RU2380630C1 - Method of gas liquefaction and separation - Google Patents
Method of gas liquefaction and separation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2380630C1 RU2380630C1 RU2008133334/06A RU2008133334A RU2380630C1 RU 2380630 C1 RU2380630 C1 RU 2380630C1 RU 2008133334/06 A RU2008133334/06 A RU 2008133334/06A RU 2008133334 A RU2008133334 A RU 2008133334A RU 2380630 C1 RU2380630 C1 RU 2380630C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- nozzle
- main nozzle
- additional
- subsonic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для получения сжиженных газов, а также разделения компонентов газовых смесей или выделения одного или нескольких целевых компонентов.The invention relates to cryogenic technology and can be used in various sectors of the economy for the production of liquefied gases, as well as the separation of the components of gas mixtures or the allocation of one or more target components.
Известны способ и устройство для получения сжиженного газа, которое содержит сверхзвуковое сопло, использующее адиабатическое расширение газа для его охлаждения, и средство для отбора жидкой фазы, выполненное в виде отогнутого к оси участка сопла с перфорированными стенками. Под воздействием возникающих при отклонении газового потока центробежных сил капли сконденсировавшегося газа проходят сквозь перфорацию и поступают в приемник (см. US №3528217, НКИ 55-15, 1970).A known method and device for producing liquefied gas, which contains a supersonic nozzle using adiabatic expansion of the gas to cool it, and means for sampling the liquid phase, made in the form of a nozzle bent to the axis of the section with perforated walls. Under the influence of centrifugal forces arising when the gas flow deviates, droplets of condensed gas pass through the perforation and enter the receiver (see US No. 3528217, NKI 55-15, 1970).
Недостатком известного способа является его относительно малый КПД. Это обусловлено тем, что при отклонении сверхзвукового потока, что необходимо в известном устройстве для отбора жидкой фазы, возникают ударные волны, приводящие к повышению температуры газового потока, что приводит, в свою очередь, к испарению части уже сконденсировавшихся капель.The disadvantage of this method is its relatively low efficiency. This is due to the fact that when a supersonic flow is deflected, which is necessary in a known device for liquid phase extraction, shock waves arise, leading to an increase in the temperature of the gas flow, which, in turn, leads to the evaporation of a part of the already condensed droplets.
Кроме того, имеют место потери полного давления в газе, прошедшем ударную волну. Указанные потери приводят к значительному перепаду давления между входом и выходом из устройства.In addition, there is a loss of total pressure in the gas transmitted through the shock wave. These losses lead to a significant pressure drop between the inlet and outlet of the device.
Из RU 2137065, F25J 1/00, 1999, известно устройство для сжижения газа. Известное устройство содержит сопло с форкамерой, в которой размещено средство для закрутки газового потока. Устройство снабжено средством для отбора жидкой фазы, выполненным в виде кольцевой щели, образованной стенками сопла и полого конуса. При работе устройства реализуется способ сжижения газа, который предусматривает, что газовый поток под давлением подается на вход форкамеры, закручивается и далее расширяется в сверхзвуковом сопле. В результате адиабатического расширения газ охлаждается и на некотором расстоянии от критического сечения сопла начинается процесс конденсации с образованием жидкой фазы. Под воздействием центробежных сил образовавшиеся капли будут отбрасываться к стенкам сопла с образованием в их окрестности слоя обогащенной газожидкостной смеси, которая будет проходить в кольцевую щель, образованную стенками сопла и стенками полого конуса, и поступать в приемник.A device for liquefying gas is known from RU 2137065,
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ сжижения газа, реализуемый с помощью устройства, известного из описания к патенту RU 2167374, F25J 3/06, 2001.Closest to the claimed in its technical essence and the achieved result is a method of gas liquefaction, implemented using a device known from the description of patent RU 2167374, F25J 3/06, 2001.
Газовый поток под давлением подвергается закрутке и подается на вход сопла (сверхзвукового или дозвукового). В результате адиабатического расширения газ охлаждается, и на некотором расстоянии от критического сечения сопла начнется процесс конденсации жидкой фазы. Под воздействием центробежных сил в закрученном потоке образовавшиеся капли отбрасываются к стенкам сопла с образованием вблизи них слоя газа, обогащенного каплями жидкой фазы, который отбирается, а поток обедненной газовой смеси поступает на выход устройства.The gas stream under pressure is twisted and fed to the inlet of the nozzle (supersonic or subsonic). As a result of adiabatic expansion, the gas cools and a condensation of the liquid phase begins at a certain distance from the critical section of the nozzle. Under the influence of centrifugal forces in a swirling flow, the droplets formed are discarded to the walls of the nozzle with the formation of a gas layer near them, enriched with droplets of the liquid phase, which is taken away, and the depleted gas mixture flows to the outlet of the device.
Недостатком известного способа является его относительно низкая эффективность сепарации. В закрученном потоке при больших значениях центробежных ускорений а>>10000g (а именно такие ускорения необходимы для эффективной сепарации) возникают неустойчивости, приводящие к крупномасштабным турбулентным пульсациям, которые способствуют перемешиванию потока, обогащенного каплями жидкой фазы, с потоком обедненной газовой смеси, что существенно ухудшает процесс сепарации.The disadvantage of this method is its relatively low separation efficiency. In a swirling flow with large values of centrifugal accelerations a >> 10000g (namely, such accelerations are necessary for effective separation), instabilities arise that lead to large-scale turbulent pulsations that contribute to mixing of the flow enriched in drops of the liquid phase with the depleted gas mixture flow, which significantly worsens separation process.
