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

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности, касается способа получения обогащённых гелиевых смесей из гелийсодержащего природного газа.
Из уровня техники известен «Эффект резкого увеличения коэффициента центробежного разделения газовых смесей в неравновесных условиях» (Г.Ю. Григорьев, А.В. Максимычев, Л.И. Меньшиков, П.Л. Меньшиков - Труды МФТИ, 2016. Том 8, №1), в котором показано, что при приведении во вращательное движение струи, состоящей из смеси газов, коэффициент центробежного разделения газов сначала увеличивается, потом достигает максимума и далее уменьшается до стандартной величины, достигаемой в аппаратах по центробежному разделению при установившемся больцмановском равновесии. Величина коэффициента обогащения в максимуме может превышать стандартное значение на порядок.
Рассмотренный эффект является частным случаем центробежного разделения газов, который обуславливает ограничения и задачу получения эффекта, такие как: а) смесь парообразных солей хлорида циркония и хлорида гафния в аргоне; б) использование адиабатического расширения смеси; в) сфера применения эффекта – усовершенствование ядерного топливного цикла.
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 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, опубл. 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.
Из патента РФ № 2116523 (МПКF04F 5/54, опубл. 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.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа принимаемого за прототип, который предполагает для обогащения гелием гелийсодержащего природного газа использовать центробежную силу при ламинарном движении разделяемого потока газа (см. патент РФ №2655905, МПК B01D 53/24, опубл. 29.05.2018 г.)
Недостатком известного способа является сложность создания условий ламинарности движения потока газа при промышленных условиях (расход, давление) использования способа.
В практике добычи и транспортировке природного газа, при промышленных скоростях и давлениях потока, чаще возникает необходимость не в получении чистого гелия, а в разделение потоков на товарный поток направляемый потребителю и поток обогащенный гелием, направляемый на дальнейшую переработку, транспортировку или хранение. При таком подходе создание ламинарности движения потока разделяемого газа является трудной задачей, упростить которую признан предлагаемый способ.
Задачей настоящего изобретения является создание способа обогащения гелием гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, применимого в промышленных объемах газодобычи.
Технический результат заключается в упрощении способа за счет обеспечения  возможности разделения газа и выделения гелия из неламинарного потока.
Поставленная задача решается посредством способа получения обогащённого гелием потока из гелийсодержащего природного газа, при котором вводят основной поток гелийсодержащего природного газа в канал, где обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока в изолированный канал и отделением остальной части основного потока, при этом основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 м/с, в диапазоне давлений 1-100 бар и обеспечивают центробежную силу поворотом основного потока, при этом, отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала ближайшей к центру вращения потока, с помощью отводного канала или путем деления проходного сечения канала перегородкой. При этом под термином «насыщенный гелием поток» подразумевается поток, в котором концентрация гелия увеличена по сравнению с основным потоком.
При этом для промышленных условий были ограничены диапазоны использования способа по давлению 1-100 бар (0,1-10МПа), что позволяет использовать способ на рабочих давлениях промышленной добычи, передачи и переработки газа, а также на низких давлениях, например, после переработки газа. Диапазон скоростей потока способа обеспечивает перекрытие промышленных скоростей газа и не доходит до звуковых скоростей (1-300м/с).
Вариантами использования предлагаемого способа являются его повторение для остальной части потока, когда необходимо повысить уровень очищения от гелия потока товарного природного газа или для потока насыщенного гелием, при необходимости повысить уровень концентрации гелия в обогащенном потоке. Кроме этого, возможно дополнительное охлаждение основного потока для понижения энтальпии разделяемого газа.
Угол поворота канала, а также размеры и форма сечения канала зависят от типа устройства и характеристик потока (расход, давление), в котором реализуется предлагаемый способ, а также определяются исходя из требуемой степени обогащения гелием потока, насыщенного гелием, и подбираются с учетом свойств гелийсодержащего природного газа, поступающего на обработку.
Заявляемый способ является логическим продолжением прототипа (патент РФ №2655905) в получении обогащенного гелием гелийсодержащего природного газа. Отличием является его использование для неламинарного режима движения разделяемого газа. При этом он также как и прототип, может использоваться самостоятельно, либо как первичный этап отделения гелия в смеси газов для последующей обработки, как с помощью вариантов применения предлагаемого способа, так и прототипа и/или других известных технологий получения чистого гелия.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны различные варианты соотношения смеси газов гелия и метана, от демонстрационных смесей 50/50 (здесь и далее смесь газов указывается в % моль.) до реальных природных соотношений, так:
на фиг. 1 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (50%) и метана (50%), вид сбоку;
на фиг. 2 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (50%) и метана (50%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;
на фиг. 3 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (5%) и метана (95%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;
на фиг. 4 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (5%) и метана (95%) с отбором обогащенной гелием смеси в отводной канал с аксонометрическими сечениями потоков;
на фиг. 5 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (0,5%) и метана (99,5%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;
на фиг. 6 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (0,5%) и метана (99,5%) с отбором обогащенной гелием смеси в отводной канал с аксонометрическими сечениями потоков.
