CN217148577U

CN217148577U - 一种从低含氦bog中提取高纯氦气的系统

Info

Publication number: CN217148577U
Application number: CN202221004484.3U
Authority: CN
Inventors: 梁军; 陶宇鹏; 李旭; 伍毅; 张宏宇; 张剑锋; 陈耀壮
Original assignee: Southwest Research and Desigin Institute of Chemical Industry
Current assignee: Southwest Research and Desigin Institute of Chemical Industry
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2032-04-27

Abstract

本实用新型为一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统。该系统包括一级膜分离器、二级膜分离器、一段脱氢单元、二段脱氢单元、PSA单元、低温吸附单元等。BOG连接第一压缩机后连接一段脱氢，再连接一级膜分离器入口，一级膜分离非渗透气排出系统；一级膜分离渗透气连接第二压缩机后连接二级膜分离器入口；二级膜分离非渗透气连接一段脱氢单元入口进行循环；二级膜分离渗透气连接第三压缩机后连接二段脱氢单元，再连接变压吸附单元入口；PSA吸附器顶部氦气出口连接低温吸附单元后获得高纯氦气。本实用新型综合运用膜分离、变压吸附、低温吸附等多种工艺单元提取高纯氦气，通过该装置，氦总回收率达97％以上，纯度达99.999v％。

Description

一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统

技术领域

本实用新型属于氦气提纯领域，具体涉及一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统。

背景技术

氦是一种重要的战略物资，它广泛应用于宇航、火箭、飞船、卫星及其地面站、焊接、潜水作业、低温研究、超导、激光、检漏和分析等方面，是现代工业和尖端科学技术发展中不可缺少的一种重要工业气体。我国氦资源稀缺，天然气氦含量极低，且从天然气中提取氦的成本相对较高，我国95％的氦气依靠从国外进口。虽然天然气中氦含量很低，但由于LNG储罐的蒸发气(BOG)一般返回液化系统循环使用，其中的氦气被富集浓缩，纯度可达0.5％-5％(mol)。传统BOG提氦主要依靠低温精馏提纯，投资大，能耗高。

实用新型内容

针对以上技术的不足，本实用新型提供了一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统，该系统集成运用膜分离装置、变压吸附单元、低温吸附单元等多种装置，解决了现有深冷精馏分离氦气技术投资大、能耗高的问题，同时保证系统长时间连续稳定运行，更具实操性。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统，包括一级膜分离器、二级膜分离器、一段脱氢单元、二段脱氢单元、变压吸附单元、低温吸附单元等；

所述BOG连接一段脱氢单元后连接一级膜分离器入口；所述一级膜分离器上的非渗透气出口通过管线与排出系统连接；

所述一级膜分离器上的渗透气出口连接二级膜分离器入口；

所述二级膜分离器上的渗透气出口连接二段脱氢单元，再连接变压吸附单元入口；

所述变压吸附单元中的PSA吸附器顶部氦气出口连接低温吸附单元后获得高纯氦气；

作为本申请中一种较好的实施方式，在BOG连接一段脱氢单元之间设置第一压缩机；在一级膜分离器和二级膜分离器之间设置第二压缩机；在二级膜分离器与二段脱氢单元之间设置第三压缩机。

