СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЛЕГКОГО ИНЕРТНОГО ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATION OF LIGHT INERT GAS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Данное изобретение относится к извлечению легкого инертного газа из газовой смеси, содержащей легкий инертный газ и по меньшей мере один другой компонент. Легкий инертный газ может представлять собой гелий, неон или аргон.
[002] Разработаны различные способы и технологии отделения и извлечения легких инертных газов из многокомпонентных газовых потоков. Такие способы включают в себя автономные мембранные разделительные установки, автономные криогенные установки и комбинации мембранных разделительных установок, криогенных установок и установок адсорбции при переменном давлении (PSA). Как используется в данном документе, термин «адсорбция при переменном давлении» включает в себя «вакуумную короткоцикловую адсорбцию» и «вакуумную короткоцикловую безнагревную адсорбцию».
[003] Раскрытие информации, относящейся к таким способам и/или технологиям, включает WO 2016/096104; DE102007022963; и патенты США №№ 3250080; 3324626; 4077779; 4690695; 4701187; 4717407; 4783203; 5542966; 8152898; 8268047; и US 2017/0312682.
[004] В промышленности желательно извлекать легкие инертные газы из различных сырьевых потоков, которые содержат желательный легкий инертный газ.
2
[005] Например, желательно извлекать гелий из сырьевого потока (например, природного газа), содержащего низкую концентрацию гелия, например. от 0,1 моль % до 4 моль % или от 0,1 моль % до 2 моль % гелия или от 0,1 моль % до 1 моль % гелия. Другие примеры сырьевых потоков включают в себя вентиляционные потоки установки удаления азота (NRU), вентиляционные потоки при сжижении CO, рециркуляционные потоки в производственных процессах, регенерационные потоки в способах заполнения дирижаблей, неконденсируемые вентиляционные потоки ребойлера в воздухоразделительных установках, газообразный азот высокого давления (HPGAN) из воздухоразделительных установок, колонны с обратным холодильником и низким давлением в воздухоразделительных установках или вентиляционные потоки резервуара для хранения сжиженного азота.
[006] В промышленности желательно извлекать легкие инертные газы из сырьевых потоков, в которых концентрация легкого инертного газа меняется во времени.
[007] Кроме того, в промышленности желательно производить газообразный продукт, содержащий легкий инертный газ, в пределах заданной концентрации, указанной в спецификации, в случае сырьевых потоков, в которых концентрация легкого инертного газа варьируется.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[008] Данное изобретение относится к способу и устройству для отделения легкого инертного газа от потока сырьевого газа, содержащего легкий инертный газ и по меньшей мере один другой компонент.
[009] Существует несколько аспектов изобретения, которые кратко описаны ниже. В дальнейшем номера позиций и выражения, приведенные в круглых скобках, ссылаются на типичный вариант реализации изобретения, который дополнительно поясняется ниже со ссылкой на фигуры. Однако номера позиций и выражения являются только иллюстративными и не ограничивают указанный аспект каким-либо конкретным компонентом или признаком типичного варианта реализации изобретения. Компоненты и признаки любого варианта реализации изобретения могут быть объединены с одним или большим количеством других компонентов или признаков из одного или большего количества других вариантов реализации изобретения, и все такие комбинации считаются входящими в объем данного изобретения. Аспекты могут быть сформулированы как пункты формулы изобретения, в которых номера позиций и выражения, приведенные в круглых скобках, опущены или заменены другими сообразно обстоятельствам.
[0010] Аспект 1. Устройство для получения продукта, содержащего легкий инертный газ, из сырьевого газа (11), содержащего легкий инертный газ и по меньшей мере один другой газообразный компонент, причем легкий инертный газ выбран из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, и, при этом, устройство содержит:
адсорбционную разделительную установку (10), притом, что адсорбционная разделительная установка (10) содержит
множество емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e), каждая из которых содержит слой адсорбента;
коллектор сырьевого газа (200) в избирательном сообщении по текучей среде  с каждой из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e);
коллектор продуктового газа (210) в избирательном сообщении по текучей среде  с каждой из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e);
коллектор остаточного газа (220) в избирательном сообщении по текучей среде  с каждой из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e);
трубопроводы технологического газа, функционально связывающие множество емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e) с коллектором сырьевого газа (200), коллектором продуктового газа (210) и коллектором остаточного газа (220);
причем каждая емкость (100) из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e) имеет связанные с ней трубопроводы технологического газа (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108);
множество клапанов в трубопроводах технологического газа, включающее в себя множество клапанов, смежных и связанных (110, 111, 112, 113, 114, 115) с каждой соответствующей емкостью (100);
V
c
и, при этом, адсорбционная разделительная установка (10) имеет центральный объем, , трубопроводов технологического газа (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108), связанных с каждой из соответствующих емкостей (100);
притом, что центральный объем для каждой соответствующей емкости представляет собой сумму
(i) объема, содержащегося в трубопроводах технологического газа, связанных с соответствующей емкостью, которые соединяют соответствующую емкость с каждым клапаном (110, 111, 112, 113, 114, 115), смежным с соответствующей емкостью (100),
(ii) объема всех глухих концов (109), если таковые имеются, соединенных на стыке с соответствующей емкостью (100), и
(iii) объема всех глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с соответствующей емкостью (100), которые соединяют соответствующую емкость (100) с любым клапаном (110, 111, 112, 113, 114, 115), смежным с соответствующей емкостью (100);
V
2
причем центральный объем для каждой соответствующей емкости включает в себя вторичный объем , и, при этом, вторичный объем представляет собой сумму
(i) объема всех глухих концов (109), если таковые имеются, соединенных с соответствующей емкостью (100);
(ii) объема всех глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с соответствующей емкостью (100), которые соединяют соответствующую емкость (100) с любым клапаном (110, 111, 112, 113, 114, 115), смежным с соответствующей емкостью (100), и
(iii) объема любых трубопроводов технологического газа (108), если таковые имеются, которые имеют первый конец, заканчивающийся в клапане (115), смежном с соответствующей емкостью (100), который выполнен с возможностью позволять перемещение технологического газа в коллектор остаточного газа (220), когда клапан открыт, и имеют второй конец, заканчивающийся на стыке с любой другой из связанных трубопроводов технологического газа (102), которые соединяют соответствующую емкость (100) с любым другим клапаном (110), смежным с соответствующей емкостью (100); и,
V
V
2
c
притом, что вторичный объем составляет менее чем 5% или менее чем 3% или менее чем 1% от центрального объема, , для каждой емкости (100).
[0011] Аспект 2. Устройство согласно аспекту 1, дополнительно содержащее:
вторую разделительную установку (20), причем вторая разделительная установка (20) снабжена входным отверстием (впуском), первым выходным отверстием (выпуском) и вторым выходным отверстием, и, при этом, входное отверстие находится в сообщении по текучей среде с коллектором продуктового газа (210) адсорбционной разделительной установки (10);
газосмесительное устройство (60), снабженное первым входным отверстием для приема потока сырьевого газа (11), вторым входным отверстием в сообщении по текучей среде с источником второго газа (17), содержащего более высокую концентрацию легкого инертного газа, чем сырьевой газ (11), причем коллектор сырьевого газа (200) адсорбционной разделительной установки (10) находится на выходе выходного отверстия газосмесительного устройства (60) и в сообщении по текучей среде с ним;
датчик (50) по меньшей мере в одном из (i) трубопровода технологического газа (11), который осуществляет подачу на первое входное отверстие (впуск) газосмесительного устройства (60), (ii) трубопровода технологического газа (12), соединяющим выходное отверстие (выпуск) газосмесительного устройства (60) с коллектором сырьевого газа (200) адсорбционной разделительной установки (10), и (iii) коллектора сырьевого газа (200); и
контроллер (80), находящийся в сигнальной связи с датчиком (50), притом, что контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) на основе сигналов датчика (50).
[0012] Аспект 3. Устройство согласно аспекту 2, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, разделительную установку мембранного типа или разделительную установку дистилляционного типа.
[0013] Аспект 4. Устройство согласно аспекту 2 или аспекту 3, отличающееся тем, что источник второго газа (17) включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20).
[0014] Аспект 5. Устройство согласно аспекту 4, дополнительно содержащее:
регулятор расхода (27), функционально расположенный между вторым входным отверстием газосмесительного устройства (60) и первым выходным отверстием второй разделительной установки (20) и находящийся в сигнальной связи с контроллером (80);
причем контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления регулятором расхода (27), функционально расположенным между вторым входным отверстием газосмесительного устройства (60) и первым выходным отверстием второй разделительной установки (20).
[0015] Аспект 6. Устройство согласно любому из аспектов 2-5, отличающееся тем, что источник второго газа (17) включает в себя второе выходное отверстие второй разделительной установки (20).
[0016] Аспект 7. Устройство согласно аспекту 6, дополнительно содержащее:
регулятор расхода (29), функционально расположенный между вторым входным отверстием газосмесительного устройства (60) и вторым выходным отверстием второй разделительной установки (20) и находящийся в сигнальной связи с контроллером (80);
причем контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления регулятором расхода (29), функционально расположенным между вторым входным отверстием газосмесительного устройства (60) и вторым выходным отверстием второй разделительной установки (20).
[0017] Аспект 8. Устройство согласно любому из аспектов 2-7,
отличающееся тем, что источник второго газа (17) включает в себя трубопровод технологического газа (36), функционально соединяющий коллектор продуктового газа (210) со входным отверстием второй разделительной установки (20).
[0018] Аспект 9. Устройство согласно аспекту 8, дополнительно содержащее:
регулятор расхода (33), функционально расположенный между вторым входным отверстием газосмесительного устройства (60) и трубопроводом технологического газа (36), который функционально соединяет коллектор продуктового газа (210) адсорбционной разделительной установки (10) со входным отверстием второй разделительной установки (20), находящийся в сигнальной связи с контроллером (80);
причем контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления регулятором расхода (33), функционально расположенным между вторым входным отверстием газосмесительного устройства (60) и трубопроводом технологического газа, который функционально соединяет коллектор продуктового газа (210) адсорбционной разделительной установки (10) со входным отверстием второй разделительной установки (20).
[0019] Аспект 10. Устройство согласно любому из аспектов 2-9,
отличающееся тем, что газосмесительное устройство (60) снабжено третьим входным отверстием сообщенным по текучей среде со вторым выходным отверстием второй разделительной установки (20).
[0020] Аспект 11. Устройство согласно аспекту 10, дополнительно содержащее:
регулятор расхода (31), функционально расположенный между третьим входным отверстием газосмесительного устройства (60) и вторым выходным отверстием второй разделительной установки (20) и находящийся в сигнальной связи с контроллером (80),
причем контроллер (80) выполнен с возможностью управления регулятором расхода (31), функционально расположенным между третьим входным отверстием газосмесительного устройства (60) и вторым выходным отверстием второй разделительной установки (20), на основе сигналов датчика (50).
[0021] Аспект 12. Устройство согласно любому из аспектов 2-9,
отличающееся тем, что газосмесительное устройство (60) снабжено третьим входным отверстием сообщенным по текучей среде с трубопроводом технологического газа (36), который функционально соединяет коллектор продуктового газа (210) адсорбционной разделительной установки (10) с входным отверстием второй разделительной установки (20).
[0022] Аспект 13. Устройство согласно аспекту 12, дополнительно содержащее:
регулятор расхода (37), функционально расположенный между третьим входным отверстием газосмесительного устройства (60) и трубопроводом технологического газа (36), который функционально соединяет коллектор продуктового газа (210) адсорбционной разделительной установки (10) со входным отверстием второй разделительной установки (20), находящийся в сигнальной связи с контроллером (80),
причем контроллер (80) выполнен с возможностью управления регулятором расхода (37), функционально расположенным между третьим входным отверстием газосмесительного устройства (60) и трубопроводом технологического газа, который функционально соединяет коллектор продуктового газа (210) адсорбционной разделительной установки (10) с входным отверстием второй разделительной установки (20), на основе сигналов датчика (50).
[0023] Аспект 14. Устройство согласно любому из аспектов 2-13, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку мембранного типа,
причем источник второго газа (17) включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20),
и, при этом, вторая разделительная установка (20) снабжена одним или большим количеством регулируемых отверстий (26), находящихся в сигнальной связи с контроллером (80), притом, что одно или большее количество регулируемых отверстий (26) предназначены для управления давлением во второй разделительной установке (20); и
притом, что контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстий (26).
[0024] Аспект 15. Устройство согласно любому из аспектов 2-14, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку мембранного типа,
причем источник второго газа (17) включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20),
и, при этом, разделительная установка мембранного типа содержит множество мембранных модулей и один или большее количество регулирующих клапанов, которые управляют долей действующих мембранных модулей, притом, что один или большее количество регулирующих клапанов находятся в сигнальной связи с контроллером (80),
причем контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления долей действующих мембранных модулей.
Аспект 16. Устройство согласно любому из аспектов 2-15, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку мембранного типа, причем источник второго газа (17) включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20), и, при этом, устройство дополнительно содержит:
теплообменник (40), предназначенный для управления температурой во второй разделительной установке, притом, что теплообменник находится в сигнальной связи с контроллером (80);
причем контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем регулирования тепловой нагрузки теплообменника (40).
[0025] Аспект 17. Устройство согласно любому из аспектов 2-13, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа,
причем разделительная установка адсорбционного типа содержит множество емкостей, каждая из которых содержит слой адсорбента, и один или большее количество регулирующих клапанов, которые управляют долей действующих емкостей из множества емкостей, причем один или большее количество регулирующих клапанов находятся в сигнальной связи с контроллером (80),
и, при этом, источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки,
притом, что контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления долей действующих емкостей из множества емкостей.
[0026] Аспект 18. Устройство согласно любому из аспектов 2-13 или аспекту 17, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа,
причем источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки;
и, при этом, вторая разделительная установка (20) содержит коллектор сырьевого газа,
притом, что вторая разделительная установка (20) снабжена одним или большим количеством регулируемых отверстий (32), предназначенных для управления давлением в коллекторе сырьевого газа второй разделительной установки (20); и,
при этом, контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстий (32), предназначенных для управления давлением в коллекторе сырьевого газа второй разделительной установки (20).
[0027] Аспект 19. Устройство согласно любому из аспектов 2-13 или 17-18, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа,
причем источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки,
и, при этом, вторая разделительная установка (20) содержит коллектор остаточного газа,
причем вторая разделительная установка (20) снабжена одним или большим количеством регулируемых отверстий (27), предназначенных для управления давлением в коллекторе остаточного газа второй разделительной установки (20); и,
при этом, контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстий (27), предназначенных для управления давлением в коллекторе остаточного газа второй разделительной установки (20).
