CN106512640A - 纯化装置 - Google Patents

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胡忠军
李青
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Abstract

一种纯化装置，包括杜瓦外壳体、杜瓦内壳体、吸附剂罐、加热再生装置和回热器；杜瓦内壳体固定设于杜瓦外壳体内部；吸附剂罐固定设于杜瓦内壳体内部，杜瓦内壳体和吸附剂罐之间形成一个低温液体存储腔；加热再生装置设于吸附剂罐的外表面；回热器设于杜瓦外壳体和杜瓦内壳体之间，回热器的第一气体出口和吸附剂罐的气体入口连接，回热器的第一气体入口和吸附剂罐的气体出口连接。上述纯化装置，整体结构较为简单，采用低温液体冷却吸附剂，使其在低温下具有较强的吸附作用，既提高了吸附效率，又提高了总体吸附量，此外，通过回热器进行待纯化的气体和纯化后的气体的换热，可以实现能量的节约。

Description

纯化装置
技术领域
本发明属于气体净化领域，尤其涉及一种纯化装置。
背景技术
随着科技的进步及工业的发展，以IC为代表的电子各种行业在工艺上对于气体纯度的要求越来越高，通常在99.9999％以上。尤其是近年来科技发展带来的以大型氦低温系统为支撑的大科学工程建设，更是对循环气体氦气工质的纯度具有较高的要求，通常氮气等气体杂质含量在2ppm(体积比)以下、油蒸汽的含量ppb(质量比)以下。由于氦气是最难液化的气体，大型低温系统通常以氦气为工作介质，其他各种气氛在4.5K的低温环境下都将冻结为固体。在大型氦低温系统中，透平膨胀机是实现制冷效应的核心部件，其中高速运转的关键设备，每分钟转速可达二三十万数十万至上百万转，透平机械叶片的线速度高达400m/s，低温下杂质气体会凝结成固体微细颗粒，将会造成透平机械的失稳甚至损坏，因此对氦气的纯度要求极高。而在大科学工程的各种复杂的子系统中，低温系统故障的恢复周期通常在一周以上，因此在实际工程中透平机械故障的危害很大。
目前常用的气体纯化方法主要有化学反应、吸附剂吸附、低温精馏以及薄膜扩散等几种方法。然而，传统的气体纯化方法纯化效果不能满足大型氦低温系统纯化的要求，纯化装置结构较为复杂。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种纯化效果好，结构简单的纯化装置。
一种纯化装置，包括杜瓦外壳体、杜瓦内壳体、吸附剂罐、加热再生装置和回热器；
所述杜瓦内壳体固定设于所述杜瓦外壳体内部，所述杜瓦外壳体和所述杜瓦内壳体之间形成一个真空腔体；
所述吸附剂罐用于存储吸附剂，所述吸附剂罐固定设于所述杜瓦内壳体内部，所述杜瓦内壳体和所述吸附剂罐之间形成一个低温液体存储腔；
所述加热再生装置设于所述吸附剂罐的外表面，所述加热再生装置用于吸附剂的加热再生处理；
所述回热器设于所述杜瓦外壳体和所述杜瓦内壳体之间，所述回热器的第一气体出口和所述吸附剂罐的气体入口连接，所述回热器的第一气体入口和所述吸附剂罐的气体出口连接。
在其中一个实施例中，所述杜瓦外壳体上设有抽真空装置。
在其中一个实施例中，所述抽真空装置内设有阀芯，所述阀芯用于密封所述杜瓦外壳体，且能在真空腔体内的压力超压时还能起到安全排放的作用。
在其中一个实施例中，所述杜瓦内壳体上设有低温液体注入口，所述杜瓦内壳体上设有低温液体注入口的一端为锥形，所述低温液体注入口设于该锥形的锥尖。
在其中一个实施例中，所述杜瓦内壳体的外表面缠绕有多层绝热材料。
在其中一个实施例中，所述吸附剂罐内部设有将所述吸附剂罐分为两个空间的隔离板，所述吸附剂罐的两个空间内还设有多块折流挡板。
在其中一个实施例中，所述加热再生装置为圆筒状。
在其中一个实施例中，还包括过滤器，所述回热器的第一气体出口与所述吸附剂罐的气体入口的连接管路以及所述吸附剂罐的气体出口和所述回热器的第一气体入口的连接管路上均设有所述过滤器。
在其中一个实施例中，还包括排污管路，所述排污管路连接所述杜瓦内壳体和所述回热器。
在其中一个实施例中，所述回热器为绕管式回热器、板式回热器或板翅式回热器。
上述纯化装置，采用低温液体冷却吸附剂，使其在低温下具有较强的吸附作用，既提高了吸附效率，又提高了总体吸附量，此外，通过回热器进行待纯化的气体和纯化后的气体的换热，可以实现能量的节约。纯化装置可以在常压、中压、高压等不同压力下工作。上述纯化装置，针对不同的待纯化工质，可以选择不同的吸附剂，用以实现带杂质工质的高纯度纯化，工艺气体经过多次循环纯化处理，可得到纯度99.999％以上的高纯工艺气体。该装置整体结构较为简单，在采用合适的接口情况下，可以很方便的与任何系统配接用以获得高纯度的工艺工质。
附图说明
图1为一实施方式的纯化装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，一实施方式的纯化装置100，包括杜瓦外壳体10、杜瓦内壳体20、吸附剂罐30、加热再生装置40和回热器50。
杜瓦内壳体20固定设于杜瓦外壳体10内部，杜瓦外壳体10和杜瓦内壳体20之间形成一个真空腔体15。
杜瓦外壳体10上设有抽真空装置12。具体的，抽真空装置12通过焊接的形式固定在杜瓦外壳体10上，并与真空腔体15连通。抽真空装置12内设有阀芯(图未示)，阀芯用于密封杜瓦外壳体10。在遇到纯化装置100的材质不合格，存在泄漏问题，液氮泄漏到真空腔体15中，或者氮气进入到真空腔体15会引起真空腔体15的压力升高，因此，抽真空装置12内设有阀芯还能在真空腔体15内的压力超压时还能起到安全排放的作用。具体的，采用分子泵在抽真空装置12处抽取真空，待真空度小于等于1.0×10-3Pa时，用阀芯置于抽真空装置12中，可以实现对真空腔体15的密封。
杜瓦内壳体20的外表面缠绕有多层绝热材料。杜瓦内壳体20通过具有隔热功能的支架固定于杜瓦外壳体10内。杜瓦内壳体20上设有低温液体注入口22，杜瓦内壳体20上设有低温液体注入口22的一端为锥形，低温液体注入口22设于该锥形的锥尖。低温液体可以为液氮。液氮通过杜瓦内壳体20上端的低温液体注入口22加注到低温液体存储腔25中，实现对吸附剂罐30中吸附剂的冷却。液氮采用多层真空绝热的杜瓦容器盛装，杜瓦内壳体20采用锥形敞开口，既保证了液氮盛装的安全，又保证了液氮较低的蒸发率。杜瓦容器的绝热方式包括但不限于多层真空绝热及珠光砂等方式。此外，对液氮的加注也较为方便。该流程采用液氮冷却吸附剂，使其在低温下具有较强的吸附作用，既提高了吸附效率，又提高了总体吸附量。
吸附剂罐30用于存储吸附剂。吸附剂可以为活性炭。吸附剂罐30固定设于杜瓦内壳体20内部，杜瓦内壳体20和吸附剂罐30之间形成一个低温液体存储腔25。具体的，吸附剂罐30焊接于杜瓦内壳体20的内部底部。具体的，吸附剂罐30内部设有将吸附剂罐30分为两个空间的隔离板32。吸附剂罐30的两个空间内还设有多块折流挡板(图未示)。吸附剂罐30中带有折流挡板以提高吸附过程的吸附时间，即提高了吸附过程中待纯化气体与吸附剂的接触时间，从而提高吸附效果，在整体结构上又显得较为紧凑。
吸附剂罐30中存储吸附剂，用于吸附待纯化气体中的杂质。例如，可对待纯化工质中微量的水分、碳氢化合物、润滑油等杂质进行吸附。可以理解，针对不同的待纯化工质，可以选择合适的吸附剂，用以实现带杂质工质的高纯度纯化。
加热再生装置40用于吸附剂的加热再生处理。活性炭工作一段时间达到饱和后，通过加热再生装置40进行加热以实现活性炭的再生。具体的，在本实施方式中，加热再生装置40为圆筒状，加热再生装置40设于吸附剂罐30的外表面。这样可以减少活性炭的加热再生时间，又能使得罐体中各处的活性炭受热比较均匀，携带比较方便。活性炭加热再生时通过提前试验确定的加热时间来确定再生的时间，而不需要采用额外的控温装置。
回热器50设于杜瓦外壳体10和杜瓦内壳体20之间。在本实施方式中，回热器50位于整个装置的底部，通过隔热材料的支撑固定在真空腔体15中。回热器50的第一气体出口52和吸附剂罐30的气体入口34连接，回热器50的第一气体入口54和吸附剂罐30的气体出口36连接。回热器50还包括第二气体入口(图未标)和第二气体出口(图未标)，待纯化的气体从第二气体入口进入回热器50，纯化后的气体从第二气体出口流出回热器50。回热器50通过焊接的方式与系统管路中的管道连接。回热器50可以为绕管式回热器、板式回热器或板翅式回热器等各种形式的换热器。纯化装置采用回热形式的流程，实现能量的节约。
在本实施方式中，纯化装置100还包括过滤器60。回热器50的第一气体出口52与吸附剂罐30的气体入口34的连接管路以及吸附剂罐30的气体出口和回热器50的第一气体入口54的连接管路上均设有过滤器60。吸附剂罐30的气体入口34和气体出口36均设置过滤器60以防止吸附剂粉末进入到氦低温系统中。
在本实施方式中，还包括排污管路70，排污管路70连接杜瓦内壳体20和回热器50。排污管路70的一段设于回热器50的底部和杜瓦外壳体10的底部内表面之间。纯化装置100在纯化过程中吸附的杂质复温时会变成气体，这些杂质气体的密度比氦气大，因此会积聚在纯化装置100的最低处，排污管路70的引出口就布置在整个纯化装置100的最低处，打开排污管路70的阀门，就可以排出杂质气体。
在本实施方式中，纯化装置100在装置的底部设置有三个万向轮，方便装置移动。
上述纯化装置100可净化处理的气体种类不限于氩气、氢气、氧气、氦气、氮气、天然气等。上述纯化装置100，待纯化的气体从回热器50的第二气体入口进入，经过回热器50，从第一气体出口52流入，通过过滤器60进入到液氮冷却的吸附剂罐30，经过吸附剂吸附纯化的气体通过另一过滤器(图未标)经过回热器50的第一气体入口54进入到回热器50中，在回热器50中与进入吸附剂罐30之前的待纯化的气体进行热量交换，使得回热器50第二出口处的纯化后的气体恢复到常温。然后通过出口管进入到氦低温系统中。从而完成了一个循环周期气体的纯化。
上述纯化装置100，采用液氮(77K)冷却吸附剂，使其在低温下具有较强的吸附作用，既提高了吸附效率，又提高了总体吸附量，此外，通过回热器50进行待纯化的气体和纯化后的气体的换热，可以实现能量的节约。纯化装置100可以在常压、中压、高压等不同压力下工作。上述纯化装置100，针对不同的待纯化工质，可以选择不同的吸附剂，用以实现带杂质工质的高纯度纯化，工艺气体经过多次循环纯化处理，可得到纯度99.999％以上的高纯工艺气体。该装置整体结构较为简单，在采用合适的接口情况下，可以很方便的与任何系统配接用以获得高纯度的工艺工质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纯化装置，其特征在于，包括杜瓦外壳体、杜瓦内壳体、吸附剂罐、加热再生装置和回热器；
所述杜瓦内壳体固定设于所述杜瓦外壳体内部，所述杜瓦外壳体和所述杜瓦内壳体之间形成一个真空腔体；
所述吸附剂罐用于存储吸附剂，所述吸附剂罐固定设于所述杜瓦内壳体内部，所述杜瓦内壳体和所述吸附剂罐之间形成一个低温液体存储腔；
所述加热再生装置设于所述吸附剂罐的外表面，所述加热再生装置用于吸附剂的加热再生处理；
所述回热器设于所述杜瓦外壳体和所述杜瓦内壳体之间，所述回热器的第一气体出口和所述吸附剂罐的气体入口连接，所述回热器的第一气体入口和所述吸附剂罐的气体出口连接。
2.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述杜瓦外壳体上设有抽真空装置。
3.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述抽真空装置内设有阀芯，所述阀芯用于密封所述杜瓦外壳体，且能在真空腔体内的压力超压时还能起到安全排放的作用。
4.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述杜瓦内壳体上设有低温液体注入口，所述杜瓦内壳体上设有低温液体注入口的一端为锥形，所述低温液体注入口设于该锥形的锥尖。
5.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述杜瓦内壳体的外表面缠绕有多层绝热材料。
6.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述吸附剂罐内部设有将所述吸附剂罐分为两个空间的隔离板，所述吸附剂罐的两个空间内还设有多块折流挡板。
7.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述加热再生装置为圆筒状。
8.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，还包括过滤器，所述回热器的第一气体出口与所述吸附剂罐的气体入口的连接管路以及所述吸附剂罐的气体出口和所述回热器的第一气体入口的连接管路上均设有所述过滤器。
9.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，还包括排污管路，所述排污管路连接所述杜瓦内壳体和所述回热器。
10.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述回热器为绕管式回热器、板式回热器或板翅式回热器。
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