Установка концентрирования и очистки гелия
Изобретение относится к оборудованию для получения гелия из смесей неконденсируемых и инертных газов и может быть использовано в газовой промышленности. Установка концентрирования и очистки гелия включает блок предварительного концентрирования гелия с линией вывода смеси неконденсируемых и инертных газов, мембранный блок, теплообменник, компрессор, блок очистки от водорода и блок короткоцикловой адсорбции. После теплообменника на линии вывода концентрата гелия расположены холодильник, компрессор и блок очистки от водорода, оснащенный линией ввода кислородсодержащего газа и включающий реактор каталитического окисления водорода, рекуперативный теплообменник, сепаратор и узел адсорбционной доосушки. Рекуперативный теплообменник соединен с реактором линией подачи концентрата гелия и линией продуктов окисления и с узлом адсорбционной доосушки линией вывода газа сепарации. После узла доосушки расположены мембранный блок, соединенный с блоком предварительного концентрирования гелия линией подачи ретентата, и блок короткоцикловой адсорбции, оснащенный линией вывода очищенного гелия и соединенный линией подачи газа регенерации со входом в мембранный блок. Технический результат - упрощение установки и исключение накопления неона в цикле. 1 ил.
Изобретение относится к оборудованию для получения гелия из смесей неконденсируемых и инертных газов и может быть использовано в газовой промышленности.
Известна установка тонкой очистки гелиевого концентрата [Копша Д.П. Возможные пути оптимизации процесса тонкой очистки гелиевого концентрата / Д.П. Копша, И.В. Гоголева, В.Д. Изюмченко // Научно-технический сборник ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ. - 2015. - №1 (21). - С. 39-44], состоящая из блока очистки от водорода и блока очистки от азота, включающего узлы короткоцикловой адсорбции, получения обогащенного азота на мембранах, и низкотемпературной адсорбционной очистки от микропримесей азота и инертных газов.
Недостатком известной установки является низкая степень извлечения гелия из-за безвозвратных потерь гелия с обогащенным азотом.
Наиболее близка к предлагаемому изобретению установка очистки гелия [Николаев В.В. Перспективы применения мембранных процессов газоразделения при переработке природных газов / В.В. Николаев, С.А. Сиротин // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1996. - №6. - С. 11-12], которая включает расположенные на линии подачи гелийсодержащего газа противопоточный конденсатор (блок предварительного концентрирования гелия), струйный компрессор, рекуперативный теплообменник, первую мембрану, компрессор, аппарат (блок) очистки от водорода, аппарат PSA-очистки от азота (блок короткоцикловой адсорбции), и вторую мембрану, соединенную с блоком короткоцикловой адсорбции линией подачи апермеата (ретентата, обратного потока, сдувки) в качестве продувочного газа, подаваемого затем на вход первой мембраны.
Недостатками данной установки являются ее неработоспособность в представленном виде. Во-первых, из-за накопления в цикле неона, который в составе ретентата второй мембраны через аппарат PSA-очистки от азота направляется на вход первой мембраны, и далее рециркулируется, частично - в составе пермеата первой мембраны, а частично - в составе ретентата первой мембраны, подаваемого струйным компрессором в противопоточный конденсатор, где неон отпаривается и выводится с верха конденсатора с концентратом гелия 85%. Накопление неона в цикле приведет к падению температуры верха противопоточного конденсатора и невозможности его охлаждения с помощью жидкого азота. Кроме того, нарушится режим работы второй мембраны, которая не сможет обеспечить нормативное содержание неона в очищенном гелии. Во-вторых, из-за низкой температуры концентрата гелия, выводимого из противопоточного конденсатора при минус 190-195°С, первая мембрана не сможет работать вследствие стеклования полимера мембраны и потери ее механической прочности. При этом рекуперативный теплообменник не обеспечивает повышение температуры концентрата гелия, поскольку в качестве теплоносителя в него подают ретентат первой мембраны с еще более низкой температурой, чем входной поток (процесс мембранного разделения концентрата гелия является эндотермическим).
