CN112573494A - 一种利用水合物法的氦精制装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种利用水合物法的氦精制装置，涉及天然气提氦技术领域，包括粗氦气换热器、脱氢反应器、粗氦气冷却器、第一水合物生成塔、第二水合物生成塔、水合物分解器、氦气压缩机、氦气冷却器等设备。本发明采用催化氧化法脱氢和水合物法脱氮，不同于传统氦精制装置，脱氢单元生成的水在脱氮单元得到利用，从而去掉脱水装置，减少设备投资，并通过添加四丁基溴化铵溶液降低氮气水合物的生成压力，使整个装置的运行压力比传统氦精制装置低，从而降低装置能耗。本发明克服了传统氦精制装置投资和能耗成本大的缺点，且利用脱氢粗氦气为粗氦气换热器和水合物分解器供热，实现能量多级重复利用。

Description

一种利用水合物法的氦精制装置

技术领域

本发明涉及天然气提氦技术领域，具体涉及一种利用水合物法的氦精制装置

背景技术

氦气是一种重要的战略性资源，具有极低的沸点(4.2K)、临界温度(5.15K)及临界压力(0.226MPa)，能够轻松实现其他低温液体无法实现的超低温冷却，因此在航空航天、核武器、潜艇、饱和潜水作业、核磁共振、半导体等科技领域发挥了不可替代的作用，成为国防军工和高科技发展不可或缺的重要原材料之一。因此，如何从自然界提取氦气成为了广泛关注的重要课题。但是，自然界中氦含量极低，大气中的氦含量仅为0.0005％，而许多油气田天然气中氦的含量高于0.1％，比空气中的氦气含量高上千万倍。目前，天然气提氦工艺是全球提氦的主流工艺。

天然气提氦工艺主要分为脱碳、脱水、脱甲烷、氦精制单元，其中，氦精制单元是重要的气体纯化单元，决定了氦气能否满足产品要求。因此，一套高效节能的氦精制装置是有必要的。在氦精制工艺中，催化氧化法脱氢、膜分离法纯化和变压吸附法脱氮是最为广泛使用的工艺，如CN111547691A、CN110844893A等公开专利，这些工艺能提高氦气的纯度，增加氦气的回收率，但仍然存在三方面的局限性，具体表现为以下三个方面：第一，催化氧化装置生成的水难以得到利用，需要建立深度脱水单元处理，设备投资增加；第二，膜分离法在氦精制装置中用于初步的提纯粗氦气，降低变压吸附装置的负荷从而降低能耗，但单级膜的分离能力有限，需要设计多级膜单元或者增大膜两侧的压差来确保氦气的纯度，这仍然存在较大的物料费用和能耗费用；第三，变压吸附法需要建立多级吸附装置来保证脱氮的效率，工艺流程复杂，同时由于吸附装置存在吸附容量的上限，为了使装置连续运行，需要多个装置交替使用，也就对设备的精度提出了要求，设备投资和运行成本因此增加，而且变压吸附装置的吸附压力往往较高，意味着压缩机的功率需求较大，提氦能耗较大。分析发现，以上氦精制装置存在经济效益较差的问题。本装置充分考虑传统氦精制装置的不足，采用水合物法简化氧化脱氢工艺，去掉脱水单元，并且多级水合物生成塔脱氮的运行压力更低，也不需要交替使用，对设备的要求降低，克服了传统氦精制装置流程复杂、投资和能耗较大的问题，在保证氦气纯度的同时提高了天然气提氦经济效益。

发明内容

本发明的目的是：为了提供一种利用水合物法的氦精制装置，可以采用催化氧化法脱氢和水合物法脱氮，实现高效纯化粗氦气，简化氧化脱氢流程，减少投资，而且实现水合物法脱氮，降低能量损耗，使所提取的氦气达到国家相关产品要求。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种利用水合物法的氦精制装置，包括粗氦气精制单元和TBAB溶液回收单元：所述粗氦气精制单元，包括粗氦气换热器1、脱氢反应器2、粗氦气冷却器3、第一水合物生成塔4、第二水合物生成塔5、水合物分解器6、氦气压缩机7、氦气冷却器8，所述粗氦气从粗氦气换热器1冷气进口进入换热升温，所述粗氦气换热器1冷气出口与脱氢反应器2连接，粗氦气在脱氢反应器2内脱除杂质氢气，所述脱氢反应器2与粗氦气换热器1热气进口连接，升温后的脱氢粗氦气作为热气为粗氦气提供热量，所述粗氦气换热器1热气出口与粗氦气冷却器3连接，所述粗氦气换热器1与粗氦气冷却器3连接管路经过水合物分解器6换热，脱氢粗氦气通过粗氦气冷却器3、水合物分解器6进一步降温，满足水合物生成的温度条件，所述粗氦气冷却器3与第一水合物生成塔4下端进口连接，所述第一水合物生成塔4顶部出口与第二水合物生成塔5下端进口连接，粗氦气中的氮气在第一水合物生成塔4与第二水合物生成塔5内部生成水合物，所述第二水合物生成塔5顶部出口与氦气压缩机7连接，所述氦气压缩机7与氦气冷却器8连接，加压降温后满足高纯氦气的气瓶储存要求，外输高纯氦气；所述TBAB溶液回收单元，包括缓冲罐15、TBAB溶液冷却器16、泵17、第二流量调节阀19、第三流量调节阀20,所述第一水合物生成塔4底部出口、第二水合物生成塔5底部出口与水合物分解器6连接，生成的水合物浆液进入水合物分解器6分解，所述水合物分解器6连接有外部换热管路，所述水合物分解器6分解的N₂外输，所述水合物分解器6分解的TBAB溶液进入缓冲罐15，水合物分解器6内分解过程存在TBAB溶液的损耗，所述缓冲罐15上连接有第二流量调节阀19、第三流量调节阀20，水和TBAB分别经过第二流量调节阀19和第三流量调节阀20补充进入缓冲罐，所述缓冲罐15与TBAB溶液冷却器16连接，TBAB溶液温度降至氮气水合物生成温度，所述TBAB溶液冷却器16与泵17连接，所述泵17与第一水合物生成塔4上端进口、第二水合物生成塔5上端进口连接，TBAB溶液被泵送入第一水合物生成塔4和第二水合物生成塔5，实现循环利用。

优选的，所述粗氦气换热器1与脱氢反应器2之间连接有开工加热器9，首次开车时粗氦气换热器1内无热气流入，由开工加热器9将粗氦气加热，所述开工加热器9前连接有第一截止阀10，所述开工加热器9和第一截止阀10所在管路与第二截止阀11所在管路并联。

优选的，所述脱氢反应器2后安装有H₂/O₂在线分析仪12，出脱氢反应器2的粗氦气经H₂/O₂在线分析仪12检测，若H₂、O₂浓度达标则通过第三截止阀13外输，不达标则通过第四截止阀14回流至脱氢反应器2，回流时调节第一流量调节阀18控制氧气通入量，确保脱氢合格。

优选的，所述粗氦气换热器1为管壳式换热器，所述粗氦气冷却器3为风冷式冷却器，所述氦气压缩机7为膜压机，所述氦气冷却器8为管壳式冷却器，所述开工加热器9为电加热器，所述缓冲罐15为立式罐，所述TBAB溶液冷却器16为板式冷却器，所述泵17为离心式潜液泵，在第一水合物生成塔4和第二水合物生成塔5加入的水合物形成促进剂为四丁基溴化铵(TBAB)，能大幅度降低氮气水合物的生成压力。

优选的，所述脱氢反应器2后不设气体干燥器，脱氢反应器2中生成的水随脱氢的粗氦气进入第一水合物生成塔4。

优选的，所述TBAB溶液直接通入第一水合物生成塔4和第二水合物生成塔5，可有效防止水合物在第一水合物生成塔4前生成，堵塞管路。

优选的，所述TBAB溶液能大幅度降低氮气水合物生成压力，氮气和水在脱氢单元中压力较低且未与TBAB溶液接触，不满足水合物生成条件，无需控制工艺压力，简化流程。

优选的，所述外部换热管线内介质的加热方式为“光热+空气源+电加热”，介质与水合物分解器6换热降温后循环至外部加热处理。

本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：

(1)脱氢单元流体压力低于氮气水合物生成压力，可将催化氧化法产生的水随粗氦气一并通入第一水合物生成塔4，不需建立脱水装置，无水合物生成，简化流程，减少设备投资；

(2)水合物法脱氮需要的压力低，能耗少；

(3)脱氢后的粗氦气为粗氦气换热器1和水合物分解器6提供热量，实现了能量的多级重复利用；

(4)本装置流程简单，经济效益高，投资成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的流程示意图。

图中：1粗氦气换热器、2脱氢反应器、3粗氦气冷却器、4第一水合物生成塔、5第二水合物生成塔、6水合物分解器、7氦气压缩机、8氦气冷却器、9开工加热器、10第一截止阀、11第二截止阀、12 H₂/O₂在线分析仪、13第三截止阀、14第四截止阀、15缓冲罐、16 TBAB溶液冷却器、17泵、18第一流量调节阀、19第二流量调节阀、20第三流量调节阀。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种利用水合物法的氦精制装置，包括1粗氦气换热器、2脱氢反应器、3粗氦气冷却器、4第一水合物生成塔、5第二水合物生成塔、6水合物分解器、7氦气压缩机、8氦气冷却器、9开工加热器、10第一截止阀、11第二截止阀、12H₂/O₂在线分析仪、13第三截止阀、14第四截止阀、15缓冲罐、16TBAB溶液冷却器、17泵、18第一流量调节阀、19第二流量调节阀、20第三流量调节阀。

具体实施方式为：根据说明书附图1可知，粗氦气主要组成为氮气25.22％，氦气72.55％，氢气2.23％，首次开车时，打开第一截止阀10，关闭第二截止阀11，粗氦气(2.8MPa，45℃)通过开工加热器升温至120℃，与经过第一流量调节阀18的氧气混合后通入脱氢反应器2，脱氢反应器2内氢气与氧气催化反应生成水，得到含水的脱氢粗氦气，反应后脱氢反应器2出口的气体温度升高到200℃，脱氢反应器2出口安装有H₂/O₂在线分析仪12，若分析发现氢气与氧气浓度不达标，则打开第四截止阀14，关闭第三截止阀13，使之回流至脱氢反应器2，回流时调节第一流量调节阀18控制氧气通入量，若浓度达标，则打开第三截止阀13，关闭第四截止阀14，使之进入粗氦气换热器1与粗氦气换热，换热后脱氢粗氦气温度降到126℃，待粗氦气换热器1冷气出口气体温度升至120℃后，关闭第一截止阀10，打开第二截止阀11，粗氦气直接经过第二截止阀11进入脱氢反应器2。

经过粗氦气换热器1降温的粗氦气在通过水合物分解器6换热、粗氦气冷却器3降温到10℃后，从第一水合物生成塔4下端入塔，在塔内与从第一水合物生成塔4上端进入的过量TBAB溶液(质量分数为10％)逆流接触，此时氮气水合物生成压力降为2.39MPa，约80％的氮气生成水合物，第一水合物生成塔4顶端出来的氦气与未完全转化的氮气进入第二水合物生成塔5下端，与过量TBAB溶液(质量分数为10％)自下而上接触，此时氮气全部生成水合物，第二水合物生成塔5顶端出来的氦气经过氦气压缩机7加压至15MPa后经过氦气冷却器8降温至40℃，降温后的高纯氦气外输，第一水合物塔4与第二水合物塔5的水合物浆液从塔底流入水合物分解器6。

脱氢粗氦气、外部换热管线向水合物分解器6换热提供热量，水合物在水合物分解器6中受热后分解为氮气和TBAB溶液，氮气外输，TBAB溶液进入缓冲罐15，分解过程中损耗的TBAB溶液在缓冲罐15中补充，调节第二流量调节阀19控制补充水的流量，调节第三流量调节阀20控制补充TBAB的流量，缓冲后经过TBAB溶液冷却器16降温至10℃，再经泵17送至第一水合物生成塔4上端和第二水合物生成塔5上端，循环利用。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种利用水合物法的氦精制装置，其特征在于，所述一种利用水合物法的氦精制装置包括粗氦气精制单元和TBAB溶液回收单元，所述粗氦气精制单元，包括粗氦气换热器(1)、脱氢反应器(2)、粗氦气冷却器(3)、第一水合物生成塔(4)、第二水合物生成塔(5)、水合物分解器(6)、氦气压缩机(7)、氦气冷却器(8)，粗氦气从粗氦气换热器(1)冷气进口进入，所述粗氦气换热器(1)冷气出口与脱氢反应器(2)连接，所述脱氢反应器(2)与粗氦气换热器(1)热气进口连接，所述粗氦气换热器(1)热气出口与粗氦气冷却器(3)连接，所述粗氦气换热器(1)与粗氦气冷却器(3)连接管路经过水合物分解器(6)换热，所述粗氦气冷却器(3)与第一水合物生成塔(4)下端进口连接，所述第一水合物生成塔(4)顶部出口与第二水合物生成塔(5)下端进口连接，粗氦气中的氮气在第一水合物生成塔(4)和第二水合物生成塔(5)内与氮气水合物促进剂溶液(TBAB)混合，快速生成氮气水合物，所述第一水合物生成塔(4)底部出口与水合物分解器(6)连接，所述第二水合物生成塔(5)底部出口与水合物分解器(6)连接，所述TBAB溶液回收单元，包括缓冲罐(15)、TBAB溶液冷却器(16)、泵(17)、第二流量调节阀(19)、第三流量调节阀(20)，所述第二水合物生成塔(5)顶部出口与氦气压缩机(7)连接，所述氦气压缩机(7)与氦气冷却器(8)连接，降温后的高纯氦气外输，所述水合物分解器(6)连接有外部换热管路，所述水合物分解器(6)分解的N₂外输，所述水合物分解器(6)分解的TBAB溶液进入缓冲罐(15)，所述缓冲罐(15)与TBAB溶液冷却器(16)连接，所述TBAB溶液冷却器(16)与泵(17)连接，所述泵(17)与第一水合物生成塔(4)上端进口、第二水合物生成塔(5)上端进口连接，可以实现TBAB溶液的重复利用。

2.如权利要求1所述的一种利用水合物法的氦精制装置，其特征在于，所述氮气水合物促进剂选择四丁基溴化铵(TBAB)溶液，能大幅降低氮气水合物的生成压力。

3.如权利要求1所述的一种利用水合物法的氦精制装置，其特征在于，所述脱氢粗氦气依次进入第一水合物生成塔(4)和第二水合物生成塔(5)，氮气在塔内生成水合物，实现氮气与氦气的分离。

4.如权利要求1所述的一种利用水合物法的氦精制装置，其特征在于，所述缓冲罐(15)上连接有第二流量调节阀(19)、第三流量调节阀(20)，水通过第二流量调节阀(19)补充，水合物生成促进剂TBAB通过第三流量调节阀(20)补充。

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