RU2133137C1

RU2133137C1 - Device for separation of gas mixture components

Info

Publication number: RU2133137C1
Application number: RU98118857A
Authority: RU
Inventors: В.И. Алферов; Л.А. Багиров; В.И. Фейгин; А.А. Арбатов; С.З. Имаев; Л.М. Дмитриев; В.И. Резуненко
Original assignee: Алферов Вадим Иванович; Багиров Лев Аркадьевич; Фейгин Владимир Исаакович; Арбатов Александр Аркадьевич; Имаев Салават Зайнетдинович; Дмитриев Леонард Макарович; Резуненко Владимир Иванович
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: separation of gas mixture components by their liquefaction. SUBSTANCE: device has supersonic nozzle and means for withdrawal of liquid phase. Nozzle prechamber has means for swirling of gas flow. Means for withdrawal of liquid phase is made in the form of circular slots successively arranged in direction of flow and formed by nozzle walls and coaxial hollow truncated cones whose number corresponds to number of components separated from mixture. EFFECT: higher efficiency due to reduced power consumption in realization of technical process and separation of gas components directly during their liquefaction. 2 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для разделения компонентов газовых смесей методом их сжижения и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства. The invention relates to equipment for separating components of gas mixtures by their liquefaction method and can be used in various sectors of the economy.

Известно устройство для разделения газовых смесей, содержащее проточную камеру с теплообменником и средство для отбора сжиженных компонентов (см. описание к заявке Японии N 07252372, F 25 J 3/06, 1995). Недостатком известного устройства является его малый КПД, что обусловлено использованием теплообменника для охлаждения газовой смеси для сжижения. A device for separating gas mixtures is known, comprising a flow chamber with a heat exchanger and means for selecting liquefied components (see the description of Japanese application N 07252372, F 25 J 3/06, 1995). A disadvantage of the known device is its low efficiency, which is due to the use of a heat exchanger for cooling the gas mixture for liquefaction.

Известно устройство для разделения газовых смесей и изотопов, содержащее испаритель, криволинейное сверхзвуковое сопло, разделитель в виде охлаждаемого ножа и приемники разделенных компонентов (см. описание к патенту РФ N 2085267, B 01 D 59/18, 1997). Недостатком известного устройства является сложность конструкции и малая эффективность как по использованию энергии, необходимой для осуществления, так и по степени разделения. A device for separating gas mixtures and isotopes, containing an evaporator, a curved supersonic nozzle, a separator in the form of a cooled knife and receivers of separated components (see the description of the patent of the Russian Federation N 2085267, B 01 D 59/18, 1997). A disadvantage of the known device is the design complexity and low efficiency both in the use of energy necessary for implementation and in the degree of separation.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство для разделения компонентов газовых смесей путем сжижения, известное из описания к патенту США N 3528217, МКИ В 01 D 51/08, НКИ 55-15, 1970. Известное устройство содержит сверхзвуковое сопло и средство для отбора сжиженных компонентов, выполненное в виде криволинейного участка сопла с перфорированной стенкой. При изменении траектории движения газового потока возникает центробежная сила, за счет которой капли сжиженных компонент проходят сквозь перфорацию в приемник жидкой фазы. Closest to the claimed in its technical essence is a device for separating components of gas mixtures by liquefaction, known from the description of US patent N 3528217, MKI B 01 D 51/08, NCI 55-15, 1970. The known device contains a supersonic nozzle and means for selection of liquefied components, made in the form of a curved section of the nozzle with a perforated wall. When the trajectory of the gas flow changes, a centrifugal force arises, due to which droplets of liquefied components pass through the perforation into the receiver of the liquid phase.

Недостатком известного устройства является его малая эффективность. Во-первых, после сжижения газовой смеси необходимо осуществлять их разделение в жидкой фазе. Во-вторых, при отклонении сверхзвукового газового потока от прямолинейного движения возникают ударные волны, которые приводят к повышению температуры в газовом потоке, что в свою очередь вызывает испарение некоторой части уже сконденсировавшихся капель. A disadvantage of the known device is its low efficiency. Firstly, after liquefying the gas mixture, it is necessary to separate them in the liquid phase. Secondly, when a supersonic gas stream deviates from rectilinear motion, shock waves arise that lead to an increase in temperature in the gas stream, which in turn causes the evaporation of some of the already condensed droplets.

Заявляемое в качестве изобретения устройство направлено на повышение эффективности - снижение энергозатрат при реализации технологического процесса и обеспечение разделения газовых компонентов непосредственно во время их сжижения. The inventive device is aimed at increasing efficiency - reducing energy consumption during the implementation of the process and ensuring the separation of gas components directly during their liquefaction.