[0028] Аспект 20. Устройство согласно любому из аспектов 2-13 или 17-18, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа,
причем источник второго газа включает в себя второе выходное отверстие второй разделительной установки,
и, при этом, вторая разделительная установка (20) содержит коллектор продуктового газа,
притом, что вторая разделительная установка (20) снабжена одним или большим количеством регулируемых отверстий (26), предназначенных для управления давлением в коллекторе продуктового газа второй разделительной установки (20); и
при этом, контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстий (26), предназначенных для управления давлением в коллекторе продуктового газа второй разделительной установки (20).
[0029] Аспект 21. Устройство согласно любому из аспектов 2-13, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа,
причем источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20);
и, при этом, вторая разделительная установка снабжена одним или большим количеством регулируемых отверстий (26, 27, 32), находящихся в сигнальной связи с контроллером (80), притом, что одно или большее количество регулируемых отверстий (26, 27, 32) предназначены для управления давлением во второй разделительной установке (20),
причем контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстий (26, 27, 32), предназначенных для управления давлением во второй разделительной установке (20).
[0030] Аспект 22. Устройство согласно любому из аспектов 2-13 или 21, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа,
причем источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20),
и, при этом, устройство дополнительно содержит теплообменник (40), предназначенный для управления температурой во второй разделительной установке, притом, что теплообменник находится в сигнальной связи с контроллером (80);
причем контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем регулирования тепловой нагрузки теплообменника (40).
[0031] Аспект 23. Устройство согласно любому из аспектов 2-13 или 21-22, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа,
причем источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20),
и, при этом, вторая разделительная установка (20) снабжена одним или большим количеством отверстий, предназначенных для управления коэффициентом дефлегмации во второй разделительной установке (20); и
притом, что контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления коэффициентом дефлегмации во второй разделительной установке (20).
[0032] Аспект 24. Устройство согласно любому из аспектов 2-13 или 21-23, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа,
причем источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20);
и, при этом, вторая разделительная установка (20) снабжена одним или большим количеством отверстий, предназначенных для управления соотношением дистиллята к сырью во второй разделительной установке (20); и
притом, что контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления соотношением дистиллята к сырью во второй разделительной установке (20).
[0033] Аспект 25. Устройство согласно любому из аспектов 2-13 или 21-24, отличающееся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа,
причем источник второго газа включает в себя первое выходное отверстие второй разделительной установки (20);
и, при этом, вторая разделительная установка (20) снабжена одним или большим количеством отверстий, предназначенных для управления соотношением продукта к сырью во второй разделительной установке (20); и
притом, что контроллер (80) выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа (17) ко второму входному отверстию газосмесительного устройства (60) путем управления соотношением дистиллята к сырью во второй разделительной установке (20).
[0034] Аспект 26. Способ разделения потока сырьевого газа (11), содержащего легкий инертный газ и по меньшей мере один другой газообразный компонент, на поток (25), богатый легким инертным газом, и поток (14), бедный легким инертным газом, причем легкий инертный газ выбран из группы, состоящей из гелия, неона и аргона, и, при этом, способ включает в себя:
объединение потока сырьевого газа (11) с потоком второго газа (17) с образованием объединенного газового потока (12), притом, что поток второго газа (17) имеет более высокое содержание легкого инертного газа, чем поток сырьевого газа (11), и, при этом, скорость потока второго газа (17) регулируется;
разделение потока сырьевого газа (15) первой разделительной установки в адсорбционной разделительной установке (10) с получением потока (13), обогащенного легким инертным газом, и потока (14), бедного легким инертным газом, притом, что поток сырьевого газа (15) первой разделительной установки включает в себя по меньшей мере часть объединенного газового потока (12); и
разделение потока сырьевого газа (21) второй разделительной установки во второй разделительной установке (20) с получением потока (25), богатого легким инертным газом, и потока (23), обедненного легким инертным газом, причем указанный поток сырьевого газа (21) второй разделительной установки включает в себя по меньшей мере часть потока (13), обогащенного легким инертным газом, из адсорбционной разделительной установки (10);
причем расход легкого инертного газа в потоке второго газа (17) контролируется на основе показателя содержания легкого инертного газа по меньшей мере в одном из потока сырьевого газа (11), объединенного газового потока (12) или потока сырьевого газа (15) первой разделительной установки.
[0035] Аспект 27. Способ согласно аспекту 26, отличающийся тем, что адсорбционная разделительная установка (10) содержит:
множество емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e), каждая из которых содержит слой адсорбента;
коллектор сырьевого газа (200), в избирательном сообщении по текучей среде  с каждой из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e);
коллектор продуктового газа (210), в избирательном сообщении по текучей среде  с каждой из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e);
коллектор остаточного газа (220), в избирательном сообщении по текучей среде с каждой из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e);
трубопроводы технологического газа, функционально соединяющие множество емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e) с коллектором сырьевого газа (200), коллектором продуктового газа (210) и коллектором остаточного газа (220);
причем каждая емкость (100) из множества емкостей (100a, 100b, 100c, 100d, 100e) имеет связанные с ней трубопроводы технологического газа (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108);
множество клапанов в трубопроводах технологического газа, включающее в себя множество клапанов, смежных и связанных (110, 111, 112, 113, 114, 115) с каждой соответствующей емкостью (100),
V
c
причем адсорбционная разделительная установка (10) имеет центральный объем, , трубопроводов технологического газа (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108), связанных с каждой из соответствующих емкостей (100),
и, при этом, центральный объем для каждой соответствующей емкости представляет собой сумму
(i) объема, содержащегося в трубопроводах технологического газа, связанных с соответствующей емкостью, которые соединяют соответствующую емкость с каждым клапаном (110, 111, 112, 113, 114, 115), смежным с соответствующей емкостью (100),
(ii) объема всех глухих концов (109), если таковые имеются, соединенных на стыке с соответствующей емкостью (100), и
(iii) объема всех глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с соответствующей емкостью (100), которые соединяют соответствующую емкость (100) с любым клапаном (110, 111, 112, 113, 114, 115), смежным с соответствующей емкостью (100),
V
2
притом, что центральный объем для каждой соответствующей емкости включает в себя вторичный объем , причем вторичный объем представляет собой сумму
(i) объема всех глухих концов (109), если таковые имеются, соединенных с соответствующей емкостью (100);
(ii) объема всех глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с соответствующей емкостью (100), которые соединяют соответствующую емкость (100) с любым клапаном (110, 111, 112, 113, 114, 115), смежным с соответствующей емкостью (100), и
(iii) объема любых трубопроводов технологического газа (108), если таковые имеются, которые имеют первый конец, заканчивающийся в клапане (115), смежном с соответствующей емкостью (100), который выполнен с возможностью позволять перемещение технологического газа в коллектор остаточного газа (220), когда клапан открыт, и второй конец, заканчивающийся на стыке с любой другой из связанных трубопроводов технологического газа (102), которые соединяют соответствующую емкость (100) с любым другим клапаном (110), смежным с соответствующей емкостью (100); и,
V
V
2
c
при этом, вторичный объем составляет менее чем 5% или менее чем 3% или менее чем 1% от центрального объема, , для каждой емкости (100).
F
F
F
F
1
1
Noble
2
2, Noble
[0036] Аспект 28. Способ согласно аспекту 26 или аспекту 27, отличающийся тем, что поток сырьевого газа (11) имеет общий молярный расход газа, , с молярным расходом легкого инертного газа, , , а поток второго газа (17) имеет общий молярный расход газа, , с молярным расходом легкого инертного газа, , причем .
[0037] Аспект 29. Способ по любому из аспектов 26-28, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, разделительную установку мембранного типа или разделительную установку дистилляционного типа.
[0038] Аспект 30. Способ по любому из аспектов 26-29, отличающийся тем, что
расход легкого инертного газа в потоке второго газа (17) увеличивается, если содержание легкого инертного газа меньше желательного нижнего предела; и/или
расход легкого инертного газа в потоке второго газа (17) уменьшается, если содержание легкого инертного газа превышает желательный верхний предел.
[0039] Аспект 31. Способ по любому из аспектов 26-30, отличающийся тем, что поток второго газа (17) включает в себя поток (23), обедненный легким инертным газом, причем расход легкого инертного газа во втором потоке (17) увеличивают или уменьшают путем управления рабочими параметрами второй разделительной установки (20) на основе содержания легкого инертного газа.
[0040] Аспект 32. Способ согласно аспекту 31, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку мембранного типа, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
уменьшение разности давлений между потоком сырьевого газа (21) второй разделительной установки и потоком (25), богатым легким инертным газом, для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
увеличение разности давлений между потоком сырьевого газа (21) второй разделительной установки и потоком (25), богатым легким инертным газом, для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0041] Аспект 33. Способ согласно аспекту 31 или аспекту 32, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку мембранного типа, содержащую множество мембранных модулей, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
уменьшение количества действующих мембранных модулей для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
увеличение количества действующих мембранных модулей для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0042] Аспект 34. Способ по любому из аспектов 31-33, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку мембранного типа, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
повышение температуры потока сырьевого газа (21) второй разделительной установки для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
понижение температуры потока сырьевого газа (21) второй разделительной установки для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0043] Аспект 35. Способ согласно аспекту 31, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, работающую с циклом адсорбции, который имеет длительность цикла, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
увеличение длительности цикла второй разделительной установки (20) для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
уменьшение длительности цикла второй разделительной установки (20) для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0044] Аспект 36. Способ согласно аспекту 31 или 35, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, содержащую коллектор сырьевого газа, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
повышение давления потока сырьевого газа (21) второй разделительной установки в коллекторе сырьевого газа второй разделительной установки (20) для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
понижение давления потока сырьевого газа (21) второй разделительной установки в коллекторе сырьевого газа второй разделительной установки (20) для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0045] Аспект 37. Способ по любому из аспектов 31, 35 или 36, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, содержащую коллектор остаточного газа, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
повышение давления потока (23), обедненного легким инертным газом, в коллекторе остаточного газа второй разделительной установки (20) для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
понижение давления потока (23), обедненного легким инертным газом, в коллекторе остаточного газа второй разделительной установки (20) для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0046] Аспект 38. Способ по любому из аспектов 31 или 35-37, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, работающую с циклом адсорбции, который включает в себя стадию продувки, имеющую заданное давление в конце стадии продувки, причем поток продувочного газа образуется во время стадии продувки и, при этом, управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
повышение заданного давления в конце стадии продувки для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
понижение заданного давления в конце стадии продувки для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0047] Аспект 39. Способ по любому из аспектов 31 или 35-38, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, содержащую множество адсорбционных слоев и работающую со множеством циклов адсорбции, каждый из которых включает в себя стадию подачи, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
переход к циклу адсорбции с меньшим количеством адсорбционных слоев, одновременно действующих на стадии подачи, для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
переход к циклу адсорбции с большим количеством адсорбционных слоев, одновременно действующих на стадии подачи, для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0048] Аспект 40. Способ по любому из аспектов 31 или 35-39, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку адсорбционного типа, содержащую множество адсорбционных слоев и работающую со множеством циклов адсорбции, причем некоторые из них включают в себя стадию выравнивания давления, и, при этом, управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
переход к циклу адсорбции с меньшим количеством или отсутствием стадий выравнивания давления для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
переход к циклу адсорбции с большим количеством стадий выравнивания давления для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0049] Аспект 41. Способ согласно аспекту 31, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа, имеющую рабочее давление, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
понижение рабочего давления второй разделительной установки (20) для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
повышение рабочего давления второй разделительной установки (20) для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0050] Аспект 42. Способ согласно аспекту 31 или аспекту 41, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа, работающую с коэффициентом дефлегмации, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
повышение коэффициента дефлегмации второй разделительной установки (20) для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
понижение коэффициента дефлегмации второй разделительной установки (20) для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0051] Аспект 43. Способ по любому из аспектов 31 или 41-42, отличающийся тем, что вторая разделительная установка (20) представляет собой разделительную установку дистилляционного типа, имеющую рабочую температуру, причем управление рабочими параметрами второй разделительной установки (20) включает в себя:
понижение рабочей температуры второй разделительной установки (20) для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом; и/или
повышение рабочей температуры второй разделительной установки (20) для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке (23), обедненном легким инертным газом.
[0052] Аспект 44. Способ по любому из аспектов 26-43, отличающийся тем, что поток второго газа (17) включает в себя часть (28) потока (25), богатого легким инертным газом, имеющую скорость потока, причем расход легкого инертного газа в потоке второго газа (17) увеличивается при увеличении скорости потока для части (28) потока (25), богатого легким инертным газом, и уменьшается при уменьшении скорости потока для части (28) потока (25), богатого легким инертным газом.
[0053] Аспект 45. Способ по любому из аспектов 26-44, отличающийся тем, что молярная концентрация легкого инертного газа в потоке сырьевого газа (11) находится в диапазоне от 0,1 моль % до 2,0 моль % или в диапазоне от 0,1 моль % до 1,0 моль %.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В НЕСКОЛЬКИХ ПРОЕКЦИЯХ
[0054] ФИГ. 1 представляет собой схему технологического процесса для способа извлечения легкого инертного газа в соответствии со способом и устройством по данному изобретению.
[0055] ФИГ. 2 представляет собой схему технологического процесса для адсорбционной разделительной установки, подходящей для способа по данному изобретению.
[0056] ФИГ. 3 представляет собой диаграмму циклов для адсорбционной разделительной установки с 5 слоями, подходящей для способа по данному изобретению.
[0057] ФИГ. 4 представляет собой график зависимости выхода гелия от % гелия в сырьевом газе.
[0058] ФИГ. 5 представляет собой график зависимости выхода гелия от содержания гелия в потоке продукта.
[0059] ФИГ. 6 представляет собой график зависимости содержания гелия в потоке продукта от моль % гелия в потоке сырьевого газа.
[0060] На ФИГ. 7 приведены графики зависимости выхода гелия от % гелия в потоке сырьевого газа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0061] Следующее подробное описание содержит только предпочтительные типичные варианты реализации изобретения и не предназначено для ограничения объема, применимости или структуры заявленного изобретения. Скорее, последующее подробное описание предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения предоставит специалистам в данной области техники описание, дающее возможность осуществления предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения; необходимо понимать, что в функцию и расположение элементов могут быть внесены различные изменения без отхода от сути и объема заявленного изобретения, который определяется формулой изобретения.
