УСТАНОВКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И ОЧИСТКИ ГЕЛИЯ
APPARATUS FOR CONCENTRATING AND PURIFYING HELIUM

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, перваую 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 перед мембранным блоком, 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 за счет расположения мембранного блока 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 рекуперативным 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 рекуперативного теплообменника на линии вывода концентрата гелия расположены компрессор и блок очистки от водорода, оснащенный линией ввода кислородсодержащего газа и включающий реактор каталитического окисления водорода, холодильник, сепаратор, узел адсорбционной доосушки и рекуперативный теплообменник блока очистки от водорода, при этом последний соединен с реактором линиями подачи концентрата гелия и вывода 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 адсорбционной доосушки - линией подачи части нагретой смеси в качестве продувочного газа, кроме того, после узла адсорбционной доосушки на линии вывода газа сепарации расположены мембранный блок, соединенный с блоком предварительного концентрирования гелия линией подачи ретентата, оснащенной рекуперативным 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 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 перед мембранным блоком 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 повышение температуры очищаемого концентрата.
Установка показана на прилагаемом чертеже и включает блок предварительного концентрирования гелия 1, рекуперативный теплообменник 2, компрессор 3, блок очистки от водорода, состоящий из каталитического реактора 4, рекуперативного теплообменника блока очистки от водорода 5, холодильника 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 дополнительно оснащена блоком 11, выполненным в виде узла низкотемпературной адсорбции (показано на чертеже) или мембранного узла (не показано).
При работе установки газ с содержанием гелия 0,3-5% разделяют в блоке 1 с получением смеси неконденсируемых и инертных газов, выводимой по линии 13 и 80-90%-го концентрата гелия, например, при 1,5-3 МПа и минус 190-195°С, который нагревают в теплообменнике 2, сжимают компрессором 3 до 2,5-5,5 МПа, смешивают с кислородсодержащим газом, например, воздухом или кислородом, подаваемым по линии 15 в количестве не менее стехиометрического, нагревают в теплообменнике 5 и направляют в реактор 4, где в присутствии катализатора происходит окисление водорода с образованием продуктов окисления, содержащих пары воды. Продукты окисления с температурой, как правило, не ниже 300°С выводят по линии 16, охлаждают в теплообменнике 5, холодильнике 6 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 при заданной температуре направляют в блок 9. Полученный пермеат, содержащий, например, 99% гелия, выводят по линии 20 и очищают в блоке 10 с получением гелия, содержащего, например, 99,99% гелия, выводимого по линии 21. В холодильник 6 в качестве хладоагента из линии 13 по линии 22 подают часть смеси неконденсируемых и инертных газов, имеющей температуру, например, минус 95-105°С, нагревая ее до, как правило, не ниже 250°С при 0,01-0,05 МПа. Часть нагретой смеси по линии 23 подают в блок 8 в качестве продувочного газа, а остаток выводят. Газ регенерации блока 8 выводят с установки по линии 24. Ретентат, содержащий, например, 30% гелия, выводят из блока 9 по линии 25, охлаждают в теплообменнике 2, например, до минус 185-190°С и подают на концентрирование гелия в блок 1.
При необходимости снижения температуры в реакторе 4 в линию 14 по линии 26 из линии 17 может быть подана часть воды, кроме того, из блока 1 по линии 27 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 подана часть потока из линии 22, который выводят затем по линии 28 аналогично газу регенерации адсорбента блока 11, выводимом по линии 29 (показано пунктиром).
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.