Извлечение гелия из природного газа - RU2730344C1

Чертежи

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[001] Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для извлечения гелия, интегрированным с дальнейшей очисткой гелия. В частности, изобретение относится к отделению гелия от потока природного газа, содержащего метан, азот и гелий, с применением мембран и криогенной дистилляции.

[002] Гелий присутствует во многих месторождениях природного газа по всему миру, но растет интерес к эффективному извлечению гелия из месторождений природного газа с низкими концентрациями гелия, например, ниже чем 2000 млн^-1 об. Все процентные значения, если противоположное прямо не указано в тексте, приведены на мольной основе. Извлечение гелия из природного газа при таких низких уровнях долгое время считалось неэкономичным. Обычно происходит извлечение гелия из природного газа в качестве побочного продукта производства сжиженного природного газа (LNG) или выброса азота. В обоих случаях метан конденсируется, и более легкий гелий легко выделяется в виде газа. Настоящее изобретение относится к случаю, когда поток природного газа не требует сжижения или удаления азота. В этом случае газ все еще может содержать значительное количество азота, но этого недостаточно, чтобы помешать использованию природного газа в трубопроводе или газовой турбине.

[003] Известно извлечение гелия из природного газа с применением криогенной дистилляции. Oeflke (US 2014/0137599) описывает криогенный цикл для извлечения гелия, который на Фигуре 4 иллюстрирует криогенную колонну для извлечения гелия с последующим дальнейшим охлаждением и концентрацией гелия в испарительной емкости. Охлаждение обеспечивается за счет расширения кубового остатка первой экстракционной колонны. Температура, которой может достичь данный хладагент, ограничена мольной долей метана в кубовой жидкости: чем выше содержание метана, тем выше температура.

[004] Кроме того, известна интеграция мембраны в способ экстракции гелия. Voss (WO 2017/020919) описывает гибридный цикл мембраны-адсорбции для экстракции гелия, в котором две стадии мембранной экстракции питают адсорбционную систему. Пермеат с первой ступени мембран обычно необходимо сжимать до высокого давления для подачи на вторую ступень мембран, что обычно приводит к высокому общему потреблению мощности. Кроме того, при больших скоростях расхода сырья для адсорбционной системы обычно требуется несколько линий.

[005] Kulkarni (US 8911535) описывает интеграцию мембраны с дистилляцией при температурах ниже температуры окружающей среды для отделения диоксида углерода. Мембрана концентрирует CO₂ до такой степени, что он может частично конденсироваться в теплообменнике. На Фигуре 6 показано, что обедненный CO₂ головной погон может быть отправлен в модуль извлечения гелия, описанный как вторая дистилляционная колонна, перед рециркуляцией в поток, подаваемый на мембрану.

[006] Обычно, способ экстракции гелия дает поток неочищенного гелия, содержащий 5-50% гелия. Указанный поток неочищенного гелия затем направляют в очиститель гелия, используя комбинацию стадий частичной конденсации и/или адсорбции, чтобы получить поток чистого гелия, содержащий более 99% гелия. Schmidt (US 2009/0013718) описывает интеграцию экстракции гелия с использованием флэш-емкости с очисткой гелия методом адсорбции при переменном давлении (PSA). Остаточный газ из PSA направляют в специальный компрессор, чтобы его можно было смешать с потоком, подаваемым в теплообменник, для извлечения гелия из остаточного газа PSA.

[007] При больших скоростях сырьевого потока, технология криогенной дистилляции требует нескольких параллельных линий, что уменьшает преимущество с точки зрения капитальных затрат, поскольку оборудование для дистилляции обычно имеет большие размеры по сравнению с мембранами. Кроме того, для низких концентраций гелия в исходных материалах разделение гелия в дистилляционной колонне является сложной задачей из-за очень высокого соотношения расхода жидкости и пара. Существует необходимость в повышении содержания гелия в сырьевом потоке, чтобы уменьшить оба недостатка: снизить расход в дистилляционной колонне в достаточной степени, чтобы потребовалась только одна линия, и увеличить соотношение расхода пара к жидкости в колонне вследствие обогащения гелием.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[008] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы извлекать и очищать гелий из сырьевого природного газа, содержащего метан, азот и гелий, при этом, максимизируя извлечение гелия и минимизируя общее энергопотребление.

[009] Настоящее изобретение представляет собой способ извлечения гелия из потока природного газа. Гелий сначала концентрируют примерно на порядок с применением мембранной системы. Обогащенный гелием пермеат сжимают, и после удаления загрязнений, таких как диоксид углерода и вода, поток частично конденсируют и подают в первую дистилляционную колонну. Головной поток указанной первой дистилляционной колонны снова частично конденсируют и подают во вторую дистилляционную колонну при более низкой температуре для генерирования неочищенного гелиевого пара. Более низкая температура достигается за счет понижения давления кубовой жидкости из второй дистилляционной колонны. Неочищенный гелиевый пар очищают с помощью адсорбции при переменном давлении, и очищенный гелий может быть продан в газообразном или сжиженном виде.

[0010] Преимущество способа в соответствии с изобретением заключается в значительно уменьшенном размере секции криогенной дистилляции по сравнению с подходом, при котором все сырье направляют в дистилляционную колонну. Применение типичной полимерной мембраны позволяет снизить расход потока в дистилляционной колонне примерно на порядок, что приводит к значительной экономии капиталовложений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0011] Настоящее изобретение будет далее описано со ссылкой на прилагаемую фигуру:

[0012] ФИГ. 1 представляет собой схему технологического процесса, иллюстрирующую процесс экстракции гелия в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Последующее подробное описание иллюстрирует только предпочтительные типичные варианты реализации изобретения и не предназначено для ограничения объема, области применения или конфигурации изобретения. Скорее, последующее подробное описание предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения предоставит специалистам в данной области техники описание, позволяющее реализовать предпочтительные типичные варианты реализации изобретения. Различные модификации могут быть внесены в функцию и расположение элементов без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определяются прилагаемой формулой изобретения.

