СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФРАКЦИИ ЧИСТОГО ГЕЛИЯ Российский патент 2016 года по МПК F25J3/02 

Изобретение относится к способу получения фракции чистого гелия из исходной фракции, содержащей по меньшей мере гелий, метан и азот.

Гелий добывают промышленно почти исключительно из смеси легколетучих компонентов природного газа, причем эта смесь помимо гелия содержит обычно метан и азот, а также в следовых количествах водород, аргон и другие благородные газы. Гелий скапливается с другими газами в подземных, достаточно газонепроницаемых структурах. Гелий становится доступным при добыче нефти как компонент попутного нефтяного газа или при добыче природного газа (DE 10106484 A1). Получение гелия из атмосферного воздуха хотя и возможно теоретически, но из-за низкой концентрации экономически невыгодно.

Чтобы избежать нежелательного вымораживания в процессе сжижения гелия, объемная концентрация примесей в потоке сжижаемого гелия не должна превышать значения 100 ppm, предпочтительно 10 ppm. По этой причине процессу сжижения гелия предшествует процесс очистки гелия. Он состоит обычно из комбинации криогенного процесса, обычно базирующегося на частичной конденсации, и адсорбционного процесса, причем в последнем регенерация может осуществляться путем колебаний давления и/или температуры.

Во многих случаях выгодно рассчитывать процесс очистки гелия так, чтобы наряду с очищенным гелием можно было получать технически чистый азот, в котором суммарное объемное содержание примесей составляет менее 100 ppm, предпочтительно менее 10 ppm.

Однако, чтобы можно было выдавать азот желаемой чистоты, дополнительно следует предусматривать разделение N₂/CH₄. Как правило, только часть, обычно от 5 до 70%, предпочтительно от 10 до 50% азота, содержащегося в очищаемой смеси, доводится до высокой чистоты. Остальной азот вместе с метаном выпускается в атмосферу как газ низкого давления, либо сразу, либо после этапа окисления, реализуемого предпочтительно в факеле или в сжигательной печи. Если содержание метана в этой фракции N₂/CH₄ составляет по меньшей мере 10 об.%, ее можно отпускать как горючий газ и/или направлять на получение метана.

На примере осуществления, представленном на фигуре 1, поясняется характерный способ получения фракции чистого гелия из исходной фракции, содержащей по меньшей мере гелий, метан и азот.

В этом способе исходную фракцию 100 сначала подвергают сжатию (A') до давления 20-40 бар. Затем сжатую исходную фракцию 101, поскольку она содержит водород, предпочтительно подвергают каталитическому удалению водорода (B'). Очищенную таким образом исходную фракцию 102 проводят после этого на криогенное удаление азота (C'). Оттуда по линии 106 отбирается фракция, обогащенная N₂/CH₄, и подвергается криогенному разделению N₂/CH₄ (E'). Оттуда по линии 107 отбирается фракция, обогащенная N₂/CH₄, а по линии 108 отбирается фракция азота, которая обычно имеет суммарное объемное содержание примесей менее 100 ppm, предпочтительно менее 10 ppm.

Обогащенная гелием фракция 103, полученная при криогенном отделении азота (C'), подвергается процессу адсорбционной очистки (D'). Это может быть процесс адсорбции с переменной температурой (TSA), переменным давлением (PSA), процесс вакуумно-напорной PSA (VPSA) или комбинация вышеуказанных процессов. Полученная здесь фракция чистого гелия отбирается по линии 104 и проводится на дальнейшее применение, например, на сжижение. Образующуюся в процессе адсорбции (D') фракцию остаточного газа 105 можно добавлять к исходной фракции 100.

Задачей настоящего изобретения является разработать родственный способ получения фракции чистого гелия, который имеет пониженные капитальные и производственные затраты.

Для решения этой задачи предлагается способ получения фракции чистого гелия из исходной фракции, содержащей по меньшей мере гелий, метан и азот, который отличается тем, что:

a) исходную фракцию подвергают разделению N₂/CH₄,

b) полученную при разделении N₂/CH₄ фракцию, содержащую в основном гелий и азот, сжимают,

c) сжатую фракцию подвергают удалению N₂, и

d) обогащенную гелием фракцию, полученную при отделении N₂, подвергают процессу адсорбционной очистки, в котором получают фракцию чистого гелия.

Следующие выгодные варианты осуществления предлагаемого изобретением способа получения фракции чистого гелия, которые являются объектами зависимых пунктов формулы изобретения, отличаются тем, что:

- сжатую фракцию перед проведением на удаление N₂ подвергают удалению H₂,

- полученную при отделении N₂/CH₄ фракцию, содержащую в основном гелий и азот, сжимают до давления 15-35 бар, предпочтительно 20-25 бар,

- процесс адсорбционной очистки оформлен как процесс TSA, PSA или VPSA,

- отделение N₂/CH₄ осуществляется путем промывки, причем на нее как орошение подают азот, предпочтительно жидкий, который получен при отделении N₂, и/или

- промывка предпочтительно проводится при давлении от 1,2 до 5 бар, предпочтительно от 1,5 до 2 бар.

Предлагаемый изобретением способ получения фракции чистого гелия далее подробнее поясняется на примере осуществления, представленном на фигуре 2.

