CN218833600U - 一种低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备及方法。本实用新型将低温精馏工艺与膜分离技术相结合，先通过低温精馏工艺从含氦天然气中制得含氦率较高的粗氦气，再通过膜分离工艺对粗氦气进行初步提纯，最后通过变压吸附技术制得高纯度氦气，实现了自He含量低于0.1％的天然气提取氦气的目的；不仅解决了传统方法中将天然气冷却至‑200℃以下才能分离出氦气的弊端，还降低了对膜分离技术的要求和依赖，减小了对冷量的需求，并有效的降低了未来技术替代的风险，简化了工艺流程，提高了经济效益；本实用新型提高了工艺的可靠性并降低了运行过程中的风险，有利于提高企业的经济效益和维护装置长周期平稳运行。

Description

一种低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备

技术领域

本实用新型涉及氦气生产技术领域，具体指一种低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备。

背景技术

He是一种无色、无味的单原子稀有气体，具有极低的沸点(-268.85℃)、极强的扩散性、难溶于水、良好的热传导性等特点，在国防军工、生物医疗、核设施、电气工业、半导体制造及低温工业等领域具有无可替代的重要作用。He主要分布在地幔、岩石、空气和天然气中，空气中He的浓度较低，难以达到资源化利用的目的，从天然气中提取He，特别是在天然气液化过程中从不凝尾气中提取He，是目前He资源化利用的唯一途径。

目前，从天然气中提取氦气采用的工艺主要有两种：低温冷凝法和膜分离法。这两种工艺还存在如下问题：

1、天然气中氦气含量不高，使用低温冷凝法从天然气中提取氦气需要对天然气进行多次深冷分离，氦气沸点较低，要获得纯度较高的纯氦气需要把混合气冷却到-200℃以下，这不仅会造成设备数目增多、设备处理能力增大、流程变长，极低的工作温度还会对冷量、设备、材料提出极高的要求，导致投资大幅度增加，占地面积增大，生产成本提高，经济效应变差；

2、使用膜分离法从天然气中提取氦气时，存在以下难点：

①膜分离技术尚处在发展初期阶段，生产成本较高，天然气提氦领域应用较少，全流程使用膜分离技术将导致生产风险加大，投资成本大幅增加，经济效益差；

②天然气经过膜后压降较大，因此在进入下一级膜分离前需要对天然气进行压缩，多级膜分离+压缩会导致能量损失较大，从节能角度考虑不经济；

③当前国内尚没有成熟的大型膜分离法天然气提氦工业装置，当处理量较大时，膜分离法应用效果还有待验证；

④未来膜分离技术的发展方向还未知，企业消耗大量投资建成的生产线可能存在技术替代的风险；

3、目前工业中采用的天然气提氦工艺多用于处理含氦量较高的天然气，含氦量一般大于0.4％，而根据天然气矿所处位置的差异，天然气含氦量也有较大差别，使用低温冷凝法和膜分离法处理低氦天然气不仅会导致投资进一步增加，提取出的氦气纯度也不一定能满足应用要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能有效降低装置对于冷量的需求从而减小装置运行风险和能耗、能自He含量低于0.1％的天然气提取氦气的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，包括：

干燥单元，具有供贫氦天然气输入的入口，用于对天然气中的水进行脱除；

第一净化单元，连接于所述干燥单元的下游，用于对天然气进行脱硫、脱酸处理；

低温精馏塔，连接于所述第一净化单元的下游，用于对经干燥单元、第一净化单元处理后的天然气进行深冷分离，所述低温精馏塔的底部设置有供液相输出的第一输出口，顶部设置有供分离所得粗氦气输出的第二输出口；

