CN209554793U - 一种含氢气体中氦气回收装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种含氢气体中氦气回收装置。该氦气回收装置包括：燃烧单元和变压吸附单元；所述含氢气体在所述燃烧单元燃烧除去氢气后进入所述变压吸附单元；所述变压吸附单元分出氦气产品气和变压吸附尾气。本实用新型针对现有含氢气体氦气回收工艺中需要采用高能耗高成本的深冷分离工艺，在保证提取率和回收率的前提下，提出了一种新的工艺流程组合制取高纯氦气，其适用于用氢装置尾气中的氦气回收；本实用新型采用预先脱除氢气工序，再经膜分离与变压吸附工序达到含氢气体中氦气的高纯度回收。本工艺流程与传统流程相比设备数量少、占地小、投资低，运行成本低。
Description
技术领域
本实用新型属于天然气、石油化工、煤化工以及特气精制领域。具体涉及一种含氢气体中氦气回收装置。
背景技术
目前，常规的氦气提取方法主要有：冷凝法、空分法、氢液化法、以及高纯氦法，其中冷凝法应用于天然气氦气的提取，空分法应用于大气中氦气的提取，氢液化法应用于合成氨尾气中氦气的提取，高纯氦法应用于氦气的深度提纯。此外，另有一种“膜分离与变压吸附相结合”的氦气提取的方法，用于天然气中氦气的提取。
无论采用“深冷分离”还是“膜分离与变压吸附相结合”这两种形式的提氦工艺均有一定的局限性：
首先，上述冷凝法、空分法、氢液化法、以及高纯氦法均采用深冷分离的工艺或深冷分离加变压吸附的工艺，由于氢气与氦气的常压沸点分别为-252.6℃与-268.9℃，采用深冷分离的办法需要将工艺介质冷却到极低的温度，维持冷箱的冷量平衡需要循环制冷系统，能耗代价十分巨大。
其次，采用膜分离与变压吸附相结合的工艺提取天然气中的氦气，当原料气富含氢气时此种工艺则无法直接分离其中的氢气与氦气。
基于以上因素，本实用新型设计一种新型的氦气回收工艺，不但可以避免采用高能耗的深冷分离工艺提氦，并且能够提高氦气的回收率，同时能够提高氦气产品纯度，以满足市场对高纯氦产品的需求。
实用新型内容
本实用新型提供一种含氢气体中氦气回收装置，其是在目前膜分离与变压吸附相结合提取氦气工艺的基础上，采用一种新的含氢原料气中的氢气脱除工序以及循环工序(可选)，当通过变压吸附即可满足变压吸附氦气产品纯度及回收率要求时，氢气脱除工序下游可不设置膜分离工序，仅设置变压吸附工序即可。
为了实现以上目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种含氢气体中氦气回收装置，该氦气回收装置包括：燃烧单元和变压吸附单元；
所述含氢气体在所述燃烧单元燃烧除去氢气后进入所述变压吸附单元；
所述变压吸附单元分出氦气产品气和变压吸附尾气。
在本实用新型的一个优选实施例中，该氦气回收装置还包括位于所述燃烧单元和变压吸附单元之间的膜分离单元。
在本实用新型的另一个优选实施例中，该氦气回收装置在所述变压吸附单元之后还包括变温吸附单元；
所述变压吸附尾气进入所述变温吸附单元，同时向所述变温吸附单元吹扫氮气；所述变温吸附单元将进入气体分为含有氦气的富氦气和排放气；所述富氦气进入膜分离单元进行循环。
向变温吸附单元吹扫氮气的具体过程包括正向吹扫和逆向吹扫；正向吹扫时会将变温吸附单元内的氦气带出容器，从而进入循环回收，而不会引起水和二氧化碳的再生(水和二氧化碳吸附在变温吸附单元的吸附剂上)，这样可以最大限度回收氦气。当正向吹扫氦气完成后，将氮气逆向吹扫和加热再生，将水和二氧化碳解吸出来，排放至大气。在本实用新型的另一个优选实施例中，该氦气回收装置在所述变压吸附单元之后还包括变温吸附单元；
所述变压吸附尾气进入所述变温吸附单元，同时向所述变温吸附单元吹扫氮气；所述变温吸附单元将进入气体分为含有氦气的富氦气和排放气；所述富氦气进入变压吸附单元进行循环。
优选地，所述燃烧单元进行燃烧时向其中补充含有氧气的补充气。
优选地，所述补充气为空气、氧气与氩气的混合气或者氧气、氮气和氩气的混合气。
优选地，所述膜分离单元采用膜组件的串联方式或膜组件的并联方式。
优选地，所述变压吸附单元采用变压吸附的串联方式或变压吸附的并联方式。
与本实用新型的氦气回收装置中各单元相对应的工艺流程分别为燃烧工序、膜分离工序、变压吸附工序和变温吸附工序。本实用新型的含氢气体中氦气回收工艺适合于含氢气体中氦气的回收与提纯。含氢气体经燃烧工序燃烧后，得到不含氢气的尾气，作为膜分离工序或变压吸附工序的原料气，在膜分离的低压侧得到小分子的氦气与经膜扩散速度快的二氧化碳、水分，在高压侧得到经膜扩散速度较慢的氮气、氩气、氧气。然后经膜分离工序后的含有氦气、二氧化碳以及水分的穿透气进入变压吸附工序，在变压吸附工序内水分、二氧化碳被吸附床层吸附下来，而未吸附的氦气则直接通过变压吸附工序，进入产品管线，可增压充瓶或者管道外送。
其中，如果直接将燃烧尾气送至变压吸附工序即可满足氦气的产品纯度与回收率要求，那么可以不设置膜分离工序。此外还可以设置变温吸附工序进一步提高氦气的回收率，将变温吸附工序所产富氦气循环回膜分离工序入口或变压吸附工序入口。如果含氦原料气中不含氢气，但需要燃烧处理，亦可采用本实用新型工艺。
本实用新型针对现有含氢气体氦气回收工艺中需要采用高能耗高成本的深冷分离工艺，在保证提取率和回收率的前提下，提出了一种新的工艺流程组合制取高纯氦气，其适用于用氢装置尾气中的氦气回收；本实用新型采用预先脱除氢气工序，再经膜分离与变压吸附工序达到含氢气体中氦气的高纯度回收。本工艺流程与传统流程相比设备数量少、占地小、投资低，运行成本低。
本实用新型中，设置氢气脱除工序与循环工序的用途主要有：
1、氢气脱除工序可以避免采用深冷分离工艺分离氢气与氦气，降低能耗。
2、氢气脱除工序可以保证在下游膜分离工序内氢气不会跟随氦气穿透膜。
3、氢气脱除工序可以保证下游变压吸附工序送出氦气纯度达到99.99v％以上。
4、循环工序可以提高氦气的回收率。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的含氢气体中氦气回收装置及流程图。
图2为本实用新型实施例2的带循环气含氢气体中氦气回收装置及流程图。
图3为本实用新型实施例3的带循环气含氢气体中氦气回收装置及流程图。
图4为本实用新型实施例4的无膜分离含氢气体中氦气回收装置及流程图。
附图标记说明：1-燃烧单元，2-膜分离单元，3-变压吸附单元，4-变温吸附单元。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例中的含氢气体中氦气回收装置包括燃烧单元1、膜分离单元2和变压吸附单元3。
对应的工艺如图1所示，其中的氢气脱除工序采用含氢原料气中加入燃烧空气或者氧气，将含氢原料气中的氢气以及烃类等可以燃烧的组分完全反应掉，这样经氢气脱除工序处理后的膜分离原料气中仅含有氦气、氮气、氩气、二氧化碳、水分以及过量的氧气；在膜分离工序中小分子的氦气以及扩散速度较快的二氧化碳与水分穿透膜进入相对压力低侧为穿透气，而未穿透气则为氮气、氩气、氧气；经膜分离工序氦气提浓后的含有氦气、二氧化碳以及水分的穿透气进入变压吸附工序，在变压吸附工序内水分、二氧化碳被吸附床层吸附下来，而未吸附的氦气则直接通过变压吸附工序(PSA)进入产品管线，后续可增压充瓶或者管道外送；而变压吸附尾气(PSA尾气)包含残余的氦气、二氧化碳和水等。
注：本实用新型所有附图中均未显示相关增压、冷却、升温等内容，仅示意工艺方案，如燃烧工序可以将热量取走用于副产蒸汽。
实施例2
如图2所示，本实施例中的含氢气体中氦气回收装置包括燃烧单元1、膜分离单元2、变压吸附单元3和变温吸附单元4。其中的变温吸附单元4的设置是为了进一步提高氦气的分离效率；将变压吸附尾气循环送至膜分离单元2的入口。
对应的工艺如图2所示，氢气脱除工序采用含氢原料气中加入燃烧空气或者氧气，将含氢原料气中的氢气以及烃类等可以燃烧的组分完全反应掉，这样经氢气脱除工序处理后的膜分离原料气仅含有氦气、氮气、氩气、二氧化碳、水分以及过量的氧气；在膜分离工序中小分子的氦气以及扩散速度较快的二氧化碳与水分穿透膜进入相对压力低侧，而未穿透气则为氮气、氩气、氧气；经膜分离工序氦气提浓后的含有氦气、二氧化碳以及水分的穿透气进入变压吸附工序，在变压吸附工序内水分、二氧化碳被吸附床层吸附下来，而未吸附的氦气则直接通过变压吸附工序，进入产品管线，后续可增压充瓶或者管道外送。
