CN106315527B - 高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，包括：粗氦原料脱氢：除去粗氦原料中的氢；脱水处理：将经过脱氢的粗氦进行脱水；脱氮处理：将经过脱水处理的粗氦进行脱氮。本发明实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺大大提高了氦气提取的效率，能够实现更高的经济效益。

Description

高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺

技术领域

本发明涉及氦气提取技术领域，具体而言，涉及一种高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺。

背景技术

氦气是惰性气体的一种，是重要的战略物资，作为一种保护气体和超低温冷冻剂在航天、国防、半导体生产、核磁共振及气体检漏方面具有非常重要的用途。氦气主要存在于天然气中，从天然气中提取氦是氦气的主要工业来源。目前从天然气中提取氦主要有三种方法，分别是深冷分离、膜分离及变压吸附。但是现有的提取氦气的方法的提取效率较低，难以实现较高的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，其大大提高了氦气提取的效率，能够实现更高的经济效益。

本发明的实施例是这样实现的：

一种高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，包括：

粗氦原料脱氢：除去粗氦原料中的氢；

脱水处理：将经过脱氢的粗氦进行脱水；

脱氮处理：将经过脱水处理的粗氦进行脱氮。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述脱水处理包括冷凝吸附脱水，所述冷凝吸附脱水包括：在所述粗氦原料脱氢之后依次进行的冷却催化放热、气水分离和吸附脱水干燥。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述脱水处理还包括再生循环处理，所述再生循环处理包括：

将经过所述吸附脱水干燥的一部分粗氦原料作为再生气，对所述再生气进行再生处理，并将再生处理后的再生气返回进行所述粗氦原料脱氢。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述再生循环处理包括依次进行的再生气加热、再生处理、再生气冷却以及再生气分离；

所述再生气加热包括：对经过所述吸附脱水干燥的所述再生气进行加热；

所述再生步骤包括：将所述再生气进行再生处理；

所述再生气冷却包括：将经过所述再生步骤得到的循环气进行冷却；

所述再生气分离包括：将经过所述再生气冷却的循环气和冷却水进行分离，并将分离后得到的循环气返回进行所述粗氦脱氢。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括粗氦压缩；

所述粗氦压缩包括：将所述脱水处理后的粗氦进行压缩，直至预设气压。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述脱氮处理包括冷凝吸附脱氮，所述冷凝吸附脱氮包括冷却处理和气液分离；

所述冷却处理包括：将经过所述脱水处理的粗氦冷却至预设冷却温度；

所述气液分离：将经过所述冷却处理得到的粗氦气液两相进行气液分离。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述冷却处理包括第一级换热和第二级换热；

所述第一级换热包括：将经过所述脱水处理的粗氦冷却至中间换热温度；

所述第二级换热采用冷凝换热，所述第二级换热包括：将经过所述第一级换热的粗氦进行冷却换热，冷却至所述预设冷却温度。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括粗氦气相吸附；

所述粗氦气相吸附包括：对所述气液分离得到的粗氦气相进行吸附，除去杂质，得到纯氦。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括纯氦复热；

所述纯氦复热包括：将所述粗氦气相吸附得到的纯氦进行加热。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括原料气回收；

所述原料气回收包括：将经过所述气液分离所剩余的原料气进行换热，并将换热后的原料气返回进行所述粗氦脱氢。

本发明实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺的有益效果是：采用本发明实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺提取氦气时，首先除去粗氦原料中的氢，再将经过脱氢的粗氦进行脱水，然后将经过脱水处理的粗氦进行脱氮，从而得到高纯度的氦气产品。本发明实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺大大提高了氦气提取的效率，能够实现更高的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制系统的结构示意图。

图中标记分别为：

原料供应S100；粗氦原料脱氢S200；脱水处理S300；冷凝吸附脱水S310；冷却催化放热S311；气水分离S312；吸附脱水干燥S313；再生循环处理S320；再生气加热S321；再生步骤S322；再生气冷却S323；再生气分离S324；粗氦压缩S400；脱氮处理S500；冷却处理S510；第一级换热S511；第二级换热S512；气液分离S520；回收步骤S530；原料气回收S531；液氮再利用S532；粗氦气相吸附S540；纯氦复热S550；

脱氢催化炉1；冷却器2；气水分离器3；干燥器4；再生气加热器5；再生气冷却器6；再生气分离器7；循环压缩机8；粗氦压缩机9；主换热器10；冷凝换热器11；氮分离器12；闪蒸罐13；吸附器14；电加热器15；杜瓦容器16；回收压缩机17。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1和图2，本实施例提供了一种高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，可用于对液化天然气提取出的氢含量较高的粗氦原料进行高纯度提取，以得到高纯度的氦气产品。该高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺大大提高了氦气提取的效率，能够实现更高的经济效益。本实施例中，高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺由高含氢粗氦提取高纯氦精制系统执行。

