CN104001409B - 一种膜法氦气提纯装置系统和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜法氦气提纯装置系统及工艺：收集得到的混合氦气经第一预处理器的预处理，达到设定的入膜气体要求后，进入第一中空纤维膜进行分离；第一中空纤维膜分离得到的非渗透气回收或排空，分离得到的渗透气进入第二预处理器；第一中空纤维膜的渗透气经第二预处理器预处理后，进入第二中空纤维膜继续分离处理；第二中空纤维膜分离得到的非渗透气循环至第一预处理器，分离得到的渗透气为产品氦气；本发明采用膜法提纯工艺，对低浓度的氦气进行回收再利用，设备体积小、工艺简单、操作方便。

Description

一种膜法氦气提纯装置系统和工艺

技术领域

本发明涉及一种膜法氦气提纯装置系统和工艺，具体涉及一种氦气回收再利用的膜法提纯装置系统，以及利用该系统进行提纯的工艺。

背景技术

氦气是工业、化工、科研教学和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资，广泛应用于科研、航天航空、制冷、医疗、光纤、检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接生产等领域。氦气在全球的储量分布非常不均匀，全球各地各自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工业技术的发展，氦气的需求量越来越大，必将在大范围内影响我国大范围领域的经济发展。因此，为了节约氦气资源，降低使用成本，对氦气回收提纯具有非常重要的意义。

目前，低浓度的氦气基本上都不做回收，直接排放。要做氦气提纯，工艺有：深冷法、变压吸附法、膜分离法。深冷的优点是可以得到高浓度的高纯氦气，缺点是设备投资大、运行能耗高、启动时间长；变压吸附法的缺点是设备体积大、噪音大、启动时间慢等。膜分离法工艺简单、设备体积小、启动时间快，操作方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种氦气回收再利用的膜法提纯系统，以及利用该系统进行提纯的工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种膜法氦气提纯装置系统，包括混合氦气柜、第一预处理器、第一中空纤维膜、第二预处理器、第二中空纤维膜和氦气储罐；所述混合氦气柜设有气体出口；所述第一预处理器设有进口和出口；所述第一中空纤维膜设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述第二预处理器设有进口和出口；所述第二中空纤维膜设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述氦气储罐设有气体进口；所述混合氦气柜的气体出口与所述第一预处理器的进口经管线连接，所述第一预处理器的出口与所述第一中空纤维膜的进口经管线连接；所述第一中空纤维膜的非渗透气出口与废气回收装置经管线连接或与大气相通；所述第一中空纤维膜的渗透气出口与所述第二预处理器的进口经管线连接，所述第二预处理器的出口与第二中空纤维膜的进口经管线连接；所述第二中空纤维膜的非渗透气出口与所述第一预处理器的进口经管线连接，所述第二中空纤维膜的渗透气出口与所述氦气储罐的气体进口经管线连接。

优选的，所述第一预处理器进口之前连接有第一压缩机；所述第一压缩机设有进口和出口；所述混合氦气柜的出口与所述第一压缩机的进口经管线连接，第一压缩机的出口与所述第一预处理器的进口经管线连接。

优选的，所述第一预处理器包括冷干机Ⅰ、氦气缓存罐Ⅰ和过滤器Ⅰ；所述冷干机Ⅰ设有进口和出口；所述氦气缓存罐Ⅰ设有进口和出口；所述过滤器Ⅰ设有进口和出口；所述第一压缩机的出口与所述冷干机Ⅰ的进口经管线连接；所述冷干机Ⅰ的出口与所述氦气缓存罐Ⅰ的进口经管线连接；所述氦气缓存罐Ⅰ的出口与所述过滤器Ⅰ的进口经管线连接；所述过滤器Ⅰ的出口与所述第一中空纤维膜的进口经管线连接。

优选的，所述氦气缓存罐Ⅰ的出口与所述过滤器Ⅰ的进口之间的连接管线上设有单向调节阀Ⅰ。

优选的，所述第二预处理器的进口之前连接有第二压缩机；所述第二压缩机设有进口和出口；所述第一中空纤维膜的渗透气出口与所述第二压缩机的进口经管线连接，第二压缩机的出口与所述第二预处理器的进口经管线连接。