[0062] Как используется в данном документе, формы единственного числа существительных означают один или большее количество применительно к любому признаку в вариантах реализации данного изобретения, описанных в описании и формуле изобретения. Использование форм единственного числа не ограничивает значение одним признаком, если в тексте прямо не указано противоположное. Определенный артикль, предшествующий существительным или выражениям с существительными в единственном или множественном числе, обозначает конкретный указанный признак или конкретные указанные признаки и может обозначать единственное или множественное число в зависимости от контекста, в котором он используется.
[0063] Характеристика «любой» означает один, некоторый или все, независимо от количества.
[0064] Как используется в данном документе, выражение «и/или», помещенное между первым объектом и вторым объектом, включает в себя любое из значений (1) только первого объекта, (2) только второго объекта и (3) первого объекта и второго объекта. Термин «и/или», помещенный между двумя последними объектами списка из 3 или более объектов, означает по меньшей мере один из объектов в указанном списке, включая любую конкретную комбинацию объектов в этом списке. Например, «A, B и/или C» имеет то же значение, что и «A и/или B и/или C», и включает в себя следующие комбинации A, B и C: (1) только A, (2) только B, (3) только C, (4) A и B, но не C, (5) A и C, но не B, (6) B и C, но не A и (7) A и B и C.
[0065] Выражение «по меньшей мере один из», предшествующее перечню признаков или объектов, означает один или большее количество признаков или объектов из перечня объектов, но не обязательно включает по меньшей мере один из любого и каждого объекта, конкретно указанного в перечне объектов и не исключает каких-либо комбинаций объектов в перечне объектов. Например, «по меньшей мере один из A, B или C» (или, что то же самое, «по меньшей мере один из A, B и C» или, что то же самое, «по меньшей мере один из A, B и/или C») имеет то же значение, что и «A и/или B и/или C» и включает в себя следующие комбинации A, B и C: (1) только A, (2) только B, (3) только C, (4) A и B, но не C, (5) A и C, но не B, (6) B и C, но не A и (7) A и B и C.
[0066] Термин «множество» означает «два или более двух».
[0067] Выражение «по меньшей мере часть» означает «часть или все». По меньшей мере часть потока может иметь такой же состав с такой же концентрацией каждой из частиц, как поток, из которого она получена. По меньшей мере часть потока может иметь другую концентрацию частиц, чем поток, из которого она получена. По меньшей мере часть потока может содержать только определенные виды частиц из потока, из которого она получена.
[0068] Как используется в данном документе, термин «отделенная часть» потока представляет собой часть, имеющую тот же химический состав и концентрации частиц, что и поток, из которого она была взята.
[0069] Как используется в данном документе, «выделенная часть» потока представляет собой часть, имеющую другой химический состав и другие концентрации частиц, нежели поток, из которого она была взята. Выделенная часть может быть, например, частью, образовавшейся в результате разделения в сепараторе.
[0070] Термин «часть» включает в себя как «отделенную часть» так и «выделенную часть».
[0071] Как используется в данном документе, «первый», «второй», «третий» и т.д. используются для различения из множества стадий и/или признаков и не являются показателем общего количества или относительного положения во времени и/или пространстве, если это прямо не указано в тексте как таковое.
[0072] Термины «обедненный» или «бедный» означают наличие меньшей концентрации указанного компонента в моль %, чем в исходном потоке, из которого он был получен. «Обедненный» и «бедный» не означает, что в потоке полностью отсутствует указанный компонент.
[0073] Термины «богатый» или «обогащенный» означают наличие большей концентрации указанного компонента в моль %, чем в исходном потоке, из которого он был получен.
[0074] Как используется в данном документе, «сообщенный по текучей среде» или «в сообщении по текучей среде» означает функционально связанный посредством одного или большего количества трубопроводов, распределительных патрубков, клапанов и т.п. для перемещения среды. Трубопроводом является любая труба, трубка, канал или тому подобное, сквозь которые может перемещаться среда. Между первым устройством и вторым устройством, с которым оно находится в сообщении по текучей среде, может присутствовать промежуточное устройство, такое как насос, компрессор или емкость, если в тексте прямо не указано противоположное.
[0075] «На выходе (даунстрим)» и «перед входом (на входе, апстрим)» относятся к предполагаемому направлению потока перемещаемой рабочей среды. Если предполагаемое направление потока рабочей среды проходит от первого устройства ко второму устройству, то второе устройство находится на выходе (даунстрим) первого устройства. В случае рециркулирующего потока, «на выходе (даунстрим)» и «перед входом (на входе, апстрим)» относятся к первому проходу рабочей среды.
[0076] В целях простоты и ясности подробное описание хорошо известных устройств, схем и способов опущено, чтобы не затруднять понимания описания данного изобретения ненужными подробностями.
[0077] Устройство и способ по данному изобретению описаны со ссылкой на фигуры. В данном раскрытии может быть использован один номер позиции для идентификации потока рабочего газа и трубопроводом технологического газа, в котором перемещается указанный поток рабочего газа. На какой именно признак ссылается номер позиции, будет понятно из контекста.
[0078] Устройство и способ по данному изобретению предназначены для разделения сырьевого газа 11, содержащего легкий инертный газ и по меньшей мере один другой газообразный компонент, на газ 25, богатый легким инертным газом, и газ 14, бедный легким инертным газом. Легкий инертный газ может быть гелием, неоном или аргоном.
[0079] Сырьевой газ 11 может быть природным газом. Легкий инертный газ может быть гелием. По меньшей мере один другой компонент может быть метаном. Другим компонентом может быть азот. Известно, что некоторые источники природного газа содержат метан, азот и гелий.
[0080] Сырьевой газ 11 может быть неконденсируемым отходящим газом из воздухоразделительной установки (ASU). Легкий инертный газ может быть неоном. По меньшей мере один другой компонент может быть азотом. Другой компонент может быть кислородом. Другой компонент может быть аргоном. Известно, что воздух содержит азот, кислород, аргон и неон.
[0081] Сырьевой газ 11 может быть природным газом. Легкий инертный газ может быт аргоном. По меньшей мере один другой компонент может быть метаном. Другим компонентом может быть диоксид углерода. Другим компонентом может быть азот. Известно, что некоторые источники природного газа содержат метан, диоксид углерода, азот и аргон.
[0082] Устройство содержит адсорбционную разделительную установку 10. Разделительная установка адсорбционного типа представляет собой любую разделительную установку, которая разделяет сырьевой поток по меньшей мере на два потока при помощи твердого адсорбента, причем один поток обогащен частицами, которые адсорбируются в большей степени, а другой поток обогащен частицами, которые адсорбируются в меньшей степени. Адсорбционная разделительная установка 10 содержит множество емкостей 100a, 100b, 100c, 100d, 100e. Каждая из множества емкостей содержит слой адсорбента, подходящий для отделения легкого инертного газа от других компонентов сырьевого потока.
[0083] Адсорбционные разделительные установки обычно содержат множество адсорбционных слоев, содержащих подходящий адсорбент. Хотя на ФИГ. 1-3 представлена типичная адсорбционная установка с пятью адсорбционными слоями, можно использовать любое подходящее количество адсорбционных слоев. В общем, количество адсорбционных слоев, используемых в адсорбционной разделительной установке и способе, предназначено для удовлетворения требованиям к чистоте продукта и выходу продукта, содержащего легкий инертный газ.
[0084] Для обеспечения требуемой чистоты продукта количество слоев может представлять собой компромисс между капиталовложениями и выходом легкого инертного газа. Например, увеличение количества слоев позволяет применять в способе адсорбции большее количество стадий выравнивания давления. Стадии выравнивания давления представляют собой стадии экономии легкого инертного газа. Увеличение количества стадий выравнивания давления будет снижать давление, при котором газ высвобождается из слоя в поток отходов, уменьшая потери легкого инертного газа. Если стадии выравнивания давления осуществляются посредством понижения давления в слое высокого давления в параллельном потоке, то фронт примесей продвигается дальше, чем при применении большего количества стадий выравнивания давления. Для поддержания требуемой производительности, размер каждого слоя увеличивают, в дополнение к количеству слоев.
[0085] В качестве альтернативы, количество слоев может быть увеличено для увеличения времени, доступного для отдельных стадий, которые могут быть лимитирующими для эффективности способа в целом. Например, увеличение количества слоев позволяет увеличить в способе адсорбции количество слоев, в которых будет обрабатываться сырьевой газ или обрабатываться продувочный газ. Отправка газа на большее количество слоев при подаче или на большее количество слоев при продувке снижает скорость газа, проходящего сквозь частицы адсорбента, что, в свою очередь, повышает эффективность стадии способа.
[0086] Как правило, применяют более одного адсорбционного слоя, таким образом, что по меньшей мере один адсорбционный слой может производить газообразный продукт, в то время как другой слой регенерируется. Таким способом, газообразный продукт может производиться на непрерывной основе.
[0087] ФИГ. 1 иллюстрирует адсорбционную разделительную установку с 5 слоями, со слоями A-E. ФИГ. 2 иллюстрирует адсорбционную разделительную установку 10 с 5 адсорбционными емкостями 100a, 100b, 100c, 100d и 100e. Специалист в данной области техники сможет с легкостью выбрать количество адсорбционных емкостей/слоев для использования.
[0088] Адсорбционные слои могут содержать один адсорбент или большее количество адсорбентов. В случае нескольких адсорбентов, адсорбенты могут быть вкрапленными, расположенными слоями или их комбинацией.
[0089] Специалисты в данной области техники смогут с легкостью выбрать подходящие адсорбенты. Подходящие адсорбенты для отделения гелия от других газообразных компонентов в природном газе включают активированный уголь, силикагель, активированный оксид алюминия и цеолиты, такие как молекулярные сита.
[0090] Адсорбционная разделительная установка может работать с применением любого известного цикла адсорбции, подходящего для выделения легкого инертного газа из газовой смеси, содержащей легкий инертный газ и по меньшей мере один другой газообразный компонент. Примеры проиллюстрированы в US4077779A и US774068B2, оба из которых подробно описывают циклы адсорбции при переменном давлении для очистки легкого газа.
[0091] Цикл адсорбции может быть так называемым циклом вакуумной короткоцикловой безнагревной адсорбции (VPSA).
[0092] Цикл адсорбции может включать в себя производственную стадию, стадию промывания в параллельном потоке, стадию продувки, стадию откачивания и стадию повышения давления продукта. В типичном варианте реализации изобретения, представленном на ФИГ. 1, адсорбционные слои A-E проиллюстрированы циклом, включающим в себя производственную стадию (P), стадию промывания в параллельном потоке (R), стадию продувки (BD), стадию откачивания (EV) и стадию повышения давления продукта (PP), В ходе цикла адсорбции каждый из слоев по очереди проходит сквозь стадии цикла. Соответствующая таблица циклов VPSA для адсорбционной разделительной установки с 5 слоями представлена на ФИГ. 3.
[0093] Производственная стадия здесь сокращенно обозначена «P». В литературе производственную стадию также называют стадией подачи и/или стадией адсорбции.
Избирательное
избирательного
[0094] Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, адсорбционная разделительная установка 10 содержит коллектор сырьевого газа 200. Коллектор сырьевого газа 200 в избирательном сообщении по текучей среде  с каждой из множества емкостей 100a, 100b, 100c, 100d и 100e для подачи соответствующей части потока сырьевого газа 12 разделительной установки в каждую из множества емкостей. «» сообщение по текучей среде означает, что клапан или равноценное устройство используют для  обеспечения сообщения по текучей среде между элементами (т.е. между коллектором сырьевого газа и каждой из множества емкостей). Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, клапан 110a обеспечивает  избирательное сообщение по текучей среде между коллектором сырьевого газа 200 и адсорбционной емкостью 100а, клапан 110b обеспечивает избирательное сообщение по текучей среде между коллектором сырьевого газа 200 и адсорбционной емкостью 100b и т.д.
[0095] В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на ФИГ. 1 и 3, сырьевой газ 15 адсорбционной емкости включает в себя поток сырьевого газа 12 разделительной установки и выброс промывочного газа 18 из адсорбционной емкости, проходящей стадию промывания. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на ФИГ. 2, коллектор сырьевого газа 200 принимает поток сырьевого газа 12 разделительной установки и выброс промывочного газа 18 из адсорбционной емкости, проходящей стадию промывания, через коллектор выброса промывочного газа 250. Можно использовать или не использовать коллектор выброса промывочного газа 250, в зависимости от выбранного цикла адсорбции. Поток сырьевого газа 12 разделительной установки образован потоком сырьевого газа 11 и потоком второго газа 17 (более подробно обсуждается ниже).
[0096] Сырьевой газ 15 адсорбционной емкости перемещается от коллектора сырьевого газа 200 сквозь соответствующий открытый клапан сырьевого газа 110 (клапан 110a для емкости 100a, клапан 110b для емкости 100b и т.д.) в соответствующую адсорбционную емкость 100 для осуществления производственной стадии цикла адсорбции.
4
2
[0097] На производственной стадии поток сырьевого газа 15 адсорбционной емкости, содержащий легкий инертный газ (например, гелий), вводят при давлении сырьевого газа в адсорбционный слой, проходящий производственную стадию, и вторичные компоненты газа (например, CH и N) адсорбируются на адсорбенте в адсорбционном слое, проходящем производственную стадию, в то время как поток 13, обогащенный легким инертным газом, одновременно отводят из адсорбционного слоя, проходящего производственную стадию, и подают в коллектор продуктового газа 210. Коллектор продуктового газа 210 в избирательном сообщении по текучей среде с каждой из множества емкостей 100a, 100b, 100c, 100d и 100e для приема газа 13, обогащенного легким инертным газом, из каждой из множества емкостей на производственной стадии. Коллектор продуктового газа 210 в избирательном сообщении по текучей среде с каждой соответствующей емкостью 100 посредством соответствующего клапана для продукта 113 (клапан 113a для емкости 100a, клапан 113b для емкости 100b и т.д.). Газ 13, обогащенный легким инертным газом, содержит более высокую концентрацию легкого инертного газа, чем поток сырьевого газа 15 адсорбционной емкости, и обеднен вторичными компонентами газа. Длительность производственной стадии может быть любой подходящей длительностью, например, от 1 секунды до 300 секунд или от 30 секунд до 300 секунд. Специалист в данной области техники сможет с легкостью определить подходящую длительность для любой из известных стадий цикла адсорбции.
[0098] Давление в адсорбционном слое, проходящем производственную стадию, может варьироваться, например, от 0,1 МПа до 3,4 МПа или от 0,3 МПа до 1,2 МПа (абсолютное давление).
