本發(fā)明屬于化工技術領域，特別涉及一種對含有氦氣的二氧化碳氣田氣利用化學溶液對二氧化碳的吸收性質(zhì)進行二氧化碳的分離提純，并利用膜的選擇透過性和組分的沸點差異性對氦氣進行分離提純的裝置。

背景技術：

氦氣是國防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可或缺的戰(zhàn)略性物資之一，天然氣提氦工業(yè)主要集中在美國、俄羅斯等氦氣資源豐富、氦含量高的極少數(shù)國家。我國氦氣資源相當貧乏，含量很低，只有四川地區(qū)儲存有少量的氦氣，在所發(fā)現(xiàn)的天然氣中，有些氦氣含量可高達8％左右，而大多數(shù)含量低于2％。即使是這類氦氣含量很低的天然氣，由于比空氣中氦氣含量高上千萬倍，目前是工業(yè)化生產(chǎn)氦氣的重要來源。少數(shù)含氦二氧化碳氣田僅對二氧化碳進行了分離，其中的氦氣被白白浪費。目前的提氦技術中，有吸附法、吸收法、膜分離法、變壓吸附法和低溫冷凝法，其中膜分離法耗能低，低溫冷凝法提純效率高。而二氧化碳的分離技術有吸附法、吸收法、膜分離法、低溫分離法、電化學分離法，其中化學吸收法效率高。由于氦氣在工業(yè)、科學研究和國防上的重要性，對含氦二氧化碳氣田中氦氣的分離就顯得尤為重要了。在對二氧化碳分離提純的同時，對氣田氣中氦氣的進行分離提純，有效地實現(xiàn)了二氧化碳和氦氣的制備。

中國實用新型專利《一中氦氣純化裝置》(申請?zhí)枺篊N201120518617.4)公開了一種氦氣純化裝置，包括脫除水、一氧化碳的粗氦干燥器、冷凝脫除氧氮的高壓冷凝分離器，以及裝填活性炭的吸附精脫氧氮的氮氧低溫吸附器，可以脫除氦氣中混入空氣所含的氮、氧、二氧化碳和飽和水蒸氣雜質(zhì)的氦氣純化裝置。該裝置的不足在于：只能對于氦含量較高的混合氣體加以純化，并不能實現(xiàn)含氦氣田氣的分離提純，處理量小，并且無法收集脫除的二氧化碳氣體。

中國發(fā)明專利《氦氣的純化方法及純化系統(tǒng)》(申請?zhí)枺篊N201580006164.8)公開了一種工業(yè)上小規(guī)模設備將稀薄氦氣高效地純化至高純度的方法和系統(tǒng)，在各變壓吸附裝置中依次施行吸附工序、減壓工序、脫附工序、升壓工序，是濃縮氦氣中所含有的雜志氣體吸附于吸附劑，并排出未吸附于吸附劑的再濃縮氦氣。該系統(tǒng)的不足在于：系統(tǒng)較為復雜，控制要求高，同時也無法收集脫除的二氧化碳氣體。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高效分離并提純二氧化碳和氦氣的裝置及方法，能同時實現(xiàn)對含氦二氧化碳氣田氣中二氧化碳和氦氣的分離提純，使得分離提純簡單，能產(chǎn)出高純度的二氧化碳和氦氣，以達到二氧化碳和氦氣的使用純度要求。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種高效分離并提純二氧化碳和氦氣的裝置，包括：

