CN114646187B - 一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统 - Google Patents

一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114646187B
CN114646187B CN202111078226.XA CN202111078226A CN114646187B CN 114646187 B CN114646187 B CN 114646187B CN 202111078226 A CN202111078226 A CN 202111078226A CN 114646187 B CN114646187 B CN 114646187B
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat exchange
exchange channel
helium
pipeline
iii
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111078226.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114646187A (zh
Inventor
李均方
张瑞春
何琳琳
刘盛鹏
高立新
邓晓峰
陈吉刚
王应海
章惠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Natural Gas Chemical Plant General of Petrochina Southwest Oil and Gasfield Co
Original Assignee
Chengdu Natural Gas Chemical Plant General of Petrochina Southwest Oil and Gasfield Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Natural Gas Chemical Plant General of Petrochina Southwest Oil and Gasfield Co filed Critical Chengdu Natural Gas Chemical Plant General of Petrochina Southwest Oil and Gasfield Co
Priority to CN202111078226.XA priority Critical patent/CN114646187B/zh
Publication of CN114646187A publication Critical patent/CN114646187A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114646187B publication Critical patent/CN114646187B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0204—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the feed stream
    • F25J3/0209—Natural gas or substitute natural gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B23/00—Noble gases; Compounds thereof
    • C01B23/001—Purification or separation processes of noble gases
    • C01B23/0036—Physical processing only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0228—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream
    • F25J3/0233—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of CnHm with 1 carbon atom or more
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0228—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream
    • F25J3/028—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of noble gases
    • F25J3/029—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of noble gases of helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F25J5/007—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger combined with mass exchange, i.e. in a so-called dephlegmator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/08—Processes or apparatus using separation by rectification in a triple pressure main column system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/40—Features relating to the provision of boil-up in the bottom of a column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/74—Refluxing the column with at least a part of the partially condensed overhead gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/40—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using hybrid system, i.e. combining cryogenic and non-cryogenic separation techniques
