УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ТРАНСПОРТИРУЕМОГО ПОТОКА ПРИРОДНОГО ГАЗА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Заявленная полезная модель относится к устройствам для переработки природного газа в процессе его транспортировки, в частности, для извлечения гелия с целью его дальнейшего обогащения или консервации в виде гелиевого концентрата и очистки природного газа от гелия. Устройство может быть использовано в химической, нефтехимической и газовой промышленности, а также в отраслях промышленности, связанных с переработкой гелийсодержащих газовых смесей, включая попутные нефтяные газы органического или азотного происхождения.
На Земле гелий является редким химическим элементом и его разведанные запасы могут быть исчерпаны в течение ближайших 50-100 лет. Гелиевая проблема в основном состоит в том, что в сравнительно концентрированном состоянии гелий содержится в ископаемых газах, к которым относятся, как они сейчас называются, топливные газы - природный газ, попутные нефтяные газы и др. При сжигании топливных газов гелий выбрасывается в атмосферу, где его концентрация составляет величину около 5 ppm и обогащение гелия из атмосферного воздуха относится к предельно трудным задачам.
В настоящее время используется или находится в стадии разработки несколько основных физических методов извлечения гелия из гелийсодержащих топливных газовых смесей. Химические методы извлечения гелия малоперспективны, поскольку гелий относится к инертным веществам и не образует соединений с другими химическими элементами. Для извлечения гелия предлагаются адсорбционные методы и устройства (см., например, пат. РФ на изобретение №2291740 С2 от 24.02.2005), которые позволяют концентрировать гелий, но не обладают высокой степенью его извлечения. Другим промышленно освоенным методом извлечения гелия является криогенный метод, основанный на том, что гелий в смеси топливных газов обладает самой низкой температурой кипения и при охлаждении может быть обогащено почти до 100% его содержания (см. например, пат. РФ на полезную модель №89213 U1 от 19.01.2009). Данный метод до настоящего времени являлся практически единственным промышленным методом, но он обладает существенными недостатками, связанными с его высокой энергоемкостью (необходимость сжижения и испарения газов) и относительно невысокой степенью извлечения гелия (до 85% при условии его высокого обогащения). В промышленности большинства развитых стран, в том числе Российской Федерации, ведутся разработки, направленные на рациональное использование запасов гелия. В частности, существуют разработки (см. пат РФ на изобретение №2415334 С1 от 29.06.2009), направленные на организацию способов транспортировки топливных газов, в которых применяется их переработка с концентрированием гелия с целью его последующего извлечения.
Наиболее близким и взятым за прототип заявленной полезной модели является установка очистки природного газа высокого давления от гелия (см. пат. РФ на полезную модель №114423 U1 от 11.11.2011), в которой для извлечения гелия и очистки от гелия природного газа предложено использовать мембранные технологии. Мембранные газоразделительные технологии позволяют разделять газовые смеси, используя только энергию сжатого газа, которой обладает транспортируемый в газопроводе природный газ. Мембранные газоразделительные методы позволяют достигать высоких обогащений и высоких степеней извлечения целевого компонента. Для гелия, как для наиболее проницаемого через мембраны газового компонента, это сводится к тому, что его степень извлечения (отношение количества гелия, получаемого в продукте в виде гелиевого концентрата, к его количеству, поступающему на мембранное газоразделение) может приближаться к 95% и более. Величина степени извлечения лимитируется только площадью селективно проницаемой мембраны.
Известная установка очистки природного газа высокого давления от гелия включает компрессор, трубопровод для отвода гелиевого концентрата и два мембранных газоразделительных блока, каждый из которых имеет вход и выход газа высокого давления и выход газа низкого давления. Вход и выход газа высокого давления первого блока сообщены с трубопроводом, транспортирующим поток природного газа, выход газа низкого давления первого блока сообщен со входом низкого давления компрессора, вход газа высокого давления второго блока сообщен с выходом высокого давления компрессора, выход газа низкого давления второго блока сообщен с трубопроводом для отвода гелиевого концентрата. Каждый мембранный газоразделительный блок содержит один или несколько параллельно соединенных газовыми коммуникациями мембранных модулей, каждый из которых имеет разделенные селективно проницаемыми мембранами полость высокого давления, имеющую входной и выходной патрубки, и полость низкого давления, имеющую выходной патрубок. За счет селективного проникновения гелия через мембраны из полостей высокого давления в полости низкого давления мембранных модулей использование установки позволяет извлечь гелий из потока природного газа высокого давления, а из проникшего через мембраны газа сформировать обогащенный гелием поток - поток гелиевого концентрата. Гелиевый концентрат может быть направлен в хранилища или для дальнейшего обогащения гелия до товарной кондиции.
В установке используется схема распределения потоков, при которой выход газа высокого давления второго мембранного газоразделительного блока также сообщен с трубопроводом, транспортирующим поток природного газа.
Известная установка обладает следующими достоинствами и недостатками:
Использование установки позволяет решить главную задачу - очистку транспортируемого природного газа от гелия. В зависимости от масштаба используемой установки (от площади мембран и рабочего давления) степень извлечения гелия может иметь любую требуемую величину. Например, обычно считается, что объемная концентрация гелия, оставшегося в природном газе, не должна превышать 0,02-0,05%, что соответствует степени извлечения на уровне 95% и более при начальном содержании гелия около 0,5-1,0%.
В результате очистки в установке получается поток природного газа, обогащенного гелием, который технологически просто использовать для транспортировки или дальнейшей переработки.
С использованием установки резко снижается энергоемкость процесса извлечения гелия. Для обогащения гелием потока природного газа исключаются энергозатраты, связанные с фазовыми переходами (сжижение и испарение компонентов природного газа). В первом мембранном газоразделительном блоке выделение гелия происходит за счет энергии, содержащейся в сжатом природном газе. Для работы второго мембранного газоразделительного блока необходимо сжатие газа, выходящего из выхода низкого давления первого блока, и его подача на вход высокого давления второго блока, для чего используется входящий в состав установки компрессор. Однако энергозатраты на повторное сжатие газа относительно невелики, поскольку на вход высокого давления второго мембранного газоразделительного блока поступает сравнительно небольшой относительно начального поток газа.
Использование установки обладает значительными технологическими преимуществами перед другими устройствами для извлечения гелия. Мембранные газоразделительные установки просты в управлении, компактны и долговечны.
3
Несмотря на все перечисленные преимущества, известная установка обладает одним недостатком, который заключается в том, что достигаемое в установке содержание гелия в производимом гелиевом концентрате относительно невелико. Отсюда могут возникать проблемы с консервацией гелиевого концентрата (при малом содержании гелия для его консервации требуются хранилища большого объема) и удорожание финишного обогащения гелия до товарных марок, где требуемое объемное содержание гелия составляет более 99%. Для финишного обогащения гелия наиболее оптимальным является криогенный метод, который является высокоэнергоемким. Энергозатраты на производство 1 м чистого гелия обратно пропорциональны его концентрации в исходном сырье. Сравнительно небольшое содержание гелия в гелиевом концентрате, производимом известной установкой, определяется тем, что на выходе высокого давления как первого, так и второго мембранного газоразделительного блоков в потоке транспортируемого газа должно быть одинаково малое содержание гелия, что является следствием решаемой задачи - очистке транспортируемого газа от гелия. Второй мембранный газоразделительный блок эксплуатируется в совсем других условиях по сравнению с первым. На вход высокого давления первого блока подается исходный природный газ со сравнительно невысоким содержанием гелия, тогда как на вход высокого давления второго блока поступает газ, обогащенный гелием на первом блоке. Поэтому на втором мембранном газоразделительном блоке высокая очистка от гелия достигается за счет потерь обогащения производимого гелиевого концентрата, получаемого на выходе газа низкого давления.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая установка для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления, является увеличение содержания гелия в производимом гелиевом концентрате.
Технический результат, который достигается при использовании предлагаемой установки, состоит в увеличении содержание гелия в гелиевом концентрате без уменьшения заданной степени извлечения гелия из природного газа и с сохранением энергетических и капитальных затрат.
Указанные задача и технический результат достигаются тем, что установка для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления включает компрессор, трубопровод для отвода гелиевого концентрата и два мембранных газоразделительных блока, каждый из которых имеет вход и выход газа высокого давления и выход газа низкого давления. В установке вход и выход газа высокого давления первого блока сообщены с транспортирующим поток природного газа трубопроводом, выход газа низкого давления первого блока сообщен со входом низкого давления компрессора, вход газа высокого давления второго блока сообщен с выходом высокого давления компрессора, выход газа низкого давления второго блока сообщен с трубопроводом для отвода гелиевого концентрата, а выход газа высокого давления второго газоразделительного блока сообщен со входом газа высокого давления первого блока. В установке каждый мембранный газоразделительный блок содержит один или несколько параллельно соединенных газовыми коммуникациями мембранных модулей, каждый из которых имеет разделенные селективно проницаемыми мембранами полость высокого давления, имеющую входной и выходной патрубки, и полость низкого давления, имеющую выходной патрубок.
Отличием заявленной установки от прототипа является то, что в ней выход газа высокого давления второго газоразделительного блока сообщен со входом газа высокого давления первого блока. В данном отличии используется принцип рециклирования потоков, при котором возможно снижение производимого потока гелиевого концентрата с одновременным увеличением содержания в нем гелия. В прототипе рециклирование не используется и выход газа высокого давления второго газоразделительного блока, как и выход газа высокого давления первого блока, сообщен с транспортирующим поток природного газа трубопроводом.
На Рисунке 1 изображена принципиальная схема установки для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления, а на Рис.2 изображена схема соединения мембранных модулей в мембранных газоразделительных блоках.
Установка включает в себя (см. Рис.1) компрессор 1, имеющий вход низкого давления 2 и выход высокого давления 3, трубопровод для отвода гелиевого концентрата 4 и два мембранных газоразделительных блока - первый блок 5 и второй блок 6. Каждый блок имеет вход газа высокого давления 7 и 8, выход газа высокого давления 9 и 10 и выход газа низкого давления 11 и 12. Вход 7 и выход 9 газа высокого давления первого блока сообщены с транспортирующим поток природного газа трубопроводом газовыми коммуникациями 13 и 14. В тех случаях, когда установка перерабатывает весь поток природного газа, транспортируемого по трубопроводу, трубопровод состоит из двух не связанных между собой участков 15 и 16. В тех случаях, когда на переработку поступает только часть транспортируемого газа, трубопровод является непрерывным и состоит из участков 15, 16 и 17. Для создания перепада давления и обеспечения возможности возврата природного газа в трубопровод по коммуникации 14, в трубопроводе может быть установлено либо гидравлическое сопротивление 18 в виде сужающегося участка, либо использован дополнительный компрессор 19. Для сообщения выхода газа низкого давления 11 первого мембранного газоразделительного блока с входом газа высокого давления 8 второго мембранного газоразделительного блока в установке используются газовые коммуникации 20 и 21, первая из которых сообщена с входом низкого давления 2 компрессора 1, а вторая сообщена с выходом 3 высокого давления компрессора. Выход газа низкого давления 12 второго блока сообщен с трубопроводом 4 для отвода гелиевого концентрата газовой коммуникацией 22, а его выход газа высокого давления 10 сообщен с входом газа высокого давления 7 первого блока газовой коммуникацией 23.
Каждый мембранный газоразделительный блок 24 (см. Рис.2) содержит один или несколько параллельно соединенных газовыми коммуникациями 25, 26, 27 мембранных модулей 28, каждый из которых имеет разделенные селективно проницаемыми мембранами 29 полость высокого давления 30, имеющую входной 31 и выходной 32 патрубки, и полость низкого давления 33, имеющую выходной патрубок 34.
Установка для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления работает следующим образом.
Из транспортирующего поток природного газа трубопровода высокого давления 16 (см. Рис.1) весь поток или его часть по газовой коммуникации 13 поступает на вход газа высокого давления 7 первого мембранного газоразделительного блока, где он подается газовой коммуникацией 25 (см. Рис.2) на входные патрубки 31 одного или нескольких мембранных модулей 28. Количество мембранных модулей определяется типом серийного модуля (площадью размещенной в нем мембраны), величиной перерабатываемого газового потока и рабочим высоким давлением. Как правило, рабочее давление соответствует давлению в транспортирующем природный газ трубопроводе. При необходимости это давление может быть уменьшено с помощью редуктора или увеличено с помощью дожимного компрессора, установленного на газовой коммуникации 13 (на Рис.2 не показаны). Из патрубка 31 газ поступает в полость высокого давления 30 мембранного модуля, движется вдоль поверхности селективно проницаемой мембраны и его поток отводится из полости высокого давления через выходной патрубок 32. Выходные патрубки 32 всех мембранных модулей соединены газовой коммуникацией 26, через которую не проникший через мембраны поток поступает на выход высокого давления 9 первого мембранного газоразделительного блока (см. Рис.1). За счет того, что мембрана является частично проницаемой для компонентов природного газа, эти компоненты проникают в полость низкого давления 33, из которой через выходной патрубок 34 отводится поток проникшего через мембрану газа. Выходные патрубки 34 всех мембранных модулей соединены газовой коммуникацией 27, через которую не проникший через мембраны поток поступает на выход низкого давления 11 первого мембранного газоразделительного блока. Величина давления в полостях низкого давления мембранных модулей регулируется дросселирующим устройством, установленным до или после выхода низкого давления 11 первого блока (на рисунках не показано). Эффект обогащения гелия в полостях низкого давления и эффект очистки природного газа от гелия в потоках, протекающих через полости высокого давления, обусловлены различными величинами проницаемости гелия и других компонентов природного газа через поверхность мембраны. Для большинства известных мембран гелий является самым высокопроницаемым компонентом. Его селективность в десятки раз превосходит селективности других пар компонентов. В качестве мембранных модулей могут быть использованы различные типы модулей, отличающиеся типом используемой мембраны - плоскорамные, рулонные или половолоконные мембранные модули.
Таким образом, на выходе газа высокого давления 9 первого мембранного газоразделительного блока имеется поток природного газа, обедненного гелием до требуемой величины, а на выходе газа низкого давления имеется поток, обогащенный гелием. Обедненный гелием поток (природный газ. очищенный от гелия) через газовую коммуникацию 14 поступает в трубопровод 16 для дальнейшей транспортировки.
В тех случаях, когда на первый мембранный газоразделительный блок через газовую коммуникацию 13 подают весь поток природного газа из трубопровода 15. транспортирующие трубопроводы 15 и 16 являются раздельными (не соединены между собой).
В тех случаях, когда через газовую коммуникацию 13 на переработку подают только часть потока транспортируемого природного газа. трубопроводы 15 и 16 соединены между собой трубопроводным участком 17, обеспечивающим непрерывность потока газа. Поскольку на мембранных модулях происходят небольшие потери давления газа, для подачи газа в участок трубопровода 16 необходимо обеспечить разницу давления между точками врезки газовых коммуникаций 13 и 14. Для этого в трубопроводный участок 17 может быть установлено устройство типа гидравлического сопротивления в виде сужающегося участка 18 или может быть использован дополнительный компрессор 19, мощность которого сравнительно невелика, поскольку потери давления в мембранных модулях малы.
Отбираемый из выхода газа низкого давления 11 первого мембранного газо раздел и тельного блока поток газа фактически уже является гелиевым концентратом, но имеет сравнительно не высокое обогащение по гелию и содержит много основного компонента природного газа - метана, который фактически теряется из транспортирующей системы и уходит с гелиевым концентратом. Для снижения этих потерь и увеличения содержания гелия в гелиевом концентрате в установке используется второй мембранный газоразделительный блок 6. вход газа высокого давления которого 8 соединен с выходом газа низкого давления 11 первого блока. Газ, обогащенный гелием, по газовой коммуникации 20 поступает на вход низкого давления2 компрессора 1 и после сжатия из его выхода высокого давления 3 по газовой коммуникации 21 поступает на вход высокого давления 8 второго блока 6. Во втором газоразделительном блоке на мембранных модулях происходит дальнейшее обогащение гелиевого концентрата, который из выхода низкого давления 12 по газовой коммуникации поступает в трубопровод 4 для отвода гелиевого концентрата. Из выхода высокого давления 10 второго мембранного газоразделительного блока по газовой коммуникации 23 поток газа, обедненного гелием, поступает на вход газа высокого давления 7 первого блока. При этом специальное согласование по давлениям газовых коммуникаций 13 и 23 не требуется, поскольку необходимый уровень давления определяется степенью сжатия газа на компрессоре 1. Для минимизации потерь работы разделения площадь мембраны в мембранных модулях второго газоразделительного блока должна быть выбрана таким образом, чтобы концентрация гелия в газовой коммуникации 23 была максимально близкой к его концентрации в газовой коммуникации 13.
Поставленные задача и технический результат, достигаемые при использовании предлагаемой установки, обеспечиваются за счет того, что, в отличие от прототипа, в данной установке первый мембранный газоразделительный блок эксплуатируется в режиме обеспечения заданной степени извлечения гелия из исходного природного газа, а второй блок эксплуатируется в режиме обогащения гелиевого концентрата. В устройстве-прототипе используемая газоразделительная схема такова, что оба мембранных газоразделительных блока должны эксплуатироваться в режиме обеспечения высокого извлечения гелия, что не позволяет достигать высоких концентраций гелия в производимом гелиевом концентрате.
Преимущества предлагаемой установки по сравнению с прототипом можно проиллюстрировать следующим примером.
3
Транспортируемый поток природного газа составляет величину 10000 м/час нормальных при давлении 75 ати. Природный газ содержит 1,0 объемный % гелия; 93,5% метана; 5,0% других углеводородов; 0,5% углекислого газа. Целью стоит очистка природного газа до содержания гелия 0,05%.
При использовании устройства-прототипа, содержащего мембранные модули на основе полиамидных полых волокон, могут быть достигнуты следующие результаты:
3
Поток очищенного природного газа - 9845 м/час; содержание гелия - 0,05%; поток гелиевого концентрата - 155 м3/час; содержание гелия в концентрате - 61%.
3
3
При использовании заявленного устройства поток очищенного природного газа составляет 9875 м/час; содержание в нем гелия - 0,05%; поток гелиевого концентрата - 125 м/час; содержание гелия в концентрате - 75%. Устройство позволяет одновременно увеличить содержание гелия в концентрате и поток очищенного природного газа.
Увеличение содержания гелия в гелиевом концентрате в абсолютных величинах составляет 14%, а в относительных - 23%. При этом требуемая в обоих устройствах площадь мембраны (основные капитальные затраты) и энергозатраты на сжатие газа при подаче во второй мембранный газоразделительный модуль практически одинаковы и отличаются не более, чем на 1,0%.