Установка извлечения He из товарного жидкого гелия методом ректификации Российский патент 2020 года по МПК C01B23/00 F25J3/02 F25J1/00 B01D59/00 

Область техники

Изобретение относится к области получения гелия из природного газа, его ожижения и извлечения из жидкости изотопа ³Не методом ректификации.

Уровень техники

Известно, что многие элементы периодической системы Д.И. Менделеева представляют собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга атомной массой и, соответственно, физическими или химическими свойствами. Это относится и к природному гелию, который состоит из тяжелого изотопа ⁴Не с атомной массой 4 и легкого изотопа ³Не с атомной массой 3. Содержание ³Не в природном гелии составляет от 0.1±0.2 ppm (в природном газе) до 1.4 ppm (в воздухе). По своим свойствам ³Не значительно отличается от ⁴Не, обладая при этом рядом уникальных качеств, и задача его получения в чистом виде является актуальной. Практически весь ³Не получают сегодня за счет распада радиоактивного трития, однако строительство в последнее время крупных заводов по выделению и ожижению гелия из природного газа дает возможность промышленного получения ³Не из альтернативного, по отношению к тритию, источника. Предлагаемая установка извлечения ³Не из товарного жидкого гелия методом ректификации обеспечивает энергетически эффективную технологию реализации такой возможности.

Известно более десятка способов и установок выделения ³Не из природного гелия или смесей ³Не и ⁴Не, основанных на различных принципах и отличиях свойств изотопов. Несмотря на то, что ³Не и ⁴Не являются самыми низкокипящими веществами на Земле, криогенные способы их разделения, связанные с переводом исходной смеси изотопов в жидкость, весьма привлекательны в силу значительных различий свойств жидких ³Не и ⁴Не. Независимо от задач сепарации изотопов, эти способы получили широкое распространение в криогенной технике и научных исследованиях. Установка извлечения ³Не из природного гелия по настоящему изобретению основана на разнице температур кипения ³Не и ⁴Не и включена в технологический процесс промышленного извлечения гелия из природного газа, его очистки от примесей, сжижения и отгрузки потребителю в жидком виде после выделения ³Не в качестве дополнительного товарного продукта.

Начиная с опытов П.Л. Капицы и используя положения теории сверхтекучести ⁴Не, авторы первых установок разделения изотопов гелия в своих разработках базировались на представлениях о равновесной фазовой диаграмме смеси ³Не/⁴Не при температурах ниже λ-точки (2.17 K), из которой следовало, что при пропускании жидкой смеси ³Не и ⁴Не через капилляр или фильтр с микронными порами можно достичь высоких концентраций и степеней обогащения ³Не при температурах порядка 1.5 К.

Трудами отечественных ученых эти представления вскоре были скорректированы и на основе экспериментов сформулированы подходы к разработке установок, сочетающих в себе принципы сверхтекучей фильтрации и низкотемпературной ректификации. Обзор успешных разработок подобного плана содержится в работе В.П. Пешкова [V.P. Peshkov - Experiments in Enrichment of Helium with Isotope ³He, - Soviet Physics JETP, vol. 3, Number 5, December, 1956, p.706-710].

Следующее принципиальное новшество в проблему сепарации изотопов гелия было предложено в работах П. МакКлинтока и П. Хэндри [P.V.E. McClintock -An Apparatus for Preparing isotopically Pure ⁴He, - Cryogenics 18, 1978, p.201-208] [P.C. Hendry, P.V.E. McClintock - Continuous Flow Apparatus for Preparing Isotopically Pure ⁴He, - Cryogenics, vol. 27, 1987, p.131-138] для случая получения изотопно чистого ⁴Не, т.е. гелия с минимально возможным содержанием ³Не. В отличие от классической фильтрации сверхтекучей жидкости в капилляре или микронном фильтре, в которых ³Не как часть нормальной компоненты в основном просто блокируется на входе, процесс, получивший название «heat flush», организуется в канале, в котором достигается противоточное движение сверхтекучей и нормальной компонент смеси. Авторы развили теорию процесса и для случая получения изотопно чистого ⁴Не предложили ряд схем и конструкций установок, в которых удалось реализовать на 6 порядков меньшее содержание ³Не на выходе потока ⁴Не при общей производительности по ⁴Не 3.3 нм³/час и содержании ³Не в нем менее 5×10^-7 ppm.

Также известна установка для получения концентрата ³Не из природного гелия [патент RU 173384]. Установка содержит криостат, внутри которого расположены две емкости, полости которых соединены между собой фильтром с микронными порами. В первую емкость подается природный гелий и из нее отводится концентрат ³Не, а вторая емкость соединена с каналом отвода ⁴Не и снабжена нагревателем. Отличительной особенностью устройства является применение средства нагнетания давления, оказываемого на фильтр природным гелием, что, по мнению авторов, приводит к повышению интенсивности извлечения ⁴Не и получения концентрата ³Не. Экспериментальные данные, подтверждающие заявленные ожидания, не приводятся, так же, как и детали конструкции, которые позволили бы оценить возможность использования предложенного технического решения для промышленной установки извлечения ³Не.

Из уровня техники известно устройство для извлечения ³Не из природного гелия путем дистилляции [патенты US 8671715 и US 8683825] (прототип), которое содержит ректификационную колонну с двумя конденсаторами. Для обеспечения работы ректификационной колонны в описании патента предлагается применение ожижителя-рефрижератора, который обеспечивает и ожижение природного гелия для дальнейшего извлечения из него ³Не, и отвод теплоты от конденсаторов ректификационной колонны.

Недостатками данного решения являются:

- невозможность обеспечить в рамках комбинированного ожижителя-рефрижератора оптимальные параметры сочетания рефрижераторной и ожижительной нагрузки, как показал опыт создания криогенных систем ускорителей и токамаков;

- низкая суммарная энергетическая эффективность и сложное управление криогенным товарным производством.

Указанная сложность и энергетическая неэффективность связаны с организацией рефрижераторных циркуляционных контуров для охлаждения промежуточного и верхнего конденсаторов ректификационной колонны, в которой производят разделение смеси ³Не и ⁴Не. Оба контура включают машины для сжатия (насосы, холодные или теплые вакуум-компрессоры), вакуумные рекуперативные теплообменники, объединенные с детандерным ожижителем природного гелия для обеспечения дополнительного охлаждения конденсаторов ректификационной колонны. Такое решение превращает систему ожижения природного гелия и ректификационную установку выделения из него ³Не в сложный трудноуправляемый комплекс с неэффективным криогенным рефрижератором-ожижителем.

Все рассмотренные выше решения по извлечению ³Не из природного гелия не учитывали в полной мере конкретных промышленных условий применения подобных установок и ограничивались рассмотрением процессов в блоке сепарации ³Не, например, с использованием механокалорического эффекта [патент RU 173384] или только ректификационного разделения смеси ³Не и ⁴Не в совокупности с низкотемпературным рефрижератором-ожижителем [патенты US 8671715 и US 8683825]. Для упрощения регулирования и получения высокой эффективности по энергопотреблению технологическая схема установки извлечения ³Не из товарного жидкого гелия должна включать три структурных блока: внешний ожижитель товарного гелия, сепаратор ³Не и рефрижератор для обеспечения процесса сепарации. Для внешнего ожижителя следует использовать эффективные многодетадерные схемы с высоким коэффициентом ожижения. Для разделения смеси ³Не и ⁴Не оптимальным является применение ректификационной технологии, а для отвода теплоты от конденсаторов ректификационных колонн предлагается применение рефрижератора с избыточным обратным потоком (РИОП).

Раскрытие сущности

В настоящем изобретении для обеспечения работы блока ректификации в составе установки извлечения ³Не из товарного жидкого гелия предлагается применение рефрижератора с избыточным обратным потоком, избыток обратного потока при этом образуется за счет подлива жидкого гелия из внешнего ожижителя. Высокая эффективность подобного решения реализуется вследствие низких потерь от необратимости в теплообменниках в случаях превышения расхода обратного потока по сравнению с прямым. При этом отпадает необходимость расширения потока в детандерной ступени РИОП, также детандер может быть исключен из ступени окончательного охлаждения.

Техническая задача - создание простой и энергоэффективной установки извлечения ³Не из товарного жидкого гелия, получаемого из внешнего ожижителя. Технический результат - снижение стоимости установки и эксплуатационных затрат, а также упрощение управления производительностью установки.

Технический результат достигается тем, что в предложенной установке извлечения ³Не из товарного жидкого гелия методом ректификации, содержащей внешний ожижитель гелия и блок ректификации, для отвода тепла от конденсаторов ректификационной колонны блока ректификации используют один или более рефрижераторов с избыточным обратным потоком, при этом избыточный обратный поток создают за счет постоянного отбора части жидкого гелия из внешнего ожижителя. Применение рефрижератора/ов с избыточным обратным потоком позволяет отделить поток гелия, направляемого на выделение из него ³Не, от потока гелия, используемого для отвода тепла от блока ректификации.

С одной стороны, такое решение повышает энергоэффективность установки извлечения ³Не, так как удельные затраты мощности для рефрижераторов с избыточным обратным потоком существенно меньше, чем у обычных рефрижераторов или рефрижераторов-ожижителей гелия. С другой стороны, применение рефрижератора с избыточным обратным потоком для отвода тепла от блока ректификации упрощает регулировку производительности блока ректификации, например, при изменениях расхода жидкого гелия из внешнего ожижителя или изменения концентрации в нем ³Не.

Рефрижератор с избыточным обратным потоком включает ступень окончательного охлаждения с одной или более ваннами жидкого гелия, при этом температурный уровень охлаждения конденсаторов ректификационной колонны блока ректификации регулируется откачкой паров гелия из этих ванн при помощи эжекторов.

Ректификационная колонна блока ректификации, продуктами которой являются очищенный жидкий ⁴Не (нижний продукт) и товарный ³Не (верхний продукт), содержит не менее двух секций, каждая из которых оснащается конденсатором для конденсации поднимающегося по секции пара и возврата полученного конденсата в секцию в качестве флегмового орошения.

Поскольку каждый конденсатор работает при определенной температуре, для отвода теплоты конденсации требуется выработка холода на разных температурных уровнях. Выработку холода на разных температурных уровнях можно обеспечить за счет одной или нескольких ванн с жидким гелием в ступени окончательного охлаждения рефрижератора с избыточным обратным потоком, при этом вариант применения отдельной ванны для каждого конденсатора будет экономичнее по сравнению с использованием одной ванны с жидким гелием, когда весь холод надо получать на самом низком температурном уровне.

Для снижения стоимости и простоты управления установки рефрижератор с избыточным обратным потоком может быть реализован по схеме с использованием только струйных аппаратов, без детандеров.

На чертеже представлена принципиальная технологическая схема установки извлечения ³Не из товарного жидкого гелия, где: ОГ - внешний ожижитель гелия; РК - ректификационная колонна; КП - промежуточный конденсатор; KB - верхний конденсатор; РИОП - рефрижератор с избыточным обратным потоком; А-емкость-аккумулятор; Н - насос; Р - криогенный резервуар-накопитель; Э - эжекторы; СОО - ступень окончательного охлаждения; В1-В3 - ванны с жидким гелием; К - компрессор; БО - блок очистки; Т1 и Т2 - теплообменники.

Внешний ожижитель гелия представляет собой комплекс оборудования для сжатия, очистки, охлаждения, расширения и конденсации гелия в многоступенчатом цикле с каскадным включением детандеров. Жидкий гелий накапливается в емкости-аккумуляторе (А) и поступает в ректификационную колонну (РК) для разделения изотопов гелия, а также направляется для создания избытка обратного потока в РИОП. Ректификационная колонна (РК) состоит из двух частей: нижней колонны, состоящей из куба с испарителем, двух секций насадки и промежуточного конденсатора (КП), и верхней колонны с секцией насадки и верхним конденсатором (KB). В нижней колонне происходит основное обогащение ³Не, а в верхней - дальнейшее концентрирование легкого изотопа. Паровое питание колонны осуществляется за счет подвода тепла от испарителя (И), расположенного в кубе нижней колонны. Флегмовое питание обеспечивается работой конденсаторов: промежуточным конденсатором (КП) - в нижней колонне и верхним конденсатором (KB) - в верхней. Из куба нижней колонны отводится очищенный от ³Не жидкий переохлажденный ⁴Не, который подается насосом (Н) в криогенный резервуар-накопитель (Р) товарного гелия. Жидкость, стекающая из полости конденсации верхнего конденсатора (KB) и представляющая собой чистый ³Не, обеспечивает верхнюю колонну флегмой и частично отводится в контейнер ³Не в качестве целевого продукта.

Ступень окончательного охлаждения (СОО) предназначена для охлаждения гелия до температур, обеспечивающих работу конденсатора КП и конденсатора КВ. С целью эффективного отвода теплоты конденсации от КП и KB, работающих при различных температурах, в СОО устанавливают ванны (В1-В3) жидкого гелия с разными температурными уровнями охлаждения (например, В1 - 4.5 K, В2 - 3.0 K и В3 - 2.4 K), откачку которых до равновесного давления ведут струйными насосами - эжекторами (Э).

Компрессор (К) предназначен для сжатия газообразного гелия от давления обратного потока РИОП до давления прямого потока РИОП. Он обеспечивает циркуляцию гелия в РИОП и возврат части газообразного гелия во внешний ожижитель гелия.

Блок очистки (БО) предназначен для очистки циркулирующего в РИОП потока гелия от примесей паров воды и масла.

Теплообменники (Т1) и (Т2) предназначены для охлаждения циркулирующего в РИОП гелия от температуры окружающей среды до температуры в диапазоне 4±10 K.

Регулирование холодопроизводительности рефрижераторов с избыточным обратным потоком производится за счет изменения массового расхода гелия на выходе из компрессора. Гелий, отобранный из внешнего ожижителя в виде жидкости для обеспечения работы рефрижератора с избыточным обратным потоком, возвращают во внешний ожижитель с тем же расходом в газообразном состоянии после сжатия в компрессоре и очистки в блоке очистки.

Осуществление изобретения

В отличие от всех известных криогенных установок извлечения ³Не из жидкого гелия природных концентраций аналоги технических решений, предлагаемых в настоящей заявке, полностью освоены в промышленных масштабах, в том числе и отечественной промышленностью. В их число входят:

- ожижители и рефрижераторы гелия высокой производительности;

- гелиевые РИОП на температурные уровни до 1.8 K;

- насадочные ректификационные колонны для разделения изотопов водорода и гелия;

- криогенные аппараты: теплообменники, конденсаторы, испарители, адсорберы, фильтры, арматура и т.п.;

- криогенные эжекторы для откачки гелия, водорода, природного газа и других криогенных продуктов;

- криогенные емкости-аккумуляторы для любых жидких криогенных продуктов емкостью до 250 м³;

- системы криогенной очистки технологических потоков газов и жидкостей.

Резюме

Таким образом, по сравнению с аналогами и прототипом настоящее изобретение имеет следующие особенности и преимущества:

- во всех трех блоках комплекса получения и переработки гелия из природного газа предлагаются технические решения на уровне предельных показателей энергетической эффективности, а именно: многоступенчатый детандерный внешний ожижитель гелия, высокоэффективная насадочная ректификационная колонна с промежуточным конденсатором и рефрижератор с избыточным обратным потоком;

- работа внешнего ожижителя гелия с емкостью-аккумулятором жидкого гелия осуществляется в стационарном режиме и независима от режимов извлечения ³Не;

- рефрижератор с избыточным обратным потоком способен обеспечить охлаждение конденсаторов ректификационной колонны как по тепловой нагрузке, так и по температурному уровню охлаждения;

- весь комплекс получения и переработки товарного гелия может быть разработан и изготовлен предприятиями отечественной промышленности.

Изобретение относится к области получения гелия из природного газа. Установка извлечения ³Не из товарного жидкого гелия содержит внешний ожижитель гелия, блок ректификации, включающий ректификационную колонну с конденсаторами, трубопроводы, соединяющие ожижитель гелия и блок ректификации, и один или более отводящих тепло от конденсаторов рефрижераторов с избыточным обратным потоком, создаваемым за счет добавления жидкого гелия из внешнего ожижителя. Изобретение обеспечивает снижение стоимости установки и эксплуатационных затрат, а также упрощение управления производительностью установки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка извлечения ³Не из товарного жидкого гелия методом ректификации, содержащая внешний ожижитель гелия, блок ректификации, включающий ректификационную колонну с конденсаторами, и трубопроводы, соединяющие ожижитель гелия и блок ректификации, отличающаяся тем, что содержит один или более отводящих тепло от конденсаторов рефрижераторов с избыточным обратным потоком, создаваемым за счет добавления жидкого гелия из внешнего ожижителя.

2. Установка извлечения ³Не из товарного жидкого гелия методом ректификации по п. 1, отличающаяся тем, что один или более рефрижераторов с избыточным обратным потоком содержат ванны с жидким гелием и эжекторы.

3. Установка извлечения ³Не из товарного жидкого гелия методом ректификации по п. 1, отличающаяся тем, что один или более рефрижераторов с избыточным обратным потоком не содержат детандеров.