CN111715028B - 一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺 - Google Patents

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Abstract

一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，属于气体分离回收领域。该工艺从生产多元化氦气产品和氦气高收率的角度出发，将膜分离技术和吸附技术耦合联用，实现技术优势互补高收率生产不同浓度的氦气产品。首先低浓度的含氦气体经升压和预处理后进入二级+二段膜分离单元，经膜分离单元逐级浓缩生产中等浓度的氦气产品，其中一部分中等浓度的氦气进入到吸附单元进一步提浓生产A级以上氦气产品。膜分离单元富氦尾气多级循环利用以保证较高的氦气回收率，膜分离单元的富氮尾气与吸附单元解析气混合作为驱油气或排空。本发明提供的工艺具有设备占地小和运行能耗低等优点，可同步生产满足家用电器制冷等领域需要的90vol％氦气浓度富氦产品和用于化学化工、半导体等行业的A级氦产品，同时氦气的回收率超过99％。

Description

一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺
技术领域
本发明属于气体分离回收领域，涉及一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺。
具体涉及膜耦合法提纯氦气分离回收工艺。
背景技术
氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一，广泛应用于科研、航天航空、制冷、医疗、光纤、检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接生产等领域。因此，在保护有限氦气资源的同时，研究开发先进的提氦技术对于提高氦气生产的经济性、保障国家用氦安全具有重要意义。
在各领域实际应用中，对氦气产品的纯度要求为85vol％～99.999vol％，现阶段传统的氦气分离提纯回收工艺主要有深冷法、变压吸附法、膜分离法。三种工艺均能够得到高浓度的高纯氦气，但存在着氦气产品单一、回收率低、设备投资高、运行能耗高等问题。因此，在氦气生产过程中急需开发一种各类技术优势互补的优化耦合工艺，进而实现较低成本高收率地生产多元化氦气产品。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺。该工艺首先利用膜分离工艺对含氦原料气进行初步浓缩，浓缩后的含氦气体一部分直接用于家用电器制冷、低温超导等领域作为产品使用，一部分进入到吸附单元进行氦气精制生产A 级以上氦气，以解决传统单一工艺产品单一问题；同时通过膜分离单元二级+二段的优化设计，实现多级含氦气体循环利用，解决传统工艺氦气回收率低的问题。通过两种工艺耦合优化，实现膜技术和吸附技术优势互补，进而降低氦气的生产成本。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，基于氦气提纯分离回收耦合系统实现，氦气提纯分离回收耦合系统包括：压缩机单元、预处理单元、膜分离单元和吸附单元PSA。所述压缩机单元包括第一压缩机K-1、第二压缩机K-2；所述预处理单元包括第一预处理单元 PR-1、第二预处理单元PR-2；所述膜分离单元为中空纤维膜组件、平板膜组件、管式膜组件或卷式膜组件，包括第一膜分离单元M-1、第二膜分离单元M-2、第三膜分离单元M-3，具体工艺如下：
首先，含氦原料气f-1与循环气f-10混合后经第一压缩机K-1升压后，进入第一预处理单元PR-1，经第一预处理单元PR-1去除液雾及粉尘，并将温度调节至40～100℃后的含氦气体f-2进入到第一膜分离单元M-1；
