CC BY
52
УДК 661.939.1
https://doi.org/10.24411/2310-8266-2020-10105
Модернизация установки получения гелиевого концентрата на Оренбургском гелиевом заводе
Д.Ю. Тремаскин, Ф.Г. Жагфаров
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина,119991, Москва, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5214-2850, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7344-015X,E-mail: [email protected]
Резюме: Проанализированы технологии получения гелиевого концентрата. Произведен расчет модернизированной установки получения гелиевого концентрата. Приведено сравнение вариантов модернизации для нахождения их преимуществ и недостатков. Проанализированы типы мембран. Предложены варианты мембран, подходящие для процесса получения гелиевого концентрата.
Ключевые слова: гелий, гелиевый концентрат, мембрана, диаграммы Робсона, мембранный метод разделения газа, коэффициент деления потока, легкопроникающий компонент, селективность, газопроницаемость.
Для цитирования: Тремаскин Д.Ю., Жагфаров Ф.Г. Модернизация установки получения гелиевого концентрата на Оренбургском гелиевом заводе // НефтеГазоХимия. 2020. № 1. С.38-41.
D0I:10.24411/2310-8266-2020-10105
MODERNIZATION OF THE PLANT FOR THE PRODUCTION OF HELIUM CONCENTRATE AT THE ORENBURG HELIUM REFINERY Dmitriy YU. Tremaskin, Firdavez G. Zhagfarov
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University), 119991, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5214-2850, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7344-015X,E-mail: [email protected] Abstract: The technologies for the production of helium concentrate are analyzed. A calculation was made of the modernized plant for the production of helium concentrate. A comparison of modernization options to find their advantages and disadvantages is given. The types of membranes are analyzed. Variants of membranes suitable for the process of producing helium concentrate are proposed.
Keywords: helium, helium concentrate, membrane, Robson diagrams, membrane gas separation method, flow division coefficient, easily penetrating component, selectivity, gas permeability.
For citation: Tremaskin D.YU., Zhagfarov F.G. MODERNIZATION OF THE PLANT FOR THE PRODUCTION OF HELIUM CONCENTRATE AT THE ORENBURG HELIUM REFINERY. Oil & Gas СЬюу^^^. 2020, no. 1, pp. 38-41. DOI:10.24411/2310-8266-2020-10105
Гелий - ценный газ, обладающий рядом уникальных свойств, что позволяет использовать его в различных сферах деятельности. На сегодняшний день гелий стал незаменимым ресурсом в военной, промышленной, медицинской и других областях науки и техники.
В России находится большая часть мировых запасов гелия. Несмотря на это его добыча в нашей стране незначительна. В настоящее время реализуются проекты добычи гелийсодержащих газов и выделения гелия в северных районах России. Остается открытым вопрос выбора подходящей технологии извлечения данного ресурса.
Первым и единственным на данный момент в России по получению гелия является Оренбургский гелиевый завод. На нем используется криогенный способ получения гелия. Хотя данный метод является высокоэффективным, для его реализации требуются большие эксплуатационные затраты.
В данной статье для снижения эксплуатационных затрат предложена модернизация установки получения гелиевого концентрата. Суть реконструирования состоит в использовании мембран при приеме газа на установку, что позволит значительно упростить существующую технологическую схему, не снижая при этом качество целевого продукта.
Классическая схема получения гелия состоит из двух стадий:
- первая стадия - выделение гелиевого концентрата;
- вторая стадия - отделение остаточных количеств побочных компонентов от гелия(стадия концентрирования гелия) [1].
Главной проблемой извлечения гелия является его отделение от остальных компонентов с концентрацией 99,99%. Процесс тонкой очистки является энергозатратным, но на данный момент самым эффективным. Поэтому целесообразно оптимизировать именно первую стадию процесса выделения гелия.
Предлагаемая реконструкция установки получения гелиевого концентрата состоит в том, чтобы вместо криогенного метода, использовать комбинированный, включив в технологическую схему мембранный блок выделения гелиевого концентрата.
