RU169870U1

RU169870U1 - Installation for the separation of high pressure gas mixtures

Info

Publication number: RU169870U1
Application number: RU2016148416U
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Гулянский; Сергей Владимирович Потехин; Евгений Геннадиевич Крашенинников; Николай Леонидович Докучаев; Александр Александрович Котенко; Михаил Михайлович Челяк
Original assignee: Акционерное Общество "Грасис"
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-04-04

Abstract

Полезная модель относится к области разделения газовых смесей высокого давления с помощью полупроницаемых мембран и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.Установка мембранного разделения газовой смеси высокого давления содержит мембранные устройства первой и второй ступеней, включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной, а также межступенчатый компрессор, выход которого сообщен напорным трубопроводом межступенчатого потока с мембранным устройством второй ступени, которое состоит из по крайней мере двух последовательно расположенных стадий. На напорном трубопроводе последовательно установлены рекуперативный теплообменник, устройство воздушного охлаждения потока, фильтр-коалесцер и фильтр очистки от механических примесей. На участке напорного трубопровода между фильтром-коалесцером и фильтром очистки от механических примесей, в обход рекуперативного теплообменника, выполнен байпас, на котором установлено первое запорно-регулирующее устройство с ручным управлением. Второе запорно-регулирующее устройство установлено на напорном трубопроводе после рекуперативного теплообменника перед соединением с байпасом, причем это устройство автоматически управляется по сигналу датчика температуры, установленного сразу после соединения с байпасом. Полости низкого давления модулей всех стадий мембранного устройства второй ступени сообщены с трубопроводом отвода проникшего потока на утилизацию.Установка может включать байпас исходного потока, выполненный на подводящем трубопроводе исходного газа в обход мембранного устройства первой ступени, а также может быть снабжена дополнительными подогревателями и фильтрами.Технический результат полезной модели заключается в повышении стабильности рабочих параметров процесса и увеличении точности их поддержания во всех режимах работы мембранного разделения, в особенности - при переходных режимах, связанных со значительными изменениями объема, температуры и состава разделяемой газовой смеси. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to the field of separation of high pressure gas mixtures using semipermeable membranes and can be used in gas, oil, chemical and other industries. The installation of membrane separation of high pressure gas mixtures contains membrane devices of the first and second stages, including membrane modules with high cavity and low pressure, separated by a semipermeable membrane, as well as an interstage compressor, the output of which is communicated by a pressure pipeline of an interstage outflow with a membrane device of the second stage, which consists of at least two stages in series. A recuperative heat exchanger, a flow air cooling device, a coalescer filter and a filter for removing mechanical impurities are sequentially installed on the pressure pipe. On the section of the pressure pipe between the filter-coalescer and the filter for removing mechanical impurities, bypassing the recuperative heat exchanger, a bypass was made, on which the first shut-off and regulating device with manual control was installed. The second shut-off and control device is installed on the pressure pipe after the recuperative heat exchanger before connecting to the bypass, and this device is automatically controlled by the signal of the temperature sensor installed immediately after connecting to the bypass. The low-pressure cavities of the modules of all stages of the second stage membrane device are in communication with the pipeline for discharging the infiltrated stream for disposal. The installation may include a bypass of the initial stream performed on the inlet gas supply pipe bypassing the first stage membrane device, and may also be equipped with additional heaters and filters. The result of the utility model is to increase the stability of the process operating parameters and increase the accuracy of their maintenance in all operating modes embrannogo separation, especially - during transient conditions associated with significant changes of volume, temperature and composition of the gas mixture shared. 8 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области разделения газовых смесей высокого давления с помощью полупроницаемых мембран и может быть использована в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности.The utility model relates to the field of separation of high pressure gas mixtures using semipermeable membranes and can be used in gas, oil, chemical and other industries.

Показатели эффективности работы мембранного газоразделительного блока в значительной степени зависят от стабильности основных рабочих параметров мембранного процесса разделения - температуры и давления подаваемого потока газа. Отклонение значений данных параметров от оптимальных для используемой мембраны негативно сказывается как на эффективности процесса газоразделения, так и на эксплуатационных характеристиках мембраны, заключающихся в снижении надежности и срока ее эксплуатации. Особое значение задача сохранения стабильности рабочих параметров мембраны приобретает в переходных режимах работы, связанных со значительными изменениями объема, температуры и состава разделяемой газовой смеси.The performance indicators of the membrane gas separation unit largely depend on the stability of the main operating parameters of the membrane separation process - the temperature and pressure of the supplied gas stream. Deviation of the values of these parameters from the optimal values for the used membrane negatively affects both the efficiency of the gas separation process and the operational characteristics of the membrane, which include a decrease in reliability and lifetime. Of particular importance is the task of maintaining the stability of the operating parameters of the membrane in transient conditions associated with significant changes in the volume, temperature and composition of the shared gas mixture.

Известна установка для очистки природного газа от гелия, содержащая одноступенчатый мембранный модуль с подводящим трубопроводом; входной компрессорный блок, включающий последовательно расположенные на входящем трубопроводе компрессор, холодильник и сепаратор; блок подготовки сжатой газовой смеси, состоящий из коалесцентного фильтра и нагревателя, который установлен на подводящем трубопроводе непосредственно перед мембранным модулем, а также вакуум-компрессор, установленный на трубопроводе отвода смеси проникшего и продувочного газов.A known installation for the purification of natural gas from helium, containing a single-stage membrane module with a supply pipe; an inlet compressor unit including a compressor, a refrigerator and a separator sequentially located on the inlet pipe; a compressed gas mixture preparation unit, consisting of a coalescence filter and a heater, which is installed on the inlet pipe directly in front of the membrane module, as well as a vacuum compressor, installed on the discharge pipe of the mixture of penetrated and purge gases.

Наличие в составе установки средств предварительной подготовки потока природного газа - сепаратора, фильтра-коалесцера и нагревателя, размещенного непосредственно перед мембранным модулем, позволяет оптимизировать работу мембранного модуля и повысить степень извлечения гелия.The presence in the installation of means of preliminary preparation of a natural gas stream — a separator, a coalescer filter and a heater located directly in front of the membrane module, allows optimizing the operation of the membrane module and increasing the degree of helium recovery.

Однако конструкция установки не позволяет поддерживать стабильность рабочей температуры с достаточной точностью, особенно в переходных режимах работы, а также требует наличия внешнего источника подогрева. Кроме того, известная установка является одноступенчатой и не обеспечивает высокой степени очистки природного газа (Полезная модель РФ №103744, приоритет 18.11.2010, B01D 53/22).However, the design of the installation does not allow maintaining the stability of the operating temperature with sufficient accuracy, especially in transient modes of operation, and also requires an external heating source. In addition, the known installation is single-stage and does not provide a high degree of purification of natural gas (Utility Model of the Russian Federation No. 103744, priority 11/18/2010, B01D 53/22).

