由天然气回收氦制造技术

本发明专利技术涉及由天然气回收氦。用三个气体分离级加工含氦的天然气，以产生天然气产物和可注入储器中的含氦气体，所述含氦的天然气是从该储器获得的。将来自第一气体分离膜级的渗透物压缩并且送至第二气体膜级。将来自第二气体分离膜级的渗透物作为可注入储器的含氦气体回收。将来自第二气体分离膜级的非渗透物送至第三气体分离膜级。将来自第一和第三气体分离级的非渗透物结合以产生天然气产物。将来自第三气体分离膜级的渗透物与来自第一气体分离膜级的非渗透物结合，然后将其压缩并且送至第二气体分离膜级。

【技术实现步骤摘要】
由天然气回收氦相关申请的交叉参考本申请根据35U.S.C.§ 119 (a)和(b)要求2013年2月26日提交的美国专利申请N0.61/769，366的优先权的利益，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及氦从天然气中的膜分离。
技术介绍
氦的唯一来源是来自天然气。氦通常以低于0.5摩尔％的水平存在于天然气中，并且主要在液态天然气(LNG)列车上以粗制氦的形式提取。这种粗制氦含有约20-30摩尔％的氦，然后通过低温蒸馏或经由PSA富集以制备99.9999摩尔％的氦。众所周知，小气体分子(例如氦)比甲烷和N2更易透过玻璃质聚合物膜。因此，膜可被认为用于从天然气的氦回收。但是，氦通常以非常低的浓度存在，且单级膜难以实现商业上可行水平的回收和/或选择性。通常， 通过膜回收稀组分需要多级，以便实现高纯度。其它传质操作(例如蒸馏)可借助于多级产生高纯度。令人遗憾的是，膜工艺对于分级是昂贵的，因为每个额外的级都涉及渗透再压缩，并有压缩机的操作和资金费用的问题。已在学术文献中广泛研究了理想地分级膜工艺的方法。该著作的实例包括Agarwal 等人(“Gas separation membrane cascades I1.Two-compressor cascades，，，Journal of Membrane Sciencell2 (1996) 129-146)和 Hao2008 (“Upgrading low-qualitynatural gas with H2S_and CO2-Selective polymer membrane Part I1.Processdesign, economics,and sensitivity study of membrane stages with recyclestreams”，Journal of Membrane Science320 (2008) 108 - 122)。分级的膜操作也是商业上实施。一个例子是公知的由W012050816A2所述的2级工艺。在该方案中，来自第一膜级的渗透物(或来自一部分第一膜级)被再压缩，并且通过第二膜级加工。以较高的快速气体纯度实现第二级渗透物。将第二级残留物再循环至第一级膜进料。渗透物回流描述于Tsuru等人的一些形式的膜柱著作中(“Permeators andcontinuous membrane columns with retentate recycle，，，Journal of MembraneScience98 (1995) 57-67)。在该文中，在回流一部分渗透物的情况下在单一膜级上实践渗透物回流，然后再压缩该小部分且使其再回流至原料气或作为尾气。这种渗透物回流方案不适于处理大量气体，因为高纯度和高回收率的组合所需的膜面积非常高。本专利技术目的是提供一种使用膜从天然气中分离氦的方法，其实现了令人满意的高氦回收率，同时获得纯化天然气的最低热值而不需多个压缩机。专利技术概述本专利技术公开了从气体混合物中分离天然气和氦的方法。该方法包括下述步骤。将含氦的天然气在第一气体分离膜处分离成第一渗透物和第一非渗透物。压缩第一渗透物，以提供压缩的第一渗透物。将经压缩的第一渗透物在第二气体分离膜处分离成第二渗透物和第二非渗透物。将第二非渗透物在第三气体分离膜处分离成第三渗透物和第三非渗透物，其中在第一、第二和第三气体分离膜处所述氦比天然气优先渗透。将第一和第三非渗透物结合，以提供产物天然气流。在压缩机的上流组合第一和第三渗透物。该方法可以包括下列方面中的任何一个或多个。-将第二渗透物注入天然气储器中，从该天然气储器中最终获得原料气。-氦以低于0.5摩尔％的浓度存在于所述含氦的天然气中。-第二渗透物的料流具有不超过在第一气体分离膜处分离的含氦的天然气的料流的质量流速的3 %的质量流速。-纯化第二渗透物流以提供具有至少99摩尔％氦浓度的氦产物气体。附图简述为了进一步理解本专利技术的性质和目的，应结合附图参考下列详细说明，在附图中对类似元件给出了相同或类似的标记号，并且其中:附图是使用三个气体分离膜级从天然气中分离氦的方法和系统的立面示意图。具体实施方案 由附图可清楚看出，将原料气流I送至第一气体分离膜3。原料气流I最终是从天然气储器获得的，天然气储器还含有氦。“最终从……获得”是指可对从储器提取的原料天然气加工以除去一种或多种污染物，以更适合于在第一气体分离膜3中加工。尽管原料气流I可含有较高浓度的氦，但是其通常包含不超过约0.5摩尔％氦。原料气I的其余成分主要由烃组成，大部分是甲烷。尽管本专利技术方法可使用原料气I在相对宽范围的压力下进行，但是通常其为30-100巴。类似地，尽管原料气I可处于相对宽范围的温度内，但通常其为约50°C。第一气体分离膜3将原料气I分离成第一渗透物流5和第一非渗透物流7。在压缩机13的入口侧上游将第一渗透物流5与第三渗透物流9结合。以这种方式，用压缩机13将结合的料流11压缩，且将经压缩的料流15送至第二气体分离膜17。第二气体分离膜17将经压缩的料流15分离成第二渗透物流19和第二非渗透物流21。将第二非渗透物流21送至第三气体分离膜23，第三气体分离膜23将其分离成第三渗透物流9和第三非渗透物流25。第二渗透物流19含有的氦的浓度比原料气I的高很多倍。通常，其含有约30摩尔％氦。可根据任何公知的用于从天然气纯化氦的技术进一步纯化第二渗透物流19，从而以高纯度提供产物氦。优选地，反而将第二渗透物流19注回储器。以这种方式，不需要加工、单独存储、或立刻使用从储器提取的原料天然气中的过量氦。而是可以无限期地存储氦，直到需要纯化的氦。将第一和第三非渗透物流7、25结合，以提供产物天然气流27。可将产物天然气流27引入天然气管道，液化，和/或额外加工以除去一种或多种污染物。产物天然气流27通常是管道级的，且含有97 %或更多的烃。相比于天然气的非氦组分，适合用于气体分离膜3、17、23的分离层的材料优先渗透氦。此类膜可以以多种方式构造，例如板、管或中空纤维。本领域技术人员将认识到，膜的渗透物“侧”不一定是指膜的一个且仅仅一个侧。在由多个中空纤维组成的膜的情况下，渗透物“侧”实际上被认为是与引入相关原料气的侧相对的各个中空纤维的多个侧。优选地，气体分离膜3、17、23各自由多个中空纤维组成。通常，膜由聚合材料制得，例如聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚酰胺-酰亚胺及其掺混物。特别适合用于气体分离膜3、17、23的聚合材料描述于W02009/087520中。由W02009/087520所述的且可用于本专利技术实践的聚合材料中的一种是含有下式(I)中所示的重复单元的的聚酰亚胺:本文档来自技高网...

【技术保护点】
从气体混合物中分离天然气和氦的方法，包括下述步骤：在第一气体分离膜处将含氦的天然气分离成第一渗透物和第一非渗透物，在第一气体分离膜处所述氦比所述天然气优先渗透；压缩所述第一渗透物，以提供经压缩的第一渗透物；在第二气体分离膜处将所述经压缩的第一渗透物分离成第二渗透物和第二非渗透物，在第二气体分离膜处所述氦比所述天然气优先渗透；在第三气体分离膜处将第二非渗透物分离成第三渗透物和第三非渗透物，在第三气体分离膜处所述氦比所述天然气优先渗透；将第一和第三非渗透物结合，以提供产物天然气流；和在压缩机的上游将第一和第三渗透物结合。

【技术特征摘要】
2013.02.26 US 61/769,366;2013.12.20 US 14/137,8151.从气体混合物中分离天然气和氦的方法，包括下述步骤: 在第一气体分离膜处将含氦的天然气分离成第一渗透物和第一非渗透物，在第一气体分离膜处所述氦比所述天然气优先渗透； 压缩所述第一渗透物，以提供经压缩的第一渗透物； 在第二气体分离膜处将所述经压缩的第一渗透物分离成第二渗透物和第二非渗透物，在第二气体分离膜处所述氦比所述天然气优先渗透； 在第三气体分离膜处将第...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·K·卡罗德，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR