Лекция 7.4 Лектор – к.т.н., доцент кафедры ХТТ Юрьев Е.М. Получение гелия из природного газа Газохимия

Литература 1.Лапидус, Альберт Львович. Газохимия : учебное пособие / А. Л. Лапидус, И. А. Голубева, Ф. Г. Жагфаров. М. : Центр ЛитНефте Газ, с. 2. Технология переработки природного газа и конденсата: Справочник в 2 ч. / Под ред. В. И. Мурина и др. М.: Недра, Ч с.

Разделение углеводородных газовых смесей -Низкотемпературная сепарация (НТС) - наиболее технологически простой – позволяет разделить на фракции С 1 -С 4, С 5+ ; -Процессы для разделения на фракции С 1, С 2+ (компрессионный; масляная абсорбция, в т.ч. низкотемпературная; низкотемпературная конденсация, и ректификация; адсорбция, в т.ч. низкотемпературная). Название Формулаt пл, °Сt кип, °С Относительная плотность жидкости при 20 °С МетанCH4-182,5-161,50,416 (t кип ) ЭтанC2H6C2H6 -183,3-88,60,546 (t кип ) ПропанC3H8C3H8 -187,7-42,10,585 (t кип ) н-БутанC 4 H ,3-0,50,6 (t кип ) н-ПентанC 5 H ,736,070,6262 н-ГексанC 6 H ,368,70,6594 н-ГептанC 7 H ,698,40,638 н-ОктанC 8 H ,8125,70,7025 н-НонанC 9 H ,5150,80,7176 н-ДеканC 10 H ,7174,10,73 Фреон R-11CFCl ,4523,651,4905 Фреон R-12CF 2 Cl ,95-29,745,11 (t кип ) АммиакNH 3 -77,73-33,346,814 (t кип )

Умеренное охлаждение А В С D Цикл хладагента R 134a (F 2 НC-CHF2, тетрафторэтан)

Умеренное охлаждение Пары циркулирующего хладагента направляются на прием компрессора К и сжимаются в нем до рабочего давления. Сжатые пары хладагента поступают в холодильник-конденсатор ХК, где при охлаждении водой или воздухом конденсируются и поступают для охлаждения в холодильник X. Переохлажденный жидкий хладагент затем дросселируется в Д, в результате чего его температура понижается. После дросселя Д хладагент направляется в испарители, где происходит его испарение за счет подвода тепла охлаждаемым потоком. Парокомпрессионная холодильная машина

Умеренное охлаждение Верхняя температура цикла - зависит от температуры охлаждаемой воды, и колеблется от 0 до 30 о С. Нижняя температура цикла - в зависимости от назначения холодильной установки. Выбор хладагента (этан, этилен, пропан, аммиак и т.д.) зависит от необходимого интервала температур в работе холодильной установки, т.е. от требуемого нижнего температурного предела (min – (-120) о С - этилен). Желательно, чтобы ДНП хладагента при нижней температуре цикла было близко к атмосферному (min затрат на сжатие). Например, аммиак: - до (-34) о С не требует вакуума на холодильных установках; - имеет более высокую холодопроизводительность на 1 кг хладагента; - токсичность и коррозионная активность.

Холодильные циклы Виды холодильных циклов: внутренние холодильные циклы; внешние холодильные циклы; каскадные холодильные циклы; комбинированные холодильные циклы. + хладагент испаряется/подогревается. Холодильные установки: -парокомпрессионные холодильные машины, в которых сжатие хладагента осуществляется поршневым, турбинным или винтовым компрессором и сжатый газ подвергается конденсации; -абсорбционные холодильные машины, в которых хладагент сжимается термокомпрессором и подвергается сжижению. Физические основы парокомпрессионного цикла - сочетание: -джоуль-томсоновского эффекта дросселирования газа; -Изоэнтальпийного/изоэнтропийного расширения газа; -Испарения хладагента; Дросселирование – процесс снижения давления газа или жидкости при прохождении через суженное отверстие (клапан, вентиль) и отсутствии теплообмена с окружающей средой.

Способы получения холода Требуется температура ниже Т окр.ср. – требуется холодильный цикл: с внешним холодильным циклом - применяются специальные вещества - хладагенты, совершающие круговой процесс в холодильном цикле; однокомпонентные хладагенты (пропан, этан, этилен, аммиак и т.д.), многокомпонентные, смешанные (например, смесь легких углеводородов); для глубокого охлаждения используют каскадные холодильные циклы - использование соединенных последовательно нескольких холодильных циклов с различными хладагентами, отличающимися по температурам кипения; с внутренним холодильным циклом, когда используется непосредственное охлаждение технологических потоков путем их дроссельного (изоэнтальпийного) или детандерного (изоэнтропийного) расширения; с комбинированным холодильным циклом, например с использованием внешнего хладагента на начальном этапе с последующим дросселированием или детандированием потока.