该高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺包括：

原料供应S100：为工艺供应所需的粗氦原料、氧气、液氮等。本实施例中，原料供应S100由原料供应S100单元执行，原料供应S100单元包括粗氦原料供应装置、氧气供应装置和液氮供应装置。其中，粗氦原料供应装置供应粗氦原料，氧气供应装置供应氧气，液氮供应装置供应液氮。本实施例以从液化天然气大罐的富含氦的闪蒸气提取出含70％以上氦气的粗氦，同时粗氦中氢含量高于7％作为粗氦原料。

粗氦原料脱氢S200：除去粗氦原料中的氢。本实施例中，该步骤在脱氢催化炉1中进行，脱氢催化炉1分别与粗氦原料供应装置和氧气供应装置，粗氦原料供应装置和氧气供应装置分别向脱氢催化炉1供应粗氦原料和氧气，循环气通过循环压缩机8送入脱氢催化炉1，以降低进入脱氢催化炉1的气体的氢含量。在工作时，粗氦原料进入脱氢催化炉1中进行催化反应。该催化反应为单级催化，即只由一个脱氢催化炉1进行催化。经过脱氢催化炉1的催化反应将粗氦原料中的氢去除。

脱水处理S300：将经过脱氢的粗氦进行脱水。本实施例中，脱水处理S300的步骤由冷凝吸附脱水S310单元完成。采用冷凝吸附的方式进行脱水，能够使脱水更加完全，提高提取氦气的纯度。

脱水处理S300包括冷凝吸附脱水S310和再生循环处理S320。其中，冷凝吸附脱水S310用于对粗氦原料脱氢S200之后粗氦进行冷凝、脱水、干燥。再生循环处理S320用于对脱水干燥后的一部分粗氦原料进行再生，并将再生所得到的循环气返回进行粗氦脱氢，再生循环处理S320可进一步降低粗氦原料的含氢量，直至含氢量满足要求。

本实施例中，冷凝吸附脱水S310包括：在粗氦原料脱氢S200之后依次进行的冷却催化放热S311、气水分离S312和吸附脱水干燥S313。

本实施例中，冷却催化放热S311的步骤在冷却器2中进行，冷却器2与脱氢催化炉1连接。在脱氢催化炉1将粗氦原料中的氢去除后，粗氦由脱氢催化炉1通入至冷却器2中，由冷却器2对粗氦进行冷却催化放热S311。粗氦原料的气组分为氦70％，氢7.5％，其余为氮，流量约每小时110标方，催化反应后混合气体升温至320℃，由冷却器2冷却至36℃。

本实施例中，气水分离S312的步骤在气水分离器3中进行，气水分离器3与冷却器2连接。粗氦经过冷却器2冷却催化放热S311后，通入至气水分离器3中，气水分离器3将粗氦中的水除去。

本实施例中，吸附脱水干燥S313的步骤在干燥器4中进行，干燥器4与气水分离器3连接。经过气水分离器3的粗氦通入干燥器4中，由干燥器4对分离后的粗氦进行干燥，进一步除去其中的水。

经过吸附脱水干燥S313的粗氦分为两股，一股粗氦作为再生气进行再生处理，再生气作为脱氢的循环气返回进行粗氦原料脱氢S200；另一股粗氦进行后续的脱氮处理S500。

本实施例中，再生循环处理S320包括依次进行的再生气加热S321、再生步骤S322、再生气冷却S323以及再生气分离S324。

其中，再生气加热S321包括：对经过吸附脱水干燥S313的再生气进行加热。本实施例中，再生气加热S321的步骤在再生气加热器5中进行，再生气加热器5与干燥器4连接。经过干燥器4脱水干燥后的再生气通入再生气加热器5中，由再生气加热器5对再生气进行加热。

再生步骤S322包括：将经过再生气加热S321的再生气进行再生。再生步骤S322在再生单元中进行。本实施例中，再生单元与干燥器4为同一装置，再生气加热器5的出口与干燥器4连通。经过再生气加热S321的再生气又通入干燥器4内进行再生。

再生气冷却S323包括：将经过再生步骤S322得到的循环气进行冷却。本实施例中，再生气冷却S323在再生气冷却器6中进行，再生气冷却器6与干燥器4连接。经过再生步骤S322得到的循环气通入至再生气冷却器6中进行冷却。

再生气分离S324包括：将经过再生气冷却S323的循环气和冷却水进行分离，并将分离后得到的循环气返回进行粗氦脱氢。本实施例中，再生气分离S324在再生气分离器7中进行，再生气分离器7与再生气冷却器6连接。经过再生气冷却S323后的循环气通入再生气分离器7中，进行循环气和冷却水的分离。

另外，再生气分离器7与循环压缩机8连接，循环压缩机8与脱氢催化炉1连接。分离后的循环气由循环压缩机8引出并返回通入至脱氢催化炉1内，以实现循环脱氢，进一步降低氢含量。

另外，高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括粗氦压缩S400；粗氦压缩S400包括：将脱水处理S300后的粗氦进行压缩，直至预设气压，然后再进行脱氮处理S500。本实施例中，吸附脱水干燥S313后的粗氦进行压缩，以便进行脱氮处理S500。粗氦压缩S400在粗氦压缩机9中进行，粗氦压缩机9与干燥器4连接。经粗氦压缩机9压缩至19MPa，然后再进行脱氮处理S500。

另外，脱氮处理S500：将经过脱水处理S300的粗氦进行脱氮。

本实施例中，脱氮处理S500包括冷凝吸附脱氮，冷凝吸附脱氮包括冷却处理S510和气液分离S520。本实施例中，脱氮处理S500由冷凝吸附脱氮单元完成，采用冷凝吸附的方式脱氮，能够提高脱氮效果，进一步提高氦气提取的纯度。脱氮处理S500在杜瓦容器16中进行，杜瓦容器16与液氮供应装置连接，由液氮供应装置向杜瓦容器16内供应液氮并将杜瓦容器16填充，为脱氮处理S500提供适宜的低温环境。

其中，冷却处理S510包括：将经过脱水处理S300的粗氦冷却至预设冷却温度。作为优选，冷却处理S510包括第一级换热S511和第二级换热S512。

第一级换热S511包括：将经过脱水处理S300的粗氦冷却至中间换热温度。本实施例中，第一级换热S511在主换热器10中进行，主换热器10设置于杜瓦容器16内，主换热器10与粗氦压缩机9连接。经过粗氦压缩机9压缩的粗氦进入主换热器10中进行第一级换热S511，冷却至预设的中间换热温度。

第二级换热S512采用冷凝换热。第二级换热S512包括：将经过第一级换热S511的粗氦进行冷却换热，冷却至预设冷却温度。本实施例中，第二级换热S512在冷凝换热器11中进行，冷凝换热器11设置于杜瓦容器16内，冷凝换热器11与主换热器10连接。经过第一级换热S511之后的粗氦进入冷凝换热器11中进行冷凝换热，冷却至预设冷却温度，例如-205℃。

气液分离S520：将经过冷却处理S510得到的粗氦气液两相进行气液分离S520。本实施例中，气液分离S520在氮分离器12中进行，氮分离器12设置于杜瓦容器16内，氮分离器12与冷凝换热器11连接。在冷凝换热之后的粗氦气液两相进入氮分离器12中进行气液分离S520。

另外，高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括回收步骤S530。回收步骤S530包括原料气回收S531和液氮再利用S532。本实施例中，回收步骤S530由闪蒸罐13完成，闪蒸罐13设置于杜瓦容器16内，闪蒸罐13与氮分离器12连接。闪蒸罐13将未充分提取的剩余的粗氦原料和气液分离S520得到的液氮进行回收。

其中，原料气回收S531包括：将经过气液分离S520所剩余的原料气进行换热，并将换热后的原料气返回进行粗氦脱氢。本实施例中，气液分离S520所剩余的原料气进行换热是在主换热器10中进行的，另外主换热器10与脱氢催化炉1之间通过回收压缩机17连接，回收压缩机17将换热后的原料气通入脱氢催化炉1重新进行粗氦原料脱氢S200。

液氮再利用S532包括：将经过气液分离S520得到的液氮进行再利用。本实施例中，闪蒸罐13设置于杜瓦容器16内，闪蒸罐13排出的液氮进入杜瓦容器16内进行液氮供应，实现液氮的再利用。

高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括粗氦气相吸附S540。粗氦气相吸附S540包括：对气液分离S520得到的粗氦气相进行吸附，除去杂质，得到纯氦。本实施例中，粗氦气相吸附S540在吸附器14中进行，吸附器14设置于杜瓦容器16内，吸附器14与闪蒸罐13连接。经过闪蒸罐13的粗氦气相进入吸附器14内吸附，进一步除去杂质，得到纯氦。另外，吸附器14连接有电加热器15，通过电加热器15对吸附器14完成吸附器14再生。

