Safety in TechnosphereSafety in TechnosphereБезопасность в техносфере1998-071X1053310.12737/17555Аналитический обзорAnalytical reviewАналитический обзорVortex Technology of Gases Stratification for Solving Ecological Issues of Oil, Gas and Chemical IndustriesВихревая технология стратификации газов для решения экологических вопросов в нефтегазовых и химических производствах (обзор)ЖидковДмитрий АлексеевичZhidkovDmitriy Алексеевичgrena_der@mail.ruДевисиловВладимир АркадьевичDevisilovVladimir Arkad'evichdevisil@mail.ru
кандидат технических наук;
candidate of technical sciences;
Московский государственный технический университет имени Н.Э. БауманаBauman Moscow State Technical UniversityФедеральное учебно-методическое объединение в системе высшего образования «Техносферная безопасность и природообустройство»РоссияFederal Educational and MethodologicalAssociation in the System of Higher Education «Technospheric Safety and Environmental Management»Russian Federation2512201525122015466378https://zh-szf.ru/en/nauka/article/10533/view
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.
One of the important tasks of the Russian economy and ecology is development and realization of energy-saving
technologies, allowing the most efficient use of both primary and secondary energy resources. In oil, gas and chemical
industries, there are processes, in which the potential energy of pressure of hydrocarbon or waste gases is either lost, either
recycled with minimum efficiency. The energy lost should be used for low-temperature purification of waste and prepared
gases, thus reducing environmental pollution. One way to solve this problem is to develop a vortex technology based on the
Rank-Hilsch effect. By efficiency this method of purification exceeds standard throttling systems. This review presents an
analysis of both theoretical and technological aspects of research of the vortex effect. different constructions of vortex tube
are considered along with the one of the important conditions of its operation and realization in the industry - regulation of
the incoming flow. It is shown that the realization of the regenerative scheme with vortex tubes will improve ecological and
economic indicators of the core technology. A critical review of existing theories of the Ranque-Hilsch effect is provided.
The article reviews the prospects of development of shock-wave mechanism that allows to explain the excessive cooling
capacity of triple-flow vortex tubes used for associated petroleum gas treatment.
1. Вихревая труба как устройство для терморазделения газов. Термодинамические параметры и геометрические соотношенияЭффект 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.
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.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.Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprocess // Zeitschrift fur Naturforschung. 1946. - Jan. - S. 203-208.Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprocess. Zeitschrift fur Naturforschung. 1946. Jan. S. 203-208.Чижиков Ю.В. Развитие методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта // Дис. … докт. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 1999. - 291 с.Chizhikov Y.V. Razvitiye metodov rascheta i promyshlennoye ispol‘zovaniye vikhrevogo effekta. Dokt. Diss. [Development of methods of calculation and the industrial use of vortex effect. Doct. Diss.]. Moscow, MGTU im . N.E. Baumana Publ., 1999. 291 p. (in Russian)Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике // М.: Машиностроение. - 1969. - 183 с.Merkulov A.P. Vikhrevoy effekt i yego primeneniye v tekhnike [Vortex effect and its applications in engineering]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1969. 183 p. (in Russian)Мухутдинов Р.Х. Эффективность внедрения вихревых аппаратов (применительно к нефтехимическим производствам) / Р.Я Амиров, Л.Э Альмеев., М.