×
10.04.2013
216.012.32e2

СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002478569
Дата охранного документа
10.04.2013
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой промышленности и может быть использовано при извлечении или концентрировании гелия из природного газа. Способ извлечения гелия из природного газа включает получение гелиевого концентрата с последующей его низкотемпературной или мембранной сепарацией и адсорбционной очисткой от примесей. Перед получением гелиевого концентрата поток природного газа подвергают конверсии с получением синтез-газа, проводят каталитический синтез продуктов, которые затем конденсируют с выделением гелиевого концентрата. Технический результат - повышение коэффициента использования природного газа и снижение затрат энергии при производстве гелия. 11 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой промышленности и может быть использовано при извлечении или концентрировании гелия из природного газа.

Гелий, наряду с водородом, является самым распространенным элементом во Вселенной. Он применяется в металлургии, пищевой промышленности, хроматографии и т.д., однако его применение сдерживается его небольшим производством, которое ограничено малым содержанием гелия на Земле как в составе природного газа, где его концентрация не превышает 7% от общего объема, так и незначительным количеством в атмосферном воздухе (не более 0,000524% от объема). Гелий в основных промышленных технологиях получают из отбензиненных природных газов. Целесообразность переработки присутствует, когда содержание гелия в отбензиненном газе составляет от 0,5 до 1,5%.

По содержанию гелия в природном газе месторождения подразделяются (на богатые (объемная доля >0,5%); рядовые (0,1-0,5%) и бедные (<0,1%). Объемная доля гелия в природном газе Оренбургского НГКМ составляет до 0,055%, т.е. газ относится к «бедным» гелиеносным газам.

Типовой способ выделения гелия из природного газа включает следующие последовательно осуществляемые стадии процесса: глубокое охлаждение газа - конденсация - сепарация - ректификация - выход концентрата гелия - очистка и обогащение полученного концентрата гелия. Таким образом, технология выделения гелия из природного газа осуществляется в два этапа: на первом этапе производятся полная низкотемпературная конденсация газа и получение концентрата гелия; на втором этапе концентрат гелия очищается от примесей.

Известен способ разделения газов и их смесей путем низкотемпературного охлаждения, в частности отделение газовых примесей от водорода или гелия, описанный в патенте РФ №2071019 - прототип, приоритет 12.04.1993, МПК6 F25J 3/08. Сущность изобретения: исходная газовая смесь, содержащая водород или гелий, ступенчато охлаждается до криогенных температур с частичной конденсацией компонентов газовой смеси с использованием для ее охлаждения на одной из ступеней жидкого азота, кипящего под вакуумом. После ступенчатого охлаждения конденсата гелиевый концентрат направляется на тонкую очистку посредством низкотемпературной адсорбции в адсорбционном блоке. Создание и поддержание вакуума в системе азотного охлаждения осуществляется путем эжекции.

Однако описанный способ обладает рядом недостатков, к которым можно отнести функциональные и экономические ограничения применения способа, связанные с необходимостью подачи больших расходов природного газа на сжатие и криогенное охлаждение, которое требует больших энергетических (до 1000 кВт·ч/т) и капитальных затрат (до 1500 долл. США/кг·ч-1), а также низкий коэффициент использования природного газа при использовании последнего как источника гелия.

Задача настоящего изобретения - повысить коэффициент использования природного газа и создать технологические возможности по уменьшению затрат энергии на производство гелия.

Поставленная задача решается тем, что в способе извлечения гелия из природного газа, включающем получение гелиевого концентрата с последующей его низкотемпературной или мембранной сепарацией и адсорбционной очисткой от примесей, перед получением гелиевого концентрата поток природного газа подвергают конверсии с получением синтез-газа, проводят каталитический синтез продуктов, которые затем конденсируют с выделением гелиевого концентрата. Кроме того:

- перед и после каталитического синтеза продуктов охлаждение потока проводят с утилизацией тепла для нагрева и испарения воды, используемой затем для получения полезной энергии, требуемой в процессе получении гелиевого концентрата;

- перед синтезом продуктов выводят из потока водяной пар, а затем проводят удаление из потока диоксида углерода и/или водорода, по меньшей мере, часть которых направляют на смешение с потоком перед и/или между стадиями;

- перед конверсией проводят очистку потока от соединений серы;

- перед конверсией нагрев потока ведут за счет конвективного охлаждения теплоносителя через герметичные теплообменные поверхности;

- перед низкотемпературной или мембранной сепарацией и адсорбционной очисткой от примесей гелиевый концентрат подвергают каталитическому окислению с последующей конденсацией и удалением водяного пара и диоксида углерода;

- при конверсии поддерживают температуру в диапазоне от 600°C до 1100°C;

- конверсию ведут с добавлением водяного пара и/или кислорода;

- давление конверсии выбирают в диапазоне от 2.0 до 9.0 МПа;

- продукты каталитического синтеза выбирают из ряда: метанол, диметиловый эфир, олефины, углеводороды, аммиак;

- перед конверсией добавляют в поток и поддерживают объемное содержание водяного пара в диапазоне, от 4 до 12 раз большем, чем объемное содержание алканов в природном газе;

- для конверсии природного газа применяют гелий, нагретый в ядерном реакторе;

На фигуре дана схема осуществления заявляемого способа, где

1 - нагреватель

2 - катализатор

3 - реактор поглощения

4 - первая секция нагревающего теплообменника

5 - первый адиабатический реактор

6 - вторая секция нагревающего теплообменника

7 - второй адиабатический реактор

8 - третья секция нагревающего теплообменника

9 - третий адиабатический реактор

10 - пароперегреватель

11 - котел-утилизатор

12 - подогреватель питательной воды

13 - теплообменник теплофикационной воды

14 - водяной теплообменник нагрева недеаэрированной воды

15 - реакторная система синтеза метанола

16 - сепаратор

17 - конвертор

18 - абсорбер

19 - адсорбер

20 - катализатор

21- адсорбер

Примером реализации изобретения служит способ извлечения гелия из природного газа, описанный ниже.

В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве источника гелия применяется природный газ с составом, характерным, например, для Ковыктинского газового месторождения, который используют для получения синтез-газа, в качестве процесса каталитического синтеза продуктов применяется синтез метанола, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам извлечения гелия из природного газа.

Способ осуществляется следующим образом.

Природный газ, содержащий гелий, с давлением выше 5.3 МПа смешивают со сжатым до давления природного газа рециркулируемым газом, содержащим водород, монооксид и диоксид углерода, подогревают до температуры около 400°C в нагревателе 1 и образовавшийся поток газа подают на стадию очистки от сернистых соединений (если они содержатся в виде примесей природного газа), которую проводят в две ступени: сначала ведут, например, на алюмокобальтмолибденовом катализаторе 2 гидрирование органических соединений серы, например меркаптанов в сероводород, а затем поток направляют на поглощение образовавшегося сероводорода активированным оксидом цинка в реактор поглощения 3, которых может быть несколько - включенных в работу последовательно или параллельно. Поток газа, очищенный (в пересчете на серу) до массовой концентрации серы менее 0.5 мг/нм3, смешивают с перегретым потоком пара (показан штриховой линией) до соотношения пар/газ, например, равного 5.0. С целью увеличения степени конверсии метана объемное содержание водяного пара перед первой стадией поддерживают в диапазоне, ориентировочно от 4 до 12 раз большем, чем объемное содержание алканов. При снижении отношения пар/газ ниже 4 снижается эффективность процесса и растут капитальные затраты, что связано либо с необходимостью увеличить поток рециркуляции газов в связи с низкой степенью конверсии при указанной ниже температуре нагрева потока, либо с необходимостью увеличить температуру нагрева потока свыше 1000-1200°C, что заставит использовать более дорогие материалы для теплообменника. Повышение отношения пар/газ свыше 12 также вызовет снижение эффективности процесса в связи с необходимостью производить избыточный водяной пар.

Образовавшийся поток направляют в первую секцию нагревающего теплообменника 4, в котором нагревают, например, до температуры около 650°C, и направляют в первый адиабатический реактор 5, заполненный насадкой катализатора, в качестве которого, например, предпочтительно использовать никелевый катализатор типа ГИАП-16.

В адиабатическом реакторе 5 без подвода тепла производят частичную конверсию метана и направляют во вторую секцию нагревающего теплообменника 6, где температуру потока повышают до 750°C, а затем направляют во второй адиабатический реактор 7, по конструкции повторяющий первый адиабатический реактор 5, заполненный насадкой катализатора, в котором производят дальнейшую конверсию метана. Затем поток направляют на окончательную доконверсию метана в третьи секции нагревающего теплообменника 8 и третий адиабатический реактор 9, в которых порядок и содержание операций не отличаются от первых двух стадий, а температура нагрева составляет около 870-890°C. Выбор температуры нагрева определяется, в первую очередь, температурным потенциалом теплового источника, например нагретого в ядерном реакторе гелия, а также возможностями создания теплообменников с относительно недорогими жаропрочными теплообменными поверхностями на основе сталей и сплавов с низким содержанием дорогих компонентов (никеля, кобальта, хрома, молибдена и т.д.), что предопределяет предпочтительный уровень верхней возможной температуры 900°C. С другой стороны, равновесная степень и скорость превращения метана ниже 600°C даже при относительно высоких соотношения водяной пар/газ становится практически неприемлемой.

После выхода из третьего адиабатического реактора 9 поток направляют последовательно в пароперегреватель 10, котел-утилизатор 11, подогреватель питательной воды 12, а затем в теплообменник теплофикационной воды 13, в которых поток охлаждают до 170°C, после чего окончательно охлаждают до 40°C в водяном теплообменнике нагрева недеаэрированной воды 14, конденсируют и удаляют воду, большую часть которой возвращают на получение пара. Полученный синтез-газ, состав которого приведен в таблице 1, используют для производства товарного метанола и водорода, применяя, например, процессы, описанные в патенте РФ 2285660, заявл. 29.04.2004 г., опубл. 20.10.05, бюл. №29.

Таблица 1
Синтез-газ на установку получения водорода и метанола: расход нм3 70000
Состав % об.
Н2 67.39
СО 25.54
СО2 4.95
Инертные газы (азот и гелий) 1.16
СН4 0.96
H2O -
Количество СО+СO2 нм3 21343
Давление синтеза МПа 5.3

Процесс проводят с добавлением в синтез-газ, подаваемый на синтез метанола, диоксида углерода, показанного штрихпунктирной линией, выделяемого как при сепарации в сепараторе 16 при отделении метанола-сырца, так и на стадии очистки в абсорбере 18 газа, непрореагировавшего в реакторной системе синтеза метанола 15.

Проводят процесс синтеза метанола при объемном отношении Н2-СО2/СО+СО2, равном 2.03-5.40. Синтез-газ подают в реакторную систему синтеза метанола 15, включающую проточный реактор или каскад проточных реакторов и/или реактор с рециклом газовой смеси, на выходе из которого смесь подвергается сепарации в сепараторе 16 с отделением метанола-сырца и рециркулируемого газа, направляемого на смешение со свежим синтез-газом.

Таблица 2
Суммарная степень превращения СО+СО2 в метанол в отделении синтеза % 94,61
Сбросные газы при совместном получении водорода и метанола: количество нм3 на 1000 нм3 синтез-газа 38
состав: % об.
СO2 9,35
СО 20,73
H2 13,42
СН4 24,04
Инертные газы (азот и гелий) 30,34
H2O 0,19
СН3ОН 1,93

На выходе из реакторной системы состав потока соответствует таблице 2.

Таким образом, концентрация инертного газа, обогащенного гелием, увеличилась по сравнению с исходным синтез-газом более чем в 30 раз, что позволяет сбросной газ после реактора синтеза использовать как исходный продукт для получения гелиевого концентрата. Для получения гелиевого концентрата поток сбросного газа после конверсии СО в конверторе 17 подают на абсорбционную очистку от диоксида углерода растворами поташа и моноэтаноламина в абсорбер 18 и/или короткоцикловую адсорбцию в адсорбер 19 и получают газ, обогащенный водородом, а затем окончательно выделяют водород путем короткоцикловой адсорбции на активированном угле или цеолите в адсорбере 19, в процессе чего получают продукты десорбции, которые направляют частично на сжигание и используют в качестве рециркулируемого газа.

Возвращая диоксид углерода после стадии абсорбционной очистки в поток свежего синтез-газа, подаваемого в реактор синтеза метанола, доводят объемное отношение Н2-CO2/СО+СО2 до оптимального по производительности. Важным эффектом является снижение выброса диоксида углерода в атмосферу. Исходный природный газ используется для получения крупнотоннажного товарного продукта - метанола, повышающего рентабельность всего производства в целом. Кроме того, в процессе синтеза метанола происходит получение гелиевого концентрата и очистка продуктового водорода от оксидов углерода.

Для очистки гелиевого концентрата от остаточного содержания водородсодержащих веществ можно применить каталитическое окисление на катализаторе 20 с последующим удалением водяного пара и диоксида углерода, например, применяя короткоцикловую адсорбцию 21.

В другом примере, в вариантах конверсии может применяться кислородно-пароуглекислотная каталитическая конверсия, в которой за счет окисления части исходного природного газа выделяется тепло, необходимое для получения синтез-газа, что устраняет необходимость внешнего нагрева парогазовой смеси для производства метанола и/или диметилового эфира.

Обогащенный по гелию поток направляют на дальнейшую мембранную или адсорбционную сепарацию 21, в которых выделяют продуктовый гелиевый концентрат.

Учитывая необходимость снижения работы сжатия, процесс ведут при давлении, минимально отличном от давления синтеза последующей товарной продукции, которое составляет в различных технологиях от 6 до 10 МПа, или давления, выдаваемого для последующего использования водорода или гелиевого концентрата (от 2 до 9 МПа).

Процессы производства гелиевого концентрата из газовых потоков, содержащих, например, другие низшие алканы (этан, пропан, бутан), проводят аналогично изложенным выше примерам.

За счет реализации предложенного способа повышается коэффициент использования природного газа и создаются технологические возможности по уменьшению затрат энергии на производство гелия в связи с резким снижением объемов газа, подвергаемого криогенной ректификации.


СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 262 items.
10.01.2013
№216.012.1845

Способ осаждения мономолекулярных пленок фторфуллерена cf на подложку, устройство ввода подложки в вакуум и устройство для испарения фторфуллерена cf

Изобретение может быть использовано в нелинейной оптике и пироэлектрических устройствах. Перед осаждением пленки подготавливают подложку, отделяя от высокоориентированного пирографита тонкий слой с помощью двусторонней липкой ленты. Порошок CF загружают в испарительную ячейку, помещают в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471705
Дата охранного документа: 10.01.2013
20.02.2013
№216.012.2632

Способ получения нанопорошков из различных электропроводящих материалов

Изобретение может быть использовано в химической, радиоэлектронной отраслях промышленности и энергетике. Из выбранного материала изготавливаются электропроводящие электроды. На электроды подают высоковольтное импульсное напряжение для генерации сильноточного разряда, происходит нагрев и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475298
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.283c

Способ постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах (варианты)

Изобретения относятся к области вычислительной техники и электроники и более точно к способам поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, в том числе в наноэлектронных системах, подвергающихся воздействию радиации и в первую очередь потока высокоэнергетических частиц....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475820
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.286d

Ядерный реактор с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов и способ осуществления его работы

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в реакторах типа ВВЭР с активной зоной на основе микротвэлов, включающих тепловыделяющие сборки с поперечным течением теплоносителя. Для этого предложен ядерный реактор с водой под давлением с активной зоной на основе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475869
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.289d

Система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения с широтно-импульсной модуляцией на высокой стороне трансформаторной подстанции

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении качества напряжения и улучшении энергетических и массогабаритных показателей подстанций. Устройство содержит вольтодобавочный трансформатор, который включен на высокой стороне подстанции и управляется от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475917
Дата охранного документа: 20.02.2013
10.03.2013
№216.012.2eec

Многоэлементный термоэмиссионный электрогенерирующий канал

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании энергетических установок прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Технический результат - повышение эффективности многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов. Для этого эмиттеры...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477543
Дата охранного документа: 10.03.2013
20.03.2013
№216.012.2f8a

Способ получения в графите графеновых ячеек с добавкой радиоактивных изотопов

Изобретение относится к области неорганического материаловедения, к способам получения материалов - бета-излучателей на основе ориентированного пиролитического графита. Процесс интеркаляции добавки трития в ориентированный графит с сечением захвата тепловых нейтронов около (4,5-6,0)10 барн...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477705
Дата охранного документа: 20.03.2013
20.03.2013
№216.012.304b

Ядерная паропроизводительная установка

Изобретение относится к высокотемпературной ядерной энергетике и может быть использовано для реновации блоков с органическим топливом. Ядерная паропроизводительная установка включает высокотемпературный реактор, снабженный парогенератором и промперегревателем. Для обеспечения паром необходимых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477898
Дата охранного документа: 20.03.2013
20.03.2013
№216.012.304f

Способ формирования проводников в наноструктурах

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур и может быть использовано в нанотехнологии. Сущность изобретения: способ формирования проводников в наноструктурах включает нанесение на подложку исходного диэлектрического вещества, в молекулы которого входят атомы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477902
Дата охранного документа: 20.03.2013
27.03.2013
№216.012.30fc

Способ получения метановодородной смеси

Изобретение относится к области химии. Способ получения метановодородной смеси осуществляют путем подачи природного газа по трубопроводу 1 в сатуратор 2, заполняемый циркулирующим конденсатом водяного пара 3, для получения смешанного газового потока 4, в который на выходе из сатуратора 2...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478078
Дата охранного документа: 27.03.2013
Showing 1-10 of 164 items.
10.01.2013
№216.012.1845

Способ осаждения мономолекулярных пленок фторфуллерена cf на подложку, устройство ввода подложки в вакуум и устройство для испарения фторфуллерена cf

Изобретение может быть использовано в нелинейной оптике и пироэлектрических устройствах. Перед осаждением пленки подготавливают подложку, отделяя от высокоориентированного пирографита тонкий слой с помощью двусторонней липкой ленты. Порошок CF загружают в испарительную ячейку, помещают в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471705
Дата охранного документа: 10.01.2013
20.02.2013
№216.012.2632

Способ получения нанопорошков из различных электропроводящих материалов

Изобретение может быть использовано в химической, радиоэлектронной отраслях промышленности и энергетике. Из выбранного материала изготавливаются электропроводящие электроды. На электроды подают высоковольтное импульсное напряжение для генерации сильноточного разряда, происходит нагрев и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475298
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.283c

Способ постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах (варианты)

Изобретения относятся к области вычислительной техники и электроники и более точно к способам поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, в том числе в наноэлектронных системах, подвергающихся воздействию радиации и в первую очередь потока высокоэнергетических частиц....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475820
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.286d

Ядерный реактор с водой под давлением с активной зоной на основе микротвэлов и способ осуществления его работы

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в реакторах типа ВВЭР с активной зоной на основе микротвэлов, включающих тепловыделяющие сборки с поперечным течением теплоносителя. Для этого предложен ядерный реактор с водой под давлением с активной зоной на основе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475869
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.289d

Система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения с широтно-импульсной модуляцией на высокой стороне трансформаторной подстанции

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении качества напряжения и улучшении энергетических и массогабаритных показателей подстанций. Устройство содержит вольтодобавочный трансформатор, который включен на высокой стороне подстанции и управляется от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475917
Дата охранного документа: 20.02.2013
10.03.2013
№216.012.2eec

Многоэлементный термоэмиссионный электрогенерирующий канал

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании энергетических установок прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Технический результат - повышение эффективности многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов. Для этого эмиттеры...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477543
Дата охранного документа: 10.03.2013
20.03.2013
№216.012.2f8a

Способ получения в графите графеновых ячеек с добавкой радиоактивных изотопов

Изобретение относится к области неорганического материаловедения, к способам получения материалов - бета-излучателей на основе ориентированного пиролитического графита. Процесс интеркаляции добавки трития в ориентированный графит с сечением захвата тепловых нейтронов около (4,5-6,0)10 барн...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477705
Дата охранного документа: 20.03.2013
20.03.2013
№216.012.304b

Ядерная паропроизводительная установка

Изобретение относится к высокотемпературной ядерной энергетике и может быть использовано для реновации блоков с органическим топливом. Ядерная паропроизводительная установка включает высокотемпературный реактор, снабженный парогенератором и промперегревателем. Для обеспечения паром необходимых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477898
Дата охранного документа: 20.03.2013
20.03.2013
№216.012.304f

Способ формирования проводников в наноструктурах

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур и может быть использовано в нанотехнологии. Сущность изобретения: способ формирования проводников в наноструктурах включает нанесение на подложку исходного диэлектрического вещества, в молекулы которого входят атомы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477902
Дата охранного документа: 20.03.2013
27.03.2013
№216.012.30fc

Способ получения метановодородной смеси

Изобретение относится к области химии. Способ получения метановодородной смеси осуществляют путем подачи природного газа по трубопроводу 1 в сатуратор 2, заполняемый циркулирующим конденсатом водяного пара 3, для получения смешанного газового потока 4, в который на выходе из сатуратора 2...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478078
Дата охранного документа: 27.03.2013
+ добавить свой РИД