RU1816228C

RU1816228C - Способ извлечени гели

Info

Publication number: RU1816228C
Application number: SU894742427A
Authority: RU
Inventors: Кноблаух Карл; Пиларчик Эрвин; Гисслер Клаус; Буковски Ханс; С.Дъамико Джозеф; Райнхольд Херберт
Original assignee: Бергверксфербанд ГмбХ
Priority date: 1987-05-20
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1993-05-15
Also published as: PL160298B1; DE3863585D1; EP0291976A1; WO1988009305A1; JPH02503552A; DE3716899C1; DD270124A5; JPH0577604B2; US5080694A; PL272593A1; AU604127B2; EP0358700A1; ES2023977B3; AU1781588A; EP0291976B1

Abstract

Использование: получение гели высо- |фй чистоты и с большим выходом без промежуточного обогащени в холодильных установках из газов с малым содержанием гели в соответствии с процессом адсорб- ции.со сдвигом давлени . Полученный гелий чистотой более 99% может использоватьс как защитный газ, дл дыхани при погружении , газ дл баллонов и как газ-носитель дл хроматографии. Сущность изобретени : гелий, содержащий газ в трех ступен х адсорбции , соответственно циклически направл ют в четыре параллельно включенные адсорбера. В ступени предварительной фильтрации сначала отдел ю/г высшие углеводороды и С02 в заполненных активированным углем адсорберах. Другие газовые составл ющие, такие, например, как азот и-/или метан, отдел ют в двух сле- . дующих ступен х адсорбции, адсорберы которых заполнены углеродными молекул рными ситами, причем гелий сначала в одной ступени обогащают и затем в следующей ступени получают самый чистый гелий с чистотой, превышающей 99,9% гели . В качестве исходного газа служат преимущественно природные газы с содержанием гели от 2 до 10%. 5 з.п. ф-лы. 8 ил.-, 5 табл.

Description

Изобретение относитс к способу извлечени гели по процессу адсорбции со сдвигом давлени из газовых смесей, содержащих гелий, азот, метан и при желании СО2 и высшие углеводороды,

Из описани изобретени к европейскому патенту № 0092695 известен такой адсорбционный способ со сдвигом давлени дл очистки гели , при котором из исходной газовой смеси с гелием и в основном азотом,, аргоном и кислородом, а также с меньшими количествами двуокиси углерода и метана при использовании угольных молекул рных сит можно получать гелий с чистотой, превышающей 99,9 об.%. Однако при этом одноступенчатом способе исходна газова

смесь уже содержит 50-95 об.% гели . Этот способ непригоден дл получени гели из , газовых смесей с содержанием гели до 10%.

В основе изобретени лежит задача добитьс получени гели из природных газов с малым содержанием гели только за счет адсорбции со сдвигом давлени без предварительного обогащени с высокой чистотой и одновременно большим выходом.

Эта задача решаетс предложенным способом за счет комбинации двух ступеней очистки.

Предварительно с помощью фильтров, заполненных активированным углем, из ге- лийсодержащей газовой смеси удал ютс

09

S3

S3 СО

СО

высокомолекул рные углеводороды, а также , при известных услови х,С02.

Фильтры по услови м эксплуатации приданы адсорберам первой ступени очистки . Затем газовую смесь подают в один из адсорберов первой ступени очистки, заполненных углеродными молекул рными ситами . После этого газовую смесь подают в один из адсорберов второй ступени очистки , При возврате отработавших газов из второй ступени в исходный газ первой адсорбционной ступени давление в адсорг- берэх повышают .в три стадии повышени давлени до давлени адсорбции и после адсорбции снимают давление за четыре стадии снижени давлени .

Причем фаза повышени давлени включает три стадии:

1. Стади повышени давлени от давлени Pi, составл ющего от 50 мбар до 500 мбар, до. давлени (Рз), составл ющего 4 бар;,

2. Стади повышени давлени от давлени Рз, составл ющего 4 бар, до давлени Р4, составл ющего 11,7 бар,

3. Стади повышени давлени от давлени Р4, составл ющего 11,7 бар, до давле- ни PS, - давлени адсо рбции-, составл ющего от 10 до 30 бар.

Фаза снижени давлени включает четыре стадии:

1. Стади снижени давлени от давлени PS, составл ющего от 10 до 30 бар, до давлени Р4, составл ющего 11,7 бар,

2. Стади снижени давлени от давлени , составл ющего 11,7 бар; до давлени Рз, составл ющего 4 бар.

3. Стади снижени давлени от давлени Рз, составл ющего 4 бар, до атмосферного давлени Ра, составл ющего 1 бар.

4. Стади снижени давлени от атмосферного давлени Р2, составл ющего 1 бар, до давлени Pi, составл ющего от 50 мбар до 500 мбар.

Используют операцию выравнивани давлени , которую осуществл ют в два этапа . Причем на первом этапе давление снижают посредством соединени выхода адсорбера, в котором проводитс 1-а стади снижени давлени (с PS до ), с выходом адсорбера, в котором происходит стади повышени давлени , (с Рз до Рз), а на втором этапе давление снижаетс посредством соединени выхода адсорбера, в котором происходит 2-а стади снижени давлени (с Р4 до Рз)- с входом адсорбера, в котором происходит 1-а стади повышени давлени (с Pi до Рз).

