способ переработки природного и попутного нефтяного газа

Формула изобретения

1. Способ переработки природного и попутного нефтяного газа, включающий создание потока осушенного и очищенного от сернистых соединений и двуокиси углерода сжатого сырьевого газа, его криогенную переработку с извлечением и отводом в виде продуктов метановой фракции и фракций тяжелых углеводородов, а также переработку с извлечением гелия и с получением потока гелиевого концентрата, отличающийся тем, что переработку с извлечением гелия производят до криогенной переработки путем мембранного газоразделения с подачей потока сжатого сырьевого газа на вход высокого давления в основной мембранный газоразделительный блок, где его пропускают в мембранном аппарате вдоль поверхности селективно проницаемой по гелию мембраны, поток газа, проникшего через мембрану, отводят из блока в виде потока гелиевого концентрата низкого давления, а на криогенную переработку подают отводимый из блока поток газа высокого давления, не проникшего через мембрану.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток гелиевого концентрата подвергают дополнительной самостоятельной криогенной переработке, при которой производят товарное обогащение гелия и извлечение углеводородных фракций.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток гелиевого концентрата подвергают дополнительному ступенчатому обогащению по гелию, для чего его компримируют и подают на вход высокого давления в один или последовательно в несколько дополнительных мембранных газоразделительных блоков, из которых отводят дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны, а в качестве потока гелиевого концентрата используют поток газа, проникшего через мембрану в последнем дополнительном мембранном газоразделительном блоке.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток газа, подаваемый на вход высокого давления в основной мембранный газоразделительный блок, делят на два или более потоков, которые пропускают вдоль поверхности мембран в параллельно соединенных мембранных аппаратах.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что поток газа, подаваемый на вход высокого давления в дополнительные мембранные газоразделительные блоки, делят на два или более потоков, которые пропускают вдоль поверхности мембран в параллельно соединенных мембранных аппаратах.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительное ступенчатое обогащение потока гелиевого концентрата осуществляют с организацией противоточных рециркуляционных течений, при которой дополнительный поток газа, не проникшего через мембраны, отводимый из, по крайней мере, одного дополнительного мембранного газоразделительного блока, подают на вход высокого давления предыдущего блока.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что отводимые из дополнительных мембранных газоразделительных блоков дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны, подают на криогенную переработку совместно с потоком, не проникшим через мембрану в основном газоразделительном блоке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам очистки и разделения гелийсодержащих топливных газов, включая природный и попутный нефтяной газы, с целью одновременного получения продуктов в виде гелиевого концентрата, товарной метановой фракции и фракций тяжелых углеводородов. Изобретение может быть использовано на газоперерабатывающих предприятиях, в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, а также на предприятиях, занимающихся промышленным производством гелия, сбором и хранением гелиевого концентрата.

Актуальность изобретения связана с тем, что промышленно добываемые и поставляемые потребителю природный и попутные нефтяные газы (топливные газы) являются многокомпонентными смесями углеводородов, причем практически каждый компонент смеси представляет значительную самостоятельную коммерческую ценность и может быть использован как сырье для химической промышленности. Основной компонент топливных газов - метан нуждается в очистке от тяжелых углеводородов, что повышает его коммерческую ценность. Кроме того, в топливных газах во многих случаях содержится гелий, который широко используется в промышленности и науке. Запасы гелия на Земле существенно ограничены. Сжигание топливных газов в энергетических циклах приводит к невосполнимой эмиссии гелия в атмосферу. По этим причинам топливные газы подвергаются переработке, при которой производится их конверсия или разделение на ценные компоненты.

На практике применяется ряд широко распространенных традиционных способов переработки природного и попутных нефтяных газов. Газы подвергаются первичной переработке, при которой производится их осушка и очистка от сернистых соединений и двуокиси углерода. Основными способами дальнейшей переработки являются следующие. Конверсионная переработка (см. например, патент РФ № 2442819 С1 от 05.07.2010. заявка на патент РФ № 2010127225 А от 05.07.2010), при которой осуществляют каталитическую конверсию в метан углеродсодержащих соединений. Электроразрядная переработка (см., например, патент РФ № 2417250 C1 от 12.08.2009), при которой топливные газы перерабатываются в жидкие углеводороды. Криогенная переработка (см., например, патент РФ № 2355959 С1 от 15.10.2007), при которой производятся жидкий очищенный метан и другие углеводородные компоненты. Перечисленные способы используются для различных целей. Их общим недостатком является то, что при их реализации из топливных газов не удается извлечь и сконцентрировать гелий.

Одним из наиболее близких по техническому решению и совокупности признаков и принятому за прототип является способ, включающий создание потока осушенного и очищенного от сернистых соединений и двуокиси углерода сжатого сырьевого газа, его криогенную переработку с извлечением и отводом в виде продуктов метановой фракции и фракций тяжелых углеводородов, а также криогенную переработку с извлечением гелия и с получением потока гелиевого концентрата (патент РФ на полезную модель № 71410 U1, приоритет от 20.08.2007). Способ основан на том, что все углеводородные компоненты и гелий имеют различные температуры кипения. При охлаждении в жидкое конденсированное состояние переходят сначала тяжелые углеводороды (при температурах от минус 5°C до минус 85°C), а затем и метан при температуре минус 162°C. При этом гелий остается в газообразном состоянии и его объемная концентрация повышается. Величина концентрации гелия зависит от количества метана, подвергнутого конденсации.

Способ, взятый за прототип, обладает следующими достоинствами и недостатками:

- способ позволяет одновременно производить очищенную товарную метановую фракцию как среднего, так и низкого давления, разделенные и очищенные фракции тяжелых углеводородов (этановую фракцию, широкие фракции легких углеводородов), а также гелиевый концентрат.

- Недостатком способа является то, что он является высокоэнергоемким. Производство гелиевого концентрата требует больших энергетических затрат, поскольку для обогащения гелия необходима конденсация значительного количества метана. Например, для увеличения концентрации гелия всего в два раза необходима конденсация примерно половины количества метана, содержащегося в топливном газе. Большие энергозатраты обуславливаются необходимостью проведения двух энергоемких фазовых переходов - сжижение газообразного метана и его последующее испарение для подачи потребителю.

- При производстве гелиевого концентрата реализация способа не позволяет достигать высоких степеней извлечения гелия из исходного топливного газа. Степень извлечения - это отношение содержания гелия в гелиевом концентрате к начальному его содержанию в топливном газе. Максимальная степень извлечения гелия достигаемая при его криогенном извлечении и концентрировании до товарного состояния (более 99% объемных гелия) не превышает 85%. Это связано с технологическими проблемами, а именно с тем, что при криогенной переработке всегда существует часть метановой фракции, которая не переходит в конденсированное состояние и отводится в виде потока среднего давления, который содержит гелий.

- Реализация способа требует больших капитальных затрат и использования сложного технологичесекого оборудования и процессов. При производстве гелиевого концентрата требуется криогенное оборудование для переконденсации больших потоков топливного газа.

Задачей предложенного способа является снижение себестоимости переработки природного и попутного нефтяного газа.

Технический результат, на который направлено изобретение, заключается в снижении энергозатрат на переработку природного и попутного нефтяного газа, в повышении степени извлечения гелия и в упрощении технологической схемы переработки.

Указанные задача и технический результат достигаются тем, что в заявленном способе переработки природного и попутного нефтяного газа создают поток осушенного и очищенного от сернистых соединений и двуокиси углерода сжатого сырьевого газа, проводят его криогенную переработку с извлечением и отводом в виде продуктов метановой фракции и фракций тяжелых углеводородов, а также проводят переработку с извлечением гелия и с получением потока гелиевого концентрата. Переработку с извлечением гелия производят до криогенной переработки путем мембранного газоразделения с подачей потока сжатого сырьевого газа на вход высокого давления в основной мембранный газоразделительный блок, где его пропускают в мембранном аппарате вдоль поверхности селективно проницаемой по гелию мембраны, поток газа, проникшего через мембрану, отводят из блока в виде потока гелиевого концентрата низкого давления, а на криогенную переработку подают отводимый из блока поток газа высокого давления, не проникшего через мембрану. При этом достигается существенное снижение энергозатрат за счет того, что извлечение гелия происходит при фактически температуре окружающей среды и низкотемпературное конденсирование больших количеств метана не требуется. Источником энергии для выделения гелия является только энергия сжатого сырьевого газа, подаваемого на переработку.

Вариантом реализации способа является то, что весь или часть производимого потока гелиевого концентрата подвергают дополнительной самостоятельной криогенной переработке, при которой производят товарное обогащение гелия и извлечение углеводородных фракций. Данный вариант может быть использован в тех случаях, когда целью переработки является производство высокообогащенного гелия для его поставки потребителю в виде газообразного гелия в баллонах или в жидком состоянии. Поскольку на дополнительную криогенную переработку подают поток гелиевого концентрата, величина которого много меньше величины исходного потока сырьевого газа, энергозатраты на производство высокообогащенного гелия малы по сравнению со способом-прототипом.

Вторым вариантом реализации способа является вариант, при котором весь или часть потока гелиевого концентрата подвергают дополнительному ступенчатому обогащению по гелию, для чего его компримируют и подают на вход высокого давления в один или последовательно в несколько дополнительных мембранных газоразделительных блоков, из которых отводят дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны, а в качестве потока гелиевого концентрата используют поток газа, проникшего через мембрану в последнем дополнительном мембранном газоразделительном блоке. Данный вариант целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется производство гелиевого концентрата с относительно высоким содержанием гелия, например, с целью его консервации в хранилищах с ограниченным объемом, а также для финишного товарного обогащения гелия, например, с помощью криогенной переработки.

Для переработки больших потоков природного и попутного нефтяного газа может быть использован вариант, при котором поток газа, подаваемого на вход высокого давления в основной мембранный газоразделительный блок, делят на два или более потоков, которые пропускают вдоль поверхности мембран в параллельно соединенных мембранных аппаратах.

Если при реализации способа используют дополнительное ступенчатое обогащение гелия в одном или нескольких дополнительных мембранных газоразделительных блоках, то поток газа, подаваемого на вход высокого давления в дополнительные мембранные газоразделительные блоки, также могут делить на два или более потоков, которые пропускают вдоль поверхности мембран в параллельно соединенных мембранных аппаратах.

Оба этих варианта позволяют перерабатывать большие газовые потоки с применением серийных мембранных аппаратов малой и средней производительности.

Для повышения содержания гелия в гелиевом концентрате дополнительное ступенчатое обогащение потока гелиевого концентрата может быть осуществлено с организацией противоточных рециркуляционных течений, при которой дополнительный поток газа, не проникшего через мембраны, отводимый из, по крайней мере, одного дополнительного мембранного газоразделительного блока, подают на вход высокого давления предыдущего блока. Такой вариант реализации способа позволяет дополнительно повысить содержание гелия в гелиевом концентрате при сохранении энергетических и капитальных затрат (под капитальными затратами подразумевается необходимое количество мембранных аппаратов, которое количественно может быть выражено в виде требуемой площади селективно проницаемой по гелию мембраны).

Для повышения глубины переработки природного и попутного нефтяного газа часть или все отводимые из дополнительных мембранных газоразделительных блоков дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны, также могут быть поданы на криогенную переработку совместно с потоком, не проникшим через мембрану, в основном газоразделительном блоке. При этом достигается увеличение количества произведенных тяжелых углеводородных фракций, а также количество метановых фракций товарного состава.

Основным отличием заявленного способа от прототипа и других известных способов является то, что в нем производство гелиевого концентрата не входит в цепочку высокоэнергоемкой криогенной переработки. Производство гелиевого концентрата осуществляют мембранным методом перед стадией криогенной переработки. За счет этого на криогенную переработку подают газ, уже очищенный от гелия, что значительно снижает требования к криогенной переработке (главным является то, что не требуется конденсация большого количества метановой фракции и исключаются соответствующие энергозатраты). Преимущество заявленного способа состоит также в том, что при его реализации может быть достигнута гораздо большая степень извлечения гелия (до 95% и более) по сравнению с криогенным методом. Мембранный способ производства гелиевого концентрата является эффективным даже в тех случаях, когда содержание гелия в топливных газах сравнительно невелико и составляет сотые доли процента и менее. Криогенный способ концентрирования гелия экономически обоснован при его начальном содержании на уровне 0,05% и более.

Использование мембранного метода газоразделения для производства гелиевого концентрата имеет значительные преимущества перед другими методами в силу того, что движущей силой, определяющей степень очистки топливного газа от гелия, является только перепад его парциального давления на поверхности мембраны. При этом энергетическим потенциалом, создающим эффект газоразделения и обогащения гелия. является только энергия сжатого топливного газа. При использовании такого метода обогащения другие источники энергии, материальные ресурсы, жидкий азот, реактивы, сорбенты и др. не требуются. Главным условием является высокая проницаемость мембраны для гелия по сравнению с другими компонентами топливного газа, что свойственно многим селективно проницаемым мембранам. Как правило, селективность мембран для гелия по отношению к другим газовым компонентам составляет от нескольких десятков до сотен единиц. Процесс газоразделения реализуют в мембранных аппаратах волоконного, рулонного или плоскорамного типа, имеющих высокую удельную рабочую поверхность (м²/м³). Мембранный аппарат, кроме корпуса и размещенной там мембраны, разделяющей области повышенного и пониженного давления, не содержит никаких сложных дорогостоящих конструктивных элементов и движущихся частей. Мембранный аппарат имеет вход потока газа высокого давления, выход потока высокого давления для очищенного от гелия газа и выход потока низкого давления для потока, обогащенного гелием.

Весь или часть производимого гелиевого концентрата далее может быть подвергнута последующей переработке, направленной на увеличение содержания гелия или на производство гелия товарной кондиции, что предусмотрено приведенными выше вариантами реализации заявленного способа.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами на Фиг.1. Фиг.2 и Фиг.3. На Фиг 1. приведена общая принципиальная схема реализации способа переработки природного и попутного нефтяного газа и его вариантов. На Фиг.2. приведена схема организации потоков между основным и дополнительными газоразделительными мембранными блоками. На Фиг.3 приведена схема организации потоков в мембранных аппаратах, входящих в мембранные газоразделительные блоки.

Общая принципиальная схема реализации способа (см. Фиг.1) включает коммуникацию 1 для подачи сырьевого газа, компрессор 2 для его сжатия, системы 3-5 для его очистки от сернистых соединений, двуокиси углерода и осушки, основной мембранный газоразделительный блок 6, в котором сырьевой газ пропускают вдоль поверхности селективно проницаемой по гелию мембраны 7 в мембранном аппарате (на схеме нге показан), коммуникацию 8 для отвода гелиевого концентрата, коммуникацию 9 для отвода потока газа, не проникшего через мембрану, и для его подачи в систему криогенной переработки 10, где производят фракции тяжелых углеводородов и метановые фракции низкого и среднего давления. Общая принципиальная схема может включать коммуникацию 11 для подачи части или всего потока гелиевого концентрата в систему дополнительной самостоятельной криогенной переработки 12, в которой производят товарное обогащение гелия и его отвод по коммуникации 13, а также производят фракции тяжелых углеводородов и очищенные метановые фракции низкого и среднего давления. Схема также может включать коммуникацию 14 и компрессор 15 для подачи всего или части потока гелиевого концентрата на дополнительное обогащение в, по крайней мере, одном дополнительном мембранном газоразделительном блоке 16, из которого по коммуникации 17 отводят гелиевый концентрат. Коммуникации 18 или 19 служат для отвода из блока 16 дополнительных потоков газа, не проникшего через мембрану 20.

Если производят многоступенчатое обогащение гелиевого концентрата, то основной 2-1 и дополнительные 2-2-1, , 2-2-n мембранные газоразделительные блоки последовательно соединяют между собой коммуникациями 2-3, 2-3-1, , 2-3-n, как это показано на Фиг.2, на которых установлены компрессоры 2-4-1, , 2-4-n. Из дополнительных мембранных блоков по коммуникациям 2-5-1, , 2-5-n отводят дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны, которые затем соединяют с коммуникациями 2-6, 2-6-1, , 2-6-n и 2-7-1, , 2-7-n. При этом часть или все коммуникации 2-6, 2-6-1, , 2-6-n служат для подачи потоков газа, не проникшего через мембраны в основном и дополнительных газоразделительных мембранных блоков, в систему криогенной переработки 10 (см. Фиг.1). Часть или все коммуникации 2-7-1, , 2-7-n служат для организации противоточных рециркуляционных течений при использовании ступенчатого обогащения гелиевого концентрата.

Основной и дополнительные мембранные газоразделительные блоки 3-1 (см. Фиг.3) могут содержать один 3-2-1 или несколько 3-2-1, , 3-2-n мембранных аппаратов. которые параллельно соединены между собой коммуникациями 3-3, 3-4, 3-5, как это показано на Фиг.3. Газовые коммуникации 3-3 соединяют между собой входы высокого давления мембранных аппаратов, коммуникации 3-4 соединяют выходы высокого давления, а коммуникации 3-5 соединяют выходы низкого давления мембранных аппаратов и коммуникацию 3-6 для отвода потока гелиевого концентрата.

Способ переработки природного и попутного нефтяного газа осуществляют следующим образом.

Природный или попутный нефтяной сырьевой газ по трубопроводу 1 (см. Фиг.1) подают на компрессор 2 и далее на очистку от сернистых соединений и двуокиси углерода в устройствах 3 и 4 и очистку от паров воды в осушителе 5. В качестве очистки и осушки могут быть использованы адсорбционные (например, на цеолитах) и/или абсорбционные (например, на основе аминов и этиленгликолей) способы и устройства любого подходящего типа. В случае необходимости очищенный и осушенный сырьевой газ может быть подвержен дополнительному компримированию компрессором 21. Давление сырьевого газа доводят до уровня 3-5 МПа и более. Чем выше давление, тем больше оказывается величина проницаемости гелия через мембрану. Сжатый поток сырьевого газа подают на вход высокого давления 22 в основной мембранный газоразделительный блок 6. где его пропускают в мембранном аппарате вдоль поверхности селективно проницаемой по гелию мембраны 7. Поток газа, проникшего через мембрану и обогащенного гелием, отводят из блока по газовой коммуникации 8 в виде потока гелиевого концентрата низкого давления. В случае необходимости, например, для консервации концентрата или для его перекачки по трубопроводу, этот поток может быть подвержен компримированию. Не проникший через мембрану и обедненный гелием поток высокого давления отводят из основного мембранного газоразделительного блока по газовой коммуникации 9 и подают в систему 10 на криогенную переработку. Криогенную переработку осуществляют с использованием методов и оборудования для низкотемпературной конденсации и ректификации, при которой производят разделение и очистку различных углеводородных фракций. Охлаждение газа частично могут проводить за счет энергии сжатого газа путем дросселирования (снижения давления) газового потока. Последовательное охлаждение осуществляют в таком режиме, что сначала конденсируются и отводятся тяжелые углеводороды, а затем в случае необходимости и метан. В результате в системе криогенной переработки 10 отдельно выделяют фракции тяжелых углеводородов 23. очищенную метановую фракцию низкого давления 24 и очищенную метановую фракцию высокого давления 25. За счет использования низкотемпературной ректификации в системе криогенной переработки 10 могут быть получены в чистом виде отдельные углеводородные компоненты, представляющие повышенную ценность, например, этан, пропан, бутан и др. По сравнению с прототипом. где в системе криогенной переработки одновременно производят и гелиевый концентрат, энергозатраты оказываются существенно снижены, поскольку в данном случае для криогенного извлечения только высококипящих тяжелых углеводородных компонентов требуется конденсация лишь незначительной доли потока метановой фракции. Производство гелиевого концентрата мембранным способом происходит только за счет энергии сжатого газа.

В основном мембранном газоразделительном блоке 6 с целью увеличения его производительности может быть использовано несколько мембранных аппаратов. Для этого поток сжатого газа 3-7 (см. Фиг.3) подают на вход высокого давления 3-8 мембранного газоразделительного блока 3-1, где на коммуникации 3-3 его делят на два или более потоков 3-9-1, , 3-9-n, которые пропускают вдоль поверхности мембран 3-10 в параллельно соединенных мембранных аппаратах 3-2-1, , 3-2-n. Выходящие из мембранных аппаратов потоки не проникшего через мембраны газа высокого давления объединяют и через коммуникацию 3-4 отводят из мембранного газоразделительного блока по коммуникации 3-11. Выходящие из мембранных аппаратов потоки проникшего через мембраны газа низкого давления через коммуникацию 3-5 отводят из мембранного газоразделительного блока через коммуникацию 3-6 для отвода потока гелиевого концентрата.

В том случае, когда одной из целей переработки является производство высокообогащенного гелия для его поставки потребителю, весь или часть потока гелиевого концентрата, отводимого из основного мембранного газоразделительного блока 6 подвергают дополнительной самостоятельной криогенной переработке. Для этого его по газовой коммуникации 11 подают в систему криогенной переработки 12, где на первом этапе за счет постепенного охлаждения с частичным использованием дросселирования газа конденсируют, подвергают низкотемпературной ректификации и отводят по коммуникации 26 очищенные высококипящие фракции тяжелых углеводородов, по коммуникации 27 отводят очищенную метановую фракцию низкого давления и по коммуникации 28 отводят очищенную метановую фракцию среднего давления. На втором этапе проводят финишную очистку гелия от примесей. Как вариант, в оставшуюся смесь подают воздух и дожигают водород и остатки метана, а затем проводят финишную очистку гелия при охлаждении кипящим под вакуумом азотом на сорбентах при температуре жидкого азота. Гелий высокого обогащения отводят по коммуникации 13 (см. Фиг.1). Полученный товарный гелий поставляют потребителю либо в сжатом газообразном виде, либо в виде сжиженного гелия. На дополнительную криогенную переработку подают поток гелиевого концентрата, величина которого много меньше величины исходного потока сырьевого газа. По этой причине себестоимость товарного гелия высокого обогащения, производимого с использованием заявленного способа, оказывается во много раз ниже, чем при его производстве криогенным методом без использования предварительного мембранного обогащения.

В тех случаях, когда существует необходимость увеличения содержания гелия в гелиевом концентрате, например, для закачки концентрата в хранилища малого объема, для его транспортировки на финишную переработку или для дальнейшего товарного финишного обогащения, например, с помощью криогенной переработки весь поток или часть потока гелиевого концентрата, производимого в основном мембранном газоразделительном блоке 6. подвергают дополнительному ступенчатому мембранному обогащению. Для этого поток гелиевого концентрата компримируют компрессором 15 и по газовой коммуникации 14 подают на вход высокого давления в один или последовательно в несколько дополнительных мембранных газоразделительных блоков. На Фиг.1 это единичный блок 16, а на Фиг.2 показано соединение нескольких дополнительных блоков 2-2-1, , 2-2-n. В дополнительных блоках осуществляют последовательное обогащение гелиевого концентрата. Для этого выходящий поток газа, проникшего через мембрану и обогащенного гелием, из каждого дополнительного блока компримируют компрессорами 2-4-2, , 2-4-n (см. Фиг.2) и подают на вход высокого давления последующего блока. В качестве потока гелиевого концентрата используют поток газа, проникшего через мембрану в последнем дополнительном мембранном газоразделительном блоке, который отводят по коммуникации 2-8. Из дополнительных мембранных газоразделительных блоков по коммуникациям 2-5-1, , 2-5-n отводят дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны. Дополнительные мембранные газоразделительные блоки 2-2-1, , 2-2-n, как и основной мембранный газоразделительный блок 6 (см. Фиг.1) могут содержать как один, так и несколько параллельно соединенных мембранных аппаратов. При этом поток газа, подаваемый на вход высокого давления в дополнительные мембранные газоразделительные блоки, делят на два или более потоков, которые пропускают вдоль поверхности мембран в параллельно соединенных аппаратах (см. Фиг.3).

Дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны и отводимого по коммуникациям 2-5-1, , 2-5-n из дополнительных мембранных газоразделительных блоков, могут быть использованы для получения более высокого содержания гелия в потоке гелиевого концентрата. Для этого дополнительное ступенчатое обогащение потока гелиевого концентрата на дополнительных мембранных газоразделительных блоках осуществляют с организацией противоточных рециркуляционных течений, при которой дополнительный поток газа, не проникшего через мембраны, и отводимый, по крайней мере, из одного дополнительного мембранного газоразделительного блока, подают на вход высокого давления предыдущего блока. Например, если используется один дополнительный мембранный газоразделительный блок 16 (см. Фиг.1), то отводимый из него и обедненный гелием поток высокого давления по газовой коммуникации 18 подают на вход высокого давления основного блока 6. Если для дополнительного ступенчатого обогащения используют, как это показано на Фиг.2. несколько блоков, то один или несколько дополнительных потоков, подаваемых по газовым коммуникациям 2-7-2, , 2-7-n, также могут быть возвращены на вход высокого давления предыдущего блока. При организации противоточных рециркуляционных течений более высокое обогащение гелиевого концентрата достигается без дополнительных энергетических и капитальных затрат. Возвращаемые газовые потоки не требуют дополнительного компримирования. поскольку их отбирают из выходов высокого давления мембранных газоразделительных блоков. Регулирование рециркуляционной схемы по давлениям осуществляют заданием постепенно увеличивающейся степени сжатия на компрессорах 2-4-1, , 2-4-n (см. Фиг.2). Причем требуемое повышение степени сжатия незначительно, поскольку мембранные аппараты обладают малыми проточными потерями давления.

Дополнительные потоки газа, не проникшего через мембраны и отводимого по коммуникациям 2-5-1, , 2-5-n из дополнительных мембранных газоразделительных блоков, могут быть использованы для получения дополнительного количества очищенных фракций тяжелых углеводородов и метановых фракций. Для этого часть или все дополнительные потоки газа подают на криогенную переработку совместно с потоком, не проникшим через мембрану в основном газоразделительном блоке. Например, если используется один дополнительный мембранный газоразделительный блок 16 (см. Фиг.1), то отводимый из него и обедненный гелием поток высокого давления по газовой коммуникации 19 подают в систему криогенной переработки 10. Если для дополнительного ступенчатого обогащения используют, как это показано на Фиг.2, несколько дополнительных блоков, то один или несколько дополнительных потоков, подаваемых по газовым коммуникациям 2-6-2, , 2-6-n, также могут быть поданы в систему криогенной переработки 10.

Количество дополнительных газовых потоков в дополнительных мембранных газоразделительных блоках, не проникших через мембраны, используемых для организации рециркуляционных течений и/или для криогенной переработки, определяется конкретными потребностями. Например, часть потоков может быть использована для организации рециркуляционных течений, а другая часть для криогенной переработки. Часть потоков или все эти дополнительные потоки могут быть использованы для внутренних потребностей газоперерабатывающего предприятия, например, в качестве топлива для работы компрессорных установок.

При использовании способа и вариантов его реализации достигаются следующие технические результаты:

- упрощается технологическая схема переработки природного газа за счет замещения криогенной стадии обогащения гелия, требующей сложного в изготовлении и в эксплуатации оборудования, на мембранную газоразделительную технологию;

- использование предложенного способа позволяет существенно сократить энергозатраты на переработку природного и попутного нефтяного газов за счет замещения криогенной стадии извлечения гелия на мембранную переработку и сокращения глубины криогенной переработки (криогенная переработка требуется, в основном, только для извлечения фракций тяжелых углеводородов);

- использование мембранных технологий позволяет при переработке природного и попутного нефтяного газа увеличить степень извлечения гелия при одновременном снижении энергозатрат на его извлечение;

- использование предложенного способа в части организации ступенчатого обогащения и противоточных рециркуляционных схем обогащения и извлечения гелия позволяет обеспечить увеличение обогащения гелием гелиевого концентрата без существенных дополнительных энергозатрат.

Примеры реализации способа

Для переработки используется поток топливного газа величиной 10000 м/час при давлении 75 ати следующего состава:

- объемная концентрация метана - 93%;

- объемная концентрация этана - 6%;

- объемная концентрация гелия - 1%.

Задачей стоит переработка потока газа с полным извлечением этана, максимальным извлечением гелия со степенью извлечения не ниже 85%, получением гелиевого концентрата различного обогащения по гелию. Дополнительным вариантом является производство гелия товарного состава (более 99% обогащения). В качестве мембранного газоразделительного оборудования используются мембранные блоки, включающие мембранные модули на основе половолоконных полиимидных мембран с высокой селективностью по гелию относительно других компонентов на уровне 100 и более.

При использовании способа могут быть получены следующие результаты:

1. Использование способа в пределах п.1 формулы изобретения. Исходный поток газа перерабатывают на основном мембранном газоразделительном блоке. Не проникший через мембраны поток газа высокого давления подают на криогенную переработку. Криогенная переработка упрощенная, поскольку не требуется сжижение метана для обогащения гелия.

Получаемые продукты:

- Поток гелиевого концентрата 710 м³/час с содержанием гелия 13,4%.

- Поток чистого этана 570 м³/час.

- Поток очищенного метана 8720 м³/час.

Содержание гелия в метане - 0,05% (степень очистки 95%).

Требуемая энергетическая мощность. Энергозатраты минимальны, поскольку на производство гелиевого концентрата дополнительной энергии не требуется, а обогащение этана происходит за счет охлаждения при дросселировании потока газа.

2. Использование способа-прототипа. Производство гелиевого концентрата и производство этана проводятся криогенным методом.

Получаемые продукты:

- Поток гелиевого концентрата 635 м ³/час с содержанием гелия 13,4%.

- Поток чистого этана 600 м³/час.

- Поток очищенного метана 8765 м³/час.

- Содержание гелия в метане - 0,16% (степень очистки 85%).

Требуемая энергетическая мощность - более 1,3 МВт (энергия расходуется на конденсацию метана при производстве гелиевого концентрата).

3. Использование способа в пределах п.2 формулы изобретения. Весь поток гелиевого концентрата подают на криогенную переработку для получения чистого гелия.

Получаемые продукты:

- Поток чистого гелия 95 м³/час с содержанием гелия 99,9%.

- Поток чистого этана 570 м³ /час.

- Поток очищенного метана 8720 м³ /час.

- Содержание гелия в метане - 0,05% (степень очистки 95%).

Требуемая энергетическая мощность - на уровне 500,0 кВт (энергия расходуется на конденсацию метана при финишном обогащении малого потока гелиевого концентрата).

4. Использование способа в пределах п.3 и п.7 формулы изобретения. Весь поток гелиевого концентрата подвергают дополнительному ступенчатому обогащению.

Получаемые продукты:

- Поток гелиевого концентрата 153 м³/час с содержанием гелия 62,3%.

- Поток чистого этана 598 м³/час.

- Поток очищенного метана 9249 м³/час.

- Содержание гелия в метане - 0,05% (степень очистки 95%).

Требуемая энергетическая мощность - на уровне 400,0 кВт (энергия расходуется на сжатие потока при подаче газа на вход высокого давления второго блока).

5. Использование способа в пределах п.6 и п.7 формулы изобретения.. Весь поток гелиевого концентрата подвергают дополнительному ступенчатому обогащению с организацией противоточных рециркуляционных течений.

Получаемые продукты:

- Поток гелиевого концентрата 122 м³/час с содержанием гелия 76,6%.

- Поток чистого этана 599 м³ /час.

- Поток очищенного метана 9279 м³ /час.

- Содержание гелия в метане - 0,05% (степень очистки 94%).

Требуемая энергетическая мощность - на уровне 450,0 кВт (энергия расходуется на сжатие потока при подаче газа на вход высокого давления второго блока).

Как видно из приведенных данных, использование заявленного способа требует значительно меньших энергозатрат, чем при использовании способа-прототипа, причем показатели очистки гелия могут оказаться значительно выше.