CN102564066B - 基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，包括一级换热器、二级换热器、四级换热器、至少一个小型低温制冷机以及至少一个集液罐，小型低温制冷机包括第一冷头和第二冷头，二级换热器设置在第一冷头上形成一级冷头换热器，四级换热器设置在第二冷头上形成二级冷头换热器，混合气体出口连接至一级冷头换热器入口，一级冷头换热器的出口连接集液罐的入口，集液罐气体出口连接到二级冷头换热器进口。本发明不同于传统的分离和纯化方法，用小型低温制冷机的第一级和第二级冷头作为冷源，将不同冷凝温度的气体分别液化和固化，从而得到冷凝温度更低的高纯气体，这样就可以用较低的成本来实现两种或多种气体的分离和纯化。

Description

基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置
技术领域
本发明涉及一种气体分离和纯化的低温装置，尤其是一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置。
背景技术
含杂质原料气中各组分气体的分离和纯化是获得高纯度（体积百分含量99.999%或以上）气体的基本过程。通常利用各组分气体冷凝温度和分子性质之间的差异来进行分离，传统的方法有：精馏法、分凝法、吸附法、催化反应法等。当产品气要求纯度较高时，需要几种方法联合使用，如高压低温冷凝和低温吸附相结合的方法或常温下的变压吸附和低温吸附相结合的方法等。传统的分离纯化方法流程复杂，投资成本高，通常用于大型的气体分离纯化设备。
一般来说，氦、氖等稀有气体的分离和纯化也是基于以上几种常用方法。稀有气体中，氦气、氖气等稀有气体在航空、航天、军事和科研等领域有着非常重要的应用，且需求量日益增大。重要的是我国属于贫氦国家，美国作为世界上主要的氦出口国已经将氦列为战略资源。因此，氦的回收再利用就显得尤为重要；此外，从空分装置中提取是工业上获得氦、氖的途径之一。
对于回收的氦气，其纯度在90%左右，其余主要是空气等杂质气体。这个纯度的氦气通常无法直接使用，需要经过特别的分离和纯化流程。对于空分装置中氦气、氖气的分离和纯化，传统方法一般包括粗氦氖混合气的提取、纯氦氖混合气的制备和纯氦、纯氖的制备三个工序。三道工序流程都比较复杂，投资成本高，缺乏经济性，一般很少应用于实际的空分装置中。
小型低温制冷机一般包括GM制冷机，脉管制冷机，斯特林制冷机，J-T制冷机等。小型低温制冷机的制冷温度范围一般在0 – 80 K（-273.15℃– -193.15℃），制冷量大约在0.1 – 100 W。小型低温制冷机是获得极低温的重要设备。基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置则适合用于小型的气体分离和纯化。
发明内容
本发明提供了一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的方法。改进了传统的分离和纯化方案，用小型低温制冷机的第一级和第二级冷头作为冷源，将不同冷凝温度的气体分别液化和固化，从而得到冷凝温度更低的高纯气体（如：氦气），已经液化的其它冷凝温度较高的高纯气体同样可以获得。这样就可以用较低的成本来实现两种或多种气体的分离和纯化。
本发明的技术方案是：
一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，其特征是：包括一级换热器、二级换热器、四级换热器、至少一个小型低温制冷机以及至少一个集液罐，所述的小型低温制冷机包括第一冷头和第二冷头，所述的二级换热器设置在所述的第一冷头上形成一级冷头换热器，所述的四级换热器设置在第二冷头上形成二级冷头换热器，在所述的一级换热器上设置有混合气体进口、混合气体出口、纯化后气体进口以及纯化后气体出口，所述的混合气体出口连接至所述的一级冷头换热器入口，一级冷头换热器的出口连接所述集液罐的入口，集液罐气体出口连接到二级冷头换热器进口，二级冷头换热器出口连接到一级换热器冷端纯化后气体一进口，一级换热器热端为纯化后气体一出口。
在所述的集液罐气体出口与二级冷头换热器进口之间还设置有一三级换热器，所述的二级冷头换热器出口也经过所述的三级换热器连接至一级换热器冷端纯化后气体一进口。
