Способ и система для извлечения чистого гелия
Изобретение может быть использовано при извлечении гелия из гелийсодержащих газовых смесей, например из природного газа. Для извлечения чистого гелия первую гелийсодержащую смесь подают на первую стадию мембранного разделения, вторую гелийсодержащую смесь подают на вторую стадию мембранного разделения, третью гелийсодержащую смесь подают на третью стадию мембранного разделения. На первой стадии разделения образуются первый пермеат и первый ретентат, на второй стадии разделения образуются второй пермеат и второй ретентат, на третьей стадии разделения образуются третий пермеат и третий ретентат. Первую подаваемую смесь формируют с использованием по меньшей мере одной части гелийсодержащей исходной смеси. Вторую подаваемую смесь формируют с использованием по меньшей мере одной части первого пермеата. Третью подаваемую смесь формируют с использованием по меньшей мере одной части второго ретентата. Второй пермеат по меньшей мере частично обрабатывают путем адсорбции при переменном давлении с получением чистого гелия и оставшейся смеси. По меньшей мере одну часть третьего пермеата и/или по меньшей мере одну часть третьего ретентата направляют обратно в способ. При этом по меньшей мере одну часть третьего пермеата используют при формировании второй подаваемой смеси, а по меньшей мере одну часть третьего ретентата используют для формирования первой подаваемой смеси. По меньшей мере одну часть оставшейся смеси используют при формировании второй подаваемой смеси. Предложена также система для извлечения чистого гелия. Изобретения позволяют повысить качество разделения на стадиях мембранного разделения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к способу и системе для извлечения чистого гелия согласно ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.
Предшествующий уровень техники
Способы и системы извлечения гелия, в частности, из природного газа, описаны, например, в статье Noble Gases, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Интернет-версия, 15 марта 2001 г., DOI: 10.1002/14356007.a10_045.pub2. Помимо криогенных способов для извлечения гелия из природного газа также применяют мембранные способы. Можно также использовать комбинированные способы. Более подробную информацию можно найти, например, в разделе 4.2.1.2 упомянутой статьи Crude Helium Extraction by Permeation Processes.
Соответствующий мембранный способ может, в частности, включать использование нескольких стадий мембранного разделения, причем на каждой стадии мембранного разделения образуется обогащенный гелием пермеат и обедненный гелием ретентат. Такие стадии мембранного разделения могут иметь различные взаимосвязи.
Например, на Фиг. 23 в указанной статье описан способ, в котором гелийсодержащую подаваемую смесь подают на первую стадию мембранного разделения. Пермеат первой стадии мембранного разделения сжимают и подают на вторую стадию мембранного разделения. Пермеат второй стадии мембранного разделения представляет собой продукт данного способа. Ретентат первой стадии мембранного разделения удаляют в данном способе. Ретентат второй стадии мембранного разделения направляют обратно к точке перед первой стадией мембранного разделения и объединяют с подаваемой смесью.
Из публикации US 2014/0243574 А1 известен трехстадийный мембранный способ, в котором гелийсодержащую подаваемую смесь подают на первую стадию мембранного разделения. Пермеат первой стадии мембранного разделения сжимают и подают на вторую стадию мембранного разделения. Пермеат второй стадии мембранного разделения содержит приблизительно 30 моль% гелия. Его можно дополнительно очищать с образованием гелиевого продукта или использовать при формировании подаваемой смеси, которую подают на первую стадию мембранного разделения. Для этого его подают в резервуар, например, вместе со свежим природным газом. Ретентат второй стадии мембранного разделения подают на третью стадию мембранного разделения. Пермеат третьей стадии мембранного разделения сжимают вместе с пермеатом первой стадии мембранного разделения и совместно подают на вторую стадию мембранного разделения. Ретентаты первой и третьей стадий мембранного разделения объединяют и выводят в виде продукта - природного газа.
Во всех способах извлечения гелия для получения чистого гелия после обогащения криогенным или мембранным способом можно использовать этапы перегонки или адсорбции при переменном давлении. Таким образом можно получить продукты, содержащие гелий высокой чистоты.
Хотя настоящее изобретение описано преимущественно со ссылкой на извлечение гелия из природного газа, в принципе оно в равной степени подходит для других областей применения, например для извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей, которые образуются, например, при испарении гелия в криогенных сферах применения. Соответствующие газовые смеси далее именуются «исходными смесями».
