一种天然气中提取氦气和氩气的方法和装置

摘要

本发明提供了一种天然气中提取氦气和氩气的装置，包括有管道连接的原料气压缩机、预冷系统、纯化系统及主换热器，还包括有氦气分离塔、氦气分离塔再沸器、除氮塔、除甲烷塔、精氩塔、过冷器、氦气换热器、粗氦气液分离器、粗氦吸附器以及将上述部件连接的管路、阀门；本发明同时提供了以天然气为原料提取氦气和氩气的方法，得到的分离气体纯度高，无辐射，同时本发明的方法和装置使用全精馏工艺，连续运行时间长，设备稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气组分分离，更具体来说本发明涉及一种从天然气中利用全 精馏提取氩气及部分使用吸附提取氦气的分离方法和相应的装置。

背景技术

氩气在空气中的含量是0.93％，氦气是5.2ppm。氦气在空气中含量太少， 通常是从天然气中提取。而在空气中，氩气含量排位第3，含量丰富，提取方便， 所以氩气提取均采用空气为原料。现在1万以上大空分一般都配有全精馏提氩系 统。通常的流程是：空气经空压机压缩至所需压力，经预冷纯化去除二氧化碳、 水及部分碳氢化合物。在进入冷箱前被分成两部分，一部分进入透平膨胀机端增 压至0.65～0.8MPa，然后经冷却器冷却至20℃，进入主换热器冷却至-120℃～ -140℃后，进入膨胀机膨胀至比上塔压力略高，进入上塔。另一部分空气经过主 换热器并被返流气冷却至液化状态，进入下塔后开始进行分离，进入下塔底部的 空气穿过塔板并与塔板上的回流液进行热质交换，这样的结果是，在下塔上部得 到纯氮气，在塔釡得到富氧液空。下塔顶部绝大部分氮气进入冷凝蒸发器的冷凝 侧，在那里氮气通过把上塔底部的液氧蒸发放出热量，自身得到冷凝并作为下塔 回流液。还有部分液氮经过冷器的过冷后送往上塔顶部，作上塔顶部的回流液。 从下塔的塔釡抽出的富氧液空经过冷器的过冷，节流后进入上塔上部作为上塔回 流液。氧产品最终在上塔精馏产生，从上塔底部抽出氧气进入主换热器，氧气复 热后出装置作为产品气送出。纯氮气从上塔顶部抽出，首先在过冷器中被纯液氮 和富氧液空复热，然后进入主换热器中复热后出装置。从上塔上部引出污氮气， 经过冷器、主换热器复热至21℃出冷箱，然后进入电加热器作为分子筛再生气 体，多余气体放空。从上塔中部抽取一定量的氩馏份送入粗氩塔,粗氩塔在结构 上分为两段,第二段氩塔底部的回流液经液体泵送入第一段顶部作为回流液,经粗 氩塔精馏得到纯度约98.5％Ar，2ppm O₂的粗氩，经液化器液化后送入精氩塔中 部，经精氩塔精馏在精氩塔底部得到精液氩。此方法的优势是氩原料丰富，提取 成本低。但是，空气中虽然氩气含量丰富，但是氩还具有多种同位素，稳定的同 位素有氩-40(⁴⁰Ar)天然含量99.6％、氩-36(³⁶Ar)天然含量0.34％和氩-38(³⁸Ar) 天然含量0.06％。以及经由宇宙射线轰击氩-40而生成的不稳定的氩-39(³⁹Ar)， 所以，受限于空气中的氩气影响，其氩同位素无法分离，其辐射会影响实验室等 特殊场合对氩气的要求，尤其是现在很多实验室场合要求几十亿分之一杂质含量 时，空气为原料的氩气显然不能满足其要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺席及天然气的各组分特点，提供了一种从 天然气中全精馏提取氩气以及氦气的方法和装置，同时保证提取方法和设备运行 稳定、高效。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

提供一种天然气中提取氦气和氩气的方法，包括以下步骤：

步骤1：将天然气在原料气压缩机内压缩至所需压力后经过预冷系统预冷及 纯化系统纯化后，在主换热器中冷却并经过氦气分离塔再沸器冷凝成液体后，进 入氦气分离塔，在氦气分离塔顶部得到粗氦气在氦气换热器通过负压液氮冷却液 化，再通过粗氦气液分离器把氮组分去除得到纯度大于99％的粗氦气，然后利用 粗氦吸附器去除粗氦中的氮，得到纯度大于99.999％的纯氦气；

步骤2：在氦气分离塔底部得到的液体经节流阀降压后进入除氮塔，大部分 氮组分从除氮塔顶部排出并进入氮气循环系统成为循环氮气，甲烷与氩气的混合 液和微量氮组分从除氮塔底部抽出进入除甲烷塔，甲烷从除甲烷塔底部以液体形 式抽出进入过冷器回收冷量，从除甲烷塔顶部出来的粗氩气含有少量氮气，进入 精氩塔，把微量氮气组分分离，从精氩塔(11)底部得到符合要求的纯氩液体。

为优化上述的提取方法，采取的具体措施还包括：

步骤1中的所述循环氮气经氮气循环压缩机压缩后进入主换热器降温，再进 入除氮塔再沸器、除甲烷塔再沸器、精氩塔再沸器，为对应的除氮塔、除甲烷塔、 精氩塔提供热量，从三个塔再沸器出来的液氮汇合后，一部分经过过冷器冷却降 温再节流后进入液氮气液分离器，从所述液氮气液分离器底部出来的液氮作为冷 源进入氦气分离塔冷凝蒸发器、除氮塔冷凝蒸发器、.除甲烷塔冷凝蒸发器及精 氩塔冷凝蒸发器，为精馏提供液体。

从换热器进来的部分氮气，从换热器出来之后进入膨胀机，膨胀后的这部分 氮气与在四个相应的冷凝蒸发器气化后的氮气、液氮气液分离器顶部出来的氮气 及从相应的再沸器出来的部分氮气一起进入过冷器回收冷量后，最终与除氮塔顶 部出来的氮气汇合成一股，进入主换热器复热后进入氮气循环压缩机参与循环， 如有多余氮气，在此放空。

上述步骤1中氦气分离塔顶部得到粗氦气在氦气换热器通过负压液氮冷却 液化过程中，液氮的负压由真空泵提供。

上述步骤1中的粗氦吸附器可以设置两个。

本发明还提供一种天然气中提取氦气和氩气的装置，包括有管道连接的原料 气压缩机、预冷系统、纯化系统及主换热器，还包括有氦气分离塔、氦气分离塔 再沸器、除氮塔、除甲烷塔、精氩塔、过冷器、氦气换热器、粗氦气液分离器、 粗氦吸附器以及将上述部件连接的管路、阀门；天然气依次经过原料气压缩机、 预冷系统及纯化系统后，在主换热器中冷却并经过氦气分离塔再沸器冷凝成液体 后，进入氦气分离塔，在氦气分离塔顶部得到粗氦气依次通过氦气换热器、粗氦 气液分离器及粗氦吸附器得到纯度大于99.999％的纯氦气；在氦气分离塔底部得 到的液体经节流阀降压后进入除氮塔，甲烷与氩气的混合液和微量氮组分从除氮 塔底部抽出进入除甲烷塔，甲烷从除甲烷塔底部以液体形式抽出进入过冷器回收 冷量，从除甲烷塔顶部出来的粗氩气含有少量氮气，进入精氩塔得到符合要求的 纯氩液体。

为了进一步优化上述装置，采取的具体措施还包括：

装置还具有氮气循环压缩机，上述的氦气分离塔、除氮塔、除甲烷塔、精氩 塔相应地设置并连接有氦气分离塔再沸器、氦气分离塔冷凝蒸发器、除氮塔再沸 器、除氮塔冷凝蒸发器、除甲烷塔再沸器、除甲烷塔冷凝蒸发器、精氩塔再沸器、 精氩塔冷凝蒸发器，过冷器还连接有液氮气液分离器。

上述装置还包括有与换热器和过冷器相连接的膨胀机。

上述装置还包括与氦气换热器相连接的真空泵。

上述粗氦吸附器为两个。

一般来说，原料天然气在原料气压缩机内压缩至所需压力后经过预冷系统的 预冷、纯化系统的纯化后进入分馏塔冷箱。在主换热器中冷却再经过氦气分离塔 底的氦气分离塔再沸器冷凝成液体后，进入氦气分离塔。从氦气分离塔顶得到粗 氦气经过负压液氮冷却液化，通过粗氦气液分离器把氮组分去除得到99％的氦 气，用粗氦吸附器中的硅胶吸附掉粗氦中的氮，得到纯氦气。然后经主换热器复 热后出塔供给用户。

从氦气分离塔底部出来的液体则经节流阀降压后进入除氮塔。大部分氮组分 从除氮塔顶部排出，进入氮气循环系统。甲烷与氩气的混合液和微量氮组分从除 氮塔底部抽出进入除甲烷塔，甲烷从除甲烷塔底部以液体形式抽出进入过冷器回 收冷量，然后在主换热器复热，送给用户或它用。从除甲烷塔顶部出来的粗氩气 含有少量氮气，进入精氩塔，把微量氮气组分分离，从精氩塔底部得到符合要求 的纯氩液体。

循环氮气经氮压机压缩后进入主换热器降温，再进入除氮塔再沸器、除甲烷 塔再沸器、精氩塔再沸器，为对应的除氮塔、除甲烷塔、精氩塔提供热量。从三 个塔再沸器出来的液氮汇合后有一部分经过过冷器冷却降温再节流后进入液氮 气液分离器，从气液分离器底部出来的液氮作为冷源进入四个精馏塔的冷凝蒸发 器，为精馏提供液体。从换热器进来的另一股氮气，从换热器出来之后进入膨胀 机，膨胀后氮气进入过冷器回收冷量。与再冷凝蒸发器气化后的氮气、液氮气液 分离器顶部出来的氮气及从再沸器出来的部分的氮气进入过冷器回收冷量后，与 除氮塔顶部出来的氮气汇合成一股，进入主换热器复热后进入氮气压缩参与循 环，如有多余氮气，在此放空。

与现有技术相比，本发明以天然气为原料提取氦气和氩气，得到的分离气体 纯度高，无辐射，同时本发明的方法和装置使用全精馏工艺，连续运行时间长， 设备稳定。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图对本发明 的技术方案做进一步阐述。

图1是本发明的流程示意图。

其中的附图标记为：原料气压缩机1；预冷系统2；纯化系统3；主换热器4； 氦气分离塔5；氦气分离塔再沸器6；除氮塔7；除氮塔再沸器8；除甲烷塔9； 除甲烷塔再沸器10；精氩塔11；精氩塔再沸器12；氦气分离塔冷凝蒸发器13； 除氮塔冷凝蒸发器14；除甲烷塔冷凝蒸发器15；精氩塔冷凝蒸发器16；液氮气 液分离器17；过冷器18；氦气换热器19；粗氦气液分离器20；粗氦吸附器21； 膨胀机22；氮气循环压缩机23；真空泵24。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发 明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1

原料气组分：氦气1.58％；氩气：0.27％；氮气：81.91％；甲烷：16.23％； 其他为水和二氧化碳；流量为：700Nm³/h

原料气在原料气压缩机1内压缩至4.0MPa(G)所需压力后经过预冷系统2 冷却后至10℃、纯化系统3纯化脱除水(水的露点<-65℃和二氧化碳含量<1ppm) 后进入分馏塔冷箱。在主换热器4中冷却至-135℃再经过氦气分离塔再沸器6冷 凝成液体(由于氦气很难液化，实际液化率为83％)后，进入氦气分离塔5。氦气 分离塔理论板数10块，从氦气分离塔5顶得到粗氦气(氦气纯度为65.82％)在 氦气换热器19通过负压液氮冷却液化，负压液氮温度控制在-206℃，不能低于 -210℃，保证液氮不固化。真空泵24为液氮提供负压22kPa(绝压)，通过气液 分离器20把氮组分去除得到99％的氦气，量为11.83Nm³/h，在吸附器21中去除 掉粗氦中的氮，得到纯氦气(纯度≥99.999％)，经主换热器4复热到17℃后出塔 供给用户。吸附器21可以设置2只，一只吸附，另一只再生，切换使用，可以 单独设置冷箱，也可以在与其它设备放置在同一冷箱内。

从氦气分离塔5底部出来的液体经节流阀降压至0.15MPa(G)后进入除氮 塔7。除氮塔7的理论塔板数为60块，大部分氮组分从除氮塔7顶部排出，排 出的氮气量为608Nm³/h，氮气纯度为：99.997％，进入氮气循环系统。甲烷与氩 气的混合液和微量氮组分从除氮塔7底部抽出进入除甲烷塔9，甲烷从除甲烷塔 9底部以液体形式抽出进入过冷器18回收冷量、主换热器4复热，送给用户或 它用，甲烷量为121Nm³/h。从除甲烷塔9顶部出来的粗氩气含有少量氮气(组 分为：氩气：99.938％；氮气：0.0615％)，进入精氩塔11，把微量氮气组分分离， 从精氩塔11底部得到符合要求的纯氩液体。

循环氮气量为4000Nm³/h经氮压机压缩23后进入主换热器4降温到-120℃， 再进入除氮塔再沸器8(2757Nm³/h)、除甲烷塔再沸器10(160Nm³/h)、精氩塔 再沸器12(20Nm³/h)，为对应的除氮塔7、除甲烷塔9、精氩塔11提供热量。 从三个塔再沸器出来的液氮汇合后有一部分(2010Nm³/h)经过过冷器18冷却降 温到-153.6℃再节流到0.04MPa(G)后进入液氮气液分离器17，从气液分离器 17底部出来的液氮量为947.2Nm³/h，作为冷源进入四个精馏塔的冷凝蒸发器 (13,14,15,16)，为精馏提供液体。从换热器4进来的另一股氮气(1060Nm³/h)， 从换热器出来之后进入膨胀机22，膨胀到-171.8℃，0.4MPa(G)，膨胀后氮气 进入过冷器18回收冷量。与在冷凝蒸发器气化后的氮气、液氮气液分离器17顶 部出来的氮气及从再沸器出来的部分的氮气进入过冷器回收冷量后复热到-155.9 ℃，与除氮塔7顶部出来的氮气汇合成一股，进入主换热器4复热到17℃后进 入氮气压缩参与循环，如有多余氮气，在此放空。

本发明以天然气为原料提取氦气和氩气，得到的分离气体纯度高，无辐射， 同时本发明的方法和装置使用全精馏工艺制取氩气，连续运行时间长，设备稳定。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并 不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行 的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范 围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。