Производство гелия из ПГ Процесс производства состоит из 2 стадий: -Получение He-концентрата (80-95 % He); -Очистка концентрата от примесей (N 2, O 2, H 2, Ar, Ne). В настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % гелия В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0,15-1 % об.), что позволит намного снизить его себестоимость.

Получение гелиевого концентрата Криогенный способ основан на охлаждении газа до температуры конденсации азота, при которой конденсируется и метан, а гелий остается в газовой фазе в виде концентрата. Криогенные методы, несмотря на высокие эксплуатационные затраты, весьма эффективны, так как позволяют на различных стадиях выделения гелия из природного газа попутно получать ценные товарные продукты - этан, метановую фракцию и ШФЛУ.

Производство гелия из ПГ В основе лежит фракционированная конденсация сопутствующих компонентов при глубоком охлаждении. He растворяется в сжижающихся УВ, растворимость возрастает с ростом p – на каждой стадии отделения Жидк. УВ требуется отпарка He. Используются аппараты: -прямоточной конденсации: – высокое давление/отпарные колонны, низкое давление/сепарация; - Большая производительность (1 ступень разделения). -противоточной конденсации – отделение происходит во время контакта фаз; -Низкая скорость газов – низкая мощность единичного аппарата (заключительные ступени разделения); Веществоt кипения, °СВеществоt кипения, °С этан-88,6 метан-161,5 аргон-189,2 неон-246,06 гелий-268,9 азот-195,82 криптон-153,4 водород-252,77

Получение гелиевого концентрата Принципиальная схема получения гелиевого концентрата: 1-сепараторы; 2-колонны; 3-холодильник; 4-рекуперативные теплообменники; 5 - турбодетандер; 6- компрессор. I -природный газ; II - жидкие углеводороды; III - гелиевый концентрат; IV - концентрат азота; V- сухой газ (метан-азотная смесь) Осушенный газ (3,2 МПа) -104 °С -153 °С -191 °С концентрат гелия (85%) концентрат азота (99,5%) Степень извлечения гелия – ок % Конденсационно-отпарной метод -40 °С -200 °С, 0,4 МПа концентрат метана (70 %) Метановый ХЦ

Производство гелия из ПГ Степень отпарки гелия определяется температурой, давлением, составом и количеством подаваемого газа, количеством массообменных устройств – чем ниже давление и выше температура питания, тем меньше размеры колонны (константа равновесия процесса кипения He выше). Как правило, в промышленности давление не превышает 4 МПа, количество отпаренного газа %. Способы получения холода: Начальные стадии – дросселирование газа, иногда пропановый или аммиачный холодильные циклы. Конечные стадии – цикл на основе метанового концентрата, азотный холодильный цикл (-194 °С)

Производство гелия из ПГ После аппарата 6 – только He-N 2 -смесь (80 % He). Степень отпарки гелия определяется температурой, давлением, составом и количеством подаваемого газа, количеством массообменных устройств – чем ниже давление и выше температура питания, тем меньше размеры колонны (константа равновесия процесса кипения He выше). Как правило, в промышленности давление не превышает 4 МПа, количество отпаренного газа %. Способ получения холода: Начальные стадии – дросселирование газа, иногда пропановый или аммиачный холодильные циклы. Конечные стадии – цикл на основе метанового концентрата, азотный холодильный цикл (-194 °С)

Производство гелия из ПГ Сырьевой газ – 2 % гелия. Температура на входе 2 – (-50 град.С), давление 3,2 МПа; Давление газа на входе в 1 на 2-ую ступень охлаждения – 2,8 МПа, температура на выходе – (-197 град.С). Давление в 3 – 1,6 МПа, состав газа: гелий – 35 %, азот -54 %, УВ – 11 %. Состав газа из дефлегматора 4: гелий- 79 %, азот - 20,8 %; температура газа – (-185 град. С). Выход продуктового He-концентрата: 0,4- 1,2 МПа.

Производство гелия из ПГ Концентрация He в концентрате – % (Газпром-Оренбург)

Очистка He-концентрата Глубокую очистку гелиевого концентрата (удаление из концентрата примесей водорода, азота, метана) ведут с использованием более глубокого охлаждения: От водорода – окисление в аппаратах периодического действия составом «CuO- FeO-каолин» или окисление кислородом на Pt- или Pd-катализаторе; температура – °С; От воды, полученной при очистке от водорода – охлаждение, сепарация, адсорбция воды на цеолитах; От азота – сжатие до МПа и охлаждение до (-207-(-200)°С) гелиевого концентрата с последующим дросселированием его и сепарацией фаз в 1-2 ступени (газовая фаза после такой сепарации содержит 99,5 % об. гелия); От остаточного азота и примесей инертных газов – в адсорберах с активированным углем, охлаждаемым жидким азотом при температуре 80 К, и получение гелия концентрацией 99,98 % об.; Основные особенности данных комплексных технологий очистки: - высокие перепады температуре на установке от аппарата к аппарату; - появление дополнительных примесей, требующих удаление – вода, иногда оксиды углерода.