[0014] Как используется в данном документе, формы единственного числа существительных означают один или большее количество применительно к любому признаку в вариантах реализации настоящего изобретения, описанных в описании и формуле изобретения. Использование форм единственного числа не ограничивает значение одним признаком, если в тексте прямо не указано такое ограничение. Определенный артикль, предшествующий существительным или выражениям с существительными в единственном или множественном числе, обозначает конкретный указанный признак или конкретные указанные признаки и может обозначать единственное или множественное число в зависимости от контекста, в котором он используется.

[0015] Как используется в данном документе, выражение «и/или», помещенное между первым объектом и вторым объектом, включает в себя любое из значений (1) только первого объекта, (2) только второго объекта и (3) первого объекта и второго объекта. Термин «и/или», помещенный между двумя последними объектами списка из 3 или большего количества объектов, обозначает по меньшей мере один из объектов в указанном списке, включая любую конкретную комбинацию объектов в этом списке. Например, «A, B и/или C» имеет то же значение, что и «A и/или B и/или C», и включает в себя следующие комбинации A, B и C: (1) только A, (2) только B, (3) только C, (4) A и B, но не C, (5) A и C, но не B, (6) B и C, но не A и (7) A и B и C.

[0016] Термин «несколько (множество)» означает «два или более двух».

[0017] Прилагательное «любой» означает один, несколько или все, независимо от количества.

[0018] Фраза «по меньшей мере часть» означает «часть или полностью». «По меньшей мере часть потока» имеет тот же состав, с той же концентрацией каждого из видов молекул, что и поток, из которого она получена

[0019] Как используется в данном документе, «первый», «второй», «третий», и т. д. используются для различения из множества стадий и/или признаков и не являются показателем общего количества или относительного положения во времени и/или пространстве, если это прямо не указано в тексте как таковое.

[0020] Все значения состава будут указаны в мольных процентах.

[0021] Термины «обедненный» или «бедный» означают, что концентрация указанного компонента в молярном процентном соотношении меньше, чем в исходном потоке, из которого он был получен. «Обедненный» и «бедный» не означает, что в потоке полностью отсутствует указанный компонент.

[0022] Термины «обогащенный» или «богатый» означают, что концентрация указанного компонента в мольных процентах выше, чем в исходном потоке, из которого он был получен.

[0023] Термины «на выходе (даунстрим)» и «перед входом (апстрим)» относятся к предполагаемому направлению потока перемещаемой технологической жидкости. Если предполагается направление потока технологической жидкости от первого устройства ко второму устройству, то второе устройство находится на выходе (даунстрим) относительно первого устройства. В случае рециркуляционного потока, на выходе (даунстрим) и перед входом (апстрим) относятся к первому проходу технологической жидкости.

[0024] Термин «детандер плотной текучей среды», сокращенно DFE, также известный как детандер жидкости, относится к оборудованию, которое извлекает механическую работу из понижения давления плотной текучей среды, такой как жидкость или сверхкритическая текучая среда, по своей функции аналогичному детандеру газов. Такое расширение лучше всего аппроксимируется как изоэнтропийный процесс, в отличие от клапана, который лучше всего аппроксимируется как изоэнтальпический процесс.

[0025] Термин «мембранная система разделения» относится к одной или большему количеству мембранных ступеней, расположенных последовательно или параллельно. Каждая мембранная ступень может состоять из одного или большего количества мембранных модулей, каждый из которых содержит одну или большее количество мембран для разделения газов.

[0026] Термин «непрямой теплообмен» относится к процессу передачи ощутимого тепла и/или скрытой теплоты между двумя или большим количеством текучих сред без того, чтобы рассматриваемые текучие среды вступали в физический контакт друг с другом. Тепло может передаваться через стенку теплообменника или с применением промежуточного теплоносителя. Термин «горячий поток» относится к любому потоку, который выходит из теплообменника при более низкой температуре, чем он поступил в него. И наоборот, «холодный поток» представляет собой поток, который выходит из теплообменника при более высокой температуре, чем он поступил в него.

[0027] Термин «дистилляционная колонна» включает в себя фракционирующие колонны, ректификационные колонны и отпарные колонны. Дистилляционная колонна может относиться к одной колонне или множеству колонн, подключенных последовательно или параллельно, причем множество может представлять собой любую комбинацию вышеуказанных типов колонн. Каждая колонна может содержать одну или большее количество секций лотков и/или наполнителя.

[0028] Термин «повторное кипячение» относится к частичному испарению жидкости, присутствующей в дистилляционной колонне, обычно путем непрямого теплообмена с более теплым технологическим потоком. В результате образуется пар, который облегчает массоперенос внутри дистилляционной колонны. Жидкость может возникать в кубовом остатке или на промежуточной ступени колонны. Тепловая нагрузка для повторного кипячения может передаваться в дистилляционную колонну при помощи ребойлера in situ или извне в теплообменнике, предназначенном для этой цели, или части большей системы теплообменника. Кроме того, разделение пара и жидкости может происходить внутри дистилляционной колонны или внутри внешней испарительной емкости.

[0029] Термин «каталитическое окисление» относится к процессу, при помощи которого водород и/или метан удаляются из гелийсодержащего потока. Из-за сходства свойств водорода и гелия, общий способ удаления водорода заключается во введении его в химическую реакцию с кислородом над катализатором, таким как никель, платина или палладий. Кислород может подаваться с воздухом или потоком, обогащенным кислородом. После каталитического окисления продукты окисления, прежде всего вода и непрореагировавший кислород и/или азот, удаляются, как правило, путем адсорбции.

[0030] «Газовый мешок» относится к контейнеру для временного хранения гелийсодержащих потоков, таких как отпарной газ, образующийся при заполнении гелием комнатной температуры сосудов Дьюара с жидким гелием. После заполнения содержимое газового мешка опорожняют в процесс очистки гелия для извлечения ценных атомов гелия. Обычно это гибкий материал большого размера с низкой проницаемостью для гелия.

