Меню Рубрики

Установка получения гелиевого концентрата

Установка получения гелиевого концентрата

Получение гелиевого концентрата возможно четырьмя способами — криогенным, абсорбционным, путем гидратообразования и диффузией через пористые мембраны. Из этих способов толь­ко первый получил промышленное применение, а остальные по ряду причин не вышли за рамки опытно-промышленных или исследовательских работ.

Криогенный способ основан на охлаждении газа до температу­ры конденсации азота, при которой конденсируется и метан, а гелий остается в газовой фазе в виде концентрата. По варианту, представленному на принципиальной технологической схеме (рис.40), очищенный и осушенный газ под давлением 3,2 МПа охлаждается вначале пропаном, затем в двух рекуперативных теплообменниках (с промежуточной сепарацией) до -104°С и после дросселирования с температурой -153°С подается в колонну. Снизу этой колонны отводится в основном метан. Верх колонны охлаждается за счет рекуперации холода, отчего там поддерживается температура -191°С, при которой сверху отводится смесь гелия и азота. Эта смесь затем доохлаждается в двух рекуперативных теплообменниках и в двух сепараторах разделяется на концентрат гелия (85%) и концентрат азота (99,5%). Последний, расширяясь в турбодетандоре 5, охлаждает верх колонны и отводится как продукт. По такому варианту извлекается около 95 — 96% гелия от его исходного содержания в газе.

Криогенные методы, несмотря на высокие эксплу­атационные затраты, весьма эффективны, так как позволяют на различных стадиях выделения гелия из природного газа попутно получать ценные товарные продукты — этан, метановую фракцию и ШФЛУ.

Абсорбционный способ получения гелиевого концентрата основан на использовании активных поглотителей метана (ССI3F, ССI2F2 и др.). Их поглотительная способность по метану в 10-20 раз выше, чем по гелию, а при пониженных до минус 20 — минус 30°С температурах различие еще более возрастает. В итоге в газе концентрируется гелий, но получаемый при этом концентрат хуже, чем полученный криогенным способом

Способ гидратообразования основан на том, что в отличие от метана, этана, углекислого газа и азота гелий не образует с водой гидратов при низких температурах и высоких давлениях. Если при таких условиях создать интенсивный контакт воды и газа в соотношении от 20 : 1 до 100 : 1, то почти все компоненты газа перейдут в твердое состояние (гидраты), а из контактора выйдет гелиевый концентрат. Недостаток способа — потребность в больших количествах воды и усложнение последующей глубокой осушки гелиевого концентрата.

это

Рис.40. Принципиальная схема получения гелиевого концентрата:

1сепараторы; 2-колонны; 3-холодильник; 4-рекуперативные теплообменники; 5 турбодетандер; 6 компрессор. I -природный газ; II — жидкие углеводороды; III — гелиевый концентрат; IV концентрат азота; V сухой газ (метан-азотная смесь).

Мембранный способ основан на высокой проникающей спо­собности гелия в сравнении с другими газами и способностью его селективно проникать (фильтроваться) через очень мелкие поры различных материалов, выполненных в виде пленок -мембран. Методы выделения гелия с помощью мембранной технологии менее энергоемки, особенно при небольшом содержании гелия, по сравнению с криогенным способом и позволяют получить не только гелиевый концентрат, но и выделить из него чистый гелий. Сущность этого способа разделения была рассмотрена в разделе, посвященном различным методам концентрирования и разделения углеводородных газов. Для применения на практике мембраны должны обладать высокой абсолютной проницаемостью для гелия и высокой селек­тивностью, быть химически и физически стабильными, иметь высокую прочность и быть лишенными дефектов в виде микропор. Именно в этих направлениях проводятся широкие исследования для разработки и совершенствования мембранной технологии. В настоящее время за рубежом мембранные технологии нашли широкое применение. В нашей стране мембранные установки для получения чистого гелия из гелиевого концентрата в основном находятся на стадии пилотных или промышленных испытаний и на отечественных заво­дах пока не эксплуатируются. Однако уже получены положительные результаты испытаний, например, мембран в виде плоских пленок на основе полиэфиримида. Метод этот весьма перспективен и заслуживает более подробного рассмотрения.

Традиционный криогенный метод извлечения гелия из при­родного газа, описанный выше, позволяет получать продукты требуемого качества и является в настоящее время наиболее распространенным способом получения гелия. Но при низких содержаниях гелия в природном газе (0,05 — 0,08 % об.) этот метод оказывается неэффективным, так как в этом случае требуется организация многоступенчатого процесса, что значительно повышает капитальные и эксплуатационные затраты. Использованием мембран для получения гелиевого концентрата с его последующей ректификацией можно существенно улучшить экономику процесса.

