Установка для разделения газовых смесей высокого давления

Полезная модель относится к области разделения газовых смесей высокого давления с помощью полупроницаемых мембран и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.
Показатели эффективности работы мембранного газоразделительного блока в значительной степени зависят от стабильности основных рабочих параметров мембранного процесса разделения - температуры и давления подаваемого потока газа. Отклонение значений данных параметров от оптимальных для используемой мембраны негативно сказывается как на эффективности процесса газоразделения, так и на эксплуатационных характеристиках мембраны, заключающихся в снижении надежности и срока ее эксплуатации. Особое значение задача сохранения стабильности рабочих параметров мембраны приобретает в переходных режимах работы, связанных со значительными изменениями объема, температуры и состава разделяемой газовой смеси.
Известна установка для очистки природного газа от гелия, содержащая одноступенчатый мембранный модуль с подводящим трубопроводом; входной компрессорный блок, включающий последовательно расположенные на входящем трубопроводе компрессор, холодильник и сепаратор; блок подготовки сжатой газовой смеси, состоящий из коалесцентного фильтра и нагревателя, который установлен на подводящем трубопроводе непосредственно перед мембранным модулем, а также вакуум-компрессор, установленный на трубопроводе отвода смеси проникшего и продувочного газов.
Наличие в составе установки средств предварительной подготовки потока природного газа - сепаратора, фильтра-коалесцера и нагревателя, размещенного непосредственно перед мембранным модулем, позволяет оптимизировать работу мембранного модуля и повысить степень извлечения гелия.
Однако конструкция установки не позволяет поддерживать стабильность рабочей температуры с достаточной точностью, особенно в переходных режимах работы, а также требует наличия внешнего источника подогрева. Кроме того, известная установка является одноступенчатой и не обеспечивает высокой степени очистки природного газа (Полезная модель РФ №103744, приоритет 18.11.2010, B01D 53/22).
Известна также установка очистки природного газа высокого давления от гелия, содержащая два мембранных модуля с полостями высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной. Полость высокого давления первого мембранного модуля с одной стороны сообщена с подводящим трубопроводом, а с другой стороны с выходным трубопроводом, отводящим очищенный природный газ. Полость низкого давления первого мембранного модуля соединена трубопроводом отвода проникшего газа, в котором установлен первый компрессор, с полостью высокого давления второго мембранного модуля, подключенную с другой стороны к трубопроводу отвода непроникшей газовой смеси, при этом полость низкого давления второго мембранного модуля соединена вторым трубопроводом отвода проникшего газа с входом второго компрессора. Трубопровод отвода непроникшей газовой смеси в полости высокого давления второго мембранного модуля подключен к выходному трубопроводу, а к выходу второго компрессора подключен трубопровод отвода газовой смеси с повышенным содержанием гелия. Установка может быть снабжена дополнительными мембранными модулями.
Особенностью указанной установки является то, что после компрессора, предназначенного для сжатия потока проникшего газа (пермеата), дополнительно установлен еще один мембранный блок, что делает установку двухступенчатой и позволяет повысить степень очистки природного газа от гелия и выход подготовленного газа по сравнению с одноступенчатой установкой.
Однако схема данной установка не решает задачи по поддержанию стабильности оптимальных рабочих параметров, необходимых для эффективного осуществления процесса разделения, по следующим причинам:
для удаления неконденсирующихся компонентов, в частности гелия, разделение на мембранном модуле второй ступени требуется вести при повышенной температуре, что снижает эффективность разделения из-за высокого содержания воды и/или метанола и возможного выпадения водного или водно-метанольного конденсата, образующегося в результате проникновения в проникший поток первой ступени большей части воды и/или метанола, содержащихся в сырьевом газе;
отсутствие возможности поддержания температуры с высокой точностью на входе в мембранный блок второй ступени снижает эффективность его работы по очистке, в связи с чем может потребоваться реализация значительных коэффициентов отбора газа (Полезная модель РФ №114423, приоритет 11.11.2011, B01D 53/00).
