CN109626345A - 一种低浓度氦气的捕集装置及捕集浓缩系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低浓度氦气的捕集装置及捕集浓缩系统，所述捕集装置由两层膜材密封，形成中空负压腔，其中一层膜为完全气密性材料制备成的膜，另一层膜为涂有氦渗透性材料的膜，氦气穿过涂有氦渗透性材料的膜聚集在负压腔内，通过该低浓度氦气的捕集装置捕集到的氦气，经过自动增压机将稀氦气体浓缩为高浓度氦气，高浓度氦气经过氦气浓缩器进行，进入到浓氦储罐储存，所制备得到的氦气纯度高，该装置适用于多种场合低浓度氦气的捕集，利用石墨烯膜作为氦气渗透性材料，具有特异性强，捕集高效，无废气、废水、废渣排出，环保友好。

Description

一种低浓度氦气的捕集装置及捕集浓缩系统与方法
技术领域
本发明涉及氦气技术领域，特别涉及一种低浓度氦气的捕集装置及捕集浓缩系统与方法。
背景技术
氦气是一种惰性、特轻、特小、零熵、零粘、高导热、最低临界温度、不可再生的稀缺气体资源。随着航天、潜海、超导、检测等科技发展，氦气供不应求，价格不断升高。如何高效、便捷捕集浓缩、回收利用低含氦天然气、空气、尾气、烟气、废气等气体中宝贵的氦气，是一个迫切需要解决的问题。
现有技术和已有专利中，氦气捕集回收净化方法主要包括冷凝法、空分法、膜分离法等系统复杂庞大、适用条件苛刻、运行成本高昂，不适合大量分散、条件恶劣的天然气、尾气、烟气、空气、废气等低含氦气体中的氦气捕集浓缩。
发明内容
为解决现有技术中浓氦制备技术不适用于天然气、尾气、烟气、空气、废气等低含氦气体中的氦气捕集浓缩，本发明提供一种低浓度氦气的捕集装置及捕集浓缩系统与方法，能达到捕捉低浓度氦气，并达到不用任何化学试剂，无废气、废水、废渣排出，环保友好就能捕捉低浓度氦气的技术效果。
一种氦气捕集装置，所述捕集装置由两层膜材密封，形成中空负压腔，其中一层膜为完全气密性材料制备成的膜，另一层膜为涂有氦渗透性材料的膜，氦气穿过涂有氦渗透性材料的膜聚集在负压腔内。
优选的，所述氦气捕集装置为伞状，伞表面为完全气密性材料制成的膜，伞里面为涂有氦渗透性材料的膜。
优选的，所述涂有氦渗透性材料制成的膜为涂有石墨烯的石墨烯膜；优选的，所述石墨烯膜的孔隙为纳米级。
优选的，包含如下按顺序连接的部件：氦气捕集装置→自动真空泵→稀氦储罐→自动增压机→氦气浓缩器→浓氦储罐。
优选的，所述氦气捕集装置如上任一所述的氦气捕集装置。
优选的，自动真空泵配有氦气自动检测、启停、储存、排放控制系统，当检测到氦气捕集伞负压腔中氦气含量、压力达到设定值时，自动开启抽空、排放、储存或停泵。
优选的，所述自动增压机配有自动检测、启停系统，当检测到氦气捕集稀氦储罐中氦气压力达到设定值时，压缩机自动启停。
优选的，所述氦气浓缩器包括外管和内管组成的环形正压空腔，外管为完全气密封性承压金属材料或非金属材料，内管为中空的涂有石墨烯膜的管道，所述石墨烯膜孔隙为纳米级，所述内管一端穿过外管作为氦气浓缩器入口，内管另一端穿过外管作为废气排出口，所述外管上还有一开口，该开口与浓氦储罐或另一氦气浓缩器入口相连。
优选的，所述氦气浓缩器为1级或2级以上，所述氦气浓缩器的废气排放到氦气捕集伞下，所述经过1级氦气浓缩器即经过一次氦气浓缩器进行浓缩，所述经过2级浓缩器即经过2个氦气浓缩器进行浓缩。
一种低浓度氦气的捕集浓缩方法，利用如上任一所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，进行浓氦的制备，包含如下步骤：
(1)低浓度氦气捕集：开启自动真空泵，令氦气捕集装置中空腔形成负压腔，低浓度的氦气将会进入氦气捕集装置的负压腔，经过自动真空泵，进入稀氦储罐储存；
(2)低浓度氦气进行浓缩：步骤(1)中所述稀氦储罐中的低浓度氦气经过自动增压机压缩为高浓度氦气，高浓度氦气经过1级或2级以上氦气浓缩器，形成高纯度浓氦。
