Способ и устройство для очистки гелия Российский патент 2022 года по МПК F25J3/08 

Данное изобретение относится к способу и устройству для очистки гелия.

Содержание гелия в обработанном газе составляет более чем 10%, предпочтительно более чем 30% (мол. %). Обработанный газ также содержит азот. Содержание азота составляет более чем 10%, предпочтительно более чем 30%. Обработанный газ может также содержать второстепенные соединения, такие как монооксид углерода, диоксид углерода, метан, водород, неон, и т.п.

Гелий обрабатывают на нескольких стадиях. Стадии могут являться следующими:

1. Сжатие исходного газа.

2. Обогащение вплоть до содержания 70-90 мол. % гелия посредством криогенного процесса «частичной конденсации».

3. Удаление водорода, содержащегося в газе, посредством каталитического процесса.

4. Очистка вплоть до содержания 99,99 мол. % гелия при применении короткоцикловой безнагревной адсорбции с колебаниями давления (PSA).

Если газ, подлежащий отделению, находится под давлением, стадия сжатия очевидным образом не присутствует.

Очищенный гелий может затем быть ожижен.

Способ по данному изобретению может быть включен в узел для очистки гелия и сжижения, HeRU (Узел для извлечения гелия).

Остаточный газ от короткоцикловой безнагревной адсорбции с колебаниями давления (PSA) может быть направлен в компрессор, чтобы извлекать содержащийся в нем гелий. Остаточный газ очищают выше по потоку от компрессора посредством короткоцикловой адсорбции с колебаниями температуры (TSA) перед введением в процесс очистки. Короткоцикловая адсорбция с колебаниями температуры (TSA) удаляет воду и CO₂, содержащиеся в остаточном газе от короткоцикловой безнагревной адсорбции с колебаниями давления (PSA).

Для того, чтобы обновить короткоцикловую адсорбцию с колебаниями температуры (TSA), применяют азот, созданный посредством криогенного процесса, и данный азот, который содержит немного % метана, затем выпускают в атмосферу.

Данное изобретение направлено на уменьшение количества метана, создаваемого от этого регенерационного газа, который выпускают в атмосферу.

В соответствии с одним объектом данного изобретения, предоставлен способ очистки гелия, в котором:

i) поток, содержащий по меньшей мере 10% гелия, по меньшей мере 10% азота в дополнение к водороду и метану, и либо не содержащий никакого диоксида углерода или содержащий диоксид углерода в качестве второстепенного компонента, разделяют посредством частичной конденсации и/или дистилляции, чтобы образовать поток, обогащенный гелием, содержащий водород, первый поток, обогащенный азотом и метаном, и второй поток, обогащенный азотом и метаном,

ii) поток, обогащенный гелием, направляют в каталитический узел в присутствии кислорода, чтобы уменьшить содержание в нем водорода, поток, обогащенный гелием и обедненный водородом, обрабатывают, чтобы удалить по меньшей мере часть воды, образованной посредством катализа, поток, обогащенный гелием, из которого часть воды была удалена, очищают посредством адсорбции в первом адсорбционном узле, чтобы получить газ, обогащенный гелием, содержащий по меньшей мере 95 мол. % гелия, и остаточный газ, обедненный гелием, содержащий воду,

iii) остаточный газ, обедненный гелием, содержащий воду, разделяют посредством адсорбции во втором адсорбционном узле, чтобы удалить воду,

iv) первый поток, обогащенный азотом и метаном, направляют в узел для сжигания, чтобы участвовать в сжигании, и газообразные продукты сгорания выпускают в атмосферу или регенерируют,

v) второй поток, обогащенный азотом и метаном, направляют в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел, и газ, который служит для регенерации, направляют в узел для сжигания, чтобы участвовать в сжигании.

В соответствии с другими необязательными аспектами:

- остаточный газ, из которого удалена вода в первом адсорбционном узле, направляют в процесс разделения.

- остаточный газ и газ, подлежащий отделению, сжимают выше по потоку от узла для разделения в том же самом компрессоре.

- первый и второй потоки, обогащенные азотом и метаном, имеют один и тот же состав.

