СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Изобретение относится к области разделения газовых смесей с помощью мембран и производства товарного гелия и может использоваться в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ разделения и/или очистки газовых смесей, в котором предлагается способ разделения и/или очистки газовых смесей, содержащих труднопроникающие и легкопроникающие через полупроницаемую мембрану компоненты, при этом сырьевой газ подается на мембрану и делится на поток высокого давления с одной стороны полупроницаемой мембраны, обогащающийся трудно проникающими компонентами, и поток низкого давления с другой стороны мембраны, обогащающийся легкопроникающими компонентами, в т.ч. гелием, после прохождения через мембрану отбирают поток газовой смеси высокого давления, обогащенного трудно проникающим компонентом, в количестве не более 15% от потока сырьевой газовой смеси, а поток низкого давления компримируют [RU 2322284 C1, B01D 53/00 (2006.01), 20.04.2008].

К недостаткам известного способа разделения и/или очистки газовой смеси от гелия следует отнести высокие энергозатраты на извлечение гелия, так как за один цикл прохождения газа через мембрану в поток низкого давления отбирается не менее 85% газа от входного потока, который затем поочередно многократно компримируется и снова пропускается через мембрану для достижения необходимой степени извлечения гелия, а также низкую производительность процесса по очищенному от гелия газу. Так, поток товарного газа, из которого проведено извлечение гелия после одного цикла, составляет всего 15% от сырьевого.

Также известна установка очистки природного газа высокого давления от гелия, которая содержит два мембранных модуля с полостями высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной, и трубопровод отвода газовой смеси с повышенным содержанием гелия. Полость высокого давления первого мембранного модуля с одной стороны сообщена с подводящим трубопроводом сырьевого газа, а с другой стороны - с выходным трубопроводом для отвода природного газа, из которого извлечен гелий. Полость низкого давления первого мембранного модуля соединена трубопроводом отвода проникшего газа, в котором установлен первый компрессор, - с полостью высокого давления второго мембранного модуля, подключенную с другой стороны к трубопроводу отвода непроникшей газовой смеси, при этом полость низкого давления второго мембранного модуля соединена вторым трубопроводом отвода проникшего газа с входом второго компрессора. Трубопровод отвода непроникшей газовой смеси в полости высокого давления второго мембранного модуля подключен к выходному трубопроводу, а к выходу второго компрессора подключен трубопровод отвода газовой смеси с повышенным содержанием гелия [RU 114423 U1, B01D 53/00 (2006.01), B01D 63/02 (2006.01), 27.03.2012].

К недостаткам известной установки очистки природного газа от гелия следует отнести необходимость использования большего количества мембранных элементов для обеспечения необходимой остаточной концентрации гелия на второй стадии мембранной установки. Кроме того, в известной установке не предусматривается возможность рекуперации тепла скомпримированного потока пермеата первой стадии мембранной установки, полученная в результате его сжатия, что способствует дополнительным затратам энергии на подогрев сырьевого газа, который в большинстве случаев необходим при подготовке природного газа в районах с холодным климатом.

В наиболее близком аналоге двухступенчатого мембранного процесса известна очистка углеводородного газа посредством его пропускания через первую стадию мембранной установки для получения обогащенного углеводородами непроникшего газового потока и обедненного по углеводородам потока пермеата с последующим компримированием потока пермеата и пропусканием его через вторую стадию мембранной установки, разделенную на первую и вторую секции, где каждая секция имеет свой непроникший и проникший газовые потоки и где непроникший поток первой секции является сырьевым потоком второй секции, причем непроникший поток второй секции второй стадии соединяется с потоком сырьевого газа, а проникший поток второй секции второй стадии соединяется с потоком пермеата первой стадии [WO 2012050816, C10G 31/09 (2006.01), B01D 61/58 (2006.01), 19.04.2012].

