专利名称：一种从天然气中提取高纯氦的方法
技术领域：
本发明涉及化工分离方法，尤其是稀有气体的分离方法。
世界上氦资源主要存在于天然气中，我国是氦资源贫乏的国家，天然气中氦浓度很低，如四川天然气中氦浓度约为0.2％。为从天然气中获得高纯氦现广泛采用深冷分离法，见《天然气工业》，1993，9，13(5)，P82。该方法利用氦液化温度极低的特点，在深冷条件下使全部甲烷和大部分氦气液化，经低温精馏分离出粗氦，继而将粗氦在高压低温下经冷凝和吸附获得纯氦。用深冷分离法可以获得高纯氦。但深冷分离是低温，有相变的分离方法，虽然应用广泛，但能耗较高。以氦浓度0.2％，氦收率90％计，每生产1NM3氦须处理约560NM3天然气。大规模生产时，深冷分离设备投资很大，能耗(主要是压缩功耗和冷损失)也很高。目前，上述提氦工艺的单位能耗为89～133KW·h/NM3氦。
本发明的目的在于提供一种提取高纯氦的方法，以较大幅度地降低单位能耗和设备投资。
本发明是一种天然气中提取高纯氦的方法，包括在深冷条件下使原料气液化，低温精馏分离出粗氦，继而将粗氦在高压低温下冷凝和吸附获得纯氦，其特征在于在进行深冷分离前用膜分离技术将天然气中的氦预提浓，提浓后的富氦天然气作为深冷分离的原料气。其工艺过程框图如
图1所示。
气体膜分离的推动力是膜两侧的压力差，由于天然气本身具有较高压力，图1中膜分离工段之前不须加压。经膜分离后，尾气中氦浓度极低，压力仍与原料天然气压力相等，可并入管网。经膜分离后的渗透气氦浓度提高，但压力低，进入深冷分离前需加压。经一级膜分离可将氦浓度提高，但压力低，进入深冷分离前需加压。经一级膜分离可将氦浓度提高约10倍，所得富氦天然气量也比原天然气量减少10倍左右。在同样氦产出的情况下，深冷分离的设备投资可大幅度降低，能耗等操作费用也相应降低。
图1中膜分离单元是由多根膜分离器组成的，所需膜面积取决于要达到的氦浓度和收率最简单的是将2～100根膜分离器串联，渗透气并联，组成一级膜分离单元(如图2所示)。一级膜分离适合于要求富氦浓度不高的场合。
为进一步提高氦浓度，可采用二级膜分离工艺，其中一级膜分离单元由2～100根分离器串联，渗透气并联完成，二极膜分离单元由1～50根分离器串联，渗透气并联而成。一级膜分离的渗透气作为二级膜分离的原料气，如图3所示。由于二级膜分离的尾气中氦浓度仍较高，故可返回原料气，以增加氦收率。
本发明采用膜分离法能够在没有相变情况下实现氦的预提浓，可使后续深冷分离规模的幅度减小，因而降低其所需设备投资和操作费用。如深冷分离设备规模一定，用本发明方法能提高氦产量，降低提氦成本。这是因为，经膜分离单元后，供给深冷分离单元的原料气中氦浓度可提高数倍至数十倍。经膜分离后的尾气的压力琚的料气压力相当，不须加压即可返回天然气管网。
下面结合实施例和附图作进一步说明。
附图1为天然气提氦工艺流程；附图2为多个膜分离器串联组成的膜分离器组；附图3为二极膜分离示意图；附图4为实例1中膜分离工艺流程。
实施例1天然气氦浓度为0.2％，其余以甲烷计，供气量600NM3/hr。常规深冷分离氦回收率以90％计，可获1.08NM3氦气/hr，电耗约100KW·hr。
采用本发明的膜分离——深冷分离联合工艺，如图4，原料天然气经4根φ100×3000mm膜分离器得到122.4NM3/hr一级渗透气。经一级压缩机如压后，一级渗透气经2根φ50×3000mm膜分离器，得到17.4NM3/hr氦浓度为5.7％的二极渗透气作为深冷分离的原料气。膜分离单元和深冷分离氦回收率分别以82％和90％计，可获0.89NM3/hr。膜分离压缩功和深冷分离能耗合计计约26.7KW·hr。
本例中，深冷分离处理的气量为原料天然气量的2.9％，其中氦浓度比原料天然气提高28倍。由于二级压缩机是为深冷分离提供压头的，与一级压缩机处理气量相比，通过二级压缩机的气量很小，故膜分离工段的能耗主要是一级压缩机(2)的电耗。而一级压缩机处理气量为原料天然气量的1/10～1/5，深冷分离处理气量约为原料天然气量的1/30，故深冷分离的能耗可大幅度下降，设备投资和操作费用也明显降低。
提高氦产量的一种可得办法是用膜分离法制取初步提浓的富氦天然气。下面的例子即是这样提高氦产量的。
实施例2某厂用深冷法从天然气提氦。深冷装置处理气量4000NM3/h，天然气进口压力2.5MPa，氦浓度0.2％，氦收率为90％，获纯氦7.2NM3/hr。
采用20根φ200×3000mm聚砜膜分离器组成一级膜分离单元，处理30000NM3/hr的天然气，得到2500NM3/hr富氦天然气，氦含量1.5％。再配以1500NM3/hr原料天然气，得到4000NM3/hr含氦1.0％的天然气，送深冷分离，可得纯氦36NM3/hr。
与单纯的深冷法相比，联合工艺中深冷分离的原料气中氦浓度显著提高，有利于降低深冷分离的能耗，同时大幅度提高氦产量。联合工艺增加的成本和操作费用是膜分离器、压缩机投资和压缩功。综合考虑提氦成本，联合法较单纯的深冷法更为优越。
权利要求
1.一种天然气中提取高纯氦的方法，包括在深冷条件下使原料气液化，低温精馏分离出粗氦，继而将粗氦在高压低温下冷凝和吸附获得纯氦，其特征在于在进行深冷分离前用膜分离技术将天然气中的氦预提浓，提浓后的富氦天然气作为深冷分离的原料气。
2.按权利要求1中所述从天然气中提取高纯氦的方法，其特征在于膜分离单元由2～100根分离器串联、渗透气并联而成。
3.按权利要求1中所述从天然气中提取高纯氦的方法，其特征在于膜分离单元采用两级膜分离工艺，其中一级膜分离单元由2～100根分离器串联，渗透气并联完成，二极膜分离单元由1～50根分离器串联，渗透气并联而成，一级膜分离的渗透气作为二级膜分离的原料气。
4.按权利要求3中所述从天然气中提取高纯氦的方法，其特征在于一级膜分离的尾气可返回为一级膜分离的原料气。
全文摘要
一种天然气中提取高纯氦的方法，包括在深冷条件下使原料气液化，低温精馏分离出粗氦，继而将粗氦在高压低温下冷凝和吸附获得纯氦。其特征在于在进行深冷分离前用膜分离技术将天然气中的氦预提浓，提浓后的富氦天然气作为深冷分离的原料气。该方法使得在同样氦气产出情况下，深冷分离的规模减小；在同样深冷分离规模下，氦气产量增加，能耗和操作费用都大幅度下降。
文档编号F25J3/02GK1118060SQ94112480
公开日1996年3月6日 申请日期1994年8月30日 优先权日1994年8月30日
发明者蒋国梁, 陈华 申请人:中国科学院大连化学物理研究所