EA037510B1 - Способ получения жидкого гелия - Google Patents

Способ получения жидкого гелия Download PDF

Info

Publication number
EA037510B1
EA037510B1 EA201792146A EA201792146A EA037510B1 EA 037510 B1 EA037510 B1 EA 037510B1 EA 201792146 A EA201792146 A EA 201792146A EA 201792146 A EA201792146 A EA 201792146A EA 037510 B1 EA037510 B1 EA 037510B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
helium
purifier
nitrogen
liquefier
temperature
Prior art date
Application number
EA201792146A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201792146A1 (ru
Inventor
Бертранд Демольян
Жан-Марк Бернард
Равья Али Саид
Дельфин Пишо
Антуан Эрнандес
Жан-Марк Тсевери
Жан-Марк Пейрон
Original Assignee
Льер Ликид, Сосьете Аноним Пур Льетюд Э Льексплоатасён Дэ Проседе Жорж Клод
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Льер Ликид, Сосьете Аноним Пур Льетюд Э Льексплоатасён Дэ Проседе Жорж Клод filed Critical Льер Ликид, Сосьете Аноним Пур Льетюд Э Льексплоатасён Дэ Проседе Жорж Клод
Publication of EA201792146A1 publication Critical patent/EA201792146A1/ru
Publication of EA037510B1 publication Critical patent/EA037510B1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/06—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation
    • F25J3/063—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream
    • F25J3/0685—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream separation of noble gases
    • F25J3/069—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream separation of noble gases of helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0005—Light or noble gases
    • F25J1/0007—Helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/0035—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work
    • F25J1/0037—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work of a return stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0221—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop
    • F25J1/0224—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop in combination with an internal quasi-closed refrigeration loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
    • F25J1/0235—Heat exchange integration
    • F25J1/0237—Heat exchange integration integrating refrigeration provided for liquefaction and purification/treatment of the gas to be liquefied, e.g. heavy hydrocarbon removal from natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0259—Modularity and arrangement of parts of the liquefaction unit and in particular of the cold box, e.g. pre-fabrication, assembling and erection, dimensions, horizontal layout "plot"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/06—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation
    • F25J3/063—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream
    • F25J3/066—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by partial condensation characterised by the separated product stream separation of nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/40—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using hybrid system, i.e. combining cryogenic and non-cryogenic separation techniques
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/42—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/04—Recovery of liquid products
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2220/00—Processes or apparatus involving steps for the removal of impurities
    • F25J2220/02—Separating impurities in general from the feed stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/12—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2260/00—Coupling of processes or apparatus to other units; Integrated schemes
    • F25J2260/20—Integration in an installation for liquefying or solidifying a fluid stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/04—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/06—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop with multiple gas expansion loops
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/904—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by liquid or gaseous cryogen in an open loop

Abstract

Настоящее изобретение относится к установке для получения жидкого гелия из смеси (5) на основе исходного газа, по сути, содержащей азот и гелий. Установка содержит криогенный очиститель (2), содержащий систему (9) для выделения азота из смеси на основе исходного газа с целью получения гелия при температуре, которая ниже температуры исходного газа. Установка (1) также содержит ожижитель (3) гелия, в котором гелий вовлекается в рабочий цикл, включающий последовательно: сжатие гелия; охлаждение и декомпрессию сжатого гелия; повторное нагревание охлажденного и декомпрессированного гелия. Установка содержит линию (4) передачи гелия, соединяющую выходное отверстие очистителя (2) с входным отверстием ожижителя с целью передачи гелия, полученного с помощью очистителя (2), в рабочий цикл ожижителя (3). Установка характеризуется тем, что криогенный очиститель (2) содержит систему (8) для декомпрессии, которая содержит входное отверстие для соединения с источником (6) газообразного азота под давлением. Указанная система (8) для декомпрессии (7) газообразного азота находится в теплообмене с системой (9) выделения с целью передачи холода от декомпрессированного газообразного азота к указанной системе (9) выделения.

Description

Настоящее изобретение относится к установке и способу получения гелия.
Настоящее изобретение относится к очистке и сжижению гелия.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к установке для получения жидкого гелия из смеси на основе исходного газа, по сути, содержащей азот и гелий, при этом установка содержит криогенный очиститель, содержащий контур для выделения азота из смеси на основе исходного газа с целью получения гелия при температуре, которая ниже температуры исходного газа, при этом установка дополнительно содержит ожижитель гелия, в котором гелий вовлекается в рабочий цикл, включающий последовательно: сжатие гелия, охлаждение и расширение сжатого гелия, повторное нагревание охлажденного и расширенного гелия, при этом установка содержит линию передачи гелия, которая соединяет выходное отверстие очистителя с входным отверстием ожижителя с целью передачи гелия, полученного с помощью очистителя, в рабочий цикл ожижителя.
Настоящее изобретение, в частности, относится к получению жидкого гелия на установке, которая образует смесь гелия и азота и необязательно других остатков.
Данный исходный газ, в основном образованный из азота и гелия в равных количествах, в частности, может быть доступным на заводах для получения природного газа.
В этом виде установки азот, который отделили от природного газа выше по потоку, обычно является доступным.
Жидкий азот можно применять в устройствах для сжижения гелия. Это позволяет уменьшить длительность рабочего цикла гелия, поскольку в этом случае гелий из цикла сжижения можно охлаждать примерно от 80 до 4 K (вместо охлаждения от температуры окружающей среды до 4 K). Тем не менее для этого решения требуется добавление дополнительного теплообменника в установку и сосуд для испарения жидкого азота в вакуумной камере с целью рекуперации холода из жидкого азота.
Вакуумная камера охлаждения ожижителя также обычно содержит адсорберы с целью отделения гелия от следовых количеств атмосферного газа с целью предотвращения их замерзания на этапе ниже по потоку способа. Эти следовые количества атмосферного газа могут определять размеры вакуумной камеры.
Одна из целей настоящего изобретения состоит в преодолении всех или некоторых недостатков предыдущего уровня техники, приведенного выше.
В связи с этим установка по настоящему изобретению, более того в соответствии с общим определением, приведенным выше во вводной части, по сути, характеризуется тем, что криогенный очиститель содержит контур расширения, содержащий входное отверстие, предназначенное для соединения с источником газообразного азота под давлением, при этом указанный контур для расширения газообразного азота находится в теплообмене с контуром выделения с переносом фригорий от расширенного газообразного азота к указанному контуру выделения.
Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут включать один или несколько из следующих признаков:
контур выделения очистителя содержит по меньшей мере один теплообменник, находящийся в теплообмене со смесью на основе исходного газа с целью ее охлаждения, и по меньшей мере один сосуд для выделения, при этом контур (8) для расширения газообразного азота под давлением находится в теплообмене с по меньшей мере одним теплообменником контура выделения;
контур (8) для расширения газообразного азота под давлением содержит по меньшей мере две турбины для расширения газообразного азота и две отдельные части, находящиеся в теплообмене с по меньшей мере одним теплообменником контура выделения, при этом две отдельные части расположены соответственно ниже по потоку относительно двух турбин расширения;
контур выделения содержит по меньшей мере одно устройство очистки адсорбционного типа для выделения азота из смеси;
ожижитель гелия содержит компрессорную станцию, предназначенную для осуществления сжатия гелия в ходе рабочего цикла, и камеру охлаждения, предназначенную для осуществления охлаждения и расширения гелия, сжатого в ходе рабочего цикла, устройство для охлаждения гелия в цикле, выходящее из компрессорной станции, встроено в криогенный очиститель в теплоизолированном общем корпусе, при этом камера охлаждения ожижителя расположена в отдельном теплоизолированном корпусе, который предусматривает вакуумную изоляцию;
