Способ очистки природного азотсодержащего газа высокого давления от гелия Российский патент 2023 года по МПК B01D61/58 

Изобретение относится к области разделения газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран и может быть использовано в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Из уровня техники известен способ многостадийной очистки газовой смеси, включающий подачу по трубопроводу исходной газовой смеси в полость высокого давления первого мембранного газоразделительного модуля, подачу части не проникшего через мембрану потока газа с выхода полости высокого давления первого мембранного газоразделительного модуля в полость высокого давления второго мембранного газоразделительного модуля, непрерывное отведение при этом другой части не проникшего через мембрану потока газа и направление его на продувку полости низкого давления первого мембранного газоразделительного модуля, подачу проникшего потока газа из полости низкого давления первого мембранного газоразделительного модуля на утилизацию, направление не проникшего во втором мембранном газоразделительном модуле газового потока к потребителю и подачу проникшего потока газа с выхода полости низкого давления второго мембранного газоразделительного модуля в трубопровод подачи исходного газа, при этом в полости низкого давления второго мембранного газоразделительного модуля с помощью вакуум-компрессора понижают давление и компримируют выходящий из этой полости газ (патент RU 2456061, МПК B01D 53/22, опубл. 20.07.2012 г.).

Наиболее близким к заявляемому является способ многостадийной очистки газовой смеси, включающий подачу по трубопроводу исходной газовой смеси в полость высокого давления первого мембранного газоразделительного модуля, подачу части не проникшего через мембрану потока газа с выхода полости высокого давления первого мембранного газоразделительного модуля в полость высокого давления второго мембранного газоразделительного модуля, непрерывное отведение другой части не проникшего через мембрану потока газа и направление ее на продувку полости низкого давления первого мембранного газоразделительного модуля, подачу проникшего потока газа из полости низкого давления первого мембранного газоразделительного модуля на утилизацию, направление части не проникшего во втором мембранном газоразделительном модуле газового потока к потребителю, отведение другой части не проникшего через мембрану потока газа и направление ее на продувку полости низкого давления второго мембранного газоразделительного модуля, подачу проникшего потока газа с выхода полости низкого давления второго мембранного газоразделительного модуля в трубопровод подачи исходной газовой смеси, в полости низкого давления каждого мембранного газоразделительного модуля с помощью вакуум-компрессора понижают давление и компримируют выходящий из этих полостей газ (патент RU 2459654, МПК B01D 53/22, опубл. 27.08.2012 г.).

Недостатком рассмотренных выше способов является узкая направленность процесса с извлечением одного целевого компонента (гелия), что делает их малоэффективными при использовании для газовых смесей, обогащенных балластными инертными газами.

Техническая проблема, на разрешение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения качественных показателей товарных продуктов при подготовке к транспорту и передаче потребителю природного газа за счет повышения степени извлечения как целевого компонента (гелия), так и инертного компонента (азота) из газовой смеси, при расширении ассортимента извлекаемых газов.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является создание способа очистки природного азотсодержащего газа высокого давления от гелия, позволяющего улучшить качественный состав товарных продуктов - природного газа и гелия, а также повысить объемную теплоту сгорания товарного природного газа за счет снижения в нем содержания азота.

В способе очистки природного азотсодержащего газа высокого давления от гелия используют три ступени мембранного разделения, причем поток пермеата первой ступени мембранного разделения, содержащий гелий, а также компоненты природного газа и азот, компримируют до давления, равного давлению сырьевого газа и разделяют на два потока, один из которых подают на вторую ступень мембранного разделения, где его разделяют на поток ретентата второй ступени, содержащий компоненты природного газа и направляемый совместно с потоком ретентата первой ступени потребителю, и поток пермеата второй ступени, содержащий концентрат гелия и азот, а второй поток подают на третью ступень мембранного разделения, где его разделяют на поток ретентата третьей ступени, содержащий азот и компоненты природного газа, направляемый на собственные нужды предприятия, и поток пермеата третьей ступени, содержащий концентрат гелия и направляемый совместно с потоком пермеата второй ступени на дальнейшую переработку.

