RU2387887C1

RU2387887C1 - Gas-jet compressor for gas compression and purification

Info

Publication number: RU2387887C1
Application number: RU2008131628/06A
Authority: RU
Inventors: Гумер Гарифович Теляшев (RU); Гумер Гарифович Теляшев; Рафаиль Хаялетдинович Мухутдинов (RU); Рафаиль Хаялетдинович Мухутдинов; Николай Алексеевич Артамонов (RU); Николай Алексеевич Артамонов
Original assignee: ООО Проектно-технологический институт НХП (ПТИ НХП); Гумер Гарифович Теляшев; Рафаиль Хаялетдинович Мухутдинов
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-04-27
Also published as: RU2008131628A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed compressor serves to eject low-pressure gases by high-pressure gases. Proposed compressor comprises working gas chamber with nozzle working gas feed branch pipe accommodating device to automatically adjust working gas flow rate through nozzle, intake chamber, mixing chamber with diffuser fitted on its end, gas discharge tube with the device to separate gas from liquid dispersed phase. All elements of automatic gas flow rate control device, i.e. needle with extension with through channel and cylinder with spring-loaded piston are arranged on common axial line. Said needle serves to feed fluid reagent intended for fixing undesirable compounds in gas. Spring-loaded swirler makes the main element of liquid phase extraction, said swirler being arranged to reciprocate in cylindrical case with diffuser and confuser sections fitted on case ends.

EFFECT: purification of gases to maintain optimum compressor operation at varying operating fluid pressure (flow rate).

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газоструйным компрессорам для эжектирования газов низкого давления рабочим газом высокого давления с целью повышения его давления, для очистки газов от «нежелательных» соединений с возможностью поддержания оптимального режима работы при изменениях давления (расхода) рабочего газа и может применяться во многих отраслях промышленности.The invention relates to gas-jet compressors for ejecting low-pressure gases with a high-pressure working gas in order to increase its pressure, for purifying gases from “undesirable” compounds with the possibility of maintaining an optimal operating mode with changes in the working gas pressure (flow), and can be used in many industries.

Известен газоструйный компрессор (Е.Я.Соколов, Н.М.Зингер. Струйные аппараты. Госэнергоиздат, M.: 1960, с.16), содержащий напорный патрубок или камеру рабочего газа с соплом, приемную камеру, камеру смешения и диффузор. Степень сжатия в таких аппаратах находится в пределах 4≥Рс/Рн≥1,2 (где Рс и Рн - давления сжатого и эжектируемого газа).Known gas-jet compressor (E.Ya. Sokolov, N.M. Singer. Inkjet apparatus. Gosenergoizdat, M .: 1960, p.16) containing a pressure pipe or a working gas chamber with a nozzle, a receiving chamber, a mixing chamber and a diffuser. The compression ratio in such devices is in the range of 4 Р Pc / Pn 1 1.2 (where Pc and Pn are the pressures of the compressed and ejected gas).

В представленной конструкции не предусмотрена возможность регулирования скорости в сопле при изменении давления в рабочем газе, подачи дополнительного жидкого реагента в приемную камеру. Например, для очистки-удаления из эжектируемого нефтяного газа сероводорода и меркаптанов с одновременным повышением его давления природным газом высокого давления.In the presented design, it is not possible to control the speed in the nozzle when the pressure in the working gas changes, or to supply additional liquid reagent to the receiving chamber. For example, for cleaning-removal of hydrogen sulfide and mercaptans from an ejected oil gas while increasing its pressure with high-pressure natural gas.

