11.2.4. Криогенный способ получения гелия
Криогенный способ получения гелия является наиболее широко распространенным способом и основан на последовательной конденсации компонентов природного газа при понижении температуры. На криогенных установках получают гелий-сырец или гелиевый концентрат с содержанием гелия 50 – 85 % об., который затем для получения высокочистого гелия (до 99,995 % об.) подвергают химической, адсорбционной или каталитической очистке.
Существует два варианта технологических схем криогенных установок, приведенных на рис. 11.1 и 11.2.
По варианту 1 (рис. 11.1) природный газ под давлением 2,0 МПа охлаждается в рекуперативных теплообменниках до – 28 0С и аммиаком до – 45 0С, затем дросселируется до 1,2 МПа и поступает в колонну. В ней от газа отделяется в основном метан с примесью азота V, а сверху уходит газ с содержанием гелия около 3 % об. Этот газ еще раз конденсируется (кипящим при 0,4 МПа азотом) во второй колонне, сверху которой уходит гелиевый концентрат III, содержащий до 80 – 90 % гелия. Верх первой колонны охлаждается ее же кубовой жидкостью, дросселированной до давления 0,15 МПа.
По варианту II (рис. 11.2) очищенный и осушенный газ I под давлением 3,2 МПа охлаждается вначале пропаном, затем в двух рекуперативных теплообменниках (с промежуточной сепарацией) до – 104 0С и после дросселирования с температурой – 153 0С подается в колонну. Снизу этой колонны отводится в основном метан. Верх колонны охлаждается за счет рекуперации холода, отчего в ней поддерживается температура – 191 0С, при которой сверху отводится смесь гелия и азота. Эта смесь затем доохлаждается в двух рекуперативных теплообменниках и в двух сепараторах разделяется на концентрат гелия (85 %) и концентрат азота (99,5 %). Последний, расширяясь в турбодетандере 5, охлаждает верх колонны и отводится как продукт. По такому варианту извлекается около 85 – 96 % гелия от его исходного содержания в газе (по варианту I степень извлечения ниже и не превышает 85 %).
Полученный на криогенных установках гелиевый концентрат подвергают глубокой очистке с использованием еще более глубокого охлаждения. Очистка направлена на удаление из концентрата примесей водорода, азота, метана и др. и обычно состоит из четырех стадий:
- очистка концентрата от примесей водорода его окислением на специальном катализаторе, содержащим оксид меди;
- глубокая осушка от влаги, образовавшейся при окислении водорода, адсорбцией на молекулярных ситах-цеолитах или оксиде алюминия;
- сжатие концентрата до 15 – 20 МПа и охлаждение до минус 207 0С с последующим его дросселированием и сепарацией в одну или две ступени для удаления остатков азота. Концентрат после этой стадии содержит гелий в количестве 99,5 % об.;
- адсорбционная доочистка концентрата на активированных углях, охлаждаемых жидким азотом. После этой стадии получают товарный гелий концентрацией 99,98 % об.
Товарный гелий хранят в сжатом или сжиженном виде. Сжатый гелий находится в газовых баллонах под давлением до 15 МПа.
Для перевода товарного гелия в жидкое состояние его сначала охлаждают жидким азотом, затем направляют последовательно в турбодетандер и парожидкостной турбодетандер (или дросселируют). В результате этих процессов гелий частично переходит в жидкую фазу, которую дочищают в адсорберах, размещенных в агрегатах охлаждения, от примесей воздуха и неона.
Полученный жидкий гелий заливают в сосуды Дьюара различной вместимости, а большие количества (до 120 м3) – в криогенные хранилища.
Г Л А В А 12