Наиболее близкой к заявленной полезной модели является установка мембранного разделения газовой смеси высокого давления, которая содержит мембранные устройства первой и второй ступени, включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной. Мембранное устройство второй ступени содержит по меньшей мере две последовательно расположенные стадии.
Поток природного газа, по подводящему трубопроводу, пройдя фильтр тонкой очистки, поступает на мембранное устройство первой ступени, откуда подготовленный газ отводится по выходному трубопроводу. Низконапорный проникший поток первой ступени отправляется на компримирование в межступенчатый компрессор, для дальнейшего мембранного разделения на второй ступени. На нагнетательном трубопроводе межступенчатого компрессора последовательно установлены холодильник, сепаратор и нагреватель. Нагреватель подключен к трубопроводу подачи и трубопроводу отвода нагревающей среды, которые соединены с напорным трубопроводом межступенчатого компрессора, а по нагреваемой среде подключен к выходному трубопроводу сепаратора. На участке нагнетательного трубопровода межступенчатого компрессора между трубопроводом подачи нагревающей среды и трубопроводом отвода нагревающей среды расположено первое запорно-регулирующее устройство, а второе запорно-регулирующее устройство расположено на трубопроводе подачи нагревающей среды в нагреватель. Затем проникший поток первой ступени поступает на доочистку во вторую ступень мембранного разделения, мембранное устройство которой содержит две последовательно расположенные стадии, полости высокого давления которых соединены между собой межстадийным трубопроводом.
Непроникший поток второй стадии второй ступени мембранного разделения объединяется с непроникшим потоком первой ступени мембранного разделения и поступает в трубопровод отвода целевого продукта.
Особенностью установки, выбранной за прототип, является сообщение полостей низкого давления мембранных модулей первой стадии второй ступени посредством трубопровода отвода проникшего потока на утилизацию с дожимным компрессором, а полостей низкого давления мембранных модулей второй стадии второй ступени - с всасывающим трубопроводом межступенчатого компрессора, за счет чего проникший поток второй стадии мембранного устройства второй ступени рециркулируется на всас межступенчатого компрессора, объединяясь с проникшим потоком мембранного устройства первой ступени, а проникший поток второй стадии мембранного устройства второй ступени подается на всас дожимного компрессора для отправки на утилизацию за пределы установки.
Кроме того, в известном техническом решении нагреватель выполнен в виде рекуперативного теплообменника, теплоносителем (нагревающей средой) которого является сжатый горячий газ, выходящий из межступенчатого компрессора, а нагреваемой средой является газовая смесь, выходящая из сепаратора.
Также особенностью прототипа является то, что степень подогрева потока газа в рекуперативном теплообменнике регулируется с помощью установленных на участке нагнетательного трубопровода межступенчатого компрессора запорно-регулирующих устройств с ручным и автоматическим управлением (Полезная модель РФ №145348, приоритет 04.06.2014, B01D 63/00).
Известная установка очистки природного газа от гелия позволяет повысить степень извлечения целевого компонента из газовой смеси и частично устраняет большинство недостатков, описанных в предыдущих аналогах, однако при реализованной в ней схеме теплообмена поддержание стабильности температурного режима, оптимального для эффективного разделения в мембранных устройствах, является технически сложной задачей, особенно в переходных режимах работы.
Существенным недостатком прототипа является то, что описанная мембранная установка сильно подвержена риску спада эффективности процесса мембранного разделения в условиях переходных режимов, когда расход и состав газовой смеси на входе в установку сильно меняются, и требуется оперативное поддержание стабильности основных рабочих параметров процесса. Поскольку в известной установке требуемая рабочая температура достигается за счет контроля расхода горячего газа, когда только его часть подается на подогрев всего объема нагреваемого газа, то даже незначительная погрешность в объеме подаваемого в рекуперативный теплообменник горячего газа ведет к заметному отклонению фактической температуры от заданной. Это особенно значимо при переходных режимах, когда существенно изменяется объем газа, либо его температура. Из-за инерционности системы, даже при снижении объема подаваемого в теплообменник горячего газа, он не может сразу снизить температуру нагреваемого потока, что может привести к кратковременному локальному перегреву потока подогреваемого газа, поступающего в мембранный блок, и отрицательно скажется на работе мембраны, вплоть до превышения допустимой температуры эксплуатации.
