本发明专利技术涉及一种高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置及分离方法。该装置包括第一换热器（1）、压缩机（2）、第二换热器（3）、冷凝蒸发器（4）、活性炭吸附器（5）、液氮储罐（6）；含有二氧化碳和氦气的混合气体经过第一换热器预冷和压缩机的压缩后，引入第二换热器再冷却，流入冷凝蒸发器，二氧化碳在冷凝蒸发器的冷凝侧被冷却为液体从底部排出，氦气则以气态形式从上部引出，氦气经由活性炭吸附器吸附杂质后得到高纯度的氦气。本装置针对氦气和二氧化碳的混合气体，直接利用液氮储罐供应液氮到冷凝蒸发器分离氦气和二氧化碳，系统简单，维护性高，冷量逐级回收。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种气体分离和纯化的装置，尤其能分离沸点相差比较大的气体混合物氦气和二氧化碳。
技术介绍
氦气是国防军工和高科技产业发展尤其是低温超导领域不可或缺的稀有战略性物资之一。氦气在全球的储量分布非常不均匀，北美、北非及俄罗斯等地有着较为丰富的氦气资源，而我国氦气资源严重匮乏，只有四川地区储存有少量的氦气。长期以来，我国的工业生产和科学试验用氦气(含液氦)基本依靠国外进口，所以国内的氦气价格相对较高，且大批量供货周期很长。同时随着我国国防工业技术的发展，氦气的需求量越来越大，一旦在非常时期发生氦气禁运，必将在大范围内影响我国的国防安全和经济发展。因此，为了节约氦气资源，降低使用成本，对氦气回收纯化具有非常重要的意义。通过对目前提氦技术的文献检索可知，精馏法较为成熟，但能耗、成本较高；吸附法、吸收法和膜渗透法等其他提氦技术各具特点，但目前限于适用条件尚不能规模化工业应用。上述技术主要集中在将氦气从含氦天然气中分离出来，目前尚未有从二氧化碳伴生气中提取氦气的文献报道。
技术实现思路
技术问题针对含氦气二氧化碳气田，利用氦气和二氧化碳三相点相差大的特点，本专利技术设计了，大大降低了提取氦气的成本，并可同时生产高纯度的二氧化碳液体。技术方案本专利技术的高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置为该装置包括第一换热器(I)、压缩机(2)、第二换热器(3)、冷凝蒸发器(4)、活性炭吸附器(5)、液氮储罐(6);第一换热器(I)的输入端接进气阀(7)，第一换热器(I)的输出端与压缩机(2)、第二换热器(3 )、冷凝蒸发器(4 )顺序串联连接，液氮储罐(6 )的输出端通过低温手动阀(8 )接冷凝蒸发器(4)，冷凝蒸发器(4)的下端接低温浮球阀(9)，冷凝蒸发器(4)的上部气体输出端与活性炭吸附器(5)、第二换热器(3)、第一换热器(I)顺序串联连接，冷凝蒸发器(4)中部的氦气输出端顺序串联连接活性炭吸附器(5)、第二换热器(3)接自动排气阀(10)。本专利技术的高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置的气体混合物的分离方法为混合气体由进气阀(7)进入，依次通过第一换热器(I)、压缩机(2)、第二换热器(3)到达冷凝蒸发器(4)，在冷凝蒸发器(4)中，高压低温的二氧化碳冷凝成液态从冷凝蒸发器(4)底部的冷凝侧通过低温浮球阀(9)排出，氦气从冷凝蒸发器(4)上部引出，实现两者的分离，并将氦气经由活性炭吸附器(5)得到高纯度的氦气，再流经第二换热器(3)回收冷量，获得常温高纯度氦气；液氮储罐(6)供应液氮到冷凝蒸发器(4)，并依次通过活性炭吸附器(5)、第二换热器(3)和第一换热器(I)逐级冷却来流混合气体。工作原理氦气和二氧化碳混合气路侧将二氧化碳和氦气的混合气体送入第一换热器I预冷、通过压缩机2压缩至200bar后将高压气体引入第二换热器3，将其冷却为低温高压混合气体，进入77K温区的冷凝蒸发器4，由于二氧化碳和氦气的沸点相差非常大，在冷凝侧二氧化碳气体迅速被冷凝成液态，从冷凝蒸发器底部收集，以便它用；剩余下来的气体主要成分为氦气，再通过活性炭吸附器5吸附二氧化碳及其他杂质，得到高纯度的低温氦气(99. 995%)，通过第二换热器3回收冷量，获得常温氦气。氮气侧液氮储罐6直接供应液氮到冷凝蒸发器4的蒸发侧，为冷凝蒸发器4提供77K低温环境，在冷凝蒸发器4中液氮被蒸发成低温氮气，通过活性炭吸附器5后得到中温氮气，目的是使活性炭吸附器在低温下保持高效率，中温氮气经过第二换热器3和第一换热器I换热回收冷量后得到常温氮气，收集后备其他工业使用。有益效果本专利技术的优点在于 ( I)本专利技术利用氦气和二氧化碳的三相点相差大的特点，省却精馏塔等复杂设备，采用简单的冷凝一蒸发方法来实现两者的分离，系统简单，易于操作，降低初投资成本；(2)本专利技术直接利用液氮储罐提供液氮，代替低温制冷机从而提高系统可靠性；利用自增压液氮储罐迫使液氮从底部输送到冷凝蒸发器，节省了泵的耗功。(3)本专利技术装置系统中所有产物都得到收集，没有产生废弃物，对环境未造成污染，处理过程中能量逐级回收，是一种节能高效环保的方法。附图说明图I是氦气和二氧化碳混合气的分离装置图。图I中各组成部件1第一换热器，2压缩机，3第二换热器，4冷凝蒸发器，5活性炭吸附器，6液氮储罐，7进气阀，8低温手动阀，9低温浮球阀，10自动排气阀。具体实施例方式高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置包括第一换热器I、压缩机2、第二换热器3、冷凝蒸发器4、活性炭吸附器5、液氮储罐6 ;第一换热器I的输入端接进气阀7，第一换热器I的输出端与压缩机2、第二换热器3、冷凝蒸发器4顺序串联连接，液氮储罐6的输出端通过低温手动阀8接冷凝蒸发器4，冷凝蒸发器4的下端接低温浮球阀9，冷凝蒸发器4的上部气体输出端与活性炭吸附器5、第二换热器3、第一换热器I顺序串联连接，冷凝蒸发器4中部的液体输出端顺序串联连接活性炭吸附器5、第二换热器3接自动排气阀10 ；从第二换热器3出来的混合气通入冷凝蒸发器4的冷凝侧，液氮通入冷凝蒸发器4的蒸发侦牝两者进行换热，实现氦气和二氧化碳的分离。含杂质的氦气从冷凝蒸发器4的冷凝侧上部引入活性炭吸附器5，活性炭吸附二氧化碳等杂质使氦气纯化；氮气从冷凝蒸发器4的蒸发侧顶部排出，通过排气管与活性炭吸附器5进行间壁式换热，使活性炭吸附器在低温下保持高效率。液氮储罐6通过设有低温手动阀8的供液管路与液氮储罐6的蒸发侧连接，装置启动时，开启低温手动阀8和进气阀7，由于液氮储罐6内部分液氮气化，压力升高，液氮自动从底部流向冷凝蒸发器4。高纯度氦气经过第二换热器3回收冷量后经排气管排出至收集装置，排气管上设有自动排气阀10，当生产的氦气量足以顶开自动排气阀10时，排气阀自动开启，氦气排出 得以收集；被冷凝的液态二氧化碳从冷凝蒸发器4底部排液管路排出，排液管路上装有低温浮球阀9，当液态二氧化碳液位一定时，浮球由于受浮力作用上升，关闭进液口 ；当液位下降后，浮球阀重新开启，达到间歇性排出液态二氧化碳的作用。权利要求1.一种高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置，其特征在于该装置包括第一换热器(I)、压缩机(2)、第二换热器(3)、冷凝蒸发器(4)、活性炭吸附器(5)、液氮储罐(6);第一换热器(I)的输入端接进气阀(7)，第一换热器(I)的输出端与压缩机(2)、第二换热器(3)、冷凝蒸发器(4)顺序串联连接，液氮储罐(6)的输出端通过低温手动阀(8)接冷凝蒸发器(4)，冷凝蒸发器(4)的下端接低温浮球阀(9)，冷凝蒸发器(4)的上部气体输出端与活性炭吸附器(5)、第二换热器(3)、第一换热器(I)顺序串联连接，冷凝蒸发器(4)中部的氦气输出端顺序串联连接活性炭吸附器(5)、第二换热器(3)接自动排气阀(10)。2.一种如权利要求I所述的高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置的气体混合物的分离方法，其特征在于混合气体由进气阀(7)进入，依次通过第一换热器(I)、压缩机(2)、第二换热器(3)到达冷凝蒸发器(4)，在冷凝蒸发器(4)中，高压低温的二氧化碳冷凝成液态从冷凝蒸发器(4)底部的冷凝侧通过低温浮球阀(9)排出，氦气从冷凝蒸发器(4)上部引出，实现两者的分离，并将氦气经由活性炭吸附器(5)得到高纯度的氦气，再本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置，其特征在于该装置包括第一换热器（1）、压缩机（2）、第二换热器（3）、冷凝蒸发器（4）、活性炭吸附器（5）、液氮储罐（6）；第一换热器（1）的输入端接进气阀（7），第一换热器（1）的输出端与压缩机（2）、第二换热器（3）、冷凝蒸发器（4）顺序串联连接，液氮储罐（6）的输出端通过低温手动阀（8）接冷凝蒸发器（4），冷凝蒸发器（4）的下端接低温浮球阀（9），冷凝蒸发器（4）的上部气体输出端与活性炭吸附器（5）、第二换热器（3）、第一换热器（1）顺序串联连接，冷凝蒸发器（4）中部的氦气输出端顺序串联连接活性炭吸附器（5）、第二换热器（3）接自动排气阀（10）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：钱华，梁文清，郑晓红，董真真，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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