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CN106052300B - 气体纯化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体纯化系统，其包括：预降温装置、冷凝降温装置、气液分离装置和低温吸附装置，待纯化气体经预降温装置预降温后流入冷凝降温装置以将待纯化气体部分液化形成气液混合物，气液分离装置用于将气液混合物进行气液分离形成初步纯化气体和冷凝液，低温吸附装置用于对初步纯化气体进行二次提纯形成纯化气体，纯化气体和冷凝液一起为预降温装置提供降温冷源。

Description

气体纯化系统
技术领域
本发明涉及气体回收技术，特别涉及一种气体纯化系统。
背景技术
氦是一种无色、无味的惰性气体，化学性质极其稳定，一般情况下不与任何元素化合。氦具有很低的临界温度，是自然界中最难液化的气体；在所有的气体中，氦的沸点最低，4He的标准沸点仅为4.224K。同时，氦还具有较高的比热、热导率及低密度等热物理性质(仅次于氢气)。因其独特的热物性，氦被广泛应用于低温、超导(NMR，MRI等)、加压置换、焊接保护气氛、检漏、呼吸混合气等方面，它和空间技术、半导体、超导、光纤等工业的发展密切相关。
氦应用如此之广泛，但是氦是一种稀缺的不可再生资源，在空气中含量仅为4～5.6ppm，而且其提取过程非常困难，因此主要从天然气中提取微量的氦气。我国是一个贫氦国家，几乎全部的氦气来源于国外进口，随着低温技术的不断进步，我国对氦的需求量日益增大，一旦美国收紧氦的出口，届时会因无氦供应导致现有的许多相关的科研和医疗项目无法实施，影响非常严重。因此，为了节约氦气资源，必须对氦气资源进行回收纯化。
实际应用中，除氦气外，氢气等气体资源也迫切需要回收纯化装置。
鉴于此，本发明亟需解决上述技术问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种对回收废气进行纯化后能够重新利用的气体纯化系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种气体纯化系统，其包括：预降温装置、冷凝降温装置、气液分离装置和低温吸附装置，待纯化气体经预降温装置预降温后流入冷凝降温装置以将待纯化气体部分液化形成气液混合物，气液分离装置用于将气液混合物进行气液分离形成初步纯化气体和冷凝液，低温吸附装置用于对初步纯化气体进行二次提纯形成纯化气体，纯化气体和冷凝液一起为预降温装置提供降温冷源。
其中，气体纯化系统进一步包括节流阀，节流阀设置于气液分离器和预降温装置之间冷凝液的流经路径上用于降低流经节流阀后的冷凝液的压力进而降低冷凝液的相变温度。
其中，预降温装置为三股流换热器，用于对待纯化气体、纯化气体和冷凝液三种流体进行换热，待纯化气体经预降温装置预降温后流入冷凝降温装置降温至部分液化，经气液分离装置气液分离后冷凝液流经预降温装置后排放，初步纯化气体经低温吸附装置二次提纯后形成的纯化气体进一步流经预降温装置后通过集束管收集。
其中，待纯化气体的压力大于15bara。
其中，经节流阀降压后，冷凝液的压力为0～5bara。
其中，经节流阀降压后，冷凝液的压力为0～1.5bara。
其中，气体纯化系统进一步包括液氮保温容器，冷凝降温装置、气液分离装置和低温吸附装置浸泡于液氮保温容器中，待纯化气体在冷凝降温装置中降温至露点温度后待纯化气体部分液化形成气液混合物。
其中，低温吸附装置是活性炭吸附装置。
