CN118594191A - 一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，涉及氦气纯化技术领域，包括高低温循环设备、纯化器外筒、多级吸附筒、换热器和解吸真空泵；其中，高低温循环设备的输出端与多级吸附筒的输入端相连，用以为多级吸附筒提供≤0℃的低温环境以及≥80℃的高温环境；多级吸附筒的输出端与解吸真空泵相连；换热器设置于多级吸附筒的上方,且换热器和多级吸附筒均设于纯化器外筒中；通过高温解吸吸附筒、低温吸附杂质，可以实现对98.0％以上纯度的氦气进行纯化并产出不低于99.9999％的高纯氦气，很好地解决了常温变压吸附无法脱氖、常规低温纯化器使用液氮危化品的问题，具有更高的普适性和推广价值。

Description

一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置

技术领域

本发明涉及氦气纯化技术领域，具体涉及一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置。

背景技术

氦气是一种稀缺的战略资源，被广泛应用于低温超导、半导体生产、焊接及检漏等诸多工业领域。在高端制造和科研领域，氦气的纯度决定了产能的好坏和性能，因此能够提供更高纯度等级的氦气产品，成为各行业不断追求的目标。

在对氦气进行纯化时，传统的低温冷凝、精馏、吸附等工艺均需要用到液氮甚至更低的冷源环境，例如公开号为CN112902555A的专利文件公开了一种氦气低温纯化方法和装置、公开号为CN115571862A的专利文件公开了一种氦气低温纯化方法、公开号为CN201809168U的专利文件公开了一种带液空分离筒的氦气纯化装置，这些公开专利中都提供了液氮冷凝及吸附的纯化工艺，而这些工艺方法均需要使用液氮，但是液氮作为一种危化品，极易导致冻伤、窒息等危险。

公开号为CN113735079A的专利文件公开了一种常温提取超高纯度氦气的方法和生产装置，提到了使用两级变压吸附生产99.9999％以上纯度的超高纯氦气，然而，该方法虽然避免了液氮环境，但在常温吸附工艺中，随着吸附的进行，杂质的气体分压逐步降低，在实际操作中很难用于产出超高纯的氦气产品；尤其对于含氖氦气的纯化，常温吸附工艺很难对其进行脱除。

因此，如何开发并提供一种不使用液氮且成本更低、操作更容易的氦气有效的纯化方法和装置成为本领域亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，解决以下技术问题：

如何在非液氮环境下对氦气进行有效纯化？

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，包括高低温循环设备、纯化器外筒、多级吸附筒、换热器和解吸真空泵；其中，所述高低温循环设备的输出端与多级吸附筒的输入端相连，用以为多级吸附筒提供≤0℃的低温环境以及≥80℃的高温环境；所述多级吸附筒的输出端与解吸真空泵相连；所述换热器设置于所述多级吸附筒的上方,且换热器和多级吸附筒均设于纯化器外筒中；

还包括氦气输送管路，所述氦气输送管路包括输入管和输出管，所述输入管的一端位于纯化器外筒外部，另一端穿设于换热器的一侧并与多级吸附筒的一端相连；所述输出管的一端位于纯化器外筒外部，另一端穿设于换热器的另一侧并与多级吸附筒的另一端相连。

在本发明更进一步的方案中：所述高低温循环设备采用导热油向多级吸附筒进行传温，所述导热油的载温范围为-100～100℃。

在本发明更进一步的方案中：所述纯化器外筒为多层真空绝热结构，真空度≤0.01Pa。

在本发明更进一步的方案中：所述多级吸附筒包括多个吸附筒，所述吸附筒的数量为至少5个；多个所述吸附筒依次串联。

在本发明更进一步的方案中：所述换热器为板式换热器、套管换热器、列管换热器中的一种或几种。

在本发明更进一步的方案中：所述解吸真空泵用以在所述多级吸附筒处于高温环境时对多级吸附筒进行抽空，所述抽空压力≤1.0Pa。

在本发明更进一步的方案中：所述的多级吸附筒的工作压力≥1.0MPa。

优选的，所述多级吸附筒的工作压力为2.0-3.0MPa。

在本发明更进一步的方案中：所述的多级吸附筒内部装填有多层复合填料，用以对氦气中的杂质进行吸附，所述多层复合填料包括氧化铝、沸石、活性炭中的一种或多种。

在本发明更进一步的方案中：所述解吸真空泵通过分管与所述输入管相连，且所述分管、输入管以及输出管上均安装有控制阀门。

在本发明更进一步的方案中：所述控制阀门为电磁阀或气动阀。

本发明的有益效果：

本发明通过高温解吸吸附筒、低温吸附杂质，可以实现对98.0％以上纯度的氦气进行纯化并产出不低于99.9999％的高纯氦气，很好地解决了常温变压吸附无法脱氖、常规低温纯化器使用液氮危化品的问题，具有更高的普适性和推广价值；同时将低温的纯氦气通过换热器排出，可以使得低温的纯氦气对换热器另一侧进入的原料粗氦气进行冷却，使得粗氦气得以充分降温，且纯氦气携带的冷量得以充分利用，可以降低能耗，节约了使用成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种实施例中带高低温循环的氦气纯化装置的结构示意图。

图中：1、高低温循环设备；2、纯化器外筒；3、多级吸附筒；4、换热器；5、解吸真空泵；6、输出管阀门；7、输入管阀门；8、真空泵阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明为一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，包括高低温循环设备1、纯化器外筒2、多级吸附筒3、换热器4和解吸真空泵5；其中，多级吸附筒3和换热器4均安装于纯化器外筒2内部，且多级吸附筒3安装在纯化器外筒2底部，换热器4安装在多级吸附筒3上方；纯化器外筒2为多层真空绝热结构，其真空度≤0.01Pa，通过真空绝热可减少纯化器外筒2内部的热量损失，防止热量传递至纯化器外筒2的外部。

多级吸附筒3由5个自左向右并列设置的吸附筒构成，5个吸附筒依次通过连接管串联，吸附筒的数量不做具体限制，可以根据实际应用需求进行制定，在其它实施例中，吸附筒的数量也可以5个以上；吸附筒采用现有技术中申请号为202121195406.1的专利文件所公开的一种用于真空弄变温吸附的提纯塔结构；吸附筒内部均匀装填有多层复合填料，用以对氦气中的杂质进行吸附，多层复合填料为氧化铝、沸石、活性炭的混合物，也可以是其中一种或两种的混合物。

在多级吸附筒3的左端、即最左方的吸附筒下端连接有输入管，输入管穿设于上方的换热器4左侧后延伸至纯化器外筒2的外部，该输入管用以向多级吸附筒3中送入粗氦气；在多级吸附筒3的右端、即最右方的吸附筒上端连接有输出管，输出管穿设于上方的换热器4右侧后延伸至纯化器外筒2的外部，该输出管用以将经过多级吸附筒3纯化后的纯氦气输出；输出管上安装有输出管阀门6，输入管上安装有输入管阀门7，输出管与输入管共同构成了氦气输送管路。

在本实施例中，换热器4为板式换热器，但是换热器4的种类不局限于板式换热器，例如，在其它实施例中，换热器4也可以是套管换热器或列管换热器，还可以是板式换热器、套管换热器或列管换热器的任意组合。

高低温循环设备1设在纯化器外筒2的右侧，高低温循环设备1上设置有两个输出端，两个输出端分别连接有油管，两根油管的另一端均与多级吸附筒3连接的输入端相连；高低温循环设备1通过一根油管为多级吸附筒3提供≤0℃的低温环境、通过另一根油管为多级吸附筒3提供≥80℃的高温环境；其中，低温环境为吸附筒对粗氦气杂质进行吸附的环境，高温环境为吸附筒对杂质进行解吸的环境；高低温循环设备1选用现有技术中的高低温循环机，其使用液氨、R22等制冷介质，避免使用液氮作为冷源。

两根油管中装有导热油，导热油的载温范围为-100～100℃，可以承受高低温的传递。

解吸真空泵5位于纯化器外筒2的左上方，解析真空泵5通过一根分管与输入管相连，且分管上安装有真空泵阀门8；真空泵阀门8、输入管阀门7以及输出管阀门6均为电磁阀，但不局限于电磁阀，例如，在其它实施例中，真空泵阀门8、输入管阀门7以及输出管阀门6也可以为气动阀。

本发明的工作原理：

打开输入管阀门7，原料粗氦气在≥1.0MPa的压力下从输入管进入纯化器外筒2，先经过换热器4进行换热后转变为低温冷却气体，随后进入多级吸附筒3中，多级吸附筒3通过高低温循环设备1的导热油处于≤0℃的低温环境，在此低温环境下通过多级吸附筒3内部的多层复合填料进行杂质吸附转变为不低于99.999％的纯氦气，多级吸附筒3的工作压力≥1.0MPa；纯氦气从输出管流出，经过换热器2后排出至纯化器外筒2外部；在纯氦气经过换热器4时，由于纯氦气的温度很低，因此可以对换热器4另一侧进入的原料粗氦气进行冷却，使得粗氦气得以充分降温，且纯氦气携带的冷量得以充分利用，可以降低能耗，节约了使用成本；

纯化后，高低温循环机1开启制热，温度加热到80度，开启真空泵阀门8和解吸真空泵5，对多级吸附筒3中的多层复合材料上附着的杂质进行抽空，压力抽到≤1.0Pa时，关闭解吸真空泵5和真空泵阀门8，此时多级吸附筒3中的杂质被清除，多级吸附筒3的纯化能力提高至最佳状态，高低温机1启动制冷，温度达到-80度时，开启输入管阀门7进气，重复上述纯化过程，等待10分钟后开启6号阀产出纯度不低于99.9999％的氦气。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，包括高低温循环设备(1)、纯化器外筒(2)、多级吸附筒(3)、换热器(4)和解吸真空泵(5)；其中，所述高低温循环设备(1)的输出端与多级吸附筒(3)的输入端相连，用以为多级吸附筒(3)提供≤0℃的低温环境以及≥80℃的高温环境；所述多级吸附筒(3)的输出端与解吸真空泵(5)相连；所述换热器(4)设置于所述多级吸附筒(3)的上方,且换热器(4)和多级吸附筒(3)均设于纯化器外筒(2)中；

还包括氦气输送管路，所述氦气输送管路包括输入管和输出管，所述输入管的一端位于纯化器外筒(2)外部，另一端穿设于换热器(4)的一侧并与多级吸附筒(3)的一端相连；所述输出管的一端位于纯化器外筒(2)外部，另一端穿设于换热器(4)的另一侧并与多级吸附筒(3)的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述高低温循环设备(1)采用导热油向多级吸附筒(3)进行传温，所述导热油的载温范围为-100～100℃。

3.根据权利要求1所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述纯化器外筒(2)为多层真空绝热结构，真空度≤0.01Pa。

4.根据权利要求1所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述多级吸附筒(3)包括多个吸附筒，所述吸附筒的数量为至少5个；多个所述吸附筒依次串联。

5.根据权利要求1所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述换热器(4)为板式换热器、套管换热器、列管换热器中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述解吸真空泵(5)用以在所述多级吸附筒(3)处于高温环境时对多级吸附筒(3)进行抽空，所述抽空压力≤1.0Pa。

7.根据权利要求1所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述的多级吸附筒(3)的工作压力≥1.0MPa。

8.根据权利要求7所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述的多级吸附筒(3)内部装填有多层复合填料，用以对氦气中的杂质进行吸附，所述多层复合填料包括氧化铝、沸石、活性炭中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述解吸真空泵(5)通过分管与所述输入管相连，且所述分管、输入管以及输出管上均安装有控制阀门。

10.根据权利要求9所述的一种带高低温循环的变温吸附氦气纯化装置，其特征在于，所述控制阀门为电磁阀或气动阀。