CN216171118U - 一种运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用复合工艺进行氦气提纯的装置系统。该用复合工艺进行氦气提纯的装置系统包括预处理模块、第一段分离膜模块、第二段分离膜模块、变压吸附模块及变温吸附模块；原料气源连通所述预处理模块，原料气经过依次相连通的所述预处理模块、第一段分离膜模块、第二段分离膜模块、所述变压吸附模块、所述变温吸附模块进行纯化。本实用新型运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，能够实现对包含低浓度氦气以及其他复杂组分的气体进行充分提纯，氦气回收率较高；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产的效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及化学气体提纯技术领域，特别涉及运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统。
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。含氦的天然气迄今仍是工业化生产氦气的唯一来源。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，提取难度大，成本高。因此研究开发先进的天然气提氦技术，以及对工艺生产中使用的氦气进行提纯回收，对于提高氦气生产的经济性、保障国家用氦安全和促进我国天然气提氦工业的发展具有重要意义。
目前的氦气提纯工艺主要包括变压吸附工艺、变温吸附工艺、深冷工艺以及膜分离工艺等。变压吸附工艺和变温变温吸附工艺的原理都是利用固体吸附剂对不同气体的吸附能力不同而实现气体提纯。当气体通过吸附床层，让混合气体中的一种(或几种)气体的大部分被吸附在床层上，小部分流出；让混合气体中的另外一种(或几种)气体大部分流出，小部分被吸附在床层上；从而达到提高气体纯度的目的。此两种工艺都属于批次处理工艺，固体吸附剂需要进行再生，其中变压吸附工艺主要通过降压解析再生固体吸附剂，而变温吸附工艺主要通过加热升温解析再生固体吸附剂。此两种工艺控制较复杂，氦气的回收率相对较低。
低温深冷工艺较为成熟，工艺控制较复杂，投资成本和能耗都较高。
膜分离工艺的原理是利用各气体组分在膜材料中的溶解扩散速率不同，在膜两侧分压差的作用下导致不同气体通过膜壁的渗透速率不同而分离。气体膜分离技术具有工艺简单、操作维护方便、投资成本和运行费用较低。但是膜分离工艺无法实现复杂组分的有效分离。
现有技术如专利文献US2013/0239804A1公开了一种单段单级膜法和变压吸附的复合工艺用于气体分离，理论上不具备从简单组分的低浓度含氦气体中提取高纯氦气的技术经济可行性；专利文献US2017/0320736A1 公开了一种单段两级膜法和变压吸附的复合进行氦气提纯工艺，理论上仍然不具备从含有氢气和二氧化碳等复杂组分以及低浓度氦气气体中提取高纯氦气的技术经济可行性。
实用新型内容
根据本实用新型的一个方面，提供了一种运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，包括预处理模块、第一段分离膜模块、第二段分离膜模块、变压吸附模块及变温吸附模块；所述第一段分离膜模块分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口；所述第二段分离膜模块、分别设有主进气口、非渗透气出气口、渗透气出气口和两个循环回流气进气口；所述变压吸附模块、分别设有主进气口、解析气排气口、循环回流气出气口、主出气口和一个循环回流气进气口；所述变温吸附模块、分别设有主进气口、解析气排气口、循环回流气出气口和主出气口；所述预处理模块的进气口与原料气源连通，所述预处理模块的出气口与第一段分离膜模块的进气口连通，所述第一段分离膜模块的渗透气出气口与第二段分离膜模块的主进气口连通，所述第二段分离膜模块的渗透气出气口与所述变压吸附模块的主进气口连通，所述变压吸附模块的主出气口与所述变温吸附模块的进气口连通，所述变温吸附模块的主出气口即为主要产品气口。
上述的复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其有益效果是，原料气经过依次相连通的所述预处理模块、第一段分离膜模块、第二段分离膜模块、所述变压吸附模块、所述变温吸附模块进行纯化，该装置系统提供了一种复合运用两段多级气体分离膜,变压吸附和变温吸附工艺，从包含复杂组分以及低浓度氦气的气体中提取高纯氦气的装置系统，该装置系统流程相对简单，投资和运行费用较低，且具有较高的氦气回收率，可以解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
