CN116119630A - 一种常压氦气的回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体处理技术领域，特别涉及一种常压氦气的回收系统及方法。系统包括：壳体以及设置在所述壳体内的增压泵；所述壳体内充满预设纯度的氦气，且壳体内的压力大于大气压力，所述增压泵的进口连接有第一管道，所述增压泵的出口连接有第二管道，所述第一管道用于将待回收的氦气输送至所述增压泵，所述增压泵用于将所述待回收的氦气加压至预设压力，所述第二管道用于将增压后的氦气输送至氦气接收装置。该系统在回收常压氦气的过程中不会引入新的杂质，增压泵可连续运行，系统漏率低。

Description

一种常压氦气的回收系统及方法

技术领域

本发明涉及气体处理技术领域，特别涉及一种常压氦气的回收系统及方法。

背景技术

氦气作为重要的工业气体，被广泛应用于低温、航空航天、半导体以及生物医疗等领域，且这些领域对氦气的纯度要求较高，因此，在使用前需要对氦气的纯度进行分析，以保证氦气的纯度以及杂质组分满足设备要求。

目前，通常采用氦气纯度分析仪对氦气进行取样分析，取样量一般为几升每分钟到几十升每分钟，虽然取样量较小，但我国作为贫氦国家，氦气主要依赖于进口，氦气价格昂贵，因此，对纯度分析仪出口的氦气(即分析尾气)进行回收仍具有重要意义。通常，氦气纯度分析仪的出口氦气接近常压，因此需要采用增压泵对其进行增压，并将增压后的氦气输送至氦气接收装置，以进行氦气回收。但现有回收系统的漏率较高，不仅会损失氦气，还会给接收装置引入新的杂质，影响相关系统的稳定运行。

因此，目前亟待需要一种常压氦气的回收系统及方法来解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供了一种常压氦气的回收系统及方法，在回收常压氦气的过程中不会引入新的杂质，回收系统可以连续运行，系统漏率低。

第一方面，本发明实施例提供了一种常压氦气的回收系统，包括：壳体以及设置在所述壳体内的增压泵；

所述壳体内充满预设纯度的氦气，且壳体内的压力大于大气压力，所述增压泵的进口连接有第一管道，所述增压泵的出口连接有第二管道，所述第一管道用于将待回收的氦气输送至所述增压泵，所述增压泵用于将所述待回收的氦气加压至预设压力，所述第二管道用于将增压后的氦气输送至氦气接收装置。

在一种可能的设计中，还包括设置在所述壳体内的冷却装置，所述冷却装置的一端与所述壳体外部的供水管道连接，所述冷却装置的另一端与所述壳体外部的回水管道连接，所述供水管道内的水温低于所述回水管道内的水温，所述冷却装置用于降低所述壳体内氦气的温度。

在一种可能的设计中，所述壳体内还设置有风扇，所述风扇用于加速所述壳体内氦气的流动。

在一种可能的设计中，所述第一管道上设置有第一阀门，和/或

所述第二管道上设置有第二阀门。

在一种可能的设计中，还包括第三管道和设置在所述第三管道上的第三阀门；

所述第三管道的一端与所述增压泵的出口和所述第二阀门之间的第二管道连接，所述第三管道的另一端与外界连通。

在一种可能的设计中，还包括第四管道和设置在所述第四管道上的第四阀门；

所述第四管道的一端与所述第一阀门上游的第一管道连接，所述第四管道的另一端与所述第二阀门下游的第二管道连接。

在一种可能的设计中，还包括第五管道和设置在所述第五管道上的第五阀门；

所述第五管道的一端与所述第四阀门下游的第四管道连接，所述第五管道的另一端与外界连通。

在一种可能的设计中，还包括至少两个并联的第六管道，每个所述第六管道的一端均与所述壳体连通，其中一个所述第六管道上设置有第六阀门，另一个所述第六管道上设置有单呼阀。

在一种可能的设计中，所述壳体的底端设置有排空管道和设置在所述排空管道上的排空阀。

第二方面，本发明实施例还提供了一种常压氦气的回收方法，应用于上述任一种常压氦气的回收系统，方法包括：

向所述壳体内通入预设纯度的氦气，以使所述壳体内的压力大于大气压力；

通过所述第一管道将所述待回收的氦气输送至所述增压泵，以利用所述增压泵将所述待回收的氦气加压至预设压力；

通过所述第二管道将增压后的氦气输送至氦气接收装置。

本发明提供了一种常压氦气的回收系统及方法，系统包括壳体和设置在壳体内的增压泵，通过在壳体内充装预设纯度的氦气，可以使壳体内的压力大于大气压力，从而防止外界空气进入壳体。通过将增压泵设置在充满高纯氦气的壳体内，则在增压泵运行的过程中，即使出现密封问题，漏入泵体内的气体只能是高纯氦气，不会对待回收的氦气造成污染。因此，该回收系统不会引入新的杂质，系统漏率低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是相关技术中一种常压氦气回收系统应用场景的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种常压氦气的回收系统的示意图；

图3本发明一实施例提供的一种常压氦气的回收方法的流程示意图。

附图标记：

1-壳体；

2-增压泵；

3-冷却装置；

4-风扇；

51-第一管道；

52-第一阀门；

61-第二管道；

62-第二阀门；

71-第三管道；

72-第三阀门；

81-第四管道；

82-第四阀门；

91-第五管道；

92-第五阀门；

101-第六管道；

102-第六阀门；

103-单呼阀；

111-排空管道；

112-排空阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的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，为相关技术中一种常压氦气回收系统应用场景的示意图，从图中可以看出，氦气分析仪排出的尾气直接由增压泵加压后，即可输送至下游接收装置。发明人发现，这种回收方式虽然系统简单，但是漏率较高，且主要是由于增压泵的泄露引起的。这种回收系统可以满足对氦气纯度要求不高的场合的使用要求，但对于深低温场景，如在氦液化装置或氦制冷装置中，氦气需要送入冷箱进行低温制冷和液化，由于氦气的液化温度较低，若氦气中存在杂质气体，则会在低温下冷冻为固体，引起制冷用的透平膨胀机的损坏。由此可见，在深低温应用场景中，必须保证氦气回收系统的漏率较低，且不能引入新的杂质。

现有增压泵多采用活塞泵和隔膜泵，其中，活塞泵的气缸处容易引发外界空气杂质的内漏，漏率较高，相比而言，隔膜泵的密封性稍高。目前，常规隔膜泵的漏率最高可以做到1.0×10^-3Pam³/s，但对于氦气及液氦行业，漏率的最低要求是1.0×10^-7Pam³/s，因此，常规的隔膜泵远不能满足氦气或液氦的行业要求。

为了解决氦气回收系统漏率高的问题，相关人员主要从提升隔膜泵的性能入手，如要求厂家对隔膜泵进行升级和改造，但是否能达到漏率要求，还需要厂家在出厂前进行测试和验证，一旦不合格则需要多次升级改造，不但大大增加了隔膜泵的生产成本，也延长了供货周期，对于氦气回收泵的市场应用非常不利。

基于上述问题，发明人提出可以设计一个充满高纯氦气的微正压壳体，并将增压泵放入该壳体内，从而避免在增压过程中漏入空气等杂质。

如图2所示，本发明实施例提供了一种常压氦气的回收系统，包括：壳体1以及设置在壳体1内的增压泵2；

壳体1内充满预设纯度的氦气，且壳体1内的压力大于大气压力，增压泵2的进口连接有第一管道51，增压泵2的出口连接有第二管道61，第一管道51用于将待回收的氦气输送至增压泵2，增压泵2用于将待回收的氦气加压至预设压力，第二管道61用于将增压后的氦气输送至氦气接收装置。

本实施例提供的常压氦气的回收系统包括：壳体1和设置在壳体1内的增压泵2，通过在壳体1内充装预设纯度的氦气，可以使壳体1内的压力大于大气压力，从而防止外界空气进入壳体1。通过将增压泵2设置在充满高纯氦气的壳体1内，则在增压泵2运行的过程中，即使出现密封问题，漏入泵体内的气体只能是高纯氦气，不会对待回收的氦气造成污染。因此，该回收系统不会引入新的杂质，系统漏率低。