Цель настоящего изобретения заключается в совершенствовании и более эффективном проектировании извлечения чистого гелия из соответствующих исходных смесей с использованием стадий мембранного разделения.
Описание изобретения
Эта цель достигается посредством способа извлечения чистого гелия и соответствующей системы, обладающих признаками независимых пунктов формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения и приведенного ниже описания.
Перед объяснением преимуществ настоящего изобретения некоторые термины, используемые для описания изобретения, детально определены ниже.
Под «пермеатом» в настоящем документе подразумевается газ или газовая смесь, которая преимущественно или исключительно содержит компоненты, которые не удерживаются или по большей части не удерживаются мембраной, применяемой на стадии мембранного разделения, т.е. которые проходят через мембрану (по существу или по меньшей мере предпочтительно) беспрепятственным образом. Соответственно, «ретентат» представляет собой газ или газовую смесь, которая преимущественно или исключительно содержит компоненты, которые полностью удерживаются или по меньшей мере преимущественно удерживаются мембраной, применяемой на стадии мембранного разделения.
«Газовые смеси», используемые в настоящем документе, могут быть богаты или бедны одним или более компонентом, причем термин «богаты» может означать содержание по меньшей мере 90%, 95%, 99%, 99,9% или 99,99%, а термин «бедны» может означать содержание по меньшей мере 10%, 5%, 1%, 0,01% или 0,01% по молярности, массе или объему. «Газовые смеси», используемые в настоящем документе, также могут быть обогащены или обеднены одним или более компонентами, причем эти термины относятся к соответствующему содержанию в другой газовой смеси, с помощью которой получали рассматриваемую газовую смесь. Рассматриваемая газовая смесь считается «обогащенной» при по меньшей мере 2-кратном, 5-кратном, 10-кратном, 100-кратном или 1000-кратном содержании в ней указанного (-ых) компонента (-ов) и «обедненной» при максимум 0,5-кратном, 0,1-кратном, 0,01-кратном или 0,001-кратном содержании в ней указанного (-ых) компонента (-ов).
В частности, следует понимать, что «чистый гелий» означает гелий с чистотой по меньшей мере 99,5 (так называемый гелий 2,5), 99,9 (гелий 2,9), 99,95 (гелий 3,5), 99,99 (гелий 4,0), 99,995 (гелий 4,5), 99,999 (гелий 5,0), 99,9995 (гелий 5,5), 99,9999 (гелий 6,0) или 99,99999 моль% (гелий 7,0).
В настоящем документе в случае, когда газовую смесь называют «сформированной» с использованием другой газовой смеси, следует понимать, что рассматриваемая газовая смесь содержит по меньшей мере некоторые из компонентов, содержащихся в другой газовой смеси или образующих эту смесь. Формирование одной газовой смеси из другой может включать, например, отведение части газовой смеси, добавление одного или более дополнительных компонентов или газовой смеси, химическое или физическое реагирование по меньшей мере некоторых компонентов в комбинации с нагреванием, охлаждением, испарением, конденсацией и т.д. Однако «формирование» газовой смеси из другой газовой смеси может также включать просто предоставление другой газовой смеси или ее части в подходящей форме, например, в контейнере или канале.
В настоящей заявке термины «уровень давления» и «уровень температуры» используются для описания значений давления или температуры, что должно означать необязательное использование соответствующих давлений и температур в соответствующей системе в форме точных значений давления или температуры. Однако такие значения давления и температуры, как правило, находятся в пределах определенных диапазонов, которые составляют ±1%, 5%, 10%, 20% или 25% вокруг среднего значения. Соответствующие уровни давления и уровни температуры могут находиться в несвязанных диапазонах или в диапазонах, которые перекрывают друг друга. Такой же уровень давления также может присутствовать, например, при появлении неизбежных потерь давления. То же самое относится и к уровням температуры. Уровни давления, указанные в настоящем документе в барах, представляют собой абсолютные давления.
