Способ получения концентрата ксенона и криптона
METHOD OF PRODUCING CONCENTRATE OF XENON AND KRYPTON

Изобретение относится к технологическим процессам получения инертных газов и может быть использовано для получения концентрата ксенона и криптона из природного газа, в том числе, из попутного нефтяного газа и угольного газа.
Известен газогидратный способ разделения смеси газов [RU 2329092, С2, B01D 57/00, F25J 3/00 20.07.2008], включающий ступенчатый процесс гидратации компонентов-газов исходной газовой смеси, различающиеся термобарическими условиями образования газовых гидратов, с последующим ступенчатым процессом дегидратации с выделением отдельных компонентов-газов из газовой смеси, при этом исходную газовую смесь с компонентами-газами подают на первую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р1, равном давлению гидратообразования первого компонента газа, затем ее отправляют в реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии первого компонента-газа с водой, далее в первом циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию в первую емкость для выделения первого компонента-газа, непрореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из первого циклона подают на вторую ступень многоступенчатого компрессора, где ее сжимают при давлении Р2, затем ее отправляют во второй реактор, где происходит образование газовых гидратов при взаимодействии второго компонента-газа с водой, далее во втором циклоне газовые гидраты отделяют и направляют на дегидратацию во вторую емкость для выделения второго компонента-газа, непрореагировавшую газовую смесь с оставшимися компонентами-газами из второго циклона подают на следующую ступень многоступенчатого компрессора, и цикл вновь повторяют, выделяя остальные компоненты-газы при условии, что давление на каждой последующей стадии выше давления на предыдущей ступени, при этом процесс разделения газовой смеси, у которой размер молекул не превышает, проводят непрерывно при постоянном ее поступлении в многоступенчатый компрессор.
Это техническое решение позволяет организовать непрерывный технологический процесс разделения газовой смеси и получать отдельные компоненты-газы с высокой степенью чистоты.
Однако известный способ отличается относительно высокой сложностью.
Известен также способ получения концентрата инертных газов [RU 2466086, С2, C01В 23/00, B01D 53/00, 10.11.2012], предусматривающий получение концентрата инертных газов из сырья в виде газовой смеси, в качестве которой используют природные горючие смеси, добываемые на месторождениях из группы газовые, газоконденсатное, нефтегазоконденсатное, нефтегазовое, газонефтяное, нефтяное, угольное, газогидратное, причем получение концентрата инертных газов осуществляется на, по меньшей мере, одном этапе от извлечения на месторождении до завершения переработки, по меньшей мере, одним методом из группы: адсорбция, абсорбция, газовая диффузия, сопловой процесс, газовое центрифугирование, аэродинамическая сепарация, вихревой процесс, дистилляция, криогенная ректификация.
В частном случае получение ксенонового концентрата осуществляют или из промыслового природного газа, или из промыслового попутного нефтяного газа, или из промыслового попутного угольного газа. Кроме того, получение ксенонового концентрата осуществляют из, по меньшей мере, одного продукта промысловой подготовки и переработки из группы: из магистрального (очищенного) углеводородного газа, из осушенного углеводородного газа, из сухого отбензиненного газа (СОГ), из широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), из кислых газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, из отходящих газов блока получения серы, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от сероводорода, из очищенного от сероводорода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от диоксида и оксида углерода, из очищенного от диоксида и оксида углерода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода, из очищенного от меркаптанов, сероуглерода и сероокиси углерода углеводородного газа, из отходящих (утилизируемых) газов установки очистки углеводородного газа от азота, из очищенного от азота углеводородного газа, из газовой фракции после концентрирования углеводородных газов, из остаточных газов блока получения азота и гелия, из газовой фракции разделенной газоконденсатной жидкости, из газовой фракции углеводородного газа. При этом получение ксенонового концентрата осуществляют на газо- нефте- перерабатывающих мощностях, включая установки предварительной подготовки природного газа (УППГ), газоперерабатывающие заводы (ГПЗ), производства синтетических жидких углеводородов (включая технологии GTL), ожижительные газовые заводы (ОГЗ), на заводах по производству гелия из природного газа.
