• Фильтрующее оборудование
• Специальное теплообменное оборудование для энергосбережения
• Плазмохимические и кавитационные технологии
• Антинакипная обработка
• Экология
• Струйные аппараты
• Вакуумные установки
• Струйно-компрессорные установки
• Вихревые установки для газоразделения
• Методы увеличения нефтеотдачи (МУН)

Вихревые установки для низкотемпературного разделения газовых смесей

Назначение

Вихревые установки на базе вихревых труб предназначены для генерации холода за счет избыточного давления технологического газа, которое безвозвратно теряется при дросселировании. Холод используется для низкотемпературного разделения газовых смесей.

ИНФОРМАЦИЯ О ВИХРЕВОМ ЭФФЕКТЕ И ВОЗМОЖНОСТЯХ ЕГО ПРИМЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша) реализуется за счёт перепада давления газа и заключается в снижении температуры центральных слоев закрученного потока и нагреве периферийных слоев. Он был обнаружен французским инженером Ранком в 1931 году и экспериментально изучен немецким физиком Хилшем в 1946 году. Начало реального применения этого эффекта в технике приходится на середину пятидесятых годов, в первую очередь в малорасходных вихревых трубах (ВТ) индивидуального кондиционирования, где рабочим телом служил воздух. С тех пор происходит расширение диапазона производительности и области применения ВТ, в том числе в химической, газовой и других высокопроизводительных отраслях промышленности.

В вихревых аппаратах прельщает их предельная простота и надёжность в работе - они не имеют движущихся частей. Основные элементы ВТ (рис.1): вихревая камера с тангенциальным сопловым вводом, диафрагма, примыкающая к камере, и вентиль на горячем конце трубы для обеспечения необходимого соотношения потоков. Аппарат работает следующим образом: сжатый газ, расширяясь в сопле, разгоняется до скорости звука и интенсивно закручивается. При этом в рабочем объёме ВТ формируется высокоскоростной вихревой поток, в котором и возникает эффект Ранка-Хилша. Внутренние - охлаждённые - слои газа отводятся через диафрагму в виде холодного потока, а периферийные - нагретые - в виде горячего потока.

Полученный таким простым способом холод используется в технологических целях, обычно для конденсации целевых продуктов, очистки и осушки газов и др. Потенциал горячего потока также может быть реализован, например, для получения перегретого пара, если рабочим телом служит водяной пар.

По термодинамической эффективности ВТ занимает промежуточное положение между дросселем и детандером. Однако, по своей конструктивной простоте, небольшим габаритам и по способности надёжной работы на газах, содержащих жидкие и твёрдые включения, не идёт ни в какое сравнение с таким сложным устройством, как турбодетандерный агрегат. Особенно выгодно применять вихревые трубы на технологических потоках газа, энергия давления которых безвозвратно теряется при дросселировании.

Нами разработаны и реализованы в промышленности оригинальные конструкции вихревых труб, имеющие плавно изменяемую геометрию соплового ввода (техническое решение защищено патентом России), что позволяет эксплуатировать их как обычные регулирующие вентили. Они автоматически поддерживают необходимый технологический режим, в том числе по давлению и температуре.

Технологические схемы с ВТ, как правило, содержат рекуперационный теплообменник и сепаратор. Так, на рис. 2 представлена схема промышленной вихревой установки для конденсации метанола из продувочных газов агрегата М-100, работающей в Новомосковской АК «Азот».

	Схема вихревой установки 1 – теплообменник; 2 – сепаратор; 3 – вихревая трубаI – исходный газ; II – газ потребителю; III – конденсатИсходный газ (I) поступает в рекуперационный теплообменник 1, где охлаждается холодным потоком, выходящим из вихревой трубы 3. При снижении в теплообменнике 1 температуры исходного газа происходит конденсация содержащихся в нем паров с образованием конденсата, который отделяется от газа в сепараторе 2. Далее газ поступает на вход вихревой трубы 3, где происходит его расширение с одновременной закруткой и разделением на два потока – холодный и горячий (эффект Ранка-Хилша). Холодный поток направляется в теплообменник 1, после которого он смешивается с горячим потоком. Смешанный поток (II) идет по назначению.
	Рис. 2. Схема выделения метанола из продувочного газа. 1 - теплообменник; 2 - сепаратор; 3 - вихревая труба.

