本发明专利技术提供一种综合利用含氦天然气液化尾气的多级膜分离工艺，将氦气优先渗透膜和甲烷优先渗透膜分离单元梯级嵌套，首先将液化尾气通入两级氦气优先渗透膜分离单元生产粗氦气，然后将其渗余气通入甲烷优先渗透膜分离单元，分离出富甲烷气送往天然气液化装置，增产液化天然气，最终将甲烷优先渗透膜的渗余气通入第二段氦气优先渗透膜，回收氦气的同时降低分离规模，提升分离效率，高效率且高收率的实现含氦天然气液化尾气的综合利用。采用本发明专利技术的多级膜分离工艺，对于氦气浓度为1.06vol％的天然气液化尾气，氦气收率达到99.4％，纯度超过80.0vol％，甲烷收率超过88.7％。每标方液化尾气的分离单耗不超过0.41度电。化尾气的分离单耗不超过0.41度电。化尾气的分离单耗不超过0.41度电。
【技术实现步骤摘要】
一种综合利用含氦天然气液化尾气的多级膜分离工艺
[0001]本专利技术涉及一种综合利用含氦天然气液化尾气的多级膜分离工艺，属于石油化工领域。
技术介绍
[0002]天然气是一种蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，是优质的燃料和化工原料。天然气液化工艺可以通过降温和加压等手段使甲烷和可凝性烃类组分液化，从而与氮气和氦气等不凝性气体分离，最终有效提高商品化天然气的热值。此外，天然气的液化可以使其变为液态，体积减小600多倍，对于输送和储存十分有利。
[0003]经通过天然气净化单元和液化单元的处理，氢气、氦气以及氮气等超低沸点气体在不凝气中富集，形成天然气液化尾气。其中的氦气含量可以从0.10～0.20vol％浓缩至1.00～4.00vol％，远超富氦天然气的标准，同时，液化尾气中的甲烷含量也可达到60.00～70.00vol％。以中国某地含氦天然气液化装置为例，根据实际运行数据，原料气的氦含量约为0.17vol％，经深冷液化单元后，液化尾气中氦气的含量可以提升至1.06vol％左右，且甲烷的含量高达61.40vol％。根据该天然气液化装置的液化尾气实际流量，尾气中的氦气总量超过66000标方/年，且甲烷总量超过380000标方/年，表1为含氦天然气液化装置副产含氦天然气液化尾气的具体组成。以含氦天然气液化尾气为原料对其中的氦气和甲烷进行回收，生产粗氦气的同时，增产液化天然气，能够创造巨大的经济价值。
[0004]表1中国某地天然气液化装置副产含氦天然气液化尾气组成
[0005][0006]高效率和高收率地回收氦气和甲烷，是综合利用含氦天然气液化尾气的关键。常用的天然气分离技术有深冷精馏、变压吸附、膜分离等。由于含氦天然气液化尾气组成的沸点均极低，采用深冷精馏法需要提供
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152℃以下的冷量，能耗巨大；而变压吸附法虽然在制备高纯氦气方面具有优势，但其回收率较低，且大多数吸附剂的氮气/甲烷选择性不高，难以满足天然气液化尾气的回收需求；膜分离是一种基于渗透速率差异的分离技术，具有无相变的优势，能够避免相分离回收甲烷和氦气时提供超低温冷能导致的巨大能耗，有望用于氦气和甲烷的协同回收。
[0007]在现有的商业化氦气优先渗透膜中，氦气的渗透速率比氮气和甲烷的渗透速率要高出两个数量级，有望富集氦气。商业化的甲烷优先渗透膜在冷冻温度下的甲烷/氮气选择性可达3.5，可用于回收甲烷。为了同时回收氦气和甲烷，首先需要对多级膜分离工艺进行设计。液化尾气中的氦气浓度低，且商业化的甲烷优先渗透膜无法高效分离氦气与氮气和甲烷，为了保证氦气的回收率，有必要将液化尾气首先通入两级氦气优先渗透膜以生产粗氦，而后将氦气优先渗透膜的渗余气通入甲烷优先渗透膜回收甲烷，进而增产液化天然气。
然而，液化尾气中大量的甲烷会大幅增加氦气的分离规模，导致分离效率大幅下降。利用甲烷优先渗透膜回收液化尾气中的甲烷可以使其渗余气中的甲烷含量大幅减少，进而降低氦气回收过程的分离规模，同时渗透测的氦气也会随同富甲烷气循环至天然气液化装置回收，不会造成额外的氦气损失。因此，将甲烷优先渗透膜的渗余气进一步通入第二段氦气优先渗透膜，实现氦气优先渗透膜和甲烷优先渗透膜的梯级嵌套，可以大幅提升氦气回收过程的分离效率，高收率且高效率地实现含氦天然气液化尾气的综合利用，低能耗地生产粗氦气和液化天然气。
[0008]对于含氦天然气液化尾气综合利用的实际需求，本专利技术提出一种梯级嵌套氦气优先渗透膜和甲烷优先渗透膜分离单元实现含氦天然气液化尾气综合利用的多级膜分离工艺，通过氦气优先渗透膜回收氦气的同时，利用甲烷优先渗透膜协同回收甲烷，降低氦气回收过程的分离规模，提升氦气优先渗透膜的分离效率。本专利技术所述的多级膜分离工艺可以高效率且高收率的实现含氦天然气液化尾气的综合利用，低能耗地生产粗氦气和液化天然气。
