一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统

摘要

本发明公开了一种然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，包括通过管道连接的一级提氦单元、二级提氦单元和三级提氦单元，以及混合制冷系统、氮气制冷系统；一级提氦单元包括换热器Ⅰ、LNG储罐、精馏塔Ⅰ及分别设置于精馏塔Ⅰ塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ和重沸器Ⅰ；二级提氦单元包括换热器Ⅱ、精馏塔Ⅱ及分别设置于精馏塔Ⅱ塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ和重沸器Ⅱ；三级提氦单元包括换热器Ⅲ、精馏塔Ⅲ及分别设置于精馏塔Ⅲ塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ和重沸器Ⅲ。该生产系统采用混合冷剂循环制冷+三级精馏提氦的技术方案，以生产氦气为主产品，副产少部分液化天然气和液氮产品，可有效解决现有氦气提取并联产液化天然气工艺存在的投资高及运行成本高等问题。

权利要求

1.一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：包括通过管道连接的一级提氦单元（1）、二级提氦单元（2）和三级提氦单元（3），以及混合制冷系统（4）、氮气制冷系统（5）；

所述一级提氦单元（1）包括换热器Ⅰ（11）、LNG储罐（112）、精馏塔Ⅰ（12）以及分别设置于精馏塔Ⅰ（12）塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ（13）和重沸器Ⅰ（14）；所述二级提氦单元（2）包括换热器Ⅱ（21）、精馏塔Ⅱ（22）以及分别设置于精馏塔Ⅱ（22）塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ（23）和重沸器Ⅱ（24）；所述三级提氦单元（3）包括换热器Ⅲ（31）、精馏塔Ⅲ（32）以及分别设置于精馏塔Ⅲ（32）塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ（33）和重沸器Ⅲ（34）；

原料天然气进气管道与换热器Ⅰ（11）连接，所述换热器Ⅰ（11）、精馏塔Ⅰ（12）、冷凝器Ⅰ（13）、换热器Ⅱ（21）、精馏塔Ⅱ（22）、冷凝器Ⅱ（23）、换热器Ⅲ（31）、精馏塔Ⅲ（32）与冷凝器Ⅲ（33）依次连通，从而构成粗氦制取回路；所述精馏塔Ⅰ（12）、重沸器Ⅰ（14）、换热器Ⅰ（11）以及LNG储罐（112）依次连通，从而构成液化天然气制取回路；所述精馏塔Ⅰ（12）、重沸器Ⅰ（14）与换热器Ⅰ（11）依次连通，所述精馏塔Ⅱ（22）、重沸器Ⅱ（24）与换热器Ⅰ（11）依次连通，共同构成中压尾气外输回路；所述精馏塔Ⅲ（32）、重沸器Ⅲ（34）、换热器Ⅲ（31）、换热器Ⅱ（21）与换热器Ⅰ（11）依次连通，构成低压尾气外输回路；

所述混合制冷系统（4）与换热器Ⅰ（11）相连接，用于为一级提氦单元（1）、二级提氦单元（2）以及液化天然气生产循环提供热量和冷量；所述氮气制冷系统（5）与换热器Ⅲ（31）相连接，用于为三级提氦单元（3）循环提供热量和冷量；

所述混合制冷系统（4）提供的混合冷剂先流经换热器Ⅰ（11）后分别向重沸器Ⅰ（14）和重沸器Ⅱ（24）提供热量后，又分别回流经换热器Ⅰ（11）和换热器Ⅱ（21）再分别向冷凝器Ⅰ（13）和冷凝器Ⅱ（23）提供冷量，最后再分别回流经换热器Ⅰ（11）和换热器Ⅱ（21）回到混合制冷系统（4）；所述氮气制冷系统（5）提供的氮气冷剂先向重沸器Ⅲ（34）提供热量，又回流经换热器Ⅲ（31）后向冷凝器Ⅲ（33）提供冷量，最后再回流经换热器Ⅲ（31）回到氮气制冷系统（5）。

2.根据权利要求1所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述换热器Ⅰ（11）内设置有第一换热通道、第二换热通道、第三换热通道、第四换热通道、第五换热通道、第六换热通道、第七换热通道以及第八换热通道；

原料气体进气管道与第一换热通道的首端连接，第一换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅰ（12）连接；第二换热通道的末端分别通过管道与重沸器Ⅰ（14）和重沸器Ⅱ（24）的出口端连接；第三换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ（21）连接；混合制冷系统（4）的出口端通过管道与第四换热通道的首端连接，第四换热通道的末端分别通过管道与重沸器Ⅰ（14）和重沸器Ⅱ（24）的下部连接，重沸器Ⅰ（14）的上部通过管道与第五换热通道的首端连接，第五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅰ（13）的下部连接，冷凝器Ⅰ（13）的上部通过管道与第六换热通道的末端连接，第六换热通道的首端通过管道与混合制冷系统（4）的进口端连接；第七换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ（21）连接，第七换热通道的首端通过管道与混合制冷系统（4）的进口端连接；第八换热通道的首端通过管道与重沸器Ⅰ（14）的出口端连接，第八换热通道的末端通过管道与LNG储罐（112）连接。