Заявляемый в качестве изобретения способ направлен на повышение эффективности сепарации компонент газовой смеси или сжиженной части газа путем исключения эффектов, способствующих перемешиванию потока в местах отбора сепарируемой компоненты.The inventive method is aimed at increasing the efficiency of separation of the components of the gas mixture or the liquefied part of the gas by eliminating effects that contribute to the mixing of the stream in the places of selection of the separated component.
Указанный результат достигается тем, что способ сжижения и сепарации газов или выделения одного или нескольких газов из их смеси включает подачу в основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло потоков газа, состоящих из одной или нескольких частей, закрутку одной или нескольких частей потока вокруг размещенных полностью или частично в основном сопле дополнительных дозвуковых или сверхзвуковых сопел, выходы которых размещены в дозвуковой или сверхзвуковой части основного сопла, и совместную подачу всех частей газового потока в основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло, обеспечивающее расширение газа с достижением статического давления и статической температуры, которые соответствуют условию конденсации газа или его целевых компонент, и отбор газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, от обедненной ими газовой смеси, при этом газовые потоки через дополнительные сопла подают закрученными и/или незакрученными с обеспечением давлений на выходах дополнительных сопел, достаточных для истечения газа из них в основном сопле.This result is achieved by the fact that the method of liquefying and separating gases or separating one or more gases from their mixture includes supplying gas flows consisting of one or several parts to the main subsonic or supersonic nozzle, swirling one or several parts of the stream around completely or partially placed in the main nozzle of additional subsonic or supersonic nozzles, the outputs of which are located in the subsonic or supersonic part of the main nozzle, and the joint supply of all parts of the gas stream to the main a subsonic or supersonic nozzle that expands the gas to achieve static pressure and static temperature, which correspond to the condition of condensation of the gas or its target components, and the selection of the gas-liquid mixture enriched in the target components from the depleted gas mixture, while the gas flows through additional nozzles are swirl and / or untwisted to provide pressures at the exits of the additional nozzles sufficient for gas to flow from them in the main nozzle.
Указанный результат достигается также тем, что подаваемый на вход основного сопла поток газа формируют, используя несколько раздельных источников газа.The indicated result is also achieved by the fact that the gas flow supplied to the inlet of the main nozzle is formed using several separate gas sources.
Указанный результат достигается также тем, что одну или несколько частей подаваемого на вход основного сопла газа формируют из газа, полученного от разделения полученной на выходе основного сопла газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, с обеспечением перепада давлений, достаточного для поступления его в основное сопло.The indicated result is also achieved by the fact that one or several parts of the gas supplied to the inlet of the main nozzle are formed from gas obtained from the separation of the gas-liquid mixture obtained at the outlet of the main nozzle enriched with target components, providing a pressure drop sufficient for it to enter the main nozzle.
На вход основного дозвукового или сверхзвукового сопла поток газа в соответствии с предлагаемым изобретением может подаваться двумя способами:At the input of the main subsonic or supersonic nozzle, the gas stream in accordance with the invention can be supplied in two ways:
- подачей единого общего потока с его разделением на несколько частей непосредственно перед входом в основное сопло с использованием для осуществления операции разделения известных технических средств;- filing a single common stream with its separation into several parts immediately before entering the main nozzle using known technical means for the separation operation;
- формирование подаваемого потока в основное сопло из нескольких независимых частей, каждая из которых может формироваться путем использования для этого отдельных источников газа.- the formation of the feed stream into the main nozzle from several independent parts, each of which can be formed by using separate gas sources for this.
Разделение потока на несколько частей необходимо для того, чтобы обеспечить возможность подачи одних отдельных частей потока в основное сопло, а других частей - в дополнительные сопла, которые размещаются (полностью или частично) в основном сопле.Separation of the flow into several parts is necessary in order to ensure the possibility of supplying some separate parts of the flow to the main nozzle, and other parts to additional nozzles, which are located (fully or partially) in the main nozzle.
Та часть (части) потока, которая подается непосредственно в основное сопло, закручивается любым известным образом вокруг дополнительных сопел. Отдельные потоки, подаваемые в дополнительные сопла, могут предварительно закручиваться или не закручиваться. Потоки из дополнительных сопел подаются в основное сопло, где смешиваются с потоком, поданным в основное сопло непосредственно.That part (parts) of the flow, which is fed directly to the main nozzle, is twisted in any known manner around additional nozzles. Separate flows supplied to additional nozzles may be pre-twisted or not twisted. Streams from additional nozzles are fed into the main nozzle, where they are mixed with the stream fed directly to the main nozzle.
