專利名稱：一種天然氣提氦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從含氦天然氣中提取粗氦的方法。
背景技術(shù)：
目前，從天然氣提氦多采用深冷分離的工藝，其主要原理是將凈化合格的天然氣通過制冷，低溫精餾獲得一次粗氦，再通 過進(jìn)一步提濃獲得濃度30— 80%的粗氦。如美國氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司申請的專利號為CN200710002320. O、發(fā)明名稱為用于從包括氦和液化天然氣的天然氣體中制備產(chǎn)品的方法和裝置的發(fā)明專利，涉及用于由天然氣生產(chǎn)粗制氦、液化天然氣產(chǎn)品、和任選地合成氣的方法和裝置。將含有氦和甲烷的天然氣冷卻以生成冷卻的天然氣。從冷卻的天然氣中將至少一部分氦和甲烷分離為含有氦的蒸氣(從中獲得粗制氦)和含有甲烷的液體。從該液體中將至少一部分甲烷分離為蒸氣(任選地使其反應(yīng)以制得合成氣)和液體(從中獲得液化天然氣)?？梢园硗獾臒峤粨Q和分離步驟。該專利文獻(xiàn)揭示了從含氦天然氣中提取氦以及獲得液化天然氣的步驟和裝置，在液化天然氣的多個冷卻階段中，包括含氦的蒸氣經(jīng)冷卻獲得粗制氦和含有甲烷的液體的冷卻階段，在該冷卻階段中冷卻溫度的控制是提升氦氣實(shí)收率最重要的步驟。如果冷卻溫度過高，甲烷無法有效液化，造成蒸氣中甲烷含量太高、氦的純度太低，裝置生產(chǎn)不出氦產(chǎn)品或氦產(chǎn)品收率很低，無法實(shí)現(xiàn)提氦的目的；如果冷卻溫度過低，不僅增加了系統(tǒng)能耗，而且甲烷蒸氣中將會有液化的甲烷，不利于后續(xù)對甲烷蒸氣壓縮處理，因?yàn)楹幸后w的甲烷蒸氣一旦進(jìn)入壓縮機(jī)，將會造成壓縮機(jī)的損害。該專利中提到的天然氣提氦的深冷分離的冷源來源于一種或多種制冷劑，在實(shí)施過程中，通過制冷劑的添加量的控制，可以較為快捷的實(shí)現(xiàn)對冷卻溫度的控制，確保較高的氦氣收率。已有工業(yè)實(shí)踐證明，采用凈化合格后天然氣膨脹制冷及氮循環(huán)制冷也是一種有效的天然氣提氦的方法，其工藝流程如下原料天然氣(I. 7 2MPa)先進(jìn)入分離器，脫除胺液和凝結(jié)水，并經(jīng)干燥器(采用硅膠和5A分子篩復(fù)合床層)脫除飽和水和少量C02和H2S。凈化后進(jìn)入主換熱預(yù)冷，氣流被冷卻到-70 _80°C后去渦輪膨脹機(jī)，膨脹后氣流溫度降至-83 92°C，并經(jīng)主換熱器進(jìn)一步被冷卻到-106 -120°C、壓力為I. I 1.5MPa氣流進(jìn)入粗氦分離塔(一塔)的塔底重沸器，兼作熱源，然后入塔，在此條件下絕大部分甲烷和一小部分氮?dú)獗焕淠骼淠聛?。未冷凝的氣相通過塔頂冷凝器，從塔頂排出不凝氣(粗氦氦含量3% 4%)，再進(jìn)入第二粗氦分離塔(二塔)，塔頂用常壓蒸發(fā)的液氮冷卻至-175 -185°C，使大部分氮?dú)獗焕淠聛恚敨@得70% 75%的粗氦。這種提氦步驟和設(shè)備的液化天然氣的多個冷卻階段所需要的冷源，是來自于含氦的原料天然氣自身，即在深冷分離的各個流程中，隨著對原料氣的節(jié)流制冷、膨脹制冷等處理，原料天然氣同時也作了冷源。與此工藝類似的還有如發(fā)明人申請的申請?zhí)枮镃N201010249718. 6，發(fā)明名稱為改良的天然氣提氦的工藝的專利文獻(xiàn)。上述兩種工藝方法的缺點(diǎn)在于，由于工序長，通過制冷步驟所獲得的制冷量與冷量消耗的平衡控制有一定的難度?，F(xiàn)有方法是通過嚴(yán)格的計(jì)算來控制獲得制冷量與消耗冷量來達(dá)到平衡，一旦系統(tǒng)中冷量控制不匹配，系統(tǒng)將會產(chǎn)生溫度劇升劇降的現(xiàn)象，特別是會造成含氦蒸氣的冷卻溫度高于或低于控制溫度，當(dāng)冷卻溫度過高時，無法實(shí)現(xiàn)提氦的目的；冷卻溫度過低時，除了無謂的增加能耗，還可能使蒸氣冷卻后產(chǎn)生的尾氣中含液體，影響尾氣壓縮機(jī)的正常使用，造成壓縮機(jī)損壞。此外尾氣經(jīng)主換熱器進(jìn)行熱交換時，其含有的液體富集在主換熱器內(nèi)，堵塞主換熱器通道。總之，一旦系統(tǒng)中冷量控制不匹配，會影響裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，影響天然氣的液化和氦收率。