一种氦气纯化装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种氦气纯化装置，属于气体纯化装置领域，包括纯化系统和降温系统，所述纯化系统包括依次连通的从原料氦气中脱除H2O，CO2的粗氦干燥器、初步冷凝脱除氮氧的高压冷凝分离器，以及装填活性炭吸附精脱氮氧的氮氧低温吸附器，所述降温系统包括通有液氮的管路系统，以及抽空该管路系统使其达到负压状态的抽真空设备，所述管路系统分别连通所述高压冷凝分离器、氮氧低温吸附器使其工作于负压液氮蒸发温度下。本实用新型专利技术是一种用以脱除氦气中混入空气所含的氮、氧、二氧化碳和饱和水蒸气杂质的氦气纯化装置，以制取纯度为99.999％的高纯氦。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于气体纯化装置领域，尤其涉及用以脱除氦气中混入空气所含的氮、氧、二氧化碳和饱和水蒸气杂质。技术背景 氦是一种稀有气体，它在干燥空气中的体积含量仅为5. 24ppm。由于氦的特殊物理化学性质，它在工业、科学研究和国防上有着十分重要的用途。利用氦的惰性和良好的导热性，可作高级合金焊接，钛、锆、锗和硅等重要金属和半导体冶炼时的惰性保护性气体，在气冷式原子能反应堆中可用氦作载热体，在火箭和导弹发射中可用作燃料的压送剂。由于氦的扩散性很强，氦被用于压力容器和真空系统检漏的指示剂。氦和氧配成混合气，可供深海潜水人员呼吸，避免晕眩及丧失智力，在医疗上还可用于治疗哮喘疾病。此外，氦还可用来充填气球和飞艇以及广泛用作色谱分析中的载气，随着科学研究的发展，氦亦用于等离子体工业和气体莱塞(激光发射器)，氦在雷达探测、摄影、金属切割和外科手术等方面作用很大，氦也用于低温电子学和光学仪表方面。由于氦的沸点低(4. 2K)，接近绝对零度，因此它是低温物理研究中最理想的致冷齐U。在国防科学以及尖端技术研究和应用中，经常要使用液氦。液氦循环装置排放的尾气往往使用气囊来回收，回收的尾气受空气污染，含氦仅90% (体积)左右，主要杂质为氮、氧、二氧化碳和饱和水蒸气。为回收利用这部分氦资源，有必要将此粗氦纯化，以制取纯度为99. 999%的闻纯氦,并返回液氦循环系统。
技术实现思路
本技术的目的在于提出一种用以脱除氦气中混入空气所含的氮、氧、二氧化碳和饱和水蒸气杂质的氦气纯化装置，以制取纯度为99. 999%的高纯氦。本技术目的通过下述技术方案来实现一种氦气纯化装置，包括纯化系统和降温系统，所述纯化系统包括依次连通的从原料氦气中脱除H20，CO2的粗氦干燥器、初步冷凝脱除氮氧的高压冷凝分离器，以及装填活性炭吸附精脱氮氧的氮氧低温吸附器，所述降温系统包括通有液氮的管路系统，以及抽空该管路系统使其达到负压状态的抽真空设备，所述管路系统分别连通所述高压冷凝分离器、氮氧低温吸附器使其工作于负压液氮蒸发温度下。作为优选方式，所述粗氦干燥器填充5A分子筛。作为优选方式，还包括连通于粗氦干燥器、高压冷凝分离器之间的负压蒸发氮换热器，所述负压蒸发氮换热器与降温系统连通对通过其内的原料氦气进行换热降温。作为优选方式，还包括再生系统，所述再生系统包括再生气加热器，所述再生气加热器设有再生用气氮入口、再生用热气氮出口，所述再生用热气氮出口连通至粗氦干燥器和高压冷凝分离器之间纯化系统管路上，并通过阀门控制其内再生用热气氮对粗氦干燥器反向活化，或用热气氮加热低温吸附器夹套，并同时对吸附器内筒进行抽空以活化活性炭。作为优选方式，所述氮氧低温吸附器外部设有液氮夹套，所述降温系统与所述液氮夹套连通为其降温。作为优选方式，所述高压冷凝分离器外部设有液氮夹套，内部设有内筒，所述降温系统与所述液氮夹套连通为其降温，所述液氮夹套内设有盘管，原料氦气先通过所述盘管过冷再进入所述内筒冷凝。作为优选方式，所述粗氦干燥器为至少2个并联交替使用。作为优选方式，所述氮氧低温吸附器由至少2组并联使用，每组由至少2个氮氧低温吸附器串联使用。 作为优选方式，所述高压冷凝分离器、氮氧低温吸附器设于冷箱内，所述冷箱内填充有保温用膨胀珍珠岩。作为优选方式，所述负压蒸发氮换热器设于冷箱内，所述冷箱内填充有保温用膨胀珍珠岩。本技术的有益效果由于氦的沸点比氮氧低，本技术采用液氮作为装置的冷源，粗氦干燥器吸附除去H2O, CO2，采用抽真空设备抽空系统，得到负压蒸发氮级低温，使氦气中的大量氮氧杂质在高压冷凝分离器中冷凝，再利用氮氧低温吸附器内的活性炭在负压蒸发氮级低温下吸附精脱氮氧杂质，最终得到99. 999%的纯氦气。附图说明图I是本技术实施例的总体设备流程图；图2是图I的分段放大图的第一段设备流程图；图3是图I的分段放大图的第二段设备流程图；图4是图I的分段放大图的第三段设备流程图；图5是图I的分段放大图的第四段设备流程图。具体实施方式下列非限制性实施例用于说明本技术。如图I至图5所示，一种氦气纯化装置，包括纯化系统和降温系统，所述纯化系统包括依次连通的从原料氦气中脱除H2O, CO2的粗氦干燥器、初步冷凝脱除氮氧的高压冷凝分离器，以及装填活性炭吸附精脱氮氧的氮氧低温吸附器，所述降温系统包括通有液氮的管路系统，以及抽空该管路系统使其达到负压状态的抽真空设备，所述管路系统分别连通所述高压冷凝分离器、氮氧低温吸附器使其工作于负压液氮蒸发温度下。I.主要设备及作用粗氦干燥器工作压力3. 5 4. OMPa ;工作温度常温；活化温度200°C。内装5A分子筛，主要脱除氦气中的H2O, CO2，防止管道堵塞。干燥塔双塔并联使用，一组使用，另一组再生，使用时间为48h。再生气加热器功率2kW。主要用于加热氮气来再生活化粗氦干燥器和吸附器。高压冷凝分离器工作压力3. 5 4. OMPa ;工作温度负压液氮温度。主要用于气液分离，脱除原料气中的大部分氧和一部分氮。氮氧低温吸附器工作压力3. 5 4. OMPa ;工作温度负压液氮温度；活化温度常温。主要用于吸附原料气中的氮氧杂质，吸附杂质后的氦气纯度可达到99. 999%。真空泵抽速8L/s。主要用来抽负压，使低温系统的压力低于常压。2.操作步骤含饱和水汽的粗氦压缩气体(3. 5^4. OMPa)约6. ONmVh,经VlA或VlB阀进入在常 温下交替使用的两个粗氦干燥器(内装5A分子筛)V-101之一。通过粗氦干燥器，吸附除去粗氦中的水汽和二氧化碳，以避免低温下冻结而堵塞管道和设备。干燥后的气流经V2A或V2B阀进入用膨胀珍珠岩(珠光砂)保冷的冷区，流经负压氮换热器E-102，与负压蒸发氮换热，使温度降到约90K，随后通入高压冷凝分离器E-104夹套内的盘管，被负压液氮过冷到约68 K后，进入高压冷凝分离器E-104内筒。在高压冷凝分离器内筒，依据工作压力3. 5MPa和负压氮温度下的氦-氮和氦-氧相平衡数据，大部分氮和氧被冷凝为液态，而在液氮/氧中溶解的氦气约为1%，冷凝为液态的氮/氧经V6阀间断排放。注意设备内必须保留一定液位，不能将冷凝液完全排放掉，否则会将未冷凝的气态粗氦经V6排出系统。在操作条件下，高压冷凝分离器内未冷凝的气态粗氦含氦约97. 5%，由设备顶部流出，经V15A或V15B阀进入在负压氮温度下交替使用的两组氮氧低温吸附器(内装活性炭)V-102之一。通过氮氧低温吸附器，由活性炭吸附除去氦中剩余的氮氧杂质，获得99. 999%的高纯氦产品。产品经V16A或V16B阀流出系统，进入空温加热器E-103复热至常温后循环回液氦装置，首次开车前的准备工作裸冷保压试验在装填膨胀珍珠岩保温材料之前，先用干燥氮气置换各低温设备，为降低裸冷保压试验成本，再用干燥氢气代替氦气充填各低温设备至约4. OMPa,同时经V17、V18A/B阀给各有关低温设备的液氮夹套加液氮，氮氧低温吸附器、高压冷凝分离器外部设有液氮夹套，从液氮夹套蒸发出的氮蒸气经阀V19A/B或直接进入蒸发氮总管，流经负压氮换热器后，再由V7阀(经真空泵)放空。在设备冷却过程中，由于温度不断下降，应不断向低温设备内补充氢气，以维持设备内氢气压力，直到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氦气纯化装置，其特征在于包括纯化系统和降温系统，所述纯化系统包括依次连通的从原料氦气中脱除H2O, CO2的粗氦干燥器、初步冷凝脱除氮氧的高压冷凝分离器，以及装填活性炭吸附精脱氮氧的氮氧低温吸附器，所述降温系统包括通有液氮的管路系统，以及抽空该管路系统使其达到负压状态的抽真空设备，所述管路系统分别连通所述高压冷凝分离器、氮氧低温吸附器使其工作于负压液氮蒸发温度下。2.如权利要求I所述的氦气纯化装置，其特征在于还包括连通于粗氦干燥器、高压冷凝分离器之间的负压蒸发氮换热器，所述负压蒸发氮换热器与降温系统连通对通过其内的原料氦气进行换热降温。3.如权利要求I所述的氦气纯化装置，其特征在于还包括再生系统，所述再生系统包括再生气加热器，所述再生气加热器设有再生用气氮入口、再生用热气氮出口，所述再生用热气氮出口连通至粗氦干燥器和高压冷凝分离器之间纯化系统管路上，并通过阀门控制其内再生用热气氮对粗氦干燥器反向活化，或用热气氮加热低温吸附器...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建彬，代高立，赵帅德，王少楠，张军，赖晓峰，周鹏云，陈雅丽，
申请(专利权)人：西南化工研究设计院，
类型：实用新型
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