Sušení plynu pomocí nadzvukových trysek

Sušení plynu pomocí nadzvukových trysek
Ing. Michal Netušil
Školitel: Prof. Ing. Pavel Ditl, DrSc.
Abstrakt
Zemní plyn se uskladňuje v podzemních zásobnících. V průběhu uskladnění dochází k jeho
sycení vodními parami z úložiště. Před distribucí ze zásobníků je nutné plyn sušit tak, aby
splňoval přepravní parametry. V příspěvku je popsána nová energeticky nenáročná
technologie sušení plynu, která využívá Lavalovu dýzu. K odstranění vlhkosti ze zemního
plynu dochází průtokem dýzou. V dýze je plyn urychlen a jeho potenciální energie je
transformována v energii kinetickou. V oblasti nadzvukového proudění teplota plynu klesne
pod teplotu rosného bodu vody. Za pomoci cyklonové separace je zkondenzovaná voda od
zbytku proudu plynu oddělena. Tato metoda je citlivá na změnu vstupních parametrů plynu.
Vliv vstupní teploty tlaku a zpracovávaného objemu na účinnost separace je diskutován.
Rovněž je představen technický vývoj, základní geometrie a průmyslové aplikace této metody.
Klíčová slova
zemní plyn, podzemní zásobník plynu, avalova dýza, twister, supersonic separator
1. Úvod
Princip této metody spočívá v použití Lavalovy dýzy, ve které dochází k přeměně
tlakové a teplotní energie plynu v energii kinetickou.
Funkce této dýzy závisí na různých vlastnostech plynu při podzvukových a
nadzvukových rychlostech. Rychlost podzvukového proudění plynu se zvýší, jestliže
zužujeme průměr dýzy (tento jev nastává v důsledku rovnice kontinuity). V podzvukovém
stavu (Machovo číslo M < 1) je plyn stlačitelný, a tlaková (zvuková) vlna se jím může šířit. V
bodě hrdla, kde je plocha příčného průřezu nejnižší, dosahuje plyn rychlosti zvuku (M = 1).
Se zvyšováním plochy průřezu dýzy se vlivem Venturiho efektu plyn dále rozpíná a jeho
rychlost roste (M > 1).
Plyn proudící skrze Lavalovu dýzu je možno uvažovat jako izoentropický. Při
dostatečném snížení teploty plynu v dýze, klesne teplota plynu pod rosný bod vody a dojde ke
kondenzaci v něm přítomných vodních par. Vzniklé kapičky se od proudu plynu oddělují za
pomoci odstředivé síly (proudící plynu se roztočí statickými lopatkami). Odstředivá síla
v nadzvukové části může dosahovat hodnot až 500 000 g [5]. Kapičky se odstředí na stěnu
dýzy, tenký film splývá ve směru toku a je možné ho odseparovat. Po separaci kapek je
důležité zpět transformovat kinetickou energii proudícího plynu na jeho tlak. K tomuto se
využívá takzvané rázové vlny.
Rázová vlna vzniká, když se těleso pohybuje prostředím větší rychlostí, než se o tom
mohou v daném prostředí pohybovat informace (v plynu tedy rychleji než průměrná rychlost
molekul plynu). Médium v blízkosti tělesa pak nestihne reagovat a "uhnout z cesty". Rázová
vlna se formuje tehdy, když se rychlost proudění plynu mění víc, než o rychlost zvuku. V
místě, kde k tomu dochází, nemohou postupovat zvukové vlny proti proudu a dochází ke
skokovému růstu tlaku. Měření ukázala, že tloušťka oblasti skokové změny je přibližně jen o
jeden řád větší, než je střední volná dráha v médiu, přibližně mikrometr [6].
Schéma sušící linky pracující na výše uvedeném principu je zobrazeno na obrázku 1.
Vstupní proud sušeného plynu je prvně zbaven volné kapaliny v odlučovači kapek.
