МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 2013 года по МПК B01D53/22 B01D71/02 B01D69/02 C01F7/16 

Описание патента на изобретение RU2492914C2

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой отраслям и может быть использовано при извлечении гелия из газовых смесей, включая природный газ и разделения его изотопов.

Известно, что в промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов. В настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие >0,1% гелия. От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий, очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т.н. сырой гелий (He - 70-90% об.) очищают от водорода. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N2 и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. (RU 2071019, публ. 27.12.1996 г.) [1]. Известная технология требует стационарного крупногабаритного оборудования (завода), который находится на существенном расстоянии от места добычи гелийсодержащего газа и транспортируется на завод по трубопроводам. В ходе этого транспорта, в силу повышенной гелий-проницаемости материалов трубопроводов, основная часть гелия безвозвратно теряется.

Развиваемым альтернативным решением является отделение гелия непосредственно в месте его добычи, что требует создания участка с необходимым для этого оборудованием. Для этих целей известна система разделения газовой смеси (RU 2291740, публ. 20.01.2007 г.) [2], основанная на применении селективно-проницаемой мембраны, разделяющей область подачи смеси и область выделения компонентов смеси. Мембрана выполнена в виде слоя гранул, выполненных из материала, адсорбирующего сопутствующий и пропускающего целевой продукт - гелий, при этом гранулы заполнены полыми замкнутыми телами, стенки которых выполнены из материала, пропускающего и удерживающего внутри тела только целевой продукт.

Через известную мембрану гелийсодержащую смесь пропускают до полного насыщения гелием. Затем поток перекрывают и осуществляют процесс регенерации мембраны. Гелий из полых замкнутых тел выделяют путем снижения давления и повышения температуры в пространстве между гранулами. Затем цикл повторяют. Этот процесс, основанный на циклическом процессе сорбции/десорбции компонентов исходной газовой смеси, требует, как правило, применения температур порядка жидкого азота, что существенным образом определяет габариты и энергопотребление оборудования.

В основу настоящего изобретения положена задача упрощения технологии извлечения гелия из гелийсодержащих газов, а именно, без применения стационарного крупногабаритного оборудования (завода), без транспортировки гелия на завод по трубопроводам, а также без оборудования для циклической сорбции/десорбции компонентов исходной газовой смеси.

Для решения поставленной задачи в качестве молекулярного фильтра для селективного извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей применяют газоплотную керамику со структурой майенита.

Структуру майенита можно рассматривать как кубическую, построенную из полых сферических элементов, которые в англоязычной литературе принято называть «кэг». Майенит характеризуется наличием собственной наноразмерной пористости и «антицеолитной природой», что отличает его от других, уже известных материалов с собственной наноразмерной пористостью: цеолитов, фуллеренов и пленочных органических молекулярных сит. В отличие от цеолитов, где каркас заряжен отрицательно и компенсируется катионами Н* или другими замещенными катионами, в структуре майенита каркас заряжен положительно и компенсируется распределенными анионами кислорода. Именно наличие этих анионов блокирует проникновение молекул водорода и метана сквозь материал, малый размер которых не препятствует им этого делать в случае других материалов.

Газоплотная керамика со структурой майенита относится к новым материалам, свойства которого пока недостаточно изучены, притом, что газоплотность означает отсутствие натекания газов через систему сквозных пор, трещин и других дефектов в объеме материала между двумя полупространствами, разделенными этим материалом.

Известно применение материалов со структурой майенита в качестве пористого электрода, либо в качестве (так же пористого) носителя катализатора. [Solid State Ionics. 2009 V. 180. P.1113 [3]; Applied Catalysis B: Environmental. 2009. V. 88. P.351 [4]; Nano letters. 2007. V. 7 (5). P.1138 [5]; Solid State Ionics. 2006. V. 177. P.2235 [6]; Science and Technology of advanced materials. 2004. V. 5. P.409 [7]; Applied Physics letters 2002. V. 80 (22) P.4259] [8].

В заявленном изобретении газоплотная керамика со структурой майенита обнаруживает не известную ранее способность к селективному, диффузионному, причем непрерывному и быстрому фильтрованию гелия из газовых смесей при комнатной температуре. Это обусловлено, по-видимому, тем, что структура майенита может быть описана, как кубическая решетка, построенная из полых сферических элементов. В рамках этой решетки существует трехмерная система сквозных каналов, достаточно малого размера, которая позволяет сквозное протекание (т.е. фильтрование через структуру керамики) газов с размером молекул меньше размеров канала. В этом смысле - структура майенита это классическое «молекулярное сито», выгодно отличающееся от цеолитов малым размером каналов (избирательностью и селективностью), а от органических молекулярных сит - высокой прочностью и возможностью прикладывать высокую разность давлений газов, что обеспечивает высокую производительность установки по выделению гелия. Второй особенностью структуры майенита, обеспечивающей селективное выделение именно гелия в присутствие других газов с малым размером молекул, например водорода и метана, является «антицеолитный» характер структуры. Имеется в виду, что в отличие от цеолитов, каркас майенита заряжен положительно и этот заряд компенсируется распределенными анионами кислорода. Эти анионы не взаимодействуют с атомами инертного газа, но являются непреодолимыми препятствиями для переноса взаимодействующих молекул. Новый материал обнаруживает отсутствие проницаемости по водороду и метану.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в селективном, диффузионном, непрерывном и быстром фильтровании гелия из содержащих его газовых смесей при комнатной температуре. Выделение гелия из гелийсодержащих смесей через фильтрующую гелий газоплотную керамику со структурой майенита без применения высоких температур и криогенной техники упрощает технологию его извлечения, притом, что новый материал является надежным по отношению к механическим напряжениям, вызванным разницей парциальных давлений, необходимой для натекания гелия, и относительно недорогим (например, оксид кальция-алюминия).

На фиг.1 приведена структура майенита, построенная из двух полых сферических элементов - «кэгов»; на фиг.2 - вид на систему этих «кэгов» в плоскости <100>, из которого видно наличие сквозного канала. Аналогичные сквозные каналы существуют и направлениях <010> и <001>, образуя их сквозную систему (не показаны).

Образец фильтра из газоплотной керамики со структурой майенита получали следующим способом. Самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) получали тонкодисперсные порошки прекурсоров (нанопрошки). Для синтеза керамики состава Ca12Al14O33 в смесь исходных компонентов, содержащую нитрат алюминия и карбонат кальция, эквивалентную стехиометрическому катионному составу получаемой керамики, добавляли азотную кислоту для получения раствора нитратов, после чего гомогенный раствор медленно выпаривали. Перетертую смесь нитратов переносили в термостойкий стакан и добавляли необходимое количество этиленгликоля (ЭГ) при соотношении NO3/ЭГ=2:1. Смесь медленно нагревали до начала саморазвивающейся реакции.

Полученный пористый продукт перетирали в ступке и прокаливали при 700°С в течение часа. Полученные порошки прекурсоров способны к взаимодействию с влагой и углекислым газом воздуха, поэтому их прессовали сразу после извлечения из печи при давлении 5 Т см-2. Полученную заготовку обжигали при температуре 1200°С на воздухе в течение 48 часов с последующим остыванием вместе с печью.

Экспериментальную проверку способности нового материала фильтровать гелий из гелийсодержащих газов осуществляли следующим образом. Использовали таблетки диаметром 10 мм и толщиной 1.8 мм из газоплотной керамики со структурой майенита.

Численную оценку селективности натекания гелия измеряли по ГОСТ 11573-98 (ИСО 8841-91) «Изделия огнеупорные. Метод определения коэффициента газопроницаемости» [6].

