СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ МИКРОКОМПОНЕНТОВ ОТ ФРАКЦИИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ АЗОТ И ГЕЛИЙ
METHOD OF SEPARATING TRACE COMPONENTS FROM FRACTION CONTAINING AT LEAST NITROGEN AND HELIUM

Изобретение относится к способу отделения микрокомпонентов от фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, причем для обогащения гелием ее частично конденсируют.
Соответствующий изобретению способ отделения микрокомпонентов от фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, находит применение, например, при извлечении гелия из природного газа.
В качестве типичных микрокомпонентов рассматривают, в частности, метан, этан, этилен, кислород и аргон.
Обычно во время процесса охлаждения и сжижения потока природного газа от него отделяют фракцию, содержащую по меньшей мере азот и гелий, и обрабатывают ее с образованием обогащенного гелием потока, который в данном случае представляет собой желательный поток продукта. Отделение азота и при известных обстоятельствах других компонентов, например таких, как метан, кислород и т.д., от фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, обычно проводят частичной конденсацией в сепараторной камере или сепараторе. Разделение индивидуальных компонентов фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, проводят соответственно термодинамическому равновесию при данной температуре и данном давлении смеси. Сжиженную порцию азота - а также при определенных обстоятельствах метана и/или кислорода - при этом выводят из отстойника сепаратора, тогда как оставшуюся газообразной часть, которая состоит из азота, гелия и следов метана, кислорода и т.д., выпускают через головную часть сепаратора [US 2009013718 A1, опубл. 15.01.2009, МПК F25J 3/02].
Наряду с термодинамическим равновесием проявляются такие эффекты течения, что с газовой фазой уносятся или, соответственно, увлекаются капельки жидкости. В целом же газовая фаза, выводимая из головной части сепаратора, может иметь относительно сильное остаточное загрязнение метаном, кислородом и т.д. В дальнейшем процессе концентрирования гелия из газовой фазы сепаратора выводят фракцию сжиженного азота (LIN, «жидкий азот») в качестве продукта. К этой фракции продукта обычно предъявляют высокие требования в отношении отсутствия примесей горючих компонентов, здесь метана и кислорода.
Тем самым существует потребность в способе отделения нежелательных микрокомпонентов от фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, который устраняет вышеуказанные недостатки и, по сравнению с прототипом, позволяет получить удовлетворительное качество вышеуказанного жидкого азота (LIN) как продукта установки.
Для решения этой задачи предлагается соответствующий изобретению способ отделения микрокомпонентов от фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, который отличается тем, что частично сконденсированную фракцию, по меньшей мере частично, направляют по меньшей мере в одну ректификационную колонну и в ней разделяют на обогащенную гелием газообразную фракцию и обогащенную азотом жидкостную фракцию, которая содержит микрокомпоненты.
Согласно изобретению разделение фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, на обогащенную гелием газообразную фракцию, а также обогащенную азотом жидкостную фракцию, проводят по меньшей мере в одной ректификационной колонне, причем вышеуказанную фракцию вводят в ректификационную колонну в нижней части, преимущественно в отстойник ректификационной колонны. Ректификационную колонну предпочтительно оснащают многочисленными колпачковыми тарелками и/или насадками, благодаря чему повышается эффективность протекающего в ней процесса разделения. В предпочтительном варианте исполнения в ректификационную колонну через подходящее насадочное устройство в головной части подводят хладагент и распределяют в ней.
Дополнительные предпочтительные варианты исполнения соответствующего изобретению способа, которые представляют собой предметы прилагаемых пунктов патентной формулы, отличаются тем, что
- частично сконденсированную фракцию прежде всего направляют в сепаратор и полученную в сепараторе обогащенную гелием газообразную фракцию, по меньшей мере частично, подают по меньшей мере в одну ректификационную колонну,
- в ректификационную колонну подают азот или обогащенную азотом фракцию в качестве противоточной среды, и
- процесс разделения внутри ректификационной колонны стимулируют с помощью размещенных в ней насадок и/или колпачковых тарелок.
Соответствующий изобретению способ отделения микрокомпонентов от фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, а также дополнительные предпочтительные варианты исполнения его далее будут более подробно разъяснены с привлечением представленного на фигуре примера исполнения.
