从天然气中回收氦气制造技术

含氦气的天然气用三个气体分离级处理以产生天然气产物和含氦气的气体，该含氦气的气体可以被注入从其获得含氦气的天然气的储存器中。将来自第一气体分离膜级的渗透物压缩并进料到第二气体膜级中。将来自第二气体分离膜级的渗透物作为可以注入该储存器中的含氦气的气体进行回收。将来自该第二气体分离膜级的非渗透物进料到第三气体分离膜级中。来自该第一气体分离级的非渗透物是天然气产物。来自该第三气体分离膜级的渗透物与来自该第一气体分离膜级的非渗透物组合，然后将其压缩并进料到该第二气体分离膜级中。将来自该第三气体分离膜级的非渗透物与该含氦气的天然气一起进料到该第一气体分离膜级中。

Recovery of helium from natural gas

【技术实现步骤摘要】
从天然气中回收氦气
技术介绍

本专利技术涉及将氦气从天然气中膜分离。相关技术氦气的唯一来源是来自天然气。氦气典型地以低于0.5mol％的水平存在于天然气中，并且跨过液化天然气(LNG)生产线主要作为粗氦气被提取。然后通过低温蒸馏或经由PSA使含有约20-30mol％氦气的该粗氦气进行富集以制成99.9999mol％的氦气。众所周知，小的气体分子如氦气比甲烷或N2更能渗透通过玻璃状聚合物膜。因此，可以考虑将膜用于从天然气中回收氦气。然而，发现氦气典型地处于非常低的浓度，并且单级膜难以实现商业上可行的回收率和/或选择性水平。通常，通过膜回收稀释组分需要多个级以实现高纯度。其他传质操作，例如蒸馏，可以借助于多个级产生高纯度。不幸的是，膜工艺分级是昂贵的，因为每个附加级涉及渗透物再压缩、与伴随的压缩机操作和资金成本。在学术文献中已经广泛研究了将膜工艺最佳分级的方法。这项工作的实例包括Agarwal等人(“GasseparationmembranecascadesII.Two-compressorcascades[气体分离膜级联II.双压缩机级联]”，JournalofMembraneScience[膜科学杂志]112(1996)129-146)和Hao2008(“Upgradinglow-qualitynaturalgaswithH2S-andCO2-selectivepolymermembranesPartII.Processdesign,economics,andsensitivitystudyofmembranestageswithrecyclestreams[使用H2S-和CO2-选择性聚合物膜升级低品质天然气第II部分具有循环流的膜级的工艺设计、经济学和灵敏度研究]”)，JournalofMembraneScience[膜科学杂志]320(2008)108-122)。分级膜操作也在商业上实践。一个实例是由WO12050816A2描述的众所周知的2级方法。在该方案中，将来自第一膜级(或来自第一膜级的一部分)的渗透物再压缩并由第二膜级处理。第二级渗透物在较高的快速气体纯度下实现。将第二级残余物再循环至第一级膜进料中。在Tsuru等人的膜柱工作的一些版本中描述了渗透物回流(“Permeatorsandcontinuousmembranecolumnswithretentaterecycle[具有渗余物再循环的渗透器和连续膜柱]”，JournalofMembraneScience[膜科学杂志]98(1995)57-67)。在此上下文中，渗透物回流在单个膜级上进行实践，其中回流一部分渗透物，然后再压缩该部分并将其再循环到进料气体中或作为吹扫气体。该渗透物回流方案不适合于处理高体积气体，因为组合的高纯度和高回收率所需的膜面积非常大。本专利技术的目的是提供一种使用膜从天然气中分离氦气的方法，该方法实现令人满意的高氦气回收率，同时在纯化天然气中获得最小热值而不需要多个压缩机。
技术实现思路
披露了一种从气体混合物中分离天然气和氦气的方法，该方法包括以下步骤：在第一气体分离膜处产生第一渗透物流和第一非渗透物流，该第一气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性，该第一渗透物流和第一非渗透物流各自包含氦气和甲烷，该第一渗透物流与该第一非渗透物流相比是富含氦气的，该第一非渗透物物流是产物天然气流；压缩该第一渗透物流以提供压缩的第一渗透物流；在第二气体分离膜处将该压缩的第一渗透物流分离成第二渗透物流和第二非渗透物流，该第二气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性；在第三气体分离膜处将该第二非渗透物流分离成第三渗透物流和第三非渗透物流，该第三气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性；并且将该第三非渗透物流和含氦气的天然气进料流的组合进料到该第一气体分离膜中，该第一气体分离膜将该组合分离成该第一渗透物流和该第一非渗透物流。该方法可以包括以下方面中的任何一项或多项。-将该第二渗透物注入天然气储存器中，最终从该储存器中获得进料气体。-氦气以小于0.5mol％的浓度存在于含氦气的天然气中。-该第二渗透物流具有的质量流率不大于在该第一气体分离膜处分离的含氦气的天然气流的质量流率的3％。-纯化该第二渗透物流以提供具有至少99mol％的氦气浓度的氦产物气体。附图说明为了进一步理解本专利技术的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在附图中相似元件给予相同或类似的参考号，并且其中：该图是使用三个气体分离膜级从天然气中分离氦气的方法和系统的正视示意图。具体实施方式如由附图最佳所示，将进料气流1进料到第一气体分离膜3中。进料气流1从也含有氦气的天然气储存器中最终获得。“最终获得”是指从储存器中提取的原天然气可以被处理以去除一种或多种污染物，使其更适合于在第一气体分离膜3中进行处理。虽然进料气流1可含有较高浓度的氦气，但其典型地包含不大于约0.5mol％的氦气。进料气体1的余量主要由烃组成，其中大部分是甲烷。虽然本专利技术的方法可以使用在相对宽的压力范围内的进料气体1进行，但典型地它处于30-100巴。类似地，虽然进料气体1可以在相对宽的温度范围内，但典型地它处于约50℃。第一气体分离膜3将进料气体1分离成第一渗透物流5和第一非渗透物流7。第一渗透物流5与第三渗透物流9在压缩机13的入口侧上游组合。以这种方式，将组合流11通过压缩机13压缩，并且将压缩流15进料到第二气体分离膜17中。第二气体分离膜17将压缩流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进料到第三气体分离膜23中，该第三气体分离膜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含有氦气，该氦气的浓度比进料气体1的氦气浓度高许多倍。典型地，它含有约30mol％的氦气。根据从天然气中纯化氦气的任何公知技术，可以进一步纯化第二渗透物流19以提供高纯度的产物氦气。优选地，第二渗透物流19相反被注回到储存器中。以这种方式，从储存器中提取的原天然气中的过量氦气不需要被处理、单独储存或立即使用。相反，氦气可以无限期地储存，直到需要纯化的氦气。第一非渗透物流7是产物天然气流。可将产物天然气流27引入天然气管道中，液化，和/或另外处理以去除一种或多种污染物。产物天然气流27典型地是管道级的并且含有97％或更多的烃。可以通过将第三非渗透物流25引导至第一气体分离膜3的进料中来增加总体氦气回收率，使得将进料气体1和第三非渗透物流25的组合分离成富含氦气的第一渗透物气流5和第一非渗透物气流7。用于气体分离膜3、17、23的分离层中的合适材料优先渗透氦气超过渗透天然气的非氦气组分。此类膜可以以各种方式配置，例如片、管或中空纤维。本领域普通技术人员将认识到膜的渗透物“侧”未必意指膜的一侧和仅一侧。而是，在由多个中空纤维构成的膜的情况下，渗透物“侧”实际上被认为是各个中空纤维的与引入相关进料气体的侧面相反的多个侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种从气体混合物中分离天然气和氦气的方法，包括以下步骤：/n在第一气体分离膜处产生第一渗透物流和第一非渗透物流，该第一气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性，该第一渗透物流和第一非渗透物流各自包含氦气和甲烷，该第一渗透物流与该第一非渗透物流相比是富含氦气的，该第一非渗透物物流是产物天然气流；/n压缩该第一渗透物流以提供压缩的第一渗透物流；/n在第二气体分离膜处将该压缩的第一渗透物流分离成第二渗透物流和第二非渗透物流，该第二气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性；/n在第三气体分离膜处将该第二非渗透物流分离成第三渗透物流和第三非渗透物流，该第三气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性；以及/n将该第三非渗透物流和含氦气的天然气进料流的组合进料到该第一气体分离膜中，该第一气体分离膜将该组合分离成该第一渗透物流和该第一非渗透物流。/n

【技术特征摘要】
20181221 US 16/230,2751.一种从气体混合物中分离天然气和氦气的方法，包括以下步骤：
在第一气体分离膜处产生第一渗透物流和第一非渗透物流，该第一气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性，该第一渗透物流和第一非渗透物流各自包含氦气和甲烷，该第一渗透物流与该第一非渗透物流相比是富含氦气的，该第一非渗透物物流是产物天然气流；
压缩该第一渗透物流以提供压缩的第一渗透物流；
在第二气体分离膜处将该压缩的第一渗透物流分离成第二渗透物流和第二非渗透物流，该第二气体分离膜对氦气的选择性超过对甲烷的选择性；
在第三气体分离膜处将该第二非渗透物流分离成第三渗透物流和第三非渗透物流，该第三气体分离膜对氦气的选择性...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·比克森，
申请(专利权)人：液体空气先进技术美国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US