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение установки, исключение накопления неона в цикле и обеспечение благоприятного температурного режима работы первой мембраны (мембранного блока).
Техническим результатом является упрощение установки за счет исключения струйного компрессора путем размещения компрессора до мембранного блока, исключение накопления неона в цикле за счет вывода неонсодержащей смеси неконденсируемых и инертных газов, очищенной от гелия, из блока предварительного концентрирования и исключения внутренней циркуляции неонсодержащих потоков, а также обеспечение благоприятного температурного режима работы мембранного блока за счет расположения после компрессора и блока очистки от водорода, в которых происходит повышение температуры очищаемого гелия.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой установке, включающей блок предварительного концентрирования гелия, оснащенный линией ввода гелийсодержащего газа и линией вывода концентрата гелия с теплообменником, а также мембранный блок, компрессор, блок очистки от водорода и блок короткоцикловой адсорбции, особенность заключается в том, что блок предварительного концентрирования гелия оснащен линией вывода смеси неконденсируемых и инертных газов, а после теплообменника на линии вывода концентрата гелия расположены холодильник, компрессор и блок очистки от водорода, оснащенный линией ввода кислородсодержащего газа и включающий реактор каталитического окисления водорода, рекуперативный теплообменник, сепаратор и узел адсорбционной доосушки, при этом рекуперативный теплообменник соединен с реактором линией подачи концентрата гелия и линией продуктов окисления, на которой расположены холодильник и сепаратор, оснащенный линией вывода воды и линией вывода газа сепарации с узлом адсорбционной доосушки, оснащенным линией вывода газа регенерации, причем холодильник соединен с линией вывода смеси неконденсируемых и инертных газов линией подачи ее части в качестве хладоагента, а с узлом доосушки - линией подачи части нагретой смеси в качестве продувочного газа, кроме того, после узла доосушки на линии вывода газа сепарации расположены мембранный блок, соединенный с блоком предварительного концентрирования гелия линией подачи ретентата, оснащенной теплообменником, и блок короткоцикловой адсорбции, оснащенный линией вывода очищенного гелия и соединенный линией подачи газа регенерации со входом в мембранный блок.
Блок предварительного концентрирования гелия включает по меньшей мере одну ректификационную колонну с рекуперационным теплообменником. Реактор каталитического окисления представляет собой емкостной аппарат, заполненный, например, платиносодержащим катализатором. В качестве остальных элементов установки могут быть установлены любые устройства соответствующего назначения, известные из уровня техники.
Исключение струйного компрессора благодаря размещению компрессора до мембранного блока, обеспечивающее повышенное давление ретентата, упрощает установку. Исключение накопления циркулирующего неона достигается за счет вывода очищенной от гелия неонсодержащей смеси неконденсируемых и инертных газов из блока предварительного концентрирования и исключения внутренней циркуляции неонсодержащих потоков. Обеспечение благоприятного температурного режима работы мембранного блока (30-150°С в зависимости от материала мембраны) достигается расположением последнего после компрессора и блока очистки от водорода, в которых происходит нагрев очищаемого концентрата гелия. При необходимости регулирование температуры подачи газа в мембранный блок может осуществляться путем нагрева, например, нагретой смесью неконденсируемых и инертных газов.
Установка показана на прилагаемом чертеже и включает блок предварительного концентрирования гелия 1, теплообменник 2, холодильник 3, компрессор 4, блок очистки от водорода (выделен штрих-пунктиром), состоящий из рекуперационного теплообменника 5, каталитического реактора 6, сепаратора 7 и узла адсорбционной доосушки 8, а также мембранный блок 9 и блок короткоцикловой адсорбции 10. При необходимости тонкой очистки гелия от микропримесей установка оснащена блоком 11, выполненным в виде узла низкотемпературной адсорбции или мембранного узла.
