RU122587U1 - PLANT FOR HELIUM EXTRACTION FROM THE TRANSPORTED HIGH PRESSURE NATURAL GAS FLOW - Google Patents
PLANT FOR HELIUM EXTRACTION FROM THE TRANSPORTED HIGH PRESSURE NATURAL GAS FLOW Download PDFInfo
- Publication number
- RU122587U1 RU122587U1 RU2012118485/05U RU2012118485U RU122587U1 RU 122587 U1 RU122587 U1 RU 122587U1 RU 2012118485/05 U RU2012118485/05 U RU 2012118485/05U RU 2012118485 U RU2012118485 U RU 2012118485U RU 122587 U1 RU122587 U1 RU 122587U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- helium
- pressure
- membrane
- outlet
- Prior art date
Links
Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Установка относится к устройствам для переработки природного газа в процессе его транспортировки, в частности, для извлечения гелия с целью его дальнейшего обогащения или консервации в виде гелиевого концентрата и очистки природного газа от гелия. Устройство может быть использовано в химической, нефтехимической и газовой промышленности, а также в отраслях промышленности, связанных с переработкой гелийсодержащих газовых смесей, включая попутные нефтяные газы органического или азотного происхождения. Задачей и техническим результатом, достигаемым при использовании установки, состоит в увеличении содержание гелия в гелиевом концентрате без уменьшения заданной степени извлечения гелия из природного газа и с сохранением энергетических и капитальных затрат. Установка для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления работает следующим образом. Из транспортирующего поток природного газа трубопровода высокого давления 16 поток природного газа по газовой коммуникации 13 поступает на вход газа высокого давления 7 первого мембранного газоразделительного блока, содержащего один или нескольких параллельно соединенных газовыми коммуникациями мембранных модулей, каждый из которых имеет разделенные селективно проницаемыми мембранами полость высокого давления, имеющую входной и выходной патрубки, и полость низкого давления, имеющую выходной патрубок. В полостях высокого давления газ движется вдоль поверхности мембраны, через которую в полости низкого давления преимущественно проникает гелий. Не проникший через мембраны поток, обедненный гелием поступает на выход высокого давления 9, а проникший поток, обогащенный гелием, поступает на выход низкого давления 11 первого мембранного газоразделительного блока. Обедненный гелием поток через газовую коммуникацию 14 поступает в трубопровод 16 для дальнейшей транспортировки. В тех случаях, когда на первый мембранный газоразделительный блок через газовую коммуникацию 13 подают весь поток природного газа из трубопровода 15, транспортирующие трубопроводы 15 и 16 являются раздельными (не соединены между собой). В тех случаях, когда через газовую коммуникацию 13 на переработку подают только часть потока транспортируемого природного газа, трубопроводы 15 и 16 соединены между собой трубопроводным участком 17, обеспечивающим непрерывность потока газа. Поскольку на мембранных модулях происходят потери давления газа, для подачи газа в участок трубопровода 16 необходимо обеспечить разницу давления между точками врезки газовых коммуникаций 13 и 14. Для этого в трубопроводный участок 17 может быть установлено устройство типа гидравлического сопротивления в виде сужающегося участка 18 или может быть использован дополнительный компрессор 19, мощность которого сравнительно невелика, поскольку потери давления в мембранных модулях малы. Отбираемый из выхода газа низкого давления 11 первого мембранного газоразделительного блока поток газа является гелиевым концентратом, но имеет сравнительно не высокое обогащение по гелию и содержит много основного компонента природного газа - метана, который фактически теряется из транспортирующей системы и уходит с гелиевым концентратом. Для снижения этих потерь и увеличения содержания гелия в гелиевом концентрате в установке используется второй мембранный газоразделительный блок 6, вход газа высокого давления которого 8 соединен с выходом газа низкого давления 11 первого блока. Газ, обогащенный гелием, по газовой коммуникации 20 поступает на вход низкого давления2 компрессора 1 и после сжатия из его выхода высокого давления 3 по газовой коммуникации 21 поступает на вход высокого давления 8 второго блока 6. Во втором газоразделительном блоке на мембранных модулях происходит дальнейшее обогащение гелиевого концентрата, который из выхода низкого давления 12 по газовой коммуникации поступает в трубопровод 4 для отвода гелиевого концентрата. Из выхода высокого давления 10 второго мембранного газоразделительного блока по газовой коммуникации 23 поток газа, обедненного гелием, поступает на вход газа высокого давления 7 первого блока. Для минимизации потерь работы разделения площадь мембраны в мембранных модулях второго газоразделительного блока должна быть выбрана таким образом, чтобы концентрация гелия в газовой коммуникации 23 была максимально близкой к его концентрации в газовой коммуникации 13. Поставленные задача и технический результат, достигаемые при использовании предлагаемой установки, обеспечиваются за счет того, что первый мембранный газоразделительный блок эксплуатируется в режиме обеспечения заданной степени извлечения гелия из исходного природного газа, а второй блок эксплуатируется в режиме обогащения гелиевого концентрата. Ил.2. The installation relates to devices for processing natural gas during its transportation, in particular, for the extraction of helium for the purpose of its further enrichment or conservation in the form of a helium concentrate and purification of natural gas from helium. The device can be used in the chemical, petrochemical and gas industries, as well as in industries related to the processing of helium-containing gas mixtures, including associated petroleum gases of organic or nitrogen origin. The objective and the technical result achieved when using the installation is to increase the helium content in the helium concentrate without reducing the predetermined degree of helium extraction from natural gas and while maintaining energy and capital costs. Installation for the extraction of helium from the transported stream of natural gas high pressure works as follows. From the high pressure pipeline transporting the natural gas stream 16, the natural gas stream via gas communication 13 enters the high pressure gas inlet 7 of the first membrane gas separation unit containing one or more membrane modules parallelly connected by gas communications, each of which has a high pressure cavity separated by selectively permeable membranes having an inlet and outlet nozzles, and a low-pressure cavity having an outlet nozzle. In high-pressure cavities, gas moves along the surface of the membrane through which helium predominantly penetrates into the low-pressure cavity. The helium depleted stream that does not penetrate through the membranes enters the high pressure outlet 9, and the helium enriched stream enters the low pressure outlet 11 of the first membrane gas separation unit. The helium-depleted stream through the gas communication 14 enters the pipeline 16 for further transportation. In those cases when the entire natural gas stream from pipeline 15 is supplied to the first membrane gas separation unit through gas communication 13, the transport pipelines 15 and 16 are separate (not interconnected). In those cases when only part of the stream of transported natural gas is supplied for processing through gas communication 13, pipelines 15 and 16 are interconnected by a pipeline section 17, which ensures a continuous gas flow. Since there is