Известна также установка очистки природного газа высокого давления от гелия, содержащая два мембранных модуля с полостями высокого и низкого давления, разделенными полупроницаемой мембраной. Полость высокого давления первого мембранного модуля с одной стороны сообщена с подводящим трубопроводом, а с другой стороны с выходным трубопроводом, отводящим очищенный природный газ. Полость низкого давления первого мембранного модуля соединена трубопроводом отвода проникшего газа, в котором установлен первый компрессор, с полостью высокого давления второго мембранного модуля, подключенную с другой стороны к трубопроводу отвода непроникшей газовой смеси, при этом полость низкого давления второго мембранного модуля соединена вторым трубопроводом отвода проникшего газа с входом второго компрессора. Трубопровод отвода непроникшей газовой смеси в полости высокого давления второго мембранного модуля подключен к выходному трубопроводу, а к выходу второго компрессора подключен трубопровод отвода газовой смеси с повышенным содержанием гелия. Установка может быть снабжена дополнительными мембранными модулями.Also known is a unit for purification of high-pressure natural gas from helium, containing two membrane modules with high and low pressure cavities separated by a semipermeable membrane. The high-pressure cavity of the first membrane module is on the one hand connected with the inlet pipe, and on the other hand with the outlet pipe, which discharges the purified natural gas. The low-pressure cavity of the first membrane module is connected to the permeate gas exhaust pipe, in which the first compressor is installed, with the high-pressure cavity of the second membrane module, connected on the other hand to the non-permeable gas mixture discharge pipe, while the low-pressure cavity of the second membrane module is connected to the second penetration gas pipe gas with the inlet of the second compressor. The non-penetrated gas mixture discharge pipe in the high pressure cavity of the second membrane module is connected to the outlet pipe, and the gas mixture discharge pipe with a high helium content is connected to the output of the second compressor. The installation can be equipped with additional membrane modules.

Особенностью указанной установки является то, что после компрессора, предназначенного для сжатия потока проникшего газа (пермеата), дополнительно установлен еще один мембранный блок, что делает установку двухступенчатой и позволяет повысить степень очистки природного газа от гелия и выход подготовленного газа по сравнению с одноступенчатой установкой.A feature of this installation is that after the compressor, designed to compress the flow of penetrated gas (permeate), another membrane unit is additionally installed, which makes the installation two-stage and allows to increase the degree of purification of natural gas from helium and the yield of prepared gas compared to a single-stage installation.

Однако схема данной установка не решает задачи по поддержанию стабильности оптимальных рабочих параметров, необходимых для эффективного осуществления процесса разделения, по следующим причинам:However, the scheme of this installation does not solve the problem of maintaining the stability of the optimal operating parameters necessary for the effective implementation of the separation process, for the following reasons:

для удаления неконденсирующихся компонентов, в частности гелия, разделение на мембранном модуле второй ступени требуется вести при повышенной температуре, что снижает эффективность разделения из-за высокого содержания воды и/или метанола и возможного выпадения водного или водно-метанольного конденсата, образующегося в результате проникновения в проникший поток первой ступени большей части воды и/или метанола, содержащихся в сырьевом газе;to remove non-condensable components, in particular helium, separation on the second-stage membrane module is required to be carried out at elevated temperature, which reduces the separation efficiency due to the high content of water and / or methanol and possible precipitation of water or water-methanol condensate resulting from penetration into the penetrated stream of the first stage of most of the water and / or methanol contained in the feed gas;

отсутствие возможности поддержания температуры с высокой точностью на входе в мембранный блок второй ступени снижает эффективность его работы по очистке, в связи с чем может потребоваться реализация значительных коэффициентов отбора газа (Полезная модель РФ №114423, приоритет 11.11.2011, B01D 53/00).the inability to maintain the temperature with high accuracy at the entrance to the second-stage membrane unit reduces the efficiency of its cleaning work, and therefore it may be necessary to implement significant gas extraction coefficients (Utility Model of the Russian Federation No. 114423, priority 11.11.2011, B01D 53/00).

Наиболее близкой к заявленной полезной модели является установка мембранного разделения газовой смеси высокого давления, которая содержит мембранные устройства первой и второй ступени, включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной. Мембранное устройство второй ступени содержит по меньшей мере две последовательно расположенные стадии.Closest to the claimed utility model is the installation of membrane separation of a high pressure gas mixture, which contains membrane devices of the first and second stages, including membrane modules with cavities of high and low pressure, separated by a semipermeable membrane. The membrane device of the second stage contains at least two successive stages.

Поток природного газа, по подводящему трубопроводу, пройдя фильтр тонкой очистки, поступает на мембранное устройство первой ступени, откуда подготовленный газ отводится по выходному трубопроводу. Низконапорный проникший поток первой ступени отправляется на компримирование в межступенчатый компрессор, для дальнейшего мембранного разделения на второй ступени. На нагнетательном трубопроводе межступенчатого компрессора последовательно установлены холодильник, сепаратор и нагреватель. Нагреватель подключен к трубопроводу подачи и трубопроводу отвода нагревающей среды, которые соединены с напорным трубопроводом межступенчатого компрессора, а по нагреваемой среде подключен к выходному трубопроводу сепаратора. На участке нагнетательного трубопровода межступенчатого компрессора между трубопроводом подачи нагревающей среды и трубопроводом отвода нагревающей среды расположено первое запорно-регулирующее устройство, а второе запорно-регулирующее устройство расположено на трубопроводе подачи нагревающей среды в нагреватель. Затем проникший поток первой ступени поступает на доочистку во вторую ступень мембранного разделения, мембранное устройство которой содержит две последовательно расположенные стадии, полости высокого давления которых соединены между собой межстадийным трубопроводом.The flow of natural gas through the inlet pipe, passing a fine filter, enters the membrane device of the first stage, from where the prepared gas is discharged through the outlet pipe. The low-pressure penetrated stream of the first stage is sent for compression to an interstage compressor, for further membrane separation in the second stage. A refrigerator, a separator and a heater are installed in series on the discharge pipe of the interstage compressor. The heater is connected to the supply pipe and the pipe for removing the heating medium, which are connected to the pressure pipe of the interstage compressor, and through the heated medium is connected to the outlet pipe of the separator. On the section of the discharge pipe of the interstage compressor between the heating medium supply pipe and the heating medium drain pipe, the first shut-off and regulating device is located, and the second shut-off-regulating device is located on the pipeline for supplying the heating medium to the heater. Then the penetrated stream of the first stage enters the secondary treatment of the second stage of membrane separation, the membrane device of which contains two successive stages, the high-pressure cavities of which are interconnected by an interstage pipeline.

Непроникший поток второй стадии второй ступени мембранного разделения объединяется с непроникшим потоком первой ступени мембранного разделения и поступает в трубопровод отвода целевого продукта.The non-penetrated stream of the second stage of the second stage of membrane separation is combined with the non-penetrated stream of the first stage of membrane separation and enters the pipeline for removal of the target product.

Особенностью установки, выбранной за прототип, является сообщение полостей низкого давления мембранных модулей первой стадии второй ступени посредством трубопровода отвода проникшего потока на утилизацию с дожимным компрессором, а полостей низкого давления мембранных модулей второй стадии второй ступени - с всасывающим трубопроводом межступенчатого компрессора, за счет чего проникший поток второй стадии мембранного устройства второй ступени рециркулируется на всас межступенчатого компрессора, объединяясь с проникшим потоком мембранного устройства первой ступени, а проникший поток второй стадии мембранного устройства второй ступени подается на всас дожимного компрессора для отправки на утилизацию за пределы установки.A feature of the installation selected for the prototype is the communication of the low-pressure cavities of the membrane modules of the first stage of the second stage through the discharge pipe of the infiltrated stream for disposal with a booster compressor, and the low-pressure cavities of the membrane modules of the second stage of the second stage with the suction pipe of the interstage compressor, due to which the flow of the second stage of the membrane device of the second stage is recycled to the inlet of the interstage compressor, combining with the penetrated flow of the membrane the wound device of the first stage, and the infiltrated stream of the second stage of the membrane device of the second stage is fed to the inlet of the booster compressor for disposal outside the installation.