3- стади снижени давлени и 4- стади снижени давлени осуществл ютс в

противотоке, т.е. в направлении от выхода адсорбера к входу адсорбера, причем получаетс обедненный гелием отход щий газ и 3- стади повышени давлени проводит- с газом-продуктом.

В качестве адсорбционных средств дл способа согласно изобретению используют специальные угольные молекул рные сита со средним диаметром адсорбционных пор между 0,1 и 0,4 нм, преимущественно 0,3 и 0,4 нм, исключительно эффективно, отдел ющие от гели азот и метан, так что может получатьс гелий высокой чистоты, причем при использовании предложенного способа 5 прежде всего достигают неожиданно высо; кого выхода гели , превышающего 90%. В соответствии с предложенным способом обогащени это удаетс только лишь при использовании метода сдвига давлени уже 0 из исходных газовых смесей со сравнительно малым содержанием гели , составл ющим приблизительно 2-10%. За счет этого при очень низких затратах энергии производ т газ-продукт, чистота гели которого со- 5 ставл ет 99,9% и более.

Суммарное врем цикла целесообразно составл ет от 450 до 3600 сек.

Согласно предпочтительной форме осуществлени работают с суммарным време- 0 нем цикла 720 с.

При суммарном времени цикла 720 с стадии фазы снижени давлени предпочтительным образом провод т в течение следующего времени:

5 Стади снижени давлени от PS до РА55 с Пауза 115с Стади снижени давлени от Р4 до Рз Юс 0 Стади снижени давле-.

ни отРздоРа55с Стади снижени давлени от Р2 до Pi 115 с Фаза повышени давлени при суммар- 5 ном времени цикла 720 с целесообразно проводить в течение следующего времени: Стади повышени давлени от Pi до Рз 1.0с Стади повышени давле- 0 ни от Рз до Р4 55 с Стади повышени давлени от Р4 до Ps 125 с При общем времени цикла 720 с рекомендуетс проводить фазу адсорбции в те- 5 чение 180 с.

Способ согласно изобретению особенно пригоден дл таких исходных газов, содержание гели в которых составл ет до 10 об.%, преимущественно2-8об.%. При этом дол гели в газе-продукте первой ступени

адсорбции может составл ть величину до 95 об.%. Дол гели в конечном газе-продукте второй ступени адсорбции может составл ть 99,9 об.% и выше.

Способ, согласно изобретению, особенно пригоден дл получени гели из природных газов, которые после предварительного отделени высших углеводородов и микро- загр знений, например в фильтрах предварительной , очистки могут иметь следующий состав, (об.%):

Na 40-80, Не 2-10, СН4 10-40, СОа 0,1%-Ю.

Дальнейшие преимущества и формы осуществлени способа вытекают из последующего описани примеров осуществлени с помощью прилагаемых чертежей.

На фиг. 1 показана одноступенчата установка дл адсорбции с четырьм параллельными адсорберами дл обогащени гели до величины, составл ющей до 95 об..%; на фиг. 2 - диаграмма давление-врем адсорбера устайовки согласно фиг. 1; на фиг, 3 - диаграмма давление-врем с таблицей последовательности операций дл четырех адсорберов установки согласно фиг. Т; на фиг. 4 - схема переключени клапанов дл четырех адсорберов установки согласно фиг. 1; на фиг. 5 - диаграмма зависимости выхода гели от чистоты гели в установке согласно фиг. 1; на фиг. 6 - двухступенчата установка дл адсорбции с четырьм параллельными адсорберами на каждой ступени дл получени гели с чистотой , превышающей 99,9 об.%; на фиг. 7 - диаграмма давление-врем с таблицей последовательности операций дл четырех ад- сорберов второй ступени установки согласно фиг. на фиг. 8 - схема переключени клапанов дл четырех адсорберов второй ступени установки согласно фиг. 6.

Установка согласно фиг. 1 состоит из четырех адсорберов A.B.C.D заполненных угольным молекул рным ситом со средним диаметром адсорбционных пор между 0,1 и 0,4 нм, преимущественно между 0,3 и 0,4 нм. Адсорберы А, В, С и D включены параллельно . А также имеютс четыре предварительных фильтров J, К, L, М, заполненных активированным углем, в которых в случае необходимости могут удал тьс до входа в адсорберы A-D имеющиес в исходном газе высшие углеводороды и микрозагр знени . В каждом адсорбере протекают циклически со смещением по времени по отношению к другим трем адсорберам следующие восемь операций. Т1 адсорбци

Т2 снижение давлени за счет выравнивани давлени (D a 1)

ТЗ снижение давлени за счет выравнивани давлени (D a 2)

Т4 снижение давлени противотоком (GEE) Т5 вакуумирование (Е)

5 Т6 повышение давлени за счет выравнивани давлени (D A 1)

Т7 повышение давлени за счет выравнивани давлени (D A 2),

Т8 повышение давлени с помощью газа- 10 продукта (D A 3).