a loss of gas pressure on the membrane modules, for the gas to be supplied to the pipeline section 16, it is necessary to provide a pressure difference between the cut-in points of the gas communications 13 and 14. For this, a device of the type of hydraulic resistance in the form of a tapering section 18 can be installed in the pipeline section 17 or an additional compressor 19 was used, the power of which is relatively small, since the pressure loss in the membrane modules is small. The gas stream taken from the low-pressure gas outlet 11 of the first membrane gas separation unit is a helium concentrate, but has a relatively low helium enrichment and contains a lot of the main component of natural gas - methane, which is actually lost from the transport system and leaves with the helium concentrate. To reduce these losses and increase the helium content in helium concentrate, a second membrane gas separation unit 6 is used in the installation, the high pressure gas inlet of which 8 is connected to the low pressure gas outlet 11 of the first block. Helium enriched gas is supplied through gas communication 20 to the low pressure input 2 of compressor 1 and after compression from its high pressure output 3 through gas communication 21 it enters the high pressure input 8 of the second unit 6. In the second gas separation unit, the helium is further enriched in membrane modules concentrate, which from the low pressure outlet 12 through gas communication enters the pipeline 4 for the removal of helium concentrate. From the high pressure exit 10 of the second membrane gas separation unit through gas communication 23, the helium depleted gas stream enters the high pressure gas inlet 7 of the first block. To minimize the loss of separation work, the membrane area in the membrane modules of the second gas separation unit should be chosen so that the helium concentration in the gas communication 23 is as close as possible to its concentration in the gas communication 13. The task and technical result achieved using the proposed installation are provided due to the fact that the first membrane gas separation unit is operated in the mode of ensuring a given degree of extraction of helium from the source of natural of gas, and the second unit is operated in enrichment mode helium concentrate. Fig. 2.
Description
Заявленная полезная модель относится к устройствам для переработки природного газа в процессе его транспортировки, в частности, для извлечения гелия с целью его дальнейшего обогащения или консервации в виде гелиевого концентрата и очистки природного газа от гелия. Устройство может быть использовано в химической, нефтехимической и газовой промышленности, а также в отраслях промышленности, связанных с переработкой гелийсодержащих газовых смесей, включая попутные нефтяные газы органического или азотного происхождения.The claimed utility model relates to devices for processing natural gas during its transportation, in particular for the extraction of helium for the purpose of its further enrichment or conservation in the form of a helium concentrate and purification of natural gas from helium. The device can be used in the chemical, petrochemical and gas industries, as well as in industries related to the processing of helium-containing gas mixtures, including associated petroleum gases of organic or nitrogen origin.
На Земле гелий является редким химическим элементом и его разведанные запасы могут быть исчерпаны в течение ближайших 50-100 лет. Гелиевая проблема в основном состоит в том, что в сравнительно концентрированном состоянии гелий содержится в ископаемых газах, к которым относятся, как они сейчас называются, топливные газы - природный газ, попутные нефтяные газы и др. При сжигании топливных газов гелий выбрасывается в атмосферу, где его концентрация составляет величину около 5 ppm и обогащение гелия из атмосферного воздуха относится к предельно трудным задачам.Helium is a rare chemical element on Earth, and its proven reserves can be depleted in the next 50-100 years. The helium problem basically consists in the fact that in a relatively concentrated state helium is contained in fossil gases, which include, as they are now called, fuel gases - natural gas, associated petroleum gases, etc. When burning fuel gases, helium is released into the atmosphere, where its concentration is about 5 ppm and enrichment of helium from atmospheric air is an extremely difficult task.
В настоящее время используется или находится в стадии разработки несколько основных физических методов извлечения гелия из гелийсодержащих топливных газовых смесей. Химические методы извлечения гелия малоперспективны, поскольку гелий относится к инертным веществам и не образует соединений с другими химическими элементами. Для извлечения гелия предлагаются адсорбционные методы и устройства (см., например, пат. РФ на изобретение №2291740 С2 от 24.02.2005), которые позволяют концентрировать гелий, но не обладают высокой степенью его извлечения. Другим промышленно освоенным методом извлечения гелия является криогенный метод, основанный на том, что гелий в смеси топливных газов обладает самой низкой температурой кипения и при охлаждении может быть обогащено почти до 100% его содержания (см. например, пат. РФ на полезную модель №89213 U1 от 19.01.2009). Данный метод до настоящего времени являлся практически единственным промышленным методом, но он обладает существенными недостатками, связанными с его высокой энергоемкостью (необходимость сжижения и испарения газов) и относительно невысокой степенью извлечения гелия (до 85% при условии его высокого обогащения). В промышленности большинства развитых стран, в том числе Российской Федерации, ведутся разработки, направленные на рациональное использование запасов гелия. В частности, существуют разработки (см. пат РФ на изобретение №2415334 С1 от 29.06.2009), направленные на организацию способов транспортировки топливных газов, в которых применяется их переработка с концентрированием гелия с целью его последующего извлечения.Currently, several basic physical methods for the extraction of helium from helium-containing fuel gas mixtures are used or are under development. Chemical methods for the extraction of helium are of little promise, since helium is an inert substance and does not form compounds with other chemical elements. Adsorption methods and devices are proposed for the extraction of helium (see, for example, Pat. RF Patent No. 2291740 C2 of February 24, 2005), which allow concentrating helium, but do not have a high degree of its extraction. Another industrially developed method for the extraction of helium is the cryogenic method, based on the fact that helium in a mixture of fuel gases has the lowest boiling point and, when cooled, can be enriched to almost 100% of its content (see, for example, US Pat. RF Utility Model No. 89213 U1 from 01/19/2009). This method has until now been practically the only industrial method, but it has significant drawbacks associated with its high energy intensity (the need to liquefy and vaporize gases) and the relatively low degree of helium extraction (up to 85% provided that it is highly enriched). In the industry of most developed countries, including the Russian Federation, developments are underway aimed at the rational use of helium reserves. In particular, there are developments (see RF Patent for the invention No. 2415334 C1 of 06/29/2009) aimed at organizing methods for transporting fuel gases that use their processing with the concentration of helium for the purpose of its subsequent extraction.