Закрученный поток даёт возможность получить не только холод и тепло, но и осуществить эффективное отделение конденсата, обеспечивая одновременно очистку и осушку технологического газа. Для этого разработаны т.н. трёхпоточные вихревые трубы (ТВТ), где в качестве третьего потока из аппарата выводится сконденсированная и отсепарированная жидкость. В этом случае возможно применение только одной вихревой трубы без дополнительного оборудования, например, для подготовки природного газа к транспорту.

Простота самой вихревой трубы и схем установок на базе ВТ, надёжность их работы, отсутствие энергоматериальных затрат при эксплуатации и минимальные затраты на обслуживание позволяют окупить реализуемую вихревую технологию в течении 5-6 месяцев.

В России, начиная с 60-х годов текущего столетия, проводились изыскательные работы по применению вихревого эффекта Ранка-Хилша в технологии разделения (очистки) газовых смесей низкотемпературным методом. Был выполнен необходимый комплекс теоретических и экспериментальных исследований применительно к производствам метанола, ацетилена, а также к процессам подготовки и переработки природного газа и попутного газа нефтедобычи.

При этом вихревые трубы различных модификаций были испытаны в широком диапазоне давлений (до 300 ати) и температур (до -70°С) на газовых смесях, включающих азот, водород, метанол, диоксид и оксид углерода, сероводород, смеси углеводородов и др.

Полученный банк данных позволил разработать и реализовать в промышленности оригинальные конструкции вихревых труб и целевые технологические схемы, полезно использующие перепады давления газов, зачастую безвозвратно теряемые при дросселировании.

Разработанные вихревые трубы не только генерируют холод, но одновременно обеспечивают сепарацию газовых потоков от конденсирующихся компонентов. Они имеют плавно изменяемую геометрию соплового ввода, что позволяет эксплуатировать их как регулирующие вентили. Внутренний диаметр разработанных и эксплуатируемых вихревых труб, характеризующий их производительность по газу, лежит в интервале от 10 до 150 мм.

Возможна реализация следующих технологий с использованием эффекта Ранка-Хилша:

• Выделение целевых продуктов из продувочных газов, метанола и других производств (степень извлечения 90-99 %).
• Осушка воздуха и других газов и газовых смесей (точка росы от +5 до -70°С) при отношении давлений вход/выход не менее 2,0.
• Низкотемпературная сепарация природного газа (с увеличением выхода газового конденсата по сравнению с обычным дросселированием).
• Очистка природного газа на ГРС от конденсата (углеводороды С 6+) со степенью очистки до 90%.
• Получение холода на ГРС и ГРП (на уровне от -10 до - 30°С) для продуктовых холодильных камер и других целей.
• Подогрев природного газа на ГРС вместо огневого подогревателя.
• Очистка попутных газов нефтедобычи от высших углеводородов при отношении давлений не менее 1,2.
• Концентрирование кислого газа (продукта переработки природного газа, содержащего сероводород и диоксид углерода) по сероводороду с увеличением концентрации последнего с 45 до 90%.
• Генерация холода (тепла) на любом газе или газовой смеси при имеющемся перепаде давления с их дальнейшим использованием по усмотрению заказчика.

Технологические схемы вышеперечисленных процессов, как правило, содержат рекуперационные теплообменники и по необходимости сепараторы. Возможно, однако, применение только одной вихревой трубы (например, для осушки природного газа, воздуха и других газов и газовых смесей). Некоторые схемы могут быть выполнены двухкаскадными, когда расширение газа происходит ступенчато в двух последовательно расположенных вихревых трубах.