Прежде, чем в подробност х будет по снена фиг. 1, следует сначала рассмотреть прохождение восьми операций от Т1 до Т8 с помощью профилей давление-врем , по- 5 казанных на фиг. 2 и 3.

На фиг. 2 показан в качестве примера дл давлени адсорбции 20 бар и суммарного времени цикла 720 с профиль давление- врем , имеющийс в каждом из четырех

0 адсорберов с временным смещением по отношению к другим адсорберам. На оси давлени отмечены п ть величин давлени от Pi до PS, между которыми в насто щем примере осуществл ют операции по повыше5 нию давлени и снижению давлени .

На фиг. 3 показаны смещенные по времени профили давление-врем в четырех адсорберах A-D, В качестве примера далее описаны операции процесса дл адсорбера

0 А, которые действительны дл других трех адсорберов В, С и D.

Адсорбци (операци Т1) происходит при посто нном повышенном давлении, например при 20 бар. Исходный газ течет при :

5 этом давлении через адсорбер А, причем угольным молекул рным ситом адсорбируютс азот, метан и другие компоненты газа, так что гелий, который не адсорбируетс , с высокой чистотой вытекает на выходе ад0 сорбера.

После адсорбции адсорбер А регенерируют с помощью нескольких циклов сниже- ни давлени (операции ТЗ-Т5).

Сначала осуществл ют первое вырав5 нивание давление D a I (операци Т2), причем наход щийс при давлении адсорбции газ направл ют в пр мотоке из адсорбера А с уменьшением давлени от давлени адсорбции PS в наход щийс под более низ0 ким давлением Рз адсорбер С. Отвод газа от. адсорбера А (Т2) к адсорберу С (Т7) обозначен на таблице последовательности операций фиг. 3 стрелкой.

5Во врем первого выравнивани давлени (D a I) давление в адсорбере А уменьшают до давлени , например до 11,7 бар, тогда как одновременно давление в адсорбере С возрастает от давлени Рз до давле- ни Рз (повышение давлени А2).

После короткой остановки (пауза) в адсорбере А осуществл ют второе выравнивание давлени (D а 2, операци ТЗ), причем наход щийс под давлением Р4 газ направ- .л ют (вновь в пр мотоке) из адсорбера А со снижением давлени в наход щийс под давлением Pi адсорбер D. При этом давление в адсорбере А уменьшаетс от давлени Р4. до давлени Рз, составл ющего, например , 4 бар. Во врем обеих операций по выравниванию давлени обогащени гелием газова смесь перетекает из адсорбера А в адсорбер С, соответственно в адсорбер D.

После обеих операций по выравниванию давлени (D a 1 и D a 2) давление в адсорбере А в противотоке уменьшают далее от давлени РЗ до атмосферного давле- ни Pa (GEE, операци Т4). При этом получаетс бедна гелием газова смесь, в которой обогащенными вл ютс компоненты , десорбирующиес во .врем снижени давлени противотоком (GEE), такие, как азот и метан, и которую выбрасывают в виде отход щего газа.

Вслед за тем адсорбер А с помощью вакуумного насоса 80 откачивают до давлени Pi, например 50 M6ap(Ev, операци Т5). При этом происходит усиленна десорбци азота и метана, а также других компонентов газа, адсорбированных ранее в операции Т1. Откаченный газ вл етс включительно бедным в отношении гели и его также выбрасывают в виде отход щего газа.

После откачивани регенераци адсорбера А закончена.

Теперь давление в адсорбере А последовательно повышают в операци х от Т6 до Т8 до давлени адсорбции Т5.

Сначала осуществл ют выравнивание давлени (операци Т6) между адсорбером А и адсорбером В, прошедшим ранее операцию Т2 и наход щимс в конце откачива- ни адсорбера А при повышенном промежуточном давлении Р4. Во врем выравнивани давлени обогащенна газова смесь перетекает из адсорбера В в адсорбер А, причем .газовую смесь отвод т из адсорбера В преимущественно в пр мотоке и в пр мотоке ввод т в адсорбер А (выравнивание давлени головной части и дна). При этом давление в адсорбере А возрастает (повышение давлени DAI) от конечного PI до промежуточного давлени РЗ, преимущественно А бар, тогда как одновременно давление в адсорбере В падает от промежуточного давлени Р4 до промежуточного давлени РЗ.

За счет дальнейшего выравнивани давлени (операци Т7) с адсорбером С давление в адсорбере А повышаетс далее (повышение давлени DA2). Адсорбер С прошел перед этим операцию И, адсорбцию, и находитс на этапе перед выравниванием

давлени с адсорбером А при давлении адсорбции PS. Выравнивание давлени в примере осуществл ют таким образом, что обогащенную гелием газовую смесь отвод т в пр мотоке из адсорбера С и противотоком

направл ют с уменьшением давлени в адсорбер А (выравнивание давлени головной части и головной части). При этом давление в адсорбере А возрастает от промежуточного давлени Рз до промежуточного давлени

Р4, например 11,7 бар, тогда как одновременно в адсорбере С давление падает от давлени адсорбции Ps до промежуточного давлени Р4.

