Технология переработки природного газа и конденсата - Афанасьев А.И.
ISBN 5-8365-0107-6
Скачать (прямая ссылка):
Большие количества жидкого гелия необходимы в крупных имитаторах космических условий. В Подмосковье построена самая крупная в Европе криогенно-вакуумная камера вместимостью 10000 ма. В ней был испытан в натуральную величину космический корабль "Буран". Поверхность гелиевого конденсационного крионасоса составляет 400 м2.
Небольшие количества жидкого гелия необходимы сегодня для обеспечения работы новых уникальных приборов и инструментов: магнитных томографов, обеспечивающих тончайшую диагностику живых органов человека; сверхпроводящих кван-
190
товых интерферометров, обеспечивающих измерение экстремально малых величин, например, силы тока до 1(Ге А, напряжений до 10~ь В, магнитных полей до 10~и Тл; болометров -высокочувствительных приборов для измерения излучений.
Наконец, самые низкие температуры в стационарном режиме, достигающие 1 К, реализуются с помощью рефрижераторов растворения Не3 в Не4.
Гелий достаточно широко распространен в природе. Он один из основных элементов космоса, содержится в атмосферном воздухе, морской воде и отдельных минералах. Промышленными источниками получения гелия являются природный и попутный нефтяной газы.
Процесс производства гелия проводится в две стадии: получение гелиевого концентрата, содержащего 80-95 % об. гелия и очистка его от примесей (азота, кислорода, водорода, аргона, неона).
Получение гелиевого концентрата
Получение гелиевого концентрата осуществляется главным образом способом фракционированной конденсации сопутствующих гелию компонентов при глубоком охлаждении. Сжижение газа производится в аппаратах прямоточной и про-тивоточной конденсации. В процессе конденсации газа происходит растворение гелия в жидких углеводородах, причем чем выше давление процесса, тем больше его растворяется. Поэтому для уменьшения потерь гелия одновременно с конденсацией углеводородов требуется производить отпарку гелия во всех ступенях отделения жидких углеводородов. При высоком давлении после аппаратов прямоточной конденсации отделение гелия от сконденсированной смеси углеводородов производят в отпарных колоннах; при низком давлении (1-2 МПа) можно ограничиться простой сепарацией. При использовании проти-воточных конденсаторов отделение гелия происходит непрерывно в процессе контакта движущихся потоков и поэтому не требуется дополнительной отпарки его в колонне.
Из-за низких скоростей газа в противоточных конденсаторах их применение для установок большой мощности ограничено, так как значительно увеличиваются габариты аппаратов. В установках большой производительности на 1-х ступенях обогащения газа гелием применяют аппараты прямоточной конденсации. На конечных ступенях разделения, где расход газа снижается в несколько десятков раз, применяется проти-воточная конденсация.
191
На рис. 3.37 приведена принципиальная схема процесса низкотемпературной конденсации газа с низким содержанием гелия Схема включает предварительное охлаждение газа /, две ступени прямоточной конденсации с отпаркой гелия 2, 3, 4, 5 и две ступени противоточной конденсации 6", 7. В первой ступени происходит обогащение газа гелием в 10 раз, во второй ступени - в 100 раз. После первого противоточного конденсатора 6 в газе содержится практически гелий и азот. Во втором противоточном конденсаторе 7 происходит почти полная конденсация азота. Остаточная концентрация азота зависит от температуры и давления выходящего гелия. При давлении 3 МПа снижение температуры от минус 180 °С до минус 200 °С позволяет понизить содержание азота в газообразном гелии с 20 до 3 %. Увеличение давления от 3 до 14 МПа при температуре минус 180 °С позволяет уменьшить содержание азота до 6 %. В то же время влияние давления на содержание азота в газообразном гелии уменьшается со снижением температуры.
В отпарных колоннах производится отпарка легколетучих компонентов и главным образом гелия из жидкости, сконденсировавшейся в прямоточных конденсаторах. Степень отпарки гелия при данных условиях (температуре, давлении, составе) зависит от количества отпариваемого газа и числа тарелок в колонне. Степень обогащения газа гелием определяется количеством суммарного пара на выходе из отпарной колонны, состоящего из отпаренного газа и газа, поступающего с потоком питания колонны.
При расчете отпарных колонн необходимо определить оптимальные соотношения между количеством отпаренного газа, потерями гелия с жидкостью и размером колонны. Зависимость между этими величинами дают уравнения, полученные
I " i
•¦'і Л ' si t
„>) ЇГН І C
/Cl
УС
FA
T
Т_
Рис. 3.37. Принципиальная схема процесса низкотемпературной конденсации газа с низким содержанием гелия
192
из потарелочного расчета отпарной колонны при условии постоянной температуры жидкости по высоте колонны. В отпар-ных колоннах, предназначенных для отпарки гелия, температура жидкости по высоте колонны меняется в пределах от 2 до 5 °С, что позволяет пренебречь этим изменением и вести расчет по средней температуре колонны.
В результате расчетных исследований [4] получены количественные соотношения между числом теоретических тарелок, количеством отпаренного газа и потерями гелия с жидкостью, выходящей из куба отпарной колонны.
