CN113247872A - 一种低浓度氦气的回收提纯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低浓度氦气的回收提纯装置，包括回收风机、膜分离器、压缩机、换热器和真空变温吸附装置；所述回收风机的入口连接原料氦气，回收风机的出口与膜分离器的入口连接，膜分离器的出口连接压缩机的入口，压缩机的出口连接换热器，压缩机内的粗氦气经换热器进入真空变温吸附装置提纯得到纯氦气，纯氦气在所述换热器内与粗氦气进行逆流换热后排出。本发明的低浓度氦气的回收提纯装置，具有提纯效率高、提纯后气体纯度高、能耗低等特点，适用于小流量应用场景。同时亦可用于氢气、氖气等的提纯，具有普适性。

Description

一种低浓度氦气的回收提纯装置
技术领域
本发明涉及一种低浓度氦气的回收提纯装置，属于气体分离技术领域。
背景技术
氦气是一种无色无味的惰性气体，被广泛应用于光纤制造、半导体生产、金属制造、焊接及检漏等诸多工业领域。氦气虽然用途广、使用量大，但来源却有限，是一种稀缺性战略资源。空气中氦含量约为5ppm，基本不具备提取价值，目前主要来源于天然气开采中的伴生气回收，同时，由于氦气储量有限且主要生产国家的出口控制日趋收紧，因此对于氦气这种稀缺资源，开展回收再利用极具意义。
目前，对含量10～50％的低浓度氦气的回收提纯，存在提纯效率低、提纯后气体纯度低，能耗高等缺点。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种低浓度氦气的回收提纯装置，可以对低纯度氦气进行回收、提纯，获得高纯度氦气。
为了实现上述目的，本发明采用的一种低浓度氦气的回收提纯装置，包括回收风机、膜分离器、压缩机、换热器和真空变温吸附装置；
所述回收风机的入口连接原料氦气，回收风机的出口与膜分离器的入口连接，膜分离器的出口连接压缩机的入口，压缩机的出口连接换热器，压缩机内的粗氦气经换热器进入真空变温吸附装置提纯得到纯氦气，纯氦气在所述换热器内与粗氦气进行逆流换热后排出。
作为改进，所述回收风机的出口安装有风冷冷却器和冷凝器，回收风机的出口压力在10～1000kPa之间。
作为改进，所述膜分离器的入口管路上安装有过滤器，过滤精度≤0.1μm。
作为改进，所述膜分离器与过滤器间安装有气体加热器，所述气体加热器将膜分离器的进气温度维持在50～60℃。
作为改进，所述膜分离器的尾气端安装有背压阀或针阀，所述膜分离器的渗透气进入压缩机。
作为改进，所述压缩机的出口安装有风冷冷却器和过滤器，压缩机的出口压力在2.0～5.0MPa之间。
作为改进，所述换热器采用板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器或列管式换热器中的任一种。
作为改进，所述真空变温吸附装置分别与制冷设备和真空泵连接；所述真空变温吸附装置所用冷源由制冷设备提供，真空变温吸附装置所用吸附塔的再生由真空泵完成，再生压力≤10kPa。
作为改进，所述真空变温吸附装置包括不少于两个的吸附塔，各吸附塔由内至外依次包括吸附层、冷源层和绝热层；所述吸附层采用复合填料，所述冷源层由液化后的液氨或制冷剂R22填充组成，所述绝热层采用真空或珠光砂填充。
作为改进，所述真空变温吸附装置的控制阀门采用电磁阀或气动阀。
与现有技术相比，本发明的低浓度氦气的回收提纯装置，具有提纯效率高、提纯后气体纯度高、能耗低等特点，适用于小流量应用场景。同时亦可用于氢气、氖气等的提纯，具有普适性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1、回收风机，2、膜分离器，3、压缩机，4、换热器，5、制冷设备，6、第一吸附塔，7、第二吸附塔，8、真空泵。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
如图1所示，一种低浓度氦气的回收提纯装置，包括回收风机1、膜分离器2、压缩机3、换热器4和真空变温吸附装置；
所述回收风机1的入口连接原料氦气，回收风机1的出口与膜分离器2的入口连接，膜分离器2的出口连接压缩机3的入口，压缩机3的出口连接换热器4，压缩机3内的粗氦气经换热器4进入真空变温吸附装置提纯得到纯氦气，纯氦气在所述换热器4内与粗氦气进行逆流换热后排出。
作为实施例的改进，所述回收风机1的出口安装有风冷冷却器和冷凝器，用于脱除经回收风机1回收和增压后析出的液态水分；回收风机1的出口压力在10～1000kPa之间，可以根据需要灵活调整。
作为实施例的改进，所述膜分离器2的入口管路上安装有精密过滤器，过滤精度≤0.1μm，更进一步的，所述膜分离器2与精密过滤器间安装有气体加热器，所述气体加热器将膜分离器2的进气温度维持在50～60℃，有效保证气体的分离效果。
作为实施例的改进，所述膜分离器2的尾气端安装有背压阀或针阀，保证膜分离器2的正常工作；所述膜分离器2的渗透气进入压缩机3。
作为实施例的改进，所述压缩机3的出口安装有风冷冷却器和过滤器，压缩机3的出口压力在2.0～5.0MPa之间。
作为实施例的改进，所述换热器4采用板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器或列管式换热器中的任一种，可以根据需要灵活选择。
作为实施例的改进，所述真空变温吸附装置分别与制冷设备5和真空泵8连接；
所述真空变温吸附装置所用冷源由制冷设备5提供，制冷设备5采用液氨、制冷剂R22等制冷媒介的一种或数种，可以提供-40～-30℃的低温环境；真空变温吸附装置所用吸附塔的再生由真空泵8完成，再生压力≤10kPa。