Подача, по крайней мере, одной части потока сначала через дополнительное сопло, а затем в основное позволяет повысить эффективность сепарации за счет повышения устойчивости закрученного потока внутри основного сопла. Из проведенных опытов и данных литературы известно, что определенная часть вихревого потока, расположенная в окрестности оси основного сопла, неустойчива и прецессирует относительно оси, приводя тем самым к возмущению потока и ухудшению процесса сепарации. Поэтому разделение входного потока на несколько частей позволяет обеспечить необходимые центробежные силы внутри сопла за счет закрутки одной или нескольких частей исходного потока, а вдув дополнительных струй вдоль оси основного сопла через дополнительные сопла (или сопло), размещенные внутри основного потока, позволяет обеспечить отсутствие крупномасштабных пульсаций потока.The supply of at least one part of the flow, first through an additional nozzle, and then into the main one, improves the separation efficiency by increasing the stability of the swirling flow inside the main nozzle. From the experiments and literature data it is known that a certain part of the vortex flow, located in the vicinity of the axis of the main nozzle, is unstable and precesses relative to the axis, thereby leading to flow perturbation and deterioration of the separation process. Therefore, dividing the input stream into several parts allows us to provide the necessary centrifugal forces inside the nozzle by twisting one or more parts of the original stream, and by blowing additional jets along the axis of the main nozzle through additional nozzles (or nozzle) located inside the main stream, it is possible to ensure the absence of large-scale pulsations flow.
При этом поток через все дополнительные сопла может быть подан закрученным, или же поданным через все дополнительные сопла незакрученным, или же через часть сопел закрученным и через часть сопел незакрученным. Выбор интенсивности закрутки той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, определяется расчетным путем исходя из возможной величины перепада давления.In this case, the flow through all additional nozzles can be twisted, or supplied through all additional nozzles untwisted, or through a part of nozzles twisted and through a part of nozzles untwisted. The choice of the intensity of the swirl of the part of the flow that is supplied directly to the main nozzle is determined by calculation based on the possible pressure drop.
При интенсивной (сильной) закрутке той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, через дополнительные сопла подается незавихренная струя (струи), стабилизирующая (стабилизирующие) вихревой поток и тем самым устраняющая перемешивание, которое снижает эффективность сепарации. При применении менее интенсивной (слабой) закрутки той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, более выгодно использовать для стабилизации потока вдув через дополнительное сопло (дополнительные сопла) завихренной струи. В промежуточных вариантах, при относительно сильной (относительно слабой) закрутке той части потока, которая подается непосредственно в основное сопло, используется подача через часть дополнительных сопел закрученной струи, а через другие дополнительные сопла незакрученной струи.During intensive (strong) swirling of the part of the flow that is supplied directly to the main nozzle, an unswirled stream (s) is supplied through additional nozzles, which stabilizes the vortex flow and thereby eliminates mixing, which reduces the separation efficiency. When using a less intense (weak) swirl of that part of the flow that is supplied directly to the main nozzle, it is more advantageous to use (by additional nozzles) a swirling jet to blow the air through the additional nozzle (additional nozzles). In intermediate versions, with a relatively strong (relatively weak) swirl of the part of the flow that is supplied directly to the main nozzle, the supply through the part of additional nozzles of a swirling jet and through other additional nozzles of a non-swirling jet are used.
Для обеспечения возможности реализации способа сжижения и сепарации газов или выделения одного или нескольких газов из их смеси подача газа в основное сопло должна осуществляться так, чтобы в процессе его расширения в сопле были достигнуты статическая температура и статическое давление, которые приводят к конденсации газа или входящих в состав газовой смеси целевых компонент. Подбор указанных параметров может осуществляться как на основании результатов газодинамических и термодинамических расчетов, так и сочетанием расчетов с экспериментальным уточнением параметров потока путем их подбора.In order to be able to implement a method of liquefying and separating gases or separating one or more gases from their mixture, the gas must be supplied to the main nozzle so that during its expansion the static temperature and static pressure are reached in the nozzle, which lead to gas condensation or the composition of the gas mixture of the target components. The selection of these parameters can be carried out both on the basis of the results of gas-dynamic and thermodynamic calculations, and by a combination of calculations with experimental refinement of the flow parameters by selecting them.
Величины давлений на выходах дополнительных сопел определяют путем расчетов, так чтобы обеспечить истечение газа из них в основное сопло.The pressure values at the outputs of the additional nozzles are determined by calculation, so as to ensure the flow of gas from them into the main nozzle.
Использование нескольких раздельных источников газа для формирования общего потока, подаваемого на вход основного сопла, позволяет осуществлять подачу на вход, по крайней мере, одного дополнительного сопла поток с более высоким полным давлением, что позволяет получать на выходе этого сопла более плотный поток с большей скоростью, что обеспечивает повышение эффективности сепарации за счет более жесткой стабилизации потока.The use of several separate gas sources to form a common stream supplied to the inlet of the main nozzle allows feeding at least one additional nozzle into the stream with a higher total pressure, which allows a denser stream to be obtained at the outlet of this nozzle at a higher speed, which provides increased separation efficiency due to more stringent stabilization of the flow.
