RU2738512C1

RU2738512C1 - Apparatus for concentrating and purifying helium

Info

Publication number: RU2738512C1
Application number: RU2020119494A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владиславович Курочкин
Original assignee: Андрей Владиславович Курочкин
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2020-12-14

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for producing helium from mixtures of non-condensed and inert gases and can be used in gas industry. Helium concentration and purification unit includes a helium pre-concentration unit with a non-condensed and inert gas discharge line, a membrane unit, a heat exchanger, a compressor, a hydrogen purification unit and a short-cycle adsorption unit. After heat exchanger on helium concentrate output line there is refrigerator, compressor and a hydrogen purification unit equipped with an oxygen-containing gas feed line and comprising a catalytic hydrogen oxidation reactor, a recuperative heat exchanger, a separator and an adsorption after-drying unit. Recuperative heat exchanger is connected to the reactor by the helium concentrate supply line and the oxidation products line and with the adsorption after-drying unit with the separation gas discharge line. After the post-drying unit there is a membrane unit connected to the pre-concentration unit of helium by the retentate supply line, and a short-cycle adsorption unit equipped with a purified helium discharge line and connected by a regeneration gas supply line to the membrane unit inlet.

EFFECT: simplified installation and avoided accumulation of neon in the cycle.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для получения гелия из смесей неконденсируемых и инертных газов и может быть использовано в газовой промышленности.The invention relates to equipment for producing helium from mixtures of non-condensable and inert gases and can be used in the gas industry.

Известна установка тонкой очистки гелиевого концентрата [Копша Д.П. Возможные пути оптимизации процесса тонкой очистки гелиевого концентрата / Д.П. Копша, И.В. Гоголева, В.Д. Изюмченко // Научно-технический сборник ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ. - 2015. - №1 (21). - С. 39-44], состоящая из блока очистки от водорода и блока очистки от азота, включающего узлы короткоцикловой адсорбции, получения обогащенного азота на мембранах, и низкотемпературной адсорбционной очистки от микропримесей азота и инертных газов.Known installation for fine purification of helium concentrate [Kopsha D.P. Possible ways to optimize the process of fine purification of helium concentrate / D.P. Kopsha, I.V. Gogolev, V.D. Izyumchenko // Scientific and technical collection of NEWS OF GAS SCIENCE. - 2015. - No. 1 (21). - P. 39-44], consisting of a hydrogen purification unit and a nitrogen purification unit, including units for short-cycle adsorption, obtaining enriched nitrogen on membranes, and low-temperature adsorption purification from trace impurities of nitrogen and inert gases.

Недостатком известной установки является низкая степень извлечения гелия из-за безвозвратных потерь гелия с обогащенным азотом.The disadvantage of the known installation is the low degree of helium recovery due to irreversible losses of helium with enriched nitrogen.

Наиболее близка к предлагаемому изобретению установка очистки гелия [Николаев В.В. Перспективы применения мембранных процессов газоразделения при переработке природных газов / В.В. Николаев, С.А. Сиротин // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1996. - №6. - С. 11-12], которая включает расположенные на линии подачи гелийсодержащего газа противопоточный конденсатор (блок предварительного концентрирования гелия), струйный компрессор, рекуперативный теплообменник, первую мембрану, компрессор, аппарат (блок) очистки от водорода, аппарат PSA-очистки от азота (блок короткоцикловой адсорбции), и вторую мембрану, соединенную с блоком короткоцикловой адсорбции линией подачи апермеата (ретентата, обратного потока, сдувки) в качестве продувочного газа, подаваемого затем на вход первой мембраны.Closest to the proposed invention is a helium purification unit [Nikolaev V.V. Prospects for the use of membrane gas separation processes in the processing of natural gases / V.V. Nikolaev, S.A. Sirotin // Chemical and Oil Engineering. - 1996. - No. 6. - P. 11-12], which includes a counterflow condenser (helium preconcentration unit), a jet compressor, a recuperative heat exchanger, a first membrane, a compressor, a hydrogen purification unit (unit), a PSA nitrogen purification unit located on the helium-containing gas supply line (short-cycle adsorption unit), and a second membrane connected to the pressure-swing adsorption unit by an apermeate (retentate, backflow, blow-off) supply line as a purge gas, then supplied to the inlet of the first membrane.

Недостатками данной установки являются ее неработоспособность в представленном виде. Во-первых, из-за накопления в цикле неона, который в составе ретентата второй мембраны через аппарат PSA-очистки от азота направляется на вход первой мембраны, и далее рециркулируется, частично - в составе пермеата первой мембраны, а частично - в составе ретентата первой мембраны, подаваемого струйным компрессором в противопоточный конденсатор, где неон отпаривается и выводится с верха конденсатора с концентратом гелия 85%. Накопление неона в цикле приведет к падению температуры верха противопоточного конденсатора и невозможности его охлаждения с помощью жидкого азота. Кроме того, нарушится режим работы второй мембраны, которая не сможет обеспечить нормативное содержание неона в очищенном гелии. Во-вторых, из-за низкой температуры концентрата гелия, выводимого из противопоточного конденсатора при минус 190-195°С, первая мембрана не сможет работать вследствие стеклования полимера мембраны и потери ее механической прочности. При этом рекуперативный теплообменник не обеспечивает повышение температуры концентрата гелия, поскольку в качестве теплоносителя в него подают ретентат первой мембраны с еще более низкой температурой, чем входной поток (процесс мембранного разделения концентрата гелия является эндотермическим).The disadvantages of this installation are its inoperability in the presented form. Firstly, due to the accumulation of neon in the cycle, which, as part of the retentate of the second membrane through the PSA-purification apparatus from nitrogen, is directed to the inlet of the first membrane, and then is recycled, partly as part of the permeate of the first membrane, and partly as part of the retentate of the first membrane supplied by a jet compressor to a counterflow condenser, where neon is stripped and removed from the top of the condenser with 85% helium concentrate. The accumulation of neon in the cycle will lead to a drop in the temperature of the top of the counterflow condenser and the impossibility of cooling it with liquid nitrogen. In addition, the operating mode of the second membrane will be disrupted, which will not be able to provide the standard content of neon in purified helium. Secondly, due to the low temperature of the helium concentrate removed from the counterflow condenser at minus 190-195 ° C, the first membrane will not be able to work due to the glass transition of the membrane polymer and the loss of its mechanical strength. In this case, the recuperative heat exchanger does not provide an increase in the temperature of the helium concentrate, since the retentate of the first membrane with an even lower temperature than the inlet flow is fed into it as a coolant (the process of membrane separation of helium concentrate is endothermic).

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение установки, исключение накопления неона в цикле и обеспечение благоприятного температурного режима работы первой мембраны (мембранного блока).The objective of the present invention is to simplify the installation, eliminate the accumulation of neon in the cycle and provide a favorable temperature regime for the operation of the first membrane (membrane unit).