Для удовлетворения всех требований, предъявляемых к мембранам, очень важно подобрать мембрану, которая будет обладать максимальной селективностью и одновременно достаточной разделяющей способностью, чтобы выделить гелиевый концентрат необходимой концентрации. На диаграмме Робсона представлены соотношения селективности к газопроницаемости мембраны, разделяющей бинарную смесь He/CH4 Анализируя диаграмму, представленную на рис. 1 [2], можно сделать вывод, что селективность и газопроницаемость обратно пропорциональны в логарифмических координатах, поэтому оптимальными характеристиками будет обладать мембрана при селективности 80-200.
Для получения гелиевого концентрата заданной концентрации возможно использование рулонных и полуволоконных мембран. Анализируя качество целевого продукта, которое требуется извлечь из природного газа, были предложены мембраны следующих компаний: UOP, Medal Air Liquide, Evonik, UBE.
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
£
В недавнем времени компания Evonik представила новейшую мембрану для разделения природного газа SEPURAN. Данная полуволоконная мембрана изготовлена из высокопрочного пластика, что позволяет ей выдерживать экстремальные температуры и давления. Это свойство позволяет ей селективно одновременно удалять гелий и кислые компоненты и быть высокоустойчивой к высшим углеводородам.
Главной проблемой реализации разделения природного газа мембранным методом является сложность удаления метана от гелия, связанная с тем, что оба компонента имеют высокую проницаемость через мембраны. В потоке извлеченного газа будет присутствовать определенное количество метана. Содержание метана в целевом газе является негативным фактором. Обладая высокой теплотворной способностью, метан будет увеличивать давление в колонне из-за выделения большого количества тепла. Это приведет к изменению режима работы колонны и через некоторое время выводу ее из строя. В связи с этим целью данной работы является решение именно этой задачи - более полное разделение смеси CH4/He, и поэтому для численного расчета процессов была использована бинарная смесь газов.
Степень извлечения легко проникающего компонента (ЛПК) определяется его [РЦИ остаточной концентрацией в газе на выходе из установки.
Для оценочных расчетов с целью математического моделирования мембранного газоразделения принята бинарная модель природного газа с концентрацией ЛПК 0,060% моль. Под ЛПК понимается гелий и часть кислых газов (СО2 и H2S). Кислые газы хорошо извлекаются мембранными системами, но менее эффективно (у них ниже проникающая способность), чем, например, вода, гелий или водород. Для оценочного расчета мембранного блока была использована программа В.И. Соломахина.
Для расчетов оценочных показателей эффективности газоразделения будем:
- менять свойства применяемых мембран по селективности (у мембран с меньшей селективностью, как правило, выше проницаемость по ЛПК) - Alpha = 60/80/100/120;
- рассматривать несколько вариантов по давлению в подмембранном пространстве - давление пермеата Pperm = 0,8 + 1,2 бар абс.
Вариант № 1
со степенью извлечения ЛПК на уровне 85±1% масс.
Фиксируем остаточное содержание ЛПК: xret = 0,01% моль. Расчетный коэффициент деления потока для достижения конечного результата представлен на рис. 2.
Расчетная концентрация извлеченного ЛПК в составе пермеатного потока для аналогичных условий представлена на рис. 3.
Анализируя полученные графики, видим, что с повышением давления будет увеличиваться коэффициент деления потока, но вместе с этим наблюдается снижение концентрации легко проникающего компонента в пермеате. Следовательно, нужно подобрать оптимальное давление в подмембранном пространстве, которое обеспечит высо-
Диаграмма Робсона
Семейство графиков отбора в пермеат при использовании разных мембран по селективности (60/80/100/120) и при разных давлениях в подмембранном пространстве
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
-е в
5,5
5,0
4,5
4,0
0,7
0,8
0,9
1,0 1,1 ПяВПРНМР ПРПМРЯТЯ бяп ябп
1,2
1,3
кий коэффициент деления потока и не повлечет за собой низкую концентрацию ЛПК.
В частном случае, где используются мембраны с селективностью 100 и при амосферном давлении в пермеате получаем степень извлечения ЛПК равной 84,27 % масс.
Вариант № 2 со степенью извлечения ЛПК 91±1% масс.
