CN102718198B - 冷凝法提纯氦气的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温下利用低温吸附回收氦气的方法和装置，该装置包括：一台原料气压缩机及其冷却系统，放置于小冷箱内的一组外部低温冷却系统，使用制冷剂冷却增压后的压力混合气。本发明在一级冷凝和二级冷凝之间加入了一个吸收塔，使用液氮作为下流液体吸收原料气中的氧氩以及一氧化碳，这样出来的原料气杂质只含有氮。直接使用低温吸附去除杂质氮即可，本发明的氦气的纯化装置适合于含有氧氮氩组分的原料氦气，加入一吸收塔简化流程，配合多级闪蒸和低温吸附，能使氦气纯度达到99.999%以上，非常适于实用。

Description

冷凝法提纯氦气的方法及其装置

技术领域

本发明涉及制备高纯度氦气的方法和装置，特别涉及一种使用冷凝法对至少含有一氧化碳、氧气、氮气和氩气作为杂质的氦气进行纯化的方法及其装置。

背景技术

氦气性质无色无味，常温下为气态的惰性气体。是最难液化的不活泼气体。利用氦气的超低沸点-268.9℃，可以用于进行超低温冷却。此外由于氦气的不活泼性质。常用于飞船或广告气球的充入气体。在海洋开发领域的呼吸用混合气体中，以及医疗领域的核磁共振设备的超导电磁体冷却的用途中，氦气都得到广泛应用。但随着各行业的快速发展，氦气广泛应用于浮空器、检漏、电子、化学分析等行业。由于氦气在空气中的含量非常小，仅为5ppm，所以大量的氦气都是从天然气中提取，资源和技术都在少数国家的掌握之中，价格十分昂贵。我国是氦气资源比较贫乏的国家，目前国内绝大部分氦气是从美国进口的液氦气化得到的。

氦气是一种极为宝贵的资源，如果能够有效的回收混入空气的氦气资源，其产值是相当可观的，例如医院当中的核磁共振设备使用过的氦气直接放空，这部分气体混入空气之后还能够回收利用。氦气资源有限，常常存在于地下气体沉积层中，在天然气的制备期间进行分离。天然气含有约0.3%-0.7%的氦。氦具有许多独特的性质，例如低沸点、低密度、低溶解度、高导热性和惰性，并且可以液化。其凝结温度是所有已知物质中最低的。氦气的应用包括：填充气球和飞艇，自熔接，医学扫描仪和研究中超导磁体的冷却，火箭液体推进剂中的加压气体，潜水呼吸气体，核反应器中的工作液以及用作气相色谱化学分析的载气。许多科学研究中的这些应用都要求氦气的纯度大于99.999%。

中国专利CN200910092800公开了一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，它是由1号增压机、过滤器、汇流排、调压阀、热交换器、纯化封闭舱、列管冷却器、流量控制阀、合格氦气罐、2号增压机、3号增压机和碳纤维回收探头组成。1号增压机位于系统的前部，它与碳纤维回收探头和过滤器通过阀门连接；调压阀安装在汇流排与热交换器之间；热交换器分别与纯化封闭舱和列管冷却器进行连接；列管冷却器通过流量控制阀与合格氦气罐相通；合格氦气罐与2号增压机、3号增压机相连。本系统采用了氦气净化膜技术，无消耗，效率高，保证回收纯化后的氦气纯 度在99.9％以上，流量大于200立方米/小时，并且可以对多个浮空器进行回收纯化。

中国专利CN201110189742涉及氦气的纯化方法及纯化装置。该发明通过有效地降低回收氦气的杂质含有率，从而提供能以低成本将氦气纯化至高纯度的方法和装置。对至少含有氢、一氧化碳、来源于空气的氮和氧作为杂质的氦气进行纯化时，在氦气中添加氢，接着使氧与氢反应而生成水后，通过脱水操作来降低水分含有率。接着，将氦气中的氧摩尔浓度设定为高于一氧化碳摩尔浓度与氢摩尔浓度之和的1/2的值后，使氧与一氧化碳和氢反应，以残留有氧的状态生成二氧化碳和水。接着，通过使用沸石类吸附剂和碳类吸附剂的变压吸附法至少吸附杂质中的氧、氮、二氧化碳和水，然后通过-10℃～-50℃的变温吸附法至少吸附氮。

