Федеральное учебно-методическое объединение в системе высшего образования «Техносферная безопасность и природообустройство» ( председатель)
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Одна из важных задач охраны окружающей среды и экономики России — разработка и реализация энерго- и ресурсосберегающи [технологий, позволяющих наиболее эффективно использовать первичные и вторичные ресурсы. В нефтегазовой и химической промышленности широко используются процессы, в которых потенциальная энергия давления углеводородных или сбросных газов либо теряется, либо утилизируется с минимальной эффективностью. Теряемую энергию целесообразно использовать для низкотемпературной очистки сбросных и подготавливаемых газов, уменьшая тем самым загрязнение окружающей среды. Один из путей решения этой проблемы состоит в использовании вихревой технологии, основанной на вихревом эффекте Ранка–Хилша. Данный способ очистки по эффективности многократно превышает стандартные способы с применением дросселирования. В обзоре представлен анализ теоретических и технологических аспектов исследования вихревого эффекта. Рассмотрены различные конструкции вихревых труб, а также одно из важных условий их эксплуатации и реализации в промышленности — регулирование входящего потока. Показано, что реализация рекуперативной схемы с вихревыми трубами позволит улучшить экологические и экономические показатели основной технологии. Дан критический обзор существующих теорий эффекта Ранка–Хилша. Рассмотрены перспективы развития ударно-волнового механизма вихревого эффекта, позволяющего объяснить избыточную холодопроизводительность трёхпоточных вихревых труб, используемых для подготовки попутного нефтяного газа к транспортировке.
вихревой эффект, экология, очистка газа, двухпоточная вихревая труба, трехпоточная вихревая труба, вихревая установка, холодопроизводительность, энтальпийный баланс, природный газ, попутный нефтяной газ, сбросной газ, воздух, конденсат, ударно-волновой механизм.
1. Вихревая труба как устройство для терморазделения газов. Термодинамические параметры и геометрические соотношения
Эффект терморазделения (стратификации) газов был случайно открыт французским инженером Жоржем Жозефом Ранком, которому 12 декабря 1931 г. выдан патент № 743111 (вихревая труба). Парадоксальность открытия Ж. Ранка иллюстрируется тем, что его сообщение на заседании Французского физического общества было встречено с большим скепсисом, а опытные данные [1] объявлены ошибкой эксперимента.
Во время Второй мировой войны немецкий ученый Р. Хилш начал в Эрлангенском университете1 обстоятельное исследование вихревого эффекта, которое было опубликовано в Германии уже после войны [2]. Это положило начало широкому исследованию вихревого эффекта в США и СССР (1950-е годы), а далее практически во всех индустриально развитых странах мира. Так, к началу XXI в. было опубликовано более 2000 статей, монографий и патентов по данной тематике [3].
_____
1 Университет Эрлангена–Нюрнберга (Эрлангенский университет, Университет имени Фридриха–Александра в Эрлангене и Нюрнберге, нем. Friedrich-Alexander-Universität. Erlangen-Nürnberg) — университет в Германии.
1. Ranque G.J. Experiences sur la détente girataire avec productions simultanees d`un echappement d`air chaud et d`air froid // Journal de Physique et la Radium. — 1933. — vol. 7. — N 4. — P. 112.
2. Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprocess // Zeitschrift fur Naturforschung. 1946. — Jan. — S. 203–208.
3. Чижиков Ю.В. Развитие методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта // Дис. … докт. техн. наук. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. — 1999. — 291 с.
4. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике // М.: Машиностроение. — 1969. — 183 с.
5. Мухутдинов Р.Х. Эффективность внедрения вихревых аппаратов (применительно к нефтехимическим производствам) / Р.Я Амиров, Л.Э Альмеев., М.М. Ханнанов // Уфа. — 2001. — 341 с.
6. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев // М.: УНПЦ «Энергомаш». — 2000. — 414 с.
7. Мартынов А.В. Что такое вихревая труба? / А.В. Мартынов, В.М. Бродянский // М.: Энергия. — 1976. — 153 с.
8. Жидков М.А. Термодинамическая эффективность промышленной вихревой трубы / М.А. Жидков, В.П. Овчинников, Г.А. Комарова // Газовая промышленность. — 1997. — № 12. — С. 54–56.
9. Суслов А.Д. Вихревые аппараты. / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков // М.: Машиностроение. — 1985. — 252 с.
10. Сафонов В.А. Влияние параметров сопла на характеристики конического вихревого холодильника. // Республиканский межведомственный сборник «Самолетостроение и техника воздушного флота». — 1970. — № 22. — С. 55–60.