本实施例中增加了变压吸附尾气的深度回收，将变压吸附尾气(PSA尾气)送入变温吸附工序，采用氮气再生的方式将变压吸附尾气中的氦气最大程度的回收，经增压后再返回至膜分离工序入口。
采用氮气再生的目的是将变温吸附器切换至再生过程中，先使用氮气将容器内的氦气正向吹扫出容器，而不引起水和二氧化碳的再生，这样可以最大限度回收氦气。当正向吹扫氦气完成后，将氮气逆向吹扫和加热再生，将水和二氧化碳解吸出来，排放至大气。
实施例3
如图3所示，本实施例中的含氢气体中氦气回收装置包括燃烧单元1、膜分离单元2、变压吸附单元3和变温吸附单元4。其中的变温吸附单元4将变压吸附尾气循环送至变压吸附单元4的入口。
对应的工艺如图3所示，氢气脱除工序采用含氢原料气中加入燃烧空气或者氧气，将含氢原料气中的氢气以及烃类等可以燃烧的组分完全反应掉，这样经氢气脱除工序处理后的膜分离原料气仅含有氦气、氮气、氩气、二氧化碳、水分以及过量的氧气；在膜分离工序中小分子的氦气以及扩散速度较快的二氧化碳与水分穿透膜进入相对压力低侧，而未穿透气则为氮气、氩气、氧气；经膜分离工序氦气提浓后的含有氦气、二氧化碳以及水分的穿透气进入变压吸附工序，在变压吸附工序内水分、二氧化碳被吸附床层吸附下来，而未吸附的氦气则直接通过变压吸附工序，进入产品管线，后续可增压充瓶或者管道外送。
本实施例中增加了变压吸附尾气的深度回收，将变压吸附尾气送入变温吸附工序，采用氮气再生的方式将变压吸附尾气中的氦气最大程度的回收，经增压后再返回至变压吸附工序入口。
实施例4
如图4所示，本实施例中的含氢气体中氦气回收装置包括燃烧单元1和变压吸附单元3。
对应的工艺如图4所示，氢气脱除工序采用含氢原料气中加入燃烧空气或者氧气，将含氢原料气中的氢气以及烃类等可以燃烧的组分完全反应掉，这样经氢气脱除工序处理后的膜分离原料气仅含有氦气、氮气、氩气、二氧化碳、水分以及过量的氧气；经燃烧后的原料气在变压吸附工序内水分、二氧化碳、氮气、氩气、氧气被吸附床层吸附下来，而未吸附的氦气则直接通过变压吸附工序，进入产品管线，后续可增压充瓶或者管道外送。
本流程中取消了膜分离工序，只要在变压吸附工序满足氦气产品纯度与回收率的要求，即可不设置膜分离工序。
本实用新型的各工序内部无转动部件，仅在工序之间设置需要增压设备，不易出现故障；与深冷分离法和膜分离与变压吸附结合法相比较不仅能耗低，且不需要低温工序，无需设置冷箱，且氦气产品纯度可以达到99.99v％以上，甚至可以达到99.999v％，完全可以满足市场对于高纯氦气产品的需求。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种含氢气体中氦气回收装置，其特征在于，该氦气回收装置包括：燃烧单元和变压吸附单元；
所述含氢气体在所述燃烧单元燃烧除去氢气后进入所述变压吸附单元；
所述变压吸附单元分出氦气产品气和变压吸附尾气。
2.根据权利要求1所述的氦气回收装置，其特征在于，该氦气回收装置还包括位于所述燃烧单元和变压吸附单元之间的膜分离单元。
3.根据权利要求2所述的氦气回收装置，其特征在于，该氦气回收装置在所述变压吸附单元之后还包括变温吸附单元；
所述变压吸附尾气进入所述变温吸附单元，同时向所述变温吸附单元吹扫氮气；所述变温吸附单元将进入气体分为含有氦气的富氦气和排放气；所述富氦气进入膜分离单元进行循环。
4.根据权利要求2所述的氦气回收装置，其特征在于，该氦气回收装置在所述变压吸附单元之后还包括变温吸附单元；
所述变压吸附尾气进入所述变温吸附单元，同时向所述变温吸附单元吹扫氮气；所述变温吸附单元将进入气体分为含有氦气的富氦气和排放气；所述富氦气进入变压吸附单元进行循环。
5.根据权利要求1-4任一所述的氦气回收装置，其特征在于，所述燃烧单元进行燃烧时向其中补充含有氧气的补充气。
6.根据权利要求2-4任一所述的氦气回收装置，其特征在于，所述膜分离单元采用膜组件的串联方式或膜组件的并联方式。
7.根据权利要求1-4任一所述的氦气回收装置，其特征在于，所述变压吸附单元采用变压吸附的串联方式或变压吸附的并联方式。
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