[0031] Настоящее устройство и способ описаны со ссылкой на Фигуру 1. В данном документе единая ссылочная позиция может применяться для идентификации потока технологического газа и линии передачи технологического газа, которая несет указанный поток технологического газа. К какому признаку относится ссылочная позиция, будет понятно из контекста.

[0032] В целях простоты и ясности подробные описания хорошо известных устройств, схем и способов опущены, чтобы не затуманивать описание настоящего изобретения ненужными подробностями.

[0033] Сырьевой природный газ, описанный в настоящем изобретении, относится к газу, содержащему углеводороды, обычно происходящие из-под земли в геологической формации. Природный газ обычно добывают при давлении в диапазоне от около 1 до около 200 бар. Все указанные значения давления представляют собой абсолютное, а не манометрическое давление. Давление природного газа предпочтительно составляет от около 10 до около 100 бар.

[0034] Содержание метана в природном газе обычно составляет от около 50% до около 99%. Все указанные процентные доли состава приведены в объемном или молярном соотношении, а не в пересчете на массу.

[0035] Содержание азота в природном газе обычно составляет от около 1% до около 50% или от около 10% до около 35%.

[0036] Содержание гелия в природном газе обычно составляет от около 0,01 до около 10%. Некоторые варианты реализации настоящего изобретения направлены на извлечение гелия из природного газа, содержащего от около 0,05% до около 1,0% или от около 0,05% до около 0,2% гелия.

[0037] Сырьевой природный газ 1, содержащий метан, азот и гелий, поступает в систему мембранного разделения 101, которая может включать одну или большее количество ступеней мембраны, подключенных последовательно или параллельно. Гелий преимущественно проникает сквозь мембрану по сравнению с более медленными веществами, такими как азот и метан. Благодаря небольшому размеру атома гелия, он обладает высокой диффузионной способностью и, следовательно, ожидается, что его скорость проникновения будет выше, чем для азота и метана, в случае подавляющего большинства мембранных материалов.

[0038] Sanders с соавт. (Polymer; vol. 54; pp. 4729-4761; 2013) предоставляют удобную сводку современной мембранной технологии. Они описывают физические параметры и рабочие характеристики полимерных мембран, включая полисульфоны, ацетат целлюлозы, арамиды, полиимиды и поликарбонаты. По сути, все существующие в настоящее время промышленно используемые способы разделения газов осуществляются при помощи полимеров, таких как перечисленные выше, или каучукоподобных материалов, таких как силикон. Другие мембранные материалы, такие как мембраны со смешанной матрицей, перфторполимеры, термически перегруппированные полимеры, облегченные транспортные мембраны, металлоорганические каркасы, цеолитно-имидазолатные каркасы и углеродные молекулярные сита, находятся на разных стадиях разработки. Мембранный материал, используемый в системе мембранного разделения 101 по настоящему изобретению, может быть любым из перечисленных выше или любым другим материалом, который имеет более высокую скорость проникновения для некоторых соединений, таких как гелий, и меньшую скорость проникновения для некоторых соединений, таких как метан.

[0039] Мембрана обычно формируется в виде волокон или спирально навитых плоских листов, оба из которых служат для обеспечения большой площади поверхности для относительно небольшого объема, и размещаются в модуле. Газ, поступающий в модуль, контактирует с мембраной, и часть газа проникает сквозь мембрану и покидает модуль в потоке пермеата более низкого давления. Будет происходить обогащение пермеата более быстрыми газами относительно более медленных газов. Часть газа, которая не проникает сквозь мембрану, покидает модуль в потоке непермеата или ретентата, который обогащен более медленными газами относительно более быстрых газов.

[0040] Сырьевой природный газ 1 может быть обработан перед подачей в систему мембранного разделения 101, если присутствуют какие-либо соединения, которые могут нарушить работу мембраны, например, тяжелые углеводороды (гексаны и более тяжелые алканы) и/или ароматические соединения, такие как бензол, толуол и ксилол (вместе известные как BTX). Предварительная обработка обычно выполняется методом адсорбции, абсорбции или частичной конденсации.

[0041] Обедненный гелием непермеатный поток 2 возвращают для образования основного объема готового природного газа, обедненного гелием, который может быть подан в трубопровод, сожжен для получения тепла или утилизирован иным образом. Обогащенный гелием поток пермеата 3 может быть смешан с обедненным гелием потоком отходов 4, возвращаемым обратно из последующего процесса очистки, с образованием потока 5, который подают в компрессор пермеата 102 для получения потока сжатого пермеата 6.

[0042] Поток сжатого пермеата 6 поступает в модуль удаления кислых газов 103, если это необходимо, для удаления таких газов, как CO₂, H₂S и COS, которые замерзали бы в криогенных установках на следующих стадиях способа. Кислые газы, удаленные в потоке 7, могут быть выброшены в атмосферу или, при необходимости, направлены на удаление серы. Существует несколько вариантов удаления кислых газов, включая адсорбцию при переменном давлении, короткоцикловую безнагревную вакуумную адсорбцию или физические растворители, которые в следующих примерах, представленных в настоящем документе, предполагаются как поглотитель амина, регенерируемый паром.

[0043] Обработанный поток 8 теперь содержит приемлемо низкий уровень кислых газов, обычно со спецификацией менее чем около 100 млн^-1 об. Если используется аминный поглотитель, то поток 8 будет насыщен водяным паром, который затвердевал бы в последующем процессе криогенной обработки. Поток 8, следовательно, будет подаваться в установку для обезвоживания 104, которая предпочтительно содержит поглотитель при переменной температурой (TSA) и защитный слой против ртути, содержащий активированный уголь, оба хорошо известные в данной области техники для удаления воды и ртути, соответственно. Вода и кислые газы в потоке 9 отработанного регенерирующего газа могут быть сброшены в атмосферу или возвращены в способ, в зависимости от источника регенерирующего газа, что будет более подробно обсуждаться далее. Устанавливаются такие спецификации для дегидратированного потока 10, чтобы предотвратить образование твердой фазы в криогенном способе; например, для воды спецификация часто составляет около 1 млн^-1 об. Если в сырьевом потоке присутствует парофазная ртуть, то для TSA требуется защитный слой против ртути, чтобы предотвратить агрессивное воздействие парофазной ртути на алюминий в даунстрим теплообменниках.

