一種天然氣中洗滌烴類提取氦氣的回收裝置及方法與流程
2023-10-31 19:24:17 2
本發明涉及在天然氣中洗滌烴類提取氦氣的回收工藝裝置及方法，特別適用含氦天然氣中烴類和氮氣含量小於20mol％的氣質條件，達到氦氣分離和提純的目的。
背景技術：
作為所有元素中最不活潑的元素——氦，是一種稀有氣體，通常情況下為無色、無味的氣體，是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。氦氣的穩定性決定了它的重要用途，氦的應用主要是衛星飛船發射、飛彈武器工業、低溫超導研究等。
在地球的大氣層中，氦的濃度十分低。氦氣的製備主要是天然氣提取，氦工業主要集中在美國、俄羅斯等氦氣資源豐富、氦含量高的極少數國家。中國氦氣資源匱乏，開發成本高。市場上氦氣供應主要來源於進口，且價格昂貴。
現有的低溫提氦方法需要外部製冷循環，且不能適應原料氣中氫氣含量較大範圍內波動。
技術實現要素：
為了克服現有技術的缺點，本發明提供了一種天然氣中洗滌烴類提取氦氣的回收裝置及方法，具有原料氣適應範圍廣、氦氣回收率高、能耗低和投資省的優點。
本發明所採用的技術方案是：一種天然氣中洗滌烴類提取氦氣的回收裝置，包括主換熱器、氦氣提濃塔和冷媒注入設施，所述主換熱器的含氦天然氣出口與氦氣提濃塔的中部進口連接；氦氣提濃塔的頂部氦氣產品出口與主換熱器的氦氣產品進口連接；氦氣提濃塔的底部甲烷氣出口與主換熱器的甲烷氣進口連接；冷媒注入設施與氦氣提濃塔塔頂的烴類洗滌液入口連接。
本發明還提供了一種天然氣中洗滌烴類提取氦氣的回收方法，將含氦天然氣分成兩股，一股進入主換熱器被冷凝，另一股進入氦氣提濃塔底蒸發器換熱，為氦氣提濃塔提供熱量後被冷凝，然後兩股匯合後直接進入氦氣提濃塔進行氦氣天然氣精餾分離，分離後的氦氣從提濃塔頂部返輸至主換熱器中回收冷量後，輸送至下一級處理工序；從提濃塔底部出來的天然氣經節流後返輸至主換熱器中回收冷量後，作為燃料氣外輸。
與現有技術相比，本發明的積極效果是：針對含氦天然氣中烴類和氮氣含量小於20mol％的氣質條件，本發明可直接利用新注入冷媒的冷量回收氦氣，而不需要額外的外部製冷設施，具有投資低和能耗低等優點，使裝置具有很高的氦氣回收率(天然氣中的氦氣收率高達99.9％，烴類的脫除率高達99.9％)。
附圖說明
本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：
圖1是本回收裝置的工藝原理流程圖。
具體實施方式
一種天然氣中洗滌烴類提取氦氣的回收裝置，如圖1所示，包括：主換熱器1、氦氣提濃塔2、氦氣提濃塔塔底蒸發器3、冷媒注入設施4等，其中：
所述主換熱器1為氦氣回收的熱量交換場所，主換熱器1的含氦天然氣出口與氦氣提濃塔2的中部進口連接；氦氣提濃塔2的頂部氦氣產品出口與主換熱器1的氦氣產品進口連接；氦氣提濃塔2的底部甲烷氣出口與主換熱器1的甲烷氣進口連接；氦氣提濃塔2分別與氦氣提濃塔塔底蒸發器3和冷媒注入設施4連接。
乾燥的含氦天然氣分為兩股，一股與主換熱器1相連，經過主換熱器預冷後直接進入氦氣提濃塔2，另一股與氦氣提濃塔塔底蒸發器3相連，為氦氣提濃塔塔底蒸發器提供熱量後與另一股預冷的粗氦原料匯合後直接進入氦氣提濃塔2；外加冷媒通過冷媒注入設施4直接輸送至氦氣提濃塔頂作為塔頂烴類洗滌液，以達到洗滌脫除烴類的目的；氦氣提濃塔頂得到的氦氣產品和塔底的甲烷氣分別與主換熱器相連。氦氣提濃塔2底部設有氦氣提濃塔塔底蒸發器3為其提供熱量。所述部分含氦天然氣與氦氣提濃塔底蒸發器相連，為氦氣提濃塔提供熱量，也可以將粗氦天然氣部分冷凝；剩餘部分粗氦天然氣與主換熱器相連，將粗氦天然氣部分冷凝。
在氦氣提濃塔塔底蒸發器3的含氦天然氣入口處設置控制閥，通過氦氣提濃塔2底部溫度給該控制閥信號，調節其開度以改變進入氦氣提濃塔塔底蒸發器的含氦天然氣流量。在所述主換熱器1的甲烷氣進口入設置節流調節閥。
本發明還提供了一種天然氣中洗滌烴類提取氦氣的回收方法，包括如下步驟：
2.7～3.7MPa.g，40℃的含氦天然氣(CH4：16mol％，N2：4mol％，He：44mol％，H2:36mol％)一部分(大約為45％～70％)經過主換熱器部分冷凝至160～-180℃左右，剩餘部分粗氦天然氣與氦氣提濃塔底蒸發器換熱，為氦氣提濃塔底提供熱量，被部分冷凝後至-140～-145℃，與經過主換熱器冷凝的粗氦天然氣匯合後直接進入氦氣提濃塔進行氦氣天然氣精餾分離。採用液氮作為冷媒，通過冷媒注入設施中的冷媒注入泵將液氮直接輸送至氦氣提濃塔塔頂，控制冷媒的注入量來匹配系統所缺的冷量，並且作為氦氣提濃塔頂的洗滌液將氦氣提濃塔頂的甲烷氣等烴類冷凝洗滌，達到將氦氣烴類分離的目的。
氦氣提濃塔頂部得到的2.5～3.5MPa.g，-190℃～-192℃的氦氣產品(氦氣收率高達99.9％，烴類的脫除率高達99.9％)，返輸至主換熱器換熱中回收冷量後，輸送至下一級處理工序。
氦氣提濃塔底部得到的2.55～3.55MPa.g，-127～140℃天然氣產品，節流至-150℃～-169℃後返輸至主換熱器換熱中回收冷量，提供冷量後的天然氣輸送至工廠燃料氣系統作為工廠燃料氣，或者增壓後外輸。
本發明的原理是：含氦天然氣的部分冷凝、氦氣提濃塔頂的氦氣產品和塔底的天然氣的冷量回收均在主換熱器1中實現。通過冷劑注入設施中的冷劑注入泵控制冷媒的注入量，來匹配整個精餾過程所需的冷量和氦氣提濃塔上的液相回流流量，從而體現出該方法在操作上的靈活性，對原料氣的組分變化和氣量波動都具有很強的適應性，在整個提氦過程中不需要額外設置外部製冷單元，由於外部製冷單元包括冷劑壓縮機，冷凝器、冷劑緩衝罐等，而冷劑注入設施僅需要冷劑儲存罐和冷劑注入泵，一次投資較外部製冷單元更省，並且冷劑注入泵的電機功率也遠小於外部製冷單元中的冷劑壓縮機電機功率，因此能耗也比外部製冷單元小。該方法具有投資省，能耗低，氦氣收率高、對工況變化適應性強等特徵。