Способ удаления газообразного компонента из текучей среды

1 Настоящее изобретение относится к способу и устройству для удаления одного или нескольких газообразных компонентов из потока текучей среды. Более конкретно, изобретение относится к удалению газообразного компонента из потока текучей среды посредством понижения температуры указанной среды до некоторой заранее заданной температуры, при которой происходит конденсация или затвердевание газообразного компонента, выбранного в качестве объекта для удаления, в результате чего указанный компонент переводится в форму частиц,которые удаляют из потока. Такой способ улавливания может найти применение в различных промышленных процессах, таких как, например,удаление двуокиси углерода из топочных газов,кондиционирование воздуха (для удаления влаги) и для сушки природного газа перед его подачей в газораспределительную систему трубопроводов. В данном случае термин "природный газ" использован применительно к газу, добытому из подземных геологических формаций, в которых он накапливается, имея при этом составы, разбросанные в очень широком диапазоне. Помимо углеводородов, природный газ обычно содержит азот, двуокись углерода, а иногда и небольшое количество сероводорода. Основным углеводородным соединением является метан, который представляет собой наиболее легкое и низкокипящее соединение углеводородов парафинового ряда. Прочими углеводородами являются этан,пропан, бутан, пентан, гексан, гептан и пр. Более легкие соединения, например, соединения,предшествующие бутану, пребывают в газовой фазе при температуре и давлении атмосферы,тогда как более тяжелые компоненты находятся в газовой фазе, находясь при повышенной температуре в процессе добычи газа из-под поверхности земли, и переходят в жидкую фазу при охлаждении газовой смеси. Природный газ, содержащий такие тяжелые компоненты, известен как "влажный газ" в отличие от сухого газа, который либо вообще не содержит жидких углеводородов, либо содержит их в небольшом количестве. Патентная заявка 8901841 Голландия описывает способ удаления заданного газообразного компонента из потока текучей среды,содержащей множество газообразных компонентов. Согласно этому способу поток текучей среды заставляют течь со сверхзвуковой скоростью по трубе с тем, чтобы понизить температуру среды в трубе до уровня ниже точки конденсации заданного компонента, в результате чего этот компонент переводят в форму конденсированных частиц. При этом труба имеет технические средства для создания вихревого течения потока среды, протекающей со сверхзвуковой скоростью. Конденсированные частицы удаляют в форме первого отходящего потока через участок трубы, подведенный извне радиально к 2 потоку, а оставшуюся часть текучей среды собирают в форме второго отходящего потока,который отбирают из центральной части потока среды. При этом скорости потоков как в радиально отходящем участке трубы, так и в центральной части потока являются сверхзвуковыми. В одном из вариантов осуществления устройства для отделения газообразного компонента от газовой смеси согласно указанной заявке 8901841 Голландии, в указанных первом и втором отходящих потоках создают дискретно генерируемые ударные волны, в результате чего гидравлическое сопротивление потока среды является относительно большим. Кроме того,КПД способа отделения образовавшихся конденсированных частиц является относительно низким и поэтому значительные количества этих частиц все еще присутствуют во втором отходящем потоке. Целью предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного способа и устройства для удаления газообразного компонента из потока текучей среды, содержащей множество таких газообразных компонентов. В соответствии с предлагаемым изобретением предложен способ удаления заданного газообразного компонента из потока текучей среды, содержащей множество газообразных компонентов, причем указанный способ содержит следующие операции:- на поток среды воздействуют таким образом, чтобы заставить его течь по трубопроводу со сверхзвуковой скоростью для того, чтобы понизить температуру среды до некоторой заданной температуры, при которой происходит либо конденсация, либо затвердевание заданного газообразного компонента, в результате чего этот компонент предстает в форме частиц. При этом трубопровод снабжен средствами для завихрения потока среды. Вследствие такого завихрения потока образовавшиеся частицы побуждают течь в радиально отходящий участок,подведенный извне к зоне потока, в которой производится сбор частиц;- в потоке среды генерируют ударные волны для того, чтобы понизить осевую скорость потока до сверхзвуковой скорости;- отбирают образовавшиеся частицы в виде отходящего потока из указанного радиального участка, подведенного извне радиально к зоне сбора частиц, причем генерирование ударных волн производят в точке, лежащей ниже по потоку от завихряющих средств, но лежащей выше по потоку от зоны сбора частиц. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложено устройство для удаления заданного газообразного компонента из потока текучей среды, содержащей множество газообразных компонентов. Указанное средство включает в себя:- средства, воздействующие на указанный поток таким образом, чтобы заставить его течь со сверхзвуковой скоростью через трубопровод для того, чтобы понизить температуру среды до уровня ниже некоторой заданной температуры,при которой происходит либо конденсация, либо затвердевание заданного газообразного компонента, в результате чего он предстает в форме частиц. Указанный трубопровод имеет завихряющие средства, предназначенные для завихрения потока среды таким образом, чтобы побудить частицы течь к участку, подведенному извне радиально к зоне сбора частиц в потоке;- средства для генерирования ударных волн в потоке с целью уменьшения осевой скорости потока до сверхзвуковой скорости;- средства для отбора образовавшихся частиц в виде отходящего потока из указанного участка, подведенного извне радиально к зоне сбора частиц, причем указанные средства для генерирования ударных волн располагаются в точке, находящейся ниже по потоку от завихряющих средств, но лежащей выше по потоку от зоны сбора частиц. Было установлено, что можно существенно повысить КПД отделения частиц, если производить их отбор из зоны сбора после воздействия на нее ударной волной, т.е. производить отбор из потока, протекающего с подзвуковой, а не со сверхзвуковой скоростью. Физически этот факт объясняется тем, что ударная волна забирает(рассеивает) значительную долю кинетической энергии потока и тем самым резко уменьшает осевую компоненту (составляющую) осевой скорости потока, тогда как ее тангенциальная компонента (создаваемая завихряющими средствами) остается существенно неизменной. В результате этого плотность частиц на участке,подведенном извне радиально к зоне отбора частиц значительно выше, чем где бы то ни было в трубопроводе, в котором поток протекает со сверхзвуковой скоростью. Предполагается,что этот эффект вызывается резко уменьшающейся осевой скоростью потока и следовательно уменьшением тенденции частиц быть захваченными центральной "струей" или "сердцевиной" потока, т.к. эта струя течет с большей осевой скоростью, нежели вблизи стенок трубопровода. Таким образом при режиме потока,протекающего с подзвуковой скоростью, центробежные силы, действующие на конденсированные частицы, незначительно нейтрализуются захватывающий (увлекающей) силой центральной струи потока и таким образом частицы получают возможность накапливаться (агломерироваться) во внешнем радиальном участке зоны сбора частиц, откуда их извлекают. Предпочтительно ударную волну генерируют путем пропускания потока текучей среды через диффузор. Для целей настоящего изобретения подходит сверхзвуковой диффузор. 4 Согласно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения зона отбора частиц расположена рядом с разгрузочным концом диффузора. Дальнейшее подсушивание потока среды удобно осуществить путем отходящего потока отобранных частиц в сепаратор для разделения газовой и жидкой фаз. В этом сепараторе газовую фракцию отходящего потока частиц отделяют от жидкой фракции. Предпочтительно, чтобы газовую фракцию отходящего потока смешали бы с потоком среды, который подают в трубопровод для придания потоку сверхзвуковой скорости. Предпочтительно, чтобы указанные средства для воздействия на поток среды таким образом, чтобы он протекал со сверхзвуковой скоростью, включали бы в себя входное отверстие типа сопла Лаваля на входе в трубопровод в той точке, где наименьшее проходное сечение диффузора больше, чем наименьшее проходное сечение сопла Лаваля. Согласно перспективному варианту осуществления настоящего изобретения, текучей средой является природный газ, добываемый из подземной геологической формации, а температуру процесса выбирают из соображений существования точки конденсации заданного газообразного компонента, поскольку в результате конденсации образуются конденсированные частицы заданного компонента, а затем частицы агломерируются в жидком отходящем потоке. При этом компонентом, подлежащим удалению, является этан, пропан, бутан, пентан,гексан, гептан и октан. Предлагаемое изобретение будет описано более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых: фиг. 1 схематически представляет продольный разрез первого варианта выполнения устройства согласно изобретению, и фиг. 2 - продольный разрез второго варианта выполнения устройства согласно изобретению. На фиг. 1 представлен трубопровод в виде трубчатого кожуха 1 с открытым концом. Кожух 1 имеет входное отверстие 3 для текучей среды на одном конце, первое выпускное отверстие 5 в основном для жидкости вблизи другого конца кожуха и второе выпускное отверстие 7 в основном для газа на указанном другом конце кожуха. Направление технологических потоков в устройстве 1 - от входного отверстия 3 в сторону первого и второго выпускных отверстий 5,7. Конструктивно входное отверстие 3 выполнено как сопло Лаваля, имеющее в продольном сечении форму сходящейся/расходящейся конструкции в направлении потока для придания сверхзвуковой скорости потоку среды, втекающей внутрь кожуха через входное сопло 3. Далее кожух 1 имеет первую цилиндрическую часть 9 и диффузор 11, причем эта цилиндриче 5 ская часть 9 расположена между входным соплом 3 и диффузором 11. Одно или несколько(например, четыре) дельтовидных крылообразных выступа 15 простираются радиально внутрь от внутренней поверхности первой цилиндрической части 9, причем каждое крыло-выступ 15 расположено под заданным углом относительно направления внутри кожуха для завихрения потока среды, протекающей со сверхзвуковой скоростью через первую цилиндрическую часть 9 кожуха 1. Диффузор 11 в продольном сечении представляет собой сходящуюся/расходящуюся(расширяющуюся) конструкцию в направлении потока среды и имеет входное отверстие 17 диффузора и выходное отверстие 19. Наименьшее проходное сечение диффузора больше, чем наименьшее проходное сечение сопла Лаваля 3. Кроме того, кожух 1 включает в себя вторую цилиндрическую часть 20, имеющую большую проходную площадь сечения, чем первая цилиндрическая часть 9, причем эта вторая часть 20 располагается после (вниз по технологическому потоку) диффузора 11 в виде продолжения диффузора 11. Вторая цилиндрическая часть 20 имеет продольные разгрузочные(выводные) прорези 18 жидкости, которые образованы на технически оправданном расстоянии от разгрузочного отверстия 19 диффузора. Указанная вторая цилиндрическая часть 20 заключена в камеру 21, которая имеет указанное первое выводное отверстие 5, предназначенное в основном для вывода жидкости. Вторая цилиндрическая часть 20 заканчивается указанным вторым выпускным отверстием 7, предназначенным в основном для выпуска газа. Далее предлагается обычная методика эксплуатации устройства 1 на примере его применения для сушки природного газа. Мы подчеркиваем, что это всего лишь пример применения,т.к. устройство 1 в равной степени пригодно для применения в других промышленных технологиях, в которых требуется обработка других газов, отличных от углеводородов. Поток природного газа, содержащий легкие и тяжелые газообразные компоненты, такие как метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан и пр., вводят во входное сопло-отверстие Лаваля 3. По мере того, как поток подается в сопло 3,его скорость увеличивается до сверхзвуковой. Вследствие резко увеличившейся скорости потока температура потока снижается до уровня ниже точки конденсации более тяжелых газообразных компонентов (например, пентана, гексана и пр.), которые при этом конденсируются,образуя множество жидких частиц. По мере того, как поток струится мимо дельтовидных крыльев-выступов 15, поток завихряется (схематически это показано спиралью 22) и таким образом жидкие частицы попадают под воздействие внешне направленных центробежных сил. 6 Когда поток попадает в диффузор 11, вблизи разгрузочного отверстия 19 диффузора 11 генерируется ударная волна. Эта волна рассеивает значительную часть кинетической энергии потока, уменьшая тем самым осевую компоненту скорости потока. В результате резкого уменьшения осевой компоненты скорости потока,центральная часть потока ("струя" или "сердцевина") начинает течь с пониженной осевой скоростью, вследствие чего уменьшается опасность того, что конденсированные частицы будут увлечены "сердцевиной" потока, протекающей через вторую цилиндрическую часть 20. Это позволяет конденсированным частицам накапливаться (агломерироваться) во внешнем радиальном участке зоны отбора частиц из потока во второй цилиндрической части 20. Агломерированные частицы образуют слой жидкости, который выводят из зоны отбора через разгрузочные прорези 18, разгрузочную камеру 21 и первое выпускное отверстие 5, предназначенное в основном для жидкости. Высушенный природный газ выводят через второе отверстие 7, предназначенное в основном для эвакуации газов. На фиг. 2 представлен второй вариант осуществления устройства согласно настоящему изобретению. Это устройство имеет трубчатый кожух-корпус 23 с открытым концом. На одном конце кожуха 23 имеется входное сопло Лаваля 25, тогда как на другом конце кожуха имеется первое выпускное отверстие 27, предназначенное в основном для жидкости. Направление потока текучей среды в устройстве показано стрелкой 30. Если смотреть на устройство в направлении от входного сопла 25 до первого выпускного отверстия 27, в устройстве имеется первая цилиндрическая часть 33, расширяющийся диффузор 35, вторая цилиндрическая часть 37 и расширяющаяся часть 39. Дельтовидное крыло 41 выступает радиально внутрь первой цилиндрической части 33, причем это крыло установлено под заданным углом относительно направления потока среды в кожухе для того,чтобы придать вихревой характер потоку среды,протекающей через кожух 23 со сверхзвуковой скоростью. Второе выпускное отверстие 43 имеет трубчатую форму, предназначено в основном для газа и проходит через первое выпускное отверстие 27 согласно кожуху. Это трубчатое отверстие-канал 43 имеет входное отверстие 45 на нижнем (по направлению потока) конце второй цилиндрической части 37. Это отверстие-канал 43 имеет внутри устройство(оно не показано), например устройство лопастного типа, для выпрямления вихревого потока в ровнотекущий поток. Эксплуатация второго варианта предлагаемого устройства существенно аналогична эксплуатации его первого варианта, а именно: вихревой поток со сверхзвуковой скоростью образуется в первой цилиндрической части 33, 7 ударную волну генерируют вблизи того места,где диффузор 35 переходит во вторую цилиндрическую часть 37, поток среды с подзвуковой скоростью образуется во второй цилиндрической части 37, жидкость впускают наружу через первое выпускное отверстие 27, тогда как высушенный газ выпускают через второе выпускное отверстие 43, в который вихревой поток газа переводят в состояние равномерно текущего потока с помощью вышеуказанного устройства. В вышеописанном варианте осуществления устройства кожух, первая цилиндрическая часть, диффузор и вторая цилиндрическая часть имеют круглое поперечное сечение. Однако перечисленные элементы устройства могут иметь и любое другое подходящее для работы поперечное сечение. Так, например, в качестве альтернативы, первая и вторая цилиндрические части могут иметь поперечное сечение в форме усеченного конуса. Кроме того, диффузор может также иметь любую подходящую форму. Так, например, он может не иметь сужающейся части (смотри фиг. 2), что особенно удобно при работе с потоками, имеющими скорости в нижней области сверхзвукового диапазона. Вместо того, чтобы устанавливать каждый крыльевидный выступ под фиксированным углом относительно оси кожуха, каждый выступкрыло можно закрепить под увеличивающимся углом в направлении потока, особенно если придать при этом (а не предпочтительно) выступу спиральную форму. Более того, каждый выступ-крыло может иметь приподнятый кончик (так называемое"крылышко"). Вместо диффузора, имеющего расширяющуюся форму (фиг. 2), в качестве варианта диффузор может иметь расширяющуюся секцию, за которой следует сужающаяся секция(если смотреть в направлении потока). Преимуществом такого варианта выполнения диффузора является то, что в диффузоре происходит меньшее увеличение температуры текучей среды. Чтобы увеличить размер сконденсированных частиц, можно увеличить толщину пограничного слоя сверхзвуковой части потока, например, посредством инжекции газа в сверхзвуковую часть потока. Например, можно производить инжекцию газа в первой цилиндрической части кожуха через одно или несколько отверстий, проделанных в стенке кожуха. Можно для этой цели использовать часть газа, выпускаемого из первого выпускного отверстия. В результате такой инжекции газа меньше конденсированных частиц образуется в сверхзвуковой части потока и следовательно ниже по потоку частицы легче агломерируются в более крупные частицы. И наконец, завихряющие средства можно установить во входной части трубопровода, а не 8 вслед (по направлению потока) за входной частью его. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ удаления газообразного компонента из потока текучей среды, содержащей множество газообразных компонентов, отличающийся тем, что содержит следующие стадии:- указанный поток подают со сверхзвуковой скоростью через трубопровод для того, чтобы понизить температуру среды до уровня ниже температуры, при которой происходит либо конденсация, либо затвердевание компонента,подлежащего удалению, в результате чего происходит образование частиц этого компонента,причем трубопровод имеет средства для завихрения потока среды, обеспечивающие протекание частицы в сторону внешнего, радиально расположенного участка зоны сбора частиц в потоке,- генерируют ударную волну в потоке для того, чтобы уменьшить осевую скорость потока среды до подзвуковой скорости, и- извлекают частицы в форме отходящего потока из внешнего, радиально расположенного участка зоны сбора частиц,отличающийся тем, что указанную волну генерируют ниже по направлению потока завихряющих средств, но выше зоны сбора частиц. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что текучей средой является природный газ, добытый из подземной геологической формации, а заданная температура определяется точкой конденсации компонента, подлежащего удалению,в результате чего образуются конденсированные частицы компонента, подлежащего удалению. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что газообразный компонент, подлежащий удалению, представляет собой одно или несколько соединений этана, пропана, бутана, пентана,гексана, гептана и октана. 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем,что ударную волну генерируют путем обеспечения протекания потока среды через диффузор. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанный отходящий поток подают в газожидкостный сепаратор для отделения газовой фракции отходящего потока от его жидкой фракции. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что газовую фракцию смешивают с потоком среды,протекающим со сверхзвуковой скоростью через трубопровод. 7. Устройство для удаления газообразного компонента из потока текучей среды, содержащей множество газообразных компонентов, содержащее средства, побуждающие указанный поток среды течь со сверхзвуковой скоростью через трубопровод для того, чтобы понизить 10 9. Устройство по п.8, отличающееся тем,что средства, побуждающие поток среды течь со сверхзвуковой скоростью, включают в себя входное сопло Лаваля, установленное на входе в трубопровод, причем наименьшее проходное сечение диффузора больше, чем наименьшее проходное сечение входного сопла Лаваля. 10. Устройство по пп.8 и 9, отличающееся тем, что зона сбора частиц расположена рядом с выходным концом диффузии. 11. Устройство по любому из пп.7-10, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя газожидкостный сепаратор, вход которого сообщен жидкостной связью с указанным отходящим потоком, тогда как его выход предназначен для газовой фракции указанного первого отходящего потока. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем,что выход для газовой фракции связан с входом в трубопровод для смешивания газовой фракции с потоком среды, протекающей со сверхзвуковой скоростью через трубопровод. температуру среды до некоторой заданной температуры, при которой происходит либо конденсация, либо затвердевание указанного компонента, подлежащего удалению, для образования частиц этого компонента, причем указанный трубопровод снабжен завихряющими средствами, способными придать вихревой характер потоку среды, побуждая тем самым частицы направляться в сторону внешнего, радиально расположенного участка зоны сбора в потоке; средства для генерирования ударной волны в потоке для того, чтобы уменьшить осевую скорость потока среды до подзвуковой скорости, и средства для извлечения частиц в форме отходящего потока из внешнего радиально расположенного участка зоны сбора частиц,отличающееся тем, что средства для генерирования ударной волны расположены ниже завихряющих средств, но выше зоны сбора частиц. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем,что средства для генерирования ударной волны включают в себя диффузор.