一种提取氦气的装置及其方法与流程

本发明属于天然气领域，具体地，涉及一种提取氦气的装置及其方法。

背景技术：

1、氦气是一种十分重要的工业气体，在科研、国防和经济建设中有着重要的作用，具有一定的不可替代性，许多国家已经把它被列为战略性物资。由于氦气性质独特，具有-268.9℃的低沸点，因此可用于多个重要技术领域。例如，液氦可以用于超低温冷却，在火箭和航天中作为液氢燃料系统的清洗介质或加压推进剂。在磁悬浮列车、超导体领域中，氦气也是不可或缺的。此外，氦气在医疗领域的核磁共振成像设备中用作超导电磁体冷却剂、在核发电装置用作传热介质、在光纤生产中用作冷却和惰性气体保护剂，以及在仪器分析领域用作气相色谱的载气等方面都得到广泛的应用。

2、对工业提氦来说，氦的来源有两个途径，一是空气分离的副产物、二是从含氦天然气中提取。虽然大气中氦的总量相当大，约有58×1012m3，但大气中氦的浓度仅有5ml/m3，从空气中分离氦的成本太高，所以空分产氦极少。而天然气中氦的含量远远高于空气中的含量，具有很高的提取价值，因此，含氦天然气也就成为最重要的氦资源，目前工业应用的氦气几乎全部是由天然气提取的。根据天然气氦含量的多少可将天然气予以划分，一般将氦含量(摩尔分数，下同)>0.1％的称为富氦天然气，<0.01％的称为贫氦天然气。另外，不是所有的天然气中都含氦，只有少数天然气气藏中含有氦。我国各类天然气氦气含量较低，故氦气产品大量依靠进口。

3、天然气液化工厂的泡点气(bog)是天然气液化过程中剩余的不凝气，天然气液化工厂的泡点气中富集氦气、氩气等稀有气体，其浓度是常规天然气中浓度的20-400倍，典型组成如下：he 15mol％、h2 5mol％、ch4 30mol％、n2 50mol％，是优良的稀有气体原料，具有重要的商业价值和战略意义。近年来膜分离和psa的应用较多，但存在氦气回收率低的问题，特别是当泡点气中氢气含量较高时，出现反应器温升大、反应器段数较多、需要穿越爆炸极限等问题。因此，需要开发一种新的氦气回收方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种提取氦气的装置和方法。本发明以新型分凝分馏塔的低温分离为核心，提供一种从高含氢天然气泡点气中回收氦气的方法。该方法可从高含氢天然气液化工厂泡点气尾气或天然气中提取氦气，原料气经过催化脱氢单元、压缩脱水脱碳单元、深冷单元、膜分离单元和/或变压吸附单元、深度脱氢单元、二次脱水脱碳单元和低温精制单元，生产纯度高于99.9995mol％的氦气。

2、为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种提取氦气的装置，该装置包括依次设置的：催化脱氢单元、压缩脱水脱碳单元、深冷单元、膜分离单元和/或变压吸附单元、深度脱氢单元、二次脱水脱碳单元、低温精制单元和氦气产品收集装置；

3、所述催化脱氢单元设置有原料气进料管线、补入氧化气进料管线和催化脱氢单元出料管线，所述催化脱氢单元出料管线依次连接压缩脱水脱碳单元和深冷单元，所述深冷单元设置有深冷单元富氦气出料管线和深冷单元循环气管线，所述深冷单元富氦气出料管线依次连接膜分离单元和/或变压吸附单元、深度脱氢单元、二次脱水脱碳单元、低温精制单元和氦气产品收集装置产品，所述深冷单元循环气管线与所述原料气进料管线汇合。

4、本发明的第二方面提供一种提取氦气的方法，该方法包括如下步骤：

5、原料气与补入氧化气进入催化脱氢单元进行催化燃烧脱除氢气，得到脱氢粗氦气；

6、所述脱氢粗氦气进入压缩脱水脱碳单元增压并脱除水分和co2，得到净化气；

7、所述净化气进入深冷分离单元得到富氦气和氮甲烷循环气，所述氮甲烷循环气与所述原料气混合，所述富氦气送入膜分离单元和/或变压吸附单元除去尾气，然后依次进入深度脱氢单元深度脱氢以及进入二次脱水脱碳单元脱除水分和co2，最后进入低温精制单元，得到氦气产品送入氦气收集装置。

8、本发明具有如下有益效果：

9、(1)本发明的装置包括催化脱氢单元和深度脱氢单元，先采用催化燃烧脱氢，除去大部分的氢气，再采用化学吸附脱氢深度脱除氢气，避免了分离的浓缩作用造成氦气产品中氢气指标超标，采用深冷单元进行分离，有效地提高了整个系统的氦气回收率，采用的膜分离单元和/或变压吸附单元能耗低，将粗氦气进一步浓缩，在采用低温精制装置，得到高纯氦气；