Основные преимущества вихревых установок

По сравнению с традиционными генераторами холода вихревые трубы обладают рядом преимуществ:

• Значительно большая холодопроизводительность по сравнению с дросселированием; возможность охлаждения газов и газовых смесей независимо от знака интегрального дроссель-эффекта;
• Конструктивная простота, компактность, безопасность и надежность в промышленной эксплуатации по сравнению с более эффективными, но и значительно более сложными и дорогостоящими генераторами холода (детандеры, пульсационные охладители газа и др.);
• Возможность работы на агрессивных и взрывоопасных газах содержащих жидкие и твердые включения;
• Автоматическое регулирование в широком диапазоне расхода газа (20-100%) с относительно небольшим изменением температурного режима; работа в режиме регулирующего клапана; автоматическое поддержание соотношения потоков;
• Легкость в обслуживании и поддержании технологического режима;
• Низкие капитальные затраты.

Принцип работы вихревой установки

Высоконапорный газ, например природный (установки низкотемпературной сепарации) или продувочный газ химических производств, поступает в рекуперационный теплообменник Т-1, где охлаждается холодным потоком газа, идущим из вихревой трубы ВТ-1.При снижении температуры исходного газа идет конденсация компонентов с образованием жидкости, которая отделяется в сепараторе С-1. Далее газ поступает на вход в вихревую трубу ВТ-1, где происходит его расширение с одновременной закруткой и разделением на два потока – холодный и горячий (Эффект Ранка – Хилша). Холодный поток (около 70% всего количества газа) направляется в теплообменник Т-1, где он отдает свой холод исходному газу. На выходе из Т-1 оба потока смешиваются и далее весь газ поступает либо потребителю, либо идет на сжигание.

Регулирование производительности ВТ-1 производится автоматически за счет изменения площади соплового ввода подвижным элементом, перемещаемого мембранным исполнительным механизмом (по аналогии с обычным регулятором). Необходимая доля холодного потока устанавливается с помощью регулятора на горячем потоке ВТ-1. Возможны другие технологические схемы вихревых установок в том числе двухкаскадная схема (две вихревые трубы и два теплообменника ) а также схема состоящая только из одной трехпоточной вихревой трубы, которая совмещает в одном аппарате процессы охлаждения газа и сепарацию жидкости.

К оценке эффективности вихревых труб.

При сравнении с наиболее близким типом холодильных машин:

(t - термический к.п.д. характеризующий степень понижения температур при сбросе давления.

Q - удельная холодопроизводительность (количество отведенного тепла на единицу затраченной энергии) у вихревой трубы в 3 раза ниже, чем у турбодетандера при постоянной работе.

Если а) одновременно необходим и горячий воздух;

б) холод необходим очень краткое время в течение года;

то вихревая труба экономичнее турбодетандера за счет низкой стоимости, отсутствия вращающихся частей, минимального техобслуживания.

Уникальные эффекты: раздельная сепарация углеводородов при пропускании газовых, газоконденсатных смесей.

Возможен расчет и изготовление трубы любой производительности, соотношения горячего-холодного потоков, требуемой температуры по обоим потокам.

Опыт промышленного применения

Вихревые установки нашли применение в газовой промышленности, для отработки скважин. В нефтедобывающей отрасли эксплуатируются вихревые установки очистки попутных газов от гомологов метана и сернистых соединений. Очищенный газ используется как топливо для собственных нужд промысла.

В химической промышленности работают установки по выделению метанола из продувочных газов стадии синтеза.

Установка очистки попутного газа перед подачей в магистральный газопровод. г. Оренбург	Установка очистки попутного газа от гомологов метана. г.Оренбург.
Установка выделения метанола из продувочных газов агрегата М- 100. г. Новомосковск Тульской обл.

Многолетняя практика эксплуатации показала высокую надежность вихревых труб и простоту обслуживания, как их, так и вихревых установок в целом.