КРИОГЕННЫЙ МЕТОД ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

CRYOGENIC METHOD OF EXTRACTING HELIUM FROM NATURAL GAS

Nurlan Amiraslanli

Oil and Gas Production Operator at SOCAR, PhD Student, Azerbaijan State Oil and Industry University,

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

Цель исследования заключается в том, чтобы проанализировать принцип и технологические особенности криогенного метода извлечения гелия из природного газа, а также оценить его эффективность и возможности дальнейшего совершенствования. В работе рассмотрен процесс последовательной низкотемпературной конденсации углеводородных фракций с последующим выделением и обогащением гелия. Подробно описаны стадии получения гелиевого концентрата, включая использование рекуперативных теплообменников, холодильных циклов на основе аммиака и азота, а также ректификационных колонн. Установлено, что выделение гелия осуществляется в два основных этапа: получение концентрата с содержанием 70–90 % и его последующая очистка до уровня 99,8 % и выше. Показано, что применение дополнительных источников холода и схем рекуперации способствует повышению энергетической эффективности и улучшению качества конечного продукта. Сделан вывод о том, что криогенный метод остаётся наиболее надёжным и масштабируемым способом выделения гелия из природного газа, обеспечивая промышленный уровень чистоты при высокой производительности.

ABSTRACT

The purpose of this study is to analyse the principles and technological features of the cryogenic method for extracting helium from natural gas, as well as to assess its efficiency and potential for further improvement. The paper examines the process of sequential low-temperature condensation of hydrocarbon fractions, followed by the extraction and enrichment of helium. The stages of obtaining helium concentrate are described in detail, including the use of recuperative heat exchangers, refrigeration cycles based on ammonia and nitrogen, and rectification columns. It has been established that helium separation is carried out in two main stages: obtaining a concentrate with a helium content of 70–90% and its subsequent purification to a level of 99.8% or higher. It is shown that the use of additional sources of cooling and heat recovery schemes contributes to improving energy efficiency and the quality of the final product. The study concludes that the cryogenic method remains the most reliable and scalable approach for helium extraction from natural gas, providing industrial-grade purity at high productivity.

Ключевые слова: гелий, природный газ, криогенный метод.

Keywords: helium, natural gas, cryogenic method.

Криогенный метод извлечения гелия из природного газа в настоящее время является наиболее широко применяемой технологией. Основной принцип этого метода заключается в последовательной конденсации углеводородных фракций — основных компонентов природного газа — при понижении температуры [1]. В ходе данного процесса природный газ поэтапно разделяется на составляющие компоненты, а гелий постепенно обогащается.

Разделение гелия осуществляется в два основных этапа. На первом этапе в криогенных установках за счёт конденсации при низких температурах получают гелиевый концентрат. Содержание гелия в таком концентрате уже составляет 70–90 % по объёму. На втором этапе гелиевый концентрат очищается от примесей — метана, азота, водорода, неона и аргона. В результате процесса очистки содержание гелия достигает 99,8 % и выше. На данной стадии для разделения газовых смесей применяются различные технологии — химические, абсорбционные, мембранные, каталитические и другие методы, а также их комбинации [2].

В процессе низкотемпературной конденсации природного газа, содержащего гелий, на начальном этапе осуществляется предварительное охлаждение газа. В зависимости от технологических параметров может применяться одна или несколько стадий конденсации. Для обеспечения охлаждения возможно использование дополнительных источников холода — холодильных циклов на основе пропана или аммиака. Такой подход повышает эффективность процесса и позволяет получать гелий с более высокой степенью чистоты [3].

По более простой схеме (рисунок 1) природный газ при давлении 2,0 МПа сначала охлаждается в рекуперативных теплообменниках до –28°C. Затем газ подвергается дополнительному охлаждению с использованием аммиачного холодильного цикла до –45°C. После этого давление газа дросселируется (снижается) до 1,2 МПа, при этом газ дополнительно охлаждается. В результате охлаждённый поток поступает в ректификационную колонну.

В данной колонне из газовой смеси в основном отделяется метан и небольшое количество азота. Из верхней части колонны выходит газ, содержащий около 3% гелия по объёму. Этот газ направляется на последующие стадии для дальнейшего обогащения гелием.           

Рисунок 1. Принципиальная схема получения гелиевого концентрата

На этом этапе осуществляется дополнительное обогащение гелия, получаемого из природного газа. Так, газ из верхней части предыдущей колонны, содержащий примерно 3% гелия, поступает в следующую ректификационную колонну, где подвергается дополнительной конденсации. Данный процесс конденсации осуществляется с использованием азота, имеющего температуру кипения при давлении 0,4 МПа.

Из верхней части новой колонны уже получается гелиевый концентрат. Содержание гелия в данном продукте составляет 80–90 % по объёму. Охлаждение верхней части первой колонны обеспечивается жидкостью, собранной в её нижней части. Эта жидкость предварительно дросселируется до давления 0,15 МПа и затем используется для охлаждения верхней зоны колонны.

Такое технологическое решение применяется для эффективного отделения гелия от природного газа и повышения его концентрации.

Список литературы:

1. Zhou, J., Ye, Z., Peng, J., Liu, C., Liang, G., Wang, T., & Wang, X. (2024). Optimization of the Helium Extraction Process from Natural Gas with Integrated Cryogenic–Membrane Separation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 63(44), 19218-19233.
2. Maqsood, K., Mullick, A., Ali, A., Kargupta, K., & Ganguly, S. (2014). Cryogenic carbon dioxide separation from natural gas: a review based on conventional and novel emerging technologies. Reviews in Chemical Engineering, 30(5), 453-477.
3. Rufford, T. E., Chan, K. I., Huang, S. H., & May, E. F. (2014). A review of conventional and emerging process technologies for the recovery of helium from natural gas. Adsorption Science & Technology, 32(1), 49-72.