專利名稱：氦低溫生產系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用低溫處理也含二氧化碳的油氣流方法生產粗氦的過程。
氦一般由天然氣氣流中分離生產，常用的分離方法為低溫處理。
一般二氧化碳也和氦一起存在于天然氣中。如果采用低溫處理法從天然氣中分離出氦，以此生產粗氦，則一般情況下都必須在低溫處理前將二氧化碳從天然氣中除去。這是因為在低溫處理過程運行、生產粗氦時的低溫下，二氧化碳凝結并堵塞或玷污處理設備。在這種低溫處理過程的上游除去二氧化碳的實例包括使原料和液體(如某些胺)接觸和/或使原料通過分子篩床層以吸收二氧化碳。這種預處理系統增加了粗氦生產系統的投資和操作費用。
因此，本發明的目的之一就是提供一種氦低溫生產系統，該系統在處理含氦、碳氫化合物和二氧化碳的原料物流時，可不必在低溫處理上游單獨設一個二氧化碳除去步驟。
如前所述，氦被發現存在于天然氣中，并且優選除回收氦外還回收碳氫化合物。一般，碳氫化合物在低溫分離過程中以相對較低的壓力回收，然后壓縮到較高壓力以便管道輸送。相對較低的壓力是低溫處理的結果，因為低溫處理在更低的壓力下效率更高。但是希望有一種生產粗氦的低溫處理系統能在較高的壓力下生產至少一些碳氫化合物，從而降低壓縮要求，進而降低費用。
本發明可達到上述目的和其他目的(對于看了本說明書的本領域技術人員這是顯而易見的)，本發明的一個方面是一種生產粗氦的低溫精制方法，該方法包括(A)把含有氦、碳氫化合物和二氧化碳的原料冷卻至足夠的溫度，使原料冷卻而原料中的二氧化碳不凝結;
(B)使已冷卻的原料流經一個塔，在該塔內用低溫精制法把原料分離為富氦流體和一級殘留流體;
(C)一級殘留流體經與原料間接換熱升溫，原料冷卻;
(D)部分冷凝由塔中來的富氦流體，生成粗氦蒸汽和二級殘留流體;
(E)二級殘留流體經與部分冷凝的富氦流體間接換熱升溫;
(F)由塔中來的蒸汽經與二級殘留流體間接換熱冷凝并向塔中提供生成的液體;和(G)回收粗氦蒸汽作為氦的粗產品。
本發明的另一個方面是用以生產粗氦的設備，包括(A)一個較高溫度的熱交換器，一個具有一個冷凝器的低溫精制塔，和將原料由較高溫度的熱交換器送入低溫精制塔的方法;
(B)一個較低溫度的熱交換器和將流體由低溫精制塔的上部送入較低溫度的熱交換器的方法;
(C)將流體由低溫精制塔的下部送入較高溫度的熱交換器的方法;
(D)一個相分離器和將流體由較低溫度的熱交換器送入相分離器的方法;
(E)將流體由相分離器的液相送入較低溫度的熱交換器的方法;
(F)將流體由較低溫度的熱交換器送入冷凝器的方法;和(G)回收由相分離器蒸汽相中帶出的流體的方法。
本發明的另外一個方面是一種生產粗氦的低溫分離方法，該方法包括(A)把含有氦、碳氫化合物和二氧化碳的原料冷卻至足夠的溫度，使原料冷卻而原料中的二氧化碳不凝結;
(B)使已冷卻原料流經一個包含一個分餾柱的分離系統，在該系統內原料分離為富氦流體和一級殘留流體;
(C)一級殘留流體經與原料間接換熱升溫，原料冷卻;
(D)部分冷凝由分餾柱中來的富氦流體，生成粗氦蒸汽和二級殘留流體;
(E)二級殘留流體經與部分冷凝的富氦流體間接換熱升溫;
(F)分餾柱內的蒸汽經與二級殘留流體間接換熱冷凝;
(G)回收粗氦蒸汽，作為氦的粗產品。
本發明的再另一個方面是用于生產粗氦的設備包括(A)一個較高溫度的熱交換器，一個包含一個分餾柱的分離系統，和將原料由較高溫度的熱交換器送入分離系統的方法;
(B)一個較低溫度的熱交換器和將流體由分餾柱送入較低溫度的熱交換器的方法;