其中，气体纯化系统进一步包括回收气囊、压缩机、油水分离装置和干燥装置，回收气囊用于存储回收气体，回收气体经压缩机压缩后再由油水分离装置去除油分和压缩后产生的水分，然后由干燥装置进一步去除水分和二氧化碳形成待纯化气体。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明气体纯化系统利用两级降温装置对待纯化气体进行降温，第一级降温装置为预降温装置，其利用纯化后在较冷的环境中提取生成的纯化气体和纯化过程中生成的冷凝液作为降温冷源对待纯化气体进行预降温，不仅将现有的废液进行了能量的回收利用，而且与无预降温装置的纯化系统相比或者与仅有纯化气体作为预降温装置冷源的纯化系统相比大大降低了第二级降温装置-冷凝降温装置的冷源损耗。综上，本发明不仅提供了一种回收废气的气体纯化系统，且相较于传统的气体纯化系统大大节省了冷源的损耗，具有极高的经济价值。
附图说明
图1是本发明气体纯化系统一较佳实施例的结构示意图；
图2是仅将纯化气体作为预降温装置冷源以压力条件为150bara，He-N2组分的污氦气为例，对氦气冷凝纯化时液氮的消耗量与氦气入口纯度的关系曲线；
图3是与图2相同的条件下提纯氦气过程中氦气的入口纯度与冷凝液量的关系曲线；
图4是将纯化气体和冷凝液共同作为预降温装置冷源以压力条件为150bara，He-N2组分的污氦气为例，对氦气冷凝纯化时冷凝液回热压力与液氮消耗量的关系曲线。
具体实施方式
请参照图1，本发明气体纯化系统100包括回收气体预处理机构、预降温装置10、冷凝降温装置20、气液分离装置30、低温吸附装置40、集束管50、节流阀60、液氮保温容器70。
回收气体预处理机构为常温处理机构，具体包括回收气囊81、压缩机82、油水分离装置83和干燥装置84。回收气囊81用于存储回收气体。回收气囊81和压缩机82之间通过管道C1连通，压缩机82和油水分离装置83之间通过管道C2连通，油水分离装置83和干燥装置84之间通过管道C3连通。管道C1上安装阀门S1，当阀门S1打开时，回收气囊81中存储的回收气体经过管道C1输送至压缩机82，压缩机82用于对回收气体增压，增压的目的之一是为后续提纯提供高压气源，另一目的是将部分气体液化，以通过油水分离装置83去除一部分杂质。油水分离装置83用于对回收气体去除油分和压缩后产生的水分，干燥装置84进一步去除水分和二氧化碳形成待纯化气体。
预降温装置10、冷凝降温装置20、气液分离装置30、低温吸附装置40、集束管50、节流阀60以及液氮保温容器70共同构成气体纯化系统100的低温提纯处理机构。本实施例中，预降温装置10供待纯化气体与纯化气体和冷凝液进行热交换，后文将进一步详述。液氮保温容器70中盛放足够多的液氮，冷凝降温装置20、气液分离装置30和低温吸附装置40浸泡于液氮保温容器70中，为低温提纯提供冷源。液氮保温容器70可以通过真空密封的形式进行液氮保温也可以通过在液氮保温容器外包裹绝热材料的方式对液氮进行保温。
在其他的实施例中，亦可以省略液氮保温容器的设置，而将冷凝降温装置20、气液分离装置30和低温吸附装置40均设置为自带冷源的装置以确保气体冷凝纯化的顺利进行。
回收气体经回收气体初处理装置初步处理后形成待纯化气体，待纯化气体经预降温装置10降温后流入冷凝降温装置20以将待纯化气体部分液化形成气液混合物，气液分离装置30用于将气液混合物进行气液分离形成初步纯化气体和冷凝液，低温吸附装置40用于对初步纯化气体进行二次提纯形成纯化气体，纯化气体和冷凝液一起为预降温装置提供降温冷源。
具体地，本实施例中，预降温装置为三股流换热器，用于对待纯化气体、纯化气体和冷凝液三种流体进行换热；预降温装置10通过管道C9连通干燥装置84，通过管道C8连通冷凝降温装置20的一端，通过管道C6连通气液分离装置30的底端，通过管道C7连通低温吸附装置40的一端；冷凝降温装置20的另一端通过管道C4连通气液分离装置30；气液分离装置30的顶端通过管道C5连通低温吸附装置40的另一端。
