一種天然氣中提取氦氣和氬氣的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天然氣組分分離，更具體來(lái)說(shuō)本發(fā)明涉及一種從天然氣中利用全精餾提取氬氣及部分使用吸附提取氦氣的分離方法和相應(yīng)的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]氬氣在空氣中的含量是0.93%，氦氣是5.2ppm。氦氣在空氣中含量太少，通常是從天然氣中提取。而在空氣中，氬氣含量排位第3，含量豐富，提取方便，所以氬氣提取均采用空氣為原料?，F(xiàn)在I萬(wàn)以上大空分一般都配有全精餾提氬系統(tǒng)。通常的流程是:空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮至所需壓力，經(jīng)預(yù)冷純化去除二氧化碳、水及部分碳?xì)浠衔?。在進(jìn)入冷箱前被分成兩部分，一部分進(jìn)入透平膨脹機(jī)端增壓至0.65?0.8MPa，然后經(jīng)冷卻器冷卻至20°C，進(jìn)入主換熱器冷卻至_120°C?_140°C后，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹至比上塔壓力略高，進(jìn)入上塔。另一部分空氣經(jīng)過(guò)主換熱器并被返流氣冷卻至液化狀態(tài)，進(jìn)入下塔后開(kāi)始進(jìn)行分離，進(jìn)入下塔底部的空氣穿過(guò)塔板并與塔板上的回流液進(jìn)行熱質(zhì)交換，這樣的結(jié)果是，在下塔上部得到純氮?dú)猓谒玫礁谎跻嚎?。下塔頂部絕大部分氮?dú)膺M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的冷凝側(cè)，在那里氮?dú)馔ㄟ^(guò)把上塔底部的液氧蒸發(fā)放出熱量，自身得到冷凝并作為下塔回流液。還有部分液氮經(jīng)過(guò)冷器的過(guò)冷后送往上塔頂部，作上塔頂部的回流液。從下塔的塔釜抽出的富氧液空經(jīng)過(guò)冷器的過(guò)冷，節(jié)流后進(jìn)入上塔上部作為上塔回流液。氧產(chǎn)品最終在上塔精餾產(chǎn)生，從上塔底部抽出氧氣進(jìn)入主換熱器，氧氣復(fù)熱后出裝置作為產(chǎn)品氣送出。純氮?dú)鈴纳纤敳砍槌?，首先在過(guò)冷器中被純液氮和富氧液空復(fù)熱，然后進(jìn)入主換熱器中復(fù)熱后出裝置。從上塔上部引出污氮?dú)?，?jīng)過(guò)冷器、主換熱器復(fù)熱至21°C出冷箱，然后進(jìn)入電加熱器作為分子篩再生氣體，多余氣體放空。從上塔中部抽取一定量的氬餾份送入粗氬塔，粗氬塔在結(jié)構(gòu)上分為兩段，第二段氬塔底部的回流液經(jīng)液體泵送入第一段頂部作為回流液，經(jīng)粗氬塔精餾得到純度約98.5% Ar,2ppm O2的粗氬，經(jīng)液化器液化后送入精氬塔中部，經(jīng)精氬塔精餾在精氬塔底部得到精液氬。此方法的優(yōu)勢(shì)是氬原料豐富，提取成本低。但是，空氣中雖然氬氣含量豐富，但是氬還具有多種同位素，穩(wěn)定的同位素有氬-40 (4°Ar)天然含量99.6%、氬-36 (36Ar)天然含量0.34%和氬-38 (38Ar)天然含量0.06 %。以及經(jīng)由宇宙射線轟擊氬-40而生成的不穩(wěn)定的氬-39 (39Ar)，所以，受限于空氣中的氬氣影響，其氬同位素?zé)o法分離，其輻射會(huì)影響實(shí)驗(yàn)室等特殊場(chǎng)合對(duì)氬氣的要求，尤其是現(xiàn)在很多實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)合要求幾十億分之一雜質(zhì)含量時(shí)，空氣為原料的氬氣顯然不能滿(mǎn)足其要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺席及天然氣的各組分特點(diǎn)，提供了一種從天然氣中全精餾提取氬氣以及氦氣的方法和裝置，同時(shí)保證提取方法和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、高效。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:
[0005]提供一種天然氣中提取氦氣和氬氣的方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:將天然氣在原料氣壓縮機(jī)內(nèi)壓縮至所需壓力后經(jīng)過(guò)預(yù)冷系統(tǒng)預(yù)冷及純化系統(tǒng)純化后，在主換熱器中冷卻并經(jīng)過(guò)氦氣分離塔再沸器冷凝成液體后，進(jìn)入氦氣分離塔，在氦氣分離塔頂部得到粗氦氣在氦氣換熱器通過(guò)負(fù)壓液氮冷卻液化，再通過(guò)粗氦氣液分離器把氮組分去除得到純度大于99%的粗氦氣，然后利用粗氦吸附器去除粗氦中的氮，得到純度大于99.999 %的純氦氣；
[0007]步驟2:在氦氣分離塔底部得到的液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入除氮塔，大部分氮組分從除氮塔頂部排出并進(jìn)入氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)成為循環(huán)氮?dú)猓淄榕c氬氣的混合液和微量氮組分從除氮塔底部抽出進(jìn)入除甲烷塔，甲烷從除甲烷塔底部以液體形式抽出進(jìn)入過(guò)冷器回收冷量，從除甲烷塔頂部出來(lái)的粗氬氣含有少量氮?dú)猓M(jìn)入精氬塔，把微量氮?dú)饨M分分離，從精氬塔(11)底部得到符合要求的純氬液體。
[0008]為優(yōu)化上述的提取方法，采取的具體措施還包括:
[0009]步驟I中的所述循環(huán)氮?dú)饨?jīng)氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入主換熱器降溫，再進(jìn)入除氮塔再沸器、除甲烷塔再沸器、精氬塔再沸器，為對(duì)應(yīng)的除氮塔、除甲烷塔、精氬塔提供熱量，從三個(gè)塔再沸器出來(lái)的液氮匯合后，一部分經(jīng)過(guò)過(guò)冷器冷卻降溫再節(jié)流后進(jìn)入液氮?dú)庖悍蛛x器，從所述液氮?dú)庖悍蛛x器底部出來(lái)的液氮作為冷源進(jìn)入氦氣分離塔冷凝蒸發(fā)器、除氮塔冷凝蒸發(fā)器、.除甲烷塔冷凝蒸發(fā)器及精氬塔冷凝蒸發(fā)器，為精餾提供液體。
[0010]從換熱器進(jìn)來(lái)的部分氮?dú)?，從換熱器出來(lái)之后進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹后的這部分氮?dú)馀c在四個(gè)相應(yīng)的冷凝蒸發(fā)器氣化后的氮?dú)狻⒁旱獨(dú)庖悍蛛x器頂部出來(lái)的氮?dú)饧皬南鄳?yīng)的再沸器出來(lái)的部分氮?dú)庖黄疬M(jìn)入過(guò)冷器回收冷量后，最終與除氮塔頂部出來(lái)的氮?dú)鈪R合成一股，進(jìn)入主換熱器復(fù)熱后進(jìn)入氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)參與循環(huán)，如有多余氮?dú)?，在此放空?br>[0011]上述步驟I中氦氣分離塔頂部得到粗氦氣在氦氣換熱器通過(guò)負(fù)壓液氮冷卻液化過(guò)程中，液氮的負(fù)壓由真空泵提供。
[0012]上述步驟I中的粗氦吸附器可以設(shè)置兩個(gè)。
[0013]本發(fā)明還提供一種天然氣中提取氦氣和氬氣的裝置，包括有管道連接的原料氣壓縮機(jī)、預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)及主換熱器，還包括有氦氣分離塔、氦氣分離塔再沸器、除氮塔、除甲烷塔、精氬塔、過(guò)冷器、氦氣換熱器、粗氦氣液分離器、粗氦吸附器以及將上述部件連接的管路、閥門(mén)；天然氣依次經(jīng)過(guò)原料氣壓縮機(jī)、預(yù)冷系統(tǒng)及純化系統(tǒng)后，在主換熱器中冷卻并經(jīng)過(guò)氦氣分離塔再沸器冷凝成液體后，進(jìn)入氦氣分離塔，在氦氣分離塔頂部得到粗氦氣依次通過(guò)氦氣換熱器、粗氦氣液分離器及粗氦吸附器得到純度大于99.999%的純氦氣；在氦氣分離塔底部得到的液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入除氮塔，甲烷與氬氣的混合液和微量氮組分從除氮塔底部抽出進(jìn)入除甲烷塔，甲烷從除甲烷塔底部以液體形式抽出進(jìn)入過(guò)冷器回收冷量，從除甲烷塔頂部出來(lái)的粗氬氣含有少量氮?dú)?，進(jìn)入精氬塔得到符合要求的純氬液體。
[0014]為了進(jìn)一步優(yōu)化上述裝置，采取的具體措施還包括:
[0015]裝置還具有氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)，上述的氦氣分離塔、除氮塔、除甲烷塔、精氬塔相應(yīng)地設(shè)置并連接有氦氣分離塔再沸器、氦氣分離塔冷凝蒸發(fā)器、除氮塔再沸器、除氮塔冷凝蒸發(fā)器、除甲烷塔再沸器、除甲烷塔冷凝蒸發(fā)器、精氬塔再沸器、精氬塔冷凝蒸發(fā)器，過(guò)冷器還連接有液氮?dú)庖悍蛛x器。
[0016]上述裝置還包括有與換熱器和過(guò)冷器相連接的膨脹機(jī)。
[0017]上述裝置還包括與氦氣換熱器相連接的真空泵。
[0018]上述粗氦吸附器為兩個(gè)。
[0019]一般來(lái)說(shuō)，原料天然氣在原料氣壓縮機(jī)內(nèi)壓縮至所需壓力后經(jīng)過(guò)預(yù)冷系統(tǒng)的預(yù)冷、純化系統(tǒng)的純化后進(jìn)入分餾塔冷箱。在主換熱器中冷卻再經(jīng)過(guò)氦氣分離塔底的氦氣分離塔再沸器冷凝成液體后，進(jìn)入氦氣分離塔。從氦氣分離塔頂?shù)玫酱趾饨?jīng)過(guò)負(fù)壓液氮冷卻液化，通過(guò)粗氦氣液分離器把氮組分去除得到99%的氦氣，用粗氦吸附器中的硅膠吸附掉粗氦中的氮，得到純氦氣。然后經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出塔供給用戶(hù)。
[0020]從氦氣分離塔底部出來(lái)的液體則經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入除氮塔。大部分氮組分從除氮塔頂部排出，進(jìn)入氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)。甲烷與氬氣的混合液和微量氮組分從除氮塔底部抽出進(jìn)入除甲烷塔，甲烷從除甲烷塔底部以液體形式抽出進(jìn)入過(guò)冷器回收冷量，然后在主換熱器復(fù)熱，送給用戶(hù)或它用。從除甲烷塔頂部出來(lái)的粗氬氣含有少量氮?dú)?，進(jìn)入精氬塔，把微量氮?dú)饨M分分離，從精氬塔底部得到符合要求的純氬液體。
[0021]循環(huán)氮?dú)饨?jīng)氮壓機(jī)壓縮后進(jìn)入主換熱器降溫，再進(jìn)入除氮塔再沸器、除甲烷塔再沸器、精氬塔再沸器，為對(duì)應(yīng)的除氮塔、除甲烷塔、精氬塔提供熱量。從三個(gè)塔再沸器出來(lái)的液氮匯合后有一部分經(jīng)過(guò)過(guò)冷器冷卻降溫再節(jié)流后進(jìn)入液氮?dú)庖悍蛛x器，從氣液分離器底部出來(lái)的液氮作為冷源進(jìn)入四個(gè)精餾塔的冷凝蒸發(fā)器，為精餾提供液體。從換熱器進(jìn)來(lái)的另一股氮?dú)猓瑥膿Q熱器出來(lái)之后進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹后氮?dú)膺M(jìn)入過(guò)冷器回收冷量。與再冷凝蒸發(fā)器氣化后的氮?dú)?、液氮?dú)庖悍蛛x器頂部出來(lái)的氮?dú)饧皬脑俜衅鞒鰜?lái)的部分的氮?dú)膺M(jìn)入過(guò)冷器回收冷量后，與除氮塔頂部出來(lái)的氮?dú)鈪R合成一股，進(jìn)入主換熱器復(fù)熱后進(jìn)入氮?dú)鈮嚎s參與循環(huán)，如有多余氮?dú)?，在此放空?br>[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以天然氣為原料提取氦氣和氬氣，得到的分離氣體純度高，無(wú)輻射，同時(shí)本發(fā)明的方法和裝置使用全精餾工藝，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備穩(wěn)定。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步闡述。
[0025]圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
[0026]其中的附圖標(biāo)記為:原料氣壓縮機(jī)I ;預(yù)冷系統(tǒng)2 ;純化系統(tǒng)3 ;主換熱器4 ;氦氣分離塔5 ;氦氣分離塔再沸器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 ;精氬塔11 ;精氬塔再沸器12 ;氦氣分離塔冷凝蒸發(fā)器13 ;除氮塔冷凝蒸發(fā)器14 ;除甲烷塔冷凝蒸發(fā)器15 ;精氬塔冷凝蒸發(fā)器16 ;液氮?dú)庖悍蛛x器17 ;過(guò)冷器18 ;氦氣換熱器19 ;粗氦氣液分離器20 ;粗氦吸附器21 ;膨脹機(jī)22 ;氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)23 ;真空泵24。
[0027]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)和具體的介紹，以