по меньшей мере одна часть компрессорной станции встроена в криогенный очиститель (3) в теплоизолированном общем корпусе, который расположен отдельно от корпуса, включающего камеру охлаждения ожижителя;
камера охлаждения ожижителя гелия содержит четыре турбины для расширения газообразного гелия в ходе рабочего цикла, и компрессорная станция содержит ступень компрессора рабочего газа в рабочем цикле.
Настоящее изобретение также относится к способу получения жидкого гелия из смеси на основе исходного газа, по сути, содержащей азот и гелий, с применением установки в соответствии с любым из указанных выше или ниже признаков, при этом смесь на основе исходного газа содержит азот и гелий в молярных концентрациях от 50 до 65% (например, от 55 до 60%, в частности 57%) и от 35 до 50% соот- 1 037510 ветственно (например, от 40 до 45%, в частности 42%), при этом смесь на основе исходного газа необязательно в остаточных количествах содержит по меньшей мере один из элементов, перечисленных ниже:
аргон, кислород, неон в долях, составляющих, например, от 0,15 до 0,5%, в частности 0,22%, при этом данная смесь на основе исходного газа характеризуется давлением от 15 до 35 бар и температурой от 273 до 323 K, например 300 K.
В соответствии с другими возможными отличительными признаками во входное отверстие очистителя для газообразного азота подают газообразный азот под давлением от 15 до 50 бар, например 40 бар, при температуре от 273 до 323 K;
гелий, полученный с помощью очистителя, выходящий через его выходное отверстие, характеризуется давлением от 15 до 35 бар и температурой, например, от 77 до 90 K и, например, от 80 до 85 K, в частности 82 K;
ожижитель гелия выполнен с возможностью только охлаждать гелий в ходе рабочего цикла от значения температуры у выходного отверстия очистителя до температуры 4 K.
Настоящее изобретение также может относиться к любому альтернативному устройству или способу, которые содержат любую комбинацию признаков, изложенных выше или ниже.
Другие отличительные признаки и преимущества станут очевидными после прочтения описания, приведенного ниже со ссылкой на фигуры, где фиг. 1 представляет собой схематическую и частичную фигуру, иллюстрирующую структуру и работу установки по настоящему изобретению;
на фиг. 2 и 3 схематически и частично проиллюстрированы структура и работа двух примеров возможного осуществления настоящего изобретения.
Установка 1 для получения жидкого гелия, представленная схематически на фиг. 1, содержит криогенный очиститель 2 (криогенная установка для обогащения). В данный очиститель 2 подают смесь 5 на основе исходного газа (гелий и азот) с целью получения после очистки (криогенного разделения) чистого или практически чистого гелия, а именно гелия, пригодного для подачи в ожижитель 3 гелия.
Например, азот и гелий присутствуют в данной смеси на основе исходного газа в молярных концентрациях от 50 до 65% (например, от 55 до 60%, в частности 57%) и от 35 до 50% соответственно (например, от 40 до 45%, в частности 42%). Смесь на основе исходного газа необязательно в остаточных количествах содержит по меньшей мере один из элементов, указанных ниже (аргон, кислород, неон) в долях, составляющих, например, от 0,15 до 0,5% (в частности, 0,22%). Данная смесь на основе исходного газа может характеризоваться давлением от 15 до 35 бар и температурой от 273 до 323 K, например 300 K.
Очиститель 2 обычно содержит контур 9 для выделения азота из смеси на основе исходного газа с целью получения гелия при температуре, которая ниже температуры исходного газа. Контур 9 выделения обычно предусматривает стадии охлаждения (в частности, путем теплообмена с охлаждающим теплообменником 10) и один или несколько проходов через сосуд 11, 12 для выделения, и расширения (клапан 20). Более того, смесь могут подвергать одной или нескольким стадиям очистки посредством адсорбции (посредством одного или нескольких устройств 14, 15, в частности PSA''-типа - короткоцикловой безнагревной адсорбции) с целью отделения смеси от содержащегося в ней азота.
