СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ГЕЛИЕМ ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩЕГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
HELIUM-CONTAINING NATURAL GAS HELIUM ENRICHMENT METHOD

Область техники
Заявляемое изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности и касается способа получения обогащённых гелиевых смесей из гелийсодержащего природного газа.
Уровень техники
8
Из уровня техники известно устройство для отделения механических примесей, в котором за счет центробежных сил, возникающих при движении гидросмеси по дугообразному каналу, происходит расслоение потока на сгущенную и осветленную части. Затем осветленная часть потока попадает в расширительную камеру. В камере происходит уменьшение скорости потока с последующим дополнительным гравитационным осаждением частиц. Таким образом, происходит отделение осветленной жидкости от сгущённой части потока (см. патент РФ №2049526, МКП B01D 45/06, опубл. 10.12.1995г.).
Недостатком известного устройства является низкая эффективность, обусловленная недостатком конструкции расширительной камеры, при входе в которую возможны завихрения потока, а также узкая сфера его применения.
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 на 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, публикация 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. Кроме того, известный способ извлечения компонентов из потока использует метод частичного торможения, которое осуществляется, когда закрученный поток газовой смеси попадает в зону отбора компонентов и сталкивается с продольными ребрами. При этом в зоне отбора возникает дополнительный источник турбулентности и разрушения вихревой составляющей предварительно закрученного потока, что в конечном итоге существенно снижает эффективность способа и устройства.
6
Из патента РФ № 2116523 (МПК F04F 5/54, публикация 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.
В заявке WO2014096631 (МКП В01D 45/16, B01D 53/24, опубл. 26.06.2014г.) раскрыт способ и устройство в виде винтообразного канала, предназначенные для разделения газовой смеси на отдельные компоненты. На выходе из канала создают вакуум для того, чтобы создать достаточную скорость вращения газовой смеси, которая обеспечит отделение различных её компонентов.
Существенным недостатком упомянутого способа является возникновение завихрений потока при его движении по винтообразному каналу, а также то, что способ предполагает отбор тяжелых компонентов, при этом легкие компоненты остаются в винтообразном канале.
Кроме того, известный способ не может быть применим для разделения природных гелийсодержащих газов ввиду нижеследующего. Как известно, максимальный процент гелия в природных газах, как правило, составляет менее 1%, поэтому необходимо, собрав гелий и другие легкие компоненты, с помощью центробежной силы отделять легкие, а не тяжелые компоненты, не допуская при этом разрушения легкого потока, что приводит к потери гелия и существенно снизит эффективность способа.
Из уровня техники также известно устройство для разделения гидросмеси, которое для сгущения и осветления гидросмеси под действием центробежных сил использует трубопровод в виде винтовой спирали и подвижной перегородкой внутри (см. патент РФ №2042427, МКП В03В 5/32, B01D 45/12, опубл. 27.08.1995г.).
К недостаткам упомянутого устройства можно отнести ограниченную сферу его применения, что обусловлено наличием подвижной перегородки. Движения перегородки или ее колебания во время реализации способа будут нарушать ламинарный режим газового потока, поэтому подвижную перегородку можно применять только к гидросмесям, в которых разделяемые частицы более инертны и движутся с меньшими скоростями. Кроме того, конструкция устройства не способна обеспечить герметичность и безопасность процесса обогащения природного газа, а приводные механизмы и уплотнения также будут нарушать ламинарность потока, что резко снизит эффективность способа.
Обобщая вышесказанное, необходимо отметить, что общим существенным недостатком устройств и способов разделения газовых смесей, известных из уровня техники, является неизбежное возникновение завихрений потока газа, движущегося по каналу в виде винтообразной спирали, что негативным образом влияет на качество получаемого продукта - гелия. Кроме того, известные способы имеют значительные ограничения по их использованию только в узкой области техники и являются неприменимыми для обработки гелийсодержащего природного газа в промышленных объемах газодобычи.
Из вышеизложенного следует, что в уровне техники существует потребность в способе обогащения гелием гелийсодержащего природного газа, лишенного вышеуказанных недостатков.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа обогащения гелием гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, применимого в промышленных объемах газодобычи.
Поставленная задача решается посредством способа получения обогащённого гелием потока из гелийсодержащего природного газа, содержащего 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 потоков,
- 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.
Предлагаемый способ обеспечивает получение потока, обогащённого гелием, из гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, в промышленных объемах газодобычи, а также обеспечивает возможность повышения технологической и экономической эффективности известных технологий получения гелия за счет сочетания заявляемого способа и известных технологий.
