Меню Рубрики

Установки для получения газа гелия

Способы получения гелия

Купить газовый баллон с гелием или заправить пустую ёмкость в наши дни не составит большого труда. Несмотря на это стоимость этого газа довольно велика, ведь добыча гелия представляет собой очень непростой технологический процесс. Несмотря на то, что гелий является вторым по распространённости газом во вселенной после водорода, на Земле этот элемент входит в состав различных газовых смесей в очень незначительной концентрации.

Из природного газа

В промышленном масштабе этот элемент добывают из природного газа. К сожалению, не каждое газовое месторождение подходит для организации производства гелия. Получение гелия из природного газа только в том случае может считаться рентабельным, если его концентрация составляет более 0,055%. Выделение гелия из газовой смеси осуществляется в результате сильного охлаждения природного газа.

Процесс добычи осуществляется в два этапа:

  • Получение концентрата.
  • Очистка концентрата до получения технически чистого инертного газа.

Концентрат представляет собой смесь различных газов, в которой содержание гелия составляет около 70%. На заключительном этапе производится очистка газа от водорода и других примесей методом сжатия и охлаждения, а также пропускания жидкого гелия через адсорбер из активированного угля. После завершения операции газ можно заправлять в баллоны.

Из минералов

Гелий может быть получен из некоторых радиоактивных минералов. К этой категории горных пород относятся:

Производство гелия из минералов осуществляется, если концентрация газа составляет более 1см3 в одном грамме руды. Для того, чтобы извлечь газ из горной породы её нагревают до 1000ºС. При такой температуре гелий выделяется вместе с углекислым газом, который затем удаляют с помощью едкого натрия. В результате очистки получается очень чистый газ, который можно сразу использовать.

Из воздуха

В атмосферном воздухе содержание гелия очень мало, но в процессе добычи азота и кислорода этот газ образуется в качестве побочного продукта. Технологический процесс получения этих элементов основан на разнице температуры конденсации газа. После «выпаривания» азота и кислорода в специальных ректификационных колоннах, в ёмкости остаётся неон и гелий. Неон выделяется из смеси с помощью жидкого водорода, в котором этот газ затвердевает. Можно также отделить гелий активированным углем, который охлаждается жидким азотом.

Специально заниматься добычей гелия из воздуха экономически нецелесообразно. В сравнении с производством этого вещества из природного газа финансовые затраты возрастают в тысячи раз.

источник

Как из природного газа добывают гелий

Гелий — инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Благодаря своим уникальным свойствам это вещество широко используется в различных областях науки и техники.


Локьер дал этому элементу название гелий, от греческого слова helios — «солнце». Локьер полагал, что обнаруженный элемент является металлом. Отсюда и название этого вещества по латыни — Helium, с окончанием «um», которое обычно употребляется в названии металлов.

Житель Солнца

Впервые гелий был открыт в атмосфере Солнца. Это произошло в 1868 году благодаря исследованиям французского астронома Пьера Жюля Жансена и английского астронома Джозефа Нормана Локьера.

Во время солнечного затмения, при исследовании излучаемого Солнцем света методом спектроскопии (при этом излучаемый свет расщеплялся стеклянной призмой на линии различной окраски), они обнаружили новую, ярко-желтую, ранее неизвестную линию, которую нельзя было приписать ни одному из уже существующих элементов.

Второй после водорода

По распространенности гелий — второй после водорода элемент во Вселенной. Но на Земле этого вещества относительно немного. Впервые он был выделен на нашей планете в 1895 году шотландским химиком Уильямом Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита.

Гелий, в основном, извлекается из природного газа. В России он производится только на одном заводе — Оренбургском гелиевом заводе, входящем в состав ООО «Газпром добыча Оренбург».

Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение относится к «бедным» по содержанию гелия месторождениям — объемная доля этого вещества в газе составляет до 0,055%. В «богатых» месторождениях содержится более 0,5% гелия, в рядовых — 0,1–0,5%. Все месторождения с содержанием гелия менее 0,1% причисляются к «бедным».

