CN112811402A - 一种水合物法集成提氦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种水合物法集成提氦的装置,涉及天然气提氦技术领域,包括用于脱除CO2与H2S的CO2‑H2S水合物生成塔和CO2‑H2S水合物分解器,用于脱除天然气的天然气水合物生成塔和天然气水合物分解器,用于脱除氢气的催化脱氢反应器以及用于脱除氮气的变压吸附装置。本发明利用天然气各组分形成水合物的条件不同实现提氦,与深冷法利用天然气各组分沸点差异和膜法利用膜对天然气各组分渗透性差异提氦的原理均不同。本发明利用CO2‑H2S水合物和天然气水合物在常温下生成的特点,避免在低温下提取粗氦,降低设备能耗,同时将水合物工艺和变压吸附工艺集成,得到氦气、氮气和天然气三种产品,提升工艺经济价值,克服传统提氦工艺低温运行、产品较少的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及天然气提氦技术领域,具体涉及一种水合物法集成提氦装置。
背景技术
氦气在标况下是一种无色、无味、无毒的惰性气体,难以与其他物质反应。同时氦气具有独特的物理性质:沸点低(4.2K)、临界温度低(5.15K)和临界压力低(0.226MPa),这使得氦气难以液化,也使液氦在气化过程中能释放巨大的冷能。因此在航空航天、核武器、潜艇、半导体、光纤等国防、工业、科技领域发挥了不可替代的作用,成为国防军工和高科技发展不可或缺的重要气体之一。但是,氦气作为一种不可再生资源,在自然界中含量极低,这为氦资源的生产带来了巨大的挑战。大气中的氦含量为0.0005%,使得空气分离法提氦的成本极为高昂,目前基本不采用该方法。而油气田天然气中氦的含量分布范围为0.0037%~10%,极个别气田的氦含量可高达8%左右。因此,天然气是全球氦资源的主要来源。基于此,需要一套天然气提氦的工艺装置。
但是,天然气中的氦含量较氮气、乙烷等组分的含量低得多,我国天然气氦含量仅为0.2%左右,提氦工艺较其他气体分离工艺能耗大,经济效益差。而现有的天然气提氦技术中,深冷法、膜分离法等方法是目前主要采用的提氦方法,如CN102937369A、CN111974175A等专利,这些方法都能实现高收率地提氦,但是都存在局限,具体表现为以下两个方面:第一:深冷法利用天然气中与氦气的沸点不同的特性实现粗氦与天然气的分离,但是天然气沸点为-162℃,为了液化天然气需要使装置温度低于-162℃,消耗大量能量,且装置运行温度低也对设备的稳定性提出了挑战;第二:膜分离法利用渗透膜对氦气与甲烷有不同的渗透性实现粗氦的提取,但是,由于天然气氦含量很低,需要扩大膜面积、设置多级渗透膜或者增大膜两侧的压差来提高氦的收率,这使得膜材料消耗大,能量消耗大,且因为膜价格昂贵,使得运行费用一直居高不下。分析发现,以上提氦技术都局限于能耗高,提氦经济效益差的困境。本装置充分考虑已有提氦装置的不足,将水合物法和变压吸附法相集成,利用天然气中各组分在不同的温度和压力下会形成水合物的原理实现气体分离,可避免设备工作在深冷温度,且水合物生成需要的压力低,不需要刻意提高装置的运行压力,能耗减少,在保证氦气收率的同时克服了传统提氦工艺装置能耗大、设备性能要求高、运行费用高的缺点,提高了天然气提氦经济效益。
发明内容
本发明的目的是:为了提供一种水合物法集成提氦装置,可以集成水合物法和变压吸附法技术,实现高效提取天然气中的氦气,简化工艺流程,降低能量损耗,使所提取的氦气达到国家相关产品要求。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是:一种水合物法集成提氦装置,包括粗氦提取系统和粗氦精制系统:所述粗氦提取系统,包括原料气干燥器1、原料气压缩机2、原料气换热3、CO2-H2S水合物生成塔5、膨胀机6、CO2-H2S水合物分解器7、第一天然气水合物生成塔8、第一天然气水合物分解器9、第二天然气水合物生成塔10、第二天然气水合物分解器11,原料气进入原料气干燥器1,确保进入工艺的原料气无水蒸气残留,原料气干燥器1顶端出口与原料气压缩机2连接加压,原料气干燥器1底部出口与原料气换热器3底部进口连接,分离出的水进入原料器换热器3为原料气提供冷量,原料气压缩机2与原料气换热器3中间进口连接,原料气在原料气换热器3中换热降温,原料气换热器3中间出口与CO2-H2S水合物生成塔5下端进口连接,原料气中的CO2和H2S在CO2-H2S水合物生成塔5内生成CO2-H2S水合物,CO2-H2S水合物生成塔5底部出口与CO2-H2S水合物分解器7连接,生成的水合物浆液送入CO2-H2S水合物分解器7受热分解,CO2-H2S水合物生成塔5顶端出口与膨胀机6连接,膨胀机6与原料气换热器3顶端进口连接,脱酸后的原料气减压,满足天然气水合物的生成条件,并为原料气换热器3提供冷量,原料气换热器3顶端出口与第一天然气水合物生成塔8下端进口连接,第一天然气水合物生成塔8顶端出口与第二天然气水合物生成塔10下端进口连接,原料气中的甲烷、乙烷组分在第一天然气水合物生成塔8和第二天然气水合物生成塔10内生成天然气水合物,第一天然气水合物生成塔8底部出口与第一天然气水合物分解器9连接,第二天然气水合物生成塔10底部出口与第二天然气水合物分解器11连接,生成的水合物送入第一天然气水合物分解器9和第二天然气水合物分解器11分解;所述粗氦精制系统,包括粗氦换热器14、催化脱氢反应器15、第一冷却器16、粗氦干燥器17、粉尘过滤器18、变压吸附装置19、氦气压缩机20、氦气冷却器21,第二天然气水合物生成塔10顶端出口与粗氦换热器14冷气进口连接,粗氦换热升温达到脱氢条件,粗氦换热器14冷气出口与催化脱氢反应器15连接,粗氦中的氢气与氧气混合在催化脱氢反应器15中生成水,催化脱氢反应器15与粗氦换热器14热气进口连接,粗氦换热器14热气出口与第一冷却器16连接,含饱和水汽的粗氦经过粗氦换热器14和第一冷却器16冷却,第一冷却器16与粗氦干燥器17连接,催化脱氢反应器15中生成的水在粗氦干燥器17中分离,粗氦干燥器17顶端出口与粉尘过滤器18连接,粉尘过滤器18与变压吸附装置19连接,粗氦中的氮气被变压吸附装置19吸附,变压吸附装置19与氦气压缩机20连接,变压吸附装置19产生的氮气外输,氦气压缩机20与氦气冷却器21连接,加压降温后满足高纯氦气的气瓶储存要求,外输高纯氦气。
优选的,所述CO2-H2S水合物生成塔5、第一天然气水合物生成塔8与第二天然气水合物生成塔10内均设有聚结过滤器,确保出塔气体不含有水滴,质量分数为0.05%的SDS溶液通过SDS溶液流量调节阀25进入CO2-H2S水合物生成塔5,质量分数为0.02%的SDBS溶液分别通过第一SDBS溶液流量调节阀26、第二SDBS溶液流量调节阀27进入第一天然气水合物生成塔8与第二天然气水合物生成塔10,SDS溶液和SDBS溶液都属于水合物动力学促进剂,能有效减少水合物的生成时间。
优选的,所述CO2-H2S水合物分解器7、第一天然气水合物分解器9与第二天然气水合物分解器11连接有外部换热管线供热,CO2-H2S水合物分解器7分解后的余溶液送至SDS溶液回收单元,分解的CO2和H2S送至酸气处理单元,第一天然气水合物分解器9与第二天然气水合物分解器11分解后的余溶液送至SDBS溶液回收单元,分解的天然气外输。
优选的,温度为1℃的低温水经截止阀4与原料气干燥器1出液混合后与通过原料气换热器3底部进口进入,原料气换热器3出液与CO2-H2S水合物分解器7换热降温,再经第一流量调节阀12、第二流量调节阀13分流后分别与第一天然气水合物分解器9、第二天然气水合物分解器11换热降温进入缓冲罐22,粗氦干燥器17底部出液进入缓冲罐22,缓冲罐22出液经第二冷却器23降温和流量计24计量后循环至原料气换热器3,热量在各设备间有效传递,降低能源消耗。
优选的,所述CO2-H2S水合物分解器7、第一天然气水合物分解器9与第二天然气水合物分解器11的余溶液经溶液回收单元处理后循环利用。
优选的,所述外部换热管线内介质的加热方式为“光热+空气源+电加热”,介质与水合物分解器换热降温后循环至外部加热处理。
优选的,所述原料气干燥器1与粗氦干燥器17可为分子筛脱水器。
优选的,所述变压吸附装置19为多级变压吸附装置。
优选的,所述氦气压缩机20可为膜压机。
优选的,所述一种水合物法集成提氦装置中最高压力为4MPa左右,在常温且不添加热力学促进剂的情况下,氮气水合物的生成压力为14.3MPa,氢气水合物生成压力为200MPa,氦气水合物生成压力为280MPa,在装置中难以生成氮气水合物、氢气水合物和氦气水合物。
本发明由于采取以上技术方案,可以达到以下有益效果:
(1)本发明通过将水合物法集成到提氦的流程中,在提氦的同时得到天然气和氮气,丰富了产品种类,提高了经济效益;
(2)利用换热后的水为CO2-H2S水合物分解器7、第一天然气水合物分解器9与第二天然气水合物分解器11提供热量,膨胀后的脱酸气为原料气换热器3提供冷量,脱氢后的粗氦为粗氦换热器14提供热量,实现了能量的多级重复利用;
(3)本装置工艺流程简单,不仅降低了装置能耗,而且降低了设备投资与操作费用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的流程示意图。
图中:1原料气干燥器、2原料气压缩机、3原料气换热器、4截止阀、5CO2-H2S水合物生成塔、6膨胀机、7CO2-H2S水合物分解器、8第一天然气水合物生成塔、9第一天然气水合物分解器、10第二天然气水合物生成塔、11第二天然气水合物分解器、12第一流量调节阀、13第二流量调节阀、14粗氦换热器、15催化脱氢反应器、16第一冷却器、17粗氦干燥器、18粉尘过滤器、19变压吸附装置、20氦气压缩机、21氦气冷却器、22缓冲罐、23第二冷却器、24流量计、25SDS溶液流量调节阀、26第一SDBS溶液流量调节阀、27第二SDBS溶液流量调节阀。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种水合物法集成提氦装置,包括1原料气干燥器、2原料气压缩机、3原料气换热器、4截止阀、5CO2-H2S水合物生成塔、6膨胀机、7CO2-H2S水合物分解器、8第一天然气水合物生成塔、9第一天然气水合物分解器、10第二天然气水合物生成塔、11第二天然气水合物分解器、12第一流量调节阀、13第二流量调节阀、14粗氦换热器、15催化脱氢反应器、16第一冷却器、17粗氦干燥器、18粉尘过滤器、19变压吸附装置、20氦气压缩机、21氦气冷却器、22缓冲罐、23第二冷却器、24流量计、25SDS溶液流量调节阀、26第一SDBS溶液流量调节阀、27第二SDBS溶液流量调节阀。
实施例:根据说明书附图1可知,原料气(15℃,3.5MPa)主要成分为甲烷85.16%,乙烷1.36%,氮气11.18%,二氧化碳1.95%,氦气0.30%,水0.03%,氢气0.01%,硫化氢0.01%,经原料气干燥器1脱水后由原料气压缩机2加压至4MPa,打开截止阀4,脱出的水与经过截止阀4的适量1℃左右的水混合后进入原料气换热器3与原料气和脱酸气体换热升温至18℃,而原料气在降温至8℃后从下端进口进入CO2-H2S水合物生成塔5,适量质量分数为0.05%的SDS溶液从上端进口进入CO2-H2S水合物生成塔5,SDS溶液流量由SDS溶液流量调节阀25控制,在塔内压力环境下,天然气水合物生成温度为5.4℃,CO2-H2S水合物生成温度为9.74℃,CO2-H2S水合物在塔内生成,出塔的脱酸气体通入膨胀机6降温降压(-14℃,2.8MPa),CO2-H2S水合物生成塔5生成的CO2-H2S水合物浆液送入CO2-H2S水合物分解器7,分解后的CO2和H2S输送至酸气处理单元,余溶液输送至SDS溶液回收单元循环利用。
所述膨胀机6后脱酸气经原料气换热器3升温至1℃后依次从下端进口进入第一天然气水合物生成塔8和第二天然气水合物生成塔10,适量质量分数为0.02%的SDBS溶液从上端进口进入第一天然气水合物生成塔8和第二天然气水合物生成塔10,SDBS溶液流量由第一SDBS溶液流量调节阀26和第二SDBS溶液流量调节阀27控制,在塔内压力环境下,天然气水合物生成温度为2.8℃,原料气中甲烷、乙烷组分在塔内生成天然气水合物,出塔的粗氦通入粗氦换热器14升温,第一天然气水合物生成塔8与第二天然气水合物生成塔10生成的水合物浆液分别送入第一天然气水合物分解器9与第二天然气水合物分解器11,分解后的天然气外输,余溶液输送至SDBS溶液回收单元循环利用,经过原料气换热器3升温的水与CO2-H2S水合物分解器7换热,之后通过第一流量控制阀12、第二流量控制阀13分流后分别与第一天然气水合物分解器9、第二天然气水合物分解器11换热,再与粗氦干燥器17脱出的水混合进入缓冲罐22,缓冲罐22出液通过第二冷却器23降温至1℃后循环至原料气换热器3,当第二冷却器23后的流量计24计量的流量大于指定值后,关闭截止阀4。
所述经过粗氦换热器14升温的粗氦与适量氧气混合后进入催化脱氢反应器15,反应器出口气体温度达到200℃左右,然后经过粗氦换热器14和第一冷却器16降温至50℃,降温后的粗氦进入粗氦干燥器17脱水,在变压吸附装置19中脱除氮气,制备的精氦加压至14.5MPa后经过氦气冷却器21降温至40℃,降温后的高纯氦气外输。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (2)
1.一种水合物法集成提氦装置,包括原料气干燥器(1)、原料气压缩机(2)、原料气换热器(3)、CO2-H2S水合物生成塔(5)、膨胀机(6)、CO2-H2S水合物分解器(7)、第一天然气水合物生成塔(8)、第一天然气水合物分解器(9)、第二天然气水合物生成塔(10)、第二天然气水合物分解器(11)、第一流量调节阀(12)、第二流量调节阀(13)、粗氦换热器(14)、催化脱氢反应器(15)、第一冷却器(16)、粗氦干燥器(17)、粉尘过滤器(18)、变压吸附装置(19)、氦气压缩机(20)、氦气冷却器(21)、缓冲罐(22)、第二冷却器(23)、流量计(24),其特征在于,原料气进入原料气干燥器(1),原料气干燥器(1)顶端出口与原料气压缩机(2)连接,原料气干燥器(1)底部出口与原料气换热器(3)底部进口连接,原料气压缩机(2)与原料气换热器(3)中间进口连接,原料气换热器(3)中间出口与CO2-H2S水合物生成塔(5)下端进口连接,CO2-H2S水合物生成塔(5)底部出口与CO2-H2S水合物分解器(7)连接,CO2-H2S水合物生成塔(5)顶端出口与膨胀机(6)连接,膨胀机(6)与原料气换热器(3)顶端进口连接,原料气换热器(3)顶端出口与第一天然气水合物生成塔(8)下端进口连接,第一天然气水合物生成塔(8)底部出口与第一天然气水合物分解器(9)连接,第一天然气水合物生成塔(8)顶端出口与第二天然气水合物生成塔(10)下端进口连接,第二天然气水合物生成塔(10)底部出口与第二天然气水合物分解器(11)连接,第二天然气水合物生成塔(10)顶端出口与粗氦换热器(14)冷气进口连接,粗氦换热器(14)冷气出口与催化脱氢反应器(15)连接,催化脱氢反应器(15)与粗氦换热器(14)热气进口连接,粗氦换热器(14)热气出口与第一冷却器(16)连接,第一冷却器(16)与粗氦干燥器(17)连接,粗氦干燥器(17)顶端出口与粉尘过滤器(18)连接,粉尘过滤器(18)与变压吸附装置(19)连接,变压吸附装置(19)与氦气压缩机(20)连接,变压吸附装置(19)产生的氮气外输,氦气压缩机(20)与氦气冷却器(21)连接,降温后的高纯氦气外输。
2.如权利要求1所述的一种水合物法集成提氦装置,其特征在于,温度为1℃的低温水经截止阀(4)与原料气干燥器(1)出液混合后与原料气换热器(3)底部进口连接,原料气换热器(3)出液与CO2-H2S水合物分解器(7)换热降温,再经第一流量调节阀(12)、第二流量调节阀(13)分流后分别与第一天然气水合物分解器(9)、第二天然气水合物分解器(11)换热降温进入缓冲罐(22),粗氦干燥器(17)底部出口与缓冲罐(22)连接,缓冲罐(22)出液经第二冷却器(23)降温和流量计(24)计量后与原料气换热器(3)底部进口连接,该流程既控制了原料气进CO2-H2S水合物生成塔(5)的温度,又将原料气加压获得的热量以水作为介质传递给CO2-H2S水合物分解器(7)、第一天然气水合物分解器(9)与第二天然气水合物分解器(11)。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210518 |
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