Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
/ — металлическая сетка; 2 — бумага; 3— тефлон типа РЕР.
Рис. 3.32. Конструкция диффузионного разделительного аппарата:
/ — диффузионные элементы; 2 — коллекторы; 3 — сосуд высокого давления.
сжатый природный газ; элементы стягиваются между собой анкерными болтами, соприкасаясь выступающими металлическими полосками, в которых имеются отверстия (см. рис. 3.31), образующие при совмещении каналы для движения продиф-фундировавшего газа к коллекторам. При такой конструкции элементы свободно выдерживают разность давлений по обе стороны пленки в 70 ат, а небольшое расстояние между элементами (около 1,5 мм) делает систему достаточно компактной. Так, при диаметре аппарата 500 мм и длине 12,2 м поверхность пленки, через которую происходит диффузия, достигает 1670 м2.
Описанные диффузионные элементы подвергались длительным испытаниям в условиях, близких к предполагаемым рабо-
204
чим: при разности давлений 63 ат и температуре 80°С. Диффундировало около 10% исходного газа, содержавшего 0,48% Не; в продиффундировавшем газе содержание гелия составляло 2,1—4,2%, причем степень извлечения гелия достигала 0,6. После шести месяцев непрерывной работы не замечено ухудшения разделительного действия диффузионного элемента.
Степень обогащения гелием продиффундировавшего газа зависит, в частности, от относительного его количества, которое изменялось в опытах от 0,2 до
Исходный газ
Переработанный газ
ЕЗЭ-
О-
Продукт
0—
19,5%; при этом содержание гелия в продукте уменьшалось с 7 до 1,8%.
При расчетной оценке эффективности промышленных установок для выделения гелия диффузионным методом предполагалось, что в природном газе содержится 0,45% Не, 17,06% N2, 76,43% СН4, 6,06% более тяжелых углеводородов. Давление газа в магистральном трубопроводе принималось равным 63 ат. Если диффундирует 5,3% природного газа, то степень извлечения гелия составляем 0,6, а в продукте содержится около 5% Не. Поэтому для получения кондиционного сырого гелия (60— 80% Не) необходима трехступенчатая установка (рис. 3.33). Расчетным анализом установ-пено, что оптимальная степень извлечения гелия лежит в пределах 0,6—0,7 для установок, перерабатывающих от 14 • 106 до 1,4 - 106лг3 газа в сутки соответственно; наиболее приемлема рабочая температура процесса диффузии 80° С и давление газа 70 ат при абсолютном противодавлении в диффузионных элементах 0,5 ат. Для установки, перерабатывающей 2,83 • 106 мъ в сутки природного газа указанного выше состава, требуемая поверхность пленки оценивается в 79 000 м2. Основные расходы (90—95%) на извлечение гелия таким способом должны быть связаны с амортизацией оборудования; доля энергозатрат незначительна.
Применение пленки тефлона РЕР в качестве диффузионной мембраны по оценке работы [86] намного выгоднее, чем использование стеклянных капиллярных трубок: стоимость установки с рассмотренными диффузионными элементами (см. рис. 3.31) должна быть в несколько раз меньше, чем в случае применения
Рис. 3.33. Трехступенчатая установка для получения сырого гелия диффузионным методом:
1 — первая ступень; 2 — вторая ступень; 3 — третья ступень; 4 — компрессоры.
205
капиллярных трубок. Однако в настоящее время диффузионные методы выделения гелия не могут конкурировать с традиционными способами глубокого охлаждения и поэтому на практике не осуществлены. В работе [87] описана схема, в которой диффузионный метод предлагается применить для предварительного обогащения природного газа гелием: при содержании 1,3% Не в исходном газе концентрация его в продиффундировавшем газе увеличивается до 26,7%, что резко уменьшает (в 17,5 раза) количество газа, подвергающегося дальнейшему обогащению гелием методом глубокого охлаждения. По оценкам работы [87] при переработке 11800 м3/ч природного газа поверхность диффузионных мембран (из тефлона) в двух ступенях обогащения составит примерно 28000 м2.
При рассмотрении способов извлечения неона из воздуха указывалось, что из неоно-гелиевой смеси можно получать гелий в процессе ее разделения. Однако вследствие малого содержания гелия в воздухе (0,000524%) даже на очень крупной воздухоразделительной установке можно получить лишь незначительное количество гелия. Так, например, на крупнейшей отечественной установке технологического кислорода типа КтК-35, производящей 34 000 ж3/ч кислорода и перерабатывающей 170 000 м3/ч воздуха, можно получить в течение суток лишь около 12 м3 чистого гелия (при степени извлечения 0,75). Таким образом, даже при современных масштабах производства кислорода атмосферный воздух не может рассматриваться как источник получения больших количеств гелия.
В работе [88] описана схема установки непрерывного действия для извлечения гелия и неона из воздуха адсорбционным методом. Разделению подвергается неоно-гелиевая фракция, отбираемая из воздухоразделительного аппарата под давлением 5,2—5,5 ат. По расчетной оценке, основанной на экспериментальных данных, степень извлечения гелия может быть доведена до 90%, а неона — до 80%.
Другим источником гелия являются некоторые минералы, в частности монацитовые пески, крупное месторождение которых имеется в Траванкоре (Индия): монациты этого месторождения содержат около 1 см3 гелия в 1 г руды [89]. Тэйлор [90] исследовал возможность получения гелия из монацитов. В поставленных им опытах монациты нагревались до 1000° С в закрытых сосудах, каждый из которых вмещал 34 кг минерала. Гелий выделялся вместе с С02, который затем поглощался раствором NaOH; остаточный газ содержал 96,6% Не. Дальнейшая очистка производилась при 600° С на металлическом магнии для удаления азота, а затем при 580° С — на металлическом кальции для удаления оставшихся примесей. Продукционный газ содержал свыше 99,5% Не. Из 1000 т монацитового песка можно получить около 80 м3 чистого гелия. Технического интереса такой способ получения гелия не представляет.