Кроме того, в известном техническом решении нагреватель выполнен в виде рекуперативного теплообменника, теплоносителем (нагревающей средой) которого является сжатый горячий газ, выходящий из межступенчатого компрессора, а нагреваемой средой является газовая смесь, выходящая из сепаратора.In addition, in the known technical solution, the heater is made in the form of a recuperative heat exchanger, the heat carrier (heating medium) of which is compressed hot gas leaving the interstage compressor, and the heated medium is the gas mixture leaving the separator.

Также особенностью прототипа является то, что степень подогрева потока газа в рекуперативном теплообменнике регулируется с помощью установленных на участке нагнетательного трубопровода межступенчатого компрессора запорно-регулирующих устройств с ручным и автоматическим управлением (Полезная модель РФ №145348, приоритет 04.06.2014, B01D 63/00).Another feature of the prototype is that the degree of heating of the gas flow in the recuperative heat exchanger is regulated by means of manual and automatic shut-off and control devices installed on the injection pipeline section of the interstage compressor (Utility Model of the Russian Federation No. 145348, priority 04.06.2014, B01D 63/00) .

Известная установка очистки природного газа от гелия позволяет повысить степень извлечения целевого компонента из газовой смеси и частично устраняет большинство недостатков, описанных в предыдущих аналогах, однако при реализованной в ней схеме теплообмена поддержание стабильности температурного режима, оптимального для эффективного разделения в мембранных устройствах, является технически сложной задачей, особенно в переходных режимах работы.The known installation of natural gas purification from helium allows to increase the degree of extraction of the target component from the gas mixture and partially eliminates most of the disadvantages described in the previous analogues, however, with the heat exchange scheme implemented in it, maintaining the temperature regime optimal for effective separation in membrane devices is technically difficult task, especially in transient modes of operation.

Существенным недостатком прототипа является то, что описанная мембранная установка сильно подвержена риску спада эффективности процесса мембранного разделения в условиях переходных режимов, когда расход и состав газовой смеси на входе в установку сильно меняются, и требуется оперативное поддержание стабильности основных рабочих параметров процесса. Поскольку в известной установке требуемая рабочая температура достигается за счет контроля расхода горячего газа, когда только его часть подается на подогрев всего объема нагреваемого газа, то даже незначительная погрешность в объеме подаваемого в рекуперативный теплообменник горячего газа ведет к заметному отклонению фактической температуры от заданной. Это особенно значимо при переходных режимах, когда существенно изменяется объем газа, либо его температура. Из-за инерционности системы, даже при снижении объема подаваемого в теплообменник горячего газа, он не может сразу снизить температуру нагреваемого потока, что может привести к кратковременному локальному перегреву потока подогреваемого газа, поступающего в мембранный блок, и отрицательно скажется на работе мембраны, вплоть до превышения допустимой температуры эксплуатации.A significant disadvantage of the prototype is that the described membrane installation is highly exposed to the risk of a decrease in the efficiency of the membrane separation process under conditions of transient conditions, when the flow rate and composition of the gas mixture at the inlet of the installation change significantly, and operational stability of the main process operating parameters is required. Since in a known installation the required operating temperature is achieved by controlling the flow of hot gas, when only part of it is supplied to heat the entire volume of the heated gas, even a slight error in the volume of hot gas supplied to the regenerative heat exchanger leads to a noticeable deviation of the actual temperature from the set one. This is especially significant during transient conditions, when the gas volume or its temperature changes significantly. Due to the inertia of the system, even with a decrease in the volume of hot gas supplied to the heat exchanger, it cannot immediately lower the temperature of the heated stream, which can lead to a short-term local overheating of the heated gas stream entering the membrane unit and adversely affect the membrane’s operation, up to exceeding the permissible operating temperature.

Еще одним недостатком прототипа является и установка запорно-регулирующих устройств на трубопроводе подачи нагревающей среды, что, как правило, ведет к возникновению дроссель-эффекта, охлаждению газового потока и повышению риска образования конденсата после прохождения арматуры, поскольку из межступенчатого компрессора газовая смесь выходит в насыщенном состоянии.Another disadvantage of the prototype is the installation of shut-off and regulating devices on the pipeline for supplying a heating medium, which, as a rule, leads to the appearance of a throttle effect, cooling of the gas stream and an increased risk of condensation after passage of valves, since the gas mixture leaves the interstage compressor in saturated condition.

Существенным недостатком, способствующим нестабильной работе установки прототипа, является наличие рецикла проникшего потока второй стадии мембранного устройства второй ступени. Наряду с другими недостатками, рецикл значительно усложняет стабильность работы всей установки в целом даже при незначительном изменении таких параметров входного газового потока, как состав, температура, давление и расход. Указанная схема с рециклом наиболее чувствительна к колебаниям параметров подаваемого сырьевого газа и требует более точного поддержания значений этих параметров для обеспечения работы в оптимальном режиме, когда подготовка по контролируемому компоненту достигается без значительной переподготовки газа. При использовании схемы установки прототипа для обеспечения стабильности и эффективности работы системы требуется значительная дополнительная подготовка газа, что приводит к увеличению затрат на дополнительное оборудование.A significant disadvantage contributing to the unstable operation of the installation of the prototype is the presence of recycling of the infiltrated stream of the second stage of the membrane device of the second stage. Along with other disadvantages, recycling significantly complicates the stability of the entire installation as a whole, even with a slight change in such parameters of the inlet gas stream as composition, temperature, pressure and flow. The indicated recycle scheme is most sensitive to fluctuations in the parameters of the supplied feed gas and requires a more accurate maintenance of the values of these parameters to ensure optimal operation when preparation for the controlled component is achieved without significant gas retraining. When using the prototype installation scheme, to ensure the stability and efficiency of the system, significant additional gas preparation is required, which leads to an increase in the cost of additional equipment.

Таким образом, известная мембранная установка сильно подвержена риску разбалансировки и спада эффективности процесса мембранного разделения в условиях переходных режимов, когда расход и состав газовой смеси на входе в установку сильно меняются, и требуется оперативное поддержание стабильности основных рабочих параметров процесса.Thus, the known membrane installation is highly exposed to the risk of imbalance and decline in the efficiency of the membrane separation process under conditions of transient conditions, when the flow rate and composition of the gas mixture at the inlet of the installation change significantly, and operational stability of the main operating parameters of the process is required.

Также, к недостаткам известной установки можно отнести и отсутствие теплообменника на входном трубопроводе в первую ступень мембранного разделения, что не позволяет оперативно регулировать температуру разделения до оптимальных значений и снижает эффективность работы мембранного устройства первой ступени.Also, the disadvantages of the known installation can be attributed to the absence of a heat exchanger in the inlet pipe to the first stage of the membrane separation, which does not allow to quickly adjust the separation temperature to optimal values and reduces the efficiency of the membrane device of the first stage.

Кроме того, недостатком этой схемы является то, что при высоких коэффициентах отбора на второй ступени мембранного разделения падение температуры газового потока после первой стадии второй ступени мембранного разделения может быть значительным, что приведет к невозможности сохранения оптимального температурного режима на второй стадии разделения.In addition, the disadvantage of this scheme is that at high selection coefficients in the second stage of membrane separation, the drop in the temperature of the gas stream after the first stage of the second stage of membrane separation can be significant, which will lead to the inability to maintain the optimal temperature regime in the second stage of separation.