Исходную фракцию 1, содержащую по меньшей мере гелий, метан и азот, согласно изобретению сначала подвергают отделению N₂/CH₄ (A). Образующуюся при этом обогащенную N₂/CH₄ фракцию отбирают по линии 10. Отделение N₂/CH₄ (A) предпочтительно осуществляется промывкой или в скруббере. Исходная фракция 1 подается в куб скруббера. Как орошение в голову скруббера предпочтительно подается сжиженный азот (9), полученный при отделении N₂ (D), которое еще будет описано позднее. Скруббер работает при давлении предпочтительно от 1,2 до 5 бар, в частности, от 1,5 до 2 бар. Кроме того, скруббер работает при температуре, соответствующей температуре кипения азота в указанном диапазоне давлений (от -195 до -185°C).

Полученная при отделении N₂/CH₄ (A) фракция (2), содержащая в основном гелий и азот, проводится затем на компрессорную установку B. Там происходит сжатие до давления 15-35 бар, предпочтительно 20-25 бар.

Если исходная фракция 1 или 2 содержит водород, следует предусмотреть установку отделения водорода C, выполненную предпочтительно как каталитическая, на которую подается сжатая фракция 3. Затем обработанная в установке C отделения водорода фракция 4 подвергается отделению азота D, оформленному предпочтительно как криогенное. Оттуда по линии 5 отводится обогащенная азотом фракция и при необходимости направляется на дальнейшее применение, как, например, при предварительном охлаждении гелия перед сжижением и при применении для радиационной защиты резервуара с жидким гелием.

Фракция 6 чистого гелия, полученная при отделении азота (D), подвергается процессу адсорбционной очистки (E), из которого по линии 7 отводится полученная фракция чистого гелия. При проведении процесса в соответствии с изобретением также можно подавать фракцию 8 остаточного газа, образующуюся в процессе адсорбционной очистки E, в исходную фракцию, но теперь, однако, подача идет во фракцию 2, уже значительно избавленную от метана и азота.

В отличие от варианта способа, описанного на фигуре 1, в способе получения фракции чистого гелия, предлагаемом изобретением, исходная фракция перед ее сжатием по существу очищена от метана, возможно имеющихся других высококипящих газов и большей части азота, типично на 10-90%, предпочтительно на 30-80%. Теперь оставшуюся фракцию, содержащую в основном гелий и азот, сжимают до давления 15-35 бар, предпочтительно 20-25 бар. При этом устанавливается объемное содержание метана в сжатой фракции <100 ppm, предпочтительно <10 ppm.

Благодаря предварительному отделению фракции N₂/CH₄ последующие технологические этапы проводятся с меньшей нагрузкой. Хотя теперь требуется два независимых (криогенных) этапа разделения, капитальные и производственные затраты снижаются. Кроме того, благодаря значительному удалению горючих компонентов существенно снижаются требования безопасности (например, защита от взрыва) на следующих технологических этапах.

Азот, скапливающийся при отделении N₂ (D), соответствует типичным требованиям к чистоте (это означает, что суммарное объемное содержание примесей составляет ≤100 ppm, предпочтительно ≤10 ppm), которые предъявляются к жидкому азоту, применяющемуся в установках получения гелия. Жидкий азот может применяться, например, для предварительного охлаждения гелия перед сжижением и для использования в радиационной защите резервуаров с жидким гелием.

Изобретение относится к способу получения фракции чистого гелия из исходной фракции, содержащей гелий, метан и азот. Исходную фракцию подвергают разделению N₂/CH₄ (А). Полученную при разделении N₂/CH₄ фракцию, содержащую в основном гелий и азот, сжимают (В). Сжатую фракцию подвергают удалению N₂ (D), и обогащенную гелием фракцию, полученную при отделении N₂, подвергают процессу адсорбционной очистки (E), в котором получают фракцию чистого гелия. Технический результат заключается в том, что благодаря значительному удалению горючих компонентов существенно снижаются требования безопасности (например, защита от взрыва) на следующих технологических этапах. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения фракции чистого гелия из исходной фракции, содержащей по меньшей мере гелий, метан и азот, отличающийся тем, что:
a) исходную фракцию (1) подвергают разделению N₂/CH₄ (A),
b) полученную при разделении N₂/CH₄ (A) фракцию (2), содержащую в основном гелий и азот, сжимают (B),
c) сжатую фракцию (3) удаляют N₂ (D), и
d) обогащенную гелием фракцию (6), полученную при отделении N₂ (D), подвергают процессу адсорбционной очистки (E), в котором получают фракцию чистого гелия (7).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжатую фракцию (3) перед проведением на удаление N₂ (D) подвергают удалению H₂ (C).

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что полученную при отделении N₂/CH₄ (A) фракцию (2), содержащую в основном гелий и азот, сжимают (B) до давления 15-35 бар, предпочтительно 20-25 бар.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что процесс адсорбционной очистки (E) оформлен как процесс TSA, PSA или VPSA.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отделение N₂/CH₄ (A) осуществляют путем промывки, причем на него как орошение подают азот (9), предпочтительно жидкий, который получен при отделении N₂ (D).

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что промывку предпочтительно проводят при давлении от 1,2 до 5 бар, предпочтительно от 1,5 до 2 бар.