本发明涉及一种直接从天然气中获取高纯氦气的设备及工艺，直接从天然气中获取高纯氦气的设备包括精密滤油器、膜分离系统、酸气脱除单元、精脱硫单元、脱氢单元、再净化系统以及低温杂质脱除单元。本发明根据国内资源现状，主要用于解决贫氦、特贫氦天然气中的氦气提纯，采用多级膜分离+低温吸附工艺实现了贫氦天然气提取并获得高纯氦气或液氦，能直接从贫氦、特贫氦气田(0.03‑0.1％He)的净化天然气中提取氦气并纯化为高纯氦(99.999％)；本发明在低温纯化前设置净化单元将CO2、H2O彻底脱除并采用非渗透尾气进行再生，无N2杂质进入工艺气中，通过合理布置COS水解及脱氢反应位置避免了工艺流程的“冷热病”问题，能彻底脱除杂质Ar、Ne等从而有效保证氦气纯度。