CN102718199B - 结晶法提纯氦气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用低温氦循环作为冷源通过冷凝,吸收,再冷凝,最后低温吸附的方法将含有氧氮氩氖杂质的氦气提纯的方法,由于使用氦循环制冷，能够简单的达到极低的温度，配合本流程自己的工艺做到氦气的快速提纯，本发明的氦气的纯化装置适合于含有氧氮氩氖组分的原料氦气，使用氦气膨胀机制冷，由于氦气不易液化的特点，可以轻松把温度降低至很低的程度而不引起膨胀工质的液化，这样就为后面的工作提供了很大的便利，对于氧氮氩氖的杂质既不需要低温吸附，也不需要低温精馏，摒弃了传统的低温吸附以及精馏塔工艺，在极低的温度下只要过滤掉结晶的氧氮氩氖，即可得到极高纯度的产品氦气，非常适于实用。

Description

结晶法提纯氦气的方法和装置

技术领域

本发明涉及制备高纯度氦气的方法和装置，特别涉及一种使用结晶法对至少含有一氧化碳、氧气、氮气、氖气和氩气作为杂质的氦气进行提纯的方法及其装置。

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一种氦气的纯化方法及其装置，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。

本发明提供一种结晶法提纯氦气的方法，对至少含有一氧化碳、氧气、氮气、氖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压缩后进行加热；

步骤二，接着使用催化剂使所述氦气中的一氧化碳和氧完全反应，使一氧化碳全部转化为二氧化碳；

步骤三，接着进入预冷机组进行冷却，之后进入分子筛吸附器脱除原料气的二氧化碳杂质；

步骤四，接着原料气经过换热器进行换热降温，使氧、氮、氩、氖结晶；

步骤五，随后原料气通过过滤器，过滤低温下凝固的氧氮氩氖结晶。

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：

所述的步骤一中原料气经过压缩机增压至3.0MPa。

所述的步骤三中原料气进入预冷机组进行冷却，原料气冷却至5-10℃。

所述的步骤四中换热器换热所使用的冷源为氦气，所述氦气通过压缩机后经过制冷机，温度降低到40K以下后进入换热器作为冷源，循环使用。

所述的步骤五中过滤获取的氧氮氩结晶进入另一个过滤器，进行泄压再生，所述再生温度为-183℃以上。

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、氖气和氩气作为杂质的氦气作为原料气进行纯化的装置，其特征在于，包括：预处理系统，循环制冷系统，换热系统和过滤系统，

所述预处理系统包括压缩机，反应炉，预冷机和吸附器，压缩机，反应炉，预冷机和吸附器顺次连接，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，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；

所述循环制冷系统以氦气为制冷剂，通过管路连接，顺次经过压缩机和膨胀机后进入换热器，在换热器中进行换热后再连接接入管路，循环使用；

所述换热系统包括主换热器和过冷器，换热温度为杂质中氧氮氩氖的熔点温度，使杂质中氧氮氩氖凝结成晶体直接分离；

所述过滤系统包括两个过滤器，过滤器与主换热器连接，过滤低温下凝固的氧氮氩结晶, 另外一个过滤器泄压再生，再生温度只要满足所有氧氮氩氖结晶能够气化即为氧气的常压沸点即可，此时大量氧氮氩结晶气化自然放空，之后再用少量产品氦气置换，可获取氦气纯度为99.999%以上。

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：

所述的制冷机为制冷温度能到达40K以下的制冷机。

所述的制冷机优选为膨胀机。

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氦气的纯化装置的构成示意图。

附图标记：1.预冷机，2.分子筛吸附器，3.过滤器，4.换热器，5.压缩机，6. 制冷机。

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、氖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：预处理系统，循环制冷系统，换热系统和过滤系统，所述预处理系统包括压缩机，反应炉，预冷机和吸附器，压缩机，反应炉，预冷机和吸附器顺次连接，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，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；所述循环制冷系统以氦气为制冷剂，通过管路连接，顺次经过压缩机和膨胀机后进入换热器，在换热器中进行换热后再连接接入管路，循环使用；所述换热系统包括主换热器和过冷器，换热温度为杂质中氧氮氩氖的熔点温度，使杂质中氧氮氩氖凝结成晶体直接分离；所述过滤系统包括两个过滤器，过滤器与主换热器连接，过滤低温下凝固的氧氮氩氖结晶, 另外一个过滤器泄压再生，再生温度只要满足所有氧氮氩结晶能够气化即为氮气的常压沸点即可，此时大量氧氮氩氖结晶气化自然放空，之后再用少量产品氦气置换，可获取氦气纯度为99.999%以上。

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、氖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3.0MPa，加热进入反应炉。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。同时一股氦气通过氦气模压机压到1.0MPa，与回流气体换热后进入氦膨胀机膨胀，使温度达到氮的熔点以下。此时，氧氮氩氖的结晶都会析出。设置两个过滤器，原料气通过其中一个时，固体被过滤器带走，另外一个过滤器泄压再生，再生温度只要满足所有氧氮氩氖结晶能够气化即为氧气的常压沸点即可，此时大量氧氮氩结晶气化自然放空，之后再用少量产品氦气置换。经过计算回收的高纯氦纯度可达到99.999%以上，非常适于实用。

本发明的优点在于摒弃了传统的低温吸附以及精馏塔工艺，在极低的温度下只要过滤掉结晶的氧氮氩氖，即可得到极高纯度的氦气产品。本发明使用氦气膨胀机制冷，由于氦气不易液化的特点，可以轻松把温度降低至很低的程度而不引起膨胀工质的液化，这样就为后面的工作提供了很大的便利，对于氧氮氩的杂质既不需要低温吸附，也不需要低温精馏，直接通过冷凝就能获得纯度很高的氦气。

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 (6)

1.一种氦气的纯化方法，对至少含有一氧化碳、氧气、氮气、氖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压缩后进行加热；

步骤二，接着使用催化剂使所述氦气中的一氧化碳和氧完全反应，使一氧化碳全部转化为二氧化碳；

步骤三，接着进入预冷机组进行冷却，之后进入分子筛吸附器脱除原料气的二氧化碳杂质；

步骤四，接着原料气经过换热器进行换热降温，使氧、氮、氩、氖结晶；

步骤五，随后原料气通过过滤器，过滤低温下凝固的氧氮氩氖结晶。

2.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤一中原料气经过压缩机增压至3.0MPa。

3.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤三中原料气进入预冷机组进行冷却，原料气冷却至5-10℃。

4.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤四中换热器换热所使用的冷源为氦气，所述氦气通过压缩机后经过制冷机，温度降低到40K以下后进入换热器作为冷源，循环使用。

5.如权利要求1所述的一种氦气的纯化方法，其特征在于：所述的步骤五中过滤获取的氧氮氩氖结晶进入另一个过滤器，进行泄压再生，所述再生温度为-183℃以上。

6.一种氦气的纯化装置，该装置是对至少含有一氧化碳、氧气、氮气、氖气和氩气作为杂质的氦气作为原料气进行纯化的装置，其特征在于，包括：预处理系统，循环制冷系统，换热系统和过滤系统，

所述预处理系统包括压缩机，反应炉，预冷机和吸附器，压缩机，反应炉，预冷机和吸附器顺次连接，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，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；

所述循环制冷系统以氦气为制冷剂，通过管路连接，顺次经过压缩机和制冷机后进入换热器，在换热器中进行换热后再连接接入管路，循环使用；其中，所述的制冷机为膨胀机；

所述换热系统包括主换热器和过冷器，换热温度为杂质中氧氮氩氖的熔点温度，使杂质中氧氮氩氖凝结成晶体直接分离；

所述过滤系统包括两个过滤器，过滤器与主换热器连接，过滤低温下凝固的氧氮氩结晶,另外一个过滤器泄压再生，再生温度只要满足所有氧氮氩结晶能够气化即为氧气的常压沸点即可，此时大量氧氮氩氖结晶气化自然放空，之后再用少量产品氦气置换，可获取氦气纯度为99.999%以上。