一种从含氢粗氦中提取氦气的装置的制作方法

本实用新型属于气体分离技术领域，具体涉及一种从含氢粗氦中提取氦气的装置。

背景技术：

氦气是重要的战略物资，被广泛应用于军工、医疗、半导体、低温超导、核磁共振及气体检漏等领域。氦气主要存在于天然气中，目前利用天然气提取氦气的方法大都工艺复杂，耗能高，原料利用率低，并且提取的氦气纯净度不高，仍有一定的杂质无法清除，严重影响氦气的使用。此外，国际上公认的天然气提氦对天然气中氦浓度的最低要求是大于0.2％，而我国天然气氦含量普遍很低，大部分天然气含氦量为0.03％～0.05％，直接从天然气中提取氦气成本高，能耗高，经济效益差。

随着我国石油天然气勘探的发展，液化天然气工厂在国内快速发展，液化天然气工厂的BOG气体中含有大量的氦气资源，BOG气体是液化天然气生产过程中的不凝气，一般都将BOG气体循环再液化，部分BOG气体会当做工厂锅炉的燃料烧掉，还有一部分BOG气体经过火炬燃烧，排入大气，其中含有的稀缺氦资源被白白浪费。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种从含氢粗氦中提取氦气的装置。该装置通过设置脱氢组件，能够有效的将原料气中的氢气去除，通过设置膜分离装置，能够利用膜分离装置中的膜分离组件将脱氢后的原料气中的甲烷、氮气、氩气等杂质气体有效分离，通过设置变压吸附装置，能够对膜分离装置分离后的气体进行变压吸附，进一步提高氦气纯度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，包括与原料气输入端连接的脱氢组件，与脱氢组件连接的膜分离装置，以及与膜分离装置连接的变压吸附装置。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述脱氢组件包括依次连接的脱氢罐、第一冷却器、气水分离器、干燥器、冷凝器、气液分离罐和过滤器；所述过滤器与膜分离装置之间设置有第一压缩机。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述脱氢组件与原料气输入端之间设置有第二压缩机，第二压缩机的输出端与脱氢罐的输入端连接。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述气水分离器与干燥器之间设置有脱氧组件。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述脱氧组件包括脱氧罐和第二冷却器，所述脱氧罐的进气口与气水分离器的出气口连接，所述脱氧罐的出气口与第二冷却器的进气口连接，所述第二冷却器的出气口与干燥器连接。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述脱氧罐的数量为两个，两个所述脱氧罐并联，所述冷却器的数量为两个，两个脱氧罐和两个冷却器一一对应连接。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述膜分离装置包括第一级膜分离组件，第二级膜分离组件，…，和第n级膜分离组件，其中n的取值大于等于3，所述第一级膜分离组件的进气口与所述过滤器的出气口连接，第一级膜分离组件的渗透侧与第n级膜分离组件的进气口连接，第一级膜分离组件的滞留侧与第二级膜分离组件的进气口连接，第二级膜分离组件的渗透侧与第一级膜分离组件的进气口连接，第n级膜分离组件的渗透侧与变压吸附装置的进气口连接，第n级膜分离组件的滞留侧与第一级膜分离组件的进气口连接。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述变压吸附装置上连接有气体收集装置。

上述的一种从含氢粗氦中提取氦气的装置，其特征在于，所述变压吸附装置包括吸附塔和解吸气缓冲罐，所述吸附塔的数量为多个，多个所述吸附塔并联，多个所述吸附塔的进气口均与第n级膜分离组件的渗透侧连接，多个所述吸附塔的出气口均与气体收集装置连接，多个所述吸附塔的解吸气出口均与解吸气缓冲罐的入口连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型通过设置脱氢组件，能够有效的将原料气中的氢气去除，通过设置膜分离装置，能够利用膜分离装置中的膜分离组件将脱氢后的原料气中的甲烷、氮气、氩气等杂质气体有效分离，通过设置变压吸附装置，能够对膜分离装置分离后的气体进行变压吸附，进一步提高氦气纯度。

2、采用本实用新型的装置提取氦气，工艺简单，能耗低，解决了目前提氦工艺复杂，耗能高，原料利用率低等问题，提取的氦气纯度高，有助于打破我国氦气资源长期依赖进口的现状。

下面通过实施例和附图，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型从含氢粗氦中提取氦气的装置的结构示意图。

图2为本实用新型膜分离装置的结构示意图。

1—脱氢组件； 1-1—脱氢罐； 1-2—第一冷却器；

1-3—气水分离器； 1-4—脱氧罐； 1-5—第二冷却器；

1-6—干燥器； 1-7—冷凝器； 1-8—气液分离罐；

1-9—过滤器； 2—膜分离装置； 2-1—第一级膜分离组件；

2-2—第二级膜分离组件；2-3—第n级膜分离组件；

3—变压吸附装置； 3-1—吸附塔； 3-2—解吸气缓冲罐；

4—第一压缩机； 5—第二压缩机； 6—气体收集装置。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的氦气提取装置，包括与原料气输入端连接的脱氢组件1，与脱氢组件1连接的膜分离装置2，以及与膜分离装置2连接的变压吸附装置3。

本实施例中，所述脱氢组件1包括依次连接的脱氢罐1-1、第一冷却器1-2、气水分离器1-3、干燥器1-6、冷凝器1-7、气液分离罐1-8和过滤器1-9；所述过滤器1-9与膜分离装置2之间设置有第一压缩机4。

本实施例中，所述脱氢组件1与原料气输入端之间设置有第二压缩机5，第二压缩机5的输出端与脱氢罐1-1的输入端连接。

本实施例中，所述气水分离器1-3与干燥器1-6之间设置有脱氧组件。

本实施例中，所述脱氧组件包括脱氧罐1-4和第二冷却器1-5，所述脱氧罐1-4的进气口与气水分离器1-3的出气口连接，所述脱氧罐1-4的出气口与第二冷却器1-5的进气口连接，所述第二冷却器1-5的出气口与干燥器1-6连接。

本实施例中，所述脱氧罐1-4的数量为两个，两个所述脱氧罐1-4并联，所述冷却器1-5的数量为两个，两个脱氧罐1-4和两个冷却器1-5一一对应连接。

如图2所示，本实施例中，所述膜分离装置2包括第一级膜分离组件2-1，第二级膜分离组件2-2，…，和第n级膜分离组件2-3，其中n的取值为3，所述第一级膜分离组件2-1的进气口与所述过滤器1-9的出气口连接，第一级膜分离组件2-1的渗透侧与第n级膜分离组件2-3的进气口连接，第一级膜分离组件2-1的滞留侧与第二级膜分离组件2-2的进气口连接，第二级膜分离组件2-2的渗透侧与第一级膜分离组件2-1的进气口连接，第n级膜分离组件2-3的渗透侧与变压吸附装置3的进气口连接，第n级膜分离组件2-3的滞留侧与第一级膜分离组件2-1的进气口连接。

当n的取值大于3时，第二级膜分离组件2-2的滞留侧与下一级膜分离组件的进气口连接，所述下一级膜分离组件的渗透侧与第一级膜分离组件2-1的进气口连接，以此类推。

本实施例中，第一级膜分离组件2-1，第二级膜分离组件2-2，…，和第n级膜分离组件2-3均可采用中空纤维膜、聚酰亚胺气体分离膜等。

本实施例中，所述变压吸附装置3上连接有气体收集装置6，所述变压吸附装置3包括吸附塔3-1和解吸气缓冲罐3-2，所述吸附塔3-1的数量为多个，多个所述吸附塔3-1并联，多个所述吸附塔3-1的进气口均与第n级膜分离组件2-3的渗透侧连接，多个所述吸附塔3-1的出气口均与气体收集装置6连接，多个所述吸附塔3-1的解吸气出口均与解吸气缓冲罐3-2的入口连接。

以某液化天然气工厂的BOG气体(主要成分为甲烷，还含有少量氮气、氢气和氦气)为原料气，其中氦气体积百分含量为3％～5％，采用本实用新型的装置提取该原料气中的氦气，具体方法包括以下步骤：

步骤一、原料气经脱氢组件1脱除氢气；具体过程为：将原料气(BOG气体)经第二压缩机5加压至约16bar后送入脱氢罐1-1中，并向脱氢罐1-1中通入空气或氧气，在钯催化剂作用下氧气与原料气中的氢气反应生成水；从脱氢罐1-1出来的带水气体进入第一冷却器1-2进行冷却，然后进入气水分离器1-3中进行气水分离，气水分离后的气体进入脱氧罐1-4中进行脱氧处理，脱氧处理后的气体经第二冷却器1-5冷却后进入干燥器1-6中进行干燥处理；干燥处理后的气体经冷凝器1-7冷凝后进入气液分离罐1-8中分离，分离后的气体进入过滤器1-9中过滤；

步骤二、步骤一中过滤器1-9过滤后的气体经第一压缩机4加压至40±5bar后进入第一级膜分离组件2-1中，第一级膜分离组件2-1分离得到的渗透气进入第n级膜分离组件2-3进行进一步分离，第一级膜分离组件2-1分离得到的渗余气进入第二级膜分离组件2-2中进行分离，第二级膜分离组件2-2分离得到的渗透气返回第一级膜分离组件2-1中，第二级膜分离组件2-2分离得到的渗余气返回工厂循环利用；

步骤三、步骤二中第n级膜分离组件2-3分离得到的渗透气进入变压吸附装置3中进行变压吸附分离，收集变压吸附分离后的氦气，将变压吸附分离后的解吸气返回工厂循环利用。

经检测，变压吸附分离后收集的氦气的纯度达99.999％，BOG气体处理量约为600Nm³/h(0℃，101.325kPa)，氦气生产量约550L/d，氦气收率达到95％以上。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。