其次，根据不同气体在膜中渗透速率不同，含氦气体f-2经第一膜分离单元M-1分成两股物流：初步浓缩的富氦渗透气f-3和渗余气f-4；所述初步浓缩的富氦渗透气f-3(优先透过膜分离单元的气体)经第二压缩机K-2升压后，进入第二预处理单元PR-2，经第二预处理单元PR-2去除液雾及粉尘，并将温度调节至40～100℃后，进入到第二膜分离单元M-2；所述第一膜分离单元M-1的渗余气f-4进入到第三膜分离单元M-3入口；
再次，根据不同气体在膜中渗透速率不同，第二膜分离单元M-2将流股f-5分成两股物流：渗余气f-6和再次浓缩的富氦渗透气f-7；再次浓缩的富氦渗透气f-7一部分作为中等氦气浓度产品气去外界，一部分进入到吸附单元PSA进一步提浓生产A级以上氦气，第二膜分离单元M-2的渗余气f-6和第一膜分离单元M-1渗余气f-4混合后进入第三膜分离单元M-3；
最后，混合后的流股f-9经第三膜分离单元M-3分为两股物流：渗透气f-10和渗余气f-11；所述渗透气f-10返回到第一压缩机K-1入口循环利用，渗余气f-11与吸附单元解析气f-8混合排出界区。
进一步，所述的中空纤维膜组件、平板膜组件、管式膜组件或卷式膜组件为有机膜、无机膜或有机-无机杂化膜。
进一步，所述膜材料为聚酰亚胺等玻璃态聚合物、聚二甲基硅氧烷等橡胶态聚合物或分子筛等无机制膜材料。
进一步，所述的预处理单元为分液器、换热器、精密过滤器和除雾器等。
本发明的有益效果：本发明提供了一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，利用膜分离单元和吸附单元对含氦气体进行逐级提浓，实现膜分离工艺和吸附工艺优势互补，使其在各自工艺适宜的条件下操作，进而降低氦气生产成本。与此同时，二次提浓后的第二膜分离单元M-2的渗透气可作为家用电器制冷、低温超导等领域所需氦气产品，同时将部分第二膜分离单元M-2的渗透气再经吸附单元进行精制生产A级以上氦气产品，从而实现氦气产品多元化满足各应用领域对不同浓度氦气产品的需求。在耦合工艺优化过程中通过对第二膜分离单元M-2和第一膜分离单元M-1的贫氦渗余气进一步通过第三膜分离单元M-3提浓，并实现第三膜分离单元M-3的渗透气循环利用，极大程度提高了氦气的回收率。以含氦4.95 vol％的低浓度含氦尾气为例，采用本发明提供的氦气回收工艺，可使第二膜分离单元M-2渗透侧的氦气产品浓度达到85vol％以上，吸附精制单元的富氦气产品纯度达到A级以上，氦回收率达到99％以上。
附图说明
图1是产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺的原则流程。
图中：K-1第一压缩机，K-2第二压缩机，PR-1第一预处理单元，PR-2第二预处理单元，M-1第一膜分离单元，M-2第二膜分离单元，M-3第三膜分离单元，PSA吸附单元。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，基于氦气提纯分离回收耦合系统实现，氦气提纯分离回收耦合系统包括：压缩机单元、预处理单元、膜分离单元和吸附单元PSA。所述压缩机单元包括第一压缩机单元K-1、第二压缩机单元K-2；所述预处理单元包括第一预处理单元PR-1、第二预处理单元PR-2；所述膜分离单元为中空纤维膜组件、平板膜组件、管式膜组件或卷式膜组件，包括第一膜分离单元M-1、第二膜分离单元M-2、第三膜分离单元 M-3，具体实施例如下：
采用本发明提供的分离回收工艺处理的低浓度含氦尾气为常规的液化天然气外排尾气，其含氦尾气流量为500Nm3/h。含氦尾气的压力为100KPaG，温度为40℃，氦气含量为4.95vol％，氮气含量12.74vol％，甲烷含量82.31vol％；
含氦原料气f-1与循环气f-10混合后经第一压缩机K-1升压后，进入第一预处理单元PR-1，经第一预处理单元PR-1去除液雾及粉尘，并将温度调节至40～100℃后的含氦气体f-2 进入到第一膜分离单元M-1。进入到第一膜分离单元M-1的含氦气体f-2经第一膜分离单元 M-1分成两股物流：初步浓缩的富氦渗透气f-3和渗余气f-4；所述初步浓缩的富氦渗透气f-3 经第二压缩机K-2升压后，进入第二预处理单元PR-2，经第二预处理单元PR-2去除液雾及粉尘，并将温度调节至40～100℃后，进入到第二膜分离单元M-2；所述渗余气f-4进入到第三膜分离单元M-3入口。流股f-5经第二膜分离单元M-2被分成两股物流：渗余气f-6和再次浓缩的富氦渗透气f-7；再次浓缩的富氦渗透气f-7一部分作为中等氦气浓度产品，一部分进入到吸附单元PSA进一步提浓生产A级以上氦气，第二膜分离单元M-2的渗余气f-6和第一膜分离单元渗余气f-4混合后进入第三膜分离单元M-3；混合后的流股f-9经第三膜分离单元M-3分为两股物流：渗透气f-10和渗余气f-11；渗透气f-10返回到第一压缩机K-1入口循环利用，渗余气f-11与吸附单元解析气f-8混合排出界区作为驱油气等使用或排空。
经压缩机(K-1)升压及预处理单元(PR-1)处理后进入膜分离单元的颗粒及液雾粒径均小于0.01um，温度为75℃，压力为2.3MPaG。
经压缩机(K-2)升压及预处理单元(PR-2)处理后进入膜分离单元的颗粒及液雾粒径均小于0.01um，温度为75℃，压力为2.4MPaG。
第一膜分离单元M-1，第二膜分离单元M-2和第三膜分离单元M-3所使用的中空纤维膜组件均为玻璃态聚酰亚胺膜。
膜分离单元内部循环流股：f-10流股含氦浓度为5.19vol％。
在该实施案例中，氦气产品气1含氦94.72vol％，氦气产品气2含氦99.99vol％，回收率达到99％。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，其特征在于，所述分离提纯耦合工艺基于氦气提纯分离回收耦合系统实现，耦合系统的组成为：压缩机单元、预处理单元、膜分离单元和吸附单元PSA；所述压缩机单元包括第一压缩机K-1、第二压缩机K-2；所述预处理单元包括第一预处理单元PR-1、第二预处理单元PR-2；所述膜分离单元包括第一膜分离单元M-1、第二膜分离单元M-2、第三膜分离单元M-3，具体工艺过程如下：
首先，含氦原料气f-1与循环气f-10混合后经第一压缩机K-1升压后，进入第一预处理单元PR-1，经第一预处理单元PR-1去除液雾及粉尘，并将温度调节至40～100℃后的含氦气体f-2进入到第一膜分离单元M-1；
其次，根据不同气体在膜中渗透速率不同，含氦气体f-2经第一膜分离单元M-1分成两股物流：初步浓缩的富氦渗透气f-3和渗余气f-4；所述初步浓缩的富氦渗透气f-3经第二压缩机K-2升压后，进入第二预处理单元PR-2，经第二预处理单元PR-2去除液雾及粉尘，并将温度调节至40～100℃后，进入到第二膜分离单元M-2，其中，富氦渗透气f-3为优先透过膜分离单元的气体；所述渗余气f-4进入到第三膜分离单元M-3入口；
再次，第二膜分离单元M-2将流股f-5分成两股物流：渗余气f-6和再次浓缩的富氦渗透气f-7；再次浓缩的富氦渗透气f-7一部分作为中等氦气浓度产品气去外界，一部分进入到吸附单元PSA进一步提浓生产A级以上氦气，第二膜分离单元M-2的渗余气f-6和第一膜分离单元渗余气f-4混合后进入第三膜分离单元M-3；
最后，混合后的流股f-9经第三膜分离单元M-3分为两股物流：渗透气f-10和渗余气f-11；所述渗透气f-10返回到第一压缩机K-1入口循环利用，渗余气f-11与吸附单元解析气f-8混合排出界区。
2.根据权利要求1所述的一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，其特征在于，所述的膜分离单元为中空纤维膜组件、平板膜组件、管式膜组件或卷式膜组件。
3.根据权利要求2所述的一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，其特征在于，所述的中空纤维膜组件、平板膜组件、管式膜组件或卷式膜组件为有机膜、无机膜或有机-无机杂化膜。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种产品多元化的氦气高收率分离提纯耦合工艺，其特征在于，所述的预处理单元为分液器、换热器、精密过滤器和除雾器。
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