作为实施例的改进，所述真空变温吸附装置包括不少于两个的吸附塔，本实施例采用两个，包括第一吸附塔6和第二吸附塔7，各吸附塔由内至外依次包括吸附层、冷源层和绝热层，吸附层主要为了填充吸附剂，冷源层主要是冷源的流通通道，流通的冷源把吸附剂、气体等降温并带走吸附热，绝热层主要为了隔绝与环境的换热；其中，冷源层的厚度不小于3mm、绝热层的厚度不小于5mm，以减少冷源的流通阻力和提高绝热效果；
具体的，所述吸附层采用复合填料，复合填料为活性氧化铝、沸石分子筛、活性炭中的至少两种；
所述冷源层由液化后的液氨或制冷剂R22填充组成，通过冷源层充分吸收吸附层所产生的热量；
所述绝热层采用真空或珠光砂填充，绝热层用于隔绝环境空气换热，降低冷源层的冷量损失及降低功耗。
作为实施例的改进，所述真空变温吸附装置的控制阀门采用高密封性的电磁阀或气动阀。
本发明采用的真空变温吸附装置不同于传统的液氮提供冷源的变温吸附装置，变温吸附装置一般采用常见的双塔设计，保证一个塔处于吸附状态时，另一个塔处于脱附状态，塔内部装有活性炭、分子筛等多孔吸附材料，通过降温将除氦气外的其他杂质吸附在多孔吸附材料上，而通过升温可将杂质再从吸附剂上脱附出来完成吸附剂的再生，氦气被提纯，其余气体杂质则随着再生过程排出。传统的变温吸附(TSA)装置的每个吸附塔内部设有冷源浸泡的多个吸附筒体，吸附筒体内装有分子筛、活性炭等多种吸附剂填料；变温吸附(TSA)装置一般是采用液氮或冷冻机组等冷源(冷液)，冷源温度≤-20℃；本发明的真空变温吸附装置使用常规易获取的氨、制冷剂R22等介质作为冷源，即可完成高纯(纯度为99.99～99.999％)氦气的获得，非常适用于小型装置。
实施例1
一种低浓度氦气的回收提纯方法，包括以下步骤：
原料氦气在回收风机1的作用下进入膜分离器2进行低浓度原料氦气的初步分离，获得90％以上的粗氦；获得的粗氦进入压缩机3，压缩机3将粗氦气增压后进入到换热器4中，粗氦气继续进入真空变温吸附装置内，由吸附塔对粗氦气进行吸附提纯并获得99.99～99.999％的纯氦气，纯氦气流经换热器4时与粗氦气流进行热交换以充分回收流出真空变温吸附装置的纯氦气流所携带的冷量并使粗氦气流充分降温，使冷量充分利用，降低功耗；真空变温吸附装置内的吸附塔由真空泵8进行再生，部分再生气体回流至回收风机1内进行再次回收提纯。
本发明的低浓度氦气的回收提纯装置，具有提纯效率高、提纯后气体纯度高、能耗低等特点，区别于液氮(-196℃)提供的冷源，本发明可以采用液氨、R22等常规制冷介质(-40～-30℃)，非常适用于小流量应用场景。同时区别于液氮(-196℃)提供的冷源，在使用后冷氮气直接排空的情况，本发明所使用的制冷介质不仅冷量被充分利用，而且制冷介质进行循环使用，节约了使用成本。同时该装置和方法亦可用于氢气、氖气等的提纯，具有普适性。
以上所述仅为较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，包括回收风机(1)、膜分离器(2)、压缩机(3)、换热器(4)和真空变温吸附装置；
所述回收风机(1)的入口连接原料氦气，回收风机(1)的出口与膜分离器(2)的入口连接，膜分离器(2)的出口连接压缩机(3)的入口，压缩机(3)的出口连接换热器(4)，压缩机(3)内的粗氦气经换热器(4)进入真空变温吸附装置提纯得到纯氦气，纯氦气在所述换热器(4)内与粗氦气进行逆流换热后排出。
2.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述回收风机(1)的出口安装有风冷冷却器和冷凝器，回收风机(1)的出口压力在10～1000kPa之间。
3.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述膜分离器(2)的入口管路上安装有过滤器，过滤精度≤0.1μm。
4.根据权利要求3所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述膜分离器(2)与过滤器间安装有气体加热器，所述气体加热器将膜分离器(2)的进气温度维持在50～60℃。
5.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述膜分离器(2)的尾气端安装有背压阀或针阀，所述膜分离器(2)的渗透气进入压缩机(3)。
6.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述压缩机(3)的出口安装有风冷冷却器和过滤器，压缩机(3)的出口压力在2.0～5.0MPa之间。
7.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述换热器(4)采用板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器或列管式换热器中的任一种。
8.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述真空变温吸附装置分别与制冷设备(5)和真空泵(8)连接；
所述真空变温吸附装置所用冷源由制冷设备(5)提供，真空变温吸附装置所用吸附塔的再生由真空泵(8)完成，再生压力≤10kPa。
9.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述真空变温吸附装置包括不少于两个的吸附塔，各吸附塔由内至外依次包括吸附层、冷源层和绝热层；
所述吸附层采用复合填料，所述冷源层由液化后的液氨或制冷剂R22填充组成，所述绝热层采用真空或珠光砂填充。
10.根据权利要求1所述的一种低浓度氦气的回收提纯装置，其特征在于，所述真空变温吸附装置的控制阀门采用电磁阀或气动阀。
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