[0044] Дегидратированный поток 10 имеет достаточно низкую концентрацию любых соединений, которые потенциально могут замерзнуть в последующих процессах, что исключает риск образования твердой фазы, блокирующей поток. Таким образом, поток 10 может поступать в первый теплообменник 105 для охлаждения и по меньшей мере частичной конденсации. Теплообменник обычно представляет собой паяный алюминиевый пластинчатый теплообменник, обычный для криогенной промышленности, и он может быть выполнен в форме одного или большего количества теплообменников, последовательных или параллельных. Поток охлаждается в теплообменнике путем непрямого теплообмена с потоками, возвращающимися из секции криогенной дистилляции, по меньшей мере частично конденсируется и выходит из теплообменника в виде охлажденного потока пермеата 11. Если требуется понижение давления, оно представлено на Фигуре 1 как происходящее в клапане 106, но также может быть достигнуто при помощи детандера плотной текучей среды.

[0045] Первый поток 12, подаваемый в колонну, далее поступает в дистилляционную колонну 107, предпочтительно на верхней ступени. В первой дистилляционной колонне 107 от сырьевого потока колонны отделяется гелий, который покидает верхнюю часть колонны в виде обогащенного гелием пара 13, отводимого сверху колонны. Кроме того, в первой дистилляционной колонне 107 поток 13 обогащается азотом относительно метана, что улучшает разделение на последующих стадиях способа.

[0046] Ребойлер для первой дистилляционной колонны 107 представлен на Фигуре 1 как внешний ребойлер. В этой конфигурации поток жидкости 14 покидает нижнюю часть колонны и затем нагревается путем непрямого теплообмена с дегидратированным потоком 10 в первом теплообменнике 105. Далее частично испаренный поток 15 отделяется в первом ребойлерном сепараторе. Первая дистилляционная колонна 107, первый ребойлерный сепаратор и часть первого теплообменника 105, используемая для передачи тепла потоку 14, составляет систему первой дистилляционной колонны. Поток пара 16 возвращается в первую дистилляционную колонну, а первая обедненная гелием кубовая жидкость выходит из системы первой дистилляционной колонны в виде потока 17.

[0047] Существуют и другие возможные конфигурации ребойлера в системе первой дистилляционной колонны. Дополнительно, ребойлер может быть внутренним по отношению к колонне, или внешний ребойлер скорее может представлять собой отдельный теплообменник, чем быть интегрированным в многопоточный теплообменник с другими горячими и холодными потоками, что показано как 105 на Фигуре 1. Ребойлер обеспечивает подачу пара в нижнюю часть колонны путем кипячения части жидкости, выходящей из нижней части колонны в виде потока 14. Как известно в данной области техники, это можно сделать несколькими способами. Ребойлер, такой как термосифонный ребойлер, может находиться в отстойном резервуаре для жидкости, чтобы вскипятить жидкость внутри отстойного резервуара. В этом случае поток с температурой, промежуточной между потоками 10 и 11, будет подаваться в ребойлер для обеспечения необходимого нагрева, а параметры потока жидкости, выходящего из отстойного резервуара колонны, будут такими же, что и для потока 17 на Фигуре 1. В системе первой дистилляционной колонны может использоваться одна из конфигураций ребойлера, описанных выше, или любой другой известный ребойлер.

[0048] Желательно, чтобы поток 10 поступал в первый теплообменник 105 при более высоком давлении, чем поступает поток 14. Это вынуждает поток 10 конденсироваться при более высокой температуре, чем кипит поток 14, что оптимизирует эффективность теплообмена в первом теплообменнике. Такая разность давлений может быть достигнута путем понижения давления в клапане 106.

[0049] Одно из преимуществ, предлагаемых компрессором пермеата 102, состоит в том, что давление потока 10, поступающего в первый теплообменник, может быть оптимизировано. Обычно в процессе извлечения гелия давление эквивалентного потока является фиксированным, например, определяется давлением в устье скважины или трубопровода. В настоящем изобретении, значения давления потока 10 и потока 14 могут быть оптимизированы для наиболее эффективного теплообмена между ними с учетом ограничений, таких как параметр или параметры, которые обеспечивают эффективное разделение в первой дистилляционной колонне. Параметром для достижения хорошего разделения может быть соотношение плотности жидкой фазы к плотности паровой фазы, где желаемое соотношение выше 4 или выше 6 или выше 8. Кроме того, параметр может представлять собой поверхностное натяжение жидкой фазы, причем желаемое значение составляет более чем 0,5 дин/см или более чем 1 дин/см или более чем 2 дин/см. Использование мембраны для концентрирования гелия в потоке пермеата улучшает работоспособность последующего криогенного способа за счет снижения соотношения расхода потока жидкости и пара и увеличения поверхностного натяжения, причем оба улучшают разделение в дистилляционных колоннах для извлечения следового гелия.

[0050] Из обогащенного гелием пара 13, отводимого сверху колонны, было удалено значительное количество метана, что увеличило долю гелия и азота по сравнению с сырьевым потоком первой колонны 12. Головной погон дополнительно охлаждают во втором теплообменнике 109 и частично конденсируют. Полученный охлажденный головной поток 18 подают во вторую дистилляционную колонну 110, предпочтительно на верхней ступени.

[0051] Вторая дистилляционная колонна отделяет от охлажденного головного потока гелий, который покидает верхнюю часть колонны в виде неочищенного гелиевого пара 19. Как можно увидеть для первой дистилляционной колонны, для второй дистилляционной колонны также требуется ребойлер, который представлен на Фигуре 1 как внешний ребойлер. В этой конфигурации поток жидкости 20 покидает нижнюю часть колонны, а затем нагревается путем непрямого теплообмена с обогащенным гелием паром 13, отводимого сверху колонны, во втором теплообменнике 109. Затем частично испаренный поток 21 отделяется во втором ребойлерном сепараторе 111. Вторая дистилляционная колонна 110, второй ребойлерный сепаратор 111 и часть теплообменника 109, используемая для передачи тепла потоку 20, составляют систему второй дистилляционной колонны. Поток пара 22 возвращается во вторую дистилляционную колонну, а вторая обедненная гелием кубовая жидкость выходит из системы второй дистилляционной колонны в виде потока 23.

