[實(shí)用新型]一種氦氣低溫純化裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201520231079.9
• 申請日: 2015-04-16
• 公開（公告）號: CN204588705U
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張卓;李少鵬;葛銳;韓瑞雄;張建琴;李瑋;劉亞萍;張潔浩;桑民敬;葉瑞;邊琳;孫良瑞;徐妙富;張益誠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院高能物理研究所;京安古貝（北京）科技有限公司
• 主分類號: C01B23/00
• 分類號: C01B23/00
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 司立彬

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種氦氣低溫純化裝置，具體應(yīng)用于氦氣純化系統(tǒng)中，屬于低溫氦氣純化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氦氣是一種價(jià)格十分昂貴的稀有氣體，它在空氣中含量極少，僅為百萬分之五。世界上僅有部分天然氣礦中有少量相對富集的氦氣資源，氦氣資源集中在極少數(shù)國家手中。在大型低溫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，氦氣氣體中的雜質(zhì)氣體將附著在低溫?fù)Q熱器的表面，影響換熱器換熱效率。氦制冷機(jī)的核心設(shè)備是透平膨脹機(jī)，他的運(yùn)行速度為每秒4500轉(zhuǎn)，氦氣雜質(zhì)氣體在低溫下為液態(tài)或固態(tài)，若進(jìn)入膨脹機(jī)將直接對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的透平膨脹機(jī)造成點(diǎn)蝕破壞，造成嚴(yán)重故障。所以氣體純度直接與制冷機(jī)制冷能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)，低溫系統(tǒng)運(yùn)行對氦氣純度有十分嚴(yán)格的要求。低溫制冷機(jī)對氦氣的純度要求達(dá)到5N9以上。在低溫系統(tǒng)的長期運(yùn)行過程中，由于反擴(kuò)散效應(yīng)、螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行、氦氣補(bǔ)充等等原因，氦氣的純度會逐漸下降，氦氣中逐漸混有較多的雜質(zhì)氣體(如H2、O2、N2、O2、Ne、H2、及油蒸氣等)。在每次停機(jī)期間，都必須利用氦氣純化器，將氦氣氣體中的各種雜質(zhì)氣體去除，使雜質(zhì)氣體的總含量低于10PPMv。

現(xiàn)有的氦氣提純方法有膜分離法、化學(xué)催化法、吸附法、低溫分離法。膜分離法利用物理膜的孔徑和混合氣體的濃度差進(jìn)行分子級別的選擇性滲透，純度僅能達(dá)到99％左右。化學(xué)催化法利用觸媒在高溫下與氦氣中的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)吸收，純度能達(dá)到99.999％以上，但不能重復(fù)再生使用。低溫分離法采用冷凝的方法進(jìn)行分離，需要建立40K以下的低溫冷凝環(huán)境，對工藝流程和設(shè)備要求高。專利申請CN201220093601.8公開一種低溫吸附回收氦氣裝置。該裝置包括：原料氣壓縮機(jī)及其冷卻系統(tǒng)，放置于小冷箱內(nèi)的外部冷卻系統(tǒng)，并使用制冷劑冷卻增壓后的壓力混合氣。在一級冷凝和二級冷凝之間加入吸收塔，吸收氧、氬和一氧化碳，最后再吸附雜質(zhì)氮。專利申請CN201120518617.4公開一種氦氣純化裝置，包括純化系統(tǒng)和降溫系統(tǒng)。降溫系統(tǒng)包括液氮的管路系統(tǒng)，以及抽空該管路的抽真空設(shè)備，原料氦氣在干燥器中脫除水和二氧化碳，在高壓冷凝分離器中初步冷凝中脫除氮氧，在氮氧低溫吸附器中再精脫氮氧雜質(zhì)。

吸附法是氦氣純化中經(jīng)典的純化方法，通過選擇吸附劑、吸附溫度來達(dá)到不同的氦氣純度，能達(dá)到99.999％為活性炭低溫吸附方法。現(xiàn)有的活性炭低溫吸附法均利用活性炭在低溫?下能吸附大量氣體的特性，吸附氦氣氣體中的氮?dú)狻⒀鯕狻⑺魵饧疤細(xì)浠衔锏入s質(zhì)氣體，達(dá)到氦氣純化的目的，整個(gè)純化過程為物理吸附。活性炭吸附飽和后的再生需要達(dá)到一定的溫度，而活性炭本身為易燃體，過高的加熱溫度將導(dǎo)致活性炭自燃，所以在加熱過程中一般需要控制熱源的最高溫度不超過135攝氏度；同時(shí)由于活性炭的熱導(dǎo)率偏低，即其本身為熱不良導(dǎo)體，活性炭本身為熱不良導(dǎo)體，很難加熱再生，因此采用吸附法的純化器都會采用一套復(fù)雜的流程和設(shè)備來減輕低溫活性炭吸附的壓力。

實(shí)用新型內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是要提出一種可再生循環(huán)使用的氦氣低溫純化裝置。本實(shí)用新型從提高吸附劑的再生效果為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造性的改進(jìn)了活吸附筒的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)。在確保氦氣純度達(dá)到99.999％以上的吸附前提下，不增加分級冷凝、吸收塔、干燥器等設(shè)備，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，氦氣經(jīng)過換熱器換熱后，能在不增加其他附屬設(shè)備的前提下，直接進(jìn)行低溫吸附純化，活性炭吸附飽和后，能進(jìn)行充分的再生，實(shí)現(xiàn)純化器的高效循環(huán)使用。

本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容為：

一種氦氣低溫純化裝置，其特征在于，包括外筒1、換熱器2、液氮杜瓦外筒3、整筒式吸附筒4和加熱器7；其中，所述外筒1設(shè)有一開口，沿該開口向內(nèi)設(shè)有一中心管，所述整筒式吸附筒4內(nèi)設(shè)有一加熱區(qū)和多個(gè)吸附區(qū)，所述整筒式吸附筒4浸泡在所述液氮杜瓦外筒3內(nèi)部；所述中心管一端外壁與該開口密封連接，另一端穿過所述液氮杜瓦外筒3與所述整筒式吸附筒4的加熱區(qū)密封導(dǎo)通連接，所述加熱器7沿所述中心管插入到所述加熱區(qū)內(nèi)；所述換熱器2、液氮杜瓦外筒3分別與所述中心管密封連接，所述液氮杜瓦外筒3與所述外筒1之間采用多層真空絕熱；所述加熱器2的進(jìn)氣管與所述整筒式吸附筒4的進(jìn)氣口密封導(dǎo)通連接，所述加熱器2的出氣管與所述整筒式吸附筒4的出氣口密封導(dǎo)通連接。

進(jìn)一步的，所述加熱區(qū)位于所述整筒式吸附筒4的中心軸區(qū)域，所述吸附區(qū)為圍繞所述加熱區(qū)分布的扇形區(qū)域；其中，相鄰吸附區(qū)通過底部或頂部的開口導(dǎo)通。

進(jìn)一步的，所述加熱器2的進(jìn)氣管與所述整筒式吸附筒4的進(jìn)氣口之間設(shè)有過濾器；所述加熱器2的出氣管與所述整筒式吸附筒4的出氣口之間設(shè)有過濾器。