Учитывая все существующие требования к продуктам разделения природных газов, для селективного извлечения гелия из обедненных газов лучше всего использовать кварцевое стекло. При этом из газа, содержащего, % об.: 0,05 Не, 85 СН4, 14,95 N2, получается чистый (99,99 % об.) Не при перепаде давления на мембранах 7,0 МПа. Основным недостатком, затрудняющим внедрение этого процесса в промышленность, является сложность изготовления аппаратуры с кварцевыми волокнами. Кроме того, несмотря на высокую селективность по гелию, удельная производительность аппарата с кварцевыми капиллярами мала.

Более эффективны производительные, хотя и менее селек­тивные, полимерные мембраны . Фактор разделения бинарной смеси гелий — метан у большинства полимеров мо­жет достигать высоких значений, вплоть до 150 — у полиэфиримидов, 325 — у полиперфтор-2-метилен-4-метил-1,3-диоксалана и 1310 — у блоксополимера с тетрафторэтиленом. Перспек­тивны также мембраны на основе ацетата целлюлозы, поликарбонатов и полисульфонов. Фактор разделения смеси гелий — азот у большинства полимеров значительно больше единицы и может достигать: 100-у ацетатцеллюлозных, 300-у фтор- и кислородсодержащих полимеров. Высокой производительностью обладают асимметричные мембраны из ПВТМС, но поскольку значение фактора разделения для этих мембран 15-20, необходим многоступенчатый процесс.

Читайте также:  Установка joomla кнопка далее

Поверхность используемых на промышленных установках мембран очень велика. Кроме того, газ поступает на разделение при высоких давлениях. Поэтому особенно важно обеспечить максимально высокую плотность упаковки мембран в аппаратах. В промышленности преимущественно используют рулонные и половолоконные модули.

Промышленные аппараты для мембранного разделения газов должны удовлетворять следующим требованиям: иметь высокую степень упаковки, т.е. возможно большую поверхность мембран в единице объема аппарата; быть технологичными в сборке, доступными для осмотра и ремонта, надежными и работоспособными в течение длительного времени; обеспечивать равномерное распределение газовых потоков в напорном и дренажном пространстве мембранных элементов; иметь невысокое ги­дравлическое сопротивление и быть герметичными.

На рис.41. приведена схема мембранной трехступенчатой установки получения гелиевого концентрата из природного газа. На этой установке использованы мембранные модули на основе полых волокон из блок-сополимера тетрафторэтилена с гексафторэтиленом .

Природный газ с низким содержанием гелия (0,06%), предварительно очищенный от кислых компонентов, компримируется до давления 7 МПа, объединяется с ретантом – потоком, не прошедшим через мембрану, отводимым из мембранного аппарата второй ступени разделе­ния, и поступает в мембранный модуль первой ступени. Ретант с первой ступени, практически не содержащий гелия, направляется к потребителю как товарный газ, а пермеат (проникающий поток, обогащенный гелием) после компримирования до первоначального дав­ления поступает на вторую ступень мембранного разделения. Пермеат второй ступени разделения содержит 30 % об., а пермеат третьей ступени — 90 % об. гелия.

Полученный гелиевый концентрат, содержащий остаточные количества метана, азот, водород, а также небольшие количества инертных газов (неон и т.п.), направляют на выделение чистого гелия по мембранной или криогенной технологии.

В промышленности для очистки гелия от азота, неона и мик­ропримесей используются низкотемпературные конденсация и адсорбция — процессы, требующие как значительных энергетических затрат, так и хладагента — жидкого азота, поскольку протекают при температурах минус 175-200ºС. Мембранное разделение и концентрирование газов являются альтернативой низкотемпературным методам, так как они протекают при температуре окружающей среды и невысоких давлениях. Использование мембран позволяет снизить энергоемкость процесса, сократить потери при нагреве и охлаждении технологических потоков.

Согласно результатам отечественных исследований и зарубежного опыта эксплуатации установок, весьма эффективным представляется комбинация мембранного и криогенного методов разделения: получение гелиевого концентрата (75 — 95 % об. гелия) по мембранной технологии с последующим криогенным выделением чистого гелия (сочетанием низкотемпературных конденсации и адсорбции). Такая комбинация ме­тодов позволяет на 20% снизить себестоимость товарного продукта по сравнению с традиционным криогенным способом выделения гелия.

источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Получение — гелиевый концентрат

Получение гелиевого концентрата ( содержащего 85 — 92 % гелия) осуществляется фракциониров. Перед этим газ очищают от меркаптанов и осушают на адсорбционных установках до точки росы по влаге до темп-ры — 70 С. Сжижение газа производится в аппаратах прямоточной и про-тивоточной конденсации. При этом происходит растворение гелия в жидких углеводородах, из к-рых для уменьшения потерь производят отпарку гелия в колоннах. Попутно с гелием из газа извлекают этановую фракцию и ШФЛУ. [1]

Получение гелиевого концентрата возможно четырьмя способами — криогенным, абсорбционным, путем гидратообразования и диффузией через пористые мембраны. Из этих способов только первый получил массовое промышленное применение, а остальные по ряду причин не вышли за рамки опытно-промышленных или исследовательских работ. [3]

На первой стадии разделения гелионосных газов, когда происходит получение гелиевого концентрата , определяющей парой разделения является гелий — метан. [4]

Если в газе присутствует достаточное количество этана и пропана, установка получения гелиевого концентрата дополняется оборудованием для вывода этановой фракции и широкой фракции легких углеводородов. [5]

В 1980 г. группа ученых и специалистов во главе с И. Л. Андреевым была удостоепа Государственной премии за создание и внедрение технологии получения гелиевых концентратов из сравнительно бедных гелиепоспых газов. На Оренбургском газовом месторождении построен гелиевый завод, ставший главпым нашим поставщиком солнечного газа для нужд разных отраслей. [6]

Технология, касающаяся первой секции, изложена в настоящей главе, поэтому ее рассмотрение начинается с поступления очищенного и осушенного от влаги газа в секцию получения гелиевого концентрата . Процесс получения гелиевого концентрата заключается в охлаждении газа до — 190 С, превращении газа в жидкую фазу и отделении от жидкой фазы несконденсировавшегося гелия. [7]

Сконденсированная в аппаратах Т-42 и Т-43 жидкость ( азотно-гелиевая смесь) отделяется в специально встроенных в конденсаторы Т-42 и Т-43 сепараторах и емкости Е-22, после чего выводится в колонну К-3 отделения получения гелиевого концентрата для утилизации гелия. [8]

Технология, касающаяся первой секции, изложена в настоящей главе, поэтому ее рассмотрение начинается с поступления очищенного и осушенного от влаги газа в секцию получения гелиевого концентрата. Процесс получения гелиевого концентрата заключается в охлаждении газа до — 190 С, превращении газа в жидкую фазу и отделении от жидкой фазы несконденсировавшегося гелия. [9]

Использование мембран для получения гелиевого концентрата с последующей ректификацией его может существенно улучшить экономику процесса. [11]

Производство гелия осуществляется в два этапа: получение гелиевого концентрата ( из очищенного от кислых компонентов и осушенного до точки росы минус 70 С природного газа) и тонкая очистка гелия. [12]

Читайте также:  Установка пневмоподушки на ман

В работе [47] проведено технико-экономическое сравнение этих схем, позволяющее оценить эффективность каждой из них. В качестве объекта сравнения принята установка тонкой очистки гелия для установки получения гелиевого концентрата , условно перерабатывающей 3 млрд. м3 природного газа в год. Жидкий азот на данные установки поступает с установки получения жидкого азота. Данные таблицы показывают, что наиболее экономичной по приведенным затратам является установка, работающая по схеме с короткоцикловой адсорбцией. Снижение приведенных затрат связано со значительным уменьшением расхода на этой установке жидкого азота. Однако по капитальным затратам эта установка на 10 — 20 % превосходит остальные. При работе адсорберов в фазе сброса давления и повторного наддува возникает большое количество газов рециркуляции, составляющее 100 % и более по отношению к потоку очищенного гелия. Так как газы рециркуляции возвращаются для повторной переработки в установку получения гелиевого концентрата, это приводит к увеличению объемов оборудования. Кроме того, необходимо иметь в виду, что установка должна быть укомплектована специальной арматурой с очень короткими циклами переключения. Поскольку до настоящего времени такая арматура на установках разделения гелионосных газов не использовалась, окончательные выводы об экономической эффективности такой схемы сделать трудно, так как невозможно достоверно оценить стоимость арматуры и ее надежность. [13]

Аппараты: теплообменник 2, подогреватель 3, реактор 4, холодильник 5 входят в блок очистки концентрата от водорода. В зависимости от их производительности таких блоков устанавливается несколько. После обработки катализатора блок ставится на регенерацию катализатора. Таким образом, катализатор окисляется до окиси меди, после чего реактор продувается гелиевым концентратом и образующиеся сдувки компрессором подаются в сырьевой газ на секцию получения гелиевого концентрата . [14]

В работе [47] проведено технико-экономическое сравнение этих схем, позволяющее оценить эффективность каждой из них. В качестве объекта сравнения принята установка тонкой очистки гелия для установки получения гелиевого концентрата, условно перерабатывающей 3 млрд. м3 природного газа в год. Жидкий азот на данные установки поступает с установки получения жидкого азота. Данные таблицы показывают, что наиболее экономичной по приведенным затратам является установка, работающая по схеме с короткоцикловой адсорбцией. Снижение приведенных затрат связано со значительным уменьшением расхода на этой установке жидкого азота. Однако по капитальным затратам эта установка на 10 — 20 % превосходит остальные. При работе адсорберов в фазе сброса давления и повторного наддува возникает большое количество газов рециркуляции, составляющее 100 % и более по отношению к потоку очищенного гелия. Так как газы рециркуляции возвращаются для повторной переработки в установку получения гелиевого концентрата , это приводит к увеличению объемов оборудования. Кроме того, необходимо иметь в виду, что установка должна быть укомплектована специальной арматурой с очень короткими циклами переключения. Поскольку до настоящего времени такая арматура на установках разделения гелионосных газов не использовалась, окончательные выводы об экономической эффективности такой схемы сделать трудно, так как невозможно достоверно оценить стоимость арматуры и ее надежность. [15]

источник

RU134817U1 — Установка двухстадийного получения гелиевого концентрата из природного газа — Google Patents

Links

Images

Abstract

Description

Полезная модель относится к области разделения газовых смесей с помощью мембран и производства гелиевого концентрата и может использоваться в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Из описания к патенту RU 114423 известна установка очистки природного газа высокого давления от гелия, включающая два мембранных модуля с зонами высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной. При этом зона высокого давления первого мембранного модуля с одной стороны соединена с подводящим сырьевой газ трубопроводом, а с другой стороны — с выходным трубопроводом, отводящим очищенный природный газ. Зона низкого давления первого мембранного модуля соединена трубопроводом отвода проникшего газа, в котором установлен первый компрессор, с зоной высокого давления второго мембранного модуля, подключенную с другой стороны к трубопроводу отвода непроникшей газовой смеси. При этом зона низкого давления второго мембранного модуля соединена вторым трубопроводом отвода проникшего газа с входом второго компрессора, соединенного с трубопроводом отвода газовой смеси с повышенным содержанием гелия. Трубопровод отвода непроникшей газовой смеси в зоне высокого давления второго мембранного модуля подключен к трубопроводу, отводящему очищенный природный газ.

К недостаткам известной установки очистки природного газа от гелия следует отнести невозможность получения гелиевого концентрата как после первой ступени, так и после второй ступени извлечения гелия из природного газа, а также большая площадь мембранной поверхности второй ступени газоразделения.

Техническими результатами заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей — получение гелиевого концентрата, а также снижение площади мембранной поверхности второй ступени газоразделения.

Данные технические результаты обеспечиваются за счет того, что в установке очистки природного газа высокого давления от гелия, содержащей два мембранных модуля с зонами высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной, зона высокого давления первого мембранного модуля с одной стороны сообщена с подводящим природный газ трубопроводом, а с другой стороны с выходным трубопроводом, отводящим очищенный природный газ из установки, зона низкого давления первого мембранного модуля соединена трубопроводом отвода проникшего газа, на линии которого установлен первый компрессор, с блоком получения гелиевого концентрата и с зоной высокого давления второго мембранного модуля, подключенного с другой стороны к трубопроводу отвода непроникшей газовой смеси, при этом зона низкого давления второго мембранного модуля соединена вторым трубопроводом отвода проникшего газа с входом второго компрессора, трубопровод отвода непроникшей газовой смеси в зоне высокого давления второго мембранного модуля подключен к трубопроводу, отводящему очищенный природный газ из установки, и к трубопроводу рециркуляции непроникшего газового потока в подводящий трубопровод, а к выходу второго компрессора подключен трубопровод вывода газовой смеси с повышенным содержанием гелия из установки для дальнейшей подачи на блок получения гелиевого концентрата. Установка может быть снабжена дополнительными мембранными модулями, при этом к каждому из мембранных модулей параллельно подключен, по меньшей мере, один дополнительный мембранный модуль, совместно составляющие мембранный газоразделительный блок.

Читайте также:  Установка баффера на аутлендер xl

На фиг. представлена схема установки двухстадийного получения гелиевого концентрата из природного газа.

Установка двухстадийного получения гелиевого концентрата из природного газа включает подводящий трубопровод 1, по которому сырьевой газ подается на, по меньшей мере, один мембранный модуль первой ступени 2 с зонами высокого 3 и низкого 4 давления, разделенными полупроницаемой мембраной 5. Зона высокого давления, по меньшей мере, одного мембранного модуля первой ступени 2 соединена с трубопроводом 6, отводящим природный газ с пониженным содержанием гелия из установки. Зона низкого давления 4, по меньшей мере, одного мембранного модуля первой ступени 2 соединена трубопроводом 7, по которому проникший через мембрану поток газа подается на первый компрессор 8, дожимается и по трубопроводу 9 поступает на, по меньшей мере, один мембранный модуль второй ступени 10 в зону высокого 11 давления. Зоны высокого 11 и низкого 12 давлений разделены полупроницаемой мембраной 13. Зона высокого давления, по меньшей мере, одного мембранного модуля второй ступени 10 посредством трубопровода 14 отвода непроникшей газовой смеси на второй ступени подключена к трубопроводу 6, отводящему природный газ с пониженным содержанием гелия из установки. При этом предусмотрена возможность соединения трубопровода 14 посредством трубопровода 15 с трубопроводом 1, подводящим природный газ на вход, по меньшей мере, одного мембранного модуля первой ступени 2.

Зона низкого давления, по меньшей мере, одного мембранного модуля второй ступени соединена трубопроводом 16 отвода проникшего газа с входом второго компрессора 17, выход которого подключен к трубопроводу 18 подачи газовой смеси с повышенным содержанием гелия на блок получения гелиевого концентрата 19 криогенным методом или методом короткоцикловой адсорбции.

Трубопровод 9 соединен с блоком производства гелиевого концентрата 19 посредством трубопровода 20 для подачи газового потока, обогащенного гелием, полученного на первой ступени мембранного разделения.

Блок получения гелиевого концентрата 19 снабжен трубопроводом 21 вывода гелиевого концентрата из установки.

Установка может быть снабжена дополнительными мембранными модулями, при этом к каждому из мембранных модулей параллельно подключен, по крайней мере, один дополнительный мембранный модуль, совместно составляющие мембранный газоразделительный блок.

Установка двухстадийного получения гелиевого концентрата из природного газа работает следующим образом.

Сырьевой природный газ высокого давления, содержащий гелий, по подводящему трубопроводу 1 подается в мембранный модуль (модули блока) первой ступени 2 в зону высокого давления 3, отделенную от зоны низкого давления 4 полупроницаемой мембраной 5. В мембранном модуле (модулях блока) происходит разделение природного газа на поток непроникшего газа высокого давления с пониженным (относительно сырьевого газа) содержанием гелия, выводящийся из установки по трубопроводу 6, и поток газа, проникшего через мембрану 5, с повышенным (относительно сырьевого газа) содержанием гелия. Поток газа, обогащенного гелием, направляется по отводящему трубопроводу 7 на компримирование в первый компрессор 8, после чего подается по трубопроводу 9 в мембранный модуль (модули блока) второй ступени 10 в зону высокого давления 11, отделенную от зоны низкого давления 12 полупроницаемой мембраной 13. Поток непроникшего газа из мембранного модуля (модулей блока) второй ступени отводится по трубопроводу 14 и смешивается с непроникшим потоком, полученным на первой мембранной ступени и отводящемуся из установки по трубопроводу 6. В зависимости от состава исходного природного газа обеспечивается рециркуляция непроникшего потока, полученного на второй мембранной ступени, по трубопроводу 15 в подводящий трубопровод 1 для подачи вместе с исходным природным газом в мембранный модуль (модули блока) первой ступени. Проникший поток газа с повышенным содержанием гелия из мембранного модуля (модулей блока) второй ступени 10 направляется по трубопроводу 16 на вход второго компрессора 17, откуда газовая смесь по трубопроводу 18 поступает на блок получения гелиевого концентрата 19 криогенным методом или с использованием технологии короткоцикловой адсорбции.

В зависимости от состава сырьевого газа обеспечивается подача скомпримированного компрессором 8 потока обогащенного гелием газа на блок получения гелиевого концентрата 19 по трубопроводу 20.

Таким образом, поскольку на блок получения гелиевого концентрата поступает меньший объем газа с высоким (относительно сырьевого газа) содержанием гелия, процесс производства гелиевого концентрата потребует значительно меньших энергозатрат, по сравнению с вариантом получения гелиевого концентрата из сырьевого газа. Кроме того, возможность рециркуляции непроникшего газового потока второго мембранного модуля на вход первого мембранного модуля позволит обеспечить содержание гелия в непроникшем (подготовленном) газе в соответствии с необходимыми требованиями при сокращении площади поверхности мембран второй ступени газоразделения.

источник

Добавить комментарий