СПОСОБ ОЧИСТКИ ГЕЛИЕВОГО КОНЦЕНТРАТА ОТ ПРИМЕСЕЙ
METHOD OF CLEANING HELIUM CONCENTRATE FROM IMPURITIES

Изобретение относится к способам очистки гелиевого концентрата от примесей (водорода, метана, диоксида углерода, воды, азота, неона и аргона) и может быть использовано в нефтегазоперерабатывающей промышленности.
Известен способ очистки гелийсодержащих смесей от примесей, включающий адсорбционную осушку и очистку от диоксида углерода и других высококипящих примесей, ступенчатое охлаждение исходной газовой смеси до криогенных температур с частичной конденсацией компонентов смеси при использовании для ее охлаждения на одной из ступеней жидкого азота, кипящего под вакуумом, отделение от газа образовавшегося конденсата, использование конденсата в качестве обратного потока для охлаждения исходной смеси и последующую тонкую очистку полученного газа посредством низкотемпературной адсорбции [патент РФ №2009412, 5МПК F25J 1/02, опубл. 15.03.1994].
Недостатком этого способа является большое количество примеси, остающейся в газовой фазе после отделения жидкой фракции, что при дальнейшей очистке требует адсорберов значительных размеров, и, кроме того, этот способ нельзя использовать для очистки от низкокипящих примесей (водорода).
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ очистки гелиевого концентрата от примесей, применяемый в настоящее время на Гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» [В.В.Николаев и др. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа. - М.: Недра, 1998, с.167-173]. Способ включает предварительный подогрев гелиевого концентрата, смешение его с воздухом (кислородсодержащей смесью), подогрев полученной смеси, отделение водорода и метана из гелиевого концентрата путем реакционного окисления кислородом воздуха на катализаторе. Стехиометрическое соотношение водорода и кислорода 2:1 поддерживается путем автоматического дозирования воздуха. Реакция окисления протекает с выделением тепла, продуктами окисления являются вода и диоксид углерода. Очищенный от водорода гелиевый концентрат поступает на охлаждение и частичную конденсацию влаги с последующим ее отделением. Очистку гелиевого концентрата от влаги и диоксида углерода проводят в осушителях путем адсорбции на цеолитах типа NaA. Осушенный гелиевый концентрат дожимается до давления не выше 19,0 МПа и направляется на окончательную осушку и очистку гелиевого концентрата от масла и остатков влаги путем адсорбции сначала на силикагеле, затем на цеолитах. Осушенный гелиевый концентрат после охлаждения за счет рекуперативного теплообмена подается на низкотемпературное охлаждение в конденсаторы, в которых последовательно за счет холода жидкого азота охлаждается до температуры не выше минус 187°С. В результате охлаждения из гелиевого концентрата конденсируется основное количество азота, который в жидком виде отделяется сначала в специально встроенных в конденсаторы сепараторах, а затем в емкости. Окончательная очистка гелиевого концентрата от микропримесей азота и неона производится путем адсорбции их активированным углем в соответствующих адсорберах. Охлаждение адсорберов производится жидким азотам, кипящим в рубашке аппаратов при температуре минус 194°С. Полученный поток чистого гелия после адсорберов подогревается в теплообменнике парами азота высокого давления до температуры минус 20°С и выводится с установки как гелий газообразный очищенный марок «А» и «Б».
Недостатком данного способа является то, что использование воздуха в качестве источника кислорода, необходимого для процесса окисления водорода и метана на катализаторе, приводит к увеличению в гелиевом концентрате содержания азота, поступающего вместе с воздухом. При этом значительно повышается нагрузка на конденсаторы, в которых происходит конденсация и отделение основной части содержащегося в гелиевом концентрате азота. Это приводит в дальнейшем к повышенному расходу жидкого азота, используемого в качестве хладагента, кипящего в рубашках конденсаторов, для охлаждения и конденсации содержащегося в гелиевом концентрате азота, что увеличивает эксплуатационные расходы установки.
Задачей заявляемого способа является обеспечение заданной степени очистки гелиевого концентрата от примесей при наименьших затратах.
Поставленная задача решается способом очистки гелиевого концентрата от примесей, включающим предварительный подогрев гелиевого концентрата, смешение его с кислородсодержащей смесью, подогрев полученной смеси, отделение водорода и метана из гелиевого концентрата путем реакционного окисления кислородом на катализаторе, охлаждение гелиевого концентрата и частичную конденсацию влаги с последующим ее отделением, адсорбционную осушку и очистку гелиевого концентрата от влаги и диоксида углерода, компримирование, очистку гелиевого концентрата от масла и остатков влаги, охлаждение осушенного гелиевого концентрата и за счет рекуперативного теплообмена и азотом холодильного цикла с последующей конденсацией азота из гелиевого концентрата, адсорбционную очистку от азота и неона, в котором часть осушенного гелиевого концентрата, отбираемого после очистки от масла и остатков влаги, предварительно смешивают с кислородом и полученную смесь используют в качестве кислородсодержащей смеси.
При проведении поиска патентной и другой научно-технической информации не были выявлены источники, в которых приведены сведения о технических решениях, содержащих отличительные признаки заявляемого способа. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".
Технический результат, получаемый от того, что часть осушенного гелиевого концентрата, отбираемого после очистки от масла и остатков влаги, предварительно смешивают с кислородом и полученную смесь используют в качестве кислородсодержащей смеси, состоит в обеспечении возможности изменения содержания примесей гелиевого концентрата, подлежащего комплексной очистке, в сторону снижения доли азота и незначительного количества других примесей (неон и т.д.). Это позволяет существенно повысить эффективность низкотемпературной очистки гелиевого концентрата от азота за счет снижения нагрузки на конденсаторы и сокращения потребления жидкого азота, используемого в них в качестве хладагента. Кроме того, повысится качество гелия за счет сокращения в нем содержания неона, вносимого с воздухом.
Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа фракционирования природного газа критерию «изобретательский уровень».
На чертеже приведена блок-схема установки, иллюстрирующая предлагаемый способ очистки гелиевого концентрата от примесей.
Установка очистки гелиевого концентрата от примесей содержит:
- блок предварительного подогрева гелиевого концентрата, включающий рекуперативный теплообменник 1, подогреватель 2 и буферную емкость 3;
- блок очистки гелиевого концентрата от водорода и метана, включающий узел подготовки кислородсодержащей смеси 4 с линией 5 подачи ее в гелиевый концентрат, рекуперативный теплообменник 6, подогреватель 7, каталитический реактор 8, фильтр 9, воздушный 10 и водяной 11 холодильники, влагоотделитель 12;
- блок компримирования и осушки гелиевого концентрата с линией отвода осушенного гелиевого концентрата, включающий осушители 13-14, компрессор 15, масловлагоотделитель 16, фильтр 17 и линии отвода осушенного гелиевого концентрата 18-19;
- блок очистки гелиевого концентрата от азота и неона, включающий конденсаторы 20-21, отделитель жидкого азота 22, адсорберы 23-24 соответственно для очистки от азота и неона, фильтры 25-27, холодильник 28 и подогреватель 29.
Пример осуществления способа.
Поток гелиевого концентрата среднего давления с установки получения гелиевого концентрата с температурой не выше минус 189°С поступает на подогрев: сначала в рекуперативный теплообменник 1, затем в подогреватель 2. Подогретый поток гелиевого концентрата среднего давления с температурой не ниже минус 35°С поступает в буферную емкость 3, из которой он подается в блок очистки от водорода и метана для окисления их кислородом. Сначала поток гелиевого концентрата среднего давления поступает в смеситель (участок трубопровода), в котором происходит его смешение с гелиево-кислородной смесью, поступающей по линии ее подачи 5, соединенной с узлом подготовки кислородсодержащей смеси. Необходимая смесь с содержанием кислорода 19-21% получается в ресивере 4 за счет регулируемой подачи газообразного кислорода и осушенного гелиевого концентрата из соответствующих ресиверов (на схеме не показаны). При этом поддерживается стехиометрическое соотношение водорода и кислорода 2:1 путем автоматического дозирования гелиево-кислородной смеси. После смешения с кислородсодержащей смесью гелиевый концентрат нагревается последовательно в рекуперативном теплообменнике 6, подогревателе 7 до температуры не выше 190°С и подается в каталитический реактор 8. В реакторе осуществляется непрерывный процесс каталитического окисления водорода и метана кислородом на алюмоплатиновом катализаторе, при этом температура газовой смеси повышается до 320°С. Очищенный от водорода и метана гелиевый концентрат, пройдя фильтр очистки от пыли 9, направляется на рекуперацию тепла в теплообменник 6 и далее на дальнейшее охлаждение сначала в воздушный 10, затем в водяной 11 холодильники. Охлажденный до 35°С поток гелиевого концентрата подается во влагоотделитель 12, в котором происходит отделение капельной жидкости за счет изменения скорости потока. После влагоотделителя 12 гелиевый концентрат подается в осушитель 13. В нем обеспечивается понижение точки росы потока по влаге и одновременно очистка от двуокиси углерода путем адсорбции на цеолитах. Осушенный гелиевый концентрат среднего давления поступает на всас компрессора 15 для дополнительного сжатия с давления 1,6 МПа до давления 19 МПа и подается в масловлагоотделитель 16 для улавливания масла, унесенного потоком после компрессора. Гелиевый концентрат высокого давления поступает в фильтр 17, обеспечивающий тонкую очистку от масла путем адсорбции на силикагеле. После фильтра поток гелиевого концентрата высокого давления направляется в осушитель 14 для осуществления окончательной очистки гелиевого концентрата от паров воды и возможных примесей двуокиси углерода, которые могли образоваться в реакторе. После осушителя 14 основной поток осушенного гелиевого концентрата высокого давления по линии 18 отводится на дальнейшую тонкую очистку от азота и неона, а часть его отбирается и по линии 19 подается в узел подготовки кислородсодержащей смеси в соответствующий ресивер для приготовления гелиево-кислородной смеси. Основной поток осушенного гелиевого концентрата высокого давления направляется в трубное пространство рекуперативного теплообменника 1 блока предварительного подогрева для охлаждения. После теплообменника 1 гелиевый концентрат высокого давления подается в последовательно установленные конденсаторы 20-21 на охлаждение и частичную конденсацию за счет использования холода жидкого азота холодильного цикла, кипящего в рубашках конденсаторов. В результате охлаждения из гелиевого концентрата высокого давления конденсируется основное количество азота. Гелиевый концентрат высокого давления поступает в отделитель жидкого азота 22, после чего через фильтр 25 направляется в угольный адсорбер 23 для окончательной очистки гелиевого концентрата от примесей азота, кислорода, аргона. Далее очищенный от примесей азота гелиевый концентрат высокого давления поступает через холодильник 28 и фильтр 26 в угольный адсорбер 24 для очистки от неона. Гелиевый концентрат высокого давления после адсорбера 24 проходит фильтр 27, подогреватель 29 и выводится с установки в виде товарной продукции.
Таким образом, использование изобретения позволяет снизить эксплуатационные расходы процесса очистки гелиевого концентрата от примесей за счет снижения расхода жидкого азота, используемого в качестве хладагента в конденсаторах для отделения основной части содержащегося в гелиевом концентрате азота.