吸附塔，用于利用醇胺類溶液對氣田氣中的二氧化碳氣體進行吸收，并通過溶液泵將吸收液輸送至再生塔；

再生塔，用于加熱解析出由吸附塔中經(jīng)溶液泵輸送的吸收液中的二氧化碳氣體；

電加熱器，與再生塔連接，用于提供解析過程中所需要的熱量；

第一換熱器，連接于吸附塔和再生塔之間，用于將吸附塔中輸送出來的吸收液和再生塔輸送出來的解析完成的溶液進行熱交換；

第一氣液分離器，與吸附塔連接，用于分離出未吸收氣體中的液體；

壓縮機，用于將經(jīng)過第一氣液分離器去除液體后的氣體進行壓縮，提供后續(xù)的膜分離和高壓低溫冷凝吸附所需要的壓力；

膜分離器，與壓縮機連接，用于利用沸石膜對氦氣的選擇透過性實現(xiàn)氦氣的初步分離；

第二換熱器，與膜分離器連接，用于對經(jīng)過膜分離器初步分離后的氣體進行預冷；

隔膜壓縮機，與第二換熱器連接，用于壓縮經(jīng)第二換熱器預冷后的氣體；

第三換熱器，與隔膜壓縮機連接，用于對經(jīng)隔膜壓縮機壓縮后的氣體進行預冷，實現(xiàn)對分離提純后的氦氣和氣化后的氮氣中冷量進行回收利用；

液空分離器，與第三換熱器連接，用于對冷凝下來的液態(tài)空氣進行分離；

吸附器，與液空分離器連接，用于利用活性炭對雜質(zhì)氣體進行吸附，實現(xiàn)氦氣的純化；

液氮瓶，用于給液空分離器和吸附器提供低溫環(huán)境實現(xiàn)對氦氣的分離提純。

所述吸附塔的入口通過管道連接有儲存罐，儲存罐設有壓力表和排空閥及排污閥，壓力表與電磁閥聯(lián)動；所述儲存罐與吸附塔的連接管道上設置有第一流量計。

所述吸附塔內(nèi)的頂部設置有若干個第一噴嘴，第一噴嘴連接經(jīng)第一換熱器熱交換后的再生塔輸送出來的解析完成的溶液；所述再生塔內(nèi)的頂部設置有若干個第二噴嘴，第二噴嘴連接經(jīng)第一換熱器熱交換后的吸附塔中輸送出來的吸收液。

所述氣液分離器與壓縮機之間連接有第一穩(wěn)壓罐；所述第二換熱器的入口處連接有第二穩(wěn)壓罐。

所述膜分離器為兩個，兩個膜分離器均連接有真空泵；兩個膜分離器能夠同時工作，或互為備用。

所述膜分離器的出口處連接有第一氦氣純檢測度儀。

所述再生塔的頂部通過管道連接有二氧化碳儲存罐，管道上設置有第二氣液分離器。

所述液空分離器和吸附器設置于純化杜瓦中，純化杜瓦中充滿液氮，并與液氮瓶連接。

所述吸附器的出口連接有管道，并依次經(jīng)過第二換熱器、第三換熱器，最終與氦氣儲存罐連接；且氦氣儲存罐前的管道接有第二氦氣純度檢測儀和電磁閥，純度檢測儀與電磁閥和氦氣儲存罐進氣電磁閥聯(lián)動。

一種高效分離并提純二氧化碳和氦氣的方法，包括以下步驟：

經(jīng)過除塵后的供氣源經(jīng)過閥門的控制貯存到儲存罐中；

儲存罐的氣體送入吸附塔中，進入吸附塔中的氣體通過底部的吸收液吸收一部分后向上塔方向流動，頂部噴嘴噴灑的吸收液與氣源氣在填料層中充分接觸后完成對氣源氣中二氧化碳氣體的吸收，吸收完成后的氣體由頂部的排氣口排出進行后續(xù)的處理；

吸收完二氧化碳氣體后的吸收液由溶液泵經(jīng)第一換熱器后輸送到再生塔上塔部分的噴嘴，噴嘴噴灑的溶液通過電加熱器提供的能量在填料層進行充分的解吸過程，解吸完成后的溶液通過再生塔底部的管道經(jīng)過第一換熱器由溶液泵輸送到吸附塔頂部的噴嘴中，繼續(xù)對氣源氣中二氧化碳氣體進行吸收；吸收液解吸出來的二氧化碳通過再生塔頂部的排氣管道排出，排除后的二氧化碳氣體含有部分水蒸氣，經(jīng)由氣液分離器分離出水蒸氣后送入二氧化碳儲存罐中；至此，完成了含氦二氧化碳的氣田氣中二氧化碳的分離提純；

從吸附塔頂部排出的氣體經(jīng)過氣液分離器除去其中的水蒸氣后進入第一穩(wěn)壓罐中，氣體經(jīng)過穩(wěn)壓后進入壓縮機中進行壓縮，壓縮到0.7MPa-1.0MPa后經(jīng)過流量計和壓力表的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測后送入到膜分離器中；

從膜分離器分離出的滲透氣經(jīng)過氦氣純檢測度儀的檢測，保證膜分離器的可靠性，當發(fā)現(xiàn)氦氣純度較低時應及時檢查膜分離器，及時更換分離膜；當膜分離器正常工作且達到初步分離后送入第二穩(wěn)壓罐中，經(jīng)穩(wěn)壓后的氣體經(jīng)過第二換熱器與純化后的氦氣進行熱交換，對氦氣中的冷量進行回收，同時對壓縮前的氣體進行預冷；

經(jīng)過隔膜壓縮機壓縮后的氣體經(jīng)壓力表和流量計實時監(jiān)測后送入到第三換熱器中，第三換熱器進行壓縮后的氣體與剛純化的氣體以及氮氣進行換熱；

管道中的氣體在充滿液氮的純化杜瓦中實現(xiàn)充分的換熱，使得氣體中的氧氣等氣體充分冷凝，經(jīng)過液空分離器分離出液態(tài)空氣后，由液空分離器底部的管道排出，剩余氣體繼續(xù)由管道輸送到吸附器中對其余雜質(zhì)氣體進行低溫吸附，吸附完成后由吸附器頂部的管道經(jīng)過第三換熱器和第二換熱器進行冷量的逐級回收后送到氦氣儲存罐。

有益效果：本發(fā)明提供的裝置與方法，與現(xiàn)有的方法和裝置相比，本發(fā)明有以下特點：

1、能同時完成對二氧化碳和氦氣的分離提純，實現(xiàn)了一套裝置獲得兩種高純度氣體的方法；

2、裝置操作簡單，自動控制要求低，分離提純效率高，純化效果好，處理速度快，可用于工業(yè)分離和提純二氧化碳和氦氣；

3、先于對二氧化碳的分離提純，降低了后續(xù)氦氣分離提純的難度，提高了氦氣分離提純的速率，使得整個裝置高效地運行；

4、通過先對二氧化碳的分離提純，減少了后續(xù)用于低溫吸附的液氦用量，在保證系統(tǒng)可靠性的同時減少了低溫冷源的利用；

5、處理過程中能量逐級利用，充分體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的設計理念。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個實施方式的裝置的流程圖；

圖中，1：儲存罐，2：第一流量計，3：吸附塔，4：第一溶液泵，5：電加熱器，6：再生塔，7：第一換熱器，8：第二溶液泵，9第一氣液分離器，10第一穩(wěn)壓罐，11：壓縮機，12：第二流量計，13：第一膜分離器，14：第二膜分離器，15：真空泵，16第一氦氣純檢測度儀，17：第二穩(wěn)壓罐18：第二換熱器，19：隔膜式壓縮機，20：第三流量計，21：第三換熱器，22：液氮瓶，23：液空分離器，24：第一吸附器，25：第二吸附器，26：純化杜瓦，27：第二氦氣純檢測度儀，28：氦氣儲存罐，29：第二氣液分離器，30：二氧化碳儲存罐，31：第一噴嘴，32：第二噴嘴，33：氮氣排出管。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種高效分離并提純二氧化碳和氦氣的裝置，包括儲存罐1，儲存罐1的入口連接有供氣源，出口通過管道連接到吸附塔3下部，管道上設置有電磁閥、第一流量計2以及壓力表；

吸附塔3內(nèi)有吸收液，吸收液為醇胺類溶液，吸附塔3內(nèi)的頂部設置有若干個第一噴嘴31，第一噴嘴31下方設置有填料層；吸附塔3的底部通過管道依次連接第一溶液泵4，第一換熱器7，最后連接到位于再生塔6內(nèi)上塔部分的第二噴嘴32，第二噴嘴32下方設置有填料層，再生塔6通過管道依次連接第一換熱器7，第二溶液泵8，最后與吸附塔3頂部的第一噴嘴31連接；再生塔6的下部還連接有電加熱器5，再生塔6的頂部連接有排氣管道，排氣管道依次連氣液分離器29，二氧化碳儲存罐30，二氧化碳儲存罐30設有壓力表、排空閥和排污閥；

吸附塔3頂部的排氣口通過管道依次連接有第一氣液分離器9，第一穩(wěn)壓罐10，壓縮機11，第一穩(wěn)壓罐10的出口設置有電磁閥，電磁閥與設置在第一穩(wěn)壓罐10的壓力表聯(lián)動，壓縮機11通過管道分別連接有第一膜分離器13和第二膜分離器14，第一膜分離器13和第二膜分離器14中設有壓力表和排空閥；第一膜分離器13和第二膜分離器14均與真空泵15連接；

第一膜分離器13和第二膜分離器14的出口均依次連接氦氣純檢測度儀16，第二穩(wěn)壓罐17，第二穩(wěn)壓罐17的出口設置有電磁閥，電磁閥與設置在第二穩(wěn)壓罐17的壓力表聯(lián)動；

第二穩(wěn)壓罐17的出口連接有第二換熱器18，第二換熱器18的出口連接有隔膜壓縮機19，隔膜壓縮機19的出口通過管道與第三換熱器21連接，且管道上設置有壓力表和第三流量計20；第三換熱器21的出口連接純化杜瓦26；

純化杜瓦26中設置有液空分離器23、第一吸附器24和第二吸附器25，純化杜瓦26中充滿液氮，并連接有液氮瓶22，液氮瓶22與純化杜瓦26的連接管道上設置有閥門和壓力表；純化杜瓦26上設置有氮氣排出管33，氮氣排出管33穿過第三換熱器進行換熱后排空；液空分離器23底部設置有液態(tài)空氣排出管道，并延伸至純化杜瓦26外，液空分離器23的頂部通過管道與第一吸附器24的頂部連接，第一吸附器24的底部通過管道與第二吸附器25的底部連接，第一吸附器24和第二吸附器25的頂部均依次與第三換熱器21、第二換熱器18連接，并最終連接到氦氣儲存罐28。

氦氣儲存罐28前的管道接有氦氣純度檢測儀27和電磁閥，純度檢測儀27與電磁閥和氦氣儲存罐28進氣電磁閥聯(lián)動。

使用上述裝置的高效分離并提純二氧化碳和氦氣的方法，包括以下步驟：

啟動整個系統(tǒng)前先通入氦氣進行系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)氣體的排空，排空后開啟膜分離器處的真空泵15，待膜分離器的滲透氣出口處保持一定真空度后關閉真空泵15，保證膜分離器的高效分離。

經(jīng)過除塵后的供氣源經(jīng)過閥門的控制貯存到儲存罐1中，儲存罐1設有壓力表和排空閥及排污閥，壓力表與電磁閥聯(lián)動，當存貯的氣源氣達到一定壓力后通過電磁閥開度的控制執(zhí)行后續(xù)的分離提純流程。當儲存罐1中氣體超壓時，開啟排空閥進行排空，保證系統(tǒng)及人員的安全。

儲存罐1的氣體經(jīng)電磁閥、流量計2和壓力表后送入吸附塔3中，第一流量計2實時監(jiān)測處理氣體的流量，按照生產(chǎn)要求實時調(diào)控閥門，壓力表監(jiān)測管道壓力，保證后續(xù)二氧化碳吸收的穩(wěn)定性和可靠性。進入吸附塔3中的氣體通過底部的吸收液吸收一部分后向上塔方向流動，頂部噴嘴噴灑的吸收液與氣源氣在填料層中充分接觸后完成對氣源氣中二氧化碳氣體的吸收，吸收完成后的氣體由頂部的排氣口排出進行后續(xù)的處理。

吸收完二氧化碳氣體后的吸收液由第一溶液泵4經(jīng)第一換熱器7后輸送到再生塔6上塔部分的噴嘴，噴嘴噴灑的溶液通過電加熱器5提供的能量在填料層進行充分的解吸過程，解吸完成后的溶液通過再生塔6底部的管道經(jīng)過第一換熱器7由第二溶液泵8輸送到吸附塔3頂部的噴嘴中，繼續(xù)對氣源氣中二氧化碳氣體進行吸收。吸收液解吸出來的二氧化碳通過再生塔6頂部的排氣管道排出，排除后的二氧化碳氣體含有部分水蒸氣，經(jīng)由第二氣液分離器29分離出水蒸氣后送入二氧化碳儲存罐30中，二氧化碳儲存罐30同儲存罐1一樣設有壓力表、排空閥和排污閥，實現(xiàn)相同的功能。至此，完成了含氦二氧化碳氣田中二氧化碳的分離提純。

從吸附塔3頂部排出的氣體經(jīng)過第一氣液分離器9除去其中的水蒸氣后進入第一穩(wěn)壓罐10中，壓力表與電磁閥進行聯(lián)動，當?shù)谝环€(wěn)壓罐10中的壓力達到一定壓力后開啟電磁閥閥門，氣田氣體進入壓縮機11中進行壓縮，壓縮到0.7MPa-1.0MPa后經(jīng)過流量計和壓力表的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測后送入到第一膜分離器13和第二膜分離器14中，第一膜分離器13和第二膜分離器14中設有壓力表和排空閥，保證系統(tǒng)的安全運行。兩臺膜分離器保證了分離過程的處理量，同時在小流量時可以相互備用，保證系統(tǒng)的可靠性。

從第一膜分離器13和第二膜分離器14分離出的滲透氣經(jīng)過第一氦氣純度檢測儀16的檢測，保證膜分離器的可靠性，當發(fā)現(xiàn)氦氣純度較低時應及時檢查膜分離器，及時更換分離膜。當膜分離器正常工作且達到初步分離后送入第二穩(wěn)壓罐17中，第二穩(wěn)壓罐17管道出口接有電磁閥，與第二穩(wěn)壓罐17的壓力表進行聯(lián)動，當?shù)诙€(wěn)壓罐17中的壓力達到一定數(shù)值后開啟電磁閥執(zhí)行后面的處理流程。

第二穩(wěn)壓罐17的氣體經(jīng)過第二換熱器18與純化后的氦氣進行熱交換，對純化后的氦氣中的冷量進行回收，同時對壓縮前的氣體進行預冷，使得隔膜壓縮機19的進氣溫度降低，同時吸氣氣體比容降低，輸氣量變大，達到所需壓力時的排氣溫度也降低，以此減少液氮的用量。經(jīng)過隔膜壓縮機19壓縮后的氣體經(jīng)壓力表和第三流量計20實時監(jiān)測后送入到第三換熱器21中，第三換熱器21進行經(jīng)過隔膜壓縮機19壓縮后的氣體與剛純化的氣體和氮氣進行換熱，使得經(jīng)過隔膜壓縮機19壓縮后的氣體溫度在進入純化杜瓦26前溫度得到有效的降低，此時，氧氣等雜質(zhì)氣體已逐漸開始冷凝，實現(xiàn)了能量的合理回收利用。

在純化杜瓦26中設有液空分離器23和第一吸附器24和第二吸附器25，純化杜瓦26中充滿液氮，液氮由液氮瓶22進行實時補充，通過閥門的控制，提供低溫吸附所需要的冷量。管道中的氣體在充滿液氮的純化杜瓦26中實現(xiàn)充分的換熱，使得氣體中的氧氣等氣體充分冷凝，經(jīng)過液空分離器23分離出液態(tài)空氣后，由液空分離器23底部的管道排出，剩余氣體繼續(xù)由管道依次輸送到第一吸附器24和第二吸附器25中對其余雜質(zhì)氣體進行低溫吸附，吸附完成后由吸附器頂部的管道經(jīng)過第三換熱器21和第二換熱器18進行冷量的逐級回收后送到氦氣儲存罐28中；純化杜瓦26設置有氮氣排出管33，氮氣排出管33穿過第三換熱器進行換熱后排空。

在氦氣儲存罐28前的管道接有第二氦氣純度檢測儀27和電磁閥，第二氦氣純度檢測儀27與電磁閥和氦氣儲存罐28進氣電磁閥聯(lián)動，當?shù)诙饧兌葯z測儀27檢測出的實時純度不滿足要求時，旁通電磁管開啟，氦氣儲存罐28進氣電磁閥關閉，將純度不符合要求的氦氣經(jīng)過單向閥旁通到壓縮機11的吸氣口，繼續(xù)進行氦氣的初步膜分離和低溫冷凝吸附過程，如此反復，當氦氣純度檢測儀27檢測出的實時濃度達到要求時，關閉旁通電磁閥，開啟氦氣儲存罐28進氣電磁閥，將高純度的氦氣充入到氦氣儲存罐28中，獲得符合純度要求的氦氣。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。