一種天然氣中提取氬氣的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天然氣組分分離，更具體來說本發(fā)明涉及一種從天然氣中利用全精餾提取氬氣的分離方法和相應的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]氬氣在空氣中的含量是0.93%，氦氣是5.2ppm。氦氣在空氣中含量太少，通常是從天然氣中提取。而在空氣中，氬氣含量排位第3，含量豐富，提取方便，所以氬氣提取均采用空氣為原料?，F(xiàn)在I萬以上大空分一般都配有全精餾提氬系統(tǒng)。通常的流程是:空氣經(jīng)空壓機壓縮至所需壓力，經(jīng)預冷純化去除二氧化碳、水及部分碳氫化合物。在進入冷箱前被分成兩部分，一部分進入透平膨脹機端增壓至0.65?0.8MPa，然后經(jīng)冷卻器冷卻至20°C，進入主換熱器冷卻至_120°C?_140°C后，進入膨脹機膨脹至比上塔壓力略高，進入上塔。另一部分空氣經(jīng)過主換熱器并被返流氣冷卻至液化狀態(tài)，進入下塔后開始進行分離，進入下塔底部的空氣穿過塔板并與塔板上的回流液進行熱質(zhì)交換，這樣的結(jié)果是，在下塔上部得到純氮氣，在塔釜得到富氧液空。下塔頂部絕大部分氮氣進入冷凝蒸發(fā)器的冷凝側(cè)，在那里氮氣通過把上塔底部的液氧蒸發(fā)放出熱量，自身得到冷凝并作為下塔回流液。還有部分液氮經(jīng)過冷器的過冷后送往上塔頂部，作上塔頂部的回流液。從下塔的塔釜抽出的富氧液空經(jīng)過冷器的過冷，節(jié)流后進入上塔上部作為上塔回流液。氧產(chǎn)品最終在上塔精餾產(chǎn)生，從上塔底部抽出氧氣進入主換熱器，氧氣復熱后出裝置作為產(chǎn)品氣送出。純氮氣從上塔頂部抽出，首先在過冷器中被純液氮和富氧液空復熱，然后進入主換熱器中復熱后出裝置。從上塔上部引出污氮氣，經(jīng)過冷器、主換熱器復熱至21°C出冷箱，然后進入電加熱器作為分子篩再生氣體，多余氣體放空。從上塔中部抽取一定量的氬餾份送入粗氬塔，粗氬塔在結(jié)構(gòu)上分為兩段，第二段氬塔底部的回流液經(jīng)液體泵送入第一段頂部作為回流液，經(jīng)粗氬塔精餾得到純度約98.5% Ar,2ppm O2的粗氬，經(jīng)液化器液化后送入精氬塔中部，經(jīng)精氬塔精餾在精氬塔底部得到精液氬。此方法的優(yōu)勢是氬原料豐富，提取成本低。但是，空氣中雖然氬氣含量豐富，但是氬還具有多種同位素，穩(wěn)定的同位素有氬-40 (4°Ar)天然含量99.6%、氬-36 (36Ar)天然含量0.34%和氬-38 (38Ar)天然含量0.06 %。以及經(jīng)由宇宙射線轟擊氬-40而生成的不穩(wěn)定的氬-39 (39Ar)，所以，受限于空氣中的氬氣影響，其氬同位素無法分離，其輻射會影響實驗室等特殊場合對氬氣的要求，尤其是現(xiàn)在很多實驗室場合要求幾十億分之一雜質(zhì)含量時，空氣為原料的氬氣顯然不能滿足其要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺席及天然氣的各組分特點，提供了一種從天然氣中全精餾提取氬氣的方法和裝置，同時保證提取方法和設備運行穩(wěn)定、高效。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種天然氣中提取氬氣的方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:將天然氣在原料氣壓縮機內(nèi)壓縮至所需壓力后經(jīng)過預冷系統(tǒng)預冷及純化系統(tǒng)純化后，在主換熱器中冷卻并經(jīng)過氦氣分離塔再沸器冷凝成液體后，進入氦氣分離塔；
[0007]步驟2:在氦氣分離塔底部得到的液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后進入除氮塔，大部分氮組分從除氮塔頂部排出并進入氮氣循環(huán)系統(tǒng)成為循環(huán)氮氣，甲烷與氬氣的混合液和微量氮組分從除氮塔底部抽出進入除甲烷塔，甲烷從除甲烷塔底部以液體形式抽出進入過冷器回收冷量，從除甲烷塔頂部出來的粗氬氣含有少量氮氣，進入精氬塔，把微量氮氣組分分離，從精氬塔底部得到符合要求的純氬液體。
[0008]為優(yōu)化上述的提取方法，采取的具體措施還包括:
[0009]步驟I中的上述循環(huán)氮氣經(jīng)氮氣循環(huán)壓縮機壓縮后進入主換熱器降溫，再進入除氮塔再沸器、除甲烷塔再沸器、精氬塔再沸器，為對應的除氮塔、除甲烷塔、精氬塔提供熱量。