经测试，与单台活塞泵相比，采用本申请的回收系统可以将氦气漏率降低到1×10^-8Pam³/s；与隔膜泵相比，采用本申请的回收系统采购周期更短，成本更低，且整个系统的漏率优于隔膜泵，常规隔膜泵的漏率最多做到1×10^-3Pam³/s数量级，成本较高且采购周期一年以上，不能满足工期要求。由此可见，本实施例提供的回收系统不仅漏率低、不会引入新的杂质，而且降低投资成本，采购周期短。

需要说明的是，预设纯度的氦气为纯度不低于99.9999％的高纯氦气，壳体1内的压力为微正压，如壳体1内的压力高于大气压力200～400Pa，当然，用户可以根据实际需要设定氦气的纯度和壳体1内的压力，本申请不对其具体数据做具体限定。此外，增压泵2可以是隔膜泵或活塞泵等，只要能提升介质的压力即可；氦气接收装置可以是冷箱、氦制冷机以及氦液化器等需要氦气的设备，本申请不做具体限定。

通常，增压泵2在工作的过程中不可避免地会产生热量，导致泵体的机壳升温，若不及时给机壳降温，极易导致泵体超温而损坏。

因此，在一些实施方式中，该回收系统还包括设置在壳体1内的冷却装置3，冷却装置3的一端与壳体1外部的供水管道连接，冷却装置3的另一端与壳体1外部的回水管道连接，供水管道内的水温低于回水管道内的水温，冷却装置3用于降低壳体1内氦气的温度。

在该实施例中，供水管道用于为冷却装置3提供低温的冷水，如15～25℃，冷水吸收壳体1内氦气的热量，降低氦气的温度，低温的氦气再与增压泵2的机壳换热，从而冷却机壳，避免机壳超温，冷水吸热后温度升高，升温后的热水通过回水管道输送至外界。在该实施例中，冷却装置3可以是盘管、U型管等，只要有足够的换热面积即可。

在一些实施方式中，为了增强冷却装置3的换热效果，壳体1内还设置有风扇4，风扇4用于加速壳体1内氦气的流动，通过扰动壳体1内的氦气，使氦气与机壳形成强制对流，加速氦气与机壳的换热效果，进一步避免超温。此外，风扇4可以安装在增压泵2的机壳上，也可以安装在壳体1的顶端。另外，风扇4的功率只要能保证增压泵2不超温即可，本申请不对风扇4的安装位置和功率做具体限定。

在一些实施方式中，壳体1上设置有压力表和温度表。压力表用于检测壳体1内氦气的压力，温度表用于检测增压泵2的机壳的温度。

在一些实施方式中，第一管道51上设置有第一阀门52，和/或

第二管道61上设置有第二阀门62。

在该实施例中，通过设置第一阀门52和第二阀门62，可以分别控制第一管道51和第二管道61的通断。具体地，当需要回收氦气时，打开第一阀门52和第二阀门62，即可将待回收的氦气送入增压泵2，并将增压后的高压氦气输送至下游的接收装置，当回收结束后，关闭第一阀门52和第二阀门62，即可切断管路。

此外，第一管道51和第二管道61上均设置有压力表，分别用于检测待回收氦气的压力和经增压泵2增压后的氦气压力。

在一些实施方式中，还包括第三管道71和设置在第三管道71上的第三阀门72；

第三管道71的一端与增压泵2的出口和第二阀门62之间的第二管道61连接，第三管道71的另一端与外界连通。

在进行常压氦气回收前，需要用高纯氦气置换出管道内的空气，此时打开第一阀门52和第三阀门72、关闭第二阀门62，即可向第一管道51和第二管道61内通入高纯氦气，推动两个管道内的空气从第三管道71内排出，置换结束后，关闭第三阀门72即可。

在一些实施方式中，还包括第四管道81和设置在第四管道81上的第四阀门82；

第四管道81的一端与第一阀门52上游的第一管道51连接，第四管道81的另一端与第二阀门62下游的第二管道61连接。

在该实施例中，第四管道81起到旁通的作用，即当待回收的氦气压力较高时，可以不经过增压泵2加压，此时，关闭第一阀门52和第二阀门62，打开第四阀门82，即可将待回收氦气直接输送至下游的接收装置，从而增加回收系统的灵活性。

