Способ получения изотопа гелия-3 из природного гелия и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК F25J3/02 

Группа изобретений относится к области устройств и способов разделения изотопных смесей и извлечения изотопа гелия-3 из гелийсодержащего природного газа (сырья) и может быть использована, например, в химической промышленности.

Известны способы получения изотопа гелия-3 дистилляцией и устройства для их осуществления, описанные в группе изобретений по патенту US 8683825 В2 МПК F25J 3/00, F25J 1/00, опубл. 01.04.2014 г. и описанные в группе изобретений по патенту US 8671715 В2 МПК F25J 3/00, F25J 1/00, опубл. 18.03.2014 г. Способы получения изотопа гелия-3 дистилляцией содержат этапы ввода потока вещества (сырья), содержащего гелий, в основную секцию дистилляционной колонны; отведения верхнего потока вещества, содержащего гелий, обогащенный гелием-3, из верхней секции дистилляционной колонны, расположенной над основной секцией; отведения нижнего потока вещества, содержащего гелий, обедненный гелием-3, из нижней части основной секции дистилляционной колонны; и конденсации части потока пара в дистилляционной колонне в процессе теплообмена с первым потоком, проходящим через промежуточный конденсатор, расположенный внутри основной секции дистилляционной колонны. Устройства для получения изотопа гелия-3 дистилляцией содержат дистилляционную колонну с основной секцией и верхней секцией, при этом основная секция расположена под верхней секцией, а диаметр, основной секции больше диаметра верхней секции; магистраль подачи исходного потока, содержащего гелий, в дистилляционную колонну; верхний трубопровод для отвода потока, содержащего гелий, обогащенный гелием-3, из верхней секции дистилляционной колонны; нижний трубопровод для отвода потока, содержащего гелий, обедненный гелием-3, из нижней части основной секции дистилляционной колонны; и промежуточный конденсатор, функционально сконфигурированный для конденсации по меньшей мере первой части потока пара из дистилляционной колонны. Эти способы получения изотопа гелия-3 характеризуются низкой энергетической эффективностью (высокими удельными энергетическими затратами за счет необходимости прибегать к многократной ректификации), а реализующие их системы (комплексы) для получения изотопа гелия-3 сложны в управлении, особенно когда речь идет не об экспериментальном, а о товарном производстве.

Из изобретения по патенту RU 2710969 С1 МПК С01В 23/00, F25J 3/02, F25J 1/00, B01D 59/00, опубл. 14.01.2020 бюл. №2 известна установка извлечения гелия-3 из товарного жидкого гелия, содержащая внешний ожижитель гелия, блок ректификации с ректификационной колонной и 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. Несмотря на то, что такая установка характеризуется простым управлением (регулированием) ее производительности, ее реальная производительность допускает очень узкий ограниченный диапазон значений, что не способствует ее эффективному использованию.

Известны устройства для получения концентрата гелия-3 из природного гелия, описанные в полезной модели по патенту RU 173297 U1 МПК С01В 23/00, опубл. 25.08.2017 бюл. №24 и описанные в полезной модели по патенту RU 173384 U1 МПК С01В 23/00, F25J 3/00, опубл. 24.08.2017 бюл. №24, содержащие криостат с двумя емкостями, полости которых соединены между собой фильтром, при этом первая емкость соединена с каналом ввода природного гелия и каналом отвода концентрата гелия-3, а вторая емкость соединена с каналом отвода гелия-4 и снабжена нагревателем, а устройство снабжено средством нагнетания давления, оказываемого на фильтр природным гелием. Несмотря на то, что использование этих устройств позволяет снизить энергозатраты на термостатирование в процессе получения концентрата гелия-3 и увеличить общую эффективность процесса за счет ускорения процесса отведения гелия-4 и концентрата гелия-3, их использование позволяет получать концентрат гелия-3 в объемах, являющихся малыми с позиций товарного производства.

