二氧化碳气田气中氦气的分离提纯研究

论文总字数：27605字

摘 要

氦气是一种利用价值非常高的气体，是一种重要的战略型物资，该气体已经在国防领域、高科技领域有了广泛的应用。

本文通过选择某二氧化碳气田气作为研究对象，通过膜分离耦合低温方法对原料气中的氦气进行分离提纯。选择工业系统中常用的聚氟乙烯高分子膜作为分离提纯该原料气中氦气的膜分离材料，聚偏二氯乙烯高分子膜作为最后提纯氦气的膜分离材料。使用Aspen HYSYS过程模拟软件进行分离流程的模拟计算，分析了影响氦气回收率变化的因素，为实际生产分离二氧化碳气田中的氦气组分提供理论依据。

本文通过改变进气压力与进气流量，模拟计算得出提高进气压力可以提高氦气回收率，渗透侧氦气浓缩倍数，He/CO₂分离系数，但高于4000kPa时浓缩倍数与分离系数会有所下降，提高进气压力会降低氦气回收率与He/CO₂分离系数，但降低的幅度只有3.69%与1.92%，并且能够提高渗透侧氦气浓缩倍数。

本文对已有氦气工业分离系统进行优化设计，并置于Aspen HYSYS进行模拟分析，模拟得出的氦气浓度为99.92%。

关键词：氦气；膜分离；分离系数；模拟计算；HYSYS

Abstract

Helium is a high-value utilization of gases and an important strategic material. The gas has a wide range of applications in the field of natural defense，as well as the high-tech field.

By selecting a carbon dioxide gas as a research object, the helium gas in the feed gas was separated and purified by the membrane separation coupling low temperature method. The polyvinyl fluoride hollow fiber membrane commonly used in the industrial system was selected to separate and purify helium from the feed gas, and the polyvinylidene chloride hollow fiber membrane was selected as the final purification of helium membrane separation material. And the use of Aspen HYSYS process simulation software for the separation process simulation analysis, getting the impact of helium recovery rate changes Factor for the actual production of carbon dioxide gas in the separation of helium components, in order to provide a theoretical basis.

According to changing the inlet pressure and the intake air flow, it is shown that the increase of the intake air pressure can improve the recovery rate of helium, the concentration of helium, the He/CO₂separation coefficient, but higher than 4000kPa. The decrease in helium recovery and the He/CO₂separation coefficient decreased by 3.69% and 1.92%, respectively, and the concentration of helium could be increased.

The helium industrial separation system has been optimized and placed in Aspen HYSYS for simulation analysis. The simulated helium concentration is 99.92%.

Key Words: Helium; Membrane separation; Separation coefficient; Simulation; HYSYS

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2气体分离技术的进展 2

1.2.1膜分离技术 2

1.2.2 PSA气体分离技术 3

1.2.3超临界气体萃取分离技术 3

1.2.4超重力气体分离技术 3

1.3常见氦气分离提纯方法 4

1.3.1低温精馏法 4

1.3.2化学吸附法 4

1.3.3选择吸附法 5

1.3.4薄膜扩散法 5

1.4选择膜分离技术的原因 5

1.5小结 6

第二章 在HYSYS中的初期膜分离模拟 7

2.1膜分离器选择 7

2.2中空纤维式膜分离器的数学模型 7

2.2.1中空纤维式膜分离器数学模型 8

2.2.2中空式膜分离器在Aspen HYSYS中的模拟分析计算 9

2.3模拟环境变化对氦气分离效率的影响 16

2.3.1进气压力变化对氦气分离效率的影响 16

2.3.2进气流量变化对氦气分离效率的影响 22

2.4小结 26

第三章 在HYSYS中进行工业流程模拟 27

3.1工业系统流程 27

3.2基于Aspen HYSYS模拟实际工业流程 28

3.3小结 33

第四章 结果与讨论 34

4.1结论 34

4.2本文创新点与展望 35

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1引言

氦气是一种利用价值十分显著的化学产品，在整个宇宙中，氦气的含量只比氢气少，且世界上只有氢气比氦气轻，不同的是氦气不可燃，这项特性使得氦气能在气象气球，飞艇行业中发挥不可替代的作用；同时，氦气具有高比热的性能并且拥有优良的导热能力，因此氦气可在光纤生产中作为气态冷却介质。另外氦气还具有低溶解性和低沸点等特点，使其能充分在深海呼吸气领域和低温超导领域发挥作用。由于氦气还具有低沸点和惰性的特点，目前在以液氢作为燃料的航天运载火箭发射工程中被广泛使用在管路安全置换、火箭贮箱安全置换和增压补气。可谓是应用之广，作用之大，因此氦气的全球战略意义十分巨大^[1-3]。

目前已发现氦的含量微乎其微，早就已经出现了供不应求的现象。现在发现其主要存在于天然气中，但其中可以利用的氦气含量也比较少。例如，在全球范围内，目前产氦量最多的是美国中东部地区，天然气中氦的含量也只有0.8%，然而在中国，这个比例只有0.2%，因此提纯要求高，天然气中除了甲烷和其他碳氢化合物外，还含有少量的氮气，水蒸气，二氧化碳等气体。因此从中提取纯度较高的氦气要充分考虑其与二氧化碳，氮气等的分离。

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