Известен газоструйный компрессор, названный некорректно струйным насосом (Предварительный патент UZ N IDP 04411 «Струйный насос» / БИ, 2000, №4; «Газовая промышленность» №3, 2005, с.46), в напорном патрубке или в камере рабочего газа которого предусмотрен узел автоматического регулирования скорости рабочего газа через сопло, обеспечивающего эффективную работу газоструйного компрессора даже при значительном снижении давления рабочего газа. Для этого в камере рабочего газа размещен цилиндр с подпружиненным поршнем, обеспечивающим при изменении давления газа возвратно-поступательное движение иглы с наконечником вдоль оси сопла. При этом наконечник изменяет выходное сечение сопла.A known gas-jet compressor, called incorrectly by a jet pump (Preliminary patent UZ N IDP 04411 "Jet pump" / BI, 2000, No. 4; "Gas industry" No. 3, 2005, p. 46), in the discharge pipe or in the working gas chamber of which An automatic control unit for the speed of the working gas through the nozzle is provided, which ensures the efficient operation of the gas-jet compressor even with a significant decrease in the pressure of the working gas. For this, a cylinder with a spring-loaded piston is placed in the working gas chamber, which ensures, with a change in gas pressure, the reciprocating movement of the needle with the tip along the axis of the nozzle. In this case, the tip changes the output section of the nozzle.

Недостатками данного газоструйного компрессора являются сложность конструкции узла автоматического регулирования скорости рабочего газа через сопло, нарушение структуры потока рабочего газа в сопло, создаваемого толкателем, и отсутствие ввода жидкого реагента для удаления, при наличии, в эжектируемом газе «нежелательных» соединений. Поток рабочего газа может вызывать вибрацию консольно установленного по оси сопла иглы с наконечником и нарушать соосность наконечника и сопла.The disadvantages of this gas-jet compressor are the complexity of the design of the unit for automatically controlling the speed of the working gas through the nozzle, the violation of the structure of the flow of working gas into the nozzle created by the pusher, and the lack of input of a liquid reagent to remove, if there are “undesirable” compounds in the ejected gas. The flow of working gas can cause vibration of the needle mounted on the axis of the nozzle with the tip and disrupt the alignment of the tip and nozzle.

Задачами изобретения являются:The objectives of the invention are:

- обеспечение работы газоструйного компрессора наряду с повышением давления эжектируемого низконапорного газа за счет высоконапорного рабочего газа, одновременное удаление из него «нежелательных» соединений обработкой распыленным жидким реагентом с последующим отделением из газа продуктов взаимодействия реагента с этими соединениями;- ensuring the operation of the gas-jet compressor along with increasing the pressure of the ejected low-pressure gas due to the high-pressure working gas, simultaneous removal of “undesirable” compounds from it by treatment with sprayed liquid reagent, followed by separation of the reaction products of the reagent with these compounds from the gas;

- более надежное в конструктивном отношении автоматическое обеспечение оптимальной скорости рабочего газа через сопло при значительных изменениях его давления.- more reliable from a structural point of view, the automatic provision of an optimal speed of the working gas through the nozzle with significant changes in its pressure.

Приведенные выше задачи решаются тем, что газоструйный компрессор, содержащий камеру рабочего газа с соплом и патрубком для его ввода, в которой размещен узел автоматического регулирования скорости рабочего газа через сопло, включающий цилиндр с подпружиненным поршнем, иглу с наконечником, изменяющим проходное сечение сопла при его возвратно-поступательном движении, далее приемную камеру с патрубком для поступления эжектируемого газа, камеру смешения с диффузором на конце и трубу вывода смеси газов, отличающийся тем, что все элементы узла автоматического регулирования скорости рабочего газа через сопло размещены на единой осевой линии газоструйного компрессора, а игла с наконечником имеет сквозной канал и на нем установлен подпружиненный поршень с цилиндром, закрепленным на внешней стороне камеры рабочего газа, при этом игла через сальник в закрытой стенке цилиндра выведена вне газоструйного компрессора; в трубу вывода смеси газов в закрепленную цилиндрическую гильзу с диффузорным и конфузорным участками на концах на скользящей посадке установлен завихритель со стержнем по оси, проходящим свободно через втулку в центре крестовины, зафиксированной в начале трубы вывода смеси газов, на конце стержня закреплена опора-крестовина, между которой и крестовиной в начале трубы вывода смеси газов помещена колиброванная пружина; за завихрителем на определенном расстоянии выполнены две пары поперечных прорезей, смещенных относительно друг друга вдоль оси трубы вывода смеси газов, и кольцевой проход, образованный трубой вывода смеси газов и патрубком вывода смеси газов, вывод прорезей и кольцевой проход охвачены камерой с патрубком выхода жидкой фазы.The above problems are solved by the fact that a gas-jet compressor containing a working gas chamber with a nozzle and a nozzle for its input, in which there is a site for automatically controlling the speed of the working gas through the nozzle, including a cylinder with a spring-loaded piston, a needle with a tip that changes the nozzle through passage when it is reciprocating movement, then the receiving chamber with a nozzle for the intake of ejected gas, the mixing chamber with a diffuser at the end and the exhaust pipe of the mixture of gases, characterized in that all the elements For automatic control of the speed of the working gas through the nozzle, they are placed on a single axial line of the gas-jet compressor, and the needle with the tip has a through channel and a spring-loaded piston with a cylinder mounted on the outside of the working gas chamber is mounted on it, while the needle is removed through the gland in the closed cylinder wall out of the gas-jet compressor; a swirl with a rod along the axis passing freely through the sleeve in the center of the crosspiece fixed at the beginning of the pipe of the mixture of gases at the end of the rod is fixed to the end of the rod; between which and a cross in the beginning of the pipe for the output of the mixture of gases placed a calibrated spring; behind the swirler, at a certain distance, two pairs of transverse slots are made, offset relative to each other along the axis of the gas mixture outlet pipe, and the annular passage formed by the gas mixture outlet pipe and the gas mixture outlet pipe, the slot exit and the annular passage are enclosed by a chamber with a liquid phase outlet pipe.