Указанный результат достигается тем, что устройство для разделения компонентов газовых смесей содержит сверхзвуковое сопло и средство для отбора жидкой фазы, при этом форкамера сопла снабжена средством для закрутки газового потока, а средство для отбора жидкой фазы выполнено в виде последовательно размещенных по ходу потока кольцевых щелей, образованных стенками сопла и коаксиальных полых усеченных конусов, по числу компонентов в разделяемой смеси. This result is achieved in that the device for separating the components of the gas mixtures contains a supersonic nozzle and a means for sampling the liquid phase, while the nozzle chamber is provided with a means for swirling the gas stream, and the means for sampling the liquid phase is made in the form of annular slits arranged successively along the stream, formed by the walls of the nozzle and coaxial hollow truncated cones, by the number of components in the shared mixture.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются: - снабжение форкамеры сопла средством для закрутки газового потока; - выполнение средства для отбора жидкой фазы в виде нескольких последовательно размещенных по ходу газового потока кольцевых щелей, образованных стенками сопла и коаксиально соединенных с ним и между собой полых усеченных конусов, при этом число щелей соответствует числу разделяемых компонентов в газовой смеси. Distinctive features of the claimed device are: - supply of the nozzle prechamber with means for swirling the gas flow; - the implementation of the means for the selection of the liquid phase in the form of several successive annular slots arranged along the gas flow formed by the walls of the nozzle and hollow truncated cones coaxially connected with it and between them, while the number of slots corresponds to the number of components to be separated in the gas mixture.

Снабжение форкамеры сверхзвукового сопла средством для закрутки газового потока повышает эффективность устройства, так как, с одной стороны, обеспечивает создание в газовом потоке, во время прохождения им сопла, центробежных сил, необходимых для отделения сконденсировавшихся капель от основного газового потока, а, с другой стороны, устраняет необходимость осуществлять для этого изгиб стенок сопла, что приводит к повышению температуры газового потока. Providing the pre-chamber of the supersonic nozzle with a means for swirling the gas stream increases the efficiency of the device, since, on the one hand, it ensures the creation of centrifugal forces in the gas stream during the passage of the nozzle, necessary to separate the condensed droplets from the main gas stream, and, on the other hand eliminates the need for this to bend the walls of the nozzle, which leads to an increase in the temperature of the gas stream.

Поскольку, в отличие от прототипа, образующая в процессе охлаждения газа жидкая фаза будет собираться за счет центробежных сил не в одном определенном месте, а равномерно распределяться по стенкам с образованием пленочного течения, то оптимальным является выполнение средства для отбора жидкой фазы в виде кольцевых щелей. Since, unlike the prototype, the liquid phase forming in the process of gas cooling will not be collected due to centrifugal forces in one particular place, but will be evenly distributed along the walls with the formation of a film flow, it is optimal to use the means for selecting the liquid phase in the form of ring slots.

А поскольку по мере перемещения по соплу газовый поток охлаждается и его температура по мере удаления от критического сечения сопла понижается, то процесс образования жидкой фазы для каждого газового компонента смеси, будет начинаться в различных областях внутреннего объема сопла, в зависимости от температуры фазового перехода. Соответственно, и образовавшиеся капли будут достигать стенок под действием центробежных сил на различных участках, т.е. будет происходить пространственная сепарация сжиженных газовых компонент. Соответственно и устанавливается несколько кольцевых щелей для отбора жидкой фазы (последовательно по потоку). При этом место установки щелей определяется расчетным путем, исходя из физических свойств компонентов газовой смеси и законов термогазодинамики. В соответствии с расчетами может быть выбрана и ширина щели равной толщине пленки жидкой фазы в месте ее отбора с тем, чтобы исключить попадание газовой фазы через щель в приемники сжиженных газов. Для расчета необходимо учитывать такие факторы, как геометрия сопла, давление на входе в него, величину центробежного ускорения в потоке и т.п. And since as the gas stream moves through the nozzle, it cools and its temperature decreases with distance from the critical nozzle section, the process of formation of the liquid phase for each gas component of the mixture will begin in different regions of the internal volume of the nozzle, depending on the phase transition temperature. Accordingly, the droplets formed will reach the walls under the action of centrifugal forces in different areas, i.e. spatial separation of liquefied gas components will occur. Accordingly, several ring slots are installed to select the liquid phase (sequentially downstream). In this case, the installation location of the slots is determined by calculation, based on the physical properties of the components of the gas mixture and the laws of thermo-gas dynamics. In accordance with the calculations, a slot width equal to the film thickness of the liquid phase at the point of its selection can also be chosen so as to prevent the gas phase from entering through the slot into the liquefied gas receivers. For the calculation, it is necessary to take into account factors such as the geometry of the nozzle, the pressure at its inlet, the magnitude of the centrifugal acceleration in the stream, etc.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 схематично представлены продольные разрезы двух вариантов выполнения его основного узла, отражающего сущность предложения. The inventive device is illustrated by drawings, where Figures 1 and 2 schematically show longitudinal sections of two embodiments of its main assembly, reflecting the essence of the proposal.

