CN111298596A - 一种基于低温冷源的稀有气体纯化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低温冷源的稀有气体纯化装置，该装置包括真空罩（8）、低温制冷机（4），在真空罩（8）内设有回热换热器（1）、固化换热器（3）、冷头换热器（2）和吸附器（7），其中回热换热器（1）分别与混合气进口管（10）和产品气出口管（11）相连通；回热换热器（1）通过输入管路和回流管路与固化换热器（3）相连接，固化换热器（3）通过输入管路和回流管路与冷头换热器（2）相连接；吸附器（7）设置固化换热器（3）前侧或后侧的输入管路上；所述冷头换热器（2）与低温制冷机（4）的制冷机冷头（6）连接换热。本发明的纯化装置采用低温吸附结合固化的方法，使得纯化器的使用范围更广、纯化效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及属于制冷与低温工程领域，具体地说是一种基于低温冷源的稀有气体纯化装置。
背景技术
稀有气体广泛应用于军工、医疗、半导体以及低温超导等领域，如氦气、氖气。这些气体的价格非常昂贵，对这些气体的回收再利用是当前的热门，而气体纯化更是回收再利用的重点工作。
传统的气体纯化方式有多种，其中基于低温制冷机的气体纯化器成为最近几年的热门，一般采用双级低温制冷机提供冷源，利用制冷机一级的冷量将原料气中的部分杂质液化，并将液体排出，剩余部分的杂质气体利用二级冷头提供冷量在固化换热器中冷凝，从而获得高纯的产品气，其中最典型的就是氦气纯化器。基于制冷机的氦气纯化装置利用一级冷量将原料气降温后控制在65K左右，将杂质中的氮气、氧气部分液化，剩余部分的杂质气体利用制冷机二级冷头冷量降温到38K以下被固化后获得高纯氦气。由于两个节点的温度分别是65K和38K，因此这种结构的氦气纯化器比较局限，如果原料气体中含有较多三相点低于65K的杂质气体，纯化器很容易在一级冷头的位置发生堵塞；如果原料气体的杂质成分不稳定，在一段时间偏高，会导致制冷机一级冷头温度远高于设定的65K，从而导致进入固化换热器的杂质增加，固化在固化换热器中的杂质气体增加很快，很容易导致纯化器饱和，从而工作效率很低；如果处理气体的压力沸点高于38K，那被处理的气体在换热器中有液体产生，必然会有部分固体杂质溶解在液体中，从而得不到高纯的气体。
发明内容
本发明的目的是针对传统气体纯化器工作效率低、对气源要求高、处理气体局限这三个方面的不足，提供一种基于低温冷源的稀有气体纯化装置。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：该装置包括真空罩、安装在真空罩上且制冷机冷头伸入真空罩内的低温制冷机，在真空罩内设有回热换热器、固化换热器、冷头换热器和吸附器，其中回热换热器分别与伸出真空罩的混合气进口管和产品气出口管相连通；沿气体输入方向，回热换热器通过输入管路依次与固化换热器、冷头换热器相连接；沿气体回流方向，冷头换热器通过回流管路依次与固化换热器、回热换热器相连接；吸附器设置在回热换热器至固化换热器的输入管路上、或者固化换热器至冷头换热器的输入管路上；所述冷头换热器与制冷机冷头连接换热。
所述的低温制冷机为双级制冷机时，低温制冷机的一级冷头与吸附器相连接，使得吸附器能够利用一级冷头的冷量，此时吸附器位于回热换热器至固化换热器的输入管路上。
所述一级冷头通过高热导率材料与吸附器相连接。
所述低温制冷机的二级冷头为制冷机冷头，此时冷头换热器与制冷机冷头连接以利用制冷机冷头的冷量。
所述的低温制冷机为一级制冷机时，吸附器设置在固化换热器至冷头换热器的输入管路上，且冷头换热器与制冷机冷头连接以利用制冷机冷头的冷量。
所述的低温制冷机为一级制冷机时，回热换热器至固化换热器的输入管路上时，吸附器位于液氮储罐内，且冷头换热器与制冷机冷头连接以利用制冷机冷头的冷量。
所述的吸附器内填充的吸附材料采用活性炭或分子筛。
所述的冷头换热器选用高热导率的材质制成。
所述冷头换热器的形式为狭缝式换热器、板式换热器或绕管换热器。
本发明的稀有气体纯化装置的原理是利用低温下吸附器对杂质气体选择性吸附、不同气体三相点的不同、同样温度下不同气体饱和分压的不同，将杂气体吸附或固化，达到纯化的效果。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的稀有气体纯化装置采用低温吸附和固化相结合的方法，能够有效提高纯化器效率、延长纯化器工作时间、获得超高纯的稀有气体；当吸附器设置在固化换热器之前时，气体先经过低温吸附器处理、再经过固化换热器后去除杂质，获得高纯气体，此时原料气中的杂质含量可以更高、杂质种类可以更多；当吸附器设置在固化换热器之后时，气体先经过固化换热器固化部分杂质气体后、再经过低温吸附器去除杂质气体，获得高纯气体此时可对一些特殊气体（如：氖气）进行纯化，控制固化换热器温度使气体不被液化，同时固化部分杂质，剩余小部分杂质在后端的吸附器中被吸附；该稀有气体纯化装置不同于传统的小型低温制冷机为冷源的纯化器，使得纯化器的使用范围更广、纯化效率更高。
附图说明
附图1为本发明的基于低温冷源的稀有气体纯化装置制备高纯氦气时的流程示意图；
附图2为本发明的基于低温冷源的稀有气体纯化装置制备超高纯氦气时的流程示意图；
附图3为本发明的基于低温冷源的稀有气体纯化装置制备高纯氖气时的流程示意图。
其中：1—回热换热器；2—冷头换热器；3—固化换热器；4—低温制冷机；5—一级冷头；6—制冷机冷头；7—吸附器；8—真空罩；9—液氮储罐；10—混合气进口管；11—产品气出口管。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于低温冷源的稀有气体纯化装置，装置主要包括一套低温制冷机4、一个吸附器7、一个回热换热器1、一个固化换热器3、一个冷头换热器2；回热换热器1包含降温通道和升温通道、吸附器7包含进口和出口、固化换热器3包含降温通道和升温通道、冷头换热器2包含进口和出口，回热换热器1的降温通道出口通过输入管路与固化换热器3的降温通道进口连接、回热换热器1的升温通道进口通过回流管路与固化换热器3的升温通道出口连接，固化换热器3的降温通道出口通过输入管路与冷头换热器2的进口连接、固化换热器3的升温通道进口通过回流管路与冷头换热器2的出口连接，吸附器7设置在固化换热器3的降温通道进口侧或出口侧的输入管路上；在吸附器7内填充吸附材料，吸附材料采用活性炭或分子筛。
当低温制冷机4为双级制冷机时，吸附器7与低温制冷机4的一级冷头5通过高热导率材料连接（如：无氧铜），利用低温制冷机4的一级冷头5的冷量对吸附器7降温；冷头换热器2与低温制冷机4的二级冷头（制冷机冷头6）连接通过高热导率材料连接（如：无氧铜），利用低温制冷机4的二级冷头的冷量对冷头换热器2降温，冷头换热器2选用高热导率的材质制成，优选的方案是无氧铜或高纯铝；冷头换热器2的形式为狭缝式换热器、板式换热器或绕管换热器。
当低温制冷机4为单级制冷机时，冷头换热器2与制冷机冷头6连接并利用冷头冷量；吸附器7由液氮提供冷量冷却、或由管路中的低温气体冷却。
实施例一
如图1所示：本发明的基于低温冷源的稀有气体纯化装置制备高纯氦气时，吸附器7利用低温制冷机4的一级冷头5冷却，吸附器7设置在固化换热器3之前。其工作流程为：原料气从混合气进口管10进入纯化装置后，首先经过回热换热器1的降温通道预冷，预冷到较低温度后进入吸附器7，吸附器7由低温制冷机4的一级冷头5冷却，一部分的杂质气体在吸附器7中被吸附，吸附器7的出口含有少量杂质气体的氦气进入到固化换热器3的降温通道，氦气在固化换热器3的降温通道出口被降温到38K以下，杂质成分绝大部分在固化换热器3中冷凝，固化在固化换热器3内表面，此时的氦气为高纯氦气，高纯氦气经过冷头换热器2，冷头换热器2由制冷机冷头6（即低温制冷机4的二级冷头）提供冷量，进一步降温后进入固化换热器3的升温通道，固化换热器3升温通道出口的高纯氦气进入回热换热器1的升温通道入口与回热换热器1的降温通道来流的混合气体换热，输出至产品气出口管11，获得高纯的氦气。
实施例二
如图2所示：本发明的基于低温冷源的稀有气体纯化装置制备超高纯氦气时，吸附器7利用液氮提供冷源，吸附器7设置在固化换热器3之前。其工作流程为：原料气从混合气进口管10进入纯化装置后，首先经过回热换热器1的降温通道预冷，预冷到较低温度后进入吸附器7，吸附器7由液氮储罐9中的液氮冷却，一部分的杂质气体在吸附器7中被吸附，吸附器7出口含有少量杂质气体的氦气进入到固化换热器3的降温通道，氦气在固化换热器3的降温通道出口被降温到38K以下，杂质成分绝大部分在固化换热器3中冷凝，固化在固化换热器3内表面，此时的氦气为高纯氦气，高纯氦气经过冷头换热器2，冷头换热器2由制冷机冷头6（此低温制冷机4只有一个冷头）提供冷量，进一步降温后进入固化换热器3的升温通道，固化换热器3的升温通道出口的高纯氦气进入回热换热器1的升温通道入口与回热换热器1的降温通道来流的混合气体换热，产品气出口管11处获得高纯氦气。当氦气在固化换热器3的降温通道出口被降温到30K以下时，产品气出口管11处可获得超高纯氦气。
