Циклы сжижения гелия

Принципы компоновки аппаратуры и оборудования заводов сжижения природного газа очень просты, хотя обслуживание и проблемы их эксплуатации довольно сложны. Однако по мере накопления опыта эксплуатация заводов сжижения становится обычным делом. Основной способ сжижения — перекачка тепла до температурного уровня, с которого оно может быть сброшено в следующих друг за другом ступенях. На практике это воплощается в ряде холодильных циклов и в разумном выборе хладагента для каждого температурного уровня. Другой способ — расширение потока газа, в результате которого он сжижается, и использование теплообменника и компрессора для перекачки газа на более высокий температурный уровень. Охлаждение газа за счет расширения применяется для выделения из него гелия, водорода и неона, так как эти компоненты имеют очень низкие критические температуры. Для получения этих газов необходимо конечное расширение (дросселирование на заключительной стадии процесса разделения), позволяющее получить более низкий температурный уровень по сравнению с тем, который достигается при обычном дросселировании или компрессионном охлаждении. [c.196]

Позднее сжижению начали подвергать и другие, более легкие компоненты, включая метан или его смеси. Поэтому возникла необходимость конкретизировать термин сжиженные газы , включая в название компоненты, например сжиженный пропан , сжиженный метан , сжиженный природный газ и т.д. Сжиженный природный газ (СПГ) может содержать в своем составе компоненты от метана до бутана включительно, а иногда даже некоторое количество пентанов, но присутствие более тяжелых компонентов, а также сероводорода и Oj может вызывать серьезные проблемы в процессе сжижения, так как углеводороды Сз и выше способны затвердевать при температуре минус 160 °С. Поэтому обычно перед сжижением газ очищают от кислых компонентов и отбензинивают. Еще одной причиной увеличения производства сжиженных газов явилось развитие процесса извлечения гелия из природного газа, основанного на переводе всех компонентов природного газа, за исключением гелия, в жидкость. При производстве сжиженного природного газа используются циклы глубокого охлаждения. Способы получения глубокого холода были рассмотрены в гл. 6. [c.152]

Рис. 30. Процессы цикла сжижения гелия методом дросселирования

Циклы сжижения водорода и гелия. Специфика сжижения водорода и гелия заключается в том, что эти газы имеют очень низкие температуры конденсации (20,4 и 4,2 К) при атмосферном давлении и очень малую теплоту испарения. В связи с тем что у этих газов температура инверсии ниже температуры окружающей среды, применение предварительного охлаждения в таких установках является необходимым. [c.30]

ЦИКЛЫ СЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ [c.30]

Каскадный цикл сжижения. На рис. 120 показана схема стандартного каскадного цикла сжижения, который широко применяется для разделения газов. В этом цикле для получения необходимой температуры в первой ступени охлаждения и конденсации хладагента второй ступени (обычно этилена) применяется пропан или фреон. В свою очередь, с помощью этилена достигается температура второй ступени охлаждения и конденсируется хладагент третьей ступени (обычно метан). Метан применяется в качестве хладагента на третьей ступени охлаждения, а также для дополнительного охлаждения продукции перед поступлением ее в хранилища. По существу, каскадный цикл состоит из трех отдельных, но сблокированных последовательно холодильных систем. Они различаются между собой только применяемым хладагентом. Для сжижения гелия данная схема дополняется последующими ступенями с применением в качестве хладагентов азота, водорода и гелия. [c.198]

Современные установки для сжижения промышленных газов потребляют определенное количество энергии для осуществления циклов сжижения. Так, для получения 1 л сжиженного газа требуется (ориентировочно) затратить энергию (в МДж) метан (цикл с детандером и каскадный цикл соответственно) 1,13 и 1,07 водород (цикл с дросселированием) 8,28—9,36 гелий (цикл с детандером) 7,92—1,08 кислород и азот (цикл высокого давления с детандером) 3,42—4,43. При получении жидких водорода и гелия учитываются затраты энергии, связанные с Сжижением азота, необходимого для предварительного охлаждения водорода или гелия, равные 4,43 МДж/л жидкого азота [13, 16]. [c.23]

