[发明专利]用于从含有二氧化碳的进料流回收氦的系统和方法

说明书

发明背景

本发明提供了从含有二氧化碳的进料流得到富氦的产物部分的系统和方法。

存在许多为油气工业供应富二氧化碳的气体流的高压气田。总的来说，这些流的二氧化碳(CO₂)含量大于50体积%，并且通常为约60-约98体积%。此外，气体混合物通常含有甲烷(例如约0.1-约20体积%)、氮(最多约30体积%)、少量的氩、氢和更重质的烃，以及最多约1体积%的氦部分。这些富CO₂的气体流用于增强油回收(EOR)的工业，而且当经济上合理时将相关的烃任选回收。

氦用于多种应用，包括例如低温过程、加压和吹扫系统、保持受控的气氛和焊接。然而，由于氦正变得日益稀缺，正考虑回收氦的新方式，包括回收包含在这些富CO₂的流中的少量的氦。为此，必须回收具有足够的组成和压力的产物流，供氦纯化和液化过程中的进一步处理。回收的富氦的产物部分则应具有在氮中至少约35体积%的氦含量，优选大于50体积%，具有仅痕量的CO₂。

由于CO₂的三相点为-56.6℃，借助通过低温蒸馏过程进行的相分离的纯化过程可进行CO₂与进料气体混合物的仅粗分离。CO₂分离还可通过其它方法进行，例如胺洗涤、甲醇洗涤或吸附过程例如压力摇摆吸附(PSA)，但是在商业上和经济上期望使氦和CO₂的回收最大化和使功率要求最小化的改进的过程。

美国专利号3,653,220描述了从含有天然气的进料回收氦，其中使用低温分离单元上游的CO₂ PSA，除去进料中的CO₂(约22体积%)。然而，从天然气进料回收氦比从具有大于50体积% CO₂的进料回收氦简单，因为在回收过程中可较早采用低温分离以产生纯氦。

美国专利号3,740,962与前面的过程类似，除了使用胺洗涤单元从天然气进料除去CO₂，并且随后经由使用外部制冷剂来冷凝进料气体的低温分离过程，将粗品氦与主要甲烷流分离。

WO 2010/060533描述了使用低温分离过程从含有氦的天然CO₂来源大量分离CO₂，带有进一步下游氦纯化。DE 102008007925描述了通过部分冷凝进料从含有氦、氮和甲烷的进料回收氦，和随后分离成为富氦部分和贫氦部分。

本发明提供了一种从CO₂进料回收氦的改进的方法，同时优选回收进料中的至少98%的氦成为氦产物，优选将进料中的至少99%的CO₂回收返回管线，使功率要求最小化，并且通过在氦回收过程内任选排出氮以满足下游管线的CO₂组成要求。

发明概述

本发明提供了从进料回收氦的系统和方法，所述进料包含氦、二氧化碳和至少一种挥发度在氦和二氧化碳的挥发度之间的中间组分。特别是，本发明的方法包括在大于-82.7℃的温度下使二氧化碳和具有中间挥发度的组分与氦分离，以形成富氦的产物流，其中在富氦的产物流中至少一种中间组分的浓度低于其在进料流中的浓度，并且其中至少部分所述分离通过使蒸气与液体接触而实现。用于从包含氦和至少50摩尔%CO₂的进料流回收氦的本发明的系统包含：(i) 包含蒸馏塔的第一分离器，其设置为将进料流分离成为第一富氦的流和第一富CO₂的流，其中至少部分进料流在中间位置进入蒸馏塔；(ii) 一个或多个换热器，其设置为冷却进料流和加热第一富氦的流和第一富CO₂的流；(iii) 第二分离器，其设置为将一部分第一富CO₂的流分离成为液体部分和蒸气部分和将液体部分再循环至蒸馏塔的顶部；(iv) 压缩机，其设置为压缩第一富CO₂的流的未分离部分和第一富CO₂的流的已分离部分的蒸气部分，以形成富CO₂的产物流；和任选(v) 第三分离器，其设置为分离第一富氦的流，以形成富氦的产物流和贫氦的流。