PL160299B1

PL160299B1 - Method for enriching helium

Info

Publication number: PL160299B1
Application number: PL1988272594A
Authority: PL
Inventors: Karl Knoblauch; Erwin Pilarczyk; Klaus Giessler; Hans Bukowski; Amico Joseph S D; Herbert Reinhold
Original assignee: Bergwerksverband Gmbh
Priority date: 1987-05-20
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1993-02-26
Also published as: AU1930788A; JPH02503553A; DE3716898A1; DE3863391D1; DD270125A5; WO1988009306A1; DE3716898C2; AU604140B2; PL272594A1; EP0291975B1; ES2023976B3; EP0291975A1; US5089048A; EP0358714A1; RU1816229C; JPH0832549B2

Abstract

1. Sposób wzbogacania helu w procesie adsorpcji pod zmiennym cisnieniem z mieszanin gazów zawieraja- cych hel, azot i metan, jak tez ewentualnie inne gazy, które przeprowadzane sa przez weglowe sita moleku- larne adsorbujace azot oraz metan, jak tez ewentualnie inne gazy, przy czym mieszanina gazów podawana jest cyklicznie do czterech równolegle polaczonych adsorbe- rów, przechodzacych kolejno faze wzrostu cisnienia, faze adsorpcji oraz faze odciazania cisnienia, a wzrost cisnie- nia oraz odciazanie cisnienia nastepuje czesciowo po- przez wyrównywanie cisnienia z innym adsorberem. znamienny tym, ze prowadzi sie w nastepujacych fazach: fazie wzrostu 1 fazie odciazania, przy czym faza wzrostu cisnienia obejmuje trzy etapy, a mianowicie etap wzrostu cisnienia od koncowego cisnienia prózni (P1 ) do sred- niego stopnia cisnienia (P3), etap wzrostu cisnienia od sredniego stopnia cisnienia (P3) do wyzszego stopnia cis- nienia (P4), etap wzrostu cisnienia od wyzszego stopnia cisnienia (P4) do najwyzszego stopnia cisnienia (P5) bedacego cisnieniem adsorpcji, natomiast faza odciaza- nia cisnienia obejmuje cztery etapy, a mianowicie etap odciazania cisnienia z najwyzszego stopnia cisnienia (P5) do wyzszego stopnia cisnienia (P4). etap odciazania cis- nienia z wyzszego stopnia cisnienia (P4) do sredniego stopnia cisnienia (P3), etap odciazania cisnienia ze sred- niego stopnia cisnienia (P3) do cisnienia atmosferycznego (P2), etap odciazania cisnienia z cisnienia atmosfery- cznego (P2) do koncowego cisnienia prózni (P1), a ponadto wyrównywanie cisnienia przeprowadza sie . . . PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku Jest sposób wzbogacania helu w procesie adsoobcji pod zmiennym ciśnieniem z mieszanin gazów zawierających hel, azot i metan oraz ewentualnie inne gazy, które przeprowadzane są przez węglowe sita ^^o^ltularne adsorbujące azot oraz metan jak też ezzituatnle inne gazy, przy czym mieszanina gazów podawane Jest cyklicznie do czterech równooegle połączonych adsorberów przechodzących kolejno fazę wzrostu ciśnienia, fazę adsoΓbJJl oraz fazę odciążenia ciśnienia, a wzrost ciśnienia i odciążenia ciśnienia następuje częściowo pt^f^rzez wyrównanie ciśnienia z innym adsorberem.

ż opisu patentu europejskiego nr 0 002 695 znany Jest taki spoeób atlec^eci pod zmiennym ciśnieniem, który służy do oczyszczania helu z wyjściowej mieszaniny gazów zamierającej hel i głównie azot, argon oraz tlon Jak też niewielkie udziały dwutlenku węgla i m^eanu, a w którym to sposobie przy użyciu węglow^ych sit ^^oeki^Jlar^nych uzyskuje się hel o czystości powyżej 99,!% objętościowych. WγJśclowe mieszanina gezów zawiera przy tym Jednakże Już 50-99% sbjętoścsozych helu. Sposobem tym nie można Jednak przeprowadzać wzbogacania helu z mieszanin gazowych zawierających do 10% helu, ponieważ przeprowadzenie sposobu oraz połączenie etapów sposobu nie są do tego przystosowane. Hel potrzebny Jest we wciąż wzrastającej ilości do różnych celów zastosowania na przykład w instalacjach chłodniczych do wytwarzania zimna. Jako gaz ochronny do spawania oraz w przemyśle chemicz' nym, w technice lotniczej Jako gaz sboSętny, przy pracach podwodnych jako gaz do oddychania pod wodą, w chrot^atooraaf1 jako gaz nośny, do wykrywania przecieków, jako gaz do napełniania balonów oraz do innych celów. Do tychże zastosowań potrzebny jest hel o wysokiej czystości.

Dla uzyskania tej zysoSlij czystości w przypadku mieszanin gazowych aatących jedynie niskie zawatości helu, konieczne są liczne etapy postępozwnna, aby najpierw mieszaninę gazową wzbogacać w hel, a następnie ze wzbogaconej w hel mieszaniny gazów otrzymać ostatecznie hel o zyśoSlej czystości. Hel zasadniczo wzbogaca się i uzyskuje z zawierających go gazów ziemnych. Głównymi składnikami zawierających hel gazów ziemnych są aatao i azot jak też do 10% objętoscoowych helu obok niewielkich udziałów różnych wyższych węglowodorów oraz dwu lenku węg^.

Według stanu techniki do wzbogacania helu zastosowano następujący sposób znany z pubbikacci Bureau of Mines, /reprint form Buuietin 675 - Helium - 1985 Edition,

United States of Interior, str. 3 i 4.

160 299

Zawierający hel gaz ziemny schładza się w instalacji chłodniczej do temperatury około -150°C, przy czyn głównie skroplone zoateję węglowodory· Tak wytwarzana mieszanina gazowa zawiera oprócz niewielkich udziałów innych gazów ponad 50% objętościowych helu oraz azot. Ten surowy hel przerabia się następnie w niektórych przypadkach na miejscu przeznaczenia na hel o wyeokkej czystości, a mianowwcie poprzez kombbnację sposobów, w której instalacja do adaorbcji pod zmiennym ciśnieniem współpracuje z drugę instalację chłodniczą. Surowy hal znajduje się jednak także w handlu Jako półprodukt i w tych przypadkach poddawany jest w innym miejscu przeróbce na czysty hel.

Celem wynalazku Jest uzyskanie z dużę wydajnościę wzbogacenia helu z gazów ziemnych o niewielkich zawartościach helu do surowego helu o zawartości helu powyżej 50% Jedynie poprzez ad^(^rbi^;)ę pod zaiennya ciśnieniem 1 bez pośredniego wzbogacenia w instalacjach chłodniczych.

Cel ten oaięgnięto w sposobie wzbogacania helu w procesie adsorbcji pod zmiennym ciśniantem z mieszanin gazów zawierających hel, azot 1 mtan, Jak też ewaetualnie inne gazy, które przeprowadzane sę przez węglowe sita eelekularot adsorbujęce azot oraz Jak też ewemuuJoIi inne gazy, przy czym mieszanina gazów podawana Jest cyklicznie do czterech równolegle połęczonych adsorberów przechodzęcych kolejno fazę wzrostu ciśnienia, fazę edsorbeci oraz fazę odciężenia ciśnienia, a wzrost ciśnienia oraz odciężenla ciśnienia następuje częściowo poprzez wyrównywanie ciśnienia z innym adsorbenm, który polega na tym, że prowadzi się w następujących fazach, przy czym faza wzrostu ciśnienia obejmuje trzy etapy, a mianowicie etap wiroetu ciśnienia od końcowego ciśnienia próżni do średniego stopnia ciśnienia, etap wzrostu ciśnienia od średniego stopnia ciśnienia do wyższego stopnia ciśnienia, etap nnstu ciśnienia od wyższego stopnia ciśnienia do najwyższego stopnia ciśnienia będęcego ciśniθntem edsc^^i, natomiast faza ^ciężenia ciśnienia obejmuje cztery etapy, a etap odc^żenia ciśnienia z najwyższego stopnia ciśnienia do wyższego stopnia ciśnienia, etap odciężenia ciśnienia z wyższego stopnia ciśnienia do średniego stopnia ciśnienia, etap odc^żenia ciśnienia ze średniego stopnia ciśnienia do ciśnienia atmolferyJzoegl, etap ^ciężenia ciśnienia z ciśnienia atmosferycznego do końcowego ciśnienia próżni, a ponadto wyrównywanie ciśnienia przeprowadza się dwustopniowo, przy czya pierwszy stopień ncatępuje od wylotu pierwszego adsorbera przeprlιlodzojąJego pierwszy atop odciężenia do wylotu drugiego ed^^^bero przaprlwαdzαJęJagl drugi otap wzrostu ciśnienia, zaś drugi stopień od wylotu pierwszego adsorbora przeprowed^ajęcago drugi otop odciężenia do wlotu do trzeciego adsorbera przeprowadzającego pierwszy etap wzrostu ciśnienia, zaś trzeci etap ldciążaoia oraz czwarty etap ldciążeπia prowadzi się w przeci-wp^dzie, przy czyn otrzymuje się ubogi w hel gaz odlotowy, a trzoci otap wzrostu ciśnienia przeprowadza się ze pomocę produktu gazowego.

Korzystnie więczone przed absorberami filtry wstępna napełnia eię węglem aktwnym i oddziela się od mieszaniny gazów wyższe węglowodory oraz eweetuaJnit inne zanieczyszczenie.

Korzystnie stosuje się najwyższy stopień ciśnienia, ciśnienie edsorbeci wynoszęce ponad 1000 hPe, korzystnie od 10 000 do 30 000 hPa, zaś końcowe ciśnienie próżni poniżej 500 hPa, korzystnie 50 hPa.

Korzystnie poszczególnym stopniom ciśnienia przyplrządkowujt się następuję^ wartości ciśnienia: 50 hPa, 1000 hPa, 4000 hPa, 11 700 hPa oraz 20 000 hPa.

Korzystnie stosuje się całkowity czas cyklu wynoszący od 450 do 3600 s, a korzystnie 720 s.

Korzystnie w fazie odciężania ciśnienia stosuje się całkowity czas cyklu wynoszęcy 720 s, przy czym korzystnie stosuje się przedziały czasowe, które wynoszą:

W	etapie ldciążJoiJ	-	55	s
w	pożyci spoczynkowej	-	115	s
w	etapie ldclężJoia	-	10	s
w	etapie ^stężania	-	55	5
w	etapie ldciążania	-	115	8·

160 299

Korzystnie w fezie wzrostu ciśnienie stosuje się całkowity czas cyklu wynoszący 720 s, przy czym korzystnie stosuje się przedzieły czasowe, które wynoszę: w etapie wtroetu ciśnienia - 10 s w etapie wzwzstu ciśniθnia - 55 s w etapie wz^stu ccdśnenna - 102 s

Korzystnie uzyskuje się produkt gazowy przy całkowitym czasie cyklu 720 s, w przedziale czasowym 180 s.

Korzystnie udział helu w gazie wyjściowym wynosi co najwyżej 00% objzaś udział helu w produkcie gazowym wynosi do 95% obj.

Korzystnie Jako mieszaniny gazowe stosuje się gezy ziemne oawiatajęce hal.

Sposób według wynalazku etosuje się korzystnie w przypadku wzbogacanie helu z gezów ziemnych, które po uprzednim odddieleniu wyższych węglowodorów 0 zanieczyszczeń śladowych, ne przykład w znanych przez się wstępnych filtrach adsorbcyjnych, mogę mieć naetępujęcy skład /dane w % objętościowych/:

N? od 40 do 80

He od 2 do 10

CH, od 10 do 40

CO2 od 0,1 do 10

Przedmiot wynalazku Jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig.l przedstawia Jednostipniooę instalację z czterema równoiθgłymi adsorberami do wzbogacania helu az do 95% obb ., fig^wwykres zależności ciśnienia /w barach/ - czas /w sekundach/ dla adsorbera z instalacji według fig.l, fig.3 - wykres zależności ciśnienie czas z przyp^d^owen^ tablicę kolejności etapów cząstkowych dla czterech adsorberów instalacji według fig.l, fig. 4 - schemat więcza^a zaworów dla czterech adsorberów instalacji według fig.l, fig.5 - wykres zależności uzysku helu od czystości helu w instalacji według fig.l.

Instalacja pokazana na fig.l składa się z czterech wypełnionych węgliwym sieem moiakulainym adsorbaróo A, B, C i D w układzie równoległym Jak też eoθniuβlnie z czterech wypełnionych węglem aktywnym filców wstępnych FI, F2, F3 i F4, w których w razie potrzeby mogę być usuwane przed wejściem do cdsorberów A, 8, C i 0 wyższe węglowodory oraz zanieczy szczenia śladowe znajdujęce się w wejściowej mieszaninie gazów. Każdy adaorbit A, 8, C i 0 przechodzi cyklicznie z przesunięcecH! czasowym względem pozostałych trzech ada^berów następujęce osiem etapów częstkowych:

Tl - adsorbcja

T2 - ciśnienia poprzez wo^rtwrywraiθ ciśnienie /Del/

T3 - r<^^F^r^^^i^nl.a ciśnienia poprzez woΓtwrywreie ciśnienia /Da2/

T4 - przecrwprędooe /GEE/

T5 - wotwrrtzeiθ próżni /Ev/

T6 - wzrost ciśnienia poprzez wyrównywanie ciśnienie /Oal/

T7 - wzrost ciśnienia poprzez wyrównywała ciśnienia /Da2/

T8 - wzrost ciśnienia za pomocę gazu produkcyjnego /Da3/.

Zanim objaśniona będzie szczegółowo fig.l należy najpierw wyjaśnić przebieg ośmiu etapów częstkowych Tl, T2, T3, T4, T5, T6, T7 i T8 na podstawie przedstawionych na fig.2 i 3 wykresów zależności ciśnienie - czas.

Figura 2 przedstawia przykładowy wykres ciśnienie - czes dla ciśnienia adsorbcci 20 000 hPa i całkooitegi czasu cyklu 720 s, który przebiega w każdym z czterech adsotJeróo przesunięty czasowo względem innych ^so^erów. Na osi ciśnienia oaoneczono pięć wartości ciśnienia PI, P2, P3, P4 i P5 pomiędzy którymi w tymże przykładzie wykonania następuję etapy wzrostu ciśnienia oraz etapy rozprężania.

Figura 3 przedstawia przesunięte w czasie wykresy zależności ciśnienie - czas w czterech ^so^erach a, B, C, 0. Ptzykładooo opisano poniżej przebieg procesu w edsorberze A, ale odpowwednle przebiegi dotyczę innych trzech adsorberów B, C i 0. Adsorbcja /etap

160 299 częstkowy Tl/ aa miejsce przy stałym podwyższonym ciśnieniu, na przykład przy 20 000 hPa. Przy ciśnieniu tym przez adsorbar A przepływa wejściowa mieszanina gazów, przy czym azot, metan i inne składniki gazu zosteję zaadsorbowane na węglowym sicie molekularnym tak, że z wylotu adaorbera odpływa silnia wzbogacony hal, który nie jeet adsorbowany. Po adaorbcji obciężony adsorber A zostaje zregenerowany poprzez kilka etapów odclężania ciśnienia /etapy częstknwa T2, T3, T4 i T5/. Najpierw następuje pierwsze zrównywanie ciśnienia /Dal/ /etap częstkowy T2/, przy czyo będęcy pod ciśnienesii adaorbcji gaz z adeorbera A zostaje rozprężony we współprędzie od ciśnienia adsorbcci Pg w adsorberze C znajdujęcya się pod niższy* ciśnieneem Pg. Przepływ gazu z adeorbera A /T2/ do adeorbera C /T7/ zostaje objaśniony strzałkę na tablicy kolejności etapów częei^l^c^wych /fig.3/. Podczas pierwszego wyrównywenia ciśnienia /Dal/ ciśnienia w adsorbene A zostaje rozprężone do ciśnienia P₄, na przykład do 11 700 hPa podczas gdy równocześnie ciśnienie w adaorbarze C wzrasta z ciśnienia Pg do ciśnienia P₄ /wzrost ciśnienia /Da2/.

