CN218901331U - 一种粗氦制取超纯氦的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种粗氦制取超纯氦的装置，解决了现有技术中从粗氦中提取氦气的工艺装置复杂、提取效率较低、经济效益差和能耗较高的技术问题。它包括冷凝器（2）、低温分离器(3)、低温闪蒸器(4)、冷凝分离冷箱（5）、低温吸附器(6)、低温吸附冷箱(7)和深低温冷箱（8）。本实用新型提供的粗氦制取超纯氦的装置，具有能耗低、成本低、易控制，且整体工艺流程适用范围广，能够满足天然气（含氦）、医院排放气（含氦）和实验室排放气（含氦）等制取超纯氦。

Description

一种粗氦制取超纯氦的装置

技术领域

本实用新型涉及深冷低温技术领域，具体涉及一种粗氦制取超纯氦的装置。

背景技术

氦气是已知沸点最低的气体，广泛应用于航空航天、大科学工程、医用核磁共振、半导体和光纤等高端装备制造领域，是关系到国家国防安全的战略性资源。

目前从粗氦中提取氦主要有三种方法，分别是深冷分离、膜分离和变压吸附；深冷分离对于氦含量低的混合气体单位处理能耗高，适用的范围窄；膜分离后期膜片容易损坏，维护成本高，不仅综合能耗高，而且系统复杂需要多级增压；变压吸附存在氦气的整体收率低，而且对原料气中氦含量要求比较高，不然不能保证产品气的纯度。现有的提取氦气工艺装置复杂、提取效率较低、经济效益差和能耗较高等问题。还存在间断性生产、适用范围窄、产品纯度不高、可操作性较差等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种粗氦制取超纯氦的装置，以解决现有技术中从粗氦中提取氦气的工艺装置复杂、提取效率较低、经济效益差和能耗较高的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供的一种粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于，包括冷凝器、低温分离器、低温闪蒸器、冷凝分离冷箱、低温吸附器、低温吸附冷箱和深低温冷箱；其中，

所述冷凝器、低温分离器和低温闪蒸器均设置在冷凝分离冷箱内；

所述低温吸附器设置在低温吸附冷箱内；

所述的冷凝器内设置有氮气通道、粗氦气通道和纯氦气通道；所述粗氦气通道的进口连接有外部粗氦气管线，粗氦气通道出口与低温分离器进口连接；

低温分离器出口一分别与低温吸附器进口以及深低温冷箱的进口连接；所述低温吸附器出口与冷凝器的纯氦气通道的进口连接，所述纯氦气通道的出口与外部超纯氦管线一连接；所述深低温冷箱超纯氦出口与外部超纯氦管线二连接；

低温分离器出口二与低温闪蒸器进口连接，低温闪蒸器出口一与闪蒸气出口连接，低温闪蒸器出口二与冷凝分离冷箱的内部空间连通；

所述冷凝器的氮气通道出口与外部氮气放空管线连接，冷凝器的氮气通道进口与冷凝分离冷箱的内部空间连通；

还包括液氮进口管线和氮气进口管线，所述液氮进口管线分别与冷凝分离冷箱进口二以及低温吸附冷箱进口二连接；所述氮气进口管线与低温吸附器冷箱进口一连接，低温吸附冷箱出口一和冷凝分离冷箱进口一连接，低温吸附冷箱出口二与外部空气放空管线连接。

进一步的，所述冷凝器、低温分离器、低温闪蒸器、冷凝分离冷箱、低温吸附器、低温吸附冷箱和深低温冷箱分别与控制装置电连接。

进一步的，所述纯氦气通道的出口管线下设有阀门一；所述液氮进口管线上设有阀门二和阀门三；所述氮气进口管线上设有阀门四；

所述低温闪蒸器进口的进口管线上设有阀门五，低温闪蒸器出口一的出口管线上设有阀门六，低温闪蒸器出口二的出口管线上设有阀门七；

所述深低温冷箱超纯氦出口的出口管线上设有阀门八；

低温吸附冷箱出口一的出口管线上设有阀门九，低温吸附冷箱出口二的出口管线上设有阀门十；

低温吸附器出口的出口管线上设有阀门十一；

所述阀门一、阀门二、阀门三、阀门四、阀门五、阀门六、阀门七、阀门八、阀门九、阀门十、阀门十一分别与控制装置电连接。

进一步的，所述冷凝器为绕管式换热器、板翅式换热器或管壳式换热器。

进一步的，所述冷凝分离冷箱为高真空多层绝热冷箱或真空粉末绝热冷箱；所述低温吸附冷箱为高真空多层绝热冷箱或真空粉末绝热冷箱。

进一步的，所述低温吸附器包括一个吸附器或多个吸附器；当吸附器为多个时，多个吸附器采用串联或者并联。

进一步的，所述深低温冷箱为GM制冷机或斯特林机。

基于上述技术方案，本实用新型实施例至少可以产生如下技术效果：

（1）本实用新型提供的粗氦制取超纯氦的装置，采用多流股的绕管式换热器作为传热元件，提高了传热效率，降低了装置能耗。

（2）本实用新型提供的粗氦制取超纯氦的装置，采用了低温冷凝分离与低温吸附分开布置，减少了再生过程中氮气及液氮的消耗，实现了生产成本的总体降低。

（3）本实用新型提供的粗氦制取超纯氦的装置，整体工艺流程高度自动化，采用多个控制阀自动切换再生、吸附控制，能够满足无人操作优点。

（4）本实用新型提供的粗氦制取超纯氦的装置，整体工艺流程适用范围广，能够满足天然气（含氦）、医院排放气（含氦）和实验室排放气（含氦）等制取超纯氦。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1、粗氦气管线；2、冷凝器；201、氮气通道；202、粗氦气通道；203、纯氦气通道；3、低温分离器；301、低温分离器进口；302、低温分离器出口一；303、低温分离器出口二；4、低温闪蒸器；401、低温闪蒸器进口；402、低温闪蒸器出口一；403、低温闪蒸器出口二；5、冷凝分离冷箱；501、冷凝分离冷箱进口一；502、冷凝分离冷箱进口二；6、低温吸附器；601、低温吸附器进口；602、低温吸附器出口；7、低温吸附冷箱；701、低温吸附冷箱出口一；702、低温吸附冷箱出口二；703、低温吸附器冷箱进口一；704、低温吸附冷箱进口二；8、深低温冷箱；9、阀门一；10、阀门二；11、阀门三；12、阀门四；13、阀门五；14、阀门六；15、阀门七；16、阀门八；17、阀门九；18、阀门十；19、阀门十一。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

实施例1：

一种粗氦制取超纯氦的装置，包括冷凝器2、低温分离器3、低温闪蒸器4、冷凝分离冷箱5、低温吸附器6、低温吸附冷箱7和深低温冷箱8；其中，

所述冷凝器2、低温分离器3和低温闪蒸器4均设置在冷凝分离冷箱5内；

所述低温吸附器6设置在低温吸附冷箱7内；

所述的冷凝器2内设置有氮气通道201、粗氦气通道202和纯氦气通道203；所述粗氦气通道202的进口连接有外部粗氦气管线1，粗氦气通道202出口与低温分离器进口301连接；

低温分离器出口一302分别与低温吸附器进口601以及深低温冷箱8的进口连接；所述低温吸附器出口602与冷凝器2的纯氦气通道203的进口连接，所述纯氦气通道203的出口与外部超纯氦管线一连接；所述深低温冷箱8超纯氦出口与外部超纯氦管线二连接；

低温分离器出口二303与低温闪蒸器进口401连接，低温闪蒸器出口一402与闪蒸气出口连接，低温闪蒸器出口二403与冷凝分离冷箱5的内部空间连通；

所述冷凝器2的氮气通道201出口与外部氮气放空管线连接，冷凝器2的氮气通道201进口与冷凝分离冷箱5的内部空间连通；

还包括液氮进口管线和氮气进口管线，所述液氮进口管线分别与冷凝分离冷箱进口二502以及低温吸附冷箱进口二704连接；所述氮气进口管线与低温吸附器冷箱进口一703连接，低温吸附冷箱出口一701和冷凝分离冷箱进口一501连接，低温吸附冷箱出口二702与外部空气放空管线连接。

本实用新型提供的粗氦制取超纯氦的装置，采用多流股的绕管式换热器作为传热元件，提高了传热效率，降低了装置能耗；采用了低温冷凝分离与低温吸附分开布置，减少了再生过程中氮气及液氮的消耗，实现了生产成本的总体降低；本实用新型提供的粗氦制取超纯氦的装置，整体工艺流程高度自动化，采用多个控制阀自动切换再生、吸附控制，能够满足无人操作优点；并且，整体工艺流程适用范围广，能够满足天然气含氦、医院排放气含氦和实验室排放气含氦等制取超纯氦。

作为可选的实施方式，还包括控制装置，所述冷凝器2、低温分离器3、低温闪蒸器4、冷凝分离冷箱5、低温吸附器6、低温吸附冷箱7和深低温冷箱8分别与控制装置电连接。

作为可选的实施方式，所述纯氦气通道203的出口管线下设有阀门一9；所述液氮进口管线上设有阀门二10和阀门三11；所述氮气进口管线上设有阀门四12；

低温闪蒸器进口401的进口管线上设有阀门五13，低温闪蒸器出口一402的出口管线上设有阀门六14，低温闪蒸器出口二403的出口管线上设有阀门七15；

所述深低温冷箱8超纯氦出口的出口管线上设有阀门八16；

低温吸附冷箱出口一701的出口管线上设有阀门九17，低温吸附冷箱出口二702的出口管线上设有阀门十18；

低温吸附器出口602的出口管线上设有阀门十一19；

所述阀门一9、阀门二10、阀门三11、阀门四12、阀门五13、阀门六14、阀门七15、阀门八16、阀门九17、阀门十18、阀门十一19分别与控制装置电连接。

作为可选的实施方式，所述冷凝器2为绕管式换热器、板翅式换热器或管壳式换热器。

作为可选的实施方式，所述冷凝分离冷箱5为高真空多层绝热冷箱或真空粉末绝热冷箱；所述低温吸附冷箱7为高真空多层绝热冷箱或真空粉末绝热冷箱。

作为可选的实施方式，所述低温吸附器6包括一个吸附器或多个吸附器；当吸附器为多个时，多个吸附器采用串联或者并联。

作为可选的实施方式，所述深低温冷箱8为GM制冷机或斯特林机。

应用实例：

一种粗氦制取超纯氦的方法，应用上述实施例1中的粗氦制取超纯氦的装置进行，具体步骤为：

S1、温度35℃、压力15MPa的粗氦气1进入冷凝器2的粗氦气通道202被预冷到-155℃，再进入低温分离器进口301进行气液分离，底部低温液体从低温分离器出口303流出经阀门减压后流入低温闪蒸器进口401，在低温闪蒸器4内完成一次气液分离，温度-189℃、压力0.4MPa的闪蒸气从低温闪蒸器出口一402流出，底部低温液体经阀门减压流入冷凝分离冷箱5腔体内，气体从低温分离器出口一302流出分成两路气体，一路进入低温吸附器进口601，经净化后温度-190℃、压力15MPa的纯氦气从低温吸附器出口602流出，再进入冷凝器2的203通道，经换热复温到30℃后进入下一个单元，另一路进入深低温冷箱8的进口，经过处理后从深低温冷箱8的出口进入下一个单元。

S2、液氮经阀门节流进入冷凝分离冷箱5的进口二502的腔体内供冷，汽化后温度-196℃、压力0.005MPa的氮气进入冷凝器4的氮气通道201进口，经换热复温到30℃后出界区；

S3、液氮经阀门节流后流入低温吸附冷箱7，在低温吸附冷箱7的腔体内供冷，汽化后的低温氮气从低温吸附冷箱出口一701流出，再进入冷凝分离冷箱进口一501，再进入冷凝器2的氮气通道201进口，经换热复温出界区。

其中，所述冷凝器2的冷量由液氮汽化后的低温氮气提供，低温氮气温度范围为-196~-207℃。所述步骤中粗氦气的压力范围为2.0~20.0MpaG。经提纯后产品He摩尔分数为99.9999%。

以上揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作地等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于，包括冷凝器（2）、低温分离器（3）、低温闪蒸器（4）、冷凝分离冷箱（5）、低温吸附器（6）、低温吸附冷箱（7）和深低温冷箱（8）；其中，

