RU2688509C1 - Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа - Google Patents

Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа Download PDF

Info

Publication number
RU2688509C1
RU2688509C1 RU2018131022A RU2018131022A RU2688509C1 RU 2688509 C1 RU2688509 C1 RU 2688509C1 RU 2018131022 A RU2018131022 A RU 2018131022A RU 2018131022 A RU2018131022 A RU 2018131022A RU 2688509 C1 RU2688509 C1 RU 2688509C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
helium
channel
stream
flow
gas
Prior art date
Application number
RU2018131022A
Other languages
English (en)
Inventor
Олег Петрович Андреев
Алексей Геннадьевич Бочаров
Михаил Евгеньевич Бочаров
Владимир Анатольевич Вагарин
Сергей Андреевич Кожевников
Роман Владимирович Корытников
Александр Николаевич Чернов
Михаил Евгеньевич Чурбанов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Газпром проектирование"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Газпром проектирование" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Газпром проектирование"
Priority to RU2018131022A priority Critical patent/RU2688509C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2688509C1 publication Critical patent/RU2688509C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/24Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by centrifugal force
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B23/00Noble gases; Compounds thereof
    • C01B23/001Purification or separation processes of noble gases
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/08Separating gaseous impurities from gases or gaseous mixtures or from liquefied gases or liquefied gaseous mixtures

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности, в частности к способу обогащения гелием гелийсодержащего природного газа. Cпособ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа включает введение основного потока гелийсодержащего природного газа в канал, в котором обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока, расположенного ближе к центру вращения. Затем отбирают насыщенный гелием поток в изолированный отводной канал и отделяют остальную часть основного потока. Основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 м/с, в диапазоне давлений 1-100 бар, и обеспечивают центробежную силу поворотом канала с основным потоком. Отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала, ближайшей к центру вращения потока, с помощью изолированного отводного канала. Технический результат заключается в упрощении способа за счет обеспечения возможности разделения газа и выделения гелия из неламинарного потока. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретение относится к нефтегазовой и химической промышленности, касается способа получения обогащённых гелиевых смесей из гелийсодержащего природного газа.
Из уровня техники известен «Эффект резкого увеличения коэффициента центробежного разделения газовых смесей в неравновесных условиях» (Г.Ю. Григорьев, А.В. Максимычев, Л.И. Меньшиков, П.Л. Меньшиков - Труды МФТИ, 2016. Том 8, №1), в котором показано, что при приведении во вращательное движение струи, состоящей из смеси газов, коэффициент центробежного разделения газов сначала увеличивается, потом достигает максимума и далее уменьшается до стандартной величины, достигаемой в аппаратах по центробежному разделению при установившемся больцмановском равновесии. Величина коэффициента обогащения в максимуме может превышать стандартное значение на порядок.
Рассмотренный эффект является частным случаем центробежного разделения газов, который обуславливает ограничения и задачу получения эффекта, такие как: а) смесь парообразных солей хлорида циркония и хлорида гафния в аргоне; б) использование адиабатического расширения смеси; в) сфера применения эффекта – усовершенствование ядерного топливного цикла.
Известен способ извлечения отдельных компонентов из газовой смеси и устройство для его осуществления, которое позволяет извлечь из газовой смеси поток с повышенной концентрацией метана за счет ускоренного закручивания газовой смеси до угловой скорости, достаточной для разделения газовой смеси на центральный и периферийный потоки с последующим частичным торможением и отбором потоков (см. описание к патенту РФ №2531168, МПК (2006.01) B01D 53/24, опубл. 20.10.2014 г.).
Однако упомянутый способ позволяет только увеличить концентрацию определенного компонента в части разделяемого потока, а не извлечь отдельный компонент из многокомпонентной газовой смеси, в особенности, если атомная или молекулярная масса компонентов смеси отличается незначительно.
Из патента РФ № 2116523 (МПК F04F 5/54, опубл. 27.07.1998 г.) известен высокоэкономичный способ промышленного получения гелия, в котором в вихревой установке при разделении воздуха на газовые среды с разной молекулярной массой происходит выделение части, содержащей гелий. Способ основан на вихревом разделении газов с отделением горючих газов и гелия с последующим выжиганием горючей составляющей и повторным завихрением продуктов сгорания, из которых затем получают гелий.
Недостатком известного способа является низкая эффективность процесса отделения гелия при высокой турбулентности вихревого потока, энергозатратность дополнительного процесса выжигания газов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа принимаемого за прототип, который предполагает для обогащения гелием гелийсодержащего природного газа использовать центробежную силу при ламинарном движении разделяемого потока газа (см. патент РФ №2655905, МПК B01D 53/24, опубл. 29.05.2018 г.)
Недостатком известного способа является сложность создания условий ламинарности движения потока газа при промышленных условиях (расход, давление) использования способа.
В практике добычи и транспортировке природного газа, при промышленных скоростях и давлениях потока, чаще возникает необходимость не в получении чистого гелия, а в разделение потоков на товарный поток направляемый потребителю и поток обогащенный гелием, направляемый на дальнейшую переработку, транспортировку или хранение. При таком подходе создание ламинарности движения потока разделяемого газа является трудной задачей, упростить которую признан предлагаемый способ.
Задачей настоящего изобретения является создание способа обогащения гелием гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, применимого в промышленных объемах газодобычи.
Технический результат заключается в упрощении способа за счет обеспечения возможности разделения газа и выделения гелия из неламинарного потока.
Поставленная задача решается посредством способа получения обогащённого гелием потока из гелийсодержащего природного газа, при котором вводят основной поток гелийсодержащего природного газа в канал, где обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока в изолированный канал и отделением остальной части основного потока, при этом основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 м/с, в диапазоне давлений 1-100 бар и обеспечивают центробежную силу поворотом основного потока, при этом, отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала ближайшей к центру вращения потока, с помощью отводного канала или путем деления проходного сечения канала перегородкой. При этом под термином «насыщенный гелием поток» подразумевается поток, в котором концентрация гелия увеличена по сравнению с основным потоком.
При этом для промышленных условий были ограничены диапазоны использования способа по давлению 1-100 бар (0,1-10МПа), что позволяет использовать способ на рабочих давлениях промышленной добычи, передачи и переработки газа, а также на низких давлениях, например, после переработки газа. Диапазон скоростей потока способа обеспечивает перекрытие промышленных скоростей газа и не доходит до звуковых скоростей (1-300м/с).
Вариантами использования предлагаемого способа являются его повторение для остальной части потока, когда необходимо повысить уровень очищения от гелия потока товарного природного газа или для потока насыщенного гелием, при необходимости повысить уровень концентрации гелия в обогащенном потоке. Кроме этого, возможно дополнительное охлаждение основного потока для понижения энтальпии разделяемого газа.
Угол поворота канала, а также размеры и форма сечения канала зависят от типа устройства и характеристик потока (расход, давление), в котором реализуется предлагаемый способ, а также определяются исходя из требуемой степени обогащения гелием потока, насыщенного гелием, и подбираются с учетом свойств гелийсодержащего природного газа, поступающего на обработку.
Заявляемый способ является логическим продолжением прототипа (патент РФ №2655905) в получении обогащенного гелием гелийсодержащего природного газа. Отличием является его использование для неламинарного режима движения разделяемого газа. При этом он также как и прототип, может использоваться самостоятельно, либо как первичный этап отделения гелия в смеси газов для последующей обработки, как с помощью вариантов применения предлагаемого способа, так и прототипа и/или других известных технологий получения чистого гелия.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны различные варианты соотношения смеси газов гелия и метана, от демонстрационных смесей 50/50 (здесь и далее смесь газов указывается в % моль.) до реальных природных соотношений, так:
на фиг. 1 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (50%) и метана (50%), вид сбоку;
на фиг. 2 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (50%) и метана (50%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;
на фиг. 3 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (5%) и метана (95%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;
на фиг. 4 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (5%) и метана (95%) с отбором обогащенной гелием смеси в отводной канал с аксонометрическими сечениями потоков;
на фиг. 5 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (0,5%) и метана (99,5%), аксонометрические сечения разделенного потока и сечение в зоне максимальной концентрации гелия;
на фиг. 6 – расчетная модель центробежного разделения смеси гелия (0,5%) и метана (99,5%) с отбором обогащенной гелием смеси в отводной канал с аксонометрическими сечениями потоков.
Для фиг 1-6, характеристики потока и канала составляют: скорость потока 100 м/с; давление 100 бар; поворот канала на угол 90 градусов; сечение канала 20х20 мм.
На фиг. 7 показан вариант устройства для реализации при механическом разделении основного потока на поток, насыщенного гелием и остальной поток при помощи перегородки.
На фиг. 8 показано изменение объемной концентрации гелия по высоте квадратного (20х20 мм) канала при угле поворота 90 градусов для разных сочетаний скорости потока и давления.
На фиг. 9 показана объемная доля расхода чистого (концентрация близка к 1,0) гелия после разделения исходной смеси на два потока.
На фиг. 10 представлены расчетные зависимости разделения смеси газов в зависимости от угла поворота.
Для фиг. 8-10 смесь газов основного потока: 50% метана и 50% гелия.
На фигурах цифрами обозначены:
1. Основной поток;
2. Канал;
3. Часть основного потока насыщенная гелием;
4. Отводной канал;
5. Остальная часть основного потока после отделения потока насыщенного гелием;
6. Перегородка.
7. Угол поворота канала;
8. Зона концентрации гелия;
9. Профиль сечения канала в зоне концентрации гелия;
Возможность осуществления способа определена расчетом с применением программного комплекса ANSYS CFX. Расчетная модель разработана на базе трехмерных стационарных уравнений течения смеси газов (уравнения Навье-Стокса).
Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа осуществляют следующим образом: вводят основной поток 1 гелийсодержащего природного газа в канал 2, где обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части 3 основного потока 2 расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока 3 в отводной канал 4 и с отделением остальной части 5 основного потока 1. Отводной канал 4 может быть образован, например, путем деления проходного сечения канала 2 перегородкой 6. Перегородка 6 может в зависимости от известной заранее концентрации гелия в основном потоке 1, и учитываемой устройством реализации способа, иметь различную форму, например, по форме трапеции (фиг. 4 и 6) или прямоугольника (фиг. 2 и 7).
Общими условиями выполнения способа являются – вхождение основного потока 1 в канал 2 со скоростью от 1 до 300 м/с, при давлении потока в диапазоне от 1 до 100 бар. В этом случае создается необходимая центробежная сила за счет поворота основного потока 1 на угол 7. За счет центробежной силы происходит разделение смеси газов основного потока 1, при котором гелий как наиболее легкий и не участвующий в межатомных/межмолекулярных взаимодействиях газ, перераспределяется внутри основного потока 1 природного газа. Гелий концентрируется в зоне 8, которая располагается после поворота канала 2 вблизи его внутренней стенки ближайшей к центру вращения потока 1. Особенностью применения предлагаемого способа является то, что в зависимости от параметров потока 1, первоначальной концентрации гелия в нем и угла 7 поворота зона 8 концентрации гелия имеет изменяемые размеры и профиль сечения 9. Это хорошо заметно на приведенных рисунках (фиг. 1, 2 и 3).
На фиг. 8 и 9 представлены обобщенные результаты расчетов разделения смеси метана и гелия в заявленном диапазоне основных параметров (скорость потока от 1 до 300 м/с, давление от 1 до 100 бар) и повороте потока на угол 90 градусов. На фиг. 8 показано изменение объемной концентрации гелия по высоте квадратного (20х20 мм) канала 2, при его повороте на 90 градусов, для разных сочетаний скорости потока и давления. На фиг. 9 показана объемная доля расхода чистого (концентрация близка к 1,0) гелия после разделения исходной смеси на два потока. Графическое отображение результатов расчета показывает возможность получения потока гелия в диапазоне 0,36-0,52 от общего расхода разделяемой смеси.
На фиг. 10 представлены расчетные зависимости разделения основного потока 1, при определённых давлениях и скоростях потока, в зависимости от угла 7 поворота основного потока 1.
Условия и параметры отбора обогащённого гелием потока определяются параметрами конкретного устройства для реализации способа и свойствами природного газа, поступающего на обогащение.
Предлагаемый способ обеспечивает:
а) получение потока обогащённого гелием из гелийсодержащего газа с характерным для природных газов низким содержанием гелия, в промышленных объемах газодобычи и транспорта газа;
б) возможность повышения технологической и экономической эффективности известных технологий получения гелия за счет сочетания заявляемого способа и известных технологий.

Claims (4)

1.  Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа, включающий введение основного потока гелийсодержащего природного газа в канал, в котором обеспечивают перераспределение гелия посредством центробежной силы, с насыщением гелием части основного потока, расположенного ближе к центру вращения, с последующим отбором насыщенного гелием потока в изолированный отводной канал и отделением остальной части основного потока, отличающийся тем, что основной поток вводят в канал со скоростью 1-300 м/с, в диапазоне давлений 1-100 бар, и обеспечивают центробежную силу поворотом канала с основным потоком, при этом отбор части основного потока насыщенного гелием природного газа осуществляют после поворота канала, в зоне концентрации гелия возле стенки канала, ближайшей к центру вращения потока, с помощью изолированного отводного канала.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его этапы повторяют, используя в качестве основного потока насыщенный гелием поток.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его этапы повторяют, используя в качестве основного потока остальную часть потока.
4. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что основной поток предварительно охлаждают.
RU2018131022A 2018-08-28 2018-08-28 Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа RU2688509C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018131022A RU2688509C1 (ru) 2018-08-28 2018-08-28 Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018131022A RU2688509C1 (ru) 2018-08-28 2018-08-28 Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2688509C1 true RU2688509C1 (ru) 2019-05-21

Family

ID=66636877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018131022A RU2688509C1 (ru) 2018-08-28 2018-08-28 Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2688509C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2294708A1 (en) * 1997-07-02 1999-01-14 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Removing a gaseous component from a fluid
RU2174860C1 (ru) * 2000-04-17 2001-10-20 Российский Федеральный Ядерный Центр-Всероссийский Научно-исследовательский Институт Экспериментальной Физики Способ центробежной очистки газов и устройство для его осуществления
RU2505335C2 (ru) * 2008-01-31 2014-01-27 Сорбуотер Текнолоджи Ас Способ и устройство для разделения многофазных текучих сред и их применение
RU2531168C2 (ru) * 2011-11-03 2014-10-20 Приватное Акционерное Общество "Донецксталь" - Металлургический Завод" Способ извлечения отдельных компонентов из газовой смеси и устройство для его осуществления
RU150520U1 (ru) * 2014-05-26 2015-02-20 Открытое акционерное общество "Аквасервис" Устройство извлечения гелия из природного газа повышенного давления варианты
US9050550B2 (en) * 2008-07-14 2015-06-09 Tenoroc Llc Aerodynamic separation nozzle
RU2655905C1 (ru) * 2017-03-29 2018-05-29 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром проектирование" Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2294708A1 (en) * 1997-07-02 1999-01-14 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Removing a gaseous component from a fluid
RU2174860C1 (ru) * 2000-04-17 2001-10-20 Российский Федеральный Ядерный Центр-Всероссийский Научно-исследовательский Институт Экспериментальной Физики Способ центробежной очистки газов и устройство для его осуществления
RU2505335C2 (ru) * 2008-01-31 2014-01-27 Сорбуотер Текнолоджи Ас Способ и устройство для разделения многофазных текучих сред и их применение
US9050550B2 (en) * 2008-07-14 2015-06-09 Tenoroc Llc Aerodynamic separation nozzle
RU2531168C2 (ru) * 2011-11-03 2014-10-20 Приватное Акционерное Общество "Донецксталь" - Металлургический Завод" Способ извлечения отдельных компонентов из газовой смеси и устройство для его осуществления
RU150520U1 (ru) * 2014-05-26 2015-02-20 Открытое акционерное общество "Аквасервис" Устройство извлечения гелия из природного газа повышенного давления варианты
RU2655905C1 (ru) * 2017-03-29 2018-05-29 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром проектирование" Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2286509C (en) Method of and apparatus for the separation of components of gas mixtures and liquefaction of a gas
Helmholtz XLIII. On discontinuous movements of fluids
US9034082B2 (en) Multistage cyclonic fluid separator
EP1851495B1 (en) Method and system for cooling a natural gas stream and separating the cooled stream into various fractions
Hu et al. Numerical simulation of supersonic separator with axial or tangential outlet in reflow channel
RU2688509C1 (ru) Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа
Yang et al. The swirling flow structure in supersonic separators for natural gas dehydration
US3251542A (en) Centrifugal separation of cryogenic gaseous mixtures
US4135898A (en) Device for centrifugally separating the components of a gas mixture
US8597414B2 (en) Device and method for particle separation
RU2655905C1 (ru) Способ обогащения гелием гелийсодержащего природного газа
US3465500A (en) Method and apparatus for separation of components from gaseous streams
RU2538992C1 (ru) Устройство для сепарации многокомпонентной среды и сопловой канал для него
Masir et al. Simulation of separative gaseous molecular flow through porous membrane with DSMC method
US20080282773A1 (en) Device for passing through a gas mixture
RU97277U1 (ru) Установка для извлечения этана из смеси с метаном
RU2143654C1 (ru) Способ разделения компонентов газовых смесей
EA044614B1 (ru) Эжекторная установка
FR2290244A2 (fr) Procede et appareil pour la separation de melanges gazeux en fractions de composants selon leur poids moleculaire ou atomique
Graham IV Development of a numerical model of a two-dimensional inertial gas separator
RU2390370C2 (ru) Способ кондиционирования воздуха, сепаратор газов угольных пластов, рудничный сепаратор с сеткой
Troshkin A rotating gas tube: heating by torsion
Ren et al. Design and Simulation of a High-Efficiency Cyclone Separator for Bioaerosol Collection
JPS6051528A (ja) 螺旋気流による混合ガスの分離方法
Feodorov et al. Concept of modernization of input device of oil and gas separator