В настоящем изобретении предлагается способ многостадийного мембранного разделения, в котором используют первую, вторую и третью стадии мембранного разделения, в каждой из которых образуются пермеат и ретентат. Пермеат первой стадии мембранного разделения далее называется «первым» пермеатом, пермеат второй стадии мембранного разделения называется «вторым» пермеатом, а пермеат третьей стадии мембранного разделения называется «третьим» пермеатом. Соответственно, ретентат первой стадии мембранного разделения далее называется «первым» ретентатом, ретентат второй стадии мембранного разделения называется «вторым» ретентатом, а ретентат третьей стадии мембранного разделения называется «третьим» ретентатом. Газовые смеси подают в каждой из стадий мембранного разделения. Газовая смесь, подаваемая на первую стадию мембранного разделения, в настоящем документе называется «первой» подаваемой смесью, газовая смесь, подаваемая на вторую стадию мембранного разделения, называется «второй» подаваемой смесью, а газовая смесь, подаваемая на третью стадию мембранного разделения, называется «третьей» подаваемой смесью.
В рамках настоящего изобретения предусмотрено, что первая подаваемая смесь образована с использованием по меньшей мере одной части гелийсодержащей исходной смеси, т.е., например, природного газа, причем в формирование первой подаваемой смеси также могут быть включены дополнительные этапы способа и газовые смеси, как объяснено ниже. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает формирование второй подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части первого пермеата и формирование третьей подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части второго ретентата. Настоящее изобретение включает обработку второго пермеата, по меньшей мере частично, посредством адсорбции при переменном давлении с получением чистого гелия и оставшейся смеси. Соответствующая оставшаяся смесь также называется «остаточным газом». Он, в частности, содержит компоненты, адсорбированные во время адсорбции при переменном давлении в ходе шага адсорбции, а также часть компонентов в промежутках адсорбента, которые не адсорбировались в конце шага адсорбции. Он также содержит неадсорбированный гелий.
[0018] Существенным аспектом настоящего изобретения является направление по меньшей мере части третьего пермеата и/или по меньшей мере части третьего ретентата обратно в способ. В отличие от способа, описанного в публикации Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, упомянутой ранее, в котором весь ретентат направляют обратно ко второй стадии мембранного разделения, в данном случае можно добиться оптимизации соответствующего материального состава подаваемых смесей на конкретных стадиях мембранного разделения и, таким образом, можно благоприятно повлиять на разделение в ходе этих стадий мембранного разделения. Подробности и конкретные преимущества будут объяснены ниже со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере часть оставшейся смеси используют для формирования второй подаваемой смеси и по меньшей мере часть третьего пермеата используют для формирования второй подаваемой смеси.
Оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, первый пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода. Или оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают отдельно от первого пермеата или его части, используемой при формировании второй подаваемой смеси, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода. Или третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и первый пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают отдельно от оставшейся смеси или ее части, используемой при формировании второй подаваемой смеси. Во всех трех случаях удаление диоксида углерода осуществляют с применением процесса адсорбции, при котором используют по меньшей мере один продувочный и вытесняющий газ и в качестве одного или более из продувочных и вытесняющих газов используют по меньшей мере одну часть второго или третьего ретентата.
Процесс адсорбции осуществляют с использованием по меньшей мере одного продувочного и вытесняющего газа. Соответствующий продувочный и вытесняющий газ можно использовать, в частности, для регенерации адсорбционных модулей или для выведения из них газов. Особенно полезно, чтобы один или более из продувочных и вытесняющих газов содержал по меньшей мере одну часть второго или третьего ретентата. Таким образом можно добиться особенно хорошего выхода гелия.
В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одну часть третьего ретентата используют для формирования первой подаваемой смеси, т.е. подают в исходную смесь или в часть исходной смеси, которую применяют для формирования первой подаваемой смеси. Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения можно либо повлиять на содержание гелия в первой подаваемой смеси, либо можно в целом увеличить по меньшей мере количество первой подаваемой смеси, используемой на первой стадии мембранного разделения. В первом случае можно повлиять на концентрацию гелия в первой подаваемой смеси, в частности, таким образом, что также можно повлиять на движущую силу на первой стадии мембранного разделения.
В частности, поскольку молекулы гелия, содержащиеся в подпотоке третьего ретентата, повторно проходят через соответствующую мембранную стадию, поверхность мембраны на третьей мембранной стадии можно уменьшить посредством соответствующей рециркуляции, поскольку в этом случае достаточно более низкого выхода гелия, и в то же время в результате этого увеличиваются концентрация в первой подаваемой смеси и, таким образом, движущая сила.
