分离提纯天然气中氦气的方法和系统与流程

本发明涉及石油炼化领域，具体涉及一种分离提纯天然气中氦气的方法和系统。

背景技术：

1、氦气是一种具有低密度、低沸点和惰性特质的战略性特殊气体，在高新技术产业和科研中具有重要的作用。氦气在地球上以微量组分广泛分部，但是对氦气天然气提纯依然是工业制氦的唯一途径。随着经济的发展，我国对氦气的需求快速增长。中国氦气天然气具优点多、类型多、资源前景较好的特征，但氦气资源整体研究程度很低。为满足对氦气资源的需求，急需开发低能耗制备高纯度氦气的方法。

2、目前，天然气提氦技术中主要采用的是深冷法。但是，单独利用深冷工艺进行氦气提纯，依然存在操作弹性低、设备投资高、能耗高等问题，在经济效益方面不具有竞争力，同时深冷法很难去除掉原料气中的氢气，产品浓度很难保证。

3、近些年来，膜分离法逐渐在氦气提纯领域得到应用。膜分离法是在膜两侧压差的推动下，利用气体中各组分在溶解、扩散、解吸过程中渗透性能的差异，实现分离的效果。膜分离法操作简单、能耗低、装置建设和运行成本低，具有较高的竞争力。设计高氦气选择性、高气体通量的氦气分离膜，对于实现天然气提氦经济化、降低氦气进口依赖、实现氦气生产使用的自主性具有重要的战略意义。

4、然而，膜分离法对氦气分离膜的要求非常高，需要有较高的通量和分离系数，才能对天然气中的氦气进行提纯。氦气分离膜普遍由有机聚合物材料构成，耐腐蚀性较差。目前的氦气分离膜中，聚酰亚胺类氦气分离膜材料具有较高的通量和分离系数，然而该类膜材料对轻烃耐受性较差。聚酰亚胺类氦气分离膜材料很容易出现轻烃溶胀现象，导致膜的分离性能下降，如果轻烃浓度过高，甚至会出现分离膜溶解的情况，失去分离效果。然而，天然气中轻烃含量较高，会对氦气分离膜产生很大的影响，必须通过手段除去轻烃才能进行氦气膜分离操作。普通冷箱很难除掉其中c2、c3等轻烃组分，只能采用浅冷油吸收法对天然气中的轻烃进行吸收。但是，直接对天然气进行浅冷油吸收，处理量过大，成本上并不划算。

5、通过以上分析，根据我国天然气提纯氦气的现状，传统的天然气提纯氦气工艺主要依靠深冷技术，需要很大的装置规模和能耗要求，且达不到高纯度要求。膜分离法作为新兴技术，操作简单方便，但是容易在有机物影响下失活，需要通过浅冷油吸收对天然气中轻烃进行处理，才能进行膜分离操作。因此，亟待对浅冷油吸收、氦气膜分离工艺进行改进，高效地对氦气进行提纯。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的天然气提纯氦气能耗高、操作条件苛刻、设备复杂、氦气提纯效果差、分离膜耐腐蚀性差的问题，提供一种分离提纯天然气中氦气的方法和系统。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种分离提纯天然气中氦气的方法，其中，该方法步骤为：

3、(1)将天然气原料气进行脱水、脱酸，得到预处理气体；

4、(2)将所述预处理气体经加压后进行voc膜分离，并将得到的透过侧气体进行浅冷油吸收，得到c2及以上有机物组分；

5、(3)将所述voc膜分离得到的渗余侧气体经加压后进行一级或多级的氦气膜分离，得到纯度70％以上的粗氦气；

6、(4)将所述粗氦气进行psa变压吸附，得到纯度99.9％以上的高纯氦气；其中，所述天然气原料为0.1-1％的低浓度氦气。

7、本发明第二方面提供一种分离提纯天然气中氦气的系统，其中，该系统包括：预处理单元、voc膜分离单元、浅冷油吸收单元、氦气膜分离单元、psa变压吸附单元，天然气原料气与所述预处理单元的进口相连，所述预处理单元的出口与所述voc膜分离单元的进口相连，所述voc膜分离单元的出口分别与所述浅冷油吸收单元和所述氦气膜分离单元的进口相连，所述氦气膜分离单元的出口与所述psa变压吸附单元的进口相连。

8、通过上述技术方案，本发明巧妙的耦合了voc膜分离技术、浅冷油吸收技术、氦气分离膜技术、psa变压吸附技术，具有以下优点：

9、(1)优化天然气提纯氦气工艺，无需进行深冷操作，显著降低了装置建设和装置运行的成本。

10、(2)通过voc分离膜和氦气分离膜的共同作用，既可以达到提纯低浓度氦气的目的，也可以起到回收有机物的作用。

11、(3)巧妙地设置了voc膜分离单元，消除了天然气中轻烃对氦气分离膜性能的影响，同时采用渗余侧气体进行后续提纯操作，压降损失极小，既可以达到提纯的效果，又避免了能量损失。

12、(4)通过voc分离膜对天然气中有机物进行初步回收后，再进行浅冷油回收，浅冷油吸收塔处理量只有原料气进气量的1/3左右，显著降低了吸收塔规模，可以降低装置建设成本和能耗。

技术特征：

1.一种分离提纯天然气中氦气的方法，其特征在于，该方法步骤为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述voc膜分离的膜分离正压侧压力为200-2000kpa，优选为500-1000kpa；所述voc膜分离的膜分离透过侧压力低于所述voc膜分离的膜分离正压侧压力；

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氦气膜分离的膜分离正压侧压力为200-5000kpa，优选为500-3000kpa，所述氦气膜分离的膜分离透过侧压力低于所述氦气膜分离的膜分离正压侧压力；

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述psa变压吸附的吸附压力为0.5-10mpa，优选为2-10mpa。

5.一种分离提纯天然气中氦气的系统，其特征在于，该系统包括：预处理单元、voc膜分离单元、浅冷油吸收单元、氦气膜分离单元、psa变压吸附单元，天然气原料气与所述预处理单元的进口相连，所述预处理单元的出口与所述voc膜分离单元的进口相连，所述voc膜分离单元的出口分别与所述浅冷油吸收单元和所述氦气膜分离单元的进口相连，所述氦气膜分离单元的出口与所述psa变压吸附单元的进口相连。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述氦气膜分离单元中，采用一级或多级膜分离技术对氦气气体进行提纯，优选为三级、四级、五级膜分离技术。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述voc膜分离单元中，voc分离膜一般为多层复合膜；

8.根据权利要求5-7中任意一项所述的系统，其特征在于，所述voc膜分离单元中，voc分离膜的c2以上有机物/甲烷分离系数为30-50，c2以上有机物/氮气分离系数为80-150，c2以上有机物/氦气分离系数为100-200，c2以上有机物通量为500-1000gpu。

9.根据权利要求5-8中任意一项所述的系统，其特征在于，所述氦气膜分离单元中，氦气分离膜选自平板膜、中空纤维膜或管式膜中的一种或几种；

10.根据权利要求5-9中任意一项所述的系统，其特征在于，所述氦气膜分离单元中，氦气分离膜的氦气/甲烷分离系数为200-300，氦气通量为150-500gpu。

11.根据权利要求5-10中任意一项所述的系统，其特征在于，所述psa变压吸附单元中，吸附剂选自活性炭、活性氧化铝、分子筛、mofs材料中的一种或几种；

技术总结本发明涉及分离提纯天然气技术领域，公开了一种分离提纯天然气中氦气的方法和系统，该方法步骤为：(1)将天然气原料气进行脱水、脱酸，得到预处理气体；(2)将所述预处理气体经加压后进行VOC膜分离，并将得到的透过侧气体进行浅冷油吸收，得到C<subgt;2</subgt;及以上有机物组分；(3)将所述VOC膜分离得到的渗余侧气体经加压后进行一级或多级的氦气膜分离，得到纯度70％以上的粗氦气；(4)将所述粗氦气进行PSA变压吸附，得到纯度99.9％以上的高纯氦气；其中，所述天然气原料为0.1‑1体积％的低浓度氦气。本发明巧妙的耦合了VOC膜分离技术、浅冷油吸收技术、氦气膜分离技术、PSA变压吸附技术，优化天然气提纯氦气工艺，无需进行深冷操作，既可以达到提纯低浓度氦气的目的，也可以起到回收有机物的作用。技术研发人员：郗仁杰,刘华斌,魏昕,刘轶群,郦和生,徐一潇受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/20