[0052] Вторая система дистилляционной колонны представлена на Фигуре 1 с технологической схемой, включающей в себя внешний ребойлер, где 111 представляет собой второй ребойлерный сепаратор. Кроме того, ребойлер может быть внутренним по отношению к колонне, или внешний ребойлер скорее может представлять собой отдельный теплообменник, чем быть встроенным в многопоточный теплообменник с другими горячими и холодными потоками, что представлено как 109 на Фигуре 1. Ребойлер обеспечивает поток сырья, подаваемый в нижнюю части колонны, путем кипячения части жидкости, выходящей из нижней части колонны в виде потока 20. Как известно в данной области техники, это можно сделать несколькими способами. Ребойлер, такой как термосифонный ребойлер, может находиться в отстойном резервуаре для жидкости, чтобы вскипятить жидкость внутри отстойного резервуара. В этом случае поток с температурой, промежуточной между потоками 13 и 18, будет подаваться в ребойлер для обеспечения необходимого нагрева, а параметры потока жидкости, выходящего из отстойного резервуара колонны, будут такими же, что и для потока 23 на Фигуре 1. В системе второй дистилляционной колонны может использоваться одна из конфигураций ребойлера, описанных выше, или любой другой известный ребойлер.

[0053] Затем вторая обедненная гелием кубовая жидкость 23 разделяется по меньшей мере на две части. Первую часть, поток 24, расширяют в клапане или детандере плотной текучей среды 112, понижая его температуру с образованием низкотемпературного потока хладагента 25. Более низкотемпературный поток хладагента используется для обеспечения охлаждения во втором теплообменнике 109 с образованием потока 26, который затем дополнительно нагревают в первом теплообменнике 105 с образованием потока 27 и повторно сжимают в возвратном компрессоре 113 с получением потока 28. Затем поток 28 смешивают с обедненным гелием непермеатным потоком 2 с получением потока обедненного гелием готового природного газа 29.

[0054] Температура потока 25 ниже, чем была бы получена, если бы в большей степени обогащенный метаном поток, такой как поток 17, был расширен, как это типично для предшествующего уровня техники. Таким образом, обогащение азотом головного погона системы первой дистилляционной колонны позволяет сырью, подаваемому в систему второй дистилляционной колонны, достигать более низкой температуры. Более низкая температура в системе второй дистилляционной колонны позволяет достичь более высокой чистоты гелия в потоке неочищенного гелиевого пара 19. В свою очередь, более высокая чистота гелия в потоке 19 позволяет уменьшить размеры системы очистки гелия, расположенной даунстрим.

[0055] Вторая часть потока 23 может быть отделена как поток 30, который не может быть расширен для сохранения общего энергопотребления. Поток 30 нагревается во втором теплообменнике 109, и полученный первый возвратный поток 31 можно смешивать с первой обедненной гелием кубовой жидкостью 17 с образованием второго возвратного потока 32. Второй возвратный поток дополнительно нагревают в первом теплообменнике 105, и полученный поток 33 сжимают в возвратном компрессоре 113. Работа второй дистилляционной колонны при том же давлении, что и у первой дистилляционной колонны, снижает общее потребление мощности в способе, поскольку потоки 19 и 30 остаются при том же давлении, что и давление сырья, подаваемого в первую дистилляционную колонну 12, и это уменьшает потребность в повторном сжатии. Такой конструктивный признак частично обусловлен отсутствием вентиляционного потока в способе, что требует повторного сжатия всех технологических потоков до давления подаваемого сырья.

[0056] Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фигуре 1, представляет собой одну из многих возможных конфигураций для возвратных потоков. Другая конфигурация состояла бы в том, чтобы пропускать поток 31 сквозь первый теплообменник 105 отдельно, а не смешивать его с потоком 17, и далее смешивать с потоком 33 перед возвратным компрессором или на той же ступени сжатия, на которую поступает поток 33. В качестве альтернативы, поток 30 может быть расширен до более низкого давления перед входом во второй теплообменник 109, проходить отдельно сквозь первый теплообменник 105 и поступать в возвратный компрессор на более ранней стадии, чем поступает поток 33. В третьей конфигурации поток 30 может нагнетаться до более высокого давления, нагреваться во втором и первом теплообменниках и либо поступать в возвратный компрессор на более поздней стадии, чем поступает поток 33, либо полностью обходить возвратный компрессор.

[0057] Аналогичным образом, вместо того, чтобы объединяться с потоком 31, поток 17 может быть расширен до более низкого давления перед входом в первый теплообменник 105 и поступать в возвратный компрессор на более ранней стадии, чем поступает поток 33. В качестве альтернативы, вместо того, чтобы объединять его с потоком 31, поток 17 можно нагнетать до более высокого давления, нагревать в первом теплообменнике 105 и либо вводить в возвратный компрессор на более поздней стадии, чем поступает поток 33, либо полностью обходить возвратный компрессор. Кроме того, поток 17 и/или поток 23 можно было бы разделить на несколько потоков, давление в которых можно было бы уменьшить, чтобы обеспечить большую степень охлаждения, и/или нагнетать их до более высокого давления, чтобы минимизировать общую мощность. Введение большего количества уровней давления увеличивает капитальные затраты и сложность, но может снизить мощность и, следовательно, эксплуатационные расходы, если в возвратном компрессоре 113 имеется соответствующая ступень для ввода нагретого потока. В этом случае «соответствующая ступень» означает такую, давление на которой находится на уровне давления потока, когда он покидает первый теплообменник 105, или немного ниже.