Z odlučovače odchází vodou saturovaný plyn, který pokračuje do sušící trysky. V trysce se
plyn pomocí lopatek roztočí a urychlí (urychlením dojde k zchlazení plynu). Vlhkost
zkondenzuje a s částí přisátého plynu je od hlavního proudu odstředivou silou odloučena. Ve
zbytku plynu je poté indukována rázová vlna a vysušený opětovně natlakovaný plyn odchází
ze sušící linky pryč. Odstředěný kondenzát s přisátým plynem putuje z trysky do
odplyňovacího aparátu. Zde se obě fáze oddělí. Odplyn je přimícháván zpět k vysušenému
proudu plynu tak, aby ztráty byly co nejnižší.
Tryska
Rázová vlna
Suchý plyn
Nasycený
plyn
Odstředěný
2-f. proud
Vstup vlkého
plynu
Odlučovač
kapek
Kondenzát
Odplyny
Odplyňovač
Kondenzát
Obr. 1. - Schéma sušící linky pracující na principu Lavalovy dýzy
2. Analýza parametrů ovlivňujících sušení
V článku [1] je pomocí numerických a simulačních nástrojů (MATLAB 7.0.4 a
Aspen-HYSYS 2006) na modelu trysky analyzován axiální průběh parametrů plynu. Rozměry
zkoumané trysky uvádí tabulka 1.
Tabulka 1. - Rozměry modelu trysky
vstupní
ø hrdla
výstupní
ø trysky
trysky
ø trysky
0.0400 m
0.0163 m
0.0300 m
délka zužující
se části
0.0527 m
délka rozšiřující
se části
0.1473 m
celková délka
trysky
0.2000 m
Zpracovávané množství plynu odpovídá 18 000 Nm3/h. Vstupní teplota je 19 °C a vstupní tlak
je 9.25 MPa. Jedná se lehký zemní plyn (ZP) o složení dle tabulky 2.
Tabulka 2. - Složení testovaného zemního plynu
složka
metan
etan
mol %
95
4
Propan
1
voda [ppm]
230
Axiální průběhy parametrů ZP jsou zobrazeny na obrázku 2. Velmi výrazně je na jednotlivých
grafech vidět vliv rázové vlny na skokovou změnu parametrů. Na průběhu tlaku je patrná
prvotní expanze snižující tlak až na 30 % původní hodnoty a následná rekomprese rázovou
vlnou na zhruba 70 % původní hodnoty. Podobný průběh má i teplota, která postupně z 19 °C
klesá až k hodnotám -80 °C (toto výrazné ochlazení je však v rozporu s ostatní literaturou
Teplota [°C]
Tlak [kPa]
[4,7,8], která pro obdobnou situaci uvažuje maximální ochlazení o 60 °C). Teplota se rázovou
vlnou skokově vyšplhá zpět k 8 °C.
Délka [m]
Rychlost [m/s]
Hustota [kg/m3]
Délka [m]
Délka [m]
Délka [m]
Obr. 2. - Axiální průběh parametrů zemního plynu v trysce
Pro další simulace je uvažována tryska s odlišnou geometrií viz tabulka 3. Tryska je
kratší, průměr hrdla je větší a výstupní průměr naopak menší. Poloviční úhel zužující se části
je 6.85 ° a rozšiřující se části 3.00 °.
Tabulka 3. - Geometrie dalšího modelu trysky
vstupní
ø hrdla
výstupní
délka zužující
ø trysky
trysky
ø trysky
se části
0.0400 m
0.021 m
0.0240 m
0.082 m
délka rozšiřující
se části
0.038 m
celková délka
trysky
0.1200 m
Tryska byla modelována pro ZP s průtokem 122 000 Nm3/h, teplotě 20 °C a tlaku 30
MPa. Zkoumal se vliv vstupní teploty, výstupního tlaku a tření v trysce na pozici rázové vlny.
Výsledky modelu ukázaly, že:
1. S rostoucí teplotou vstupujícího plynu se rázová vlna posouvá směrem ke konci trysky
2. S poklesem tlaku na výstupu se pozice rázové vlny posouvá ke konci trysky.
3. Tření v trysce nemění charakteristiku toku a způsobuje posun rázové vlny dovnitř trysky
Numerické výsledky jsou uvedeny v následujících tabulkách 3 a 4 a na grafech z
obrázku 3. Z tabulky 3 je rovněž zřejmé, že se snižováním tlaku na výstupu z trysky se
výrazně zlepšuje separační účinnost trysky.