Еще одним недостатком прототипа является и установка запорно-регулирующих устройств на трубопроводе подачи нагревающей среды, что, как правило, ведет к возникновению дроссель-эффекта, охлаждению газового потока и повышению риска образования конденсата после прохождения арматуры, поскольку из межступенчатого компрессора газовая смесь выходит в насыщенном состоянии.
Существенным недостатком, способствующим нестабильной работе установки прототипа, является наличие рецикла проникшего потока второй стадии мембранного устройства второй ступени. Наряду с другими недостатками, рецикл значительно усложняет стабильность работы всей установки в целом даже при незначительном изменении таких параметров входного газового потока, как состав, температура, давление и расход. Указанная схема с рециклом наиболее чувствительна к колебаниям параметров подаваемого сырьевого газа и требует более точного поддержания значений этих параметров для обеспечения работы в оптимальном режиме, когда подготовка по контролируемому компоненту достигается без значительной переподготовки газа. При использовании схемы установки прототипа для обеспечения стабильности и эффективности работы системы требуется значительная дополнительная подготовка газа, что приводит к увеличению затрат на дополнительное оборудование.
Таким образом, известная мембранная установка сильно подвержена риску разбалансировки и спада эффективности процесса мембранного разделения в условиях переходных режимов, когда расход и состав газовой смеси на входе в установку сильно меняются, и требуется оперативное поддержание стабильности основных рабочих параметров процесса.
Также, к недостаткам известной установки можно отнести и отсутствие теплообменника на входном трубопроводе в первую ступень мембранного разделения, что не позволяет оперативно регулировать температуру разделения до оптимальных значений и снижает эффективность работы мембранного устройства первой ступени.
Кроме того, недостатком этой схемы является то, что при высоких коэффициентах отбора на второй ступени мембранного разделения падение температуры газового потока после первой стадии второй ступени мембранного разделения может быть значительным, что приведет к невозможности сохранения оптимального температурного режима на второй стадии разделения.
Использование в качестве устройства очистки от конденсата сепаратора также негативно сказывается на дальнейшем процессе мембранного газоразделения, так как для данного типа оборудования характерно наличие уноса в газовый поток, подающийся на вторую ступень разделения, определенного количества конденсата, особенно в переходных режимах, либо при расходах значительно отличающихся от номинальных/расчетных.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении стабильности рабочих параметров процесса и увеличении точности их поддержания во всех режимах работы мембранного разделения, в особенности при переходных режимах.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке мембранного разделения газовой смеси высокого давления, содержащей мембранные устройства первой и второй ступени, включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной, причем мембранное устройство второй ступени содержит по меньшей мере две последовательно расположенные стадии, полости высокого давления которых сообщены между собой межстадийным трубопроводом, при этом полости высокого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с подводящим трубопроводом исходного потока, на котором установлен фильтр очистки от механических примесей с одной стороны, и с трубопроводом выходного потока подготовленного газа первой ступени с другой стороны; а полости низкого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с трубопроводом отвода проникшего потока первой ступени, соединенным со всасывающим трубопроводом межступенчатого компрессора, выход которого сообщен напорным трубопроводом, в котором последовательно установлены рекуперативный теплообменник, первое и второе управляемые запорно-регулируемые устройства, устройство воздушного охлаждения, устройство очистки газа и фильтр очистки от механических примесей, с полостями высокого давления мембранного устройства второй ступени, сообщенной с другой стороны с трубопроводом отвода потока подготовленного газа второй ступени, согласно полезной модели, в качестве устройства очистки газа используется фильтр-коалесцер, на участке напорного трубопровода между фильтром-коалесцером и фильтром очистки от механических примесей, в обход рекуперативного теплообменника, выполнен байпас, причем первое запорно-регулирующее устройство установлено на указанном байпасе и имеет ручное управление, а второе запорно-регулирующее устройство установлено на напорном трубопроводе после рекуперативного теплообменника перед соединением с байпасом, и автоматически управляется по сигналу датчика температуры, установленного на напорном трубопроводе сразу после соединения с байпасом, а полости низкого давления модулей всех стадий мембранного устройства второй ступени сообщены с трубопроводом отвода проникшего потока на утилизацию.