Запасы и производство

Мировые запасы гелия составляют порядка 41 млрд кубометров. Основные запасы сосредоточены в Катаре, Алжире, США и России. В мире производится около 175 млн кубометров гелия в год. Крупнейшим производителем этого продукта являются США. В России пока производится лишь около 5 млн кубометров гелия в год. Это связано с тем, что основные запасы этого вещества сосредоточены в месторождениях Восточной Сибири и Дальнего Востока, которые еще достаточно плохо освоены. Между тем содержание гелия в этих месторождениях очень высокое — 0,2–0,8%.

Выделение гелия из газа происходит в два этапа

На первом этапе в процессе низкотемпературной конденсации получается гелиевый концентрат — в этом продукте объемная доля полезного вещества составляет уже не менее 80%.

В дальнейшем гелиевый концентрат очищается от примесей — метана, азота, водорода, неона, аргона.

На большом воздушном шаре.


Гелий применяется для лечения заболеваний органов дыхания — бронхиальной астмы и других болезней. Воздух, обогащенный гелием, имеет гораздо меньшую плотность, поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным.

Читайте также:  Установки для отложений производитель


Известно влияние гелия на изменение голоса: если вдохнуть небольшое количество этого вещества, голосовые связки сжимаются, в результате чего человек начинает разговаривать как персонаж мультфильма.

Гелий — уникальный продукт. Он обладает низкой температурой кипения (-268,94`С), высокой теплопроводностью и электропроводностью. Благодаря своим свойствам он находит широкое применение в различных областях промышленности — в авиационной, ракетно-космической, электронной, атомной промышленности, медицине.

Гелий применяется для приготовления дыхательных смесей, в том числе для атмосферы обитаемых космических аппаратов, для глубоководного погружения, а также для лечения астмы, для наполнения дирижаблей и воздушных шариков. Он нетоксичен, поэтому вдыхание гелия в небольших количествах вместе с воздухом совершенно безвредно.

Уникальные свойства этого вещества находят применение также в металлургии — для создания защитной среды при сварке металлов, в атомной энергетике — в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов.

Дефицита не избежать

Эксперты прогнозируют, что потребление гелия в мире будет расти. По оценкам ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к 2030 году потребление этого вещества может достичь 238–312 млн кубометров, а его производство к этому времени будет составлять лишь 213–238 млн кубометров. То есть в мире возникнет дефицит гелия. Для покрытия дефицита потребуется значительное увеличение его производства.

В России новые крупные центры по производству гелия в будущем могут быть созданы на базе Чаяндинского и Ковыктинского и других месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. Таким образом, в будущем у нашей страны есть все шансы стать крупным мировым производителем гелия и поставщиком этого вещества на мировой рынок.

Попутный нефтяной газ, или ПНГ — это газ, растворенный в нефти. Добывается попутный нефтяной газ при добыче нефти, то есть он, по сути, является сопутствующим продуктом. Но и сам по себе ПНГ — это ценное сырье для дальнейшей переработки.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получают из попутного нефтяного газа. Это чистые газы или специальные смеси, которые могут быть использованы для отопления домов, в качестве автомобильного топлива, а также производства нефтехимической продукции.

источник

Способы получение гелия

Существует три основных источника получения гелия:

  • из гелийсодержащих природных газов
  • из минералов
  • из воздуха

Получение гелия из природного газа

Основным способом получения гелия является метод фракционной конденсации из природных гелийсодержащих газов, т.е. методом глубокого охлаждения. Причем используется его характерное свойство — наиболее низкая по сравнению с известными веществами температура кипения. Это позволяет конденсировать все сопутствующие гелию газы, прежде всего метан и азот. Процесс осуществляется обычно в две стадии:

  • выделение так называемого сырого гелия (концентрата, содержащего 70-90% He)
  • очистка с получением технически чистого гелия.

На рисунке ниже приведена одна из схем установки для извлечения гелия из природного газа.

Схема установки для извлечения гелия из природного газа

Газ сжимается до 25 атмосфер и под этим давлением поступает в установку. Очистка от углекислого газа (CO2) и частичная осушка газа производятся в скрубберах, которые орошаются раствором, содержащим 10-20% моноэтаноламина, 70-80% диэтиленгликоля и 5-10% воды. После скрубберов в газе остается 0,003-0,008% углекислоты CO2, а точка росы не превышает 5°С. Дальнейшая осушка осуществляется в адсорберах с силикагелем, где достигается температура точки росы -45°С.