После двукратного выравнивани давлени в заключение давление в адсорбере А с помощью газа - продукта повышают с повышенного промежуточного давлени Р4 до давлени адсорбции PS, например 20 бар (повышение давлени DA3, операци Т8).

Вслед за тем в адсорбере А начинаетс нова операци адсорбции (операци Т1).

Четыре адсорбера A-D соединены, как показано на фиг. 1, через р д клапанов таким образом, что посто нно один из четырех

адсорберов находитс при адсорбции и производит гелий высокой чистоты в качестве газа - продукта. Включение клапанов представлено на фиг. 4. С помощью фиг. 1 и фиг. 4 по сн ютс в виде примера дл адсорбера

А подвод и отвод газа в установке изменени давлени , изображенной на фиг. 1. Перед адсорберами A-D могут предусматриватьс предварительные фильтры J, К, L, М, в которых могут предваритель-но отдел тьс сильно адсорбирующиес газовые составл ющие, такие, например, как высшие углеводороды из газов буровых скважин. Их механизм работы, как показано в примере, вл етс таким же, что и механизм работы включенных далее последовательно главных адсорберов A-D.

Адсорбер А находитс после по выше- ни давлени с помощью газа - продукта (D А 3, операци Т8) под давлением адсорбции Р 5. Во врем последующей адсорбции (операци Т1) исходный газ через трубопровод 1 при давлении, которое дл компенсации потерь давлени в установке незначительно превышает давление адсорбции, при открытых клапанах 10 и 13. расположенных в направлении потока перед адсорбером А, соответственно позади него, течет через адсорбер А. При этом на углеродном молекул рном сите адсорбируютс такие, компоненты исходного газа, как азот и метан, так что в головной части адсорбера А богатый гелием газ через трубопровод 4 вытекает в трубопровод газа - продукта 91, Б котором расположен игольчатый клапан 71. Адсорбци в соответствии со схемой переключени клапанов на фиг. 4 подразделена на три операции Z1, Z2 и Z3. При операции Z1 клапан 50, содержащийс в трубопроводе 5, закрыт так, что весь газ - продукт течет через трубопровод 4 в трубопровод газа - продукта 91. При операци х Z2 и Z3 клапан 50 открыт, так что часть газа - продукта через включенный далее дроссельный клапан 72 и через трубопровод 5 и открытый клапан 25, включенный перед адсорбером В, втекает в адсорбер В, давление в котором повышаетс с помощью газа - продукта в операции Т8 от промежуточного давлени РА до давлени адсорбции PS. Продолжительность трех операций Z1, Z2 и Z3 может составл ть, например, при суммарном времени цикла 720 сек дл операции Z1 55 с, дл операции Z2 115 сек и дл операции Z3 Юс.

После адсорбции давление в адсорбере А снижают при операции Т2 (D а I) до повышенного промежуточного давлени Р4, причем газ, вытекающий при открытом клапане 15 (клапан 50 закрыт) из адсорбера А, при выравнивании давлени головной части и головной части через дополнительный клапан 73 в трубопроводе 5 при открытом клапане 35 течет в адсорбер С, давление в котором при этом при операции Т7 повышают от промежуточного давлени Рз до промежуточного давлени Р4. В соответствии со схемой переключени клапанов на фиг. 4 дл этого выравнивани давлени (D а .I) требуетс операци Z1, продолжительность которой, например, при суммарном времени цикла 720 с составл ет 55 сек.

После этого первого выравнивани давлени и времени остановки (паузы), составл ющего , например, при суммарном времени цикла 720 с 115 с, давление в адсорбере А при операции ТЗ (D a 2) через дальнейшее выравнивание давлени с адсорбером D снижают давление от повышенного промежуточного давлени Р4 до более низкого промежуточного давлени Рз. Дл этой цели при открытых клапанах 14 и 42 газ направл ют с уменьшением давлени из адсорбера А через кольцевой трубопровод 3 (клапан 60 в трубопроводе 92 закрыт) и дроссельный клапан 74 в адсорбер D, давление в котором при этом при операции Т6 повышаетс от конечного Pi до промежуточного РЗ. Тем самым выравнивание давлени

происходит в примере, как описано в виде выравнивани давлени головной части и дна. В соответствии со схемой переключени клапанов на фиг. 4 дл выравнивании

5 давлени Da 2 требуетс временной шагZ3, продолжительность которого в примере при суммарном времени цикла 720 с составл ет Юс.

Вслед за тем давление в адсорбере А

0 ПРИ операции Т4 (GEE) при открытых клапанах 12 и 60 через дроссельный клапан 75 снижают далее в противотоке от промежуточного давлени Рз до атмосферного дав- лени Ра. Вытекающий при этом газ

5 поступает в трубопровод отход щего газа

92. При суммарном времени цикла 720 с продолжительностью снижени давлени противотоком в примере составл ет 55 с. После сн ти давлени противотоком

0 адсорбер А при операции Т5 (EV) при открытом клапане 11 с помощью вакуумного насоса 80 откачивают от атмосферного давлени Рг до конечного давлени Pi, например до 50 мбар. Откачанна при этом

5 бедна в отношении гели газова смесь поступает в трубопровод отход щего газа

93. При суммарном времени цикла 720 с

откачивание в примере продолжаетс 115с.

В откачанном адсорбере А вслед за тем

0 при операции Т6 (DAI) при выравнивании давлени с адсорбером В, преимущественно осуществл емом как выравнивание давлени головной части и дна, давление повышаетс от конечного давлени Pi до

5 промежуточного давлени Рз. При этом обогащенную гелием газовую смесь от выходного конца адсорбера В при открытых клапанах 24 и 12 (клапан 60 закрыт) через кольцевой трубопровод 3 и дроссельный

0 клапан 74 направл ют со снижением давлени на входной конец адсорбера А. При этом адсорбер В проходит операцию ТЗ. При вы- равнивании давлений давление в адсорбере В падает от промежуточного давлени Рз до

5 промежуточного давлени Рз. При суммарном времени цикла 720 с продолжительность выравнивани давлений DAI составл ет в примере 10 сек.

Вслед за тем при операции Т7 (DA2) за

0 счет дальнейшего выравнивани давлений с адсорбером С давление в адсорбере А повышают далее до промежуточного давлени Р4. Это выравнивание давлений преимущественно осуществл ют в виде выравнива5 ни давлений головной части и головной части таким образом, что обогащенную гелием газовую смесь направл ют со снижением давлени от выходного конца адсорбера С при открытых клапанах 35 и 15 через дроссельный клапан 73 в трупопроводе 5 на выходной конец адсорбера А. При этом адсорбер С проходит операцию Т2, причем давление в адсорбере С падает от давлени адсорбции PS до промежуточного давлени РА. Врем дл выравнивани давлени DA2 составл ет при суммарном времени цикла в примере, равном 720 с, 55 сек.

В заключение давление в адсорбере А при операции Т8 (DA3) с помощью газа-продукта повышают от промежуточного давлени Р4 до давлени адсорбции Рд, Дл этого часть газа - продукта при открытых клапанах 50 и 15 через дроссельный клапан 72 направл ют в адсорбер А. Согласно схеме переключени клапанов на фиг. 4 повыше; иие давлени DA3 состоит из обеих операций Z2 и Z3, имеющих в примере при суммарном времени цикла 720 сек продолжительность 115 с и 10 с соответственно.

После повышени давлени DA3 с помощью газа - продукта в адсорбере А начинаетс новый цикл изменени давлени , начинающихс вновь шагом адсорбера. В соответствии с этим проходит цикл изменени давлени в адсорберах В, С и D, однако со смещением по времени, как это можно .видеть из фиг. 3.

Регенерации адсорбционных средств добиваютс , как описано, операцией откачивани , Хот газовые компоненты, такие, как азот и метан, подлежащие здесь удалению из гелийсодержащего исходного газа, в соответствии с уровнем техники могут де- сорбироватьс также за счет продувки газом - продуктом, однако такого рода десорбции продувкой при получении гели из природных газов и газов буровых скважин с содержанием гели максимально 8 объемных % приводила бы к исключительно большим потер м выхода гели , так как вследствие низкого содержани гели в исходном газе лишь малое количество обогащенного гелием газа получаетс в виде газа - продукта и одновременно должны быть десорбированы большие количества газа, так как удал емые за счет адсорбции и вновь подлежащие десорбции газовые компоненты составл ют в исходном газе долю по меньшей мере 92 об.%.

Пр.имеры1-4, В лабораторной установке со сдвигом давлени согласно фиг, 1 (но без предварительных фильтров J, К, L, М) при давлении адсорбции 20 бар, конечном вакуумном давлении 50 мбар и суммарном времени цикла 720 с, соответственно 5 циклов/час, было проведено 4 опыта по разделению с газовой смесью, в которой не содержались загр знени , такие , например, как высшие углеводороды и котора содержала лишь гелий (около 5 об.

%), метан (около 29 об.%) и азот (около 66 об.%). Четыре адсорбера A-D установки были заполнены угольным молекул рным ситом со средним диаметром адсорбционных

пор 0,35 нм и имели объем заполнени 2 л/адсорбер. При опытах с помощью перестановки игольчатого клапана 71 при прочих неизменных услови х измен ли произведенное количество газа - продукта и за счет

этого варьировали чистоту гели в газе продукте . Приведенные далее в таблицах 1

- 4 результаты опытов доказывают то, что с

помощью способа согласно изобретению

гелий из исходного газа с содержанием гели менее 8 об.% может обогащатьс до чистоты гели 75-95 об.%, вл сь газом - продуктом первой ступени очистки, причем в зависимости от чистоты гели в газе 0

5

0

5

0

5

0

5

продукте первой ступени очистки достигаетс выход гели 90-99,9%. Результаты опытов приведены далее в форме полного массового баланса.

На основании этого расчет выхода гели дает величину 90,3% (табл. 1).