Формирование одной или нескольких частей подаваемого на вход основного сопла потока из газа, полученного от разделения на газ и жидкость газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, полученной на выходе основного сопла, и направление этого потока через дополнительное сопло обеспечивают повышение эффективности сепарации. Это происходит, например, за счет того, что в центральную часть вихревой зоны поступает газ с более высокой концентрацией сепарируемого компонента, чем в исходном потоке, с одной стороны, и с более низкой температурой, с другой, что способствует образованию в нем кластеров, являющихся зародышами. В описываемом частном случае реализации способа более высокая концентрация целевого сепарируемого компонента в поступающем в дополнительное сопло газе, по сравнению с концентрацией целевого компонента в исходном газе, обусловлена тем, что при разделении полученной на выходе основного сопла газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, имеет место термодинамическое равновесие и фазовое равновесие «газ-жидкость» при более высоких температурах, чем в сопле. Это приводит к тому, что происходит увеличение содержания целевой компоненты в газовой фазе. Кроме того, происходит насыщение удаляемого газа каплями жидкости за счет ее уноса. Более низкая температура поступающего в дополнительное сопло газа обусловлена, в основном, эффектом Джоуля-Томсона, имеющим место при расширении газа в основном сопле, поскольку давление выходных потоков ниже, чем на входе в основное сопло.The formation of one or more parts of the gas stream supplied to the inlet of the main nozzle from the gas obtained from the gas-liquid separation of the gas-liquid mixture enriched with the target components obtained at the outlet of the main nozzle, and the direction of this flow through the additional nozzle provide an increase in the separation efficiency. This occurs, for example, due to the fact that a gas with a higher concentration of the separated component than in the initial stream, on the one hand, and with a lower temperature, on the other hand, enters the central part of the vortex zone, which contributes to the formation of clusters in it by embryos. In the described particular case of the method, a higher concentration of the target separated component in the gas entering the additional nozzle compared to the concentration of the target component in the source gas is due to the fact that upon separation of the gas-liquid mixture enriched in the target components obtained at the outlet of the main nozzle, there is a thermodynamic equilibrium and phase equilibrium "gas-liquid" at higher temperatures than in the nozzle. This leads to the fact that there is an increase in the content of the target component in the gas phase. In addition, there is a saturation of the removed gas with liquid droplets due to its entrainment. The lower temperature of the gas entering the additional nozzle is mainly due to the Joule-Thomson effect, which occurs during gas expansion in the main nozzle, since the pressure of the outlet flows is lower than at the entrance to the main nozzle.
При этом подача газа от устройства сепарации, которое осуществляет разделение газожидкостной смеси, обогащенной целевыми компонентами, должна осуществляться с обеспечением полного давления этого газа, достаточного для поступления его в основное сопло. Это достигается, например, путем установки устройства повышающего давление газа, или путем выбора места расположения выхода этого сопла в основном закрученном потоке, при котором перепад давлений между давлением в отбирающем устройстве и статическим давлением в закрученном потоке будет достаточным для истечения этого газа. При необходимости величину статического давления в месте расположения выхода из сопла можно регулировать, изменяя, например, интенсивность закрутки.In this case, the gas supply from the separation device, which carries out the separation of the gas-liquid mixture enriched in the target components, must be ensured with the full pressure of this gas sufficient for it to enter the main nozzle. This is achieved, for example, by installing a device that increases the pressure of the gas, or by choosing the location of the outlet of this nozzle in the main swirling flow, at which the pressure difference between the pressure in the sampling device and the static pressure in the swirling flow will be sufficient for the outflow of this gas. If necessary, the static pressure at the location of the exit of the nozzle can be adjusted by changing, for example, the intensity of the swirl.
Вид основного сопла - дозвуковое или сверхзвуковое - выбирается в зависимости от термодинамических параметров сжижаемого газа или газовой смеси (состава, давления и температуры на входе в устройство, расхода, температуры точки росы и т.п.). Но во всех случаях основное сопло должно обеспечивать адиабатическое охлаждение газа или газовой смеси до такой степени, чтобы обеспечить переход газа или его части, желательно большей, в жидкую фазу.The type of the main nozzle - subsonic or supersonic - is selected depending on the thermodynamic parameters of the liquefied gas or gas mixture (composition, pressure and temperature at the inlet of the device, flow rate, dew point temperature, etc.). But in all cases, the main nozzle must provide adiabatic cooling of the gas or gas mixture to such an extent as to ensure the transition of the gas or part thereof, preferably larger, into the liquid phase.
Под рабочей частью, в дальнейшем, понимается отсек, являющийся продолжением сопла, в котором происходит рост капель и их сепарация под воздействием центробежных сил.Under the working part, hereinafter, we mean the compartment, which is a continuation of the nozzle in which the droplets grow and separate under the influence of centrifugal forces.
Средство для отбора жидкой фазы может быть выполнено в трех различных вариантах: а) в виде перфорации на стенках сопла и/или его рабочей части на тех участках, где сконденсировавшиеся капли достигают ее стенок за счет центробежных сил, вызванных закруткой потока; б) в виде кольцевой щели, образованной стенками рабочей части и входным участком диффузора, устанавливаемого на выходе рабочей части; в) в виде комбинации предыдущих двух - перфораций стенок и кольцевой щели.The means for selecting the liquid phase can be performed in three different versions: a) in the form of perforation on the walls of the nozzle and / or its working part in those areas where the condensed droplets reach its walls due to centrifugal forces caused by swirling of the flow; b) in the form of an annular gap formed by the walls of the working part and the inlet section of the diffuser installed at the outlet of the working part; c) in the form of a combination of the previous two - perforations of walls and an annular gap.