Po krótkio czasie przestoju Mśtfpuje w adsorberze A drugi etap wyrównywenia ciśnienia /De2, etap częstkowy T3/, przy czyo znajdujęcy eię pod ciśnienaem P₄ gaz z adeorbera A - znowu we wepóóprędzle-zostaje rozprężony w adsorberze 0 majęcym końcowe ciśnienie próżni P^. Ciśnienie w adsorbene A obniża eię z ciśnienia P4 do ciśnienia Pg, które wynoiBl przykaadowo 4000 hPa. Podczas obu etaptw wyrównywania ciśnień wzbogacona w hel mieszanina gazów przepływa z adec^e^ A do edaorbara C lub do adeorbera 0.

Po obu etapach wyrłwnywania ciśnień /Dal 1 0a2/ adsorber A zostaje w przeciwprędzie ponownie rozprężony z ciśnienia Pg do ciśnienia atmosferycznego Pg /GEE, etap częstkowy T4/. Otrzymuje się przy tyo ubogę w hel nleszanl^nę gazowę, w której des^^bu^ęce podczas rozprężania óΓzeciwpΓzdowego /GEE/ składniki Jak azot 1 metan zostaję wzbogacone i odrzucane Jako gaz odlotowy. Następnie w adsorbene A za pomocę pompy próżniowej 80 wytwarza się lmnlθjszona ciśnienie do końcowego ciśnienia próżni P^, przykładowo 50 milibarów /Ev, etap częstkowy T5/. Ma przy tym miejsce wzmożona desorbcja azotu 1 metanu Jak też innych składników gazu laadsorbowanych uprzednio w etapie częstkowy Tl. Odsysany gaz Jest nadzwyczaj ubogi w hel 1 także zoataje odrzucony Jako gaz odlotowy.

Po wytworzeniu zmniejszonego ciśnienia ukończona zostaje regeneracjo adeorbera A. Teraz w cdGa^one A ciśnienie podwyższa się w etapach czeetkowych T6, T7, T8, kolojno do ciśnienia adsoobbci Pg. Najpierw następuje wyrównanie ciśnienia /etap częstkowy T6/ pomiędzy adsorbe^a A 1 adsorberea B, który przedtem przeszedł etap częstkowy T2 1 przy końcu wytwarzania próżni w adsorberze A znajduje eię pod wyższym ciśnieneem pośrednim P4. Podczas ιnyrłwnywanlł ciśnienia wzbogacona w hel mieszanina gazów przepływa z adeorbera B do adsorbera A, przy czym mieszanina gazów zostaje odclęgnięte z adeorbera B korzystnie we ηθρό^ prędzle 1 ne wsppóprędzie wprowadzona do adeorbera A /wyrównywania ciśnienia “szczyt - dno/

Ciśnienie w adsorberze A /wzrost ciśnienia Dal/ rośnie przy tym od końcowego ciśnienia próżni P^ do pośredniego ciśnienia Pg, przygodowo 4 000 hPa, podczas gdy równocześnie ciśnienie w adsorbene B zmniejsza się z ciśnienia pośredniego P4 do ciśnienia pośredniego Pg.

Poprzez dalsze wyrównywanie ciśnienia /etap częst^ny T7/ z adsorberem C ciśnienie w adsorbene A /wzrost ciśnienia De2/ ulega dalszemu óodwnt9zθni.u. Adsorber C przeszedł przedtem etap częstknwy Tl, aZsoΓbcJa i znajduje się przed wyrównywaniem ciśnienia z adsorberem a pod ciśnieniem adsorbeci Pg. WyΓłwnntwałla ciśnienia przeprowadza się na przykład tak, że wzbogacona w hel m.eszamimα gazów ^steje we współpΓęZzia odciagniatł z adsorber C i w órlacinóΓadzie rozprężona w adsorbene A /wyrównywanie ciśnienia szczyt - szczyt/. Ciśnienie w adsorbene A wzrasta przy tym z ciśnienia pośredniego Pg do ciśnienie pośredniego P^, przykładowo 11 700 hPa, podczas gdy równocześnie w adsorbene C ciśnienie spada z ciśnienia ^sorb^i Pg do ciśnienia pośredniego P4.

Po dwukrotnym wyrównaniu ciśnienia na zakończenie ciśnienie w adsorbene A zostaje za pomocę gazu produkcyjnego podwyższone z wyższego ciśnienie pośredniego P4 do ciśnienia adsorbeci p$, prlykładowr 20 000 hPa /wzrost ciśnienia Da3, etap czastkrwt T8/. Potem rozpoczyna się w adsorberze A ponowny etap a^-iordeci /etap częst ko wy Tl/.

160 299

Cztery adsorbery A, B, C 1 O są Jak to przedstawia fig.l połączone szeregiem zaworów tek, żeby stale jeden z czterech adsorberów A, B, C lub O był na etapie adsorbeci 1 Jako produkt gazowy wytwarzał hel o wysokkej czystości. Układ połączeń zaworów Jest podany na fig.4. Na podstawie fig.4 1 flg.l objaśnione zostanie poniżej przykładowo dla adeorbera A. doprowadzenie 1 odprowadzenie gazu w przedstawionej na fig.l instalacji o zmiennym ciśnieniu. Przed adsorberamL A. B, C, O. mogą być przewidziane filtry wstępne FI, F2, F3 1 F4, znane ze etanu techniki 1 w których można wstępnie oddzielać silnie adsorbujęce składniki gazu Jak na przykład wyższe węglowodory z gazów z otworów wiertniczych. Sposób ich dzlełama Jest z regułyyjak to przedstawiono w przykładzie)taki sam Jak umieszczonych kolejno w układzie szeregowym głównych adsorberów A, B, C 1 O tak, że poniżej ale ma potrzeby szczegółowego ich omawiania, gdyż nie należą do istoty wynalazku.

Adsorber A po wzroście ciśnienia za pomocą gazu produkcyjnego /Da3/, etap cząstkowy T8 ma ciśnienie adsorbeci Pg. Podczas nastąpnej adsorbeci /etap cząstkowy Tl/ wejściowe mieszanina gazów przepływa przewodem 1 pod ciśnieniem, które dla przszwycląźeaiw straty ciśnienia w instalacji Jest nieznacznie wyższe od ciśnienie edsorbbci, przy otwartych zaworach 10 i 13, umieszczonych w kierunku przepływu przed 1 za adeorberem A przez adsorber A. Ne węglowym sicie molekularnym zostają przy tym zaabsorbowane poza helem wszystkie pozostałe składniki wejściowej mieszaniny gazów Jak azot 1 metan tak, że ze szczytu adeorbera A odpływa gaz wzbogacony w hel przewodem 4 do przewodu 91 produktu gazowego, w którym umieszczony Jest zawór igicoowy 71 /zawór regulacyyny/. Odpowwadnio do układu połączeń zaworów ne fig.4 adsorbcja Jest podzielona na trzy etapy czasowe 21, Z2 i Z3.

W etapie czasowym Zl zawór 50, znajdujący sią w przewodzie 5 Jest zamknnęty tak, że cały produkt gazowy przepływa przewodem 4 do przewodu 91. W etapach czasowych Z2 i Z3 zawór 50 Jest otwarty tak, że cząść produktu gazowego poprzez umieszczony za nim zawór dławlący 72 oraz przewodem 5 i otwartym zaworem 25 umieszczonym przed adsorberem B dopływa do adsorbera B, w którym za pomocą produktu gazowego w etapie cząsmowym ΤΘ ciśnienie wzrasta z ciśnienia pośredniego P4 do ciśnienie adsorbeci Pg. Trwanie trzech etapów czasowych Zl, Z2 1 Z3 może przykWadowl w przypadku całkowitego czasu cyklu 720 s wynosić 55 e dla etapu Zl,

115 e dla etapu Z2 oraz 10 s dla etapu Z3.

Po adsorbeci adsorbar A zoltαjl w atopio czQjtkoiy’D T2 /Dal/ rozprążony do wyższego ciśnienia pośredniego P4, przy czym gaz odpływający z adsorbera A przy otwartym zaworze 15 /zawór 50 Jest zam^nęty/ w wyrównaniu ciśnienia szczyt - szczyt poprzez zawór dławiący 73 w przewodzie 5 wpływa przy otwartym zaworze 35 do adeorbera C, w którym przy tym w etapie cząst^Nym T7 nastąpuje wzrost ciśnienia z ciśnienia pośrednlogo Pg do ciśnienia pośredniego P4. ^^^t^iw^d^io do układu połączeń zaworów na fig.4 dla tego wyrównywania ciśnienia /Oal/ potrzebny Jest etap czasowy Zl, który ne przykład w przypadku całkowitego czasu cyklu 720 s wynosi 55 s.

Po tym piew^zym wyrównaniu ciśnienia 1 okresie przestoju /Stand by/, który przykładowo w cαłkowiyyi czasie cyklu 720 s wynosi 115 s, adsorber A zostaje w etapie cząstkowym T3 /Da2/ dalej rozprążony pt^o^rzez dalsze wyrównywanie ciśnienia z adsorberem D z wyższego ciśnienia pośredniego P4 do niższego ciśnienia pośredniego Pg. Ponadto przy otwartych zaworach 14 i 42 gaz z absorbera A poprzez przewód okrążny 3 /zawór 60 w przewodzie 92 Jest zamk^ity/ i zawór dławlący 74 zostaje rozp^ążmy w edsorberze D, w którym w etapie cząstliwyi T6 ciśnienie wzrasta od kobe^ego ciśnienia próżni PI do ciśnienia pośredniego Pg. Wyrównywinle ciśnienia nastąpi^e zatem w przykładzie jek opisano Jako wyrównywanie ciśnienia szczyt - dno. Odpowwednio do układu połączeń zaworów na fig.4 dla wyrównywwnia ciśnienia /Da2/ potrzebny Jest etap czasowy Z3, który w przykładzie dla całkowi tego czasu cyklu 720 s wynosi 10 s. Nastąpnie adsorber A w stanie cztstlowyi T4 /GEE/ przy otwartych zaworach 12 i 60 zostaje dalej rozprążony przez zawór dławiący 75 w przećawprądzie z ciśnienie pośredniego Pg do ciśnienia atmosferycznego p^, Odpływający przy tym gaz wprowadzany jest do przewodu gazów odlotowych 92. Przy całklwayym czasie cyklu 720 s rozprążanie przeciwprędowe w tym przykładzie wynosi 55 s. Po rozprążaniu przjciwptęOiwym w eds^rberze A w etapie cząstkowym T5 /Ev/ przy otwartym zaworze 11 za pomocą pompy próżniowej 80

160 299 zostaje wytworzone zmniejszone ciśnienie z ciśnienia atmosferycznego P? do końcowego ciśnienie próżni P^, na przykład do 50 miliberów. Odsysane przy tym, uboga w hel na gazów wprowadzona zostaje do przewodu gazów odlotowych 93. W przypadku całkowitego czasu cyklu 720 s wytwarzanie próżni w przykładzie wynosi 115 e.