11. Жидков М.А. Низкотемпературная очистка газов с применением вихревого эффекта // Дис. … канд. техн. наук. — М.: ГИАП. — 1982. — 231 с.
12. Бобровников Г.Н. Современное состояние и возможности применения вихревых труб в холодильной технике и в системах кондиционирования / Г.Н. Бобровников, А.А. Поляков, А.П. Лепявко, Н.И. Ильина // М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. — 1978. — 53 с.
13. Торочешников Н.С. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в прямоточной вихревой трубе / Н.С. Торочешников, И.Л. Лейтес, В.М. Бродянский // Журнал технической физики. — 1958. — Т. XXVIII. — № 6. — С. 1231–1236.
14. Макаров В.В. Исследование вихревой трубы с дополнительным потоком // Дисс. … канд. техн. наук. — Омск. — ОГТУ. — 1996. — 196 с.
15. Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы // Дисс. … канд. техн. наук. — Екатеринбург. — УФУ. — 2012. — 196 с.
16. Otten E.H. Vortex tube // Engineering. — Aug. — 1958. — № 4821.
17. Азаров А.И. Вихревые трубы в промышленности // С-Петербург. — Лема. — 2010. — 170 с.
18. Ильский О.Г. Применение вихревых трубок на объектах магистральных газопроводов / О.Г. Ильский, А.С. Юдин // Газовая промышленность. — 1968. — № 5. — С. 16–19.
19. Плотников В.М. Регуляторы давления газа / В.М. Плотников, В.А. Подрешетников, А.П. Дроздов, В.Я. Гончаров // Л.: Недра. — 1982. — С. 108–111.
20. Каталог технологического оборудования действующих газораспределительных станций магистральных газопроводов с рекомендациями по реконструкции и модернизации // РАО «Газпром». — М. — 1994. — 238 с.
21. Jens Mischner, Rainer Siebert und Michael Heit. Gasfachliche Forschung am FB Versorgungstechnik der FH Erfurt // Gas Erdgas. — 2001. — № 6. — S. 417–423.
22. Jens Mischner, Volker Köckritz und Kathrin Kadner. Bewertung von Ver-fahren zur Gasdruckminderung // Gas Erdgas. — 2001. — Nr. 10. — S. 706–717.
23. Ловцов А.В. Вихревая труба // Патент РФ № 2370710. — 2009.
24. Hajdik B., Lorey M., Steinle J., Thomas K. Vortex tube can increase liquid hydrocarbon recovery at plant inlet // Oil & Gas Journal. — 1997, Sept., p. 76–83.
25. Жидков М.А. Применение трёхпоточной вихревой трубы в установках низкотемпературной сепарации природного газа на газодобывающих промыслах / М.А. Жидков, Г.А. Комарова, И.Л. Лейтес, Н.В. Махонина, В.В. Николаев, Н.Т. Климов, Исхаков Р.М. // Оренбургский межотраслевой территориальный Центр научно-технической информации и пропаганды. — Информационный листок НТД. — № 20–26. — 1990.
26. Fekete L.A. Process and device for the separation of gases // Patent 3296807 (USA). — 1967.
27. Жидков М.А. Вихревая труба / М.А. Жидков, И.Л. Лейтес. // Авт. свид. СССР, М. Кл. 2 F 25B 9/02 — № 515000; Заяв. 08.01.75; Опубл. 25.05.76, Бюл. № 19.
28. Жидков М.А. Вихревой аппарат / М.А. Жидков, Г.А. Комарова // Пат. № 2035990 РФ, С1 6В01 J 8/16. Заяв. 07.12.93; Опубл. 27.05.95, Бюл. № 15.
29. Бетлинский В.Ю. Двухпоточные регулируемые вихревые трубы в промышленных установках очистки и осушки газов / М.А. Жидков, В.П. Овчинников // Газовая промышленность, 2008, № 1, с. 72–75.
30. Бетлинский В.Ю. Экспериментальное исследование термодинамической эффективности регулируемой трубы на природном газе / М.А. Жидков, В.П. Овчинников, Д.А. Жидков // Нефтегазовые технологии, 2008, № 2, с. 2–6.
31. Жидков М.А. Варианты технологических схем эксплуатируемых и разрабатываемых вихревых установок для подготовки углеводородных газов к транспорту / М.А. Жидков, А.П. Гусев, А.П. Рябов, Д.А. Жидков // Нефть. Газ. Новации, 2011, № 10, с. 12–19.
32. Бетлинский В.Ю., Жидков М.А., Овчинников В.П. Двухпоточные регулируемые вихревые трубы в промышленных установках очистки и осушки газов // Газовая промышленность — 2008. — № 1. — С. 72–75.