(C)將流體由分離系統送入較高溫度的熱交換器的方法;
(D)一個相分離器和將流體由較低溫度的熱交換器送入相分離器的方法;
(E)將流體由相分離器的液相送入較低溫度的熱交換器的方法;
(F)將流體由較低溫度的熱交換器送入分餾柱的方法;和(G)回收由相分離器的蒸汽相中帶出的流體的方法。
在此所采用的術語“相分離器”是指一種設備，一個兩相流體在其中分離成為分別存在于蒸汽相和液相的蒸汽和液體。
在此所采用的術語“回收”是指從過程中除掉，其實例包括產物回收和釋放入大氣。
在此所采用的術語“塔”是指蒸餾塔或段，即接觸塔或段，液相和蒸汽相于其中逆流接觸，從而實現流體混合物的分離，例如通過在塔內使蒸汽相和液相在裝于塔內的填料和/或一系列豎直分布的塔板或塔盤上接觸。關于蒸餾塔進一步的討論可參看The Chemical Engineer′s Handbook(R.H.Perry和C.H.Chiltion編，New York Mc Graw-Hill Book Company)第十三部分“Distillation”(B.D.Smith等)的第13-3頁“The Continuous Distillation Process”。
蒸汽和液體接觸分離方法取決于各組份的不同蒸汽壓。高蒸汽壓(或易揮發或低沸點)組份趨向聚集于蒸汽相，而低蒸汽壓(或不易揮發或高沸點)組份趨向聚集于液相。蒸餾是通過加熱液體混合物，使揮發組份聚集于蒸汽相而不易揮發組份聚集于液相的分離過程。部分冷凝是通過冷卻蒸汽混合物，使揮發組份聚集于蒸汽相而不易揮發組份聚集于液相的分離過程。
精制或連續蒸餾是通過逆流處理蒸汽相和液相并結合連續部分汽化和冷凝的分離過程。這種蒸汽相和液相的逆流接觸是絕熱的且包含兩相間的積分和微分接觸。利用分離混合物的精制原理的分離過程設備常可互換地稱為精制塔、蒸餾塔或分餾塔。
可用于分離氣體混合物的另一種質量傳遞過程是包含上升蒸汽流和與之接觸的下降液體流的間接冷卻和部分冷凝的分凝作用。上升蒸汽和下降液體間的質量傳遞導致了揮發組份聚集于蒸汽相且不易揮發組份聚集于液相。分餾柱必要的間接冷卻一般是通過降低壓力和使被分離液體的沸騰提供的，也可以外部方式提供，例如由其它過程的氣流提供。分餾柱設備可以是適用的管殼式熱交換器或板片式熱交換器等等。分凝作用的進一步介紹參見M.Ruhemann的“Separation of Gas”(Oxford University Press，1949)第三章“The Methods of Gas Separation”。應指出“分餾柱”相似于“回流冷凝器”且有時被稱作“回流冷凝器”。
低溫精制或分離過程至少部分在低溫，如在-100°F或-100°F以下的溫度進行。
在此所采用的術語“間接換熱”是指使兩個流體物流處于熱量交換關系而流體彼此間無任何物理接觸或互相混合。
在此所采用的術語塔的“上部”和“下部”分別是指塔的上半部和下半部。
在此所采用的術語“粗氦”是指至少包含50%(摩爾)氦的流體。


圖1是本發明氦的低溫生產系統的一個實施方案的圖解說明。
圖2是本發明的另一實施方案的圖解說明。在該實施方案中同時采用再沸器與低溫精制塔。
圖3是本發明的另一實施方案的圖解說明，在該實施方案中采用的分離系統使用一個分餾柱而不是一個塔。
本發明是一個氦低溫生產系統，該系統在兩個溫度區操作，包括一個上游較高溫度區和一個下流較低溫度區。較高溫度區能夠通過低溫精制或分凝作用除去原料中的大部分二氧化碳，因此無需一個單獨的非低溫二氧化碳除去步驟。為了有效地生產粗氦，最后的分離過程在下游較低溫度區進行。該雙溫度區域系統也能回收來自低溫精制過程的較高壓力的碳氫化合物氣流。
本發明將參照圖作詳細說明。參照圖1，原料1(一般在200-1000磅/平方英寸的絕對壓力范圍)通過流經較高溫度的熱交換器2與一種或多種返回的氣流進行間接換熱而被冷卻，更具體的說明如下原料1包含氦、二氧化碳和碳氫化合物。該碳氫化合物包含甲烷和可能包含一種或多種更重的碳氫化合物。例如乙烷和丙烷。該原料一般也包含氮，氦在原料中存在濃度一般為0.1-0.5%(摩爾)的范圍。二氧化碳在原料中存在濃度一般最高達1%(摩爾)。原料的其余部分包含碳氫化合物和氮。
原料通過流經較高溫度的熱交換器2被冷卻至-250°F至-50°F范圍。在此溫度下，包含一些二氧化碳的一部分原料可冷凝。然而，溫度沒有低至能使原料中的二氧化碳凝結的程度。之后，冷卻的原料3流入低溫精制塔4(一般在200-600磅/平方英寸的絕對壓力范圍操作)，在其中經低溫精制作用被分離為富氦流體和一級殘留流體。在附圖1說明的實施方案中，低溫精制塔4是一個汽提塔，在該塔中上升蒸汽中較重的組份隨下降液體提出。使由塔4上部來的蒸汽氣流5流經冷凝器6而至少部分冷凝，并使生成的流體7返回到塔4，形成了下降液體。冷凝器6可在塔4外面(如圖所示)，或可在塔4上部內。
一級殘留流體主要包含碳氫化合物和氮，如果原料中有氮存在，那么一級殘留流體也包含存在于原料之中的大部分二氧化碳。一級殘留流體以氣流8的形式從塔4的下部流出，流經閥門9并在較高溫度的熱交換器2內升溫，一級殘留流體在該熱交換器2內用于使原料冷卻。生成的已升溫的一級殘留流體可在高壓下，以氣流10的形式回收，如果需要壓縮的話，這樣就降低了碳氫化合物氣流壓縮的要求。
一般氦濃度在0.3-0.5%(摩爾)范圍的富氦流體以氣流11的形式從塔4上部提出，并流經較低溫度的熱交換器12，一般在不高于-50°F的溫度下，富氦流體在12中被部分冷凝。因為原料中的大部分二氧化碳已在上游較高溫度的處理過程中被除去，所以富氦流體中殘存的少量二氧化碳在下游較低溫度的處理過程中保持溶解狀態。富氦流體中的二氧化碳濃度應足夠低，以防止二氧化碳在此過程冷端凝結。雖然二氧化碳的濃度取決于具體過程的條件，但它一般低于10ppm。從較低溫度的熱交換器12中出來的兩相氣流13經閥門14降壓，之后流入相分離器15，在其中兩相氣流13被分離為粗氦蒸汽和二級殘留流體。
二級殘留流體主要包含碳氫化合物和氮而且也包含幾乎所有未隨著一級殘留流體除去的殘存的二氧化碳(如果有的話)。二級殘留流體以液體16的形式從相分離器15的下半部或液相層取出，流經閥門17并在較低溫度的熱交換器12中與部分冷凝富氦流體過程進行間接換熱而升溫。
之后，已升溫的二級殘留流體18流經冷凝器6，在其中通過與蒸汽5間接換熱而被進一步升溫，以部分冷凝蒸汽并提供驅動塔4的管線7的流體。生成的進一步升溫的二級殘留流體19優選流經較高溫度的熱交換器2，以便于原料冷卻，且所得到的二級殘留流體20能以較低壓力的碳氫化合物流的形式回收。
如圖1所示，如果需要，一級殘留流體8的一部分21可以流經閥門22并與氣流18匯合，以便于冷凝器6中蒸汽冷凝以驅動塔4。
粗氦蒸汽以氣流23的形式從相分離器15的上半部或蒸汽相取出且作為粗氦產物被回收。如圖1所示，粗氦蒸汽流23優選流經較低溫度的熱交換器12和較高溫度的熱交換器2而被升溫以便于富氦流體的部分冷凝和原料的冷卻。
為了說明的需要，采用本發明圖1所示的實施方案進行本發明的計算機模擬。計算機模擬的結果列于表1。表1中氣流代號與圖1中的相對應。