Tabulka 4. - Vliv vstupní teploty na pozici rázové vlny
Teplota (°C)
1.0
Pozice rázové vlny (m)
0.102
Obsah vody na vstupu (mg/m3)
60
19.8
0.102
174
72.4
0.100
10
59.0
0.112
1085
61.0
0.110
6
48.5
0.120
4
Tlak [kPa]
Tlak [kPa]
Tabulka 5. - Vliv výstupního tlaku na pozici rázové vlny
Původní tlak na výstupu (%)
82.7
80.0
Pozice rázové vlny (m)
0.082
0.090
Voda zbývající v plynu (%)
60
50
39.6
0.108
465
Délka [m]
Délka [m]
Obr. 3. - Jak ovlivňuje vstupní teplota a výstupní tlak pozici rázové vlny
3. Historický vývoj nadzvukových výrových odlučovačů
3.1. Twister® Supersonic Separator
První patent nadzvukového vírového odlučovače je z roku 1998. Patent přihlásila
společnost TwisterBV, což je dceřiná společnost Shellu. Geometrie odpovídá obrázku 4 níže
[9].
Obr. 4. - První model nadzvukového vírového odlučovače
Na obrázku je rovněž zobrazen průběh teploty podél osy trysky. Z porovnání
geometrie trysky a teplotního profilu je zřejmé, že v důsledku umístění roztáčecích lopatek do
nadzvukové (rozšiřující) části dochází v oblasti před lopatkami k nárůstu teploty plynu.
Důvodem je zbrždění plynu vlivem místního odporu lopatek. Po roztočení se plyn opětovně
ochladí a dochází k odstředění zkondenzovaných kapiček. Absolutní hodnoty uvedené na
obrázku neodpovídají průmyslově aplikovaným zařízením. Měření [9] bylo provedeno na 1,5
m dlouhém experimentálním zařízení pracujícím s vlhkým vzduchem o 20 °C a 1 MPa.
Zpracovávaný objem byl pouhých 600 m3/h.
Z průmyslových aplikací je v literatuře zmíněna tryska zpracovávající 41 300 Sm3/h
zemního plynu stlačeného na 10 MPa. Délka trysky je 1.828 m a její kryt má průřez 0.152 m2.
Lopatky uložené v nadzvukové části trysky vytváří odstředivé pole o síle až 300 000 g [2].
Dále je na oficiálních stránkách TwisterBV zmíněna implementace tohoto typu trysky v roce
2000 na zkušebním podzemním zásobníku plynu v Leermens (Nizozemí). Zde bylo
zpracováváno 120 000 Sm3/h vodou saturovaného ZP o tlaku 11 MPa. Výstupní tlak byl 7
MPa a dosažený rosný bod vody byl < -15.5 °C. Uspořádání bylo jednotryskové. Dalším
projektem byl podzemní zásobník v Utorogu (Nigerie). Tryska zde pracuje od listopadu 2000.
Zpracovaný objem odpovídá 35 400 Sm3/h ZP o 11.5 MPa. Dosaženy jsou Nigerijské
přepravní parametry (rosný bod vody 4.4 °C pro ZP o 7 MPa). Uspořádání bylo opět
jednotryskové. Další aplikace, v roce 2003, byla pro Petronas, který žádal o dvě linky s
pracovními objemy 354 000 Sm3/h. Linky jsou instalovány na mořském vrtu B11 v Malajsii.
Linky tvoří šestice trysek, každá o pracovním objemu 70 800 Sm3/h. Odloučený kondenzát z
trysek je veden do společného odplyňovacího separátoru. Studie o proveditelnosti prokázaly,
že pořizovací a operační úspory jsou ve výši US $ 30-80 milionů oproti aplikaci absorpční
metody pracující s TEG [2,3].
3.2. 3-S Super Sonic Separator
K dalšímu vývoji nadzvukových vířivých separátorů došlo v roce 2000, kdy přišli ruští
vědci z Moskevského Aerodynamického institutu na nápad umístit roztáčecí lopatky hned na
vstup plynu do trysky. Patent [11] se prodal Kanaďanům a vznikla společnost TransLang
Technologies. Návrh nového aparátu se jmenuje Super Sonic Separator (3-S) a jeho schéma je
na obrázku 5.