在一些实施方式中，第一段分离膜模块为单级膜单元，采用较高氦气 /甲烷分离系数的分离膜；第二段分离膜模块为多级膜单元，采用较高氦气 /甲烷分离系数的分离膜。其有益效果是，第一段分离膜模块为单级膜单元，采用较高氦气/甲烷分离系数的分离膜，主要目标是预浓缩原料气中的氦气，并保持较高的氦气回收率。第一段分离膜模块的非渗透气可再利用；第二段分离膜模块为多级膜单元，采用较高氦气/甲烷分离系数的分离膜，主要目标是去除氦气中的甲烷和氮气。附带混合罐和压缩机，其有益效果是接收第二段分离膜模块循环回流气和变压吸附模块的循环回流气，从而保持较高的氦气回收率。第二段分离膜模块的非渗透气可再利用。
在一些实施方式中，所述的预处理模块依次包括过滤单元、干燥单元和加热单元，所述的过滤单元的进气口即预处理模块的进气口，所述加热单元的出气口即预处理模块的出气口，所述过滤单元的出气口与所述干燥单元进气口连通，所述干燥单元出气口与所述加热单元的进气口连通。其有益效果是，过滤装置是为了去除原料气中的固体物质，干燥装置是为了去除原料气多余的水分，加热单元是为了使原料气达到一定的温度，进入分离膜模块之前合适的气体温度能够使膜分离效率更高。
在一些实施方式中，所述第一段分离膜模块进气口和预处理模块中的加热单元的出气口连通，所述第一段分离膜模块的非渗透气出口为装置系统排气。其有益效果是，连通后，第一段分离膜模块为单级膜单元，采用较高氦气/甲烷分离系数的分离膜，主要目标是预浓缩原料气中的氦气，并保持较高的氦气回收率。第一段分离膜模块的非渗透气可再利用。
在一些实施方式中，所述第二段分离膜模块依次包括第一混合单元、第一压缩单元和分离膜单元，所述第一混合单元的进气口即为第二段分离膜模块的进气口，所述分离膜单元的非渗透气即为第二段分离膜模块出气口，所述第一混合单元出气口与第一压缩单元进气口连通，所述第一压缩单元出气口与分离膜单元进气口连通，分离膜单元的非渗透气出气口为装置系统排气，分离膜单元的循环回流气接入第一混合单元。其有益效果是，连通后通过第二段分离膜模块为多级膜单元，采用较高氦气/甲烷分离系数的分离膜，主要目标是去除氦气中的甲烷和氮气。附带混合罐和压缩机，其有益效果是接收第二段分离膜模块循环回流气和变压吸附模块的循环回流气，从而保持较高的氦气回收率。第二段分离膜模块的非渗透气可再利用。
在一些实施方式中，所述变压吸附模块依次包括第二混合单元、第二压缩单元和变压吸附单元，所述第二混合单元的进气口即为变压吸附模块的进气口，所述变压吸附单元的出气口即为变压吸附模块主出气口，所述第二混合单元出气口与第二压缩单元进气口连通，所述第二压缩单元出气口与变压吸附单元进气口连通，所述变压吸附单元的解析气出口为装置系统排气，变压吸附单元的循环回流气接入第二段分离膜模块中的第一混合单元。其有益效果是，变压吸附模块采用多种吸附介质，主要目标是去除二氧化碳和水分、以及少量的甲烷和氮气等。其中含氦气的循环回流气接入第二段膜分离模块的第一混合单元，提高装置的氦气回收率。
在一些实施方式中，所述变温吸附模块的循环回流气接入变压吸附模块中的混合单元；变温吸附模块使用低平衡压的特殊吸氢合金，实现在室温吸氢，从而实现氢氦完全分离，其中含3组床体，1组吸氢、1组抽真空、1组放氢。其中含氦气的循环回流气接入变压吸附模块的混合单元，提高装置的氦气回收率。
在一些实施方式中，装置系统能够同时实现氦气和或氢气和或二氧化碳气体的提纯。
在一些实施方式中，所述第一段分离膜模块、第二段气体分离膜单元分别包括一个或者多个并联或者串联连接的气体分离膜组件，所述的气体分离膜组件结构为中空纤维膜、卷式膜和板式膜中的一种或多种。其有益效果是，由于在每一段气体分离膜模块之间，分离膜组件的个数存在一个较佳的组合方案，通过计算得出每一段气体分离膜模块的分离膜组件的较佳数量，不仅可以提高气体提纯效率和回收率，同时也可以避免分离膜组件的浪费，降低工艺成本。所述的气体分离膜组件结构为中空纤维膜、卷式膜和板式膜中的一种或多种。
在一些实施方式中，变压吸附模块采用多种吸附介质，主要目标是去除二氧化碳和水分、以及少量的甲烷和氮气等。其中含氦气的循环回流气接入第二段膜分离模块的第一混合单元，提高装置的氦气回收率。
本实用新型提供的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，能够实现对包含低浓度氦气以及其他复杂组分的气体进行充分提纯，氦气回收率较高；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产。
附图说明
图1为本实用新型一实施方式的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本实用新型作进一步详细的说明。
本实用新型的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，包括预处理模块1、第一段分离膜模块2、第二段分离膜模块3、变压吸附模块4及变温吸附模块5；所述第一段分离膜模块2分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口；所述第二段分离膜模块3、分别设有主进气口、非渗透气出气口、渗透气出气口和两个循环回流气进气口；所述变压吸附模块4、分别设有主进气口、解析气排气口、循环回流气出气口，主出气口和一个循环回流气进气口；所述变温吸附模块5、分别设有主进气口、解析气排气口、循环回流气出气口，和主出气口；
其中，所述预处理模块1的进气口与原料气源连通，所述预处理模块1的出气口与第一段分离膜模块2的进气口连通，所述第一段分离膜模块 2的渗透气出气口与第二段分离膜模块3的主进气口连通，所述第二段分离膜模块3的渗透气出气口与所述变压吸附模块4的主进气口连通，所述变压吸附模块4的主出气口与所述变温吸附模块5的进气口连通，所述变温吸附模块5的主出气口即为主要产品气口。
预处理模块1依次包括过滤单元11、干燥单元12和加热单元13，所述的过滤单元11的进气口即预处理模块1的进气口，所述加热单元13的出气口即预处理模块1的出气口，所述过滤单元11的出气口与所述干燥单元12进气口连通，所述干燥单元12出气口与所述加热单元13的进气口连通。
第一段分离膜模块2进气口和预处理模块1中的加热单元13的出气口连通，所述第一段分离膜模块2的非渗透气出口为装置系统排气。
第二段分离膜模块3依次包括第一混合单元31、第一压缩单元32和分离膜单元33，所述第一混合单元31的进气口即为第二段分离膜模块3 的进气口，所述分离膜单元33的非渗透气即为第二段分离膜模块3出气口，所述第一混合单元31出气口与第一压缩单元32进气口连通，所述第一压缩单元32出气口与分离膜单元33进气口连通，分离膜单元33的非渗透气出气口为装置系统排气，分离膜单元33的循环回流气接入第一混合单元31。
变压吸附模块4依次包括第二混合单元41、第二压缩单元42变压吸附单元43，所述混合单元41的进气口即为变压吸附模块4的进气口，所述变压吸附单元43的出气口即为变压吸附模块4主出气口，所述第二混合单元41出气口与第二压缩单元42进气口连通，所述第二压缩单元42 出气口与变压吸附单元43进气口连通，变压吸附单元43的解析气出口为装置系统排气，变压吸附单元43的循环回流气接入第二段分离膜模块3 中的第一混合单元31。
变温吸附模块5的循环回流气接入变压吸附模块4中的第二混合单元41。
第一段分离膜模块2、第二段气体分离膜单元33分别包括一个或者多个并联或者串联连接的气体分离膜组件，所述的气体分离膜组件结构为中空纤维膜、卷式膜和板式膜中的一种或多种。
该装置系统在同时提纯氦气和或氢气和或二氧化碳气体中的应用。
以下为采用图1所示的装置系统对一种含低浓度氦的原料气的提纯工艺，包括以下步骤：
(1)原料气(组成为1.75％vol氦气，0.02％氢气，10.46％氮气和87.77％ vol烷烃)依次进入预处理模块1中的过滤装置11、干燥装置12和加热单元13。经过预处理后气体的含尘和含油浓度满足压缩空气ISO8573-1中的一级标准，水露点温度满足ISO8573-1二级标准，干球温度达到25～50℃。然后该出气口的气体进入第一段分离膜模块2的进气口进行氦气的初步浓缩；
(2)第一段分离膜模块2的非渗透气出气口可得到初步浓缩的含氦气体(包含12.68％氦气、0.14％氢气、12.86％氮气和74.32％烷烃)，然后该出气口的气体进入第二段分离膜模块3的进气口进行气体初步提纯；
(3)第二段分离膜模块3的非渗透气出气口得到氦气和氢气为主的混合气(包含98.00％氦气、0.85％氢气、0.34％氮气和0.85％烷烃)，然后该出气口的气体进入变压吸附模块4的进气口进行气体再次提纯；
(4)变压吸附模块4的主出口气是高纯度的氢氦混合气(包含99.14％氦气0.86％氢气)，然后该出气口的气体进入变温吸附模块5的进气口进行脱氢提纯；
(5)变温吸附模块5的出口气为的99.995％高纯氦气，满足氦气国家标准GB/T4844-2011中的高纯氦气要求。
本实用新型提供的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，能够从包含复杂组分以及低浓度氦气的气体中提取高纯氦气，以及高纯氢气和二氧化碳等副产品，从而实现对气体的充分提纯，气体回收率较高；装置系统的设备结构简单紧凑，适用范围广，操作方便，安全可靠，自动化程度高，适应于工业化生产。
以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其特征在于，包括预处理模块(1)、第一段分离膜模块(2)、第二段分离膜模块(3)、变压吸附模块(4)及变温吸附模块(5)；
所述第一段分离膜模块(2)分别设有进气口、非渗透气出气口和渗透气出气口；
所述第二段分离膜模块(3)、分别设有主进气口、非渗透气出气口、渗透气出气口和两个循环回流气进气口；
所述变压吸附模块(4)、分别设有主进气口、解析气排气口、循环回流气出气口，主出气口和一个循环回流气进气口；
所述变温吸附模块(5)、分别设有主进气口、解析气排气口、循环回流气出气口，和主出气口；
其中，
所述预处理模块(1)的进气口与原料气源连通，所述预处理模块(1)的出气口与第一段分离膜模块(2)的进气口连通，所述第一段分离膜模块(2)的渗透气出气口与第二段分离膜模块(3)的主进气口连通，所述第二段分离膜模块(3)的渗透气出气口与所述变压吸附模块(4)的主进气口连通，所述变压吸附模块(4)的主出气口与所述变温吸附模块(5)的进气口连通，所述变温吸附模块(5)的主出气口即为主要产品气口。
2.根据权利要求1所述的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其特征在于，所述的预处理模块(1)依次包括过滤单元(11)、干燥单元(12)和加热单元(13)，所述的过滤单元(11)的进气口即预处理模块(1)的进气口，所述加热单元(13)的出气口即预处理模块(1)的出气口，所述过滤单元(11)的出气口与所述干燥单元(12)进气口连通，所述干燥单元(12)出气口与所述加热单元(13)的进气口连通。
3.根据权利要求1所述的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其特征在于，所述第一段分离膜模块(2)进气口和预处理模块(1)中的加热单元(13) 的出气口连通，所述第一段分离膜模块(2)的非渗透气出口为装置系统排气。
4.根据权利要求1所述的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其特征在于，所述第二段分离膜模块(3)依次包括第一混合单元(31)、第一压缩单元(32)和分离膜单元(33)，所述第一混合单元(31)的进气口即为第二段分离膜模块(3)的进气口，所述分离膜单元(33)的非渗透气即为第二段分离膜模块(3)出气口，所述第一混合单元(31)出气口与第一压缩单元(32)进气口连通，所述第一压缩单元(32)出气口与分离膜单元(33)进气口连通，分离膜单元(33)的非渗透气出气口为装置系统排气，分离膜单元(33)的循环回流气接入第一混合单元(31)。
5.根据权利要求1所述的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其特征在于，所述变压吸附模块(4)依次包括第二混合单元(41)、第二压缩单元(42)变压吸附单元(43)，所述第二混合单元(41)的进气口即为变压吸附模块(4)的进气口，所述变压吸附单元(43)的出气口即为变压吸附模块(4)主出气口，所述第二混合单元(41)出气口与第二压缩单元(42)进气口连通，所述第二压缩单元(42)出气口与变压吸附单元(43)进气口连通，变压吸附单元(43)的解析气出口为装置系统排气，变压吸附单元(43)的循环回流气接入第二段分离膜模块(3)中的第一混合单元(31)。
6.根据权利要求1所述的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其特征在于，所述变温吸附模块(5)的循环回流气接入变压吸附模块(4)中的第二混合单元(41)。
7.根据权利要求1所述的运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统，其特征在于，所述第一段分离膜模块(2)、第二段气体分离膜单元(33)分别包括一个或者多个并联或者串联连接的气体分离膜组件，所述的气体分离膜组件结构为中空纤维膜、卷式膜和板式膜中的一种或多种。
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| CN202120562230.2U CN216171118U (zh) | 2021-03-18 | 2021-03-18 | 一种运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112827312A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-05-25 | 甘泳 | 一种运用复合工艺进行氦气提纯的装置系统 |
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2021
- 2021-03-18 CN CN202120562230.2U patent/CN216171118U/zh active Active
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