Увеличение выхода может происходить, в частности, когда первая стадия мембранного разделения функционирует в качестве так называемой стадии выхода. О стадии выхода говорят, когда путем выбора используемой поверхности мембраны стадию мембранного разделения оптимизируют так, чтобы как можно большая доля гелия, содержащаяся в соответствующей подаваемой смеси, проходила в пермеат и как можно меньшая доля оставалась в ретентате. Таким образом, цель стадии выхода состоит в том, чтобы передать наибольшую возможную долю гелия из соответствующей подаваемой смеси в соответствующий пермеат и потерять как можно меньше гелия в ретентате. Однако в этом случае, как правило, невозможно предотвратить попадание других компонентов, содержащихся в подаваемой смеси, и в пермеат, а также относительно низкую концентрацию гелия в пермеате стадии выхода, поскольку для наиболее полной передачи гелия в пермеат допустимой является значительная степень проникновения и в пермеат других компонентов.
Даже в последнем случае, в котором третий ретентат имеет, например, ту же или по существу ту же концентрацию гелия, что и исходная смесь или ее доля, используемая при формировании первой подаваемой смеси, общий выход гелия в ходе этого процесса в целом можно увеличить. Причина будет описана ниже.
В результате рециркуляции по меньшей мере части третьего ретентата и использования его при формировании первой подаваемой смеси можно получить полезный эффект, даже если результатом этого является низкая (сниженная) или по меньшей мере не повышенная концентрация гелия в компоненте для первого разделения на первой стадии мембранного разделения, функционирующей как стадия выхода. Это, в частности, обусловлено большой поверхностью мембраны, которая, что благоприятно, используется на данной стадии выхода, и относительным снижением количества пермеата относительно поверхности мембраны. Это уменьшает потерю давления на стороне пермеата при стадии выхода. Соответствующая потеря давления приводит к тому, что давление пермеата на сторону с низким давлением увеличивается в течение всей продолжительности соответствующей мембранной стадии. Следовательно, снижается градиент давления, и, таким образом, также снижается движущая сила. При уменьшении такой потери давления давление гелия в пермеате можно постоянно удерживать на низком уровне по всей длине мембраны, и таким образом, в свою очередь можно увеличить движущую силу для гелия между стороной мембраны с высоким давлением и стороной мембраны с низким давлением.
В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере одну часть оставшейся смеси используют для формирования второй подаваемой смеси. Эта процедура позволяет особенно эффективно функционировать второй стадии мембранного разделения, на которую дополнительно воздействует оставшаяся смесь, так как таким образом можно повлиять на повышение концентрации гелия. Это улучшает разделение на второй стадии мембранного разделения, которая предпочтительно не функционирует в качестве стадии выхода, но при которой необходимо достичь максимально возможного содержания гелия в пермеате, и, таким образом, она представляет собой стадию обогащения или стадию очистки.
При адсорбции при переменном давлении, которая может осуществляться в рамках настоящего изобретения с использованием одного или более этапов адсорбции при переменном давлении, чистый гелий в качестве продукта, с одной стороны, и оставшаяся смесь, совершенно без содержания гелия, с другой стороны, в принципе не могут формироваться одновременно. Однако оставшаяся смесь все же содержит значительное количество гелия. Концентрация гелия в оставшейся смеси, как правило, выше, чем в первом пермеате, который в ином случае по меньшей мере частично используют при формировании компонента для второго разделения.
Описанные выше стадии выхода предпочтительно функционируют таким образом, чтобы по меньшей мере 80% гелия в соответствующей подаваемой смеси проходило в пермеат. Кроме того, в пермеат в каждом случае могут передаваться более значительные доли гелия, содержащегося в подаваемой смеси, например, по меньшей мере 90%, 95% или 99%. Таким образом, ретентат, образующийся в каждом случае, является бедным или по существу не содержащим гелия и, следовательно, не нуждается в подаче на дальнейшую обработку для извлечения содержащегося в нем гелия. Объемы, подвергающие дополнительной циркуляции, увеличивают желаемый выход всей системы и, таким образом, выход для стадии выхода. Кроме того, в результате увеличения доли циркулирующего объема потребность в энергии увеличивается.
Благоприятным является то, что второй пермеат, который по меньшей мере частично проходит через адсорбцию при переменном давлении для получения чистого гелия и оставшейся смеси, имеет содержание гелия от 20 до 80 моль%, в частности от 35 до 65 моль%. Таким образом, адсорбция при переменном давлении может осуществляться особенно эффективно и обеспечивать особенно высокие значения чистоты гелиевого продукта.
Для достижения конкретных преимуществ настоящего изобретения оставшаяся смесь после адсорбции при переменном давлении, что благоприятно, имеет содержание гелия от 10 до 70 моль %, в частности от 20 до 50 моль %.
В соответствии с настоящим изобретением оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, первый пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают. Затем происходит подача на вторую стадию мембранного разделения в виде или в составе второй подаваемой смеси. Таким образом, описанные газовые смеси можно с помощью всего одного компрессора довести до давления, необходимого для подачи на вторую стадию мембранного разделения.
В описанном случае благоприятным является то, что сжатие второго пермеата и удаление водорода выполняют выше по потоку от способа адсорбции при переменном давлении. Однако в принципе также возможно сначала удалить водород, затем провести адсорбцию при переменном давлении, а затем сжатие, как описано, в частности, со ссылкой на варианты осуществления, показанные на графических материалах.
В рамках настоящего изобретения оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, первый пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода, что является преимуществом. Соответствующие газовые смеси содержат диоксид углерода, в частности, когда первая стадия мембранного разделения функционирует как описанная стадия выхода. В частности, в этом случае, в дополнение к гелию, в пермеат могут проникать заметные количества диоксида углерода. Удаление диоксида углерода в рамках объема настоящего изобретения может быть реализовано, в частности, в виде адсорбции при переменном давлении, адсорбции с изменением температуры или мембранным способом, которые известны из предшествующего уровня техники.
В соответствии с настоящим изобретением оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, можно объединить и сжать совместно с первым пермеатом или его частью, используемой при формировании второй подаваемой смеси. Таким образом, возможна специфическая подстройка давления, причем в каждом случае могут быть реализованы различные повышения давления.
В только что описанном варианте осуществления настоящего изобретения оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода, что является преимуществом. Иными словами, в данном случае удаление диоксида углерода выполняют выше по потоку от второй стадии мембранного разделения в рециркулируемых частях. Удаление диоксида углерода на данном этапе значительно ограничивает обогащение в образовавшемся контуре. Таким образом, перед второй стадией мембранного разделения присутствует только диоксид углерода из исходной смеси, и смесь проходит в первый пермеат и подается на вторую стадию мембранного разделения в виде компонента для второго разделения. Хотя содержание диоксида углерода может увеличиваться в результате первой стадии мембранного разделения, содержание диоксида углерода не увеличивается за счет дополнительного диоксида углерода из рециркулирующей оставшейся смеси или третьего пермеата или соответствующих частей. Поток, подлежащий обработке во время удаления диоксида углерода в системе рециркуляции, также меньше и сильнее обогащен диоксидом углерода, что потенциально может сделать удаление диоксида углерода более удобным. Возможно также выполнение этой операции необязательно при более благоприятном промежуточном уровне давления. В этом случае следует сопоставить друг с другом преимущества и недостатки в сравнении с вариантом осуществления, представленным ниже.
Настоящее изобретение, что благоприятно, включает объединение третьего пермеата или его части, используемой при формировании второй подаваемой смеси, и первого пермеата или его части, применяемой при формировании второй подаваемой смеси, и совместное их сжатие, отдельно от остальной смеси или ее части, применяемой при формировании второй подаваемой смеси. В рамках настоящего изобретения, в частности, возможно сжатие от низкого давления до среднего давления, а затем до высокого давления, как описано ниже, между второй и третьей стадиями мембранного разделения. При этом, в частности, ретентат третьей стадии мембранного разделения, что благоприятно, возвращается назад к точке перед первой стадией мембранного разделения. В этом случае ретентат третьей стадии мембранного разделения имеет концентрацию гелия, очень сходную с концентрацией в компоненте для первого разделения, или в части исходной смеси, применяемой для формирования этого компонента для первого разделения.
В настоящем изобретении третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и первый пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода, что является преимуществом. Таким образом, можно удалить весь диоксид углерода, т.е. также из подаваемой смеси или первого пермеата.
Как уже отмечалось, второй пермеат или его часть, обработанные адсорбцией при переменном давлении, можно подвергать по меньшей мере частичному удалению водорода. Таким образом, можно предотвратить попадание избыточного количества водорода в чистый гелий и/или его накопление в сформированных контурах в способе. Соответствующее удаление водорода можно, в частности, проводить каталитически, причем водород вступает в реакцию с кислородом с образованием воды. Образованную воду можно легко удалить из способа.
Как уже описано, способ в соответствии с изобретением можно в принципе реализовать с использованием различных уровней давления. Таким образом, первую стадию мембранного разделения можно выполнять при уровне давления от 10 до 120 бар, вторую стадию мембранного разделения при уровне давления от 10 до 120 бар и третью стадию мембранного разделения при уровне давления от 10 до 120 бар. В альтернативном варианте осуществления первую стадию мембранного разделения можно выполнять при уровне давления от 30 до 100 бар, вторую стадию мембранного разделения при уровне давления от 30 до 100 бар и третью стадию мембранного разделения при уровне давления от 30 до 100 бар. Первый вариант будет объяснен ниже, в частности со ссылкой на Фиг. 1 и 2, а второй вариант - со ссылкой на Фиг. 3.
Уровни давления от первой до третьей стадии мембранного разделения могут, в частности, быть одинаковыми. Однако при необходимости также можно применять различные уровни давления. В частности, первая и третья стадии мембранного разделения, что благоприятно, могут выполняться с одним и тем же уровнем давления. Причина заключается в рециркуляции третьего ретентата на первой стадии мембранного разделения. Хотя можно было бы осуществлять третью стадию мембранного разделения при более низком или более высоком уровне давления по сравнению с первой стадией, в первом случае тем не менее сжатию подвергался бы столь же большой массовый поток, что не позволило бы по меньшей мере сэкономить поверхность мембраны на третьей стадии мембранного разделения, тогда как во втором случае ранее использованная на сжатие энергия была бы снова потеряна, по меньшей мере частично, при возврате давления к уровню подачи. Вторая стадия мембранного разделения может осуществляться при отклоняющемся уровне давления. При идентичных уровнях давления способ изобретения может осуществляться с помощью только одного компрессора в канале высокого давления.
Настоящее изобретение также относится к системе извлечения чистого гелия, имеющей первую стадию мембранного разделения, вторую стадию мембранного разделения и третью стадию мембранного разделения, причем предложены средства, выполненные с возможностью подачи первой гелийсодержащей подаваемой смеси на первую стадию мембранного разделения, второй гелийсодержащей подаваемой смеси на вторую стадию мембранного разделения и третьей гелийсодержащей подаваемой смеси на третью стадию мембранного разделения. Первая стадия мембранного разделения выполнена с возможностью формирования первого пермеата и первого ретентата. Вторая стадия мембранного разделения выполнена с возможностью формирования второго пермеата и второго ретентата. Третья стадия мембранного разделения выполнена с возможностью формирования третьего пермеата и третьего ретентата. Система в соответствии с изобретением характеризуется средствами, выполненными с возможностью формирования первой подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части гелийсодержащей исходной смеси, формирования второй подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части первого пермеата, формирования третьей подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части второго ретентата, по меньшей мере частичной обработки второго пермеата для получения чистого гелия и оставшейся смеси путем адсорбции при переменном давлении и направления по меньшей мере одной части третьего пермеата и/или по меньшей мере одной части третьего ретентата обратно в способ.
В отношении признаков и преимуществ соответствующей системы, которая, что благоприятно, содержит средства, позволяющие осуществлять способ в описанных выше вариантах осуществления, явным образом предлагается обратиться к приведенным выше пояснениям.
Ниже более подробно описаны варианты осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые графические материалы. Краткое описание графических материалов
На Фиг. 1 представлен способ в соответствии с вариантом осуществления изобретения в виде принципиальной схемы.
На Фиг. 2 представлен способ в соответствии с вариантом осуществления изобретения в виде принципиальной схемы.
На Фиг. 3 представлен способ в соответствии с вариантом осуществления изобретения в виде принципиальной схемы.
Подробное описание графических материалов
На фигурах элементы, функционально или структурно соответствующие друг другу, обозначены ссылочными позициями, соответствующими друг другу, и для ясности не объясняются повторно. Приведенные ниже пояснения таким же образом относятся к способам и соответствующим системам. Следует понимать, что соответствующие системы или способы на практике могут также содержать необязательные или обязательные дополнительные компоненты или этапы способа. Они не показаны на приведенных ниже фигурах только для ясности.
На Фиг. 1 представлен способ в соответствии с вариантом осуществления изобретения в виде принципиальной схемы, и он в целом имеет обозначение 200. Основой способа является, в частности, первая стадия 1 мембранного разделения вторая стадия 2 мембранного разделения и третья стадия 3 мембранного разделения.
В способе 200 обеспечивают исходную смесь А того типа, который был описан ранее, и необязательно приготовленную в ходе любых желаемых этапов приготовления (не показаны). Исходную смесь А объединяют с потоком М (см. ниже) и подают на необязательное нагревание 4. Таким образом, с помощью исходной смеси А или ее части формируют первую подаваемую смесь В, которую подают на первую стадию 1 мембранного разделения.
На первой стадии 1 мембранного разделения формируют первый пермеат С и первый ретентат D. С использованием первого пермеата или его части формируют вторую подаваемую смесь Е путем сжатия 5 и подают на вторую стадию мембранного разделения 2.
На второй стадии 2 мембранного разделения формируют второй пермеат F и второй ретентат G. В показанном примере второй пермеат F после сжатия 6 и удаления 7 водорода по меньшей мере частично подвергается адсорбции 8 при переменном давлении. При этом получают чистый гелий Н в качестве продукта и оставшуюся смесь I.
В то же время ретентат G второй стадии 2 мембранного разделения подают на третью стадию 3 мембранного разделения, т.е. формируют третью подаваемую смесь K с использованием по меньшей мере одной части второго ретентата G. На третьей стадии 3 мембранного разделения формируют третий пермеат L и третий ретентат М.
В показанном примере оставшуюся смесь I и третий пермеат L объединяют друг с другом и с первым пермеатом С и подвергают сжатию 5. Таким образом, вторую подаваемую смесь Е формируют с использованием оставшейся смеси I, третьего пермеата L и первого пермеата С.
Кроме того, в показанном варианте осуществления третий ретентат М используется для формирования первой подаваемой смеси В и, в частности, в качестве ее части подвергается необязательному нагреванию 4. В частности, при необходимости может происходить соответствующее сжатие 9, что также приводит к нагреванию.
Кроме того, показано удаление 10 диоксида углерода. В процессе удаления 10 диоксида углерода можно использовать продувочный и вытесняющий газ М, который формируют с использованием по меньшей мере одной части второго и/или третьего ретентатов G и М соответственно.
На Фиг. 2 представлен способ еще одного варианта осуществления настоящего изобретения в виде принципиальной схемы, и он в целом имеет обозначение 300. Способ 300 в соответствии с Фиг. 2 отличается от способа 200 в соответствии с Фиг. 1, в частности, местом удаления 10 диоксида углерода. В то время как в способе 200 в соответствии с Фиг. 1 удаление 10 диоксида углерода происходит выше по потоку от второй стадии 2 мембранного разделения, и, таким образом, обработке подвергаются описанные первый и третий пермеаты С и L вместе с оставшейся смесью I, в способе 300, показанном на Фиг. 2, удаление 10 диоксида углерода происходит только из оставшейся смеси I и третьего пермеата L, которые подаются отдельно от второго пермеата С на удаление 10 диоксида углерода и отдельно подвергаются сжатию 11. Таким образом, сжатие 5 не является обязательным. Однако также необязательно может происходить подача на промежуточную компрессорную стадию, применяемую для сжатия 5.
На Фиг. 3 представлен способ в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения в виде принципиальной схемы, и он в целом имеет обозначение 400. Способ 400 в соответствии с Фиг. 3 представляет собой вариант способов 200 или 300. Удаление 10 диоксида углерода в данном случае происходит из оставшейся смеси I после адсорбции 8 при переменном давлении. Для этой цели используют соответствующее отдельное сжатие 12.
Следует понимать, что варианты способа, показанные на ранее описанных фигурах, можно также использовать в комбинации и независимо друг от друга, при условии, что не происходит отклонений от объема настоящего изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения.