表11 24 10 20流速，1bmol/hr 1000 14 640346溫度，°F120117 117117壓力，psia 264 144 19876組成，％(摩爾)He 1.0070.00201ppm0.11CO20.17 - 0.27 5ppmN232.36 29.20 16.60 61.59甲烷 64.17 0.80 79.52 38.30乙烷 0.84 - 1.31-丙烷 1.01- 1.58-異－丁烷 0.12- 0.19-正－丁烷 0.25 -0.40 -戊烷 0.08 -0.11 -
圖2表示本發明的另一實施方案，其中給塔加了一個再沸器且用少量熱原料氣使塔再沸騰。該再沸器有助于使氦和氮從液相中出來，提高了氦的回收率并改善了殘留流體的質量。再沸器可如圖2所示置于塔外，也可置入塔內。圖2中所示代號與圖1中共同的部分相對應，且這些共同的部分不再做具體說明。參照圖2，由塔4下部來的液體30流經再沸器31，在其中被汽化，并以氣流32的形式回到塔4，以向塔提供上升蒸汽。熱原料1的一部分33流經閥門34且經再沸器31，在再沸順31內通過直接換熱液體30汽化。而后，生成的已冷卻流體35(例如與氣流3匯合)送入塔4(如圖2所示)。
圖3表示本發明的另一個實施方案，其中采用一個包括一個分餾柱和一個分離器的分離系統替代圖1和圖2所示實施方案中的塔和頂部冷凝器組合系統。如果在塔中只有少量液體可供利用，則可優選這種設計。圖3中所示代號與圖1中共同的部分相對應，且這些共同的部分不再做具體說明。參照圖3，原料3送入分離系統的分離器40，該分離系統還包括分餾柱41。從分離器40上半部來的蒸汽流經管線42進入分餾柱41，在其中通過與二級殘留流體18間接換熱而被部分冷凝，如需要，一級殘留流體21從分離器40下半部流出。流入分餾柱41蒸汽的被冷凝部分通過管線42送回到相分離器或分離器40，在相分離器或分離器40內形成一級殘留流體并以物流8的形式從分離器40流出以進行如前所述的進一步處理。富氦蒸汽以物流11的形式從分餾柱41流出并流入低溫熱交換器12，以進行如前所述的進一步處理。
利用本發明，采用物料的低溫處理過程能夠生產粗氦，所述原料也包含二氧化碳，而在低溫處理過程的上游無需單獨的非低溫二氧化碳除去步驟。盡管本發明通過參照幾個優選的實施方案做了詳細地說明，但本領域技術人員將會領悟到在權利要求書的精神和范圍內本發明還有其他的實施方案。例如，從低溫精制塔取出的一級殘留流體可通過液體渦輪機而膨脹，以制得較高壓力的殘留流體和/或使更大量的殘留餾分在一級殘留壓力下而不是在二級殘留壓力下制得。在另一實施方案中，從相分離器15來的液體被閃蒸至較低壓力，在另一相分離器中分相，且形成的蒸汽與從相分離器15流出的蒸汽氣流匯合，以提高氦的回收率。另外，被節流的一級殘留流體可在渦輪膨脹機中膨脹，該渦輪膨脹機可負載有發電機或壓縮機，使動能用于發電或壓縮產物氣流或原料氣流。
權利要求
1.一種生產粗氦的低溫精制方法，該方法包括(A)把含有氦、碳氫化合物和二氧化碳的原料冷卻至足夠的溫度，使原料冷卻而原料中的二氧化碳不凝結；(B)把冷卻的原料送入一個塔，在該塔內用低溫精制方法把原料分離為富氦流體和一級殘留流體；(C)一級殘留流體經與原料間接換熱升溫，使原料冷卻；(D)由塔中來的富氦流體部分冷凝，生成粗氦蒸汽和二級殘留流體；(E)二級殘留流體經與部分冷凝的富氦流體間接換熱升溫；(F)由塔中來的蒸汽經與二級殘留流體間接換熱冷凝并向塔中提供生成的液體；和(G)回收粗氦蒸汽作為氦的粗產品。