中国专利CN200910152131涉及一种氦气纯化的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将含杂质的氦气流输送至滤器；(b)将来自所述滤器的所述氦气流输送至多层分子筛/硅胶装置；(c)将来自所述多层分子筛/硅胶装置的所述氦气流输送至活性碳/活性碳纤维床；(d)将来自所述活性碳/活性碳纤维床的所述氦气流输送至金属吸气剂；和(e)将来自所述金属吸气剂的所述氦气流输送至微粒过滤器。

氦气的制备一般有冷凝法，空分发，氢液化法，高纯氦法。其中前两种纯度只能达到99.99%，第三种方法需要使用液氢，成本太高，高纯氦法不适用于含有氩组分的原料气。一般如果单纯使用冷凝法则需要-233℃以下的低温，所需要的温度越低，对流程和设备的要求越高，就算再加上低温吸附。氩目前没有合适的吸附剂来去除。如果原料气中的氩含量较多还是不能完全去除。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供冷凝法提纯氦气的方法及其装置，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提供一种氦气的纯化方法，对至少含有一氧化碳、氧气、氮气和氩气作为杂质的氦气作为原料气进行纯化，其特征在于：其步骤包括：

步骤一，首先将原料气经过压缩机后，进行加热；

步骤二，使所述原料气中的一氧化碳和氧完全反应，全部转化为二氧化碳；

步骤三，接着冷却原料气后进入吸附器，脱除原料气中的二氧化碳杂质；

步骤四，接着原料气降温后进行气液分离器，将部分液化的氧、氮、氩分离；

步骤五，随后原料气从下往上通过吸收塔，以高纯液氮作为吸收剂从上至下通过吸收塔；

步骤六，从塔顶出来的原料气再和负压液氮进行换热降温；

步骤七，原料气降温后再次气液分离，将气体进一步冷凝，将氮气分离；                        

步骤八，然后原料气再进入低温吸附器，将所述原料气中的氮气吸附除去。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现：

所述的步骤四中原料气经过主换热器降温，温度降到-190℃到-205℃。

所述的步骤五中吸收塔的塔板数为6到10块。

所述的步骤五中高纯液氮中的氩含量小于0.3%。

经所述步骤五吸收塔的吸收，从塔顶出来的原料气中氧被完全吸收，氩含量低于0.02% 其余杂质全部为氮。

所述的步骤六中原料气通过和负压液氮换热后，温度进一步降低至-207℃。

经步骤七的冷凝分离，原料气中氮的含量降至1.2%左右，氦气达到ppm级别。

所述的步骤八中原料气再进入低温吸附器，通过-10℃到-180℃的变温吸附，将所述原料气中的氮气吸附掉，使氦气纯度达到99.999%。

本发明还涉及一种氦气的纯化装置，该装置是对至少含有一氧化碳、氧气、氮气和氩气作为杂质的氦气进行纯化的装置，其特征在于，包括：

压缩机，原料气经过压缩机压到30公斤；

反应炉，所述反应炉内填充有催化剂，使得所述原料气一氧化碳和氧完全反应，全部转化为二氧化碳；

吸附器，所述吸附器与所述反应炉连接，吸附原料气中生成的二氧化碳杂质；

主换热器，原料气经过主换热器降温，温度降到-190℃到-205℃；

一级气液分离器，经过所述一级气液分离器的分离，将原料气中部分液化的氧氮氩分离；

吸收塔，所述吸收塔设置在一级气液分离器和二级气液分离器之间，原料气从下往上通过吸收塔，高纯液氮从上至下通过吸收塔，氧被完全吸收；

二级气液分离器，通过所述二级气液分离器的进一步冷凝，氮的含量降至1.2%左右，氦气达到ppm级别；

低温吸附器，所述低温吸附器中进行-10℃到-60℃的变温吸附，将所述原料气中的氮气吸附掉。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1绘示本发明涉及的一种冷凝法提纯氦气的装置的构成示意图。

附图标记：1.压缩机，2.吸附器，3.主换热器，4.一级气液分离器，5.吸收塔，6. 二级气液分离器，7. 低温吸附器。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种氦气的纯化方法和装置，详细说明如下。

本发明的不同实施例将详述如下，以实施本发明的不同的技术特征，可理解的是，以下所述的特定实施例的单元和配置用以简化本发明，其仅为范例而不限制本发明的范围。

本发明提供一种氦气的纯化装置，该装置是对至少含有一氧化碳、氧气、氮气和氩气作为杂质的氦气进行纯化的装置，如图1所示，一种氦气的纯化装置的构成示意图。该装置包括：压缩机，原料气经过压缩机压到30公斤；反应炉，所述反应炉内填充有催化剂，使得所述原料气一氧化碳和氧完全反应，全部转化为二氧化碳；吸附器，所述吸附器与所述反应炉连接，吸附原料气中生成的二氧化碳杂质；主换热器，原料气经过主换热器降温，温度降到-190℃到-205℃；一级气液分离器，经过所述一级气液分离器的分离，将原料气中部分液化的氧氮氩分离；吸收塔，所述吸收塔设置在一级气液分离器和二级气液分离器之间，原料气从下往上通过吸收塔，高纯液氮从上至下通过吸收塔，氧被完全吸收；二级气液分离器，通过所述二级气液分离器的进一步冷凝，氮的含量降至1.2%左右，氦气达到ppm级别；低温吸附器，所述低温吸附器中进行-10℃到-180℃的变温吸附，将所述原料气中的氮气吸附掉。

本发明还涉及一种氦气的纯化方法，对至少含有一氧化碳、氧气、氮气和氩气作为杂质的氦气进行纯化，其特征在于：其步骤包括：原料气的组成为（摩尔含量）：He为0.614，Ar为0.280，O2为0.02，N2为0.086，CO为0.000328，CO2为0.000092。原料气经过压缩机压到30公斤，加热进入反应炉。反应炉内填充催化剂，使一氧化碳和氧反应全部转化为二氧化碳，接着进入预冷机组冷却到5-10℃左右，进入吸附器脱除其中的二氧化碳杂质。脱除二氧化塔的原料气进入冷箱，原料气经过主换热器温度降到-190℃到-205℃此时进入一级气液分离器，将部分液化的氧氮氩分离，剩余的气体中还存在大约0.3%的氩，以及氧氮。氩是很难被低温吸附的杂质。所以原料气进入吸收塔，吸收塔的塔板数为6到10块左右。原料气从下往上通过吸收塔，高纯液氮（要求氩含量小于0.3%）从上至下通过吸收塔。从塔顶出来的原料气，氩含量低于0.02% 其余杂质全部为氮，氧被完全吸收。接着原料气再和负压液氮换热，温度进一步降低至-207℃，进一步冷凝，氮的含量能降至1.2%左右，氦基本达到ppm级别。然后原料气再进入低温吸附器吸附掉。吸附之后的纯氦气能够达到99.999%，非常适于实用。

本发明的优点在于在一级冷凝和二级冷凝之间加入了一个吸收塔，使用液氮作为下流液体吸收原料气中的氧氩以及一氧化碳，这样出来的原料气杂质只含有氮。直接使用低温吸附去除杂质氮即可，这样既避免了过低温度在制造和保温上的难题，超低温需要真空绝热罐，制造成本颇高，也不用担心氩无法被低温吸收的问题，使用普通的硅胶低温吸附即可。本发明涉及的氦气纯化的方法和装置适合于含有氧氮氩组分的原料氦气，加入一吸收塔简化流程，配合多级闪蒸和低温吸附，能使氦气纯度达到99.999%以上。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (7)

1.一种氦气的纯化方法，对至少含有一氧化碳、氧气、氮气和氩气作为杂质的氦气作为原料气进行纯化，其特征在于：其步骤包括：

步骤一，首先将原料气经过压缩机后，进行加热；

步骤二，使所述原料气中的一氧化碳和氧完全反应，全部转化为二氧化碳；

步骤三，接着冷却原料气后进入吸附器，脱除原料气中的二氧化碳杂质；

步骤四，接着原料气降温后进行气液分离器，将部分液化的氧、氮、氩分离；

步骤五，随后原料气从下往上通过吸收塔，以高纯液氮作为吸收剂从上至下通过吸收塔；

步骤六，从塔顶出来的原料气再和负压液氮进行换热降温；

步骤七，原料气降温后再次气液分离，将气体进一步冷凝，将氮气分离；

步骤八，然后原料气再进入低温吸附器，将所述原料气中的氮气吸附除去。

2.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤四中原料气经过主换热器降温，温度降到-190℃到-205℃。

3.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤五中吸收塔的塔板数为6到10块。

4.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤五中高纯液氮中的氩含量小于0.3%。

5.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：经所述步骤五吸收塔的吸收，从塔顶出来的原料气中氧被完全吸收，氩含量低于0.02%其余杂质全部为氮。

6.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤六中原料气通过和负压液氮换热后，温度进一步降低至-207℃。

7.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤八中原料气再进入低温吸附器，通过-10℃到-180℃的变温吸附，将所述原料气中的氮气吸附掉，使氦气纯度达到99.999%。

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