(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111646438 A(43)申请公布日 2020.09.11
(21)申请号 202010518382.2(22)申请日 2020.06.09
(71)申请人 重庆瑞信气体有限公司
地址 402560 重庆市铜梁区铜梁工业园区
蒲吕街道办事处云飞路26号(72)发明人 金星屹 刘兹壮 金昌渝 (51)Int.Cl.
C01B 23/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图2页
(54)发明名称
一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢工艺及其系统
(57)摘要
本发明公开了一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢工艺及系统，涉及气体提纯领域，为达到上述目的，本发明的技术方案是包括如下步骤：1)混合稀释，2)催化氧化；3)冷却分离；4)循环稀释；5)外排盈余；步骤1)通过调整加入氧气量以控制混合气体中的氧气含量，确保在步骤2)催化氧化反应在安全温度下进行。在催化氧化之前通过引入脱氢氦气，将原料气体的氢气含量浓度降低，其后进行的催化氧化反应得以在较低的温度下进行，提高了催化氧化过程的安全性。
CN 111646438 ACN 111646438 A
权 利 要 求 书
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1.一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢工艺，其特征在于，包括步骤如下：混合稀释，在原料气体内加入氧气和脱氢氦气得到混合气体；催化氧化，将混合气体内的氧气和氢气催化氧化为水得到脱氢气体；冷却分离，将脱氢气体冷却分离出水，得到脱氢脱水气体；循环稀释，将脱氢脱水气体回流作为步骤1)中的脱氢氦气；外排盈余，当脱氢脱水气体的氢气含量降低至预定值，将一部分脱氢脱水气体向本系统外送出；
步骤1)通过调整加入氧气量以控制混合气体中的氧气含量，确保在步骤2)催化氧化反应在安全温度下进行。
2.根据权利要求1所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢工艺，其特征在于：步骤2)，所述回流气体的氢气含量降低至预定值之前为控氧阶段，所述控氧阶段混合气体内的氧气含量随着回流气体的氢气含量的降低而逐渐调整；所述回流气体的氢气含量降低至预定值之后为稀释阶段，该稀释阶段所述混合气体内的氧气含量保持在一稳定的区间。
3.根据权利要求1所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于：包括依次连通的混合稀释单元、催化氧化单元、冷却分离单元和循环压缩单元。
4.根据权利要求4所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于：所述混合稀释单元包括第一气体混合器(1)和第二气体混合器(2)，第一气体混合器(1)的进口包括供氧口和供氦口，所述第二气体混合器(2)的进口包括供料口和稀释口，所述第一气体混合器(1)的出口与所述稀释口连通。
5.根据权利要求5所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于，所述第二气体混合器(2)与所述催化氧化器(3)之间设有第一流量计(11)和第一氢氧分析仪(13)，所述供氧口一端设有第二流量计(9)。
6.根据权利要求5所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于：所述催化氧化单元包括催化氧化器(3)，该催化氧化器(3)的进口与所述第二气体混合器(2)的出口连通。
7.根据权利要求5所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于：所述冷却分离单元包括冷却器(4)和分离器(5)，所述冷却器(4)的进口与所述催化氧化器(3)的出口连通，所述冷却器(4)的出口与所述分离器(5)的进口连通。
8.根据权利要求5所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于：所述循环压缩单元包括压缩机(6)、回流管(7)和出气管(8)，回流管(7)将冷却分离单元和所述混合稀释单元连通，所述压缩机(6)设置于回流管(7)上，所述回流管(7)旁接所述出气管(8)。
9.根据权利要求9所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于，所述压缩机(6)的流量大于所述供料口的流量。
10.根据权利要求5所述的一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统，其特征在于，所述出气管(8)与所述冷却分离单元之间设有第二氢氧分析仪(14)。
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说 明 书
一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢工艺及其系统
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技术领域
[0001]本发明涉及一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢工艺及系统，主要涉及气体提纯领域。
背景技术
[0002]我国天然气中氦气含量很低，其含氦量通常低于0.05%（V/V)。在贫氦天然气中提取氦气投资大而且生产成本高昂。液化天然气（LNG)产业的发展为天然气中氦气提取创造了条件。BOG是液化天然气中的低温闪蒸气。当天然气被液化时，绝大部分的甲烷被液化；而天然气中氢气、氦气、氮气等低沸点气体还是以气态形式存在，在BOG中不断富集。BOG气体中的主要成分是甲烷、氮气、氦气和氢气。但是由于氢的沸点与氦接近，很难用低温精馏或膜分离方式脱除。要提取BOG气体中的氦气，可以先将甲烷和氮气通过低温精馏或者膜分离的工艺分离后，再脱除BOG气体中的氢。[0003]跟氦气一样，BOG中的氢作为不凝气体也同时被富集。在BOG提取氦气时，当BOG中的甲烷和氮气被分离后，剩余的氦尾气中氢气的含量通常高于4%。要提浓氦气，富氢的氦尾气中氢气脱除可以使用加氧催化氧化法脱氢。氢氧催化氧化反应是放热反应，当氢含量较高时，采用加氧催化氧化脱氢也需要同比例加入较多的氧量。在富氢条件下（氢含量超过4%)直接使用催化氧化法脱氢会导致催化氧化催化氧化单元的温度较高，带来安全风险。发明内容
[0004]针对以上现有技术的不足，本发明提出一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢工艺及系统，在催化氧化之前通过引入脱氢氦气，将原料气体的氢气浓度降低，其后进行的催化氧化反应得以在较低的温度下进行，提高了催化氧化过程的安全性。[0005]为达到上述目的，本发明的技术方案是：包括步骤如下：1)混合稀释，在原料气体内加入氧气和脱氢氦气得到混合气体；2)催化氧化，将混合气体内的氧气和氢气催化氧化为水得到脱氢气体；3)冷却分离，将脱氢气体冷却分离出水，得到脱氢脱水气体；4) 循环稀释，将脱氢脱水气体回流作为步骤1)中的脱氢氦气；5)外排盈余，当脱氢脱水气体的氢气含量降低至预定值，将一部分脱氢脱水气体向本系统外送出；步骤1)通过调整加入氧气量以控制混合气体中的氧气含量，确保在步骤2)催化氧化反应在安全温度下进行。[0006]本发明的技术原理及有益效果如下：
本方案在对原料气体进行催化氧化之前，向其中充入了低氢含量的氦气，即脱氢氦气，以便对原料气体内氢气进行稀释，而稀释用的脱氢氦气来自脱氢脱水后回流的气体，以实现自给自足，避免从外部引入脱氢氦气，能够显著降低成本和提高脱氢效率。[0007]在其后进行催化氧化的时候，由于氢气的含量变低，反应更加温和，产生的热量更少，即可实现催化氧化反应在温度较低的状态下完成，脱氢过程更加安全。[0008]本方案中对氢气进行稀释的气体就是最后希望得到的脱氢氦气，因此可以不需要考虑对用于稀释的气体除杂的问题，另外本方案采用循环的方式，实现脱氢氦气能够实现
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自给自足并逐渐实现盈余的脱氢氦气，将盈余的脱氢氦气排出系统，进行下一步其他操作；巧妙的在催化氧化之前通过引入低氢含量的氦气（即脱氢氦气），将原料气体的浓度降低，其后进行的催化氧化反应得以在更加温和的状态下进行，反应的温度更低，通过脱氢氦气在反应之前就为反应的安全性做了保证，催化氧化过程的安全可靠性更高，脱氢效果更好。[0009]优选地，步骤2)，所述回流气体的氢气含量降低至预定值之前为控氧阶段，所述控氧阶段混合气体内的氧气含量随着回流气体的氢气含量的降低而逐渐调整；所述回流气体的氢气含量降低至预定值之后为稀释阶段，该稀释阶段所述混合气体内的氧气含量保持在一稳定的区间。