Наиболее близким и взятым за прототип заявленной полезной модели является установка очистки природного газа высокого давления от гелия (см. пат. РФ на полезную модель №114423 U1 от 11.11.2011), в которой для извлечения гелия и очистки от гелия природного газа предложено использовать мембранные технологии. Мембранные газоразделительные технологии позволяют разделять газовые смеси, используя только энергию сжатого газа, которой обладает транспортируемый в газопроводе природный газ. Мембранные газоразделительные методы позволяют достигать высоких обогащений и высоких степеней извлечения целевого компонента. Для гелия, как для наиболее проницаемого через мембраны газового компонента, это сводится к тому, что его степень извлечения (отношение количества гелия, получаемого в продукте в виде гелиевого концентрата, к его количеству, поступающему на мембранное газоразделение) может приближаться к 95% и более. Величина степени извлечения лимитируется только площадью селективно проницаемой мембраны.The closest and taken as a prototype of the claimed utility model is a unit for purification of natural gas of high pressure from helium (see US Pat. RF for utility model No. 114423 U1 of 11/11/2011), in which it is proposed to use membrane for helium extraction and purification of natural gas technologies. Membrane gas separation technologies make it possible to separate gas mixtures using only the compressed gas energy that natural gas transported in the gas pipeline possesses. Membrane gas separation methods allow to achieve high enrichment and high degrees of extraction of the target component. For helium, as for the gas component most permeable through membranes, this boils down to the fact that its degree of extraction (the ratio of the amount of helium received in the product in the form of helium concentrate to its amount supplied to membrane gas separation) can approach 95% or more . The degree of extraction is limited only by the area of the selectively permeable membrane.
Известная установка очистки природного газа высокого давления от гелия включает компрессор, трубопровод для отвода гелиевого концентрата и два мембранных газоразделительных блока, каждый из которых имеет вход и выход газа высокого давления и выход газа низкого давления. Вход и выход газа высокого давления первого блока сообщены с трубопроводом, транспортирующим поток природного газа, выход газа низкого давления первого блока сообщен со входом низкого давления компрессора, вход газа высокого давления второго блока сообщен с выходом высокого давления компрессора, выход газа низкого давления второго блока сообщен с трубопроводом для отвода гелиевого концентрата. Каждый мембранный газоразделительный блок содержит один или несколько параллельно соединенных газовыми коммуникациями мембранных модулей, каждый из которых имеет разделенные селективно проницаемыми мембранами полость высокого давления, имеющую входной и выходной патрубки, и полость низкого давления, имеющую выходной патрубок. За счет селективного проникновения гелия через мембраны из полостей высокого давления в полости низкого давления мембранных модулей использование установки позволяет извлечь гелий из потока природного газа высокого давления, а из проникшего через мембраны газа сформировать обогащенный гелием поток - поток гелиевого концентрата. Гелиевый концентрат может быть направлен в хранилища или для дальнейшего обогащения гелия до товарной кондиции.A known installation for the purification of high-pressure natural gas from helium includes a compressor, a pipeline for removing helium concentrate, and two membrane gas separation units, each of which has an inlet and outlet for high-pressure gas and an outlet for low-pressure gas. The inlet and outlet of the high pressure gas of the first unit is in communication with the pipeline transporting the natural gas stream, the outlet of the low pressure gas of the first unit is communicated with the compressor low pressure inlet, the inlet of the high pressure gas of the second unit is communicated with the compressor high pressure outlet, the low pressure gas outlet of the second unit is communicated with a pipeline for the removal of helium concentrate. Each membrane gas separation unit contains one or several membrane modules connected in parallel by gas communications, each of which has a high-pressure cavity having an inlet and an outlet nozzle separated by selectively permeable membranes and a low-pressure cavity having an outlet nozzle. Due to the selective penetration of helium through the membranes from the high-pressure cavities into the low-pressure cavities of the membrane modules, the use of the facility allows the extraction of helium from the high-pressure natural gas stream, and from the gas penetrated through the membranes to form a helium-enriched stream - a stream of helium concentrate. Helium concentrate can be sent to storage facilities or for further enrichment of helium to commercial condition.
В установке используется схема распределения потоков, при которой выход газа высокого давления второго мембранного газоразделительного блока также сообщен с трубопроводом, транспортирующим поток природного газа.The installation uses a flow distribution scheme in which the high-pressure gas outlet of the second membrane gas separation unit is also in communication with a pipeline transporting a natural gas stream.
Известная установка обладает следующими достоинствами и недостатками:Known installation has the following advantages and disadvantages:
Использование установки позволяет решить главную задачу - очистку транспортируемого природного газа от гелия. В зависимости от масштаба используемой установки (от площади мембран и рабочего давления) степень извлечения гелия может иметь любую требуемую величину. Например, обычно считается, что объемная концентрация гелия, оставшегося в природном газе, не должна превышать 0,02-0,05%, что соответствует степени извлечения на уровне 95% и более при начальном содержании гелия около 0,5-1,0%.Using the installation allows us to solve the main problem - the purification of transported natural gas from helium. Depending on the scale of the installation used (on the membrane area and working pressure), the degree of helium recovery can be of any desired size. For example, it is generally believed that the volume concentration of helium remaining in natural gas should not exceed 0.02-0.05%, which corresponds to a recovery of 95% or more with an initial helium content of about 0.5-1.0% .
В результате очистки в установке получается поток природного газа, обогащенного гелием, который технологически просто использовать для транспортировки или дальнейшей переработки.As a result of purification in the installation, a stream of natural gas enriched with helium is obtained, which is technologically simple to use for transportation or further processing.