优选的，所述第二预处理器包括冷干机Ⅱ、氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ；所述冷干机Ⅱ设有进口和出口；所述氦气缓存罐Ⅱ设有进口和出口；所述过滤器Ⅱ设有进口和出口；所述第二压缩机的出口与所述冷干机Ⅱ的进口经管线连接；所述冷干机Ⅱ的出口与所述氦气缓存罐Ⅱ的进口经管线连接；所述氦气缓存罐Ⅱ的出口与所述过滤器Ⅱ的进口经管线连接；所述过滤器Ⅱ的出口与所述第二中空纤维膜的进口经管线连接。

优选的，所述氦气缓存罐Ⅱ的出口与所述过滤器Ⅱ的进口之间的连接管线上设有单向调节阀Ⅱ。

优选的，所述第二中空纤维膜的渗透气出口连接有氦气分析仪。

优选的，所述第二中空纤维膜的非渗透气出口和第一预处理器的进口之间的连接管线上连接设有单向调节阀Ⅲ。

优选的，所述第一中空纤维膜和第二中空纤维膜分别包括并联连接的多支中空纤维膜组件。

一种膜法氦气提纯工艺，包括以下步骤：

(1)来自混合氦气柜的混合氦气经第一预处理器的预处理，达到设定的入膜气体要求后，进入第一中空纤维膜进行分离；

(2)第一中空纤维膜分离得到的非渗透气回收或排空，分离得到的渗透气进入第二预处理器；

(3)第一中空纤维膜的渗透气经第二预处理器预处理后，进入第二中空纤维膜继续分离处理；

(4)第二中空纤维膜分离得到的非渗透气循环至第一预处理器，分离得到的渗透气为产品氦气。

优选的，步骤(1)中，所述混合氦气经第一压缩机增压后，再进入第一预处理器。

优选的，所述第一压缩机的出口气体压力为0.7-1.0MPa。

优选的，步骤(1)中，所述混合氦气经所述第一预处理器的预处理后达到以下入膜气体要求：粉尘≤0.01μm，残油≤0.01ppm，温度25-50℃。

优选的，步骤(2)中，所述第一中空纤维膜分离得到的渗透气经第二压缩机增压后，再进入第二预处理器。

优选的，所述第二压缩机的出口气体压力为0.7-1.0MPa。

优选的，所述来自第一中空纤维膜的渗透气经所述第二预处理器的预处理后，达到以下入膜气体要求：粉尘≤0.01μm，残油≤0.01ppm，温度25-50℃。

优选的，步骤(4)中，所述第二中空纤维膜的非渗透气出口上设单向调节阀Ⅲ。

优选的，步骤(4)中，所述第二中空纤维膜的渗透气出口上设氦气分析仪，用于对产品氦气的检测。

优选的，所述第一预处理器包括依次连接的冷干机Ⅰ、氦气缓存罐Ⅰ和过滤器Ⅰ；所述氦气缓存罐Ⅰ和过滤器Ⅰ之间设有单向调节阀Ⅰ。

优选的，所述第二预处理器包括冷干机Ⅱ、氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ；所述氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ之间设有单向调节阀Ⅱ。

优选的，所述第一中空纤维膜和第二中空纤维膜分别包括并联连接的多支中空纤维膜组件。中空纤维膜的分离原理在于，混合氦气中的各气体组分在中空纤维膜中的渗透速率不同，从而达到对氦气进行分离提纯以及回收氦气再利用的目的。