為了平衡系統(tǒng)中的冷量，以獲得各個冷卻階段中設(shè)計(jì)控制溫度，目前主要由兩種冷量平衡的控制方法。(I)對原料天然氣的流量進(jìn)行調(diào)整。如果蒸氣冷卻溫度高了，即增加原料天然氣的進(jìn)氣流量，并將分離塔塔頂 獲取一次初氦的閥門關(guān)小或者關(guān)閉，以減少對冷量的需求。如果蒸氣冷卻溫度低了，則減少原料天然氣的進(jìn)氣流量，和或?qū)⒊鹾ぬ崛￠y門開大，增加冷量的消耗，提升冷卻溫度。但原料天然氣作為冷源，走完整個工藝流程實(shí)現(xiàn)對蒸氣冷卻溫度的控制，步驟多，耗時長，往往需要6-7個小時才能將蒸氣冷卻溫度控制在需要的工藝溫度。該種方法的氦氣收率一般為85%。(2)在膨脹機(jī)的氣體輸入管道和輸出管道之間連接一個旁通節(jié)流閥。當(dāng)蒸氣冷卻溫度過高，則加大從分離塔塔底引出的液體返流膨脹量，以增加膨脹制冷量，降低蒸氣冷卻溫度。當(dāng)蒸氣冷卻溫度過低，則可以適當(dāng)開啟旁通節(jié)流閥，減少返流膨脹量，增加蒸氣冷卻溫度。這種工藝雖較前一個工藝的溫度控制平衡時間減少，但也仍需要約4個小時的時間。氦氣收率一般為90%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在工藝運(yùn)行不穩(wěn)定、冷量平衡困難的不足，提供一種天然氣提氦的方法。該方法構(gòu)思巧妙、流程簡單，工藝運(yùn)行穩(wěn)定，冷量易于平衡。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種天然氣提氦的方法，包括以下步驟
A、將含氦的原料天然氣，送入主換熱器冷卻；
B、將步驟A冷卻所得的混合物送入分離塔，混合物經(jīng)加熱后，至少一部分蒸氣在塔頂被冷凝蒸發(fā)器冷卻獲得一次粗氦，一次粗氦經(jīng)提純后獲得粗氦產(chǎn)品；
C、分離塔塔底的液體一部分經(jīng)減壓節(jié)流后通過管道進(jìn)入塔頂冷凝蒸發(fā)器，作為冷凝蒸發(fā)器的冷源，與步驟B的蒸氣進(jìn)行熱交換；
D、根據(jù)冷量平衡需要，確定是否需要從冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)獲取步驟C的冷源進(jìn)行熱交換后獲得的LNG產(chǎn)品。本發(fā)明提出了在天然氣提氦的同時，通過將塔底的一部分液體節(jié)流后送往塔頂做冷源，并在塔頂取出部分LNG做副產(chǎn)品，通過LNG冷量的取出量大小來實(shí)現(xiàn)和調(diào)節(jié)冷量的平衡的設(shè)計(jì)思路。該方法可以帶來以下技術(shù)效果
一是能更有效地利用冷量，獲得冷量平衡。當(dāng)蒸氣冷卻溫度過低，可連續(xù)地從冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)取出LNG作副產(chǎn)品，使冷凝器儲存冷源液體的容器內(nèi)壓力下降，瞬間提高蒸氣冷卻溫度；當(dāng)蒸氣冷卻溫度過高時，可減少或不從冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)獲得LNG產(chǎn)品，使壓力上升，蒸氣冷卻溫度降低到設(shè)計(jì)工藝溫度。該工藝可立竿見影的實(shí)現(xiàn)蒸氣冷卻溫度的調(diào)節(jié)，確保了提氦裝置處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。且冷量平衡的控制工作變得較為簡單，極大的減少控制冷量平衡的計(jì)算工作量。本發(fā)明與傳統(tǒng)的冷卻天然氣從塔底底部獲取大量LNG不同，本發(fā)明在提取粗氦的同時，僅從塔頂冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)取出少量LNG，無需為獲得大量的過冷液化LNG的目的而增加能耗。同時，為了平衡蒸氣冷卻溫度，從蒸發(fā)側(cè)取出的LNG副產(chǎn)品增加了提氦裝置附加的產(chǎn)品產(chǎn)值和綜合經(jīng)濟(jì)效益。