一种氦气脱除氖气系统及其方法 |
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| 申请号 | CN202410063565.8 | 申请日 | 2024-01-17 | 公开(公告)号 | CN117861383A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 重庆科禾化工有限公司; | 发明人 | 华晓伟; 陈勇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种氦气脱除氖气系统及其方法，包括一级换热器、二级换热器、三级换热器、制冷机、低温 吸附 器、缓冲罐、循环 压缩机 及 真空 泵 ,其中一级、二级、三级换热器用于回收产品气的冷量；制冷机给系统提供高品位冷量；低温吸附器在超低温条件下吸附氦气中的氖等其他微量杂质；循环压缩机用于低温吸附器降温和再生的过程； 真空泵 用于低温吸附器再生,本发明的有益效果是：利用循环压缩机可以缩短低温吸附器降温和再生时间；吸附 温度 的降低，可以增加吸附周期；低温吸附单元放置于真空冷箱，减少冷损失；整个系统运行周期不小于4000h，提高了产品的产率；利用循环压缩机 增压 时产生的热量，对系统进行再生。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种氦气脱除氖气系统，包括一级换热器、二级换热器、三级换热器、制冷机、低温吸附器、缓冲罐、循环压缩机和真空泵，其特征在于，所述一级换热器分别设置三个输入输出端，所述二级换热器和三级换热器均分别设置两个输入输出端，所述缓冲罐、循环压缩机、一级换热器、二级换热器、三级换热器、真空泵、低温吸附器与制冷机形成一个回路，所述二级换热器位于一级换热器与三级换热器之间设置，所述缓冲罐和循环压缩机位于一级换热器远离二级换热器的一侧设置，所述真空泵、低温吸附器和制冷机位于三级换热器远离二级换热器的一侧设置。 |
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| 说明书全文 | 一种氦气脱除氖气系统及其方法技术领域[0001] 本发明涉及氦气脱氖技术领域，具体为一种氦气脱除氖气系统及其方法。 背景技术[0002] 氦气作为不可再生稀缺的重要战略性资源，在航空航天、低温超导、医疗等领域扮演着极其重要的角色。氦气多赋存于天然气中，从天然气中提取氦气是生产氦气的最主要途径。天然气提氦主要采用低温法和非低温法，其中低温法和非膜分离法是当前采用的主要技术路线，其中,低温法技术最成熟,应用最广泛,该法分为多级闪蒸和低温精馏两种工艺；初步分离后得到粗氦气，粗氦气在经过变压吸附(PSA)或者变温吸附(TSA)得到99.999％的高淳氦气。 [0003] 但是由于天然气中含有微量氖气，氖气是稀有惰性气体，变压吸附(PSA)无法吸附氖气。80K低温吸附，氖气吸附量非常有限。因此经过多级浓缩富集，导致存在高纯氦气中氖含量超标的问题，因此提出一种氦气脱除氖气系统及其方法。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种氦气脱除氖气系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。 [0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： [0006] 一种氦气脱除氖气系统，包括一级换热器、二级换热器、三级换热器、制冷机、低温吸附器、缓冲罐、循环压缩机和真空泵，所述一级换热器分别设置三个输入输出端，所述二级换热器和三级换热器均分别设置两个输入输出端，所述缓冲罐、循环压缩机、一级换热器、二级换热器、三级换热器、真空泵、低温吸附器与制冷机形成一个回路，所述二级换热器位于一级换热器与三级换热器之间设置，所述缓冲罐和循环压缩机位于一级换热器远离二级换热器的一侧设置，所述真空泵、低温吸附器和制冷机位于三级换热器远离二级换热器的一侧设置。 [0007] 作为本发明的一种优选方案：所述一级换热器、二级换热器和三级换热器用于回收氦气的冷量； [0008] 所述制冷机用于为整个系统提供高品位冷量； [0009] 所述低温吸附器用于在超低温条件下吸附氦气中的氖气杂质； [0010] 所述循环压缩机用于低温吸附器降温和再生的过程； [0011] 所述真空泵用于低温吸附器再生。 [0012] 作为本发明的一种优选方案：一种氦气脱除氖气方法，包括氖气脱除过程、再生过程和降温过程，氖气脱除过程具体包括以下步骤： [0013] S3.1、氖含量超标的氦气进入一级换热器，将温度降至100‑190K； [0014] S3.2、将S3.1中得到的100‑190K氖含量超标的氦气进入二级换热器，将温度降至60‑80K； [0015] S3.3、将S3.2中得到的60‑80K氖含量超标的氦气进入三级换热器，将温度降至22‑25K； [0016] S3.4、将S3.3中得到的22‑25K氖含量超标的氦气进入制冷机中，并将制冷温度设置在18‑20K； [0017] S3.5、将S3.4中得到的18‑20K氖含量超标的氦气进入低温吸附器中，直至氦气中的氖气降至4ppm以下，得到达标氦气。 [0018] 作为本发明的一种优选方案：所述S3.1中的一级换热器的冷源为液氮和冷氦气，所述S3.2中的二级换热器冷源为冷氦气，所述3.3中的三级换热器冷源为20K的冷氦气。 [0019] 作为本发明的一种优选方案：所述再生过程具体包括以下步骤： [0021] S5.2、当低温吸附器的温度大于120K时，关闭循环压缩机，开启回收气出口阀门，让系统内不达标的氦气排放至气囊或者回收罐中； [0022] S5.3、当压力降至10kPa.G时关闭回收气出口阀门；打开真空泵，将系统剩余气体抽出，排放至气囊； [0023] S5.4、打开系统入口阀门，向系统充入高纯氦气，准备降温。 [0024] 作为本发明的一种优选方案：所述降温过程具体包括以下步骤： [0025] S6.1、向一级换热器注入液氮，准备降温； [0026] S6.2、打开制冷机和循环压缩机，关闭产品气出口阀门； [0027] S6.3、当低温吸附器温度降至30K时，关闭循环压缩机；打开产品气出口发。 [0028] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0029] 1、20‑30K温区下进行低温吸附氖气，吸附后的氖含量不高于4ppm，同时进一步脱除氦气中微量氮、氢等杂质； [0030] 2、利用循环压缩机可以缩短低温吸附器降温和再生时间； [0031] 3、吸附温度的降低，可以增加吸附周期，因此吸附氖气可以做成单通道； [0032] 4、低温吸附单元放置于真空冷箱，可以减少冷损失； [0033] 5、整个系统采用常温调节阀，系统运行与维护更加便捷； [0034] 6、整个系统运行周期不小于4000h，因此提高了产品的产率； [0036] 图1为本发明的系统设备图。 具体实施方式[0037] 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，所描述的实施例仅仅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。 [0038] 请参阅图1，本发明提供一种技术方案： [0039] 一种氦气脱除氖气系统，包括一级换热器、二级换热器、三级换热器、制冷机、低温吸附器、缓冲罐、循环压缩机和真空泵，一级换热器分别设置三个输入输出端，二级换热器和三级换热器均分别设置两个输入输出端，缓冲罐、循环压缩机、一级换热器、二级换热器、三级换热器、真空泵、低温吸附器与制冷机形成一个回路，二级换热器位于一级换热器与三级换热器之间设置，缓冲罐和循环压缩机位于一级换热器远离二级换热器的一侧设置，真空泵、低温吸附器和制冷机位于三级换热器远离二级换热器的一侧设置。 [0040] 进一步的，一级换热器、二级换热器和三级换热器用于回收氦气的冷量； [0041] 制冷机用于为整个系统提供高品位冷量； [0042] 低温吸附器用于在超低温条件下吸附氦气中的氖气杂质； [0043] 循环压缩机用于低温吸附器降温和再生的过程； [0044] 真空泵用于低温吸附器再生。 [0045] 进一步的，一种氦气脱除氖气方法，包括氖气脱除过程、再生过程和降温过程，氖气脱除过程具体包括以下步骤： [0046] S3.1、氖含量超标的氦气进入一级换热器，将温度降至100‑190K； [0047] S3.2、将S3.1中得到的100‑190K氖含量超标的氦气进入二级换热器，将温度降至60‑80K； [0048] S3.3、将S3.2中得到的60‑80K氖含量超标的氦气进入三级换热器，将温度降至22‑25K； [0049] S3.4、将S3.3中得到的22‑25K氖含量超标的氦气进入制冷机中，并将制冷温度设置在18‑20K； [0050] S3.5、将S3.4中得到的18‑20K氖含量超标的氦气进入低温吸附器中，直至氦气中的氖气降至4ppm以下，得到达标氦气。 [0051] 进一步的，S3.1中的一级换热器的冷源为液氮和冷氦气，S3.2中的二级换热器冷源为冷氦气，3.3中的三级换热器冷源为20K的冷氦气。 [0052] 进一步的，再生过程具体包括以下步骤： [0053] S5.1、关闭制冷机，开启循环压缩机，关闭产品氦气出口阀门； [0054] S5.2、当低温吸附器的温度大于120K时，关闭循环压缩机，开启回收气出口阀门，让系统内不达标的氦气排放至气囊或者回收罐中； [0055] S5.3、当压力降至10kPa.G时关闭回收气出口阀门；打开真空泵，将系统剩余气体抽出，排放至气囊； [0056] S5.4、打开系统入口阀门，向系统充入高纯氦气，准备降温。 [0057] 进一步的，降温过程具体包括以下步骤： [0058] S6.1、向一级换热器注入液氮，准备降温； [0059] S6.2、打开制冷机和循环压缩机，关闭产品气出口阀门； [0060] S6.3、当低温吸附器温度降至30K时，关闭循环压缩机；打开产品气出口发。 [0061] 具体的，在使用时，整个系统包括一级换热器E‑1001、二级换热器E‑1002、三级换热器E‑1003、制冷机CRY‑1001、低温吸附器D‑1001、缓冲罐、循环压缩机及真空泵。其中一级、二级、三级换热器用于回收产品气的冷量；制冷机给系统提供高品位冷量；低温吸附器在超低温条件下吸附氦气中的氖等其他微量杂质；循环压缩机用于低温吸附器降温和再生的过程；真空泵用于低温吸附器再生。系统具体过程如下： [0062] 1、氖气脱除过程 [0063] a)氖含量超标的氦气进入一级换热器E‑1001，将温度降至100‑190K，一级换热器的冷源为液氮和冷氦气； [0064] b)从一级换热器出来的100‑190K氖含量超标的氦气，进入二级换热器E‑1002，将温度降至60‑80K；二级换热器的冷源为冷氦气； [0065] c)从二级换热器出来的60‑80K氖含量超标的氦气进入三级换热器E‑1003；此时温度降至22‑25K，冷源为20K的冷氦气； [0066] d)22‑25K氖含量超标的氦气进入制冷机CRY‑1001，该制冷机可以为GM制冷机或其他形式的制冷机；经过制冷机后的氖含量超标的氦气温度为18‑20K； [0067] e)18‑20K氖含量超标氦气进入低温吸附器D‑1001，经过低温吸附器，将氦气中的氖气降至4ppm以下；此时达标的氦气温度约为19‑22K；因此，冷氦气可以依次作为三级、二级和一级换热器的冷源。 [0068] 2、再生过程： [0069] a)关闭制冷机CRY‑1001，开启循环压缩机C‑1001，关闭产品气出口阀门。让系统内的氦气在系统内循环。 [0070] b)当低温吸附器的温度大于120K时，关闭循环压缩机C‑1001，开启回收气出口阀门HV‑002，让系统内的氦气(不达标的氦气)排放至气囊或者回收罐。 [0071] C)当压力降至10kPa.G时关闭回收气出口阀门HV‑002；打开真空泵P‑1001，将系统剩余气体抽出，排放至气囊。 [0072] d)打开系统入口阀门，向系统充入高纯氦气，准备降温。 [0073] 3、降温过程： [0074] a)向一级换热器E‑1001注入液氮，准备降温； [0075] b)打开制冷机CRY‑1001和循环压缩机C‑1001，关闭产品气出口阀门HV‑001； [0076] c)当低温吸附器温度降至30K时，关闭循环压缩机C‑1001；打开产品气出口发HV‑001；整个系统开始工作. |
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