С использованием установки резко снижается энергоемкость процесса извлечения гелия. Для обогащения гелием потока природного газа исключаются энергозатраты, связанные с фазовыми переходами (сжижение и испарение компонентов природного газа). В первом мембранном газоразделительном блоке выделение гелия происходит за счет энергии, содержащейся в сжатом природном газе. Для работы второго мембранного газоразделительного блока необходимо сжатие газа, выходящего из выхода низкого давления первого блока, и его подача на вход высокого давления второго блока, для чего используется входящий в состав установки компрессор. Однако энергозатраты на повторное сжатие газа относительно невелики, поскольку на вход высокого давления второго мембранного газоразделительного блока поступает сравнительно небольшой относительно начального поток газа.Using the installation, the energy intensity of the helium extraction process is sharply reduced. For helium enrichment of a natural gas stream, energy costs associated with phase transitions (liquefaction and evaporation of natural gas components) are eliminated. In the first membrane gas separation unit, helium is released due to the energy contained in compressed natural gas. For the second membrane gas separation unit to operate, it is necessary to compress the gas leaving the low pressure outlet of the first block and supply it to the high pressure inlet of the second block, for which purpose the compressor included in the installation is used. However, the energy consumption for re-compression of the gas is relatively small, since a relatively small relative to the initial gas flow enters the high pressure inlet of the second membrane gas separation unit.
Использование установки обладает значительными технологическими преимуществами перед другими устройствами для извлечения гелия. Мембранные газоразделительные установки просты в управлении, компактны и долговечны.Using the installation has significant technological advantages over other devices for the extraction of helium. Membrane gas separation plants are easy to operate, compact and durable.
Несмотря на все перечисленные преимущества, известная установка обладает одним недостатком, который заключается в том, что достигаемое в установке содержание гелия в производимом гелиевом концентрате относительно невелико. Отсюда могут возникать проблемы с консервацией гелиевого концентрата (при малом содержании гелия для его консервации требуются хранилища большого объема) и удорожание финишного обогащения гелия до товарных марок, где требуемое объемное содержание гелия составляет более 99%. Для финишного обогащения гелия наиболее оптимальным является криогенный метод, который является высокоэнергоемким. Энергозатраты на производство 1 м3 чистого гелия обратно пропорциональны его концентрации в исходном сырье. Сравнительно небольшое содержание гелия в гелиевом концентрате, производимом известной установкой, определяется тем, что на выходе высокого давления как первого, так и второго мембранного газоразделительного блоков в потоке транспортируемого газа должно быть одинаково малое содержание гелия, что является следствием решаемой задачи - очистке транспортируемого газа от гелия. Второй мембранный газоразделительный блок эксплуатируется в совсем других условиях по сравнению с первым. На вход высокого давления первого блока подается исходный природный газ со сравнительно невысоким содержанием гелия, тогда как на вход высокого давления второго блока поступает газ, обогащенный гелием на первом блоке. Поэтому на втором мембранном газоразделительном блоке высокая очистка от гелия достигается за счет потерь обогащения производимого гелиевого концентрата, получаемого на выходе газа низкого давления.Despite all these advantages, the known installation has one drawback, which is that the helium content achieved in the installation in the helium concentrate produced is relatively small. Hence, problems may arise with the preservation of helium concentrate (with a low helium content, large storage facilities are required for its preservation) and the cost of finishing helium enrichment to trademarks, where the required volume content of helium is more than 99%. For the final helium enrichment, the most optimal is the cryogenic method, which is highly energy-intensive. The energy consumption for the production of 1 m 3 of pure helium is inversely proportional to its concentration in the feedstock. The relatively small helium content in the helium concentrate produced by the known plant is determined by the fact that at the high-pressure outlet of both the first and second membrane gas separation units in the transported gas stream there should be an equally low helium content, which is a consequence of the problem being solved - cleaning the transported gas from helium. The second membrane gas separation unit is operated in completely different conditions compared to the first. The high-pressure inlet of the first block is supplied with natural gas with a relatively low helium content, while the high-pressure inlet of the second block receives gas enriched with helium in the first block. Therefore, at the second membrane gas separation unit, high helium purification is achieved due to enrichment losses of the produced helium concentrate obtained at the low pressure gas outlet.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая установка для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления, является увеличение содержания гелия в производимом гелиевом концентрате.The problem to which the proposed installation is directed for the extraction of helium from a transported high-pressure natural gas stream is to increase the helium content in the produced helium concentrate.
Технический результат, который достигается при использовании предлагаемой установки, состоит в увеличении содержание гелия в гелиевом концентрате без уменьшения заданной степени извлечения гелия из природного газа и с сохранением энергетических и капитальных затрат.The technical result that is achieved by using the proposed installation is to increase the helium content in the helium concentrate without reducing the specified degree of extraction of helium from natural gas and while maintaining energy and capital costs.
Указанные задача и технический результат достигаются тем, что установка для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления включает компрессор, трубопровод для отвода гелиевого концентрата и два мембранных газоразделительных блока, каждый из которых имеет вход и выход газа высокого давления и выход газа низкого давления. В установке вход и выход газа высокого давления первого блока сообщены с транспортирующим поток природного газа трубопроводом, выход газа низкого давления первого блока сообщен со входом низкого давления компрессора, вход газа высокого давления второго блока сообщен с выходом высокого давления компрессора, выход газа низкого давления второго блока сообщен с трубопроводом для отвода гелиевого концентрата, а выход газа высокого давления второго газоразделительного блока сообщен со входом газа высокого давления первого блока. В установке каждый мембранный газоразделительный блок содержит один или несколько параллельно соединенных газовыми коммуникациями мембранных модулей, каждый из которых имеет разделенные селективно проницаемыми мембранами полость высокого давления, имеющую входной и выходной патрубки, и полость низкого давления, имеющую выходной патрубок.The indicated task and technical result are achieved in that the installation for extracting helium from the transported high-pressure natural gas stream includes a compressor, a pipeline for removing helium concentrate and two membrane gas separation units, each of which has an inlet and outlet of a high-pressure gas and an outlet of a low-pressure gas. In the installation, the inlet and outlet of the high pressure gas of the first block are in communication with the pipeline transporting the natural gas stream, the low pressure gas outlet of the first block is communicated with the compressor low pressure inlet, the high pressure gas inlet of the second block is in communication with the compressor high pressure outlet, the low pressure gas outlet of the second block communicated with the pipeline for the discharge of helium concentrate, and the high-pressure gas outlet of the second gas separation unit is in communication with the high-pressure gas inlet of the first block. In the installation, each membrane gas separation unit contains one or several membrane modules parallel connected by gas communications, each of which has a high pressure cavity having an inlet and an outlet nozzle and a low pressure cavity having an outlet nozzle separated by selectively permeable membranes.