[0099] Каждый из адсорбционных слоев имеет «сырьевой конец» и «продуктовый конец», называемые так за их функцию на производственной стадии цикла адсорбции. Смесь сырьевого газа вводят в «сырьевой конец» адсорбционного слоя, а газообразный продукт отводят с «продуктового конца» в ходе производственной стадии цикла. На других стадиях цикла адсорбции газ может вводиться или отводиться с «сырьевого конца». Аналогичным образом, на других стадиях цикла адсорбции газ может вводиться или отводиться с «продуктового конца».
[00100] Направление потока в ходе других стадий, как правило, описывается со ссылкой на направление потока в ходе производственной стадии. Таким образом, поток газа в том же направлении, что и поток газа на производственной стадии, находится «в параллельном потоке» (иногда называется «параллельным»), а поток газа, направление которого противоположно потоку газа на производственной стадии, -«противоточным». Параллельное введение газа в адсорбционный слой означает введение газа в том же направлении, в котором вводится сырьевой газ во время производственной стадии (т.е. введение в сырьевой конец). Введение газа в адсорбционный слой в противотоке означает введение газа в направлении, противоположном направлению потока сырьевого газа на стадии подачи (т.е. введение в продуктовый конец). Отведение газа из адсорбционного слоя в параллельном потоке означает отведение газа в том же направлении, в котором отводится газообразный продукт на производственной стадии (т.е. с продуктового конца). Отведение газа из адсорбционного слоя в противотоке означает отведение газа в направлении, противоположном направлению потока продуктового газа на производственной стадии (т.е. отведение с сырьевого конца).
[00101] Стадия продувки, сокращенно «BD», включает в себя отведение в противотоке продувочного газа из адсорбционного слоя, проходящего стадию продувки. Продувочный газ содержит более высокую концентрацию вторичных компонентов газа, чем концентрация вторичных компонентов газа в потоке сырьевого газа 15 адсорбционной емкости. Продувочный газ может отводиться из адсорбционного слоя, проходящего стадию продувки противотоком, до тех пор, пока давление в адсорбционном слое, проходящем стадию продувки противотоком, не достигнет давления продувки в диапазоне от 40 кПа до 1000 кПа. Давление продувки представляет собой давление в адсорбционном слое в конце стадии продувки противотоком.
[00102] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, продувочный газ можно пропускать из адсорбционного слоя, проходящего стадию продувки, в буферную емкость 70 и сжимать в компрессоре 56 с образованием промывочного газа 19 для стадии промывания, «R». Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, продувочный газ пропускают в коллектор продувочного газа 230, в буферную емкость 70, в компрессор 56 и передают в подающий коллектор промывочного газа 240. Можно использовать или не использовать подающий коллектор промывочного газа 240, в зависимости от выбранного цикла адсорбции.
[00103] Стадия промывания сокращенно обозначается «R». Стадия промывания включает в себя параллельное введение промывочного газа 19 в адсорбционный слой, проходящий стадию промывания, при одновременном отведении в параллельном потоке выброса промывочного газа 18 из адсорбционного слоя, проходящего стадию промывания. В ходе стадии промывания более прочно адсорбирующиеся компоненты вытесняют менее прочно адсорбированные компоненты из адсорбента и пустот, обеспечивая средство для увеличения выхода менее прочно адсорбированных компонентов, т.е. легкого инертного газа. Промывочный газ может быть образован из продувочного газа. Кроме того, промывочный газ может быть образован из потока, обедненного легким инертным газом, внешнего источника газа, в котором отсутствует легкий инертный газ, или любой их комбинации.
[00104] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, поток выброса промывочного газа 18 можно вводить вместе с потоком сырьевого газа 12 адсорбционной разделительной установки в адсорбционный слой, проходящий производственную стадию «Р», в качестве потока сырьевого газа 15 адсорбционной емкости.
[00105] Образование промывочного газа из продувочного газа в сочетании со стадией промывания, в сочетании с введением выброса промывочного газа в адсорбционный слой, проходящий производственную стадию, обеспечивает технический результат в виде увеличения выхода легкого инертного газа.
[00106] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, цикл адсорбции может дополнительно включать в себя стадию откачивания «EV». Стадия откачивания аналогична стадии продувки, с дополнительным применением компрессора, вакуумного насоса или тому подобного, 57, чтобы снизить давление ниже атмосферного давления. Газ, откачанный из адсорбционного слоя, который проходит стадию откачивания, пропускают в коллектор остаточного газа 220, а затем в компрессор 57, где он выходит из компрессора 57 как поток 14, бедный легким инертным газом.
[00107] Коллектор остаточного газа 220 в избирательном сообщении по текучей среде с каждой из множества емкостей для приема газа, бедного легким инертным газом, из каждой из множества емкостей. Избирательное сообщение по текучей среде между коллектором остаточного газа и каждой из соответствующих адсорбционных емкостей 100 обеспечивается через клапаны 115 и 116 (115а и 116а для емкости 100а, 115b и 116b для емкости 100b и т.д.). Коллектор остаточного газа 220 в сообщении по текучей среде с выходным отверстием адсорбционной разделительной установки 10 для выхода газа, бедного легким инертным газом, из адсорбционной разделительной установки 10. В случае, когда поток сырьевого газа 11 представляет собой природный газ, который содержит гелий, поток газа 14, бедный легким инертным газом, представляет собой природный газ, лишенный гелия, и может быть введен в трубопровод природного газа для любого желательного применения.
[00108] В зависимости от применяемого цикла адсорбции, коллектор продувочного газа может дополнительно быть коллектором остаточного газа, например, если продувочный газ выходит из адсорбционной разделительной установки 10 как газ, бедный легким инертным газом.
[00109] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, цикл адсорбции может дополнительно включать в себя стадию повышения давления продукта, «PP». Стадия повышения давления продукта включает в себе введение части продуктового газа 16 в слой противотоком с целью повышения давления в емкости. Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, газообразный продукт 16 может быть введен в соответствующую адсорбционную емкость 100 из коллектора продуктового газа 210 через соответствующий клапан продуктового газа 113. Газообразный продукт 16 может вводиться в адсорбционный слой, проходящий стадию повышения давления продукта, до тех пор, пока адсорбционный слой, проходящий стадию повышения давления продукта, не будет находиться по существу при давлении сырьевого газа.
[00110] При желании, цикл адсорбции может включать в себя различные другие стадии цикла адсорбции, такие как стадии выравнивания давления. Различные стадии цикла адсорбции обсуждаются, например, в патенте США № 9381460.
[00111] Циклы адсорбции имеют длительность цикла. Длительность цикла является широко признанным и общепринятым термином в данной области техники. Адсорбционная разделительная установка проходит повторные серии стадий цикла в заданном цикле адсорбции. Длительность цикла представляет собой период времени, необходимый для завершения одного цикла адсорбции от начала до конца.
[00112] Множество емкостей 100a, 100b, 100c, 100d, 100e функционально соединены с различными коллекторами 200, 210, 220, 230, 240 и 250 соответствующими трубопроводами технологического газа 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 и 108. Как используется в данном документе, трубопроводы технологического газа представляют собой любые герметичные средства транспортировки для перемещения в них технологического газа, например, трубы, трубки, каналы, протоки, шланги и т.д.
[00113] Каждая емкость из множества емкостей 100a, 100b, 100c, 100d, 100e имеет связанные с ней трубопроводы технологического газа (трубопроводы технологического газа 101a, 102a, 103a, 104a, 105a, 106a, 107a и 108a для емкости 100a, трубопроводы технологического газа 101b, 102b, 103b, 104b, 105b, 106b, 107b и 108b для емкости 100b, трубопроводы технологического газа 101c, 102c, 103c, 104c, 105c, 106c, 107c и 108c для емкости 100c, трубопроводы технологического газа 101d, 102d, 103d, 104d, 105d, 106d, 107d и 108d для емкости 100d и трубопроводы технологического газа 101e, 102e, 103e, 104e, 105e, 106e, 107e и 108e для емкости 100e). Трубопроводы технологического газа «связаны» с конкретной емкостью, если они обеспечивают сообщение по текучей среде между конкретной емкостью и смежным коллектором. Трубопроводы технологического газа связаны с конкретной емкостью, если они функционально расположены между конкретной емкостью и смежным коллектором (а не за смежным коллектором). Обращаясь к ФИГ. 2, с емкостью 100а связаны только трубопроводы технологического газа «a», с емкостью 100b связаны только трубопроводы технологического газа «b», с емкостью 100c связаны только трубопроводы технологического газа «c», с емкостью 100d связаны только трубопроводы технологического газа «d», с емкостью 100e связаны только трубопроводы технологического газа «e».
[00114] Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, присутствует множество клапанов (клапаны 110a, 111a, 112a, 113a, 114a, 115a и 116a для емкости 100a; клапаны 110b, 111b, 112b, 113b, 114b, 115b и 116b для емкости 100b; клапаны 110c, 111с, 112с, 113с, 114с, 115с и 116с для емкости 100с; клапаны 110d, 111d, 112d, 113d, 114d, 115d и 116d для емкости 100d; клапаны 110e, 111e, 112e, 113e, 114e, 115e и 116e для емкости 100е) в трубопроводах технологического газа, включающее в себя множество клапанов, смежных и связанных с каждой соответствующей емкостью 100. Клапаны управляют расходом технологического газа в адсорбционные емкости 100a, 100b, 100c, 100d и 100e и из них для осуществления различных стадий цикла.
[00115] Клапаны «связаны» с конкретной емкостью, если они функционально расположены между конкретной емкостью и смежным коллектором (а не за смежным коллектором). Клапан, связанный с конкретной емкостью, может управлять потоком между конкретной емкостью и смежным коллектором.
[00116] Клапан является «смежным» с емкостью, если на трубопроводе технологического газа отсутствуют другие клапаны, функционально расположенные между указанным клапаном и емкостью; отсутствуют клапаны, расположенные на трубопроводе технологического газа между смежным клапаном и соответствующей емкостью. Клапан в трубопроводе технологического газа, функционально расположенный между вторым клапаном и емкостью, когда он закрыт, предотвратит поток технологического газа в емкость из второго клапана или из емкости во второй клапан.
[00117] Ссылаясь на ФИГ. 2, клапаны 110а, 111а, 112а, 113а, 114а и 115а являются связанными и смежными с емкостью 100а. Клапан 116а связан с емкостью 100а, но не является смежным с емкостью 100а, поскольку между емкостью 100а и клапаном 116а функционально расположен клапан 115а. Подобным образом, клапаны 110b, 111b, 112b, 113b, 114b и 115b являются связанными и смежными с емкостью 100b. Клапан 116b связан с емкостью 100b, но не является смежным с емкостью 100b, поскольку между емкостью 100b и клапаном 116b функционально расположен клапан 115b.
[00118] Устройство по данному изобретению может быть охарактеризовано адсорбционной разделительной установкой 10, сконструированной таким образом, чтобы поддерживать объем трубопровода технологического газа и объемы глухих концов, которые заполняются значительными количествами легкого инертного газа во время стадии повышения давления и опорожняются через коллектор остаточного газа во время стадии понижения давления ниже порогового уровня. Эти конкретные объемы несут значительное количество легкого инертного газа из системы в потоке, который не захватывается в поток продукта, содержащего легкий инертный газ. Т.е., эти объемы уменьшают эффективность извлечения легкого инертного газа.
[00119] Такая конструкция разделительной установки может быть определена в показателях центрального объема и вторичного объема для каждой из емкостей 100a, 100b, 100c, 100d и 100e, как подробно описано ниже.
[00120] Центральный объем для каждой емкости 100 представляет собой заданный объем трубопроводов технологического газа, связанных с каждой соответствующей емкостью 100. Центральный объем для каждой соответствующей емкости представляет собой сумму:
(i) объема, содержащегося в трубопроводах технологического газа, связанных с соответствующей емкостью, которые соединяют соответствующую емкость с каждым клапаном 110, 111, 112, 113, 114, 115, смежным с соответствующей емкостью 100,
(ii) всех объемов глухих концов 109, если таковые имеются, соединенных на стыке с соответствующей емкостью 100, и
(iii) всех объемов глухих концов (не показаны), если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с соответствующей емкостью 100, которые соединяют соответствующую емкость 100 с любым клапаном 110, 111, 112, 113, 114, 115, смежным с соответствующей емкостью 100.
[00121] Центральный объем для емкости 100 не включает в себя объем самой емкости.
[00122] Ниже будет представлено подробное описание трубопроводов технологического газа, составляющих центральный объем для емкости 100a. Из этого подробного описания будет понятно, какие трубопроводы технологического газа составляют центральный объем для емкостей 100b, 100c, 100d и 100e, с необходимыми изменениями номеров позиций (т.е. «a» заменяется на «b» для емкости 100b, «a» заменяется на «c» для емкости 100c, «a» заменяется на «d» для емкости 100d, и «a» заменяется на «e» для емкости 100e).
[00123] Центральный объем для емкости 100a включает в себя (i) объем, содержащийся в трубопроводах технологического газа, связанных с емкостью 100a, которые соединяют емкость 100a с каждым клапаном, смежным с емкостью 100a. Со ссылкой на ФИГ. 2, клапаны, смежные с емкостью 100а, включают в себя клапаны 110a, 111a, 112a, 113a, 114a и 115a. Трубопроводы технологического газа, связанные с емкостью 100а и которые соединяют емкость 100а с этими клапанами, включают в себя трубопроводы технологического газа 102а, 103а, 104а, 105а, 107а и 108а. Трубопровод технологического газа 102a соединяет емкость 100a со смежным клапаном 110a. Трубопровод технологического газа 103a соединяет емкость 100a со смежным клапаном 111a. Трубопровод технологического газа 104a соединяет емкость 100a со смежным клапаном 112a. Трубопровод технологического газа 105а соединяет емкость 100а со смежным клапаном 113а. Трубопровод технологического газа 107a соединяет емкость 100a со смежным клапаном 114a. Трубопровод технологического газа 108a соединяет емкость 100a со смежным клапаном 115a.
[00124] Центральный объем для емкости 100a включает в себя (ii) все объемы глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с соответствующей емкостью 100.
[00125] «Объем глухого конца» определяется как объем, непрерывно сообщающийся по текучей среде с соответствующей емкостью, который позволяет поступление и выход технологического газа только на стыке объема глухого конца. «Непрерывное сообщение по текучей среде» означает, что объем глухого конца непрерывно сообщается по текучей среде с соответствующей емкостью в ходе осуществления способа. Ни один клапан или другое устройство не отключает сообщение по текучей среде объема глухого конца и соответствующей емкости.
[00126] Ссылаясь на ФИГ. 2, линия датчика технологического газа 109a является таким объемом глухого конца.
