一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法技术

本发明专利技术公开了一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，包括利用加氧催货原理的除氢干燥模块、利用低温纯化器原理的除氮氧及氦气精制模块和以制冷机为冷源的氖氦分离及氖气精制模块，依次进行除氢干燥、除氮氧、氖氦分离及氖气精制、氦气精制处理。本发明专利技术的氖氦分离提纯工艺操作方便、简单，相较于传统的节流方法，其操作压力更低，安全性更高；同时本工艺方法设置了多个回热及余气回收装置，因此回收率高且能耗低，适合于工业大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空分尾气中的稀有气体分离精制工艺，具体是一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法。
技术介绍
氖气和氦气在空气中的体积含量仅为1.8×10-7和5.2×10-6。由于氖氦为低沸点气体，其在空分塔中为不凝气体，以气态形式存在于空分塔顶部的冷凝器中，最终以空分尾气的形式被排出。氖氦气体，尤其是氖气的来源主要是从空分尾气中来。当下，氖气的价格非常昂贵，被称之为“黄金气体”，售价达到15000元/Nm3左右！到要想获得高纯的氖、氦稀有气体比较难，专业设备的技术门槛很高，西方空分巨头对该气体的分离提纯工艺实行严格的技术封锁。国内的生产厂家只能够提供初级浓缩生产的粗氖氦混合气，没有能力获得高纯的氖气和氦气，所以只能为国外厂家提供初级的浓缩产品。相反西方气体公司则可以用这些粗氖氦混合气精制得到高纯氖氦气体，尤其是氖气，然后再高价返销至国内市场，获取巨额利润。目前国内高纯稀有气体产品一半以上依靠进口，特别是氖气，全球的供应量仅为需求量的40%。传统的空分尾气精制氖氦的工艺方法主要是提高其压力后的高压节流方法和液氢制冷的方法。液氢作为冷源是将氖氦混合气用液氢降温至27K以下，利用氖氦沸点不同（27.3K、4.2K）使氖液化，达到氖氦分离的目的。此种方法由于要用到液氢这种易燃易爆性介质，因此操作安全性非常差。高压节流方法需要的操作压力比较高，需达到15MPa，此种工艺方法有两个缺点：（1）所需的压缩机要求高、体积庞大且价格昂贵；（2）因为操作压力达到150个大气压，操作安全性差；（3）由于操作压力高，所以温度、流量调节不方便，且温度、流量不稳定。本专利技术提出用制冷机作为分离精制工艺的冷源，所以不需要使用液氢冷源，比起液氢作为冷源，本专利技术的分离温度及提供的冷量更容易控制。同时所需的操作压力只要达到高压节流工艺操作压力的1/8，约2MPa即可，操作压力的降低可使设备体积大幅度缩小，操作安全性更高，温度、流量更稳定。可以说兼具两种工艺方法的优点。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足和缺陷，本专利技术设计了一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，它解决了现有技术安全性低、操作压力高、设备庞大复杂、温度流量不易控制的问题。本专利技术采用的技术方案是：一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）除氢干燥：从空分装置引出的混合气经增压器PC1增压至2～3MPa后，加足量氧气混合进入除氢干燥模块中的除氢接触炉中，在催化剂钯触媒的作用下，在140～220℃温度下，混合气中的氢气与氧气发生氢氧反应生成水，反应后的气体送入水浴换热器冷却后进入除水器和干燥器进行干燥；（2）除氮氧：步骤（1）得到的不含氢气的混合气，经过除氮氧及氦气精制模块中的回热器HE1预冷后进入气液分离器GS1中进行气液分离，气液分离器GS1浸泡于减压液氮或常压液氮中冷却，温度为65～80K，混合气中大部分的氮气、氧气在气液分离器GS1中被液化，液氮、液氧以及少量未被液化的混合气从气液分离器GS1底部排入气液分离器GS2中，液氮及液氧从气液分离器GS2中排入恒温器中提供冷量，气液分离器GS2顶部的少量未被液化的混合气经回热器HE1回热后重新进入步骤（1）进行循环；从气液分离器GS1顶部引出的氖氦混合气进入串联的低温吸附器A1～A4中，进行氮氧的低温吸附净化，除去混合气中的氮氧成分，粗氖氦混合气；（3）氖氦分离及氖气精制：步骤（2）所得到的粗氖氦混合气，经过氖氦分离及氖气精制模块中的回热器HE2预冷后，进入液氮冷却器E内冷却至65～80K，随后进入低温吸附器A12内吸附其中残存的杂质气体，再经二级回热器HE3预冷后，进入由制冷机冷却的分离腔体A13中，氖氦混合气被冷却至25K左右，并在分离腔体A13中进行气液分离，液氖以及少量氦气从分离腔体A13底部流入低温精馏塔C中，利用低温精馏原理，在精馏塔C中进行氖的精制，并在精馏塔C的塔底得到纯液氖，纯液氖复热气化后装瓶待用；氦气以及带有的少量氖气从分离腔体A13上部排出，经二级回热器HE3、回热器HE2冷量利用后，引入除氮氧及氦气精制模块中；（4）氦气精制：步骤（3）所得到的氦气以及带有的少量氖气进入除氮氧及氦气精制模块中的串联的低温纯化器A5～A11中，低温纯化器A5～A11同样处于液氮温度，吸收氦气中的氖气及其它高沸点杂质，最后得到高纯氦气装瓶待用。所述的一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，其特征在于，所述除氮氧及氦气精制模块整合、集成了除氮氧功能模块和氦气精制功能模块，并安装在同一个液氮恒温器中，使用同一个回热器HE1，优化了结构，减少了冷量的损耗，节省了能源。所述的一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，其特征在于，所述氖氦分离及氖气精制模块了氖氦的分凝分离功能模块和氖气精制功能模块，并安装在同一个真空容器内，共同使用回热器HE2和二次回热器HE3，优化了结构，减少了冷量的损耗，节省了能源。本专利技术的原理是：除氢干燥模块是加氧催化的方式，催化剂是钯触媒，在除氢接触炉的钯触媒作用下，氢气和外加的氧气发生反应生成水；氢氧化后生成的水需要去除，通过除水干燥装置，吸收掉混合气中的水蒸气。除氮氧及氦气精制模块有两个功能。一是干燥后的混合气需要除去氮气及除氢过程中加入的过量氧气，采取的方法是低温纯化法。混合气体通过液氮温度或减压液氮温度下的低温吸附器，氮氧组分被液化和吸收；二是经氖氦分凝分离得到的粗氦进入本模块的低温纯化器中，经过低温吸附后得到高纯氦气。氖氦分离及氖气精制模块有两个功能。一是可进行氖氦的分凝分离，有小型制冷机提供冷源，利用氖氦的沸点差异（氖27.1K、氦4.2K）初步分离得到粗氦和粗氖。粗氦经除氮氧及氦气精制模块的低温纯化除氖后得到高纯氦充瓶；二是对得到的粗氖进行低温精馏分离。液氖从低温精馏塔顶进入塔后，经过反复的精馏分离，从塔底得到高纯液氖，回热复温后得到高纯氖充瓶。本专利技术的优点是：本专利技术的氖氦分离提纯工艺操作方便、简单，相较于传统的节流方法，其操作压力更低，安全性更高；同时本工艺方法设置了多个回热及余气回收装置，因此回收率高且能耗低，适合于工业大规模生产。附图说明图1为本专利技术的工艺总体思路流程图。图2为除氢干燥模块工作流程图。图3为除氮氧及氦气精制模块工作流程图。图4为氖氦分离及氖气精制模块工作流程图。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术进行具体阐释。如图1所示，一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，包括利用加氧催货原理的除氢干燥模块、利用低温纯化器原理的除氮氧及氦气精制模块和以制冷机为冷源的氖氦分离及氖气精制模块。一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，具体包括以下步骤：（1）除氢干燥：如图2所示，从空分装置引出的混合气经增压器PC1增压至2～3MPa后，加足量氧气混合进入除氢干燥模块中的除氢接触炉1中，在催化剂钯触媒的作用下，在140～220℃温度下，混合气中的氢气与氧气发生氢氧反应生成水，反应后的气体送入水浴换热器2冷却后进入除水器3和干燥器4进行干燥；（2）除氮氧：如图3所示，步骤（1）得到的不含氢气的混合气，经过除氮氧及氦气精制模块中的回热器HE1预冷后进入气液分离器GS1中进行气液分离，气液分离器GS1浸泡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）除氢干燥：从空分装置引出的混合气经增压器PC1增压至2～3MPa后，加足量氧气混合进入除氢干燥模块中的除氢接触炉中，在催化剂钯触媒的作用下，在140～220℃温度下，混合气中的氢气与氧气发生氢氧反应生成水，反应后的气体送入水浴换热器冷却后进入除水器和干燥器进行干燥；（2）除氮氧：步骤（1）得到的不含氢气的混合气，经过除氮氧及氦气精制模块中的回热器HE1预冷后进入气液分离器GS1中进行气液分离，气液分离器GS1浸泡于减压液氮或常压液氮中冷却，温度为65～80K，混合气中大部分的氮气、氧气在气液分离器GS1中被液化，液氮、液氧以及少量未被液化的混合气从气液分离器GS1底部排入气液分离器GS2中，液氮及液氧从气液分离器GS2中排入恒温器中提供冷量，气液分离器GS2顶部的少量未被液化的混合气经回热器HE1回热后重新进入步骤（1）进行循环；从气液分离器GS1顶部引出的氖氦混合气进入串联的低温吸附器A1～A4中，进行氮氧的低温吸附净化，除去混合气中的氮氧成分，粗氖氦混合气；（3）氖氦分离及氖气精制：步骤（2）所得到的粗氖氦混合气，经过氖氦分离及氖气精制模块中的回热器HE2预冷后，进入液氮冷却器E内冷却至65～80K，随后进入低温吸附器A12内吸附其中残存的杂质气体，再经二级回热器HE3预冷后，进入由制冷机冷却的分离腔体A13中，氖氦混合气被冷却至25K左右，并在分离腔体A13中进行气液分离，液氖以及少量氦气从分离腔体A13底部流入低温精馏塔C中，利用低温精馏原理，在精馏塔C中进行氖的精制，并在精馏塔C的塔底得到纯液氖，纯液氖复热气化后装瓶待用；氦气以及带有的少量氖气从分离腔体A13上部排出，经二级回热器HE3、回热器HE2冷量利用后，引入除氮氧及氦气精制模块中；（4）氦气精制：步骤（3）所得到的氦气以及带有的少量氖气进入除氮氧及氦气精制模块中的串联的低温纯化器A5～A11中，低温纯化器A5～A11同样处于液氮温度，吸收氦气中的氖气及其它高沸点杂质，最后得到高纯氦气装瓶待用。...

【技术特征摘要】
1.一种制冷机为冷源的氖氦稀有气体分离精制工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）除氢干燥：从空分装置引出的混合气经增压器PC1增压至2～3MPa后，加足量氧气混合进入除氢干燥模块中的除氢接触炉中，在催化剂钯触媒的作用下，在140～220℃温度下，混合气中的氢气与氧气发生氢氧反应生成水，反应后的气体送入水浴换热器冷却后进入除水器和干燥器进行干燥；（2）除氮氧：步骤（1）得到的不含氢气的混合气，经过除氮氧及氦气精制模块中的回热器HE1预冷后进入气液分离器GS1中进行气液分离，气液分离器GS1浸泡于减压液氮或常压液氮中冷却，温度为65～80K，混合气中大部分的氮气、氧气在气液分离器GS1中被液化，液氮、液氧以及少量未被液化的混合气从气液分离器GS1底部排入气液分离器GS2中，液氮及液氧从气液分离器GS2中排入恒温器中提供冷量，气液分离器GS2顶部的少量未被液化的混合气经回热器HE1回热后重新进入步骤（1）进行循环；从气液分离器GS1顶部引出的氖氦混合气进入串联的低温吸附器A1～A4中，进行氮氧的低温吸附净化，除去混合气中的氮氧成分，粗氖氦混合气；（3）氖氦分离及氖气精制：步骤（2）所得到的粗氖氦混合气，经过氖氦分离及氖气精制模块中的回热器HE2预冷后，进入液氮冷却器E内冷却至65～80...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊峰，章学华，丁怀况，郭会军，陈耀峰，苏玉磊，何超峰，张海峰，胡锐，武义锋，黄阿娟，
申请(专利权)人：安徽万瑞冷电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34