СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЯ Российский патент 2013 года по МПК C01B23/00 F25J3/06 B01D53/00 

Изобретение относится к способу выделения гелия из гелийсодержащей фракции, в частности из гелий-, азот- и метансодержащей фракции.

Природный газ обычно содержит незначительные фракции гелия; концентрация этих фракций обычно находится в диапазоне между 0,1 и 0,5%. Во время сжижения природного газа гелий накапливается в виде так называемого остаточного газа. Следовательно, этот остаточный газ является наиболее частым источником для получения гелия. Дополнительным источником гелийсодержащей фракции является промежуточное расширение сжиженного природного газа (СПГ).

Известный способ выделения гелия из богатой гелием фракции можно пояснить подробнее, обратившись к примеру, показанному на фиг.1.

Гелийсодержащую фракцию, которая имеет концентрацию фракции гелия в диапазоне между 1 и 10%, подают по линии 1 в компрессор С1. Эта гелийсодержащая фракция представляет собой, например, остаточный газ из резервуара СПГ. Гелийсодержащую фракцию сжимают до давления в диапазоне между 0,2 и 1 МПа (2 и 10 бар), охлаждают в теплообменнике Е1 и конденсируют до тех пор, пока гелий во фракции остаточного газа не сконцентрируется, достигнув концентрации более 10%.

Гелийсодержащую фракцию конденсируют в теплообменнике Е1 в противотоке потоку хладагента, подаваемом по линии 3' через теплообменник Е1, причем этот поток хладагента предпочтительно представляет собой поток азота. Снизу сепаратора D1 по линии 3 отводят обогащенную азотом фракцию, расширяют ее в клапане а до давления, преобладающего в линии 3', и подают в вышеописанный поток хладагента.

Гелийсодержащую фракцию, отводимую сверху сепаратора D1 по линии 4, подогревают до температуры окружающей среды в теплообменнике Е1, после чего сжимают в компрессоре С2 до давления, находящегося в диапазоне между 1,5 и 4 МПа (15 и 40 бар).

По линии 5 сжатую фракцию подают в возможно необходимый блок А предварительной очистки, который служит для удаления водорода, монооксида углерода и/или диоксида углерода и/или сушки, после чего охлаждают в следующем теплообменнике Е2, а также конденсируют в процессе этого до тех пор, пока концентрация гелия в газовой фазе не окажется превышающей 70%. Обогащенную гелием фракцию, которую отводят из сепаратора D2a по линии 6, конденсируют в теплообменнике Е3 до тех пор, пока концентрация гелия в газовой фазе не превысит 98%. Концентрация гелия газовой фракции, которую отводят по линии 7 сверху сепаратора D3, гарантирует полное сжижение этой фракции в установке для сжижения гелия, которая не показана на чертеже, а если это окажется уместным, то необходимо также отделить остающиеся в незначительных количествах компоненты, например такие, как кислород, водород, монооксид углерода, диоксид углерода, аргон, неон, азот и т.д.

Внизу сепаратора D3 по линии 8 отводят обедненную гелием жидкую фракцию, расширяют ее в клапане е, чтобы достичь охлаждения, подогревают в теплообменниках Е3 и Е2 в противотоке технологическим потокам, которые должны быть охлаждены и отведены из установки по линии 8'. Расширение в вышеописанном клапане е предпочтительно осуществляют до давления в диапазоне между 0,01 и 0,03 МПа (100 и 300 мбар), причем это давление поддерживают с помощью вакуумного насоса Р, расположенного на подогретом конце.

Если количество жидкой фракции, которую отводят по линии 8, окажется недостаточным для удовлетворения потребности в охлаждении в теплообменниках Е2 и Е3, то, если это уместно, можно добавить хладагент в форме внешнего азота по линии 16 или 16'.

Обедненная гелием жидкая фракция, которую отводят снизу сепаратора D2a по линии 9, все еще содержит значительные фракции гелия. Посредством, по меньшей мере, двух сепараторов D2b и D2c, подсоединенных после сепаратора D2a в технологической цепочке, этот гелий выделяют из жидкой фракции, которую отводят по линии 9. Сепараторы D2b, D2c, … работают в этом случае при разных давлениях, чтобы ограничить разность температур в теплообменнике Е2.