Отличием заявленной установки от прототипа является то, что в ней выход газа высокого давления второго газоразделительного блока сообщен со входом газа высокого давления первого блока. В данном отличии используется принцип рециклирования потоков, при котором возможно снижение производимого потока гелиевого концентрата с одновременным увеличением содержания в нем гелия. В прототипе рециклирование не используется и выход газа высокого давления второго газоразделительного блока, как и выход газа высокого давления первого блока, сообщен с транспортирующим поток природного газа трубопроводом.The difference between the claimed installation and the prototype is that in it the high-pressure gas outlet of the second gas separation unit is in communication with the high-pressure gas inlet of the first block. In this difference, the principle of recycling flows is used, in which it is possible to reduce the produced flow of helium concentrate with a simultaneous increase in the helium content in it. In the prototype, recycling is not used and the high-pressure gas outlet of the second gas separation unit, as well as the high-pressure gas outlet of the first block, is connected to the pipeline transporting the natural gas stream.
На Рисунке 1 изображена принципиальная схема установки для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления, а на Рис.2 изображена схема соединения мембранных модулей в мембранных газоразделительных блоках.Figure 1 shows a schematic diagram of a plant for extracting helium from a transported high-pressure natural gas stream, and Figure 2 shows a diagram of the connection of membrane modules in membrane gas separation units.
Установка включает в себя (см. Рис.1) компрессор 1, имеющий вход низкого давления 2 и выход высокого давления 3, трубопровод для отвода гелиевого концентрата 4 и два мембранных газоразделительных блока - первый блок 5 и второй блок 6. Каждый блок имеет вход газа высокого давления 7 и 8, выход газа высокого давления 9 и 10 и выход газа низкого давления 11 и 12. Вход 7 и выход 9 газа высокого давления первого блока сообщены с транспортирующим поток природного газа трубопроводом газовыми коммуникациями 13 и 14. В тех случаях, когда установка перерабатывает весь поток природного газа, транспортируемого по трубопроводу, трубопровод состоит из двух не связанных между собой участков 15 и 16. В тех случаях, когда на переработку поступает только часть транспортируемого газа, трубопровод является непрерывным и состоит из участков 15, 16 и 17. Для создания перепада давления и обеспечения возможности возврата природного газа в трубопровод по коммуникации 14, в трубопроводе может быть установлено либо гидравлическое сопротивление 18 в виде сужающегося участка, либо использован дополнительный компрессор 19. Для сообщения выхода газа низкого давления 11 первого мембранного газоразделительного блока с входом газа высокого давления 8 второго мембранного газоразделительного блока в установке используются газовые коммуникации 20 и 21, первая из которых сообщена с входом низкого давления 2 компрессора 1, а вторая сообщена с выходом 3 высокого давления компрессора. Выход газа низкого давления 12 второго блока сообщен с трубопроводом 4 для отвода гелиевого концентрата газовой коммуникацией 22, а его выход газа высокого давления 10 сообщен с входом газа высокого давления 7 первого блока газовой коммуникацией 23.The installation includes (see Fig. 1) a compressor 1 having a low pressure inlet 2 and a high pressure outlet 3, a pipeline for removing helium concentrate 4 and two membrane gas separation units - the first unit 5 and the second unit 6. Each unit has a gas inlet high-pressure gas 7 and 8, high-pressure gas outlet 9 and 10 and low-pressure gas outlet 11 and 12. The inlet 7 and high-pressure gas outlet 9 of the first unit are connected to the natural gas transporting pipeline by gas pipelines 13 and 14. In cases where installation recycles ve If the flow of natural gas transported through the pipeline, the pipeline consists of two unconnected sections 15 and 16. In cases where only part of the transported gas arrives for processing, the pipeline is continuous and consists of sections 15, 16 and 17. To create differential pressure and providing the possibility of returning natural gas to the pipeline via communication 14, either hydraulic resistance 18 in the form of a tapering section can be installed in the pipeline, or an additional compressor 19. D can be used To communicate the low pressure gas outlet 11 of the first membrane gas separation unit with the high pressure gas inlet 8 of the second membrane gas separation unit, the installation uses gas communications 20 and 21, the first of which is connected to the low pressure input 2 of compressor 1, and the second is connected to the high pressure output 3 compressor. The low-pressure gas outlet 12 of the second unit is in communication with the pipeline 4 for removal of the helium concentrate by gas communication 22, and its high-pressure gas output 10 is connected to the high-pressure gas inlet 7 of the first block by gas communication 23.
Каждый мембранный газоразделительный блок 24 (см. Рис.2) содержит один или несколько параллельно соединенных газовыми коммуникациями 25, 26, 27 мембранных модулей 28, каждый из которых имеет разделенные селективно проницаемыми мембранами 29 полость высокого давления 30, имеющую входной 31 и выходной 32 патрубки, и полость низкого давления 33, имеющую выходной патрубок 34.Each membrane gas separation unit 24 (see Fig. 2) contains one or several membrane modules 28 connected in parallel by gas communications 25, 26, each of which has a high pressure cavity 30 separated by selectively permeable membranes 29, having an inlet 31 and an outlet 32 nozzles and a low pressure cavity 33 having an outlet pipe 34.
Установка для извлечения гелия из транспортируемого потока природного газа высокого давления работает следующим образом.Installation for the extraction of helium from a transported stream of natural gas of high pressure works as follows.
Из транспортирующего поток природного газа трубопровода высокого давления 16 (см. Рис.1) весь поток или его часть по газовой коммуникации 13 поступает на вход газа высокого давления 7 первого мембранного газоразделительного блока, где он подается газовой коммуникацией 25 (см. Рис.2) на входные патрубки 31 одного или нескольких мембранных модулей 28. Количество мембранных модулей определяется типом серийного модуля (площадью размещенной в нем мембраны), величиной перерабатываемого газового потока и рабочим высоким давлением. Как правило, рабочее давление соответствует давлению в транспортирующем природный газ трубопроводе. При необходимости это давление может быть уменьшено с помощью редуктора или увеличено с помощью дожимного компрессора, установленного на газовой коммуникации 13 (на Рис.2 не показаны). Из патрубка 31 газ поступает в полость высокого давления 30 мембранного модуля, движется вдоль поверхности селективно проницаемой мембраны и его поток отводится из полости высокого давления через выходной патрубок 32. Выходные патрубки 32 всех мембранных модулей соединены газовой коммуникацией 26, через которую не проникший через мембраны поток поступает на выход высокого давления 9 первого мембранного газоразделительного блока (см. Рис.1). За счет того, что мембрана является частично проницаемой для компонентов природного газа, эти компоненты проникают в полость низкого давления 33, из которой через выходной патрубок 34 отводится поток проникшего через мембрану газа. Выходные патрубки 34 всех мембранных модулей соединены газовой коммуникацией 27, через которую не проникший через мембраны поток поступает на выход низкого давления 11 первого мембранного газоразделительного блока. Величина давления в полостях низкого давления мембранных модулей регулируется дросселирующим устройством, установленным до или после выхода низкого давления 11 первого блока (на рисунках не показано). Эффект обогащения гелия в полостях низкого давления и эффект очистки природного газа от гелия в потоках, протекающих через полости высокого давления, обусловлены различными величинами проницаемости гелия и других компонентов природного газа через поверхность мембраны. Для большинства известных мембран гелий является самым высокопроницаемым компонентом. Его селективность в десятки раз превосходит селективности других пар компонентов. В качестве мембранных модулей могут быть использованы различные типы модулей, отличающиеся типом используемой мембраны - плоскорамные, рулонные или половолоконные мембранные модули.From the high pressure pipeline transporting the natural gas stream 16 (see Fig. 1), the entire stream or part of it through gas communication 13 enters the high pressure gas inlet 7 of the first membrane gas separation unit, where it is supplied by gas communication 25 (see Fig. 2) to the inlet pipes 31 of one or more membrane modules 28. The number of membrane modules is determined by the type of serial module (the area of the membrane located in it), the size of the processed gas flow, and the operating high pressure. Typically, the operating pressure corresponds to the pressure in the pipeline transporting natural gas. If necessary, this pressure can be reduced using a gearbox or increased using a booster compressor installed on gas communication 13 (not shown in Fig. 2). From the nozzle 31, gas enters the high-pressure cavity 30 of the membrane module, moves along the surface of the selectively permeable membrane, and its flow is discharged from the high-pressure cavity through the outlet pipe 32. The outlet pipes 32 of all membrane modules are connected by gas communication 26, through which the stream which has not penetrated through the membranes enters the high-pressure outlet 9 of the first membrane gas separation unit (see Fig. 1). Due to the fact that the membrane is partially permeable to natural gas components, these components penetrate into the low pressure cavity 33, from which a stream of gas penetrated through the membrane is discharged through the outlet pipe 34. The outlet pipes 34 of all membrane modules are connected by gas communication 27, through which a stream which has not penetrated through the membranes, enters the low pressure output 11 of the first membrane gas separation unit. The pressure in the low-pressure cavities of the membrane modules is regulated by a throttling device installed before or after the low-pressure output 11 of the first block (not shown in the figures). The effect of helium enrichment in low-pressure cavities and the effect of purification of natural gas from helium in streams flowing through high-pressure cavities are due to different permeabilities of helium and other natural gas components through the membrane surface. For most known membranes, helium is the most highly permeable component. Its selectivity is ten times greater than the selectivity of other pairs of components. As the membrane modules, various types of modules can be used, differing in the type of membrane used - flat, rolled or hollow fiber membrane modules.
Таким образом, на выходе газа высокого давления 9 первого мембранного газоразделительного блока имеется поток природного газа, обедненного гелием до требуемой величины, а на выходе газа низкого давления имеется поток, обогащенный гелием. Обедненный гелием поток (природный газ. очищенный от гелия) через газовую коммуникацию 14 поступает в трубопровод 16 для дальнейшей транспортировки.Thus, at the outlet of the high pressure gas 9 of the first membrane gas separation unit there is a stream of natural gas depleted in helium to the required value, and at the outlet of the low pressure gas there is a stream enriched in helium. The helium-depleted stream (natural gas. Purified from helium) through gas communication 14 enters the pipeline 16 for further transportation.
В тех случаях, когда на первый мембранный газоразделительный блок через газовую коммуникацию 13 подают весь поток природного газа из трубопровода 15. транспортирующие трубопроводы 15 и 16 являются раздельными (не соединены между собой).In those cases when the entire natural gas stream from pipeline 15 is supplied to the first membrane gas separation unit through gas communication 13, the transport pipelines 15 and 16 are separate (not connected to each other).
В тех случаях, когда через газовую коммуникацию 13 на переработку подают только часть потока транспортируемого природного газа. трубопроводы 15 и 16 соединены между собой трубопроводным участком 17, обеспечивающим непрерывность потока газа. Поскольку на мембранных модулях происходят небольшие потери давления газа, для подачи газа в участок трубопровода 16 необходимо обеспечить разницу давления между точками врезки газовых коммуникаций 13 и 14. Для этого в трубопроводный участок 17 может быть установлено устройство типа гидравлического сопротивления в виде сужающегося участка 18 или может быть использован дополнительный компрессор 19, мощность которого сравнительно невелика, поскольку потери давления в мембранных модулях малы.In those cases when only part of the stream of transported natural gas is supplied for processing through gas communication 13. pipelines 15 and 16 are interconnected by a pipeline section 17, which ensures the continuity of the gas flow. Since small losses of gas pressure occur on the membrane modules, for the gas supply to the pipeline section 16, it is necessary to provide a pressure difference between the cut-in points of the gas communications 13 and 14. For this, a device of the hydraulic resistance type in the form of a tapering section 18 can be installed in the pipeline section 17 or an additional compressor 19 should be used, the power of which is relatively small, since the pressure loss in the membrane modules is small.
