### 低温精馏法提纯氦气装置的主要设备  

低温精馏法提纯氦气的装置需实现“原料气预处理-深冷液化-精馏分离-氦气精制-制冷剂循环”全流程，其核心设备按功能可分为以下几类：  

#### 一、原料气预处理设备  

1. **压缩机**  

  - **作用**：提升原料气压力（通常至3-5MPa），降低气体沸点，便于后续深冷液化，同时为气体输送提供动力。  

  - **类型**：多采用离心式压缩机或往复式压缩机，需耐高压、低泄漏。  

2. **杂质脱除设备**  

  - **脱水装置**：如分子筛吸附塔（填充4A或5A分子筛），去除水蒸气，避免低温下结冰堵塞管道。  

  - **脱碳装置**：采用胺吸收塔（如MDEA溶液吸收）或变压吸附（PSA）装置，脱除CO₂（防止低温下生成干冰）。  

  - **脱硫装置**：通过氧化锌脱硫罐或湿法脱硫塔，脱除H₂S等硫化物（防止设备腐蚀及催化剂中毒）。  

3. **换热器**  

  - **作用**：对原料气进行初步冷却，回收冷量，降低后续深冷能耗。  

  - **类型**：板翅式换热器（高效紧凑，适用于低温场景）、管壳式换热器。  

#### 二、深冷液化与精馏核心设备  

1. **制冷系统设备**  

  - **多级制冷压缩机**：如丙烷压缩机、乙烯压缩机、液氮压缩机，通过压缩-冷凝-节流循环提供冷量，将原料气冷却至-196℃以下。  

  - **冷箱**：  

    - 核心低温设备，内部集成多层板翅式换热器，利用制冷剂（如液氮、乙烯）与原料气进行热交换，实现深冷液化。  

    - 采用真空绝热结构，减少冷量损失。  

2. **精馏塔系统**  

  - **主精馏塔**：  

    - **结构**：通常为填料塔或筛板塔，高度可达10-30米，内部填充高效低温填料（如金属丝网填料）或塔板。  

    - **作用**：将深冷液化后的气液混合物进行精馏分离，高沸点组分（N₂、O₂、CH₄等）在塔底液化排出，氦气从塔顶富集。  

  - **辅助精馏塔**：  

    - 若原料气含氢（如合成氨弛放气），需设脱氢精馏塔，通过深冷（-253℃）使氢气液化分离。  

3. **气液分离设备**  

  - **气液分离器**：安装于精馏塔前后，分离气相中的液滴（如塔顶排出的氦气中夹带的液体），避免设备损坏。  

#### 三、氦气精制与提纯设备  

1. **催化反应器**  

  - **作用**：若氦气中含H₂，通过催化脱氢反应器（填充钯催化剂），使H₂与O₂反应生成H₂O，再通过干燥去除。  

2. **低温吸附器**  

  - 填充活性炭或分子筛，在低温下吸附残留的N₂、O₂、H₂O等杂质，进一步提升氦气纯度至99.999%以上。  

3. **产品压缩机与储罐**  

  - **氦气压缩机**：将提纯后的氦气压缩至高压（如15MPa），便于充装钢瓶或管道输送。  

  - **高压储罐**：采用真空绝热储罐，储存高压高纯氦气，满足后续充装需求。  

#### 四、制冷剂循环与辅助设备  

1. **制冷剂循环系统**  

  - **压缩机、冷凝器、节流阀**：构成制冷剂（如丙烷、乙烯、液氮）的闭式循环，重复利用冷量，降低能耗。  

2. **控制系统与仪表**  

  - **DCS（分布式控制系统）**：实时监控温度、压力、流量等参数（如精馏塔塔顶温度控制在-268℃左右），自动调节阀门与压缩机运行。  

  - **传感器**：低温热电偶（测量-270℃至0℃温度）、压力变送器、气体分析仪（在线检测氦气纯度）。  

3. **安全设备**  

  - **安全阀、爆破片**：防止系统超压；低温报警器（监测设备温度异常）；氧气检测仪（防止泄漏导致窒息风险）。  

#### 五、典型装置集成案例  

以**天然气提氦装置**为例，设备布局通常为：  

- 原料气经压缩机升压→脱水脱碳装置预处理→冷箱深冷液化→主精馏塔分离→塔顶氦气进入催化脱氢+低温吸附精制→高压压缩机充装至储罐。  

- 制冷剂（如液氮）通过独立的制冷循环系统为冷箱和精馏塔提供冷量，形成闭环。  

#### 六、设备技术难点与发展趋势  

- **难点**：  

 - 低温设备需耐-269℃超低温，材料选用不锈钢（如304L、316L）或铝合金，防止冷脆开裂。  

 - 精馏塔内气液两相平衡控制精度高，需精准调节回流比（液体回流量与馏出量的比值）以保证分离效率。  

- **趋势**：  

 - 设备集成化：如将冷箱、精馏塔、换热器集成于模块化撬装装置，便于运输和现场安装（如LNG-BOG提氦移动装置）。  

 - 节能优化：采用高效板翅式换热器（换热效率提升30%以上）、变频压缩机（按需调节能耗），降低深冷系统电耗。  

这些设备通过协同工作，实现从含氦原料气到高纯氦气的转化，其设计与选型直接影响氦气纯度、产能及生产成本。