优选的，所述氦气捕集装置为伞状结构，所述氦气捕集装置放置于含氦气体管道或烟囱的上面。
优选的，所述氦气捕集装置的伞面边缘与含氦气管道或烟囱的外表面完全气密封连接。优选的，所述氦气捕集装置与含氦气管道或烟囱的外表面完全气密封连接的连接方式为压接、焊接或法兰连。
有益效果：
适用广：本发明可广泛应用于天然气生产的井口、储罐口、运罐口、管输出口，烟气、尾气、废气排放口，室内或露天使用氦气检测的废气排放口等各种复杂苛刻条件下捕集浓缩低含氦、超低含氦的气体中的氦气。
效果好：本发明的氦气捕集伞像天罗地网，不仅可将各种气体排输口、排放口、排出口、泄漏处的微量氦气一网打尽，而且氦气浓缩器排出的废气又回到氦气捕集伞下，可反复循环捕集，提高氦气捕集效果。
效率高：本发明自动化程度高，系统简单，无人值守，设备投资和运行成本低。本发明的氦气捕集浓缩完全采用石墨烯等高效材料和物理方法，该石墨烯膜对氦气具有选择性，氦气能通过该膜，但是其他气体不能通过该膜，从而，能高效收集到氦气，本系统进行氦气收集，具有不用任何化学试剂和化学反应，无废气、废水、废渣排出，环保友好的特点。
纯度高：经过本发明所述氦气氦捕集浓缩系统收集制备出的浓氦，纯度达到99.99％。
附图说明
图1：低浓度氦气的捕集浓缩系统示意图。
图2：氦捕集浓缩系统在管道应用示意图。
图3：氦捕集浓缩系统在烟窗应用示意图。
图4：氦气浓缩器结构示意图。
图中，1、外管，2、内管，3、氦气浓缩器入口，4、废气排出口，5、开口，6、正压空腔。
具体实施例
实施例1
一种低浓度氦气捕集浓缩系统，包含如下按顺序连接的部件：氦气捕集装置→自动真空泵→稀氦储罐→自动增压机→氦气浓缩器→浓氦储罐。
所述氦气捕集装置为氦气捕集伞，所述氦气捕集伞包括伞表面和伞里面组成的密封空心负压腔，所述伞表面涂有完全气密封性材料，伞里面涂有石墨烯膜，该石墨烯膜的孔隙为纳米级，伞下气体中的氦气，在气体浮力、分子引力和负压吸力等作用下，从伞里面过滤、渗透、聚集在空心负压腔内。
所述自动真空泵用于抽空氦气捕集伞负压腔的气体，配有氦气自动检测、启停、储存、排放控制系统，当检测到氦气捕集伞负压腔中氦气含量、压力等达到设定值时，自动开启抽空、排放、储存或停泵，实现无人值守。
所述自动增压机用于将存储于稀氦储罐中的气体增压输送到氦气浓缩器，配有自动检测、启停控制系统。当检测到氦气捕集稀氦储罐中氦气压力达到设定值时，压缩机可自动启停，实现无人值守。
如图4所示为氦气浓缩器，所述氦气浓缩器包括外管1和内管2组成的环形正压空腔6，外管1为完全气密封性承压金属材料或非金属材料，内管2为中空的涂有石墨烯膜的管道，所述石墨烯膜孔隙为纳米级，所述内管2一端穿过外管1作为氦气浓缩器入口3，氦气浓缩器入口3与自动增压机相连，内管2另一端穿过外管1作为废气排出口4，所述外管1上还有一开口5，该开口5与浓氦储罐或另一氦气浓缩器入口3相连。
参照图2所示的氦捕集浓缩系统在管道应用示意图，氦气捕集伞安装在有开口或开孔的含氦气体管道的上面，伞面边缘与管道外表面完全气密封连接，可根据实际管道材质、气体性质、压力、温度、腐蚀性等安全技术要求，选择适合的材料，选择压接、焊接、法兰连接等方式进行密封连接。
参照图3所示的氦捕集浓缩系统在烟窗应用示意图，氦气捕集伞安装在含氦气体烟窗的顶部，可根据实际烟窗特点、气体性质、温度、腐蚀性等安全技术要求，选择适合的材料和连接方式，将伞边缘与烟窗进行完全气密封连接。
一种低浓度氦气的捕集浓缩方法，利用如上所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，进行浓氦的制备，包含如下步骤：
(1)低浓度氦气捕集：开启自动真空泵，令氦气捕集装置中空腔形成负压腔，低浓度的氦气将会进入氦气捕集装置的负压腔，经过自动真空泵，进入稀氦储罐储存；
