CN107621121B - 复合式氦气纯化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合式氦气纯化装置，其包括：真空罩筒，其具有真空容纳腔，真空罩筒上安装有制冷机，制冷机具有伸入真空容纳腔内的一级冷头和二级冷头；第一纯化器，其位于真空容纳腔中，第一纯化器具有依次相连的第一换热器和第二换热器，第一换热器靠近一级冷头设置，第二换热器靠近二级冷头设置，第一换热器与第二换热器之间连接有第三换热器；第二纯化器，其位于真空容纳腔中，第二纯化器具有与一级冷头相连的吸附器安装筒，吸附器安装筒内挂接有吸附器，吸附器安装筒内填充有冷量传递介质。本发明的复合式氦气纯化装置，改变传统氦气纯化繁琐的步骤，同时有效提高氦气纯化效果。

Description

复合式氦气纯化装置

技术领域

本发明有关于一种氦气纯化装置，尤其有关于一种制冷与低温工程领域中应用的复合式氦气纯化装置。

背景技术

作为不可再生的稀有气体，氦气广泛应用于军工、医疗、半导体以及低温超导等领域，氦气的价格非常昂贵，对其回收再利用是当前的热门，对回收氦气的纯化更是氦气再利用的重点工作。

传统的氦气纯化有两种方式，其中一种方式是利用液氮作冷源，采用高压低温吸附的方法去除氦气中的杂质气体，一般采用两套纯化器，两台之间相互切换。纯化过程中需要不断向纯化器中补充液氮，并且当吸附饱和时，需要将液氮排出后进行升温活化再生，这使得纯化工作相当繁琐，另外由于吸附只在77K进行，吸附效果不是很好。

另外一种方式是利用低温制冷机作为了冷源，采用一级液化，二级固化的方式实现氦气中杂质气体的分离，气体再生过程中，则需要将制冷机停机，导致纯化过程中断，无法实现纯化过程的连续进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合式氦气纯化装置，改变传统氦气纯化繁琐的步骤，同时有效提高氦气纯化效果。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种复合式氦气纯化装置，其包括：

真空罩筒，其具有真空容纳腔，所述真空罩筒上安装有制冷机，所述制冷机具有伸入所述真空容纳腔内的一级冷头和二级冷头；

第一纯化器，其位于所述真空容纳腔中，所述第一纯化器具有依次相连的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器靠近所述一级冷头设置，所述第二换热器靠近所述二级冷头设置，所述第一换热器与所述第二换热器之间连接有第三换热器；

第二纯化器，其位于所述真空容纳腔中，所述第二纯化器具有与所述一级冷头相连的吸附器安装筒，所述吸附器安装筒内挂接有吸附器，所述吸附器安装筒内填充有冷量传递介质。

在本发明的实施方式中，所述第一纯化器还具有加热器，所述加热器设置在所述第三换热器的一侧。

在本发明的实施方式中，所述第三换热器具有外壳体及设置在所述外壳体内的换热管，所述换热管与所述外壳体之间形成有进气通道，所述换热管具有出气通道，所述第一换热器与所述第二换热器通过所述进气通道相连通。

在本发明的实施方式中，所述第一纯化器还具有第一入口换热器，所述第一入口换热器具有第一入口换热管及套设在所述第一入口换热管外部的第一入口壳体，所述第一入口换热管与所述第一入口壳体之间形成有第一入口进气通道，所述第一入口换热管具有第一入口出气通道，所述进气通道与所述第一入口出气通道相连通，所述第一入口进气通道与所述第一换热器相连通。

在本发明的实施方式中，所述第一换热器与所述第三换热器之间连接有第一气液分离器。

在本发明的实施方式中，所述吸附器安装筒具有与所述一级冷头相连的冷量传递板，所述冷量传递板的下方密封连接有筒体，所述吸附器位于所述筒体内并通过多根支撑杆连接在所述冷量传递板上。

在本发明的实施方式中，所述第二纯化器还具有第二入口换热器，所述第二入口换热器具有第二入口换热管及套设在所述第二入口换热管外部的第二入口壳体，所述第二入口换热管与所述第二入口壳体之间形成有第二入口进气通道，所述第二入口换热管具有第二入口出气通道，所述吸附器的进气端与所述第二入口进气通道相连通，所述吸附器的出气端与所述第二入口出气通道相连通。

在本发明的实施方式中，所述第二入口进气通道与所述吸附器的入口端之间连接有第二气液分离器。

在本发明的实施方式中，所述第一换热器为盘管换热器或翅片管换热器；所述第二换热器为盘管换热器或翅片管换热器。

在本发明的实施方式中，所述冷量传递介质为氦气。

本发明的复合式氦气纯化装置的特点及优点是：

1.由于采用制冷机提供冷源，省去了传统纯化需要补冲液氮以及再生时排空液氮的繁琐步骤；

2.由于该发明充分利用了制冷机一级冷头和二级冷头的冷量，使得污氦中更多的杂质气体被固化，氦气纯化效果更好；

3.该发明中采用可交替工作的第一纯化器和第二纯化器，再生活化只需在复合式氦气纯化装置的内部进行，该制冷机可以持续开机，纯化可以持续进行；另外，该复合式氦气纯化装置的结构流程简单，系统紧凑，运行可靠；

4.当通入复合式氦气纯化装置内的氦气纯度高于99％时，则可以取消第一气液分离器和/或第二气液分离器，从而使得复合式氦气纯化装置的整体结构更加紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的复合式氦气纯化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种复合式氦气纯化装置，其包括：真空罩筒1、第一纯化器2和第二纯化器3，其中：真空罩筒1具有真空容纳腔11，所述真空罩筒1上安装有制冷机4，所述制冷机4具有伸入所述真空容纳腔11内的一级冷头41和二级冷头42；第一纯化器2位于所述真空容纳腔11中，所述第一纯化器2具有依次相连的第一换热器21和第二换热器22，所述第一换热器21靠近所述一级冷头41设置，所述第二换热器22靠近所述二级冷头42设置，所述第一换热器21与所述第二换热器22之间连接有第三换热器23；第二纯化器3位于所述真空容纳腔11中，所述第二纯化器3具有与所述一级冷头41相连的吸附器安装筒31，所述吸附器安装筒31内挂接有吸附器32，所述吸附器安装筒31内填充有冷量传递介质。本发明的复合式氦气纯化装置，改变了传统氦气纯化的繁琐步骤，同时有效提高了氦气纯化效果。

具体的，真空罩筒1大体为一密闭壳体，其具有真空容纳腔11，该真空容纳腔11可通过外部抽真空设备实现真空容纳腔11的真空状态。该真空罩筒1可以减小整体系统的漏热，在工作时，该真空容纳腔11内始终保持真空状态。

制冷机4安装在真空罩筒1的外侧，在本发明中，该制冷机4可为GM制冷机或脉管制冷机，该制冷机4具有依次相连的一级冷头41和二级冷头42，一级冷头41与二级冷头42之间可通过非传热材料制成的连接件相连，该一级冷头41和二级冷头42均位于真空容纳腔11中。在本发明中，一级冷头41的温度为63K～68K(K为开尔文，其中1K＝-272.15℃)，优选的，本实施例中的一级冷头41的温度为65K；该二级冷头42的温度为20K～35K，优选的，本实施例中的二级冷头42的温度为25K。

第一纯化器2设置在真空容纳腔11中，其具有依次相连的第一换热器21、第三换热器23和第二换热器22，其中，在本发明中，第一换热器21可为盘管换热器或翅片管换热器；第二换热器22可为盘管换热器或翅片管换热器，也即第一换热器21和第二换热管可为盘管或翅片管，二者可采用相同的换热器，也可采用不同的换热器，在此不做限制。该第一换热器21设置在一级冷头41的一侧，以便能够吸收一级冷头41产生的冷量；该第二换热器22设置在二级冷头42的一侧，以便能够吸收二级冷头42产生的冷量。

在本发明中，第三换热器23具有外壳体231及设置在外壳体231内的换热管232，该换热管232与外壳体231之间形成有进气通道233，该换热管232具有出气通道，该第一换热器21与第二换热器22通过该进气通道233相连通。在本实施例中，换热管232为翅片管。

进一步的，该第一纯化器2还具有加热器24，该加热器24设置在第三换热器23的一侧。该加热器24用于为第三换热器23加热，以使固化与第三换热器23内的固体气化，完成第一纯化器2的活化再生。

在本发明中，该第一纯化器2还具有第一入口换热器25，该第一入口换热器25具有第一入口换热管251及套设在第一入口换热管251外部的第一入口壳体252，第一入口换热管251与第一入口壳体252之间形成有第一入口进气通道253，第一入口换热管251具有第一入口出气通道，进气通道233与第一入口出气通道相连通，第一入口进气通道253与第一换热器21相连通。

进一步的，在本发明的实施例中，当需要纯化的污氦中的氦气的纯度低于99％时，在所述第一换热器21与所述第三换热器23之间还连接有第一气液分离器26。该第一气液分离器26可为一圆柱形的分离筒，其用于接收经第一换热器21吸收冷量后的气液混合体，其中气液混合体中的液体部分流入分离筒内，气液混合体中的气体部分排入第三换热器23继续纯化。

该第一纯化器2的工作过程如下：污氦从第一入口换热器25的第一入口进气通道253进入，与流经第一入口换热器25的第一入口出气通道的纯化后的氦气进行冷热量交换后，该通入的污氦的温度可被预冷到约120K，随后污氦进入第一换热器21，通过一级冷头41进行冷热量交换后，第一换热器21内的污氦可进一步被冷却到约65K，此时，污氦中的杂质气体(例如氮气、氧气等)被液化，气液混合体随后排入第一气液分离器26，气液混合体中的液体沉积在第一气液分离器26中，而气液混合体中的气体从第一气液分离器26的出口排出，此时排出气体中的氦气的纯度可达99％，之后排出气体进入第三换热器23的进气通道233，其可与流经第三换热器23的出气通道的气体进行冷热量交换，以被进一步冷却到约30K～40K，此时排出气体中的剩余部分杂质气体会在第三换热器23的进气通道233内固化，随后气体流入第二换热器22，通过二级冷头42进行冷热量交换后，第二换热器22内的气体进一步被冷却到约20K～35K，之后进入第三换热器23的出气通道，最后经过第一入口换热器25的第一入口出气通道排出，完成污氦的整个纯化过程。

本发明的第一纯化器2充分利用了制冷机4的一级冷头41和二级冷头42的冷量。其中，该第一纯化器2利用制冷机4的一级冷头41的冷量将大部分杂质气体液化，然后利用二级冷头42的冷量固化一部分杂质气体，最后再经第一入口换热器25对回流的气体进行冷量回收。当该第一纯化器2需要再生时，排出第一气液分离器26中的液体，通过加热器24对第三换热器23加热升温，此时固化于第三换热器23内的固体气化后，通过通入第一纯化器2内的氦气进行清扫，以便排出所述杂质气体，完成第一纯化器2的活化再生。

该第二纯化器3具有吸附器安装筒31，在本实施例中，该吸附器安装筒31具有与一级冷头41相连的冷量传递板311，该冷量传递板311的下方密封连接有筒体312，该吸附器32位于筒体312内并通过多根支撑杆313连接在冷量传递板311上。

具体的，该冷量传递板311为导热铜板；吸附器32通过绝热支撑杆313与冷量传递板311连接后悬挂于筒体312内，该筒体312内可填充有少量的冷量传递介质，在本发明中，该冷量传递介质为氦气，该氦气的压力小于5bar。在本发明的实施例中，吸附器32内填充有活性炭或分子筛，该吸附器32用于吸附污氦中的杂质介质。

进一步的，第二纯化器3还具有第二入口换热器33，该第二入口换热器33具有第二入口换热管331及套设在第二入口换热管331外部的第二入口壳体332，第二入口换热管331与第二入口壳体332之间形成有第二入口进气通道333，第二入口换热管331具有第二入口出气通道，吸附器32的进气端与第二入口进气通道333相连通，吸附器32的出气端与第二入口出气通道相连通。

在本发明的实施例中，当需要纯化的污氦中的氦气的纯度低于99％时，该第二入口进气通道333与吸附器32的入口端之间还连接有第二气液分离器34。该第二气液分离器34可为一圆柱形的分离筒，其用于接收经第二入口换热器33吸收冷量后的气液混合体，其中气液混合体中的液体流入分离筒内，气液混合体中的气体排入吸附器32内进行纯化。

该第二纯化器的工作过程如下：在吸附器安装筒31的筒体312内充入略高于一个大气压(压力为1bar～5bar)的氦气进行传热，也即，冷量传递板311接收来自一级冷头41的冷量后，通过该充入筒体312内的氦气使吸附器32的温度保持在约65K。污氦进入第二入口换热器33的第二入口进气通道333，与流经第二入口换热器33的第一入口出气通道的纯化后的氦气进行冷热量交换后，该通入的污氦的温度可被预冷到约120K，此时，污氦中的部分杂质气体(例如氮气、氧气等)被液化，气液混合体随后排入第二气液分离器34，气液混合体中的液体沉积在第二气液分离器34中，而气液混合体中的气体从第二气液分离器34的出口排出，此时排出气体中的氦气的纯度可达99％，之后排出气体进入进入吸附器32内，杂质气体被吸附器32吸附后，纯净的氦气从吸附器32的出口排出并回流至第二入口换热器33，最后从第二入口出气通道排出，完成污氦的整个纯化过程。

该第二纯化器3利用一级冷头41的冷量对吸附器32降温，污氦经过第二气液分离器34后在吸附器32中被纯化。当第二纯化器3需要再生时，为了减小再生时对一级冷头41的负载，需要将吸附器安装筒31的筒体312抽真空，之后将第二气液分离器34内的液体从其底部排出，然后从第二入口换热器33的第二入口进气通道333通热气，该热气的温度可为常温300K，通过热气加热吸附器32，使吸附器32内吸附的杂质气体脱吸附，从吸附器32的排气口排出。

该复合式氦气纯化装置具有两种工作状态。第一种工作状态是：第一纯化器2再生，第二纯化器3工作；第二种工作状态是：第一纯化器2工作，第二纯化器3再生。第一纯化器2的再生不影响第二纯化器3的工作，且第二纯化器3的再生不影响第一纯化器2的工作。

本发明分别利用制冷机4的一级冷头41的冷量提供并联两套纯化器(也即第一纯化器2和第二纯化器3)的杂质气体液化分离以及一级吸附所需的冷量，二级冷头42的冷量为提供第一纯化器2的杂质二次纯化所需冷量。

本发明的两台纯化器对称安装，当其中一套纯化器吸附饱和或者气液分离器需要除液时，可以在制冷机不停机的状态进行加热再生而不影响另一套纯化器进行纯化。本发明相对传统的液氮作冷源的纯化装置，其控制切换只需在装置内部进行，制冷机4可以持续工作，给纯化工作带来很大的方便，另外杂质气体在更低的温度进行吸附，纯化效率更高。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种复合式氦气纯化装置，其特征在于，包括：

真空罩筒，其具有真空容纳腔，所述真空罩筒上安装有制冷机，所述制冷机具有伸入所述真空容纳腔内的一级冷头和二级冷头；

第一纯化器，其位于所述真空容纳腔中，所述第一纯化器具有依次相连的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器靠近所述一级冷头设置，所述第二换热器靠近所述二级冷头设置，所述第一换热器与所述第二换热器之间连接有第三换热器；其中，所述第三换热器的一侧设有加热器；

第二纯化器，其位于所述真空容纳腔中，所述第二纯化器具有与所述一级冷头相连的吸附器安装筒，所述吸附器安装筒内挂接有吸附器，所述吸附器安装筒内填充有冷量传递介质。

2.如权利要求1所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述第三换热器具有外壳体及设置在所述外壳体内的换热管，所述换热管与所述外壳体之间形成有进气通道，所述换热管具有出气通道，所述第一换热器与所述第二换热器通过所述进气通道相连通。

3.如权利要求2所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述第一纯化器还具有第一入口换热器，所述第一入口换热器具有第一入口换热管及套设在所述第一入口换热管外部的第一入口壳体，所述第一入口换热管与所述第一入口壳体之间形成有第一入口进气通道，所述第一入口换热管具有第一入口出气通道，所述进气通道与所述第一入口出气通道相连通，所述第一入口进气通道与所述第一换热器相连通。

4.如权利要求1所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述第一换热器与所述第三换热器之间连接有第一气液分离器。

5.如权利要求1所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述吸附器安装筒具有与所述一级冷头相连的冷量传递板，所述冷量传递板的下方密封连接有筒体，所述吸附器位于所述筒体内并通过多根支撑杆连接在所述冷量传递板上。

6.如权利要求1所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述第二纯化器还具有第二入口换热器，所述第二入口换热器具有第二入口换热管及套设在所述第二入口换热管外部的第二入口壳体，所述第二入口换热管与所述第二入口壳体之间形成有第二入口进气通道，所述第二入口换热管具有第二入口出气通道，所述吸附器的进气端与所述第二入口进气通道相连通，所述吸附器的出气端与所述第二入口出气通道相连通。

7.如权利要求6所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述第二入口进气通道与所述吸附器的入口端之间连接有第二气液分离器。

8.如权利要求1所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述第一换热器为盘管换热器或翅片管换热器；所述第二换热器为盘管换热器或翅片管换热器。

9.如权利要求1所述的复合式氦气纯化装置，其特征在于，所述冷量传递介质为氦气。