3.根据权利要求2所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述第一换热通道末端与精馏塔Ⅰ（12）之间的连接管道上安装有第一减压阀（15），所述第二换热通道末端与重沸器Ⅰ（14）出口端之间的连接管道上安装有第二减压阀（16），所述第四换热通道末端与重沸器Ⅰ（14）下部之间的连接管道上安装有第三减压阀（17），所述第五换热通道末端与冷凝器Ⅰ（13）下部之间的连接管道上安装有第四减压阀（18），所述第八换热通道首端与重沸器Ⅰ（14）出口端的连接管道上安装有第五减压阀（19），所述第八换热通道末端与LNG储罐（112）间的连接管道上安装有产品阀（111）。

4.根据权利要求2所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述第六换热通道末端与重沸器Ⅰ（14）上部之间通过管道连接，且在连接管道上安装有第六减压阀（110）。

5.根据权利要求2所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述换热器Ⅱ（21）内设置有第九换热通道、第十换热通道、第十一换热通道、第十二换热通道；

冷凝器Ⅰ（13）的出口端通过管道与第九换热通道的首端连接，第九换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅱ（22）连接；重沸器Ⅱ（24）的上部通过管道与第十换热通道的首端连接，第十换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅱ（23）的下部连接，冷凝器Ⅱ（23）的上部通过管道与第十一换热通道的末端连通，第十一换热通道的首端通过管道与第七换热通道的末端连接；第十二换热通道的首端与第三换热通道的末端连接，第十二换热通道的末端通过管道与换热器Ⅲ（31）连接。

6.根据权利要求5所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述第九换热通道末端与精馏塔Ⅱ（22）之间的连接管道上安装有第七减压阀（25），所述第十换热通道末端与冷凝器Ⅱ（23）下部之间的连接管道上安装有第八减压阀（26），所述第二换热通道末端与重沸器Ⅱ（24）出口端之间的连接管道上安装有第九减压阀（27）。

7.根据权利要求5所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述换热器Ⅲ（31）内设置有第十三换热通道、第十四换热通道、第十五换热通道、第十六换热通道以及第十七换热通道；

冷凝器Ⅱ（23）的出口端通过管道与第十三换热通道的首端连接，第十三换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅲ（32）连接；氮气制冷系统（5）的出口端通过管道与第十四换热通道的首端连接，第十四换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ（34）的下部连接，重沸器Ⅲ（34）的上部通过管道与第十五换热通道的首端连接，第十五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅲ（33）的下部连接，冷凝器Ⅲ（33）的上部通过管道与第十六换热通道的末端连接，第十六换热通道的首端与氮气制冷系统（5）的进口端连接；第十七换热通道的首端通过管道与第十二换热通道连接，第十七换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ（34）的出口端连接。

8.根据权利要求7所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述第十三换热通道末端与精馏塔Ⅲ（32）之间的连接管道上安装有第十减压阀（35），所述第十五换热通道末端与冷凝器Ⅲ（33）下部之间的连接管道上安装有第十一减压阀（36），所述第十七换热通道末端与重沸器Ⅲ（34）出口端之间的连接管道上安装有第十二减压阀（37）。

9.根据权利要求7所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：

所述冷凝器Ⅲ（33）的下部还通过管道连接液氮储罐，所述液氮储罐与冷凝器Ⅲ（33）的下部之间的连接管道上安装有液位调节阀（38）。

10.根据权利要求1‑9任一所述的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，其特征在于：所述混合制冷系统（4）为热泵循环压缩机，采用包含氮、甲烷组分的混合冷剂作为循环制冷剂。

说明书

一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统

技术领域

[0001] 本发明属于化工分离技术领域，涉及天然气提氦，具体涉及一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统。

背景技术

[0002] 氦主要应用于低温、航天、电子工业、生物医疗、核设施等领域，是国家安全和高技术产业发展的基本物资之一。随着我国国民经济的发展，对氦的需求呈不断上升的趋势。然而，我国天然气资源总量贫乏，氦含量相对低下，氦生产水平远远不能满足科学技术、经济建设和国防军工发展的要求。

[0003] 氦的制备方法主要包含以下四种：(1)天然气分离法；(2)空气法；(3)合成氨法；(4)铀矿石法。虽然空气中也有氦，但含量低于5ppm，氖氦分离困难，没有经济提取价值；从合成氨驰放气提氦，因为氢含量很高，氢氦分离困难，国内外均有过试验研究，但未见后续工业应用的报道；氦是放射性核衰变的产物，虽然在核爆炸反应中也有氦的产生，但并不是有价值的氦工业生产方法。因此，目前含氦天然气是工业化生产氦气的唯一来源。

[0004] 天然气提氦的实质是对含氦混合气体的分离。成都天然气化工总厂荣县提氦装置是目前国内唯一实现工业化提氦利用的装置。装置采用后膨胀、氮气制冷循环、两塔低温精馏工艺来提取原料气天然气中的氦气，提氦工艺流程如图1所示。经脱碳脱水后的原料气经换热后进入一级提浓塔提取粗氦，塔底蒸发器热源由一小部分原料气提供，塔顶冷源由塔底液体节流后提供。经一次提浓后的含氦气体温度降低至约‑130℃后，进入二级提浓塔。部分一次粗氦为二级提浓塔底蒸发器提供热源，塔顶冷凝器冷量依靠液氮蒸发提供。提浓塔底液体经换热膨胀，回收冷量后，增压外输。粗氦经过进一步的脱氢、脱氮操作后，压缩灌装到氦气储罐中。目前，形成了纯度99.995％的纯氦、99.999％的高纯氦、99.9995％的超纯氦和99.9999％的超高纯氦等多个系列的氦气产品。该装置解决了国内从低含氦天然气中提取高纯度氦气的技术难题。