При наличии резерва давления смеси газов используется вариант узла выделения из нее дисперсной фазы с конденсацией паров влаги и высококипящих соединений, когда завихритель выполнен в виде винтового закручивающего устройства с диафрагмовым отверстием и трубой холодного потока, образующего с трубой вывода смеси газов т.н. вихревую трубу; на выходе трубы холодного потока закреплена крестовина со стержнем, с установленным на определенном расстоянии от среза трубы холодного потока распределителем газовых потоков; стержень трубы холодного потока опорой-крестовиной на конце устанавливается на калиброванную пружину, обеспечивающую возвратно-поступательное движение винтового закручивающего устройства в цилиндрической гильзе с диффузорным и конфузорным участками.If there is a reserve of pressure of the gas mixture, a variant of the node for separating the dispersed phase from it with condensation of moisture vapor and high-boiling compounds is used, when the swirl is made in the form of a screw twisting device with a diaphragm hole and a cold flow pipe, forming the so-called gas mixture with the exhaust pipe vortex tube; at the outlet of the cold flow pipe, a cross with a rod is fixed with a gas flow distributor installed at a certain distance from the cut of the cold flow pipe; the cold flow pipe rod with the support-cross at the end is mounted on a calibrated spring, providing reciprocating movement of the screw twisting device in a cylindrical sleeve with diffuser and confuser sections.

На фиг.1 представлена схема конструкции газоструйного компрессора в продольном разрезе.Figure 1 presents a structural diagram of a gas-jet compressor in longitudinal section.

Газоструйный компрессор содержит на единой осевой линии камеру рабочего газа 1 с патрубком его ввода 2, перегородкой 3 с соплом 4 и с узлом автоматического регулирования скорости рабочего газа через сопло 4, приемную камеру 5 с конфузором 6 и патрубком 7 поступления эжектируемого газа, камеру смешения 8, диффузор 9, трубу вывода смеси газов 10 с узлом отделения жидкой дисперсной фазы от газовой смеси.The gas-jet compressor contains, on a single axial line, a working gas chamber 1 with its inlet pipe 2, a baffle 3 with a nozzle 4 and with an automatic control unit for the working gas speed through the nozzle 4, a receiving chamber 5 with a confuser 6 and an ejected gas supply pipe 7, a mixing chamber 8 , a diffuser 9, a pipe for outputting a mixture of gases 10 with a unit for separating a liquid dispersed phase from the gas mixture.