作为本申请中一种较好的实施方式，在所述二段脱氢单元出口与变压吸附单元入口之间设置脱氧器，即二段脱氢单元出口气经脱氧器精处理后再进入变压吸附单元。

作为本申请中一种较好的实施方式，所述变压吸附单元上设置有解吸气出口，该解吸气出口连接一级膜分离器上的渗透气出口后，再连接二级膜分离器入口。

作为本申请中一种较好的实施方式，所述低温吸附单元上设置有解吸气出口，该解吸气出口连接二级膜分离器上的渗透气出口，再连接二段脱氢单元入口。

作为本申请中一种较好的实施方式，所述二级膜分离器上的非渗透气出口连接一段脱氢单元入口进行循环。

作为本申请中一种较好的实施方式，所述PSA吸附器顶部设置氦气出口，该氦气出口连接干燥器后连接换热器，再连接低温吸附单元。

作为本申请中一种较好的实施方式，所述BOG若为低温，则BOG先连接换热器再连接第一压缩机，干燥器上设置的氦气出口连接换热器后再连接低温吸附单元。

作为本申请中一种较好的实施方式，所述BOG若为常温，则BOG直接连接第一压缩机，干燥器上设置的氦气出口连接换热器后，再连接低温吸附单元。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(一)本实用新型集成运用膜分离器、变压吸附单元和低温吸附单元等多种装置，提供了一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统，该系统操作简便，装置投资小，启停迅速，氦总回收率可达97％以上，提取氦气纯度≥99.999％。

(二)本实用新型采用两级膜分离提浓氦气，有利于降低后续变压吸附单元的投资，提高氦回收率。对于氦含量较低(<5％)情况下若只采用一级膜分离氦气浓缩倍数不够，直接进变压吸附单元将造成氦回收率不高。

(三)本实用新型采用两段脱氢，通过补氧或循环气装置，实现控制催化脱氢反应温升的目的。由于常温下氢氦较难分离，所述一段脱氢主要是先将影响氦提浓的H₂大部分脱除，有利于提高膜分离提氦效率和氦气浓缩倍数，降低系统投资和成本；所述二段脱氢主要是将膜分离渗透气及变压吸附、低温吸附解吸气中可能富集的微量氢气深度脱除，有利于保证产品氦气的纯度。

(四)所述BOG若为低温，则可以充分利用低温BOG自身温位，与进低温吸附的气流换热，实现BOG冷量回收利用，且无需额外设置独立的制冷系统，极大降低了投资和能耗。

(五)所述二级膜分离非渗透气连接一段脱氢单元入口进行循环，其中一段脱氢后残余的部分氧气将返回一段脱氢参与反应，有利于提高氦回收率同时降低补氧消耗。

(六)考虑到解吸气中氦含量远高于BOG中氦含量，如果将解吸气全部返回系统入口与BOG混合，势必造成整个系统的压缩功耗增高，而且在膜投资不变的前提下将增加一级膜分离非渗透气中氦的损失量，降低氦的总回收率。因此根据不同解吸气中氦含量的高低，分别将变压吸附解吸气连接第二压缩机入口、低温吸附解吸气连接第三压缩机入口进行循环，整个系统只有一级膜分离非渗透气外排，有利于提高氦的总回收率，同时最大程度降低运行能耗。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中的记载的一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统装置连接关系示意图；

图2是本实用新型实施例2中的记载的一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统装置连接关系示意图；

其中，1一段脱氢单元，2一级膜分离器，3二级膜分离器,4二段脱氢单元,5脱氧器，6变压吸附单元,7低温吸附单元,8第一压缩机，9第二压缩机，10第三压缩机，11换热器，12液氮或LNG换热器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

本实用新型提供一种集成运用膜分离、变压吸附、低温吸附多种工艺从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统，下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统，包括一级膜分离器、二级膜分离器、一段脱氢单元、二段脱氢单元、变压吸附单元、低温吸附单元等；

所述BOG先连接BOG换热器后连接第一压缩机，再连接一段脱氢后连接一级膜分离器入口；所述一级膜分离器非渗透气出口通过管线排出系统；

所述一级膜分离渗透气连接第二压缩机后连接二级膜分离器入口；

所述二级膜分离渗透气连接第三压缩机后连接二段脱氢单元，再连接变压吸附单元入口；

所述PSA吸附器顶部氦气出口连接干燥器后连接BOG换热器，再连接低温吸附单元获得高纯氦气；

所述二段脱氢单元出口连接脱氧器精处理后再连接变压吸附单元入口；

所述变压吸附单元解吸气连接一级膜分离器渗透气出口，再连接第二压缩机后连接二级膜分离器入口；

所述低温吸附单元解吸气连接二级膜分离器渗透气出口，再连接第三压缩机后连接二段脱氢单元入口；

所述二级膜分离非渗透气连接一段脱氢单元入口进行循环。

从BOG中提取高纯氦气的工艺流程如下：

BOG流量1100Nm³/h，压力50KPaG，温度-158℃，组成为：CH₄：87.02％，N₂：9.54％，H₂:0.83％，He：2.61％。

首先将低温BOG与进低温吸附的气流换热至-154℃，再与一段催化脱氢后气体换热后，通过第一压缩机增压至2.1MPaG；然后经预热后进入一段脱氢固定床式反应器，采用单级补氧的方法将H₂脱除，补氧量为4.5Nm³/h，脱氢反应温度116℃，在贵金属钯催化剂作用下，氢气和氧气发生反应，氢气脱除至80ppm左右。

一段脱氢后气体经膜前预处理后进入一级膜分离单元，一级非渗透气量1062Nm3/h，氦含量0.06％，直接排出界区。一级膜分离渗透气流量160Nm3/h，组成为：CH₄：69.3％，N₂：10.1％，H₂O:3％，He：17.59％，与PSA解吸气混合经第二压缩机加压至2.2MPaG后进入二级膜分离单元，二级膜分离渗透气中氦含量达58.8％，二级膜分离非渗透气返回一段脱氢单元入口。二级膜分离渗透气与低温吸附解吸气混合，经第三压缩机加压至1.2MPaG后进入二段脱氢反应器，采用单级补氧的方法将氢气精脱至1ppm以下。

二段脱氢后气体进入PSA单元，在吸附器内装填有多种吸附剂组成的复合床层，每台吸附器依次经历吸附(A)、均压降(EnD)、顺放(PP)、逆向放压(D)、冲洗(P)、均压升(EnR)、终充(FR)等步骤，任一时刻总有一台吸附器处于吸附步骤，粗氦气由吸附器顶部输出，氦纯度可达99.9％，被吸附的组分通过冲洗获得解吸，解吸气均返回第二压缩机入口。

最后粗氦气经干燥并与低温BOG换热降温后进入低温吸附单元，由至少2台装填吸附剂的吸附器组成，每台吸附器依次通过吸附(A)、均压降(EnD)、顺放(PP)、逆向放压(D)、冲洗(P)、抽空(V)、均压升(EnR)、终充(FR)等步骤，任一时刻总有一台吸附器处于吸附步骤，吸附温度-148℃左右，利用低温下吸附剂(活性炭或分子筛均可)的较高吸附选择性，产品氦气由吸附器顶部输出，氦纯度可达99.999％以上，被吸附的组分通过冲洗抽空获得解吸，解吸气返回第三压缩机入口以回收氦气。

此实施例中氦气总回收率97.7％，单位电耗6.78kwh/m³氦气，实现了从低含氦BOG中提取高纯氦气的目的，而且回收率较高。

实施例2

如图2所示，一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统，包括一级膜分离器、二级膜分离器、一段脱氢单元、二段脱氢单元、变压吸附单元、低温吸附单元等；

所述BOG直接连接第一压缩机后连接一段脱氢，再连接一级膜分离器入口；所述一级膜分离器非渗透气出口通过管线排出系统；

所述PSA吸附器顶部氦气出口连接干燥器后连接液氮或LNG换热器，再连接低温吸附单元获得高纯氦气；

所述二级膜分离非渗透气连接一段脱氢单元入口进行循环。

采用该系统进行的具体工艺流程为：

BOG流量800Nm³/h，压力50KPaG，温度20℃，组成为：CH₄：80.37％，N₂：11.4％，H₂:5％，He：3.23％。从BOG中提取高纯氦气的工艺流程如下：