本发明的技术效果及优点在于：

本发明采用膜法提纯工艺，对低浓度的氦气进行回收再利用，设备体积小、工艺简单、操作方便。

附图说明

图1一种膜法氦气提纯装置系统示意图

图2第一中空纤维膜的膜组件连接示意图

图3第一预处理器结构示意图

附图标记：

1，混合氦气柜；2，第一压缩机；3，第一预处理器；4，第一中空纤维膜；5，第二压缩机；6，第二预处理器；7，第二中空纤维膜；8，氦气分析仪；9，氦气储罐；10，单向调节阀Ⅲ；11，中空纤维膜组件；12，冷干机Ⅰ；13，氦气缓存罐Ⅰ；14，单向调节阀Ⅰ；15，过滤器Ⅰ。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一种膜法氦气提纯装置系统，包括混合氦气柜1、第一预处理器3、第一中空纤维膜4、第二预处理器6、第二中空纤维膜7和氦气储罐9；所述混合氦气柜1设有气体出口；所述第一预处理器3设有进口和出口；所述第一中空纤维膜4设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述第二预处理器6设有进口和出口；所述第二中空纤维膜7设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述氦气储罐9设有气体进口；所述混合氦气柜1的气体出口与所述第一预处理器3的进口经管线连接，所述第一预处理器3的出口与所述第一中空纤维膜4的进口经管线连接；所述第一中空纤维膜4的非渗透气出口与废气回收装置经管线连接或与大气相通；所述第一中空纤维膜4的渗透气出口与所述第二预处理器6的进口经管线连接，所述第二预处理器6的出口与第二中空纤维膜7的进口经管线连接；所述第二中空纤维膜7的非渗透气出口与所述第一预处理器3的进口经管线连接，所述第二中空纤维膜7的渗透气出口与所述氦气储罐9的气体进口经管线连接。

一种优选情况，如图1所示：

所述第一预处理器3进口之前连接有第一压缩机2；所述混合氦气柜1的出口与所述第一压缩机2的进口经管线连接，第一压缩机2的出口与所述第一预处理器3的进口经管线连接。

所述第二预处理器6的进口之前连接有第二压缩机5；所述第一中空纤维膜4的渗透气出口与所述第二压缩机5的进口经管线连接，第二压缩机5的出口与所述第二预处理器6的进口经管线连接。

所述第二中空纤维膜7的渗透气出口连接有氦气分析仪8。

所述第二中空纤维膜7的非渗透气出口和第一预处理器3的进口之间的连接管线上连接设有单向调节阀Ⅲ10。

一种优选情况下，如图2所示：

所述第一中空纤维膜4(图2)和第二中空纤维膜7分别包括并联连接的多支中空纤维膜组件11。

一种优选情况下，如图3所示：

所述第一预处理器3(图3)包括冷干机Ⅰ12、氦气缓存罐Ⅰ13和过滤器Ⅰ15；所述冷干机Ⅰ12设有进口和出口；所述氦气缓存罐Ⅰ13设有进口和出口；所述过滤器Ⅰ15设有进口和出口；所述第一压缩机2的出口与所述冷干机Ⅰ12的进口经管线连接；所述冷干机Ⅰ12的出口与所述氦气缓存罐Ⅰ13的进口经管线连接；所述氦气缓存罐Ⅰ13的出口与所述过滤器Ⅰ15的进口经管线连接；所述过滤器Ⅰ15的出口与所述第一中空纤维膜4的进口经管线连接。

所述氦气缓存罐Ⅰ13的出口与所述过滤器Ⅰ15的进口之间的连接管线上设有单向调节阀Ⅰ14。

所述第二预处理器6包括冷干机Ⅱ、氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ；所述冷干机Ⅱ设有进口和出口；所述氦气缓存罐Ⅱ设有进口和出口；所述过滤器Ⅱ设有进口和出口；所述第二压缩机5的出口与所述冷干机Ⅱ的进口经管线连接；所述冷干机Ⅱ的出口与所述氦气缓存罐Ⅱ的进口经管线连接；所述氦气缓存罐Ⅱ的出口与所述过滤器Ⅱ的进口经管线连接；所述过滤器Ⅱ的出口与所述第二中空纤维膜7的进口经管线连接。

