2.6 Извлечение гелия из очищенного газа

Гелий – редкий и удивительный по своим свойствам газ, открытый впервые спектрально на Солнце (в 1868 г. Жансеном и Локьером), а затем на Земле (в 1895 г. Рамзаем). Он определяет развитие самых современных технологий в различных отраслях науки и техники. В нормальных условиях гелий – один из легких (после водорода) инертных газов плотностью 0,1609 кг/м³. Основное количество гелия получают сейчас из природных газов, и при мировых запасах последних порядка 180-200 трлн. м³ запасы гелия в них составляют 56-60 млрд. м³.

Наиболее богатыми запасами гелийсодержащих природных газов располагают США, Россия, Алжир, Канада, Польша и Голландия. В России это Оренбургское и Астраханское месторождения, а также Башкортостан, Иркутская область, Якутия и Красноярский край.

Концентрация гелия в природных газах невелика и колеблется от 0,001 до 3,0% об.

Чистый гелий получают из очищенного от примесей и глубоко осушенного природного газа обычно в три стадии – выделяют гелиевый концентрат, содержащий до 80-90% гелия, концентрируют его до 99,98% и затем ожижают для удобства транспортирования и хранения [2].

Получение гелиевого концентрата возможно четырьмя способами – криогенным, абсорбционным, путем гидратообразования и диффузией через пористые мембраны. Из этих способов только первый получил массовое промышленное применение, а остальные по ряду причин не вышли за рамки опытно-промышленных или исследовательских работ.

Криогенный способ основан на охлаждении газа до температуры конденсации азота, при которой конденсируется и метан, а гелий остается в газовой фазе в виде концентрата.

Глубокую очистку гелиевого концентрата ведут с использованием более глубокого охлаждения, чем при его получении. Она сопровождается удалением из концентрата примесей водорода, азота, метана и др. Такое обогащение включает, по крайней мере, четыре ступени:

- очистку концентрата от примеси водорода каталитическим гидрированием на специальном катализаторе;

- глубокую осушку от влаги, образующейся при гидрировании водорода, адсорбцией на оксиде алюминия;

- сжатие до 15-20 МПа и охлаждение до минус 207 °С гелиевого концентрата с последующим дросселированием его и сепарацией фаз в 1 или 2 ступени (газовая фаза после такой сепарации содержит 99,5% гелия);

- адсорбционную доочистку такого концентрированного гелия активным углем, охлаждаемым жидким азотом, и получение гелия концентрацией 99,98%.

Для перевода газообразного гелия указанной чистоты в жидкое состояние газ охлаждают вначале жидким азотом, потом направляют в турбодетандер, а затем в парожидкостный турбодетандер (или дросселируют). В результате этих процессов часть гелия переходит в жидкую фазу, которую затем доочищают (от примесей воздуха и неона) в адсорберах, размещенных непосредственно в агрегатах охлаждения. Полученный жидкий гелий заливают в сосуды Дьюара различной вместимости и транспортируют до мест потребления. Для хранения жидкого гелия используют криогенные хранилища.

Крупнейшее в Европе производство гелия создано в Оренбурге на комбинированной установке по очистке газа и получению гелия, этана и более тяжелых углеводородов (годовая мощность по выработке гелия составляет 9000 тыс. м³) [4].