Жидкая фракция снизу сепаратора D2a перед подачей в сепаратор D2b расширяется (в клапане b). То же самое можно сказать о жидкой фракции, которую отводят снизу сепаратора D2b по линии 11 и которая аналогичным образом расширяется (в клапане с) перед подачей в сепаратор D2c. Газовые фракции, получаемые в сепараторах D2b и D2c, рециркулируют по трубным секциям 10 и 10', а также после подогрева в теплообменнике Е2, в гелийсодержащую фракцию 4 в технологической цепочке перед вторым компрессором С2. В результате появляется возможность получения аналогичным образом гелия, содержащегося в этих газовых фракциях.

В зависимости от давления газовой фракции в линии 10' эту газовую фракцию добавляют к гелийсодержащей фракции по линии 15 в технологической цепочке перед первым компрессором С1 или по линии 10' в технологической цепочке перед вторым компрессором С2.

Жидкие фракции, которые отводят из вышеупомянутых сепараторов D2b и D2c, используются для удовлетворения потребности в охлаждении в теплообменнике Е2. Для этого их испаряют при температуре окружающей среды, а затем выпускают. Если имеется дополнительная потребность в охлаждении, по линии 14 добавляют подходящий хладагент, предпочтительно азот.

Вышеописанный способ получения гелия относительно интенсивен, если вести речь об аппарате. Все же не удается получить весь гелий, содержащийся в подаваемом газе, поскольку малая фракция гелия остается в жидких фракциях, которые отбираются из сепараторов D1, D2b и D2c и не используются для получения гелия. Кроме того, гелий получают из цепочки сепараторов D2a-D2c при низком давлении и поэтому его нужно рециркулировать в место, находящееся в технологической цепочке перед вторым компрессором С2. Однако вследствие этого возникают нежелательно высокие издержки на достижение результатов сжатия.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы точно охарактеризовать относящийся к рассматриваемому типу способ выделения гелия из гелийсодержащей фракции, в частности из гелий-, азот- и метансодержащей фракции, позволяющий избежать вышеупомянутых недостатков.

Чтобы решить эту задачу, предложен относящийся к рассматриваемому типу способ выделения гелия из гелийсодержащей фракции, в частности из гелий-, азот- и метансодержащей фракции, отличающийся тем, что

а) гелийсодержащую фракцию, по меньшей мере частично, конденсируют и разделяют на обогащенную гелием газовую фракцию и обедненную гелием жидкую фракцию,

b) обогащенную гелием газовую фракцию конденсируют до тех пор, пока концентрация гелия в результирующей газовой фракции не составит по меньшей мере 90%, предпочтительно по меньшей мере 95%, а в частности, по меньшей мере 98%,

c) обедненную гелием жидкую фракцию расширяют, испаряют до тех пор, пока по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 85%, содержащегося в ней гелия не окажется в газообразном состоянии, и разделяют на обогащенную гелием газовую фракцию и обедненную гелием жидкую фракцию,

d) обогащенную гелием газовую фракцию подогревают и добавляют в гелийсодержащую фракцию.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления соответствующего изобретению способа выделения гелия из гелийсодержащей фракции отличаются тем, что

- гелийсодержащую фракцию перед ее конденсацией и разделением на обогащенную гелием газовую фракцию и обедненную гелием жидкую фракцию сжимают за один или несколько этапов предпочтительно до давления в диапазоне между 1 и 5 МПа (10 и 50 бар),

- гелийсодержащую фракцию перед ее конденсацией и разделением на обогащенную гелием газовую фракцию и обедненную гелием жидкую фракцию подвергают отделению от азота,

- обогащенную азотом фракцию, полученную при отделении азота, расширяют до пониженного давления, разделяют на гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию и обогащенную азотом жидкую фракцию, гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию подогревают и подают в гелийсодержащую фракцию, предпочтительно перед сжатием последней в технологической цепочке,

- обогащенную азотом фракцию, полученную при отделении азота, после расширения и перед ее разделением на гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию и обогащенную азотом жидкую фракцию, по меньшей мере частично, испаряют,

- подают внешний хладагент, предпочтительно азот, чтобы поддержать конденсацию гелийсодержащей фракции, обогащенной гелием газовой фракции и/или обедненной гелием жидкой фракции,

- гелийсодержащую фракцию, предпочтительно после ее сжатия, очищают от мешающих компонентов, в частности от водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и/или воды,

- обогащенную гелием газовую фракцию, которую добавляют в гелийсодержащую фракцию, в соответствии с ее давлением подают в технологической цепочке перед сжатием или на этап сжатия гелийсодержащей фракции.

Ниже со ссылками на возможные варианты осуществления, изображенные на фиг.2 и 3, будет приведено подробное описание соответствующего изобретению способа выделения гелия из гелийсодержащей фракции, а также дополнительных вариантов его осуществления.

В возможном варианте осуществления, показанном на фиг.2, технологический процесс вплоть до разделения гелийсодержащей фракции 5 в сепараторах D2 и D3 идентичен процедуре, описанной со ссылками на фиг.1, и по этой причине повторения не будет, а вместо этого предлагается обратиться к соответствующим разделам описания фиг.1.

В соответствии с изобретением цепочка сепараторов, поясненная со ссылками на фиг.1 и представленная сепараторами D2b и D2c, которая на практике, как упоминалось, может состоять из трех или более последовательно соединенных сепараторов, теперь заменена единственным сепаратором D4.

Обогащенную гелием газовую фракцию, которую отводят сверху сепаратора D2 по линии 6, конденсируют в теплообменнике Е3 до тех пор, пока концентрация гелия в газовой фракции, полученной в сепараторе D3, расположенном ниже в технологической цепочке, которую подают по линии 7 в способ ожижения гелия, не составит по меньшей мере 90%, предпочтительно по меньшей мере 95%, в частности по меньшей мере 98%.

Чтобы все же сохранить возможность получения гелия из жидкой фракции, которую отводят из сепаратора D2, и не допустить при этом превышения максимальной допустимой разности температур в теплообменнике Е2, обедненную гелием жидкую фракцию, которую отводят из сепаратора D2 по линии 9', сначала расширяют в клапане b до соответствующего давления, а затем испаряют в теплообменнике Е2 до тех пор, пока большинство гелия, растворенного в ней, не преобразуется в газовую фазу. Это означает, что эту жидкую фракцию испаряют до тех пор, пока по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 85%, содержащегося в ней гелия не окажется в газообразном состоянии.

Богатую гелием газовую фракцию, которую отводят сверху сепаратора D4 по линии 11', подогревают в теплообменнике Е2 до температуры окружающей среды и в зависимости от уровня давления во время предшествующего расширения в клапане b подают посредством линий 11' или 11'' в место, находящееся в технологической цепочке перед вторым компрессором С2, или в этот компрессор.

Снизу сепаратора D4 по линии 12' отводят по существу не содержащую гелий жидкую фракцию, расширяют ее в клапане с', подогревают до температуры окружающей среды в теплообменнике Е2, а затем отводят по линии 13'. Если эта фракция не в состоянии удовлетворить потребность в охлаждении в теплообменнике Е2, можно осуществить подачу хладагента, предпочтительно азота, по линии 14'. Вышеупомянутую жидкую фракцию, которую отводят по линии 13', либо подают для ее дальнейшего использования, например, в качестве регенерационного газа для блока А предварительной очистки, работающего за счет поглощения, либо отводят в атмосферу.

Предпочтительный вариант осуществления способа в соответствии с изобретением показан на фиг.3, где богатую азотом фракцию, которую во время отделения азота получают снизу сепаратора D1 и отводят по линии 3, подвергают отделению от гелия.

С этой целью богатую азотом фракцию, которую отводят по линии 3, расширяют в клапане а, по меньшей мере частично испаряют в теплообменнике Е1, а затем отделяют в сепараторе D'. Вышеописанное (частичное) испарение в клапане а осуществляют до давления, которое позволяет отводить эту фракцию в атмосферу после подогрева в теплообменнике Е1.

В упомянутом сепараторе D1' происходит разделение на гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию и обогащенную азотом жидкую фракцию. При этом последнюю фракцию после подогрева в теплообменнике Е1 отбирают, а если она не способна удовлетворить потребность в охлаждении теплообменника Е1, то можно подать дополнительный хладагент по линии 23, при этом гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию подают по линии 21 в гелийсодержащую фракцию в линии 1.

Этот предпочтительный вариант осуществления способа в соответствии с изобретением гарантирует получение гелия до наибольшей возможной степени из богатой азотом фракции, получаемой при отделении азота.

Соответствующий изобретению способ выделения гелия из гелийсодержащей фракции, в частности из гелий-, азот- и метансодержащей фракции, обладает множеством преимуществ по сравнению с известными способами, и эти преимущества перечислены ниже:

- экономия, по меньшей мере, одного устройства (сепаратора), в котором проводилась бы холодная часть выделения гелия;

- увеличение выхода гелия до значения, превышающего 99,8%, тогда как известные способы гарантируют выход гелия лишь до 99,3%;

- экономия энергии сжатия, поскольку фракция, все еще содержащая остаточные количества гелия, которую рециркулируют во фракцию, подаваемую в технологической цепочке перед сжатием, получается при большем давлении, чем в известных способах, вследствие чего возможна подача в компрессор С2 при промежуточном давлении;

- уменьшение повторно используемого потока в технологической цепочке перед компрессором С1, что, в свою очередь, приводит к снижению потребления энергии всего способа;

- возможность сооружать теплообменник Е2 без больших термических напряжений, поскольку разности температур, которые следует поддерживать на максимуме, можно поддерживать без проблем;

- содержание азота во фракции, подаваемой в процесс сжижения гелия, уменьшается, в результате чего достигаются сниженные затраты на выделение азота в технологической цепочке перед заключительным сжижением гелия.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для выделения гелия из гелийсодержащей, из гелий-, азот- и метансодержащей, фракции гелийсодержащую фракцию по меньшей мере частично конденсируют и разделяют на обогащенную гелием газовую фракцию и обедненную гелием жидкую фракцию. Затем обогащенную гелием газовую фракцию конденсируют до тех пор, пока концентрация гелия в результирующей газовой фракции не составит по меньшей мере 90%, предпочтительно по меньшей мере 95%, а в частности, по меньшей мере 98%. Далее обедненную гелием жидкую фракцию расширяют, испаряют до тех пор, пока по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 85%, содержащегося в ней гелия не окажется в газообразном состоянии, и разделяют на богатую гелием газовую фракцию и бедную гелием жидкую фракцию. После чего богатую гелием газовую фракцию подогревают и добавляют в гелийсодержащую фракцию. Изобретение позволяет увеличить выход гелия до 99,8% при экономии энергии сжатия, снизить затраты на выделение азота перед заключительным сжижением гелия. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ выделения гелия из гелийсодержащей фракции, в частности из гелий-, азот- и метансодержащей фракции, отличающийся тем, что
a) гелийсодержащую фракцию (5) по меньшей мере частично конденсируют (Е2) и разделяют (D2) на обогащенную гелием газовую фракцию (6) и обедненную гелием жидкую фракцию (9'),
b) обогащенную гелием газовую фракцию (6) конденсируют (Е3) по меньшей мере до тех пор, пока концентрация гелия в результирующей газовой фракции (7) не составит по меньшей мере 90%, предпочтительно по меньшей мере 95%, а в частности по меньшей мере 98%,
c) обедненную гелием жидкую фракцию (9') расширяют (b'), испаряют до тех пор, пока по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 85%, содержащегося в ней гелия не окажется в газообразном состоянии и разделяют (D4) на богатую гелием газовую фракцию (11') и бедную гелием жидкую фракцию (12'), и
d) богатую гелием газовую фракцию (11') подогревают и добавляют в гелийсодержащую фракцию (5).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гелийсодержащую фракцию (5) перед ее конденсацией и разделением на обогащенную гелием газовую фракцию (6) и обедненную гелием жидкую фракцию (9') сжимают за один или несколько этапов (C1, C2), предпочтительно до давления в диапазоне между 1 и 5 МПа (10 и 50 бар).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что гелийсодержащую фракцию (5) перед ее конденсацией и разделением на обогащенную гелием газовую фракцию (6) и обедненную гелием жидкую фракцию (9') подвергают отделению от азота (E1, D1).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что богатую азотом фракцию (3), полученную при отделении от азота (E1, D1), расширяют (а) до пониженного давления, разделяют (D1') на гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию (21) и обогащенную азотом жидкую фракцию (22), а гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию (21) подогревают (Е1) и подают в гелийсодержащую фракцию (1), предпочтительно перед сжатием (С1) последней в технологической цепочке.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что богатую азотом фракцию (3), полученную при отделении от азота (E1, D1), после расширения (а) и перед ее разделением (D1') на гелийсодержащую обедненную азотом газовую фракцию (21) и обогащенную азотом жидкую фракцию (22) по меньшей мере частично испаряют (Е1).

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что подают (14, 16, 23) внешний хладагент, предпочтительно азот, чтобы поддержать конденсацию (El, E2, Е3) гелийсодержащей фракции (1, 5), обогащенной гелием газовой фракции (6) и/или обедненной гелием жидкой фракции (9').

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что гелийсодержащую фракцию (5), предпочтительно после ее сжатия (С2), очищают (А) от мешающих компонентов, в частности от водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и/или воды.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что богатую гелием газовую фракцию (11'), которую добавляют в гелийсодержащую фракцию (5), в соответствии с ее давлением подают в технологической цепочке перед сжатием или на этап сжатия (С2) гелийсодержащей фракции (5).