CN112023618A - 一种粗氦精制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明粗氦精制技术领域，具体涉及一种粗氦精制系统，包括催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统；其中催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统通过管道依次连接；精制方法为：催化脱氢、干燥、中压低温冷凝、常温变压吸附、纯氦压缩储存；本发明在以粗氦为原料气生产纯氦时，在保证产品质量与现有工艺相同的情况下，提供产品总收率，降低装置的操作压力，减少整个装置的液氮消耗，避免低温切换，增加装置的可操作性。

Description

一种粗氦精制系统及方法
技术领域
本发明涉及氦制备技术领域，具体的说，是一种粗氦精制系统及方法。
背景技术
氦的精制(纯化)是天然气提氦过程中必不可少的重要环节，承担将粗氦(一般含He：50％-70％)加工到纯氦(一般要求He＞99.995％)的任务。粗氦中的主要包括杂质包括氖、氢、氧氩、氮甲烷、一氧化碳、二氧化碳等，氦精制(纯化)过程主要包括催化氧化脱氢、压缩、干燥、冷凝、吸附等过程。而吸附过程有低温吸附和变压吸附之分，国内外普遍现有装置采取“高压低温冷凝+低温吸附变温解吸”的方案。
现有技术存在以下的缺点
1)设备操作压力高，需要在高压(10-20Mpag)下工作，对高压下“低温-高温”阀门的可靠运行要求高，对高压下多股流换热要求高，存在高低压切换操作，操作较繁琐且存在潜在风险；
2)长期以来，现有工艺的主要换热难以合理，由于切换损失和吸附热的影响，吸附后低温纯氦的冷量难以有效回收，造成液氮消耗高；
3)在不需要高压氦气产品时，(比如需生产液氦产品)则又需要将高压粗氦减压，这在一定程度存在压力能利用不合理的问题；
发明内容
本发明的目的在于提供一种粗氦精制系统及方法，在以粗氦为原料气生产纯氦时，在保证产品质量与现有工艺相同的情况下，提供产品总收率，降低装置的操作压力，减少整个装置的液氮消耗，避免低温切换，增加装置的可操作性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种粗氦精制系统，包括催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统；其中催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统通过管道依次连接。
催化脱氢系统：用化学方法脱除后续工艺无法处理的杂质氢；
中压低温冷凝系统：用于脱除大部分的杂质，并且有效控制和稳定进入变压吸附装置的杂质含量；有效减少变压吸附中难脱除组分(氧氩等)的含量，有利于变压吸附产品质量稳定；
常温变压吸附系统：用于进一步提纯粗氦，以达到纯氦产品。
传统的高压低温冷凝吸附改为中压低温冷凝和变压吸附，减少了压缩到高压的能耗；降低设备操作压力。
进一步地，为了更好的实现本发明，还包括回收氦压缩系统，所述回收氦压缩系统分别与中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、催化脱氢系统连接。
回收氦压缩系统：用于回收变压吸附解吸气和中压低温冷凝系统所产生的回收氦并返回到催化脱氢系统中，起到预处理和提高产品总收率的作用。
本发明将变压吸附的解吸气返回催化脱氢的入口，在保证氦产品纯度的同时，有效地提高了系统氦产品的收率，减少了高附加值氦产品的损耗；解决了传统变压吸附提纯氦气在产品纯度较高时，产品收率较低的困难；
一种粗氦精制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将粗氦和压缩气体输入至催化脱氢系统进行脱氢处理,得到脱氢后的粗氦；
步骤S2：将脱氢后的粗氦输入至氦干燥系统进行干燥处理，得到干燥粗氦；其中；
步骤S3：将干燥后的粗氦输入至中压低温冷凝系统中，并在常压液氮温度下，将粗氦中的进行处理，得到浓缩氦、回收氦、杂质；并将杂质排出；
步骤S4：将浓缩氦输入至常温变压吸附系统中，同时将回收氦输入至回收氦压缩系统中，常温变压吸附系统将粗氦进行处理；得到纯氦和解吸气；
步骤S5：将纯氦输入至粗氦压缩储存系统进行压缩储存处理，并同时将解吸气输入至回收氦压缩系统中，经回收氦压缩系统处理后的回收氦解吸气输入至催化脱氢系统，完成精制。
进一步地，为了更好的实现本发明，步骤S1中，脱氢后，粗氦中的氢气的浓度为0～5ppm。
进一步地，为了更好的实现本发明，步骤S2中，干燥后，粗氦中的水的浓度为小于1ppm。
进一步地，为了更好的实现本发明，步骤S3中中压低温冷凝系统的压力为1-3MPa。
进一步地，为了更好的实现本发明，步骤S4中，常温变压吸附系统中的压力为1-3Mpag，温度常温。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明能够有效的实现在保证产品纯度的同时，提高系统产品氦的收率，有效降低装置的操作压力，减少液氮的切换损耗，降低整个装置的液氮消耗；将低温吸附改为常温下的变压吸附，吸附周期明显减少，确保低温冷凝连续进行，使得工艺装置的可操作性大大提高，且避免了低温切换操作，减少了切换操作的液氮消耗；避免低温切换，增加装置的可操作性。
本发明结构简单、实用性强。
附图说明
图1为本发明的连接示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种粗氦精制系统，包括催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统以及回收氦压缩系统，；其中催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统通过管道依次连接；回收氦压缩系统分别与中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、催化脱氢系统连接。中压低温冷凝系统的压力为1-3MPa常温变压吸附系统中的压力为1-3Mpag，温度为常温。
一种基于上述粗氦精制系统的精制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将粗氦和压缩气体输入至催化脱氢系统进行脱氢处理,得到脱氢后的粗氦；其中脱氢后，粗氦中的氢气的浓度为0～5ppm；并将脱氢处理过程中的水排出；
步骤S2：将脱氢后的粗氦输入至氦干燥系统进行干燥处理，排出水，得到干燥粗氦；其中，干燥后，粗氦中的水的浓度为小于1ppm；
步骤S3：将干燥后的粗氦输入至中压低温冷凝系统中，并在常压液氮温度下，将粗氦中的氦含量提高至80％～90％；得到浓缩氦和回收氦；
通过中压低温冷凝系统可以脱除大部分的杂质，例如N2、O2、CH4；有效稳定控制进入变压吸附装置的杂质含量，使得杂质的含量≤10％～20％，并能有效减少变压吸附中难脱除组分的含量，其中难脱除组分包括氧氩，有利于后学常温变压吸附系统中产品质量稳定。
步骤S4：将浓缩氦输入至常温变压吸附系统中，同时将回收氦输入至回收氦压缩系统中，常温变压吸附系统将粗氦中的氦含量提高至999.9％～99.995％；得到纯氦和解吸气；
步骤S5：将纯氦输入至粗氦压缩储存系统进行压缩储存处理，并同时将解吸气输入至回收氦压缩系统中，经回收氦压缩系统处理后的回收氦解吸气输入至催化脱氢系统，完成精制。
实施例2:
一种基于上述粗氦精制系统的精制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将粗氦和压缩气体输入至催化脱氢系统进行脱氢处理,得到脱氢后的粗氦；其中脱氢后，粗氦中的氢气的浓度为0～5ppm；
步骤S2：将脱氢后的粗氦输入至氦干燥系统进行干燥处理，得到干燥粗氦；其中，干燥后，粗氦中的水的浓度为1～2ppm；
步骤S3：将干燥后的粗氦和液氮分别输入至中压低温冷凝系统中，并在常压液氮温度下，将粗氦中的氦含量提高至80％～90％；得到浓缩氦和回收氦；中压低温冷凝系统的压力为1-3MPa；其中液氮变为气氮排出；
步骤S4：将浓缩氦输入至常温变压吸附系统中，同时将回收氦输入至回收氦压缩系统中，常温变压吸附系统将粗氦中的氦含量提高至999.9％～99.995％；得到纯氦和解吸气；其中常温变压吸附系统中的压力为1-3MPa，温度为常温；
步骤S5：将纯氦输入至粗氦压缩储存系统进行压缩储存处理，并同时将解吸气输入至回收氦压缩系统中，经回收氦压缩系统处理后的回收氦解吸气输入至催化脱氢系统，完成精制。
实施例3：
本实施例以粗氦气量260m3/h,进装置压力2200Kpag为例，根据已有工程经验数据，对2种不同的粗氦精制工艺方案进行模拟计算，对比结果如表1所示；
Figure BDA0002596694480000041
由以上示例可以看出，通过本发明的“催化脱氢+干燥+低温冷凝+常温变压吸附”的工艺技术组合方案，减少了低温吸附过程，避免了低温切换操作，减少了切换操作的液氮消耗及吸附热对液氮消耗的影响，在一定程度上有效地减少了液氮的消耗，同时由于操作压力的降低，也降低了装置的能耗；设备的操作压力大幅降低，有利于多股流换热和阀门等选型；现有工艺在高压下工作，只能选用缠绕管式换热器，而本发明方案是在中压下工作，可选用换热效率高的铝板翅式换热器；现有工艺是“高压-低压、低温—高温”切换，阀门选型较困难，而该发明方案是中压—低压常温切换，阀门选型更容易，更易于实现自动化，且若后续的产品需要液化而不单是高压氦气时，有利于节能；将低温吸附改为常温下的变压吸附，吸附周期明显减少，确保低温冷凝连续进行，使得工艺装置的可操作性大大提高，且避免了低温切换操作，减少了切换操作的液氮消耗；变压吸附前的低温冷凝有预处理的作用，可以有效控制和稳定进入变压吸附装置的杂质含量，确保产品的纯度；变压吸附解吸气的循环确保了产品的总收率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种粗氦精制系统，其特征在于：包括催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统；其中催化脱氢系统、氦干燥系统、中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、纯氦压缩系统通过管道依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种粗氦精制系统，其特征在于：还包括回收氦压缩系统，所述回收氦压缩系统分别与中压低温冷凝系统、常温变压吸附系统、催化脱氢系统连接。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种粗氦精制系统及方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：将粗氦和压缩气体输入至催化脱氢系统进行脱氢处理,得到脱氢后的粗氦；
步骤S2：将脱氢后的粗氦输入至氦干燥系统进行干燥处理，得到干燥粗氦；其中；
步骤S3：将干燥后的粗氦输入至中压低温冷凝系统中，并在常压液氮温度下，将粗氦中的进行处理，得到浓缩氦、回收氦、杂质；并将杂质排出；
步骤S4：将浓缩氦输入至常温变压吸附系统中，同时将回收氦输入至回收氦压缩系统中，常温变压吸附系统将粗氦进行处理；得到纯氦和解吸气；
步骤S5：将纯氦输入至粗氦压缩储存系统进行压缩储存处理，并同时将解吸气输入至回收氦压缩系统中，经回收氦压缩系统处理后的回收氦解吸气输入至催化脱氢系统，完成精制。
4.根据权利要求3所述的一种粗氦精制系统及方法，其特征在于：步骤S1中，脱氢后，粗氦中的氢气的浓度为0～5ppm。
5.根据权利要求4所述的一种粗氦精制系统及方法，其特征在于：步骤S2中，干燥后，粗氦中的水的浓度小于1ppm。
6.根据权利要求5所述的一种粗氦精制系统及方法，其特征在于：步骤S3中中压低温冷凝系统的压力为1-3MPa。
7.根据权利要求6所述的一种粗氦精制系统及方法，其特征在于：步骤S4中，常温变压吸附系统中的压力为1-3Mpag，温度为常温。
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