Изобретение поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема установки для реализации способа, Фиг. 2 с мембранным модулем в разрезе, Таблицей 1, в которой показано содержание азота в ретентате третьей ступени мембранного разделения и Таблицей 2, где приведены справочные данные с характеристиками проницаемости используемых полимерных мембран.

Позициями на Фиг. 1 обозначены: коллектор сырьевого газа 1, блок мембранного разделения первой ступени с картриджами, селективными по гелию 2, коллектор ретентата первой ступени мембранного разделения (с очищенным от гелия товарным природным газом) 3, коллектор пермеата первой ступени мембранного разделения (с обогащенным гелием природным газом) 4, межступенчатая компрессорная станция 5, коллектор газа для подачи на вторую и третьею ступени мембранного разделения 6, блок мембранного разделения второй ступени с картриджами, селективными по гелию 7, блок мембранного разделения третьей ступени с картриджами, селективными по азоту 8, коллектор ретентата второй ступени мембранного разделения (с очищенным от гелия товарным природным газом) 9, коллектор пермеата второй ступени мембранного разделения (с гелиевым концентратом) 10, коллектор ретентата третьей ступени мембранного разделения (с обогащенным азотом топливным газом на собственные нужды предприятия) 11, коллектор пермеата третьей ступени мембранного разделения (с гелиевым концентратом) 12, общий коллектор пермеата второй и третьей ступеней мембранного разделения (с гелиевым концентратом) 13.

Установка для реализации способа включает три блока мембранного разделения 2, 7 и 8 (Фиг. 1). Каждый из этих блоков включает от двух мембранных модулей (Фиг. 2), подключенных параллельно. Сырьевой газ с давлением 90-100 бар из коллектора сырьевого газа 1 поступает на вход блока мембранного разделения первой ступени 2, где на мембранных модулях с картриджами, селективными по гелию, происходит выделение гелиевого концентрата из природного газа. Ретентат первой ступени мембранного разделения из коллектора 3 представляет собой очищенный от гелия товарный природный газ и отводится с установки потребителю. Поток пермеата первой ступени мембранного разделения из коллектора 4, представляющий собой обогащенный гелием природный газ, поступает на межступенчатую компрессорную станцию 5, где компримируется до давления, равного сырьевому (90-100 бар), после чего поступает в коллектор 6 для подачи на вторую и третью ступени мембранного разделения. Одна часть газового потока из коллектора 6 подается на блок мембранного разделения 7 второй ступени мембранного разделения с картриджами, селективными по гелию, где извлекается дополнительное количество гелия. Пермеат второй ступени мембранного разделения (гелиевый концентрат) через коллектор 10 второй ступени мембранного разделения отводится с установки в хранилище гелиевого концентрата (на Фиг. 1 не показано), или на переработку. Поток 9 ретентата второй ступени мембранного разделения (очищенный от гелия природный газ) поступает для смешения с потоком ретентата первой ступени мембранного разделения 3 и отводится потребителю. Другая часть потока из коллектора 6 газа второй и третьей ступени мембранного разделения поступает в блок 8 мембранного разделения третьей ступени с картриджами, селективными по азоту. Пермеат третьей ступени мембранного разделения собирается в коллекторе 12, поступает в общий коллектор пермеата второй и третьей ступеней мембранного разделения 13 на смешение с перметатом второй ступени мембранного разделения 10 и отводится в хранилище гелиевого концентрата (на Фиг. 1 не показано), или на переработку. Ретентат третьей ступени мембранного разделения - обогащенный азотом природный газ, поступает в коллектор 11, откуда подается в топливную систему на собственные нужды предприятия (на Фиг. 1 не показана).

