УСТАНОВКА ОЧИСТКИ ГЕЛИЕВОГО КОНЦЕНТРАТА ОТ ПРИМЕСЕЙ

Полезная модель относится к установкам очистки гелиевого концентрата от примесей (водорода, метана, диоксида углерода, воды, азота и неона) и может быть использована на газоперерабатывающих предприятиях.
Известна установка для очистки гелийсодержащих смесей от примесей, содержащая витой противоточный теплообменник, размещенный на наружной обечайке сосуда Дьюара, внутренняя полость которого является ванной жидкого азота, в которой расположен конденсатор, навитый на обечайку адсорбера, в нижней части которого расположен сборник конденсата с сепаратором. Адсорбер подвешен на тяге, прикрепленной к крышке, установленной на фланце, на которой закреплен дроссельный вентиль и через которую проходят трубопроводы. Снаружи теплообменник закрыт теплоизоляцией с кожухом [патент РФ №2009412, МПК 5 F25J 1/02, опубл. 15.03.1994].
Недостатком этой установки 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 близкой к заявляемой по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является установка очистки гелиевого концентрата от примесей [В.В.Николаев и др. Основные процессы физической и физико-химической переработки газа., Москва, «Недра», 1998, с.167-173]. Установка содержит блок очистки гелиевого концентрата от водорода и метана, включающий узел подготовки кислородсодержащей смеси (воздуха) с линией подачи ее в гелиевый концентрат, рекуперативный теплообменник, подогреватель, каталитический реактор, фильтр, воздушный и водяной холодильники, влагоотделитель, блок компримирования и комплексной очистки гелиевого концентрата, включающий адсорбер предварительной осушки гелиевого концентрата, компрессор, масловлагоотделитель, фильтр, осушитель и рекуперативные теплообменники, блок очистки гелиевого концентрата от азота, включающий конденсаторы, адсорбер для очистки от азота, блок очистки гелиевого концентрата неона с линией отвода очищенного гелия, включающий криогенный теплообменник, адсорбер для очистки от неона.
Поток гелиевого концентрата среднего давления поступает на установку в блок очистки гелиевого концентрата от водорода и метана для окисления их кислородом воздуха. Сначала поток гелиевого концентрата среднего давления поступает в смеситель (участок трубопровода), в котором происходит смешение с воздухом, поступающим по линии, соединенной с узлом подготовки кислородсодержащей смеси. Далее полученная смесь нагревается в рекуперативном теплообменнике, подогревателе и подается в каталитический реактор. В реакторе осуществляется непрерывный процесс каталитического окисления водорода и метана кислородом воздуха на алюмоплатиновом катализаторе. Очищенный от водорода и метана гелиевый концентрат среднего давления, пройдя фильтр очистки от пыли, направляется на охлаждение сначала в рекуперативный теплообменник, затем в воздушный и водяной холодильники. Охлажденный поток гелиевого концентрата среднего давления подается во влагоотделитель, в котором происходит отделение капельной жидкости за счет изменения скорости потока. После влагоотделителя гелиевый концентрат подается в осушитель. 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 для дополнительного сжатия и подается в масловлагоотделитель, служащий для улавливания масла. Гелиевый концентрат высокого давления поступает в фильтр, обеспечивающий тонкую его очистку от масла путем адсорбции на силикагеле. Далее поток гелиевого концентрата высокого давления направляется в осушитель, где осуществляется его доочистка и доосушка на цеолитах. Очищенный и осушенный гелиевый концентрат подается на охлаждение в трубное пространство рекуперативных теплообменников и направляется в блок очистки гелиевого концентрата от азота для окончательной очистки очистки гелиевого концентрата от примесей азота, кислорода, аргона. После теплообменников гелий высокого давления, проходя последовательно установленные конденсаторы и отделитель жидкого азота, охлаждается и из него конденсируется основной жидкий азот за счет использования холода жидкого азота холодильного цикла, кипящего в рубашках конденсаторов. Далее гелий высокого давления направляется в угольный адсорбер для очистки от остатков азота и микропримесей. На входе и выходе адсорбера поток гелия высокого давления проходит фильтры. Используя жидкий азот, кипящий в рубашке адсорбера при температуре минус 194°С, обеспечивается отвод тепла адсорбции, что создает условия, близкие к изотермическим. Очищенный от остатков азота гелиевый концентрат, предварительно охлажденный в криогенном теплообменнике за счет холода жидкого азота, подается в угольный адсорбер блока очистки гелиевого концентрата от неона. Угольный адсорбер для очистки гелиевого концентрата от неона аналогичен адсорберу очистки гелиевого концентрата от азота. Очищенный гелий выводится с установки в виде товарной продукции.
Недостатком известной установки являются высокие энергетические затраты, связанные с неоправданно высокими расходами жидкого азота в угольном адсорбере для очистки от неона. Неоправданно высокие расходы жидкого азота в угольном адсорбере для очистки от неона обусловлены тем, что динамическая активность угля по неону при температурах, близких к кипению азота, на порядки ниже, чем активность по азоту. Это приводит к снижению длительности стадии адсорбции до 8-12 часов и значительному увеличению количества адсорберов для очистки от неона (существующие установки тонкой очистки гелиевого концентрата на гелиевом заводе содержат четыре адсорбера С-6).
Задачей заявляемой полезной модели является снижение эксплуатационных затрат установки за счет снижения материалоемкости установки и удельных энергозатрат.
Поставленная задача решается установкой очистки гелиевого концентрата от примесей, содержащей последовательно соединенные блок очистки гелиевого концентрата от водорода и метана, включающий узел подготовки кислородсодержащей смеси с линией подачи ее в гелиевый концентрат, рекуперативный теплообменник, подогреватель, каталитический реактор, фильтр, воздушный и водяной холодильники, влагоотделитель, блок компримирования и комплексной очистки гелиевого концентрата, включающий компрессор, масловлагоотделитель, фильтр, рекуперативные теплообменники и осушитель, блок очистки гелиевого концентрата от азота, включающий конденсаторы, теплообменник, угольный адсорбер для очистки от азота, блок очистки гелиевого концентрата от неона с линией отвода очищенного гелия, включающий криогенный теплообменник, угольный адсорбер очистки от неона, в которой линия отвода очищенного гелия из блока очистки гелиевого концентрата от неона соединена с линией отвода части очищенного гелия, снабженной турбодетандером с линией отвода очищенного гелия низкого давления, соединенной последовательно с криогенным теплообменником и рекуперативными теплообменниками блока компримирования и комплексной очистки гелиевого концентрата.
Технический результат от наличия дополнительной линии отвода части очищенного гелия, снабженной турбодетандером, позволяет получить очищенный гелий низкого давления с температурой 25-30°К (значительно ниже, чем температура адсорбции азота). Это способствует повышению адсорбционной способности активированного угля по неону и продлению срока его службы (увеличению длительности стадии адсорбции неона). При этом уменьшаются эксплуатационные затраты за счет сокращения энергоресурсов и энергии, необходимой для регенерации адсорбента, потребления жидкого азота, снижения расхода применяемых для очистки сорбентов.
На фиг.1 представлена схема установки очистки гелиевого концентрата от примесей.
Установка очистки гелиевого концентрата от примесей содержит:
- блок очистки гелиевого концентрата от водорода и метана, включающий линию подачи гелиевого концентрата среднего давления 1, узел подготовки кислородсодержащей смеси 2 с линией 3 подачи ее в гелиевый концентрат, рекуперативный теплообменник 4, подогреватель 5, каталитический реактор 6, фильтр 7, воздушный 8 и водяной 9 холодильники, влагоотделитель 10;
- блок компримирования и осушки гелиевого концентрата, включающий, компрессор 11, масловлагоотделитель 12, фильтр-осушитель 13, рекуперативные теплообменники 14-17, сепаратор 18, осушитель 19, фильтр 20;
- блок очистки гелиевого концентрата от азота, включающий конденсаторы 21-22, теплообменник 23, адсорбер 24 для очистки от азота;
- блок очистки гелиевого концентрата от неона, включающий криогенный теплообменник 25, адсорбер для очистки от неона 26, линия отвода очищенного гелия 27, линия отвода части очищенного гелия на расширение 28, турбодетандер 29.
Поток гелиевого концентрата среднего давления по линии 1 поступает на установку 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 3, соединенной с узлом подготовки кислородсодержащей смеси 2. Далее полученная смесь нагревается последовательно в рекуперативном теплообменнике 4, подогревателе 5 и подается в каталитический реактор 6. В реакторе осуществляется непрерывный процесс каталитического окисления водорода и метана кислородом на алюмоплатиновом катализаторе. Очищенный от водорода и метана гелиевый концентрат, пройдя фильтр очистки от пыли 7, направляется на рекуперацию тепла в теплообменник 4 и далее на дальнейшее охлаждение сначала в воздушный 8, затем в водяной 9 холодильники. Охлажденный поток гелиевого концентрата подается во влагоотделитель 10, в котором происходит отделение капельной жидкости за счет изменения скорости потока. Далее гелиевый концентрат среднего давления поступает на всас компрессора 11 для дополнительного сжатия и подается в масловлагоотделитель 12 для улавливания масла, унесенного потоком после компрессора. Гелиевый концентрат высокого давления поступает в фильтр-осушитель 13, обеспечивающий тонкую очистку от масла путем адсорбции на силикагеле. После фильтра-осушителя 13 часть гелиевого концентрата отбирается и подается в узел подготовки кислородсодержащей смеси 2 для образования гелиево-кислородной смеси, а основной поток гелиевого концентрата высокого давления направляется на охлаждение последовательно в рекуперативные теплообменники 14-15, в которых гелиевый концентрат частично конденсируется для последующего отделения влаги в сепараторе 18. После сепаратора гелиевый концентрат направляется в осушитель 19 для осуществления окончательной очистки гелиевого концентрата от паров воды и возможных примесей двуокиси углерода, которые могли образоваться в реакторе. После осушителя 19 гелиевый концентрат высокого давления двумя параллельными потоками направляется на охлаждение в теплообменники 16-17 и объединенный поток отводится на дальнейшую тонкую очистку от азота и неона. Гелиевый концентрат высокого давления подается в последовательно установленные конденсаторы 21-22 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 теплообменник 23, после чего направляется в угольный адсорбер 24 для окончательной очистки гелиевого концентрата от примесей азота, кислорода, аргона. Далее очищенный от примесей азота гелиевый концентрат высокого давления поступает через криогенный теплообменник 25 в угольный адсорбер 26 для очистки от неона. Основной поток очищенного гелия высокого давления после адсорбера 26 по линии 27 выводится с установки в виде товарной продукции, а часть его по линии 28 после расширения в турбодетандере 29 с понижением температуры до 25-30°К также, как и очищенный гелий высокого давления, обратным потоком выводится с установки, проходя последовательно криогенный теплообменник 25, рекуперативные теплообменники 17 и 14.
Таким образом, использование полезной модели позволяет снизить эксплуатационные затраты установки за счет снижения затрат энергии на получение холода с использованием жидкого азота, а также снизить материалоемкость установки за счет снижения расхода сорбентов (активированного угля в 1,75 раза) и уменьшения габаритов применяемых аппаратов.