[0005] 但总体来说，低含氦天然气提氦面临能耗和成本高的问题，目前国内外对低含氦天然气提氦大多采用液化天然气尾气提氦的方法进行，因为大部分甲烷被液化的过程中，氦的含量也显著提高，同时两种产品联合生产可共用预处理和公用工程等设施，减少了投资和运行成本，因此从液化天然气尾气提氦是有经济竞争力的。如卡塔尔提氦项目就是从含氦0.04％的天然气液化装置尾气提氦。但对于仅需要部分液化的含氦天然气，现有工艺则必须将全部天然气液化后再进行氦气提取，存在投资和能耗较高的问题。

[0006] 如何保留天然气液化过程的优势助力氦气提取，降低投资和运行成本，又不生产过多的液化天然气，提高装置经济性，是目前天然气提氦技术领域面临的重要挑战。

发明内容

[0007] 针对现有天然气提氦技术中存在的投资大、运行成本高、能耗高等问题，本发明的目的旨在提供一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，该系统采用混合冷剂循环制冷+三级精馏提氦的技术方案，以生产氦气为主产品，副产少部分液化天然气和液氮产品，该系统可有效解决现有氦气提取并联产液化天然气工艺存在的投资和能耗高的问题，既保留了天然气液化生产氦的绝大部分优势来减少氦的投资成本，又能实现氦和液化天然气产品产量的灵活性，实现根据市场需求来调节液化天然气的产量。

[0008] 为达到上述目的，本发明提供的一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，包括通过管道连接的一级提氦单元、二级提氦单元和三级提氦单元，以及混合制冷系统、氮气制冷系统；

[0009] 所述一级提氦单元包括换热器Ⅰ、精馏塔Ⅰ以及分别设置于精馏塔Ⅰ塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ和重沸器Ⅰ；所述二级提氦单元包括换热器Ⅱ、精馏塔Ⅱ以及分别设置于精馏塔Ⅱ塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ和重沸器Ⅱ；所述三级提氦单元包括换热器Ⅲ、精馏塔Ⅲ以及分别设置于精馏塔Ⅲ塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ和重沸器Ⅲ；

[0010] 原料天然气进气管道与换热器Ⅰ连接，所述换热器Ⅰ、精馏塔Ⅰ、冷凝器Ⅰ、换热器Ⅱ、精馏塔Ⅱ、冷凝器Ⅱ、换热器Ⅲ、精馏塔Ⅲ与冷凝器Ⅲ依次连通，从而构成粗氦制取回路；所述精馏塔Ⅱ、重沸器Ⅱ、换热器Ⅰ以及LNG储罐依次连通，从而构成液化天然气制取回路；；所述精馏塔Ⅰ、重沸器Ⅰ与换热器Ⅰ依次连通，所述精馏塔Ⅱ、重沸器Ⅱ与换热器Ⅰ依次连通，共同构成中压尾气外输回路；所述精馏塔Ⅲ、重沸器Ⅲ、换热器Ⅲ、换热器Ⅱ与换热器Ⅰ依次连通，构成低压尾气外输回路；

[0011] 所述混合制冷系统与换热器Ⅰ、换热器Ⅱ相连接，用于为一级提氦单元、二级提氦单元以及液化天然气生产循环提供热量和冷量；所述氮气制冷系统与换热器Ⅲ相连接，用于为三级提氦单元循环提供热量和冷量；

[0012] 所述混合制冷系统提供的混合冷剂先流经换热器Ⅰ后分别向重沸器Ⅰ和重沸器Ⅱ提供热量后，又分别回流经换热器Ⅰ和换热器Ⅱ再分别向冷凝器Ⅰ和冷凝器Ⅱ提供冷量，最后再分别回流经换热器Ⅰ和换热器Ⅱ回到混合制冷系统；所述氮气制冷系统提供的氮气冷剂先向重沸器Ⅲ提供热量，又回流经换热器Ⅲ后向冷凝器Ⅲ提供冷量，最后再回流经换热器Ⅲ回到氮气制冷系统。

[0013] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，原料气可以是常温的、任意压力的含氦天然气，所适用的原料气条件范围较宽。

[0014] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，换热器(包括换热器Ⅰ、换热器Ⅱ及换热器Ⅲ)，也称热交换器，其主要作用是实现化工生产过程中热量交换和传递，是本领域中常规设备。在本发明中，所述换热器Ⅰ内设置有第一换热通道、第二换热通道、第三换热通道、第四换热通道、第五换热通道、第六换热通道、第七换热通道以及第八换热通道；

[0015] 原料气体进气管道与第一换热通道的首端连接，第一换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅰ连接；第二换热通道的末端通过管道分别与重沸器Ⅰ和重沸器Ⅱ的出口端连接；第三换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ连接；混合制冷系统的出口端通过管道与第四换热通道的首端连接，第四换热通道的末端分别通过管道与重沸器Ⅰ和重沸器Ⅱ的下部连接，重沸器Ⅰ的上部通过管道与第五换热通道的首端连接，第五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅰ的下部连接，冷凝器Ⅰ的上部通过管道与第六换热通道的末端连接，第六换热通道的首端通过管道与混合制冷系统的进口端连接；第七换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ连接，第七换热通道的首端通过管道与混合制冷系统的进口端连接；第八换热通道的首端通过管道与重沸器Ⅰ(14)的出口端连接，第八换热通道的末端通过管道与LNG储罐连接。