Единичный мембранный модуль (Фиг. 2) представляет собой полый цилиндр из полимерных мембранных волокон, расположенных параллельно друг другу и помещенный внутрь цилиндра из непроницаемого для разделяемой газовой смеси материала. Сырьевой газ подается в мембранный модуль через входной штуцер, расположенный в центральной части мембранного модуля. На торцах мембранного модуля расположены втулки из пористого полимерного материала, проницаемого для разделяемой газовой смеси. Далее разделяемый сырьевой газ под собственным напором перемещается внутри цилиндрического мембранного модуля от торцов к центру. При этом в процессе движения сырьевой газ покидают компоненты, проникающие через мембрану, собираются в межволоконном пространстве и образуют поток пермеата, отводимый с торцов мембранного модуля через соответствующие штуцеры в коллектор пермеата. Поток не проникших компонентов сырьевого газа (ретентат) отводится через штуцер ретентата, расположенный по центру мембранного модуля с противоположной от входного штуцера стороны.

Подбор характеристик мембранных модулей включает выбор материала полимерной мембраны, толщину и эластичность ее волокон, количество волокон в пучке. Среди полимеров, используемых в мембранном газоразделении, преимущественно выделяют две подгруппы: высокоэластичные и стеклообразные полимеры. Для первых характерна следующая зависимость проницаемости в порядке убывания: He>CH₄>N₂, для вторых: He>N₂>CH₄ (таблица 2, в соответствии с "Membrane Gas Separation", Yu. Yampolskii, B.D. Freeman, Eds., Wiley, Chichester, 2010.) На практике в задачах выделения гелия преимущественно используют стеклообразные полимеры, благодаря их высокой селективности по паре метан-гелий.

В предложенном способе очистки природного газа от гелия для мембранных модулей первой и второй ступеней мембранного разделения использованы стеклообразные полимерные мембраны, селективные по гелию. Добавление второй ступени мембранного разделения увеличивает отбор гелия, который собирается в потоке пермеата. В потоке ретентата концентрируются метан и более тяжелые компоненты природного газа. Использование на третьей ступени мембранного разделения картриджей с другим материалом мембран -высокоэластичными полимерами - позволяет отделить дополнительное количество гелия и не допустить проникновение азота в поток пермеата. При этом на третьей ступени мембранного разделения получается ретентат, обогащенный азотом, и имеющий за счет этого более низкую теплоту сгорания. Этот низкокалорийный поток с высоким содержанием азота не поступает в поток товарного природного газа, а используется в качестве источника энергии на топливные нужды предприятия.

Потоки ретентата первой и второй ступени мембранного разделения представляют собой товарный природный газ, очищенный от гелия. Концентрат гелия (пермеат третьего мембранного блока) подается на смешение с пермеатом второго мембранного блока и выводится с установки в хранилище гелиевого концентрата.

Третья ступень мембранного разделения может быть подключена как параллельно второй ступени, так и последовательно. При последовательном подключении в качестве сырьевого потока третьей ступени используется поток ретентата второй ступени 9. При такой схеме подключения количество отделяемого азота можно дозировать при помощи запорно-регулирующей арматуры как перед подачей на третью ступень (в этом случае снижается нагрузка на мембранный модуль третьей ступени и повышается селективность по азоту), так и после третьей ступени. В последнем случае калорийность (теплота сгорания) товарного природного газа регулируется максимально эффективно, и такая схема преимущественно используется при повышенном расходе газа на топливные нужды предприятия.

Указанный способ реализован на Чаяндинском НГКМ, где в составе установки мембранного выделения гелиевого концентрата использованы мембранные модули ПВМЭ-300-10-УВ и ПВМЭ-300-10-УВ2. При этом оптимальной является температура 50±5°С, т.к. ее повышение увеличивает производительность процесса, но при этом снижается селективность, и наоборот. Рабочее давление второй ступени и третьей ступени определяется режимом работы центральной дожимной компрессорной станции, и должно превышать его для организации подмешивания ретентата второй и третьей ступени к ретентату первой ступени, таким образом давление второй и третьей ступени фиксировано. Расход пермеата второй ступени зависит от температурного режима работы второй ступени и от количества включенных в работу модулей второй и третьей ступени. Дополнительным требованием к процессу является сохранение 99% углеводородов в потоке товарного природного газа, направляемом в магистральный трубопровод. Исходя из концентрации метана в потоке пермеата второй ступени от 40 до 60%, и для выполнения условия сохранения углеводородной фракции в потоке, направляемом в магистральный трубопровод, расход пермеата второй ступени составляет от 1,6 до 2,5% от потока сырьевого газа. Учитывая, что отбор пермеата первой ступени составляет от 5%, получаем, что суммарный отбор на второй и третьей ступени находится в диапазоне от 32 до 50% и настраивается в зависимости от требуемой концентрации гелия в суммарном пермеате второй и третьей ступеней.