(2)低浓度氦气进行浓缩：步骤(1)中所述稀氦储罐中的低浓度氦气经过自动增压机压缩为高浓度氦气，高浓度氦气通过氦气浓缩器入口3进入氦气浓缩器，浓氦气体穿过内管2，进入到正压空腔6，制备得到高纯度浓氦，高纯度浓氦经开口5进入浓氦储罐储存。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明的其他实施。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氦气捕集装置，其特征在于，所述捕集装置由两层膜材密封，形成中空负压腔，其中一层膜为完全气密性材料制备成的膜，另一层膜为涂有氦渗透性材料的膜，氦气穿过涂有氦渗透性材料的膜聚集在负压腔内。
2.根据权利要求1所述的氦气捕集装置，其特征在于，所述氦气捕集装置为伞状，伞表面为完全气密性材料制成的膜，伞里面为涂有氦渗透性材料的膜。
3.根据权利要求1或2所述的氦气捕集装置，其特征在于，所述涂有氦渗透性材料制成的膜为涂有石墨烯的石墨烯膜；优选的，所述石墨烯膜的孔隙为纳米级。
4.一种低浓度氦气捕集浓缩系统，其特征在于，包含如下按顺序连接的部件：氦气捕集装置→自动真空泵→稀氦储罐→自动增压机→氦气浓缩器→浓氦储罐。
5.根据权利要求4所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，其特征在于，所述氦气捕集装置为权利要求1-4任一所述的氦气捕集装置。
6.根据权利要求4所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，其特征在于，自动真空泵配有氦气自动检测、启停、储存、排放控制系统，当检测到氦气捕集伞负压腔中氦气含量、压力达到设定值时，自动开启抽空、排放、储存或停泵。
7.根据权利要求4所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，其特征在于，所述自动增压机配有自动检测、启停系统，当检测到氦气捕集稀氦储罐中氦气压力达到设定值时，压缩机自动启停。
8.根据权利要求4所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，其特征在于，所述氦气浓缩器包括外管(1)和内管(2)组成的环形正压空腔(6)，外管(1)为完全气密封性承压金属材料或非金属材料，内管(2)为中空的涂有石墨烯膜的管道，所述石墨烯膜孔隙为纳米级，所述内管(2)一端穿过外管(1)作为氦气浓缩器入口(3)，内管(2)另一端穿过外管(1)作为废气排出口(4)，所述外管(1)上还有一开口(5)，该开口(5)与浓氦储罐或另一氦气浓缩器入口(3)相连。
9.根据权利要求8所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，其特征在于，所述氦气浓缩器为1级或2级以上，所述氦气浓缩器的废气排放到氦气捕集伞下。
10.一种低浓度氦气的捕集浓缩方法，其特征在于，利用权利要求4-9任一所述的低浓度氦气捕集浓缩系统，进行浓氦的制备，包含如下步骤：
(1)低浓度氦气捕集：开启自动真空泵，令氦气捕集装置中空腔形成负压腔，低浓度的氦气将会进入氦气捕集装置的负压腔，经过自动真空泵，进入稀氦储罐储存；
(2)低浓度氦气进行浓缩：步骤(1)中所述稀氦储罐中的低浓度氦气经过自动增压机压缩为高浓度氦气，高浓度氦气经过1级或2级以上氦气浓缩器，形成高纯度浓氦；优选的，所述氦气捕集装置为伞状结构，所述氦气捕集装置放置于含氦气的管道或烟囱上面；优选的，所述氦气捕集装置的伞面边缘与含氦气管道或烟囱的外表面完全气密封连接；优选的，所述氦气捕集装置与含氦气管道或烟囱的外表面完全气密封连接的连接方式为压接、焊接或法兰连。
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