Также технический результат достигается за счет того, что на подводящем трубопроводе может быть выполнен байпас исходного потока в обход мембранного устройства первой ступени, соединяющий подводящий трубопровод с выходным трубопроводом потока подготовленного газа первой ступени. В этом случае на подводящем трубопроводе, после отвода на байпас, устанавливают запорно-регулирующее устройство, имеющее ручное управление, а непосредственно на байпасе - запорно-регулирующее устройство, автоматически управляемое по сигналу датчика концентрации, установленного на выходном трубопроводе подготовленного газа установки.
Кроме того, установка может быть дополнительно оснащена подогревателями, установленными соответственно на подводящем трубопроводе перед фильтром очистки от механических примесей и мембранным устройством первой ступени, а также на межстадийном трубопроводе совместно с фильтром очистки от механических примесей.
Целесообразно выполнение подогревателей в виде рекуперативного теплообменника, а также комбинированного типа по источникам тепла.
На напорном трубопроводе межступенчатого потока непосредственно после фильтра-коалесцера может быть установлен угольный адсорбер.
Аппарат воздушного охлаждения может быть оснащен регулируемым приводом.
Заявляемая полезная модель позволяет обеспечить стабильность рабочих параметров процесса разделения и повысить точность поддержания их значений наиболее близкими к оптимальным в течение всего технологического цикла мембранного разделения, в особенности при переходных режимах, что, в свою очередь, увеличивает эффективность процесса мембранного разделения по выходу и степени очистки потока подготовленного газа.
Предложенное устройство также позволяет увеличить срок эксплуатации мембраны за счет устранения колебаний температуры подаваемого на нее газа, а также гарантированно исключить превышение максимально допустимой температуры работы мембраны.
Точное поддержание температуры газа на входе в мембранное устройство второй ступени во всех диапазонах работы, особенно в переходных режимах, обеспечивается за счет регулирования соотношения двух потоков: нагреваемого потока, протекающего через рекуперативный теплообменник, и охлажденного потока, отводящемуся по байпасу в обход рекуперативного теплообменника, которое осуществляется посредством запорно-регулирующих устройств с ручным и автоматическим управлением. Также указанная схема позволяет снизить инерционность системы и тем самым избежать локального перегрева при резком снижении объема исходного потока газа.
Установка запорно-регулирующего устройства с ручным управлением на байпасе более холодного, предварительно осушенного и очищенного потока, также улучшает стабильность работы установки за счет устранения дроссель-эффекта и отсутствия выпадения конденсата.
Использование фильтра-коалесцера для очистки межступенчатого потока от механических примесей, водно-метанольного и масляного конденсата, в том числе аэрозольного, позволяет обеспечить требуемую степень очистки газовой смеси не только при стационарных, но и при переходных режимах работы, а также при несоблюдении расчетной влажности сырьевого газа, когда возрастает вероятность образования водно-метанольного конденсата, что положительно сказывается на стабильности рабочих параметров. В случае необходимости глубокой очистки газа дополнительно с фильтром-коалесцером может быть использован угольный адсорбер, который устанавливается на напорном трубопроводе непосредственно после фильтра-коалесцера.
Организация отведения проникшего потока второй стадии мембранного устройства второй ступени установки путем сообщения полостей низкого давления модулей всех стадий мембранного устройства второй ступени с трубопроводом отвода проникшего потока в дожимной компрессор и на дальнейшую утилизацию, позволяет повысить стабильность работы установки, особенно в неустойчивых, характеризующихся постоянным изменением рабочих параметров, и переходных режимах, за счет устранения рецикла проникшего потока второй стадии мембранного устройства второй ступени, усиливающего нестабильность системы и повышающего вероятность разбалансировки работы установки в целом, а также позволяет дополнительно оптимизировать капитальные и эксплуатационные затраты.