Использование в качестве устройства очистки от конденсата сепаратора также негативно сказывается на дальнейшем процессе мембранного газоразделения, так как для данного типа оборудования характерно наличие уноса в газовый поток, подающийся на вторую ступень разделения, определенного количества конденсата, особенно в переходных режимах, либо при расходах значительно отличающихся от номинальных/расчетных.The use of a separator as a condensate treatment device also negatively affects the further process of membrane gas separation, since this type of equipment is characterized by the entrainment of a certain amount of condensate into the gas stream, which flows to the second stage of separation, especially during transient conditions, or at costs significantly different from nominal / rated.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении стабильности рабочих параметров процесса и увеличении точности их поддержания во всех режимах работы мембранного разделения, в особенности при переходных режимах.The technical result of the claimed utility model is to increase the stability of the process operating parameters and increase the accuracy of their maintenance in all operating modes of membrane separation, especially during transient conditions.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке мембранного разделения газовой смеси высокого давления, содержащей мембранные устройства первой и второй ступени, включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной, причем мембранное устройство второй ступени содержит по меньшей мере две последовательно расположенные стадии, полости высокого давления которых сообщены между собой межстадийным трубопроводом, при этом полости высокого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с подводящим трубопроводом исходного потока, на котором установлен фильтр очистки от механических примесей с одной стороны, и с трубопроводом выходного потока подготовленного газа первой ступени с другой стороны; а полости низкого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с трубопроводом отвода проникшего потока первой ступени, соединенным со всасывающим трубопроводом межступенчатого компрессора, выход которого сообщен напорным трубопроводом, в котором последовательно установлены рекуперативный теплообменник, первое и второе управляемые запорно-регулируемые устройства, устройство воздушного охлаждения, устройство очистки газа и фильтр очистки от механических примесей, с полостями высокого давления мембранного устройства второй ступени, сообщенной с другой стороны с трубопроводом отвода потока подготовленного газа второй ступени, согласно полезной модели, в качестве устройства очистки газа используется фильтр-коалесцер, на участке напорного трубопровода между фильтром-коалесцером и фильтром очистки от механических примесей, в обход рекуперативного теплообменника, выполнен байпас, причем первое запорно-регулирующее устройство установлено на указанном байпасе и имеет ручное управление, а второе запорно-регулирующее устройство установлено на напорном трубопроводе после рекуперативного теплообменника перед соединением с байпасом, и автоматически управляется по сигналу датчика температуры, установленного на напорном трубопроводе сразу после соединения с байпасом, а полости низкого давления модулей всех стадий мембранного устройства второй ступени сообщены с трубопроводом отвода проникшего потока на утилизацию.The specified technical result is achieved in that in the installation of membrane separation of a high pressure gas mixture containing membrane devices of the first and second stage, including membrane modules with cavities of high and low pressure, separated by a semipermeable membrane, the membrane device of the second stage contains at least two sequentially arranged stages, the high-pressure cavities of which are interconnected by an interstage pipeline, while the high-pressure cavities of the membrane modules the first stage device is in communication with the inlet pipe of the initial stream, on which a filter for removing mechanical impurities is installed on one side, and with the pipe of the outlet gas stream of the prepared gas of the first stage on the other side; and the low-pressure cavities of the modules of the first-stage membrane device are in communication with a discharge pipe of the penetrated first-stage flow connected to the suction pipe of an interstage compressor, the output of which is connected by a pressure pipe in which a regenerative heat exchanger, the first and second controlled shut-off-controlled devices, an air cooling device are installed in series , gas purification device and filter for removing mechanical impurities, with high-pressure cavities of the membrane device According to the utility model, the second stage, communicated on the other hand with the prepared gas stream of the second stage, uses a filter-coalescer as a gas purification device, in the section of the pressure pipe between the filter-coalescer and the filter for removing mechanical impurities, bypassing the regenerative heat exchanger , a bypass is made, and the first locking and regulating device is installed on the specified bypass and has manual control, and the second locking and regulating device is installed on after the recuperative heat exchanger before connecting to the bypass, it is automatically controlled by the signal of the temperature sensor installed on the pressure pipe immediately after connecting to the bypass, and the low-pressure cavities of the modules of all stages of the second stage membrane device are communicated with the pipeline for discharging the penetrated stream for disposal.

Также технический результат достигается за счет того, что на подводящем трубопроводе может быть выполнен байпас исходного потока в обход мембранного устройства первой ступени, соединяющий подводящий трубопровод с выходным трубопроводом потока подготовленного газа первой ступени. В этом случае на подводящем трубопроводе, после отвода на байпас, устанавливают запорно-регулирующее устройство, имеющее ручное управление, а непосредственно на байпасе - запорно-регулирующее устройство, автоматически управляемое по сигналу датчика концентрации, установленного на выходном трубопроводе подготовленного газа установки.Also, the technical result is achieved due to the fact that the bypass of the source stream can be bypassed bypassing the membrane device of the first stage, connecting the inlet pipe to the outlet pipe of the prepared gas stream of the first stage. In this case, a shut-off and regulating device with manual control is installed on the inlet pipeline, after discharge to the bypass, and a shut-off-regulating device, automatically controlled by the signal of the concentration sensor installed on the outlet pipe of the prepared gas of the installation, is installed directly on the bypass.

Кроме того, установка может быть дополнительно оснащена подогревателями, установленными соответственно на подводящем трубопроводе перед фильтром очистки от механических примесей и мембранным устройством первой ступени, а также на межстадийном трубопроводе совместно с фильтром очистки от механических примесей.In addition, the installation can be additionally equipped with heaters installed, respectively, on the inlet pipe before the filter for cleaning from mechanical impurities and the membrane device of the first stage, as well as in the interstage pipeline together with a filter for cleaning from mechanical impurities.

Целесообразно выполнение подогревателей в виде рекуперативного теплообменника, а также комбинированного типа по источникам тепла.It is advisable to make heaters in the form of a regenerative heat exchanger, as well as a combined type of heat sources.

На напорном трубопроводе межступенчатого потока непосредственно после фильтра-коалесцера может быть установлен угольный адсорбер.A coal adsorber can be installed on the pressure pipe of the interstage flow directly after the coalescer filter.

Аппарат воздушного охлаждения может быть оснащен регулируемым приводом.The air cooler can be equipped with an adjustable drive.

Заявляемая полезная модель позволяет обеспечить стабильность рабочих параметров процесса разделения и повысить точность поддержания их значений наиболее близкими к оптимальным в течение всего технологического цикла мембранного разделения, в особенности при переходных режимах, что, в свою очередь, увеличивает эффективность процесса мембранного разделения по выходу и степени очистки потока подготовленного газа.The inventive utility model allows to ensure the stability of the operating parameters of the separation process and to improve the accuracy of maintaining their values closest to optimal throughout the entire technological cycle of membrane separation, especially during transient conditions, which, in turn, increases the efficiency of the membrane separation process in terms of yield and degree of purification flow of prepared gas.

Предложенное устройство также позволяет увеличить срок эксплуатации мембраны за счет устранения колебаний температуры подаваемого на нее газа, а также гарантированно исключить превышение максимально допустимой температуры работы мембраны.The proposed device also allows you to increase the life of the membrane by eliminating the temperature fluctuations of the gas supplied to it, and also guaranteed to exclude exceeding the maximum allowable temperature of the membrane.

Точное поддержание температуры газа на входе в мембранное устройство второй ступени во всех диапазонах работы, особенно в переходных режимах, обеспечивается за счет регулирования соотношения двух потоков: нагреваемого потока, протекающего через рекуперативный теплообменник, и охлажденного потока, отводящемуся по байпасу в обход рекуперативного теплообменника, которое осуществляется посредством запорно-регулирующих устройств с ручным и автоматическим управлением. Также указанная схема позволяет снизить инерционность системы и тем самым избежать локального перегрева при резком снижении объема исходного потока газа.Accurate maintenance of the gas temperature at the inlet to the second-stage membrane device in all operating ranges, especially in transient conditions, is ensured by controlling the ratio of the two flows: the heated stream flowing through the recuperative heat exchanger, and the cooled stream diverted by bypass bypassing the regenerative heat exchanger, which carried out by means of locking and regulating devices with manual and automatic control. Also, this scheme allows to reduce the inertia of the system and thereby avoid local overheating with a sharp decrease in the volume of the initial gas flow.

Установка запорно-регулирующего устройства с ручным управлением на байпасе более холодного, предварительно осушенного и очищенного потока, также улучшает стабильность работы установки за счет устранения дроссель-эффекта и отсутствия выпадения конденсата.The installation of a manual shut-off and control device on the bypass of a colder, previously drained and cleaned stream also improves the stability of the installation by eliminating the throttle effect and the absence of condensation.

Использование фильтра-коалесцера для очистки межступенчатого потока от механических примесей, водно-метанольного и масляного конденсата, в том числе аэрозольного, позволяет обеспечить требуемую степень очистки газовой смеси не только при стационарных, но и при переходных режимах работы, а также при несоблюдении расчетной влажности сырьевого газа, когда возрастает вероятность образования водно-метанольного конденсата, что положительно сказывается на стабильности рабочих параметров. В случае необходимости глубокой очистки газа дополнительно с фильтром-коалесцером может быть использован угольный адсорбер, который устанавливается на напорном трубопроводе непосредственно после фильтра-коалесцера.The use of a filter-coalescer for cleaning the interstage flow from mechanical impurities, water-methanol and oil condensate, including aerosol, can provide the required degree of purification of the gas mixture not only in stationary but also in transient modes of operation, as well as in case of non-compliance with the estimated humidity of the raw material gas, when the probability of formation of water-methanol condensate increases, which positively affects the stability of the operating parameters. If it is necessary to deeply purify the gas, in addition to the coalescer filter, a carbon adsorber can be used, which is installed on the pressure pipe immediately after the coalescer filter.

Организация отведения проникшего потока второй стадии мембранного устройства второй ступени установки путем сообщения полостей низкого давления модулей всех стадий мембранного устройства второй ступени с трубопроводом отвода проникшего потока в дожимной компрессор и на дальнейшую утилизацию, позволяет повысить стабильность работы установки, особенно в неустойчивых, характеризующихся постоянным изменением рабочих параметров, и переходных режимах, за счет устранения рецикла проникшего потока второй стадии мембранного устройства второй ступени, усиливающего нестабильность системы и повышающего вероятность разбалансировки работы установки в целом, а также позволяет дополнительно оптимизировать капитальные и эксплуатационные затраты.The organization of the removal of the penetrated stream of the second stage of the membrane device of the second stage of the installation by communicating the low-pressure cavities of the modules of all stages of the membrane device of the second stage with the piping for removing the penetrated stream into the booster compressor and for further disposal, improves the stability of the installation, especially in unstable, characterized by constant changes parameters, and transient conditions, due to elimination of recycle of the penetrated stream of the second stage of the membrane device in the second stage, which enhances the instability of the system and increases the likelihood of unbalancing the operation of the installation as a whole, and also allows you to further optimize capital and operating costs.

Наличие байпаса исходного потока в обход мембранного устройства первой ступени дает возможность, в случае необходимости незначительного снижения содержания удаляемого компонента, распределить поток таким образом, что часть потока отправляется в мембранный блок на подготовку, а часть отводится в байпас без подготовки. Это позволяет минимизировать потери рабочего давления при подготовке, контролировать степень очистки подготовленного газа, а также продлевает срок эксплуатации и ресурс мембраны.The presence of a bypass of the initial stream bypassing the membrane device of the first stage makes it possible, if necessary, to slightly reduce the content of the removed component, to distribute the stream so that part of the stream is sent to the membrane unit for preparation, and part is diverted to the bypass without preparation. This allows you to minimize the loss of working pressure during preparation, to control the degree of purification of the prepared gas, and also extends the life and life of the membrane.

Дополнительное оснащение установки подогревателями, установленными соответственно на подводящем трубопроводе перед фильтром очистки от механических примесей и мембранным устройством первой ступени, а также на межстадийном трубопроводе совместно с фильтром очистки от механических примесей позволяет оптимизировать процесс разделения путем обеспечения максимальной эффективности разделения, либо увеличения производительности мембраны за счет поддержания оптимальной рабочей температуры и исключения возможности выпадения конденсата в процессе разделения. Подогреватели могут использовать как внутреннее тепло (например, от компрессора), так и тепло внешних источников.Additional equipment of the installation with heaters installed respectively on the inlet pipe before the filter for removing mechanical impurities and the first stage membrane device, as well as in the interstage pipeline together with a filter for cleaning mechanical impurities, allows optimizing the separation process by ensuring maximum separation efficiency or increasing membrane productivity due to maintaining optimal operating temperature and eliminating the possibility of condensation that in the process of separation. Heaters can use both internal heat (for example, from a compressor) and the heat of external sources.

Оснащение аппарата воздушного охлаждения регулируемым приводом позволяет обеспечивать автоматическое поддержание требуемой температуры охлаждаемого газа в широком диапазоне расходов газа и внешних температур (температуры окружающей среды).Equipping the air-cooling apparatus with an adjustable drive allows automatic maintenance of the required temperature of the cooled gas in a wide range of gas flow rates and external temperatures (ambient temperature).

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена основная схема установки мембранного разделения газовой смеси высокого давления, а на фиг. 2 - установка, оснащенная дополнительными элементами.The claimed technical solution is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a basic installation diagram of a membrane separation of a high pressure gas mixture, and FIG. 2 - installation, equipped with additional elements.

Установка мембранного разделения газовой смеси высокого давления содержит мембранные устройства 1, 2, первой и второй ступеней соответственно, включающие мембранные модули с полостями высокого и низкого давления, разделенные полупроницаемой мембраной. Мембранное устройство второй ступени состоит двух последовательно расположенных стадий 3 и 4, полости высокого давления модулей которых сообщены между собой межстадийным трубопроводом 5.The membrane separation unit for a high pressure gas mixture contains membrane devices 1, 2, of the first and second stages, respectively, including membrane modules with high and low pressure cavities separated by a semipermeable membrane. The membrane device of the second stage consists of two successively located stages 3 and 4, the high-pressure cavities of the modules of which are interconnected by an interstage pipeline 5.

Полости высокого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с подводящим трубопроводом 6 исходного потока, на котором установлен фильтр 7 очистки от механических примесей, с одной стороны, и с выходным трубопроводом 8 потока подготовленного газа первой ступени, с другой стороны.The high-pressure cavities of the modules of the first stage membrane device are in communication with the inlet pipe 6 of the initial stream, on which the filter for purification from mechanical impurities is installed, on the one hand, and with the outlet pipe 8 of the prepared gas stream of the first stage, on the other hand.

