Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности, в частности к способу обогащения гелием гелийсодержащего природного газа. Cпособ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа включает введение основного потока гелийсодержащего природного газа в канал, в котором обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока, расположенного ближе к центру вращения. Затем отбирают насыщенный гелием поток в изолированный отводной канал и отделяют остальную часть основного потока. Основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 м/с, в диапазоне давлений 1-100 бар, и обеспечивают центробежную силу поворотом канала с основным потоком. Отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала, ближайшей к центру вращения потока, с помощью изолированного отводного канала. Технический результат заключается в упрощении способа за счет обеспечения возможности разделения газа и выделения гелия из неламинарного потока. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности, касается способа получения обогащённых гелиевых смесей из гелийсодержащего природного газа.

Из уровня техники известен «Эффект резкого увеличения коэффициента центробежного разделения газовых смесей в неравновесных условиях» (Г.Ю. Григорьев, А.В. Максимычев, Л.И. Меньшиков, П.Л. Меньшиков - Труды МФТИ, 2016. Том 8, №1), в котором показано, что при приведении во вращательное движение струи, состоящей из смеси газов, коэффициент центробежного разделения газов сначала увеличивается, потом достигает максимума и далее уменьшается до стандартной величины, достигаемой в аппаратах по центробежному разделению при установившемся больцмановском равновесии. Величина коэффициента обогащения в максимуме может превышать стандартное значение на порядок.

Рассмотренный эффект является частным случаем центробежного разделения газов, который обуславливает ограничения и задачу получения эффекта, такие как: а) смесь парообразных солей хлорида циркония и хлорида гафния в аргоне; б) использование адиабатического расширения смеси; в) сфера применения эффекта – усовершенствование ядерного топливного цикла.

Известен способ извлечения отдельных компонентов из газовой смеси и устройство для его осуществления, которое позволяет извлечь из газовой смеси поток с повышенной концентрацией метана за счет ускоренного закручивания газовой смеси до угловой скорости, достаточной для разделения газовой смеси на центральный и периферийный потоки с последующим частичным торможением и отбором потоков (см. описание к патенту РФ №2531168, МПК (2006.01) B01D 53/24, опубл. 20.10.2014 г.).

Однако упомянутый способ позволяет только увеличить концентрацию определенного компонента в части разделяемого потока, а не извлечь отдельный компонент из многокомпонентной газовой смеси, в особенности, если атомная или молекулярная масса компонентов смеси отличается незначительно.

Из патента РФ № 2116523 (МПК F04F 5/54, опубл. 27.07.1998 г.) известен высокоэкономичный способ промышленного получения гелия, в котором в вихревой установке при разделении воздуха на газовые среды с разной молекулярной массой происходит выделение части, содержащей гелий. Способ основан на вихревом разделении газов с отделением горючих газов и гелия с последующим выжиганием горючей составляющей и повторным завихрением продуктов сгорания, из которых затем получают гелий.

Недостатком известного способа является низкая эффективность процесса отделения гелия при высокой турбулентности вихревого потока, энергозатратность дополнительного процесса выжигания газов.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа принимаемого за прототип, который предполагает для обогащения гелием гелийсодержащего природного газа использовать центробежную силу при ламинарном движении разделяемого потока газа (см. патент РФ №2655905, МПК B01D 53/24, опубл. 29.05.2018 г.)

Недостатком известного способа является сложность создания условий ламинарности движения потока газа при промышленных условиях (расход, давление) использования способа.

В практике добычи и транспортировке природного газа, при промышленных скоростях и давлениях потока, чаще возникает необходимость не в получении чистого гелия, а в разделение потоков на товарный поток направляемый потребителю и поток обогащенный гелием, направляемый на дальнейшую переработку, транспортировку или хранение. При таком подходе создание ламинарности движения потока разделяемого газа является трудной задачей, упростить которую признан предлагаемый способ.

Задачей настоящего изобретения является создание способа обогащения гелием гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, применимого в промышленных объемах газодобычи.

Технический результат заключается в упрощении способа за счет обеспечения возможности разделения газа и выделения гелия из неламинарного потока.

Поставленная задача решается посредством способа получения обогащённого гелием потока из гелийсодержащего природного газа, при котором вводят основной поток гелийсодержащего природного газа в канал, где обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока в изолированный канал и отделением остальной части основного потока, при этом основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 м/с, в диапазоне давлений 1-100 бар и обеспечивают центробежную силу поворотом основного потока, при этом, отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала ближайшей к центру вращения потока, с помощью отводного канала или путем деления проходного сечения канала перегородкой. При этом под термином «насыщенный гелием поток» подразумевается поток, в котором концентрация гелия увеличена по сравнению с основным потоком.

При этом для промышленных условий были ограничены диапазоны использования способа по давлению 1-100 бар (0,1-10МПа), что позволяет использовать способ на рабочих давлениях промышленной добычи, передачи и переработки газа, а также на низких давлениях, например, после переработки газа. Диапазон скоростей потока способа обеспечивает перекрытие промышленных скоростей газа и не доходит до звуковых скоростей (1-300м/с).

Вариантами использования предлагаемого способа являются его повторение для остальной части потока, когда необходимо повысить уровень очищения от гелия потока товарного природного газа или для потока насыщенного гелием, при необходимости повысить уровень концентрации гелия в обогащенном потоке. Кроме этого, возможно дополнительное охлаждение основного потока для понижения энтальпии разделяемого газа.

Угол поворота канала, а также размеры и форма сечения канала зависят от типа устройства и характеристик потока (расход, давление), в котором реализуется предлагаемый способ, а также определяются исходя из требуемой степени обогащения гелием потока, насыщенного гелием, и подбираются с учетом свойств гелийсодержащего природного газа, поступающего на обработку.

Заявляемый способ является логическим продолжением прототипа (патент РФ №2655905) в получении обогащенного гелием гелийсодержащего природного газа. Отличием является его использование для неламинарного режима движения разделяемого газа. При этом он также как и прототип, может использоваться самостоятельно, либо как первичный этап отделения гелия в смеси газов для последующей обработки, как с помощью вариантов применения предлагаемого способа, так и прототипа и/или других известных технологий получения чистого гелия.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны различные варианты соотношения смеси газов гелия и метана, от демонстрационных смесей 50/50 (здесь и далее смесь газов указывается в % моль.) до реальных природных соотношений, так:

на фиг. 1 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (50%) и метана (50%), вид сбоку;

на фиг. 2 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (50%) и метана (50%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;

на фиг. 3 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (5%) и метана (95%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;

на фиг. 4 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (5%) и метана (95%) с отбором обогащенной гелием смеси в отводной канал с аксонометрическими сечениями потоков;

на фиг. 5 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (0,5%) и метана (99,5%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;

на фиг. 6 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (0,5%) и метана (99,5%) с отбором обогащенной гелием смеси в отводной канал с аксонометрическими сечениями потоков.

Для фиг 1-6, характеристики потока и канала составляют: скорость потока 100 м/с; давление 100 бар; поворот канала на угол 90 градусов; сечение канала 20х20 мм.

На фиг. 7 показан вариант устройства для реализации при механическом разделении основного потока на поток, насыщенного гелием и остальной поток при помощи перегородки.

На фиг. 8 показано изменение объемной концентрации гелия по высоте квадратного (20х20 мм) канала при угле поворота 90 градусов для разных сочетаний скорости потока и давления.

На фиг. 9 показана объемная доля расхода чистого (концентрация близка к 1,0) гелия после разделения исходной смеси на два потока.

На фиг. 10 представлены расчетные зависимости разделения смеси газов в зависимости от угла поворота.

Для фиг. 8-10 смесь газов основного потока: 50% метана и 50% гелия.

На фигурах цифрами обозначены:

1. Основной поток;

2. Канал;

3. Часть основного потока насыщенная гелием;

4. Отводной канал;

5. Остальная часть основного потока после отделения потока насыщенного гелием;

6. Перегородка.

7. Угол поворота канала;

8. Зона концентрации гелия;

9. Профиль сечения канала в зоне концентрации гелия;

Возможность осуществления способа определена расчетом с применением программного комплекса ANSYS CFX. Расчетная модель разработана на базе трехмерных стационарных уравнений течения смеси газов (уравнения Навье-Стокса).

Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа осуществляют следующим образом: вводят основной поток 1 гелийсодержащего природного газа в канал 2, где обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части 3 основного потока 2 расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока 3 в отводной канал 4 и с отделением остальной части 5 основного потока 1. Отводной канал 4 может быть образован, например, путем деления проходного сечения канала 2 перегородкой 6. Перегородка 6 может в зависимости от известной заранее концентрации гелия в основном потоке 1, и учитываемой устройством реализации способа, иметь различную форму, например, по форме трапеции (фиг. 4 и 6) или прямоугольника (фиг. 2 и 7).