[00127] Адсорбционная разделительная установка 10 может быть сконструирована таким образом, чтобы не иметь объемов глухих концов, соединенных на стыке с любой из емкостей 100.
[00128] Центральный объем для емкости 100a включает в себя (iii) все объемы глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с емкостью 100a, которые соединяют емкость 100a с любым клапаном 100a, 111a, 112a, 112a, 113a, 114a, 115a, смежным с емкостью 100a. Трубопроводы технологического газа, связанные с емкостью 100a, которые соединяют емкость 100a со смежными клапанами 110a, 111a, 112a, 113a, 114a, 115a, включают в себя трубопроводы технологического газа 102a, 103a, 104a, 105a, 107a и 108a. На ФИГ. 2 такие объемы глухих концов отсутствуют. Однако один такой объем глухого конца мог бы присутствовать, если бы линия датчика 109а была перемещена таким образом, чтобы образовать стык с трубопроводом технологического газа 105а вместо стыка с емкостью 100а.
V
c
[00129] Центральный объем для каждой емкости имеет соответствующее значение объема, .
[00130] Центральный объем для каждой соответствующей емкости включает в себя вторичный объем, который представляет собой подмножество центрального объема. Вторичный объем является нежелательным объемом, который снижает эффективность извлечения легкого инертного газа.
[00131] Вторичный объем для каждой соответствующей емкости 100 представляет собой сумму:
(i) объема всех глухих концов, если таковые имеются, соединенных с соответствующей емкостью 100,
(ii) объема всех глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с соответствующей емкостью 100, которые соединяют соответствующую емкость 100 с любым клапаном 110, 111, 112, 113, 114, 115, смежным с соответствующей емкостью 100, и
(iii) объема любых трубопроводов технологического газа, если таковые имеются, которые имеют первый конец, заканчивающийся в клапане, смежном с соответствующей емкостью 100, который выполнен с возможностью позволять перемещение технологического газа в коллектор остаточного газа 220, когда клапан открыт, и второй конец, заканчивающийся на стыке с любой другой из связанных трубопроводов технологического газа, которые соединяют соответствующую емкость 100 с любым другим клапаном 110, смежным с соответствующей емкостью 100.
[00132] Вторичный объем для емкости 100 не включает в себя объем самой емкости.
[00133] Ниже будет представлено подробное описание трубопроводов технологического газа, составляющих вторичный объем для емкости 100a. Из этого подробного описания будет понятно, какие трубопроводы технологического газа составляют вторичный объем для емкостей 100b, 100c, 100d и 100e, с необходимыми изменениями номеров позиций (т.е. «a» заменяется на «b» для емкости 100b, «a» заменяется на «c» для емкости 100c, «a» заменяется на «d» для емкости 100d, и «a» заменяется на «e» для емкости 100e).
[00134] Вторичный объем для емкости 100a включает в себя (i) все объемы глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с соответствующей емкостью 100.
[00135] Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, линия датчика технологического газа 109a представляет собой такой объем глухого конца в соответствии с критериями (i).
[00136] Адсорбционная разделительная установка 10 может быть сконструирована таким образом, чтобы не иметь объемов глухих концов, соединенных на стыке с любой из емкостей 100.
[00137] Вторичный объем для емкости 100a включает в себя (ii) все объемы глухих концов, если таковые имеются, соединенных на стыке с любой из трубопроводов технологического газа, связанных с емкостью 100a, которые соединяют емкость 100a с любым клапаном 100a, 111a, 112a, 113a, 114a, 115a, смежным с емкостью 100a. Трубопроводы технологического газа, связанные с емкостью 100a, которые соединяют емкость 100a со смежными клапанами 110a, 111a, 112a, 113a, 114a, 115a, включают в себя трубопроводы технологического газа 102a, 103a, 104a, 105a, 107a и 108a. На ФИГ. 2 такие объемы глухих концов отсутствуют. Однако один такой объем глухого конца мог бы присутствовать, если бы сенсорная линия 109а была перемещена таким образом, чтобы образовать стык с трубопроводом технологического газа 105а вместо соединения с емкостью 100а.
[00138] Вторичный объем для емкости 100a включает в себя (iii) объем любых трубопроводов технологического газа, если таковые имеются, которые имеют первый конец, заканчивающийся в клапане, смежном с соответствующей емкостью 100a, который выполнен с возможностью позволять перемещение технологического газа в коллектор остаточного газа 220, когда клапан открыт, и второй конец, заканчивающийся на стыке с любой другой из связанных трубопроводов технологического газа, которые соединяют соответствующую емкость 100a с любым другим клапаном, смежным с соответствующей емкостью 100a. Ссылаясь на ФИГ. 2, трубопровод технологического газа 108a имеет первый конец, заканчивающийся в клапане 115а, который является смежным с емкостью 100а. Клапан 115а выполнен с возможностью позволять перемещение технологического газа в коллектор остаточного газа 220, когда клапан открыт. Трубопровод технологического газа 108a имеет второй конец, заканчивающийся на стыке с трубопроводом технологического газа 102а, который соединяет емкость 100а с клапаном 110а, смежным с емкостью 100а. Таким образом, трубопровод технологического газа 108a представляет собой такой объем, который входит во вторичный объем в соответствии с критериями (iii).
V
2
[00139] Каждая емкость имеет соответствующий вторичный объем, .
[00140] Мы обнаружили, что вторичный объем разделительной установки адсорбционного типа оказывает влияние на эффективность извлечения легкого инертного газа, если в составе сырьевого газа присутствует низкая концентрация легкого инертного газа.
[00141] В случае разделительной установки адсорбционного типа со вторичным объемом, который намного меньше центрального объема, большее количество легкого инертного газа может подаваться во вторую разделительную установку, чтобы обеспечить соответствие спецификации для чистоты конечного продукта системы.
V
V
V
2
c
2
[00142] Таким образом, желательно сконструировать адсорбционную разделительную установку 10 со вторичным объемом, который является небольшим относительно центрального объема. Вторичный объем, , может составлять менее чем 5% или менее чем 3% или менее чем 1% от центрального объема, , для каждой емкости 100. Вторичный объем, , может быть равен 0.
[00143] Запорные клапаны (не показаны) можно использовать для уменьшения вторичного объема. Например, со ссылкой на емкость 100a на ФИГ. 2, запорный клапан (не показан) может быть расположен в трубопроводе технологического газа 102а между емкостью 100а и клапаном 115а. В этом случае клапан 115a больше не является смежным клапаном. Запорный клапан может работать таким образом, чтобы предотвратить заполнение трубопровода технологического газа 108a газообразным продуктом, имеющим более высокую концентрацию легкого инертного газа, во время повторного повышения давления. Вместо этого может быть осуществлено повторное повышение давления в трубопроводе технологического газа 108a на стадии промывания промывочным газом, содержащим более низкую концентрацию легкого инертного газа. Однако использование запорных клапанов означает дополнительное усложнение за счет времени открытия и закрытия запорных клапанов в ходе цикла адсорбции.
[00144] Кроме того, не показаны трубопроводы технологического газа и клапаны, связанные с каждой из емкостей для байпаса, вентиляции, запуска, остановки, технического обслуживания и т.п., которые хорошо известны и являются обычными для адсорбционных разделительных установок. Такие трубопроводы технологического газа дополнительно могут входить в центральный объем и вторичный объем.
[00145] Устройство по данному изобретению может дополнительно содержать вторую разделительную установку 20. Вторая разделительная установка может представлять собой разделительную установку адсорбционного типа, разделительную установку мембранного типа или разделительную установку дистилляционного типа.
[00146] Разделительная установка адсорбционного типа представляет собой любую разделительную установку, которая разделяет сырьевой поток по меньшей мере на два потока при помощи адсорбции, причем каждый поток содержит разную концентрацию частиц. Как используется в данном документе, термин «адсорбция» включает в себя любое разделение, в ходе которого компоненты разделяются на основе относительной адгезии их частиц (атомов, ионов или молекул) к поверхности адсорбента.
[00147] Разделительная установка мембранного типа представляет собой любую разделительную установку, которая разделяет сырьевой поток на два потока при помощи мембраны, причем каждый поток содержит разную концентрацию частиц. Мембрана может быть полупроницаемой мембраной или мембраной с избирательной проницаемостью. Мембраны разделяют газовые смеси, позволяя некоторым газам проходить сквозь мембрану путем диффузии, облегченной диффузии, пассивного транспорта и/или активного транспорта.
[00148] Разделительная установка дистилляционного типа представляет собой любую разделительную установку, которая разделяет сырьевой поток на два потока при помощи дистилляции, причем каждый поток содержит разную концентрацию частиц. Как используется в данном документе, термин «дистилляция» включает в себя любое разделение, в ходе которого компоненты разделяются на основе их относительной летучести. Другие термины, используемые в промышленности, включают фракционирование, ректификацию и частичную конденсацию.
[00149] Вторая разделительная установка 20 снабжена входным отверстием, первым выходным отверстием и вторым выходным отверстием. Входное отверстие сообщено по текучей среде с коллектором продуктового газа 210 адсорбционной разделительной установки 10. Входное отверстие второй разделительной установки 20 функционально расположено для приема по меньшей мере части газа 13, обогащенного легким инертным газом, из коллектора продуктового газа 210. Из первого выходного отверстия второй разделительной установки 20 выходит газ 23, обедненный легким инертным газом. Из второго выходного отверстия второй разделительной установки 20 выходит газ 25, богатый легким инертным газом.
[00150] Устройство по данному изобретению может содержать газовый смеситель 60 (газосмесительное устройство). Газовый смеситель 60 снабжен первым входным отверстием для приема потока сырьевого газа 11, вторым входным отверстием, которое сообщено по текучей середе с источником второго газа 17, и выходным отверстием. Газовый смеситель 60 может представлять собой смесительный тройник, смесительную емкость, статический смеситель или любое другое подходящее смесительное устройство, способное объединять несколько потоков с образованием смешанного потока, включающего в себя несколько потоков. Второе входное отверстие газосмесительного устройства 60 осуществляет прием второго газа 17 из источника второго газа, причем второй газ имеет более высокое содержание легкого инертного газа, чем сырьевой газ 11. Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки 20. Второй газ 17 может содержать газ 23, обедненный легким инертным газом, из второй разделительной установки 20. Устройство может содержать компрессор 45 для сжатия газа 23, обедненного легким инертным газом, перед подачей газа 23, обедненного легким инертным газом, в газовый смеситель 60 (газосмесительное устройство). Сырьевой газ 12 разделительной установки образуется из сырьевого газа 11 и газа 23, обедненного инертным газом, выходит из выходного отверстия газосмесительного устройства 60 и перемещается в коллектор сырьевого газа 200 адсорбционной разделительной установки 10.
[00151] Коллектор сырьевого газа 200 адсорбционной разделительной установки 10 находится на выходе выходного отверстия газосмесительного устройства 60 и сообщен по текучей среде с ним. Коллектор сырьевого газа 200 адсорбционной разделительной установки 10 функционально расположен для приема сырьевого газа 12 разделительной установки из газосмесительного устройства 60.
[00152] Устройство по данному изобретению может содержать датчик 50, функционально расположенный таким образом, чтобы определять показатель содержания гелия и передавать сигналы на основе содержания гелия. Датчик 50 может быть расположен в трубопроводе технологического газа 11, который осуществляет подачу на первое входное отверстие газосмесительного устройства 60. В этом месте датчик 50 будет функционально расположен таким образом, чтобы определять показатель содержания легкого инертного газа в сырьевом газе 11. Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, датчик может быть расположен в трубопроводе технологического газа 12, соединяющим выходное отверстие газосмесительного устройства 60 с коллектором сырьевого газа 200 адсорбционной разделительной установки 10. В этом месте датчик 50 функционально расположен таким образом, чтобы определять показатель содержания легкого инертного газа в сырьевом газе 12 разделительной установки. В качестве альтернативы, датчик 50 может быть расположен в коллекторе сырьевого газа 200. В этом месте датчик 50 был бы функционально расположен таким образом, чтобы определять показатель содержания легкого инертного газа в сырьевом газе 15 адсорбционной емкости.
[00153] Можно использовать более одного датчика 50. В случае использования более одного датчика 50, один или большее количество датчиков могут присутствовать в трубопроводе технологического газа 11, осуществляющим подачу на первое входное отверстие газосмесительного устройства 60 и/или трубопроводе технологического газа 12, соединяющим выходное отверстие газосмесительного устройства 60 с коллектором сырьевого газа 200 адсорбционной разделительной установки 10, и/или в коллекторе сырьевого газа 200.
[00154] Показателем содержания легкого инертного газа может быть концентрация легкого инертного газа. Показатель концентрации легкого инертного газа может быть определен датчиком концентрации 50, который определяет концентрацию легкого инертного газа. Измеренная концентрация легкого инертного газа может представлять собой молярную долю, массовую долю, моль %, массовый %, объемный % или любую другую подходящую единицу концентрации. Концентрация легкого инертного газа может быть выражена в любых единицах концентрации легкого инертного газа.
[00155] Устройство по данному изобретению может содержать контроллер 80, находящийся в сигнальной связи с датчиком 50. Сигнальная связь может быть беспроводной или проводной. Контроллер выполнен с возможностью управления рабочими параметрами второй разделительной установки 20 на основе сигналов от датчика 50. Вторая разделительная установка 20 управляется таким образом, чтобы регулировать расход легкого инертного газа в потоке второго газа 17 на основе показателя содержания легкого инертного газа.
[00156] Второе входное отверстие газосмесительного устройства 60 может быть сообщено по текучей среде со вторым выходным отверстием второй разделительной установки 20. Газосмесительное устройство 60 может принимать часть 28 газа 25, богатого легким инертным газом, из второй разделительной установки 20.
[00157] Вторая разделительная установка 20 может содержать регулятор расхода 29, функционально расположенный между вторым входным отверстием газосмесительного устройства 60 и вторым выходным отверстием второй разделительной установки 20. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью управления второй разделительной установкой 20 путем управления регулятором расхода 29. Регулятор расхода управляет скоростью потока для части 28 газа 25, богатого легким инертным газом, из второй разделительной установки 20 в газовый смеситель 60, чтобы модифицировать содержание легкого инертного газа, подаваемого на адсорбционную разделительную установку 10. Контроллер 80 управляет регулятором расхода 29 на основе показателя содержания легкого инертного газа, определенного датчиком 50.
[00158] Источник второго газа 17 может включать в себя трубопровод технологического газа 36, который функционально соединяет коллектор продуктового газа 210 с входным отверстием второй разделительной установки 20. Второе входное отверстие газосмесительного устройства 60 может быть сообщено по текучей среде с трубопроводом технологического газа 36.