加氢反应器及脱氢反应器，连接于所述低温精馏塔的下游，所述加氢反应器与脱氢反应器沿气流流通方向串接，用于除去低温精馏塔所得粗氦气中含有的H₂；

膜分离单元，连接于所述脱氢反应器的下游，用于对粗氦气进行膜分离得到纯度为30％～60％的粗氦气；

第二净化单元，连接于所述膜分离单元的下游，用于对经膜分离单元处理后粗氦气中的其他杂质进行去除得到氦气。

优选地，所述膜分离单元设置有供分离所得尾气输出的第一输出管道，该第一输出管道的出口与所述低温精馏塔的入口相连通。

优选地，所述第二净化单元设置有供所得解吸气输出的第二输出管道，该第二输出管道的出口与所述膜分离单元的入口相连通。

优选地，所述第一净化单元与低温精馏塔之间设置有用于对进入低温精馏塔的天然气进行降温的第一换热器；所述加氢反应器的入口处设置有用于对粗氦气进行升温的第二换热器。

优选地，所述膜分离单元的出口处设置有用于对输往第一换热器的粗氦气进行加压的第一压缩机。优选地，所述第二净化单元下游设置有用于对经第二输出管道输往膜分离单元的解吸气进行加压的第二压缩机。

优选地，所述第一净化单元为能通过脱硫、脱碳而将天然气中H₂O、CO₂、硫化物的浓度降至痕量的PSA净化单元。

优选地，所述第二净化单元为能通过变压吸附对粗氦气中的N₂、CH₄进行去除的PSA净化单元。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型将低温精馏工艺与膜分离技术相结合，先通过低温精馏工艺从含氦天然气中制得含氦率较高的粗氦气，再通过膜分离工艺对粗氦气进行初步提纯，最后通过变压吸附技术制得高纯度氦气，实现了自He含量低于0.1％的天然气提取氦气的目的；不仅解决了传统方法中将天然气冷却至-200℃以下才能分离出氦气的弊端，还降低了对膜分离技术的要求和依赖，减小了对冷量的需求，并有效的降低了未来技术替代的风险，简化了工艺流程，减小了部分关键设备尺寸和非必要的能量损耗，提高了经济效益，同时还能适用于含氦量远低于平均水平的低氦天然气；本实用新型从工业角度出发，提高了工艺的可靠性并降低了运行过程中的风险，有利于提高企业的经济效益和维护装置长周期平稳运行。

附图说明

图1为本实用新型实施例1、2的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备包括：

干燥单元1，具有供贫氦天然气输入的入口，用于对天然气中的水进行脱除；

第一净化单元2，连接于所述干燥单元的下游，用于对天然气进行脱硫、脱酸处理；

低温精馏塔4，连接于所述第一净化单元2的下游，用于对经干燥单元1、第一净化单元2处理后的天然气进行深冷分离，所述低温精馏塔4的底部设置有供液相输出的第一输出口，顶部设置有供分离所得粗氦气输出的第二输出口；

加氢反应器6及脱氢反应器7，连接于所述低温精馏塔4的下游，加氢反应器6与脱氢反应器7沿气流流通方向串接，用于除去低温精馏塔4所得粗氦气中含有的H₂；

膜分离单元8，连接于所述脱氢反应器7的下游，用于对粗氦气进行膜分离得到纯度为30％～60％的粗氦气；

第二净化单元9，连接于所述膜分离单元8的下游，用于对经膜分离单元8处理后粗氦气中的其他杂质进行去除得到氦气。

膜分离单元8设置有供分离所得尾气输出的第一输出管道，该第一输出管道的出口与所述低温精馏塔4的入口相连通。第二净化单元9设置有供所得解吸气输出的第二输出管道，该第二输出管道的出口与所述膜分离单元8的入口相连通。

第一净化单元2与低温精馏塔4之间设置有用于对进入低温精馏塔4的天然气进行降温的第一换热器3；所述加氢反应器6的入口处设置有用于对粗氦气进行升温的第二换热器5。

第二净化单元9下游设置有用于对经第二输出管道输往膜分离单元8的解吸气进行加压的第二压缩机11。膜分离单元8的出口处设置有用于对输往第一加热器3的粗氦气进行加压的第一压缩机10。

第一净化单元2为能通过脱硫、脱碳而将天然气中H₂O、CO₂、硫化物的浓度降至痕量的PSA净化单元。第二净化单元9为能通过变压吸附对粗氦气中的N₂、CH₄进行去除的PSA净化单元。

本实施例的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦方法包括以下步骤：

(1)含氦天然气经过干燥单元1进行脱水处理，再经第一净化单元2进行脱硫、脱酸处理，以避免低温下天然气中的H₂O、CO₂、硫化物在管道和设备内部造成堵塞或腐蚀；上述原料天然气中含有He、H₂、N₂、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀、C₅H₁₂、H₂S、COS、CH₃SH、CS₂、H₂O、O₂，其中CH₄的含量最高，He含量介于0.03％～0.1％(体积分数)之间，其他组分的含量根据天然气产地的差异会有不同。脱水处理在干燥单元内完成，采用的工艺可以是三甘醇脱水，也可以是其他能达到类似效果的工艺，本实用新型对干燥单元采用的工艺没有限制；脱硫和脱酸处理在PSA单元内完成，通过利用混合气体中不同介质在不同压力下对吸附剂的吸附性能差异来达到分离效果；经过第一净化单元脱硫、脱碳后天然气中H₂O、CO₂、硫化物的浓度降至痕量；

(2)经脱水、脱硫、脱酸处理后的天然气降温后进入低温精馏塔4进行深冷分离，塔底收集到的液体作为副产品LNG对外销售，塔顶分离出含氦量高的粗氦气，该粗氦气组分至少包括有He、H₂、N₂、O₂，粗氦气中He的回收率不低于99.5％，CH₄的回收率不高于2％；

(3)将粗氦气升温至40～100℃后进入加氢反应器6内进行催化加氢反应，再进入脱氢反应器7除去粗氦气中含有的少量H₂，反应后H₂浓度降至20ppb以下；

(4)催化加氢反应后的粗氦气中还包含N₂、CH₄杂质，将包含杂质的粗氦气送至膜分离单元8，使用He选择性较高的聚碳酸酯膜或聚酰亚胺He分离膜对粗氦气进行膜分离，因气体透过膜后压降较大，膜分离后利用压缩机对粗氦气进行加压处理，处理后得到的氦气产品中氦气纯度达到30％～60％；膜分离后分离出的尾气中还含有氦气，其组分包括He、CH₄、N₂，所得尾气加压后与新鲜天然气混合后进入低温精馏处理；

(5)膜分离后的粗氦气中还包含少量N₂、CH₄杂质，将包含杂质的粗氦气送至第二净化单元9，使用变压吸附技术提纯He，处理后得到的氦气产品中氦气纯度高于99.99％；第二净化单元9分离出的解析气中还含有氦气，其组分包括He、CH₄、N₂，解析气加压后送往膜分离单元与粗氦气混合后提纯处理。

以天然气井送来的常温、3.5MPaG的低含氦天然气为原料天然气，对具体提氦方法做进一步说明：天然气井送来的常温、3.5MPaG的低含氦天然气送往干燥单元，采用三甘醇脱水工艺脱除天然气中水分。脱水后的天然气送往第一净化单元脱除CO₂、H₂S、COS、CS₂等酸性气体。脱除酸性气体的天然气经过冷箱冷却后，进入低温精馏塔，精馏塔塔顶约为3.3MPaG左右，塔顶流出物为粗氦气，其中组分主要为He、H₂、N₂、CH₄等，氦气的含量约为6.5％。低温精馏塔塔底产物为液化天然气，可作为LNG产品外送。粗氦气送往催化加氢单元，在催化剂的作用下，利用氧气与氢气反应生成水分并脱除水分的方式，实现脱除氢气的目的。脱氢后的粗氦气送往膜分离单元，使用He选择性较高的膜对粗氦气进行膜分离，分离后的粗氦气纯度约为46％，但压力较低，需设置压缩机增压。膜分离后分离出的尾气中还有较多氦气，加压后与新鲜天然气混合后返回低温精馏处理。离开膜分离单元的粗氦气进入第二净化单元，使用变压吸附技术提纯He，处理后得到的氦气产品中氦气纯度高于99.99％。第二净化单元分离出的解析气中还有较多氦气，其组分应包括：He、CH₄、N₂等，加压后送往膜分离单元与粗氦气混合后提纯。相应的物流数据如下：

实施例2：

来自天然气管道的常温、3.5MPaG的低含氦天然气送往第一净化单元脱除CO₂。脱除CO₂的天然气经过TSA装置脱除痕量CO₂、H₂S、COS等酸性气体，利用冷箱降温冷却后进入低温精馏塔，精馏塔塔顶约为3.3MPaG左右，塔顶流出物为粗氦气，其中组分主要为He、H₂、N₂、CH₄等，氦气的含量约为6.5％。低温精馏塔塔底产物为液化天然气，可作为LNG产品外送。粗氦气送往催化加氢单元，在催化剂的作用下，利用氧气与氢气反应生成水分并脱除水分的方式，实现脱除氢气的目的。脱氢后的粗氦气送往膜分离单元，使用He选择性较高的膜对粗氦气进行膜分离，分离后的粗氦气纯度约为46％，但压力较低，需设置压缩机增压。膜分离后分离出的尾气中还有较多氦气，加压后与新鲜天然气混合后返回低温精馏处理。离开膜分离单元的粗氦气进入第二净化单元，使用变压吸附技术提纯He，处理后得到的氦气产品中氦气纯度高于99.99％。第二净化分离出的解析气中还有较多氦气，其组分应包括：He、CH₄、N₂等，加压后送往膜分离单元与粗氦气混合后提纯。相应的物流数据如下：

Claims (8)

1.一种低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于包括：

干燥单元，具有供贫氦天然气输入的入口，用于对天然气中的水进行脱除；

第一净化单元，连接于所述干燥单元的下游，用于对天然气进行脱硫、脱酸处理；

低温精馏塔，连接于所述第一净化单元的下游，用于对经干燥单元、第一净化单元处理后的天然气进行深冷分离，所述低温精馏塔的底部设置有供液相输出的第一输出口，顶部设置有供分离所得粗氦气输出的第二输出口；

加氢反应器及脱氢反应器，连接于所述低温精馏塔的下游，所述加氢反应器与脱氢反应器沿气流流通方向串接，用于除去低温精馏塔所得粗氦气中含有的H₂；

膜分离单元，连接于所述脱氢反应器的下游，用于对粗氦气进行膜分离得到纯度为30％～60％的粗氦气；

第二净化单元，连接于所述膜分离单元的下游，用于对经膜分离单元处理后粗氦气中的其他杂质进行去除得到氦气。

2.根据权利要求1所述的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于：所述膜分离单元设置有供分离所得尾气输出的第一输出管道，该第一输出管道的出口与所述低温精馏塔的入口相连通。

3.根据权利要求1所述的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于：所述第二净化单元设置有供所得解吸气输出的第二输出管道，该第二输出管道的出口与所述膜分离单元的入口相连通。

4.根据权利要求3所述的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于：所述第二净化单元下游设置有用于对经第二输出管道输往膜分离单元的解吸气进行加压的第二压缩机。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于：所述膜分离单元的出口处设置有用于对输往第一加热器的粗氦气进行加压的第二压缩机。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于：所述第一净化单元与低温精馏塔之间设置有用于对进入低温精馏塔的天然气进行降温的第一换热器；所述加氢反应器的入口处设置有用于对粗氦气进行升温的第二换热器。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于：所述第一净化单元为能通过脱硫、脱碳而将天然气中H₂O、CO₂、硫化物的浓度降至痕量的PSA净化单元。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的低温精馏耦合膜分离的天然气提氦设备，其特征在于：所述第二净化单元为能通过变压吸附对粗氦气中的N₂、CH₄进行去除的PSA净化单元。

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