Наличие байпаса исходного потока в обход мембранного устройства первой ступени дает возможность, в случае необходимости незначительного снижения содержания удаляемого компонента, распределить поток таким образом, что часть потока отправляется в мембранный блок на подготовку, а часть отводится в байпас без подготовки. Это позволяет минимизировать потери рабочего давления при подготовке, контролировать степень очистки подготовленного газа, а также продлевает срок эксплуатации и ресурс мембраны.
Дополнительное оснащение установки подогревателями, установленными соответственно на подводящем трубопроводе перед фильтром очистки от механических примесей и мембранным устройством первой ступени, а также на межстадийном трубопроводе совместно с фильтром очистки от механических примесей позволяет оптимизировать процесс разделения путем обеспечения максимальной эффективности разделения, либо увеличения производительности мембраны за счет поддержания оптимальной рабочей температуры и исключения возможности выпадения конденсата в процессе разделения. Подогреватели могут использовать как внутреннее тепло (например, от компрессора), так и тепло внешних источников.
Оснащение аппарата воздушного охлаждения регулируемым приводом позволяет обеспечивать автоматическое поддержание требуемой температуры охлаждаемого газа в широком диапазоне расходов газа и внешних температур (температуры окружающей среды).
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена основная схема установки мембранного разделения газовой смеси высокого давления, а на фиг. 2 - установка, оснащенная дополнительными элементами.
Установка мембранного разделения газовой смеси высокого давления содержит мембранные устройства 1, 2, первой и второй ступеней соответственно, включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной. Мембранное устройство второй ступени состоит двух последовательно расположенных стадий 3 и 4, полости высокого давления модулей которых сообщены между собой межстадийным трубопроводом 5.
Полости высокого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с подводящим трубопроводом 6 исходного потока, на котором установлен фильтр 7 очистки от механических примесей, с одной стороны, и с выходным трубопроводом 8 потока подготовленного газа первой ступени, с другой стороны.
Полости низкого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с трубопроводом 9 отвода проникшего потока первой ступени, соединенным с всасывающим трубопроводом 10 межступенчатого компрессора 11, выход которого сообщен напорным трубопроводом 12 межступенчатого потока с полостями высокого давления модулей первой стадии 3 мембранного устройства 2 второй ступени. На напорном трубопроводе последовательно установлены рекуперативный теплообменник 13, устройство 14 воздушного охлаждения потока, фильтр-коалесцер 15 и фильтр 16 очистки от механических примесей.
На участке напорного трубопровода межступенчатого потока между фильтром-коалесцером 15 и фильтром 16, в обход рекуперативного теплообменника, выполнен байпас 17, на котором установлено первое запорно-регулирующее устройство 18 с ручным управлением.
Второе запорно-регулирующее устройство 19 установлено на напорном трубопроводе межступенчатого потока после рекуперативного теплообменника перед соединением с байпасом, причем это устройство автоматически управляется по сигналу датчика 20 температуры, установленного на напорном трубопроводе сразу после соединения с байпасом.
С другой стороны полости высокого давления модулей первой стадии 3 мембранного устройства второй ступени 2 сообщены межстадийным трубопроводом 5 с полостями высокого давления модулей второй стадии 4 мембранного устройства 2 второй ступени. В свою очередь, с другой стороны полости высокого давления модулей второй стадии мембранного устройства второй ступени сообщены с трубопроводом 21 выхода потока подготовленного газа второй ступени.
Полости низкого давления модулей первой и второй стадий 3, 4 мембранного устройства второй ступени сообщены с трубопроводом 22 отвода проникшего потока в дожимной компрессор 23 и на утилизацию.
Потоки подготовленного газа мембранных устройств первой и второй ступеней по соответствующим выходным трубопроводам 8 и 21 поступают в выходной трубопровод 24 подготовленного газа установки.
Как показано на фиг. 2, установка может включать байпас 25 исходного потока, выполненный на подводящем трубопроводе 6 исходного газа в обход мембранного устройства 1 первой ступени, и соединяющий подводящий трубопровод 6 исходного потока с трубопроводом 8 потока подготовленного газа первой ступени.
В этом случае на подводящем трубопроводе 6, после отвода на байпас, устанавливается запорно-регулирующее устройство 26, имеющее ручное управление, а непосредственно на байпасе - запорно-регулирующее устройство 27, автоматически управляемое по сигналу датчика 28 концентрации, установленного на выходном трубопроводе 24 подготовленного газа установки.
Кроме того, установка может быть дополнительно оснащена подогревателями 29, 30, установленными соответственно на подводящем трубопроводе перед фильтром 7 очистки от механических примесей и на межстадийном трубопроводе 5 совместно с дополнительным фильтром 31 очистки от механических примесей.
В случае необходимости глубокой очистки газа на напорном трубопроводе после фильтра-коалесцера 15 устанавливается угольный адсорбер 32.
Пример
При помощи установки, приведенной на фиг. 1, осуществляют удаление гелия. Очистке подлежит газовая смесь высокого давления следующего состава, % мол.: метан - 96,0; этан - 1,8; пропан - 0,2; азот - 1,0; углекислый газ - 0,5; гелий - 0,5; вода и метанол с содержанием, соответствующим ТТР=-40°C (при Р=4,0 МПа).
Для разделения газовой смеси используется мембрана с классической последовательностью проницаемости компонентов природного газа. Оптимальными рабочими параметрами процесса разделения для данной мембраны являются температура 50°C, давление 10,0 МПа.
Исходный поток газовой смеси высокого давления с начальной температурой 30…50°C и давлением 10,0 МПа, поступающий по подводящему трубопроводу 6, проходит через фильтр 7, где очищается от механических примесей, а затем поступает в мембранное устройство 1 первой ступени разделения. В результате процесса мембранного разделения из мембранного устройства 1 выходят два потока газа: непроникший поток высокого давления (ретентат), соответствующий требованиям потребителя по остаточному содержанию удаляемого компонента (с содержанием гелия не более 0,05% мол.), выходящий по трубопроводу 8 потока подготовленного газа первой ступени, и проникший поток низкого давления (пермеат), который отводится по трубопроводу 9.
Так как объем проникшего потока довольно высок и составляет до 7…10% от исходного потока, он подвергается повторной подготовке для увеличения общего выхода подготовленного газа. Для этого проникший поток первой ступени по трубопроводу 9, соединенному с всасывающим трубопроводом 10, поступает на сжатие в межступенчатый компрессор 11. Сжатый поток, уже как межступенчатый, с температурой около 120°C, по напорному трубопроводу 12 поступает в рекуперативный теплообменник 13 в качестве охлаждаемого теплоносителя. В рекуперативном теплообменнике указанный поток частично отдает тепло нагреваемому потоку, и поступает в воздушный холодильник 14, где доохлаждается до температуры 25…30°C. После охлаждения межступенчатый поток направляется для очистки в фильтр-коалесцер 15, при помощи которого производится очистка от механических примесей, водно-метанольного и масляного конденсата, в том числе аэрозольного, что позволяет обеспечить требуемую степень очистки газовой смеси не только при стационарных, но и при переходных режимах работы. Содержание капельного (аэрозольного) масла в очищаемом газе также определяется типом используемого межступенчатого компрессора 11 и может достигать 15…100 ррм. На выходе из фильтра-коалесцера содержание жидкой фазы масла и/или других примесей составляет не более 2,0 ррм.
Затем выходящий из фильтра-коалесцера очищенный от аэрозолей и охлажденный межступенчатый поток разделяется на два потока, один из которых в качестве нагреваемого теплоносителя поступает в рекуперативный теплообменник 13, в котором неконтролируемо нагревается до температуры, зависящей от объема и расхода теплоносителей, и составляющей, как правило, 70…90°C; а второй, без нагрева, отводится по байпасу 17 в обход рекуперативного теплообменника, а затем, на выходе из него, объединяется с нагретой частью потока в напорном трубопроводе 12.
На байпасе 17 установлено первое запорно-регулирующее устройство 18 в виде ручного клапана, обеспечивающего выравнивание гидравлического сопротивления байпасной линии 17 и рекуперативного теплообменника 13. Клапан 18 настраивается в зависимости от общего расхода газа и, при необходимости, может подстраиваться при плановом изменении расхода.
Второе запорно-регулирующее устройство 19 установлено на участке напорного трубопровода 12 после рекуперативного теплообменника 13 перед соединением с байпасом 17 и фильтром 16 очистки от механических примесей и представляет собой клапан, управляемый по сигналу от датчика температуры 20, установленного на напорном трубопроводе 12 после его объединения с байпасом 17. Посредством управляемого клапана 19, который открывается по сигналу датчика 20, регулируется соотношение расходов нагреваемой части межступенчатого потока и его части, которая без нагрева идет по байпасу 17.
При отклонении фактической температуры объединенного межступенчатого потока от заданной на ±0,5…1,0°C клапан 19 осуществляет корректирующие действия по увеличению либо по уменьшению потока газа через рекуперативный теплообменник. При этом температура объединенного потока газа в трубопроводе 12 поддерживается на уровне 50±2°C. Указанный поток, после прохождения фильтра 16 для удаления механических примесей, подается на мембранное устройство второй ступени разделения 2, в котором производится подготовка газа аналогично мембранному устройству первой ступени разделения.
Мембранное устройство второй ступени разделения состоит из двух стадий 3 и 4, последовательно соединенных по непроникшему потоку межстадийным трубопроводом 5. Мембранное разделение в устройстве второй ступени организовано таким образом, что содержание гелия в потоке подготовленного газа второй ступени составляет примерно 0,05% мол.
Разбивка мембранного устройства второй ступени на стадии позволяет существенно увеличить выход подготовленного газа, а отсутствие каких-либо потоков возвращаемых на повторную подготовку (рециклов) дает возможность минимизировать мощность межступенчатого компрессора и количество мембранных модулей на второй ступени разделения.
Частично подготовленный на первой стадии 3 поток газа подается по межстадийному трубопроводу 5 в качестве сырьевого на вторую стадию 4 без какой-либо дополнительной подготовки. Полости низкого давления мембранных модулей первой и второй стадий второй ступени сообщены с трубопроводом 22, в котором выходящие из ступеней 3 и 4 обогащенные гелием проникшие потоки первой и второй стадий второй ступени объединяются в единый поток и подаются в дожимной компрессор 23. После компримирования в нем, сжатый проникший поток отправляется на дальнейшую утилизацию.
Поток подготовленного газа второй ступени, выходящий из мембранного устройства второй ступени по трубопроводу 21 и поток подготовленного газа первой ступени, отводящийся по трубопроводу 8 объединяются в трубопроводе 24 общего выходного потока подготовленного газа. Объединенный поток подготовленного газа с содержанием гелия не более 0,05% мол. является товарным и выводится за пределы установки.
Так как в заявленной установке регулируется расход нагреваемого потока, вся схема в целом, практически, не имеет инерционности, которая определяется только скоростью отклика регулирующего клапана 19 на управляющее воздействие от датчика температуры 20. Также установка запорно-регулирующего устройства 18 на предварительно осушенном и очищенном байпасируемом потоке исключает образование в ней конденсата из-за дроссельного эффекта.
В результате точность поддержания температуры газа на входе первой стадии второй ступени подготовки обеспечивается не хуже ±0,5…1,0°C при стационарных режимах работы и не хуже ±2,0°C при переходных режимах работы, например при значительных изменениях расхода газа.
Данная точность позволяет обеспечить оптимальную подготовку газа на второй ступени разделения, при которой обеспечивается остаточное содержание гелия в подготовленном газе 0,05% мол., что позволяет увеличить выход подготовленного газа до не менее 98,5% от исходного потока. Также достигается максимально высокая концентрация гелия в потоке газа, направляемом на утилизацию - не менее 38% мол.
Благодаря изменению схемы включения рекуперативного теплообменника и регулирующей арматуры, а также исключения из нее рецикла, предложенная установка одновременно гарантирует требуемое качество и максимальный выход подготовленного газа как при стационарных, так и при переходных режимах работы, а также позволяет увеличить срок службы мембраны за счет обеспечения минимальных колебаний температуры подаваемого на нее газа.