Положение места вдува струи из дополнительного сопла в основной поток (форкамера, дозвуковая или сверхзвуковая часть основного сопла) зависит от интенсивности закрутки, термодинамических параметров потоков в основном и дополнительном сопле и соотношением их расходов.The position of the place of injection of the jet from the additional nozzle into the main stream (prechamber, subsonic or supersonic part of the main nozzle) depends on the swirl intensity, thermodynamic parameters of the flows in the main and additional nozzles and the ratio of their expenses.
В частных случаях реализации, дополнительное или дополнительные дозвуковые или сверхзвуковые сопла могут быть установлены в форкамере в различных вариантах. В одном случае вход в них может располагаться перед средством для закрутки газового потока. Во втором случае вход может быть расположен за средством для закрутки потока. При этом в обоих случаях выходы дополнительных сопел могут располагаться только за средством для закрутки газового потока. В том случае, когда входы в дополнительные сопла расположены перед закручивающим устройством, а выходы за ним, в завихренный поток подается незавихренная струя газа, стабилизирующая вихревой поток. Этот случай, как правило, соответствует случаю использования интенсивной начальной закрутки. При применении менее интенсивной начальной закрутки может оказаться более выгодным использование для стабилизации потока уже закрученной струи. В этом случае вход в дополнительное сопло располагается за закручивающим устройством. При этом выходы из дополнительных сопел могут находиться как в форкамере, так в дозвуковой или сверхзвуковой части основного сопла.In special cases of implementation, additional or additional subsonic or supersonic nozzles can be installed in the prechamber in various ways. In one case, the entrance to them may be located in front of the means for swirling the gas stream. In the second case, the inlet may be located behind the means for swirling the flow. Moreover, in both cases, the outputs of the additional nozzles can only be located behind the means for swirling the gas stream. In the case when the entrances to the additional nozzles are located in front of the swirling device, and the exits behind it, an un swirled gas stream is supplied to the swirl flow, which stabilizes the vortex flow. This case, as a rule, corresponds to the case of using an intensive initial spin. When using a less intense initial swirl, it may be more advantageous to use an already swirling jet to stabilize the flow. In this case, the entrance to the additional nozzle is located behind the twisting device. At the same time, exits from additional nozzles can be located both in the prechamber and in the subsonic or supersonic part of the main nozzle.
Соединение входа дополнительного сопла с дополнительным источником газа может повышать эффективность сепарации, поскольку в этом случае может быть использовано существенно более высокое полное давление и, соответственно, более плотная струя с большей скоростью, что, в случае необходимости, обеспечит более жесткую стабилизацию потока.The connection of the inlet of the additional nozzle with an additional gas source can increase the separation efficiency, since in this case a significantly higher total pressure and, accordingly, a denser stream with a higher velocity can be used, which, if necessary, will provide more stringent stabilization of the flow.
Для обеспечения возможности поступления газа из газожидкостного сепаратора на вход дополнительного сопла необходимо, чтобы давление на выходе из дополнительного сопла было меньше, чем статическое давление в закрученном потоке в месте расположения выхода. Это достигается, например, соответствующим выбором интенсивности закрутки. Т.е. всегда можно выбрать такую интенсивность закрутки, что давление на оси потока в области установки выхода сопла будет достаточно малым для создания перепада, необходимого для подачи газа из газожидкостного сепаратора обратно в поток.To ensure the possibility of gas from the gas-liquid separator to the inlet of the additional nozzle, it is necessary that the pressure at the outlet of the additional nozzle be less than the static pressure in the swirling stream at the location of the outlet. This is achieved, for example, by appropriate selection of the spin intensity. Those. it is always possible to choose a swirl intensity such that the pressure on the flow axis in the area of the nozzle exit installation will be small enough to create the differential necessary to supply gas from the gas-liquid separator back to the flow.
Сущность заявляемого способа сжижения и сепарации газов поясняется примерами его реализации и чертежами.The essence of the proposed method of liquefaction and separation of gases is illustrated by examples of its implementation and drawings.
На фиг.1 схематично показано продольное сечение устройства, реализующего способ, с соосным размещением одного дополнительного сопла и размещением его входа перед средством для закрутки газового потока,Figure 1 schematically shows a longitudinal section of a device that implements the method, with the coaxial placement of one additional nozzle and the placement of its entrance in front of the means for swirling the gas stream,
На фиг.2 схематично показано продольное сечение форкамеры и основного сопла устройства, реализующего способ, когда вход в несколько дополнительных дозвуковых сопел размещен после средства для закрутки газового потока, а их выходы в форкамере.Figure 2 schematically shows a longitudinal section of the prechamber and the main nozzle of the device that implements the method, when the entrance to several additional subsonic nozzles is placed after the means for swirling the gas stream, and their exits in the prechamber.
На фиг.3 представлено продольное сечение форкамеры и основного сопла устройства с дополнительным дозвуковым соплом, вход в которое соединен с внешним источником газа, а выход находится в дозвуковой части основного сопла.Figure 3 shows a longitudinal section of the prechamber and the main nozzle of the device with an additional subsonic nozzle, the entrance to which is connected to an external gas source, and the outlet is located in the subsonic part of the main nozzle.