首先将原料BOG通过第一压缩机增压至2.1MPaG；然后经预热后进入一段脱氢固定床式反应器，采用补氧加循环气的方法将H₂脱除，补氧量为20Nm³/h，循环比2.3，脱氢反应温度165℃，在贵金属钯催化剂作用下，氢气和氧气发生反应，保证氢气脱除至330ppm左右。

一段脱氢后气体经膜前预处理后进入一级膜分离单元，一级非渗透气量735Nm3/h，氦含量0.08％，直接排出界区。一级膜分离渗透气流量116Nm3/h，组成为：CH₄：63.5％，N₂：12％，H₂O:2.63％，He：21.62％，与PSA解吸气混合经第二压缩机加压至2.2MPaG后进入二级膜分离单元，二级膜分离渗透气中氦含量达64.6％，二级膜分离非渗透气返回一段脱氢单元入口。二级膜分离渗透气与低温吸附解吸气混合后，经第三压缩机加压至1.2MPaG进入二段脱氢反应器，采用单级补氧的方法将氢气精脱至1ppm以下，精脱氢后气体通过脱氧反应器，用锰系脱氧剂将残余氧脱除。

二段脱氢脱氧后气体进入PSA单元，在吸附器内装填有多种吸附剂组成的复合床层，每台吸附器依次经历吸附(A)、均压降(EnD)、顺放(PP)、逆向放压(D)、冲洗(P)、均压升(EnR)、终充(FR)等步骤，任一时刻总有一台吸附器处于吸附步骤，粗氦气由吸附器顶部输出，氦纯度可达99.9％，被吸附的组分通过冲洗获得解吸，解吸气都返回第二压缩机入口。

最后粗氦气经干燥并与外供液氮或LNG换热降温后进入低温吸附单元，由至少2台装填吸附剂的吸附器组成，每台吸附器依次通过吸附(A)、均压降(EnD)、顺放(PP)、逆向放压(D)、冲洗(P)、抽空(V)、均压升(EnR)、终充(FR)等步骤，任一时刻总有一台吸附器处于吸附步骤，吸附温度-150℃左右，利用低温下吸附剂的较高吸附选择性，产品氦气由吸附器顶部输出，氦纯度可达99.999％以上，被吸附的组分通过冲洗抽空获得解吸，解吸气返回第三压缩机入口以回收氦气。

此实施例中氦气总回收率97.69％，单位电耗5.54kwh/m³氦气。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神本质与原理下所作的改变均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种从低含氦BOG中提取高纯氦气的系统，其特征在于该系统包括一级膜分离器、二级膜分离器、一段脱氢单元、二段脱氢单元、变压吸附单元和低温吸附单元；

所述一级膜分离器上的渗透气出口连接二级膜分离器入口；

所述变压吸附单元中的PSA吸附器顶部氦气出口连接低温吸附单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在BOG连接一段脱氢单元之间设置第一压缩机；在一级膜分离器和二级膜分离器之间设置第二压缩机；在二级膜分离器与二段脱氢单元之间设置第三压缩机。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在所述二段脱氢单元出口与变压吸附单元入口之间设置脱氧器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述变压吸附单元上设置有解吸气出口，该解吸气出口连接一级膜分离器上的渗透气出口后，再连接二级膜分离器入口。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述低温吸附单元上设置有解吸气出口，该解吸气出口连接二级膜分离器上的渗透气出口，再连接二段脱氢单元入口。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述二级膜分离器上的非渗透气出口连接一段脱氢单元入口进行循环。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述PSA吸附器顶部设置氦气出口，该氦气出口连接干燥器后连接换热器，再连接低温吸附单元。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述BOG若为低温，则BOG先连接换热器再连接第一压缩机，干燥器上设置的氦气出口连接换热器后再连接低温吸附单元。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述BOG若为常温，则BOG直接连接第一压缩机，干燥器上设置的氦气出口连接换热器后，再连接低温吸附单元。