На основании этого расчет выхода гели дает величину 96,1% (табл.2).

На основании этого расчет выхода гели дает величину 99,9% (табл.3).

На основании этого расчет выхода гели дает величину 99,9% (табл. 4).

При увеличении чистоты гели выход ге- ли снижаетс и наоборот. Взаимосв зь между чистотой гели и выходом гели представлена на фиг. 5.

Повышенна чистота гели (превышающа 99,9 об.%), при одновременном большом выходе гели может получатьс в том случае, когда обогащенный гелием газ, полученный в установке первой ступени очистки согласно фиг. 1, с концентрацией гели до 95 об.% раздел ют далее во включенной дополнительно установке второй ступени и гелийсодержащий отход щий газ из установки второй ступени подвод т обратно к установке первой ступени и там смешивают с исходным газом установки первой ступени и совместно раздел ют в установке первой ступени. Технологическа схема способа при включении друг за другом двух установок показана на фиг. 6.

Установка второй ступени очистки включает в себ четыре адсорбера Е, F, G и Н, заполненных угольным молекул рным ситом со средним диаметром адсорбционных пор 0,35 нм, Способ установки второй ступени состоит из шести операций Т1. 2 - Т6.2, которые каждый адсорбер Е-Н циклически проход т друг за другом со смешением по времени по отношению к другим трем адсорберам:

T.I .2 адсорбци ,

T2.2 сн тие давлени за счет выравнивани давлени (D а I),

Т3.2 сн тие давлени противотоком (GEE).

Т4.2 продувка газом-продуктом,

Т5.2 повышение давлени за счет выравнивани давлени (DAI),

Т6.2 повышение давлени с помощью газа-продукта (DA2).

Циклическое протекание со смещением по времени этих шести операций Т1.2-Т6.2 в четырех адсорберах Е-Н по сн етс с помощью изображенных на фиг, 7 профилей давление - врем . Операции Т1.2 - Т6.2 протекают таким образом, что соответственно всегда один адсорбер находитс при работе в режиме адсорбции и производит высокочистый гелий в качестве газа - продукта . За счет этого обеспечиваетс непре- рывное производство высокочистого гели . Соответствующа последовательность переключений клапанов представлена на фиг. 8.

С помощью фиг. 6 и фиг. 8 далее по с- н етс направление газа в установке второй ступени очистки на примере адсорбера Е. При этом газ ,- продукт установки первой ступени, направл емый в качестве исходного газа в установку второй ступени, направ- л емый в качестве исходного газа в установку второй ступени, обозначен как обогащенный гелием газ (содержание гели до 95 об, %) и газ - продукт установки второй ступени обозначен как конечный газ - про- дукт (высокочастотный гелий с содержанием гели , превышающим 99,9 об. %).

Адсорбер Е в установке второй ступени очистки после повышени давлени с помощью конечно го газа- продукта находитс при повышенном давлении Рз.2, давлени адсорбции, которое может быть выше, ниже или таким же, как давление адсорбции PS во включенной предварительно установке изменени давлени 1. В первом случае обо- тащенный гелием газ может уплотн тьс с помощью не изображенного здесь и включенного промежуточного компрессора от давлени PS до давлени Рз.2. Во втором случае давление обогащенного гелием газа может уменьшатьс , например, с помощью также не изображенного здесь и включенного промежуточно редукционного клапана от давлени Ps до давлени Рз.2. На фиг. б показана установка, в которой давлени ад- сорбции PS и Рз.2 равны между собой. После повышени давлени во времени примыкающей сюда адсорбции в операции Т1.2 обогащенный гелием газ течет по трубопроводу 94 при открытых клапанах 110 и 115 при

давлении Рз.2 через адсорбер Е. При этом остаточные загр знени , в основном азот, удал ютс из обогащенного гелием газа за счет адсорбции, так что высокочистый гелий с чистотой, превышающей 99,9 об.%, покидает в качестве конечного газа-продукта установку через трубопровод 97 и игольчатый клапан 76 (установочный клапан) с давлением , которое за счет потерь давлени немного меньше давлени Рз.2. В зависимости от цели применени высокочистый гелий может использоватьс непосредственно. С целью накоплени и/или дальнейшей транспортировки он может хранитьс в контейнере или газовых баллонах в сжатом виде и газообразной форме при высоком давлении или направл етс в газопровод - при определенных услови х после дополнительного сжати -, либо сжижатьс в холодильных установках.

После адсорбции давление в адсорбере Е при операции Т2.2 за счет выравнивани давлени (Dal) с адсорбером G уменьшаетс до промежуточного давлени Р2.2. Дл этой цели адсорберы Е и G за счет открыти клапанов 114 и 134 (клапан 150 закрыт) соедин ют друг с другом, причем обогащенный гелием газ направл ют с уменьшением давлени из адсорбера Е по трубопроводу 98 и через дроссельный клапан 78 в продутый перед этим адсорбер G, давление в котором при этом повышают от давлени продувки Р1.2 до промежуточного давлени Р2.2. Выравнивание давлени преимущественно осуществл ют в виде выравнивани давлени головной части и головной части.