另外，高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括纯氦复热S550。纯氦复热S550包括：将粗氦气相吸附S540得到的纯氦进行加热。本实施例中，纯氦复热S550在主换热器10中进行，主换热器10与吸附器14连接，这样能够充分利用装置，减小系统的体积。

可以理解，上述的冷凝吸附脱水S310单元包括冷却器2、气水分离器3、干燥器4、再生气加热器5、再生气冷却器6以及再生气分离器7。冷凝吸附脱氮单元包括杜瓦容器16、主换热器10、冷凝换热器11、氮分离器12、闪蒸罐13以及吸附器14和吸附器14再生时的电加热器15。并且，由原料供应S100单元、脱氢催化炉1、冷凝吸附脱水S310单元、冷凝吸附脱氮单元和循环压缩机8可构成高含氢粗氦提取高纯氦精制系统。高含氢粗氦提取高纯氦精制系统作为本实施例的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺的执行装置。

综上，本实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺大大提高了氦气提取的效率，能够实现更高的经济效益。从液化天然气大罐的富含氦的闪蒸气提取出含70％以上氦气的粗氦，同时粗氦中氢含量高于7％作为原料气时，采用本实施例提供的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺可得到纯度达99.999％的高纯氦。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，其特征在于，包括：

粗氦原料脱氢：除去粗氦原料中的氢；其中，粗氦原料进入脱氢催化炉中进行单级催化反应；

脱水处理：将经过脱氢的粗氦进行脱水；

脱氮处理：将经过脱水处理的粗氦进行脱氮；

所述脱水处理包括冷凝吸附脱水，所述冷凝吸附脱水包括：在所述粗氦原料脱氢之后依次进行的冷却催化放热、气水分离和吸附脱水干燥；

所述脱水处理还包括再生循环处理，所述再生循环处理包括：

将经过所述吸附脱水干燥的一部分粗氦原料作为再生气，对所述再生气进行再生处理，并将再生处理后的再生气返回进行所述粗氦原料脱氢；

所述再生循环处理包括依次进行的再生气加热、再生处理、再生气冷却以及再生气分离；

所述再生气加热包括：对经过所述吸附脱水干燥的所述再生气进行加热；

所述再生处理包括：将所述再生气进行再生处理；

所述再生气冷却包括：将经过所述再生处理得到的循环气进行冷却；

所述再生气分离包括：将经过所述再生气冷却的循环气和冷却水进行分离，并将分离后得到的循环气返回进行所述粗氦脱氢；

所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括粗氦压缩；

所述粗氦压缩包括：将所述脱水处理后的粗氦进行压缩，直至预设气压；其中，所述粗氦压缩在粗氦压缩机中进行，粗氦经粗氦压缩机压缩至19MPa；

所述脱氮处理包括冷凝吸附脱氮，所述冷凝吸附脱氮包括冷却处理和气液分离；所述脱氮处理在杜瓦容器中进行，所述杜瓦容器与液氮供应装置连接，由所述液氮供应装置向所述杜瓦容器内供应液氮并将所述杜瓦容器填充；

所述冷却处理包括：将经过所述脱水处理的粗氦冷却至预设冷却温度；

所述冷却处理包括第一级换热和第二级换热；

所述第一级换热包括：将经过所述脱水处理的粗氦冷却至中间换热温度；其中，所述第一级换热在主换热器中进行，所述主换热器设置于杜瓦容器内，所述主换热器与所述粗氦压缩机连接；

所述第二级换热采用冷凝换热，所述第二级换热包括：将经过所述第一级换热的粗氦进行冷却换热，冷却至所述预设冷却温度；其中，所述第二级换热在冷凝换热器中进行，所述冷凝换热器设置于所述杜瓦容器内，所述冷凝换热器与所述主换热器连接；

所述气液分离：将经过所述冷却处理得到的粗氦气液两相进行气液分离；其中，所述气液分离在氮分离器中进行，所述氮分离器设置于所述杜瓦容器内，所述氮分离器与所述冷凝换热器连接。

2.根据权利要求1所述的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，其特征在于，所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括粗氦气相吸附；

所述粗氦气相吸附包括：对所述气液分离得到的粗氦气相进行吸附，除去杂质，得到纯氦。

3.根据权利要求2所述的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，其特征在于，所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括纯氦复热；

所述纯氦复热包括：将所述粗氦气相吸附得到的纯氦进行加热。

4.根据权利要求1所述的高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺，其特征在于，所述高含氢粗氦提取高纯氦精制工艺还包括原料气回收；

所述原料气回收包括：将经过所述气液分离所剩余的原料气进行换热，并将换热后的原料气返回进行所述粗氦脱氢。