Abstract Raw natural gas is composed of several hydrocarbons, incombustible gases, such as nitrogen and helium, and impurities. While all the impurities are typically rejected at the beginning of the process, the removals of the two inert gases are postponed to last steps, where almost all the hydrocarbons except methane are already produced in an NGL recovery unit. Hence, NGL recovery, nitrogen removal and helium extraction steps are counted the most downstream units of the entire gas processing plant. This study investigates an integrated design and optimization of the three processes. In this paper, a novel process configuration, for co-production of sales gas, NGL and crude helium, is introduced. For this purpose, first we investigate and propose an efficient design to embed the helium extraction unit into a single-column nitrogen removal process. The proposed configuration is extended to an integrated process structure which combines nitrogen removal, NGL recovery and helium extraction units. The design reduces significantly the quantity of equipment as eliminating the need for the open refrigeration cycle and propane pre-cooling systems in NGL plants. High ethane and helium recovery, high nitrogen removal rate for different ranges of nitrogen, as well as the crude helium with high purity, are the outstanding potentials of the novel process. We finally optimize the key process parameters using the particle swarm optimization method to guarantee the minimum required work and present the economic evaluation of the new developed process.

中文翻译：

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一种用于氦气和 NGL 回收和脱氮的创新集成工艺

摘要 原天然气是由多种碳氢化合物、不可燃性气体如氮气、氦气和杂质组成。虽然所有杂质通常在过程开始时就被排除，但两种惰性气体的去除被推迟到最后一步，在那里，除了甲烷之外，几乎所有的碳氢化合物都已经在 NGL 回收装置中生产出来。因此，NGL 回收、脱氮和氦气提取步骤被视为整个气体加工厂的最下游单元。本研究调查了三个过程的集成设计和优化。在本文中，介绍了一种用于联合生产销售气、NGL 和粗氦的新工艺配置。以此目的，首先，我们研究并提出了一种将氦气提取装置嵌入到单塔脱氮工艺中的有效设计。建议的配置扩展到一个集成的工艺结构，它结合了脱氮、NGL 回收和氦提取单元。该设计显着减少了设备数量，因为无需在 NGL 工厂中使用开放式制冷循环和丙烷预冷系统。高乙烷和氦气回收率、不同范围氮气的高脱氮率以及高纯度的粗氦气是该新工艺的突出潜力。我们最终使用粒子群优化方法优化关键工艺参数，以保证所需的工作最少，并提供新开发工艺的经济评估。建议的配置扩展到一个集成的工艺结构，它结合了脱氮、NGL 回收和氦提取单元。该设计显着减少了设备数量，因为无需在 NGL 工厂中使用开放式制冷循环和丙烷预冷系统。高乙烷和氦气回收率、不同范围氮气的高脱氮率以及高纯度的粗氦气是该新工艺的突出潜力。我们最终使用粒子群优化方法优化关键工艺参数，以保证所需的工作最少，并提供新开发工艺的经济评估。建议的配置扩展到一个集成的工艺结构，它结合了脱氮、NGL 回收和氦提取单元。该设计显着减少了设备数量，因为无需在 NGL 工厂中使用开放式制冷循环和丙烷预冷系统。高乙烷和氦气回收率、不同范围氮气的高脱氮率以及高纯度的粗氦气是该新工艺的突出潜力。我们最终使用粒子群优化方法优化关键工艺参数，以保证所需的工作最少，并提供新开发工艺的经济评估。该设计显着减少了设备数量，因为无需在 NGL 工厂中使用开放式制冷循环和丙烷预冷系统。高乙烷和氦气回收率、不同范围氮气的高脱氮率以及高纯度的粗氦气是该新工艺的突出潜力。我们最终使用粒子群优化方法优化关键工艺参数，以保证所需的工作最少，并提供新开发工艺的经济评估。该设计显着减少了设备数量，因为无需在 NGL 工厂中使用开放式制冷循环和丙烷预冷系统。高乙烷和氦气回收率、不同范围氮气的高脱氮率以及高纯度的粗氦气是该新工艺的突出潜力。我们最终使用粒子群优化方法优化关键工艺参数，以保证所需的工作最少，并提供新开发工艺的经济评估。是新工艺的突出潜力。我们最终使用粒子群优化方法优化关键工艺参数，以保证所需的工作最少，并提供新开发工艺的经济评估。是新工艺的突出潜力。我们最终使用粒子群优化方法优化关键工艺参数，以保证所需的工作最少，并提供新开发工艺的经济评估。