还包括另一制冷机，该另一制冷机包括位于第一冷头的一级换热罐和位于第二冷头的二级换热罐，所述的集液罐的液体出口经一级冷头换热器进入一级换热器的冷端纯化后气体一进口，所述的集液罐的气体出口经过所述的一级换热罐连接至所述的二级冷头换热器进口，二级冷头换热器的出口连接另一集液罐，该另一集液罐的气体出口经过所述的二级换热罐连接至一级换热器的冷端纯化后气体二进口，所述另一集液罐的液体出口经一级冷头换热器和一级换热罐进入一级换热器的冷端纯化后气体三进口，一级换热器热端为纯化后气体一出口、气体二出口和气体三出口。
所述的一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器类型为绕管换热器、盘管式换热器、板式换热器或翅片式换热器。
所述的小型低温制冷机为GM制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机或J-T制冷机。
本发明的有益效果：
本发明将小型低温制冷机引入到传统的气体分离和纯化系统中，用小型低温制冷机第一级和第二级冷头作为冷源，将不同冷凝温度的其它气体分别液化和固化，冷凝温度较高的气体在制冷机第一级冷头液化后，冷凝温度较低的气体纯度将达到99%以上，依然存在1%左右的杂质气体未被液化，这就需要温度更低的冷源（制冷机第二级冷头提供）将杂质气体固化，冷源温度越低，气体纯度越高，经过固化后的气体纯度通常达到99.999%以上。这样就可以用较低的成本来实现两种或多种气体的分离和纯化。
附图说明
图1是本发明获得高纯氦气和氮气的基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置系统原理图。
图2是获得高纯氦气、氖气和氮气三种产品气的基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一为获得高纯氦气和氮气的基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置。
如图1所示。基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，包括混合气进口1、一级换热器2、二级换热器3、集液罐4、三级换热器5、四级换热器6、氦气出口7、氮气出口8、GM制冷机9、和真空罩10，所述混合气进口1连接一级换热器2热端进口，一级换热器2冷端出口连接二级换热器3进口，二级换热器3盘绕在GM制冷机一级冷头上，二级换热器3出口连接到集液罐4气体进口，集液罐4气体出口连接到三级换热器5热端进口，三级换热器5冷端出口连接到四级换热器6进口，四级换热器6盘绕在GM制冷机二级冷头上，四级换热器6出口连接到三级换热器5冷端进口，三级换热器5热端出口连接到一级换热器2冷端进口，一级换热器2热端出口连接到氦气出口7，集液罐4液体出口连接到氮气出口8。GM制冷机9的一级、二级冷头部分，一级换热器2，二级换热器3，三级换热器4，四级换热器5和集液罐4均置于真空罩10中。
所述的获得高纯氦气和氮气的一种基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，其工作流程如下：
原料气（含氦气和氮气）从混合气进口1进入系统后首先进入一级换热器2预冷，预冷到较低温度后再进入到二级换热器3中进一步冷却，二级换热器3盘绕在GM制冷机9的一级冷头上。
所述原料气离开二级换热器3出口时是气液混合物，原料气中的绝大部分氮气已经液化，气液混合物进入集液罐4后进行气液分离，液体在集液罐4底部聚集，此时，离开集液罐4的气体里面依然含有少量未被液化的氮气。
所述氦气及少量未被液化的氮气离开集液罐4进入到三级换热器5中再次冷却，之前少量的未被液化的氮气在三级换热器5中固化，从三级换热器5冷端出来的氦气纯度达到了99.999%以上，为高纯气。
所述高纯气进入到四级换热器6中，四级换热器6盘绕在GM制冷机9的二级冷头上，离开四级换热器6的氦气温度达到最低值，氦气首先经过三级换热器5再经过一级换热器2后恢复到常温到达氦气出口7，集液罐4中液化的氮气每隔一段时间自动控制排放。
实施例二为获得高纯氦气、氖气和氮气三种产品气的基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置。
如图2所示。基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，包括原料气进口11，一级换热器12，一级冷头换热器13，集液罐一14，二级冷头换热器15，集液罐二16，一级换热罐17，二级换热罐18，GM制冷机一19，GM制冷机二20，氮气出口21，氦气出口22，氖气出口23和真空罩24。
所述的获得高纯氦气、氖气和氮气三种产品气的一种基于GM制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，其工作流程如下：
原料气（含氦气、氖气和氮气）从原料气进口11首先进入一级换热器12中进行预冷。经所述一级换热器12预冷后的原料气进入一级冷头换热器13进一步降温，将原料气中的氮气液化，原料气在一级冷头换热器13出口转变为包含液态氮气、气态氮气、氦气和氖气的气液混合物。
所述气液混合物流出一级冷头换热器13后，流入集液罐一14，在集液罐一14中将气体和液体分离，分离后的液态氮气回流至一级换热器12中预冷原料气，分离后的氦气、氖气以及未被液化的氮气进入一级换热罐17继续降温。
所述未被液化的氮气在一级换热罐17中被固化，流出一级换热罐17的气体为氦气和氖气的混合气体。
所述氦气和氖气的混合气体进入二级冷头换热器15进一步降温，将其中的氖气液化，氦气和氖气的混合气体在二级冷头换热器15出口转变为包含液态氖气、气态氖气和氦气的气液混合物。
所述液态氖气、气态氖气和氦气的气液混合物流出二级冷头换热器15后，流入集液罐二16，在集液罐二16中将气体和液体分离，分离后的氦气以及未被液化的氖气进入二级换热罐18。
所述未被液化的氖气在二级换热罐18中被固化，流出二级换热罐18的气体为低温高纯氦气，低温高纯氦气回流至一级换热器12，预冷常温原料气，氦气被复温至常温，即可获得常温高纯氦气。
所述的分离后的液态氖气回流至一级冷头换热器13，预冷经一级换热器12预冷后的原料气，液态氖气吸热转变成气态且被复温，被复温后的氖气进入一级换热罐17再次降温后流入一级换热器12预冷常温原料气，低温氖气在一级换热器12中被复温至常温，即可获得常温高纯氖气。
本实施例一和实施例二只是列举了获得两种产品气和三种产品气的原理和方法，如需要获得更多的产品气则需要在获得三种产品气的基础上加以改进得到。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，其特征是：包括一级换热器（2）、二级换热器（3）、四级换热器（6）、至少一个小型低温制冷机（9）以及至少一个集液罐（4），所述的小型低温制冷机（9）包括第一冷头和第二冷头，所述的二级换热器（3）设置在所述的第一冷头上形成一级冷头换热器，所述的四级换热器（6）设置在第二冷头上形成二级冷头换热器，在所述的一级换热器（2）上设置有混合气体进口、混合气体出口、纯化后气体一进口、纯化后气体二进口、纯化后气体三进口、纯化后气体一出口、纯化后气体二出口以及纯化后气体三出口，所述的混合气体出口连接至所述的一级冷头换热器入口，一级冷头换热器的出口连接所述集液罐（4）的入口，集液罐（4）气体出口连接到二级冷头换热器进口，二级冷头换热器出口连接到一级换热器（2）冷端纯化后气体一进口，一级换热器（2）热端为纯化后气体一出口；在所述的集液罐气体出口与二级冷头换热器进口之间还设置有一三级换热器（5），所述的二级冷头换热器出口也经过所述的三级换热器（5）连接至一级换热器（2）冷端纯化后气体一进口；还包括另一制冷机，该另一制冷机包括位于第一冷头的一级换热罐和位于第二冷头的二级换热罐，所述的集液罐的液体出口经一级冷头换热器进入一级换热器的冷端纯化后气体一进口，所述的集液罐的气体出口经过所述的一级换热罐连接至所述的二级冷头换热器进口，二级冷头换热器的出口连接另一集液罐，该另一集液罐的气体出口经过所述的二级换热罐连接至一级换热器的冷端纯化后气体二进口，所述另一集液罐的液体出口经一级冷头换热器和一级换热罐进入一级换热器的冷端纯化后气体三进口，一级换热器热端为所述纯化后气体一出口、纯化后气体二出口和纯化后气体三出口。
2.根据权利要求1所述的一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，其特征是所述的一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器类型为绕管换热器、盘管式换热器、板式换热器或翅片式换热器。
3.根据权利要求2所述的一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，其特征是所述的小型低温制冷机为GM制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机或J-T制冷机。
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