[0058] Возвратный компрессор 113 может представлять собой один компрессор с одной или большим количеством ступеней, с промежуточными охладителями между ступенями или без них, или множество компрессоров, подключенных последовательно или параллельно. Если возвратный компрессор представляет собой одну машину, то поток 33 находится при более высоком давлении, чем поток 27, и поэтому может подаваться на промежуточную ступень возвратного компрессора. При последовательном расположении поток 27 может поступать в первый из компрессоров, а поток 33 может поступать в компрессор, находящийся дальше в ряду. При параллельном расположении отдельные компрессоры могут сжимать потоки 27 и 33 до желаемого конечного давления нагнетания.

[0059] Поток неочищенного гелиевого пара 19 нагревают во втором теплообменнике 109, чтобы получить поток 34, затем дополнительно нагревают в первом теплообменнике 105 с образованием потока 35. Если водород присутствует в потоке 35 в большем количестве, чем требует спецификация целевого продукта, то водород может быть удален в каталитическом окислителе 115, где водород вступает в реакцию с кислородом, добавленным через поток 36 в форме воздуха или потока, обогащенного кислородом. Полученный поток 37 затем поступает в адсорбционную систему 116 для удаления воды, образующейся в результате каталитического окисления водорода, а также любых остаточных примесей, таких как кислород, азот или метан. Готовый чистый гелий 38 затем может быть сжижен или продан в виде сжатого газа. Альтернативы адсорбционной системе для получения готового чистого гелия включают в себя криогенную дистилляцию или частичную конденсацию. Поток 4 остаточного газа из адсорбционной системы 116 содержит значительное количество гелия при низком давлении, поэтому он возвращается в компрессор пермеата 102.

[0060] Хотя это не показано на Фигуре 1, любой из обедненных гелием потоков способа может использоваться для регенерации TSA в модуле дегидратации 104. Для регенерации требуется как тепло, которое может быть обеспечено электрическими нагревателями или технологическим паром, так и технологический поток для переноса примесей из TSA, таких как азот из внешнего источника или часть потока, обедненного гелием, из процесса извлечения гелия. В зависимости от давления, необходимого для регенерации TSA, этот поток может находиться при низком давлении, подобно потоку 4 или потоку 27, при промежуточном давлении, подобно потоку 33, или при высоком давлении, подобно потоку 2, поток 28 или поток 29. Если поток 4 используется в качестве регенерационного газа, то отработанный регенерационный газ с примесями может быть возвращен в компрессор пермеата 102. Если потоки 2, 27, 28, 29 или 33 используются в качестве регенерационного газа, то отработанный регенерационный газ с примесями можно затем повторно объединить с остальной частью обедненных гелием потоков либо до, либо после повторного сжатия в компрессоре 113. Если для регенерации TSA применяется азот, то загрязненный примесями отработанный регенерационный газ может быть выброшен в атмосферу или отправлен на дальнейшую обработку с целью удаления углеводородов в соответствии с правилами загрязнения воздуха.

[0061] Альтернативные варианты реализации способа очистки гелия хорошо известны в данной области техники. Наиболее распространенными являются способы, в которых поток неочищенного гелия охлаждается до криогенных температур, частично конденсируя поток сырья, таким образом, что большая часть азота и практически весь метан конденсируются, оставляя поток пара, содержащий от около 50 до 90% гелия. Этот поток пара нагревают, а затем удаляют водород таким же образом, как описано на Фигуре 1. Давление потока жидкости, выходящего из процесса частичной конденсации, сбрасывают, чтобы извлечь гелий путем испарения и отвода потока пара. Поток пара подогревают, повторно сжимают и объединяют с потоком неочищенного гелия, поступающего в очиститель. В настоящем изобретении и поток пара, и компрессор отсутствуют. При понижении давления потока жидкости, полученный поток жидкости с более низкой температурой обеспечивает охлаждение для процесса частичной конденсации. Этот небольшой поток выходит из процесса очистки гелия и может быть повторно сжат в поток товарного газа или выброшен в атмосферу после прохождения процесса каталитического окисления для удаления метана, если это необходимо. Остаточный газ из PSA гелия высушивают при помощи TSA для удаления воды, образовавшейся в результате каталитического окисления водорода воздухом или потоком, обогащенным кислородом, затем повторно сжимают и смешивают с потоком неочищенного гелия, по мере того, как он поступает в очиститель. Кроме того, для подачи в очиститель повторно используется гелий, собранный в «газовом мешке», чтобы минимизировать общие потери гелия в способе. В настоящем изобретении как остаточный газ, так и поток из газового мешка подают в компрессор пермеата, что устраняет необходимость в отдельном компрессоре, расположенном в обычном способе очистки гелия.

[0062] Blackwell и Kalman (US 3599438) описывают очистку гелия более подробно, включая стадии удаления водорода каталитическим окислением, дегидратацию адсорбцией и обогащение гелия частичной конденсацией. Кроме того, Blackwell и Kalman демонстрируют рециркуляцию потока гелия промежуточного давления (16).

[0063] Кроме того, Kirk-Othmer в Encyclopedia of Chemical Technology, «Cryogenic technology» (2012), описывает альтернативные технологические схемы для очистки гелия. Например, на Фигуре 13 в этой главе проиллюстрирован способ с одной вспышкой давления на холодном конце гелия, которая вызывает более высокую потерю гелия из-за растворения гелия в потоке жидкости, покидающей систему. На Фигуре 14 в той же главе проиллюстрирован другой порядок операций: сначала частичная конденсация, за которой следует каталитическое окисление и окончательная очистка при помощи PSA, причем остаточный газ PSA повторно сжимают, дегидратируют и рециркулируют на стадию частичной конденсации.

[0064] Gottier и Herron (US 5017204) описывают цикл очистки гелия с использованием дефлегматора, который объединяет стадии теплопередачи и массопереноса в одном теплообменнике. Любой из этих способов очистки или аналогичные способы очистки могут быть применены для получения продукта в форме чистого гелия из потока неочищенного гелия.

[0065] По сравнению с очисткой гелия, показанной в предшествующем уровне техники, настоящее изобретение объединяет извлечение и очистку гелия таким образом, чтобы обеспечить преимущество эффективности и простоты. Поток 35 имеет достаточно высокую чистоту гелия, чтобы исключить как стадии частичной конденсации, так и мощность сжатия, требуемую для обеспечения необходимого охлаждения в обычном гелиевом очистителе. Еще одним преимуществом является то, что компрессор пермеата может принимать такие потоки, как поток остаточного газа 4. По сравнению со способом, в котором присутствуют отдельные секции извлечения и очистки, настоящее изобретение требует меньше событий сжатия. Дополнительно, компрессор пермеата представляет собой удобную точку рециркуляции для газового мешка, наиболее распространенный способ извлечения гелия из технологических потоков даунстрим, который в противном случае был бы выброшен в атмосферу.

[0066] Некоторые варианты реализации и признаки изобретения были описаны с использованием набора числовых верхних пределов и набора числовых нижних пределов. Для целей краткости, в данном документе явно раскрыты только определенные диапазоны. Однако необходимо понимать, что предусмотрены диапазоны от любого нижнего предела до любого верхнего предела, если в тексте явно не указано противоположное. Точно так же, диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым другим нижним пределом, чтобы обозначить диапазон, не указанный в тексте явно, и диапазоны от любого верхнего предела могут быть объединены с любым другим верхним пределом, чтобы обозначить диапазон, не указанный в тексте явно. Кроме того, диапазон включает в себя каждую точку или отдельное значение между его конечными точками, даже если это явно не указано в тексте. Таким образом, каждая точка или отдельное значение может служить в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела в сочетании с любой другой точкой или отдельным значением или любым другим нижним или верхним пределом, чтобы обозначить диапазон, не указанный в тексте явно. Все числовые значения представляют собой значения, указанные «приблизительно» или «около» указанного значения и учитывают экспериментальную ошибку и отклонения, которых мог бы ожидать обычный специалист в данной области техники.

[0067] Аспекты настоящего изобретения включают в себя:

№ 1: Способ извлечения гелия из сырьевого природного газа, содержащего метан, азот и гелий, причем указанный способ включает в себя:

введение указанного сырьевого газа в систему мембранного разделения с получением обогащенного гелием потока пермеата и обедненного гелием непермеатного потока;

сжатие указанного обогащенного гелием потока пермеата в компрессоре пермеата с получением потока сжатого пермеата;

охлаждение указанного потока сжатого пермеата или потока, полученного из указанного потока сжатого пермеата, с получением охлажденного потока пермеата, который по меньшей мере частично сконденсирован;

разделение указанного охлажденного потока пермеата в системе первой дистилляционной колонны с получением обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, и первой обедненной гелием кубовой жидкости;

охлаждение указанного обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, с получением охлажденного головного потока, который по меньшей мере частично сконденсирован;

разделение указанного охлажденного головного потока в системе второй дистилляционной колонны с получением неочищенного гелиевого пара и второй обедненной гелием кубовой жидкости;

и расширение по меньшей мере части второй обедненной гелием кубовой жидкости с получением низкотемпературного хладагента;

при этом охлаждающая нагрузка для охлаждения обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, по меньшей мере частично обеспечивается путем непрямого теплообмена с указанным низкотемпературным хладагентом.

№ 2: Способ по № 1, отличающийся тем, что давление указанного охлажденного пермеата устанавливают таким образом, чтобы достигать соотношения плотности жидкости и пара в системе дистилляционной колонны выше 4.

№ 3: Способ по любому из №№ 1-2, отличающийся тем, что давление указанного охлажденного пермеата устанавливают таким образом, чтобы достигнуть поверхностного натяжения жидкой фазы в системе дистилляционной колонны более чем 0,5 дин/см.

№ 4: Способ по любому из №№ 1-3, дополнительно включающий в себя стадию удаления по меньшей мере одного из диоксида углерода, воды и тяжелых углеводородов из указанного потока сжатого пермеата.

№ 5: Способ по любому из №№ 1-4, отличающийся тем, что нагрузка повторного кипячения для указанной системы первой дистилляционной колонны обеспечивается по меньшей мере частично посредством непрямого теплообмена с потоком сжатого пермеата.

№ 6: Способ по любому из №№ 1-5, отличающийся тем, что нагрузка для повторного кипячения для указанной системы второй дистилляционной колонны по меньшей мере частично обеспечивается посредством непрямого теплообмена с обогащенным гелием паром, отводимым сверху колонны.

№ 7: Способ по любому из №№ 1-6, дополнительно включающий в себя стадии нагревания по меньшей мере части указанной второй обедненной гелием кубовой жидкости с получением первого возвратного потока;

объединение указанного первого возвратного потока с указанной первой обедненной гелием кубовой жидкостью с получением второго возвратного потока;

и сжатие и объединение указанного второго возвратного потока с указанным низкотемпературным хладагентом и указанным обедненным гелием непермеатным потоком с получением обедненного гелием готового природного газа.

№ 8: Способ по № 7, отличающийся тем, что охлаждающая нагрузка для охлаждения потока сжатого пермеата по меньшей мере частично обеспечивается посредством непрямого теплообмена с указанным вторым возвратным потоком.

№ 9: Способ по любому из №№ 1-8, дополнительно включающий в себя стадию очистки неочищенного гелиевого пара с получением готового чистого гелия и потока отходов, обедненных гелием.

№ 10: Способ по № 9, дополнительно включающий в себя объединение указанного потока отходов, обедненных гелием, с указанным потоком обогащенного гелием пермеата перед входом или на промежуточной стадии в указанном компрессоре пермеата.

№ 11: Способ по любому из №№ 9-10, отличающийся тем, что неочищенный гелиевый пар очищают в адсорбционной системе.

