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[摘 要]氦气因其独特的性质，在国防军工和科学研究中都有着重要而广泛的用途。近年来，随着我国国防军工事业的快速发展和航天事业的发展，相关领域对氦气的需求将大幅度增加，而且目前我国还没有大规模化的提氦装置。
[关键词]提氦；天然气；原理流程；
中图分类号：G887 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0242-01
一、低温冷凝法提氦的条件
低温冷凝法提氦对天然气原料气介质要求较高，H2S含量小于4ppm，CO2含量小于100ppm，H20含量小于1ppm，因此对天然气提氦之前需考虑对原料气的脱硫、脱碳和脱水，脱硫、脱碳一般采用成熟的MEA+MDEA的配方溶剂工艺，脱水的常规方法有分子筛脱水和三甘醇脱水，但三甘醇脱水的深度很难满足H20含量小于1ppm的要求，为此只能采用分子筛脱水
二、原理流程
冷凝法提氦裝置采用后膨胀+氮循环制冷工艺。天然气提氦装置的主要工艺设备由膨胀机、原料气冷却器、一级提浓塔、二级提浓塔、深冷器等组成。原料气首先进入一级提浓塔，通过膨胀机制冷和降压分离出甲烷，然后进入二级提浓塔，通过液氮循环提供的冷量再次分离出剩余的甲烷、氮气等气体，得到70%的粗氦，再经过钯反应和膜分离出去气体中的氢气等气体，得到95%以上的粗氦，最后通过氦气精致得到99.9%以上得氦气，原理流程如下图所示：（见图1）
从分子筛脱水装置来的提氦天然气进入原料气冷却器中冷却到后，通过流量调节阀调节，从天然气中抽部分气体进入一级提浓塔塔底作为蒸发器热源被冷却到后，再次进入原料气冷却器与原料气汇合继续预冷。提氦天然气预冷后进入一级提浓塔中部进行一次提浓。一级提浓塔塔顶冷凝器出来的一次粗氦浓度可达5%左右；塔底出来的液甲烷部分经过节流作为塔顶冷凝器的冷源，经过塔顶冷凝器换热后，低压返回气体与深冷器来的低压气汇合进入原料气冷却器回收冷量后，一部分经尾气压缩机增压到外输，另一部分作为燃料气进入燃料气系统；而塔底大部分的液体节流后进入原料气冷却器回收部分冷量，进入透平膨胀机，再进入原料气冷却器换热，回收冷量后，再经过同轴压缩机增压进入外输管线。
一级提浓塔出来的一次粗氦进入二级提浓塔塔底蒸发器回收冷量后，进入深冷器预冷后进入二级提浓塔中部进行二次提浓；经二级提浓塔塔顶冷凝器出来的产品粗氦浓度可达70%左右，，同时进入深冷器换热后去粗氦提浓装置；塔底部出来的液体，经节流后进入深冷器回收部分冷量后，与一级提浓塔塔顶出来低压气体汇合，二级提浓塔顶冷凝器所需的冷量是依靠氮循环所产生的液氮蒸发提供。
在氮循环系统中，气体氮储存在氮气缓冲罐中，经氮气压缩机压缩，进深冷器（与塔顶冷凝器出来的低温氮气以及塔底节流后的氮甲烷液体换冷再经节流阀节流后进入二级提浓塔塔顶冷凝器提供冷量，出塔顶冷凝器的低温氮气进入深冷器给出冷量后，进入氮气氮气缓冲罐；损耗的氮气定期补充。
三、冷凝法提氦的特点
根据工艺原理流程。该工艺方法有以下特点：
1、采用双塔提氦工艺，并配以先进、高效的板翅式换热器，利用透平膨胀制冷的同时，充分回收装置自身冷量来预冷原料天然气，使装置的能耗降低；
2、采用后膨胀制冷，操作稳定、灵活、方便；
3、操作温度低，最低可达到近-190℃，为了达到在此低温下制冷的效果，装置采用独立的氮循环制冷系统，不仅能提供近-190℃的低温位，而且独立的制冷系统，能够很好适应变工况操作条件；
4、一级提浓塔、二级提浓塔、原料气冷却器、深冷器以及LNG储罐等设备均设置在冷箱内，保冷效果好，并最大程度的减少冷损。
5、设置冷量调节罐，能起到调节一级提浓塔塔顶冷凝器以及原料气冷却器负荷的作用，不需要变频冷量调节。
四、主要检测及控制
1、为了保证装置安全，在原料气进口管线设置截断球阀，当进装置压力、温度超高或超低时，截断管线，保证人身、设备安全。
2、为了避免氦气溶解在一级提浓塔液态甲烷中造成氦气损失，保证原料气对其热交换有充分的时间，让溶解在液态甲烷中的氦气全部溢出一级提浓塔，需对一级提浓塔底部液位进行控制。
3、为了保证一级提浓塔换热器温度在有效范围内，需对一级提浓塔底部的甲烷进行调压，利用调压后的甲烷对一级提浓塔换热器提供冷量。
4、为了保证二级提浓塔的温度在有效的范围内，需对二级提浓塔底的温度进行检测，并根据其温度对一次粗氦气进入二级提浓塔的流量进行控制，如果二级提浓塔温度低于正常值则增加一次粗氦气进入二级提浓塔底的的流量，如果二级提浓塔温度过高于正常值则增加一次粗氦气进入二级提浓塔底的的流量，剩余的一次粗氦气直接进入深冷箱。
5、为了避免氦气溶解在二级提浓塔液态甲烷、液氮中造成氦气损失，保证溶解在液态甲烷、液氮中的氦气全部溢出二级提浓塔，利用一次粗氦气对其加热，并对二级提浓塔底部液位进行控制，保证一次粗氦与二级提浓塔塔底有液态甲烷、液氮有充分的时间热交换。
6、为了保证氮循环提供的冷量在有效范围内，对二级提浓塔出口二次粗氦的温度进行检测，该温度与氮气缓冲罐上的压力串级控制氮气压缩机的启停，温度控制作为主回路，氮气缓冲罐上的压力作为副回路。当二级提浓塔出口二次初氦的温度高于设定温度时，启动氮气压缩机对氮气增压，增压后的氮气通过调节阀降低压力，从而降低其温度来提供冷量，当二级提浓塔出口二次初氦的温度低于设定温度时，停止氮气压缩机对氮气增压。
五、结束语
氦气是国防军工和高科技产业不可或缺的稀有气体，目前只能从含氦天然气中提取。我国氦气资源不仅数量贫乏，而且含量低，目前国外供应商再三申明氦气不可用于军事领域，这给我国国防用氦的保障问题提出了严峻的挑战。在保护有限氦气资源的同时加强对提氦技术和氦气资源的开发利用，推进提氦新技术的实验研究和提氦新工艺的推广应用，对于保障国家用氦安全、促进提氦技术的发展和提高经济效益具有重要意义。
参考文献
[1] 邢国海.天然气提取氦气技术现状与发展.天然气工业，2008，28（8）
[2] 薛荣书.化工工艺学[M].重庆：重庆大学出版社，2004： 312.
[3] 任建新.膜分离技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003：1 40.
[关键词]提氦；天然气；原理流程；
中图分类号：G887 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0242-01
一、低温冷凝法提氦的条件
低温冷凝法提氦对天然气原料气介质要求较高，H2S含量小于4ppm，CO2含量小于100ppm，H20含量小于1ppm，因此对天然气提氦之前需考虑对原料气的脱硫、脱碳和脱水，脱硫、脱碳一般采用成熟的MEA+MDEA的配方溶剂工艺，脱水的常规方法有分子筛脱水和三甘醇脱水，但三甘醇脱水的深度很难满足H20含量小于1ppm的要求，为此只能采用分子筛脱水
二、原理流程
冷凝法提氦裝置采用后膨胀+氮循环制冷工艺。天然气提氦装置的主要工艺设备由膨胀机、原料气冷却器、一级提浓塔、二级提浓塔、深冷器等组成。原料气首先进入一级提浓塔，通过膨胀机制冷和降压分离出甲烷，然后进入二级提浓塔，通过液氮循环提供的冷量再次分离出剩余的甲烷、氮气等气体，得到70%的粗氦，再经过钯反应和膜分离出去气体中的氢气等气体，得到95%以上的粗氦，最后通过氦气精致得到99.9%以上得氦气，原理流程如下图所示：（见图1）
从分子筛脱水装置来的提氦天然气进入原料气冷却器中冷却到后，通过流量调节阀调节，从天然气中抽部分气体进入一级提浓塔塔底作为蒸发器热源被冷却到后，再次进入原料气冷却器与原料气汇合继续预冷。提氦天然气预冷后进入一级提浓塔中部进行一次提浓。一级提浓塔塔顶冷凝器出来的一次粗氦浓度可达5%左右；塔底出来的液甲烷部分经过节流作为塔顶冷凝器的冷源，经过塔顶冷凝器换热后，低压返回气体与深冷器来的低压气汇合进入原料气冷却器回收冷量后，一部分经尾气压缩机增压到外输，另一部分作为燃料气进入燃料气系统；而塔底大部分的液体节流后进入原料气冷却器回收部分冷量，进入透平膨胀机，再进入原料气冷却器换热，回收冷量后，再经过同轴压缩机增压进入外输管线。
一级提浓塔出来的一次粗氦进入二级提浓塔塔底蒸发器回收冷量后，进入深冷器预冷后进入二级提浓塔中部进行二次提浓；经二级提浓塔塔顶冷凝器出来的产品粗氦浓度可达70%左右，，同时进入深冷器换热后去粗氦提浓装置；塔底部出来的液体，经节流后进入深冷器回收部分冷量后，与一级提浓塔塔顶出来低压气体汇合，二级提浓塔顶冷凝器所需的冷量是依靠氮循环所产生的液氮蒸发提供。
在氮循环系统中，气体氮储存在氮气缓冲罐中，经氮气压缩机压缩，进深冷器（与塔顶冷凝器出来的低温氮气以及塔底节流后的氮甲烷液体换冷再经节流阀节流后进入二级提浓塔塔顶冷凝器提供冷量，出塔顶冷凝器的低温氮气进入深冷器给出冷量后，进入氮气氮气缓冲罐；损耗的氮气定期补充。
三、冷凝法提氦的特点
根据工艺原理流程。该工艺方法有以下特点：
1、采用双塔提氦工艺，并配以先进、高效的板翅式换热器，利用透平膨胀制冷的同时，充分回收装置自身冷量来预冷原料天然气，使装置的能耗降低；
2、采用后膨胀制冷，操作稳定、灵活、方便；
3、操作温度低，最低可达到近-190℃，为了达到在此低温下制冷的效果，装置采用独立的氮循环制冷系统，不仅能提供近-190℃的低温位，而且独立的制冷系统，能够很好适应变工况操作条件；
4、一级提浓塔、二级提浓塔、原料气冷却器、深冷器以及LNG储罐等设备均设置在冷箱内，保冷效果好，并最大程度的减少冷损。
5、设置冷量调节罐，能起到调节一级提浓塔塔顶冷凝器以及原料气冷却器负荷的作用，不需要变频冷量调节。
四、主要检测及控制
1、为了保证装置安全，在原料气进口管线设置截断球阀，当进装置压力、温度超高或超低时，截断管线，保证人身、设备安全。
2、为了避免氦气溶解在一级提浓塔液态甲烷中造成氦气损失，保证原料气对其热交换有充分的时间，让溶解在液态甲烷中的氦气全部溢出一级提浓塔，需对一级提浓塔底部液位进行控制。
3、为了保证一级提浓塔换热器温度在有效范围内，需对一级提浓塔底部的甲烷进行调压，利用调压后的甲烷对一级提浓塔换热器提供冷量。
4、为了保证二级提浓塔的温度在有效的范围内，需对二级提浓塔底的温度进行检测，并根据其温度对一次粗氦气进入二级提浓塔的流量进行控制，如果二级提浓塔温度低于正常值则增加一次粗氦气进入二级提浓塔底的的流量，如果二级提浓塔温度过高于正常值则增加一次粗氦气进入二级提浓塔底的的流量，剩余的一次粗氦气直接进入深冷箱。
5、为了避免氦气溶解在二级提浓塔液态甲烷、液氮中造成氦气损失，保证溶解在液态甲烷、液氮中的氦气全部溢出二级提浓塔，利用一次粗氦气对其加热，并对二级提浓塔底部液位进行控制，保证一次粗氦与二级提浓塔塔底有液态甲烷、液氮有充分的时间热交换。
6、为了保证氮循环提供的冷量在有效范围内，对二级提浓塔出口二次粗氦的温度进行检测，该温度与氮气缓冲罐上的压力串级控制氮气压缩机的启停，温度控制作为主回路，氮气缓冲罐上的压力作为副回路。当二级提浓塔出口二次初氦的温度高于设定温度时，启动氮气压缩机对氮气增压，增压后的氮气通过调节阀降低压力，从而降低其温度来提供冷量，当二级提浓塔出口二次初氦的温度低于设定温度时，停止氮气压缩机对氮气增压。
五、结束语
氦气是国防军工和高科技产业不可或缺的稀有气体，目前只能从含氦天然气中提取。我国氦气资源不仅数量贫乏，而且含量低，目前国外供应商再三申明氦气不可用于军事领域，这给我国国防用氦的保障问题提出了严峻的挑战。在保护有限氦气资源的同时加强对提氦技术和氦气资源的开发利用，推进提氦新技术的实验研究和提氦新工艺的推广应用，对于保障国家用氦安全、促进提氦技术的发展和提高经济效益具有重要意义。
参考文献
[1] 邢国海.天然气提取氦气技术现状与发展.天然气工业，2008，28（8）
[2] 薛荣书.化工工艺学[M].重庆：重庆大学出版社，2004： 312.
[3] 任建新.膜分离技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003：1 40.