Для указанного примера (Чаяндинское НГКМ) эффект со извлечения азота достигается за счет использования в качестве топливного газа потока с большей концентрацией азота. Содержание азота в разделяемых газовых потоках, рекомендованных к использованию в качестве топливного газа приведено в таблице 1. Как видно из таблицы 1, наибольшая концентрация азота в составе ретентата 3 ступени, который и используется в качестве топливного газа для собственных нужд предприятия.

Таким образом, наряду с получением двух целевых продуктов - товарного природного газа и гелиевого концентрата, использование предложенного способа позволяет снизить в товарном природном газе содержание инертного компонента - азота. Обогащенный инертным компонентом газ используется для собственных нужд предприятия. Несмотря на то, что содержание азота в товарном природном газе в настоящее время не лимитируется, его наличие существенно снижает такую нормируемую характеристику, как теплота сгорания. Поэтому снижение количества азота в товарном природном газе, наряду с извлечением ценного компонента - гелия, оказывает положительное влияние на товарные свойства газа, а, следовательно, на экономические показатели процесса подготовки природного газа к транспорту и переработке.

Изобретение относится к области разделения газовых смесей. В способе используют три ступени мембранного разделения. На первой и второй используют мембранные модули с повышенной селективностью к разделяемым компонентам в последовательности He>N₂>CH₄. На третьей - в последовательности He>CH₄>N₂. Поток пермеата первой ступени компримируют до давления сырьевого газа и разделяют на две части, одну часть подают на вторую ступень мембранного разделения, где из гелиевого концентрата в поток ретентата отделяют компоненты товарного природного газа. Вторую часть подают на третью ступень мембранного разделения, где из гелиевого концентрата в поток пермеата извлекают остаточное количество гелия. Поток ретентата третьей ступени с повышенным содержанием азота используют в качестве топливного газа на собственные нужды предприятия. Выходящий с установки товарный природный газ состоит из объединенных потоков ретентата первой и второй ступеней мембранного разделения, гелиевый концентрат состоит из объединенных потоков пермеата второй и третьей ступеней мембранного разделения. Изобретение обеспечивает создание способа очистки природного азотсодержащего газа высокого давления от гелия, позволяющего улучшить качественный состав товарных продуктов - природного газа и гелия, а также повысить объемную теплоту сгорания товарного природного газа за счет снижения в нем содержания азота. 2 ил., 2 табл.

Способ очистки природного азотсодержащего газа высокого давления от гелия, в котором используют три ступени мембранного разделения, причем поток пермеата первой ступени мембранного разделения, содержащий гелий, а также компоненты природного газа и азот компримируют до давления, равного давлению сырьевого газа, и разделяют на два потока, один из которых подают на вторую ступень мембранного разделения, где его разделяют на поток ретентата второй ступени, содержащий компоненты природного газа и направляемый совместно с потоком ретентата первой ступени потребителю, и поток пермеата второй ступени, содержащий концентрат гелия и азот, а второй поток подают на третью ступень мембранного разделения, где его разделяют на поток ретентата третьей ступени, содержащий азот и компоненты природного газа, направляемый на собственные нужды предприятия, и поток пермеата третьей ступени, содержащий концентрат гелия и направляемый совместно с потоком пермеата второй ступени на дальнейшую переработку.