Выделение гелия из природного газа

11.1. Области применения и основные физико-химические свойства гелия

Гелий – инертный газ, имеющий молекулярную массу 4,0026 и температуру кипения при атмосферном давлении минус 268,9 ⁰С. Гелий не имеет запаха, вкуса, нетоксичен, негорюч, легок (плотность при нормальных условиях составляет 0,1786 кг/м³), обладает очень высокой теплопроводностью.

Необычные свойства гелия обусловили его широкое применение в различных отраслях науки и техники. Он находит применение в экспериментальной физике, хроматографии, космической и ракетной технике, технологии получения и сварки редких металлов, ядерной энергетике, медицине, при подводных и кессонных работах для приготовления искусственных дыхательных смесей и др. Учитывая большую ценность гелия для научных исследований и оборонной промышленности, в ряде развитых стран созданы его стратегические запасы.

Практически весь потребляемый в мире гелий добывают из природного газа. Мировые запасы гелия оцениваются сейчас в 56 – 60 млрд. м³. Объемное содержание гелия в природных газах колеблется от сотых долей процента до 3,0 %. Содержание гелия в природном газе на уровне 0,03 – 0,04 % уже считается промышленным.

На рентабельность производства гелия оказывают влияние его концентрация в исходном природном газе и комплексность переработки последнего, так как одновременное извлечение из газа сероводорода, диоксида углерода, азота, этана, пропана, бутанов и его сжижение делают производство гелия высокоэффективным.

11.2. Основы технологии производства гелия

Производство гелия из природного газа осуществляют четырьмя способами:

- абсорбцией фторсодержащими соединениями;

- гидратообразованием;

- мембранной технологией;

- криогенными методами.

11.2. 1. Получение гелия абсорбцией фторсодержащими соединениями

Абсорбционный процесс получения гелия основан на высокой поглотительной способности фторсодержащих соединений (CCl₃F, CCl₂F₂ и др.) по отношению к компонентам природного газа, кроме самого гелия. Так, например, метан в этих соединениях в 10 – 20 раз более растворим, чем гелий. С понижением температуры абсорбции до минус 20 – 30 ⁰С растворимость всех компонентов газа возрастает, причем для гелия эта растворимость увеличивается значительно меньше, чем для других компонентов. Таким образом, из абсорбера на установке получения гелия выходит гелий достаточно высокой концентрации.

11.2.2. Получение гелия гидратообразованием

Получение гелия гидратообразованием основано на его неспособности образовывать при пониженных температурах и повышенных давлениях кристаллогидраты, в то время как другие компоненты газа (легкие углеводороды, диоксид углерода, сероводород, азот) кристаллогидраты образуют. Однако существенным недостатком этого процесса является большая потребность в воде, так как соотношение поступающих в контактор воды и природного газа по массе должно быть в пределах от 20:1 до 100:1.

11.2.3. Получение гелия мембранной технологией

Мембранный метод выделения гелия из природного газа рассматривается как один из альтернативных и перспективных способов получения гелия. Метод основан на высокой проникающей способности гелия через мембраны и капилляры, при этом такая технология обладает низкой энергоемкостью по сравнению с другими методами.

Материалом, из которого изготовляют капилляры, может являться кварцевое стекло, которое хорошо пропускает гелий и плохо – другие компоненты природного газа. При определенных условиях в таких капиллярах могут собираться значительные количества гелия. Для этой цели смесь должна контактировать с большой поверхностью и стекло должно быть очень тонким. Кроме того, необходимо поддерживать большую разницу давлений снаружи и внутри капилляров. Наиболее удачная конфигурация для создания таких условий – расположение пучка стеклянных капилляров таким образом, чтобы газовая смесь под большим давлением омывала капилляры, в которых собирается гелий. Для проведения процесса пучок запаянных с одной стороны капилляров помещается внутрь трубы, через которую пропускают газ или гелий-сырец. Открытыми концами капилляры подходят к общему коллектору, в который вытесняется гелий.

В качестве материалов, из которых изготавливают мембраны, могут также использоваться ацетатцеллюлоза и различные полимерные соединения. Мембраны для извлечения гелия должны обладать высокой проницаемостью для гелия, быть химически и физически стабильными, не иметь дефектов в виде микропор, выдерживать сравнительно низкие температуры и высокие перепады давления между перерабатываемым природным газом и полученным концентратом гелия. Процесс проводят при температурах от минус 5 до плюс 25 ⁰С, перепад давления на мембране достигает 2,5 – 3,5 МПа и выше, содержание гелия в получаемом концентрате составляет 80 – 90 % об. Мембранный метод достаточно эффективен при небольших количествах перерабатываемого сырья.

В настоящее время научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по мембранной технологии получения гелия весьма интенсивно продолжаются.