Для этого фиксируем селективность Alpha =100 и давление в пермеате Pperm = 1,0 бар абс.
В частности, можно получить следующее искомое решение:
0 = 7,391% - коэффициент деления потока;
xperm = 0,743% моль - концентрация ЛПК в пермеате;
xret = 0,0055% моль - остаточная концентрация ЛПК в ре-тентате.
Рис. 1
1 • 2020
НефтеГазоХимия 39
Степень извлечения ЛПК: а = 91,5% масс. [3].
Результат получен за счет усиления требований по минимизации остаточного содержания ЛПК в составе потока ретентата (с 0,010% моль до 0,0055% моль).
Увеличение степени извлечения ЛПК характеризуется двумя основными последствиями:
- если в первом случае нагрузка на компрессор по величине потока на всасывающей линии составляла 5,598% от входного потока, то во втором случае она достигнет значения 7,391%. Требуемая мощность компрессора при одинаковом коэффициенте компримирова-ния возрастет. Следовательно, для достижения поставленной цели возрастает удельное энергопотребление на 32,03%;
- во втором случае за счет большей доли трудно проникающего компонента (ТПК) снизилась концентрация ЛПК в пермеатном потоке с 0,903% моль до 0,743% моль, что также нежелательно для дальнейшего концентрирования извлеченного ЛПК.
Из приведенных расчетов следует целесообразность экономической оценки по переходу от степени извлечения ЛПК от 85±1% масс. к значению 91±1% масс. на первой ступени.
Вариант № 3 с увеличенной концентрацией ЛПК в отводимом потоке пермеата и степенью извлечения ЛПК 91±1% масс.
Семейство графиков концентрации ЛПК при использовании разных мембран по селективности (60/80/100/120) и при разных давлениях в подмембранном пространстве
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
---60,0
80,0
■100,0
120,0
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0 1,1 1,2 Давление пермеата, бар абс.
1,3
Двухстадийный вариант первой ступени с контуром рецикла
ЛПК = 00600%
1-ая ступень в две стадии с рециклом Рецикл обогащения по ЛПК
(а =100, у =47) Компрессор К2
ЛПК =03627%
Д 0,04053-0,
V
1,040530
ЛПК = 00718%
0,99858-0,
ЛПК=0020%
0,95805-0,
ЛПК=00055%
Для повышенной степени извлечения ЛПК (91±1% масс - по аналогии с вариантом № 2) можно добиваться предварительного
концентрирования ЛПК в отводимом пермеатном потоке, что важно для его дальнейшего концентрирования. В этом случае потребуется другая конфигурация первой ступени (в две последовательные стадии с контуром рецикла). Появляется еще один компрессорный агрегат, как показано на рис. 4. Суммарная мощность двух компрессоров за счет рецикла возрастет в сравнении с вариантом № 2, но концентрация ЛПК в отводимом перме-атном потоке существенно может вырасти, что облегчит задачу по его дальнейшему концентрированию. В расчетах этой схемы фиксировалась остаточная концентрация ЛПК в очищенном газе на уровне 0,0055% моль, как и в варианте № 2.
Результаты расчетов такого технологического решения по концентрациям ЛПК и по величинам потоков, представлены на самой схеме. Степень извлечения ЛПК для варианта № 3 составила 91,23% масс. Суммарная мощность компрессоров К1 + К2 выросла по сравнению с вариантом № 2, где применялся один компрессор, на 11,6% [4].
0,04195-0с ЛПК =1,3049%
Компрессор К,
На дальнейшее концентрирование
Но важно, что по сравнению с вариантом 2, концентрация ЛПК в отводимом пермеатном потоке увеличилась с 0,743% моль до 1,305% моль, что весьма важно для выбора мембранной установки для дальнейшего концентрирования ЛПК до требуемой величины.
Общая конфигурация мембранной установки с первой ступенью по варианту № 1
Для дальнейшего концентрирования извлеченного ЛПК в составе пермеатного потока после его компримирова-ния можно использовать дополнительную двухступенчатую схему, например по патенту на полезную модель (патентообладатель ПАО «Газпром») № 145348 [5].
В целом получается трехступенчатая технологическая схема мембранного извлечения и концентрирования гелия с двумя контурами рецикла, как вариант показана на рис. 5. Концентрация ЛПК может быть доведена до значений более 80% мол.
Рис. 3
Рис. 4
0
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
*о-
Вариант трехступенчатой схемы мембранного извлечения и концентрирования гелия при малой его входной концентрации
1-я ступень
Заключение
В данной работе была рассмотрена возможность модернизации установки получения гелиевого концентрата с целью снижения металлоемкости, эксплуатационных затрат и энергоресурсов.
После проведенного оценочного расчета были предложены варианты установок мембранного разделения природного газа. Капиталоемкость установки определяется первой ступенью разделения газа. Помимо сокращения затрат требовалось сохранить высокое качество продукта, а именно концентрацию гелия выше 80 %. С учетом всех требований было предложено несколько вариантов мембранных блоков, отличающихся затрачиваемой мощностью, которая влияет на получение продукта заданного качества или выше. Лучшим вариантом разделения природного газа на мембранах, с учетом результатов оценочного расчета, оказался вариант с исполнением первой ступени в две последовательные стадии с контуром рецикла. Используя данную схему разделения, удается выделить гелиевый концентрат с концентрацией гелия 91%, но при этом будут увеличиваться энергозатраты, связанные с использованием дополнительного компрессора.
Внедрение мембранной установки позволяет отказаться от третьей отпарной колонны, предназначенной для разделения гелия и метана, что существенно снизит удельное энергопотребление установки.
В результате проделанной работы видна целесообразность модернизации установки получения гелиевого концентрата, так как были выявлены преимущества использования мембранного метода разделения природного газа по сравнению с криогенным методом и оценена экономия капитальных и энергетических затрат.
Рис. 5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лапидус А.Л., Голубева И.А., Жагфаров Ф.Г. Газохимия. Ч. 1. Первичная переработка углеводородных газов. М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, 2013. 405 с.
2. Robeson L.M. Journal of Membrane Science, 2008. pp. 390-400.
3. Baker R.W. Membrane technology and applications, 2004. 538 p.
4. Соломахин В.И. Технологический способ оптимизации интегрального
ресурсо- и энергосберегающего фактора в задаче мембранного извлечения гелия из подготовленного природного газа высокого давления // Мембраны и мембранные технологии, 2019. Т. 9. № 1. С. 38-46.
5. Патент РФ на полезную модель № 145348. Установка мембранного разделения газовой смеси высокого давления / Соломахин В.И. Опубл.: 20.09.2014. Бюл. № 26.
REFERENCES
1. Lapidus A.L., Golubeva I.A., Zhagfarov F.G. Gazokhimiya. CH. 1. Pervichnaya pererabotka uglevodorodnykh gazov [Part 1. Primary processing of hydrocarbon gases]. Moscow, Izdatel'skiy tsentr RGU nefti i gaza (NIU) im. I.M. Gubkina Publ., 2013. 405 p.
2. Robeson L.M. Journal of Membrane Science, 2008, pp. 390-400.
3. Baker R.W. Membrane technology and applications. 2004. 538 p.
4. Solomakhin V.I. A technological method for optimizing the integral resource
and energy saving factor in the task of membrane extraction of helium from prepared high-pressure natural gas. Membrany i membrannyye tekhnologii, 2019, vol. 9, no. 1, pp. 38-46 (In Russian).
5. Solomakhin V.I. Ustanovka membrannogo razdeleniya gazovoy smesi vysokogo davleniya [Installation of membrane separation of a high pressure gas mixture]. Patent RF, no. 145348, 2014.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Тремаскин Дмитрий Юрьевич, магистрант кафедры газохимии, РГУ нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина. Жагфаров Фирдавес Гаптелфартович, д.т.н., проф., зам. завкафедрой газохимии, РГУ нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина.
Dmitriy YU. Tremaskin, Student of the Department of Gaschemistry, Gubkin Russian
State University of Oil and Gas (National Research University).
Firdavez G. Zhagfarov, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Deputy Head of the Department of
Gaschemistry,Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research
University).
1 • 2020
НефтеГазоХимия 41