Устройство содержит форкамеру 1, снабженную средством для закрутки газового потока, выбранным из числа известных. Это может быть центробежный насос, вентилятор, циклон и т.п. С соплом соединен первый усеченный конус 3¹, образующий между стеками сопла и конуса первую кольцевую щель 4¹. С первым конусом коаксиально соединен второй полый усеченный конус 3² с образованием между стенками конусов второй кольцевой щели 4². Соответственно, конусы 3² и 3³ образуют кольцевую щель 4³. Этот ряд может быть продолжен, исходя из числа компонентов в газовой смеси, подлежащей разделению.The device comprises a prechamber 1 equipped with a means for swirling a gas stream selected from among those known. It can be a centrifugal pump, fan, cyclone, etc. The first truncated cone 3 ^{1 is} connected with the nozzle, forming the first annular gap 4 ¹ between the stacks of the nozzle and the cone. A second hollow truncated cone 3 ^{2 is} coaxially connected to the first cone with the formation of a second annular gap 4 ² between the walls of the cones. Accordingly, the cones 3 ² and 3 ³ form an annular gap 4 ³ . This series can be continued based on the number of components in the gas mixture to be separated.

Устройство для разделения газовых компонентов изготавливают следующим образом. Зная температуры фазовых переходов компонентов смеси, подлежащей разделению, и задавшись давлением газовой смеси, подаваемой на вход (например, от компрессора), исходя из законов термогазодинамики определяют геометрические размеры сопла, обеспечивающие адиабатическое охлаждение смеси до такой степени, чтобы обеспечить переход в жидкую фазу каждого из разделяемых компонентов. Затем вычисляют место расположения в сопле тех областей, где будет начинаться процесс конденсации каждого из компонентов. Определив скорость газа в каждой из этих областей и величину центробежного ускорения, определяют те участки стенок сопла, где будет оседать жидкая фаза каждого из компонентов. Это место определяется по соотношению L_i = v_i•τ_i, где i - номер выделяемого (сжижаемого) газового компонента, Li - расстояние от точки росы этого компонента в сопле до места установки i -той кольцевой щели, Vi - скорость газового потока в области точки росы i - того компонента, τ_i - время перемещения капель жидкости i -того компонента от оси потока до стенок сопла под действием центробежных сил.A device for separating gas components is made as follows. Knowing the temperature of the phase transitions of the components of the mixture to be separated, and given the pressure of the gas mixture supplied to the inlet (for example, from the compressor), based on the laws of thermo-gas dynamics, the geometric dimensions of the nozzle are determined, which ensure adiabatic cooling of the mixture to such an extent as to ensure the transition to the liquid phase of each from shared components. Then calculate the location in the nozzle of those areas where the condensation process of each of the components will begin. Having determined the gas velocity in each of these areas and the magnitude of the centrifugal acceleration, they determine those sections of the nozzle walls where the liquid phase of each component will settle. This place is determined by the relation L _i = v _i • τ _i , where i is the number of the emitted (liquefied) gas component, Li is the distance from the dew point of this component in the nozzle to the installation site of the i-th annular gap, Vi is the gas flow velocity in the area of the dew point of i — that component, τ _i — the time of movement of the liquid droplets of the i-th component from the flow axis to the nozzle walls under the action of centrifugal forces.

Таким образом, предложенное устройство в общем случае, как оно характеризуется в формуле изобретения, пригодно для разделения любых газовых смесей, но учитывая, что температуры фазовых переходов у различных газов различны, то для разделения каждой конкретной газовой смеси необходимо создавать конкретное устройство на основе его принципиальной схемы и изложенных выше рекомендаций. При этом изменения, как следует из изложенного, касаются размеров сопла и взаимного расположения кольцевых щелей. Thus, the proposed device in the General case, as described in the claims, is suitable for the separation of any gas mixtures, but given that the phase transition temperatures of different gases are different, for the separation of each specific gas mixture it is necessary to create a specific device based on its principle scheme and the above recommendations. In this case, the changes, as follows from the above, relate to the size of the nozzle and the relative position of the annular slots.

Устройство работает следующим образом. Закрученный газовый поток, содержащий разделяемые компоненты под давлением, подается на вход форкамеры 1 и проходит со сверхзвуковой скоростью в сопло 2. В результате адиабатического расширения газовая смесь охлаждается и в результате на некотором расстоянии от критического сечения сопла начинается процесс конденсации капель жидкой фазы газового компонента с наиболее высокой температурой фазового перехода. Под воздействием центробежных сил образовавшиеся капли будут отбрасываться к стенкам сопла и достигать их в расчетном месте, где образована стенками сопла и полого конуса 3¹ первая кольцевая щель 4¹. Двигаясь далее и расширяясь, газовая смесь охлаждается до температуры фазового перехода следующего компонента и для него повторяется процесс, описанный выше. Прошедшие в кольцевые щели потоки сжиженных компонентов поступают каждый в свой приемник жидкой фазы.The device operates as follows. The swirling gas stream containing the separated components under pressure is supplied to the inlet of the prechamber 1 and passes at a supersonic speed into the nozzle 2. As a result of adiabatic expansion, the gas mixture cools and as a result, the process of condensation of drops of the liquid phase of the gas component begins the highest phase transition temperature. Under the influence of centrifugal forces, the formed drops will be thrown to the walls of the nozzle and to reach them in a predetermined place where the nozzle and formed by the walls of the hollow cone ^{1 March} first annular slot ^{1 April.} Moving further and expanding, the gas mixture is cooled to the phase transition temperature of the next component and the process described above is repeated for it. The flows of liquefied components that passed into the annular slits enter each into its own receiver of the liquid phase.

Таким образом, в предлагаемом устройстве одновременно с сжижением компонентов газовой смеси происходит и их разделение. Учитывая, что разделение происходит путем разнесения потоков жидкой фазы каждого компонента в пространстве, то достигается высокая степень сепарации. Thus, in the proposed device, simultaneously with the liquefaction of the components of the gas mixture, their separation occurs. Given that the separation occurs by spacing the flows of the liquid phase of each component in space, a high degree of separation is achieved.

Пример 1. Устройство для разделения многокомпонентной газовой смеси, содержащей бутан, пропан, метан (соответственно будут нумероваться как i = 1,2,3) и другие газы. Example 1. A device for separating a multicomponent gas mixture containing butane, propane, methane (respectively, will be numbered as i = 1,2,3) and other gases.

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

где F_* - площадь критического сечения сопла;
F - площадь сечения сопла в произвольной точке;
М - число Маха;

показатель адиабаты.Knowing the temperature of phase transitions T ₁ = 0.5 ^o C, T ₂ = - 42.07 ^o C, T ₃ = - 161.56 ^o C at normal atmospheric pressure and having set the pressure of the gas mixture supplied to the nozzle inlet to 65 atm, geometrical parameters were determined that ensure the mixture was cooled to the liquefaction temperature of all gases: diameter of prechambers 120 mm, diameter of the critical section of the nozzle 10 mm, length of the nozzle 1800 mm, diameter of the critical section of the nozzle 10 mm, length of the nozzle 1800 mm, the profile of the walls of the nozzle relative to the axis of symmetry is determined by equalization

where F _* is the critical sectional area of the nozzle;
F is the nozzle cross-sectional area at an arbitrary point;
M is the Mach number;

adiabatic exponent.

На основании расчетов было установлено, что конденсация первого компонента (точка росы) начнется на расстоянии 200 мм до критического сечения сопла, второго - на расстоянии 180 мм от критического сечения сопла, а третьего - в 600 мм от него. Based on the calculations, it was found that the condensation of the first component (dew point) will begin at a distance of 200 mm to the critical section of the nozzle, the second - at a distance of 180 mm from the critical section of the nozzle, and the third - 600 mm from it.

Также на основании расчетов было установлено место установки кольцевых щелей. Для первого компонента расстояние от его точки росы до места отбора его жидкой фазы L₁ = 260 мм, для второго L₂ = 400 мм, для третьего - L₃ - 900 мм.Also, based on the calculations, the installation site of the ring slots was established. For the first component, the distance from its dew point to the place of extraction of its liquid phase is L ₁ = 260 mm, for the second L ₂ = 400 mm, for the third - L ₃ - 900 mm.

Изготовленное на основание расчетов описанное устройство обеспечивало разделение компонентов с отбором 90-95% сжиженного бутана от подаваемого на вход устройства, 90-95% пропана и около 60% метана. The described device manufactured on the basis of calculations provided separation of components with the selection of 90-95% liquefied butane from the device fed to the input, 90-95% propane and about 60% methane.

Claims

A device for separating components of gas mixtures containing a supersonic nozzle and means for selecting a liquid phase, characterized in that the nozzle chamber is provided with means for swirling the gas stream, and means for taking the liquid phase is made in the form of annular slots formed along the stream formed by the walls of the nozzle and coaxial hollow truncated cones according to the number of components in the shared mixture.