В представленном на фигуре варианте исполнения соответствующего изобретению способа в данном случае перед предусмотренной согласно изобретению ректификационной колонной Т размещают сепаратор D. В альтернативном варианте он может быть встроен в нижнюю часть ректификационной колонны, предпочтительно в области ее отстойника.
Отделенная фракция 1, содержащая по меньшей мере азот и гелий, включает лишь несколько процентов метана и гелия и, при известных обстоятельствах, кислород и водород в концентрации немногих промилле, причем остальное количество составляет азот. Эта фракция имеет температуру свыше 300 К (27°С) и охлаждается в теплообменнике Е в противотоке с разогреваемыми технологическими потоками, которые впоследствии будут обсуждены подробнее, до температуры около 80 К (-193°С). Охлажденную фракцию по трубопроводу 2 направляют в сепаратор D. Из его отстойника через трубопровод 3 выводят первую обогащенную азотом фракцию и в редукционном клапане «а» подвергают расширению с охлаждением. В головной части сепаратора D по трубопроводу 4 выводят обогащенную гелием фракцию и вводят в ректификационную колонну Т в ее нижней части.
Как уже упоминалось, внутри ректификационной колонны Т с целью повышения эффективности процесса разделения размещены многочисленные насадки и/или колпачковые тарелки - изображенные пунктирными линиями. По трубопроводу 10 в ректификационную колонну Т в ее головную часть вводят хладагент; при этом речь идет преимущественно о жидком азоте или обогащенной азотом сжиженной фракции.
Из отстойника ректификационной колонны Т по трубопроводу 5 выводят вторую обогащенную азотом фракцию, подвергают ее расширению с охлаждением в клапане «b» и объединяют с первой обогащенной азотом фракцией 3 с образованием потока 8. Этот поток разогревается в теплообменнике Е охлаждаемой вводимой фракцией 1, и затем по трубопроводу 9, например, предпочтительно после выжигания метана, его выпускают в атмосферу.
Из головной части ректификационной колонны Т по трубопроводу 6 выводят обогащенную азотом и гелием фракцию 6. Содержание в ней метана, кислорода и водорода находится в диапазоне промилле, тогда как она включает гелий соответственно содержанию во вводимой фракции 1. Фракция 6 также разогревается в теплообменнике Е охлаждаемой вводимой фракцией 1, и по трубопроводу 7 ее направляют на дальнейшее использование, например на не показанное на фигуре дополнительное обогащение и сжижение гелия.
Соответствующий изобретению способ отделения микрокомпонентов от фракции, содержащей по меньшей мере азот и гелий, сравнительно с известным прототипом представляет собой более эффективный способ отделения и очистки и, кроме того, экономит энергию и затраты. Количество противоточной среды или, соответственно, дополнительного жидкого азота в качестве флегмы 10 для ректификационной колонны Т может быть отрегулировано соответственно конкретным эксплуатационным условиям, благодаря чему производственные затраты на соответствующую изобретению ректификационную колонну не превышают достигнутой, по сравнению с одним простым сепаратором, значительной экономии производственных расходов. Теперь же могут быть упрощены или вообще исключены необходимые до сих пор дорогостоящие процессы дополнительной очистки.
При вышеописанном исполнении способа вышеуказанные компоненты метан и кислород отделяются с азотом в качестве кубового продукта ректификационной колонны Т. Поскольку получаемая(-мые) из головного продукта ректификационной колонны Т обогащенная(-ные) азотом фракция(-ции) сжижается(-ются) и, например, должна(-ны) использоваться в ходе дальнейшего процесса в качестве хладагента, нужно учитывать то, что ввиду концентрирования метана и/или кислорода может возникать взрывоопасная и горючая газовая смесь.
Эти нежелательные микрокомпоненты теперь могут быть удалены с помощью предусмотренной согласно изобретению ректификационной колонны на сравнительно ранней стадии из собственно процесса очистки потока обогащенного гелием продукта, выводимого из головной части ректификационной колонны. Это имеет результатом то, что в дальнейшем процессе обработки этого потока продукта их больше не нужно принимать во внимание, как это имеет место в описанных в прототипе способах разделения и, соответственно, очистки.