№ 12: Установка по переработке природного газа для извлечения гелия из сжатого природного газа, содержащего метан, азот и гелий, причем указанная установка содержит:

мембранную систему разделения, содержащую множество мембранных ступеней, соединенных параллельно или последовательно;

компрессор пермеата;

первую трубопроводную систему для перемещения потока пермеата, обогащенного гелием, из указанной мембранной системы разделения в указанный компрессор пермеата;

систему первой дистилляционной колонны, содержащую обогащенный гелием пар, отводимый сверху колонны, и секцию обедненного гелием кубового остатка;

второй трубопровод для перемещения потока сжатого пермеата из указанного компрессора пермеата в указанную систему первой дистилляционной колонны;

при этом, вторая трубопроводная система содержит систему теплообмена;

систему второй дистилляционной колонны, содержащую секцию обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, и секцию обедненного гелием кубового остатка;

третий трубопровод для перемещения обогащенного гелием пара, отводимого сверху колонны, из указанной секции головного погона указанной системы первой дистилляционной колонны в указанную систему второй дистилляционной колонны;

при этом третья трубопроводная система содержит систему теплообмена;

четвертый трубопровод для перемещения второй обедненной гелием кубовой жидкости из указанной секции обедненного гелием кубового остатка указанной второй дистилляционной колонны в указанную вторую систему теплообменника;

причем указанный четвертый трубопровод содержит устройство для понижения давления и систему теплообмена.

№ 13: Установка по переработке природного газа по № 12, отличающаяся тем, что второй трубопровод содержит устройство для понижения давления.

№ 14: Установка для обработки природного газа по любому из №№ 12-13, отличающаяся тем, что второй трубопровод содержит секцию предварительной обработки, включающую в себя по меньшей мере один модуль, выбранный из группы, состоящей из модуля дегидратации, модуля удаления CO₂ и модуля удаления H₂S.

№ 15: Установка по переработке природного газа по любому из №№ 12-14, дополнительно включающая в себя:

объединяющее устройство;

причем указанный четвертый трубопровод соединен с указанным объединяющим устройством;

пятый трубопровод для перемещения обедненной гелием кубовой жидкости из указанной секции обедненного гелием кубового остатка указанной первой дистилляционной колонны в указанное устройство для объединения.

возвратный компрессор;

и шестой трубопровод для перемещения второго возвратного потока из указанного объединяющего устройства в указанный возвратный компрессор.

ПРИМЕР 1

[0068] Компьютерное моделирование способа с Фигуры 1, было выполнено в Aspen Plus, коммерчески доступном пакете программного обеспечения для моделирования способов. Сырьевой поток природного газа содержит 10% азота и 0,065% гелия. Основные параметры потока, такие как состав, давление, температура и расход, приведены в Табл. 1, вместе с общим потреблением мощности.

[0069] Выход гелия в общем способе составляет 80,0%. Выход криогенной части способа составляет 99,5%, с выходом сквозь мембрану около 80,4%. Общий выход в криогенном способе мог бы достигать около 99,5%, но размеры должны были бы быть значительно больше. Используя мембранный модуль, поток в криогенный способ уменьшается до 6,4% от того, каким он был бы в противном случае, с увеличением подачи гелия с 650 ч/млн до 1,2%. CO₂ проходит сквозь мембрану быстрее, чем метан, поэтому концентрация CO₂ в потоке 3 выше, чем в потоке 1, но расход потока CO₂ составляет всего 43% от расхода сырья, что означает значительно более низкие капитальные и эксплуатационные затраты на удаление СО₂. Удаление воды из потока, составляющего 6,4% от сырьевого потока, означает значительное снижение стоимости.

[0070] При высоких расходах, уменьшение молярного расхода из потока 1 в поток 3 будет означать сокращение нескольких больших линий колонн параллельно одной колонне малого диаметра, что значительно снижает стоимость криогенной секции. Экономия на секции предварительной обработке и криогенной секции должна быть сбалансирована против дополнительной стоимости мембран и сниженного выхода гелия, но для сырья с высокими значениями расхода и достаточно низкими уровнями BTX, для которого не требуется предварительная обработка при помощи мембраны, настоящее изобретение предлагает значительную экономию по сравнению с исключительно криогенными способами.

Таблица 1

ПРИМЕР 2

[0071] Компьютерное моделирование способа с Фигуры 1, было выполнено в Aspen Plus, коммерчески доступном пакете программного обеспечения для моделирования способов. Сырьевой поток природного газа содержит 35% азота и 0,14% гелия. Основные параметры потока, такие как состав, давление, температура и расход, приведены в Табл. 2, вместе с общим потреблением мощности.

[0072] Выход гелия в общем способе составляет 80,0%. Выход криогенной части способа составляет 99,5%, с выходом сквозь мембрану около 80,4%. Общий выход в криогенном способе мог бы достигать около 99,5%, но размеры должны были бы быть значительно больше. Используя мембранный модуль, поток в криогенный способ уменьшается до 6,9% от того, каким он был бы в противном случае, с увеличением подачи гелия с 0,14% до 2,32%. CO₂ проходит сквозь мембрану быстрее, чем метан, поэтому концентрация CO₂ в потоке 3 выше, чем в потоке 1, но расход потока CO₂ составляет всего 43% от расхода сырья, что означает значительно более низкие капитальные и эксплуатационные затраты на удаление СО₂. Удаление воды из потока, который составляет 6,9% от сырьевого потока, означает значительное снижение стоимости.

Таблица 2

[0073] Хотя принципы изобретения были описаны выше в связи с предпочтительными вариантами реализации изобретения, необходимо четко понимать, что такое описание сделано только в качестве примера и не предназначено для ограничения объема изобретения.

Реферат

Изобретение относится к способам и устройствам для извлечения гелия. Гелийсодержащий поток извлекают из сырьевого природного газа с использованием мембраны, за которой следуют многочисленные стадии дистилляции. Охлаждение обеспечивается за счет расширения кубовой жидкости с более высоким содержанием азота, чем в сырье, что позволяет достичь более низкой температуры в способе. Обогащенный гелием пар затем очищают, а поток гелийсодержащих отходов рециркулируют для максимизации выхода и уменьшения количества необходимых компрессоров. Обедненный гелием поток природного газа можно возвращать под давлением для утилизации или транспортировки. Технический результат – снижение расхода потока в дистилляционной колонне. 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Формула