Как видно на фиг. 2, контур 9 выделения очистителя 2 может содержать по меньшей мере один теплообменник 10, находящийся в теплообмене со смесью на основе исходного газа с целью ее охлаждения, и два сосуда 11, 12 для выделения. Азот извлекают, в частности полученный сжиженный азот 21 можно извлечь в баке для извлечения (не представлен на фигурах).
Контур 8 для расширения газообразного азота под давлением может находится в теплообмене с по меньшей мере одним теплообменником 10 контура 9 выделения.
Очиститель может, в частности, не содержать ректификационной колонны.
Установка 1 дополнительно содержит ожижитель 3 гелия, который обычно направляет гелий в рабочий цикл, включающий последовательно: сжатие гелия (на компрессорной станции), охлаждение и расширение сжатого гелия (в камере охлаждения), повторное нагревание охлажденного и расширенного гелия с целью вернуть его на компрессорную станцию для повторения цикла.
Установка 1 содержит линию 4 передачи гелия, которая соединяет выходное отверстие очистителя 2 с входным отверстием ожижителя 3. Данная линия 4 передачи предусмотрена для передачи гелия, полученного с помощью очистителя 2, в рабочий цикл ожижителя 3.
В соответствии с одним предпочтительным признаком криогенный очиститель 2 содержит входное отверстие для газообразного азота, предназначенное для соединения с источником 6 газообразного азота под давлением, доступного в установке.
Как показано на фиг. 2, с данной целью очиститель 2 содержит контур 8 для расширения 7 газообразного азота под давлением. Данный контур 8 расширения находится в теплообмене с контуром 9 выделения для обеспечения переноса фригорий от расширенного газообразного азота к указанному контуру 9 выделения. Другими словами, энергия от газообразного азота переносится в способе очистки и охлаждения исходной смеси.
Более конкретно, контур 8 для расширения 7 газообразного азота под давлением может находиться в теплообмене с теплообменником 10 контура 9 выделения с целью обеспечения фригорий, которые
- 2 037510 применяются в криогенном разделении азота и исходной смеси.
Контур 8 для расширения 7 газообразного азота под давлением может содержать одну или предпочтительно по меньшей мере две турбины 13 для расширения газообразного азота и две отдельные части, находящиеся в теплообмене с теплообменником 10 контура 9 выделения. Две отдельные части, находящиеся в теплообмене с теплообменником 10, расположены, например, соответственно ниже по потоку относительно двух турбин 13 для расширения азота.
Данный газообразный азот под давлением доступен, например, с давлением от 15 до 50 бар (например, 40 бар) и температурой от 273 до 323 K.
Гелий, полученный с помощью очистителя 3, выходящий через его выходное отверстие, характеризуется давлением, например, от 15 до 35 бар и температурой, например, от 77 до 90 K и, например, от 80 до 85 K (как правило, составляющую 82 K).
В соответствии с данной конструкцией гелий, полученный с помощью очистителя 2, возвращают холодным непосредственно в рабочий цикл ожижителя 3. Это обеспечивает возможность уменьшить холодопроизводительность ожижителя 3, поскольку ему только необходимо охладить гелий от 80 K (температура гелия, полученного с помощью очистителя 2) до 4 K (целевая температура сжижения).
В соответствии с известными способами данный гелий необходимо охладить от температуры окружающей среды (примерно 300 K) до 4 K.
Настоящее изобретение обеспечивает возможность уменьшить размер и мощность ожижителя 3 установки 1.
Таким образом, ожижитель 3 может работать в режиме рефрижератора на участке цикла от 300 до 80 K (другими словами, на этом участке рабочего цикла на выходном отверстии из компрессорной станции охлаждается/расширяется столько же гелия, сколько гелия повторно нагревается и возвращается на компрессорную станцию). С другой стороны, от 80 до 4 K ожижитель может работать в режиме ожижителя (другими словами, на фазе расширения/охлаждения находится больше гелия, чем на фазе повторного нагрева и возвращения на компрессорную станцию).
Данный рабочий режим рефрижератора на участке цикла от 300 до 80 K является гораздо более энергоэффективным, чем рабочий режим ожижителя, поскольку значения расхода жидкости в рабочем цикле сбалансированы (в обоих направлениях).
Конкретно данное решение обеспечивает возможность переноса холодопроизводительности от 300 до 80 K из компрессорной станции ожижителя 3 в компрессор азота очистителя 2.
Сжатие азота (в частности, центробежным(ми) компрессором(и)) является намного более энергоэффективным, чем сжатие гелия (в частности, винтовым(ми) компрессором(и) с впрыскиванием масла). Кроме того, эффективность двигателя компрессора для азота (который обладает большей мощностью) будет больше, чем у винтового компрессора. Конкретно эффективность двигателя компрессора возрастает с увеличением его размера.
Таким образом, данное изменение улучшит энергоэффективность установки 1.
Получение холодного (80 K) гелия через выходное отверстие очистителя 2 также обеспечивает возможность исключить две турбины горячего расширения в ожижителе 3. Данные две турбины можно заменить двумя турбинами для азота на стороне очистителя 2.
Данные две турбины 13 для азота (как правило, турбины с масляным подшипником) являются более эффективными и менее сложными в производстве, чем турбины с газовым подшипником для гелия в ожижителе 3.
Путем удаления двух первых турбин 18 в ожижителе 3 становится возможным значительно уменьшить обратный поток до среднего давления в рабочем цикле гелия ожижителя 3.
Другая оптимизация ожижителя 3 обеспечивает возможность исключить возвращение гелия к среднему давлению в рабочем цикле ожижителя 3. Это может позволить ожижителю 3 работать с одним компрессором в цикле, который будет работать, например, от 1 до 15 бар. Данный компрессор 19 в цикле также может состоять из одного винта с впрыскиванием масла.
Таким образом, данные улучшения обеспечивают возможность значительно уменьшить требования к компрессору в цикле в ожижителе 3. Таким образом, давление в цикле также отделено от давления подачи. Это обеспечивает возможность получить дополнительный параметр с целью полной оптимизации завода, включающего данную установку.
Адсорберы 15 очистителя 2 (например, при температуре 80 K) можно включить в тепло изолированную камеру охлаждения (обычно изолированную перлитом, на практике оболочку предпочтительно изолируют минеральной ватой с целью сохранения возможности обслуживания). Это обеспечивает возможность уменьшить размер вакуумной камеры охлаждения.
Регенерацию данных адсорберов можно проводить с помощью газа у выходного отверстия PSA 14 при температуре окружающей среды. Повторное охлаждение цилиндра очистки, содержащего адсорбер после регенерации, можно проводить с помощью гелия у выходного отверстия (или у входного отверстия) указанного цилиндра на линии.
Часть полученного жидкого азота 21 можно выводить из установки 1. Данный жидкий азот можно израсходовать для других потребностей на заводе (цистерны и т.д.).
- 3 037510
На фиг. 3 представлен вариант осуществления, который отличается от представленного на фиг. 2 только тем, что начальное охлаждение гелия в цикле, выходящего из компрессорной станции 16 ожижителя 3, включено в криогенный очиститель 2 в теплоизолированном общем корпусе, тогда как камера 17 охлаждения ожижителя 3 расположена в теплоизолированном отдельном корпусе, который предусматривает вакуумную изоляцию.
Другими словами, все жидкости с температурой выше 80 K заключены в одну или несколько наполненных перлитом (изолированных) камер охлаждения, тогда как жидкости с температурой ниже 80 K заключены в камеру охлаждения с вакуумной изоляцией. Это также обеспечивает возможность уменьшить размер камеры охлаждения с вакуумной изоляцией в установке.
Камеру охлаждения, содержащую все части оборудования, можно изолировать с помощью перлита, тогда как камеру охлаждения, содержащую криогенные адсорберы, можно изолировать с помощью минеральной ваты.
В соответствии с одним отличительным признаком ожижитель и очиститель могут иметь общие части оборудования, за счет которых происходит регенерация холодных адсорберов. Адсорбер можно повторно охладить после регенерации с помощью газа на входном отверстии, а не только газом на выходном отверстии.