Отбираемый из выхода газа низкого давления 11 первого мембранного газо раздел и тельного блока поток газа фактически уже является гелиевым концентратом, но имеет сравнительно не высокое обогащение по гелию и содержит много основного компонента природного газа - метана, который фактически теряется из транспортирующей системы и уходит с гелиевым концентратом. Для снижения этих потерь и увеличения содержания гелия в гелиевом концентрате в установке используется второй мембранный газоразделительный блок 6. вход газа высокого давления которого 8 соединен с выходом газа низкого давления 11 первого блока. Газ, обогащенный гелием, по газовой коммуникации 20 поступает на вход низкого давления2 компрессора 1 и после сжатия из его выхода высокого давления 3 по газовой коммуникации 21 поступает на вход высокого давления 8 второго блока 6. Во втором газоразделительном блоке на мембранных модулях происходит дальнейшее обогащение гелиевого концентрата, который из выхода низкого давления 12 по газовой коммуникации поступает в трубопровод 4 для отвода гелиевого концентрата. Из выхода высокого давления 10 второго мембранного газоразделительного блока по газовой коммуникации 23 поток газа, обедненного гелием, поступает на вход газа высокого давления 7 первого блока. При этом специальное согласование по давлениям газовых коммуникаций 13 и 23 не требуется, поскольку необходимый уровень давления определяется степенью сжатия газа на компрессоре 1. Для минимизации потерь работы разделения площадь мембраны в мембранных модулях второго газоразделительного блока должна быть выбрана таким образом, чтобы концентрация гелия в газовой коммуникации 23 была максимально близкой к его концентрации в газовой коммуникации 13.The gas stream taken from the low-pressure gas outlet 11 of the first membrane gas separation unit and the block is already a helium concentrate, but has a relatively low helium enrichment and contains a lot of the main component of natural gas - methane, which is actually lost from the transport system and leaves with the helium concentrate. To reduce these losses and increase the helium content in helium concentrate, a second membrane gas separation unit 6 is used in the installation. The inlet of the high pressure gas of which 8 is connected to the outlet of the low pressure gas 11 of the first block. Helium enriched gas is supplied through gas communication 20 to the low pressure input 2 of compressor 1 and after compression from its high pressure output 3 through gas communication 21 it enters the high pressure input 8 of the second unit 6. In the second gas separation unit on the membrane modules, helium is further enriched concentrate, which from the low-pressure outlet 12 through gas communication enters the pipeline 4 for the removal of helium concentrate. From the high pressure exit 10 of the second membrane gas separation unit through gas communication 23, the helium depleted gas stream enters the high pressure gas inlet 7 of the first block. In this case, a special coordination on the pressure of the gas communications 13 and 23 is not required, since the necessary pressure level is determined by the degree of compression of the gas on the compressor 1. To minimize the loss of separation work, the membrane area in the membrane modules of the second gas separation unit must be chosen so that the helium concentration in the gas Communication 23 was as close as possible to its concentration in gas communication 13.
Поставленные задача и технический результат, достигаемые при использовании предлагаемой установки, обеспечиваются за счет того, что, в отличие от прототипа, в данной установке первый мембранный газоразделительный блок эксплуатируется в режиме обеспечения заданной степени извлечения гелия из исходного природного газа, а второй блок эксплуатируется в режиме обогащения гелиевого концентрата. В устройстве-прототипе используемая газоразделительная схема такова, что оба мембранных газоразделительных блока должны эксплуатироваться в режиме обеспечения высокого извлечения гелия, что не позволяет достигать высоких концентраций гелия в производимом гелиевом концентрате.The task and technical result achieved by using the proposed installation is ensured by the fact that, in contrast to the prototype, in this installation, the first membrane gas separation unit is operated in a mode of providing a given degree of helium extraction from the source of natural gas, and the second unit is operated in the mode enrichment of helium concentrate. In the prototype device, the gas separation scheme used is such that both membrane gas separation units must be operated in a mode of ensuring high helium recovery, which does not allow to achieve high helium concentrations in the produced helium concentrate.
Преимущества предлагаемой установки по сравнению с прототипом можно проиллюстрировать следующим примером.The advantages of the proposed installation compared with the prototype can be illustrated by the following example.
Транспортируемый поток природного газа составляет величину 10000 м3/час нормальных при давлении 75 ати. Природный газ содержит 1,0 объемный % гелия; 93,5% метана; 5,0% других углеводородов; 0,5% углекислого газа. Целью стоит очистка природного газа до содержания гелия 0,05%.The transported natural gas flow is 10,000 m 3 / h normal at a pressure of 75 atm. Natural gas contains 1.0 vol% helium; 93.5% methane; 5.0% of other hydrocarbons; 0.5% carbon dioxide. The goal is to purify natural gas to a helium content of 0.05%.
При использовании устройства-прототипа, содержащего мембранные модули на основе полиамидных полых волокон, могут быть достигнуты следующие результаты:When using a prototype device containing membrane modules based on polyamide hollow fibers, the following results can be achieved:
Поток очищенного природного газа - 9845 м3/час; содержание гелия - 0,05%; поток гелиевого концентрата - 155 м3/час; содержание гелия в концентрате - 61%.The stream of purified natural gas - 9845 m 3 / hour; helium content - 0.05%; flow of helium concentrate - 155 m3 / hour; the helium content in the concentrate is 61%.
При использовании заявленного устройства поток очищенного природного газа составляет 9875 м3/час; содержание в нем гелия - 0,05%; поток гелиевого концентрата - 125 м3/час; содержание гелия в концентрате - 75%. Устройство позволяет одновременно увеличить содержание гелия в концентрате и поток очищенного природного газа.When using the claimed device, the flow of purified natural gas is 9875 m 3 / h; its helium content is 0.05%; flow of helium concentrate - 125 m 3 / h; the helium content in the concentrate is 75%. The device allows you to simultaneously increase the helium content in the concentrate and the stream of purified natural gas.