技术实现思路
[0009]本专利技术的目的在于提供一种以含氦天然气液化尾气为原料联产粗氦气和液化天然气的多级膜分离工艺。该工艺通过氦气优先渗透膜和甲烷优先渗透膜的梯级嵌套，高效地浓缩低浓度(>1.0vol％)氦气生产粗氦气(>80.0vol％)，高压罐装送往氦气纯化装置，将液化尾气中的甲烷分离循环至天然气液化装置，生产液化天然气，高效率且高收率的实现含氦天然气液化尾气的综合利用。
[0010]本专利技术的技术方案：
[0011]一种综合利用含氦天然气液化尾气的多级膜分离工艺，天然气液化装置副产的含氦天然气液化尾气S1首先通过第一压缩机1后称之为增压含氦天然气液化尾气S2，进入第一级氦气优先渗透膜分离单元2，其中甲烷和氮气被截留，获得第一渗余气S7，氢气和氦气优先渗透，获得第一渗透气S3；第一渗透气S3通过第二压缩机3后称之为增压第一渗透气S4，进入第二级氦气优先渗透膜分离单元4，氢气和氦气优先渗透，获得浓度超过80.0vol％的粗氦气S5，高压罐装送往氦气纯化装置；第二级氦气优先渗透膜分离单元4中甲烷和氮气被截留，获得第二渗余气S6循环进入第一级氦气优先渗透膜分离单元2再次回收氦气；第一渗余气S7进入第一段甲烷优先渗透膜分离单元5，氮气和氦气被截留，获得第三渗余气S9，甲烷优先渗透，获得的富甲烷气S8循环至天然气液化装置增产液化天然气；第三渗余气S9进入第二段甲烷优先渗透膜分离单元6，氮气和氦气被截留，获得第四渗余气S14，甲烷优先渗透，获得第四渗透气S10；第四渗透气S10通过第三压缩机8后称之为增压第四渗透气S11，循环进入第一段甲烷优先渗透膜分离单元5再次回收甲烷；第四渗余气S14进入第二段氦气优先渗透膜分离单元9，氢气和氦气优先渗透，获得第五渗透气S15，氮气和甲烷被截留，获得富氮尾气S12；第五渗透气S15通过第四压缩机10后称之为增压第五渗透气S16，循环通过第一压缩机1后，进入第一级氦气优先渗透膜分离单元2再次回收氦气；富氮尾气S12通过第一膨胀机7后称之为降压富氮尾气S13，送往天然气液化装置回收冷量。
[0012]本专利技术的有益效果是：通过氦气优先渗透膜分离单元和甲烷优先渗透膜分离单元梯级嵌套的多级膜分离工艺，在协同回收氦气和甲烷的同时，减小氦气回收的分离规模，提
升氦气优先渗透膜的分离效率，最终高效率且高收率地实现含氦天然气液化尾气的综合利用，低能耗地生产粗氦气以及液化天然气。采用本专利技术的工艺，对于氦气浓度为1.06vol％，甲烷浓度为61.40vol％的含氦天然气液化尾气，模拟结果表明氦气的回收率最高可达99.4％，纯度达到80.0vol％以上，满足集中精制策略的浓度要求，与此同时，液化尾气的甲烷回收率可达到88.7％以上。根据模拟结果，分离单耗(电)不超过0.41kWh/Nm3含氦天然气液化尾气。
附图说明
[0013]图1是以含氦天然气液化尾气为原料生产粗氦气的两级膜分离工艺原则流程图。
[0014]图2是以含氦天然气液化尾气为原料生产液化天然气的两段膜分离工艺原则流程图。
[0015]图3是综合利用含氦天然气液化尾气的多级膜分离工艺原则流程图。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种综合利用含氦天然气液化尾气的多级膜分离工艺，其特征在于：天然气液化装置副产的含氦天然气液化尾气(S1)首先通过第一压缩机(1)后称之为增压含氦天然气液化尾气(S2)，进入第一级氦气优先渗透膜分离单元(2)，其中甲烷和氮气被截留，获得第一渗余气(S7)，氢气和氦气优先渗透，获得第一渗透气(S3)；第一渗透气(S3)通过第二压缩机(3)后称之为增压第一渗透气(S4)，进入第二级氦气优先渗透膜分离单元(4)，氢气和氦气优先渗透，获得浓度超过80.0vol％的粗氦气(S5)，高压罐装送往氦气纯化装置；第二级氦气优先渗透膜分离单元(4)中甲烷和氮气被截留，获得第二渗余气(S6)循环进入第一级氦气优先渗透膜分离单元(2)再次回收氦气；第一渗余气(S7)进入第一段甲烷优先渗透膜分离单元(5)，氮气和氦气被截留，获得第三渗余气(S9)，甲烷优先渗...
【专利技术属性】
技术研发人员：阮雪华，李宇鹏，贺高红，肖红岩，王佳铭，肖武，姜晓滨，吴雪梅，郑文姬，焉晓明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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