Недостатками наиболее близкого аналога являются высокая площадь поверхности мембраны, т.к. для увеличения выхода углеводородов предусматривается направление непроникшего потока после второй секции второй стадии мембранной установки в поток сырьевого газа, что приводит к соответствующему увеличению требуемой мембранной поверхности на первой стадии процесса, в то время как для целей извлечения гелия данные затраты являются нерациональными. Это связано с тем, что основной задачей известного способа является обеспечение наиболее высокого уровня извлечения углеводородов с наименьшими затратами энергии на компримирование и наименьшей площадью мембранной поверхности.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение степени извлечения гелия из природного газа за счет применения вакуумных насосов на линиях пермеата первой и второй секциях второй стадии мембранной установки, а также снижение площади поверхности мембраны на первой и второй секции второй стадии мембранной установки. Кроме того, техническим результатом заявленного изобретения является снижение площади мембранной поверхности первой стадии за счет направления непроникшего потока второй секции второй стадии на смешение с непроникшим потоком первой мембранной стадии, а не с потоком сырьевого газа, что увеличивает степень извлечения углеводородов, однако в то же время способствует увеличению площади поверхности первой мембранной стадии и не оказывает влияния на степень извлечения гелия, а также на обеспечение возможности получения товарного гелия из полученного на установке после первой секции второй стадии процесса разделения обогащенного гелием газа. Также техническим результатом заявленного изобретения является снижение энергетических затрат за счет рекуперации тепла скомпримированного после первой стадии мембранной установки газового потока посредством его использования для подогрева потока сырьевого газа.

На Фиг.1 представлена схема способа извлечения гелия из природного газа.

Способ извлечения гелия из природного газа включает подводящий трубопровод сырьевого газа 1, соединенный с теплообменным аппаратом 2, который с другой стороны соединен с отводящим трубопроводом нагретого потока сырьевого газа 3, который соединен с первой стадией мембранной установки процесса извлечения гелия 4, имеющей область высокого 5 и низкого 6 давления. Трубопровод 7, соединен с одной стороны с областью низкого давления 6 первой стадии мембранной установки извлечения гелия 4, откуда отводится обогащенный гелием газ, а трубопровод 8 соединен с областью высокого давления 5 первой стадии мембранной установки извлечения гелия 4, откуда отводится обедненный по гелию углеводородный газ. Область низкого давления 6 соединена трубопроводом 7, по которому транспортируется проникший через мембрану обогащенный гелием газовый поток. К трубопроводу 7 осуществляется примыкание трубопровода 29, который соединен с выходным патрубком компрессора 28, на котором дожимается обогащенный гелием газ, полученный в качестве проникшего потока и отводящийся с зоны низкого давления 6 второй секции 15 второй стадии мембраны 13. Полученный после смешения газовых потоков, поступающих по трубопроводам 7 и 29, поток обогащенного гелием газа по трубопроводу 9 направляется на вход компрессора 10, дожимается и по трубопроводу 11 направляется на вход теплообменника 2 с получением на выходе из него охлажденного до требуемой температуры газового потока 12, поступающего на вход второй стадии мембраны 13, состоящей из первой секции 14 и второй секции 15 мембранной установки, имеющих области высокого 5 и низкого 6 давления. Область низкого давления 6 первой секции 14 второй стадии мембраны 13 мембранной установки соединена трубопроводом отводом проникшего газового потока 16, который обогащен гелием с вакуумным насосом 17, за счет которого обеспечивается остаточное давление потока в зоне низкого давления 6 первой секции 14 второй стадии мембраны 13 мембранной установки. Это позволяет обеспечить более высокую производительность первой секции 14 второй стадии мембраны 13 мембранной установки за счет увеличения перепада давления между зоной высокого 5 и низкого 6 давления, а также обеспечить большую степень извлечения гелия в проникший газовый поток, отводимый из зоны низкого давления 6 первой секции 14 второй стадии мембраны 13 мембранной установки трубопроводом 16. Полученный после вакуумного насоса 17 поток обогащенного гелием газа трубопроводом 18 подается на компрессор 19, дожимается до значения давления в зависимости от последующего направления его использования и трубопроводом 20 направляется на закачку в подземное хранилище по трубопроводу 31 или на блок получения товарного гелия 21, включающего комплекс абсорбционных, адсорбционных и низкотемпературных процессов, который соединен с трубопроводом 30, по которому отводится товарный гелий. Область высокого давления 5 первой секции 14 второй стадии мембраны 13 мембранной установки соединена трубопроводом 22 со второй секцией 15 второй стадии 13 мембранной установки, имеющей зону высокого 5 и низкого 6 давления. Область высокого давления второй секции 15 второй стадии 13 мембранной установки соединена трубопроводом 23, по которому отводится обедненный по гелию углеводородный газ, с трубопроводом 8. Обедненный по гелию углеводородный газ, полученный смешением потоков газа, поступающих по трубопроводам 8 и 23 по трубопроводу 24, может направляться на переработку, использоваться на собственные нужны объектов добычи, транспорта и переработки газа или транспортироваться для последующего использования. Область низкого давления второй секции 15 второй стадии мембраны 13 мембранной установки трубопроводом 25 соединена вакуумным насосом 26, за счет которого обеспечивается давление потока в зоне низкого давления 6 второй секции 15 второй стадии мембраны 13 мембранной установки. Это позволяет обеспечить более высокую производительность второй секции 15 второй стадии мембраны 13 за счет увеличения перепада давления между зоной высокого 5 и низкого 6 давления, а также обеспечить большую степень извлечения гелия в проникший газовый поток, отводимый из зоны низкого давления 6 второй секции 15 второй стадии мембраны 13 трубопроводом 25. Полученный после вакуумного насоса 26 поток обогащенного гелием газа трубопроводом 27 подается на компрессор 28, дожимается и отводится по трубопроводу 29 на смешение с обогащенным гелием газом, транспортируемым по трубопроводу 7, и/или на блок получения товарного гелия 21.

В зависимости от содержания гелия в составе сырьевого газа, поступающего в трубопровод 1, и требований к остаточному содержанию гелия в обеденном по гелию газе, транспортируемому по трубопроводу 24, возможно обеспечение работы системы без использования вакуумного насоса 26.

Мембраны 4, 14 и 15 представляют собой полимерный материал, скорость проникновения через который молекул гелия много выше скорости проникновения молекул углеводородов, в том числе метана. Материал мембраны формируется в виде специальных единичных сборок и может располагаться в специально изготовленном для них корпусе как последовательно, так и параллельно.

Первая секция 14 и вторая секция 15 второй стадии мембраны 13 мембранной установки могут располагаться в одном специально изготовленном для них корпусе.

Сырьевой природный газ, содержащий гелий, по трубопроводу 1 проходит через теплообменный аппарат 2, где нагревается с получением нагретого потока сырьевого гелийсодержащего газа 3, который подается на первую стадию 4 мембранной установки, имеющую зону высокого 5 и низкого давления 6, который отделены между собой собственно мембраной. На мембране происходит разделение потока природного газа на обедненный по гелию и обогащенный по углеводородам не проникший через мембрану поток газа 8 и обогащенный по гелию и обедненный по углеводородам проникший через мембрану поток газа низкого давления 7. Обогащенный гелием газ низкого давления смешивается с проникшим потоком второй секции 15 второй стадии мембраны 13 мембранной установки и дожимается компрессором 10, затем для охлаждения газа трубопроводом 11 подается в теплообменный аппарат 2 с получением потока 12 одновременно нагревая поток сырьевого газа и подается на вторую стадию мембраны 13 мембранного разделения. На первой секции 14 второй стадии мембраны 13 мембраной установки происходит разделение потока природного газа на обедненный по гелию и обогащенный по углеводородам не проникший через мембрану поток газа 22 и обогащенный по гелию и обедненный по углеводородам проникший через мембрану поток газа низкого давления 16. При этом на линии потока 16 установлен вакуумный насос 17, обеспечивающий больший перепад давления между зоной высокого давления и зоной низкого давления первой секции 14 второй стадии мембранной установки и соответственно большую степень извлечения гелия из потока 12 в поток 16. Полученный обогащенный гелием проникший поток подается по трубопроводу 18 на компрессор 19, где дожимается до необходимого давления, и далее подается на блок получения товарного гелия 21 или на закачку в подземное хранилище по трубопроводу 31. Не проникший через мембрану 14 поток газа направляется на разделение на вторую секцию 15 второй стадии мембраны 13 мембранного разделения с получением на мембране проникшего через нее потока газа 25, обогащенного гелием, и не проникшего через нее потока газа 23, обедненного по гелию и обогащенного по углеводородам. Потоки газа 8 и 23, обедненные по гелию, смешиваются и далее транспортируются трубопроводом 24 до потребителя. На линии обогащенного гелием газа возможна установка вакуумного насоса 26 для обеспечения большего перепада давления между зоной высокого давления и зоной низкого давления второй секции 15 второй стадии мембраны 13 мембранной установки. После вакуумного насоса поток газа, обогащенного гелием, дожимается на компрессоре 28 и по трубопроводу 29 подается на смешение с потоком газа 7 и/или по трубопроводу 32 на блок получения товарного гелия 21.

Таким образом, обеспечение работы блока получения товарного гелия 21 возможно с использованием в качестве сырья проникшего потока первой секции второй стадии мембранной установки и/или проникшего потока второй секции второй стадии мембранной установки, что позволяет обеспечить гибкое регулирование объемов получаемого товарного гелия.