Claims (13)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Способ получения жидкого гелия из смеси (5) исходных газов, содержащей азот и гелий в молярных концентрациях от 50 до 65% и от 35 до 50% соответственно, и характеризующейся давлением от 15 до 35 бар и температурой от 273 до 323 K, с применением установки (1), содержащей криогенный очиститель (2), содержащий контур (9) для выделения азота из упомянутой исходной смеси с целью получения гелия при температуре, которая ниже температуры исходного газа, и выполненный с возможностью получения гелия, выходящего через его выходное отверстие, характеризующегося давлением от 15 до 35 бар и температурой от 77 до 90 K;
    при этом установка (1) дополнительно содержит ожижитель (3) гелия, в котором гелий вовлекается в рабочий цикл, включающий последовательно сжатие гелия, охлаждение и расширение сжатого гелия и повторное нагревание охлажденного, расширенного гелия;
    установка содержит линию (4) передачи гелия, которая соединяет выходное отверстие очистителя (2) с входным отверстием ожижителя с целью передачи гелия, полученного с помощью очистителя (2), в рабочий цикл ожижителя (3);
    криогенный очиститель (2) также содержит контур (8) расширения, содержащий входное отверстие, соединенное с источником (6) газообразного азота под давлением;
    при этом указанный контур (8) для расширения (7) газообразного азота находится в теплообмене с контуром (9) выделения с целью переноса фригорий от расширенного газообразного азота к указанному контуру (9) выделения;
    контур (9) выделения содержит по меньшей мере одно устройство (14, 15) очистки адсорбционного типа для выделения азота из исходной смеси.
  2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходная смесь (5) содержит азот и гелий в молярных концентрациях от 55 до 60%, в частности составляющих 57%, и от 40 до 45%, в частности составляющих 42%, соответственно.
  3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что во входное отверстие для газообразного азота очистителя (2) подают газообразный азот под давлением от 15 до 50 бар, например составляющим 40 бар, и при температуре от 273 до 323 K.
  4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что ожижитель (3) гелия выполнен с возможностью только охлаждения гелия в ходе рабочего цикла от значения температуры у выходного отверстия очистителя (2) до температуры 4 K.
  5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходная смесь содержит в остаточных количествах по меньшей мере один из элементов, указанных ниже: аргон, кислород, неон в долях, составляющих от 0,15 до 0,5%.
  6. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных элементов присутствует в исходной смеси в концентрации 0,22%.
  7. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходная смесь характеризуется температурой 300 K.
  8. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что гелий, полученный с помощью очистителя (2), выходящий через его выходное отверстие, характеризуется температурой от 80 до 85 K.
  9. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что гелий, полученный с помощью очистителя (2), выходящий через его выходное отверстие, характеризуется температурой 82 K.
  10. 10. Способ по любому из пп.1-9, в котором контур (9) выделения очистителя (2) содержит по меньшей мере один теплообменник (10) для охлаждения исходной смеси и по меньшей мере один сосуд (11, 12) для выделения, и при этом контур (8) для расширения (7) газообразного азота под давлением выпол-
    - 4 037510 нен с возможностью теплообмена с по меньшей мере одним теплообменником (10) контура (9) выделения.
  11. 11. Способ по любому из пп.1-10, в котором в контуре (8) для расширения (7) газообразного азота под давлением расположены по меньшей мере две турбины (13) для расширения газообразного азота и контур содержит две отдельные части, выполненные с возможностью теплообмена с контуром (9) выделения, при этом две отдельные части расположены соответственно ниже по потоку относительно двух турбин (13) для расширения.
  12. 12. Способ по любому из пп.1-11, где ожижитель (3) гелия содержит компрессорную станцию (16), предназначенную для осуществления сжатия гелия в ходе рабочего цикла, устройство для охлаждения в рабочем цикле гелия, выходящего из компрессорной станции, и камеру (17) охлаждения, предназначенную для осуществления охлаждения и расширения гелия, сжатого в ходе рабочего цикла, причем устройство для охлаждения в рабочем цикле гелия, выходящего из компрессорной станции (16), встроено в криогенный очиститель (3) в теплоизолированном общем корпусе, и при этом камера (17) охлаждения ожижителя (3) расположена в теплоизолированном отдельном корпусе, который содержит вакуумную изоляцию.
  13. 13. Способ по п.12, где камера (17) охлаждения ожижителя (3) гелия содержит четыре турбины (18) для расширения газообразного гелия в ходе рабочего цикла и компрессорная станция содержит ступень (19) компрессора для рабочего газа в рабочем цикле.
EA201792146A 2015-04-17 2016-04-13 Способ получения жидкого гелия EA037510B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1553430A FR3035195B1 (fr) 2015-04-17 2015-04-17 Installation et procede de production d'helium liquide
PCT/FR2016/050846 WO2016166468A1 (fr) 2015-04-17 2016-04-13 Installation et procédé de production d'hélium liquide

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201792146A1 EA201792146A1 (ru) 2018-01-31
EA037510B1 true EA037510B1 (ru) 2021-04-06

Family

ID=53366164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201792146A EA037510B1 (ru) 2015-04-17 2016-04-13 Способ получения жидкого гелия

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10753682B2 (ru)
AU (1) AU2016250109B2 (ru)
EA (1) EA037510B1 (ru)
FR (1) FR3035195B1 (ru)
WO (1) WO2016166468A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112331366B (zh) * 2020-11-21 2022-12-13 中国工程物理研究院材料研究所 一种氘氚燃料贮存与供给演示系统及应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3324626A (en) * 1964-12-03 1967-06-13 Sinclair Research Inc Process for the recovery of helium
US3407614A (en) * 1966-12-19 1968-10-29 Phillips Petroleum Co Helium purification
US4666481A (en) * 1986-03-10 1987-05-19 Union Carbide Corporation Process for producing liquid helium
US4701200A (en) * 1986-09-24 1987-10-20 Union Carbide Corporation Process to produce helium gas
US20040255618A1 (en) * 2001-11-12 2004-12-23 Martine Pelle Method and installation for helium production
FR2954973A1 (fr) * 2010-01-07 2011-07-08 Air Liquide Procede et dispositif de liquefaction et/ou de refrigeration

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH592280A5 (ru) * 1975-04-15 1977-10-14 Sulzer Ag
US4659351A (en) * 1986-01-29 1987-04-21 Air Products And Chemicals, Inc. Combined process to produce liquid helium, liquid nitrogen, and gaseous nitrogen from a crude helium feed

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3324626A (en) * 1964-12-03 1967-06-13 Sinclair Research Inc Process for the recovery of helium
US3407614A (en) * 1966-12-19 1968-10-29 Phillips Petroleum Co Helium purification
US4666481A (en) * 1986-03-10 1987-05-19 Union Carbide Corporation Process for producing liquid helium
US4701200A (en) * 1986-09-24 1987-10-20 Union Carbide Corporation Process to produce helium gas
US20040255618A1 (en) * 2001-11-12 2004-12-23 Martine Pelle Method and installation for helium production
FR2954973A1 (fr) * 2010-01-07 2011-07-08 Air Liquide Procede et dispositif de liquefaction et/ou de refrigeration

Also Published As

Publication number Publication date
FR3035195A1 (fr) 2016-10-21
AU2016250109A1 (en) 2017-11-30
WO2016166468A1 (fr) 2016-10-20
FR3035195B1 (fr) 2019-07-12
US20180100696A1 (en) 2018-04-12
US10753682B2 (en) 2020-08-25
EA201792146A1 (ru) 2018-01-31
AU2016250109B2 (en) 2020-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2004065869A1 (en) A refrigeration process and the production of liquefied natural gas
JP2009529648A5 (ru)
AU2012324797A2 (en) Multi nitrogen expansion process for LNG production
US7228714B2 (en) Natural gas liquefaction system
KR101669729B1 (ko) Lng냉열이용 팽창기체 흡입식 공기액화장치
CN108955086B (zh) 用于净化气体混合物的装置和方法
CN111156787B (zh) 氢液化与气体处理单元的一体化
CN103797321A (zh) 用于co2的液化的方法和设备
EP1612496B1 (en) Air separator
US20230119575A1 (en) Facility and method for hydrogen refrigeration
US20150345859A1 (en) Carbon dioxide liquefaction device
CN111156788B (zh) 氢液化与气体处理单元的一体化
RU2719533C1 (ru) Способ производства сжиженного природного газа и компримированного природного газа на газораспределительной станции и комплекс (варианты) для его осуществления
EP2796819B1 (en) Method and apparatus for the liquefaction of natural gas
EA037510B1 (ru) Способ получения жидкого гелия
RU2578144C1 (ru) Способ получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах
US11598578B2 (en) Low pressure ethane liquefaction and purification from a high pressure liquid ethane source
US20130291585A1 (en) Installation and Method for Producing Liquid Helium
JP2013528562A (ja) 液体二酸化炭素を製造する方法および装置
EP3828487A1 (en) Process and apparatus for the production of liquid nitrogen
RU2794011C1 (ru) Способ ожижения гелия
JPS6338632B2 (ru)
CN103492825B (zh) 用于净化富含二氧化碳的流的方法和设备
AU2003303773A1 (en) A refrigeration process and the production of liquefied natural gas

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM