Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
201
гелий, природные ресурсы которого здесь очень ограничены.
Для гелиевых заводов, сооруженных в последние годы, характерно отсутствие специальных систем очистки природного газа от С02, содержание которого в исходном газе достигает в отдельных случаях 0,2%. Выбором соответствующих параметров процесса удается избежать образования твердой углекислоты в низкотемпературных зонах, что значительно упрощает технологическую схему и увеличивает эффективность разделительных установок [79].
Рис. 3.30. Схема установки для очистки сырого гелия промывкой жидким пропаном.
Свифт и Курата [80] предложили оригинальную схему очистки сырого гелия промывкой жидким пропаном (рис. 3.30), в основе которой лежит аномальная растворимость гелия в этой жидкости. Сырой гелий, содержащий 70% Не и 30% N2, сжимается до давления 175 ат компрессором /, охлаждается в теплообменнике 2 и испарителе 3 холодильной установки до 0°С и поступает в промывную колонну 4, куда насосом 5 при температуре 0° С подается жидкий пропан в количестве 5, 6 моль на 1 моль сырого гелия. Газ, выходящий сверху, содержит 97,3% Не, около 2,7% С3Н8 и следы N2; он расширяется в детандере 6 до атмосферного давления, в результате чего охлаждается до —174°С и происходит конденсация пропана; пропан отделяется в сепараторе 7 и по линии 8 возвращается в цикл. Из сепаратора 7 по линии 9 отбирается продукционный чистый гелий, содержащий менее 0,002% N2. Жидкость из колонны. 4, в которой растворено 4,1% Не и 5,9% N2, охлажда-ется в испарителе 10 холодильной установки и расширяется че-
202
рез дроссельный вентиль в сборник 11 до давления 140 ат, при этом температура понижается до —50° С и происходит частичное испарение жидкости с образованием пара, содержащего около 70,5% Не и 28% N2 (остальное — пропан). Пар из сборника 11 через теплообменник 2 присоединяется к потоку поступающего сырого гелия. Жидкость из сборника 11, содержащая 93,5% С3Н8, около 1,5% Не и 5% N2, через дроссельный вен* тиль расширяется в сборник 12 до давления 4,8 ат, образовавшийся пар содержит около 23% Не, 69% М2 и 8% С3Н8; он выводится из установки. Жидкость из сборника 12, представляющая собой почти чистый пропан (примесь N2 менее 0,5%), переводится в отп арную колонну 13, где под давлением 4,8 ат отгоняется азот, а жидкий пропан, содержащий менее 0,0003% N2, по линии 14 возвращается в цикл. Степень извлечения гелия в виде чистого продукта достигает 87—90%.
Другие способы получения гелия. Для гелия характерна высокая проницаемость через различные перегородки; предпринимались попытки использовать это свойство для выделения гелия из газовых смесей и его очистки.
Мак-Эфи и Коман [81] исследовали диффузию гелия из смеси с 90% Н2 через стенки тонких капиллярных трубок из бороси-ликатного стекла диаметром 0,08 мм [82]. Газовая смесь под давлением вводилась в аппарат, содержавший пучок таких трубок; в результате однократной диффузии через стенки трубок получали чистый гелий, содержание водорода в котором не превышало 0,0009%. Так как все известные газы диффундируют хуже, чем водород, то принципиально возможно получение в одной ступени гелия высокой чистоты. Теоретические соображения о диффузии гелия через стекло высказаны Мак-Эфи [83].
Уилер и Стейнер [84] исследовали мембраны из органических материалов. Для выделения гелия из природного газа наиболее подходящими они считают мембраны из полистирола и этилцел-люлозы. Фактор разделения (отношение коэффициентов проницаемости) для мебран из полистирола оказался равным примерно 15 при 30° С для смесей Не—N0 и Не—СН4. Расчетным путем авторы показали, что при содержании в природном газе 1% Не и давлении 15 ат можно извлечь 90,5% Не в шестисту-пенчатой установке, получив продукт чистотой 99,4%.
Американская фирма «Линде» исследовала возможность из-, влечения гелия из природного газа диффузионным методом и пришла к заключению, что наиболее удачным материалом для мембран является определенная разновидность тефлона (фторопласта), а именно тефлон ГЕР [85, 86].
Аппаратура для диффузионного разделения газовых смесей должна удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать возможность применения очень тонких мембран при больших разностях давлений; заключать в единице объема большую поверхность диффузии; не создавать большого сопротивления двй-
203
жению поступающей на разделение смеси и продуктов разделения; для изготовления должны применяться недорогие конструкционные материалы; изготовление и сборка аппаратуры не должны отличаться сложностью.
Конструкция диффузионного элемента, отвечающего перечисленным требованиям, показана на рис. 3.31. Элеменг образован металлической сеткой, вдоль длинной оси которой с обеих сторон расположены узкие металлические полоски. Сетка заключена в конверт из фильтровальной бумаги, а последний — в конверт из пленки тефлона РЕР толщиной 0,025 мм или менее, кромки которой завариваются. Большое число таких элементов располагается параллельно в цилиндрическом сосуде высокого давления (рис. 3.32), куда направляется
Рис. 3.31. Устройство диффузионного элемента:
