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提取和处理氦气的典型操作顺序是怎样的?

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提取和处理氦气的典型操作顺序是怎样的?

发布日期:2019-04-09 作者: 点击:

氦是由地下的放射性衰变铀和钍等重元素。这些元素的部分辐射由阿尔法粒子组成,这些粒子形成氦原子的原子核。其中一些氦气到达表面并进入大气层,在那里迅速上升并逃逸到太空。氦气生产厂家表示,其余的被困在不透水的岩石层下,并与那里形成的天然气混合。在各种天然气矿床中发现的氦量从几乎为零到高达4%体积不等。只有十分之一的工作天然气田的氦的经济可行浓度大于0.4%。

氦气也可以通过液化空气和分离组分气体来生产。这种方法的生产成本高,空气中氦的含量非常低。虽然这种方法经常用于生产其他气体,如氮气和氧气,但很少用于生产氦气。

预处理

因为这种方法使用极冷的低温部分作为工艺的一部分,所有可能凝固的杂质——例如水蒸气,二氧化碳和某些重质碳氢化合物——必须首先在预处理过程中从天然气中去除,以防止它们堵塞低温管道。

1、天然气被加压至约800磅/平方英寸(5.5兆帕或54大气压)。然后,它流入洗涤器,在那里受到单乙醇胺的喷雾,单乙醇胺吸收二氧化碳并将其带走。

2、气流通过分子筛,分子筛从气流中分离出较大的水蒸气分子,同时让较小的气体分子通过。水被反冲洗出筛子并被移除。

3、当气体通过活性炭床时,气流中的任何重质碳氢化合物都被收集在活性炭床的表面。活性炭定期充电。气流现在主要包含甲烷和氮气,还有少量氦、氢和氖。

分离

天然气通过被称为分馏的蒸馏过程被分离成主要成分。有时这个名字被简称为分馏,用来进行这种分离的垂直结构被称为分馏塔。氦气生产厂家表示,在分馏过程中,氮气和甲烷分两个阶段分离,留下含高百分比氦气的气体混合物。在每个阶段,每种组分的浓度或分数都增加,直到分离完成。在天然气工业中,这一过程有时被称为氮气排斥,因为它的主要功能是从天然气中去除过量的氮气。

4、气流通过板翅式换热器的一侧,而来自低温段的非常冷的甲烷和氮气通过另一侧。进入的气流被冷却,而甲烷和氮气被加热。

5、气流然后通过膨胀阀,当压力下降到大约145-360磅/平方英寸(1.0-2.5兆帕或10-25大气压)时,膨胀阀允许气体快速膨胀。这种快速膨胀将气流冷却到甲烷开始液化的程度。

6、气流——现在一部分是液体,一部分是气体——进入高压分馏柱的底部。当气体通过塔内挡板向上流动时,会损失额外的热量。甲烷继续液化,在塔底形成富含甲烷的混合物,同时大部分氮气和其他气体流向塔顶。

7、液态甲烷混合物,称为粗甲烷,从高压塔底部抽出,在粗过冷器中进一步冷却。然后通过第二个膨胀阀,在进入低压分馏柱之前,该膨胀阀将压力降至约22磅/平方英寸(150千帕或1.5大气压)。当液态甲烷沿着塔向下流动时,大部分剩余的氮被分离出来,剩下的液体氮含量不超过4%,其余为甲烷。这种液体被抽走,加热,蒸发成升级的天然气。气态氮通过管道从低压塔的顶部排出,或者排出,或者收集起来进行进一步处理。

8、同时,来自高压塔顶部的气体在冷凝器中冷却。大部分氮气冷凝成蒸汽,并被送入低压塔的顶部。剩余的气体称为粗氦。它含有大约50-70%的氦,1-3%的未液化甲烷,少量的氢和氖,以及余量的氮。

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净化

粗氦必须进一步纯化,以除去大部分其他物质。这通常是一个多阶段过程,包括几种不同的分离方法,取决于粗氦的纯度和产品的预期用途。

9、粗氦首先被冷却到大约-315华氏度(-193摄氏度)。在这个温度下,大部分氮气和甲烷凝结成液体并被排出。剩余的气体混合物现在约为90%纯氦。

10、向气体混合物中加入空气以提供氧气。气体在预热器中加热,然后通过催化剂,这使得混合物中的大部分氢气与空气中的氧气反应,形成水蒸气。然后气体被冷却,水蒸气凝结并排出。

11、气体混合物进入变压吸附装置,该装置由几个并联运行的吸附容器组成。每一个容器里都有成千上万个充满微孔的颗粒。当气体混合物在压力下通过这些颗粒时,某些气体被截留在颗粒孔中。然后压力降低,气流反向,以清除截留的气体。根据容器的大小和气体的浓度,几秒钟或几分钟后重复该循环。这种方法从气体混合物中除去大部分残留的水蒸气、氮气和甲烷。氦现在纯度约为99.99%。

分发

氦在正常温度下以气体形式分布,或者在非常低的温度下以液体形式分布。气态氦以900-6000磅/平方英寸(6-41兆帕或60-410大气压)的压力分布在锻钢或铝合金圆筒中。大量液氦分布在容量高达约14,800加仑(56,000升)的隔热容器中。

12、如果氦要液化,或者如果需要更高的纯度,氖和任何痕量杂质可以通过使气体通过在-423℉(-253℃)下运行的低温吸附器中的活性炭床来去除。后一步可以达到99.999%或更高的纯度。

13、然后氦气通过管道进入液化器,在液化器中通过一系列热交换器和膨胀器。随着它逐渐冷却和膨胀,它的温度下降到大约-452华氏度(-269摄氏度),并液化。

13、大量的液氦通常装在不通风的加压容器中运输。如果工业氦气厂家货物在美国本土,运输时间通常不到一周。在这种情况下,液氦被放置在由卡车牵引车牵引的大型隔热罐式拖车中。罐体由两个壳体构成,在内壳和外壳之间有真空空间,以防止热量损失。在真空空间内,多层反射箔进一步阻止热量从外部流动。对于海外的延期装运,氦被放在特殊的集装箱里。除了提供隔热的真空空间之外,这些容器还具有填充有液氮的第二外壳,以从外部吸收热量。随着热量被吸收,液氮蒸发并排出。


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