Для фиг 1-6, характеристики потока и канала составляют: скорость потока 100 м/с; давление 100 бар; поворот канала на угол 90 градусов; сечение канала 20х20 мм.
На фиг. 7 показан вариант устройства для реализации при механическом разделении основного потока на поток, насыщенного гелием и остальной поток при помощи перегородки.
На фиг. 8 показано изменение объемной концентрации гелия по высоте квадратного (20х20 мм) канала при угле поворота 90 градусов для разных сочетаний скорости потока и давления.
На фиг. 9 показана объемная доля расхода чистого (концентрация близка к 1,0) гелия после разделения исходной смеси на два потока.
На фиг. 10 представлены расчетные зависимости разделения смеси газов в зависимости от угла поворота.
Для фиг. 8-10 смесь газов основного потока: 50% метана и 50% гелия.
На фигурах цифрами обозначены:
1. Основной поток;
2. Канал;
3. Часть основного потока насыщенная гелием;
4. Отводной канал;
5. Остальная часть основного потока после отделения потока насыщенного гелием;
6. Перегородка.
7. Угол поворота канала;
8. Зона концентрации гелия;
9. Профиль сечения канала в зоне концентрации гелия;
Возможность осуществления способа определена расчетом с применением программного комплекса ANSYS CFX. Расчетная модель разработана на базе трехмерных стационарных уравнений течения смеси газов (уравнения Навье-Стокса).
Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа осуществляют следующим образом: вводят основной поток 1 гелийсодержащего природного газа в канал 2, где обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части 3 основного потока 2 расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока 3 в отводной канал 4 и с отделением остальной части 5 основного потока 1. Отводной канал 4 может быть образован, например, путем деления проходного сечения канала 2 перегородкой 6. Перегородка 6 может в зависимости от известной заранее концентрации гелия в основном потоке 1, и учитываемой устройством реализации способа, иметь различную форму, например, по форме трапеции (фиг. 4 и 6) или прямоугольника (фиг. 2 и 7).
Общими условиями выполнения способа являются – вхождение основного потока 1 в канал 2 со скоростью от 1 до 300 м/с, при давлении потока в диапазоне от 1 до 100 бар. В этом случае создается необходимая центробежная сила за счет поворота основного потока 1 на угол 7. За счет центробежной силы происходит разделение смеси газов основного потока 1, при котором гелий как наиболее легкий и не участвующий в межатомных/межмолекулярных взаимодействиях газ, перераспределяется внутри основного потока 1 природного газа. Гелий концентрируется в зоне 8, которая располагается после поворота канала 2 вблизи его внутренней стенки ближайшей к центру вращения потока 1. Особенностью применения предлагаемого способа является то, что в зависимости от параметров потока 1, первоначальной концентрации гелия в нем и угла 7 поворота зона 8 концентрации гелия имеет изменяемые размеры и профиль сечения 9. Это хорошо заметно на приведенных рисунках (фиг. 1, 2 и 3).
На фиг. 8 и 9 представлены обобщенные результаты расчетов разделения смеси метана и гелия в заявленном диапазоне основных параметров (скорость потока от 1 до 300 м/с, давление от 1 до 100 бар) и повороте потока на угол 90 градусов. На фиг. 8 показано изменение объемной концентрации гелия по высоте квадратного (20х20 мм) канала 2, при его повороте на 90 градусов, для разных сочетаний скорости потока и давления. На фиг. 9 показана объемная доля расхода чистого (концентрация близка к 1,0) гелия после разделения исходной смеси на два потока. Графическое отображение результатов расчета показывает возможность получения потока гелия в диапазоне 0,36-0,52 от общего расхода разделяемой смеси.
На фиг. 10 представлены расчетные зависимости разделения основного потока 1, при определённых давлениях и скоростях потока, в зависимости от угла 7 поворота основного потока 1.
Условия и параметры отбора обогащённого гелием потока определяются параметрами конкретного устройства для реализации способа и свойствами природного газа, поступающего на обогащение.
Предлагаемый способ обеспечивает:
а) получение потока обогащённого гелием из гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, в промышленных объемах газодобычи и транспорта газа;
б) возможность повышения технологической и экономической эффективности известных технологий получения гелия за счет сочетания заявляемого способа и известных технологий.