На фиг.4 схематично показано продольное сечение устройства, снабженного дополнительным источником газа, в качестве которого использован газожидкостный сепаратор, газовый выход которого соединен с входом дополнительного дозвукового сопла, выход которого находится в дозвуковой части основного сопла.Figure 4 schematically shows a longitudinal section of a device equipped with an additional gas source, which is used as a gas-liquid separator, the gas outlet of which is connected to the inlet of an additional subsonic nozzle, the output of which is located in the subsonic part of the main nozzle.
Пример 1. Один из вариантов реализации устройства для сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.1, содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, основное дозвуковое или сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7. В форкамере 1 устройства установлено дополнительное сверхзвуковое сопло 8, вход которого снабжен устройством 9 регулирования расхода газа через дополнительное сопло. При этом вход в дополнительное сопло расположен перед средством 2 для закрутки газового потока, а выход из него в дозвуковой части основного сопла. Такое конструктивное решение, как правило, применяется при интенсивной начальной закрутке. Средство для отбора жидкой фазы 5 соединено с газожидкостным сепаратором 10.Example 1. One of the embodiments of the device for liquefying and separating gases, shown in figure 1, contains sequentially and coaxially mounted
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Газовая смесь поступает в форкамеру 1, при этом ее основная часть проходит через закручивающее устройство 2, а другая часть поступает на вход дополнительного сопла 8 (регулирование расхода осуществляется устройством 9). Закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации).The gas mixture enters the
Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель до размеров, больших 0,5 мкм, и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя.Further, the swirling flow enters the working
Направление части потока в виде незавихренной струи через дополнительное сопло стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса в устройстве, чем способствует повышению его эффективности.The direction of a part of the stream in the form of an un swirled stream through an additional nozzle stabilizes the vortex flow and ensures the stability of the process in the device, thereby increasing its efficiency.
Выбор дозвукового или сверхзвукового дополнительного сопла определяется интенсивностью закрутки и связанным с ней перепадом давлений между входом в дополнительное сопло и выходом из него. При высокой интенсивности закрутки предпочтительней использование сверхзвукового сопла, а при низкой - дозвукового.The choice of a subsonic or supersonic additional nozzle is determined by the intensity of the swirl and the associated pressure drop between the entrance to the additional nozzle and the exit from it. At high spin intensities, the use of a supersonic nozzle is preferable, and at low - subsonic.
Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь, проходя через сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры 6 и 7 соответственно, выходит из устройства.The gas-liquid stream formed near the walls of the working part, enriched with the target component, enters the
Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - газовый, очищенный от целевой компоненты, и другой - газожидкостный, обогащенный этой компонентой, который, например, направляется в газожидкостный сепаратор 10, где разделяется на газовую и жидкую фазы.Thus, as a result of the operation of the device, the gas mixture entering it is divided into two streams. One is gas, purified from the target component, and the other is gas-liquid, enriched with this component, which, for example, is sent to a gas-
Пример 2. Один из вариантов реализации устройства для сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.2 (представлено только продольное сечение форкамеры и основного сопла, остальные элементы, показаны на фиг.1), содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7.Example 2. One of the embodiments of the device for liquefying and separating gases, shown in Fig.2 (only a longitudinal section of the prechamber and the main nozzle is shown, the remaining elements are shown in Fig.1), contains a
В форкамере 1 устройства установлено несколько дополнительных дозвуковых сопел 8, входы которых снабжены устройствами 9 регулирования расхода газа через них. Сопла закреплены в форкамере 1 на пилонах 11 под некоторым углом к осевой линии устройства. При этом вход в дополнительные сопла расположен после средства 2 для закрутки газового потока. Такое конструктивное решение, как правило, применяется при относительно слабой начальной закрутке.In the
Устройство реализует способ следующим образом.The device implements the method as follows.
Газовая смесь поступает в форкамеру 1, проходит через закручивающее устройство 2, при этом часть закрученного потока поступает на вход дополнительных сопел 8 (регулирование расхода осуществляется устройством 9). Ускоренный в соплах 8 газовый поток смешивается с основной частью закрученного потока вблизи осевой линии и оказывает на него стабилизирующее воздействие. Далее, закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации). Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель до размеров, больших 0,5 мкм, и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя.The gas mixture enters the
Направление части потока в виде завихренной струи через дополнительное сопло стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса в устройстве, чем способствует повышению его эффективности.The direction of a part of the stream in the form of a swirling jet through an additional nozzle stabilizes the vortex flow and ensures the stability of the process in the device, thereby increasing its efficiency.
На фиг.2 представлен вариант размещения двух дополнительных сопел, расположенных под углом к оси потока. В этом случае газ из областей с высоким давлением, расположенных в периферийной области вихря, направляется в приосевую область вихря, где давление существенно ниже. Это стабилизирует положение центральной вихревой зоны при сохранении высокой тангенциальной скорости. Таким образом, формируют нужное распределение тангенциальной и осевой скорости в вихре, обеспечивающее отсутствие нестабильности потока.Figure 2 presents the placement of two additional nozzles located at an angle to the axis of flow. In this case, gas from regions with high pressure located in the peripheral region of the vortex is directed to the axial region of the vortex, where the pressure is much lower. This stabilizes the position of the central vortex zone while maintaining a high tangential velocity. Thus, the desired distribution of tangential and axial velocity in the vortex is formed, which ensures the absence of flow instability.
Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь, проходя через сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры 6 и 7 соответственно, выходит из устройства.The gas-liquid stream formed near the walls of the working part, enriched with the target component, enters the
Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - обогащенный целевой компонентой и другой - обедненный этой компонентой.Thus, as a result of the operation of the device, the gas mixture entering it is divided into two streams. One is enriched in the target component and the other is depleted in this component.
Пример 3. Один из вариантов реализации устройства для сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.3 (представлено только продольное сечение форкамеры, основного сопла и внешний источник газа, остальные элементы показаны на фиг.1), содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7. В форкамере 1 устройства установлено дополнительное дозвуковое сопло 8, вход которого снабжен устройством 9 регулирования расхода газа через дополнительное сопло.Example 3. One embodiment of a device for liquefying and separating gases, shown in Fig. 3 (only a longitudinal section of the prechamber, the main nozzle and an external gas source is shown, the remaining elements are shown in Fig. 1), contains 1 sec sequentially and coaxially mounted to the prechamber means 2 for swirling the gas flow located in it, a
Вход в дополнительное сопло соединен посредством трубопровода 11 с внешним источником газа 12, в качестве которого может быть использован любой из числа известных. Например, это может быть выход из какого-либо аппарата, используемого для обработки газовой смеси, газовая или газоконденсатная скважина, и т.д. При этом вход в дополнительное сопло расположен перед средством 2 для закрутки газового потока, а выход из него в дозвуковой части основного сопла.The entrance to the additional nozzle is connected via a
Способ реализуется с помощью устройства следующим образом.The method is implemented using the device as follows.
Газовая смесь поступает в форкамеру 1 и проходит через закручивающее устройство 2. Другой газовый поток из внешнего источника газа 13 через трубопровод 12 поступает на вход дополнительного сопла 8 (регулирование расхода осуществляется устройством 9). Закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации). Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель до размеров, больших 0,5 мкм, и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя. Направление газового потока из дополнительного источника газа в виде незавихренной струи через дополнительное сопло стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса в устройстве, чем способствует повышению его эффективности. Газ из дополнительного источника может содержать некоторое количество жидкой компоненты, капли которой выступают в качестве зародышей, чем способствуют процессу конденсации и повышают эффективность сепарации.The gas mixture enters the
Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь выходит из устройства.Formed, near the walls of the working part, enriched with the target component, the gas-liquid stream enters the selection means 5 and then into the gas-
Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - газовый, очищенный от целевой компоненты, и другой - газожидкостный, обогащенный этой компонентой, который, например, направляется в газожидкостный сепаратор, где разделяется на газовую и жидкую фазы. Газовый поток из газожидкостного сепаратора может быть объединен с газовым потоком из устройства или направлен на вход устройства, как описано ниже в примере 4.Thus, as a result of the operation of the device, the gas mixture entering it is divided into two streams. One is gas, purified from the target component, and the other is gas-liquid, enriched with this component, which, for example, is sent to a gas-liquid separator, where it is separated into gas and liquid phases. The gas stream from the gas-liquid separator can be combined with the gas stream from the device or directed to the inlet of the device, as described below in example 4.
Пример 4. Один из вариантов устройства для реализации способа сжижения и сепарации газов, представленный на фиг.4, содержит последовательно и соосно установленные форкамеру 1 с размещенным в ней средством 2 для закрутки газового потока, сверхзвуковое сопло 3 с пристыкованной к нему рабочей частью 4, к которой, в свою очередь, присоединено средство для отбора жидкой фазы 5. На выходе сопла 3, за рабочей частью 4, установлены сверхзвуковой диффузор 6 и дозвуковой диффузор 7. В форкамере 1 устройства установлено дополнительное дозвуковое или сверхзвуковое сопло 8, вход которого снабжен устройством 9 регулирования расхода газа через дополнительное сопло. Вход в дополнительное сопло соединен посредством трубопровода 12 с внешним источником газа, в качестве которого используется газовый выход газожидкостного сепаратора 10. При этом вход в дополнительное сопло расположен перед средством 2 для закрутки газового потока.Example 4. One of the variants of the device for implementing the method of liquefaction and separation of gases, presented in figure 4, contains sequentially and coaxially mounted to the
Устройство реализует способ следующим образом.The device implements the method as follows.
Газовая смесь поступает в форкамеру 1, при этом ее основная часть проходит через закручивающее устройство 2, а другая часть поступает на вход дополнительного сопла 6 (регулирование расхода осуществляется устройством 7). Закрученный поток поступает в основное сопло 3, где происходит его адиабатическое расширение, сопровождающееся понижением давления и температуры. Характеристики сопла 3 (соотношение площадей поперечных сечений входа и выхода к площади минимального сечению) выбраны, на основании расчетов, таким образом, что на его выходе достигаются статическое давление и статическая температура, которые соответствуют условию конденсации целевой компоненты, с учетом необходимого переохлаждения (для создания нужного количества центров конденсации). Далее, закрученный поток поступает в рабочую часть 4, длина которой выбрана из условий обеспечения роста капель и их дрейфа, под воздействием центробежных сил, до ее стенок. Угол раскрытия рабочей части определяется как расчетным, так и экспериментальным путем и выбран таким, чтобы обеспечить поддержание условий для максимального роста капель и скомпенсировать рост пограничного слоя.The gas mixture enters the
Образовавшийся, вблизи стенок рабочей части, обогащенный целевой компонентой, газожидкостный поток поступает в средство отбора 5 и далее, в газожидкостный сепаратор 10, а обедненная целевой компонентой газовая смесь, проходя через сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры 6 и 7 соответственно, выходит из устройства.The gas-liquid stream formed near the walls of the working part, enriched with the target component, enters the
Газ из газожидкостного сепаратора 10 по трубопроводу 12 поступает на вход дополнительного сопла 8. Его расход регулируется устройством 9.Gas from the gas-
Направление газового потока из газожидкостного сепаратора на вход дополнительного сопла обеспечивает решение двух задач. Во-первых, как и в предыдущих примерах, незавихренная струя, выходящая из дополнительного сопла, стабилизирует вихревой поток и обеспечивает устойчивость процесса. Во-вторых, т.к. газ, выходящий из газожидкостного сепаратора, всегда содержит некоторое количество жидкости в виде мелкодисперсных капель и направление его в трубопровод может вызывать сложности при дальнейшей транспортировке. Предлагаемое решение позволяет снизить количество жидкости в подготовленном газе, чем способствует повышению эффективности сепарации.The direction of the gas flow from the gas-liquid separator to the inlet of the additional nozzle provides a solution to two problems. Firstly, as in the previous examples, the non-swirling jet emerging from the additional nozzle stabilizes the vortex flow and ensures the stability of the process. Secondly, because the gas leaving the gas-liquid separator always contains a certain amount of liquid in the form of fine droplets and its direction into the pipeline can cause difficulties during further transportation. The proposed solution allows to reduce the amount of liquid in the prepared gas, thereby increasing the separation efficiency.
Таким образом, в результате работы устройства поступившая в него газовая смесь разделяется на два потока. Один - газовый поток, подготовленный к транспорту, и другой - поток жидкости.Thus, as a result of the operation of the device, the gas mixture entering it is divided into two streams. One is a gas stream prepared for transport, and the other is a liquid stream.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008133334/06A RU2380630C1 (en) | 2008-08-14 | 2008-08-14 | Method of gas liquefaction and separation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008133334/06A RU2380630C1 (en) | 2008-08-14 | 2008-08-14 | Method of gas liquefaction and separation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2380630C1 true RU2380630C1 (en) | 2010-01-27 |
Family
ID=42122199
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008133334/06A RU2380630C1 (en) | 2008-08-14 | 2008-08-14 | Method of gas liquefaction and separation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2380630C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2461720C2 (en) * | 2010-10-13 | 2012-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Surface jet cooling method, and device for its implementation |
-
2008
- 2008-08-14 RU RU2008133334/06A patent/RU2380630C1/en active IP Right Revival
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2461720C2 (en) * | 2010-10-13 | 2012-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Surface jet cooling method, and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2348871C1 (en) | Plant for gas liquation and separation | |
| AU750712B2 (en) | Method and Apparatus for the Separation of Components of Gas Mixtures and Liquefaction of a Gas | |
| JP5507667B2 (en) | Separation system with swirl valve | |
| CN100587363C (en) | Method and system for cooling natural gas stream and separating the cooled stream into various fractions | |
| CA2520800C (en) | Systems and methods for low-temperature gas separation | |
| US20120024690A1 (en) | Multistage cyclonic fluid separator | |
| US9470449B2 (en) | Arrangement, use of an arrangement, device, snow lance and method for producing ice nuclei and artificial snow | |
| US20090255258A1 (en) | Pre-filming air-blast fuel injector having a reduced hydraulic spray angle | |
| EA014604B1 (en) | Cyclonic separator for degassing liquid and a method for degassing a fluid mixture | |
| BRPI0920853B1 (en) | spray method and nozzle for atomizing a liquid | |
| US3050262A (en) | Nozzle for production of fog or mist | |
| EA015603B1 (en) | Cyclonic separator and method for degassing a fluid mixture | |
| RU2380630C1 (en) | Method of gas liquefaction and separation | |
| RU2631876C1 (en) | Device for dehumidification of compressed gas | |
| GB2571135A (en) | Jet pump apparatus | |
| SE504470C2 (en) | Water diffuser nozzle for snow cannon | |
| RU2538992C1 (en) | Device for separation of multicomponent medium and nozzle channel for it | |
| AU2013204700B2 (en) | Multistage cyclonic fluid separator | |
| WO2011005077A1 (en) | Flareless condensate stabilization in combination with gas conditioning | |
| RU2736135C1 (en) | Method of separating a multicomponent medium | |
| RU2143654C1 (en) | Method for separation of gaseous mixture components | |
| EA044614B1 (en) | EJECTOR INSTALLATION | |
| RU2238132C2 (en) | Device for separation of oil-and-gas mixture | |
| SU901762A1 (en) | Vortex pipe branch pipe for discharging separated flow |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20120215 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20121001 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20131217 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160815 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170425 |