一种含氦天然气常温梯级提取超纯氦气的方法及生产装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113735080A(43)申请公布日2021.12.03(21)申请号202110004218.4(22)申请日2021.01.04(71)申请人李保军地址100083北京市海淀区学院路18号(72)发明人李保军范瑛琦贺高红盖丽梅(51)Int.Cl.C01B23/00(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种含氦天然气常温梯级提取超纯氦气的方法及生产装置(57)摘要一种含氦天然气常温梯级提取超纯氦气的方法及生产装置属于石油化工技术领域。本发明将膜分离、变压吸附、低温催化和脱硫脱碳技术按照处理能力梯级集成在一起，对含氦天然气/地热水溶气中的氦气进行提纯时，根据分离技术的最佳分离区间，将脱硫脱碳、膜分离、变压吸附、低温催化技术放置在合适的分离位置，形成多技术梯级集成工艺。利用该工艺将含氦天然气/地热水溶气中含有的氦气逐级提纯，最后得到体积分数不低于99.9999％的氦气。该流程通过多技术梯级组合、相互协作，成功打破了单一分离技术的发展瓶颈，大大提高了氦气产率，降低了含氦天然气/地热水溶气提取氦气过程的投资和能耗，提高了分离系统的使用寿命，拓宽了可利用的氦气资源。CN113735080ACN113735080A权利要求书1/2页1.一种含氦天然气常温梯级提取超纯氦气的方法，其特征在于：所述方法包括脱硫脱碳、气体膜分离、变压吸附和低温催化技术，含氦原料气首先经脱硫脱碳系统(1)处理后，进入一次膜分离系统(2)；膜分离后的富氦气体进入一次低温催化系统(3)，脱除其中的氢气组分；脱氢后的富氦气体进入二次气体膜分离系统(4)，处理后得到的较高氦气浓度的富氦气体送入一次变压吸附系统(5)；得到较为纯净的氦气进入二次低温催化系统(6)，脱除其中微量的氢；脱氢后的氦气进入二次变压吸附系统(7)；处理后得到的合格的超纯氦气送出界外。2.根据权利要求1所述的一种常温提取超高纯度氦气的方法，其特征在于：一次和二次变压吸附系统(5、7)中的变压吸附装置采用提纯后的氦气吹扫解吸，一次和二次变压吸附系统(5、7)的解吸气混合后返回二次膜分离系统(4)入口，二次膜分离系统(4)的贫氦尾气返回一次膜分离系统(2)入口，一次膜分离系统(2)的贫氦尾气直接送出界外。3.根据权利要求1所述的一种常温提取超高纯度氦气的方法，其特征在于：a.脱硫脱碳系统(1)处理二氧化碳体积浓度不低于0.4％、硫化氢体积浓度不低于20ppm的含氦天然气/地热水溶气，将二氧化碳浓度降到0.4％以下，硫化氢浓度降低到20ppm以下，进入一次膜分离系统(2)；b.一次膜分离系统(2)将含氦量较低的含氦天然气/地热水溶气中的氦进行初步富集，要求将氦气回收率不低于90％，优选不低于95％，最优选不低于99％，通过这一过程，一方面将氦气进行初步富集，另一方面将原料气中不包括氢气以外的杂质含量脱除80％以上，大大减少进入一次低温催化系统(3)的气体处理量，同时控制进入一次低温催化系统(3)的原料气中氢气含量不高于15％；c.一次低温催化系统(3)将原料气中含有的氢气在钯催化剂的作用下与包括但不限于氧气、一氧化碳、二氧化碳、氧化铁、氧化铜等氧化剂在20～100摄氏度的条件下发生氧化还原反应，将其中的氢气体积含量降低到1ppm，优选0.1ppm以下，进入二次膜分离系统(4)；d.二次膜分离系统(4)进一步脱除含氦天然气/地热水溶气中不包括氢气的其他杂质气体，在渗透侧将其中的氦气含量富集到70％，优选80％，最优选90％以上，进入一次变压吸附系统(5)，在渗余侧得到的贫氦尾气返回一次膜分离系统(2)的入口；e.一次变压吸附系统(5)进一步脱除含氦天然气/地热水溶气中不包括氢气的其他杂质气体，将氦气提纯到99％，优选99.9％以上，进入二次低温催化系统(6)；变压吸附塔常压解吸后，再使用一次变压吸附系统(5)提纯后得到的纯净氦气进行回流吹扫解吸，解吸气与二次变压吸附系统(7)的解吸气混合后返回二次膜分离系统(4)的入口；f.二次低温催化系统(6)将一次变压吸附系统(5)提纯后的氦气中含有的微量氢气进一步在钯催化剂的作用下与包括但不限于氧气、一氧化碳、二氧化碳、氧化铁、氧化铜等氧化剂在20～100摄氏度的条件下发生氧化还原反应，将其中的氢气体积含量降低到0.03ppm，优选0.01ppm以下，满足二次变压吸附系统(7)对于原料气中氢气含量的要求；g.二次变压吸附系统(7)对脱氢后的纯净氦气进一步分离，脱除其中包含的不包括氢以为的其他微量杂质体积含量全部降低到0.1ppm以下，并确保包括氢气在内的所有杂质的总含量不高于1ppm，得到符合国标标准的超纯氦；变压吸附塔常压解吸后，再使用二次变压吸附系统(7)提