在一些实施方式中，包括第五管道91和设置在第五管道91上的第五阀门92；

第五管道91的一端与第四阀门82下游的第四管道81连接，第五管道91的另一端与外界连通。

与上述实施例相同，在利用第四管道81进行氦气回收前，需要用高纯氦气置换出管道内的空气，此时关闭第一阀门52和第二阀门62，打开第四阀门82和第五阀门92，即可向第四管道81内通入高纯氦气，推动管道内的空气从第五管道91内排出，置换结束后，关闭第五阀门92即可。

在一些实施方式中，还包括至少两个并联的第六管道101，每个第六管道101的一端均与壳体1连通，其中一个第六管道101上设置有第六阀门102，另一个第六管道101上设置有单呼阀103。

可以理解的是，在系统运行前，壳体1内充满空气，因此在系统投入使用前，需要用高纯氦气置换出壳体1内的空气。在该实施例中，通过设置第六管道101和第六阀门102，可以实现对壳体1内的空气进行置换。

当然，在其它实施方式中，为了使气体置换更加方便，如图2所示，可以设置三个并联的第六管道101，每个第六管道101的一端均与壳体1连通，其中两个第六管道101上分别设置有第六阀门102，另一个第六管道101上设置有单呼阀103。

在该实施例中，可以采用充放的置气方式，具体置换过程如下：

步骤S1，先打开其中一个第六阀门102，通过真空泵对壳体1进行抽真空，抽真空的过程中通过壳体1上的压力表或真空泵上的真空比表监测壳体1内的压力，当壳体1内的压力达到10Pa左右时，停止抽真空，断开抽真空装置，关闭该第六阀门102。

步骤S2，打开另一个第六阀门102，通过该阀门向壳体1内通入高纯氦气到微正压，如1.8bara，然后关闭该第六阀门102。

步骤S3，打开步骤S1中的第六阀门102，将壳体1内的压力泄压到1.03bara，再次重复步骤S1和步骤S2，重复3-4次后，置气过程结束，关闭两个第六阀门102，此时，壳体1内充满高纯氦气，且保持微正压。需要说明的是，此处充压和泄压次数为3-4次为一种优选方式，实际应用中，用户可以根据充压及泄压后的压力以及氦气的纯度自主调整，本申请不对充压和泄压次数的次数做具体限定。

此外，通过设置单呼阀103，当壳体1内的压力超过设定值时，可以通过该单呼阀103泄放掉多余压力，保证壳体1的安全。

除上述置气方式外，还可以采用吹扫置气，因此，在一些实施方式中，壳体1的底端设置有排空管道111和设置在排空管道111上的排空阀112。吹扫过程为：打开其中一个第六阀门102和排空阀112，通过第六阀门102向壳体1内通入高纯氦气，由于空气密度较大，氦气密度较小，所以氦气会聚集在壳体1的上部空间，空气聚集在壳体1的下部空间，并在氦气的推动下从壳体1底端的排空管道111流出，置换完成后，关闭第六阀门102和排空阀112。

需要说明的是，第一阀门至第六阀门可以是调节阀、截止阀、闸阀或球阀等，驱动方式可以是手动、电动、气动等，本申请不对阀门的类型和驱动方式做具体限定。

在一些实施方式中，壳体1为正压箱，正压箱可以采用顶开上法兰的圆筒结构，以方便正压箱的拆卸和增压泵2的安装，便于检修。

此外，为便于正压箱与各管道连接，正压箱的顶部开设有若干个管口，如图1所示，分别记为N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9。其中，N1用于与第一管道连接；N2用于与第二管道连接；N3用于与供水管道连接；N4用于与回水管道连接；N5用于与第六管道连接；N6为温度检测口，用于监测增压泵机壳的表面温度，防止增压泵运行过程中机壳温度太高，造成泵的损坏；N7为压力检测口，用于调试过程中正压箱的置气以及正常运行过程中正压箱内压力的监控，防止正压箱超压。N8用于连接给增压泵供电的电缆。此外，活塞泵和冷却装置可以用内部框架或吊杆悬吊在上法兰盘上，上法兰盘与正压箱为螺栓连接，采用软密封可以降低正压箱的整体漏率。内部冷却水盘管的位置避开增压泵供电电缆，以防止发生漏电。内部所有管道连接优先采用焊接，一方面减少泄漏，另一方面减少占用空间。