Разработаны циклы с пятью ступенями предварительного охлаждения, что позволяет приблизиться к идеальному циклу сжижения. В крупных ожижительных установках нашел применение цикл с четырьмя ступенями предварительного охлаждения жидкий азот, расширение сжатого гелия в двух детандерах и дросселирование. Увеличение числа детандеров улучшает характеристику цикла, но усложняет эксплуатацию. [c.33]

Разработан также цикл с последовательным расширением воздуха в двухступенчатом детандере. Такие циклы со ступенчатым расширением воздуха и использованием одного или нескольких детандеров иногда применяются в крупных установках для получения жидкого кислорода, а также в установках для сжижения гелия. [c.76]

В США с 1964 г. эксплуатируются установки по сжижению гелия производительностью 60, 100 и 120 л/ч, работающие по циклу с детандерами [55, 56]. Применение турбодетандеров в гелиевых циклах позволило получить ожижители производительностью до 700 л/ч [57]. [c.33]

Использование машины для расширения делает также возможным сжижение гелия без цикла предварительного охлаждения водорода, как это необходимо при использовании дроссель-эффекта. Необходимость во вспомогательном охлаждении полностью не исключается, поскольку в сжижителе, разработанном Капицей [121, 141], сжатый гелий перед входом в самый цикл гелия охлаждается жидким воздухом или азотом. Без этого было бы необходимо применять несколько детандеров. Капица разработал поршневой детандер очень остроумной [c.538]

Используя несколько детандеров на различных температурных уровнях, можно создать холодильный цикл ожижения газа, наиболее близко приближающийся к обратимому. На рис. 1-57 дана схема такого цикла с тремя детандерами и изображение цикла в координатах 8 — Т. Для рабочих газов, не очень сильно отступающих от идеальных, можно считать в первом приближении, что в каждый детандер должно поступать одинаковое количество газа. Число детандеров в каскаде зависит от степени сжатия газа. С увеличением сжатия число детандеров уменьшается. Возможен вариант цикла с каскадом детандеров, когда ожижаемая доля газа сжимается до более высокого давления рз, чем газ, расширяющийся в детандерах с давления рд (штриховая линия на рис. 1-57). Цикл с каскадом детандеров осуществлен пока при сжижении гелия. [c.58]

В США цикл с каскадным расширением газа в детандерах был осуществлен Коллинсом для сжижения гелия. [c.89]

Для сжижения гелия могут быть применены 1) цикл с дросселированием И предварительным охлаждением гелия жидким водородом п [c.188]

Каскадный метод сжижения газов позволяет достичь температуры 63 К (температура кипения жидкого азота в вакууме), в сочетании же с циклом дросселирования можно достичь температуры, близкой к температуре кипения гелия. Каскадный цикл является наиболее экономичным способом сжижения газов, однако отличается сложностью аппаратурного оформления. [c.23]

Рис. 219, Схема сжижения гелия последовательными каскадными циклами.

Каскадные установки при большом числе циклов дают возможное гь получения весьма низких температур, допускающих сжижение водорода и гелия. Так, в Лейденской лаборатории при четырех каскадах с применением в последнем цикле неона удавалось понизить температуру до [c.88]

В первом (от температуры Т о) цикле обычно рабочим телом служит аммиак или фреон. Во втором цикле сжижается этилен, конденсирующейся под давлением в аммиачном или фреоновом испарителе. Этилен испаряется при 173 К и сжижает сжатый метан, служащий криоагентом третьего цикла. Метан, испаряясь при 112 К, сжижает сжатый азот в четвертом цикле. Испарением азота под вакуумом удается понизить температуру до 63 К. Так как эта температура выше критической для водорода (33 К), то сжижение водорода простым продолжением каскадного цикла невозможно. Сжатый до давления 15 МПа водород охлаждается до 63 К испаряющимся азотом и обратным потоком водорода, после чего дросселируется с образованием парожидкостной смеси (пятый цикл). Температура 14 К (испарение водорода под вакуумом) выше критической температуры гелия (5 К), поэтому в шестом цикле сжатый до 4 МПа гелий первоначально охлаждается кипящим водородом, обратным потоком гелия, а затем дросселируется, в результате чего частично сжижается. Испаряя гелий под вакуумом, можно получить температуру до 0,5 К- [c.56]