自干燥装置84输出的待纯化气体经管道C9后到达预降温装置10预降温，进一步地经管道C8后流入冷凝降温装置20降温至露点温度后将其中的部分气体液化，之后呈气液混合状态的待纯化气体经管道C4输入气液分离装置30中。其中，优选地，待纯化气体的压力为15～150bara。气液分离装置30将气液混合物进行气液分离后通过管道C5将初步纯化气体输入至低温吸附装置40中以及通过管道C6将冷凝液输出，冷凝液流经管道C6后到达预降温装置10为预降温装置10提供冷源，随后流出预降温装置10将其排放。低温吸附装置40中填充活性炭，为活性炭吸附装置，活性炭在高压低温下吸附初步提纯气体中剩余的杂质完成对待纯化气体的二次提纯，二次提纯后生成纯化气体，纯化气体经管道C7流入预降温装置10为预降温装置10提供冷源，纯化气体流出预降温装置10后通过集束管50保存纯化气体。
由于冷凝液和纯化气体都是在较冷的环境下生成的，它们的温度小于由干燥装置84输出的待纯化气体的温度，二者共同为预降温装置10提供冷源，相比无冷源或仅有纯化气体作为冷源的情形都将大大降低流出预降温装置后的待纯化气体的温度，进而降低在冷凝降温装置20中进一步降温所需要的冷源损耗。
在不考虑漏热的情况下，该方法对于液氮的消耗主要有两部分：冷凝纯化消耗及低温吸附消耗。其中氦冷凝对液氮的消耗是由于冷凝换热装置2浸泡于液氮中，需要消耗液氮潜热来将待纯化气体进一步冷却至露点温度；低温吸附的消耗主要用于吸收吸附热，由于低温吸附装置入口杂质含量低于1％V，因此这部分液氮消耗很少。
待纯化气体在冷凝提纯的流程中通常采用压缩后的气体，具有较大的压力，因此气液分离步骤中所产生的冷凝液的压力必然较大，其压力也在15～150bara之间。当冷凝液的压力越大，其气液相变温度越高，越不利于冷凝液朝外部释放能量。通过设置节流阀60的方式来提高冷凝液的释放能量。节流阀60设置于气液分离装置30和预降温装置10之间冷凝液的流经路径即管道C6上，节流阀60用于降低冷凝液流经节流阀60后的压力进而降低冷凝液的相变温度。随着冷凝液的压力逐渐减小冷凝液的气液相变温度逐渐降低，有利于冷凝液朝外部释放能量。实验结果证明，当冷凝液的压力小于5bara时，不同纯度的待纯化气体提纯所需的冷源损耗量相较于冷凝液的压力大于15bara时至少能够节省30％，因此，优选地，经所述节流阀降压后，所述冷凝液的压力为0～5bara。当冷凝液的压力小于1.5bara时，不同纯度的待纯化气体提纯所需的冷源损耗量相较于冷凝液的压力大于15bara时至少能节省80％，因此，更加优选地，经所述节流阀降压后，所述冷凝液的压力为0～1.5bara。
下面，将以污氦气回收提纯为例对比将冷凝液作为预降温装置10的冷源前后液氮消耗量的变化。以压力为150Bara的He-N2组分的污氦气为例，当没有将冷凝液作为预降温装置10的冷源利用时，对氦气冷凝纯化量100Nm3/h(纯氦气量约5g/s)时所需的液氮量如图2所示，可以看出，随着污氦气入口纯度的降低，冷凝换热器消耗的液氮量迅速增加，95％V纯度工况下需要消耗的液氮量为15.6L/h，90％V纯度工况下需要消耗的液氮量为35L/h，80％V纯度工况下需要消耗的液氮量为80L/h，而70％V纯度工况下需要消耗的液氮量达到约135L/h。此时，如图3所示，在液氮消耗量增加的同时，大量的杂质冷凝液冷量没有得到利用。当氦气纯度为70％时有近15g/s(约66L/h)的冷凝液被浪费，当氦气纯度为80％时有近8.5g/s的冷凝液被浪费，当氦气纯度为90％时有近4g/s的冷凝液被浪费，当氦气纯度为95％时有近2g/s的冷凝液被浪费。
将冷凝液作为预降温装置的冷源利用后，由图4可以看出，当回热压力为150bara时，入口纯度95％V的污氦气液氮消耗量为6L/h，入口纯度90％V的污氦气液氮消耗量为13L/h，入口纯度80％V的污氦气液氮消耗量为25L/h，入口纯度70％V的污氦气液氮消耗量为38L/h。综上所述，将冷凝液和纯化气体共同作为预降温装置的冷源，即便冷凝液的回热压力不调整，相对于仅将纯化气体作为预降温装置的冷源也可以减少液氮的消耗量超过50％。
冷凝液回热压力对于液氮消耗量有非常大的影响，通过调整节流阀可以调整冷凝液的回热压力。当回热压力为5bara时，入口纯度95％V的污氦气液氮消耗量为4.5L/h，入口纯度90％V的污氦气液氮消耗量为4.5L/h，入口纯度80％V的污氦气液氮消耗量为5L/h，入口纯度70％V的污氦气液氮消耗量为6L/h。综上，当回热压力下降到5bara时，污氦气的入口纯度越低，液氮的消耗量减少程度越明显。
当回热压力为1.5bara时，入口纯度95％V的污氦气液氮消耗量为2.4L/h，相对于仅将纯化气体作为预降温装置的冷源减少液氮消耗98％；而对于入口纯度70％V的污氦气液氮消耗量为1.5L/h，相对于仅将纯化气体作为预降温装置的冷源减少液氮消耗达98.9％。
以上，仅列举了污氦气纯化的实施例，实际应用中，本发明纯化系统还可以用来提纯污氢气等。
区别于现有技术，本发明气体纯化系统100利用两级降温装置对待纯化气体进行降温，第一级降温装置为预降温装置10，其利用纯化后在较冷的环境中提取生成的纯化气体和纯化过程中生成的冷凝液作为降温冷源对待纯化气体进行预降温，不仅将现有的废液进行了能量的回收利用，而且与无预降温装置的纯化系统相比或者与仅有纯化气体作为预降温装置冷源的纯化系统相比大大降低了第二级降温装置-冷凝降温装置的冷源损耗。综上，本发明不仅提供了一种回收废气的气体纯化系统，且相较于传统的气体纯化系统大大节省了冷源的损耗，具有极高的经济价值。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种气体纯化系统，其特征在于，所述气体纯化系统包括：预降温装置、冷凝降温装置、气液分离装置和低温吸附装置，待纯化气体经所述预降温装置预降温后流入所述冷凝降温装置以将所述待纯化气体部分液化形成气液混合物，所述气液分离装置用于将所述气液混合物进行气液分离形成初步纯化气体和冷凝液，所述低温吸附装置用于对所述初步纯化气体进行二次提纯形成纯化气体，所述纯化气体和所述冷凝液一起为所述预降温装置提供降温冷源；所述气体纯化系统进一步包括节流阀，所述节流阀设置于所述气液分离装置和所述预降温装置之间冷凝液的流经路径上用于降低流经所述节流阀后的所述冷凝液的压力进而降低所述冷凝液的相变温度。
2.根据权利要求1所述的气体纯化系统，其特征在于，所述预降温装置为三股流换热器，用于对待纯化气体、纯化气体和冷凝液三种流体进行换热，所述待纯化气体经所述预降温装置预降温后流入所述冷凝降温装置降温至部分液化，经所述气液分离装置气液分离后所述冷凝液流经所述预降温装置后排放，所述初步纯化气体经所述低温吸附装置二次提纯后形成的纯化气体进一步流经所述预降温装置后通过集束管收集。
3.根据权利要求1所述的气体纯化系统，其特征在于，所述待纯化气体的压力大于15bara。
4.根据权利要求3所述的气体纯化系统，其特征在于，经所述节流阀降压后，所述冷凝液的压力为0～5bara。
5.根据权利要求4所述的气体纯化系统，其特征在于，经所述节流阀降压后，所述冷凝液的压力为0～1.5bara。
6.根据权利要求1所述的气体纯化系统，其特征在于，所述气体纯化系统进一步包括液氮保温容器，所述冷凝降温装置、气液分离装置和低温吸附装置浸泡于所述液氮保温容器中，所述待纯化气体在所述冷凝降温装置中降温至露点温度后所述待纯化气体部分液化形成气液混合物。
7.根据权利要求1所述的气体纯化系统，其特征在于，所述低温吸附装置是活性炭吸附装置。
8.根据权利要求1所述的气体纯化系统，其特征在于，所述气体纯化系统进一步包括回收气囊、压缩机、油水分离装置和干燥装置，所述回收气囊用于存储回收气体，所述回收气体经所述压缩机压缩后再由油水分离装置去除油分和压缩后产生的水分，然后由所述干燥装置进一步去除水分和二氧化碳形成所述待纯化气体。
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