Техническим результатом является упрощение установки за счет исключения струйного компрессора путем размещения компрессора до мембранного блока, исключение накопления неона в цикле за счет вывода неонсодержащей смеси неконденсируемых и инертных газов, очищенной от гелия, из блока предварительного концентрирования и исключения внутренней циркуляции неонсодержащих потоков, а также обеспечение благоприятного температурного режима работы мембранного блока за счет расположения после компрессора и блока очистки от водорода, в которых происходит повышение температуры очищаемого гелия.The technical result is to simplify the installation by eliminating the jet compressor by placing the compressor up to the membrane unit, excluding the accumulation of neon in the cycle by removing the neon-containing mixture of non-condensable and inert gases, purified from helium, from the pre-concentration unit and excluding the internal circulation of neon-containing streams, as well as ensuring a favorable temperature regime for the operation of the membrane unit due to the location after the compressor and the hydrogen purification unit, in which the temperature of the purified helium rises.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой установке, включающей блок предварительного концентрирования гелия, оснащенный линией ввода гелийсодержащего газа и линией вывода концентрата гелия с теплообменником, а также мембранный блок, компрессор, блок очистки от водорода и блок короткоцикловой адсорбции, особенность заключается в том, что блок предварительного концентрирования гелия оснащен линией вывода смеси неконденсируемых и инертных газов, а после теплообменника на линии вывода концентрата гелия расположены холодильник, компрессор и блок очистки от водорода, оснащенный линией ввода кислородсодержащего газа и включающий реактор каталитического окисления водорода, рекуперативный теплообменник, сепаратор и узел адсорбционной доосушки, при этом рекуперативный теплообменник соединен с реактором линией подачи концентрата гелия и линией продуктов окисления, на которой расположены холодильник и сепаратор, оснащенный линией вывода воды и линией вывода газа сепарации с узлом адсорбционной доосушки, оснащенным линией вывода газа регенерации, причем холодильник соединен с линией вывода смеси неконденсируемых и инертных газов линией подачи ее части в качестве хладоагента, а с узлом доосушки - линией подачи части нагретой смеси в качестве продувочного газа, кроме того, после узла доосушки на линии вывода газа сепарации расположены мембранный блок, соединенный с блоком предварительного концентрирования гелия линией подачи ретентата, оснащенной теплообменником, и блок короткоцикловой адсорбции, оснащенный линией вывода очищенного гелия и соединенный линией подачи газа регенерации со входом в мембранный блок.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed installation, which includes a block for preliminary concentration of helium, equipped with a helium-containing gas input line and a helium concentrate output line with a heat exchanger, as well as a membrane unit, a compressor, a hydrogen purification unit and a short-cycle adsorption unit, the peculiarity is that that the helium preconcentration unit is equipped with an outlet line for a mixture of non-condensable and inert gases, and after the heat exchanger on the helium concentrate outlet line there are a refrigerator, a compressor and a hydrogen purification unit equipped with an oxygen-containing gas inlet line and including a catalytic hydrogen oxidation reactor, a recuperative heat exchanger, a separator, etc. a unit for adsorption additional drying, while the recuperative heat exchanger is connected to the reactor by a helium concentrate feed line and a line of oxidation products, on which a refrigerator and a separator are located, equipped with a water outlet line and a separation gas outlet line and with an adsorption after-drying unit equipped with a regeneration gas outlet line, and the refrigerator is connected to the outlet line of a mixture of non-condensable and inert gases by a supply line of a part of it as a refrigerant, and with an additional drying unit - a supply line of a part of the heated mixture as a purge gas, in addition, after After drying unit, a membrane unit is located on the separation gas outlet line, connected to the helium pre-concentration unit by a retentate supply line equipped with a heat exchanger, and a short-cycle adsorption unit equipped with a purified helium outlet line and connected by a regeneration gas supply line to the membrane unit inlet.

Блок предварительного концентрирования гелия включает по меньшей мере одну ректификационную колонну с рекуперационным теплообменником. Реактор каталитического окисления представляет собой емкостной аппарат, заполненный, например, платиносодержащим катализатором. В качестве остальных элементов установки могут быть установлены любые устройства соответствующего назначения, известные из уровня техники.The helium pre-concentration unit includes at least one distillation column with a recuperative heat exchanger. The catalytic oxidation reactor is a vessel filled with, for example, a platinum-containing catalyst. As the rest of the installation elements, any device for the corresponding purpose known from the prior art can be installed.

Исключение струйного компрессора благодаря размещению компрессора до мембранного блока, обеспечивающее повышенное давление ретентата, упрощает установку. Исключение накопления циркулирующего неона достигается за счет вывода очищенной от гелия неонсодержащей смеси неконденсируемых и инертных газов из блока предварительного концентрирования и исключения внутренней циркуляции неонсодержащих потоков. Обеспечение благоприятного температурного режима работы мембранного блока (30-150°С в зависимости от материала мембраны) достигается расположением последнего после компрессора и блока очистки от водорода, в которых происходит нагрев очищаемого концентрата гелия. При необходимости регулирование температуры подачи газа в мембранный блок может осуществляться путем нагрева, например, нагретой смесью неконденсируемых и инертных газов.The elimination of the jet compressor by placing the compressor upstream of the diaphragm block, providing increased retentate pressure, simplifies installation. The elimination of the accumulation of circulating neon is achieved by removing the neon-containing mixture of non-condensable and inert gases purified from helium from the pre-concentration unit and by eliminating the internal circulation of neon-containing streams. Ensuring a favorable temperature regime for the operation of the membrane unit (30-150 ° C, depending on the membrane material) is achieved by the location of the latter after the compressor and the hydrogen purification unit, in which the helium concentrate to be purified is heated. If necessary, the temperature of the gas supply to the membrane unit can be controlled by heating, for example, with a heated mixture of non-condensable and inert gases.

Установка показана на прилагаемом чертеже и включает блок предварительного концентрирования гелия 1, теплообменник 2, холодильник 3, компрессор 4, блок очистки от водорода (выделен штрих-пунктиром), состоящий из рекуперационного теплообменника 5, каталитического реактора 6, сепаратора 7 и узла адсорбционной доосушки 8, а также мембранный блок 9 и блок короткоцикловой адсорбции 10. При необходимости тонкой очистки гелия от микропримесей установка оснащена блоком 11, выполненным в виде узла низкотемпературной адсорбции или мембранного узла.The installation is shown in the attached drawing and includes a helium pre-concentration unit 1, heat exchanger 2, refrigerator 3, compressor 4, a hydrogen purification unit (highlighted by a dash-dotted line), consisting of a recuperation heat exchanger 5, a catalytic reactor 6, a separator 7 and an adsorption additional drying unit 8 , as well as a membrane unit 9 and a short-cycle adsorption unit 10. If it is necessary to finely purify helium from trace impurities, the installation is equipped with a unit 11 made in the form of a low-temperature adsorption unit or a membrane unit.

При работе установки газ с содержанием гелия 0,3-10%, подаваемый по линии 12, разделяют в блоке 1 с получением смеси неконденсируемых и инертных газов, выводимой по линии 13 и 75-90%-го концентрата гелия, который, например, при 1,5-3 МПа и минус 185-195°С, выводят по линии 14, нагревают в теплообменнике 2 и холодильнике 3, сжимают компрессором 4 до 2,5-5,5 МПа, смешивают с кислородсодержащим газом, например, воздухом или кислородом, подаваемым по линии 15, нагревают в теплообменнике 5 и направляют в реактор 6, где в присутствии катализатора происходит полное окисление водорода с образованием паров воды. Продукты окисления с температурой, как правило, не ниже 300°С выводят по линии 16, охлаждают в теплообменнике 5 и холодильнике 3 и разделяют в сепараторе 7 на воду, выводимую с установки по линии 17, и газ сепарации, который выводят по линии 18, доосушают в блоке 8, смешивают с газом регенерации блока 10, подаваемым по линии 19, и направляют в блок 9 для очистки от азота, кислорода и пр. очищенный газ (пермеат), содержащий, например, 99% гелия, доочищают в блоке 10 с получением, например, 99,99%-го гелия, выводимого по линии 20. В теплообменник 3 в качестве второго хладоагента из линии 13 по линии 21 подают часть смеси неконденсируемых и инертных газов, имеющей температуру, например, минус 95-105°С при 0,01-0,05 МПа, а часть нагретой смеси по линии 22 подают в блок 8 в качестве продувочного газа, а остальную часть смеси выводят. Газ регенерации блока 8 выводят с установки по линии 23. Ретентат из блока 9, содержащий, например, 30% гелия, выводят по линии 24, охлаждают в теплообменнике 2, например, до минус 180-190°С и подают на концентрирование гелия в блок 1.During the operation of the installation, gas with a helium content of 0.3-10%, supplied through line 12, is separated in block 1 to obtain a mixture of non-condensable and inert gases, discharged through lines 13 and 75-90% helium concentrate, which, for example, when 1.5-3 MPa and minus 185-195 ° C, taken out through line 14, heated in heat exchanger 2 and refrigerator 3, compressed by compressor 4 to 2.5-5.5 MPa, mixed with oxygen-containing gas, for example, air or oxygen supplied through line 15 is heated in heat exchanger 5 and sent to reactor 6, where, in the presence of a catalyst, hydrogen is completely oxidized to form water vapor. Oxidation products with a temperature, as a rule, not lower than 300 ° C are removed through line 16, cooled in heat exchanger 5 and cooler 3 and separated in separator 7 into water removed from the plant through line 17 and separation gas, which is removed through line 18, re-dried in block 8, mixed with the regeneration gas of block 10, supplied through line 19, and sent to block 9 for cleaning from nitrogen, oxygen, etc., the purified gas (permeate), containing, for example, 99% helium, is further purified in block 10 s obtaining, for example, 99.99% helium, withdrawn through line 20. In the heat exchanger 3 as a second refrigerant from line 13 through line 21 serves part of a mixture of non-condensable and inert gases having a temperature, for example, minus 95-105 ° C at 0.01-0.05 MPa, and part of the heated mixture is fed through line 22 to block 8 as a purge gas, and the rest of the mixture is removed. Regeneration gas of unit 8 is removed from the unit via line 23. Retentate from unit 9, containing, for example, 30% helium, is removed via line 24, cooled in heat exchanger 2, for example, to minus 180-190 ° C and fed to the unit for helium concentration one.

При необходимости снижения температуры в реакторе 6 в линию 14 из линии 17 может быть подана часть воды, кроме того, из блока 1 по линии 25 может дополнительно выводится концентрат углеводородов, а очищенный гелий может подвергаться в блоке 11 тонкой очистке от микропримесей, при этом, при использовании низкотемпературной адсорбции в качестве хладоагента может быть использована часть потока из линии 14 (условно не показано).If it is necessary to lower the temperature in the reactor 6, part of the water can be supplied to line 14 from line 17, in addition, hydrocarbon concentrate can be additionally removed from unit 1 through line 25, and purified helium can be subjected to fine purification from micro-impurities in unit 11, while, when using low-temperature adsorption as a refrigerant, a part of the flow from line 14 (not shown conventionally) can be used.

Таким образом, предлагаемая установка проще, позволяет исключить накопление неона в цикле, обеспечивает благоприятный температурный режим работы мембранного блока и может найти применение в газовой промышленности.Thus, the proposed installation is simpler, eliminates the accumulation of neon in the cycle, provides a favorable temperature regime for the operation of the membrane unit, and can be used in the gas industry.

Claims

A helium concentration and purification unit, including a helium pre-concentration unit, equipped with a helium-containing gas inlet line and a helium concentrate outlet line with a heat exchanger, as well as a membrane unit, a compressor, a hydrogen purification unit and a short-cycle adsorption unit, characterized in that the helium pre-concentration unit is equipped with the outlet line for the mixture of non-condensable and inert gases, and after the heat exchanger on the outlet line for helium concentrate there are a refrigerator, a compressor and a hydrogen purification unit equipped with an oxygen-containing gas inlet line and including a catalytic hydrogen oxidation reactor, a recuperative heat exchanger, a separator and an adsorption additional drying unit, while recuperative the heat exchanger is connected to the reactor by a helium concentrate feed line and a line of oxidation products, on which a refrigerator and a separator are located, equipped with a water outlet line and a separation gas outlet line with an adsorption additional drying unit equipped with a line and the outlet of the regeneration gas, and the refrigerator is connected to the outlet line of the mixture of non-condensable and inert gases by the supply line of a part of it as a refrigerant, and to the additional drying unit - to the supply line of a part of the heated mixture as a purge gas, in addition, after the additional drying unit on the line of the separation gas a membrane unit connected to the helium pre-concentration unit by a retentate supply line equipped with a heat exchanger and a pressure swing adsorption unit equipped with a purified helium outlet line and connected by a regeneration gas supply line to the membrane unit inlet are located.