После выравнивани давлени (Dal) давление в адсорбере Е при операции Т3.2 уменьшают в противотоке до самого низкого давлени Pi2 (GEE), преимущественно равного атмосферному давлению. Дл этого открывают клапан 112. Газова смесь, вытекающа при этом из адсорбера Е, имеет содержание гели , существенно превышающее содержание гели в исходном газе, поступающем в установку первой ступени очистки, и поэтому по трубопроводу 96 и через дроссельный клапан 70 ее направл ют обратно к входу включенной предварительно установки первой ступени. При этом газ с пониженным давлением, состав и объемный поток которого при снижении давлени измер етс , сначала с целью приведени в однородное состо ние направл ют в расположенное в трубопроводе 100 буферное устройство 81. там смешивают с получающимс при операции Т4.2 и также направл емым обратно газом продувки и вслед за тем через циркул ционный компрессор 82 уплотн ют до давлени адсорбции PS предварительно включенном установки первой ступени очистки и нагнетают в емкость дл смеси 83, в которой направл емый обратно газ из установки второй ступени смешивают с исходным га- зо м дл установки первой ступени очистки.

После этого адсорбер Е при операции Т4,2 с целью регенерации адсорбционного средства продувают конечным газом-продуктом при конечном давлении фазы сниже- ни давлени противотоком Pi.2. Дл этой цели частичный поток конечного газа-продукта по трубопроводу 99 и через дроссельный клапан 79 при открытых клапанах 113 и 111 направл ют в противотоке через адсор- бер Е. При продувке десорбируют загр знени , удаленные ранее из обогащенного гелием газа, в основном азот. Содержание гели в газе продувки, вытекающем со дна адсорбера, существенно превышает содер- жание гели в исходном газе. Поэтому отход щий газ продувки также направл ют обратно к входу включенной предварительно установки первой ступени очистки, а именно точно так же, как это было описано в отношении газа пониженного давлени за счет противотока.

После продувки давление в адсорбере Е при операции Т5.2 за счет выравнивани давлений с адсорбером G, в котором перед этим закончилась адсорбци , повышают до промежуточного давлени Рг.2. Дл этого открывают клапаны 114 и 134 (клапан 150 закрыт) и обогащенный гелием газ направ- .л ют с понижением давлени из адсорбера G по трубопроводу 98 и через дроссельный клапан 78 в адсорбер Е. При этом давление в адсорбере G падает от давлени адсорбции Р з.2 до промежуточного давлени Р2.2.

В заключение давление в адсорбере Е при последней операции Т6.2 с помощью конечного газа-продукта повышают до давлени адсорбции Рз.2. Дл этого частичный поток конечного газа-продукта по трубопроводу 98 при открытых клапанах 150 и 114 через дроссельные клапаны 77 и 78 направл ют в адсорбер Е. Вслед за тем адсорбцией начинаетс новый цикл изменени давлени в адсорбере Е. Соответственно протекает цикл изменени давлени в адсорбере Е. Соответственно протекает цикл изменени давлени в адсорберах F, G и Н, однако со смещением по времени, как можно видеть из фиг. 7.

Суммарное врем цикла во включенной дополнительно установке второй ступени может выбиратьс независимо от суммарного времени цикла во включенной предварительно установке первой ступени. Оно может быть больше, меньше или таким же в

зависимости от чистоты обогащенного гелием газа и выбранных давлений адсорбции PS, соответственно Рз.2. В зависимости от суммарного времени цикла дл операций Т1.2-Т6.2 требуютс различные промежутки времени. Дл суммарного времени цикла, составл ющего, например, 1600 с, высока чистота гели при одновременно высоком выходе гели была достигнута при следующем времени операций, с:. адсорбци 400 выравнивание давлени Da 1,2 200 сн тие давление противотоком 200 продувка 400 выравнивание давлени DA 1,2 200 повышение давлени DA2.2 200 Возможно другое соотношение времен, П р и м е р 5. Вслед за уже описанной и использованной в опытах 1-4 лабораторной установкой (4 адсорбера A-D с объемом за- полнени 2 л/адсорбер) была включена втора , меньша лабораторна установка второй ступени :очистки (4 адсорбера с объемом заполнени 0,15 л/адсорбер), в которой обогащенный гелием газ, полученный во включенной предварительно установке первой ступени очистки. 1, раздел ли далее. Обща установка имела конструкцию согласно фиг, 6. Газовую смесь, получающуюс в установке второй ступени очистки во врем снижени давлени противотоком и продувки, согласно фиг. 6 направл ли обратно вновь к входу включенной предварительно установки первой ступени, Адсорберы обеих установок были заполнены угдльным молекул рным ситом со средним диаметром адсорбционных пор 0,35 нм. на установке первой ступени, как и в опытах 1-4, работали при давлении адсорбции 20 бар, конечном вакуумном давлении 50 мбар и суммарном времени цикла 720 с; Давление адсорбции в установке второй ступени также составило 20 бар, а суммарное врем цикла - 1600 с, В установке первой ступени производили обогащенный гелием газ с концентрацией гели 79,5 об.%, перерабатывавшийс далее в установке второй ступени очистки до самого чистого гели с содержанием гели , превышающим 99,9 об.%. Количества и состав различных частичных газовых потоков приведены ниже.