需要说明的是，本发明所示的系统只给出了保证系统正常运行的必要设备，在其它实施方式中，该系统还可以包括其它正常工作需要的阀门、管路、温度表以及压力表等设备，在此，本发明不再一一赘述。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种常压氦气的回收方法，该方法包括：

步骤300，向壳体1内通入预设纯度的氦气，以使壳体1内的压力大于大气压力；

步骤302，通过第一管道51将待回收的氦气输送至增压泵2，以利用增压泵2将待回收的氦气加压至预设压力；

步骤304，通过第二管道61将增压后的氦气输送至氦气接收装置。

可以理解的是，本实施例提供的常压氦气的回收方法和上述实施例提供的常压氦气的回收系统属于同一个发明构思，具有相同的有益效果，在此不进行赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种常压氦气的回收系统，其特征在于，包括：壳体(1)以及设置在所述壳体(1)内的增压泵(2)；

所述壳体(1)内充满预设纯度的氦气，且壳体(1)内的压力大于大气压力，所述增压泵(2)的进口连接有第一管道(51)，所述增压泵(2)的出口连接有第二管道(61)，所述第一管道(51)用于将待回收的氦气输送至所述增压泵(2)，所述增压泵(2)用于将所述待回收的氦气加压至预设压力，所述第二管道(61)用于将增压后的氦气输送至氦气接收装置。

2.根据权利要求1所述的回收系统，其特征在于，还包括设置在所述壳体(1)内的冷却装置(3)，所述冷却装置(3)的一端与所述壳体(1)外部的供水管道连接，所述冷却装置(3)的另一端与所述壳体(1)外部的回水管道连接，所述供水管道内的水温低于所述回水管道内的水温，所述冷却装置(3)用于降低所述壳体(1)内氦气的温度。

3.根据权利要求2所述的常压氦气的回收系统，其特征在于，所述壳体(1)内还设置有风扇(4)，所述风扇(4)用于加速所述壳体(1)内氦气的流动。

4.根据权利要求1所述的回收系统，其特征在于，所述第一管道(51)上设置有第一阀门(52)，和/或

所述第二管道(61)上设置有第二阀门(62)。

5.根据权利要求4所述的常压氦气的回收系统，其特征在于，还包括第三管道(71)和设置在所述第三管道(71)上的第三阀门(72)；

所述第三管道(71)的一端与所述增压泵(2)的出口和所述第二阀门(62)之间的第二管道(61)连接，所述第三管道(71)的另一端与外界连通。

6.根据权利要求4所述的回收系统，其特征在于，还包括第四管道(81)和设置在所述第四管道(81)上的第四阀门(82)；

所述第四管道(81)的一端与所述第一阀门(52)上游的第一管道(51)连接，所述第四管道(81)的另一端与所述第二阀门(62)下游的第二管道(61)连接。

7.根据权利要求6所述的回收系统，其特征在于，还包括第五管道(91)和设置在所述第五管道(91)上的第五阀门(92)；

所述第五管道(91)的一端与所述第四阀门(82)下游的第四管道(81)连接，所述第五管道(91)的另一端与外界连通。

8.根据权利要求1所述的回收系统，其特征在于，还包括至少两个并联的第六管道(101)，每个所述第六管道(101)的一端均与所述壳体(1)连通，其中一个所述第六管道(101)上设置有第六阀门(102)，另一个所述第六管道(101)上设置有单呼阀(103)。

9.根据权利要求1所述的回收系统，其特征在于，所述壳体(1)的底端设置有排空管道(111)和设置在所述排空管道(111)上的排空阀(112)。

10.一种常压氦气的回收方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的常压氦气的回收系统，所述方法包括：

向所述壳体(1)内通入预设纯度的氦气，以使所述壳体(1)内的压力大于大气压力；

通过所述第一管道(51)将所述待回收的氦气输送至所述增压泵(2)，以利用所述增压泵(2)将所述待回收的氦气加压至预设压力；

通过所述第二管道(61)将增压后的氦气输送至氦气接收装置。

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