擴(kuò)散法利用氦的高熱擴(kuò)散率,可以從天然氣中濃縮和提取氦。使用的擴(kuò)散元件通常是石英玻璃毛細(xì)管,壁厚為0.025~0.127mm,內(nèi)徑與壁厚之比為3~7,工作溫度為400~500℃,工作壓力為幾十MPa~幾百M(fèi)Pa,具體取決于具體的工作條件。通過(guò)石英玻璃毛細(xì)管擴(kuò)散提取的氦的純度相當(dāng)高,但由于所使用的石英玻璃毛細(xì)管非常薄,制造不便,并且必須在高溫和相當(dāng)高的壓差下進(jìn)行操作,因此,用擴(kuò)散定律模擬氦提取仍然存在許多局限性。
隨著膜材料的發(fā)展,膜滲透提取氦氣顯示出越來(lái)越好的應(yīng)用前景。不同的氣體對(duì)膜有一定的滲透性,不同氣體的滲透性不同。因此,天然氣中的氦可以通過(guò)滲透作用獲得。工業(yè)中使用的滲透膜必須具有以下特性:大的滲透常數(shù)以確保性能并減少所需的膜面積;大的分離因子簡(jiǎn)化了過(guò)程;良好的化學(xué)、機(jī)械和熱穩(wěn)定性,可保持
吸附法該方法包括根據(jù)固體吸附劑表面各組分吸附能力的差異,從天然氣中分離氦氣。由于吸附劑的吸附能力有限,吸附工藝通常適用于雜質(zhì)含量小于10的粗氦的精煉。
吸收方法選擇合適的吸收溶劑。在某些條件下,沸點(diǎn)高于氦氣的天然氣中的剩余成分可以被清洗、吸收和去除,以提取氦氣。使用的吸收性溶劑,如液體氟碳化合物、液體石蠟等。
低溫冷凝法這種方法在各國(guó)廣泛用于從天然氣中提取氦氣。它通常包括氣源預(yù)處理和凈化、粗氦提取、氦精煉等過(guò)程。
1.含氦天然氣的預(yù)處理和凈化
在進(jìn)入低溫裝置之前,必須清潔含氦氣源中的H2S、CO、水甚至汞等污染物,以避免管道、閥門和設(shè)備在低溫下的堵塞、腐蝕和工藝條件惡化。一般的酸性氣體去除方法包括醇胺法、熱鉀法和磺胺法。氦提取工藝對(duì)H2S的影響CO殘留物的要求為:H2S≤4 ppm[1 ppm.M/22.4(mg/M),M為分子量,向下相同,CO≤100 ppm。鑒于氦提取的好處,應(yīng)優(yōu)化有助于降低氦提取成本的提取方法。脫水方法:從天然氣中提煉和脫水氦氣一般選擇分子篩,脫水深度必須小于1 ppm。同時(shí),殘余酸性氣體被進(jìn)一步吸附和去除。除汞工藝:HgSIV除汞分子篩可以再生和再循環(huán),但設(shè)備和控制復(fù)雜;含硫活性炭不能回收,需要定期更換,但設(shè)備和操作簡(jiǎn)單。
2.提取粗氦
天然氣經(jīng)二次冷凝后產(chǎn)生氦含量為60-70的原始氦。冷凝所需的冷卻能力由常壓液態(tài)甲烷、常壓液態(tài)氮或真空液態(tài)甲烷提供。一次冷凝不需要通過(guò)乙烷餾分,二次冷凝要求甲烷含量小于1。同時(shí),鍋爐液體液態(tài)烴中的氦氣含量應(yīng)小于10ppm,以提高氦氣回收率。
3.氦精煉
天然氣中難以液化的氫氣濃縮在粗氦氣中,氦氣的濃度必須在精煉前去除。一般來(lái)說(shuō),工業(yè)上采用催化氧化脫水,而儲(chǔ)氫合金等脫水工藝也在發(fā)展中。在隨后的高壓冷凝吸附過(guò)程中,低于10ppm的殘余氫與氮?dú)?、少量甲烷和其他雜質(zhì)一起被去除。冷源通常由大氣液氮供應(yīng),可生產(chǎn)純度超過(guò)99.99的高純度氦。其他精煉方法,如洗滌吸收法、甲烷、丙烷和其他天然氣組分可以用作吸收劑。
高純度氦是國(guó)防和高科技工業(yè)中不可或缺的稀有氣體,目前只能從含氦天然氣中提取。中國(guó)的氦資源不僅數(shù)量有限,而且含量也有限。僅通過(guò)低溫方法提取氦是昂貴的。然而,隨著膜分離技術(shù)、新的氦提取工藝(如聯(lián)合生產(chǎn)和聯(lián)合工藝)以及液化天然氣和其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展,正在提供從天然氣中經(jīng)濟(jì)提取氦的新方法。因此,在保護(hù)有限的氦資源方面,加強(qiáng)氦提取技術(shù)和氦資源的開(kāi)發(fā)和利用,促進(jìn)氦提取新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和氦提取新工藝的推廣應(yīng)用,確保國(guó)家氦利用的安全,促進(jìn)燕尾服的發(fā)展,提高氦提取技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。