Полости низкого давления модулей мембранного устройства первой ступени сообщены с трубопроводом 9 отвода проникшего потока первой ступени, соединенным с всасывающим трубопроводом 10 межступенчатого компрессора 11, выход которого сообщен напорным трубопроводом 12 межступенчатого потока с полостями высокого давления модулей первой стадии 3 мембранного устройства 2 второй ступени. На напорном трубопроводе последовательно установлены рекуперативный теплообменник 13, устройство 14 воздушного охлаждения потока, фильтр-коалесцер 15 и фильтр 16 очистки от механических примесей.The low-pressure cavities of the modules of the first-stage membrane device are in communication with the pipeline 9 for discharging the penetrated flow of the first stage, connected to the suction pipe 10 of the interstage compressor 11, the output of which is connected by the pressure pipe 12 of the interstage flow with the high-pressure cavities of the modules of the first stage 3 of the second-stage membrane device 2. A regenerative heat exchanger 13, an air flow cooling device 14, a filter-coalescer 15 and a filter 16 for removing mechanical impurities are sequentially installed on the pressure pipe.

На участке напорного трубопровода межступенчатого потока между фильтром-коалесцером 15 и фильтром 16, в обход рекуперативного теплообменника, выполнен байпас 17, на котором установлено первое запорно-регулирующее устройство 18 с ручным управлением.On the section of the pressure pipeline of the interstage flow between the filter-coalescer 15 and the filter 16, bypassing the recuperative heat exchanger, a bypass 17 is made on which the first shut-off-regulating device 18 with manual control is installed.

Второе запорно-регулирующее устройство 19 установлено на напорном трубопроводе межступенчатого потока после рекуперативного теплообменника перед соединением с байпасом, причем это устройство автоматически управляется по сигналу датчика 20 температуры, установленного на напорном трубопроводе сразу после соединения с байпасом.The second shut-off and control device 19 is installed on the pressure line of the interstage flow after the recuperative heat exchanger before connecting to the bypass, and this device is automatically controlled by the signal of the temperature sensor 20 installed on the pressure pipe immediately after connecting to the bypass.

С другой стороны полости высокого давления модулей первой стадии 3 мембранного устройства второй ступени 2 сообщены межстадийным трубопроводом 5 с полостями высокого давления модулей второй стадии 4 мембранного устройства 2 второй ступени. В свою очередь, с другой стороны полости высокого давления модулей второй стадии мембранного устройства второй ступени сообщены с трубопроводом 21 выхода потока подготовленного газа второй ступени.On the other hand, the high-pressure cavities of the modules of the first stage 3 of the membrane device of the second stage 2 are connected by an interstage pipe 5 with the high-pressure cavities of the modules of the second stage 4 of the membrane device 2 of the second stage. In turn, on the other hand, the high-pressure cavities of the modules of the second stage of the membrane device of the second stage are in communication with the pipe 21 for the outlet of the prepared gas stream of the second stage.

Полости низкого давления модулей первой и второй стадий 3, 4 мембранного устройства второй ступени сообщены с трубопроводом 22 отвода проникшего потока в дожимной компрессор 23 и на утилизацию.The low-pressure cavities of the modules of the first and second stages 3, 4 of the membrane device of the second stage are in communication with the pipeline 22 for discharge of the infiltrated stream into the booster compressor 23 and for disposal.

Потоки подготовленного газа мембранных устройств первой и второй ступеней по соответствующим выходным трубопроводам 8 и 21 поступают в выходной трубопровод 24 подготовленного газа установки.The streams of prepared gas of the membrane devices of the first and second stages through the corresponding outlet pipelines 8 and 21 enter the outlet pipe 24 of the prepared gas of the installation.

Как показано на фиг. 2, установка может включать байпас 25 исходного потока, выполненный на подводящем трубопроводе 6 исходного газа в обход мембранного устройства 1 первой ступени, и соединяющий подводящий трубопровод 6 исходного потока с трубопроводом 8 потока подготовленного газа первой ступени.As shown in FIG. 2, the installation may include a bypass 25 of the initial stream, performed on the inlet pipe 6 of the source gas bypassing the membrane device 1 of the first stage, and connecting the inlet pipe 6 of the source stream to the pipe 8 of the prepared gas stream of the first stage.

В этом случае на подводящем трубопроводе 6, после отвода на байпас, устанавливается запорно-регулирующее устройство 26, имеющее ручное управление, а непосредственно на байпасе - запорно-регулирующее устройство 27, автоматически управляемое по сигналу датчика 28 концентрации, установленного на выходном трубопроводе 24 подготовленного газа установки.In this case, the inlet pipe 6, after discharge to the bypass, is equipped with a manual shut-off device 26, and the shut-off device 27, automatically controlled by the signal from the concentration sensor 28 installed on the prepared gas outlet pipe 24, is installed directly on the bypass installation.

Кроме того, установка может быть дополнительно оснащена подогревателями 29, 30, установленными соответственно на подводящем трубопроводе перед фильтром 7 очистки от механических примесей и на межстадийном трубопроводе 5 совместно с дополнительным фильтром 31 очистки от механических примесей.In addition, the installation can be additionally equipped with heaters 29, 30, respectively installed on the inlet pipe before the filter 7 for cleaning from mechanical impurities and on the interstage pipe 5 together with an additional filter 31 for cleaning from mechanical impurities.

В случае необходимости глубокой очистки газа на напорном трубопроводе после фильтра-коалесцера 15 устанавливается угольный адсорбер 32.If necessary, deep gas purification on the pressure pipe after the filter coalescer 15 is installed carbon adsorber 32.

ПримерExample

При помощи установки, приведенной на фиг. 1, осуществляют удаление гелия. Очистке подлежит газовая смесь высокого давления следующего состава, % мол.: метан - 96,0; этан - 1,8; пропан - 0,2; азот - 1,0; углекислый газ - 0,5; гелий - 0,5; вода и метанол с содержанием, соответствующим ТТР=-40°C (при Р=4,0 МПа).With the installation shown in FIG. 1, carry out the removal of helium. The gas mixture of high pressure of the following composition is subject to cleaning, mol%: methane - 96.0; ethane - 1.8; propane - 0.2; nitrogen - 1.0; carbon dioxide - 0.5; helium - 0.5; water and methanol with a content corresponding to TTR = -40 ° C (at P = 4.0 MPa).

Для разделения газовой смеси используется мембрана с классической последовательностью проницаемости компонентов природного газа. Оптимальными рабочими параметрами процесса разделения для данной мембраны являются температура 50°C, давление 10,0 МПа.A membrane with a classical sequence of permeability of natural gas components is used to separate the gas mixture. The optimal operating parameters of the separation process for this membrane are temperature 50 ° C, pressure 10.0 MPa.

Исходный поток газовой смеси высокого давления с начальной температурой 30…50°C и давлением 10,0 МПа, поступающий по подводящему трубопроводу 6, проходит через фильтр 7, где очищается от механических примесей, а затем поступает в мембранное устройство 1 первой ступени разделения. В результате процесса мембранного разделения из мембранного устройства 1 выходят два потока газа: непроникший поток высокого давления (ретентат), соответствующий требованиям потребителя по остаточному содержанию удаляемого компонента (с содержанием гелия не более 0,05% мол.), выходящий по трубопроводу 8 потока подготовленного газа первой ступени, и проникший поток низкого давления (пермеат), который отводится по трубопроводу 9.The initial flow of a high pressure gas mixture with an initial temperature of 30 ... 50 ° C and a pressure of 10.0 MPa, coming through the supply pipe 6, passes through a filter 7, where it is cleaned of mechanical impurities, and then enters the membrane device 1 of the first separation stage. As a result of the membrane separation process, two gas streams exit from the membrane device 1: a non-penetrated high pressure stream (retentate) that meets the consumer's requirements for the residual content of the removed component (with a helium content of not more than 0.05 mol%), leaving the prepared stream through line 8 gas of the first stage, and the penetrated low-pressure stream (permeate), which is discharged through the pipeline 9.