[00159] Устройство может содержать регулятор расхода 33, функционально расположенный между вторым входным отверстием газосмесительного устройства 60 и трубопроводом технологического газа 36. Регулятор расхода 33 может находиться в сигнальной связи с контроллером 80. Сигнальная связь может быть беспроводной или проводной. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью управления расходом легкого инертного газа из трубопровода технологического газа 36 путем управления регулятором расхода 33, функционально расположенным между вторым входным отверстием газосмесительного устройства 60 и трубопроводом технологического газа 36. Регулятор расхода 33 может управлять скоростью потока для части потока, обогащенного легким инертным газом, из адсорбционной разделительной установки 10 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60, чтобы модифицировать содержание легкого инертного газа, подаваемого на адсорбционную разделительную установку 10. Контроллер 80 может управлять регулятором расхода 33 на основе показателя содержания легкого инертного газа, определенного датчиком 50.
[00160] В другом варианте реализации изобретения газовый смеситель 60 может быть снабжен третьим входным отверстием. Третье входное отверстие может быть сообщено по текучей среде со вторым выходным отверстием второй разделительной установки 20. Третье входное отверстие газосмесительного устройства 60 может принимать часть 28 газа 25, богатого легким инертным газом, из второй разделительной установки 20.
[00161] Вторая разделительная установка 20 может содержать регулятор расхода 31, находящийся в сигнальной связи с контроллером 80 и функционально расположенный между третьим входным отверстием газосмесительного устройства 60 и вторым выходным отверстием второй разделительной установки 20. Контроллер 80 выполнен с возможностью управления второй разделительной установкой 20 путем управления регулятором расхода 31. Регулятор расхода 31 управляет скоростью потока для части 28 газа 25, богатого легким инертным газом, из второй разделительной установки 20 к третьему входному отверстию газосмесительного устройства 60, чтобы модифицировать содержание легкого инертного газа, подаваемого на адсорбционную разделительную установку 10. Контроллер 80 управляет регулятором расхода 31 на основе показателя содержания легкого инертного газа, определенного датчиком 50.
[00162] В качестве альтернативы или дополнительно, третье входное отверстие газосмесительного устройства 60 может быть сообщено по текучей среде с трубопроводом технологического газа 36, который функционально соединяет коллектор продуктового газа 210 адсорбционной разделительной установки 10 с входным отверстием второй разделительной установки 20.
[00163] Устройство может содержать регулятор расхода 37, функционально расположенный между третьим входным отверстием газосмесительного устройства 60 и трубопроводом технологического газа 36. Регулятор расхода 37 может находиться в сигнальной связи с контроллером 80. Сигнальная связь может быть беспроводной или проводной. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью управления расходом легкого инертного газа из трубопровода технологического газа 36 путем управления регулятором расхода 37, функционально расположенным между третьим входным отверстием газосмесительного устройства 60 и трубопроводом технологического газа 36. Регулятор расхода 37 может управлять скоростью потока для части потока, обогащенного легким инертным газом, из адсорбционной разделительной установки 10 к третьему входному отверстию газосмесительного устройства 60, чтобы модифицировать содержание легкого инертного газа, подаваемого на адсорбционную разделительную установку 10. Контроллер 80 может управлять регулятором расхода 37 на основе показателя содержания легкого инертного газа, определенного датчиком 50.
[00164] Вторая разделительная установка 20 может быть разделительной установкой мембранного типа. Мембранная разделительная установка может быть любым мембранным устройством, обладающим некоторой селективностью для отделения легкого инертного газа от других компонентов в сырье, если на мембране поддерживается перепад давления. Если легкий инертный газ представляет собой гелий, то проницаемость мембраны для гелия обычно выше, чем проницаемость мембраны для других компонентов, присутствующих в сырье, подаваемом на мембрану. Следовательно, концентрация гелия в непермеатном потоке из мембранной разделительной установки меньше его концентрации в сырьевом потоке, поступающем в установку мембранного разделения. Как правило, давление обедненного гелием непермеатного потока на 10-200 кПа абсолютного давления ниже, чем давление сырьевого потока, подаваемого в установку мембранного разделения. Давление потока пермеата, богатого легким инертным газом, может быть на 100-500 кПа или на 100-350 кПа ниже, чем давление сырьевого потока, подаваемого в установку мембранного разделения. Более высокая проницаемость и/или селективность мембраны для гелия является желательной и положительно влияет на производительность всей системы в целом.
[00165] Если вторая разделительная установка 20 представляет собой разделительную установку мембранного типа, то мембранная установка может состоять из одного мембранного устройства или, в качестве альтернативы, из нескольких мембранных устройств, выполненных с возможностью и эксплуатируемых таким образом, чтобы обеспечить разделение наиболее эффективным способом, например, каскад мембран с внутренними рециркуляционными потоками между различными стадиями мембранной установки. Как правило, мембранные устройства изготавливают в виде модулей, каждый из которых содержит определенные полупроницаемые области мембраны для проникновения.
[00166] Установки мембранного разделения с некоторой селективностью для отделения легких инертных газов, таких как гелий и неон, коммерчески доступны, например, производства Air Products, L'Air Liquide, Ube, Cameron и UOP.
[00167] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, устройство может содержать буферный резервуар 30, и поток 13, обогащенный легким инертным газом, может проходить из адсорбционной разделительной установки 10 в буферный резервуар 30 перед его перемещением во вторую установку мембранного разделения 20. Буферный резервуар амортизирует колебания давления и концентрации легкого инертного газа в потоке 13, обогащенном легким инертным газом, из адсорбционной разделительной установки 10. Равномерная концентрация и давление легкого инертного газа улучшают управляемость второй разделительной установки 20, особенно если вторая разделительная установка представляет собой установку мембранного типа.
[00168] Разделительная установка мембранного типа может содержать одно или большее количество регулируемых отверстий 26, предназначенных для управления давлением в разделительной установке мембранного типа. Одно или большее количество регулируемых отверстий предназначены для управления разностью давлений между потоком сырьевого газа 21 второй (мембранной) разделительной установки и потоком 25, богатым легким инертным газом (пермеат).
[00169] Одно или большее количество регулируемых отверстия могут представлять собой клапаны или функционально равноценные средства для управления скоростью потока (расходом) и/или давлением. На ФИГ. 1 представлен клапан 26, сообщенный по текучей среде со вторым выходным отверстием второй (мембранной) разделительной установки 20, и клапан 27, сообщенный по текучей среде с первым выходным отверстием второй (мембранной) разделительной установки 20. Клапанами 26 и 27 можно управлять для регулирования разности давлений между потоком сырьевого газа 21 второй разделительной установки и потоком 25, богатым легким инертным газом (пермеат).
[00170] Разность давлений между потоком сырьевого газа 21 второй (мембранной) разделительной установки и потоком 25, богатым легким инертным газом (пермеат), может быть увеличена или уменьшена путем изменения процента открытия регулируемого отверстия (т.е. клапана 27), сообщенного по текучей среде с первым выходным отверстием для отведения потока 23, обедненного легким инертным газом (непермеатного), и процента открытия регулируемого отверстия (т.е. клапана 26), сообщенного по текучей среде со вторым выходным отверстием для отведения потока 25, богатого легким инертным газом (пермеат).
[00171] Одно или большее количество регулируемых отверстия могут представлять собой клапан или подобное устройство, способное управлять давлением в разделительной установке мембранного типа. Одно или большее количество регулируемых отверстия могут находиться в сигнальной связи с контроллером 80. Контроллер может быть выполнен с возможностью управления второй разделительной установкой 20 посредством регулирования одного или большего количества регулируемых отверстия 26. Повышение противодавления на стороне пермеата разделительной установки мембранного типа увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом (непермеатном). Понижение противодавления на стороне пермеата разделительной установки мембранного типа снижает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом (непермеатном).
[00172] Разделительная установка мембранного типа может содержать множество мембранных модулей и один или большее количество регулирующих клапанов, которые управляют долей действующих мембранных модулей. Один или большее количество регулирующих клапанов могут находиться в сигнальной связи с контроллером 80. Контроллер может быть выполнен с возможностью управления второй разделительной установкой 20 путем управления долей действующих мембранных модулей. Увеличение доли действующих мембранных модулей снижает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом (непермеатном). Уменьшение доли действующих мембранных модулей увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом (непермеатном).
[00173] Разделительная установка мембранного типа может содержать теплообменник 40. Теплообменник 40 может быть выполнен с возможностью управления температурой во второй разделительной установке 20. Теплообменник функционально расположен таким образом, чтобы избирательно нагревать или охлаждать по меньшей мере часть потока сырьевого газа 21 второй разделительной установки путем непрямого теплообмена с теплоносителем. Теплоноситель может быть жидким теплоносителем.
[00174] Теплообменник 40 может находиться в сигнальной связи с контроллером 80. Сигнальная связь может быть беспроводной или проводной. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью управления разделительной установкой мембранного типа путем регулирования тепловой нагрузки теплообменника 40. Повышение температуры потока, поступающего в разделительную установку мембранного типа, уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом (непермеатном). Понижение температуры потока, поступающего в разделительную установку мембранного типа, увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом (непермеатном).
[00175] Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, вторая разделительная установка 20 может содержать компрессор 35 для сжатия потока сырьевого газа 21 второй разделительной установки.
[00176] Вторая разделительная установка 20 может быть разделительной установкой адсорбционного типа.
[00177] Разделительная установка адсорбционного типа может содержать множество емкостей, причем каждая емкость содержит слой адсорбента. Разделительная установка адсорбционного типа может содержать один или большее количество регулирующих клапанов, которые управляют долей действующих емкостей из множества емкостей. Адсорбционный слой является «действующим», если он проходит цикл адсорбции с образованием потока, обедненного легким инертным газом, и потока, богатого легким инертным газом. Адсорбционный слой «бездействует», если он простаивает в то время, как другие адсорбционные слои в системе проходят цикл адсорбции. Один или большее количество регулирующих клапанов могут находиться в сигнальной связи с контроллером 80. Сигнальная связь может быть беспроводной или проводной.
[00178] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из первого выходного отверстия второй разделительной установки ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем управления долей действующих емкостей из множества емкостей. Увеличение доли действующих емкостей из множества емкостей уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Уменьшение доли действующих емкостей из множества емкостей увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00179] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки, где вторая разделительная установка 20 содержит коллектор сырьевого газа и одно или более регулируемых отверстия 32, предназначенных для управления давлением в коллекторе сырьевого газа. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстия 32, предназначенных для управления давлением в коллекторе сырьевого газа второй разделительной установки 20. Одно или большее количество регулируемых отверстия 32 могут представлять собой клапаны. Повышение давления в коллекторе сырьевого газа снижает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Понижение давления в коллекторе сырьевого газа увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00180] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки, где вторая разделительная установка 20 содержит коллектор остаточного газа и одно или большее количество регулируемых отверстия 27, предназначенных для управления давлением в коллекторе остаточного газа. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстия 27 для управления давлением в коллекторе остаточного газа. Одно или большее количество регулируемых отверстия 27 могут представлять собой клапаны. Повышение давления в коллекторе остаточного газа увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Понижение давления в коллекторе остаточного газа уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00181] Источник второго газа может включать в себя второе выходное отверстие второй разделительной установки, где вторая разделительная установка 20 содержит коллектор продуктового газа и одно или большее количество регулируемых отверстия 29, предназначенных для управления давлением в коллекторе продуктового газа. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстия 29 для управления давлением в коллекторе продуктового газа, Повышение давления в коллекторе продуктового газа уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Понижение давления в коллекторе продуктового газа увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00182] Вторая разделительная установка 20 может быть разделительной установкой дистилляционного типа.
[00183] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки 20, где вторая разделительная установка снабжена одним или большим количеством регулируемых отверстия 26, 27, 32, находящихся в сигнальной связи с контроллером 80, предназначенным для управления давлением во второй разделительной установке 20. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем регулирования одного или большего количества регулируемых отверстия 26, 27, 32 для управления давлением во второй разделительной установке 20. Повышение давления в разделительной установке дистилляционного типа (т.е. в дистилляционной колонне) увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Понижение давления в разделительной установке дистилляционного типа (т.е. в дистилляционной колонне) уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00184] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки (20), где устройство дополнительно содержит теплообменник 40, находящийся в сигнальной связи с контроллером 80. Теплообменник 40 может быть выполнен с возможностью управления температурой во второй разделительной установке. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входу газосмесительного устройства (60) путем регулирования тепловой нагрузки теплообменника 40. Увеличение подачи тепла из теплообменника (температуры) повышает температуру в дистилляционной колонне, что увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Уменьшение подачи тепла из теплообменника (температуры) понижает температуру в дистилляционной колонне, что уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00185] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки 20, где вторая разделительная установка 20 снабжена одним или большим количеством отверстий, предназначенных для управления коэффициентом дефлегмации во второй разделительной установке 20. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем управления коэффициентом дефлегмации во второй разделительной установке 20. «Коэффициент дефлегмации» определяется как молярный расход дефлегмации, который представляет собой расход жидкости в потоке на верхнюю ступень дистилляционной колонны, разделенный на молярный расход пара или головного продукта перегонки (т.е. дистиллята, отводимого из второго выходного отверстия). Повышение коэффициента дефлегмации увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Понижение коэффициента дефлегмации уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00186] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки 20, где вторая разделительная установка 20 снабжена одним или большим количеством отверстий, предназначенных для управления соотношением дистиллята к сырью во второй разделительной установке 20. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем управления соотношением дистиллята к сырью во второй разделительной установке 20. «Соотношение дистиллята к сырью» определяется как молярный расход пара или головного продукта перегонки из дистилляционной колонны (т.е. дистиллята, отводимого из второго выходного отверстия), разделенный на молярный расход сырья, подаваемого на дистилляционную колонну. Увеличение соотношения дистиллята к сырью снижает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Уменьшение соотношения дистиллята к сырью увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00187] Источником второго газа может быть первое выходное отверстие второй разделительной установки (20), где вторая разделительная установка 20 снабжена одним или большим количеством отверстий, предназначенных для управления соотношением количества пара во второй разделительной установке 20. Контроллер 80 может быть выполнен с возможностью регулирования расхода легкого инертного газа из источника второго газа 17 ко второму входному отверстию газосмесительного устройства 60 путем управления соотношением количества пара к количеству сырья во второй разделительной установке 20. «Соотношение количества пара» определяется как молярный расход количества пара, который представляет собой расход пара в потоке на нижнюю стадию дистилляционной колонны, разделенный на молярный расход жидкого или нижнего продукта (т.е. нижнего потока, отводимого из первого выходного отверстия). Увеличение соотношения количества пара уменьшает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом. Уменьшение соотношения количества пара увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00188] Способ по данному изобретению включает в себя объединение потока сырьевого газа 11 с потоком второго газа 17 с образованием потока сырьевого газа 12 первой разделительной установки. Поток второго газа 17 имеет более высокое содержание легкого инертного газа, чем поток сырьевого газа 11. Поток сырьевого газа 11 может быть объединен с потоком второго газа 17 в газовом смесителе 60. Поток второго газа 17 имеет скорость потока, которая управляется регулятором, например, регулирующим клапаном потока.
[00189] Поток сырьевого газа 11 может характеризоваться низкой концентрацией легкого инертного газа. Молярная концентрация легкого инертного газа в потоке сырьевого газа может находиться в диапазоне от 0,1 моль % легкого инертного газа до 2,0 моль % легкого инертного газа или в диапазоне от 0,1 моль % легкого инертного газа до 1,0 моль % легкого инертного газа.
[00190] Способ по данному изобретению включает в себя разделение потока сырьевого газа 12 первой разделительной установки в адсорбционной разделительной установке 10 с получением потока 13, обогащенного легким инертным газом, и потока 14, бедного легким инертным газом. Адсорбционная разделительная установка 10 представляет собой разделительную установку адсорбционного типа.
[00191] Циклы адсорбции имеют длительность цикла. Длительность цикла является широко признанным и общепринятым термином в данной области техники. Адсорбционная разделительная установка проходит повторные серии стадий цикла в заданном цикле адсорбции. Длительность цикла представляет собой период времени, необходимый для завершения одного цикла адсорбции от начала до конца.
[00192] Длительность цикла адсорбции может быть установлена таким образом, чтобы обеспечить поток 13, обогащенный легким инертным газом, со средней объемной концентрацией (средний размер «смесительной камеры») легкого инертного газа в диапазоне от 40 моль % до 90 моль % на протяжении заданной длительности цикла. В противоположность обычной работе, длительность цикла для способа по данному изобретению увеличивают, чтобы обеспечить более низкие средние объемные концентрации легкого инертного газа для потока 13, обогащенного легким инертным газом, который выходит из адсорбционной разделительной установки 10. Эксплуатация адсорбционной разделительной установки 10 с большей длительностью цикла увеличивает выход легкого инертного газа. Из-за низких концентраций легкого инертного газа в потоке сырьевого газа, достижение коммерческой целесообразности требует высокого выхода.
[00193] Способ по данному изобретению включает разделение потока сырьевого газа 21 второй разделительной установки во второй разделительной установке 20 с получением потока 25, богатого легким инертным газом, и потока 23, обедненного легким инертным газом. Поток сырьевого газа 21 второй разделительной установки включает в себя поток 13, обогащенный легким инертным газом, из адсорбционной разделительной установки 10. Вторая разделительная установка 20 может представлять собой разделительную установку мембранного типа, разделительную установку адсорбционного типа или разделительную установку дистилляционного типа.
[00194] В способе по данному изобретению осуществляется управление расходом легкого инертного газа в потоке второго газа 17 на основе показателя содержания легкого инертного газа по меньшей мере в одном из потока сырьевого газа 11, потока сырьевого газа 12 первой разделительной установки или потока сырьевого газа 15 адсорбционной емкости. Поток сырьевого газа 15 адсорбционной емкости содержит по меньшей мере часть потока сырьевого газа 12 первой разделительной установки.
[00195] Содержание легкого инертного газа может быть выражено как концентрация или относительное количество в потоке.
[00196] Показатель содержания легкого инертного газа может быть определен путем измерения содержания легкого инертного газа. Показатель содержания легкого инертного газа может быть выражен как объемная, молярная или массовая концентрация легкого инертного газа. Показатель содержания легкого инертного газа может быть выражен как объемная, молярная или массовая доля или процент легкого инертного газа в смеси.
[00197] Показателем содержания легкого инертного газа в потоке сырьевого газа 15 первой разделительной установки может быть концентрация легкого инертного газа в потоке сырьевого газа 11.
[00198] Расход легкого инертного газа в потоке может быть выражен как объемный, молярный или массовый расход.
F
F
F
F
F
F
1
1, Noble
2
2, Noble
1, Noble
2, Noble
[00199] Поток сырьевого газа 11 может иметь общий молярный расход газа, , с удельным молярным расходом газового компонента легкого инертного газа . Поток второго газа 17 может иметь общий молярный расход газа, , с удельным молярным расходом газового компонента легкого инертного газа . Способ характеризуется рециркуляцией большей части молярного расхода гелия для подачи в адсорбционную разделительную установку по сравнению со способами, описанными в предшествующем уровне техники. В способе по данному изобретению , где  является молярным расходом легкого инертного газа в потоке сырьевого газа 11, а  является молярным расходом легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Рециркуляция большей части молярного расхода легкого инертного газа из второй разделительной установки 20 для подачи в адсорбционную разделительную установку 10 поддерживает стабильную концентрацию в сырье для адсорбционной разделительной установки 10. Это позволяет адсорбционной разделительной установке 10 обеспечивать газ, богатый легким инертным газом, для второй разделительной установки 20, с постоянной скоростью потока и концентрацией, что необходимо для обеспечения чистоты продукта, содержащего легкий инертный газ, из второй разделительной установки 20. На ФИГ. 6 проиллюстрировано влияние изменения концентрации сырьевого газа адсорбционного процесса на концентрацию продукта адсорбционной установки.
[00200] Например, если концентрация гелия в сырье в потоке 11 снижается с 2,0% до 0,5% с течением времени, что является обычным явлением в природных газах, то чистота гелиевого продукта адсорбционной установки 10 будет уменьшаться с 88% до 67%. Такое понижение чистоты продукта вызвано ограничением поддержания выхода адсорбционной установки для максимизации производства гелия. Однако такое понижение чистоты гелиевого продукта может привести к понижению чистоты обогащенного инертного газа из второй разделительной установки, поскольку эффективная эксплуатация при более низкой концентрации/чистоте гелия во второй разделительной установке может оказаться невозможной.
[00201] Кроме того, рециркуляция большей части молярного расхода легкого инертного газа из второй разделительной установки 20 для подачи в разделительную установку адсорбционного типа 10 увеличивает выход на этой установке. Это эффективно увеличивает общий выход в системе, поскольку разделительная установка адсорбционного типа 10 является единственным значительным источником потерь гелия.
[00202] Способ может характеризоваться . Соотношение показателей молярного расхода легкого инертного газа,  может быть меньше или равно 16. При значениях , превышающих 16, значительные объемы легкого инертного газа рециркулируются в адсорбционную разделительную установку 10, и в этой точке преимущество рециркуляции легкого инертного газа теряется, и дальнейшего практического усовершенствования разделительной установки адсорбционного типа 10 не происходит.
[00203] Allie (патент США 8268047) приводит пример очистки гелия двумя VPSA, расположенными последовательно, причем поток из первого выходного отверстия возвращается в первую разделительную установку. В данном примере соотношение расхода инертного газа (гелия) из второй разделительной установки в первую, разделенное на расход инертного газа в сырье (), вычислено как 0,528. В патенте США 5080694, выданном Knoblauch и др.., схема операций установки с рециркуляцией, аналогичная описанной Allie, снова используется для очистки гелия. Для значений в Табл. 5 из приведенного примера,  согласно Knoblauch вычислено как 0,222. D'Amico и др. (патент США 5542966) снова используют такую же схему, как Allie и Knoblauch и др., для очистки гелия. Значения, приведенные в примере D'Amico, дают соотношение  0,408. Наконец, Choe и др. (патент США 4717407) применяют способ с установкой криогенного типа в качестве первой разделительной установки, за которой следует мембрана в качестве второй разделительной установки, причем поток первого выходного отверстия возвращается в первую разделительную установку. Во втором примере, в котором используются значения, приведенные в Табл. 4, для очистки гелия,  согласно Choe вычислено как 0,077.
[00204] Расход легкого инертного газа в потоке второго газа 17 может быть увеличен, если содержание легкого инертного газа меньше желательного нижнего предела.
[00205] Расход легкого инертного газа в потоке второго газа 17 может быть уменьшен, если содержание легкого инертного газа превышает желательный верхний предел.
[00206] Желательный нижний предел для содержания легкого инертного газа в потоке сырьевого газа 12 первой разделительной установки может соответствовать молярной доле легкого инертного газа, выбранной в диапазоне от 0,1 моль % до 0,5 моль %. Желательный верхний предел для содержания легкого инертного газа в потоке сырьевого газа 12 может соответствовать молярной доле легкого инертного газа, выбранной в диапазоне от 1,0 моль % до 2 моль %.
[00207] Поток второго газа 17 может включать в себя поток 23, обедненный легким инертным газом, из второй разделительной установки 20. Поток 23, обедненный легким инертным газом, может быть сжат в компрессоре 45. Расход легкого инертного газа во втором потоке 17 может быть увеличен или уменьшен путем управления рабочими параметрами второй разделительной установки 20 на основе показателя содержания легкого инертного газа.
F
2, Noble
[00208] Молярный расход легкого инертного газа, , в потоке 23, обедненном легким инертным газом, может быть увеличен или уменьшен с целью поддержания молярной доли легкого инертного газа в потоке сырьевого газа 12 первой разделительной установки относительно постоянной, чтобы поддерживать работу в пределах желательного диапазона выхода легкого инертного газа.
[00209] Поток второго газа 17 может дополнительно содержать часть 28 потока 25, богатого легким инертным газом. Расход легкого инертного газа в потоке второго газа 17 может быть увеличен путем увеличения скорости потока части 28 потока 25, богатого легким инертным газом, и уменьшен путем уменьшения скорости потока части 28 потока 25, богатого легким инертным газом.
[00210] Часть 28 может представлять собой отделенную часть или выделенную часть потока 25, богатого легким инертным газом.
[00211] В данном способе вторая разделительная установка может быть мембранной разделительной установкой. Мембранная разделительная установка разделяет сырьевой поток на непермеатный поток и поток пермеата. Непермеатный поток представляет собой поток 23, обедненный легким инертным газом. Поток пермеата представляет собой поток 25, богатый легким инертным газом.
[00212] Управление рабочими параметрами мембранной разделительной установки может включать в себя увеличение расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, путем уменьшения разности давлений между потоком сырьевого газа мембранной разделительной установки и потоком, богатым легким инертным газом. Управление рабочими параметрами мембранной разделительной установки может включать в себя уменьшение расхода легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом, путем увеличения разности давлений между потоком сырьевого газа мембранной разделительной установки и потоком, богатым легким инертным газом.
[00213] Мембранная разделительная установка может содержать множество мембранных модулей. Управление рабочими параметрами мембранной разделительной установки может включать в себя увеличение расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, путем уменьшения количества действующих мембранных модулей. Управление рабочими параметрами мембранной разделительной установки может включать в себя уменьшение расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, путем увеличения количества действующих мембранных модулей.
[00214] Как обсуждалось выше, устройство может содержать теплообменник 40. Управление рабочими параметрами мембранной разделительной установки 20 можно осуществлять путем повышения или понижения в теплообменнике температуры потока сырьевого газа 21 мембранной разделительной установки.
F
F
2, Noble
2, Noble
[00215] Управление рабочими параметрами мембранной разделительной установки может включать в себя повышение температуры потока сырьевого газа 21 мембранной разделительной установки для уменьшения расхода легкого инертного газа, , в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Управление рабочими параметрами мембранной разделительной установки может включать в себя понижение температуры потока сырьевого газа 21 мембранной разделительной установки для увеличения расхода легкого инертного газа, , в потоке 23, обедненном легким инертным газом.
[00216] В данном способе вторая разделительная установка 20 может быть разделительной установкой адсорбционного типа. Разделительная установка адсорбционного типа разделяет сырьевой поток на поток остаточного газа и поток продукта. Поток остаточного газа представляет собой поток 23, обедненный легким инертным газом. Поток продукта представляет собой поток 25, богатый легким инертным газом.
[00217] Разделительная установка адсорбционного типа может работать с циклом адсорбции, имеющим длительность цикла. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя увеличение длительности цикла второй разделительной установки 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или уменьшение длительности цикла второй разделительной установки 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном инертным газом 23. Если длительность цикла увеличивается, то емкость для частиц, которые адсорбируются в большей степени, на производственной стадии увеличивается вследствие повышения эффективности удаления частиц, которые адсорбируются в большей степени, на протяжении более длительных стадий генерации остаточного газа. При улучшении емкости для частиц, которые адсорбируются в большей степени, меньшее количество желательных частиц, которые адсорбируются в меньшей степени (легкий инертный газ) захватывается и теряется на стадиях, на которых образуется остаточный газ.
[00218] Разделительная установка адсорбционного типа может содержать коллектор сырьевого газа, а управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя повышение давления потока сырьевого газа 21 второй разделительной установки в коллекторе сырьевого газа второй разделительной установки 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или понижение давления потока сырьевого газа 21 второй разделительной установки в коллекторе сырьевого газа второй разделительной установки 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если давление сырья повышается, то емкость для частиц, которые адсорбируются в большей степени, на производственной стадии увеличивается вследствие повышения эффективности адсорбента при более высоких значениях давления с точки зрения адсорбции частиц, которые адсорбируются в большей степени. При улучшении емкости для частиц, которые адсорбируются в большей степени, меньшее количество желательных частиц, которые адсорбируются в меньшей степени (легкий инертный газ) захватывается и теряется на стадиях, на которых образуется остаточный газ.
[00219] Разделительная установка адсорбционного типа может содержать коллектор остаточного газа, а управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя повышение давления потока 23, обедненного легким инертным газом, в коллекторе остаточного газа второй разделительной установки 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или понижение давления потока 23, обедненного легким инертным газом, в коллекторе остаточного газа второй разделительной установки 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если давление потока 23, обедненного легким инертным газом, повышается, то емкость для частиц, которые адсорбируются в большей степени, на производственной стадии уменьшается вследствие удаления меньшего количества частиц, которые адсорбируются в большей степени, на стадиях, на которых образуется остаточный газ. Путем уменьшения емкости для частиц, которые адсорбируются в большей степени, большее количество желательных частиц, которые адсорбируются в меньшей степени (легкий инертный газ) захватывается и теряется на стадиях, на которых образуется остаточный газ.
