Извлечение гелия из природного газа

Гелий - редкий и удивительный по своим свойствам газ - имеет плотность 0,1609 кг/м3 при нормальных условиях, в сжиженном виде его плотность 121,1 кг/м3, кипит при минус 268,94 °С, химически инертен, практически нерастворим в воде и жидких углеводородах. Гелий - стратегический продукт, широко применяемый в криогенной, ядерной, военно-космической технике (до 50 % производства), при ответственной сварке металлов, для высококачественной металлургии, в хроматографии, светотехнике, медицине и др. Промышленное получение гелия осуществляют из природных газов при содержании в них гелия не менее 0,05-0,30 об. %, хотя некоторые природные газы содержат его до 3 об. %. Наиболее богатыми запасами гелийсодержащих природных газов располагают США (более 99 % мировых запасов в штате Техас, данные 1969 г.), Россия и Канада. По данным 1980 г., США производили гелий на 12 заводах мощностью около 135 млн м3/год. Избыток гелия они накапливают в специальных подземных хранилищах. Конгресс США в 1980 г. принял Гелиевый закон, по которому государственные запасы гелия должны быть 2,4 млрд м3 к 2000 г. при его потреблении до 140 млн м3/год.

Крупнейшее в Европе производство гелия мощностью 9 млн м3/год создано в Оренбурге. Жидкий гелий экспортируют в Западную Европу автотранспортом в криогенных контейнерах-сосудах Дьюара фирмы «Гарднер Криогеник» объемом 40 м3. При регазировании жидкого гелия из таких контейнеров получают газообразный гелий чистотой 99 об. % в количестве 30 % от всего объема, чистотой 99,996 об. % - 65 % и чистотой 99,9999 об. % - 5 % от объема контейнера. Жидкий гелий можно хранить в криогенных устройствах -многокорпусных резервуарах сложной конструкции. Сейчас в мире эксплуатируются более 10 таких хранилищ полезной емкостью по 120 м3 (одно из них сооружено в Оренбурге). Создание запасов гелия оправдано, так как получение гелия из воздуха (единственный источник гелия после природного и нефтяного газов) будет обходиться в будущем во много раз дороже, так как атмосферный воздух содержит инертных и редких газов (гелий, неон, криптон и ксенон) не более 0,01 об. %.

Чистый гелий получают из очищенного от примесей и глубоко осушенного природного газа обычно в три стадии: получение сырого гелия концентрацией 80-90 об. %; концентрирование сырого гелия до чистоты 99,98 об. %; сжижение чистого гелия для хранения и транспортировки.

Промышленное сжижение гелия, как и других низкокипящих газов (водорода, кислорода, азота), осуществляется разными технологическими процессами сжижения и разделения газов всегда при криогенных температурах, достигаемых множеством возможных вариантов каскадных холодильных компрессорных циклов совместно с методами охлаждения дросселированием газа и охлаждения газа его детандированием с отдачей внешней работы. Стоимость компримирования газов и производства искусственного холода является определяющей в выборе оптимального варианта для сжижения легких газов.

В качестве примера кратко поясним технологический процесс получения чистого жидкого гелия (рис. 2.7). Очищенный и осушенный природный газ давлением 3,2 МПа охлаждается до температуры минус 40 °С испаряющимся пропаном (пропановый холодильный цикл). Затем природный газ охлаждается в двух рекуперативных испарителях-холодильниках обратными испаряющимися жидкими потоками до температуры минус 104 °С, после чего газ дросселированием охлаждается до минус 153 °С и подается в ректификационную колонну. С низа этой колонны отводится в основном жидкий метан с примесью азота, поступающий как обратный поток в испаритель-холодильник для охлаждения природного газа. Температура верха колонны (минус 191 °С) поддерживается за счет испарения хладоагента - жидкого азота (азотный холодильный цикл). С верха колонны отводится смесь гелия и азота, которая доохлаждается в двух рекуперативных испарителях-холодильниках испаряющимся жидким азотом. Смесь гелия и азота разделяется в первом сепараторе, далее после охлаждения дросселированием жидкой фазы во втором сепараторе на сырой гелий - концентрат чистотой 85 % и чистый азот концентрацией 99,5 %. Газообразный чистый азот служит хладоагентом азотного холодильного цикла. В потоке сырого гелия содержится до 95-96 % гелия от его   первоначального содержания в природном газе.

Глубокую очистку сырого гелия проводят еще более глубоким охлаждением с целью удаления примесей водорода, азота, метана и др. Очистка от примесей водорода осуществляется также гидрированием на специальном катализаторе. Образовавшаяся при гидрировании влага удаляется адсорбцией на активном оксиде алюминия или цеолитах. Далее очищенный и осушенный сырой газообразный гелий компримируют до давления 15-20 МПа и охлаждают до температуры минус 207 °С с последующим его дросселированием и сепарацией в одну-две ступени. Газовая фаза после сепарации содержит 99,5% гелия. Адсорбционная тонкая очистка от примесей на активных углях или цеолитах при охлаждении испаряющимся азотом позволяет получить газообразный гелий чистотой 99,98 об. % Далее газообразный чистый гелий охлаждают испаряющимся азотом, потом гелий еще охлаждается в детандере, затем вновь доохлаждается в детандерной или дроссельной ступени.

В результате такого каскада последовательного охлаждения, частичной конденсации и сепарации часть газообразного гелия переходит в жидкое состояние. Жидкий гелий вновь доочищают от возможных примесей адсорбцией и, наконец, наливают в сосуды Дьюара - криогенные контейнеры или гелиевые хранилища. Все низкотемпературное теплообменное оборудование технологической установки сжижения гелия размещается в криогенной камере (кабине), которая имеет многокорпусную конструкцию, камера заполнена изоляционным материалом (перлитом и др.), в ней создается избыточное давление азотом. Например, на одном из заводов сжижения гелия камера имеет размеры основания 13 х 4 м и высоту 36 м, объем камеры около 2800 м3, в ней размещено 230 т оборудования.


Увеличить




Вы можете скачать файл реферат "Извлечение гелия из природного газа" курсовую работу абсолютно бесплатно. Скачивая файл, помните, что он служит основой для самостоятельной работы.

Чтобы получить полную информацию, подпишись на нас Vk.com/enciklopediyatehniki