Из 592,3 л/ч (при нормальных услови х) исходного газа с содержанием гели 5,4 об. % было получено 31,7 л/ч (в нормальных услови х ) самого чистого гели с чистотой, превышающей 99,9 об.%. На основании этого дл двухступенчатого обогащени гели с помощью адсорбции со сдвигом давлени и интегрированным обратным направлением отход щего газа р счет дает выход гели , составл ющий 99,1%.

Как следует из примера 5, за вленный способ позвол ет получать гелий с высокой чистотой и одновременно высоким выходом из газовых смесей с малым содержанием гели .

Claims

Формула изобретени 1. Способ извлечени гели методом адсорбции со сдвигом давлени из. газовой смеси, содержащей гелий, азот, метан, диоксид углерода и высокомолекул рные углеводороды , включающий пропускание ее через углеводородные молекул рные сита со средним диаметром адсорбционных пор 0.1 - 0,4 нм, адсорбирующие все компоненты указанной газовой смеси, кроме гели , причем газовую смесь подают циклично в один из четырех параллельно установленных адсорберов и поочередно осуществл - ют в них фазы повышени давлени , адсорбции и регенерации посредством выравнивани давлени с последующим сбросом давлени до атмосферного и промывкой газом-продуктом, фазу повышени давле- ни провод т посредством выравнивани давлени с регенерируемым адсорбером и затем напуском газа-продукта, отличающийс тем, что указанные адсорберы используют в качестве второй ступени очи- стки, а перед этим провод т концентрирова- ние гели в газовой смеси на первой ступени очистки, состо щей из четырех параллельно установленных адсорберов, заполненных теми же молекул рными ситами, что и на второй ступени очистки, отработавший газ из второй ступени очистки смешивают с исходной газовой смесью и пропускаютчерезодин из четырех фильтров с активированным углем, по одному уста- новленных перед адсорберами первой ступени очистки, поглощающих диоксид углерода и высшие углеводороды, концент- рирование гели в первой ступени очистки также ведут методом адсорбции со сдвигом давлени с поочередным осуществлением в каждом адсорбере фаз повышени давлени , адсорбции и снижени давлени , при этом фазу повышени давлени провод т в три стадии, сначала от самого низкого дав- лени Pi 50-500 мбар до промежуточного давлени бар, затем от давлени Рз до

давлени ,7 бар и от давлени Р4 напуском газа-продукта до давлени адсорбции Рз 10-30 бар, фазу снижени давлени провод т в четыре стадии, сначала оглавлени адсорбции Р5 10-30 бар до давлени ,7 бар, затем от Р4 до давлени Рз 4 бар, затем от Рз до атмосферного давлени бар и наконец от атмосферного до самого низкого давлени Pi 50-500 мбар, третью и четвертую стадии снижени давлени провод т в режиме противотока с выводом обедненного гелием отход щего газа, операции снижени и повышени давлени частично провод т выравниванием давлений в адсорберах первой ступени, причем соедин ют выход адсорбера, наход щегос на стадии снижени давлени от РБ до Рз с выходом адсорбера, наход щегос на стадии повышени давлени от Рз до РА, затем соедин ют выход адсорбера, наход щегос на стадии снижени давлени от Р4 до Рз с входом адсорбера, наход щегос на стадии повышени давлени от Pi до Рз.
2. Способ по п. 1,отличающийс тем, что процесс первой ступени очистки ведут при общем времени цикла, равном 450-3600 с.
3. Способ по п. 2, о т л и ч а ю щи и с тем, что при общем времени цикла 720 с стадии фазы снижени давлени провод т в течение следующего времени, с: стади снижени давлени от PS до РА- 55; пауза 115; стади снижени давлени от Р4 до РЗ - Ю; стади снижени давле- : ни от Рз до Ра - 55; стади снижени давлени от Р2 до Pi -115.
4. Способ по п. 2, о т л и ч а ю щ и и с тем, что при общем времени цикла 720 с стадии фазы повышени давлени провод т в течение следующего времени, с: стади повышени давлени от Pi до Рз- Ю; стади повышени давлени от Рз до Р4 - 55; стади повышени давлени от РА до Рв - 125.
5. Способ по п. 4, отличающийс тем, что при общем времени цикла 720 с фазу адсорбции ведут в течение 180 с.
6. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с тем, что в процесс подают исходную газовую смесь, содержащую 2-10 об.% гели .

19

1816228

20 Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Газ, направл емый обратно к ступени 1.

m-apaiiian

Таблица 5

rityf tftwvffaff

I

§

з

1

S

I

L

Г

I

Г

§«

I

со ст

N3

M

oo

Г

ь

If

85

70

80

9О, -10& M/ttrre/TTCf #Јf%l

I I

Врет

- Врем

1

I

Uj

t

«с

tb

t I

ч:

Врем

Вреп

Фиг. 7

со

в4