В узле автоматического регулирования скорости рабочего газа через сопло в игле 11 с наконечником 12 выполнен сквозной канал для ввода жидкого реагента (не показан), причем наконечник 12 снабжен распыливающим элементом (не показан). На игле 11 установлен поршень 13, входящий в открытый со стороны камеры рабочего газа и закрепленный на нем цилиндр 14. При этом игла 11 выведена через сальник 15 в стенке цилиндра с его закрытой стороны вне газоструйного компрессора. С закрытой стороны цилиндра поршень упирается в калиброванную пружину 16, т.е. подпружинена.In the node for automatically controlling the speed of the working gas through the nozzle in the needle 11 with the tip 12, a through channel for introducing a liquid reagent (not shown) is made, and the tip 12 is equipped with a spray element (not shown). A piston 13 is mounted on the needle 11, which enters the cylinder 14, open on the side of the working gas chamber and mounted on it. In this case, the needle 11 is withdrawn through the gland 15 in the cylinder wall from its closed side outside the gas-jet compressor. From the closed side of the cylinder, the piston abuts against a calibrated spring 16, i.e. spring loaded.

Узел отделения жидкой дисперсной фазы размещен в трубе вывода газовой смеси 10. В закрепленную внутри цилиндрическую гильзу 17 с диффузорным и конфузорным участками на концах на скользящей посадке установлен завихритель 18 со стержнем, свободно проходящим через втулку 31 в центре крестовины 20, зафиксированной в начале трубы вывода смеси газов 10. На конце стержня закреплена опора-крестовина 29, между которой и крестовиной 20 помещена калиброванная пружина 19.The unit for separating the liquid dispersed phase is placed in the outlet pipe of the gas mixture 10. In a cylindrical sleeve 17 secured inside with diffuser and confuser sections at the ends, a swirl 18 is installed on the sliding fit with a rod freely passing through the sleeve 31 in the center of the crosspiece 20, fixed at the beginning of the outlet pipe mixtures of gases 10. At the end of the rod is fixed a support-cross 29, between which and a cross 20 placed a calibrated spring 19.

За завихрителем 18 в трубе вывода смеси газов на определенном расстоянии от него выполнены две пары поперечных прорезей 21, смещенных относительно друг друга вдоль оси трубы вывода смеси газов 10, и кольцевой проход 30, образованный трубой вывода смеси газов 10 и патрубком вывода газовой смеси 22. Выходы прорезей и кольцевого прохода охвачены камерой 23 с патрубком 24 выхода жидкой фазы.Behind the swirl 18 in the gas mixture outlet pipe at a certain distance from it there are two pairs of transverse slots 21 displaced relative to each other along the axis of the gas mixture outlet pipe 10, and an annular passage 30 formed by the gas mixture outlet pipe 10 and the gas mixture outlet pipe 22. The outputs of the slots and the annular passage are covered by a chamber 23 with a pipe 24 for the exit of the liquid phase.

На фиг.2 показано конструктивное оформление другого завихрителя в газоструйном компрессоре. Завихритель выполнен в виде винтового закручивающего устройства (ВЗУ) 25 для вихревой трубы с трубой холодного потока 26, в которую на входе закреплена крестовина 27 со стрежнем 28 с установленным на нем распределителем газовых потоков 32. Причем ВЗУ 25 также фиксируется калиброванной пружиной 19.Figure 2 shows the design of another swirl in a gas-jet compressor. The swirl is made in the form of a screw twisting device (VZU) 25 for a vortex tube with a cold flow pipe 26, into which a crosspiece 27 with a rod 28 is fixed at the inlet with a gas flow distributor 32 installed on it. Moreover, the VZU 25 is also fixed by a calibrated spring 19.

В обоих случаях в завихрителях обеспечивается оптимальная скорость смеси газов при изменении ее параметров (давление, расход). Во втором случае должна происходить более эффективная сепарация и дополнительно конденсация паров влаги и тяжелых углеводородов за счет возникновения эффекта температурного разделения газов.In both cases, the swirlers provide the optimal speed of the gas mixture when changing its parameters (pressure, flow). In the second case, more efficient separation and additionally condensation of moisture vapor and heavy hydrocarbons should occur due to the occurrence of the temperature separation of gases.

Газоструйный компрессор работает следующим образом.Gas-jet compressor operates as follows.

Примем что сечение сопла 4 рассчитано на наибольшее давление и расход поступающего через патрубок 2 рабочего газа, т.е. рабочий газ высокого давления проходит через сопло 4 с оптимальной скоростью для этих условий - игла 11 под воздействием давления на поршень 13 смещена влево от сопла 4. Истекающий через сопло 4 рабочий газ эжектирует через патрубок 7 низконапорный газ. В камере смешения 8 давление газовой смеси усредняется и получается выше давления эжектируемого газа. При снижении давления (расхода) рабочего газа под воздействием калиброванной пружины 16 поршень 13 с иглой 11 смещается вправо в сторону сопла 4 и наконечник 12 уменьшает проходное сечение сопла 4, сохраняя оптимальную скорость рабочего газа для эжектирования газа низкого давления.We assume that the nozzle section 4 is designed for the highest pressure and flow rate of the working gas supplied through the pipe 2, i.e. high pressure working gas passes through the nozzle 4 at the optimal speed for these conditions - the needle 11 is shifted to the left of the nozzle 4 under pressure from the piston 13. The working gas flowing through the nozzle 4 ejects a low-pressure gas through the nozzle 7. In the mixing chamber 8, the pressure of the gas mixture is averaged and is obtained above the pressure of the ejected gas. When the pressure (flow) of the working gas is reduced under the influence of a calibrated spring 16, the piston 13 with the needle 11 is shifted to the right towards the nozzle 4 and the tip 12 reduces the flow area of the nozzle 4, while maintaining the optimal speed of the working gas for ejecting low pressure gas.

Для удаления из эжектируемого и (или) рабочего газа «нежелательных» соединений в распыливающий наконечник 12 по каналу в игле 11 подается жидкий реагент. При распылении реагента создается высокая поверхность контактирования с газами и происходит связывание с ним «нежелательных» соединений. Жидкие продукты взаимодействия «нежелательных» соединений с реагентом отделяются от смеси газов в завихрителе 18 под воздействием возникающих центробежных сил и удаляются через прорези 21 в трубе 10 и кольцевой проход 30 между трубой 10 и патрубком 22 выхода смеси газов. Жидкая фаза собирается в камере 23 и удаляется через патрубок 24. Смесь газов выходит через патрубок 22.To remove “unwanted” compounds from the ejected and (or) working gas, a liquid reagent is supplied to the spray tip 12 through the channel in the needle 11. When spraying the reagent, a high contact surface with gases is created and “undesirable” compounds are bound to it. The liquid products of the interaction of “undesirable” compounds with the reagent are separated from the gas mixture in the swirl 18 under the influence of the emerging centrifugal forces and are removed through the slots 21 in the pipe 10 and the annular passage 30 between the pipe 10 and the pipe 22 of the outlet of the gas mixture. The liquid phase is collected in the chamber 23 and is removed through the pipe 24. The gas mixture exits through the pipe 22.

При обеспечении значительного давления смеси газов в газоструйном компрессоре возможно использование завихрителя (см. фиг.2) не только для выделения из смеси газов жидкой дисперсной фазы, но и для конденсации части влаги и тяжелых высококипящих компонентов из смеси газов за счет высокоскоростного их закручивания с достижением температурного разделения на т.н. горячий и холодный потоки в винтовом закручивающем устройстве (ВЗУ) 25 с трубой холодного потока 26.When providing a significant pressure of the gas mixture in the gas-jet compressor, it is possible to use a swirler (see Fig. 2) not only to separate the liquid dispersed phase from the gas mixture, but also to condense part of the moisture and heavy high-boiling components from the gas mixture due to their high-speed swirling to achieve temperature separation on the so-called hot and cold flows in a screw twisting device (VZU) 25 with a cold flow pipe 26.

Смесь газов, поступая в трубу 10, обтекает распределитель 32, эжектируя холодный поток из трубы холодного потока 26, и поступает в каналы ВЗУ, разгоняясь в них до около - или звуковых скоростей. В данном случае имеет место т.н. эффект Ранка Хильша - периферийные слои нагреваются, а нижние - охлаждаются.A mixture of gases entering the pipe 10 flows around the distributor 32, ejecting the cold stream from the cold stream pipe 26, and enters the channels of the OVC, accelerating to about - or sound speeds. In this case, the so-called the Hills effect - the peripheral layers are heated, and the lower ones are cooled.

При этом дисперсная жидкая фаза, включая конденсат, в большей доле распределяется в горячем потоке. Этот процесс продолжается после ВЗУ. Приосевые слои газов, имея более низкое давление, поступают в трубу холодного потока, затем, разворачиваясь на 180°, смешиваются с поступающей смесью газов, частично охлаждая ее. Основная доля жидкой фазы удаляется через щели 21 в камере 23, другая доля попадает в камеру 23 через кольцевой проход 30. Из камеры 23 жидкая фаза удаляется через патрубок 24 (см. фиг.1, 2).In this case, the dispersed liquid phase, including condensate, is distributed in a larger proportion in the hot stream. This process continues after the OTD. The paraxial gas layers, having a lower pressure, enter the cold flow pipe, then, turning around 180 °, mix with the incoming gas mixture, partially cooling it. The main fraction of the liquid phase is removed through slots 21 in the chamber 23, the other fraction enters the chamber 23 through the annular passage 30. From the chamber 23, the liquid phase is removed through the pipe 24 (see figures 1, 2).

Предлагаемое изобретение может найти применение в нефте- и газодобывающей промышленности. Например, в случае низконапрного нефтяного газа, загрязненного сероводородом и меркаптанами и при наличии в районе нефтяного и газового (природного) месторождения или прохождении магистрального газопровода природного газа (как правило, высокого давления) на экономически приемлемом расстоянии, использование изобретения наиболее целесообразно. При этом смесь очищенного газа может быть использована как топливо для получения электроэнергии, бытовых нужд и т.д.The present invention may find application in the oil and gas industry. For example, in the case of low-pressure oil gas contaminated with hydrogen sulfide and mercaptans and in the presence of an oil and gas (natural) field in the region or the passage of a natural gas pipeline (usually high pressure) at an economically acceptable distance, the use of the invention is most appropriate. In this case, the purified gas mixture can be used as fuel for generating electricity, domestic needs, etc.

Claims

1. A gas-jet compressor containing a working gas chamber with a nozzle and a nozzle for its input, in which an automatic control unit for the speed of the working gas through the nozzle is located, including a cylinder with a spring-loaded piston, a needle with a tip that changes the nozzle cross-section during its reciprocating movement, further, a receiving chamber with a nozzle for the intake of ejected gas, a mixing chamber with a diffuser at the end and a pipe for outputting a mixture of gases, characterized in that all elements of the automatic speed control The working gas through the nozzle is placed on a single axial line of the gas-jet compressor, and the needle with the tip has a through channel and a spring-loaded piston with a cylinder mounted on the outside of the working gas chamber is installed on it, while the needle through the gland in the closed cylinder wall is led outside the gas-jet compressor .

2. The gas-jet compressor according to claim 1, characterized in that a swirler with a rod along the axis passing freely through the sleeve in the center of the crosspiece fixed at the beginning is installed in the pipe of the mixture of gases in a fixed cylindrical sleeve with diffuser and confuser sections at the ends at a sliding fit a gas mixture outlet pipe, a support-cross is fixed at the end of the rod, between which a calibrated spring is placed at the beginning of the gas mixture outlet pipe, and a calibrated spring is placed behind the swirl at a certain distance transverse slits being offset relative to each other along the pipe axis O gas mixture, and an annular passage formed by the gas mixture output pipe and the output pipe gas mixture outlet slits and the annular passage are covered with the nozzle exit chamber of the liquid phase.

3. The gas-jet compressor according to claim 2, characterized in that the swirl is made in the form of a screw twisting device with a diaphragm hole and a cold flow pipe, forming a so-called vortex tube with a gas mixture outlet pipe; at the outlet of the cold flow pipe, a cross with a rod is installed, with a gas flow distributor installed at a certain distance from the cut of the cold flow pipe, the cold flow pipe rod with a support-cross at the end is mounted on a calibrated spring that provides reciprocating movement of the screw twisting device in a cylindrical sleeve with diffuser and confuser areas.