М. Ханнанов // Уфа. - 2001. - 341 с.Mukhutdinov R.H. Effektivnost’ vnedreniya vikhrevykh apparatov (primenitel’no k neftekhimicheskim proizvodstvam) [The effectiveness of the implementation of the vortex devices (with reference to the petrochemical production)]. Ufa. 2001. 341 p. (in Russian)Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев // М.: УНПЦ «Энергомаш». - 2000. - 414 с.Piralishvili S.A. Vikhrevoy effekt. Eksperiment, teoriya, tekhnicheskiye resheniya [Vortex effect. The experiment, theory, technical solutions]. Moscow, UNPTS «Energomash» Publ., 2000. 414 p. (in Russian)Мартынов А.В. Что такое вихревая труба? / А.В. Мартынов, В.М. Бродянский // М.: Энергия. - 1976. - 153 с.Martynov A.V. Chto takoye vikhrevaya truba? [What is a vortex tube?]. Moscow, Energiya Publ., 1976. 153 p. (in Russian)Жидков М.А. Термодинамическая эффективность промышленной вихревой трубы / М.А. Жидков, В.П. Овчинников, Г.А. Комарова // Газовая промышленность. - 1997. - № 12. - С. 54-56.Zhidkov M.A. The thermodynamic efficiency of industrial vortex tube. Gas industry. 1997, I. 12, pp. 54-56. (in Russian)Суслов А.Д. Вихревые аппараты. / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков // М.: Машиностроение. - 1985. - 252 с.Suslov A.D. Vikhrevyye apparaty [Vortex devices]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1985. 252 p. (in Russian)Сафонов В.А. Влияние параметров сопла на характеристики конического вихревого холодильника. // Республиканский межведомственный сборник «Самолетостроение и техника воздушного флота». - 1970. - № 22. - С. 55-60.Safonov V.A. Influence of parameters on the characteristics of the conical nozzle of the vortex refrigerator. National Interdepartmental collection of «Aircraft Equipment and Air Fleet». 1970, I. 22, pp. 55-60. (in Russian)Жидков М.А. Низкотемпературная очистка газов с применением вихревого эффекта // Дис. … канд. техн. наук. - М.: ГИАП. - 1982. - 231 с.Zhidkov M.A. Nizkotemperaturnaya ochistka gazov s primeneniyem vikhrevogo effekta. Kand. Diss. [Low-temperature gas cleaning using a vortex effect. Cand. Diss.]. Moscow, GIAP Publ., 1982. 231 p. (in Russian)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.Bobrovnikov G.N. Sovremennoye sostoyaniye i vozmozhnosti primeneniya vikhrevykh trub v kholodil’noy tekhnike i v sistemakh konditsionirovaniya [Current state and possible applications of vortex tubes in refrigeration and air conditioning systems]. Moscow, TSINTIKHIMNEFTEMASH Publ., 1978. 53 p. (in Russian)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.Torocheshnikov N.S. Research the effect of temperature of air separation in vortex tube ramjet [Study the effect of temperature of air separation in vortex tube ramjet]. Technical Physics [Technical Physics]. 1958, V. XXVIII, I. 6, pp. 1231-1236. (in Russian)Макаров В.В. Исследование вихревой трубы с дополнительным потоком // Дисс. … канд. техн. наук. - Омск. - ОГТУ. - 1996. - 196 с.Makarov V.V. Issledovaniye vikhrevoy truby s dopolnitel’nym potokom. Kand. Diss. [A study of the vortex tube with an additional stream. Cand. Diss.]. Omsk, OGTU Publ., 1996. 196 p. (in Russian)Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы // Дисс. … канд. техн. наук. - Екатеринбург. - УФУ. - 2012. - 196 с.Khait A.V. Issledovaniye effekta energo razdeleniya s tsel’yu uluchsheniya kharakteristik vikhrevoy truby. Kand. Diss. [Study the effect of energy separation in order to improve the characteristics of the vortex tube. Cand. Diss.]. Yekaterinburg, UFU Publ., 2012. 196 p. (in Russian)Otten E.H. Vortex tube // Engineering. - Aug. - 1958. - № 4821.Otten E.H. Vortex tube. Engineering. Aug. 1958. № 4821. 17. Azarov A.I. Vikhrevyye truby v promyshlennosti [Vortex tube in the industry]. St. Peterburg, Lema Publ., 2010. 170 p. (in Russian)Азаров А.И. Вихревые трубы в промышленности // С-Петербург. - Лема. - 2010. - 170 с.Ильский О.Г. Применение вихревых трубок на объектах магистральных газопроводов / О.Г. Ильский, А.С. Юдин // Газовая промышленность. - 1968. - № 5. - С. 16-19.Ilsky A.G. Application of vortex tubes on the objects of the main gas pipelines. Gas industrialness. 1968. № 5. pp. 16-19. (in Russian)Плотников В.М. Регуляторы давления газа / В.М. Плотников, В.А. Подрешетников, А.П. Дроздов, В.Я. Гончаров // Л.: Недра. - 1982. - С. 108-111.Plotnikov V.M. Gas pressure regulators. Leningrad, Nedra Publ., 1982, pp. 108-111. (in Russian)Каталог технологического оборудования действующих газораспределительных станций магистральных газопроводов с рекомендациями по реконструкции и модернизации // РАО «Газпром». - М. - 1994. - 238 с.Katalog tekhnologicheskogo oborudovaniya deystvuyushchikh gazoraspredelitel’nykh stantsiy magistral’nykh gazoprovodov s rekomendatsiyami po rekonstruktsii i modernizatsii [Catalog of technological equipment of existing gas distribution stations of main gas pipelines with recommendations on reconstruction and modernization]. RAO «Gazprom ». Moscow, 1994. 238 p. (in Russian)Jens Mischner, Rainer Siebert und Michael Heit. Gasfachliche Forschung am FB Versorgungstechnik der FH Erfurt // Gas Erdgas. - 2001. - № 6. - S. 417-423.Jens Mischner, Rainer Siebert und Michael Heit. Gasfachliche Forschung am FB Versorgungstechnik der FH Erfurt. Gas Erdgas. 2001. № 6. S. 417-423. (in Russian)Jens Mischner, Volker Köckritz und Kathrin Kadner. Bewertung von Ver-fahren zur Gasdruckminderung // Gas Erdgas. - 2001. - Nr. 10. - S. 706-717.Jens Mischner, Volker Köckritz und Kathrin Kadner. Bewertung von Ver-fahren zur Gasdruckminderung. Gas Erdgas. 2001. Nr. 10. S. 706-717. (in Russian)Ловцов А.В. Вихревая труба // Патент РФ № 2370710. - 2009.Lovtsov A.V. Vikhrevaya truba [The vortex tube]. Patent RF № 2370710. - 2009 [Patent of the Russian Federation № 2370710. - 2009]. (in Russian)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.Hajdik B., Lorey M., Steinle J., Thomas K. Vortex tube can increase liquid hydrocarbon recovery at plant inlet. Oil & Gas Journal. 1997, Sept., pp. 76-83.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.Zhidkov M.A. Application of third-flow vortex tube in the low-temperature separation plants of natural gas at the gas producing fields. Orenburg interbranch territorial centers of scientific and technical information and propaganda. Fact sheet specification. № 20-26. 1990. (in Russian)Fekete L.A. Process and device for the separation of gases // Patent 3296807 (USA). - 1967.Fekete L.A. Process and device for the separation of gases. Patent 3296807 (USA). - 1967.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.Zhidkov M.A. Vikhrevaya truba [The vortex tube]. Avt. svid. SSSR, M. Kl. 2 F 25B 9/02 - № 515000; Zayav. 08.01.75; Opubl. 25.05.76, Byul. № 19. (in Russian)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.Zhidkov M.A. Vikhrevoy apparat [Swirl unit]. Pat. № 2035990 RF, S1 6V01 J 8/16. Zayav. 07.12.93; Opubl. 27.05.95, Byul. № 15. (in Russian)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.Betlinsky V.Y. Adjustable dual-flow vortex tubes in industrial installations cleaning and drying gas. Gas Industry, 2008, № 1, pр. 72-75. (in Russian)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.Betlinsky V.Y. Experimental study of the thermodynamic efficiency of the regulated tube natural gas. Oil and Gas Technologies, 2008, № 2, pp. 2-6. (in Russian)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.Zhidkov M.A. Variants of technological schemes of vortex exploited and developed systems for the preparation of hydrocarbon gases to transport. Oil. Gas. Innovations, 2011, № 10, pр. 12-19. (in Russian)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.Betlinsky V.Y., Zhidkov M.A., Ovchinnikov V.P. Adjustable dual-flow vortex tubes in industrial installations cleaning and drying gas. Gas industry. 2008. I. 1, pp. 72-75. (in Russian)