Так как объем проникшего потока довольно высок и составляет до 7…10% от исходного потока, он подвергается повторной подготовке для увеличения общего выхода подготовленного газа. Для этого проникший поток первой ступени по трубопроводу 9, соединенному с всасывающим трубопроводом 10, поступает на сжатие в межступенчатый компрессор 11. Сжатый поток, уже как межступенчатый, с температурой около 120°C, по напорному трубопроводу 12 поступает в рекуперативный теплообменник 13 в качестве охлаждаемого теплоносителя. В рекуперативном теплообменнике указанный поток частично отдает тепло нагреваемому потоку, и поступает в воздушный холодильник 14, где доохлаждается до температуры 25…30°C. После охлаждения межступенчатый поток направляется для очистки в фильтр-коалесцер 15, при помощи которого производится очистка от механических примесей, водно-метанольного и масляного конденсата, в том числе аэрозольного, что позволяет обеспечить требуемую степень очистки газовой смеси не только при стационарных, но и при переходных режимах работы. Содержание капельного (аэрозольного) масла в очищаемом газе также определяется типом используемого межступенчатого компрессора 11 и может достигать 15…100 ррм. На выходе из фильтра-коалесцера содержание жидкой фазы масла и/или других примесей составляет не более 2,0 ррм.Since the volume of the penetrated stream is quite high and amounts to 7 ... 10% of the initial stream, it is subjected to repeated preparation to increase the total yield of the prepared gas. To do this, the penetrated stream of the first stage through the pipeline 9 connected to the suction pipe 10, is compressed into an interstage compressor 11. The compressed stream, already as an interstage, with a temperature of about 120 ° C, passes through the pressure pipe 12 to a regenerative heat exchanger 13 as a cooled coolant. In a recuperative heat exchanger, this stream partially gives off heat to the heated stream, and enters the air cooler 14, where it is cooled to a temperature of 25 ... 30 ° C. After cooling, the interstage flow is sent for cleaning to the filter coalescer 15, with the help of which the mechanical impurities, water-methanol and oil condensate, including aerosol, are cleaned, which ensures the required degree of purification of the gas mixture not only at stationary, but also at transient modes of operation. The content of drip (aerosol) oil in the gas to be cleaned is also determined by the type of interstage compressor used 11 and can reach 15 ... 100 ppm. At the outlet of the filter-coalescer, the content of the liquid phase of the oil and / or other impurities is not more than 2.0 ppm.

Затем выходящий из фильтра-коалесцера очищенный от аэрозолей и охлажденный межступенчатый поток разделяется на два потока, один из которых в качестве нагреваемого теплоносителя поступает в рекуперативный теплообменник 13, в котором неконтролируемо нагревается до температуры, зависящей от объема и расхода теплоносителей, и составляющей, как правило, 70…90°C; а второй, без нагрева, отводится по байпасу 17 в обход рекуперативного теплообменника, а затем, на выходе из него, объединяется с нагретой частью потока в напорном трубопроводе 12.Then, the aerosol-free and cooled interstage stream leaving the filter-coalescer is divided into two streams, one of which enters the recuperative heat exchanger 13 as a heated coolant, in which it uncontrollably heats up to a temperature depending on the volume and flow of coolants, and a component, as a rule , 70 ... 90 ° C; and the second, without heating, is discharged by bypass 17 bypassing the recuperative heat exchanger, and then, at the exit from it, is combined with the heated part of the flow in the pressure pipe 12.

На байпасе 17 установлено первое запорно-регулирующее устройство 18 в виде ручного клапана, обеспечивающего выравнивание гидравлического сопротивления байпасной линии 17 и рекуперативного теплообменника 13. Клапан 18 настраивается в зависимости от общего расхода газа и, при необходимости, может подстраиваться при плановом изменении расхода.On the bypass 17, the first shut-off and regulating device 18 is installed in the form of a manual valve that ensures equalization of the hydraulic resistance of the bypass line 17 and the regenerative heat exchanger 13. The valve 18 is adjusted depending on the total gas flow rate and, if necessary, can be adjusted when the flow rate is planned.

Второе запорно-регулирующее устройство 19 установлено на участке напорного трубопровода 12 после рекуперативного теплообменника 13 перед соединением с байпасом 17 и фильтром 16 очистки от механических примесей и представляет собой клапан, управляемый по сигналу от датчика температуры 20, установленного на напорном трубопроводе 12 после его объединения с байпасом 17. Посредством управляемого клапана 19, который открывается по сигналу датчика 20, регулируется соотношение расходов нагреваемой части межступенчатого потока и его части, которая без нагрева идет по байпасу 17.The second locking and regulating device 19 is installed on the section of the pressure pipe 12 after the recuperative heat exchanger 13 before connecting to the bypass 17 and the filter 16 for removing mechanical impurities and is a valve controlled by a signal from a temperature sensor 20 installed on the pressure pipe 12 after combining it with Bypass 17. By means of a controlled valve 19, which opens upon a signal from the sensor 20, the flow rate of the heated part of the interstage flow and its part, which is without heating is bypass 17.

При отклонении фактической температуры объединенного межступенчатого потока от заданной на ±0,5…1,0°C клапан 19 осуществляет корректирующие действия по увеличению либо по уменьшению потока газа через рекуперативный теплообменник. При этом температура объединенного потока газа в трубопроводе 12 поддерживается на уровне 50±2°C. Указанный поток, после прохождения фильтра 16 для удаления механических примесей, подается на мембранное устройство второй ступени разделения 2, в котором производится подготовка газа аналогично мембранному устройству первой ступени разделения.If the actual temperature of the combined interstage flow deviates from the set temperature by ± 0.5 ... 1.0 ° C, valve 19 takes corrective actions to increase or decrease the gas flow through the regenerative heat exchanger. The temperature of the combined gas flow in the pipe 12 is maintained at a level of 50 ± 2 ° C. The specified stream, after passing through the filter 16 to remove mechanical impurities, is fed to the membrane device of the second separation stage 2, in which the gas is prepared similar to the membrane device of the first separation stage.

Мембранное устройство второй ступени разделения состоит из двух стадий 3 и 4, последовательно соединенных по непроникшему потоку межстадийным трубопроводом 5. Мембранное разделение в устройстве второй ступени организовано таким образом, что содержание гелия в потоке подготовленного газа второй ступени составляет примерно 0,05% мол.The membrane device of the second separation stage consists of two stages 3 and 4, connected in series through the non-penetrated flow by the interstage pipeline 5. The membrane separation in the second stage device is organized in such a way that the helium content in the stream of the prepared gas of the second stage is approximately 0.05 mol%.

Разбивка мембранного устройства второй ступени на стадии позволяет существенно увеличить выход подготовленного газа, а отсутствие каких-либо потоков возвращаемых на повторную подготовку (рециклов) дает возможность минимизировать мощность межступенчатого компрессора и количество мембранных модулей на второй ступени разделения.The breakdown of the membrane device of the second stage at the stage allows to significantly increase the yield of prepared gas, and the absence of any flows returned to the repeated preparation (recycles) makes it possible to minimize the power of the interstage compressor and the number of membrane modules in the second stage of separation.

Частично подготовленный на первой стадии 3 поток газа подается по межстадийному трубопроводу 5 в качестве сырьевого на вторую стадию 4 без какой-либо дополнительной подготовки. Полости низкого давления мембранных модулей первой и второй стадий второй ступени сообщены с трубопроводом 22, в котором выходящие из ступеней 3 и 4 обогащенные гелием проникшие потоки первой и второй стадий второй ступени объединяются в единый поток и подаются в дожимной компрессор 23. После компримирования в нем, сжатый проникший поток отправляется на дальнейшую утилизацию.The gas stream partially prepared in the first stage 3 is supplied via the interstage pipeline 5 as a feed to the second stage 4 without any additional preparation. The low-pressure cavities of the membrane modules of the first and second stages of the second stage are connected to the pipe 22, in which the penetrated flows of the first and second stages of the second stage coming out of stages 3 and 4 are combined into a single stream and fed to the booster compressor 23. After compression in it, the compressed infiltrated stream is sent for further disposal.

Поток подготовленного газа второй ступени, выходящий из мембранного устройства второй ступени по трубопроводу 21 и поток подготовленного газа первой ступени, отводящийся по трубопроводу 8 объединяются в трубопроводе 24 общего выходного потока подготовленного газа. Объединенный поток подготовленного газа с содержанием гелия не более 0,05% мол. является товарным и выводится за пределы установки.The stream of prepared gas of the second stage, leaving the membrane device of the second stage through the pipe 21 and the stream of prepared gas of the first stage, discharged through the pipe 8 are combined in the pipeline 24 of the total output stream of the prepared gas. The combined stream of prepared gas with a helium content of not more than 0.05 mol%. is commercial and is displayed outside the installation.

Так как в заявленной установке регулируется расход нагреваемого потока, вся схема в целом, практически, не имеет инерционности, которая определяется только скоростью отклика регулирующего клапана 19 на управляющее воздействие от датчика температуры 20. Также установка запорно-регулирующего устройства 18 на предварительно осушенном и очищенном байпасируемом потоке исключает образование в ней конденсата из-за дроссельного эффекта.Since the flow rate of the heated stream is regulated in the claimed installation, the whole circuit as a whole has practically no inertia, which is determined only by the response speed of the control valve 19 to the control action from the temperature sensor 20. Also, the installation of the shut-off and control device 18 on a previously drained and cleaned bypass flow eliminates the formation of condensate in it due to the throttle effect.

В результате точность поддержания температуры газа на входе первой стадии второй ступени подготовки обеспечивается не хуже ±0,5…1,0°C при стационарных режимах работы и не хуже ±2,0°C при переходных режимах работы, например при значительных изменениях расхода газа.As a result, the accuracy of maintaining the gas temperature at the inlet of the first stage of the second stage of preparation is ensured no worse than ± 0.5 ... 1.0 ° C during stationary operation and no worse than ± 2.0 ° C during transient operation, for example, with significant changes in gas flow .

Данная точность позволяет обеспечить оптимальную подготовку газа на второй ступени разделения, при которой обеспечивается остаточное содержание гелия в подготовленном газе 0,05% мол., что позволяет увеличить выход подготовленного газа до не менее 98,5% от исходного потока. Также достигается максимально высокая концентрация гелия в потоке газа, направляемом на утилизацию - не менее 38% мол.This accuracy allows for optimal gas preparation at the second separation stage, which ensures a residual helium content in the prepared gas of 0.05 mol%, which allows to increase the yield of prepared gas to at least 98.5% of the initial stream. Also achieved the highest possible concentration of helium in the gas stream sent for utilization - at least 38 mol%.

Благодаря изменению схемы включения рекуперативного теплообменника и регулирующей арматуры, а также исключения из нее рецикла, предложенная установка одновременно гарантирует требуемое качество и максимальный выход подготовленного газа как при стационарных, так и при переходных режимах работы, а также позволяет увеличить срок службы мембраны за счет обеспечения минимальных колебаний температуры подаваемого на нее газа.Due to a change in the switching circuit of the recuperative heat exchanger and control valves, as well as the elimination of recycle from it, the proposed installation simultaneously guarantees the required quality and maximum yield of the prepared gas both under stationary and transient operating modes, and also allows to increase the membrane service life by ensuring minimum fluctuations in the temperature of the gas supplied to it.

Claims

1. Installation of membrane separation of the gas mixture of high pressure, containing membrane devices of the first and second stages, including membrane modules with cavities of high and low pressure, separated by a semipermeable membrane, and the membrane device of the second stage contains at least two successive stages, high pressure cavities which interconnected by an interstage pipeline, while the high-pressure cavities of the modules of the first stage membrane device are in communication with the supply pipe a supply line of a feed stream on which a filter for removing mechanical impurities from one side is installed, and with a pipe of an outlet stream of prepared gas of the first stage from the other side; and the low-pressure cavities of the modules of the first-stage membrane device are in communication with a discharge pipe of the penetrated first-stage flow connected to the suction pipe of an interstage compressor, the output of which is connected by a pressure pipe, in which a regenerative heat exchanger, the first and second controlled shut-off and control devices, an air cooling device are installed in series , gas purification device and filter for removing mechanical impurities, with high-pressure cavities of membrane modules on the second stage device, communicated on the other hand with the prepared gas stream outlet pipe of the second stage, characterized in that a filter-coalescer is used as a gas purification device, and bypassing the filter from the coalescer filter and the filter for removing mechanical impurities, bypassing recuperative heat exchanger, a bypass is made, the first locking and regulating device is installed on the specified bypass and has manual control, and the second locking and regulating device is installed on the pressure pipe after the recuperative heat exchanger before connecting to the bypass, and is automatically controlled by the signal of the temperature sensor installed on the pressure pipe immediately after the connection to the bypass, and the low-pressure cavities of the modules of all stages of the membrane device of the second stage are communicated with the discharge pipe for disposal.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the bypass of the initial flow bypasses the membrane device of the first stage, connecting the inlet pipe to the outlet pipe of the prepared gas stream of the first stage, and the bypass has a shut-off and control device that is automatically controlled by the signal from the concentration sensor installed on the outlet pipeline of the prepared gas of the installation, and on the inlet pipeline, after discharge to the bypass, a shut-off and regulating device having manual control is installed The pressure.

3. Installation according to claim 1, characterized in that a heater is additionally installed on the inlet pipe in front of the filter for removing mechanical impurities and the membrane device of the first stage.

4. Installation according to claim 1, characterized in that an additional heater is installed on the interstage pipeline.

5. Installation according to claim 4, characterized in that the interstage pipeline after the heater is additionally equipped with a filter for cleaning of mechanical impurities.

6. Installation according to claim 3 or 4, characterized in that the heater is made in the form of a regenerative heat exchanger.

7. Installation according to claim 3 or 4, characterized in that the heater is made of a combined type according to heat sources.

8. Installation according to claim 1, characterized in that it further comprises a carbon adsorber mounted on the pressure pipe after the coalescer filter.

9. Installation p. 1, characterized in that the air cooling device is equipped with an adjustable drive for supplying cooling air.