液态气体循环系统技术方案

本发明专利技术是针对采用现有技术液态气体循环系统对液态气体进行循环时回液管的回流液进入到分离器时造成液面剧烈沸腾使液面产生大的波动，使液面不易控制的不足，提供一种液态气体循环系统，它包括输液管道、回液管、分离器、排气管，输液管道包括进液管和出液管，进液管通过进液口与分离器的内腔连通，回液管通过回液口与分离器的内腔连通，排气管通过排气口与分离器的内腔连通，出液管通过出液口与分离器的内腔连通，采用本发明专利技术的液态气体循环系统，液面波动小，易于对液面的高度进行控制和检测，液氮及混合介质被约束在真空管道内运动,能有效的隔离热量,自然被蒸发的液氮就少,利用率提高。

Liquid gas circulation system

【技术实现步骤摘要】
液态气体循环系统
本专利技术涉及液态气体分离
,特别涉及实现液态气体气液分离的液态气体循环系统。
技术介绍
液氮作为全球销量最大的无机物,在我们的日常生活和工业化生产过程中扮演着重要角色。由于液氮的低温特性以及惰性性质,已经被广泛的应用于食品冷冻,生物医疗,电子行业,超导研究及航空航天领域。特别是电子行业的大规模生产需要大量的液氮来支持，其中MBE设备就是其中一种。由于MBE设备在原子层生长过程中需要设备保持极低的温度，因此需一直对设备进行冷却，液氮作为廉价的低温介质自然成为了最佳的冷却原料。因此MBE生长过程中会大量的消耗液氮。目前，液氮大都是通过空气分离方式获得,此过程需要消耗大量的电能，因此如何控制液氮的消耗、使用较少的液氮满足MBE系统的运行从而降低能源的使用量，一直是人们研究的问题。在液氮的制备和使用过程中，液氮会汽化成气体，使得液氮的冷却能力降低，因此，产生了汽液分离技术来分离汽态和液态的氮。现有技术普遍采用液氮循环系统来实现氮气和液氮分离,同时实现液氮的回收循环利用，减少液氮的消耗，提高液氮的制冷效果。现有液氮循环系统技术是通过管道将液氮输送到汽液分离器中,此时液氮会留在气液分离器中,氮气会从排气管排放到大气中。气液分离器上安装有直插电容式液位控制器或者浮球开关,可以控制汽液分离器中液氮的液位高度。当MBE需要使用液氮时,打开出液阀门便可以使用液氮。当液氮多出来时,会通过回液管返回到汽液分离器中,返回到气液分离器中的液氮被再次循环利用,而氮气会直接被分离通过排气管排出分离器,如此实现气体与液体的分离,同时满足MBE对液氮的使用需求。采用现有技术的液氮循环系统对液氮进行汽液分离，主要有以下几点问题/缺陷：1、在液态气体循环
，通常会将位于液态气体分离器容积2/3位置设定为实际液氮加注的100%液位位置，将此位置称为设定最高液位线，分离器内的液态气体量不超过此设定最高液位线，否则氮气无法排除也无法实际投入使用。如图5和6所示，现有技术液态气体的循环系统中气液分离器的回液管的设计方案有两种，第一种方案是如图5所示的结构，回液口设置在分离器的顶部，回液管3从分离器的上方进入到气液分离器中，另一种方案是如图6所示，回液管3从气液分离器的底部进入到气液分离器中，回液管预设在汽液分离器中，此种设计方案被称为底面回流的方式，但无论采用哪种设计方案，MBE的回液管3的回流液出口302均设置在设定最高液位线408也就是液氮100%液位线以上的区域内。而通常液氮分离器内的液面低于液氮100%液位线。而在气液分离器中，在液氮液面409上方存在有低温区410和高温区411，低温区一般处于液氮液面以上5cm左右的区域，其温度在80K左右，高温区位于距离液氮液面20cm以上的区域，温度在110K左右。高温区一部分是由于低温区的液氮吸热气化造成，另一部分是由于回液管回流的液氮和氮气造成温度偏高。当液态气体及气液混合介质通过回液管返回到气液分离器内从回流气体出口排出时,势必先经过高温区,再经过低温区,最后再和液氮混合，此过程中，气体向上运动被排气管8排出气液分离器，而液氮则向下作自由落体运动,液氮从回液管内出来后失去了回液管的约束，呈现离散自由状态,表面积会变大,由于液氮的沸点温度为-196度，液氮的沸点很低，极易气化，处于分离器表面的液氮也是处于‘沸腾’的状态，由回液管回流液出口302流出的液氮+液氮与氮气混合介质的温度在-170度左右，回流液出口设置在液面高度以上时，在液氮下流过程中，液氮除了会吸收热量变成氮气损耗掉之外，落在汽液分离器中的液氮经过高温区和低温区落到液态气体内时，再次吸收热量，使从回流液出口流出的介质的温度比液氮的沸点温度-196度高出近30度，因此当离散状态回液管内的氮气与液氮的混合介质以离散状态落到液氮内时会加剧液氮的沸腾，引起液氮表层剧烈沸腾，造成汽液分离器中液氮液位剧烈波动，使液位控制时液位检测装置对于液位的位置测量不准确，使得对于液位的控制不准确。液位控制不准确会直接影响液氮的输出压力及流量变化，使得终端MBE设备液氮供给不平稳，无法达到理想的工作状态。2、回液管道大多采用的是单层管设计。在回液管道内实际存在介质有三种状态，液氮、氮气以及氮气与液氮的混合介质。当混合介质通过管道输送到汽液分离器后，液氮在重力作用下落到分离器中被收集重复利用，氮气被释放排走。由于汽液分离器中高温区和低温区的存在。高温区温度在110K，低温区在80K。混合介质通过管道从高温区出来后会吸收高温区的热量，使得部分液氮会被继续气化，造成液氮一定的损耗。同时内部由于是单层管设计，单层管的绝热和保温效果相对较差，也加重了液氮气化的量。3、现有技术中液氮罐到液氮分离器的进液管道以及液氮分离器到MBE系统的出液管道大多采用双层真空管道。由于液氮在输送的过程中在管道内会吸收热量，会使得一部分液氮气化，形成氮气和液氮+氮气的混合物质，1L液氮可以气化成690L氮气，因此，液氮的气化会产生大量的气体，造成输送管道内压力增高，当分离器进液阀打开时，混合介质将以大于液氮罐出口处设定的液氮输送压力0.4Mpa高的压力进入到分离器中，造成分离器内的压力的急剧波动；另外，在不使用液氮时，管道两头阀门关闭后管道内依然会存有少量的液氮，长时间液氮会吸热气化，造成管道内压力急剧升高。由于受外界环境温度的影响，气化的氮气量不稳定，造成进入分离器内的气体的量不稳定，使得分离器内的压力不稳定。分离器内压力不稳定将直接导致或造成整个供液系统的压力偏差，引起液氮液位的较大波动，会引起供给MBE系统的液氮出现一会儿进液快，一会儿进液慢的问题，引起MBE不稳定。再者现有的液氮液位计采用的是电容式，液位的频繁波动会使得分离器带静电，造成液氮液位计计量不准，造成情况恶化。由于气液不分离，长距离输送时液氮气化后压力会变的很高，输送压力将无法进行有效控制，使整个系统处于不稳定的状态，影响MBE的稳定工作。大量液氮气化增加了液氮的消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对采用现有技术液态气体循环系统对液态气体进行循环时回液管的回流液进入到分离器时造成液面剧烈沸腾使液面产生大的波动，使液面不易控制的不足，提供一种液态气体循环系统。本专利技术进一步的目的是解决现有技术中液态气体在输送过程中易被气化，在传输过程中使液态气体传输不稳定的不足，提供一种液态气体循环系统。。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：液态气体循环系统，包括输液管道、回液管、分离器、排气管，输液管道包括进液管和出液管，进液管通过进液口与分离器的内腔连通，回液管通过回液口与分离器的内腔连通，排气管通过排气口与分离器的内腔连通，出液管通过出液口与分离器的内腔连通，回液口设置在分离器的顶部上，回液管的出液端从位于分离器顶部的所述回液口进入到分离器内，出液端位于液态气体液面以下，在所述回液管的位于分离器内的管道上设置气体回流出口，气体回流出口位于液态气体设定最高液位线上方；气体回流出口位于设定最高液位线上方50-80mm处，出液端位于液态气体液面以下58本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.液态气体循环系统，包括输液管道（2）、回液管（3）、分离器（4）、排气管（8），所述输液管道包括进液管（201）和出液管（202），所述进液管通过进液口（407）与分离器的内腔连通，所述回液管通过回液口（303）与分离器的内腔连通，所述排气管通过排气口（406）与分离器的内腔连通，所述出液管通过出液口（410）与分离器的内腔连通，其特征在于，所述回液口设置在分离器的顶部（401）上，所述回液管的出液端从位于分离器顶部的所述回液口进入到分离器内，出液端位于液态气体液面以下，在所述回液管的位于分离器内的管道上设置气体回流出口（309），气体回流出口（309）位于液态气体设定最高液位线（408）上方。/n

【技术特征摘要】
1.液态气体循环系统，包括输液管道（2）、回液管（3）、分离器（4）、排气管（8），所述输液管道包括进液管（201）和出液管（202），所述进液管通过进液口（407）与分离器的内腔连通，所述回液管通过回液口（303）与分离器的内腔连通，所述排气管通过排气口（406）与分离器的内腔连通，所述出液管通过出液口（410）与分离器的内腔连通，其特征在于，所述回液口设置在分离器的顶部（401）上，所述回液管的出液端从位于分离器顶部的所述回液口进入到分离器内，出液端位于液态气体液面以下，在所述回液管的位于分离器内的管道上设置气体回流出口（309），气体回流出口（309）位于液态气体设定最高液位线（408）上方。


2.如权利要求1所述的液态气体循环系统，其特征在于，所述的气体回流出口（309）位于设定最高液位线（408）上方50-80mm处，所述出液端位于液态气体液面以下580-610mm处或位于分离器底部（402）之上30-50mm处。


3.如权利要求1或2所述的液态气体循环系统，其特征在于，所述回液管为双层管，包括管道一（305）和管道二（306），管道一和管道二间为真空夹层空间一（308），在管...

【专利技术属性】
技术研发人员：马栋梁，陈意桥，
申请(专利权)人：苏州焜原光电有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32