Под давлением около 20 атмосфер чистый сухой газ поступает в предварительный теплообменник 1, где охлаждается до -28° С обратными газовыми потоками. При этом происходит конденсация тяжелых углеводородов, которые отделяются в сепараторе 2. В аммиачном холодильнике 3 газ охлаждается до -45°С, конденсат отделяется в сепараторе 4. В основном теплообменнике 5 температура газа снижается до -110°С, в результате чего конденсируется значительная часть метана. Паро-жидкостная смесь (около 20% жидкости) дросселируется до давления 12 атмосфер в первый противоточный конденсатор 6, на выходе из которого паро-газовая смесь обогащается гелием до 3%. Образовавшийся в трубках конденсат стекает в отпарную секцию, на тарелках которой из жидкости удаляется растворенный в ней гелий, присоединяющийся к паро-газовому потоку.

Жидкость дросселируется до 1,5 атмосфер в межтрубное пространство конденсатора, где служит хладагентом. Образовавшийся здесь пар выводится через теплообменники 5 и 1. Паро-газовая смесь, выходящая из конденсатора 6 и содержащая до 3% He, под давлением 12 атмосфер идет во второй противоточный конденсатор 7, состоящий из двух частей: в нижней части находится змеевиковый теплообменник, в трубках которого испаряется сдросселированная с 12 до 1,5 атмосфер кубовая жидкость, а в верхней части — прямотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого кипит азот при температуре -203°С и давлении 0,4 атмосферы. В результате конденсации компонентов газовой смеси в нижней части аппарата 7 газ обогащается гелием до 30-50%, а в верхней части — до 90-92%.

Сырой гелий такого состава под давлением 11-12 атмосфер поступает в теплообменники, где нагревается и выводится из установки. Так как в природном газе содержатся небольшие примеси водорода, то в сыром гелии концентрация водорода увеличивается до 4-5%. Удаление водорода производят каталитическим гидрированием с последующей осушкой газа в адсорберах с силикагелем. Сырой гелий сжимается до 150- 200 атмосфер мембранным компрессором 8, охлаждается в теплообменнике 9 и поступает в прямоточный змеевиковый конденсатор 10, охлаждаемый азотом, кипящим под вакуумом. Конденсат (жидкий азот) собирается в сепараторе 11 и периодически выводится, а несконденсировавшийся газ, содержащий примерно 98% He идет в адсорбер 12 с активированным углем, охлаждаемым жидким азотом. Гелий, выходящий из адсорбера, содержит примесей менее 0,05% и поступает в баллоны 13 в качестве продукта.

Читайте также:  Установка конвекторов в бассейн

Особенно богаты гелием природные газы в США, что определяет широкое применение гелия для сварки в этой стране.

Получение гелия из минералов

Другим источником гелия являются некоторые радиоактивные минералы содержащие уран, торий и самарий:

  • клевеит
  • фергюсонит
  • самарскит
  • гадолинит
  • монацит
  • торианит

В частности монацитовые пески, крупное месторождение которых имеется в Траванкоре (Индия): монациты этого месторождения содержат около 1 см 3 гелия в 1 г руды.

Для получения гелия из моноцита необходимо нагреть в закрытом сосуде моноцит до 1000°С. Гелий выделяется вместе с углекислым газом (CO2), который затем поглощался раствором едкого натрия (NaOH). Остаточный газ содержит 96,6% He. Дальнейшая очистка производится при 600°С на металлическом магнии для удаления азота, а затем при 580°С — на металлическом кальции для удаления оставшихся примесей. Продукционный газ содержит свыше 99,5% He. Из 1000 т монацитового песка можно получить около 80 м 3 чистого гелия. Такой способ получения гелия не представляет технического и промышленного интереса..

Получение гелия из воздуха

В небольшом количестве гелий находится в воздухе, из которого он может быть получен в качестве побочного продукта при производстве кислорода и азота из воздуха, описанного в статье «Азот — безжизненный газ, который так необходим для жизни». В промышленных ректификационных колоннах для разделения воздуха над жидким азотом собирается остающаяся газообразной смесь неона и гелия. На рисунке ниже показан аппарат Клода, специально приспособленный для отделения такой смеси.