所述冷凝器（2）、低温分离器（3）和低温闪蒸器（4）均设置在冷凝分离冷箱（5）内；低温分离器（3）设置有低温分离器进口（301）、低温分离器出口一（302）、低温分离器出口二（303）；低温闪蒸器（4）设置有低温闪蒸器进口（401）、低温闪蒸器出口一（402）、低温闪蒸器出口二（403）；冷凝分离冷箱（5）设置有冷凝分离冷箱进口一（501）、冷凝分离冷箱进口二（502）；

所述低温吸附器（6）设置在低温吸附冷箱（7）内；低温吸附器（6）设置有低温吸附器进口（601）、低温吸附器出口（602）；低温吸附冷箱（7）设置有低温吸附冷箱出口一（701）、低温吸附冷箱出口二（702）、低温吸附器冷箱进口一（703）、低温吸附冷箱进口二（704）；

所述的冷凝器（2）内设置有氮气通道（201）、粗氦气通道（202）和纯氦气通道（203）；所述粗氦气通道（202）的进口连接有外部粗氦气管线（1），粗氦气通道（202）出口与低温分离器进口（301）连接；

低温分离器出口一（302）分别与低温吸附器进口（601）以及深低温冷箱（8）的进口连接；所述低温吸附器出口（602）与冷凝器（2）的纯氦气通道（203）的进口连接，所述纯氦气通道（203）的出口与外部超纯氦管线一连接；所述深低温冷箱（8）超纯氦出口与外部超纯氦管线二连接；

低温分离器出口二（303）与低温闪蒸器进口（401）连接，低温闪蒸器出口一（402）与闪蒸气出口连接，低温闪蒸器出口二（403）与冷凝分离冷箱（5）的内部空间连通；

所述冷凝器（2）的氮气通道（201）出口与外部氮气放空管线连接，冷凝器（2）的氮气通道（201）进口与冷凝分离冷箱（5）的内部空间连通；

还包括液氮进口管线和氮气进口管线，所述液氮进口管线分别与冷凝分离冷箱进口二（502）以及低温吸附冷箱进口二（704）连接；所述氮气进口管线与低温吸附器冷箱进口一（703）连接，低温吸附冷箱出口一（701）和冷凝分离冷箱进口一（501）连接，低温吸附冷箱出口二（702）与外部空气放空管线连接。

2.根据权利要求1所述的粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于：还包括控制装置，所述冷凝器（2）、低温分离器（3）、低温闪蒸器（4）、冷凝分离冷箱（5）、低温吸附器（6）、低温吸附冷箱（7）和深低温冷箱（8）分别与控制装置电连接。

3.根据权利要求1所述的粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于：所述纯氦气通道（203）的出口管线下设有阀门一（9）；所述液氮进口管线上设有阀门二（10）和阀门三（11）；所述氮气进口管线上设有阀门四（12）；

低温闪蒸器进口（401）的进口管线上设有阀门五（13），低温闪蒸器出口一（402）的出口管线上设有阀门六（14），低温闪蒸器出口二（403）的出口管线上设有阀门七（15）；

所述深低温冷箱（8）超纯氦出口的出口管线上设有阀门八（16）；

低温吸附冷箱出口一（701）的出口管线上设有阀门九（17），低温吸附冷箱出口二（702）的出口管线上设有阀门十（18）；

低温吸附器出口（602）的出口管线上设有阀门十一（19）；

所述阀门一（9）、阀门二（10）、阀门三（11）、阀门四（12）、阀门五（13）、阀门六（14）、阀门七（15）、阀门八（16）、阀门九（17）、阀门十（18）、阀门十一（19）分别与控制装置电连接。

4.根据权利要求1所述的粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于：所述冷凝器（2）为绕管式换热器、板翅式换热器或管壳式换热器。

5.根据权利要求1所述的粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于：所述冷凝分离冷箱（5）为高真空多层绝热冷箱或真空粉末绝热冷箱；所述低温吸附冷箱 （7）为高真空多层绝热冷箱或真空粉末绝热冷箱。

6.根据权利要求1所述的粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于：所述低温吸附器（6）包括一个吸附器或多个吸附器；当吸附器为多个时，多个吸附器采用串联或者并联。

7.根据权利要求1所述的粗氦制取超纯氦的装置，其特征在于：所述深低温冷箱（8）为GM制冷机或斯特林机。

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