Из описания заявки на изобретение US 2019/0201938 А1 МПК B01D 53/22, F25J 3/00, опубл. 04.07.2019 г. известен способ извлечения гелия из газовой смеси, включающий стадии образования первого потока пермеата и первого потока ретентата на первой газоразделительной мембране, которая является селективной в отношении гелия по сравнению с другими газами из газовой смеси; сжатия первого потока пермеата для получения сжатого первого потока пермеата и последующего образования второго потока пермеата и второго потока ретентата на второй газоразделительной мембране, которая является селективной в отношении гелия по сравнению с другими газами из газовой смеси; подачи второго потока ретентата на третью газораспределительную мембрану и последующего образования третьего потока пермеата и третьего потока ретентата на третьей газоразделительной мембране, которая является селективной в отношении гелия по сравнению с другими газами из газовой смеси; подачи третьего потока ретентата на первую газораспределительную мембрану вместе с потоком газовой смеси. Использование данного способа позволяет увеличить выход гелия за счет его извлечения как из потоков пермеата, так и из потоков ретентата (возможно многократное извлечение), однако этот способ эффективен только в случае очень незначительных колебаний концентрации гелия в газовой смеси и очень незначительных изменений в составе газовой смеси в процессе работы.

Известно устройство для удаления и разделения изотопов гелия из природного газа, описанное в заявке на изобретение US 2017/0114294 А1 МПК C10L 30/10, B01D 53/22, С01 В23/00, B01D 59/12, опубл. 27.04.2017 г., содержащее два каскада с последовательными ступенями каждый, при этом первый каскад работает при давлении, равном или меньшем давлению от источника, обеспечивающего поток основного газа-носителя, и обеспечивает увеличение концентрации содержания первого газа (например, гелия) по отношению ко второму основному газу-носителю (например, метану) за счет селективной проницаемости смеси газов, которая обеспечивается при прохождении последовательных мембранных ступеней с более высокой проницаемостью для первого газа по отношению ко второму основному газу-носителю, а второй каскад работает при давлении ниже давления, действующего в первом каскаде и обеспечивает проведение изотопного разделения выходного потока первого газа первого каскада посредством диффузии этого газа через инертные пористые мембраны, при этом на выходе второго каскада получается два выходных потока, один из которых является обедненным более легкими изотопами гелия (например, представляет собой поток гелия-4 или содержит, главным образом, гелий-4), а другой, представляющий практический интерес, является обогащенным более легкими изотопами гелия (например, представляет собой поток гелия-3 или содержит, главным образом, гелий-3). Несмотря на то, что, согласно описанию, это устройство имеет эффективную с точки зрения энергопотребления конфигурацию и использует небольшое количество вращающихся частей, эффективное функционирование такого устройства возможно только при очень хорошо согласованной работе всех элементов, что не всегда удается обеспечить на практике.

Наиболее близкими по технической сущности решениями (прототипами) являются описанные в заявке на изобретение WO 2022/263015 А1 МПК F25J 3/08, B01D 59/04, опубл. 22.12.2022, способ получения изотопа гелия-3 из природного гелия, включающий этапы подачи исходного потока природного жидкого гелия из источника жидкого гелия, введения потока в первую ректификационную колонну с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков первой ректификационной колонны, отвода первого потока первой ректификационной колонны во вторую ректификационную колонну с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков второй ректификационной колонны, отвода первого потока второй ректификационной колонны в блок хранения продукта и устройство для получения изотопа гелия-3 из природного гелия, содержащее источник жидкого гелия, магистраль подачи исходного потока природного жидкого гелия, первую ректификационную колонну с конденсатором первой ректификационной колонны, вторую ректификационную колонну с конденсатором второй ректификационной колонны со входом второй ректификационной колонны, связанным с выходом первой ректификационной колонны, блок хранения продукта. Эти устройство и способ являются сложными с точки зрения реализации и ограниченно пригодными при использовании для получения товарного гелия-3.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная группа изобретений, является создание способа получения изотопа гелия-3 из природного гелия на основе ректификации смеси изотопов гелия в двух ректификационных колоннах, обладающего повышенной глубиной переработки природного жидкого гелия по сравнению с прототипом за счет введения дополнительных этапов преобразования смеси изотопов гелия, и создание устройства, реализующего этот способ.

Технический результат в части способа достигается за счет того, что в способе получения изотопа гелия-3 из природного гелия, включающем этапы подачи исходного потока природного жидкого гелия из источника жидкого гелия, введения потока в первую ректификационную колонну с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков первой ректификационной колонны, отвода первого потока первой ректификационной колонны во вторую ректификационную колонну с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков второй ректификационной колонны, отвода первого потока второй ректификационной колонны в блок хранения продукта, исходный поток природного жидкого гелия из источника жидкого гелия охлаждают до состояния, соответствующего сверхтекучему состоянию изотопа гелия-4 и вводят исходный поток в первую ректификационную колонну через последовательно соединенные первую фильтрационную камеру и вторую фильтрационную камеру, при этом в первой фильтрационной камере реализуют преобразование исходного потока с помощью механокалорического эффекта с образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков первой фильтрационной камеры и последующем отводом первого потока первой фильтрационной камеры во вторую фильтрационную камеру, а во второй фильтрационной камере реализуют преобразование первого потока первой фильтрационной камеры с помощью термомеханического эффекта с образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков второй фильтрационной камеры и последующем отводом первого потока второй фильтрационной камеры в первую ректификационную колонну, а отвод первого потока второй ректификационной колонны в блок хранения осуществляется через криоадсорбер.

Технический результат в части устройства достигается за счет того, что в устройстве для получения изотопа гелия-3 из природного гелия, содержащем источник жидкого гелия, магистраль подачи исходного потока природного жидкого гелия, первую ректификационную колонну с конденсатором первой ректификационной колонны, вторую ректификационную колонну с конденсатором второй ректификационной колонны со входом второй ректификационной колонны, связанным с выходом первой ректификационной колонны, блок хранения продукта, в состав устройства введена первая фильтрационная камера с входомпервой фильтрационной камеры, связанным через магистраль подачи исходного потока природного жидкого гелия с источником жидкого гелия, введена вторая фильтрационная камера с входом второй фильтрационной камеры, связанным с выходом первой фильтрационной камеры и с выходом второй фильтрационной камеры, связанным со входом первой ректификационной колонны и введен криоадсорбер с входом криоадсорбера, связанным с выходом второй ректификационной колонны и с выходом криоадсорбера, связанным с входом блока хранения продукта.

Изобретение поясняется чертежом.

Фиг. 1 - Изображение структурной схемы устройства, реализующего способ получения изотопа гелия-3 из природного гелия.

Введены следующие обозначения:

1 - рефрижератор первого криогенного блока;

2 - блок ожижителя (источник жидкого гелия);

3 - рефрижератор второго криогенного блока;

4 - емкость-аккумулятор;

5 - первый криогенный блок;

6 - второй криогенный блок;

7 - блок хранения полупродукта;

8 - блок хранения продукта;

9 - теплообменник первого криогенного блока;

10 - первая фильтрационная камера;

11 - вторая фильтрационная камера;

12 - фильтрационные элементы;

13 - теплообменник второго криогенного блока;

14 - первая ректификационная колонна;

15 - вторая ректификационная колонна;

16 - криоадсорбер;

17 - нагреватель второй ректификационной колонны;

18 - нагреватель второй фильтрационной камеры.

В общем случае устройство, реализующее способ получения изотопа гелия-3 из природного гелия, показано на фиг. 1 (изображена структурная схема устройства).

В процессе осуществления способа исходный поток жидкого гелия, являющийся смесью различных изотопов гелия (гелия-3 и гелия-4), в блоке ожижителя (источнике жидкого гелия) 2 известными способами охлаждают до состояния, соответствующего сверхтекучему состоянию изотопа гелия-4 до температуры порядка 1,8 К, ожижитель гелия представляет собой оборудование для сжатия, очистки, охлаждения, расширения и конденсации смеси изотопов гелия, отобранной от природного газа, после чего охлажденный поток жидкого гелия поступает в емкость-аккумулятор 4, в которой происходит накопление смеси изотопов гелия. После этого охлажденный исходный поток, концентрация частиц изотопа гелия-3 в котором составляет порядка 0,1⋅10^-6 (0,1 ppm) частиц изотопа гелия-3 по отношению к общему количеству частиц изотопов гелия, вводят в две последовательно расположенные первую и вторую фильтрационные камеры 10 и 11 с фильтрационными элементами 12, расположенные в первом криогенном блоке 5. В процессе первичного обогащения гелия-3 в потоке гелия-4 низкотемпературная фильтрация реализуется при температурах ниже критической температуры для гелия-4 при давлении порядка 0,14 МПа. В данном состоянии изотоп гелия-4 обладает нулевой вязкостью и способен без сопротивления перетекать через узкие каналы специально подобранных или спроектированных фильтрационных элементов 12, а изотоп гелия-3 и часть других примесей задерживаются перед фильтрационными элементами 12 в камерах разделения первой и второй фильтрационных камер 10 и 11. После ввода охлажденного исходного потока в первую фильтрационную камеру 10 происходит разделение смеси за счет механокалорического эффекта, сопровождающегося искусственным повышением давления на входе первой фильтрационной камеры 10, приводящем к понижению температуры гелия на выходе фильтрационной камеры 10 относительно температуры гелия на входе фильтрационной камеры 10. Обогащенный гелием-3 поток из верхней части фильтрационной камеры 10 с выхода фильтрационной камеры 10 направляют во вторую фильтрационную камеру 11 на вход второй фильтрационной камеры 11 по магистрали подачи первая фильтрационная камера - вторая фильтрационная камера, а отбросной поток с большим содержанием изотопа гелия-4 отводится из нижней части фильтрационной камеры 10 с выхода фильтрационной камеры 10 в блок ожижителя 2. Разделение смеси изотопов гелия во второй фильтрационной камере 11 происходит за счет термомеханического эффекта с помощью нагревателя второй фильтрационной камеры 18, благодаря чему движение сверхтекучего гелия-4 в каналах фильтра определяется градиентом температуры на фильтре, что позволяет повысить коэффициент извлечения блока фильтрации по гелию-3, направив часть отбросного потока с второй фильтрационной камеры 11 в первую фильтрационную камеру 10 безмашинным методом. На выходе из первой фильтрационной камеры 10 в обогащенном потоке достигается концентрация изотопа гелия-3 свыше 10 ppm, а на выходе из второй фильтрационной камеры 11 в обогащенном потоке достигается концентрация изотопа гелия-3 свыше 1000 ppm, а на этапе фильтрации за счет двух последовательных ступеней сверхтекучей фильтрации концентрация гелия 3 в выходном потоке в целом может быть увеличена до Ы0⁴раз.

После накопления достаточного количества концентрата гелия-3 обогащенный гелием-3 поток из верхней части фильтрационной камеры 11 с выхода фильтрационной камеры 11 поступает на вход первой ректификационной колонны 14 по магистрали подачи фильтрационная камера 11 - первая ректификационная колонна 14 (на фиг. 1 не показана), часть отбросного потока из фильтрационной камеры 11 может отводиться в блок хранения полупродукта 7. В первой ректификационной колонне 14 с конденсатором первой ректификационной колонны и во второй ректификационной колонне 15 с конденсатором второй ректификационной колонны происходит разделение смеси за счет противоточного тепло-массообменного процесса между паром и жидкостью, при этом пар, двигаясь по колонне и контактируя со стекающей ему навстречу кипящей жидкостью, обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость, по мере своего движения сверху вниз, обогащается высококипящим компонентом, а контактные устройства, расположенные внутри первой и второй ректификационных колонн, обеспечивают перенос изотопов из одной фазы в другую через межфазную поверхность. В первой ректификационной колонне 14 с конденсатором первой ректификационной колонны после введения потока в первую ректификационную колонну 14 с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков первой ректификационной колонны происходит отвод второго потока первой ректификационной колонны в блок хранения полупродукта 7 и отвод первого потока первой ректификационной колонны 14 с выхода первой ректификационной колонны 14 во вторую ректификационную колонну 15 на вход второй ректификационной колонны 15 по магистрали подачи первая ректификационная колонна 14 - вторая ректификационная колонна 15 с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков второй ректификационной колонны 15, отвода первого потока второй ректификационной колонны в блок хранения полупродукта 7 и отвода второго потока второй ректификационной колонны в криоадсорбер 16 с выхода второй ректификационной колонны 15 на вход криоадсорбера 16. Процесс низкотемпературной ректификации изотопов гелия реализуется при температурном уровне разделения от 2,70 К до 4,20 К и давлении разделения от 80 до 100 кПа, а система термостатирования обеспечивает отвод тепла и поддержание температурного уровня, для достижения требуемой температуры при охлаждении верхнего узла колонны (конденсатора) и включает гелиевый рефрижератор второго криогенного блока 3 с замкнутым циркуляционным контуром и системой холодных компрессоров. Поток конденсатора первой ректификационной колонны 14 имеет концентрацию изотопа гелия-3 порядка 60%, поток конденсатора второй ректификационной колонны 15 имеет концентрацию изотопа гелия-3 порядка 99,8%. Потоки полупродуктов поступающие в блок хранения полупродуктов 7 имеют различную концентрацию изотопа гелия-3 от 0,0001% (100 ppm) до 7%.

В криоадсорбере 16 происходит процесс адсорбционного разделения за счет избирательного поглощения поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) веществ из газовой фазы. Криоадсорбция является финальной ступенью разделения изотопов гелия-4 и гелия-3 с возможностью получения гелия-3 чистотой до 99,990%, при этом адсорбционное разделение при температурах 4,2 К и ниже является наиболее эффективным, т.к. при этих температурах изотоп гелия-3 является менее адсорбируемым компонентом, в следствии чего имеет низкую адсорбционную способность относительно изотопа гелия-4, который имеет большую адсорбционную способность при одинаковом температурном уровне и давлении адсорбции. Гелий-3, окончательно очищенный, поступает с выхода криоадсорбера 16 в блок хранения продукта 8.

Конструкция оборудования первого криогенного блока 5 обеспечивает функционирование первой и второй фильтрационных камер 11 и 12 и магистралей подачи смеси изотопов гелия в первом криогенном блоке 5, рефрижератор первого криогенного блока 1 поддерживает температурный уровень во время работы в первой и второй фильтрационных камерах 10, 11 и первом криогенном блоке 5 в целом, а теплообменник первого криогенного блока 9 предназначен для охлаждения поступающего на разделение исходного потока жидкого гелия. Конструкция оборудования второго криогенного блока 6 обеспечивает функционирование первой и второй ректификационных колонн 14 и 15 и магистралей подачи смеси изотопов гелия в втором криогенном блоке 6, рефрижератор второго криогенного блока 6 поддерживает температурный уровень в первой и второй ректификационных колоннах 14,15 и втором криогенном блоке 6 в целом, теплообменник второго криогенного потока 13 предназначен для охлаждения поступающей на дальнейшее разделение обогащенной гелием-3 смеси изотопов гелия после прохождения фильтрационных камер 11, 12. Фильтрационные камеры 10 и 11, ректификационные колонны 14 и 15 и криоадсорбер 16 специально проектируют (возможна частичная модернизация известных готовых решений или использование отдельных готовых узлов, в частности, криоадсорбер 16 может быть выполнен на основе технических решений, описанных в полезных моделях по патентам RU 173297 U1 и RU 173384 U1) исходя из требований проектировщиков по обеспечению заданной глубины переработки (заданной производительности) в устройстве в целом и в фильтрационных камерах в частности с учетом особенностей работы и ограничений по производительности, массогабаритным и другим характеристикам (например, по металлоемкости или потерям от теплопритоков из окружающей среды).

Группа изобретений относится к области устройств и способов разделения изотопных смесей и извлечения изотопа гелия-3 из гелийсодержащего природного газа и может быть использована в химической промышленности. Способ получения изотопа гелия-3 из природного гелия включает введение потока в первую ректификационную колонну и отвод обогащенного гелием-3 потока во вторую ректификационную колонну. Согласно изобретению исходный поток природного жидкого гелия охлаждают до состояния, соответствующего сверхтекучему состоянию изотопа гелия-4, и вводят исходный поток в первую ректификационную колонну через последовательно соединенные первую фильтрационную камеру и вторую фильтрационную камеру. В первой фильтрационной камере реализуют преобразование исходного потока с помощью механокалорического эффекта с образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков первой фильтрационной камеры и последующим отводом первого потока первой фильтрационной камеры во вторую фильтрационную камеру, где реализуют преобразование первого потока первой фильтрационной камеры с помощью термомеханического эффекта с образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков второй фильтрационной камеры и последующим отводом первого потока второй фильтрационной камеры в первую ректификационную колонну. Отвод первого потока второй ректификационной колонны в блок хранения осуществляется через криоадсорбер. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения изотопа гелия-3 из природного гелия, включающий этапы подачи исходного потока природного жидкого гелия из источника жидкого гелия, введения потока в первую ректификационную колонну с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков первой ректификационной колонны и отвода первого потока первой ректификационной колонны во вторую ректификационную колонну с последующей конденсацией и образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков второй ректификационной колонны, отвода первого потока второй ректификационной колонны в блок хранения продукта, отличающийся тем, что исходный поток природного жидкого гелия из источника жидкого гелия охлаждают до состояния, соответствующего сверхтекучему состоянию изотопа гелия-4 и вводят исходный поток в первую ректификационную колонну через последовательно соединенные первую фильтрационную камеру и вторую фильтрационную камеру, при этом в первой фильтрационной камере реализуют преобразование исходного потока с помощью механокалорического эффекта с образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков первой фильтрационной камеры и последующем отводом первого потока первой фильтрационной камеры во вторую фильтрационную камеру, а во второй фильтрационной камере реализуют преобразование первого потока первой фильтрационной камеры с помощью термомеханического эффекта с образованием обогащенного гелием-3 первого и обедненного гелием-3 второго потоков второй фильтрационной камеры и последующем отводом первого потока второй фильтрационной камеры в первую ректификационную колонну, а отвод первого потока второй ректификационной колонны в блок хранения продукта осуществляется через криоадсорбер.

2. Устройство для получения изотопа гелия-3 из природного гелия, содержащее источник жидкого гелия, магистраль подачи исходного потока природного жидкого гелия, первую ректификационную колонну с конденсатором первой ректификационной колонны, вторую ректификационную колонну с конденсатором второй ректификационной колонны со входом второй ректификационной колонны, связанным с выходом первой ректификационной колонны, блок хранения продукта, отличающееся тем, что в состав устройства введена первая фильтрационная камера со входом первой фильтрационной камеры, связанным через магистраль подачи исходного потока природного жидкого гелия с источником жидкого гелия, введена вторая фильтрационная камера со входом второй фильтрационной камеры, связанным с выходом первой фильтрационной камеры и выходом второй фильтрационной камеры, связанным со входом первой ректификационной колонны, и введен криоадсорбер со входом криоадсорбера, связанным с выходом второй ректификационной колонны и с выходом криоадсорбера, связанным с входом блока хранения продукта.