2.按權利要求1的方法，該方法還包括使一些一級殘留流體與步驟(F)的冷凝蒸汽間接換熱。
3.按權利要求1的方法，該方法還包括粗氦蒸汽與部分冷凝的富氦流體間接換熱。
4.按權利要求1的方法，該方法還包括粗氦蒸汽與冷卻原料間接換熱。
5.按權利要求1的方法，該方法還包括二級殘留流體與冷卻原料間接換熱。
6.按權利要求1的方法，該方法還包括由低溫精制塔下部來的液體與原料的一部分間接換熱汽化，并在低溫精制塔內傳輸經間接換熱生成的兩種流體。
7.用以生產粗氦的設備，該設備包括(A)一個較高溫度的熱交換器，一個具有一冷凝器的低溫精制塔，和將原料由較高溫度的熱交換器送入低溫精制塔的方法;(B)一個較低溫度的熱交換器和將流體由低溫精制塔上部送入較低溫度的熱交換器的方法;(C)將流體由低溫精制塔下部送入較高溫度的熱交換器的方法;(D)一個相分離器和將流體由較低溫度的熱交換器送入相分離器的方法;(E)將流體由相分離器的液相層送入較低溫度的熱交換器的方法;(F)將流體由較低溫度的熱交換器送入冷凝器的方法;和(G)回收由相分離器的蒸汽相中帶出的流體的方法。
8.按權利要求7的設備，該設備還包括將流體由塔下部送入冷凝器的方法。
9.按權利要求7的設備，該設備還包括將流體由冷凝器送入較高溫度的熱交換器的方法。
10.按權利要求7的設備，其中回收由相分離器的蒸汽相帶出的液體的方法包括將流體由相分離器的蒸汽相送入較低溫度的熱交換器的方法和將流體由較低溫度的熱交換器送入較高溫度的熱交換器的方法。
11.按權利要求7的設備，該設備還包括一個塔的再沸器和將原料送入再沸器及將原料由再沸器送入塔的方法。
12.一種生產粗氦的低溫分離方法，該方法包括(A)把含有氦、碳氫化合物和二氧化碳的原料冷卻至足夠的溫度，使原料冷卻而原料中的二氧化碳不凝結;(B)使冷卻原料流經一個包含一個分餾柱的分離系統，在該系統內原料分離為富氦流體和一級殘留流體;(C)一級殘留流體經與原料間接換熱升溫，物料冷卻;(D)由分餾柱中來的富氦流體部分冷凝，生成粗氦蒸汽和二級殘留流體;(E)二級殘留流體經與部分冷凝的富氦流體間接換熱升溫;(F)分餾柱內的蒸汽經與二級殘留流體間接換熱冷凝;(G)回收粗氦蒸汽作為的氦的粗產品。
13.按權利要求12的方法，該方法還包括使一部分一級殘留流體與步驟(F)的冷凝蒸汽間接換熱。
14.用以生產粗氦的設備，該設備包括(A)一個較高溫度的熱交換器，一個包含一個分餾柱的分離系統，和將原料由較高溫度的熱交換器送入分離系統的方法;(B)一個較低溫度的熱交換器和將流體由分餾柱送入較低溫度的熱交換器的方法;(C)將流體由分離系統送入較高溫度的熱交換器的方法;(D)一個相分離器和將流體由較低溫度的熱交換器送入相分離器的方法;(E)將流體由相分離器的液相送入較低溫度的熱交換器的方法;(F)將流體由較低溫度的熱交換器送入分餾柱的方法;和(G)回收由相分離器的蒸汽相中帶出的流體的方法。
15.按權利要求14的設備，其中分離系統包括一個分離器。
16.按權利要求15的設備，該設備還包括將流體由分離器下半部送入分餾柱的方法。
全文摘要
一個氦低溫生產系統，其中內含二氧化碳的原料在包括上流較高溫度和較高壓力的塔或分餾柱的雙溫系統中處理，因此，無需一個單獨的非低溫二氧化碳除去步驟。
文檔編號F25J3/02GK1091515SQ9312081
公開日1994年8月31日 申請日期1993年12月3日 優先權日1992年12月4日
發明者B·C·菲德勒, J·J·馬龍尼, J·R·韓德利 申請人:普拉塞爾技術有限公司