Скорость фильтрации газа через пористую среду (ν):

ν = K η g r a d ( P ) = K η d P d x = K η Δ P h ( 1 )

где ν - объемная скорость фильтрации (отнесенная к площади поперечного сечения),

η - вязкость движущейся среды,

ΔР - разность давлений на входе и выходе образца,

h - толщина образца,

K - коэффициент газопроницаемости с размерностью [мкм2=дарси].

Для тестирования натекания собственно измерительной системы вместо образца использовали металлический диск таких же размеров толщиной 0.9 мм. В таблице 1 приведены результаты измерения натекания для пяти различных экспериментов. Среднее натекание установки характеризуется величиной коэффициента газопроницаемости 0,031(6)·10-3 мкм2. Если рабочий узел крепления образца находится в атмосфере гелия или аргона величина К составляет 0.04·10-3 мкм2 в обоих случаях, что близко к натеканию собственно измерительной системы.

В таблице 2 приведены данные по величине натекания различных газов через образец. Из данных таблицы видно, что натекание гелия через образец существенно выше аппаратной погрешности и не зависит от погрешности, связанной с шероховатостью образцов. Проницаемость по водороду и метану отсутствует.

Из данных таблицы 2 сделаем оценку скорости фильтрования газа. При толщине керамического фильтрующего элемента 2 мм, давлении гелийсодержащего газа 10 атм при доле гелия 1%, с одной стороны, и динамической откачке - с другой стороны фильтрующего элемента, через каждый его метр2 в секунду будет протекать более 70 мл газа в расчете на нормальные условия. Это очень высокая скорость фильтрования, сопоставимая со свойствами бумаги и кожи, что обусловлено уникальными свойствами структуры майенита.

Для реализации заявленного изобретения можно применять газоплотную керамику, полученную иными способами. На сегодняшний день известен способ, раскрытый в ЕР 1900689, опубл. 19.03.2008 г., в котором газоплотную (несущую) керамику для электротехнических устройств получают плавлением порошков дисперсностью 1-10 мкм при температуре от 1500°С и выше.

Для промышленного применения нового «молекулярного сита» его можно выполнить аналогично теплообменнику, например в виде системы керамических трубок. Находящийся при повышенном давлении поток гелийсодержащего газа, текущий между скважиной и трубой транспортировки, можно пропускать через внешнее пространство этих имеющих динамическое разряжение трубок, которые будут собирать отфильтрованный гелий.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет извлекать гелий из гелийсодержащих газов без применения стационарного крупногабаритного оборудования (завода), без транспортировки гелия на завод по трубопроводам, а также без оборудования для циклической сорбции/десорбции компонентов исходной газовой смеси.

Таблица 1 Коэффициент газопроницаемости, мкм2 1 0,033·10-3 2 0,025·10-3 3 0,024·10-3 4 0,035·10-3 5 0,038·10-3 среднее 0,031(6)·10-3

Таблица 2 воздух гелий водород метан Образец 1 0,01*10-3 0,33*10-3 0,01*10-3 0,01*10-3 Образец 2 0,08*10-3 0,34*10-3 0,02*10-3 0,01*10-3

Похожие патенты RU2492914C2

название год авторы номер документа
Способ получения керамики для извлечения гелия из газовых смесей 2017
  • Толкачева Анна Сергеевна
  • Шкерин Сергей Николаевич
  • Красненко Татьяна Илларионовна
  • Мерзлякова Алина Наильевна
RU2671379C1
СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ ИЗ ПРИРОДНОГО ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩЕГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЗОТА 2014
  • Мнушкин Игорь Анатольевич
RU2597081C2
КОМПОЗИТНАЯ КИСЛОРОДПРОВОДЯЩАЯ МЕМБРАНА 2004
  • Мордкович Владимир Зальманович
  • Харитонов Дмитрий Николаевич
  • Аветисов Александр Константинович
  • Байчток Юлий Кивович
  • Политова Екатерина Дмитриевна
  • Дудакова Наталия Владимировна
  • Суворкин Сергей Вячеславович
  • Косарев Геннадий Владимирович
RU2305587C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕОЛИТНОГО СЛОЯ НА ПОДЛОЖКЕ 2006
  • Иванова Ирина Игоревна
  • Трусов Лев Ильич
  • Князева Елена Евгеньевна
  • Федотов Владимир Петрович
  • Никитина Мария Александровна
  • Добрякова Ирина Вячеславовна
  • Смирнов Андрей Валентинович
  • Федосов Даниил Александрович
RU2322390C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ СО СТРУКТУРОЙ МАЙЕНИТА 2010
  • Шкерин Сергей Николаевич
  • Толкачева Анна Сергеевна
RU2459781C2
СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2014
  • Ван Лёвенхаге Маню Густаф Роса
  • Веркаммен Седрик Франк
  • Рябченко Павел
RU2605593C2
СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ГЕЛИЕМ ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩЕГО ПРИРОДНОГО ГАЗА 2017
  • Андреев Олег Петрович
  • Бочаров Алексей Геннадьевич
  • Бочаров Михаил Евгеньевич
  • Громов Александр Леонидович
  • Кожевников Сергей Андреевич
RU2655905C1
МИКРОСФЕРИЧЕСКАЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМАЯ МЕМБРАНА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ 2010
  • Фоменко Елена Викторовна
  • Аншиц Наталья Николаевна
  • Панкова Марина Владимировна
  • Михайлова Ольга Александровна
  • Аншиц Александр Георгиевич
  • Фомин Василий Михайлович
RU2443463C9
ПОЛУЧЕНИЕ ГЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА 2014
  • Кароде Сандип К.
RU2647296C2
МЕМБРАНА НА ОСНОВЕ ПОЛИГЕКСАФТОРПРОПИЛЕНА И СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 2015
  • Белов Николай Александрович
  • Ямпольский Юрий Павлович
  • Жаров Алексей Алексеевич
RU2606613C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 492 914 C2

Реферат патента 2013 года МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой отраслям. Газоплотную керамику со структурой майенита предложено использовать в качестве молекулярного фильтра для селективного извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей. Технический результат: селективное и непрерывное извлечение гелия из содержащих его газовых смесей при комнатной температуре. 2 ил., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 492 914 C2

Применение газоплотной керамики со структурой майенита в качестве молекулярного фильтра для селективного извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2492914C2

СИСТЕМА И СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ 2005
  • Фомичев Владислав Павлович
  • Фомин Василий Михайлович
  • Пузырев Лев Николаевич
  • Долгушев Сергей Викторович
  • Верещагин Антон Сергеевич
  • Аншиц Александр Георгиевич
RU2291740C2
ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ МЕМБРАНА, СОДЕРЖАЩАЯ МИКРОПОРИСТЫЙ КРЕМНЕЗЕМНЫЙ СЛОЙ НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗЕМА, ЛЕГИРОВАННОГО ТРЕХВАЛЕНТНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ 2006
  • Жюльб Анна
  • Кот Дидье
  • Сала Биатрис
  • Барбуа Камелия
RU2418622C2
RU 2010125373 А, 27.12.2011
ЕР 1900686 А1, 19.03.2008
CN 101637725 А, 03.02.2010
DE 102009004533 А1, 15.07.2010
US 7722846 В2, 25.05.2010
US 6696615 B2, 24.02.2004
ПАНКОВА Н.В
Состав, строение и физико-химические свойства микросферических мембран и композитных сорбентов на основе узких

RU 2 492 914 C2

Авторы

Шкерин Сергей Николаевич

Толкачева Анна Сергеевна

Калинина Елена Григорьевна

Филатов Игорь Евгеньевич

Сафронов Александр Петрович

Даты

2013-09-20Публикация

2012-04-03Подача