При работе установки газ с содержанием гелия 0,3-10%, подаваемый по линии 12, разделяют в блоке 1 с получением смеси неконденсируемых и инертных газов, выводимой по линии 13 и 75-90%-го концентрата гелия, который, например, при 1,5-3 МПа и минус 185-195°С, выводят по линии 14, нагревают в теплообменнике 2 и холодильнике 3, сжимают компрессором 4 до 2,5-5,5 МПа, смешивают с кислородсодержащим газом, например, воздухом или кислородом, подаваемым по линии 15, нагревают в теплообменнике 5 и направляют в реактор 6, где в присутствии катализатора происходит полное окисление водорода с образованием паров воды. Продукты окисления с температурой, как правило, не ниже 300°С выводят по линии 16, охлаждают в теплообменнике 5 и холодильнике 3 и разделяют в сепараторе 7 на воду, выводимую с установки по линии 17, и газ сепарации, который выводят по линии 18, доосушают в блоке 8, смешивают с газом регенерации блока 10, подаваемым по линии 19, и направляют в блок 9 для очистки от азота, кислорода и пр. очищенный газ (пермеат), содержащий, например, 99% гелия, доочищают в блоке 10 с получением, например, 99,99%-го гелия, выводимого по линии 20. В теплообменник 3 в качестве второго хладоагента из линии 13 по линии 21 подают часть смеси неконденсируемых и инертных газов, имеющей температуру, например, минус 95-105°С при 0,01-0,05 МПа, а часть нагретой смеси по линии 22 подают в блок 8 в качестве продувочного газа, а остальную часть смеси выводят. Газ регенерации блока 8 выводят с установки по линии 23. Ретентат из блока 9, содержащий, например, 30% гелия, выводят по линии 24, охлаждают в теплообменнике 2, например, до минус 180-190°С и подают на концентрирование гелия в блок 1.
При необходимости снижения температуры в реакторе 6 в линию 14 из линии 17 может быть подана часть воды, кроме того, из блока 1 по линии 25 может дополнительно выводится концентрат углеводородов, а очищенный гелий может подвергаться в блоке 11 тонкой очистке от микропримесей, при этом, при использовании низкотемпературной адсорбции в качестве хладоагента может быть использована часть потока из линии 14 (условно не показано).
Таким образом, предлагаемая установка проще, позволяет исключить накопление неона в цикле, обеспечивает благоприятный температурный режим работы мембранного блока и может найти применение в газовой промышленности.
Установка концентрирования и очистки гелия, включающая блок предварительного концентрирования гелия, оснащенный линией ввода гелийсодержащего газа и линией вывода концентрата гелия с теплообменником, а также мембранный блок, компрессор, блок очистки от водорода и блок короткоцикловой адсорбции, отличающаяся тем, что блок предварительного концентрирования гелия оснащен линией вывода смеси неконденсируемых и инертных газов, а после теплообменника на линии вывода концентрата гелия расположены холодильник, компрессор и блок очистки от водорода, оснащенный линией ввода кислородсодержащего газа и включающий реактор каталитического окисления водорода, рекуперативный теплообменник, сепаратор и узел адсорбционной доосушки, при этом рекуперативный теплообменник соединен с реактором линией подачи концентрата гелия и линией продуктов окисления, на которой расположены холодильник и сепаратор, оснащенный линией вывода воды и линией вывода газа сепарации с узлом адсорбционной доосушки, оснащенным линией вывода газа регенерации, причем холодильник соединен с линией вывода смеси неконденсируемых и инертных газов линией подачи ее части в качестве хладоагента, а с узлом доосушки - линией подачи части нагретой смеси в качестве продувочного газа, кроме того, после узла доосушки на линии вывода газа сепарации расположены мембранный блок, соединенный с блоком предварительного концентрирования гелия линией подачи ретентата, оснащенной теплообменником, и блок короткоцикловой адсорбции, оснащенный линией вывода очищенного гелия и соединенный линией подачи газа регенерации с входом в мембранный блок.