此外，由于天然氣是一種多組分的混合物，在其液化后作塔頂冷凝器的冷源時，由于各組分的沸點(diǎn)不同，難液化的低沸點(diǎn)組分(如氮)會優(yōu)先于易液化的高沸點(diǎn)組分(如戊烷、丁烷、丙烷等)從冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)出來，從而造成冷凝蒸發(fā)器的換熱效果惡化，頂部溫度不斷改變，這又被稱為塔的重組分的積聚現(xiàn)象，使生產(chǎn)難以穩(wěn)定進(jìn)行。生產(chǎn)過程中只能采取間斷的排塔頂蒸發(fā)液體的方法來維持生產(chǎn)，但這會影響裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)，影響排放的安全，并影響冷量利用的合理性。而通過從蒸發(fā)側(cè)取出LNG，帶走積聚在冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)底部的重組分，有效避免因重組分積聚造成運(yùn)行工況不穩(wěn)定現(xiàn)象。、
作為優(yōu)選方式，所述步驟C中，分離塔塔底的液體另一部分送入主換熱器復(fù)熱汽化后，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹，再返回主換熱器作冷源。本發(fā)明的膨脹工藝從正流膨脹變?yōu)榉盗髋蛎?，使膨脹機(jī)的膨脹前溫度易于調(diào)節(jié)。進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹的氣體不能含有液體，采用正流膨脹時，流體內(nèi)難免會有液體，為此需要在膨脹機(jī)前端進(jìn)行溫度控制。而采用返流膨脹，進(jìn)入膨脹機(jī)的氣體經(jīng)過主換熱器復(fù)熱汽化，氣體內(nèi)不含液體，可以減少膨脹機(jī)的溫度控制環(huán)節(jié)。進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟C中，從分離塔塔底分離的液體返回主換熱器復(fù)熱氣化并經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹后被冷卻，再次通過管道進(jìn)入主換熱器，作為主換熱器的冷源與主換熱器進(jìn)行熱交換后，送往后續(xù)處理。優(yōu)選膨脹壓力為1-1. IMpa。膨脹機(jī)的制冷量提供給提氦裝置的主要冷量消耗，膨脹機(jī)增壓膨脹后冷卻溫度滿足原料天然氣的液化需要。作為優(yōu)選方式，所述步驟A中，含氦的原料天然氣進(jìn)行增壓處理，所述步驟B中，進(jìn)塔壓力為2. 2-2. 6Mpa，較常規(guī)分離壓力I. I I. 5MPa增加近I倍，塔頂蒸發(fā)溫度升高至-13(T-135°C，分離的單位產(chǎn)品能耗降低，從而更好地滿足低含氦天然氣提氦對能耗的要求。同時溫度增加,也減少塔底蒸發(fā)時氦溶解損失。作為優(yōu)選方式，所述步驟B中，混合物冷卻到液化率為90-96%時進(jìn)入分離塔分離為含氦蒸氣。由于本提氦步驟和設(shè)備的液化天然氣的多個冷卻階段所需要的冷源，是來自于含氦的原料天然氣自身，因此，在設(shè)備剛啟動運(yùn)行階段，主換熱器以及冷凝蒸發(fā)器等換熱設(shè)備內(nèi)尚無冷源產(chǎn)生，原料天然氣走完相應(yīng)的提氦流程，隨著對原料氣的節(jié)流制冷、膨脹制冷等處理，換熱設(shè)備管路內(nèi)才會產(chǎn)生冷源，并逐漸將一塔內(nèi)的原料天然氣冷卻液化，至混合物冷卻到液化率為一控制值時，開啟一塔塔頂一次粗氦導(dǎo)流管路上的節(jié)流閥；進(jìn)入分離塔的混合物被分離為含氦蒸氣并在塔頂被冷凝后，粗氦從一次粗氦導(dǎo)流管路引出至二塔，繼續(xù)提純。本發(fā)明中，混合物冷卻到液化率為90-96%時，為粗氦收集和能耗控制的較佳值。作為優(yōu)選方式，所述步驟C中，塔底的液體一部分減壓節(jié)流至O. 3-0. 5Mpa進(jìn)入塔頂冷凝蒸發(fā)器。通過選擇較佳的控制參數(shù)，確保為塔頂冷凝蒸發(fā)器提供適宜的冷卻溫度的冷源，并便于用LNG冷量進(jìn)行冷量平衡控制時，以滿足工況需求。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明構(gòu)思巧妙、流程簡單，工藝運(yùn)行穩(wěn)定，冷量易于平衡，能耗、成本低。


圖I本發(fā)明工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本發(fā)明方法的一種天然氣提氦的方法，包括以下步驟
通過管道進(jìn)入提氦裝置的含氦的原料天然氣I進(jìn)氣量每小時704. 9kmol，溫度40°C，經(jīng)過深度脫CO2、水的凈化處理后進(jìn)行增壓處理，壓力為4Mpa。原料天然氣與主換熱器16進(jìn)行熱交換后獲得混合物9，通過管路進(jìn)入一級提氦分離塔8 (一塔)進(jìn)行低溫精餾，其進(jìn)塔壓力為2. 2^2. 6 Mpa0分離塔塔底7所獲得的液體4大部分通過節(jié)流閥作為返流膨脹液體3與主換熱器16復(fù)熱汽化到_85'95°C后，進(jìn)膨脹機(jī)10膨脹后的氣體17再次進(jìn)主換熱器作冷源，與原料天然氣熱交換復(fù)熱到常溫后經(jīng)過膨脹機(jī)的同軸增壓端11增壓至f I. IMpa通過 管道13去用戶管網(wǎng)。而在分離塔加熱蒸發(fā)出的上塔頂?shù)暮ふ魵?，通過冷凝蒸發(fā)器2冷凝獲得一次粗氦6(氦含量2-10%)，壓力約I. 8MPa，在冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)的蒸發(fā)壓力約O. 6MPa左右(O. 57、. 65MPa)，其溫度約為-13(T_135°C。冷凝蒸發(fā)器的冷源來自于分離塔塔底液體4的一小部分經(jīng)減壓節(jié)流至O. 3—0. 5Mpa后更低溫度的液體15。液體15與一塔內(nèi)的蒸氣通過塔頂?shù)睦淠舭l(fā)器進(jìn)行熱交換后，復(fù)熱成LNG產(chǎn)品5，作為提氦裝置的副產(chǎn)品，被取出。在提氦設(shè)備運(yùn)行過程中，本實(shí)施例的工藝步驟是利用本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路，適當(dāng)加大膨脹機(jī)的制冷量，使系統(tǒng)的制冷量略高于實(shí)際冷量的消耗，然后通過從冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)連續(xù)取出LNG作副產(chǎn)品，以獲得系統(tǒng)的冷量平衡控制；從蒸發(fā)側(cè)取出的LNG副產(chǎn)品增加了提氦裝置附加的產(chǎn)品產(chǎn)值和綜合經(jīng)濟(jì)效益，同時帶走積聚在冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)底部的重組分，有效避免因重組分積聚造成運(yùn)行工況不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)工況發(fā)生波動，蒸發(fā)壓力變化造成蒸氣冷卻溫度不符合工藝要求時，則根據(jù)溫度高于或低于工藝控制溫度，再適當(dāng)減少或加大從冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)獲得LNG產(chǎn)品5的流量大小，使壓力再次回復(fù)到工藝控制壓力，從而使冷卻溫度回復(fù)到工藝控制溫度，平衡冷量需求。上述冷量平衡控制中，僅需要根據(jù)壓力儀表的顯示來控制LNG產(chǎn)品的獲取量即可實(shí)現(xiàn)，無須復(fù)雜的冷量平衡控制計(jì)算，非常簡單。既可手動控制，也可自動控制。同時，冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)后的尾氣14經(jīng)過主換熱器8復(fù)熱后為換熱器提供冷源，經(jīng)過壓縮機(jī)12壓縮增壓后通過管道13去用戶管網(wǎng)。經(jīng)一級提氦分離塔獲得的一次粗氦經(jīng)過氮循環(huán)冷卻在第二低溫精餾塔分離后獲得粗氦產(chǎn)品。(氦含量為30-80%，其余部分為平衡的氮，還有少量的甲烷、氫等)
上述工藝流程步驟中，采用制冷量略高于實(shí)際冷量消耗然后用LNG產(chǎn)量調(diào)節(jié)冷量平衡的模擬實(shí)例1-3以及冷量不足時降低LNG產(chǎn)量調(diào)節(jié)冷量平衡的模擬實(shí)例4-6列表如下
不變條件
1、進(jìn)氣量每小時704.9kmol，溫度40°C ；
2、實(shí)施例1-3分離塔塔底的液體進(jìn)換熱器溫度_115°C;實(shí)施例4-6液體進(jìn)換熱器溫度為-119。。；
3、膨脹機(jī)等熵效率85%，膨脹后壓力IMpa；
4、一次粗氦出塔濃度6. 5%。
權(quán)利要求
1.一種天然氣提氦的方法，其特征在于包括以下步驟 A、將含氦的原料天然氣，送入主換熱器冷卻； B、將步驟A冷卻所得的混合物送入分離塔，混合物經(jīng)加熱后，至少一部分蒸氣在塔頂被冷凝蒸發(fā)器冷卻獲得一次粗氦； C、分離塔塔底的液體一部分經(jīng)減壓節(jié)流后通過管道進(jìn)入塔頂冷凝蒸發(fā)器，作為冷凝蒸發(fā)器的冷源，與步驟B的蒸氣進(jìn)行熱交換； D、根據(jù)冷量平衡需要，確定是否需要從冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)獲取步驟C的冷源進(jìn)行熱交換后獲得的LNG產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求I所述的一種天然氣提氦的方法，其特征在于所述步驟C中，分離塔塔底的另一部分液體通過管路送入主換熱器，在主換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換后，復(fù)熱汽化進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹，再返回主換熱器作冷源。
3.如權(quán)利要求2所述的一種天然氣提氦的方法，其特征在于所述膨脹后再返回主換熱器的冷源，在主換熱器內(nèi)再次進(jìn)行熱交換后，復(fù)熱到常溫獲得的氣體經(jīng)過膨脹機(jī)的同軸增壓端增壓后送往后續(xù)處理。
4.如權(quán)利要求3所述的一種天然氣提氦的方法，其特征在于所述氣體經(jīng)過膨脹機(jī)的同軸增壓端增壓至1-1. IMpa0
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的一種天然氣提氦的方法，其特征在于所述步驟A中，含氦的原料天然氣凈化后經(jīng)加壓處理，所述步驟B中原料氣進(jìn)分離塔的壓力為2. 2^2. 6，塔頂?shù)恼魵鈮毫?. 57 0. 65 Mpa，塔頂蒸發(fā)溫度為-13(T_135°C。
6.如權(quán)利要求5所述的一種天然氣提氦的方法，其特征在于所述塔頂蒸發(fā)溫度為-131. 8 -132. 9 0C o
7.如權(quán)利要求1-4任一所述的一種天然氣提氦的方法，其特征在于所述步驟B中，混合物冷卻到液化率為90-96%時進(jìn)入分離塔。
8.如權(quán)利要求1-4任一所述的一種天然氣提氦的方法，其特征在于所述步驟C中，塔底的液體一部分減壓節(jié)流至0. 3-0. 5Mpa進(jìn)入塔頂冷凝蒸發(fā)器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣提氦的方法，包括以下步驟A、取含氦的原料天然氣送入主換熱器冷卻；B、將步驟A冷卻所得的混合物送入分離塔，混合物經(jīng)加熱后，至少一部分蒸氣在塔頂被冷凝蒸發(fā)器冷卻獲得一次粗氦，一次粗氦經(jīng)提純后獲得粗氦產(chǎn)品；C、分離塔塔底的液體一部分經(jīng)減壓節(jié)流后通過管道進(jìn)入塔頂冷凝蒸發(fā)器，作為冷凝蒸發(fā)器的冷源，與步驟B的蒸氣進(jìn)行熱交換。D、根據(jù)冷量平衡需要，確定是否需要從冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)獲取由步驟C的冷源在與步驟B的蒸氣進(jìn)行熱交換后獲得的LNG產(chǎn)品。本發(fā)明構(gòu)思巧妙、流程簡單，工藝運(yùn)行穩(wěn)定，冷量易于平衡，能耗、成本大大降低。
文檔編號F25J3/02GK102735020SQ201210255340
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者劉澤軍, 華洪基, 李均方, 李朝貴, 楊武英, 王應(yīng)海, 許柯, 譚敬明 申請人:中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司成都天然氣化工總廠