Nadzvuková tryska
Roztáčecí lopatky
2-fázový odlučovač
Usměrňovací lopatky
Separační tryska
Nadzvukový a
podzvukový
difuzer
Obr. 5.- Schéma Super Sonic Separátoru
3-S trysky mají roztáčející lopatky umístěny hned u vstupu plynu do trysky, to je
hlavní odlišnost oproti Twistru. Twister má lopatky v nadzvukovém prostoru a díky tomu
dochází k tlakové ztrátě a vzniku podzvukového proudění v odlučovacím prostoru.
Důsledkem zpomalení plynu v odlučovacím prostoru dochází k částečnému odpaření
vzniklých kapek a ke snížení separační účinnosti. Roztočení plynu hned na vstupu trysky, tak
aby tangenciální rychlost v kombinaci s odstředivou silou oddělila jakékoliv kapičky
vznikající v nadzvukové části a doručila je do oddělovací části, minimalizuje celkové tlakové
ztráty. Zpomalení toku rázovou vlnou a regenerace tlaku se odehrává za separátorem kapek v
difuzoru. Za difuzorem 3-S tryska obsahuje usměrňovací lopatky, které transformují
tangenciální rychlost v axiální.
3-D numerický model 3-S trysky popisující průběh tangenciálního zrychlení, zchlazení
plynu a nukleace zárodků kapiček je popsán v literatuře [8]. Parametry trysky uvažované v
modelu jsou uvedeny v následující tabulce 6. a schéma trysky ukazuje obrázek 6.
Tabulka 6. - Geometrie 3D modelu 3-S trysky
celková
počet
ø hrdla
expanzní
délka
roztáčejících
trysky
poměr
trysky
lopatek
0.030 m
0.4500 m
1.75
8
výška
lopatky
0,0350 m
průřez
roztáčející
komorou
2240 mm2
délka
roztáčející
komory
0.0500 m
Expanzní poměr představuje poměr průřezu na konci rozšiřující se části trysky k průřezu
hrdla.
zužující se část
hrdlo
rozšiřující se tryska
Difuzor
roztáčecí komora
lopatka
kanál
Obr. 6.- 3D model 3-S trysky
Uvažovaný vstupní tlak lehkého ZP je 0.3 MPa, vstupní teplota 27 °C a počáteční
hmotnostní zlomek vodních par odpovídá 0.00657.
Vypočtené rychlostní profily nejsou symetrické vůči axiální ose trysky. Plyn je
roztáčen na vstupu a s jeho postupem tryskou vzrůstá tangenciální rychlost. V oblasti hrdla je
jeho hodnota maximální. Kombinace axiální a tangenciální rychlosti plynu zapříčiňuje silně
turbulentní proudění. Hodnoty Reynoldsova čísla v trysce přesahují 105. Z důvodu náhodného
pohybu částic v turbulentních tocích, rychlostní profily nejsou symetrické.
Tangenciální zrychlení důležité pro separaci kapiček ukazuje obrázek 7 níže.
Maximální hodnota zrychlení je v hrdle trysky a odpovídá 8.31·105 m/s2.
Obr. 7.- Průběh tangenciálního zrychlení v trysce 3-S
Výpočty zchlazení plynu pod saturační teplotu, které je definováno pomocí ∆T =│T –
Ts│ (kde T představuje teplotu proudícího plynu a Ts saturační teplotu plynu), velmi souvisí
s mírou nukleace J (J představuje počet vznikajících zárodků kapiček). Velmi názorně je
souvislost zobrazena níže na obrázku 8.
Obr. 8.- Průběh zchlazení a míry nukleace v trysce 3-S
Z obrázku je vidět, že se spontánní nukleace začne vyskytovat s hodnotou ∆T 25 °C.
Rovněž je vidět, že maximálních hodnot ∆T 32 °C a J 6.35 1020 je dosaženo ve stejném místě
trysky. Pokud porovnáme oblast nukleace s délkou trubky zjistíme, že se odehrává ve velmi
úzké části trysky. Distribuce nukleace a zchlazení je rovněž k axiální ose asymetrická, stejně
jako tomu bylo u distribuce rychlosti. Důvodem je opět vysoká turbulence toku.
Podle teorie spontánní nukleace kondenzace nenastává hned při snížení teploty plynu
pod saturační teplotu odpovídající lokálnímu tlaku vodních par, kondenzace nastává až při
dalším podchlazování. Výše potřebného podchlazení závisí na složení plynu jeho teplotě a
tlaku. Rovněž je třeba uvažovat latentní teplo uvolněné při nukleaci a jeho šíření do okolí.
Plyn v okolí nukleace kapiček se zahřívá a míra podchlazení plynu klesá. Důsledkem toho
dochází k prodlevě kondenzace [8].
3-S trysky se dají využívat pro současné sušení a separaci vyšších uhlovodíků C3+. Je
tomu tak díky vysokému snížení tlaku a teploty plynu dosaženého v průběhu průchodu plynu
tryskou. Jak je vidět z následujícího obrázku 9, je změna T a p plynu dostatečná k přechodu
plynných vyšších uhlovodíků do oblasti dvoufázové existence. To umožňuje separaci
vzniklých kapiček z plynu.
Na obrázku je zobrazena situace vysokotlakého zpracování plynu, která je typická pro mořské
plošiny těžící plyn. Situace je specifická v tom, že se jedná o tlaky plynu > 10 MPa a je
žádoucí při zpracování plynu tlak udržet co nejvyšší z důvodu potrubní distribuce plynu na
pevninu. Na obrázku jsou zobrazeny ještě další dvě konvenční nízkoteplotní metody pro
úpravu plynu na moři. Jedná se o Joule-Thompsonovo škrcení a o využití turboexpandéru
(energii generující) v kombinaci s kompresorem (generovanou energii spotřebovávající). Pro
obě konvenční metody je při podmínce zachování vysokého tlaku separace C3+ nesplnitelná a
proto je potřeba před další distribucí plynu na pevnině plyn dodatečně upravit, tak aby
splňoval distribuční požadavky na obsah C3+ [10].
Na druhou stranu v článku [1] se uvádí, že přítomnost vyšších uhlovodíků snižuje
kompresibilní faktor plynu. V důsledku toho je možné dopravovat potrubím vyšší množství
plynu. Proto je v mořských aplikacích úpravy plynu žádoucí selektivně separovat pouze vodu
a zachovat v něm obsah vyšších uhlovodíků.
Tlak
J-T škrcení
CCB „Crycondenbar“
Turboexpander
3-S
Kapalina
Plyn+Kapalina
Plyn
Teplota
CCT „Crycondentherm“
Obr. 9.- Fázový diagram vyšších uhlovodíků
Experimentální jednotka 3-S trysky byla testována v Moskvě. Jako pracovní látky zde
sloužil vlhčený vzduch a směs dusíku s propan-butanem. Průtok plynu odpovídal 12 500
Sm3/h, vstupní tlak stoupal až k 15 MPa a teplota vstupního plynu se pohybovala od -60 do 20
°C. Další výzkum pokračoval na pilotní jednotce v Albertě (Kanada). Zde se testoval ZP o
průtoku 60 000 Sm3/h se vstupním tlakem od 5 do 7 MPa. Výstupní tlak neklesl pod 4 MPa.
Dle výsledků z pilotní jednotky se spotřeba 3-S technologie v porovnání s
ostatními rozšířenými nízkoteplotními separačními technologiemi (J-T škrcení,
turboexpander) snížila o 10-20 %. Průmyslová aplikace přišla v roce 2004. Jednalo se o
zpracování zemního plynu v oblasti západní Sibiře. Instalovány zde byly dvě 3-S trysky
zpracovávající 50 000 Sm3/h o vstupním tlaku 3.2 MPa a teplotě -30°C. Cílem trysek byla
separace C3+ z plynu před jeho zkapalněním [4]. Zajímavostí je, že firma TransLang
Technologies Ltd., Calgary, Kanada, vlastník technologie 3-S nedisponuje internetovými
stránkami.
3.3. Vnitřní těleso
Dalším vývojem vírových nadzvukových trysek byla implementace vnitřního tělesa.
Nový design tak podporuje zachování momentu hybnosti rotujícího plynu, tak jak je patrné na
následujícím obrázku 10.
roztáčeč
lopatky
cyklonová separace
difuzor
suchý plyn
vlhký plyn
vír kapek
vnitřní
tělo
kondenzát a plyn
Obr. 10. - Vírová nadzvuková tryska s vnitřním tělesem
Kanál mezi stěnou a vnitřním tělesem svým tvarem tvoří Lavalovu dýzu, oblast
cyklonové separace a difuzor. Vnitřní těleso zajišťuje soustředný vír, tím zamezuje disipaci
energie turbulentními víry, což vede k většímu zachování momentu hybnosti a k výraznému
zlepšení separační účinnosti trysky [5].
Maximální doba zdržení v zařízení tohoto typu je dle reference [5] nižší než dvě
milisekundy. To se však dá předpokládat i pro předchozí modely trysek. Každopádně takto
krátká doba zdržení zamezuje tvorbě hydrátů. To se dá považovat za velké pozitivum těchto
metod. V praxi to znamená, že pro nízkoteplotní separace tohoto typu není potřeba do plynu
vstřikovat inhibitor tvorby hydrátů (glykol, metanol aj.). To odstraní náklady spojené
s regenerací inhibitoru z odseparovaného kondenzátu.
Článek [5] se zabývá rovněž geometrií trysek. K dosažení rychlosti zvuku plynu je
potřeba dodržet pravidlo, že vstupní průměr je minimálně √5 krát větší než hrdlo trysky.
Rozměry zužující se části Lavalovy dýzy se počítají dle následujících vztahů:
(1)
(2)
Kde D1, Dcr, L, Xm představují vstupní průměr, průměr hrdla, délku zužující se části,
„relativní souřadnici zužující se křivky“ (zde není jasné, co přesně autor pojmem myslí, ale dá
se předpokládat, že Xm je poměr x/délka oblouku křivky od vstupu k místu řezu). x je
vzdálenost mezi libovolným kolmým řezem trysky a vstupem, D pak představuje průměr
libovolného řezu ve vzdálenosti x od vstupu.
S aplikací tohoto typu trysek přišel již zmiňovaný zakladatel tryskového sušení plynu,
firma TwisterBV. Obrázek [10] pochází z jejich internetových stránek. Oproti původnímu
návrhu se roztáčení plynu po vzoru 3-S trysky přesunulo na vstup trysky. Z průmyslových
využití byla v roce 2009 realizována zakázka pro plynovou elektrárnu Afam (Nigérie). Linka
pro sušení ZP se sestávala z šesti trysek o celkovém výkonu 141 600 Sm3/h. V současné době
se Twister instaluje pro podzemní zásobník Petronas v Brazílii a Ecopetrol v Kolumbii.
Ecopetrol požaduje linku pro současné sušení ZP a separaci vyšších uhlovodíku při výkonu 76
800 Sm3/h. Další zakázky jsou firmou TwisterBV v současné době zpracovávány [3].
3.4. Ozařování plynu
Poslední model separační trysky, byl patentován roku 2007 společností TwisterBV
[12]. Novinkou je použití nízkotlakých rtuťových lamp, které emitují záření o vlnové délce
254 nm. Poloha ozařování byla patentována ve dvou místech, jak ukazují obrázky 11 a 12.
Nízkotlaká
radiační lampa
optický navaděč
Obr. 11. - Tryska s ozařováním plynu v krčku trysky
První uspořádání počítá s ozářením plynu při průchodu krčkem. Radiační lampa je
s krčkem propojena optickým naváděčem. Důležité je rovněž průhledové okénko, které
umožní průchodu vlnového záření stěnou trysky.
Nízkotlaká
radiační lampa
λ1
Nízkotlaká
radiační lampa
λ2
optický navaděč
vlnově propustný
průhled
Obr. 12. - Tryska s ozařováním plynu na vstupu do trysky
Druhá varianta počítá s ozářením plynu na vstupu do trysky. Světelné vlny z lampy k
plynu opět putují optickým naváděčem a průhledem. U této varianty je možné plyn ozařovat
dvěma či více lampami s rozdílnou vlnovou délkou.
Princip vyvolávané nukleace kapek skrze excitaci molekul plynu absorpcí vlnového
záření je popsán v článku [13]. Zjednodušeně jsou vazebné elektrony molekul, které absorbují
záření, ionizovány na vyšší energetickou hladinu. Tyto excitované elektrony jsou schopné
přitahovat další molekuly (i neexcitované, zejména polární molekuly, jako je H2O) a tvořit tak
zárodky kapiček.
Patent počítá s použitím ozařování pro vylepšení separační účinnosti při odstraňování
rtuti, vody, aromatických uhlovodíků, oxidu uhličitého a sirovodíku. Emitovanou vlnovou
délkou se dá částečně ovlivnit druh odstraňované složky z plynu. Molekuly odstraňovaných
příměsí plynu mají rozdílné velikosti a tak absorbují záření o různé vlnové délce.
Bohužel je myšlenka použití nízkotlakých rtuťových lamp při nízkoteplotní separaci
plynu natolik nová, že literatura neposkytuje žádné další informace.
4. Závěr
V roce 1998 byla na trh uvedena nová technologie sušení ZP. Principiálně funguje na
použití Lavalovy dýzy k ochlazení plynu s následnou cyklonovou separací zkondenzovaných
kapiček. Tento přístup přináší oproti konvenčním metodám (absorpce TEGem, adsorpce na
pevných vysoušedlech a J-T nízkoteplotní separace) mnohé výhody:
• Zejména se jedná o malou velikost trysky. Publikována byla aplikace pro 41 300 Sm3/h ZP
stlačeného na 10 MPa. Trysky měřila 1.828 m a průměr krytu byl 0.22 m. Odpovídající
konvenčním zařízením je absorbér s výškou 5 m a průměrem 1.4 m nebo dva adsorbéry o
výšce 3m s průměrem 1 m. Malé rozměry jsou výhodné obzvláště tam, kde se vyskytují
omezení na zastavěný prostor, například mořské plošiny.
• Další výhodou je jednoduchost zařízení. Tryska neobsahuje žádné pohyblivé části. Během
provozu není potřeba údržby.
• Nespornou výhodou jsou nízké provozní náklady. Jediné energetické spotřeby sušící linky
využívající nadzvukové trysky jsou čerpadla pro odvod odseparovaného kondenzátu a
ohřev odplyňovače. Oproti regeneraci TEGu či adsorbentu je spotřeba trysek zanedbatelná.
V tryskách však dochází k tlakové ztrátě pohybující se okolo 20-35% vstupního tlaku. Při
aplikaci stejné tlakové ztráty v případech nízkoteplotních separace J-T efektem je dosažené
zchlazení plynu 1.5 - 2.5 násobně vyšší.
• V porovnání s ostatními nízkoteplotními separacemi není potřeba do plynu vstřikovat
inhibitor tvorby hydrátů. Maximální doba zdržení plynu v trysce je nižší než dvě
milisekundy. Takto krátká doba zdržení zamezuje tvorbě hydrátů. To odstraní náklady
spojené s regenerací inhibitoru z odseparovaného kondenzátu. Kondenzát je třeba co
nejrychleji svést do ohřívaného odplyňovače, aby nedošlo k ucpání odváděcích kanálů.
• Sušící linka je bez škodlivých vlivů na životní prostředí. V průběhu procesu nedochází ke
k žádným emisím nebezpečných látek (BTEX, glykoly, metanol aj.). Provoz navíc
vyžaduje jen minimálního ohřevu, tudíž jsou výrazně redukovány emise spojené se
spalováním topných paliv.
• Nadzvuková separace v tryskách umožňuje současné odstraňování vody a vyšších
uhlovodíků. To umožňuje aplikaci technologie v případech těžby těžkého ZP či
v případech skladování ZP v bývalých zásobnících uhlovodíků (TEG je v těchto případech
problematický, protože v průběhu regenerace pění a mění se v „hnědé bahno“. Adsorbenty
se při styku s vyššími uhlovodíky rychleji zacpávají a stárnou). Nadzvuková separace je
rovněž průmyslově používána v provozech úpravy ZP před zkapalňováním.
• Poslední výhodou této technologie je její komplexnost. Aplikace tryskové nízkoteplotní
separace plynů v sobě skýtá širokou škálu uplatnění a to nejen v případech zpracování ZP.
Aplikace nadzvukového separátoru má však i své nevýhody. Hlavní nevýhodou a
omezením aplikace je potřeba ustáleného provozu. Případné výkyvy či změny v teplotě, tlaku
či množství vstupního plynu výrazně ovlivňují separační účinnost trysky. Stálost vstupních
parametrů plynu je však v mnohých aplikacích velmi obtížná ne-li přímo nemožná. Například
při skladování a pozdější těžbě plynu z podzemních zásobníků se vstupní parametry plynu
mění s množstvím odtěženého plynu. Nicméně se trysky používají i zde. Separační účinnost
trysek může být optimalizována pomocí vstupního chlazení. Pokles zpracovávaného objemu
může být kompenzován změnou vstupního tlaku, avšak typický návrh pro proměnlivé
pracovní objemy plynu je tvořen paralelním uspořádáním několika trysek. Bateriové
uspořádání trysek se společným odplyňovačem umožňuje dle vstupních a výstupních
parametrů plynu zapojovat optimální počet trysek. Úspěšné odzkoušení bateriového
uspořádání již proběhlo na několika průmyslových projektech.
Další nevýhodou je novost technologie tryskového sušení, jež je spojena s vysokou cenou
„know how“. Správný návrh trysky je velmi obtížný, geometrie a přesnost provedení se
pohybují v řádech desítek mikrometrů. Materiál trysek musí být odolný vůči abrazi a rázům
spojeným s rázovou vlnou.
Po celkovém shrnutí dostupných informací považuji technologii nízkoteplotní separace při
nadzvukovém proudění plynu za velmi perspektivní a hodnou dalšího zájmu. Právní ochrana
duševního vlastnictví po deseti letech od podání patentu této technologie již vypršela, a tudíž
nic nebrání v aplikaci technologie ostatními subjekty.
Seznam použité literatury
[1] Karimi A., Abdi M. A., Selective dehydration of high-pressure natural gas using
supersonic nozzles, 2006, Chemical Engineering and Processing 48, 560–568
[2] Okimoto F., Brouwer J. M., Supersonic Gas Conditioning, 2002, World Oil, 89-91
[3] http://twisterbv.com/products-services/twister-supersonic-separator/experience/ (3.2.11)
[4] Alfyorov V., Bagirov L., Supersonic nozzle efficiently separates natural gas components,
2005, Oil & Gas Journal, 53-58
[5] Wen C., Cao X., Zhang J., Wu L., Three-dimensional Numerical Simulation of the
Supersonic Swirling Separator, 2010, Twentieth International Offshore and Polar Engineering
Conference, Beijing, China
[6] http://cs.wikipedia.org/wiki/R%C3%A1zov%C3%A1_vlna (10.2.11)
[7] Malyshkina M., The Structure of Gasdynamic Flow in a Supersonic Separator of Natural
Gas, 2008, High Temperature, 69–76
[8] Ma Q., Hu D., Jiang J., Qiu Z., Numerical study of the spontaneous nucleation of selfrotational moist gas in a converging–diverging nozzle, 2010, International Journal of
Computational Fluid Dynamics, 29–36
[9] Liu H., Liu Z., Feng Y., Gu K., Yan T., Characteristic of a Supersonic Dehydration
System of Natural Gas, 2005, Chinese Journal of Chemical Enginnering, 9-12.
[10] Feygin V., Imayev S., Alfyorov V., Bagirov L., Dmitriev L., Lacey J., Supersonic Gas
Technologies, TransLang Technologies Ltd., Calgary, Canada
[11] Alferov V., Baguirov L., Mathod and apparatus for liquefying gas, 2000, EP 1131588 B1
[12] Tjeenk Willink C., Betting M., Prast B., Geldorp J., Method and device for enhancing
condensation and separation in a fluid separator, 2007, WP2007/031476 A1
[13] Uchtmann H., Dettmer R., Barovskii S.D., Hensel F., Photoindeuced nucleation in
supersaturated mercury vapour, 1998, Journal of Chemical Physics, volume 108, 23