一种利用水合物法的氦精制装置
阅读说明：本技术 一种利用水合物法的氦精制装置 (Helium refining device using hydrate method ) 是由 贾文龙 蒲兼林 李长俊 张财功 李俊逸 王静 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明专利公开了一种利用水合物法的氦精制装置,涉及天然气提氦技术领域,包括粗氦气换热器、脱氢反应器、粗氦气冷却器、第一水合物生成塔、第二水合物生成塔、水合物分解器、氦气压缩机、氦气冷却器等设备。本发明采用催化氧化法脱氢和水合物法脱氮,不同于传统氦精制装置,脱氢单元生成的水在脱氮单元得到利用,从而去掉脱水装置,减少设备投资,并通过添加四丁基溴化铵溶液降低氮气水合物的生成压力,使整个装置的运行压力比传统氦精制装置低,从而降低装置能耗。本发明克服了传统氦精制装置投资和能耗成本大的缺点,且利用脱氢粗氦气为粗氦气换热器和水合物分解器供热,实现能量多级重复利用。(The invention discloses a helium refining device by using a hydrate method, which relates to the technical field of natural gas stripping helium and comprises a crude helium heat exchanger, a dehydrogenation reactor, a crude helium cooler, a first hydrate generation tower, a second hydrate generation tower, a hydrate decomposer, a helium compressor, a helium cooler and the like. The invention adopts catalytic oxidation dehydrogenation and hydrate denitrification, is different from the traditional helium refining device, utilizes the water generated by the dehydrogenation unit in the denitrification unit, thereby removing a dehydration device, reducing the equipment investment, reducing the generation pressure of nitrogen hydrate by adding tetrabutylammonium bromide solution, lowering the operation pressure of the whole device compared with the traditional helium refining device, and reducing the energy consumption of the device. The invention overcomes the defects of large investment and energy consumption cost of the traditional helium refining device, and supplies heat to the crude helium heat exchanger and the hydrate decomposer by using the dehydrogenation crude helium gas, thereby realizing the multi-stage reutilization of energy.)
技术领域
本发明涉及天然气提氦技术领域，具体涉及一种利用水合物法的氦精制装置
背景技术
氦气是一种重要的战略性资源，具有极低的沸点(4.2K)、临界温度(5.15K)及临界压力(0.226MPa)，能够轻松实现其他低温液体无法实现的超低温冷却，因此在航空航天、核武器、潜艇、饱和潜水作业、核磁共振、半导体等科技领域发挥了不可替代的作用，成为国防军工和高科技发展不可或缺的重要原材料之一。因此，如何从自然界提取氦气成为了广泛关注的重要课题。但是，自然界中氦含量极低，大气中的氦含量仅为0.0005％，而许多油气田天然气中氦的含量高于0.1％，比空气中的氦气含量高上千万倍。目前，天然气提氦工艺是全球提氦的主流工艺。
天然气提氦工艺主要分为脱碳、脱水、脱甲烷、氦精制单元，其中，氦精制单元是重要的气体纯化单元，决定了氦气能否满足产品要求。因此，一套高效节能的氦精制装置是有必要的。在氦精制工艺中，催化氧化法脱氢、膜分离法纯化和变压吸附法脱氮是最为广泛使用的工艺，如CN111547691A、CN110844893A等公开专利，这些工艺能提高氦气的纯度，增加氦气的回收率，但仍然存在三方面的局限性，具体表现为以下三个方面：第一，催化氧化装置生成的水难以得到利用，需要建立深度脱水单元处理，设备投资增加；第二，膜分离法在氦精制装置中用于初步的提纯粗氦气，降低变压吸附装置的负荷从而降低能耗，但单级膜的分离能力有限，需要设计多级膜单元或者增大膜两侧的压差来确保氦气的纯度，这仍然存在较大的物料费用和能耗费用；第三，变压吸附法需要建立多级吸附装置来保证脱氮的效率，工艺流程复杂，同时由于吸附装置存在吸附容量的上限，为了使装置连续运行，需要多个装置交替使用，也就对设备的精度提出了要求，设备投资和运行成本因此增加，而且变压吸附装置的吸附压力往往较高，意味着压缩机的功率需求较大，提氦能耗较大。分析发现，以上氦精制装置存在经济效益较差的问题。本装置充分考虑传统氦精制装置的不足，采用水合物法简化氧化脱氢工艺，去掉脱水单元，并且多级水合物生成塔脱氮的运行压力更低，也不需要交替使用，对设备的要求降低，克服了传统氦精制装置流程复杂、投资和能耗较大的问题，在保证氦气纯度的同时提高了天然气提氦经济效益。
发明内容
本发明的目的是：为了提供一种利用水合物法的氦精制装置，可以采用催化氧化法脱氢和水合物法脱氮，实现高效纯化粗氦气，简化氧化脱氢流程，减少投资，而且实现水合物法脱氮，降低能量损耗，使所提取的氦气达到国家相关产品要求。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种利用水合物法的氦精制装置，包括粗氦气精制单元和TBAB溶液回收单元：所述粗氦气精制单元，包括粗氦气换热器1、脱氢反应器2、粗氦气冷却器3、第一水合物生成塔4、第二水合物生成塔5、水合物分解器6、氦气压缩机7、氦气冷却器8，所述粗氦气从粗氦气换热器1冷气进口进入换热升温，所述粗氦气换热器1冷气出口与脱氢反应器2连接，粗氦气在脱氢反应器2内脱除杂质氢气，所述脱氢反应器2与粗氦气换热器1热气进口连接，升温后的脱氢粗氦气作为热气为粗氦气提供热量，所述粗氦气换热器1热气出口与粗氦气冷却器3连接，所述粗氦气换热器1与粗氦气冷却器3连接管路经过水合物分解器6换热，脱氢粗氦气通过粗氦气冷却器3、水合物分解器6进一步降温，满足水合物生成的温度条件，所述粗氦气冷却器3与第一水合物生成塔4下端进口连接，所述第一水合物生成塔4顶部出口与第二水合物生成塔5下端进口连接，粗氦气中的氮气在第一水合物生成塔4与第二水合物生成塔5内部生成水合物，所述第二水合物生成塔5顶部出口与氦气压缩机7连接，所述氦气压缩机7与氦气冷却器8连接，加压降温后满足高纯氦气的气瓶储存要求，外输高纯氦气；所述TBAB溶液回收单元，包括缓冲罐15、TBAB溶液冷却器16、泵17、第二流量调节阀19、第三流量调节阀20,所述第一水合物生成塔4底部出口、第二水合物生成塔5底部出口与水合物分解器6连接，生成的水合物浆液进入水合物分解器6分解，所述水合物分解器6连接有外部换热管路，所述水合物分解器6分解的N2外输，所述水合物分解器6分解的TBAB溶液进入缓冲罐15，水合物分解器6内分解过程存在TBAB溶液的损耗，所述缓冲罐15上连接有第二流量调节阀19、第三流量调节阀20，水和TBAB分别经过第二流量调节阀19和第三流量调节阀20补充进入缓冲罐，所述缓冲罐15与TBAB溶液冷却器16连接，TBAB溶液温度降至氮气水合物生成温度，所述TBAB溶液冷却器16与泵17连接，所述泵17与第一水合物生成塔4上端进口、第二水合物生成塔5上端进口连接，TBAB溶液被泵送入第一水合物生成塔4和第二水合物生成塔5，实现循环利用。
优选的，所述粗氦气换热器1与脱氢反应器2之间连接有开工加热器9，首次开车时粗氦气换热器1内无热气流入，由开工加热器9将粗氦气加热，所述开工加热器9前连接有第一截止阀10，所述开工加热器9和第一截止阀10所在管路与第二截止阀11所在管路并联。
优选的，所述脱氢反应器2后安装有H2/O2在线分析仪12，出脱氢反应器2的粗氦气经H2/O2在线分析仪12检测，若H2、O2浓度达标则通过第三截止阀13外输，不达标则通过第四截止阀14回流至脱氢反应器2，回流时调节第一流量调节阀18控制氧气通入量，确保脱氢合格。
优选的，所述粗氦气换热器1为管壳式换热器，所述粗氦气冷却器3为风冷式冷却器，所述氦气压缩机7为膜压机，所述氦气冷却器8为管壳式冷却器，所述开工加热器9为电加热器，所述缓冲罐15为立式罐，所述TBAB溶液冷却器16为板式冷却器，所述泵17为离心式潜液泵，在第一水合物生成塔4和第二水合物生成塔5加入的水合物形成促进剂为四丁基溴化铵(TBAB)，能大幅度降低氮气水合物的生成压力。
优选的，所述脱氢反应器2后不设气体干燥器，脱氢反应器2中生成的水随脱氢的粗氦气进入第一水合物生成塔4。
优选的，所述TBAB溶液直接通入第一水合物生成塔4和第二水合物生成塔5，可有效防止水合物在第一水合物生成塔4前生成，堵塞管路。
优选的，所述TBAB溶液能大幅度降低氮气水合物生成压力，氮气和水在脱氢单元中压力较低且未与TBAB溶液接触，不满足水合物生成条件，无需控制工艺压力，简化流程。
优选的，所述外部换热管线内介质的加热方式为“光热+空气源+电加热”，介质与水合物分解器6换热降温后循环至外部加热处理。
本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：
(1)脱氢单元流体压力低于氮气水合物生成压力，可将催化氧化法产生的水随粗氦气一并通入第一水合物生成塔4，不需建立脱水装置，无水合物生成，简化流程，减少设备投资；
(2)水合物法脱氮需要的压力低，能耗少；
(3)脱氢后的粗氦气为粗氦气换热器1和水合物分解器6提供热量，实现了能量的多级重复利用；
(4)本装置流程简单，经济效益高，投资成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的流程示意图。
图中：1粗氦气换热器、2脱氢反应器、3粗氦气冷却器、4第一水合物生成塔、5第二水合物生成塔、6水合物分解器、7氦气压缩机、8氦气冷却器、9开工加热器、10第一截止阀、11第二截止阀、12 H2/O2在线分析仪、13第三截止阀、14第四截止阀、15缓冲罐、16 TBAB溶液冷却器、17泵、18第一流量调节阀、19第二流量调节阀、20第三流量调节阀。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种利用水合物法的氦精制装置，包括1粗氦气换热器、2脱氢反应器、3粗氦气冷却器、4第一水合物生成塔、5第二水合物生成塔、6水合物分解器、7氦气压缩机、8氦气冷却器、9开工加热器、10第一截止阀、11第二截止阀、12H2/O2在线分析仪、13第三截止阀、14第四截止阀、15缓冲罐、16TBAB溶液冷却器、17泵、18第一流量调节阀、19第二流量调节阀、20第三流量调节阀。
具体实施方式为：根据说明书附图1可知，粗氦气主要组成为氮气25.22％，氦气72.55％，氢气2.23％，首次开车时，打开第一截止阀10，关闭第二截止阀11，粗氦气(2.8MPa，45℃)通过开工加热器升温至120℃，与经过第一流量调节阀18的氧气混合后通入脱氢反应器2，脱氢反应器2内氢气与氧气催化反应生成水，得到含水的脱氢粗氦气，反应后脱氢反应器2出口的气体温度升高到200℃，脱氢反应器2出口安装有H2/O2在线分析仪12，若分析发现氢气与氧气浓度不达标，则打开第四截止阀14，关闭第三截止阀13，使之回流至脱氢反应器2，回流时调节第一流量调节阀18控制氧气通入量，若浓度达标，则打开第三截止阀13，关闭第四截止阀14，使之进入粗氦气换热器1与粗氦气换热，换热后脱氢粗氦气温度降到126℃，待粗氦气换热器1冷气出口气体温度升至120℃后，关闭第一截止阀10，打开第二截止阀11，粗氦气直接经过第二截止阀11进入脱氢反应器2。
经过粗氦气换热器1降温的粗氦气在通过水合物分解器6换热、粗氦气冷却器3降温到10℃后，从第一水合物生成塔4下端入塔，在塔内与从第一水合物生成塔4上端进入的过量TBAB溶液(质量分数为10％)逆流接触，此时氮气水合物生成压力降为2.39MPa，约80％的氮气生成水合物，第一水合物生成塔4顶端出来的氦气与未完全转化的氮气进入第二水合物生成塔5下端，与过量TBAB溶液(质量分数为10％)自下而上接触，此时氮气全部生成水合物，第二水合物生成塔5顶端出来的氦气经过氦气压缩机7加压至15MPa后经过氦气冷却器8降温至40℃，降温后的高纯氦气外输，第一水合物塔4与第二水合物塔5的水合物浆液从塔底流入水合物分解器6。
脱氢粗氦气、外部换热管线向水合物分解器6换热提供热量，水合物在水合物分解器6中受热后分解为氮气和TBAB溶液，氮气外输，TBAB溶液进入缓冲罐15，分解过程中损耗的TBAB溶液在缓冲罐15中补充，调节第二流量调节阀19控制补充水的流量，调节第三流量调节阀20控制补充TBAB的流量，缓冲后经过TBAB溶液冷却器16降温至10℃，再经泵17送至第一水合物生成塔4上端和第二水合物生成塔5上端，循环利用。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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