1. Способ (200) извлечения чистого гелия с помощью первой стадии (1) мембранного разделения, второй стадии (2) мембранного разделения и третьей стадии (3) мембранного разделения, причем первую гелийсодержащую подаваемую смесь подают на первую стадию (1) мембранного разделения, вторую гелийсодержащую подаваемую смесь подают на вторую стадию (2) мембранного разделения, а третью гелийсодержащую подаваемую смесь подают на третью стадию (3) мембранного разделения, и при этом на первой стадии (1) мембранного разделения образуются первый пермеат и первый ретентат, на второй стадии (2) мембранного разделения образуются второй пермеат и второй ретентат, а на третьей стадии (3) мембранного разделения образуются третий пермеат и третий ретентат, причем первую подаваемую смесь формируют с использованием по меньшей мере одной части гелийсодержащей исходной смеси, вторую подаваемую смесь формируют с использованием по меньшей мере одной части первого пермеата, третью подаваемую смесь формируют с использованием по меньшей мере одной части второго ретентата, второй пермеат по меньшей мере частично обрабатывают путем адсорбции при переменном давлении с получением чистого гелия и оставшейся смеси, а по меньшей мере одну часть третьего пермеата и/или по меньшей мере одну часть третьего ретентата направляют обратно в способ, и по меньшей мере одну часть третьего ретентата используют для формирования первой подаваемой смеси, причем по меньшей мере одну часть оставшейся смеси используют при формировании второй подаваемой смеси, а по меньшей мере одну часть третьего пермеата используют при формировании второй подаваемой смеси,
- причем оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, первый пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода,
или
- причем оставшуюся смесь или ее часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают отдельно от первого пермеата или его части, используемой при формировании второй подаваемой смеси, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода,
или
- причем третий пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, и первый пермеат или его часть, используемую при формировании второй подаваемой смеси, объединяют и совместно сжимают отдельно от оставшейся смеси или ее части, используемой при формировании второй подаваемой смеси, а после объединения и совместного сжатия удаляют диоксид углерода,
отличающийся тем, что удаление диоксида углерода осуществляют с применением процесса адсорбции, в котором используют по меньшей мере один продувочный и вытесняющий газ, причем в качестве одного или более из продувочных и вытесняющих газов используют по меньшей мере одну часть второго или третьего ретентата.
2. Способ (200) по п. 1, в котором из второго пермеата или его части, обработанной адсорбцией при переменном давлении, удаляют водород.
3. Способ (200) по одному из предшествующих пунктов, в котором либо первую стадию (1) мембранного разделения осуществляют при уровне давления от 10 до 120 бар, вторую стадию (2) мембранного разделения осуществляют при уровне давления от 10 до 120 бар, и третью стадию (3) мембранного разделения осуществляют при уровне давления от 10 до 120 бар, либо первую стадию (1) мембранного разделения осуществляют при уровне давления от 30 до 100 бар, вторую стадию (2) мембранного разделения осуществляют при уровне давления от 30 до 100 бар, и третью стадию (3) мембранного разделения осуществляют при уровне давления от 30 до 100 бар.
4. Система (200) для извлечения чистого гелия, имеющая первую стадию (1) мембранного разделения, вторую стадию (2) мембранного разделения и третью стадию (3) мембранного разделения, где предусмотрены средства, выполненные с возможностью подачи первой гелийсодержащей подаваемой смеси на первую стадию (1) мембранного разделения, второй гелийсодержащей подаваемой смеси на вторую стадию (2) мембранного разделения и третьей гелийсодержащей подаваемой смеси на третью стадию (3) мембранного разделения, при этом первая стадия (1) мембранного разделения выполнена с возможностью формирования первого пермеата и первого ретентата, при этом вторая стадия (2) мембранного разделения выполнена с возможностью формирования второго пермеата и второго ретентата, и при этом третья стадия (3) мембранного разделения выполнена с возможностью формирования третьего пермеата и третьего ретентата, причем предусмотрено средство, выполненное с возможностью формирования первой подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части гелийсодержащей исходной смеси, формирования второй подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части первого пермеата, формирования третьей подаваемой смеси с использованием по меньшей мере одной части второго ретентата, обработки второго пермеата по меньшей мере частично с получением чистого гелия и оставшейся смеси с помощью адсорбции при переменном давлении и направления по меньшей мере одной части третьего пермеата и/или по меньшей мере одной части третьего ретентата обратно в способ (200), при этом система выполнена с возможностью направления по меньшей мере одной части третьего ретентата для формирования первой подаваемой смеси и с возможностью направления по меньшей мере одной части оставшейся смеси и по меньшей мере одной части третьего пермеата обратно в первый пермеат, объединения оставшейся смеси и третьего пермеата с первым пермеатом и удаления диоксида углерода после объединения, где удаление диоксида углерода представляет собой адсорбционный процесс, и система выполнена с возможностью ввода по меньшей мере одной части второго или третьего ретентата в качестве по меньшей мере одного продувочного и вытесняющего газа в адсорбционном процессе.