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/80—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using membrane, i.e. including a permeation step
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2220/00—Processes or apparatus involving steps for the removal of impurities
    • F25J2220/60—Separating impurities from natural gas, e.g. mercury, cyclic hydrocarbons
    • F25J2220/66—Separating acid gases, e.g. CO2, SO2, H2S or RSH
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/12—External refrigeration with liquid vaporising loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/42—Quasi-closed internal or closed external nitrogen refrigeration cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/66—Closed external refrigeration cycle with multi component refrigerant [MCR], e.g. mixture of hydrocarbons

Abstract

本发明公开了一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，包括通过管道连接的一级提氦单元、二级提氦单元和三级提氦单元，以及混合制冷系统、氮气制冷系统；一级提氦单元包括换热器Ⅰ、精馏塔Ⅰ以及分别设置于精馏塔Ⅰ塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ和重沸器Ⅰ；二级提氦单元包括换热器Ⅱ、精馏塔Ⅱ以及分别设置于精馏塔Ⅱ塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ和重沸器Ⅱ；三级提氦单元包括换热器Ⅲ、精馏塔Ⅲ以及分别设置于精馏塔Ⅲ塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ和重沸器Ⅲ。该系统采用混合冷剂循环制冷+三级精馏提氦的技术方案，简化了工艺流程、降低了装置能耗，弥补了传统提氦工艺经济性较差的缺陷，尤其适用于低含氦天然气的氦气提取。

Description

一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统
技术领域
本发明属于化工分离技术领域，涉及天然气提氦，具体涉及一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统。
背景技术
氦主要应用于低温、航天、电子工业、生物医疗、核设施等领域，是国家安全和高技术产业发展的基本物资之一。随着我国国民经济的发展，对氦的需求呈不断上升的趋势。然而，我国天然气资源总量贫乏，氦含量相对低下，氦生产水平远远不能满足科学技术、经济建设和国防军工发展的要求。
氦的制备方法主要包含以下四种：(1)天然气分离法；(2)空气法；(3)合成氨法；(4)铀矿石法。虽然空气中也有氦，但含量低于5ppm，氖氦分离困难，没有经济提取价值；从合成氨驰放气提氦，因为氢含量很高，氢氦分离困难，国内外均有过试验研究，但未见后续工业应用的报道；氦是放射性核衰变的产物，虽然在核爆炸反应中也有氦的产生，但并不是有价值的氦工业生产方法。因此，目前含氦天然气是工业化生产氦气的唯一来源。
天然气提氦的实质是对含氦混合气体的分离。成都天然气化工总厂荣县提氦装置是目前国内唯一实现工业化提氦利用的装置。装置采用后膨胀、氮气制冷循环、两塔低温精馏工艺来提取原料气天然气中的氦气，提氦工艺流程如图1所示。经脱碳脱水后的原料气经换热后进入一级提浓塔提取粗氦，塔底蒸发器热源由一小部分原料气提供，塔顶冷源由塔底液体节流后提供。经一次提浓后的含氦气体温度降低至约-130℃后，进入二级提浓塔。部分一次粗氦为二级提浓塔底蒸发器提供热源，塔顶冷凝器冷量依靠液氮蒸发提供。提浓塔底液体经换热膨胀，回收冷量后，增压外输。粗氦经过进一步的脱氢、脱氮操作后，压缩灌装到氦气储罐中。目前，形成了纯度99.995％的纯氦、99.999％的高纯氦、99.9995％的超纯氦和99.9999％的超高纯氦等多个系列的氦气产品。总的来说，该装置解决了国内从低含氦天然气中提取高纯度氦气的技术难题。
上述传统两塔低温提氦工艺要求原料气氦含量在0.18％以上，若原料天然气中的氦含量低于0.18％，则两塔低温提氦工艺存在塔顶冷凝器和塔底重沸器负荷偏大，从而造成能耗增高的问题。该提氦工艺采用膨胀机制冷，但由于增压透平的膨胀段和增压段对流量和压力和匹配要求较高，只适合于天然气压力流量基本恒定的情况，调整能力很小，若原料气流量大幅降低，则必须依靠大量回流来维持膨胀机正常运转，造成能耗增高。更进一步地，原料气中的CO2含量及脱除方法对轻烃回收及提氦装置工艺对投资、能耗、运行有重要影响，是研究的重点和难点之一。传统轻烃回收或者提氦装置对CO2的脱除一般采取醇胺法，存在投资大、能耗高、流程复杂的缺点。
综上所述，如何优化现有两塔低温提氦工艺，并与制冷方式和原料气预处理实现一体化，如何优化低含氦天然气提氦制冷方式，降低提氦能耗，提高装置变工况运行能力，如何简化脱CO2流程、提高装置经济性，是目前天然气提氦技术领域面临的重要挑战。
发明内容
针对现有天然气提氦技术中存在的投资大、能耗高、流程复杂等技术问题，本发明的目的旨在提供一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，该系统采用混合冷剂循环制冷+三级精馏提氦的技术方案，简化了工艺流程、降低了装置能耗，弥补了传统提氦工艺经济性较差的缺陷，尤其适用于低含氦天然气的氦气提取。
为达到上述目的，本发明提供的一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，包括通过管道连接的一级提氦单元、二级提氦单元和三级提氦单元，以及混合制冷系统、氮气制冷系统；
所述一级提氦单元包括换热器Ⅰ、精馏塔Ⅰ以及分别设置于精馏塔Ⅰ塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ和重沸器Ⅰ；所述二级提氦单元包括换热器Ⅱ、精馏塔Ⅱ以及分别设置于精馏塔Ⅱ塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ和重沸器Ⅱ；所述三级提氦单元包括换热器Ⅲ、精馏塔Ⅲ以及分别设置于精馏塔Ⅲ塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ和重沸器Ⅲ；
原料天然气进气管道与换热器Ⅰ连接，所述换热器Ⅰ、精馏塔Ⅰ、冷凝器Ⅰ、换热器Ⅱ、精馏塔Ⅱ、冷凝器Ⅱ、换热器Ⅲ、精馏塔Ⅲ与冷凝器Ⅲ依次连通，从而构成粗氦制取回路；所述精馏塔Ⅰ、重沸器Ⅰ与换热器Ⅰ连通，从而构成中压尾气外输回路；所述精馏塔Ⅱ、重沸器Ⅱ、换热器Ⅱ与换热器Ⅰ依次连通，所述精馏塔Ⅲ、重沸器Ⅲ、换热器Ⅲ、换热器Ⅱ与换热器Ⅰ依次连通，共同构成低压尾气外输回路；
所述混合制冷系统与换热器Ⅰ、换热器Ⅱ相连接，用于为一级提氦单元、二级提氦单元循环提供热量和冷量；所述氮气制冷系统与换热器Ⅲ相连接，用于为三级提氦单元循环提供热量和冷量；
所述混合制冷系统提供的混合冷剂先流经换热器Ⅰ后分别向重沸器Ⅰ和重沸器Ⅱ提供热量后，又分别回流经换热器Ⅰ和换热器Ⅱ再分别向冷凝器Ⅰ和冷凝器Ⅱ提供冷量，最后再分别回流经换热器Ⅰ和换热器Ⅱ回到混合制冷系统；所述氮气制冷系统提供的氮气冷剂先向重沸器Ⅲ提供热量，又回流经换热器Ⅲ后向冷凝器Ⅲ提供冷量，最后再回流经换热器Ⅲ回到氮气制冷系统。
上述适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，原料气可以是常温的、任意压力的含氦天然气，所适用的原料气条件范围较宽。
上述适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，换热器(包括换热器Ⅰ、换热器Ⅱ及换热器Ⅲ)，也称热交换器，其主要作用是实现化工生产过程中热量交换和传递，是本领域中常规设备。在本发明中，所述换热器Ⅰ内设置有第一换热通道、第二换热通道、第三换热通道、第四换热通道、第五换热通道、第六换热通道以及第七换热通道；
原料气体进气管道与第一换热通道的首端连接，第一换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅰ连接；第二换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅰ的出口端连接；第三换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ连接；混合制冷系统的出口端通过管道与第四换热通道的首端连接，第四换热通道的末端分别通过管道与重沸器Ⅰ和重沸器Ⅱ的下部连接，重沸器Ⅰ的上部通过管道与第五换热通道的首端连接，第五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅰ的下部连接，冷凝器Ⅰ的上部通过管道与第六换热通道的末端连接，第六换热通道的首端通过管道与混合制冷系统的进口端连接；第七换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ连接，第七换热通道的首端通过管道与混合制冷系统的进口端连接。
在本发明中，所述换热器Ⅱ内优选设置有第八换热通道、第九换热通道、第十换热通道、第十一换热通道；
冷凝器Ⅰ的出口端通过管道与第八换热通道的首端连接，第八换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅱ连接；重沸器Ⅱ的上部通过管道与第九换热通道的首端连接，第九换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅱ的下部连接，冷凝器Ⅱ的上部通过管道与第十换热通道的末端连通，第十换热通道的首端通过管道与第七换热通道的末端连接；第十一换热通道的首端与第三换热通道的末端连接，第十一换热通道的末端通过管道分别与重沸器Ⅱ出口端、换热器Ⅲ连接。
在本发明中，所述换热器Ⅲ内优选设置有第十二换热通道、第十三换热通道、第十四换热通道、第十五换热通道以及第十六换热通道；
冷凝器Ⅱ的出口端通过管道与第十二换热通道的首端连接，第十二换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅲ连接；氮气制冷系统的出口端通过管道与第十三换热通道的首端连接，第十三换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ的下部连接，重沸器Ⅲ的上部通过管道与第十四换热通道的首端连接，第十四换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅲ的下部连接，冷凝器Ⅲ的上部通过管道与第十五换热通道的末端连接，第十五换热通道的首端与氮气制冷系统的进口端连接；第十六换热通道的首端通过管道与第十一换热通道连接，第十六换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ的出口端连接。
上述适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，由换热器Ⅰ中的第一换热通道、精馏塔Ⅰ、冷凝器Ⅰ、换热器Ⅱ中的第八换热通道、精馏塔Ⅱ、冷凝器Ⅱ、换热器Ⅲ中第十二换热通道、精馏塔Ⅲ、冷凝器Ⅲ以及相邻元部件之间的连接管道构成粗氦制取回路；由精馏塔Ⅰ、重沸器Ⅰ、换热器Ⅰ的第二换热通道以及相邻元部件之间的连接管道构成中压尾气外输回路；由精馏塔Ⅲ、重沸器Ⅲ、换热器Ⅲ第十六通道、换热器Ⅱ的第十一换热通道、换热器Ⅰ的第三换热通道和相邻元部件之间的连接管道，以及重沸器Ⅱ与换热器Ⅱ的第十一换热通道的连接管道，共同构成低压尾气外输回路。
上述适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，为了满足精馏塔的能量平衡，需要对塔底进行造热，因此在本发明中设计了一个制冷循环，由混合制冷系统、换热器Ⅰ为一级提氦单元、二级提氦单元分别提供了制冷循环回路，既为精馏塔底的液相提供热量，也回收精馏塔顶气相冷量。在优选方式中，具体表现为：由混合制冷系统、换热器Ⅰ的第四换热通道、重沸器Ⅰ、换热器Ⅰ的第五换热通道、冷凝器Ⅰ、换热器Ⅰ的第六换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第六换热通道通过管道接回混合制冷系统)构成第一制冷循环回路；由混合制冷系统、换热器Ⅰ的第四换热通道、重沸器Ⅱ、换热器Ⅱ的第八换热通道、冷凝器Ⅱ、换热器Ⅱ的第九换热通道、换热器Ⅰ的第七换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第七换热通道通过管道接回混合制冷系统)构成第二制冷循环回路。如此，整个一级提氦单元、二级提氦单元的能量可以通过混合制冷系统进行调节，实现了能量的有效利用。同时，该制冷循环保证了塔底的足够热量，减少He在液相中的溶解度，起到了提高氦产品收率的作用。
上述适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，混合冷剂制冷循环工艺是在阶式制冷工艺的基础上简化而来，通常采用N2和C1～C5烃类混合物作为循环制冷剂，借助不同组分的不同冷凝温度，逐次进行节流和气化，以此来对天然气中的对应组分进行冷凝，从而达到制冷的目的。在本发明中，所述混合制冷系统优选为热泵循环压缩机，优选采用氮、甲烷等混合冷剂作为循环制冷剂，混合冷剂还可以包含乙烯、异戊烷等组分。进一步优选采用20％N2和80％CH4工质为制冷介质。
上述适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，由氮气制冷系统、换热器Ⅲ为三级提氦单元提供了制冷循环回路，在优选的实施方式中，其具体表现为：由氮气制冷系统、换热器Ⅲ的第十三换热通道、重沸器Ⅲ、换热器Ⅲ的第十四换热通道、冷凝器Ⅲ、换热器Ⅲ的第十五换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第十五换热通道通过管道接回氮气制冷系统)构成第三制冷循环回路。
上述适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，为了更好的控制管道内气体压力，提高装置变工况运行能力，本发明优选在多个连接管道上设置减压阀。优选地，所述第一换热通道末端与精馏塔Ⅰ之间的连接管道上安装有第一减压阀，所述第二换热通道末端与重沸器Ⅰ出口端之间的连接管道上安装有第二减压阀，所述第四换热通道末端与重沸器Ⅰ下部之间的连接管道上安装有第三减压阀，所述第五换热通道末端与冷凝器Ⅰ下部之间的连接管道上安装有第四减压阀。进一步优选地，所述第六换热通道末端与重沸器Ⅰ下部之间通过管道连接，且在连接管道上安装有第五减压阀。
所述第八换热通道末端与精馏塔Ⅱ之间的连接管道上安装有第六减压阀，所述第九换热通道末端与冷凝器Ⅱ下部之间的连接管道上安装有第七减压阀，所述第十一换热通道末端与重沸器Ⅱ出口端之间的连接管道上安装有第八减压阀。
所述第十二换热通道末端与精馏塔Ⅲ之间的连接管道上安装有第九减压阀，所述第十四换热通道末端与冷凝器Ⅲ下部之间的连接管道上安装有第十减压阀，所述第十六换热通道末端与重沸器Ⅲ出口端之间的连接管道上安装有第十一减压阀。
与现有技术相比较，本发明提供的技术方案具有以下有益效果是：
(1)本发明提供的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，通过一级提氦单元对原料天然气中的氦气进行预浓缩，再通过后续二级提氦单元和三级提氦单元的进一步精馏分离，使得气相物料中He浓度逐步提高，原料气依次经过三段换热器及三段塔精馏，得到粗氦产品。本发明在传统两塔工艺的基础上，考虑到CO2脱除及冷能综合利用的因素，采用三塔精馏的工艺流程，即在传统提氦两塔精馏的基础上增加了一个精馏塔，精馏塔Ⅰ实际是一个分离塔，减少塔顶CO2含量，有效防止后续流程发生低温堵塞，创新性采用精馏法脱CO2工艺而非溶剂法脱CO2，与常规溶剂法脱CO2相比，天然气预处理流程得到简化；由于在较高温度下进行CO2的脱除和He的浓缩(使He浓缩至原来的约10倍)，减少更低温度下分离的不可逆损失，有利于降低提氦的后续分离能耗，工艺流程中只有一个热端温差，减少装置整体冷损。
(2)本发明提供的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，一级提氦单元和二级提氦单元采用闭式循环混合冷剂制冷，既为塔底重沸器提供热量(可减少塔底He组分的溶解度)，又为塔顶冷凝器提供冷量，一个混合制冷循环即可满足两塔的热量和冷量需求，工艺系统高度集成，简化了设备，降低了投资和能耗。另外，混合冷剂制冷系统属于外部制冷，可通过混合冷剂组分和压力的变化来改变制冷量，变工况运行能力强，能适应原料气温度和压力变化带来的制冷量变化。
(3)本发明提供的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，采用N2、CH4等混合工质为制冷介质的热泵循环制冷+三级精馏流程，用热泵循环单台压缩机取代了原料气压缩机和膨胀机，减少了设备数量，同时减少了换热的不可逆损失，分离能耗有效降低。
(4)本发明提供的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，在He含量300ppm条件下，总体能耗达到与荣县提氦装置(He含量1800ppm)相当或略有优的水平，改善了低含氦天然气提氦的经济性，拓宽了氦气资源选择，意义重大，有助于进一步推动低含氦天然气提氦技术的发展，带动相关行业设备、材料等的研发和提高，从而支持国内高科技产业的发展，可有效地保证了航天航空、航海和核工业等国防军工的用氦需求。
附图说明
图1是现有技术荣县提氦装置工艺流程图；
图2是本发明适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统工艺流程图；
图3是本发明适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统工艺流程图(含第五减压阀)。
附图标记说明：1、一级提氦单元；11、换热器Ⅰ；12、精馏塔Ⅰ；13、冷凝器Ⅰ；14、重沸器Ⅰ；15、第一减压阀；16、第二减压阀；17、第三减压阀；18、第四减压阀；19、第五减压阀；2、二级提氦单元；21、换热器Ⅱ；22、精馏塔Ⅱ；23、冷凝器Ⅱ；24、重沸器Ⅱ；25、第六减压阀；26、第七减压阀；27、第八减压阀；3、三级提氦单元；31、换热器Ⅲ；32、精馏塔Ⅲ；33、冷凝器Ⅲ；34、重沸器Ⅲ；35、第九减压阀；36、第十减压阀；37、第十一减压阀；4、混合制冷系统；5、氮气制冷系统。
具体实施方式
以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
本实施例提供的一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，如图2所示，包括通过管道连接的一级提氦单元1、二级提氦单元2和三级提氦单元3，以及混合制冷系统4、氮气制冷系统5。
一级提氦单元1包括换热器Ⅰ11、精馏塔Ⅰ12以及分别设置于精馏塔Ⅰ12塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ13和重沸器Ⅰ14。换热器Ⅰ11内设置有第一换热通道、第二换热通道、第三换热通道、第四换热通道、第五换热通道、第六换热通道以及第七换热通道。
二级提氦单元2包括换热器Ⅱ21、精馏塔Ⅱ22以及分别设置于精馏塔Ⅱ22塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ23和重沸器Ⅱ24。换热器Ⅱ21内设置有第八换热通道、第九换热通道、第十换热通道、第十一换热通道。
三级提氦单元3包括换热器Ⅲ31、精馏塔Ⅲ32以及分别设置于精馏塔Ⅲ32塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ33和重沸器Ⅲ34。换热器Ⅲ31内设置有第十二换热通道、第十三换热通道、第十四换热通道、第十五换热通道以及第十六换热通道。
混合制冷系统4为热泵循环压缩机，采用20％N2和80％CH4工质作为制冷介质。氮气制冷系统5为本领域常用氮气用压缩机，采用N2作为制冷介质。
原料气体进气管道与第一换热通道的首端连接，第一换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅰ12连接。第二换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅰ14的出口端连接。第三换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ21连接。混合制冷系统4的出口端通过管道与第四换热通道的首端连接，第四换热通道的末端分别通过管道与重沸器Ⅰ14和重沸器Ⅱ24的下部连接，重沸器Ⅰ14的上部通过管道与第五换热通道的首端连接，第五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅰ13的下部连接，冷凝器Ⅰ13的上部通过管道与第六换热通道的末端连接，第六换热通道的首端通过管道与混合制冷系统4的进口端连接。第七换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ21连接，第七换热通道的首端通过管道与混合制冷系统4的进口端连接。第一换热通道末端与精馏塔Ⅰ12之间的连接管道上安装有第一减压阀15，第二换热通道末端与重沸器Ⅰ14出口端之间的连接管道上安装有第二减压阀16，第四换热通道末端与重沸器Ⅰ14下部之间的连接管道上安装有第三减压阀17，第五换热通道末端与冷凝器Ⅰ13下部之间的连接管道上安装有第四减压阀18。第六换热通道末端与重沸器Ⅰ14下部之间通过管道连接，且在连接管道上安装有第五减压阀19。第五减压阀19的设置如图3所示。
冷凝器Ⅰ13的出口端通过管道与第八换热通道的首端连接，第八换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅱ22连接。重沸器Ⅱ24的上部通过管道与第九换热通道的首端连接，第九换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅱ23的下部连接，冷凝器Ⅱ23的上部通过管道与第十换热通道的末端连通，第十换热通道的首端通过管道与第七换热通道的末端连接。第十一换热通道的首端与第三换热通道的末端连接，第十一换热通道的末端通过管道分别与重沸器Ⅱ24出口端、换热器Ⅲ31的第十一换热通道连接。第八换热通道末端与精馏塔Ⅱ22之间的连接管道上安装有第六减压阀25，第九换热通道末端与冷凝器Ⅱ23下部之间的连接管道上安装有第七减压阀26，第十一换热通道末端与重沸器Ⅱ24出口端之间的连接管道上安装有第八减压阀27。
冷凝器Ⅱ23的出口端通过管道与第十二换热通道的首端连接，第十二换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅲ32连接。氮气制冷系统5的出口端通过管道与第十三换热通道的首端连接，第十三换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ34的下部连接，重沸器Ⅲ34的上部通过管道与第十四换热通道的首端连接，第十四换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅲ33的下部连接，冷凝器Ⅲ33的上部通过管道与第十五换热通道的末端连接，第十五换热通道的首端与氮气制冷系统5的进口端连接。第十六换热通道的首端通过管道与第十一换热通道连接，第十六换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ34的出口端连接。第十二换热通道末端与精馏塔Ⅲ32之间的连接管道上安装有第九减压阀35，第十四换热通道末端与冷凝器Ⅲ33下部之间的连接管道上安装有第十减压阀36，第十六换热通道末端与重沸器Ⅲ34出口端之间的连接管道上安装有第十一减压阀37。
由换热器Ⅰ11中的第一换热通道、精馏塔Ⅰ12、冷凝器Ⅰ13、换热器Ⅱ21中的第八换热通道、精馏塔Ⅱ22、冷凝器Ⅱ23、换热器Ⅲ31中第十二换热通道、精馏塔Ⅲ32、冷凝器Ⅲ33以及相邻元部件之间的连接管道构成粗氦制取回路。由精馏塔Ⅰ12、重沸器Ⅰ14、换热器Ⅰ11的第二换热通道以及相邻元部件之间的连接管道构成中压尾气外输回路。由精馏塔Ⅲ32、重沸器Ⅲ34、换热器Ⅲ31第十六通道、换热器Ⅱ21的第十一换热通道、换热器Ⅰ11的第三换热通道和相邻元部件之间的连接管道，以及重沸器Ⅱ24与换热器Ⅱ21的第十一换热通道的连接管道，共同构成低压尾气外输回路。
由混合制冷系统4、换热器Ⅰ11的第四换热通道、重沸器Ⅰ14、换热器Ⅰ11的第五换热通道、冷凝器Ⅰ13、换热器Ⅰ11的第六换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第六换热通道通过管道接回混合制冷系统4)构成第一制冷循环回路；由混合制冷系统4、换热器Ⅰ11的第四换热通道、重沸器Ⅱ24、换热器Ⅱ21的第八换热通道、冷凝器Ⅱ23、换热器Ⅱ21的第九换热通道、换热器Ⅰ11的第七换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第七换热通道通过管道接回混合制冷系统4)构成第二制冷循环回路。由氮气制冷系统5、换热器Ⅲ31的第十三换热通道、重沸器Ⅲ34、换热器Ⅲ31的第十四换热通道、冷凝器Ⅲ33、换热器Ⅲ31的第十五换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第十五换热通道通过管道接回氮气制冷系统5)构成第三制冷循环回路。
本发明提供的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，原料气可以是常温的、任意压力的含氦天然气，所适用的原料气条件范围较宽。以下采用低含氦天然气为提氦单元的原料气，对本实施例提供的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统的工艺过程进行详细说明。原料天然气温度为室温、压力1.79MPa左右，CO2含量为0.33mol％，He含量为0.03mol％。
原料天然气首先进入换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第一换热通道后被冷却至-111℃，再进第一减压阀15减压节流后进入精馏塔Ⅰ12。经过精馏塔Ⅰ12精馏后，塔顶冷凝器Ⅰ13得到温度为-113℃一次粗氦，此时氦含量为0.3％，CO2含量50ppm，氦含量被浓缩了10倍；重沸器Ⅰ14中的塔底液相则经第二减压阀16降压至1.45MPa、温度-116℃，返回换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第二换热通道回收冷量后作为中压尾气外输。CO2被精馏至重沸器Ⅰ14的塔底液相中，浓度上升至约0.37％，而液相中的He浓度已经非常低。
为了满足一级提氦单元1的能量平衡，需要对精馏塔Ⅰ12塔底进行造热，通过混合冷剂制冷循环，既为塔底重沸器Ⅰ14提供热量，也为塔顶冷凝器Ⅰ13提供冷量。具体工艺流程为：氮、甲烷等混合冷剂被热泵循环压缩机增压至约4.0MPa后进入换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第四换热通道冷却至-103℃后分成两股，其中一股混合冷剂(流量约85％)经第三减压阀17减压节流后进入重沸器Ⅰ14下部，为重沸器Ⅰ14提供热量，之后被塔底液相冷却至-108℃后返回换热器Ⅰ11中，经换热器Ⅰ11的第五换热通道继续冷却，并经第四减压阀18降压至2.85MPa、温度为-114℃，继续进入冷凝器Ⅰ13，为冷凝器Ⅰ13提供冷量，然后返回换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第六换热通道回收冷量后进入循环热泵压缩机继续压缩。整个一级提氦单元1的能量可以通过第一制冷循环进行调节，实现了能量的有效利用。同时，该第一制冷循环保证了塔底的足够热量，减少He在液相中的溶解度，起到了提高氦产品收率的作用。
需要说明的是，精馏塔Ⅰ12的塔顶冷凝器Ⅰ13可不发挥其作用，即精馏塔Ⅰ塔顶没有冷凝器Ⅰ。混合冷剂从重沸器Ⅰ14出来后，通过第四减压阀18和第五减压阀19相互之间的开关配合，达到旁通掉塔顶冷凝器Ⅰ13的目的。通过打开第五减压阀19，并关闭第四减压阀，混合冷剂被降压至2.85MPa、温度为-114℃，再返回换热器11回收冷量。增加此流程的目的是，本发明的三塔流程适用原料气氦含量变化的范围更宽，原料气进入精馏塔Ⅰ塔后只发挥闪蒸作用，塔顶无冷凝回流，对于原料氦含量较高的流程适用，同时可节约能耗。
一次粗氦继续进入换热器Ⅱ21中，经换热器Ⅱ21的第八换热通道被冷却至-120℃，并经第六减压阀25降压至1.49MPa后进入精馏塔Ⅱ22，分离其中的甲烷、氮等组分。经过精馏塔Ⅱ22精馏后，塔顶冷凝器Ⅱ23得到温度为-164℃二次粗氦，此时氦含量为7.4％；重沸器Ⅱ24中的塔底液相(温度-116℃)经过第八减压阀27降压至0.45MPa，温度降低至-140℃，依次经过换热器Ⅱ21的第十一换热通道和换热器Ⅰ11的第三换热通道回收冷量，作为低压尾气外输。
二级提氦单元2的热量和冷量也由混合冷剂制冷循环提供，具体工艺流程为：经换热器Ⅰ11的第四换热通道冷却至-103℃后分成两股，另一股混合冷剂(流量约15％)进入重沸器Ⅱ24的下部，为重沸器Ⅱ24提供热量，被塔底液相冷却至-113℃后进入换热器Ⅱ21中，经换热器Ⅱ21第九换热通道继续冷却，并经第七减压阀26降压至0.22MPa、温度为-167℃，继续进入冷凝器Ⅱ23的下部，为冷凝器Ⅱ23提供冷量，然后返回依次经换热器Ⅱ21的第十换热通道和换热器Ⅰ11的第七换热通道回收冷量，进入混合冷剂压缩机继续压缩，完成循环。
二次粗氦进入换热器Ⅲ31中，经换热器Ⅲ31的第十二换热通道被冷却至-170℃，并经第九减压阀35降压至1.0MPa后进入精馏塔Ⅲ32，继续分离其中的甲烷、氮等组分。经过精馏塔Ⅲ32精馏后，塔顶冷凝器Ⅲ33得到温度为-185℃粗氦产品，此时氦含量为54％；重沸器Ⅲ34中的塔底液相(温度-169℃)经过第十一减压阀37降压至0.45MPa，温度降低至-177℃，进入换热器Ⅲ31，经换热器Ⅲ31的第十六换热通道回收冷量后与重沸器Ⅱ24中的塔底液相汇合，再依次经过换热器Ⅱ21的第十一换热通道和换热器Ⅰ11的第三换热通道回收冷量，作为低压尾气外输。
三级提氦单元3的热量和冷量由氮制冷循环提供，具体工艺流程为：来自氮气制冷系统5的压力为4.0MPa的氮气首先进入换热器Ⅲ31，经换热器Ⅲ31的第十三换热通道被冷却至-138℃，然后进入重沸器Ⅲ34的下部，为重沸器Ⅲ34提供热量，被塔底液相冷却至-166℃后返回换热器Ⅲ31中，经换热器Ⅲ31的第十四换热通道继续冷却，并经第十减压阀36降压至0.23MPa、温度为-188℃，进入冷凝器Ⅲ33的下部，为冷凝器Ⅲ33提供冷量，再返回换热器Ⅲ31，经换热器Ⅲ31的第十五换热通道回收冷量，然后返回氮气制冷系统5继续压缩，完成循环。
由于原料气中氦含量较低，本发明提供的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统是在传统提氦工艺的基础上，采用三级精馏的方法，气相物料中He浓度逐步提高，最终可获得纯度为54％的粗氦，粗氦可后续通过变压吸附或膜分离等技术加以纯化，生产高纯氦。其中，精馏一塔和精馏二塔的冷量由氮-甲烷等冷剂提供，精馏三塔的冷量由液氮提供。
本实施例中，原料气依次经过三段换热器及三段提浓塔精馏，得到粗氦产品。值得注意的是，与国内现有荣县天然气提氦装置不同，本发明创新性地采用混合制剂循环制冷+三级精馏提氦的技术方案，精馏法脱CO2工艺而非溶剂法脱CO2，并将混合冷剂为制冷介质的热泵循环制冷工艺应用在提氦分离系统中。与传统的醇胺法脱CO2工艺不同，本发明采用精馏分离的方式对原料气中的CO2进行有效分离，使得CO2几乎全部溶解于塔底液相中，塔顶气相中CO2含量仅为50ppm，后续深冷流程不至于发生低温堵塞，能够满足后续深冷分离的需要，减少设备投资、降低了装置能耗。
按照本实施例中的工艺参数条件运行该提氦系统，可使得低含氦天然气提氦能耗与传统工艺(原料气氦含量约1800ppm)达到了基本相当甚至略优的水平(见表1)。通过精馏塔Ⅰ12原料气中的氦得到预浓缩，精馏塔Ⅰ12塔顶流量小对后续工艺节能，精馏塔Ⅰ12本身的分离温度不是很低，上下分离温度小，不可逆损失小，仅占了提氦单元总能耗的30％。
表1荣县天然气提氦装置与本发明三塔低温提氦系统能耗对比
一级提氦单元1和二级提氦单元2均采用闭式循环混合冷剂制冷，既为塔底重沸器提供热量，又为塔顶冷凝器提供冷量，一个混合制冷循环即可满足两塔的热量和冷量需求，工艺系统高度集成，简化了设备，降低了投资和能耗。原料气处理量100万方/天的条件下，通过计算，在本研究方案的工况下，混合制冷压缩机功率为250kW。另外，混合冷剂制冷系统属于外部制冷，可通过混合冷剂组分和压力的变化来改变制冷量，变工况运行能力强，能适应原料气温度和压力变化带来的制冷量变化。
此外，原料气中的CO2含量约为0.3％，冻堵温度约为-133℃。显然，在提氦单元中，精馏塔的操作温度将远低于CO2冻堵温度。为了防止低温堵塞，在传统提氦两塔精馏的基础上，增加了一个精馏塔。精馏Ⅰ塔实际是一个分离塔，减少塔顶CO2含量以防止堵塞后续流程。相较于传统的MDEA脱碳方法，本发明提供的提氦系统减少了设备投资、降低了装置能耗，处理后气体中CO2的含量能够满足后续工艺过程的要求。因此，本发明设计的三塔工艺流程的选择是合理的，是针对低含CO2和低含氦气原料气进行一体化提氦优化工艺。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：包括通过管道连接的一级提氦单元(1)、二级提氦单元(2)和三级提氦单元(3)，以及混合制冷系统(4)、氮气制冷系统(5)；
所述一级提氦单元(1)包括换热器Ⅰ(11)、精馏塔Ⅰ(12)以及分别设置于精馏塔Ⅰ(12)塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ(13)和重沸器Ⅰ(14)；所述二级提氦单元(2)包括换热器Ⅱ(21)、精馏塔Ⅱ(22)以及分别设置于精馏塔Ⅱ(22)塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ(23)和重沸器Ⅱ(24)；所述三级提氦单元(3)包括换热器Ⅲ(31)、精馏塔Ⅲ(32)以及分别设置于精馏塔Ⅲ(32)塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ(33)和重沸器Ⅲ(34)；
原料天然气进气管道与换热器Ⅰ(11)连接，所述换热器Ⅰ(11)、精馏塔Ⅰ(12)、冷凝器Ⅰ(13)、换热器Ⅱ(21)、精馏塔Ⅱ(22)、冷凝器Ⅱ(23)、换热器Ⅲ(31)、精馏塔Ⅲ(32)与冷凝器Ⅲ(33)依次连通，从而构成粗氦制取回路；所述精馏塔Ⅰ(12)、重沸器Ⅰ(14)与换热器Ⅰ(11)连通，从而构成中压尾气外输回路；所述精馏塔Ⅱ(22)、重沸器Ⅱ(24)、换热器Ⅱ(21)与换热器Ⅰ(11)依次连通，所述精馏塔Ⅲ(32)、重沸器Ⅲ(34)、换热器Ⅲ(31)、换热器Ⅱ(21)与换热器Ⅰ(11)依次连通，共同构成低压尾气外输回路；
所述混合制冷系统(4)与换热器Ⅰ(11)相连接，用于为一级提氦单元(1)、二级提氦单元(2)循环提供热量和冷量；所述氮气制冷系统(5)与换热器Ⅲ(31)相连接，用于为三级提氦单元(3)循环提供热量和冷量；
所述混合制冷系统(4)提供的混合冷剂先流经换热器Ⅰ(11)后分别向重沸器Ⅰ(14)和重沸器Ⅱ(24)提供热量后，又分别回流经换热器Ⅰ(11)和换热器Ⅱ(21)再分别向冷凝器Ⅰ(13)和冷凝器Ⅱ(23)提供冷量，最后再分别回流经换热器Ⅰ(11)和换热器Ⅱ(21)回到混合制冷系统(4)；所述氮气制冷系统(5)提供的氮气冷剂先向重沸器Ⅲ(34)提供热量，又回流经换热器Ⅲ(31)后向冷凝器Ⅲ(33)提供冷量，最后再回流经换热器Ⅲ(31)回到氮气制冷系统(5)。
2.根据权利要求1所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述换热器Ⅰ(11)内设置有第一换热通道、第二换热通道、第三换热通道、第四换热通道、第五换热通道、第六换热通道以及第七换热通道；
原料气体进气管道与第一换热通道的首端连接，第一换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅰ(12)连接；第二换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅰ(14)的出口端连接；第三换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ(21)连接；混合制冷系统(4)的出口端通过管道与第四换热通道的首端连接，第四换热通道的末端分别通过管道与重沸器Ⅰ(14)和重沸器Ⅱ(24)的下部连接，重沸器Ⅰ(14)的上部通过管道与第五换热通道的首端连接，第五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅰ(13)的下部连接，冷凝器Ⅰ(13)的上部通过管道与第六换热通道的末端连接，第六换热通道的首端通过管道与混合制冷系统(4)的进口端连接；第七换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ(21)连接，第七换热通道的首端通过管道与混合制冷系统(4)的进口端连接。
3.根据权利要求2所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述第一换热通道末端与精馏塔Ⅰ(12)之间的连接管道上安装有第一减压阀(15)，所述第二换热通道末端与重沸器Ⅰ(14)出口端之间的连接管道上安装有第二减压阀(16)，所述第四换热通道末端与重沸器Ⅰ(14)下部之间的连接管道上安装有第三减压阀(17)，所述第五换热通道末端与冷凝器Ⅰ(13)下部之间的连接管道上安装有第四减压阀(18)。
4.根据权利要求2所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述第六换热通道末端与重沸器Ⅰ(14)下部之间通过管道连接，且在连接管道上安装有第五减压阀(19)。
5.根据权利要求2所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述换热器Ⅱ(21)内设置有第八换热通道、第九换热通道、第十换热通道、第十一换热通道；
冷凝器Ⅰ(13)的出口端通过管道与第八换热通道的首端连接，第八换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅱ(22)连接；重沸器Ⅱ(24)的上部通过管道与第九换热通道的首端连接，第九换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅱ(23)的下部连接，冷凝器Ⅱ(23)的上部通过管道与第十换热通道的末端连通，第十换热通道的首端通过管道与第七换热通道的末端连接；第十一换热通道的首端与第三换热通道的末端连接，第十一换热通道的末端通过管道分别与重沸器Ⅱ(24)出口端、换热器Ⅲ(31)连接。
6.根据权利要求5所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述第八换热通道末端与精馏塔Ⅱ(22)之间的连接管道上安装有第六减压阀(25)，所述第九换热通道末端与冷凝器Ⅱ(23)下部之间的连接管道上安装有第七减压阀(26)，所述第十一换热通道末端与重沸器Ⅱ(24)出口端之间的连接管道上安装有第八减压阀(27)。
7.根据权利要求5所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述换热器Ⅲ(31)内设置有第十二换热通道、第十三换热通道、第十四换热通道、第十五换热通道以及第十六换热通道；
冷凝器Ⅱ(23)的出口端通过管道与第十二换热通道的首端连接，第十二换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅲ(32)连接；氮气制冷系统(5)的出口端通过管道与第十三换热通道的首端连接，第十三换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ(34)的下部连接，重沸器Ⅲ(34)的上部通过管道与第十四换热通道的首端连接，第十四换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅲ(33)的下部连接，冷凝器Ⅲ(33)的上部通过管道与第十五换热通道的末端连接，第十五换热通道的首端与氮气制冷系统(5)的进口端连接；第十六换热通道的首端通过管道与第十一换热通道连接，第十六换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ(34)的出口端连接。
8.根据权利要求7所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述第十二换热通道末端与精馏塔Ⅲ(32)之间的连接管道上安装有第九减压阀(35)，所述第十四换热通道末端与冷凝器Ⅲ(33)下部之间的连接管道上安装有第十减压阀(36)，所述第十六换热通道末端与重沸器Ⅲ(34)出口端之间的连接管道上安装有第十一减压阀(37)。
9.根据权利要求1-8任一所述的适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统，其特征在于：所述混合制冷系统(4)为热泵循环压缩机，采用包含氮、甲烷组分的混合冷剂作为循环制冷剂。
CN202111078226.XA 2021-09-15 2021-09-15 一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统 Active CN114646187B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111078226.XA CN114646187B (zh) 2021-09-15 2021-09-15 一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111078226.XA CN114646187B (zh) 2021-09-15 2021-09-15 一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114646187A CN114646187A (zh) 2022-06-21
CN114646187B true CN114646187B (zh) 2023-08-29

Family

ID=81992132

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111078226.XA Active CN114646187B (zh) 2021-09-15 2021-09-15 一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114646187B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN205939932U (zh) * 2016-08-24 2017-02-08 四川空分设备(集团)有限责任公司 液化天然气闪蒸气提取高纯氦系统
EP3205964A2 (en) * 2016-02-11 2017-08-16 Air Products And Chemicals, Inc. Recovery of helium from nitrogen-rich streams
CN108592519A (zh) * 2018-03-23 2018-09-28 中科瑞奥能源科技股份有限公司 从天然气中提氦并液化的装置与方法
CA3054907A1 (en) * 2018-09-13 2020-03-13 Vincent White Helium extraction from natural gas
CN112066642A (zh) * 2020-09-30 2020-12-11 四川空分集团工程有限公司 一种高含氮和含氦天然气液化及粗氦和氮提取系统
CN112179048A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 昆明贵金属研究所 一种贫氦天然气轻烃回收与提氦的联产系统和方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3205964A2 (en) * 2016-02-11 2017-08-16 Air Products And Chemicals, Inc. Recovery of helium from nitrogen-rich streams
CN205939932U (zh) * 2016-08-24 2017-02-08 四川空分设备(集团)有限责任公司 液化天然气闪蒸气提取高纯氦系统
CN108592519A (zh) * 2018-03-23 2018-09-28 中科瑞奥能源科技股份有限公司 从天然气中提氦并液化的装置与方法
CA3054907A1 (en) * 2018-09-13 2020-03-13 Vincent White Helium extraction from natural gas
CN112179048A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 昆明贵金属研究所 一种贫氦天然气轻烃回收与提氦的联产系统和方法
CN112066642A (zh) * 2020-09-30 2020-12-11 四川空分集团工程有限公司 一种高含氮和含氦天然气液化及粗氦和氮提取系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
天然气提氦技术探讨与研究;龙增兵;琚宜林;钟志良;蒲远洋;;天然气与石油(第04期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114646187A (zh) 2022-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104807286B (zh) 回收利用lng冷能的氮气液化系统
RU2545546C2 (ru) Извлечение водорода и азота из аммиачного продувочного газа
CN113865263B (zh) 一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统
CN108731381B (zh) 一种液化天然气联产液氦的工艺装置及方法
CN112393527A (zh) Lng闪蒸汽回收方法以及系统
CN109631494B (zh) 一种氦气生产系统和生产方法
CN107328166A (zh) 一种采用双循环的co深冷分离系统及其分离方法
CN102353233B (zh) 煤制气甲烷化后气体深冷分离液化的工艺方法和装置
CN210625119U (zh) 一种降低氮循环能耗的co深冷分离系统
CN102435045A (zh) 液氮洗涤净化合成气及其深冷分离回收lng装置
CN204508803U (zh) 一种高效分离合成气制取氢气及一氧化碳的装置
CN110553464A (zh) 一种降低氮循环能耗的co深冷分离系统及方法
CN114195107A (zh) 一种液氧浓缩氪氙装置及其工艺
CN114518016A (zh) 二氧化碳捕集液化回收装置及方法
CN104495751A (zh) 一种高效分离合成气制取氢气及一氧化碳的方法及装置
CN114646187B (zh) 一种适用于低含氦天然气的三塔低温提氦系统
CN204702504U (zh) 一种合成气分离制取氢气及高纯一氧化碳装置
CN113862051B (zh) 双制冷循环甲烷洗合成气深冷分离装置及分离方法
CN214371298U (zh) 二氧化碳捕集液化回收装置
CN213020534U (zh) 一种氦气回收系统
CN110746259B (zh) 一种带闪蒸分离器的富气乙烷回收方法
CN109734064B (zh) 一种氦气生产系统和生产方法
CN107473223A (zh) 一种采用氮循环的co深冷分离系统及其方法
CN114165987A (zh) 一种液体二氧化碳生产装置及其生产方法
CN209910277U (zh) 无动力的深冷分离装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant