氢氦气体分离装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种氢氦气体分离装置，其包括储氢合金系统、换热结构和控制系统，通过储氢合金系统对氢气进行吸附，实现氢气与氦气的分离。采用本装置，利用储氢合金对氢气的吸附作用，多组床体并联，能够实现不同浓度氢氦混合气的连续化分离与回收。气的连续化分离与回收。气的连续化分离与回收。

【技术实现步骤摘要】
氢氦气体分离装置


[0001]本专利技术涉及气体分离纯化
，具体涉及一种氢氦混合气体的分离装置。

技术介绍

[0002]氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一，广泛应用于军工、科研、石化、制冷、医疗、半导体、超导实验、深海潜水、光电子产品生产等领域。我国属于贫氦国家，天然气氦气资源总量少，含量低。目前我国氦气自给率低，氦气供应长期依赖进口。从天然气中提氦对中国石油保障国内氦气供应量，扩大能源领域，保证国家能源安全具有重要的战略意义。
[0003]目前国内外天然气提取氦气的工艺主要包括深冷法与膜分离法。
[0004]深冷精馏是大多数中大型的天然气回收氦气工厂普遍采用的方法。其原理是以液氮为制冷剂(约
‑
190℃)，将天然气中的烃类及其他组分逐级冷凝，而由于氦气的沸点极低，最终与天然气中的其他组分分离。例如，中国专利(ZL 201210255340.X)公开了一种天然气提氦的方法，包括以下步骤：A.取含氦的原料天然气送入主换热器冷却；B.将步骤A冷却所得的混合物送入分离塔，混合物经加热后，至少一部分蒸汽在塔顶被冷凝蒸发器冷却获得一次粗氦，一次粗氦经提纯后获得粗氦产品；C.分离塔塔底的液体一部分经减压节流后通过管道进入塔顶冷凝蒸发器，作为冷凝蒸发器的冷源，与步骤B的蒸汽进行热交换；D.根据冷量平衡需要，确定是否需要从冷凝蒸发器的蒸发测获取由步骤C的冷源在与步骤B的蒸汽进行热交换后获得的LNG产品。中国专利(ZL 201210513423.4)公开了一种天然气低温提氦系统及方法，采用后膨胀+氮循环制冷两塔分离技术，充分回收装置自身冷量来预冷原料天然气，能适用含氦量极低的天然气，同时具有能耗低、氢气回收率高、投资省、操作灵活、变工况适应能力强等特征。虽上述方法可实现氦气的分离，但也存在一定的问题，主要体现在1)随着制冷温度的不断降低，单位制冷量的能量消耗急剧增加，由此对如何高效制冷、冷量如何合理高效利用，以及设备的设计制造与操作运行都提出了更高、更苛刻的要求。2)天然气为多组分混合物，低温相平衡是天然气深冷提氦的基础。由于物质凝固点和溶解度的限制，随制冷温度的降低，更多物质会引起低温堵塞，造成设备运行不稳定。3)设备多采用不锈钢、铝、铜等金属，要求有良好的耐低温性能，并涉及不同材料过渡联结、多层真空屏蔽绝热等问题，对高真空设备、氦检漏、材料与工艺等提出更多需要。
[0005]除了采用深冷的分离方法，气体分离膜是一种较为新颖的分离技术。气体组分在高分子聚合物薄膜(醋酸纤维、聚丙烯类、聚砜、聚酰亚胺等)上基于溶解扩散的原理进行传质，根据不同气体组分在膜材料中的溶解度和扩散速率不同从而达到各组分分离的效果。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，氦气和氢气等组分的渗透速率远高于氮气和甲烷及其他烃类。膜分离与其它工艺进行结合，可获得以氢氦为主要组分的渗透气体。例如，文献(膜分离与变压吸附组合工艺在天然气提氦中的应用初探，科学技术创新，2021.15)中提到，通过设置两端膜分离系统，优化膜单元配置方案，并合理设计PSA单元解析气的循环，可以在制备He+H2≥99.99％高纯度氦气产品的同时保持整体>87％的氦气回
收率。那么如何将氢气与氦气进行分离，成为了该工艺是否可行的关键。
[0006]在氢氦分离方面，有钯金属膜、催化氧化、金属氢化物等方法。钯金属膜受限于贵金属钯的成本，目前主要应用于氢同位素的分离等小规模气体分离场合，无法直接应用于大规模气体分离的场合。催化氧化是在催化剂的作用下，将氢气氧化成水或甲烷。例如，中国专利(CN 201810308806.5)公开了一种含氢的氦尾气提纯氦气工艺，在含氢的氦气中补入一氧化碳或二氧化碳或二者的混合物，将氢气催化转化生成甲烷；或者补入过量的氧气，将氢气催化转化生成水。催化氧化无法承受高含量的氢气，并且如果原料气源成分波动时，去除效果较差。金属氢化物利用储氢合金与氢气的反应，可有效去除氢氦混合气中的氢气。例如，中国专利(CN 202110278127.X)本专利技术公开了一种常温氢氦分离储存一体化装置及方法，该常温氢氦分离储存一体化装置包括依次连接的增压泵，流量计，第一储氢床，第二储氢床，四级杆质谱，增压泵，氦气储存罐和储氢储存罐。将氢氦混合气通入第一储氢床中，同时控制氢氦混合气通入流量，此时第一储氢床处于工作状态，第二储氢床处于闲置状态；当四级杆质谱出现氢气信号时，将氢氦混合气切换通入至第二储氢床；直至增压泵前端无气体输入，恢复所有阀门至关闭状态，混合气分离完成。该专利技术实现了常温下高纯氢、高纯氦的可连续完全分离及氢的分离储存一体化，但由于未考虑内部的装填结构，以致储氢床在工作过程中由于粉体膨胀，床体发生堵塞或堆积，引起气体断路或短路，造成床体失效。
[0007]上述这些技术与工艺路线，虽然可以实现氦气的分离，但要么工艺过程过于繁琐，要么能耗较高，要么性能与寿命较差，难以满足氢氦气体分离的实际使用需要。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的提供一种全新的氢氦气体分离装置，利用储氢合金对氢气的吸附作用，实现氢气与氦气的分离。吸附饱和后，通过加热储氢合金床体，即可实现储氢合金床的再生。该分离装置具有气体分离程度高、操作简单、运行成本低的特点。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种氢氦气体分离装置，其包括储氢合金系统、换热结构和控制系统，通过储氢合金系统对氢气进行吸附，实现氢气与氦气的分离。
[0010]其中，所述储氢合金系统包括床体、储氢合金、过滤器和阀门，储氢合金填装在床体内部，床体的两端留有进气口和出气口，通过阀门控制通断。
[0011]其中，所述储氢合金系统包括至少三组床体。
[0012]其中，所述储氢合金和导热材料混合装填、分层装填，放置于床体内部。
[0013]其中，所述导热材料包括铝、铜、不锈钢等材料制成的丝网、箔等制品。
[0014]其中，所述分层装填采用过滤片、多孔材料、蜂窝状材料等作为分隔层材料，各个隔层内装填储氢合金。
[0015]其中，所述储氢合金为AB5、AB2、AB系储氢合金，包括使用镧、镍、钛、锆、铈、钴、铁、铝、锰、钒、钇、铌、钼中的两种或多种组成的合金。
[0016]其中，采用物理气相沉积或化学法对储氢合金进行表面包覆，包覆材料是Pd、Ni、Cu、Co、Ag、Au、Pt、Al2O3、SiO2中的一种或多种复合。
[0017]其中，所述换热结构可以采用夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、翅片式换热器、板式换热器中的一种或多种复合。
[0018]其中，所述控制系统包括触摸屏和PLC控制系统。
[0019]其中，所述PLC控制系统与装置中的温度、压力、流量传感器进行通讯，实时监控运行状态，并控制阀门的开闭，实现至少三组储氢床的自动运行。
[0020]本专利技术的有益效果
[0021]本专利技术提供的氢氦气体分离装置利用储氢合金对氢气的吸附作用，实现氢气与氦气的分离。吸附饱和后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢氦气体分离装置，其特征在于：包括储氢合金系统、换热结构和控制系统，通过储氢合金系统对氢气进行吸附，实现氢气与氦气的分离。2.如权利要求1所述氢氦气体分离装置，其特征在于：所述储氢合金系统包括床体、储氢合金、过滤器和阀门，储氢合金填装在床体内部，床体的两端留有进气口和出气口，通过阀门控制通断。3.如权利要求2所述氢氦气体分离装置，其特征在于：所述储氢合金系统包括至少三组床体。4.如权利要求2所述氢氦气体分离装置，其特征在于：所述储氢合金和导热材料混合装填、分层装填，放置于床体内部。5.如权利要求4所述氢氦气体分离装置，其特征在于：所述导热材料包括铝、铜、不锈钢等材料制成的丝网、箔等制品。6.如权利要求4所述氢氦气体分离装置，其特征在于：所述分层装填采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜淼，李志念，米菁，李帅，叶建华，郝雷，蒋利军，付正盛，雷钰，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：