[0016] 在本发明中，所述换热器Ⅱ内优选设置有第九换热通道、第十换热通道、第十一换热通道、第十二换热通道；

[0017] 冷凝器Ⅰ的出口端通过管道与第九换热通道的首端连接，第九换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅱ连接；重沸器Ⅱ的上部通过管道与第十换热通道的首端连接，第十换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅱ的下部连接，冷凝器Ⅱ的上部通过管道与第十一换热通道的末端连通，第十一换热通道的首端通过管道与第七换热通道的末端连接；第十二换热通道的首端与第三换热通道的末端连接，第十二换热通道的末端通过管道与换热器Ⅲ连接。

[0018] 在本发明中，所述换热器Ⅲ内优选设置有第十三换热通道、第十四换热通道、第十五换热通道、第十六换热通道以及第十七换热通道；

[0019] 冷凝器Ⅱ的出口端通过管道与第十三换热通道的首端连接，第十三换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅲ连接；氮气制冷系统的出口端通过管道与第十四换热通道的首端连接，第十四换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ的下部连接，重沸器Ⅲ的上部通过管道与第十五换热通道的首端连接，第十五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅲ的下部连接，冷凝器Ⅲ的上部通过管道与第十六换热通道的末端连接，第十六换热通道的首端与氮气制冷系统的进口端连接；第十七换热通道的首端通过管道与第十二换热通道连接，第十七换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ的出口端连接。

[0020] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，由换热器Ⅰ中的第一换热通道、精馏塔Ⅰ、冷凝器Ⅰ、换热器Ⅱ中的第九换热通道、精馏塔Ⅱ、冷凝器Ⅱ、换热器Ⅲ中第十三换热通道、精馏塔Ⅲ、冷凝器Ⅲ以及相邻元部件之间的连接管道构成粗氦制取回路；由精馏塔Ⅰ、重沸器Ⅰ、换热器Ⅰ中的第八换热通道、LNG储罐以及相邻元部件之间的连接管道构成液化天然气制取回路；由精馏塔Ⅰ、重沸器Ⅰ、换热器Ⅰ的第二换热通道以及相邻元部件之间的连接管道，以及精馏塔Ⅱ、重沸器Ⅱ、换热器Ⅰ的第二换热通道以及相邻元部件之间的连接管道，共同构成中压尾气外输回路；由精馏塔Ⅲ、重沸器Ⅲ、换热器Ⅲ第十七换热通道、换热器Ⅱ的第十二换热通道、换热器Ⅰ的第三换热通道和相邻元部件之间的连接管道构成低压尾气外输回路。

[0021] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，为了满足精馏塔的能量平衡，需要对塔底进行造热，因此在本发明中设计了一个制冷循环，由混合制冷系统、换热器Ⅰ为一级提氦单元、二级提氦单元以及天然液化气(LNG)生产分别提供了制冷循环回路，既为精馏塔底的液相提供热量，也回收精馏塔顶气相冷量。在优选方式中，具体表现为：由混合制冷系统、换热器Ⅰ的第四换热通道、重沸器Ⅰ、换热器Ⅰ的第五换热通道、冷凝器Ⅰ、换热器Ⅰ的第六换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第六换热通道通过管道接回混合制冷系统)构成第一制冷循环回路；由混合制冷系统、换热器Ⅰ的第四换热通道、重沸器Ⅱ、换热器Ⅱ的第十换热通道、冷凝器Ⅱ、换热器Ⅱ的第十一换热通道、换热器Ⅰ的第七换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第七换热通道通过管道接回混合制冷系统)构成第二制冷循环回路。如此，整个一级提氦单元、二级提氦单元的能量可以通过混合制冷系统进行调节，实现了能量的有效利用。同时，该制冷循环保证了塔底的足够热量，减少He在液相中的溶解度，起到了提高氦产品收率的作用。另外，液化天然气的产量可通过产品阀调节，需要的冷量也可通过混合冷剂制冷循环的压力和组分任意调节，这样液化天然气产量根据实际市场需要可以通过改变混合制冷的工艺参数(混合制冷压缩机出口压力、混合冷剂组分配比)来实现灵活的调节，实现产品结构的可调节。

[0022] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，混合冷剂制冷循环工艺是在阶式制冷工艺的基础上简化而来，通常采用N2和C1～C5烃类混合物作为循环制冷剂，借助不同组分的不同冷凝温度，逐次进行节流和气化，以此来对天然气中的对应组分进行冷凝，从而达到制冷的目的。在本发明中，所述混合制冷系统优选为热泵循环压缩机，优选采用氮、甲烷等混合冷剂作为循环制冷剂，混合冷剂还可以包含乙烯、异戊烷等组分。进一步优选采用20％N2和80％CH4工质为制冷介质。

[0023] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，由氮气制冷系统、换热器Ⅲ为三级提氦单元提供了制冷循环回路，在优选的实施方式中，其具体表现为：由氮气制冷系统、换热器Ⅲ的第十四换热通道、重沸器Ⅲ、换热器Ⅲ的第十五换热通道、冷凝器Ⅲ、换热器Ⅲ的第十六换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第十六换热通道通过管道接回氮气制冷系统)构成第三制冷循环回路。

[0024] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，为了维持氮气循环，可通过变压吸附制氮来补充氮气。其中冷凝器Ⅲ内的多余液氮可通过液位调节阀来生产液氮产品，储存至液氮储罐内，供后续粗氦纯化和精氦液化使用。其具体实施方式可以为：冷凝器Ⅲ的下部还通过管道连接液氮储罐。

[0025] 上述天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，为了更好的控制管道内气体压力，提高装置变工况运行能力，本发明优选在多个连接管道上设置减压阀。优选地，所述第一换热通道末端与精馏塔Ⅰ之间的连接管道上安装有第一减压阀，所述第二换热通道末端与重沸器Ⅰ出口端之间的连接管道上安装有第二减压阀，所述第四换热通道末端与重沸器Ⅰ下部之间的连接管道上安装有第三减压阀，所述第五换热通道末端与冷凝器Ⅰ下部之间的连接管道上安装有第四减压阀所述第八换热通道首端与重沸器Ⅰ出口端的连接管道上安装有第五减压阀，所述第八换热通道末端与LNG储罐间的连接管道上安装有产品阀。进一步优选地，所述第五换热通道末端与重沸器Ⅰ下部之间通过管道连接，且在连接管道上安装有第六减压阀。

[0026] 所述第九换热通道末端与精馏塔Ⅱ之间的连接管道上安装有第七减压阀，所述第十换热通道末端与冷凝器Ⅱ下部之间的连接管道上安装有第八减压阀，所述第十二换热通道末端与重沸器Ⅱ出口端之间的连接管道上安装有第九减压阀。

[0027] 所述第十三换热通道末端与精馏塔Ⅲ之间的连接管道上安装有第十减压阀，所述第十五换热通道末端与冷凝器Ⅲ下部之间的连接管道上安装有第十一减压阀，所述第十七换热通道末端与重沸器Ⅲ出口端之间的连接管道上安装有第十二减压阀。进一步优选地，液氮储罐与冷凝器Ⅲ的下部之间的连接管道上安装有液位调节阀。

[0028] 与现有技术相比较，本发明提供的技术方案具有以下有益效果是：

[0029] (1)本发明提供的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，通过一级提氦单元对原料天然气中的氦气进行预浓缩，再通过后续二级提氦单元和三级提氦单元的进一步精馏分离，使得气相物料中He浓度逐步提高，原料气依次经过三段换热器及三段塔精馏，得到粗氦产品。本发明采用三级分离来代替传统二级分离来生产粗氦，第一级分离的目的是通过较高温度、较高压力下的分离实现氦的预浓缩，显著减少后续低温过程的气流流量，第二级分离的目的是实现氦与甲烷的有效分离，实现一次粗氦的生产，第三级分离是通过液氮温度下冷凝分离来实现粗氦产品的氦含量的最大化。一、二、三级分离均可采用低温精馏工艺，也可在末级分离采用部分冷凝多级闪蒸的工艺来进一步减少能耗。与常规二级分离相比较，该工艺通过分离级的细化优化，虽一定程度增加了设备投资和操作复杂程度，但有利于减低分离的能耗和提高操作的稳定性和很好的原料气组成适应性。

[0030] (2)本发明提供的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，采用混合制冷循环和氮膨胀节流制冷循环来满足从天然气提氦和液化天然气生产所需要的冷量，与常规天然气自身膨胀制冷与氮循环制冷的提氦工艺或者级联循环的提氦工艺以及天然气液化过程的单纯的混合制冷工艺均有明显的不同。同时液化天然气产量根据实际市场需要可以通过改变混合制冷的工艺参数(混合制冷压缩机出口压力、混合冷剂组分配比)来实现灵活的调节，实现产品结构的可调节。与常规天然气自身膨胀制冷相比可明显提高制冷效率和减少不可逆损失，具有冷剂组成可调节，有很好的原料天然气组成变化适应性。和级联循环制冷相比，混合制冷明显减少机组数量，减少了设备投资。提高制冷效率，减少了换热的不可逆损失；同时通过与氮循环制冷的组合，即满足提氦对制冷温度比液化天然气温度要求更低的需求。又由于有混合制冷系统为氮膨胀制冷系统作预冷，可简化制冷循环，采用简单的膨胀阀节流制冷可以经济有效地生产液氮温度所需的制冷量，并可副产少部分液氮作产品，满足后续氦纯化、氦液化对液氮的需求，减少外供液氮的需求。

[0031] (3)本发明提供的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，改善了低含氦天然气提氦的经济性，拓宽了氦气资源选择，意义重大，有助于进一步推动低含氦天然气提氦技术的发展，带动相关行业设备、材料等的研发和提高，从而支持国内高科技产业的发展，可有效地保证了航天航空、航海和核工业等国防军工的用氦需求。

附图说明

[0032] 图1是现有技术荣县提氦装置工艺流程图；

[0033] 图2是本发明天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统工艺流程图。

[0034] 附图标记说明：1、一级提氦单元；11、换热器Ⅰ；12、精馏塔Ⅰ；13、冷凝器Ⅰ；14、重沸器Ⅰ；15、第一减压阀；16、第二减压阀；17、第三减压阀；18、第四减压阀；19、第五减压阀；110、第六减压阀；111、产品阀；112、LNG储罐；2、二级提氦单元；21、换热器Ⅱ；22、精馏塔Ⅱ；
23、冷凝器Ⅱ；24、重沸器Ⅱ；25、第七减压阀；26、第八减压阀；27、第九减压阀；3、三级提氦单元；31、换热器Ⅲ；32、精馏塔Ⅲ；33、冷凝器Ⅲ；34、重沸器Ⅲ；35、第十减压阀；36、第十一减压阀；37、第十二减压阀；38、液位调节阀；4、混合制冷系统；5、氮气制冷系统。

具体实施方式

[0035] 以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

[0036] 本实施例提供的一种天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，如图2所示，包括通过管道连接的一级提氦单元1、二级提氦单元2和三级提氦单元3，以及混合制冷系统4、氮气制冷系统5。

[0037] 一级提氦单元1包括换热器Ⅰ11、精馏塔Ⅰ12以及分别设置于精馏塔Ⅰ12塔顶和塔底的冷凝器Ⅰ13和重沸器Ⅰ14。换热器Ⅰ11内设置有第一换热通道、第二换热通道、第三换热通道、第四换热通道、第五换热通道、第六换热通道、第七换热通道以及第八换热通道。

[0038] 二级提氦单元2包括换热器Ⅱ21、精馏塔Ⅱ22以及分别设置于精馏塔Ⅱ22塔顶和塔底的冷凝器Ⅱ23和重沸器Ⅱ24。换热器Ⅱ21内设置有第九换热通道、第十换热通道、第十一换热通道、第十二换热通道。

[0039] 三级提氦单元3包括换热器Ⅲ31、精馏塔Ⅲ32以及分别设置于精馏塔Ⅲ32塔顶和塔底的冷凝器Ⅲ33和重沸器Ⅲ34。换热器Ⅲ31内设置有第十三换热通道、第十四换热通道、第十五换热通道、第十六换热通道以及第十七换热通道。

[0040] 混合制冷系统4为热泵循环压缩机，采用20％N2和80％CH4工质作为制冷介质。氮气制冷系统5为本领域常用氮气用压缩机，采用N2作为制冷介质。

[0041] 原料气体进气管道与第一换热通道的首端连接，第一换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅰ12连接。第二换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅰ14、重沸器Ⅱ24的出口端连接。第三换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ21连接。混合制冷系统4的出口端通过管道与第四换热通道的首端连接，第四换热通道的末端分别通过管道与重沸器Ⅰ14和重沸器Ⅱ24的下部连接，重沸器Ⅰ14的上部通过管道与第五换热通道的首端连接，第五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅰ13的下部连接，冷凝器Ⅰ13的上部通过管道与第六换热通道的末端连接，第六换热通道的首端通过管道与混合制冷系统4的进口端连接。第七换热通道的末端通过管道与换热器Ⅱ21连接，第七换热通道的首端通过管道与混合制冷系统4的进口端连接。第八换热通道的首端通过管道与重沸器Ⅰ的出口端连接，第八换热通道的末端通过管道与LNG储罐112连接。第一换热通道末端与精馏塔Ⅰ12之间的连接管道上安装有第一减压阀15，第二换热通道末端与重沸器Ⅰ14出口端之间的连接管道上安装有第二减压阀16，第四换热通道末端与重沸器Ⅰ14下部之间的连接管道上安装有第三减压阀17，第五换热通道末端与冷凝器Ⅰ13下部之间的连接管道上安装有第四减压阀18。第八换热通道首端与重沸器Ⅰ14出口端的连接管道上安装有第五减压阀19，第六换热通道末端与重沸器Ⅰ14下部之间通过管道连接，且在连接管道上安装有第六减压阀110。第八换热通道末端与LNG储罐112间的连接管道上安装有产品阀111。

[0042] 冷凝器Ⅰ13的出口端通过管道与第九换热通道的首端连接，第九换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅱ22连接。重沸器Ⅱ24的上部通过管道与第十换热通道的首端连接，第十换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅱ23的下部连接，冷凝器Ⅱ23的上部通过管道与第十一换热通道的末端连通，第十一换热通道的首端通过管道与第七换热通道的末端连接。第十二换热通道的首端与第三换热通道的末端连接，第十二换热通道的末端通过管道与换热器Ⅲ31的第十七换热通道连接。第九换热通道末端与精馏塔Ⅱ22之间的连接管道上安装有第七减压阀25，第十换热通道末端与冷凝器Ⅱ23下部之间的连接管道上安装有第八减压阀26，第十二换热通道末端与重沸器Ⅱ24出口端之间的连接管道上安装有第九减压阀27。

[0043] 冷凝器Ⅱ23的出口端通过管道与第十三换热通道的首端连接，第十三换热通道的末端通过管道与精馏塔Ⅲ32连接。氮气制冷系统5的出口端通过管道与第十四换热通道的首端连接，第十四换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ34的下部连接，重沸器Ⅲ34的上部通过管道与第十五换热通道的首端连接，第十五换热通道的末端通过管道与冷凝器Ⅲ33的下部连接，冷凝器Ⅲ33的上部通过管道与第十六换热通道的末端连接，第十六换热通道的首端与氮气制冷系统5的进口端连接。第十七换热通道的首端通过管道与第十二换热通道连接，第十七换热通道的末端通过管道与重沸器Ⅲ34的出口端连接。第十三换热通道末端与精馏塔Ⅲ32之间的连接管道上安装有第十减压阀35，第十五换热通道末端与冷凝器Ⅲ33下部之间的连接管道上安装有第十一减压阀36，第十七换热通道末端与重沸器Ⅲ34出口端之间的连接管道上安装有第十二减压阀37。冷凝器Ⅲ33的下部还通过管道连接液氮储罐，液氮储罐与冷凝器Ⅲ33的下部之间的连接管道上安装有液位调节阀38。

[0044] 由换热器Ⅰ11中的第一换热通道、精馏塔Ⅰ12、冷凝器Ⅰ13、换热器Ⅱ21中的第九换热通道、精馏塔Ⅱ22、冷凝器Ⅱ23、换热器Ⅲ31中第十三换热通道、精馏塔Ⅲ32、冷凝器Ⅲ33以及相邻元部件之间的连接管道构成粗氦制取回路。由精馏塔Ⅰ12、重沸器Ⅰ14、换热器Ⅰ11中的第八换热通道、LNG储罐112以及相邻元部件之间的连接管道构成液化天然气制取回路。由精馏塔Ⅰ12、重沸器Ⅰ14、换热器Ⅰ11的第二换热通道以及相邻元部件之间的连接管道，以及精馏塔Ⅱ22、重沸器Ⅱ24、换热器Ⅰ11的第二换热通道以及相邻元部件之间的连接管道，共同构成中压尾气外输回路。由精馏塔Ⅲ32、重沸器Ⅲ34、换热器Ⅲ31第十六通道、换热器Ⅱ21的第十二换热通道、换热器Ⅰ11的第三换热通道和相邻元部件之间的连接管道构成低压尾气外输回路。

[0045] 由混合制冷系统4、换热器Ⅰ11的第四换热通道、重沸器Ⅰ14、换热器Ⅰ11的第五换热通道、冷凝器Ⅰ13、换热器Ⅰ11的第六换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第六换热通道通过管道接回混合制冷系统4)构成第一制冷循环回路；由混合制冷系统4、换热器Ⅰ11的第四换热通道、重沸器Ⅱ24、换热器Ⅱ21的第九换热通道、冷凝器Ⅱ23、换热器Ⅱ21的第十换热通道、换热器Ⅰ11的第七换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第七换热通道通过管道接回混合制冷系统4)构成第二制冷循环回路。由氮气制冷系统5、换热器Ⅲ31的第十四换热通道、重沸器Ⅲ34、换热器Ⅲ31的第十五换热通道、冷凝器Ⅲ33、换热器Ⅲ31的第十六换热通道以及相邻元部件之间的连接管道(第十六换热通道通过管道接回氮气制冷系统5)构成第三制冷循环回路。

[0046] 本发明提供的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统，原料气可以是常温的、任意压力的含氦天然气，所适用的原料气条件范围较宽。以下采用低含氦天然气为提氦单元的原料气，对本实施例提供的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统的工艺过程进行详细说明。原料天然气含氦约500ppm，压力2.8MPa。

[0047] 原料天然气首先进入换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第一换热通道后被冷却至‑100℃，再进第一减压阀15减压节流后进入精馏塔Ⅰ12。经过精馏塔Ⅰ12精馏后，塔顶冷凝器Ⅰ13得到温度为‑101℃一次粗氦，此时氦含量为0.7％，氦含量被浓缩了14倍；重沸器Ⅰ14塔底液相中的He浓度已经非常低，分成两股进入后续流程：其中一股经第二减压阀16降压至2.55MPa、温度‑102℃，返回换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第二换热通道回收冷量后作为中压尾气外输；另外一股则进入液化天然气制取回路，具体地，另一股来自重沸器Ⅰ14塔底液相经第五减压阀19降压至2.5MPa左右，温度‑102℃，继续进入换热器Ⅰ11的第八换热通道冷却至‑155℃，然后经过产品阀111节流降压至10kPa，得到温度为‑161℃的液化天然气产品，进入LNG储罐112储存。

[0048] 为了满足一级提氦单元1的能量平衡，需要对精馏塔Ⅰ12塔底进行造热，通过混合冷剂制冷循环，既为塔底重沸器Ⅰ14提供热量，也为塔顶冷凝器Ⅰ13提供冷量，还为生产液化天然气提供冷量。具体工艺流程为：氮、甲烷等混合冷剂被热泵循环压缩机增压至约4.0MPa后进入换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第四换热通道冷却至‑103℃后分成两股，其中一股混合冷剂(流量约85％)经第三减压阀17减压节流后进入重沸器Ⅰ14下部，为重沸器Ⅰ14提供热量，之后被塔底液相冷却至‑108℃后返回换热器Ⅰ11中，经换热器Ⅰ11的第五换热通道继续冷却，并经第四减压阀18降压至2.85MPa、温度为‑114℃，继续进入冷凝器Ⅰ13，为冷凝器Ⅰ13提供冷量，然后返回换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第六换热通道回收冷量后进入循环热泵压缩机继续压缩。整个一级提氦单元1的能量可以通过第一制冷循环进行调节，实现了能量的有效利用。同时，该第一制冷循环保证了塔底的足够热量，减少He在液相中的溶解度，起到了提高氦产品收率的作用。另外，液化天然气的产量可通过产品阀调节，需要的冷量也可通过混合冷剂制冷循环的压力和组分任意调节，这样液化天然气产量根据实际市场需要可以通过改变混合制冷的工艺参数(混合制冷压缩机出口压力、混合冷剂组分配比)来实现灵活的调节，实现产品结构的可调节。

[0049] 需要说明的是，精馏塔Ⅰ12的塔顶冷凝器Ⅰ13可不发挥其作用，即精馏塔Ⅰ塔顶没有冷凝器Ⅰ。混合冷剂从重沸器Ⅰ14出来后，通过第四减压阀18和第六减压阀110相互之间的开关配合，达到旁通掉塔顶冷凝器Ⅰ13的目的。通过打开第六减压阀110，并关闭第四减压阀，混合冷剂被降压至2.85MPa、温度为‑114℃，再返回换热器11回收冷量。增加此流程的目的是，本发明的三塔流程适用原料气氦含量变化的范围更宽，原料气进入精馏塔Ⅰ塔后只发挥闪蒸作用，塔顶无冷凝回流，对于原料氦含量较高的流程适用，同时可节约能耗。

[0050] 一次粗氦继续进入换热器Ⅱ21中，经换热器Ⅱ21的第九换热通道被冷却至‑120℃，并经第七减压阀25降压至2.6MPa后进入精馏塔Ⅱ22，分离其中的甲烷、氮等组分。经过精馏塔Ⅱ22精馏后，塔顶冷凝器Ⅱ23得到温度为‑170℃二次粗氦，此时氦含量为74％；重沸器Ⅱ24中的塔底液相(温度‑105℃)经过第九减压阀27降压至2.5MPa，温度降低至‑105℃，，与重沸器Ⅰ14塔底第一股液相汇合后，返回换热器Ⅰ11，经换热器Ⅰ11的第二换热通道回收冷量后作为中压尾气外输。

[0051] 二级提氦单元2的热量和冷量也由混合冷剂制冷循环提供，具体工艺流程为：经换热器Ⅰ11的第四换热通道冷却至‑103℃后分成两股，另一股混合冷剂(流量约15％)进入重沸器Ⅱ24的下部，为重沸器Ⅱ24提供热量，被塔底液相冷却至‑113℃后进入换热器Ⅱ21中，经换热器Ⅱ21第十换热通道继续冷却，并经第八减压阀26降压至0.22MPa、温度为‑167℃，继续进入冷凝器Ⅱ23的下部，为冷凝器Ⅱ23提供冷量，然后返回依次经换热器Ⅱ21的第十一换热通道和换热器Ⅰ11的第七换热通道回收冷量，进入混合冷剂压缩机继续压缩，完成循环。

[0052] 二次粗氦进入换热器Ⅲ31中，经换热器Ⅲ31的第十三换热通道被冷却至‑188℃，并经第十减压阀35降压至2.3MPa后进入精馏塔Ⅲ32，继续分离其中的甲烷、氮等组分。经过精馏塔Ⅲ32精馏后，塔顶冷凝器Ⅲ33得到温度为‑190℃粗氦产品，此时氦含量为86％；重沸器Ⅲ34中的塔底液相(温度‑153℃)经过第十二减压阀37降压至2.1MPa，温度降低至‑153.8℃，进入换热器Ⅲ31，依次经换热器Ⅲ31的第十七换热通道、换热器Ⅱ21的第十二换热通道和换热器Ⅰ11的第三换热通道回收冷量，作为低压尾气外输。

[0053] 三级提氦单元3的热量和冷量由氮制冷循环提供，具体工艺流程为：来自氮气制冷系统5的压力为4.0MPa的氮气首先进入换热器Ⅲ31，经换热器Ⅲ31的第十四换热通道被冷却至‑138℃，然后进入重沸器Ⅲ34的下部，为重沸器Ⅲ34提供热量，被塔底液相冷却至‑166℃后返回换热器Ⅲ31中，经换热器Ⅲ31的第十五换热通道继续冷却，并经第十一减压阀36降压至0.5MPa、温度为‑192℃，进入冷凝器Ⅲ33，为冷凝器Ⅲ33提供冷量，再返回换热器Ⅲ31，经换热器Ⅲ31的第十六换热通道回收冷量，然后返回氮气制冷系统5继续压缩，完成循环。为了维持氮气循环，可通过变压吸附制氮来补充。其中冷凝器Ⅲ33内的多余液氮可通过液位调节阀38来生产液氮产品，并储存至液氮储罐内，供后续粗氦纯化和精氦液化使用。

[0054] 由于原料气中氦含量较低，本发明提供的天然气提取粗氦并联产液化天然气的生产系统是在传统提氦工艺的基础上，采用三级精馏的方法，气相物料中He浓度逐步提高，最终可获得纯度为86％的粗氦，粗氦可后续通过变压吸附或膜分离等技术加以纯化，生产高纯氦。其中，精馏一塔和精馏二塔的冷量由氮‑甲烷等冷剂提供，精馏三塔的冷量由液氮提供。

[0055] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。