CN218458690U - 一种氦气纯化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的氦气纯化系统，采用冷凝冷冻方法可以将氦气提纯到高纯氦气甚至超高纯氦气，不引入吸附剂，可有效避免氦气的二次污染，不受气体穿透而影响产出氦气的纯度；采用氦制冷机或液化器的低温氦气作为冷源，该冷源氦气可回收到制冷机或液化器流程继续参与循环，避免了液氮的消耗；采用回收利用液化空气冷量，可有效降低冷源氦气的消耗量，同时，扩展了原料气中氦气纯度范围。

Description

一种氦气纯化系统

技术领域

本实用新型涉及气体分离技术领域，特别涉及一种氦气纯化系统。

背景技术

氦气作为一种稀有气体，在赖以生存的地球含量极少，但由于其稳定的化学性质、极低的沸点特性，在半导体行业、精密焊接、低温超导、航空航天等众多高精尖技术领域有着不可或缺的重要地位，因此，被各个国家视为重要战略资源。但在广泛的应用过程中，氦气的纯度有着极为严苛的要求，如在低温超导及低温制冷领域需要采用高纯氦气(体积分数≥99.999％)，在半导体行业及精密焊接行业甚者要求氦气纯度达到超高纯氦气(体积分数≥99.9999％)。但氦气的众多来源中，如可供氦气提取的天然气中氦气纯度不足10％，而回收的氦气由于渗入空气，纯度亦难满足使用需求。因此需要对氦气进行提纯。

目前氦气的提纯的主流方法是采用低温吸附法除去氦气中的杂质，一旦引入吸附剂，就会存在氦气被二次污染的可能，同时，该方法所获的氦气纯度有赖于吸附剂对杂质吸附的能力及吸附器的设计，如果吸附剂吸附达到饱和或者吸附器中存在易被穿透的结构，杂质气体就会穿透吸附器，达不到氦气纯化目的。

实用新型内容

鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种可有效避免氦气的二次污染且不受气体穿透而影响产出氦气的纯度的氦气纯化系统。

为解决上述问题，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型目的之一，提供了一种氦气纯化系统，包括下述步骤：所述氦气纯化器包括冷凝换热器1、气液分离器2、冷冻换热器3及预冷换热器4：所述冷凝换热器1为四流体换热器，各流体通道分别为冷凝换热器原料气通道11、冷凝换热器冷源气通道12、冷凝换热器产出气通道13及冷凝换热器杂质液通道14；所述冷冻换热器3为三流体换热器，分别为冷冻换热器原料气通道31、冷冻换热器产出气通道32及冷冻换热器冷源气通道33；所述预冷换热器4为两股流换热器，分别为预冷换热器冷源气通道41与预冷换热器产出气通道42；

原料气经所述冷凝换热器原料气通道11进入所述气液分离器2，经所述气液分离器2分离后的气体由所述冷冻换热器原料气通道31进入所述预冷换热器冷源气通道41，经所述冷冻换热器原料气通道31后的产出气再依次经所述冷冻换热器产出气通道32及所述冷凝换热器产出气通道13输出；

原料气经所述冷凝换热器原料气通道11进入所述气液分离器2，经所述气液分离器2分离后的杂质液由所述冷凝换热器杂质液通道14排除；

冷源气依次经所述预冷换热器产出气通道42、所述冷冻换热器冷源气通道33及所述冷凝换热器冷源气通道12输入。

在其中一些实施例中，所述气液分离器2还安装有液位计21，所述液位计用于监控杂质液体的液位。

在其中一些实施例中，所述气液分离器2的液体出口保持一定液位，使液体出口处于液封状态。

在其中一些实施例中，所述原料气经第一阀门V1进入所述冷凝换热器原料气通道11，经所述冷凝换热器产出气通道13输出的产出气经第二阀门V2输出，所述冷源气经第三阀门V3进入所述预冷换热器产出气通道42，经所述冷凝换热器冷源气通道12输入的冷源气由第四阀门V4 输出，经所述气液分离器2分离后的杂质液经第五阀门V5进入所述冷凝换热器杂质液通道14。

在其中一些实施例中，所述冷源气由制冷机或液化器提供，经过所述第三阀门V3依次进入所述预冷换热器产出气通道42、所述冷冻换热器冷源气通道33及所述冷凝换热器冷源气通道12，最后经过所述第四阀门V4 排放到所述制冷机或所述液化器的低压常温通道或回收系统。

在其中一些实施例中，还包括真空容器，所述真空容器用于支撑所述氦气纯化器，并为所述氦气纯化器提供真空空间。

在其中一些实施例中，还包括氦气纯化控制单元，所述氦气纯化控制单元电性连接所述氦气纯化器，用于实现对所述氦气纯化器的各状态参数的采集及控制。

在其中一些实施例中，所述冷凝换热器1及冷冻换热器3的进出口还安装有温度与压力传感器，所述温度与压力传感器用于监控原料气温度与压力。

本实用新型采用上述技术方案，其有益效果如下：

本实用新型提供的氦气纯化系统，原料气经所述冷凝换热器原料气通道11进入所述气液分离器2，经所述气液分离器2分离后的气体由所述冷冻换热器原料气通道31进入所述预冷换热器冷源气通道41，经所述冷冻换热器原料气通道31后的产出气再依次经所述冷冻换热器产出气通道32及所述冷凝换热器产出气通道13输出；原料气经所述冷凝换热器原料气通道11进入所述气液分离器2，经所述气液分离器2分离后的杂质液由所述冷凝换热器杂质液通道14排除；冷源气依次经所述预冷换热器产出气通道42、所述冷冻换热器冷源气通道33及所述冷凝换热器冷源气通道12输入。本实用新型提供的氦气纯化系统，采用冷凝冷冻方法可以将氦气提纯到高纯氦气甚至超高纯氦气，不引入吸附剂，可有效避免氦气的二次污染，不受气体穿透而影响产出氦气的纯度；采用氦制冷机或液化器的低温氦气作为冷源，该冷源氦气可回收到制冷机或液化器流程继续参与循环，避免了液氮的消耗；采用回收利用液化空气冷量的方法，可有效降低冷源氦气的消耗量，同时，扩展了原料气中氦气纯度范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的氦气纯化系统的结构示意图。

图2为本实用新型实施例2提供的氦气纯化方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的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实用新型和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而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。由此，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更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

实施例1

请参阅图1，本实用新型实施例1提供的一种氦气纯化系统的结构示意图，包括氦气纯化器(10)，所述氦气纯化器包括冷凝换热器1、气液分离器2、冷冻换热器3及预冷换热器4。

所述冷凝换热器1为四流体换热器，各流体通道分别为冷凝换热器原料气通道11、冷凝换热器冷源气通道12、冷凝换热器产出气通道13 及冷凝换热器杂质液通道14。

可以理解，所述的氦气纯化器中冷凝换热器1可以实现杂质组分的冷凝。

所述气液分离器2用于杂质液与低温气的分离。

进一步地，所述气液分离器2还安装有液位计21，所述液位计用于监控杂质液体的液位。

可以理解，所述气液分离器2的液体出口应保持一定液位，使液体出口处于液封状态，避免气体流失。

所述冷冻换热器3为三流体换热器，分别为冷冻换热器原料气通道31、冷冻换热器产出气通道32及冷冻换热器冷源气通道33。

可以理解，所述冷冻换热器3可实现原料气中杂质组分的冻结。

所述预冷换热器4为两股流换热器，分别为预冷换热器冷源气通道41 与预冷换热器产出气通道42。

可以理解，所述预冷换热器4用于对产出气进一步冷却后作为冷源回流经过冷冻换热器3和冷凝换热器1。

本实用新型上述实施例提供的氦气纯化系统，其工作方式如下：

原料气经所述冷凝换热器原料气通道11进入所述气液分离器2，经所述气液分离器2分离后的气体由所述冷冻换热器原料气通道31进入所述预冷换热器冷源气通道41，经所述冷冻换热器原料气通道31后的产出气再依次经所述冷冻换热器产出气通道32及所述冷凝换热器产出气通道13输出；原料气经所述冷凝换热器原料气通道11进入所述气液分离器2，经所述气液分离器2分离后的杂质液由所述冷凝换热器杂质液通道14排除；冷源气依次经所述预冷换热器产出气通道42、所述冷冻换热器冷源气通道33及所述冷凝换热器冷源气通道12输入。

可以理解，原料气的气体纯度越低，杂质液体产出量越大，越有利于杂质液体冷量的回收利用，从而通过回收杂质液的冷量，扩展了不纯氦气的处理范围。

需要说明的是：换热器(冷凝换热器1、冷冻换热器3及预冷换热器4)的进出口温度控制是获得高纯氦气的关键，而一般情况下，由于换热器设计较为成熟，各进出口的温度不会发生突然变化，因此可以保证氦气纯度的稳定性。相较于低温吸附法，可有效避免产出氦气的二次污染，亦不受吸附结构饱和或杂质穿透而影响产出氦气的纯度。

在其中一些实施例中，所述原料气经第一阀门V1进入所述冷凝换热器原料气通道11，经所述冷凝换热器产出气通道13输出的产出气经第二阀门V2输出，所述冷源气经第三阀门V3进入所述预冷换热器产出气通道42，经所述冷凝换热器冷源气通道12输入的冷源气由第四阀门V4 输出，经所述气液分离器2分离后的杂质液经第五阀门V5进入所述冷凝换热器杂质液通道14。

可以理解，通过对气液分离器2中杂质液的液位进行监控，同时，控制液化杂质排放阀门第五阀门V5的开度，使得气液分离器2液端出口实现液体自我密封，避免氦气浪费。

在其中一些实施例中，所述冷源气由制冷机或液化器提供，经过所述第三阀门V3依次进入所述预冷换热器产出气通道42、所述冷冻换热器冷源气通道33及所述冷凝换热器冷源气通道12，最后经过所述第四阀门V4 排放到所述制冷机或所述液化器的低压常温通道或回收系统。

可以理解，本实用新型提供的冷源气来自于低温氦气，经过纯化后仍可以回收利用，减少了液氮的消耗。

需要说明的是：液化杂质冷量回收利用时，低温液体作为冷源流经冷凝换热器1，减少了冷源气的消耗，有效避免因大量冷源氦气的消耗使得冷冻换热器3冷量过剩，致使冷源气在冷凝换热器1入口温度过低，引起的冷凝换热器1发生冻堵的可能性，从而提高了系统稳定性。

在其中一些实施例中，还包括真空容器(图未示)，所述真空容器用于支撑所述氦气纯化器，并为所述氦气纯化器提供真空空间。

在其中一些实施例中，还包括氦气纯化控制单元(图未示)，所述氦气纯化控制单元电性连接所述氦气纯化器(10)，用于实现对所述氦气纯化器(10) 的各状态参数的采集及控制。

在其中一些实施例中，所述冷凝换热器1及冷冻换热器3的进出口还安装有温度与压力传感器，所述温度与压力传感器用于监控原料气温度与压力。

本实用新型上述实施例1提供的氦气纯化系统，采用冷凝冷冻方法可以将氦气提纯到高纯氦气甚至超高纯氦气，不引入吸附剂，可有效避免氦气的二次污染，不受气体穿透而影响产出氦气的纯度；采用氦制冷机或液化器的低温氦气作为冷源，该冷源氦气可回收到制冷机或液化器流程继续参与循环，避免了液氮的消耗；采用回收利用液化空气冷量的方法，可有效降低冷源氦气的消耗量，同时，扩展了原料气中氦气纯度范围。

实施例2

按照本实用新型实施例1的具体连接方式。其中冷凝换热器1采用套管型式的四通道换热器，冷冻换热器3采用缠绕管式换热器结构以增大容霜能力。预冷换热器4采用套管式换热器。各级换热器的连接采用焊接方式，减少泄漏可能性。为减少冷量损失，利用真空泵对安装纯化器的真空容器抽空，使其真空度维持在100.0Pa以下。此时，按照纯化过程的工序进行工作。

请参阅图2，为本实用新型实施例2提供的一种氦气纯化系统的纯化方法的步骤流程图，包括下述步骤：

步骤S110：置换工序：利用高纯氦气对所述原料气的通路进行气体置换。

可以理解，原料气的气体纯度越低，杂质液体产出量越大，越有利于杂质液体冷量的回收利用，从而通过回收杂质液的冷量，扩展了不纯氦气的处理范围。

步骤S120：预冷工序：利用所述冷源气将所述预冷换热器产出气通道42、所述冷冻换热器冷源气通道33及所述冷凝换热器冷源气通道12进行预冷。

具体地，打开第四阀门V4和第三阀门V3向纯化器提供冷源气使纯化器各级换热器降温。冷源器来自氦液化器，氦气压力为6bara，氦气温度为 10-20K。为加快系统降温可打开第一阀门V1与第二阀门V2利用高纯氦气对原料气和产出气通道进行吹扫。当冷凝换热器1出口温度降温并维持在 65K-70K，冷冻换热器3出口温度控制在30K左右时，关闭吹扫用高纯氦气。

在其中一些实施例中，所述冷凝换热器原料气通道11的出口温度降温到70-64K，所述冷冻换热器原料气通道31的出口温度降温到40K以下。具体温度可根据产出气纯度要求确定，从而实现氦气纯度的控制。

步骤S130：纯化工序：待所述预冷换热器产出气通道42、所述冷冻换热器冷源气通道33及所述冷凝换热器冷源气通道12的出口温度稳定到设定温度范围内，输入所述原料气，并调节所述冷源气维持所述原料气的通道出口温度稳定；当所述气液分离器的杂质液累积一定量后，由所述冷凝换热器杂质液通道14排除。

具体地，将原料气连接系统的原料气入口，原料气入口压力为 20bara-25bara，高纯氦气采集设备连接到产出气出口。打开第二阀门V2与第一阀门V1开始纯化过程。通过控制第四阀门V4调节冷源气流量，使系统温度维持稳定。观察气液分离器液位变化，当液位维持在分离器高度10％左右时，打开第六阀门(V6)，并缓慢开启第五阀门V5，使液位保持稳定，并通过第四阀门V4控制冷源气流量控制冷凝换热器原料气出口温度稳定。

本实用新型实施例2提供的氦气纯化方法，采用冷凝冷冻方法可以将氦气提纯到高纯氦气甚至超高纯氦气，不引入吸附剂，可有效避免氦气的二次污染，不受气体穿透而影响产出氦气的纯度；采用氦制冷机或液化器的低温氦气作为冷源，该冷源氦气可回收到制冷机或液化器流程继续参与循环，避免了液氮的消耗；采用回收利用液化空气冷量的方法，可有效降低冷源氦气的消耗量，同时，扩展了原料气中氦气纯度范围。

可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，仅具体描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氦气纯化系统，其特征在于，包括氦气纯化器(10)，所述氦气纯化器包括冷凝换热器(1)、气液分离器(2)、冷冻换热器(3)及预冷换热器(4)：所述冷凝换热器(1)为四流体换热器，各流体通道分别为冷凝换热器原料气通道(11)、冷凝换热器冷源气通道(12)、冷凝换热器产出气通道(13)及冷凝换热器杂质液通道(14)；所述冷冻换热器(3)为三流体换热器，分别为冷冻换热器原料气通道(31)、冷冻换热器产出气通道(32)及冷冻换热器冷源气通道(33)；所述预冷换热器(4)为两股流换热器，分别为预冷换热器冷源气通道(41)与预冷换热器产出气通道(42)；

原料气经所述冷凝换热器原料气通道(11)进入所述气液分离器(2)，经所述气液分离器(2)分离后的气体由所述冷冻换热器原料气通道(31)进入所述预冷换热器冷源气通道(41)，经所述冷冻换热器原料气通道(31)后的产出气再依次经所述冷冻换热器产出气通道(32)及所述冷凝换热器产出气通道(13)输出；

原料气经所述冷凝换热器原料气通道(11)进入所述气液分离器(2)，经所述气液分离器(2)分离后的杂质液由所述冷凝换热器杂质液通道(14)排除；

冷源气依次经所述预冷换热器产出气通道(42)、所述冷冻换热器冷源气通道(33)及所述冷凝换热器冷源气通道(12)输入。

2.如权利要求1所述的氦气纯化系统，其特征在于，所述气液分离器(2)还安装有液位计(21)，所述液位计用于监控杂质液体的液位。

3.如权利要求1所述的氦气纯化系统，其特征在于，所述气液分离器(2)的液体出口保持一定液位，使液体出口处于液封状态。

4.如权利要求1所述的氦气纯化系统，其特征在于，所述原料气经第一阀门(V1)进入所述冷凝换热器原料气通道(11)，经所述冷凝换热器产出气通道(13)输出的产出气经第二阀门(V2)输出，所述冷源气经第三阀门(V3)进入所述预冷换热器产出气通道(42)，经所述冷凝换热器冷源气通道(12)输入的冷源气由第四阀门(V4)输出，经所述气液分离器(2)分离后的杂质液经第五阀门(V5)进入所述冷凝换热器杂质液通道(14)。

5.如权利要求4所述的氦气纯化系统，其特征在于，所述冷源气由制冷机或液化器提供，经过所述第三阀门(V3)依次进入所述预冷换热器产出气通道(42)、所述冷冻换热器冷源气通道(33)及所述冷凝换热器冷源气通道(12)，最后经过所述第四阀门(V4)排放到所述制冷机或所述液化器的低压常温通道或回收系统。

6.如权利要求1所述的氦气纯化系统，其特征在于，还包括真空容器，所述真空容器用于支撑所述氦气纯化器，并为所述氦气纯化器提供真空空间。

7.如权利要求1所述的氦气纯化系统，其特征在于，还包括氦气纯化控制单元，所述氦气纯化控制单元电性连接所述氦气纯化器，用于实现对所述氦气纯化器的各状态参数的采集及控制。

8.如权利要求7所述的氦气纯化系统，其特征在于，所述冷凝换热器(1)及冷冻换热器(3)的进出口还安装有温度与压力传感器，所述温度与压力传感器用于监控原料气温度与压力。

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