Общими условиями выполнения способа являются – вхождение основного потока 1 в канал 2 со скоростью от 1 до 300 м/с, при давлении потока в диапазоне от 1 до 100 бар. В этом случае создается необходимая центробежная сила за счет поворота основного потока 1 на угол 7. За счет центробежной силы происходит разделение смеси газов основного потока 1, при котором гелий как наиболее легкий и не участвующий в межатомных/межмолекулярных взаимодействиях газ, перераспределяется внутри основного потока 1 природного газа. Гелий концентрируется в зоне 8, которая располагается после поворота канала 2 вблизи его внутренней стенки ближайшей к центру вращения потока 1. Особенностью применения предлагаемого способа является то, что в зависимости от параметров потока 1, первоначальной концентрации гелия в нем и угла 7 поворота зона 8 концентрации гелия имеет изменяемые размеры и профиль сечения 9. Это хорошо заметно на приведенных рисунках (фиг. 1, 2 и 3).

На фиг. 8 и 9 представлены обобщенные результаты расчетов разделения смеси метана и гелия в заявленном диапазоне основных параметров (скорость потока от 1 до 300 м/с, давление от 1 до 100 бар) и повороте потока на угол 90 градусов. На фиг. 8 показано изменение объемной концентрации гелия по высоте квадратного (20х20 мм) канала 2, при его повороте на 90 градусов, для разных сочетаний скорости потока и давления. На фиг. 9 показана объемная доля расхода чистого (концентрация близка к 1,0) гелия после разделения исходной смеси на два потока. Графическое отображение результатов расчета показывает возможность получения потока гелия в диапазоне 0,36-0,52 от общего расхода разделяемой смеси.

На фиг. 10 представлены расчетные зависимости разделения основного потока 1, при определённых давлениях и скоростях потока, в зависимости от угла 7 поворота основного потока 1.

Условия и параметры отбора обогащённого гелием потока определяются параметрами конкретного устройства для реализации способа и свойствами природного газа, поступающего на обогащение.

Предлагаемый способ обеспечивает:

а) получение потока обогащённого гелием из гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, в промышленных объемах газодобычи и транспорта газа;

б) возможность повышения технологической и экономической эффективности известных технологий получения гелия за счет сочетания заявляемого способа и известных технологий.

1.  Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа, включающий введение основного потока гелийсодержащего природного газа в канал, в котором обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока, расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока в изолированный отводной канал и отделением остальной части основного потока, отличающийся тем, что основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 м/с, в диапазоне давлений 1-100 бар, и обеспечивают центробежную силу поворотом канала с основным потоком, при этом отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала, ближайшей к центру вращения потока, с помощью изолированного отводного канала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его этапы повторяют, используя в качестве основного потока насыщенный гелием поток.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его этапы повторяют, используя в качестве основного потока остальную часть потока.

4. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что основной поток предварительно охлаждают.



 

Похожие патенты:

Система производства сжиженного природного газа содержит теплообменник, выполненный с возможностью осуществления теплообмена между потоком хладагента и потоком природного газа, для испарения потока хладагента конденсации потока природного газа; компрессор природного газа, охладитель природного газа для охлаждения потока сжатого природного газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и расширитель природного газа для расширения природного газа после охлаждения.

Изобретение относится к области газовой промышленности, в частности к объектам магистрального газопровода, и может быть использовано для сокращения потерь природного газа при эксплуатации узла сбора конденсата системы очистки технологического газа компрессорной станции.

Данное устройство имеет отношение к сфере космических технологии и космической техники и может быть предназначено для изготовления устройств для сбора гелия-3 и гелия-4 на Луне, а также для наземной экспериментальной отработки указанных технологий и устройств.

Изобретение относится к способу удаления кислотных газов, прежде всего диоксида углерода и сероводорода, из богатой углеводородом фракции, прежде всего природного газа.
Изобретение относится к газоперерабатывающей отрасли промышленности. Посредством фильтра проводят очистку природного газа от механических примесей и капельной жидкости.

Изобретение относится к нефтяной, газовой и химической промышленности и может быть использовано при разделении смесей, содержащих диоксид углерода. Разделяемая газообразная смесь содержит первый компонент, содержащий диоксид углерода, и второй компонент, содержащий углеводород.

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности и касается способа обогащения гелием гелийсодержащего природного газа. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают канал, выполненный в виде, по меньшей мере, одной винтообразной однообъёмной спирали, состоящей из, по меньшей мере, одного витка, вводят в канал в качестве основного потока гелийсодержащий природный газ, обеспечивают ламинарность основного потока, обеспечивают перераспределение гелия, содержащегося в основном потоке, посредством центробежной силы с насыщением гелием той части основного потока, которая расположена ближе к центру вращения потока, полностью отделяют часть основного потока, насыщенного гелием, от остального потока, содержащего тяжелые компоненты основного потока, с помощью перегородки такой формы и установленной в канале таким образом, что обеспечивается минимальное сопротивление движению потоков, обеспечивают ламинарность насыщенного гелием потока, обеспечивают перераспределение гелия, содержащегося в насыщенном гелием потоке, посредством центробежной силы с обогащением гелием той части насыщенного гелием потока, которая расположена ближе к центру вращения потоков, из насыщенного гелием потока отбирают обогащённый гелием поток, который проходит вдоль внутренней поверхности канала, ближайшей к центру вращения потоков, при этом отбор осуществляют, не нарушая ламинарность насыщенного гелием потока.

Изобретение относится к области подготовки природного и попутного нефтяного газов перед подачей потребителю. Устройство для глубокого охлаждения природного и попутного нефтяного газов содержит вихревую трубку Ранка-Хилша и сопла Лаваля, последовательно соединенные между собой в одном корпусе.

Изобретение описывает способ комплексной подготовки газа, при котором газ входной сепарации подвергают дефлегмации за счет охлаждения газом низкотемпературной сепарации с получением газа дефлегмации и флегмы, которую смешивают с конденсатом входной сепарации, и выветривают с получением выветренного конденсата и газа выветривания, который совместно с редуцированным газом дефлегмации подвергают низкотемпературной сепарации с получением газа и конденсата, а при стабилизации смеси конденсатов получают газ стабилизации и стабильный конденсат, отличающийся тем, что сырой газ перед входной сепарацией редуцируют и смешивают с газом стабилизации с помощью эжектирующего устройства, газ входной сепарации охлаждают редуцированным выветренным конденсатом и предварительно нагретым газом низкотемпературной сепарации, а смесь конденсата входной сепарации и флегмы редуцируют и смешивают с конденсатом низкотемпературной сепарации с помощью эжектирующего устройства перед выветриванием.

Изобретение относится к устройствам подготовки путем отбензинивания попутного нефтяного газа и газа дегазации конденсата. Блок отбензинивания низконапорного тяжелого углеводородного газа включает компрессор, установленный на линии сырьевого газа, и дефлегматор с линией вывода конденсата и тепломассообменным блоком, охлаждаемым хладагентом.

Изобретение относится к технологическим процессам получения инертных газов и может быть использовано для получения концентрата ксенона и криптона из природного газа, в том числе из попутного нефтяного газа и угольного газа.
Изобретение относится к технологии получения тетрафторида ксенона, используемого в медицине в качестве дезинфицирующего средства, в синтезе кислородных соединений ксенона.
Изобретение относится к способу получения комплексного соединения гексафторида ксенона с тетрафторидом марганца состава 2XeF6×MnF4 и может применяться для синтеза кислородных соединений ксенона как основа средств для дезинфекции, стерилизации и детоксикации в области санитарии и медицины.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности. Способ сбора и смешения потоков криптоноксенонового концентрата включает подачу по линиям отдельных потоков криптоноксенонового концентрата из группы источников 1-3 и 4-5, их смешение соответственно в коллекторе 13, 12 с образованием суммарного потока криптоноксенонового концентрата в линии 17 и подачу его в устройство получения криптоноксеноновой смеси III, при этом дополнительно осуществляют сбор и смешение в коллекторе 18, 10 по крайней мере одного отдельного потока криптоноксенонового концентрата группы источников 6-7 и 8-9, удаленных от устройства получения криптоноксеноновой смеси III, с образованием общего потока криптоноксенонового концентрата, который инжектируют с помощью инжектора 22, дожимают в компрессоре 23, транспортируют по линии 24 к устройству получения криптоноксеноновой смеси III и перед подачей в устройство III смешивают в инжекторе 25 с суммарным потоком криптоноксенонового концентрата в линии 17, образуя итоговый поток криптоноксенонового концентрата 26, направляя общий поток криптоноксенонового концентрата в качестве рабочего потока, а суммарный поток криптоноксенонового концентрата - в качестве инжектируемого потока.

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности и касается способа обогащения гелием гелийсодержащего природного газа. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают канал, выполненный в виде, по меньшей мере, одной винтообразной однообъёмной спирали, состоящей из, по меньшей мере, одного витка, вводят в канал в качестве основного потока гелийсодержащий природный газ, обеспечивают ламинарность основного потока, обеспечивают перераспределение гелия, содержащегося в основном потоке, посредством центробежной силы с насыщением гелием той части основного потока, которая расположена ближе к центру вращения потока, полностью отделяют часть основного потока, насыщенного гелием, от остального потока, содержащего тяжелые компоненты основного потока, с помощью перегородки такой формы и установленной в канале таким образом, что обеспечивается минимальное сопротивление движению потоков, обеспечивают ламинарность насыщенного гелием потока, обеспечивают перераспределение гелия, содержащегося в насыщенном гелием потоке, посредством центробежной силы с обогащением гелием той части насыщенного гелием потока, которая расположена ближе к центру вращения потоков, из насыщенного гелием потока отбирают обогащённый гелием поток, который проходит вдоль внутренней поверхности канала, ближайшей к центру вращения потоков, при этом отбор осуществляют, не нарушая ламинарность насыщенного гелием потока.

Изобретение относится к области разделения газовых смесей и может быть использовано в газовой, нефтяной и химической отраслях промышленности. Осуществляют трестадийную обработку гелийсодержащего природного газа.

Заявляемая группа технических решений относится к области мембранного газоразделения. Способ мембранного газоразделения, включающий сжатие исходной газовой смеси в ступенях компрессора, подачу газа из промежуточной ступени сжатия в газоразделительное устройство с мембранными элементами, разделение потока газовой смеси на пермеат и ретентат, повышение давление пермеата, покинувшего газоразделительное устройство и подачу пермеата в промежуточную ступень сжатия, предшествующую газоразделительному устройству, при этом давление пермеата повышают первым запорно-регулирующим устройством, часть пермеата, покинувшего газоразделительное устройство, отводят через второе запорно-регулирующее устройство, часть ретентата после газоразделения подают на вход газоразделительного устройства.

Изобретение относится к технологическим процессам получения инертных газов и может быть использовано для получения концентрата ксенона и криптона. Способ осуществляется путем подачи в реактор природного или попутного нефтяного газа, причем одновременно с природным или попутным газом в реактор подают диспергированную воду и создают термобарические условия по давлению в интервале от 0,1 до 20 МПа и по температуре в интервале от -50 до +50°С для образования концентрата газовых гидратов этана, пропана, изобутана и криптона.

Изобретение относится к области получения гелия из природного газа и может использоваться в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности и науке.

Изобретение относится к способу и системе для выделения гелия из природного газа в процессе высокого давления. Способ включает этапы, где пропускают поток сжатого природного газа высокого давления через холодильную камеру для конденсации по меньшей мере части потока сжатого природного газа с получением охлажденного потока, дозируют охлажденный поток в колонну криогенной отгонки, извлекают сырой гелиевый продукт из верхней части колонны криогенной отгонки и извлекают поток жидкого продукта из нижней части колонны криогенной отгонки.

Изобретение относится к области транспортировки природных, попутных нефтяных и нефтезаводских газов по магистральным газопроводам. Технический результат состоит в повышении эффективности очистки от механических и жидкостных примесей транспортируемых по магистральным или другим газопроводам высоконапорных газовых потоков.

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности, в частности к способу обогащения гелием гелийсодержащего природного газа. Cпособ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа включает введение основного потока гелийсодержащего природного газа в канал, в котором обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока, расположенного ближе к центру вращения. Затем отбирают насыщенный гелием поток в изолированный отводной канал и отделяют остальную часть основного потока. Основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 мс, в диапазоне давлений 1-100 бар, и обеспечивают центробежную силу поворотом канала с основным потоком. Отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала, ближайшей к центру вращения потока, с помощью изолированного отводного канала. Технический результат заключается в упрощении способа за счет обеспечения возможности разделения газа и выделения гелия из неламинарного потока. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

Наверх