Недостатком этого технического решения является его относительно низкая эффективность, обусловленная относительно низким выходом целевого продукта.
Требуемый технический результат заключается в повышении выхода целевого продукта - концентрата ксенона и криптона из природного или попутного нефтяного газа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения концентрата ксенона и криптона [RU 2640785, C1, С01В 23/00, F25J 3/00 B01D 53/00, 11.01.2018], основанный на подаче в реактор природного или попутного нефтяного газа, причем, одновременно с природным или попутным газом в реактор подают диспергированную воду и создают термобарические условия по давлению в интервале от 0,1 до 20 МПа и по температуре в интервале от -50 до +50°С для образования концентрата газовых гидратов этана, пропана, изобутана и криптона и подвергают их разложению с образованием концентрата ксенона и криптона.
Недостатком наиболее близкого технического решения является его относительно низкая эффективность, обусловленная относительно низким выходом целевого продукта. Это вызвано неустойчивостью сохранения воды в диспергированном виде при подач ее в реактор при требуемых термобарических условиях. Это не позволяет осуществлять и поддерживать эффективный контакт диспергированной воды и газа. Как следствие, возникает снижение интенсивности образования концентрата газовых гидратов этана, пропана, изобутана и криптона, что, в конечном счете, приводит к неполному извлечению инертных газов из природного и попутного нефтяного газа.
Задача, которая решается в изобретении, направлена на повышение эффективности получения из природного или попутного нефтяного газа газовых гидратов этана, пропана, изобутана и криптона путем создания условий для более высокого выхода целевого продукта.
Требуемый технический результат заключается в повышении выхода целевого продукта - концентрата ксенона и криптона из природного или попутного нефтяного газа.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается, тем, что, в способе, заключающемся в том, что, в реактор подают одновременно природный или попутный нефтяной газ и диспергированную воду и создают термобарические условия для образования концентрата газовых гидратов этана, пропана, изобутана и криптона и подвергают их разложению с образованием концентрата ксенона и криптона, причем, термобарические условия по давлению создают в интервале от 0,1…20 Мпа, согласно изобретению, термобарические условия по температуре создают в интервале -10…+20°С (263…-293 К), причем, природный или попутный нефтяной газ подают в реактор снизу, а диспергированную воду подают в реактор сверху, формируя их встречные потоки, при этом, диспергированную воду подают в твердой фазе в виде льда или снега.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, газовые гидраты отбирают из реактора снизу, а природный или попутный нефтяной газ после взаимодействия с диспергированной водой в твердой фазе выводят сверху.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве диспергированной воды в твердой фазе в виде льда или снега используют воду, полученную после разложения газовых гидратов с последующим преобразованием в диспергированную воду в твердой фазе.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, природный или попутный нефтяной газ и диспергированную воду подают в реактор тангенциально.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 и фиг. 2 - примеры устройств для реализации предложенного способа;
на фиг. 3 - фазовая диаграмма для системы пропан - вода (избыток пропана), где указаны: I - газообразный пропан + вода; II - газообразный пропан + гидрат пропана; III - жидкий пропан + вода; IV - жидкий пропан + гидрат пропана; V - газообразный пропан + диспергированная вода в твердой фазе; VI - жидкий пропан + диспергированная вода в твердой фазе; зоны А, В, С, Д - области температур и давлений, где газовые гидраты пропана не образуются;
На фиг. 1 обозначены: 1 - теплообменник, 2 - реактор, 3 - емкость сепарпации.
На фиг. 2 обозначены: 4 - теплообменник, 5 - реактор, 6 - емкость сепарпации.
Предложенный способ получения концентрата ксенона и криптона реализуется следующим образом.
Природный газ направляют в реактор снизу, где создают термобарические условия образования газовых гидратов этана, пропана, изобутана, ксенона и криптона по давлению в интервале от 0,1…20 Мпа, по температуре - в интервале -10…+20°C (263…-293 К), Одновременно в реактор подается диспергированная вода в твердой фазе сверху или тангенциально к корпусу реактора. За время контакта диспергированной воды в твердой фазе в реакторе образуются газовые гидраты пропана, этана, ксенона и криптона. Образование газового гидрата метана не происходит и он остается в газообразном виде. Диспергированная вода в твердой фазе после контакта оседает внизу.
Полученные газовые гидраты содержат криптон и ксенон в концентрация больших, чем в исходном газе. Далее газовый поток, содержащий твердофазные гидраты газов, направляются в емкость, где при разложении газовых гидратов происходит выделение газов и воды. Вода, полученная после разложения газовых гидратов, может быть использована повторно с предварительным преобразованием в диспергированную воду в твердой фазе.
Указанный выше процесс в устройстве фиг. 1 реализуется следующим образом. В теплообменике 1 происходит образование мелкодисперсного снега. Он через шнек подается в реактор 2, в который поступает природный газ под давлением от 1 до 200 атмосфер. В первый момент времени происходит псевдоожижение снега, затем молекулы пропана, криптона, ксенона, этана, радона, изобутана, сероводорода внедряются в кристаллическую решетку снежинок, образуется газовые гидраты этих газов. Газовые гидраты оседают на дне реактора 2, затем через шнек поступают в ёмкость 3 сепарации, где происходит разрушение газовых гидратов с образованием воды и концентрата инертных газов (ксенона, радона и криптона). Концентрат идёт на дальнейшую переработку. Вода поступает в теплообменник 1 для образования льда.
Указанный выше процесс в устройстве фиг. 2 реализуется следующим образом. В теплообменике 4 происходит образование диспергированной воды в твердой фазе. Она через шнек подается в реактор 5, в который поступает природный газ под давлением от 1 до 200 атмосфер. Природный газ закручивается в реакторе и вступает во взаимодействие диспергированной водой в твердой фазе. Молекулы пропана, криптона, ксенона, этана, радона, изобутана, сероводорода внедряются в кристаллическую решетку диспергированной водой в твердой фазе, образуя газовые гидраты этих газов. Газовые гидраты оседают на дне реактора 5 и затем через шнек поступают в емкость 6 сепарации, где происходит разрушение газовых гидратов с образованием воды и концентрата инертных газов (ксенона, радона и криптона). Концентрат идет на дальнейшую переработку. Диспергированная вода поступает в теплообменник 4 для образования льда.
На фиг. 3 представлена фазовая диаграмма для системы пропан - вода (избыток пропана), где указаны: I - газообразный пропан + вода; II - газообразный пропан + гидрат пропана; III - жидкий пропан + вода; IV - жидкий пропан + гидрат пропана; V - газообразный пропан + диспергированная вода в твердой фазе; VI - жидкий пропан + диспергированная вода в твердой фазе; зоны А, В, С, Д - области температур и давлений где газовые гидраты пропана не образуются. Эти области интересны тем, что можно разделить воду и пропан при дальнейшем использовании пропана.
На Фиг. 4 - представлены термобарические условия образования газового гидрата ксенона, из которых следует, что давления, при которых образуются газовые гидраты пропана ксенона близки по значениям, поскольку пропан в газе является макрокомпонентом
Нетрудно видеть, что предложенный способ существенно увеличивает выход целевого продукта - концентрата ксенона и криптона из природного или попутного нефтяного газа, чем и достигается требуемый технический результат. Это вызвано тем, что уменьшается эффект неустойчивости сохранения воды в диспергированном виде при подач ее в реактор. Это позволяет осуществлять и поддерживать эффективный контакт диспергированной воды и газа. Как следствие, возникает повышение интенсивности образования концентрата газовых гидратов этана, пропана, изобутана и криптона, что, в конечном счете, приводит к более полному извлечению инертных газов из природного и попутного нефтяного газа.