Увеличение содержания гелия в гелиевом концентрате в абсолютных величинах составляет 14%, а в относительных - 23%. При этом требуемая в обоих устройствах площадь мембраны (основные капитальные затраты) и энергозатраты на сжатие газа при подаче во второй мембранный газоразделительный модуль практически одинаковы и отличаются не более, чем на 1,0%.The increase in helium content in helium concentrate in absolute terms is 14%, and in relative - 23%. At the same time, the membrane area required in both devices (the main capital costs) and the energy consumption for gas compression when feeding into the second membrane gas separation module are almost the same and differ by no more than 1.0%.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118485/05U RU122587U1 (en) | 2012-05-05 | 2012-05-05 | PLANT FOR HELIUM EXTRACTION FROM THE TRANSPORTED HIGH PRESSURE NATURAL GAS FLOW |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118485/05U RU122587U1 (en) | 2012-05-05 | 2012-05-05 | PLANT FOR HELIUM EXTRACTION FROM THE TRANSPORTED HIGH PRESSURE NATURAL GAS FLOW |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU122587U1 true RU122587U1 (en) | 2012-12-10 |
Family
ID=49255966
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012118485/05U RU122587U1 (en) | 2012-05-05 | 2012-05-05 | PLANT FOR HELIUM EXTRACTION FROM THE TRANSPORTED HIGH PRESSURE NATURAL GAS FLOW |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU122587U1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2574243C1 (en) * | 2014-12-17 | 2016-02-10 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Cluster for natural gas processing with helium extraction |
| RU2618818C1 (en) * | 2016-02-01 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method for producing helium based on burning natural gas with useful thermal energy use |
| RU2647296C2 (en) * | 2013-02-26 | 2018-03-15 | Л'Эр Ликид, Сосьете Аноним Пур Л'Этюд Э Л'Эксплуатасьон Де Проседе Жорж Клод | Helium production from natural gas |
| CN108458549A (en) * | 2018-03-23 | 2018-08-28 | 中科瑞奥能源科技股份有限公司 | Helium and liquefied System and method for are carried from natural gas |
| EA035118B1 (en) * | 2016-04-28 | 2020-04-29 | Линде Акциенгезельшафт | Method and industrial plant for obtaining helium from a helium-containing feed gas |
-
2012
- 2012-05-05 RU RU2012118485/05U patent/RU122587U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2647296C2 (en) * | 2013-02-26 | 2018-03-15 | Л'Эр Ликид, Сосьете Аноним Пур Л'Этюд Э Л'Эксплуатасьон Де Проседе Жорж Клод | Helium production from natural gas |
| RU2574243C1 (en) * | 2014-12-17 | 2016-02-10 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Cluster for natural gas processing with helium extraction |
| RU2574243C9 (en) * | 2014-12-17 | 2016-12-20 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Cluster for natural gas processing with helium extraction |
| RU2618818C1 (en) * | 2016-02-01 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method for producing helium based on burning natural gas with useful thermal energy use |
| EA035118B1 (en) * | 2016-04-28 | 2020-04-29 | Линде Акциенгезельшафт | Method and industrial plant for obtaining helium from a helium-containing feed gas |
| EA035118B9 (en) * | 2016-04-28 | 2020-06-30 | Линде Акциенгезельшафт | Method and industrial plant for obtaining helium from a helium-containing feed gas |
| CN108458549A (en) * | 2018-03-23 | 2018-08-28 | 中科瑞奥能源科技股份有限公司 | Helium and liquefied System and method for are carried from natural gas |
| CN108458549B (en) * | 2018-03-23 | 2023-11-21 | 中科瑞奥能源科技股份有限公司 | System and method for extracting helium from natural gas and liquefying same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU122587U1 (en) | PLANT FOR HELIUM EXTRACTION FROM THE TRANSPORTED HIGH PRESSURE NATURAL GAS FLOW | |
| US10753679B2 (en) | Auto-refrigerated gas separation system for carbon dioxide capture and compression | |
| US8518155B2 (en) | Method and apparatus for separating gases | |
| RU2665787C1 (en) | Natural gas liquefaction complex at a gas distribution station | |
| CN111533095A (en) | Equipment and process for purifying helium from BOG gas | |
| CN102021056B (en) | Method for preparing natural gas/liquefied natural gas by denitrifying nitrogen-containing methane gas | |
| CN113148967A (en) | Method and device for recovering helium from natural gas in pipeline | |
| EP3067315B1 (en) | Light gas separation process and system | |
| RU2486945C1 (en) | Method of processing natural and associated oil gas | |
| AU2015410455B2 (en) | Nonhydrocarbon gas separation device and nonhydrocarbon gas separation method | |
| CN107641535B (en) | Device and method for separating and purifying various gases by membrane cryogenic coupling | |
| CN104003832B (en) | A kind ofly to purify the apparatus system of methane and carbon dioxide and technique from biogas simultaneously | |
| CN111004657B (en) | Method for comprehensively utilizing oilfield associated gas | |
| CN113501508A (en) | System and method for extracting helium from natural gas or BOG | |
| RU2561072C2 (en) | Method of helium recovery from natural gas | |
| CN106979665B (en) | Method and equipment for purifying synthetic gas | |
| CN113881470B (en) | Device and method for obtaining liquid methane from mixture containing methane | |
| US20240226801A9 (en) | Purification of methane containing gas streams using selective membrane separation | |
| CN111847407B (en) | Multistage helium extraction device and multistage helium extraction process | |
| RU196293U1 (en) | PORTABLE MEMBRANE-ADSORBONIC OXYGEN CONCENTRATOR | |
| CN219149713U (en) | Helium gas extraction system | |
| CN108131895B (en) | Safe device and process for producing LNG or CNG by extracting partial methane from coal mine gas | |
| Fournie et al. | Permeation membranes can efficiently replace conventional gas treatment processes | |
| CN105062595A (en) | Natural gas light hydrocarbon recycling system and method | |
| RU2489637C1 (en) | Method for transportation and distribution between consumers of helium-containing natural gas |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200506 |