Криогенный способ получения гелия

Криогенный способ получения гелия является наиболее широко распространенным способом и основан на последовательной конденсации компонентов природного газа при понижении температуры. На криогенных установках получают гелий-сырец или гелиевый концентрат с содержанием гелия 50-85% об., который затем для получения высокочистого гелия (99.995% об.) подвергают химической, адсорбционной или каталитической очистке.

Существуют два варианта технологических схем криогенных установок [1], приведенных на рис. 11.1 и 11.2.

По варианту I (рис.11.1) природный газ под давлением 2 МПа охлаждается в рекуперативных теплообменниках до - 28°С и аммиаком до -45°С, затем дросселируется до 1.2 МПа и поступает в колонну. В ней от газа отделяется в основном метан с примесью азота V, а сверху уходит газ с содержанием гелия около 3% (об.). Этот газ еще раз конденсируется ( кипящим при 0.4 МПа азотом) во второй колонне, сверху которой уходит гелиевый концентрат III, содержащий до 80-90% гелия. Верх первой колонны охлаждается ее же кубовой жидкостью, дросселированной до давления 0.15 МПа.

По варианту II ( рис.11.2) очищенный и осушенный газ I под давлением 3.2 МПа охлаждается вначале пропаном, затем в двух рекуперативных теплообменниках ( с промежуточной сепарацией) до -104°С и после дросселирования с температурой -153°С подается в колонну. Снизу этой колонны отводится в основном метан. Верх колонны охлаждается за счет рекуперации холода, отчего в ней поддерживается температура -191°С, при которой сверху отводится смесь гелия и азота. Эта смесь затем доохлаждается в двух рекуперативных теплообменниках и в двух сепараторах разделяется на концентрат гелия (85%) и концентрат азота (99.5%). Последний, расширяясь в турбодетандере 5, охлаждает верх колонны и отводится как продукт. По такому варианту извлекается около 85-96% гелия от его исходного содержания в газе ( по варианту I степень извлечения ниже и не превышает 85%).

Полученный на криогенных установках гелиевый концентрат подвергают глубокой очистке с использованием еще более глубокого охлаждения. Очистка направлена на удаление из концентрата примесей водорода, азота, метана и др. и обычно состоит из четырех стадий:

- очистка концентрата от примесей водорода его окислением на специальном катализаторе, содержащем оксид меди;

- глубокая осушка от влаги, образовавшейся при окислении водорода, абсорбцией на молекулярных ситах-цеолитах или оксиде алюминия;

- сжатие концентрата до 15-20 МПа и охлаждение до минус 207°С с последующим его дросселированием и сепарацией в одну или две ступени для удаления остатков азота. Концентрат после этой стадии содержит гелий в количестве 99.5% об.;

- адсорбционная доочистка концентрата на активированных углях, охлаждаемых жидким азотом. После этой стадии получают товарный гелий концентрацией 99.98% об.

Товарный гелий хранят в сжатом или сжиженном виде. Сжатый гелий находится в газовых баллонах под давлением до 15 МПа.

Для перевода товарного гелия в жидкое состояние его сначала охлаждают жидким азотом, затем направляют последовательно в турбодетандер и парожидкостной турбодетандер ( или дросселируют). В результате этих процессов гелий частично переходит в жидкую фазу, которую доочищают в адсорберах, размещенных в агрегатах охлаждения, от примесей воздуха и неона.

Полученный жидкий гелий заливают в сосуды Дьюара различной вместимости, а большие количества ( до 120 м³) - в криогенные хранилища.