所述氦气缓存罐Ⅱ的出口与所述过滤器Ⅱ的进口之间的连接管线上设有单向调节阀Ⅱ。

利用图1所示的装置系统进行氦气提纯的工艺，包括以下步骤：

(1)收集在混合氦气柜1中的混合氦气(组成：氦气浓度10-40v％)经第一压缩机2增压至0.7-1.0MPa，然后进入第一预处理器3(包括依次连接的冷干机Ⅰ12、氦气缓存罐Ⅰ13和过滤器Ⅰ15；氦气缓存罐Ⅰ13和过滤器Ⅰ15之间设有单向调节阀Ⅰ14)，预处理达到入膜气体要求(粉尘≤0.01μm，残油≤0.01ppm，温度25-50℃)，然后进入第一中空纤维膜4(由3支并联的中空纤维膜组件11构成)；

(2)第一中空纤维膜4分离得到的非渗透气排空或回收，分离得到的渗透气经第二压缩机5增压至0.7-1.0MPa后，进入第二预处理器6(包括冷干机Ⅱ、氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ；氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ之间设有单向调节阀Ⅱ)；

(3)第一中空纤维膜4的渗透气经第二预处理器6预处理后，达到入膜气体要求(粉尘≤0.01μm，残油≤0.01ppm，温度25-50℃)，然后进入第二中空纤维膜7(由3支并联中空纤维膜组件构成)继续分离处理；

(4)第二中空纤维膜7分离的非渗透气出口上设有单向调节阀Ⅲ10，一方面可以调节非渗透气的流量，另一方面单向调节阀10还可以防止停机后，带压的气体倒流回膜里面，分离得到的非渗透气循环至第一预处理器3；第二中空纤维膜7(由3支中空纤维膜组件并联构成)的渗透气出口上连接氦气分析仪8，分离得到的渗透气为产品氦气(纯度90v％以上)。

Claims (6)

1.一种膜法氦气提纯装置系统，其特征在于，包括混合氦气柜(1)、第一预处理器(3)、第一中空纤维膜(4)、第二预处理器(6)、第二中空纤维膜(7)和氦气储罐(9)；所述混合氦气柜(1)设有气体出口；所述第一预处理器(3)设有进口和出口；所述第一中空纤维膜(4)设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述第二预处理器(6)设有进口和出口；所述第二中空纤维膜(7)设有进口、渗透气出口和非渗透气出口；所述氦气储罐(9)设有气体进口；所述混合氦气柜(1)的气体出口与所述第一预处理器(3)的进口经管线连接，所述第一预处理器(3)的出口与所述第一中空纤维膜(4)的进口经管线连接；所述第一中空纤维膜(4)的非渗透气出口与废气回收装置经管线连接或与大气相通；所述第一中空纤维膜(4)的渗透气出口与所述第二预处理器(6)的进口经管线连接，所述第二预处理器(6)的出口与第二中空纤维膜(7)的进口经管线连接；所述第二中空纤维膜(7)的非渗透气出口与所述第一预处理器(3)的进口经管线连接，所述第二中空纤维膜(7)的渗透气出口与所述氦气储罐(9)的气体进口经管线连接；所述第一预处理器(3)进口之前连接有第一压缩机(2)；所述第一压缩机(2)设有进口和出口；所述混合氦气柜(1)的出口与所述第一压缩机(2)的进口经管线连接，第一压缩机(2)的出口与所述第一预处理器(3)的进口经管线连接；所述第二预处理器(6)的进口之前连接有第二压缩机(5)；所述第二压缩机(5)设有进口和出口；所述第一中空纤维膜(4)的渗透气出口与所述第二压缩机(5)的进口经管线连接，第二压缩机(5)的出口与所述第二预处理器(6)的进口经管线连接；所述第一预处理器(3)包括冷干机Ⅰ(12)、氦气缓存罐Ⅰ(13)和过滤器Ⅰ(15)；所述冷干机Ⅰ(12)设有进口和出口；所述氦气缓存罐Ⅰ(13)设有进口和出口；所述过滤器Ⅰ(15)设有进口和出口；所述第一压缩机(2)的出口与所述冷干机Ⅰ(12)的进口经管线连接；所述冷干机Ⅰ(12)的出口与所述氦气缓存罐Ⅰ(13)的进口经管线连接；所述氦气缓存罐Ⅰ(13)的出口与所述过滤器Ⅰ(15)的进口经管线连接；所述过滤器Ⅰ(15)的出口与所述第一中空纤维膜(4)的进口经管线连接；所述第二预处理器(6)包括冷干机Ⅱ、氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ；所述冷干机Ⅱ设有进口和出口；所述氦气缓存罐Ⅱ设有进口和出口；所述过滤器Ⅱ设有进口和出口；所述第二压缩机(5)的出口与所述冷干机Ⅱ的进口经管线连接；所述冷干机Ⅱ的出口与所述氦气缓存罐Ⅱ的进口经管线连接；所述氦气缓存罐Ⅱ的出口与所述过滤器Ⅱ的进口经管线连接；所述过滤器Ⅱ的出口与所述第二中空纤维膜(7)的进口经管线连接。

2.如权利要求1所述的一种膜法氦气提纯装置系统，其特征在于，所述第二中空纤维膜(7)的渗透气出口连接有氦气分析仪(8)。

3.如权利要求2所述的一种膜法氦气提纯装置系统，其特征在于，所述氦气缓存罐Ⅰ(13)的出口与所述过滤器Ⅰ(15)的进口之间的连接管线上设有单向调节阀Ⅰ(14)；

所述氦气缓存罐Ⅱ的出口与所述过滤器Ⅱ的进口之间的连接管线上设有单向调节阀Ⅱ；

所述第二中空纤维膜(7)的非渗透气出口和第一预处理器(3)的进口之间的连接管线上连接设有单向调节阀Ⅲ(10)。

4.一种膜法氦气提纯工艺，包括以下步骤：

(1)来自混合氦气柜(1)的混合氦气经第一预处理器(3)的预处理，达到设定的入膜气体要求后，进入第一中空纤维膜(4)进行分离；

(2)第一中空纤维膜(4)分离得到的非渗透气回收或排空，分离得到的渗透气进入第二预处理器(6)；

(3)第一中空纤维膜(4)的渗透气经第二预处理器(6)预处理后，进入第二中空纤维膜(7)继续分离处理；

(4)第二中空纤维膜(7)分离得到的非渗透气循环至第一预处理器(3)，分离得到的渗透气为产品氦气；

步骤(1)中，所述混合氦气经第一压缩机(2)增压后，再进入第一预处理器(3)；所述第一压缩机(2)的出口气体压力为0.7-1.0MPa；步骤(2)中，所述第一中空纤维膜(4)分离得到的渗透气经第二压缩机(5)增压后，再进入第二预处理器(6)；所述第二压缩机(5)的出口气体压力为0.7-1.0MPa；步骤(1)中，所述混合氦气经所述第一预处理器(3)的预处理后达到以下入膜气体要求：粉尘≤0.01μm，残油≤0.01ppm，温度25-50℃；步骤(3)中，所述来自第一中空纤维膜(4)的渗透气经所述第二预处理器(6)的预处理后，达到以下入膜气体要求：粉尘≤0.01μm，残油≤0.01ppm，温度25-50℃；所述第一预处理器(3)包括依次连接的冷干机Ⅰ(12)、氦气缓存罐Ⅰ(13)和过滤器Ⅰ(15)；所述第二预处理器(6)包括冷干机Ⅱ、氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ。

5.如权利要求4所述的一种膜法氦气提纯工艺，其特征在于，所述氦气缓存罐Ⅰ(13)

和过滤器Ⅰ(15)之间设有单向调节阀Ⅰ(14)；

所述氦气缓存罐Ⅱ和过滤器Ⅱ之间设有单向调节阀Ⅱ；

所述第二中空纤维膜(7)的非渗透气出口上设单向调节阀Ⅲ(10)。

6.如权利要求4所述的一种膜法氦气提纯工艺，其特征在于，所述第二中空纤维膜(7)的渗透气出口上设氦气分析仪(8)，用于对产品氦气的检测。