Аппарат Клода для выделения неона и гелия из воздуха

Газ, выходящий из аппарата через вентиль Д, охлаждается в змеевике S, который поливается жидким азотом из Т, чтобы сконденсировать остаточный азот. Если вентиль R немного открыть, получается смесь, содержащая очень мало азота. При таком методе промышленного получения гелия, кроме трудности, заключающейся в необходимости обработать большое количество воздуха, встречается еще дополнительное затруднение — необходимость отделения гелия от неона. Это отделение может быть выполнено с помощью жидкого водорода, в котором неон отвердевает, или с помощью адсорбции неона активированным углем, охлаждаемым жидким азотом.

Получение гелия из воздуха нецелесообразно вследствие его малого количества — 0,00046% объема или 0,00007% веса. Расчеты показывают, что стоимость одного кубометра гелия, добытого из воздуха, будет в тысячи раз больше, чем при добывании его из природных газов. Такая высокая стоимость, конечно, исключает возможность промышленного выделения гелия из воздуха.

Например: Чтобы добыть 1 кубометр гелия, нужно выделить 116 т азота.

источник

Получение гелия

Сегодня единственным коммерчески доступным источником промышленного получения газообразного гелия являются гелийсодержащие природные и попутные нефтяные газы. Естественная концентрация гелия в углеводородных газах колеблется от 0,05 до 1,9 % в зависимости от месторождения. В настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% гелия. Разработка месторождений с содержанием гелия в газе менее 0,1% считается нецелесообразной.

Получение гелия

Сегодня единственным коммерчески доступным источником промышленного получения газообразного гелия являются гелийсодержащие природные и попутные нефтяные газы. Естественная концентрация гелия в углеводородных газах колеблется от 0,05 до 1,9 % в зависимости от месторождения. В настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% гелия. Разработка месторождений с содержанием гелия в газе менее 0,1% считается нецелесообразной.

В основном запасы и ресурсы природного газа, содержащего высокую концентрацию гелия, сконцентрированы в Катаре (более 20%), США (18%), Алжире (17%). 13 из 16 действующих в мире заводов по извлечению гелия находятся в США, 1 в Алжире, 1 в Катаре, 1 в России. Пока в России извлекается около 3% от общемирового объема производства гелия.

В России газообразный гелий в промышленных масштабах получают из природного газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), добываемого на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении. Извлечение гелия из природного газа осуществляет Оренбургский гелиевый завод (ОГЗ) – единственное в стране гелий добывающее предприятие. ОГЗ — это одна из составных частей крупного газохимического комплекса – «Газпром добыча Оренбург». Созданное в 1977 г. уникальное предприятие – это единственный в мире завод, работающий на природном газе с низким содержанием гелия. Комплексная переработка газа с извлечением гелия, этана, широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) значительно уменьшает себестоимость продукции. Гелий, полученный в Оренбурге, обеспечивает до 25% потребности Европы в гелии.

Читайте также:  Установка win 7 на thinkpad

На ОГЗ отработаны базовые технологии гелиевой промышленности:

— предварительная осушка и очистка природного газа;

— выделение целевых продуктов – широкой гаммы углеводородов, в том числе метана, этана, ШФЛУ.

— криогенная ректификация природного газа с получением гелиевого концентрата;

— тонкая очистка гелиевого концентрата от водорода, азота, углекислоты и неона;

— хранение и транспортировка жидкого гелия.

Мембранные гелиевые компрессоры в одном из цехов Оренбургского гелиевого завода

Получение гелиевого концентрата

Установки получения гелиевого концентрата базируются на применении технологии глубокого охлаждения. Осушенный и очищенный природный газ подвергается глубокому охлаждению до температур порядка -190 о С. Охлаждение производят в несколько стадий, добиваясь последовательной конденсации входящих в состав природного газа CO2 и углеводородов: бутан+ → пропан → этан → метан → азот. Вследствие проведения низкотемпературной конденсации в газообразном состоянии остается гелиевый концентрат, в котором необходимого вещества уже имеется 70-85%.

Температура сжижения некоторых газов, о

Газ Т, о С
Бутан+ -12
Пропан -42
Этан -89
Метан -161
Азот -196
Неон -246
Водород -253
Гелий -269

Обогащение гелиевого концентрата.

Полученный гелиевый концентрат обогащают при еще более низких температурах, удаляя из него примеси азота, углекислого газа, неона, водорода. Для этого гелиевый концентрат подвергают каталитической и адсорбционной очистке:

— проведение каталитического гидрирования для очистки от водорода (4-5%) с помощью CuO при температуре +400…+500 о С.

— осушка оксидом алюминия от влаги, образуемой водородом.

— сжатие под давлением около 200 бар и охлаждение до -210°C.

— проведение двух стадийной сепарации.

— отделение газовой фазы, содержащей 99,5% гелия.

— доочистка отделяемого газа кипящим под вакуумом азотом и адсорбцией примесей на активном угле адсорберах, также охлаждаемых жидким N 2 .

На выходе с установки получается гелий технической чистоты (99,80% по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985%).

В подавляющем большинстве случаев гелий перевозится автомобильным транспортом в жидком виде в криогенных контейнерах емкостью 40 м 3 .

По разным оценкам, от четверти до трети мировых разведанных запасов гелия сосредоточено в Российских нефтегазовых месторождениях. Гелий в уникальных концентрациях (0,15-1 %) содержится в природном газе месторождений Восточной Сибири и Республики Саха (Якутия). Основной потенциал производства гелия сосредоточен на Чаяндинском, Ковыктинском, Собиновском и Юрубчано-Тахомском нефтегазоконденсатных месторождениях с общим объемом переработки гелийсодержащего газа более 60 млрд м3 в год. Освоение углеводородов в этих регионах и комплексная переработка природных газов с высоким содержанием гелия позволит намного снизить его себестоимость и к 2020 году увеличить долю России в производстве гелия с 3% до 50%.

Процесс извлечения гелия (особенно криогенный, применяемый на Оренбургском заводе) требует значительных инвестиций и энергозатрат. В процессе подготовки к освоению новых газовых месторождений Газпромом найдены эффективные технологические решения по извлечению гелия из природного газа и его сохранению.

Задача решается фильтрацией всего объема добываемого газа с использованием пористых мембран – так называемого «молекулярного сита» для отделения гелия от природного газа. Природный газ, представляющий собой молекулярную смесь, пропускается через мембранные модули со свернутой в рулон пористой мембраной или полые волокна с пористыми стенками. При этом более легкие и подвижные молекулы (в нашем случае гелий) под воздействием избыточного давления просачиваются (уходят из газа) через поры сквозь мембрану или стенки волокон.

Скорость проникновения газов через вещество мембраны
Быстрые газы Медленные газы
H 2 O He H 2 NH 3 CO 2 O 2 CO Ar N 2 CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8

В создании новых технологий по выделению гелия из газа крупнейших месторождений Восточной Сибири участвуют специалисты ОГЗ, НПО «Гелиймаш», Газпрома. В частности, на ОГЗ создается площадка для испытания мембранных технологий выделения гелиевого концентрата. Испытания Газпромом опытной мембранной установки извлечения гелия из природного газа в реальных условиях на Марковском месторождении подтвердили эффективность такого метода. По результатам испытаний выбрана двухступенчатая схема установки без рециркуляции, которая позволяет с минимальными энергозатратами получать 30%-й концентрат гелия и снижать концентрацию гелия в подготовленном для транспортировки потребителям газе до уровня ниже 0,05%. В установке использовались мембранные модули с полыми волокнами. Применение мембранной технологии взамен криогенной позволяет вдвое снизить капиталовложения и энергопотребление.

Полученный на мембранных установках гелиевый концентрат будет по мере необходимости направляться на очистные криогенные установки для получения товарного гелия, что значительно повысит эффективность последних. Для получения товарного гелия в рамках Восточной газовой программы Газпром планирует построить гелиевый завод (по криогенной технологии) в Белогорске (Амурская область) на базе ресурсов Чаяндинского месторождения. Планируется, что завод начнет работать в конце 2018 г. Товарный гелий планируется доставлять в Находку, где уже строится станция по ожижению гелия. А дальше дело за азиатскими покупателями, которые давно ждут российский гелий.

Чтобы уточнить стоимость или получить дополнительную консультацию,
вы можете позвонить по тел.: +7 (495) 545-44-62 или отправить запрос .

источник