При работе машины в рефрижераторном режиме (<3пр=0) эксергетический КПД машины (т. е. эффективность по отношению к циклу Карно) при 20 К составляет более 15%. При сжижении на такой машине водорода (с охлаждением от температуры окружающей среды 300 К) расходуется около 1,9 кВт-ч на 1 л жидкого водорода [297]. Разработан ожижитель гелия, в котором для промежуточного [c.65]

В конце 40-х годов состоялся ввод в эксплуатацию газопровода Саратов-Москва. В США был закуплен завод сжижения природного газа сжиженный природный газ предполагалось использовать для компенсирования неравномерности потребления газа в Москве. Природный газ, поступавший в Москву из месторождений Саратовской области, содержал около 0,05-0,07 % гелия. В процессе проектирования завода была разработана технологическая комбинированная схема процесса получения сжиженного газа с извлечением из него гелия. Предполагалось осуществить этот процесс на заводе. По ряду причин отпала необходимость в использовании сжиженного природного газа для покрытия неравномерности потребления его в Москве, и поэтому холодильная мощность каскадного холодильного цикла (аммиак - этилен) завода была использована для переработки всего природного газа, поступающего по газопроводу (с извлечением гелия). Производство на Московском нефтеперерабатывающем заводе было начато в 1956 г. В настоящее время подача газа доходит до 56 тыс.м /ч. Месторождения Саратовской области поставляют на завод сырье с содержанием гелия около 0,006 %. [c.14]

Выделение гелия из оренбургского газа производится на Оренбургском гелиевом заводе. На заводе осуществляется комбинированный процесс выделения гелия, этана и сжиженных газов по технологии, использующей процессы низкотемпературной конденсации, ректификации, дросселирования, детандирования и холодо-пропанового и азотного циклов. [c.49]

В США для удовлетворения возросших требований на жидкий неон организовано его получение на крупной воздухоразделительной установке, перерабатывающей около 31 ООО м ч воздуха [51 ]. На этой установке ежемесячно получают 224 ж неоно-гелиевой смеси (70 об. % неона и 30 об. % гелия), которая нагнетается мембранным компрессором в стальные баллоны под давлением 140 ат. Отсюда неоно-гелиевая смесь через рамповый редуктор направляется в установку для разделения и сжижения неона с помощью жидкого водорода. Смесь охлаждается в теплообменниках, подвергается очистке в адсорбере с углем при температуре жидкого азота, а также охлаждается в ванне жидкого азота, кипящего под вакуумом. Пройдя концевой теплообменник, неоно-гелиевая смесь поступает в вертикальный трубчатый конденсатор, охлаждаемый жидким водородом, который кипит под давлением около 3,1 ат при температуре примерно 25° К. В трубках происходит сжижение неона, а несконденсировавшийся газ содержит около 80 об. % гелия и 20 об. % неона потери последнего с этим потоком составляют 4—5%. Для получения жидкого водорода служит замкнутый холодильный цикл, в котором теплообменники для охлаждения водорода объединены с теплообменниками для неоно-гелиевой смеси. Водород сжимается до 140 ат в поршневом компрессоре, подвергается очистке и охлаждению в теплообменниках, а также в ванне жидкого азота, кипящего под вакуумом, [c.153]

Сырой гелий йод давлением 190 ат и при температуре окружающей среды поступает в теплообменник /, где охлаждается тремя обратными потоками продуктов разделения. В теплообменнике 2 температура сырого гелия снижается до —196° С с помощью кипящего азота, что сопровождается сжижением углеводородов и основной части азота несконденсировавшийся газ, который отделяется от конденсата в сепараторе 3, содержит 98,2% гелия, 1,8% азота, 0,01% водорода и следы неона ( 0,0006%). В конденсаторе 4 производится охлаждение этого газа до температуры —207° С, для чего используется азот, кипящий под абсолютным давлением 0,2 ат, которое поддерживается вакуум-насосом. В результате дополнительной конденсации азота содержание гелия в газе возрастает до 99,5%. Жидкий азот, отделенный в сепараторе 3 и конденсаторе 4, содержит около 3,7% гелия эта жидкость дросселируется до давления 3,5 ат в сепаратор 5, что сопровождается переходом в газовую фазу почти всего гелия, растворенного в жидком азоте. Образующийся при дросселировании газ содержит около 37% гелия и 63% азота он выводится через теплообменник 1 и смешивается с потоком сырого гелия, который засасывается компрессором перед дальнейшей переработкой. Таким способом потери гелия, растворяющегося в жидком азоте, сводятся к минимуму. Жидкий азот, содержащий примерно 0,1% гелия, из сепаратора 5 также направляется в теплообменник 1, где нагревается до нормальной температуры и частично используется для восполнения потерь азота в холодильном цикле. [c.170]

На рис. 10 приведена схема трехступенчатого цикла сжижения гелия с дросселированием [7]. Газообразный гелий сжимается в компрессоре, проходит теплообменник 1, ванну жидкого азота 2, теплообменник 3, ванну жидкого водорода 4, кипящего в вакууме, и, пройдя теплообменник 5, дросселируется в сборник. Неожи-женная часть гелия возвращается через теплообменники, отдавая свой холод основному потоку газа, в компрессор на линию всасывания. В компрессор добавляют также газообразный гелий в количестве, равном отводимой жидкости. Пары азота и водорода также охлаждают в теплообменниках, через которые проходит основной поток газа, и выводят из ожижителя. Жидкий азот и водород поступают в ожижитель из других установок. [c.32]

Схема трехступенчатого каскадного цикла сжижения гелия с двумя ваннами предварительного охлаждения и дросселированием сжатого газа приведена на рис. 29, а процессы цикла — на рис. 30. Пройдя последовательное охлаждение в теплообменнике АТ1, ванне жидкого азота АТ2 (температура кипения азота около 80 К), теплообменнике АТЗ, ванне жидкого водорода, кипящего при температуре 14. .. 20 К (в зависимости от давления), теплообменнике АТ5, гелий дросселируется в сборник АК, где частично сжижается. Сжиженный гелий в количестве X кг отводится, а оставшийся пар движется обратно через теплообменники, подогревается и возвра- [c.35]

Процесс сжижения гелия. Процесс в аппарате происходит следующим образом (рис. 3-13). Сначала при помощи электро.магнита 19 открывается водяной клапан 18 и тем снижается давление над поршнем, затем откидывается защелка 20, которая освобождает рычаг 21, который под действием пружины 22 приводит в действие шток 23, открывающий впускной клапан. Одновременно при помощи рычага 24 закрывается вьшускпон клапан. Сжатый гелий входит в цилиндр детандера и приводит в движение поршень. Впуск гелия прекращается на расстоянии 7 мм от мертвой точки, при этом кулачок 25 нажимает на ролик рычага 21, поднимает его и тем самым закрывает впускной клапан. Далее происходит адиабатическое расширение газа с отдачей работы водяной струе, протекающей через отверстие 9. Вода используется для охлаждения компрессора. В конце хода происходит включение тока, идущего в электромагнит, при помощи пружины 27 открывается выпускной клапан, защелка 20 откидывается назад и, наконец, закрывается водярой клапан 18. Тогда вода входигг по трубе 17, постепенно заполняет водяной цилиндр, заставляет его опускаться, и охлажденный гелий через трубку 11 уходит в теплообменник аппарата. Круговой цикл закончен. [c.195]

Не подлежит сомнению возможность химической переработки природных гелионосных газов с целью получения сажи, синтетического аммиака, метанола, фармацевтических препаратов, взрыв-, чатых веществ, для производства формальдегида и пр. Подобная химическая переработка природных гелионосных газов могла // бы в корне изменить экономику гелиевого производства. Больше того, мefaн может быть в ряде случаев использован не как химическое сырье, а как моторное топливо. Сжижение метана и азота, являющихся основными компонентами природных гелионосных газов, молшо осуществить таким образом, что в первом цикле сжижения будет выделяться практически чистый метан, вполне пригодный в качестве моторного топлива. Осуществление того или иного метода комплексного использования сырья позволило бы получать гелиевый концентрат в виде побочного продукта, а стоимость чистого гелия ограничивалась бы небольшими расходами по очистке концентрата. [c.109]

Если газ уже находится под достаточно большим давлением (SOTO ат и выше), то после охлаждения аммиаком в теплообменниках он подвергается дросселированию. Если же давление газа невелико, то его сжимают с помош,ью компрессоров, а затем уже после прохождения аммиачного теплообменника производят дросселирование. Холодный метановый газ, подвергшийся дросселированию, охлаждается еще больше, затем он подвергается дальнейшему охлаждению в этиленовом цикле и новому дросселированию. В результате всего процесса получается сжиженный природный газ. Такие газы, как азот, водород, а также гелий, неон и аргон при этом не сжижаются. [c.212]

В циклах КУ особенно важен способ отвода тегиоты от охлаждаемого тела, к-рое при охлаждении приобретает все т-ры от Го до Tj. Идеальным для данного случая является процесс 4 — 3 (рис. 2) или процесс 1 - 4 (рис. 5), т. е. непрерывный отвод тегиоты на каждом температурном уровне в интервале - Т . В реальных циклах осуществить такой отвод теплоты невозможно. Нек-рого прибгшжения к этому способу можно достигнуть применением ряда ступеней охлаждения на неск. промежуточных уровнях. Для охлаждения при Tj= 150-250 К обычно достаточно использовать цикл с одной ступенью, для сжижения воздуха, Oj или Nj (Г, = 70 -- 90 К) - с двумя ступенями, водорода = 20 К) -с двумя-тремя ступенями, гелия (Г = 4 - 5 К) - не менее чем с тремя ступенями. Температурные уровни Г (т= 1, 2, 3,...) каждой из п ступеней охлаждения в интервале Тд - Т, можно оценить по ф-ле [c.304]

При выборе способа очистки сырого гелия для данной установки метод отмывки с помощью жидкого метана сравнивался с системой очистки сырого гелия путем конденсации и низкотемпературной адсорбции. В результате сравнительного анализа предпочтение было отдано методу отмывки жидким метаном [124], так как оказалось, что в этом случае при 24-часовом цикле работы каждого адсорбера требуется около 1000 кг активированного угля против 2000 кг при втором методе очистки. Полученный в криогенном блоке чистый гелий далее направляется в гелиевый ожижитель (на рис. 53 не показан). Для ожижения гелия используется криогенный цикл с последовательным расширением гелия в двух турбодетандерах. Объемная производительность установки по гелию составляет около 500 м /ч. Другим видом продукции, получаемой на установке, является горючий газ, состоящий в основном из метана и имеющий удельную теплоту сгорания около 40000 кДж/м, который сжимается компрессором 2 до 3,6 МПа и подается в трубопровод. На установке используется несколько криогенных циклов, которые в принципе можно рассматривать как четырехступенчатый каскадный цикл. Пропан, конденсация которого на установке производится с помощью воды при температуре 303 К, частично используется для охлаждения природного газа после моноэтаноламиновой очистки в испарителе пропана и конденсации паров воды, где он кипит при Т=273 К, а другая его часть испаряется при более низком давлении при Т= 233 К, обеспечивая конденсацию этилена. В свою очередь, этилен, испаряясь, обеспечивает холод для вывода фракции бензина-сырца и охлаждение природного газа, при котором частично конденсируется метан. Последний подвергается дальнейшему охлаждению до 117 К и сдросселированный до р 0,15 МПа используется для сжижения азота, сжатого до 2,5 МПа. Азот сжимается в компрессоре 16, и после охлаждения в теплообменнике 15 и конденсации в аппарате 8 основной поток жидкого азота подается на верхнюю тарелку колонны 9. Другая часть жидкого азота (на рис. 53 не показано) поступает на охлаждение низкотемпературных адсорберов и в гелиевый сжи тель. Жидкий азот, испаряясь, обеспечивает необходимое охлаждение гелия в гелиевом цикле, охлаждение низкотемпературных адсорберов и природного газа в теплообменниках и понижение температуры промывочного метана. [c.159]

Для получения сжиженных газов (гелия, водорода и др.) применяются также холодильные машины, работающие по принципу низкотемпературного теплового насоса. В машине этого типа (рис. ХУП-21) в цилиндре / перемещается поршень-вытеснитель 2, длина которого составляет длины цилиндра. Противоположные концы цилиндра (полости Л и В) соединены через регенератор 3. Давление в обоих полостях цилиндра практически всегда одинаково, поэтому перемещение поршня-вытеснителя в цилиндре не связано с совершением работы естественно, что при этом и сам газ работы не совершает. Рабочий цикл состоит из следующих процессовг [c.718]

Каскадные установки при большом числе циклов дают возможность получения весьма низких температур, допускающих сжижение водорода и гелия. Так, в Лейденской лаборатории при четырех каскадах с применением в последнем цикле неона удавалось понизить температуру до —247° С, что позволило получать водород в жидком состоянии. Камер-линг-Оннес дополнил Лейденскую каокад ную установку пятым циклом с водородом, благодаря чему ему удалось ожижить гелий. [c.88]

Можно получить обогащенную неоном и гелием фракцию воздуха без применения жидкого водорода. Так, Рамзай и Траверс пропускали в 1900 г. в замкнутом цикле компримированный воздух через спираль Гампсона. В результате постепенного сжижения воздуха удавалось в несжиженной части воздуха получить значительное содержание неона и гелия. После очистки несконденсированной части воздуха от кислорода и азота был получен аргон с 10%-ным содержанием неона и гелия. Этот метод в свете современных потребностей в неоне и гелии имеет чисто историческое значение. [c.43]

Рассмотрим схему работы разделительной колонны основная часть метана и часть азота сжижается после дросселирования и стекает в куб первой разделительной колонны, а часть жидкости (в основном метановой) стекает тоже из змеевика куба второй разделительной колонны. Неслшженный газ попадает в трубчатый конденсатор А первой разделительной колонны, а в междутрубное пространство конденсатора А по трубке 16 подается кипящая под атмосферным давлением жидкость, чем создается требуемый температурный перепад для сжижения легко конденсируемых компонентов в трубках конденсатора. Сжиженная в трубках конденсатора часть газа стекает в куб первой колонны, а несжиженная часть по трубке //попадает в конденсатор Л второй разделительной колонны здесь происходит процесс дальнейшей конденсации азото-метановой смеси, что обусловлено тем обстоятельством, что в междутрубное пространство последующих конденсаторов подается жидкость, все более обогащенная азотом, а тем самым с более низкой температурой кипения. Из конденсатора В несжиженный газ с значительным содержанием гелия попадает в конденсатор С 3-й разделительной колонны — в междутрубное пространство этого конденсатора подается жидкий азот с специального азотного холодильного-цикла (см. ниже). В трубном пространстве конденсатора С создаются благоприятные условия для конденсации азота, ибо метан,, в основном, выделился в конденсаторах Л и Л. Газ, по выходе из конденсатора С, содержит 85—90% гелия, что явно недостаточно для пользования им. Для более полной очистки гелия от азота газ, по выходе из конденсатора С, проходит по трубе в конденсатор D, где он охлаждается жидким азотом, кипящим в междутрубном пространстве при пониженном давлении в 0,5—0,3 ата, что, естественно, понижает температуру и дает возможность по трубе 18 выводить гелий чистотой 97—98%. [c.126]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология