CN108204521A - 高纯稀有气体气瓶预处理系统及预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，包括装有气瓶组的烘箱、高压氮气供应装置和回收气囊；高压氮气供应装置通过主管道与气瓶组连接，主管道上分别连接放空管和支管道，支管道与回收气囊连接；主管道上安装有气体控制阀，支管道上安装有回收控制阀，放空管上安装有放空阀；气瓶预处理方法包括气瓶内存留稀有气体的回收、气瓶内微水及微氧残留的控制和气瓶抽检分析步骤。本发明使高纯稀有气体气瓶预处理的效率得到大幅提升，同时也大幅降低了人工成本。

Description

高纯稀有气体气瓶预处理系统及预处理方法
技术领域
本发明涉及气体气瓶预处理系统，尤其涉及一种高纯稀有气体气瓶预处理系统及采用该系统进行气瓶预处理的方法。
背景技术
氦、氖、氪、氙等稀有气体多用于电子工业、航空航天、照明工程等领域，一般情况下均靠压缩设备压入气瓶中贮存和运输，质量均要求达到5N~6N级别；由于这些稀有气体的纯度要求近乎苛刻，尤其是作为卫星推进剂的氙气，要求氙气中微水含量﹤0.01PPm，微氧含量﹤0.1PPm，所以对盛装气瓶中的杂质总量控制标准非常严格；为满足标准要求，气瓶充装稀有气体前均需要进行预处理，处理后的气瓶内残留气体中微水、微氧杂质组份必须满足气瓶充装完成后充装产品中的微水、微氧杂质组份在质量标准控制的范围内。
现有的气瓶预处理工艺一般是单瓶加温，采用氮气置换，而且处理后气瓶中微水、微氧需要逐瓶分别检验，同时受气瓶处理前残留在气瓶内气体中微水、微氧等杂质组份（简称气瓶本底）多少的影响，导致气瓶的预处理时间较长，甚至需要反复进行预处理，大幅降低了生产效率，同时造成人工成本的增加，不利于企业效益的提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高纯稀有气体气瓶预处理系统及采用该系统进行气瓶预处理的方法，可大幅提升气瓶预处理效率，降低人工成本。
解决上述技术问题的技术方案为：
一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，包括装有气瓶组的烘箱、高压氮气供应装置和回收气囊；高压氮气供应装置通过主管道与气瓶组连接，主管道上分别连接放空管和支管道，支管道与回收气囊连接；主管道上安装有气体控制阀，支管道上安装有回收控制阀，放空管上安装有放空阀。
上述的一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，所述高压氮气供应装置包括通过主管道顺序连接的液氮贮槽、液氮泵、空浴式汽化器、高压氮气出口阀和过滤器；在高压氮气出口阀两侧的主管道上分别安装过滤器侧压力表和汽化器侧压力表，烘箱上安装有温度表。
上述的一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，所述液氮泵和空浴式汽化器之间的主管道上安装止回阀，高压氮气出口阀和汽化器侧压力表之间的主管道上安装有安全阀，回收气囊和回收控制阀间的支管道上安装有安全阀。
一种高纯稀有气体气瓶预处理方法，包括以下步骤：
步骤一、气瓶内存留稀有气体的回收：将拟储存相同介质的多个待处理气瓶组成气瓶组装入烘箱内，气瓶口与预处理系统的主管道连接，封闭烘箱后控制烘箱温度在90～105℃进行加热，加热期间打开气体控制阀和回收控制阀将气瓶内残余气体介质回收入回收气囊，然后关闭回收控制阀，打开高压氮气出口阀将压力氮气充入气瓶组，之后关闭高压氮气出口阀，打开回收控制阀再次进行残余气体介质的回收；重复上述操作3～4次后，气瓶中的氮气含量可达99%以上，即气瓶内存留稀有气体介质的回收率在99%以上；
步骤二、气瓶内微水、微氧残留的控制：关闭回收控制阀，烘箱温度控制在90～105℃进行再次加热，加热期间打开高压氮气出口阀，将高压氮气充入气瓶组的气瓶中，充气时间控制在3～6分钟，然后打开放空阀将瓶内气体放空；放空结束，关闭放空阀，再次向气瓶中充入氮气，然后再放空；重复上述操作3～4次后，关闭放空阀，气瓶内预留一定压力的氮气；
步骤三、气瓶抽检分析：抽检气瓶组中的任意2个气瓶，第1个气瓶接入微水分析仪进行微水分析，微水分析仪显示该气瓶中微水含量小于0.33ppm，满足充装稀有气体的气瓶中微水含量标准要求；第2个气瓶接入微氧色谱分析仪，显示微氧含量小于1.6ppm，满足充装稀有气体的气瓶中微氧含量标准要求；将第1个气瓶接入微氧色谱分析仪，显示微氧含量小于1.6ppm；将第2个气瓶接入微水分析仪，显示微水含量小于0.33ppm；证明2个气瓶中微氧与微水含量存在比例关系，即当气瓶中微水含量小于0.33ppm时，微氧含量小于1.6ppm；均满足充装高纯稀有气体的气瓶中微氧和微水控制标准要求，可以进行高纯稀有气体的充装。
上述的一种高纯稀有气体气瓶预处理方法，所述气瓶组中的气瓶数量为4～6个；所述步骤一中加热时间为18～22min，在此加热期间打开气体控制阀和回收控制阀将气瓶内残余气体介质回收入回收气囊，然后关闭回收控制阀，打开高压氮气出口阀将氮气充入气瓶组，当过滤器侧压力表显示氮气压力在0.4～0.6MPa时，关闭高压氮气出口阀，打开回收控制阀再次进行残余气体介质的回收；在18～22min的加热期间内重复上述操作3～4次后，气瓶中的氮气含量可达99%以上，过滤器侧压力表显示压力在～0.01MPa，即气瓶内存留气体介质的回收率在99%以上；
所述步骤二中，烘箱再加热时长为18～22min，加热期间打开高压氮气出口阀将高压氮气充入气瓶组的气瓶中，充气时间3～6分钟后，过滤器侧压力表显示压力为5～6MPa，然后打开放空阀进行放空；关闭放空阀，再次向气瓶组中充入氮气，过滤器侧压力表显示压力为5～6MPa后再放空；重复上述操作3～4次后，关闭放空阀，过滤器侧压力表显示气瓶中氮气压力为0.4～0.6MPa，此时的气瓶组内压力氮气用于检测分析。
上述的一种高纯稀有气体气瓶预处理方法，所述步骤一和步骤二中，打开高压氮气出口阀后，液氮泵将液氮贮槽中的液氮抽出，经空浴式汽化器汽化和过滤器过滤后充入气瓶；其中液氮贮槽中的液氮要求其中微氧含量小于0.1PPm，保证液氮汽化后氮气微水含量小于0.01PPm；所述步骤三中微水分析仪的精度要求针对不同气体介质最低可以检测到的微水数值为0.3～1.0PPb。
本发明将现有的单瓶加温改为4～6个气瓶同时加温，提升了气瓶预处理效率；同时经过大量工业试验证明，只要经预处理后的其气瓶组中的2个气瓶中微氧、微水符合高纯稀有气体充装要求，其它所有气瓶均可满足标准要求，省去了现有技术中需要逐瓶检验分析的步骤，进一步提升了气瓶预处理效率；本发明对液氮中微氧、微水含量进行了限定，进一步保证了经预处理后的气瓶中微氧、微水等杂质符合高纯稀有气体充装要求。
本发明的有益效果为：
本发明通过设计高纯稀有气体气瓶预处理系统，并制定合理的预处理工艺参数，使高纯稀有气体气瓶预处理的效率得到大幅提升；在邯钢气体厂应用后，瓶处理微水、微氧过程时间由过去单瓶处理2小时缩短至瓶组处理0.83小时，处理效率提高了14.4倍；同时也大幅降低了人工成本，有利于企业效益的提升。
附图说明
图1为本发明气瓶预处理系统示意图；
图中标记为：烘箱1、回收气囊2、主管道3、气瓶组4、放空管5、支管道6、气体控制阀7、回收控制阀8、放空阀9、液氮贮槽10、液氮泵11、空浴式汽化器12、高压氮气出口阀13、过滤器14、汽化器侧压力表15、温度表16、液氮泵止回阀17、过滤器侧压力表18、安全阀19。
具体实施方式
图1显示，本发明提供一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，包括烘箱1、高压氮气供应装置和回收气囊2；烘箱1中装有气瓶组4，气瓶组4由4～6个待处理气瓶构成，烘箱1上安装有温度表16，用于显示烘箱1内的温度；高压氮气供应装置包括通过主管道3顺序连接的液氮贮槽10、液氮泵11、液氮泵止回阀17、空浴式汽化器12、汽化器侧压力表15、安全阀19、高压氮气出口阀13、过滤器侧压力表18和过滤器14；液氮贮槽10存放的液氮要求其中微氧含量小于0.1PPm，保证液氮汽化后氮气微水含量小于0.01PPm；液氮泵11用于抽取液氮贮槽10中的液氮；空浴式净化器12用于汽化液氮；过滤器14用于过滤汽化后的氮气；过滤器侧压力表18和汽化器侧压力表15用于显示高压氮气出口阀13两侧的氮气压力；主管道3由过滤器14引出后与气瓶组4中各个气瓶的瓶口连接；在过滤器14和气瓶组4之间的主管道3上安装有气体控制阀7；在过滤器14和气体控制阀7之间的主管道3上分别连接放空管5和支管道6，支管道6与回收气囊2连接，支管道6上安装有回收控制阀8和安全阀19，放空管5上安装有放空阀9。
本发明还提供一种利用上述的高纯稀有气体气瓶预处理系统进行气瓶预处理的方法，包括以下步骤：
步骤一为气瓶内存留稀有气体介质的回收步骤：将4～6个拟储存相同介质的待处理气瓶组成气瓶组4装入烘箱1内，气瓶口与预处理系统的主管道3连接，封闭烘箱1后控制烘箱温度在90～105℃进行加热，加热时间18～22min，在此加热期间打开气体控制阀7和回收控制阀8将气瓶内残余气体介质回收入回收气囊2，然后关闭回收控制阀8，打开高压氮气出口阀13，液氮贮槽10中的液氮被液氮泵11抽出，将氮气经过滤器14过滤后导入气瓶组4，当过滤器侧压力表18显示氮气压力在0.4～0.6MPa时，关闭高压氮气出口阀13，打开回收控制阀8再次进行气瓶中残余气体介质的回收；在18～22min的加热时长内重复上述操作3～4次后，气瓶中的氮气含量可达99%以上，过滤器侧压力表18显示氮气压力在～0.01MPa，即气瓶内存留气体介质的回收率在99%以上；
步骤二为气瓶内微水、微氧残留的控制步骤：步骤一完成后，关闭回收控制阀8，烘箱1的温度控制在90～105℃进行再次加热，再加热时长为18～22min，加热期间打开高压氮气出口阀13将高压氮气充入气瓶组4的气瓶中，充气时间3～6分钟后，过滤器侧压力表18显示压力为5～6MPa，然后打开放空阀9进行放空；关闭放空阀9，再次向气瓶组1中充入氮气，过滤器侧压力表18显示压力为5～6MPa后，再打开放空阀9放空；重复上述操作3～4次后，关闭放空阀9，过滤器侧压力表18显示气瓶中氮气压力为0.4～0.6MPa，此时的气瓶组用于检测分析；
步骤三为气瓶抽检分析步骤：从气瓶组4中抽检任意2个气瓶，第1个气瓶接入HAL03型微水分析仪进行微水分析，微水分析仪显示该气瓶中微水含量小于0.33ppm，满足充装稀有气体的气瓶中微水含量标准要求；第2个气瓶接入微氧色谱分析仪，显示微氧含量小于1.6ppm，满足充装稀有气体的气瓶中微氧含量标准要求；将第1个气瓶接入微氧色谱分析仪，显示显示微氧含量小于1.6ppm；将第2个气瓶接入微水分析仪，显示微水含量小于0.33ppm；证明2个气瓶中微氧与微水含量存在比例关系，即当气瓶中微水含量小于0.33ppm时，微氧含量小于1.6ppm；均满足充装高纯稀有气体的气瓶中微氧和微水控制标准要求，可以进行高纯稀有气体的充装。
本发明微水分析仪的精度要求针对不同气体介质最低可以检测到的微水数值为0.3～1.0PPb。
以下通过具体实施例对本发明做进一步详细说明：
以高纯氙气瓶处理为例：
步骤一、首先将待处理的六只氙气瓶组成气瓶组4由专用设备导入烘箱1，将主管道3与气瓶组4中的气瓶瓶口连接，关闭气体控制阀7、高压氮气出口阀13、放空阀9、回收控制阀8，封闭烘箱1，将烘箱温度控制在90～105℃进行加热，加热时长22分钟，加热期间重复如下①～②的操作3～4次：①打开气体控制阀7和回收控制阀8，将气瓶内余压导入回收气囊2；②关闭回收控制阀8，打开高压氮气出口阀13，当过滤器侧压力表18压力达到0.4～0.6MPa时，关闭高压氮气出口阀13；
上述重复操作完成后，气瓶组4中残余稀有气体回收结束；关闭回收控制阀8，转入步骤二的气瓶中微水微氧残留控制环节。
步骤二、此步骤烘箱1不停电，保持加热状态，温度控制在90～105℃，加热时长为18～22min；加热期间重复如下操作3～4次：关闭放空阀9，打开高压氮气出口阀13向气瓶组4中充入氮气，从过滤器侧压力表18观测压力控制值，将气瓶组4内压力控制在5～6MPa，然后关闭高压氮气出口阀13，打开放空阀9将气瓶组4内压力放空至大气；
上述重复操作过程中，向气瓶组4中充气时间控制在每次3～6分钟，最后一次气瓶组4放空后，过滤器侧压力表18显示氮气压力降低至0.4～0.6MPa时，关闭放空阀9和气体控制阀7，检查高压氮气出口阀13关闭、回收控制阀8关闭；关闭气瓶组4内每个瓶子的出口阀，停烘箱1，气瓶组4转入步骤三的气瓶抽检环节；
步骤三、从气瓶组4内随机选择两个处理好的瓶子分别接入HAL03型微水分析仪和微氧色谱分析仪，该HAL03型微水分析仪氙的量程0～13ppm,最小检测线1.0PPb;氪的量程0～11ppm,最小检测线0.8PPb；氖的量程0～5ppm,最小检测线0.4PPb；氦的量程0～4ppm,最小检测线0.3PPb，两个瓶子分析参数分别达到微水含量0.28ppm，微氧含量1.3ppm；可进入气瓶充装环节，合格的稀有气体氙气充瓶后气体内达到微水含量﹤0.01PPm，微氧含量﹤0.1PPm，满足标准要求。

Claims (7)

1.一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，其特征在于：它包括装有气瓶组（4）的烘箱（1）、高压氮气供应装置和回收气囊（2）；高压氮气供应装置通过主管道（3）与气瓶组（4）连接，主管道（3）上分别连接放空管（5）和支管道（6），支管道（6）与回收气囊（2）连接；主管道（3）上安装有气体控制阀（7），支管道（6）上安装有回收控制阀（8），放空管（5）上安装有放空阀（9）。
2.如权利要求1所述的一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，其特征在于：所述高压氮气供应装置包括通过主管道（3）顺序连接的液氮贮槽（10）、液氮泵（11）、空浴式汽化器（12）、高压氮气出口阀（13）和过滤器（14）；在高压氮气出口阀（13）两侧的主管道（3）上分别安装过滤器侧压力表（18）和汽化器侧压力表（15），烘箱（1）上安装有温度表（16）。
3.如权利要求1或2所述的一种高纯稀有气体气瓶预处理系统，其特征在于：所述液氮泵（11）和空浴式汽化器（12）之间的主管道（3）上安装止回阀（17），高压氮气出口阀（13）和汽化器侧压力表（15）之间的主管道（3）上安装有安全阀（19），回收气囊（2）和回收控制阀间（8）之间的支管道（6）上安装有安全阀（19）。
4.一种使用权利要求2所述的高纯稀有气体气瓶预处理系统进行气瓶预处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、气瓶内存留稀有气体的回收：将拟储存相同介质的多个待处理气瓶组成气瓶组（4）装入烘箱（1）内，气瓶口与预处理系统的主管道（3）连接，封闭烘箱（1）后控制烘箱（1）的温度在90～105℃进行加热，加热期间打开气体控制阀（7）和回收控制阀（8）将气瓶内残余气体介质回收入回收气囊（2），然后关闭回收控制阀（8），打开高压氮气出口阀（13）将压力氮气充入气瓶组（4），之后关闭高压氮气出口阀（13），打开回收控制阀（8）再次进行残余气体介质的回收；重复上述操作3～4次后，气瓶中的氮气含量可达99%以上，即气瓶内存留稀有气体介质的回收率在99%以上；
步骤二、气瓶内微水、微氧残留的控制：关闭回收控制阀（8），烘箱（1）的温度控制在90～105℃进行再次加热，加热期间打开高压氮气出口阀（13），将高压氮气充入气瓶组（4）的气瓶中，充气时间控制在3～6分钟，然后打开放空阀（9）将瓶内气体放空；放空结束，关闭放空阀（9），再次向气瓶中充入氮气，然后再放空；重复上述操作3～4次后，关闭放空阀（9），气瓶内预留一定压力的氮气；
步骤三、气瓶抽检分析：抽检气瓶组（4）中的任意2个气瓶，第1个气瓶接入微水分析仪进行微水分析，微水分析仪显示该气瓶中微水含量小于0.33ppm，满足充装稀有气体的气瓶中微水含量标准要求；第2个气瓶接入微氧色谱分析仪，显示微氧含量小于1.6ppm，满足充装稀有气体的气瓶中微氧含量标准要求；将第1个气瓶接入微氧色谱分析仪，显示微氧含量小于1.6ppm；将第2个气瓶接入微水分析仪，显示微水含量小于0.33ppm；证明2个气瓶中微氧与微水含量存在比例关系，即当气瓶中微水含量小于0.33ppm时，微氧含量小于1.6ppm；均满足充装高纯稀有气体的气瓶中微氧和微水控制标准要求，可以进行高纯稀有气体的充装。
5.如权利要求4所述的一种高纯稀有气体气瓶预处理方法，其特征在于：所述气瓶组（4）中的气瓶数量为4～6个；所述步骤一中加热时间为18～22min，在此加热期间打开气体控制阀（7）和回收控制阀（8）将气瓶内残余气体介质回收入回收气囊（2），然后关闭回收控制阀（8），打开高压氮气出口阀（13）将氮气充入气瓶组（4），当过滤器侧压力表（18）显示氮气压力在0.4～0.6MPa时，关闭高压氮气出口阀（13），打开回收控制阀（8）再次进行残余气体介质的回收；在18～22min的加热期间内重复上述操作3～4次后，气瓶中的氮气含量可达99%以上，过滤器侧压力表（18）显示压力在～0.01MPa，即气瓶内存留气体介质的回收率在99%以上；
所述步骤二中，烘箱（1）的再加热时长为18～22min，加热期间打开高压氮气出口阀（13）将高压氮气充入气瓶组（4）的气瓶中，充气时间3～6分钟后，过滤器侧压力表（18）显示压力为5～6MPa，然后打开放空阀（9）进行放空；关闭放空阀（9），再次向气瓶组（4）中充入氮气，过滤器侧压力表（18）显示压力为5～6MPa后再放空；重复上述操作3～4次后，关闭放空阀（9），过滤器侧压力表（18）显示气瓶中氮气压力为0.4～0.6MPa，此时的气瓶组（4）用于检测分析。
6.如权利要求4或5所述的一种高纯稀有气体气瓶预处理方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中，打开高压氮气出口阀（13）后，液氮泵（11）将液氮贮槽（10）中的液氮抽出，经空浴式汽化器（12）汽化和过滤器（14）过滤后充入气瓶；其中液氮贮槽（10）中的液氮要求其中微氧含量小于0.1PPm，保证液氮汽化后氮气微水含量小于0.01PPm。
7.如权利要求4所述的一种高纯稀有气体气瓶预处理方法，其特征在于：所述步骤三中微水分析仪的精度要求针对不同气体介质最低可以检测到的微水数值为0.3～1.0PPb。
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