[0010]步驟I中從除氮塔再沸器、除甲烷塔再沸器、精氬塔再沸器出來的液氮匯合后，一部分經(jīng)過過冷器冷卻降溫再節(jié)流后進入液氮氣液分離器，從上述液氮氣液分離器底部出來的液氮作為冷源進入氦氣分離塔冷凝蒸發(fā)器、除氮塔冷凝蒸發(fā)器、.除甲烷塔冷凝蒸發(fā)器及精氬塔冷凝蒸發(fā)器，為精餾提供液體。
[0011]從換熱器進來的部分氮氣，從換熱器出來之后進入膨脹機，膨脹后的這部分氮氣與在四個相應的冷凝蒸發(fā)器氣化后的氮氣、液氮氣液分離器頂部出來的氮氣及從相應的再沸器出來的部分氮氣一起進入過冷器回收冷量后，最終與除氮塔頂部出來的氮氣匯合成一股，進入主換熱器復熱后進入氮氣循環(huán)壓縮機參與循環(huán)。
[0012]本發(fā)明還提供一種天然氣中提取氬氣的裝置，包括有管道連接的原料氣壓縮機、預冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)及主換熱器，其特征在于，上述裝置還包括有氦氣分離塔、氦氣分離塔再沸器、除氮塔、除甲烷塔、精氬塔、過冷器以及將上述部件連接的管路、閥門；天然氣依次經(jīng)過原料氣壓縮機、預冷系統(tǒng)及純化系統(tǒng)后，在主換熱器中冷卻并經(jīng)過氦氣分離塔再沸器冷凝成液體后進入氦氣分離塔，在氦氣分離塔底部得到的液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后進入除氮塔，甲烷與氬氣的混合液和微量氮組分從除氮塔底部抽出進入除甲烷塔，甲烷從除甲烷塔底部以液體形式抽出進入過冷器回收冷量，從除甲烷塔頂部出來的粗氬氣含有少量氮氣，進入精氬塔得到符合要求的純氬液體。
[0013]為了進一步優(yōu)化上述裝置，采取的具體措施還包括:
[0014]上述裝置還具有氮氣循環(huán)壓縮機，上述氦氣分離塔、除氮塔、除甲烷塔、精氬塔相應地設置并連接有氦氣分離塔再沸器、氦氣分離塔冷凝蒸發(fā)器、除氮塔再沸器、除氮塔冷凝蒸發(fā)器、除甲烷塔再沸器、除甲烷塔冷凝蒸發(fā)器、精氬塔再沸器、精氬塔冷凝蒸發(fā)器。
[0015]上述過冷器還連接有液氮氣液分離器。
[0016]上述的裝置還包括有與上述換熱器和過冷器相連接的膨脹機。
[0017]應用本發(fā)明的方法和裝置進行天然氣中氬氣提取時，先將天然氣在壓縮機內(nèi)壓縮至所需壓力后經(jīng)過預冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)純化后進入分餾塔冷箱。然后，在主換熱器中冷卻再經(jīng)過氦氣分離塔底的再沸器冷凝成液體后，進入氦氣分離塔。從氦氣分離塔頂?shù)玫酱趾饨?jīng)主換熱器復熱后放空。從氦氣分離塔底部出來的液體經(jīng)節(jié)流閥降壓后進入除氮塔。大部分氮組分從除氮塔頂部排出，進入氮氣循環(huán)系統(tǒng)。甲烷與氬氣的混合液和微量氮組分從除氮塔底部抽出進入除甲烷塔，甲烷從除甲烷塔底部以液體形式抽出進入過冷器回收冷量、主換熱器復熱，送給用戶或它用。最后，從除甲烷塔頂部出來的粗氬氣含有少量氮氣，進入精氬塔，把微量氮氣組分分離，從精氬塔底部得到符合要求的純氬液體。
[0018]循環(huán)氮氣經(jīng)氮壓機壓縮后進入主換熱器降溫，再進入除氮塔再沸器、除甲烷塔再沸器、精氬塔再沸器，為對應的除氮塔、除甲烷塔、精氬塔提供熱量。從三個塔再沸器出來的液氮匯合后有一部分經(jīng)過過冷器冷卻降溫再節(jié)流后進入液氮氣液分離器，從氣液分離器底部出來的液氮作為冷源進入四個精餾塔的冷凝蒸發(fā)器，為精餾提供液體。從換熱器進來的另一股氮氣，從換熱器出來之后進入膨脹機，膨脹后氮氣進入過冷器回收冷量。與再冷凝蒸發(fā)器氣化后的氮氣、液氮氣液分離器頂部出來的氮氣及從再沸器出來的部分的氮氣進入過冷器回收冷量后，與除氮塔頂部出來的氮氣匯合成一股，進入主換熱器復熱后進入氮氣壓縮參與循環(huán)，如有多余氮氣，在此放空。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以天然氣為原料提取氬氣，得到的分離氣體純度高，無輻射，同時本發(fā)明的方法和裝置使用全精餾工藝，連續(xù)運行時間長，設備穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步闡述。
[0022]圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
[0023]其中的附圖標記為:原料氣壓縮機I ;預冷系統(tǒng)2 ;純化系統(tǒng)3 ;主換熱器4 ;氦氣分離塔5 ;氦氣分離塔再沸器6 ;除氮塔7 ;除氮塔再沸器8 ;除甲烷塔9 ;除甲烷塔再沸器10 ;精氬塔11 ;精氬塔再沸器12 ;氦氣分離塔冷凝蒸