[00220] Разделительная установка адсорбционного типа может работать с циклом адсорбции, включающим в себя стадию продувки, имеющую заданное давление в конце стадии продувки, где на стадии продувки образуется поток продувочного газа. Продувочный газ может быть сжат с образованием потока промывочного газа и/или продувочный газ может быть перемещен в коллектор остаточного газа. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя повышение заданного давления в конце стадии продувки для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или понижение заданного давления в конце стадии продувки для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. В случае, когда продувочный газ сжимают с образованием потока промывочного газа, повышение заданного давления в конце стадии продувки приводит к тому, что меньшее количество легкого инертного газа удаляется, захватывается и возвращается в слой адсорбента на производственной стадии посредством стадии промывания. Таким образом, большее количество легкого инертного газа остается в слое для следующей(-их) стадии(-й), на которых образуется остаточный газ (эвакуация и/или продувка), таким образом, что это увеличивает количество легкого инертного газа в потоке, обедненном инертным газом.
[00221] Разделительная установка адсорбционного типа может содержать множество адсорбционных слоев и работать со множеством циклов адсорбции, каждый из которых включает в себя стадию подачи. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя переход к циклу адсорбции, включающему в себя меньшее количество адсорбционных слоев, одновременно действующих на стадии подачи, для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или переход к циклу адсорбции, включающему в себя большее количество адсорбционных слоев, одновременно действующих на стадии подачи, для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если количество адсорбционных слоев, одновременно действующих на стадии подачи, уменьшается, то емкость во время производственной стадии для частиц, которые адсорбируются в большей степени, уменьшается вследствие уменьшения объема адсорбента, доступного на стадии подачи/производственной стадии. Путем уменьшения емкости для частиц, которые адсорбируются в большей степени, большее количество желательных частиц, которые адсорбируются в меньшей степени (легкий инертный газ), захватывается и теряется на стадиях, на которых образуется остаточный газ.
[00222] Разделительная установка адсорбционного типа может содержать множество адсорбционных слоев и работать со множеством циклов адсорбции, причем некоторые включают в себя стадию выравнивания давления. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя переход к циклу адсорбции, включающему в себя меньшее количество или не включающему стадий выравнивания давления, для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или перехода к циклу адсорбции, включающему в себя большее количество стадий выравнивания давления, для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если количество стадий выравнивания давления уменьшается, то емкость на производственной стадии для частиц, которые адсорбируются в большей степени, уменьшается вследствие пониженной эффективности удаления частиц, которые адсорбируются в большей степени, в ходе стадий выравнивания давления. Путем уменьшения емкости для частиц, которые адсорбируются в большей степени, большее количество желательных частиц, которые адсорбируются в меньшей степени (легкий инертный газ), захватывается и теряется на стадиях, на которых образуется остаточный газ.
[00223] В данном способе вторая разделительная установка 20 может быть разделительной установкой дистилляционного типа. Разделительная установка дистилляционного типа разделяет сырьевой поток на поток кубового остатка и поток головного продукта или дистиллята. Поток кубового остатка представляет собой поток 23, обедненный легким инертным газом. Поток головного продукта или дистиллята представляет собой поток 25, богатый легким инертным газом.
[00224] Разделительная установка дистилляционного типа может работать при рабочем давлении. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя понижение рабочего давления второй разделительной установки 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или повышение рабочего давления второй разделительной установки 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если рабочее давление повышается, то растворимость легкого инертного газа в потоке кубового остатка повышается, что увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00225] Разделительная установка дистилляционного типа может работать при рабочей температуре. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя понижение рабочей температуры второй разделительной установки 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или повышение рабочей температуры второй разделительной установки 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если температура повышается, то увеличивается растворимость легкого инертного газа в потоке кубового остатка, что увеличивает расход легкого инертного газа в потоке, обедненном легким инертным газом.
[00226] Разделительная установка дистилляционного типа может работать с коэффициентом дефлегмации. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя повышение коэффициента дефлегмации второй разделительной установки 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или понижение коэффициента дефлегмации второй разделительной установки 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если коэффициент дефлегмации повышается, то количество потока дефлегмации увеличивается во взаимосвязи с количеством потока головного продукта или дистиллята, который в разделительной установке дистилляционного типа «вымывает» большее количество легкого инертного газа в жидком растворе и, следовательно, в потоке кубового остатка, тем самым увеличивая скорость потока, обедненного легким инертным газом.
[00227] Разделительная установка дистилляционного типа может работать с соотношением дистиллята к сырью. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя увеличение соотношения дистиллята к сырью во второй разделительной установке 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом, и/или уменьшение соотношения дистиллята к сырью во второй разделительной установке 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном легким инертным газом. Если соотношение дистиллята к сырью увеличивается, то количество потока дистиллята увеличивается по отношению к количеству потока сырья, что уменьшает объем/количество легкого инертного газа в разделительной установке дистилляционного типа и, следовательно, в потоке кубового остатка, тем самым уменьшая скорость потока, обедненного легким инертным газом.
[00228] Разделительная установка дистилляционного типа может работать с соотношением количества пара. Управление рабочими параметрами второй разделительной установки 20 может включать в себя увеличение соотношения количества пара второй разделительной установки 20 для уменьшения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном инертным газом, и/или уменьшение соотношения количества пара во второй разделительной установки 20 для увеличения расхода легкого инертного газа в потоке 23, обедненном инертным газом. Если соотношение количества пара увеличивается, то количество пара в потоке на нижнюю ступень увеличивается во взаимосвязи с количеством потока нижнего продукта, что испаряет легкий инертный газ из потока нижнего продукта, тем самым уменьшая скорость потока, обедненного легким инертным газом.
[00229] Термин «коэффициент дефлегмации» является стандартным термином в области дистилляции и представляет собой соотношение расхода в противотоке к расходу головного продукта или дистиллята. Термин «соотношение дистиллята к сырью» является стандартным термином в области дистилляции и представляет собой соотношение расхода дистиллята к расходу сырья. Термин «соотношение количества пара» является стандартным термином в области дистилляции и представляет собой соотношение количества пара или расхода пара к расходу на нижней ступени или расходу нижнего продукта.
[00230] Любой вид желательной предварительной обработки газообразных сырьевых смесей при помощи различных разделительных установок или последующей обработки любого из потоков продукта могут применяться с данным способом и устройством, при необходимости или при желании. Например, в зависимости от выбора используемых адсорбентов, может потребоваться предварительная обработка для удаления определенных компонентов из потока сырьевого газа 11, которая может оказать неблагоприятное воздействие на адсорбент или способ. Подобным образом, в конечном гелиевом продукте, т.е. потоке пермеата 25, богатом гелием, могут присутствовать компоненты, которые могут быть нежелательными при последующем использовании этого потока продукта и должны быть удалены в ходе последующей обработки до его использования.
[00231] Примеры
[00232] Пример 1
[00233] Пилотная адсорбционная установка/экспериментальный аппарат с несколькими слоями был создан для сбора данных о выходе легкого инертного газа на адсорбционной разделительной установке. Установка состояла из 5 адсорбционных слоев, каждый из которых имел внутренний диаметр 2,21 см (0,87 дюйма) и длину 3,05 м (10 футов). На ФИГ. 2 проиллюстрирован применяемый цикл адсорбции, который представляет собой вакуумную короткоцикловую адсорбцию (VSA) с 5 слоями и стадией промывания (описана выше). Слои заполняли активированным углем в качестве адсорбента, а длительность цикла в процессе эксплуатации варьировалась в пределах 30 секунд, 60 секунд и 120 секунд. Состав сырья для установки варьировался от 0,35 моль % He до 4 моль % He с азотом, метаном и диоксидом углерода, составляющими остальную часть сырьевого газа. Давление сырья варьировалось от 345 кПа (абсолютное) до 1029 кПа (абсолютное), а температура сырья составляла 21,1°C (70°F). Необязательный буферный резервуар 30 был включен в экспериментальную установку, а чистоту продукта измеряли на выходе из этого резервуара, что эквивалентно входящему потоку 21 второй разделительной установки на ФИГ. 1.
[00234] В первом эксперименте в экспериментальный аппарат подавали различные количества/концентрации гелия и измеряли общий выход гелия. Кривая под названием «Экспериментальная Система AP» на ФИГ. 4 иллюстрирует результаты подачи различных моль % гелия на адсорбционную установку с чистотой гелиевого продукта 70 моль % и соотношением Промывания к Сырью 1:1 для всех точек данных на указанной кривой. На ФИГ. 4, можно видеть, что эксплуатация на правой стороне ФИГ. 4 (более высокие концентрации гелия в сырьевом газе) является более выгодной для общего выхода гелия в системе. На практике, концентрация гелия в сырьевом газе в потоке 11 на ФИГ. 1 варьирует и снижается со временем.
[00235] Таким образом, поддержание концентрации гелия в адсорбционной установке приносит пользу и выгоду. Более высокая концентрация гелия в адсорбционной установке может быть достигнута за счет рециркуляции гелия из второй разделительной установки, находящейся дальше в технологической схеме (даунстрим). Однако рециркуляция гелия из второй разделительной установки, находящейся дальше в технологической схеме (даунстрим), противоречит здравому смыслу, поскольку (первая) адсорбционная разделительная установка является единственным источником потерь гелия, ведущим к более низкому выходу гелия. Но если бы выход гелия из (первой) адсорбционной разделительной установки мог бы быть улучшен до такой степени, что преимущества дополнительной концентрации гелия в сырье будут перевешивать потери гелия, это обеспечило бы неочевидные преимущества.
V
2
[00236] В другом наборе экспериментов экспериментальная система работала с переменным вторичным объемом, . ФИГ. 5 иллюстрирует экспериментальные результаты системы адсорбционного типа по данному изобретению для выхода гелия как функции варьирующего вторичного объема. На ФИГ. 5 представлены данные для 2 моль % гелия в сырье и соотношения Промывания к Сырью 1:1. Соотношение Промывания к Сырью является показателем молярного расхода газа (поток 18, ФИГ. 1), взятого из слоя на стадии промывания, разделенному на молярный расход сырьевого газа (поток 12 на ФИГ. 1), подаваемого в слой на стадии Подачи. Это соотношение отслеживают и управляют им при помощи давления в слое в конце стадии Продувки. В экспериментальной системе это осуществляли путем добавления запорных клапанов на сырьевом и продуктовом конце колонны/слоя, что эффективно уменьшает вторичный объем. Из ФИГ. 5 очевидно, что уменьшение вторичного объема приведет к увеличению выхода гелия.
[00237] На основании экспериментальных результатов наблюдается еще одно неожиданное преимущество поддержания подачи в адсорбционную установку (поток 12 на ФИГ. 1), что проиллюстрировано на ФИГ. 6. По мере того, как показатели сырьевого газа адсорбционной установки (поток 12 на ФИГ. 1) ухудшаются, чистота гелиевого продукта из адсорбционной установки (поток 21 на ФИГ. 1) также понижается. Поскольку известно, что концентрация в сырье варьирует и со временем понижается, такая вариация чистоты продукта, связанная со входящим потоком 21 второй установки, может привести к сложностям в управлении второй разделительной установкой. Кроме того, поскольку для второй разделительной установки существует конечная/практическая конструкционная основа, эти изменения могут приводить к ухудшению показателей потока 25, богатого легким инертным газом. Ухудшение показателей потока 25, богатого легким инертным газом, ниже требуемой чистоты для легкого инертного газа может вынудить установку быть по существу отключенной или, потенциально, остановиться.
[00238] Пример 2
[00239] Данное изобретение направлено на максимизацию выхода легкого инертного газа при обработке варьирующих и низких концентраций легкого инертного газа в сырье путем рециркуляции второго потока, богатого легким инертным газом, с целью обогащения содержания легкого инертного газа в сырье, подаваемом на адсорбционную разделительную установку. На основе результатов экспериментальной системы предпринимались интенсивные усилия по максимизации выхода гелия по сравнению с предшествующим уровнем техники путем уменьшения вторичных объемов адсорбционной установки. Кривая под названием «Модификации коллекторов», на ФИГ. 4 иллюстрирует влияние имитационного моделирования уменьшения вторичных объемов на 50% по сравнению с типичной коммерческой системой за счет перераспределения и/или минимизации объемов трубопроводов.
[00240] На кривой под названием «Запорный клапан», на ФИГ. 4 используется запорный переключающий клапан, сообщенный по текучей среде со слоем на сырьевом и продуктовом конце слоя адсорбента. Это значительно уменьшает вторичный объем по сравнению с «Модификацией коллекторов» и «Коммерческой системой», что, в свою очередь, улучшает адсорбцию и общий выход гелия в системе. Запорный клапан на продуктовом коллекторе открывается во время Производства (P), Промывания (R) и Повышения давления продукта (PP), но закрывается во время Продувки (BD) и Откачивания (E). Запорный клапан на подающем коллекторе закрывается во время Повышения давления продукта (PP) и открыт на протяжении всех других стадий адсорбции, чтобы предотвратить попадание газа, содержащего высокие концентрации гелия, во вторичные объемы на сырьевом конце слоя.
[00241] Путем уменьшения вторичного объема за счет модификации коллекторов или запорных клапанов, выход гелия при всех концентрациях объединенного газового потока 12 значительно улучшается по сравнению с предшествующим уровнем техники и позволяет данному изобретению достичь более высокого выхода для целого диапазона концентраций гелия, представляющих интерес (от 0,1 до 4%), как проиллюстрировано на ФИГ. 4.
[00242] Пример 3
[00243] Большие преимущества наблюдаются в случае, когда содержание гелия во входящем потоке сырьевого газа 11 с течением времени понижается с 4% до 0,5%. Предшествующий уровень техники в этом примере представляет собой US8268047, двойной VPSA для извлечения гелия. Такая модификация содержания гелия в потоке сырьевого газа 11 приведет к понижению чистоты гелия в обогащенном в адсорбционной установке газовом потоке 13, как проиллюстрировано на ФИГ. 6.
F
2, Noble
[00244] Из-за более низкой чистоты на входе входного отверстия второй стадии, в предшествующем уровне техники, с учетом фиксированной системы, которая уже работает, должна была бы присутствовать конечная стадия очистки с «коротким циклом» (хорошо известным специалисту в области адсорбции) для поддержания конечной чистоты гелия. Это по своей сути увеличивает расход гелия во втором потоке (), что приводит к увеличению потерь гелия, о чем свидетельствует кривая под названием «Предшествующий уровень техники» на ФИГ. 7.
[00245] В данном изобретении, вследствие минимизации вторичного объема в адсорбционной разделительной установке, выход адсорбционной разделительной установки неявно более высокий, что позволяет активно повышать  по мере уменьшения содержания в сырье. Если содержание в сырье падает, это дает значительное улучшение выхода гелия по сравнению с предшествующим уровнем техники, как проиллюстрировано на ФИГ. 7.