10、(2)本发明的深冷单元包括1#板翅式冷凝器和2#板翅式冷凝器，回收分凝分馏塔塔顶富氦气和分凝分馏塔塔底氮甲烷的冷量，降低冷剂的使用量，节约大量的冷量，同时，回收冷箱中的冷量，冷箱最冷端面温度均匀，冷箱局部应力小，便于设备制造；

11、(3)采用两次分步化学脱氢的方法，第一步先由催化燃烧脱氢脱除绝大部分氢气，然后进行深冷分离，膜分离或变压吸附，逐步分离出甲烷、氮气等杂质，此时由于分离的浓缩作用，在氦气富集的同时，氢气同比例富集，此时的氢气浓度将变为脱氢后的15-20倍，紧接着进行化学吸附脱氢进一步将氢气脱至0.1ppmv，满足高纯氦气的规格要求；

12、(4)泡点气中氢气含量较高时，采用两段或两段以上催化脱氢反应器，以深冷分离单元分离出的氮甲烷为稀释气，稀释气分成两路，通过调整两段稀释气的流量。稀释气的加入一方面可以稀释原料气中的氢气浓度，避免和氧气混合时穿越爆炸极限；其二由于氮甲烷中含有大量的甲烷，甲烷的比热比较高，可以更有效地带出反应释放的热量，从而大大减少反应器的段数；其三稀释气的加入可以有效控制反应器床层的温升，提高氢气与氧气反应的选择性，避免高温下甲烷、氮气与氧气发生复杂的副反应。

13、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种提取氦气的装置，其特征在于，该装置包括依次设置的：催化脱氢单元、压缩脱水脱碳单元、深冷单元、膜分离单元和/或变压吸附单元、深度脱氢单元、二次脱水脱碳单元、低温精制单元和氦气产品收集装置；

2.根据权利要求1所述的提取氦气的装置，其中，所述催化脱氢单元包括一段或两段以上串联的催化脱氢反应亚单元，每一催化脱氢反应亚单元包括依次连接的催化脱氢反应器、水冷器和分液罐；

3.根据权利要求2所述的提取氦气的装置，其中，所述深冷单元循环气管线分成两支与原料气进料管线汇合；一支为流量控制管线，另一支为温度控制管线。

4.根据权利要求1所述的提取氦气的装置，其中，所述深冷单元包括冷箱和分凝分馏塔，所述冷箱包括至少一组换热器，所述分凝分馏塔塔底设置有再沸器；所述分凝分馏塔上部设置有至少两级板翅式冷凝器，中部和下部均设置有填料；所述板翅式冷凝器的工艺侧为串联结构，冷剂侧为串联结构和/或并联结构。

5.根据权利要求4所述的提取氦气的装置，其中，所述冷剂侧为串联结构，所述冷箱设置有一组换热器，所述压缩脱水脱碳单元的净化气出料管线依次连接冷箱、再沸器以及分凝分馏塔中部；所述分凝分馏塔内上部也设置有填料，所述填料设置于两级板翅式冷凝器之间；

6.根据权利要求4所述的提取氦气的装置，其中，所述冷剂侧为串联结构与并联结构结合，所述冷箱包括至少两组换热器；

7.根据权利要求6所述的提取氦气的装置，其中，所述分凝分馏塔塔顶出料管线连接1#板翅式冷凝器后，再连接冷箱2#换热器和冷箱1#换热器，作为深冷单元富氦气出料管线；所述分凝分馏塔塔底出料管线连接2#板翅式冷凝器后，再连接冷箱2#换热器和冷箱1#换热器，作为深冷单元循环气管线；所述冷剂补充罐连接3#板翅式冷凝器上部后，依次连接冷箱2#换热器、冷箱1#换热器和再生气系统。

8.根据权利要求1所述的提取氦气的装置，其中，所述补入氧化气管线为氧气管线和氮气管线汇合管线；所述膜分离单元设置有膜分离单元尾气排出管线，所述变压吸附单元设置有变压吸附单元尾气排出管线，所述膜分离单元尾气排出管线和所述变压吸附单元尾气排出管线与原料管线汇合。

9.一种提取氦气的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，所述原料气含有甲烷和氢气，其中甲烷含量为20-50mol％，氢气含量为2-30mol％；所述催化脱氢单元的催化脱氢条件使得脱氢粗氦气的氢气含量为0.1ppmv以下。

11.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，所述补入氧化气为氧气和氮气的混合气，所述补入氧化气中的氧气含量≤15.1mol％，所述补入氧化气中的氧气与所述原料气中的氢气的摩尔比为0.51～0.55：1。

12.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，所述脱氢粗氦气进入压缩单元增压至2.6mpag～3.2mpag后，进入第一脱水脱碳单元，将水分脱除至0.1ppmv以下、二氧化碳脱除至0.1ppmv以下。

13.根据权利要求9-12中任意一项所述的提取氦气的方法，其中，当原料气中氢气浓度≥2mol％时，催化燃烧为两段或两段以上；

14.根据权利要求13所述的提取氦气的方法，其中，氮甲烷分成两路与原料气汇合；一路为流量控制氮甲烷，另一路为温度控制氮甲烷，所述流量控制氮甲烷和温度控制氮甲烷的流量比为0.5:0.5～0.7：0.3，所述温度控制氮甲烷的控制信号来自一段催化脱氢反应器出口温度。

15.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，所述净化气依次进入冷箱和再沸器中冷却后，进入分凝分馏塔中部，先在填料中进行分离，然后上升至分凝分馏塔上部的板翅式冷凝器进行进一步冷凝传热和分离传质，最终得到分凝分馏塔塔顶富氦气和分凝分馏塔塔底氮甲烷；

16.根据权利要求15所述的提取氦气的方法，其中，冷剂侧为串联结构，冷箱换热器为一组，所述净化气进入冷箱换热器中冷却至-145℃至-155℃，再进入再沸器中继续冷却，然后进入分凝分馏塔中部；在分凝分馏塔中先进入中部填料进行分离，然后上升至板翅式冷凝器中进行冷凝传热和分离传质；

17.根据权利要求16所述的提取氦气的方法，其中，所述富氦气的氦气含量为45-85wt％；所述分凝分馏塔的操作条件使得塔底氦气损失控制在0.001mol％～0.3mol％。

18.根据权利要求15所述的提取氦气的方法，其中，所述冷剂侧为串联结构和并联结构结合，冷箱换热器为两组：冷箱1#换热器和冷箱2#换热器；所述净化气先进入冷箱1#换热器中冷却后在-100℃至-145℃抽出，再进入分凝分馏塔再沸器冷却，然后返回冷箱2#换热器继续冷却至-125℃至-155℃后进入分凝分馏塔中部；在分凝分馏塔中先进入中部填料进行分离，然后上升至板翅式冷凝器中进行冷凝传热和分离传质；

19.根据权利要求18所述的提取氦气的方法，其中，所述液氮或其他冷剂由3#板翅式冷凝器上部进入，所述分凝分馏塔塔顶的温度控制在-195℃～-170℃。

20.根据权利要求18所述的提取氦气的方法，其中，

21.根据权利要求18所述的提取氦气的方法，其中，所述分凝分馏塔塔顶富氦气为1#板翅式冷凝器提供的冷量级位为-192℃～-157℃；所述分凝分馏塔塔底氮甲烷减压后，闪蒸温度为-178～-157℃，为2#板翅式冷凝器提供的冷量级位为-178℃～-157℃；所述液氮或其他冷剂为3#板翅式冷凝器提供的冷量级位为-195℃～-157℃。

22.根据权利要求18所述的提取氦气的方法，其中，所述分凝分馏塔的操作条件使得塔底氦气损失控制在0.01mol％～0.1mol％。

23.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，所述膜分离单元的尾气和/或变压吸附单元的尾气返回与原料气混合后进入脱氢反应器。

24.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，从膜分离单元或变压吸附单元分离出的含氦气组分进入深度脱氢单元，将残余的氢气脱至100ppb以下，所述深度脱氢单元采用化学吸附脱氢。

25.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，深度脱氢单元得到的含氦气组分进入二次脱水脱碳单元，将水分脱除至0.1ppmv以下，二氧化碳脱除至0.1ppmv以下。

26.根据权利要求9所述的提取氦气的方法，其中，二次脱水脱碳单元得到的含氦气组分进入低温精制单元，将杂质脱至0.1ppmv以下，从而得到99.9995wt％以上纯度的高纯氦气；所述杂质优选包括氮气、氧气和甲烷。

技术总结
本发明属于天然气领域，具体地，涉及一种提取氦气的装置及其方法。该装置包括依次设置的：催化脱氢单元、压缩脱水脱碳单元、深冷单元、膜分离单元和/或变压吸附单元、深度脱氢单元、二次脱水脱碳单元、低温精制单元和氦气产品收集装置；所述催化脱氢单元出料管线依次连接压缩脱水脱碳单元和深冷单元，所述深冷单元富氦气出料管线依次连接膜分离单元和/或变压吸附单元、深度脱氢单元、二次脱水脱碳单元、低温精制单元和氦气产品收集装置产品，所述深冷单元循环气管线与所述原料气进料管线汇合。本发明的装置包括催化脱氢单元和深度脱氢单元，同时采用深冷单元进行分离，有效地提高了整个系统的氦气回收率，得到高纯氦气。

技术研发人员：彭勃,刘永莉,赵春凤,肖海焕,李雨霖,赵百仁,李广华
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13