CN106365133A - 一种清除冷中子源系统中氢气杂质的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种清除冷中子源系统中氢气杂质的装置和方法，该装置利用冷中子源系统中的高压氦气管道和低压氦气管道之间的氦气高低压差，通过吸附装置去除冷中子源系统中的氢气杂质，吸附装置的吸附力强、再生便捷，吸附的氢气杂质被集中排放到冷中子源系统外，不易污染冷中子源系统中的工艺气体，能有效避免冷中子源系统中的氢杂质聚集在系统低温区而导致结构材料发生氢脆失效的不良后果。

Description

一种清除冷中子源系统中氢气杂质的装置和方法
技术领域
本发明属于氢气体杂质去除技术领域，具体涉及一种清除冷中子源系统中氢气杂质的装置和方法。
背景技术
冷中子源是获取冷中子的装置，其工作原理是使热中子穿过中子慢化剂，从而改变中子能谱，增加冷中子的份额。冷中子源的制冷介质为氦气，常温高纯氦气通过氦制冷系统的定工艺过程后变成了15K左右的低温氦气，以保持中子慢化剂的低温环境。
冷中子源系统中制冷氦气的工艺过程为：低压氦气经过螺杆式氦压缩机与压缩机油压缩后，进入除油系统除去压缩油，随后高压氦气进入冷箱的热交换器、透平膨胀机降温，经过两次透平膨胀，得到15K左右的低温高纯氦气。
螺杆式压缩机在压缩氦气时必须要使用矿物冷却油，以达到良好的气体压缩效果。但在冷中子源系统长期运行实践中发现，氦压缩机冷却油长期处于高压且高温的状态，出现一定程度的裂解而导致氢气及一氧化碳等杂质气体的产生，并混合于氦气中，从而降低了氦气的纯度。在氦压缩机连续运行100h后，系统中氢气杂质的含量通常会增高1～2ppm。氦气中的氢气杂质如果进入到热交换器及透平膨胀机器，经过长期的聚集，将会导致其结构材料的失效，氢气杂质气体给工艺系统系统造成了重大的安全隐患。处于系统安全考虑，工艺过程中要求系统运行前工艺氦气中任意气体杂质的浓度不超过5ppm。目前主要依赖氦制冷系统内部的吸附器吸附杂质气体，而吸附器的再生过程复杂，且需要浪费较大量的氦气。目前，亟需一种高效、简便装置和方法清除冷中子源系统中氢气杂质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种清除冷中子源系统中氢气杂质的方法。
本发明的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，其特点是，所述的装置包括导出阀、吸附罐、返回阀、排压阀、真空阀、真空泵、高压氦气管道和低压氦气管道，部件之间通过管路连接；所述的吸附罐通过导出阀与高压氦气管道连接，吸附罐通过返回阀与低压氦气管道连接，所述的吸附罐上通过真空阀与真空泵连接，所述的吸附罐和真空阀之间连接有排压阀作为旁路；所述的吸附罐的外层为保温层，中间层为液氮层，内腔放置有活性炭，层间密封。
所述的吸附罐、导出阀与高压氦气管道之间的管路为不锈钢耐高压波纹管，所述的吸附罐、返回阀与低压氦气管道之间的管路为不锈钢耐高压波纹管，所述的吸附罐、排压阀、真空阀之间的管路为不锈钢管，所述的真空阀和真空泵之间的管路为真空波纹管。
所述的吸附罐的液氮层中的液氮存量大于等于15L。
所述的真空泵为干式真空泵。
所述的导出阀、返回阀为球阀、排压阀和真空阀为波纹管阀。
本发明的清除冷中子源系统中氢气杂质的方法，包括以下步骤：
a.将吸附罐的液氮层中充入液氮，液氮高度为h，吸附罐高度为H，保持h≥4/5·H；
b.设定高压氦气管道的输出压力为12 bar、低压氦气管道的返回气压为1.05 bar，顺序打开返回阀和导出阀，高压氦气管道中的高压氦气流入吸附罐，吸附罐中的活性炭吸附高压氦气中的氢气，再经返回阀返回低压氦气管道，工作时间为20min~30min；
c.降低高压氦气管道的输出压力为11 bar、低压氦气管道的返回气压为1.05 bar，稳定5min后，恢复高压氦气管道的输出压力为12 bar，工作时间为20min~30min；
d.重复步骤c至少8次；
e.关闭导出阀，再关闭返回阀，活性炭停止吸附氢气，直至吸附罐的液氮层中的液氮挥发完毕，吸附罐的温度达到室温；
f.打开排压阀，排空吸附罐内的杂质气体后关闭排压阀；
g.启动真空泵，缓慢开启真空阀，直至真空阀完全开启；
h.15min~20min后，关闭真空阀，开启返回阀，2s~3s后关闭返回阀，再开启真空阀；
i.重复步骤h至少3次；
j.关闭真空阀，关闭真空泵；
k. 开启返回阀，2s~3s后关闭返回阀。
本发明的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置和方法利用冷中子源系统中的高压氦气管道和低压氦气管道之间的氦气高低压差，通过吸附装置去除冷中子源系统中的氢气杂质，吸附装置的吸附力强、再生便捷，吸附的氢气杂质被集中排放到冷中子源系统外，不易污染冷中子源系统中的工艺气体，能有效避免冷中子源系统中的氢杂质聚集在系统低温区而导致结构材料发生氢脆失效的不良后果。
附图说明
图1为本发明的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置的结构示意图。
图中，1.导出阀 2.吸附罐 3.返回阀 4.排压阀 5.真空阀 6.真空泵 7.高压氦气管道 8.低压氦气管道。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。
如图1所示，本发明的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，包括导出阀1、吸附罐2、返回阀3、排压阀4、真空阀5、真空泵6、高压氦气管道7和低压氦气管道8，部件之间通过管路连接；所述的吸附罐2通过导出阀1与高压氦气管道7连接，吸附罐2通过返回阀3与低压氦气管道8连接，所述的吸附罐2上通过真空阀5与真空泵6连接，所述的吸附罐2和真空阀5之间连接有排压阀4作为旁路；所述的吸附罐2的外层为保温层，中间层为液氮层，内腔放置有活性炭，层间密封。
所述的吸附罐2、返回阀3与低压氦气管道8之间的管路为不锈钢耐高压波纹管，所述的吸附罐2、排压阀4、真空阀5之间的管路为不锈钢管，所述的真空阀5和真空泵6之间的管路为真空波纹管。
所述的吸附罐2的液氮层中的液氮存量大于等于15L。
所述的真空泵6为干式真空泵。
所述的导出阀1、返回阀3为球阀、排压阀4和真空阀5为波纹管阀。
本发明的清除冷中子源系统中氢气杂质的方法包括以下步骤：
a.将吸附罐2的液氮层中充入液氮，液氮高度为h，吸附罐2高度为H，保持h≥4/5·H；
b.设定高压氦气管道7的输出压力为12bar、低压氦气管道8的返回气压为1.05 bar，顺序打开返回阀3和导出阀1，高压氦气管道7中的高压氦气流入吸附罐2，吸附罐2中的活性炭吸附高压氦气中的氢气，再经返回阀3返回低压氦气管道8，工作时间为20min~30min；
c.降低高压氦气管道7的输出压力为11bar、低压氦气管道8的返回气压为1.05 bar，稳定5min后，恢复高压氦气管道7的输出压力为12bar，工作时间为20min~30min；
d.重复步骤c至少8次；
e.关闭导出阀1，再关闭返回阀3，活性炭停止吸附氢气，直至吸附罐2的液氮层中的液氮挥发完毕，吸附罐2的温度达到室温；
f.打开排压阀4，排空吸附罐2内的杂质气体后关闭排压阀4；
g.启动真空泵6，缓慢开启真空阀5，直至真空阀5完全开启；
h.15min~20min后，关闭真空阀5，开启返回阀3，2s~3s后关闭返回阀3，再开启真空阀5；
i.重复步骤h至少3次；
j.关闭真空阀5，关闭真空泵6；
k. 开启返回阀3，2s~3s后关闭返回阀3。

Claims (6)

1.一种清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，其特征在于，所述的装置包括导出阀（1）、吸附罐（2）、返回阀（3）、排压阀（4）、真空阀（5）、真空泵（6）、高压氦气管道（7）和低压氦气管道（8），部件之间通过管路连接；所述的吸附罐（2）通过导出阀（1）与高压氦气管道（7）连接，吸附罐（2）通过返回阀（3）与低压氦气管道（8）连接，所述的吸附罐（2）上通过真空阀（5）与真空泵（6）连接，所述的吸附罐（2）和真空阀（5）之间连接有排压阀（4）作为旁路；所述的吸附罐（2）的外层为保温层，中间层为液氮层，内腔放置有活性炭，层间密封。
2.根据权利要求1所述的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，其特征在于：所述的吸附罐（2）、导出阀（1）与高压氦气管道（7）之间的管路为不锈钢耐高压波纹管，所述的吸附罐（2）、返回阀（3）与低压氦气管道（8）之间的管路为不锈钢耐高压波纹管，所述的吸附罐（2）、排压阀（4）、真空阀（5）之间的管路为不锈钢管，所述的真空阀（5）和真空泵（6）之间的管路为真空波纹管。
3.根据权利要求1所述的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，其特征在于：所述的吸附罐（2）的液氮层中的液氮存量大于等于15L。
4.根据权利要求1所述的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，其特征在于：所述的真空泵（6）为干式真空泵。
5.根据权利要求1所述的清除冷中子源系统中氢气杂质的装置，其特征在于：所述的导出阀（1）、返回阀（3）为球阀、排压阀（4）和真空阀（5）为波纹管阀。
6.一种清除冷中子源系统中氢气杂质的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
a.将吸附罐（2）的液氮层中充入液氮，液氮高度为h，吸附罐（2）高度为H，保持h≥4/5·H；
b.设定高压氦气管道（7）的输出压力为12 bar、低压氦气管道（8）的返回气压为1.05bar，顺序打开返回阀（3）和导出阀（1），高压氦气管道（7）中的高压氦气流入吸附罐（2），吸附罐（2）中的活性炭吸附高压氦气中的氢气，再经返回阀（3）返回低压氦气管道（8），工作时间为20min~30min；
c.降低高压氦气管道（7）的输出压力为11 bar、低压氦气管道（8）的返回气压为1.05bar，稳定5min后，恢复高压氦气管道（7）的输出压力为12 bar，工作时间为20min~30min；
d.重复步骤c至少8次；
e.关闭导出阀（1），再关闭返回阀（3），活性炭停止吸附氢气，直至吸附罐（2）的液氮层中的液氮挥发完毕，吸附罐（2）的温度达到室温；
f.打开排压阀（4），排空吸附罐（2）内的杂质气体后关闭排压阀（4）；
g.启动真空泵（6），缓慢开启真空阀（5），直至真空阀（5）完全开启；
h.15min~20min后，关闭真空阀（5），开启返回阀（3），2s~3s后关闭返回阀（3），再开启真空阀（5）；
i.重复步骤h至少3次；
j.关闭真空阀（5），关闭真空泵（6）；
k. 开启返回阀（3），2s~3s后关闭返回阀（3）。
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