ПОЛУЧЕНИЕ ГЕЛИЯ ИЗ ПОТОКА ПРИРОДНОГО ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК F25J3/02 

Настоящее изобретение относится к способу получения гелия из исходного потока газа, содержащего по меньшей мере гелий, метан и азот.

В коммерческих масштабах гелий получают практически исключительно из смеси летучих компонентов природного газа, эта смесь, как правило, содержит, помимо гелия, метан и азот, а также следы водорода, аргона и других благородных газов.

В ходе получения минерального масла гелий предоставлен в качестве компонента газа, который сопровождает минеральное масло, или в процессе получения природного газа. Теоретически возможно получение гелия в атмосфере, но это экономически невыгодно из-за низких концентраций (типичная концентрация гелия в воздухе составляет приблизительно 5,2 ppmv).

Неочищенный природный газ может содержать большое количество мешающих примесей, которые должны быть удалены. Одним примером таковых является азот. Начиная с определенной концентрации азота в природном газе, последний, как правило, не пригоден для продажи из-за низкой теплоты сгорания. Криогенный процесс, выполняемый в блоке, называемом блоком удаления азота (NRU), обычно применяют для удаления азота.

Если в дополнение к азоту в природном газе присутствует гелий, существует экономическая выгода в отдельном извлечении богатого гелием потока для получения гелия и продажи его. Как правило, гелий концентрируют в криогенном процессе и окончательно очищают в процессе PSA (адсорбции при переменном давлении).

В настоящее время существует несколько решений по извлечению гелия в NRU, в частности, блоке NRU с «колонной двукратной ректификации».

Возможно добавить колонну для дистилляции азота и гелия, как описано в патенте EP 0 633 437 B1, например, но это вызывает несколько проблем:

- усложнение установки;

- повышение энергопотребления из-за необходимости охлаждения (периодического), связанного с этой колонной.

Существуют другие решения, использующие последовательные частичные конденсации и/или моментальные (мгновенные) испарения, но они в основном не обеспечивают получения одновременно и высокого содержания гелия, и высокого выхода. Один пример описан в патенте US 4 701 201. В указанном патенте гелий получают в верхней части колонны высокого давления (HP) после частичной конденсации. Эта простая частичная конденсация делает необходимым выбор между выходом и чистотой гелия. В данном патенте также указано, что возможно достичь приемлемого выхода (приблизительно 92%), но чистота, достигаемая для обогащенного гелием потока, составляет 37,2%.

Таким образом, существует необходимость в решении проблем, описанных выше.

Поэтому, целью настоящего изобретения является способ получения потока газа гелия из исходного потока газа, содержащего по меньшей мере гелий, метан и азот, включающий по меньшей мере следующие этапы:

этап a): введения указанного исходного потока газа в блок удаления азота с колонной двукратной ректификации, причем указанная колонна двукратной ректификации содержит дистилляционную колонну высокого давления, дистилляционную колонну низкого давления и конденсатор, соединяющий колонну высокого давления с колонной низкого давления;

этап b): извлечения на выходе указанного конденсатора по меньшей мере одной части смеси, получаемой в верхней части колонны высокого давления;

этап c): расширения указанной смеси, получаемой на этапе b), до промежуточного давления, составляющего от 8 бар до 20 бар абсолютного давления;

этап d): разделения смеси, получаемой на этапе c), в первом сосуде для разделения фаз на жидкую фазу и обогащенную гелием газовую фазу;

этап e): по меньшей мере частичная конденсация указанной обогащенной гелием газовой фазы в теплообменнике;

этап f): разделение потока, получаемого на этапе e), во втором сосуде для разделения фаз на жидкую фазу и газовую фазу, содержащую более 50% по объему гелия.

Согласно другим вариантам осуществления целью настоящего изобретения также является:

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что включает этап g): использования в качестве охлаждающего средства жидкой фазы после расширения, получаемого на этапе f), в указанном теплообменнике, применяемом на этапе e).

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что на этапе g) указанную жидкую фазу испаряют при давлении от 0,1 бара до 3 бар абсолютного давления.

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что на этапе a) поток газа вводят в колонну высокого давления на по меньшей мере двух уровнях подачи, причем паровая фракция первой подачи меньше, чем паровая фракция второй, и при этом первую подачу вводят на более высоком уровне указанной колонны высокого давления, чем вторую.

- Способ, определенный выше, включающий этап h): извлечения газовой фазы, получаемой на этапе f), в виде богатого гелием продукта, содержащего по меньшей мере 75% по объему гелия.

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что температура на выходе конденсатора на этапе b) составляет от –150°C до –165°C.

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что давление в колонне высокого давления составляет от 20 бар абсолютного давления до 50 бар абсолютного давления, а давление в колонне низкого давления составляет от 1 бара абсолютного давления до 5 бар абсолютного давления.

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что температура, при которой осуществляют этап c), составляет от –160°C до –180°C.

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что температура, при которой осуществляют этап e), составляет от –180°C до –210°C.

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что жидкую фазу, получаемую на этапе d), вводят в колонну низкого давления указанного блока удаления.

- Способ, определенный выше, включающий дополнительный этап получения обогащенного азотом потока, содержащего менее 2% по объему метана, из потока газа из верхней части колонны низкого давления.

- Способ, определенный выше, отличающийся тем, что исходный поток газа содержит от 20% по объему до 80% по объему метана, от 20% по объему до 80% по объему азота и от 0% по объему до 2% по объему гелия.

- Установка для получения гелия из исходной смеси газа, содержащей метан, гелий и азот, причем указанная установка содержит:

- по меньшей мере один блок удаления азота, оснащенный колонной двукратной ректификации, причем указанная колонна двукратной ректификации содержит дистилляционную колонну высокого давления, дистилляционную колонну низкого давления и конденсатор, соединяющий колонну высокого давления с колонной низкого давления, и

- блок извлечения гелия, содержащий первый сосуд для разделения фаз, расположенный выше по потоку относительно теплообменника, который в свою очередь расположен выше по потоку относительно второго сосуда для разделения фаз;

- отличающаяся тем, что блок удаления азота расположен выше по потоку относительно блока извлечения гелия.

- Установка, определенная выше, отличающаяся тем, что указанный блок извлечения гелия не содержит ни дистилляционной колонны, ни колонны ректификации, ни сосуда для разделения фаз с несколькими подачами.

Решение, являющееся целью настоящего изобретения, делает возможным разделение потока, состоящего из метана, азота и гелия, на три потока: чистый поток метана, чистый поток азота и богатый гелием поток.

Настоящее изобретение делает возможным решение проблемы, связанной с решениями, заключающимися в частичной конденсации, путем получения как высокого выхода гелия (> 85%), так и высокого содержания гелия (> 50%), при этом не применяется колонна, предназначенная для отделения гелия.

Внедрение извлечения гелия в схему блока NRU с колонной двукратной ректификации делает возможным минимизацию затрат на оборудование и энергопотребления блока извлечения гелия (блока удаления гелия, HRU) без ограничения затрат на потребление и установку других деталей оборудования NRU.

Способ, являющийся целью настоящего изобретения, заключается в блоке NRU с колонной двукратной ректификации, в котором осуществляют полную конденсацию (или практически полную конденсацию, в связи с присутствием неконденсирующихся соединений) на уровне конденсатора колонны высокого давления HP. Жидкость, получаемая в верхней части данной колонны HP, частично используется в качестве обратного потока колонны HP и частично предназначена для использования в качестве обратного потока колонны низкого давления LP.

Особенность настоящего изобретения заключается в расширении жидкости, получаемой и не используемой в качестве обратного потока колонны HP, до промежуточного давления с целью, таким образом, «мгновенно» или моментально испарить (термин газ «мгновенного испарения» предназначен для обозначения пара моментального испарения) весь требуемый гелий в первом сосуде для отделения гелия (управление выходом), после чего следует частичная конденсация газа указанного «мгновенного испарения» (или пара моментального испарения) для получения газа, имеющего высокое содержание гелия во втором сосуде для отделения гелия.

Преимущественно будет возможно получение холода, требуемого для частичной конденсации газа «мгновенного испарения» (пара моментального испарения), из первого сосуда для отделения гелия путем испарения при низком давлении жидкости из нижней части второго сосуда для отделения гелия.

Способ, являющийся целью настоящего изобретения, показан на фиг. 1.

На фиг. 1 исходный поток 1 газа, содержащий по меньшей мере гелий, метан и азот, вводят под давлением приблизительно 50 бар абсолютного давления в теплообменник 2. Поток 3 на выходе указанного теплообменника 2 расширяют с помощью, например, клапана 4 перед введением в колонну 5 высокого давления блока 6 с колонной двукратной ректификации, содержащего дистилляционную колонну 5 высокого давления, дистилляционную колонну 7 низкого давления и конденсатор 8, соединяющий колонну 5 высокого давления с колонной 7 низкого давления.

Исходный поток 1 газа содержит, на 100% по объему, например, от 20% по объему до 80% по объему метана, от 20% по объему до 80% по объему азота и от 1 ppm по объему до 1% по объему гелия.

Давление колонны высокого давления составляет, например, 30 бар абс., а давление в колонне низкого давления составляет, например, 2 бар абс.

Принцип блока с колонной двукратной ректификации широко описан в уровне техники, например, в документе за авторством Ruheman, «The separation of gases» Oxford University press, 1949, глава 7 или же в документе за авторством Barron, «Cryogenic systems», mcGraw Hill, Inc., 1996, стр. 230, Air Separation Systems.

Термин «блок удаления азота» относится к устройству, в котором азот и метан разделяют путем криогенной ректификации.

Для увеличения выхода гелия также возможно осуществить многократное введение в колонну 5 высокого давления: часть (3d) потока 3 вводят в основном в жидкой форме, а часть (3c) вводят в основном в газообразной форме в нижней части колонны 5 для испарения гелия, который в противном случае был бы захвачен в жидком метане.

Часть 9 жидкого потока 11, выходящего из конденсатора 8, расположенная в нижней части колонны 7 низкого давления, используется в качестве обратного потока в верхней части 10 колонны 5 высокого давления. В схеме традиционного NRU с колонной двукратной ректификации остаток жидкости 11 охлаждают и затем расширяют, чтобы непосредственно использовать в качестве обратного потока колонны низкого давления. Объект настоящего изобретения заключается в использовании части 12 указанного потока 11 жидкости для извлечения из него гелия перед использованием его в качестве обратного потока колонны низкого давления.

Данный поток 11 жидкости, как правило, содержит менее 2% по объему метана, более 95% по объему азота и от 0,5% по объему до 3% по объему гелия.

Температура потока 12 жидкости составляет, например, от -150°C до -165°C.

Данный поток 12 жидкости расширяют до промежуточного давления с помощью, например, клапана 13. Данное промежуточное давление составляет, как правило, от приблизительно 8 бар абс. до 15 бар абс. Оно составляет, например, 12 бар абс.

Благодаря этому расширению поток жидкости был испарен, то есть, газ был моментально образован (то есть газ «мгновенного испарения»). Поток 14, полученный таким образом, содержит большую часть жидкости и меньшую часть газа. Данный газ является обогащенным гелием. Данный обогащенный гелием газ содержит по меньшей мере 80% по объему гелия, содержащегося в потоке 12 жидкости. Двухфазный поток 14 вводят в первый сосуд 15 для разделения фаз. В сосуде 15 получают поток 16 жидкости и поток 17 газа. Поток 17 газа содержит более 80% по объему гелия, содержащегося в исходном потоке 1.

Тем не менее, данный поток 17 газа содержит азот. Поток 16 жидкости, содержащий большую часть азота, но также гелий и метан, вводят в верхнюю часть 18 колонны 7 низкого давления после расширения, например, с помощью клапана 19, чтобы служить в качестве обратного потока колонны 7 низкого давления. Поток 20 на выходе верхней части 21 колонны 7 вводят в теплообменник 22 или 2 для получения потока 23, богатого азотом или даже чистого в отношении азота, не содержащего гелий и содержащего менее 1,5% по объему метана.

Поток 17 обогащенного гелием газа, как правило, содержит более 70% по объему азота, более 5% по объему гелия и менее 2% по объему метана, например, 90% по объему азота, от 8% до 10% по объему гелия и менее 0,5% по объему метана. Данный поток 17 газа вводят в теплообменник 24 для по меньшей мере частичной конденсации. Смесь 25, конденсированную таким образом, вводят во второй сосуд 26 для разделения фаз. Поток 27 газа извлекают в верхней части сепаратора 26. Данный поток 27 газа содержит более 50% по объему гелия, предпочтительно более 60% по объему гелия, более предпочтительно более 70% по объему гелия. Поток 27 газа может необязательно повторно проходить через теплообменник 24.

Жидкая фаза 28 из сепаратора 26 служит для охлаждения теплообменника 24 после расширения до давления менее 3 бар абс., например, с помощью регулятора давления, такого как клапан 29. Данный поток 28 жидкости является чистым в отношении азота, например, он содержит более 99% по объему азота.

Благодаря установке 31, содержащей блок 6 удаления азота и блок 30 извлечения гелия, как показано на фиг. 1 и согласно способу, являющемуся целью настоящего изобретения, как описано ранее, с исходным потоком 1, содержащим приблизительно 50% по объему азота, 50% по объему метана и 0,3% по объему гелия, получают чистоту гелия в потоке 27 приблизительно 74% по объему и выход гелия приблизительно 91%.

Изобретение относится к газовой промышленности. Способ получения потока (27) газа гелия из исходного потока (1) газа, содержащего по меньшей мере гелий, метан и азот, включает следующие этапы: этап a): введения исходного потока (1) газа в блок (6) удаления азота с колонной двукратной ректификации, которая содержит дистилляционную колонну (5) высокого давления, дистилляционную колонну (7) низкого давления и конденсатор (8), соединяющий колонну (5) высокого давления с колонной (7) низкого давления; этап b): извлечения на выходе конденсатора (8) по меньшей мере одной части (12) смеси (11), получаемой в верхней части колонны (5) высокого давления; этап c): расширения указанной смеси, получаемой на этапе b), до промежуточного давления, составляющего от 8 до 20 бар абсолютного давления; этап d): разделения смеси (14), получаемой на этапе c), в первом сосуде (15) для разделения фаз на жидкую фазу (16) и обогащенную гелием газовую фазу (17); этап e): по меньшей мере частичной конденсации обогащенной гелием газовой фазы (17) в теплообменнике (24); этап f): разделения потока (25), получаемого на этапе e), во втором сосуде (26) для разделения фаз на жидкую фазу (28) и газовую фазу (27), содержащую более 50% по объему гелия. Техническим результатом является упрощение установки и снижение энергопотребления. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения потока (27) газа гелия из исходного потока (1) газа, содержащего по меньшей мере гелий, метан и азот, включающий по меньшей мере следующие этапы:

этап a): введения указанного исходного потока (1) газа в блок (6) удаления азота с колонной двукратной ректификации, причем указанная колонна двукратной ректификации содержит дистилляционную колонну (5) высокого давления, дистилляционную колонну (7) низкого давления и конденсатор (8), соединяющий колонну (5) высокого давления с колонной (7) низкого давления;

этап b): извлечения на выходе указанного конденсатора (8) по меньшей мере одной части (12) смеси (11), получаемой в верхней части колонны (5) высокого давления;

этап c): расширения указанной смеси, получаемой на этапе b), до промежуточного давления, составляющего от 8 до 20 бар абсолютного давления;

этап d): разделения смеси (14), получаемой на этапе c), в первом сосуде (15) для разделения фаз на жидкую фазу (16) и обогащенную гелием газовую фазу (17);

этап e): по меньшей мере частичной конденсации указанной обогащенной гелием газовой фазы (17) в теплообменнике (24);

этап f): разделения потока (25), получаемого на этапе e), во втором сосуде (26) для разделения фаз на жидкую фазу (28) и газовую фазу (27), содержащую более 50% по объему гелия.

2. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что включает этап g): использования в качестве охлаждающего средства жидкой фазы (28) после расширения, получаемого на этапе f), в указанном теплообменнике (24), применяемом на этапе e).

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что на этапе g) указанную жидкую фазу (28) испаряют при давлении от 0,1 до 3 бар абсолютного давления.

4. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на этапе a) поток газа вводят в колонну (5) высокого давления на по меньшей мере двух уровнях подачи, причем паровая фракция первой подачи (3d) меньше, чем паровая фракция второй (3c), и при этом первую подачу (3d) вводят на более высоком уровне указанной колонны (5) высокого давления, чем вторую (3c).

5. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает этап h): извлечения газовой фазы (27), получаемой на этапе f), в виде богатого гелием продукта, содержащего по меньшей мере 75% по объему гелия.

6. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что температура на выходе конденсатора (8) на этапе b) составляет от -150 до -165°C.

7. Способ по предыдущему пункту, отличающийся тем, что давление в колонне (5) высокого давления составляет от 20 до 50 бар абсолютного давления, а давление в колонне низкого давления составляет от 1 до 5 бар абсолютного давления.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что температура, при которой осуществляют этап c), составляет от -160 до -180°C.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что температура, при которой осуществляют этап e), составляет от -180 до -210°C.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что жидкую фазу (16), получаемую на этапе d), вводят в колонну (7) низкого давления указанного блока (6) удаления.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает дополнительный этап получения обогащенного азотом потока (23), содержащего менее 2% по объему метана, из потока (20) газа из верхней части (21) колонны (7) низкого давления.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что исходный поток (1) газа содержит от 20 до 80% по объему метана, от 20 до 80% по объему азота и от 0 до 2% по объему гелия.