Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей

Глава пятая. Извлечение гелия, водорода и дейтерия

5-1. Извлечение гелия из природного газа

Природный газ, состоящий в основном из метана СН₄, обычно содержит некоторое количество H2O, углеводородов от С₂ до С₅ (суммарное содержание до 10%), углекислый газ СO₂ (доли процента), азот (обычно несколько процентов, но может доходить до 30-40%) и в некоторых случаях Не. Поэтому он может служить не только топливом, но и сырьем дня получения гелия и углеводородов от С₂ до С₅. Азот и углекислый газ извлекается из воздуха и дымовых газов, соответственно, и поэтому рассматриваются в природном газе как вредные примеси (особенно азот, который при большом содержании снижает теплотворную способность и должен быть удален).

Наиболее ценный компонент природного газа - гелий содержится обычно в небольшом количестве и редко превышает процент в отечественных месторождениях (только в некоторых месторождениях США и Канады содержание Не доходит до 12%). Однако даже самые бедные гелиеносные газы содержат по сравнению с воздухом больше гелия на несколько порядков, и его извлечение рентабельно при концентрациях от 0,1% и выше.

Выделение гелия и водорода из газовых смесей облегчается тем обстоятельством, что их критические температуры также, как и нормальные температуры кипения существенно ниже, чем у всех других компонентов смеси. Это позволяет удалять большую часть примесей посредством прямоточной конденсации без использования более сложной ректификации. Конденсация обычно проводится в несколько ступеней, чтобы сначала удалить высококипящие компоненты.

Установки выделения Hе из природного газа обычно состоят из трех основных последовательно соединенных блоков. (Схема на рис.5-1).

Рис. 5-1.

1. Предварительная очистка природного газа от СО₂ и H₂O (БПО).
2. Основная очистка Не (удаление углеводородов и частично азота, БОО).
3. Окончательная (тонкая) очистка Не (БТО).

Схема каждого блока монет меняться в зависимости от состава исходного газа или формы сочетания с другими процессами (например, ожижение природного газа), но принципы их работы остаются неизменными. Схема БПО показана на рис.5-2.

Рис. 5-2.

Газ из магистрали при давлении ~16 атм поступает в скрубберы 1, где подвергается промывке раствором моноэтаноламина (Н₂СН₂СН₂ОН ). При температурах, не превышающих 40°С, он поглощает СО₂ из газа после регенерации при 115-120°С, при которой двуокись углерода выделяется, и охлаждения снова подается в скрубберы [11]. Удаление паров воды из природного газа производится посредством адсорбционной осушки в баллонах 2. После этого газ сжимается в компрессорах до 30 атм и подается в БОО, схема которого приведена на рис.5-3.

Здесь в теплообменнике 1 происходит охлаждение природного газа с концентрацией углеводородных примесей на двух уровнях: сначала в основном тяжелых углеводородов С2-С5 (сепаратор 2) и затем более легких - С1, С2 (сепаратор 3). Ожиженные углеводороды отводятся либо непосредственно как продукты, либо после подогрева в теплообменнике 1 направляются обратно а газовую магистраль. Окончательная отмывка газа от углеводородов (в основном метана) производится в колонне 4. В конденсатор колонны подается извне жидкий азот.

Рис. 5-3.

Выходящий из колонны газ содержит, кроме гелия (90-95% Не), азот и небольшое количество водорода. Их удаление производится в БТО. Первая стадия тонкой очистки производится в блоке каталитической очистки (БКО) на катализаторе, посредством которого гелий очищается от водорода. Для этого в БКО подается воздух, кислород воздуха соединяется с водородом. После этого газ сжижается компрессором до 190-200 атм и подается в адсорбционный блок осушки, где очищается от Н₂0 (рис. 5-1).

Таким образом, после выхода из блока осушки сырой гелий содержит только примесь азота (схема части ВТО, предназначенной для удаления азота, показана на рис. 5-4).

Рис. 5-4.

Гелий, загрязненный азотом, предварительно охлажденный в теплообменнике 1 поступает в ванну 2 с жидким азотом. Поскольку общее давление смеси велико, основная часть азота конденсируется и отделяется в сепараторе 3. Следующая стадия очистки производится также конденсацией, но при более низкой температуре (азот в ванне 4 кипит при давлении 0,2 атм).

Жидкий азот в сепараторах 3 и 5 содержит некоторое количество растворенного гелия. Чтобы не терять этот газ, жидкость дросселируется до 30 атм; при этом гелий выделяется из раствора и из сепараторов 6 и 7 через теплообменник подается во всасывающую линию компрессора высокого давления. Окончательно азот удаляется в двух поочередно работающих адсорберах 8 при низкой температуре; суммарное содержание примесей после этого снижается до долей процента. Потребителя гелий отпускается либо в виде сжатого газа в баллонах, либо в виде жидкости в сосудах Дьюара, танках или цистернах. В последнем случае в схему процесса включается ожижение гелия [1].

В последнее время ведутся роботы по предварительному концентрированию гелия диффузионными методами, в частности, пропусканием через полимерные пленки или тонкое кварцевое стекло. Таким путем удается предварительно довести концентрацию Не до 80% [5, 15].

Следующая страница: 5.2. Извлечение водорода из промышленных газов