Новый патент на изобретение ПАО «Криогенмаш» «Установка извлечения He-3 из товарного жидкого гелия методом ректификации»
03.02.2020
Изобретение относится к области получения гелия из природного газа. Установка извлечения Не-3 из товарного жидкого гелия содержит внешний ожижитель гелия, блок ректификации, включающий ректификационную колонну с конденсаторами, трубопроводы, соединяющие ожижитель гелия и блок ректификации, и один или более отводящих тепло от конденсаторов рефрижераторов с избыточным обратным потоком, создаваемым за счет добавления жидкого гелия из внешнего ожижителя. Изобретение обеспечивает снижение стоимости установки и эксплуатационных затрат, а также упрощение управления производительностью установки.
На текущий момент изотоп гелий-3 получают при распаде трития, компонента термоядерного оружия. Изотоп обладает уникальными свойствами, что определило его применение в датчиках обнаружения радиоактивных материалов и источников радиоактивного излучения, в системах передачи изображений на основе ядерно-магнитного резонанса, диагностике органов дыхания, в технике сверхнизких температур в криостатах и рефрижераторах на температурном уровне до 0,3 К. Однако особые перспективы ученые видят в гелии-3 как в топливе для будущих термоядерных реакторов.
Сегодня в мире существует дефицит этого изотопа, и неядерный (криогенный) способ получения изотопа гелия-3 имеет блестящие перспективы на рынке.
В России сложилась благоприятная ситуация для создания подобного производства: в Восточной Сибири реализуются проекты освоения крупных месторождений природного газа с высоким содержанием гелия, создаются производства, связанные с масштабным извлечением гелия, его ожижением и реализацией в жидком виде. Интеграция криогенной установки по получению гелия-3 в данные производства позволила бы оптимизировать капитальные и эксплуатационные затраты и послужить источником дополнительной прибыли, а особенность технологии ПАО «Криогенмаш» позволяет избежать вмешательства в процесс производства жидкого гелия, так как источник сырья, жидкий гелий, поступает из хранилища готового продукта, и затем возвращается в производственный процесс.
При создании технологии специалисты ПАО «Криогенмаш» руководствовались следующими принципиальными решениями:
• Высокая энергетическая эффективность;
• Независимость работы базовых ожижителей от работы установки извлечения He-3;
• Освоенность технологии и отработанность конструкции оборудования в разработке и производстве установки извлечения;
• Простота технологической схемы, непрерывность процесса производства He-3 и регулирования режима;
• Высокий коэффициент извлечения He-3 (не менее 99,9 %);
• Возможность форсирования пусковых режимов;
• Отсутствие режимов сверхтекучести в аппаратах.
Некоторые особенности технологического процесса установки извлечения He-3:
• Сепарация осуществляется только методом ректификации;
• Потоки жидкого гелия из базовых ожижителей в рефрижераторы избыточного обратного потока и товарного в ректификационную колонну принципиально разделены;
• В рефрижераторе избыточного обратного потока за счет подлива жидкого гелия обеспечена высокая эффективность и простота схемы и оборудования;
• Абсолютная независимость конденсаторов по холоду позволяет форсировать пусковой режим;
• Основные решения проверены опытом создания систем криогенного обеспечения Токамаков и ускорителей частиц.
Опыт работы ПАО «Криогенмаш» по проблеме:
• Создание серии ожижителей гелия производительностью от 200 до 2400 л/ч для крупных ускорителей и энергетических проектов;
• Комплекс НИОКР по проблемам ректификации воздуха с получением кислорода, азота и аргона высокой частоты;
• Участие в проектах создания агрегатов разделения изотопов водорода совместно с НИИЭФА, ПО «Маяк», РХТУ им. Менделеева;
На текущий момент изотоп гелий-3 получают при распаде трития, компонента термоядерного оружия. Изотоп обладает уникальными свойствами, что определило его применение в датчиках обнаружения радиоактивных материалов и источников радиоактивного излучения, в системах передачи изображений на основе ядерно-магнитного резонанса, диагностике органов дыхания, в технике сверхнизких температур в криостатах и рефрижераторах на температурном уровне до 0,3 К. Однако особые перспективы ученые видят в гелии-3 как в топливе для будущих термоядерных реакторов.
Сегодня в мире существует дефицит этого изотопа, и неядерный (криогенный) способ получения изотопа гелия-3 имеет блестящие перспективы на рынке.
В России сложилась благоприятная ситуация для создания подобного производства: в Восточной Сибири реализуются проекты освоения крупных месторождений природного газа с высоким содержанием гелия, создаются производства, связанные с масштабным извлечением гелия, его ожижением и реализацией в жидком виде. Интеграция криогенной установки по получению гелия-3 в данные производства позволила бы оптимизировать капитальные и эксплуатационные затраты и послужить источником дополнительной прибыли, а особенность технологии ПАО «Криогенмаш» позволяет избежать вмешательства в процесс производства жидкого гелия, так как источник сырья, жидкий гелий, поступает из хранилища готового продукта, и затем возвращается в производственный процесс.
При создании технологии специалисты ПАО «Криогенмаш» руководствовались следующими принципиальными решениями:
• Высокая энергетическая эффективность;
• Независимость работы базовых ожижителей от работы установки извлечения He-3;
• Освоенность технологии и отработанность конструкции оборудования в разработке и производстве установки извлечения;
• Простота технологической схемы, непрерывность процесса производства He-3 и регулирования режима;
• Высокий коэффициент извлечения He-3 (не менее 99,9 %);
• Возможность форсирования пусковых режимов;
• Отсутствие режимов сверхтекучести в аппаратах.
Некоторые особенности технологического процесса установки извлечения He-3:
• Сепарация осуществляется только методом ректификации;
• Потоки жидкого гелия из базовых ожижителей в рефрижераторы избыточного обратного потока и товарного в ректификационную колонну принципиально разделены;
• В рефрижераторе избыточного обратного потока за счет подлива жидкого гелия обеспечена высокая эффективность и простота схемы и оборудования;
• Абсолютная независимость конденсаторов по холоду позволяет форсировать пусковой режим;
• Основные решения проверены опытом создания систем криогенного обеспечения Токамаков и ускорителей частиц.
Опыт работы ПАО «Криогенмаш» по проблеме:
• Создание серии ожижителей гелия производительностью от 200 до 2400 л/ч для крупных ускорителей и энергетических проектов;
• Комплекс НИОКР по проблемам ректификации воздуха с получением кислорода, азота и аргона высокой частоты;
• Участие в проектах создания агрегатов разделения изотопов водорода совместно с НИИЭФА, ПО «Маяк», РХТУ им. Менделеева;
• Комплекс исследований по теплообмену, гидравлике, ректификации изотопов гелия и извлечению He-3 из природного гелия в рамках работ по проекту орбитального глубокоохлаждаемого космического ИК телескопа «Аэлита».