[0010]在控氧阶段，保证安全温度下反应的方式是通过控制混合气体内氧气含量，使氧气含量比在氢氧充分反应的比例更低，回流气体继续脱氢，即通过少量多次的对混合气体内的氢气进行去除，避免单次反应温度过高；控制氧气的含量的方式通过向混合气体内加入氧气的流量动态调整，通过改变氧气的含量以使得整个反应保持在一个安全的反应温度下。
[0011]在控氧阶段，由于氢气被逐步去除，即代表氢气的含量在逐步降低，随着氢气含量的降低，相应向其中加入的氧气比例就可以增加，也同样能够保证在安全温度以下反应。[0012]随着对混合气体内逐步脱氢，混合气体内的氢气将越来越少，最终降低到设定值，此时氧气的含量也调整到与之适配的比例，此后进入稀释阶段，稀释阶段产出的脱氢脱水氦气在满足作为脱氢氦气稀释后，多余的脱氢脱水氦气就作为产出盈余的气体，进行下一步操作。此时通过对进入的原料气体进行稀释，以保证在安全温度以下反应。此后保持氧气含量与氢气含量的比例在动态平衡即可，如果原料气体内的氢氧比例有些许变化，相应调整进入氧气量即可。[0013]优选地，包括依次连通的混合稀释单元、催化氧化单元、冷却分离单元和循环压缩单元。通过混合稀释单元将氧气和脱氢氦气混合进入原料气体内，利用脱氢氦气实现将原料气体内的氢气浓度降低，其后低浓度的氢气和氧气可以在安全的较低温度下进行反应，整个脱氢过程更加安全高效，利用脱氢脱水氦气循环供给，能够实现脱氢氦气自给自足的同时产有盈余。[0014]优选地，所述混合稀释单元包括第一气体混合器和第二气体混合器，第一气体混合器的进口包括供氧口和供氦口，所述第二气体混合器的进口包括供料口和稀释口，所述第一气体混合器的出口与所述稀释口连通。以便更好的对原料气体内氢的稀释量，使三种气体混合得以稳步进行。[0015]优选地，所述第二气体混合器与所述催化氧化器之间设有第一流量计和第一氢氧分析仪，第一氢氧分析仪结合可以知道内部气体氢氧含量比例，所述供氧口一端设有第二流量计，第一流量和第二流量的结合可以知道供氧量，以便可以及时控制整个反应温度。[0016]优选地，所述催化氧化单元包括催化氧化器，该催化氧化器的进口与所述第二气体混合器的出口连通，便于氢氧能够及时充分的反应。附图说明
[0017]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中
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两幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明进入催化氧化器前混合气体中氢气和氧气含量变化图。[0019]第一气体混合器1、第二气体混合器2、催化氧化器3、冷却器4、分离器5、压缩机6、回流管7、出气管8、第二流量计9、第一流量计11、阻火阀12、第一氢氧分析仪13、第二氢氧分析仪14。
具体实施方式
[0020]下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]实施例1
如图1所示，包括步骤如下：包括步骤如下：1)混合稀释，在原料气体内加入氧气和脱氢氦气得到混合气体；2)催化氧化，将混合气体内的氧气和氢气催化氧化为水得到脱氢气体；3)冷却分离，将脱氢气体冷却分离出水，得到脱氢脱水气体；4) 循环稀释，将脱氢脱水气体回流作为步骤1)中的脱氢氦气；5)外排盈余，当脱氢脱水气体的氢气含量降低至预定值，将一部分脱氢脱水气体向本系统外送出；
步骤1)通过调整加入氧气量以控制混合气体中的氧气含量，确保在步骤2)催化氧化反应在安全温度下进行。
[0022]本方案在对原料气体进行催化氧化之前，向其中充入了低氢含量的氦气，即脱氢氦气，实际生产中氢气不会完全做到百分之百去除，而是控制到一个含量值以下即算脱氢气氦气，以便对原料气体内氢气进行稀释，而稀释用的脱氢氦气来自脱氢脱水后回流的气体，以实现自给自足，避免从外部引入低氢氦气，能够显著降低成本和提高脱氢效率。[0023]在其后进行催化氧化的时候，由于氢气的含量变低，反应更加温和，产生的热量更少，即可实现催化氧化反应在温度较低的状态下完成，脱氢过程更加安全。[0024]本方案中对氢气进行稀释的气体就是最后希望得到的脱氢氦气，因此可以不需要考虑对引入的气体除杂的问题，另外本方案采用循环的方式，实现脱氢氦气能够实现自给自足并逐渐实现盈余的脱氢氦气；巧妙的在催化氧化之前通过引入低氢含量的氦气（脱氢氦气），将原料气体的浓度降低，其后进行的催化氧化反应得以在更加温和的状态下进行，反应的温度更低，低氢含量的氦气在反应之前就为反应的安全性做了保证，催化氧化过程的安全可靠性更高，脱氢效果更好。[0025]步骤2)，所述回流气体的氢气含量降低至预定值之前为控氧阶段，所述控氧阶段混合气体内的氧气含量随着回流气体的氢气含量的降低而逐渐调整，具体为：由图3可知，控氧阶段开始加氧到2%时间短，气体全循环，所有气体不排出，待氢气含量低于4%时，加氧
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气控制在氢气含量50%。到氢气含量达预定要求时（脱氢氦气的要求），才能开始逐渐外送脱氢氦气，外送开始后，原料气随之继续进入循环。在控氧阶段的后期氢气将越来越少，消耗的氧也越来越少。直到稀释阶段开始，氢气含量稀释至保持在4%以下，同时氧气含量重新上升，并保持在氢气含量的50%。
[0026]所述回流气体的氢气含量降低至预定值之后为稀释阶段，该稀释阶段所述混合气体内的氧气含量保持在一稳定的区间。具体的，控制混合气体中氧气含量为氢气含量的一半，且混合气体中氧含量不超过2%。[0027]在控氧阶段，保证安全温度下反应的方式是通过控制混合气体内氧气含量，使氧气含量比在氢氧充分反应的比例更低，回流气体继续脱氢，即通过少量多次的对混合气体内的氢气进行去除，避免单次反应温度过高；控制氧气的含量的方式通过向混合气体内加入氧气的流量动态调整，通过改变氧气的含量以使得整个反应保持在一个安全的反应温度下。
[0028]在控氧阶段，由于氢气被逐步去除，即代表氢气的含量在逐步降低，随着氢气含量的降低，相应向其中加入的氧气比例就可以增加，也同样能够保证在安全温度以下反应。[0029]随着对混合气体内逐步脱氢，混合气体内的氢气将越来越少，最终降低到设定值，此时氧气的含量也增加到与之适配的比例，此后进入稀释阶段，稀释阶段产出的脱氢氦气在满足作为回流气体稀释后，多余的脱氢氦气就作为产出盈余的脱氢氦气。此时通过对进入的原料气体进行稀释，以保证在安全温度以下反应。此后保持氧气含量与氢气含量的比例在动态平衡即可，如果原料气体内的氢氧比例有些许变化，相应调整进入氧气量即可。[0030]实施例2
如图2所示，一种富氢的氦尾气催化氧化脱氢系统包括依次连通的混合稀释单元、催化氧化单元、冷却分离单元和循环压缩单元。
[0031]所述混合稀释单元包括第一气体混合器1和第二气体混合器2，第一气体混合器1的进口包括供氧口和供氦口，所述第二气体混合器2的进口包括供料口和稀释口，所述第一气体混合器1的出口与所述稀释口连通。以便更好的对原料气体内氢的稀释量，使三种气体混合得以稳步进行。
[0032]所述第二气体混合器2与所述催化氧化器3之间设有第一流量计11和第一氢氧分析仪13，第一氢氧分析仪13结合可以知道内部气体氢氧含量比例，所述供氧口一端设有第二流量计9，第一流量和第二流量的结合可以知道供氧量，以便可以及时控制整个反应温度。所述第二气体混合器2的出口与所述催化氧化器3之间设有第一流量计11和阻火阀12。[0033]所述催化氧化单元包括催化氧化器3，该催化氧化器3的进口与所述第二气体混合器2的出口连通，便于氢氧能够及时充分的反应。
[0034]所述冷却分离单元包括冷却器4和分离器5，所述冷却器4的进口与所述催化氧化器3的出口连通，所述冷却器4的出口与所述分离器5的进口连通，以便在催化氧化反应之后将游离态的水冷却为固液态，以便在分离器5将水进行分离。本技术方案中冷却分离单元在压缩机6上下游都分别设置了一组。
[0035]通过混合稀释单元将氧气和脱氢氦气混合进入原料气体内，利用脱氢氦气实现将原料气体内的氢气浓度降低，其后低浓度的氢气和氧气可以在安全的较低温度下进行反应，整个脱氢过程更加安全高效，利用脱氢氦气循环供给，能够实现脱氢氦气自给自足的同
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时产有盈余。
[0036]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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