W będącym pod zmniejszonym clśniθnaθm adsorberza A w etapie cząstkowym T6 /Dal/ wskutsk wyrówn^anla ciśnienia w edsorberza B, wykonywanym korzystnie Jako wyrównywanie ciśnienia szczyt - dno, następuje wzrost ciśnienie od końcowego ciśnienie próżni P^ do ciśnienia pośredniego Pg Przy tym wzbogacona w hel mieszanina gazów z wylotu adsorbera B przy otwartych zaworach 24 1 12 /zawór 60 Jest zamkklęty/ zostaje przez przewód okrężny 3 1 zawór dławięcy 74 wprowadzona do wlotu adsorber A 1 tam rozprężona. Adsorber B przechodzi przy tym etap częstkowy T3. Przy ayróanywaniu ciśnienia, ciśnienie w adsorbarze B spada z ciśnienie pośredniego P₄ do ciśnienia pośredniego Pg W przypadku całkowitego czasu cyklu 720 s wyrównywanie ciśnienia /Dal/ w przykładzie trwa 10 s. W będęcym pod ciśnieneem pośrednim P₃ adsorberze A następuje teraz w etapie częskkowym T7 /0a2/ dalszy wzrost ciśnienie aż do ciśnienia pośredniego P₄ poprzez dalsze ^równ^^r^l.e ciśnień z adsorbe^m C. To wyrównywanie ciśnień przeprowadza się korzystnie Jako ^^równ^^r^:^e ciśnienia szczyt - szczyt* w ten sposób, że wzbogacone w hel mieszanina gazów z wylotu adsorbera C przy otwartych zaworach 35 1 15 poprzez zawór dławięcy 73 w przewodzie 5 rozprężana jest w końcu wylotu adsorbera A. Adsorber C przechodzi przy tym etap częstkowy T2, przy czym ciśnienie w adsorberze C spada z ciśnienie adeorbcji P5 do ciśnienie pośredniego P4. Czas ^^równ^wr^^a ciśnienie /Da2/ wynosi przy całkowitym czasie cyklu 720 s w przykładzie 55 8.

Następnie w adsorberze A w etapie częstkowym ΤΘ /Da3/ następuje ze pomocę gazu produkcyjnego wzrost ciśnienia od ciśnienia pośredniego P₄ do ciśnienia ad^oι^l^cJi. Pg. Ponadto część gazu produkcyjnego przy otwartych zaworach 50 i 15 zostaje doprowadzona poprzez zawór dławięcy 72 do adsorbera A. Wzrost ciśnienia /Da3/ składa się według układu połęczeń zaworów na fig.4 z obu etapów czasowych Z2 i 23, które przy całkowitym czasie cyklu 720 s w przykładzie trwaję 115 s lub 10 s.

Po wzroście ciśnienia /Da3/ za pomocę produktu gazowego rozpoczyna się w adsorberza A nowy cykl zalany ciśnienia, który znowu rozpoczyna się etopem adsoobbci. Odpoodadnio przebiega cykl zmiany clónienia w adsorberoch B, C 10, Jednakże z przesunięciom w czasie Jak to wynika z fig.3.

Regenerowanie adsorbenta oslęga się Jak to opisano przez etap ^^^t^^i^rzania próżni. Wprawdzie takie składniki gazu Jak azot i metan, które należy usunęć z zawierającego hel gazu wejściowego daję się według znanego ze stanu techniki eposobu desorbować również poprzez płukanie produktem gazowym. Tego rodzaju desorpcja przez płukanie w przypadku wzbogacania helu z gazów ziemnych o zaw^^icoścl helu mee8ymaenie 10% obj. proaadzlłαby jednak do ekstremalnie wysokich strat aydaeności helu, ponieważ ze względu na nlskę zawartość helu w wejścirnej mieszaninie gazowej uzyskuje się tylko niewlelkę ilość surowego helu Jako produktu gazowego 1 równocześnie muuiałyby być Zeskrbowane niewielkie ilości gazu, gdyż dajęce się usunęć przez adsorbcję i ponownie de^^owane składniki gazu stanowię co najmniej 90% obj. wejściowej mieszaniny gazowe.

Przykład. W laboratoryjnej instalacji o zmiennym ciśnieniu według fig.l /jednak bez filtrów wstępnych FI, F2, F3 i F4/ przeprowadzono próby rozdzielania mieszaniny gazów zeaierajęJaj hel /około 5% obb·/, metan /około 29% obb ./ i azot /około 66% obb ./ przy ciśnieniu eZsorbjJi 20 barów, końcowym ciśnieniu próżni 50 hPa i całkowitym czasie cyklu ^^noszęi^^m 720 s, co odpowiada 5 cyklom/godzinę. Cztery aZiorbaty A, B, C, 0, były wypełnione węglowym snem molekularnym o przeciętnej średnicy porów ιΖεογ0<^1 0,35 nm 1 miały objętość ay/etπierle 2 ^adsorben. W próbach poprzez przestawianie zaworu ^Mow^ego 71 zmaniαrk wytwarzaj ilość produktu gazowego, a przez to zmeniark czystość hslu w produkcie gazowym. Przytoczone w poniższych tabUcach 1, 2, 3 1 4 wyo^i prób wykazuję, że za pomocę sposobu według wynalazku można wzbogacać hel z gazu wejściowego o zaaaetkści helu <10% obb, do zaaaetości helu od 75 do 95% /bj. w uzyskw^i^r^^m helu surowym /produkt gaziow/.

160 299 przy czyn w zależności od zawartości helu w helu surowy· /produkcie gazowym/ osiąga się wydajność helu wynoszącą 90 - 99,9%. Wyniki prób przedstawiono w postaci całkowitego bilansu mesy.

Tabele 1

1 1 1	, Stążania /% obj/.	1	Ilość /Nl/h/	- T 1 1 a a
1	Ha	: ^ch4	^N2 · 1
Mieszanina gezu wejściowego		5.1	' 28,9 \|	66,0	1	602,2	a
i Gaz odlotowy z wytwarzania , próżni		0.7	, 23.1	76,2	1 1	191,3	a a
i Gaz odlotowy z rozprężania i przeciwprądowego		0,5	1 i 34,0	65,5	1 1	381.7	1 a
¹ Produkt gazowy /aurowy hal/		95,0	I _ 1	5,0	1 - k	29,2	a . - 4
Wylicza sią z tego uzysk helu	wynoszący 90,3%.
		T a b	9 1 a 2
1	r	Stążania /% obj./		1	Ilość /Nl/h/	' “ T a
1 U_____________.	Γ	Ha	: ^{ch4 :} ^{— -} - 1	^N2	1 1 • Γ	a a ’ - 7
i Mieszanina gazu wejściowego	1	5,3	*88,9 '	65,8	1	593,6	a
¹ Gaz odlotowy z wytwarzania i próżni	1 1	0.2	' 23,8 ¹ 1 1	76.0	1 1	188,5	1 a
* Gaz o^dlotowy z rozpr^ążeni.a ¹ przeciwprądowego 1	1 1	0.2	1 1 1 34,1 ,	65,7	1 1	371.5	a a
i Produkt gazowy , /surowy hel/	1 1 L	90,0	1 1 1 _ 1 .1. ..... 1	10,0	1 1 - k	33,6	a a

Wylicza sią z tego uzysk helu wynoszący 96,1%.

Tabela 3

		•
Stążenie /% obj./ '	Ilość /Nl/h/
He	¹ ch₄	a	n₂ ^a
r - - ------ - -- -- -	r - - - - -		• r·		- T '
¹ Mieszanina gezu wyjściowego	5.1	28,6	1 \|	66,3	a \|	604,1
i Gez odlotowy z wytwarzania , próżni	-	24,5	1 a	75,5	1 a	190,4
¹ Gez odlotowy z rozprążania ¹ przeciwprądowego	<0.1	33,7	a 1	66,2	1 1	375,2
, Produkt gazowy /surowy hel/	80.0	-	1 1 1	20,0	1 1 1	38,5

160 299

Wylicza się z tego uzysk helu wynoszęcy 99,9%.

Tabela 4

	L. “1	Stężenie /% obj./	r a	Ilość /Nl/h/	a a a T
He	“ r	CH4	a	^N2	a . k
. Mieszanina gazu wyjściowego	5.4	a a	28,5	a a	66,1	a	609,4	a a
¹ Gaz odlotowy z wytwarza-			1		1		a		a
nie próżni		-	a	26,0	a	74,0	a	194,1	a
, Gaz odlotowy z rozpręża-			a		a		a		a
nie przsclwprędowego	a	<0.1	a	33,1	a	66,8	a	372,4	a
¹ Gaz produkcyjny			1		a		a		a
i /surowy hel/	a	76,4	a	-	a	23,6	a	42,9	a
	a		- 4 -		- -1 .		- 1		•

Wynika z tego uzysk helu wynoszący 99,6%.

Ze wzrastajęcę czystośclę helu /zawartość helu w uzyskiwany· helu aurowya/ zmniejsza się uzysk helu 1 na odwrót. Zależność pomiędzy czystośclę helu /zawartość helu w uzyskanym helu surowym/ a uzyskiem helu Jest przedstawione na fig.5.

H«-UZ\SK PZ.J

CT

Ol

0A1/2: Wyrównywa nie (p| J ciśnienia Da1/2:WyrÓMywamt (p _t; 0A 3: wzroeł ciśnienia Ev. : wytwarzanie próżni zproduktem gazowym 6EE : Przeciwprad -rozprężanie C*^3:5tan gotowośd ·^: zawór otwarty

I P £ < <c i

Ί i r

Π 3 • 3

£

K*

•

-zawór

•

o

Oł m m

s

3> O.

AJ

•

©

•

X

m.

o

o 3

W aj

aj

•

O O AJ

§

►

p’

aj «w

•

en m m

fc

3» £

o O

AJ

•

m

o

I

X

Aj

en

•

O ►

w

©? ©u

AJ OJ

Oł

•

δ As»

a> O-

O

09 m m

AJ

•

O

o

X

m

aj AJ

-

•

©

kU

P

s

►

AJ UJ

•

o. V»

O

09 m m

o ► AJ

aj

o

•

©

•

o

z g

m

O

AJ aj

-

•

o

©

•

P

►

► VJ

AJ U

«X»

Adsorber

—-

0

c

B

A

“Π

160 299 cr>

ciśnienie

160 299 czas (5)

s

66Z 09T

160 299

-Produkt gazowy ⁵ l 3

>-1 - 1
' 1	r-

;H3J^15 ;^^r25 :03^3^35 ;fro|u3fŁS

odlotowy

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1· Sposób wzbogacania helu w procesie adsorbcjl pod zmiennym ciśnieniem z mieszanin gazów zawierających hel, azot i metan. Jak tal ewentualnie inna gazy, która przeprowadzane są przez węglowe sita molekularne adsorbujęce azot oraz metan. Jak też ewentualnie inne gazy, przy czym mieszanina gazów podawana Jest cyklicznie do czterech równolegle połączonych adsorberów przechodzących kolejno fazą wzrostu ciśnienia, fazę adsorbcjl oraz fazę odciążania ciśnienia, a wzrost ciśnienia oraz odciążanie ciśnienia następuje częściowo poprzez wyrównywanie ciśnienia z innym adsorberem, znamienny t y o, ża prowadzi eię w następujących fazach: fezie wzrostu 1 fazie odciężenla, przy czym faza wzrostu ciśnienie obejmuje trzy etapy, a mianowicie etap wzrostu ciśnienia od końcowego ciśnienia próżni /j/ do średniego stopnia ciśnienia /Pg/· etap wzrostu ciśnienia od średniego stopnia ciśnienia /Pg/ do wyższego stopnia ciśnienia /P₄/, etap wzrostu ciśnienia od wyższego stopnia ciśnienia /P4/, do najwyższego stopnia ciśnienia /Pg/ będęcego ciśnieniem adsorbcjl, natomiast faza odciężania ciśnienia obejmuje cztery etapy, a mianowicie etap odciężania ciśnienia z najwyższego stopnia ciśnienia /Pg/ do wyższego stopnia ciśnienia /P₄/, etap odciężania ciśnienia z wyższego stopnia ciśnienia /P4/ do średniego stopnia ciśnienia /P^· etap odciężania ciśnienia ze średniego stopnia ciśnienia /Pg/ do ciśnienia atmosferycznego /Pg/, step odciężania ciśnienia z ciśnienia atmosferycznego /Pg/ do końcowego ciśnienia próżni /Pg/, a ponadto wyrównywanie ciśnienia przeprowadza się dwustopniowo, przy czym pierwszy stopień następuje od wylotu pierwszego adsorbera przsprowadzajęcego pierwszy etap odciężania /z Pg do P4/ do wylotu drugiego adsorbera przeprowadzającego 2 etap wzrostu ciśnienia /z Pg do P4/, zaś drugi stopień od wylotu pierwszego adsorbera przeprowadzajęcego 2 etap odciężania /z P4 do Pg/ do wlotu do trzeciego adsorbera przsprowadzajęcego pierwszy etap wzrostu ciśnienia /z Pg do Pg/, zaś trzeci etap odciężania oraz czwarty etap odciężania prowadzi się w przeciwprędzie, przy czym otrzymuje się ubogi w hel gaz odlotowy, a trzeci etap wzrostu ciśnienia przeprowadza eię za pomocę produktu gazowego·
2» Sposób według zestrzel, znamienny tym, że włączone przed adsorberami filtry wstępne napełnia się węglem aktywnym 1 oddziela się od mieszaniny gazów wyższe węglowodory oraz ewentualnie inne zanieczyszczenia,
3. Sposób według zastrz.l albo 2, znamienny tym, że stosuje się najwyższy stopień ciśnienia /Pg/, ciśnienie adsorbcjl wynoszęce ponad 1000 hPa, korzystnie od 10 000 do 30 000 hPe, zaś końcowe ciśnienie próżni poniżej 500 hPa, korzystnie 50 hPa,
4· Sposób według zastrz.3, znamienny tym, że poszczególnym stopniom ciśnienia korzystnie przyporzędkowuje się następujęce wartości ciśnienia: Pj « 50 hPa,

P₂ - 1000 hPa, Pg 4000 hPa, P4 ° 11 700 hPa oraz Pg « 20 000 hPa.
5· Sposób według zastrz.l, znamienny tym, że stosuje się całkowity czas cyklu wynoszący od 450 do 3600 s, a korzystnie 720 s,
6. Sposób według zastrz.l, znamienny tym, że w fazie odciążania ciśnienia stosuje się całkowity czas cyklu wynoszący 720 s, przy czym korzystnie stosuje się przedziały czasowe, które wynoszą;

w etapie odciążania z ^// do /P₄/ - 55 s w pozycji spoczynkowej - H s w etapie odciążania z /P/ do /Pg/ - 10 s w etapie ocleiążania z /^/ do /Pg/ ” w etapie odciążanla z /P/ do /Pg/

55 s

115 8

160 299
7. Sposób według zastrz.l, znamienny tym, że w fazie wzrostu ciśnienia etoeuje się całkowity czas cyklu wynoszący 720 s, przy czym korzystnie stosuje się przedziały czasowe, które wynoszęt w etapie wzrostu ciśnienia z /P^/ do /P^/ - 11 s w etapie ιwzrostu ciśnienia z Rj/ do /P₄/ - 55 s w etapie ww^oosu ciśnienia z /P^/ do /P^ “ 112 s.

6· Sposób według zastrzel, znamienny gazowy przy całkowitym czasie cyklu 720 s, w przedziale t y m, że uzyskuje się produkt czasowym 180 s·
9. Sposób według zastrz.l, znamienny tym, że udział helu w gazie wθjścSzwym co najwyżej 10% obj., zaś udział helu w produkcie gazowym wynosi do 95% obj.
10. Sposób według zastrz.l, znamienny tym. Ze Jako mieszaniny gazowe stosuje się gazy ziemne zawierające hel.