соответствии с уравнением (1) число Маха связано с отношением двух поперечных сечений, а именно поперечного сечения в произвольной или заданной точке сопла к критическому сечению.

После того, как определена геометрия сопла, из уравнения (1) может быть рассчитано число Маха М для любой точки вдоль оси сопла. После расчета числа Маха М уравнение (2) может быть использовано для расчета статического давления Ρ_8ί в данной точке.

В результате роста пограничного слоя в рабочей части при работе в сверхзвуковом режиме возникает сопротивление потоку, приводящее к росту давления по длине рабочей части. На определенных расстояниях рост давления может быть столь большим, что происходит разрушение сверхзвукового потока. Это связано с возникновением ударной волны. Поток становится нестабильным, причем местоположение ударной волны перемещается взад и вперед в осевом направлении. Подобный рабочий режим является недопустимым.

По этой причине в соответствии с настоящим изобретением используется сочетание сверхзвукового и дозвукового диффузоров. Еще одно назначение диффузоров заключается в том, чтобы преобразовывать кинетическую энергию потока в повышение давления. Это важно для обеспечения общей эффективности способа и устройства по настоящему изобретению. Общие принципы построения сверхзвуковых и дозвуковых диффузоров хорошо известны в аэродинамике. В рамках настоящего изобретения параметры указанных диффузоров подбираются для решения основных задач, поставленных перед изобретением.

Известно, что эффективность восстановления давления существенно увеличивается при отсутствии отрыва пограничного слоя. Согласно изобретению в случае, когда для сбора жидкой фазы используются кольцевые щели, пограничный слой также удаляется из газового потока (очевидно, что за щелью 11 по ходу потока образуется новый пограничный слой, но он будет тоньше, чем пограничный слой, выведенный из потока). Для выполнения указанной функции сверхзвуковой диффузор 13 устанавливается таким образом, что его передняя кромка 12 одновременно является передней или внутренней кромкой кольцевой щели 11. Благодаря этому пограничный слой может быть практически полностью удален из основного потока, входящего в сверхзвуковой диффузор 13. Такая конфигурация позволяет увеличить эффективность диффузора в 1,2-1,3 раза по сравнению с обычной эффективностью, следовательно, достигается возрастание давления на выходе устройства.

Для этой же цели в дозвуковом диффузоре 16 может быть установлено средство (устройство) 17, которое трансформирует тангенциальный компонент (компонент закрутки, или вихревой компонент) скорости газа в осевую скорость. В части, расположенной за дозвуковым диффузором 16, основная часть кинетической энергии газа преобразуется в возрастание давления. Эффективное место расположения средства 17 устранения вихревого компонента - это зона дозвукового диффузора, в которой осевая скорость на оси устройства соответствует числу Маха М в интервале 0,2-0,3. Установка устрой ства 17 устранения вихревого компонента приводит к возрастанию давления еще на 3-5%, что имеет значение с точки зрения повышения эффективности устройства в целом.

Таким образом, устройство по изобретению может содержать комбинацию сверхзвукового и дозвукового диффузоров 14, 16, установленных в конце рабочей части 9. Кроме того, как уже было упомянуто, в конце дозвукового диффузора 16 может быть установлено средство 17, которое преобразует закрученный поток в осевой поток. Это, в свою очередь, обеспечивает утилизацию вращательной энергии и уменьшает общие энергетические потери на трение. Конструкция подобных элементов описана в литературе, и один из примеров обнаружен в книге Прикладная газовая динамика, Абрамович Г.Н., 5 изд., Наука, 1991 [9].

В некоторых случаях требования к устройству (в отношении давления, температуры и т.д.) таковы, что эти параметры могут быть достигнуты без использования сверхзвукового режима, т.е. во всем объеме устройства выполняется соотношение М<1. В этом случае геометрия рабочей части за выходным сечением сопла будет близка к цилиндрическому каналу. Кроме того, в этом случае достаточно использовать только дозвуковой диффузор, который одновременно является средством утилизации вращательной кинетической энергии.

Следует отметить, что в рабочей части 9 могут иметь место значительные изменения термодинамических параметров. Прежде всего, как следствие конденсации жидкой фазы в виде капель, уменьшается эффективный объем газа, поскольку при той же массе объем жидкости, в типичном случае, уменьшается более чем в 10 раз по сравнению с объемом газа. Этот эффект эквивалентен увеличению поперечного сечения рабочей части 9, поскольку конденсация части газа позволяет оставшемуся газу расшириться. Это соответственно приводит к увеличению числа М; в результате имеет место падение статической температуры и статического давления в сверхзвуковом потоке в канале; в случае дозвуковой скорости имеет место обратное явление.

Пример 1. Разделению подвергалась газовая смесь, содержащая метан и этан. Температура конденсации метана при нормальном давлении составляет -161,5°С, температура конденсации этана -88,63°С. Для того, чтобы при охлаждении смеси температура конденсации метана была выше температуры конденсации этана, на основании кривых, представленных на фиг. 3, или табличных данных (см. таблицу), определяют требуемые парциальные давления газов в смеси. Так, например, при парциальном давлении этана в 1 атм. его температура конденсации составит -88,63 °С, а метана при парциальном давлении 40 атм. -86,3°С. Следователь но, в проходящем через сверхзвуковое сопло газовом потоке парциальное давление этана должно быть меньше или равно 1/40 (2,5%) от парциального давления метана и, как следует из расчетов, газовый поток должен 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 К, определялась геометрия сопла. При этом учитывалось, что для полного растворения этана, содержащегося в смеси (см. [8]), 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. Другими словами, сам этан не конденсировался, а, вместо этого, растворялся в жидком метане.

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 изменение содержаний 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 следующая геометрия сопла: диаметр критического сечения сопла 20 мм, длина сопла 1200 мм (включая полностью сопло, рабочую часть и оба диффузора), стенки сопла спрофилированы в соответствии с уравнением (1).

Также было рассчитано место сбора сжиженного метана с растворенным в нем газообразным этаном. Это место отстоит от критического сечения сопла на 500 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/ч, обеспечивающий прохождение газов через сопло со скоростью 400 м/с и их адиабатическое охлаждение. В результате 8% сжиженного метана от подаваемого на вход сопла переходило в жидкую фазу и удалялось через кольцевую щель 11 в приемник жидкой фазы. При этом сжиженный метан содержал почти весь растворенный в нем этан. В дальнейшем метан сепарировали от этана известным способом.

Пример 2. В другом варианте устройства по изобретению, предназначенном для сжижения, или конденсации метана, были выбраны следующие геометрические параметры: внутренний диаметр форкамеры 1 120 мм, диаметр критического сечения 7 сопла 5 составлял 10 мм, длина сопла вместе с рабочей частью 1000 мм, стенки сопла спрофилированы в соответствии с уравнением (1).

Для обеспечения закрутки газового потока вместо средства, показанного на фиг. 1, в стенках форкамеры выполнены щели шириной 2 мм для обеспечения тангенциальной подачи газа под углом 2° к ее касательной.

Из произведенных расчетов было установлено, что для обеспечения центробежного ускорения в потоке газа во время прохождения им сопла не менее 10000 д, газ должен подаваться с давлением не менее 50 атм. Кроме того, из расчета было установлено, что при выбранных геометрических размерах сопла процесс сжижения метана эффективен при подаче газа под давлением 200 атм., которое и было выбрано в качестве рабочего.

Исходя из этих данных, была рассчитана скорость движения газового потока в сопле, оказавшаяся равной 544 м/с, тогда как место расположения точки росы (Т = 173 К при парциальном давлении 32 атм.) оказалось, по данным расчетов, расположенным на расстоянии 60 мм от критического сечения сопла. Также расчетным путем было установлено оптимальное место отбора жидкой фазы, отстоящее от точки росы на 600 мм.

На вход форкамеры 1 через тангенциальные щели подавался газообразный метан под давлением 200 атм. с расходом 1800 нм³/ч, в результате чего через сопло 5 проходил закрученный поток газа с линейной скоростью 544 м/с и центробежным ускорением в нем 12000 д. При этом в приемник жидкой фазы через кольцевую щель поступал сжиженный метан со скоростью 1,86 кг/с.

Далее будет рассмотрена фиг. 2, на которой представлен второй вариант осуществления устройства по настоящему изобретению. В этом варианте многие компоненты являются такими же, как и в первом варианте. Поэтому, для упрощения понимания, таким компонентам даны те же самые обозначения, и их описание опущено. Кроме того, на фиг. 2 не показаны структура корпуса 10 диффузора и сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры 14, 16. Необходимо, однако, учитывать, что для достижения высокой эффективности подобную конструкцию диффузоров целесообразно использовать и в варианте по фиг. 2, выполнив ее как одно целое с последней кольцевой щелью 22³, описанной далее.

Как показано на фиг. 2, в устройстве по изобретению предусматривается множество секций в форме усеченных конусов, обозначенных, как 20¹, 20², 20³ и имеющих передние кромки 21¹, 21², 21³ соответственно, аналогичные передней кромке 12 на фиг. 1. В результате между секциями имеются кольцевые щели 22¹, 22², 22³, аналогичные щели 11. Каждая из указанных конических секций может быть соответствующим образом спрофилирована для обес печения желаемых аэродинамических характеристик и может иметь угол расхождения, изменяющийся по ее длине. Совокупность конических секций может рассматриваться, как рабочая часть с постоянным расширением, в которой каждая коническая секция 20¹, 20², 20³ обеспечивает отвод различной части потока. Каждая такая часть потока включает в себя другой жидкий компонент, например, жидкий компонент, обогащенный в отношении заданного компонента исходного потока.

В вариантах по фиг. 1 и 2, вместо кольцевых щелей 11 или 22¹, 22², 22³, может быть использована зона перфораций или любое другое подходящее средство для отбора потока от стенки рабочей части. Во всех подобных вариантах ожидается, что, в дополнение к отбору капель, через кольцевые щели, перфорации и т.п. будет отводиться также часть газового потока. В этой связи следует отметить, что скорость в кольцевых щелях 22¹, 22², 22³ имеет второстепенное значение, поскольку поток внутри щелей имеет значительное содержание жидкой фазы.

Решение задачи, поставленной перед настоящим изобретением, обеспечивается благодаря тому, что способ разделения компонентов газовых смесей путем их конденсации предусматривает адиабатическое охлаждение газовой смеси в сверхзвуковом сопле и отбор жидкой фазы. При этом перед подачей потока в сопло газовому потоку придается закрутка до достижения в нем значений центробежного ускорения во время прохождения сопла не менее 10000 д. Осуществление отбора жидкой фазы для каждого компонента производится в месте, отстоящем на расстоянии Ь₁ от точки росы для каждого компонента. Указанное расстояние определяется выражением

Ь₁=У₁хт₁ (3) где

Ь₁ - расстояние от точки росы ί-го газового компонента до места отбора ί-го сжиженного компонента газа (м);

V; - скорость газового потока в точке росы ί-го газового компонента (м/с); а τ₁ - время движения капель ί-го сжиженного компонента от оси сопла до стенки рабочей части сопла (с).

Придание газовому потоку значительной закрутки перед подачей в сопло повышает эффективность конденсации и разделения газовых компонентов в способе по изобретению, поскольку, вследствие закрутки, при прохождении газового потока через сопло 5 и рабочую секцию 9 в нем возникают центробежные силы, и эти силы обеспечивают сепарацию капель жидкой фазы от основного газового потока.

Таким образом, в отличие от известных способов, отпадает необходимость отклонять поток, последнее приводит к повышению его температуры.

Скорость закрутки должна быть достаточно высока для того, чтобы обеспечить достижение центробежных ускорений в газовом потоке во время прохождения им сопла не менее 10000 д. В результате достигается дополнительное повышение эффективности способа. Если ускорение меньше, чем указанное значение, конденсированные капли жидкой фазы не могут достичь стенок устройства для отделения их от потока; как следствие, эти капли выходят из устройства вместе с основным газовым потоком.

Выбор зоны расположения приемника жидкой фазы для каждого из компонентов в соответствии с приведенным выше соотношением также увеличивает эффективность способа, поскольку позволяет производить, одновременно с конденсированием газа, не только разделение по фазам газ-жидкость, но также и разделение по сжиженным газовым компонентам, поскольку они образуются в пространственно разделенных зонах вдоль оси устройства. Поскольку для каждого компонента газовой смеси точка росы зависит от температуры, а температура газового потока изменяется по длине устройства, зоны внутри устройства, в которых начинается процесс конденсации для каждого из компонентов газовой смеси, пространственно разделены. Кроме того, процесс разделения по фазам газ-жидкость под влиянием центробежных сил начинается после образования первых капель жидкой фазы. Отсюда следует, что зоны, в которых эти капли достигнут поперечных стенок сопла, также будут разнесены в пространстве. Таким образом, достаточно лишь расположить средства для отбора жидкой фазы в местах, определенных из приведенного выше соотношения, и направить сжиженные компоненты в раздельные приемники.

В общем случае способ по изобретению при использовании второго варианта выполнения описанного устройства реализуется с приданием газовой смеси такой скорости закрутки, которая обеспечивает достижение центробежного ускорения в потоке во время прохождения им сопла не менее 10000 д. 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 охлаждается. На некотором расстоянии от критического сечения сопла начинается процесс конденсации газового компонента с наиболее высокой температурой перехода в жидкую фазу (точка росы ί-того компонента, где ί = 1). Под действием центробежных сил образовавшиеся капли будут отброшены к стенкам устройства в области, определяемой соотношением

Ь1=У1ХТ1 (4)

Эти капли затем проходят через первую кольцевую щель 22¹. Перемещающийся далее по соплу поток остающихся в газовой фазе компонентов, составляющих смесь, продолжает охлаждаться. Затем в некоторой области сопла, отстоящей от точки росы первого компонента, начнется процесс конденсации второго компонента, имеющего более низкую температуру фазового перехода (точка росы второго компонента). Соответственно, на образующиеся капли жидкой фазы второго компонента начнет действовать центробежная сила закрученного газового потока, отбрасывая их на стенки сопла на расстоянии от точки росы, определяемом соотношением

Е₂ ν₂χτ₂ (5)

Более конкретно, эти капли будут контактировать с внутренней стенкой первой конической секции 20¹ и проходить через вторую кольцевую щель 22².

Двигаясь далее по соплу и продолжая расширяться и охлаждаться, газовая смесь достигнет температуры фазового перехода третьего компонента (точка росы третьего компонента), и описанный выше процесс повторится. Соответственно капли будут собираться на второй конической секции 20² и проходить через третью кольцевую щель 22³. Место нахождения точек росы каждого из компонентов определяется, исходя из геометрии сопла, температур фазового перехода каждого из компонентов, характеристик входящего потока и т. п. с использованием законов и зависимостей газотермодинамики. Соответственно, рассчитывается и место расположения области, где каждый из жидких компонентов собирается на стенках сопла в месте, отстоящем от точки росы на расстоянии, определяемом соотношением

Ε₁=ν_ιχτ₁ (3)

В этих местах и размещаются средства для отбора жидкой фазы каждого компонента. Это средство может быть выполнено как в [2], т.е. в виде перфорации на стенках сопла в расчетных местах, и тогда жидкость под воздействием центробежных сил будет проходить сквозь отверстия перфорации. Следует отметить, что при этом в приемники, вместе с жидкой фазой, будет попадать и некоторое количество газовой фазы из пограничного слоя, которая может быть отделена от жидкой известными методами.

Как показано на фиг. 2, предпочтительным средством отбора жидкой фазы различных компонентов является множество секций 20¹, 20², 20³, по существу, в виде усеченных конусов, образующих соответствующие кольцевые щели 22¹, 22², 22³ по количеству разделяемых компонентов в газовой смеси. Когда капли жидкой фазы под действием центробежных сил достигнут в расчетных местах стенок сопла, то по ним начнется пленочное течение жидкости, которая будет попадать в кольцевую щель и эвакуиро ваться в приемник. При вертикальном расположении сопла, т.е. при движении газового потока сверху вниз, этот процесс будет идти самотеком. В таком случае возможно исключить попадание газовой фазы в приемник с жидкой фазой, если на основании расчетов выполнить ширину щели 22¹ и т.д., равной (или чуть меньшей), чем толщина пленки жидкой фазы в данном месте.

Пример 3. Разделение многокомпонентной газовой смеси на метан, пропан, бутан и смесь оставшихся газов.

Способ осуществляется по общей схеме, изложенной выше. Использовалось устройство, представленное на фиг. 2, со следующими параметрами: внутренний диаметр форкамеры 1 был равен 120 мм, диаметр критического сечения сопла 10 мм, общая длина устройства, включая сопло, рабочую часть и диффузоры, составляла 1800 мм (считая от горловины сопла), стенки сопла спрофилированы в соответствии с уравнением (1).

Для обеспечения необходимой закрутки газового потока на входе форкамеры 1 были установлены закручивающие лопатки. Газ подавался с давлением не менее 50 атм. для обеспечения центробежного ускорения не менее 10000 д в потоке газа во время прохождения им сопла. Более конкретно, использовалось давление 65 атм. На основании газодинамических и термодинамических расчетов, исходя из геометрии сопла, химического состава и давления газа на входе (65 атм.), было установлено, что точка росы бутана (Т = 0,5°С при парциальном давлении 1,65 атм.) расположена перед критическим сечением сопла на расстоянии 200 мм от него, а оптимальное место для отбора сжиженного бутана (отбор 90-95% бутана) будет отстоять на 200 мм от его точки росы.

Местонахождение точки росы для пропана (Т = -39°С при парциальном давлении 1,46 атм.) расположено в 180 мм от критического сечения сопла, а место отбора жидкого компонента (отбор 90-95%) - в 400 мм от нее.

Соответственно, для метана точка росы (Т = -161,56°С при давлении 1,06 атм.) находится в 600 мм от критического сечения сопла, а средство для отбора жидкой фазы должно находиться в 900 мм от точки росы, обеспечивая отбор более 50% сжиженного метана.

После проведения расчетов и установки в соответствии с их результатами в расчетных местах средств для отбора жидкой фазы на вход устройства была подана газовая смесь, состоящая из 88,8% метана, 6% пропана, 3,2% бутана, 1,9% прочие газы под давлением 65 атм. с температурой 290 К.

Процесс осуществлялся в течение 1 ч при расходе газовой смеси 5000 нм³/ч. В результате было получено жидких газов: бутана 100 л, пропана 170 л, метана 2000 л.

Claims (26)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. (1) закрутку газа;

   1. Способ сжижения газа, включающий следующие операции:
2. (2) сопло, расположенное за указанным средством закрутки по направлению потока, которое содержит сужающуюся часть, присое диненную к средству для закрутки, и горловину, соответствующую критическому сечению;

   2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отбор жидкой фазы от газового потока осуществляют в рабочей части в месте, отстоящем на расстоянии Ь от точки росы для сжиженного компонента газа, где Ь=Ухт, где V - скорость газового потока на выходе из сопла, а τ - время движения капель сжиженного компонента газа от оси сопла до стенки рабочей части.

   (2) подачу закрученного газового потока с начальными значениями температуры и давления через сопло, имеющее горловину, соответствующую критическому сечению, и стенку, причем за горловиной сопла по направлению потока газ подвергается адиабатическому расширению с возрастанием скорости газа и падением его температуры, с тем чтобы способствовать конденсации газа с образованием капель жидкой фазы;
3. (3) расширяющуюся рабочую часть, расположенную соосно с горловиной и имеющую стенку с углом расхождения, выбранным из условия компенсации роста пограничного слоя, причем при использовании устройства газ адиабатически расширяется в рабочей части за горловиной сопла в направлении потока, что вызывает конденсацию, по меньшей мере, части газа с образованием капель сжиженного компонента газа; и (4) средство отбора жидкой фазы, присоединенное к рабочей части для отделения капель от газа.

   3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что газ закручивают до достижения центробежного ускорения в потоке вблизи стенки рабочей части более 10000 д, где д -ускорение свободного падения.

   (3) дальнейшую подачу закрученного газового потока через рабочую часть, расположенную соосно с соплом и имеющую стенку, представляющую собой продолжение стенки сопла, благодаря чему имеет место дальнейшее адиабатическое расширение и конденсация, по меньшей мере, части газового потока при росте размеров капель сжиженного компонента газа в результате турбулентного перемешивания;
4. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что отбор жидкой фазы осуществляют через кольцевую щель.

   (4) обеспечение возможности движения капель до стенки рабочей части под действием центробежных сил, создаваемых закруткой, при выборе длины рабочей части, достаточной для того, чтобы большинство капель сжиженного компонента газа достигло стенки рабочей части;
5. 5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что отбор жидкой фазы осуществляют через отверстия перфорации.

   (5) отбор капель жидкой фазы от газа, остающегося в газообразном состоянии, по меньшей мере, в зоне, примыкающей к стенке рабочей части.
6. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что предусматривает сжижение газа, содержащего множество газовых компонентов, обладающих различными свойствами, и включает адиабатическое расширение газа таким образом, что, по меньшей мере, два газовых компонента начинают конденсироваться с образованием капель во взаимно смещенных в осевом направлении зонах за горловиной сопла по направлению по тока, причем отбор жидкой фазы этих газовых компонентов осуществляют взаимно независимо.
7. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что предусматривает сбор сконденсировавшихся капель каждого газового компонента через отверстия перфорации в стенке рабочей части.
8. 8. Способ по п.6, отличающийся тем, что предусматривает сбор сконденсировавшихся капель каждого газового компонента через соответствующую кольцевую щель.
9. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что предусматривает размещение каждой кольцевой щели в зоне, которая расположена на расстоянии Ь₁ от места на оси, в которой происходит конденсация соответствующего газового компонента, где значение Ь₁ определяется выражением Ь₁=У₁хт₁, в котором Ь₁ - расстояние от точки росы ί-го газового компонента до места отбора ί-го сжиженного компонента газа, V; - скорость газового потока в точке росы ί-го газового компонента, а τ₁ - время движения капель ί-го сжиженного компонента от оси сопла до стенки рабочей части.
10. 10. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что газовый поток закручивают до достижения центробежного ускорения, по меньшей мере, равного 10000 д.
11. 11. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что указанный газ представляет собой природный газ, включающий в качестве основных компонентов метан, этан, пропан и бутан.
12. 12. Способ по любому из пп.6-11, отличающийся тем, что предусматривает подачу газовых компонентов при парциальных давлениях, выбранных таким образом, что для одного, первого компонента, имеющего при нормальном давлении более низкую температуру конденсации, чем температура конденсации при нормальном давлении другого компонента, указанный первый компонент конденсируется первым с образованием капель, в которых растворена, по меньшей мере, часть указанного другого компонента, причем способ включает в себя отделение указанных капель от газа.
13. 13. Способ по любому из пп.6-12, отличающийся тем, что предусматривает разделение метана и этана.
14. 14. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что на операции (3) создают в газе вблизи горловины сопла скорость, близкую к звуковой, обеспечивая тем самым сверхзвуковое расширение газа в рабочей части.
15. 15. Устройство для сжижения газа, содержащее (1) средство для закрутки газового потока;
16. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что средство отбора жидкой фазы снабжено перфорациями для отделения капель сжиженного компонента газа.
17. 17. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что средство отбора жидкой фазы снабжено, по меньшей мере, одной кольцевой щелью для отделения капель сжиженного компонента газа.
18. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что средство отбора жидкой фазы снабжено множеством кольцевых щелей, последовательно размещенных вдоль оси рабочей части, для отделения капель различных сжиженных газовых компонентов с обеспечением возможности разделения различных газовых компонентов газовой смеси.
19. 19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что каждая кольцевая щель размещена в зоне, которая расположена на расстоянии Ь₁ от места на оси, в которой происходит конденсация соответствующего газового компонента, где значение Ь₁ определяется выражением Ε₁=ν_ιχτ₁, в котором Ь₁ - расстояние от точки росы ί-го газового компонента до места отбора ί-го сжиженного компонента газа, V; - скорость газового потока в точке росы ί-го газового компонента, а τ₁ - время движения капель ί-го сжиженного компонента от оси сопла до стенки рабочей части.
20. 20. Устройство по любому из пп. 15-19, отличающееся тем, что средство для закрутки выполнено с возможностью достижения скорости закрутки, обеспечивающей центробежное ускорение, равное или превышающее 10000 д.
21. 21. Устройство по любому из пп.15-20, отличающееся тем, что содержит средство подачи газа под давлением, достаточным для обеспечения сверхзвукового расширения в рабочей части.
22. 22. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что сопло содержит расположенную между горловиной сопла и рабочей частью расширяющуюся часть для обеспечения начального расширения и ускорения газа до сверхзвуковых скоростей.
23. 23. Устройство по любому из пп. 15-22, отличающееся тем, что содержит диффузор, расположенный за рабочей частью по направлению потока и служащий для преобразования кинетической энергии в повышенное давление.
24. 24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что содержит кольцевую щель, расположенную вокруг диффузора и служащую для отделения капель жидкости, причем указанная кольцевая щель имеет переднюю внутреннюю кромку, образованную корпусом диффузора.
25. 25. Устройство по п.23 или 24, отличающееся тем, что диффузор включает в себя сверхзвуковой диффузор, промежуточную часть и дозвуковой диффузор.
26. 26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что дозвуковой диффузор снабжен средством устранения вращательного компонента скорости и преобразования части кинетической энергии, соответствующей вращательному компоненту вектора скорости, в кинетическую энергию, соответствующую аксиальной компоненте вектора скорости, обеспечивая тем самым возможность преобразования кинетической энергии, соответствующей аксиальной компоненте вектора скорости, в повышенное давление.