实施例三
如图3所示：本发明的基于低温冷源的稀有气体纯化装置制备高纯氖气时，吸附器7采用管路中的低温气体冷却，吸附器7设置在固化换热器3之后。其工作流程为：工作流程为：原料气从混合气进口管10进入纯化装置后，首先经过回热换热器1的降温通道预冷，预冷到较低温度后进入固化换热器3的降温通道入口，固化换热器3的降温通道出口温度控制在氖气分压下的液化温度以上，防止有液氖产生，一部分的杂质气体（如：氮、氧、氩、氪等）在固化换热器3的内表面固化，从固化换热器3降温通道出来的气体进入低温的吸附器7，剩余的杂质气体绝大部分在吸附器7中被吸附，吸附器7出口获得高纯的氖气，高纯氖气进入冷头换热器2进一步降温后依次经过固化换热器3的升温通道和回热换热器1的升温通道进行冷量回收利用，则产品气出口管11处获得高纯氖气。
本发明的实施例一、实施例二和实施例三只是列举了获得高纯氦气、超高纯氦气、高纯氖气的原理和方法，如需要获得更多产品气则需要获得三种产品气的基础上加以改进得到。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：该装置包括真空罩（8）、安装在真空罩（8）上且制冷机冷头（6）伸入真空罩（8）内的低温制冷机（4），在真空罩（8）内设有回热换热器（1）、固化换热器（3）、冷头换热器（2）和吸附器（7），其中回热换热器（1）分别与伸出真空罩（8）的混合气进口管（10）和产品气出口管（11）相连通；沿气体输入方向，回热换热器（1）通过输入管路依次与固化换热器（3）、冷头换热器（2）相连接；沿气体回流方向，冷头换热器（2）通过回流管路依次与固化换热器（3）、回热换热器（1）相连接；吸附器（7）设置在回热换热器（1）至固化换热器（3）的输入管路上、或者固化换热器（3）至冷头换热器（2）的输入管路上；所述冷头换热器（2）与制冷机冷头（6）连接换热。
2.根据权利要求1所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述的低温制冷机（4）为双级制冷机时，低温制冷机（4）的一级冷头（5）与吸附器（7）相连接，使得吸附器（7）能够利用一级冷头（5）的冷量，此时吸附器（7）位于回热换热器（1）至固化换热器（3）的输入管路上。
3.根据权利要求2所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述一级冷头（5）通过高热导率材料与吸附器（7）相连接。
4.根据权利要求2或3所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述低温制冷机（4）的二级冷头为制冷机冷头（6），此时冷头换热器（2）与制冷机冷头（6）连接以利用制冷机冷头（6）的冷量。
5.根据权利要求1所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述的低温制冷机（4）为一级制冷机时，吸附器（7）设置在固化换热器（3）至冷头换热器（2）的输入管路上，且冷头换热器（2）与制冷机冷头（6）连接以利用制冷机冷头（6）的冷量。
6.根据权利要求1所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述的低温制冷机（4）为一级制冷机时，回热换热器（1）至固化换热器（3）的输入管路上时，吸附器（7）位于液氮储罐（9）内，且冷头换热器（2）与制冷机冷头（6）连接以利用制冷机冷头（6）的冷量。
7.根据权利要求1所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述的吸附器（7）内填充的吸附材料采用活性炭或分子筛。
8.根据权利要求1所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述的冷头换热器（2）选用高热导率的材质制成。
9.根据权利要求1或8所述的基于低温冷源的稀有气体纯化装置，其特征在于：所述冷头换热器（2）的形式为狭缝式换热器、板式换热器或绕管换热器。
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