В одном варианте выполнения способ дополнительно содержит этап, на котором под действием центробежной силы обеспечивают перераспределение тяжелых компонентов, содержащихся в основном потоке гелийсодержащего газа, насыщение ими той части основного потока, которая расположена ближе к линии, наиболее удаленной от центра вращения потока, после чего, не нарушая ламинарность основного потока, осуществляют отбор тяжелых компонентов в месте, наиболее удаленном от центра вращения потока. Предварительное отделение тяжелых компонентов позволяет осуществлять способ, используя в качестве основного потока газ непосредственно из скважины или группы скважин, без предварительной подготовки и очистки газа, что позволяет расширить сферу его применения и увеличить эффективность.
Количество витков винтообразной спирали, а также размеры и форма сечения канала зависят от типа устройства, в котором реализуется предлагаемый способ, и определяются исходя из требуемой степени обогащения гелием потока, насыщенного гелием, и подбираются с учетом свойств гелийсодержащего природного газа, поступающего на обработку.
В одном варианте выполнения способа по изобретению винтообразная спираль может состоять из одного витка.
За счет плавного уменьшения диаметра витков винтообразной спирали можно увеличивать угловую скорость перемещения основного потока гелийсодержащего газа в направлении его движения.
Для исключения потерь гелия, который может оставаться в части насыщенного гелием потока, после отбора обогащённого гелием потока оставшуюся часть насыщенного гелием потока отбирают, т.е. выделяют в отдельный поток, который затем удаляют из канала, но при этом соблюдают все необходимые условия, чтобы не нарушилась ламинарность движения в месте отбора обогащённого гелием потока.
В одном варианте выполнения изобретения все этапы способа повторяют, используя при этом в качестве основного потока любой из потоков (насыщенный или обогащённый гелием, или остальной). В этом случае канал в виде, по меньшей мере, одной винтообразной однообъёмной спирали может иметь меньшие размеры, чем при первом цикле обогащения.
Предварительное криогенное воздействие на основной поток наряду с параметрами устройства для реализации способа (количество витков винтообразной спирали, размеры канала), а также скоростью движения потоков и временем выполнения способа может также оказывать влияние на достижение требуемой степени обогащения гелием.
Предварительное охлаждение основного потока гелийсодержащего газа положительным образом влияет на отделение гелия и наиболее эффективно при повторном обогащении гелием, осуществляемом в соответствии с этапами предлагаемого способа. При этом в качестве основного потока может быть использован насыщенный гелием поток, обогащённый гелием поток, а также остальной поток.
Важным условием реализации предлагаемого способа, обеспечивающим преимущества перед известными техническими решениями, является обеспечение ламинарности движения потоков газа на всех этапах его осуществления. Под ламинарным следует понимать такое движение газа, при котором он перемещается без перемешивания и пульсации, а его возможные слои перемещаются параллельно, не пересекаясь.
Ламинарный режим движения потоков в канале обеспечивается, в частности, благодаря наличию на его стенках внутреннего гладкого покрытия, выполненного из полированного металла, отличающегося повышенной коррозионно-механической стойкостью, например из титана или легированной стали, плавностью перехода между витками винтообразной спирали. Кроме того, расстояния между местами отборов должны быть такими, чтобы возможные локальные завихрения потоков при отборах не влияли на предыдущие и последующие отборы.
Обогащённый гелием поток, получаемый способом по изобретению, может быть конечным продуктом для, например, хранения гелия методом закачки в пласт или промежуточным продуктом для последующего выделения гелия из обогащённой смеси с помощью известных технологий. При этом в случае дальнейшей обработки обогащённого гелием потока, полученного предлагаемым способом, с использованием селективных по проницаемости к гелию мембран для последующего выделения гелия заявляемый способ позволяет существенно уменьшить энергетические и эксплуатационные затраты. Кроме того, дополнительное отделение тяжелых компонентов, которое предусмотрено в предлагаемом способе, позволяет избежать загрязнения мембран, увеличить их ресурс, снизить капиталовложения и эксплуатационные затраты.
Заявляемый способ может представлять собой самостоятельную технологию, предназначенную для обогащения гелием гелийсодержащего природного газа, то есть получения газа с высоким процентным содержанием гелия, быть промежуточной технологической операцией для дальнейшего получения чистого гелия известными способами или быть частью известного способа получения гелия.
Использование заявляемого способа как промежуточного этапа для известных криогенных технологий получения гелия позволит снизить затраты и уменьшить энергетическую составляющую процесса, а также улучшить экологию известных криогенных технологий. Способ может быть использован в промышленных масштабах нефтегазовой отрасли. Основным его отличием от технических решений, известных из уровня техники, является использование физико-химических свойств гелия, слабо поддающегося силам межмолекулярного взаимодействия затрудняющих разделение газовой смеси. Более того, механическое разделение потоков на этапе отбора обогащённого гелием газа, а также за счет поддержания на всех этапах ламинарного движения позволяет получать концентрат гелия из природного гелийсодержащего газа с максимальным эффектом.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 схематически показан способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа согласно одному варианту выполнения изобретения.
На Фиг. 2 показан способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа в соответствии с еще одним вариантом выполнения изобретения.
Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа осуществляют следующим образом (Фиг.1).
Обеспечивают канал 1, выполненный в виде винтообразной спирали, в который вводят основной поток 2 гелийсодержащего природного газа. При пропускании основного потока 2 через канал 1 возникает центробежная сила, под действием которой гелий, содержащийся в потоке 2, концентрируется ближе к центру вращения потока 2. Это приводит к перераспределению содержания гелия в сечении потока 2 и разделению основного потока 2 на как минимум две части: насыщенный гелием поток 3, расположенный ближе к центру вращения, и остальной поток 4, содержащий тяжелые компоненты основного потока, расположенный дальше от центра вращения потоков 2, 3, 4. Требуемого перераспределения гелия внутри потока 2 достигают прохождением потока через определенное количество витков канала 1 при установившемся ламинарном движении основного потока 2. Для определения требуемого перераспределения гелия могут применяться расчетные, опытные или инструментальные методы определения в зависимости от параметров конкретного устройства для реализации способа и свойств гелийсодержащего природного газа, поступающего на обогащение.
Часть основного потока, насыщенную гелием (насыщенный гелием поток 3), механически отделяют от остального потока 4 с помощью перегородки 5, которая имеет такую форму и устанавливается в канале таким образом, что обеспечивается минимальное аэродинамическое сопротивление движению потоков 2, 3, 4. Перегородка 5, представляющая собой в сечении канала 1 хорду окружности, касается стенок канала 1 и образует с внутренней стенкой канала 1 ограниченный объем, по которому проходит насыщенный гелием поток 3. Проходя по ограниченному объему, насыщенный гелием поток 3 после своего отделения от остального потока 4 восстанавливает ламинарность своего движения (при возможном нарушении ламинарности из-за перегородки). Затем в сечении потока 3, представляющем собой сегмент окружности, за счет центробежных сил происходит перераспределение гелия ближе к внутренней образующей канала 1 к тому месту дуги сегмента окружности, которое находится ближе к центру вращения потоков 2, 3, 4.
При достижении требуемого перераспределения гелия внутри потока 3 образуется обогащённый гелием поток 6, который расположен в том месте дуги сегмента окружности внутренней образующей канала 1, которое находится ближе к центру вращения потоков 2, 3, 4. При этом необходимо иметь в виду, что оси/центры вращения потоков 2, 3, 4 могут не совпадать с осью винтовой спирали. Поэтому при определении места отбора следует учитывать угол входа потока 2 гелийсодержащего природного газа в канал 1, а также шаг витков канала 1. В таком заранее определенном месте осуществляют отбор обогащённого гелием потока 6, не нарушая при этом ламинарность насыщенного гелием потока 3, например не допуская завихрений потока 3 после отбора, которые могут повлиять на ламинарность потока 3 до или во время отбора потока 6. Условия и параметры отбора обогащённого гелием потока 6 определяются параметрами конкретного устройства для реализации способа и свойствами природного газа, поступающего на обогащение.
В меньшей степени на расположение места отбора обогащённого гелием потока 6 влияет пространственное расположение самого канала 1 по отношению к силе гравитационного притяжения. Исключение составляет отбор тяжелых компонентов 7, при котором место отбора необходимо располагать на внешней поверхности канала 1 таким образом, чтобы направления центробежной и гравитационной сил, действующих на тяжелые компоненты 7 гелийсодержащего природного газа, в месте отбора совпадали.
В контексте настоящей заявки под тяжелыми компонентами 7 следует понимать различные твердые и жидкие примеси, содержащиеся в природном газе, например попавшее в газ компрессорное масло или конденсат, образовавшийся, например, при криогенном воздействии. Удаление тяжелых компонентов 7 следует осуществлять до разделения основного потока 2 перегородкой 5 с минимальным воздействием на ламинарность основного потока 2 и с последующим восстановлением ламинарности основного потока 2 в случае такого воздействия.
При осуществлении предлагаемого способа возможно использование принципа увеличения угловой скорости за счет снижения диаметра витков спирали канала 1 в направлении движения основного потока 2.
На Фиг. 2 показан вариант выполнения способа, в котором предусмотрен отбор оставшейся части насыщенного гелием потока 3 после отбора из неё потока 6 для последующей обработки. Причем отбор следует осуществлять таким образом, чтобы не нарушалась ламинарность в месте отбора обогащённого гелием потока 6.
Далее этапы способа можно повторить с использованием в качестве основного потока 2 насыщенный гелием поток 3, обогащённый гелием поток 6 или остальной поток 4, что позволит достичь требуемой степени отбора гелия из природного гелийсодержащего газа, которая может определяться параметрами конкретного устройства для реализации способа, а также свойствами природного газа, поступающего на обработку.
Как уже упоминалось ранее, предварительное охлаждение основного потока 2 способно оказать положительное влияние на процесс отделение гелия и может применяться в комбинации с вышеописанными этапами настоящего способа.