- поток, содержащий по меньшей мере 10% гелия, по меньшей мере 10% азота в дополнение к водороду и метану, разделенный посредством частичной конденсации и/или дистилляции, содержит по меньшей мере 30 мол. % гелия или даже по меньшей мере 40 мол. % гелия.

- второй поток, обогащенный азотом и метаном, направляемый в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел, содержит по меньшей мере 85 мол. % азота.

- второй поток, обогащенный азотом и метаном, направляемый в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел, содержит по меньшей мере 1 мол. % метана.

- второй адсорбционный узел является адсорбционным узлом с колебаниями температуры.

- газ, который служит для регенерации, смешивают с первым газом, обогащенным азотом и метаном, выше по потоку от сжигания.

- в соответствии с одним рабочим режимом устройства, по меньшей мере часть первого газа, обогащенного азотом и метаном, направляют в процесс разделения.

- поток не содержит каких-либо C2+ углеводородов.

- поток, обогащенный гелием и обедненный водородом, обрабатывают, чтобы удалить по меньшей мере часть воды, образованной посредством катализа, посредством охлаждения ее, чтобы конденсировать воду.

В соответствии с другим объектом данного изобретения, предоставлен узел для очистки гелия, содержащий узел для разделения посредством частичной конденсации и/или посредством дистилляции, каталитический узел, первый адсорбционный узел, второй адсорбционный узел, узел для сжигания, средство для подачи потока, содержащего по меньшей мере 10% гелия, по меньшей мере 10% азота в дополнение к водороду и метану и либо не содержащего никакого диоксида углерода или содержащего диоксид углерода в качестве второстепенного компонента, подлежащего разделению посредством частичной конденсации и/или дистилляции в узле для разделения, чтобы образовать поток, обогащенный гелием, содержащий водород, первый поток, обогащенный азотом и метаном, и второй поток, обогащенный азотом и метаном, средство для подачи потока, обогащенного гелием, к каталитическому узлу в присутствии кислорода, чтобы уменьшить содержание в нем водорода, средство для обработки потока, обогащенного гелием и обедненного водородом, чтобы удалить воду, образованную посредством катализа, средство для подачи потока, обогащенного гелием, к средству для обработки для удаления воды, средство для подачи потока, обогащенного гелием, из которого вода была удалена, в первый адсорбционный узел, чтобы разделять его посредством адсорбции, чтобы получить газ, обогащенный гелием, содержащий по меньшей мере 95 мол. % гелия, и остаточный газ, обедненный гелием, средство для подачи потока остаточного газа, обедненного гелием, содержащего воду, подлежащего отделению посредством адсорбции в первом адсорбционном узле, чтобы удалить воду, средство для подачи первого потока, обогащенного азотом и метаном, в узел для сжигания, чтобы участвовать в сжигании, средство для выпуска газообразных продуктов сгорания в атмосферу или направления их в восстановительный узел, средство для подачи второго потока, обогащенного азотом и метаном, в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел и средство для подачи потока газа, который служит для регенерации, в узел для сжигания, чтобы участвовать в сжигании.

Данное изобретение будет описано более подробно при ссылке на Фиг. 1. Фиг. 1 иллюстрирует способ в соответствии с данным изобретением.

Поток 1, содержащий по меньшей мере 10 мол. %, предпочтительно по меньшей мере 30 мол. % гелия и по меньшей мере 10 мол. % азота, и также метан и водород, сжимают в компрессоре V и направляют в узел U для низкотемпературного разделения, где его разделяют посредством по меньшей мере одной стадии частичной конденсации, необязательно посредством дистилляции. Это разделение происходит при криогенной температуре. Поток 1 не содержит никакого диоксида углерода или содержит диоксид углерода в качестве второстепенного компонента.

1. Это устройство U создает поток 3, обогащенный гелием и водородом, однако обедненный азотом и метаном, первый поток 9, обогащенный азотом и метаном, и второй поток 11, обогащенный азотом и метаном. Потоки 9 и 11 могут иметь один и тот же состав. Поток 3 содержит по меньшей мере 30 мол. % гелия или даже по меньшей мере 40 мол. % гелия или даже имеет содержание 70-90 мол. % гелия. Поток 9 и/или 11 содержит по меньшей мере 85 мол. % азота или даже по меньшей мере 90 мол. % азота.

Из потока 3 извлекают водород посредством катализа в узле K в присутствии кислорода, тем самым создавая водяной пар. Поток 5, полученный от каталитического процесса, содержит гелий, водяной пар, азот и метан. Этот поток 5 обрабатывают, чтобы удалить часть воды посредством его охлаждения таким образом, что часть воды конденсируется, или посредством других средств. Поток 5, из которого конденсированная вода была удалена, затем очищают посредством адсорбции в устройстве для короткоцикловой безнагревной адсорбции (PSA), чтобы получить гелий 7 при 99,99 мол. %. Другой тип устройства для адсорбции может заменять адсорбцию при переменном давлении.

Остаточный продукт 15 от устройства для короткоцикловой безнагревной адсорбции (PSA) обеднен гелием по сравнению с потоком 5 и содержит воду и возможно следовые количества CO₂. Остаточный продукт 15 разделяют посредством адсорбции в устройстве для короткоцикловой адсорбции с колебаниями температуры (TSA), чтобы удалить воду и возможно следовые количества CO₂. Другой тип устройства для адсорбции может заменять адсорбцию при переменной температуре.

Газ 15 является не сжатым между двумя стадиями адсорбции. Полученный газ, газ 17, необязательно направляют выше по потоку от компрессора V, чтобы извлекать содержащийся в нем гелий посредством отделения в устройстве U.

Для того, чтобы регенерировать это устройство для короткоцикловой адсорбции с колебаниями температуры (TSA), применяют газовый поток 11, обогащенный азотом и метаном, от устройства U. Газ, который служит для регенерации, газ 13, содержит воду, и является смешанным с первым потоком 9, обогащенным азотом и метаном. Оба газа подают для сжигания в узел O (который может являться горелкой) в присутствии кислорода 21, необязательно содержащего воздух. Это создает смесь 23 азота и диоксида углерода, которую выпускают в атмосферу, метан при этом является сожженным.

Это устраняет выпуск метана, который является газом со значительным парниковым эффектом, в атмосферу.

Возможно для газообразных продуктов сгорания 23 являться по меньшей мере частично извлеченными, в данном случае отсутствие метана способствует их извлечению.

В периодах низкой нагрузки, часть 19 газа 9 или весь газ 9 может быть рециркулирован в криогенное разделение.

Изобретение относится к способу очистки гелия. Поток (1), содержащий по меньшей мере 10% гелия, по меньшей мере 10% азота в дополнение к водороду и метану, разделяют, чтобы образовать поток (3), обогащенный гелием, содержащий водород, первый поток (9), обогащенный азотом и метаном, и второй поток (11), обогащенный азотом и метаном. Поток, обогащенный гелием, обрабатывают, чтобы получить продукт (7), обогащенный гелием, и остаточный газ (15), содержащий воду. Остаточный газ обрабатывают посредством адсорбции (короткоцикловой адсорбции с колебаниями температуры (TSA)), чтобы удалить воду, и регенерационный газ (13) от адсорбции направляют в узел для сжигания (O). Техническим результатом является уменьшение количества метана, выпускемого в атмосферу. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки гелия, в котором:

i) поток (1), содержащий по меньшей мере 10% гелия, по меньшей мере 10% азота в дополнение к водороду и метану, и либо не содержащий никакого диоксида углерода или содержащий диоксид углерода в качестве второстепенного компонента, разделяют посредством частичной конденсации и/или дистилляции, чтобы образовать поток (3), обогащенный гелием, содержащий водород, первый поток (9), обогащенный азотом и метаном, и второй поток (11), обогащенный азотом и метаном,

ii) поток, обогащенный гелием, направляют в каталитический узел (K) в присутствии кислорода, чтобы уменьшить содержание в нем водорода, поток (5), обогащенный гелием и обедненный водородом, обрабатывают, чтобы удалить по меньшей мере часть воды, образованной посредством катализа, поток, обогащенный гелием, из которого часть воды была удалена, очищают посредством адсорбции в первом адсорбционном узле - узле короткоцикловой безнагревной адсорбции (PSA), чтобы получить газ (7), обогащенный гелием, содержащий по меньшей мере 95 мол. % гелия, и остаточный газ (15), обедненный гелием, содержащий воду,

iii) остаточный газ, обедненный гелием, содержащий воду, разделяют посредством адсорбции во втором адсорбционном узле (TSA), чтобы удалить воду,

iv) первый поток (9), обогащенный азотом и метаном, направляют в узел (O) для сжигания, чтобы участвовать в сжигании, и газообразные продукты сгорания (23) выпускают в атмосферу или регенерируют, и

v) второй поток (11), обогащенный азотом и метаном, направляют в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел, и газ (13), который служит для регенерации, направляют в узел для сжигания, чтобы участвовать в сжигании.

2. Способ по п. 1, в котором остаточный газ (15, 17), из которого удалена вода во втором адсорбционном узле (TSA), направляют в процесс разделения (U).

3. Способ по п. 2, в котором остаточный газ (17) и газ (1), подлежащий отделению, сжимают выше по потоку от узла для разделения в одном и том же компрессоре (V).

4. Способ по пп. 1, или 2, или 3, в котором первый и второй потоки (9, 11), обогащенные азотом и метаном, имеют один и тот же состав.

5. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором поток (3), содержащий по меньшей мере 10% гелия, по меньшей мере 10% азота в дополнение к водороду и метану, разделенный посредством частичной конденсации и/или дистилляции, содержит по меньшей мере 30 мол. % гелия или даже по меньшей мере 40 мол. % гелия.

6. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором второй поток (11), обогащенный азотом и метаном, направляемый в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел (TSA), содержит по меньшей мере 85 мол. % азота.

7. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором второй поток (11), обогащенный азотом и метаном, направляемый в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел (TSA), содержит по меньшей мере 1 мол. % метана.

8. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором второй адсорбционный узел (TSA) является адсорбционным узлом с колебаниями температуры.

9. Узел для очистки гелия, содержащий узел (U) для разделения посредством частичной конденсации и/или посредством дистилляции, каталитический узел (K), первый адсорбционный узел (PSA), второй адсорбционный узел (TSA), узел для сжигания (O), средство для подачи потока (1), содержащего по меньшей мере 10% гелия, по меньшей мере 10% азота в дополнение к водороду и метану и либо не содержащий никакого диоксида углерода или содержащий диоксид углерода в качестве второстепенного компонента, подлежащего разделению посредством частичной конденсации и/или дистилляции в узле для разделения, чтобы образовать поток (3), обогащенный гелием, содержащий водород, первый поток (9), обогащенный азотом и метаном, и второй поток (11), обогащенный азотом и метаном, средство для подачи потока, обогащенного гелием, в каталитический узел в присутствии кислорода, чтобы уменьшить содержание в нем водорода, средство для обработки потока (5), обогащенного гелием и обедненного водородом, чтобы удалить воду, образованную посредством катализа, средство для подачи потока, обогащенного гелием, к средству для обработки для удаления воды, средство для подачи потока, обогащенного гелием, из которого вода была удалена, в первый адсорбционный узел, чтобы разделять его посредством адсорбции, чтобы получить газ (7), обогащенный гелием, содержащий по меньшей мере 95 мол. % гелия и остаточный газ (15), обедненный гелием, средство для подачи остаточного газа, обедненного гелием, содержащего воду, подлежащую отделению посредством адсорбции во втором адсорбционном узле, чтобы удалить воду, средство для подачи первого потока, обогащенного азотом и метаном в узел для сжигания, чтобы участвовать в сжигании, средство для выпуска газообразных продуктов сгорания в атмосферу или направления их в восстановительный узел, средство для подачи второго потока, обогащенного азотом и метаном, в качестве регенерационного газа во второй адсорбционный узел и средство для подачи потока газа, который служит для регенерации (13), в узел для сжигания, чтобы участвовать в сжигании.