一种可去除氢氖的氦气提纯系统

1.本发明涉及氦气提纯技术领域，具体为一种可去除氢氖的氦气提纯系统。


背景技术：

2.氦气是一种无色无味的惰性气体，液化温度为-269℃，被广泛用于光纤制造、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，由于氦气是全球战略资源，储量有限且主要生产国家的出口控制日趋收紧。因此对于氦气这种不宜获得的稀缺资源，开展回收再利用极具意义。
3.目前，公开号为cn104176717a的中国发明专利公开了一种氦气回收提纯方法，其包括的步骤依次为：过滤；化学吸附；配气；加热；催化；冷却；一次净化；冷却；精馏；二次净化。本发明还公开了一种氦气回收提纯装置，该装置包括：过滤器；化学吸附装置；组分分析装置；加气罐；加热器；催化系统；冷却器；第一净化系统；粗氦冷却器；精馏塔；第二净化系统；以及氦气储罐。采用本发明的氦气回收提纯方法和装置，能够用于回收含有氦气的工业废气，将氦气的纯度提高，也可以深入提纯得到纯氦、高纯氦和超纯氦产品。相对于现有技术，采用本发明的氦气回收提纯方法和装置回收提纯氦气具有工艺简单、具有工艺简单、成本较低、环保高效且适用范围较广的优点。
4.但是上述专利利用低温变压吸附法可去除氦气中的油、有机物、水、二氧化碳、氮气、氧气，但是由于温度无法再降低，很难去除的氦气中的氢气、氖气，导致氦气的提纯度不能满足要求，并且冷源的损耗较多，提纯成本较高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于如何去除氢氖来提高氦气的提纯度、减少冷源的消耗。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种可去除氢氖的氦气提纯系统，包括前处理装置、真空容器、一级提纯装置和二级提纯装置，所述真空容器内设置有相互连通的一级提纯装置和二级提纯装置，设置在真空容器外部的前处理装置的输出端连接一级提纯装置。
8.所述一级提纯装置包括液氮容器、一级换热器、冷凝设备和一级低温吸附装置，所述液氮容器设置在真空容器内，所述液氮容器内设置有一级换热器、冷凝设备和一级低温吸附装置，所述前处理装置的输出端连接所述一级换热器的热介质进口，所述一级换热器的热介质出口通过冷凝设备连接一级低温吸附装置，所述一级低温吸附装置的输出端连接所述二级提纯装置。
9.所述二级提纯装置包括二级换热器、冷头换热器、gm制冷机和二级低温吸附装置，所述二级换热器的热介质进口连接一级低温吸附装置输出端，所述二级换热器的热介质出口通过冷头换热器连接所述二级低温吸附装置输入端，固定在真空容器外部的gm制冷机输
入端连接所述冷头换热器为其提供冷源，所述二级低温吸附装置的输出端连接所述二级换热器的冷介质进口，所述二级换热器的冷介质出口连接所述一级换热器的冷介质进口，所述一级换热器的冷介质出口用于排出纯化后的氦气。
10.通过二级换热器和冷头换热器的设置，降低一级提纯装置所提纯的一次纯化气体的温度，使得二级低温吸附装置能够吸附一次纯化气体中的氧气和氮气杂质，实现对一次纯化气体的二次提纯，得到99.9995％的纯化氦气，大大提高了氦气的提纯度。
11.通过二次提纯后的氦气本身为一级换热器和二级换热器提供冷源，大大降低了流出一级换热器后的待纯化气体和流出二级换热器后一次纯化气体的温度，进而大大减少了冷源消耗。
12.优选地，所所述前处理装置包括储气设备、除油器和干燥器，所述储气设备、除油器和干燥器依次连接，所述干燥器的输出端连接所述一级换热器的热介质进口。
13.优选地，所述液氮容器还连接真空容器外部的液氮输入管和第一液氮输出管。
14.优选地，所述冷凝设备还连接真空容器外部的第二液氮输出管。
15.优选地，所述液氮容器外壁还包裹有保温层。
16.优选地，所述一级换热器和二级换热器均为套管式换热器。
17.优选地，所述冷头换热器为肋片换热器。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.通过二级换热器和冷头换热器的设置，降低一级提纯装置所提纯的一次纯化气体的温度，使得二级低温吸附装置能够吸附一次纯化气体中的氧气和氮气杂质，实现对一次纯化气体的二次提纯，得到99.9995％的纯化氦气，大大提高了氦气的提纯度。
20.通过二次提纯后的氦气本身为一级换热器和二级换热器提供冷源，大大降低了流出一级换热器后的待纯化气体和流出二级换热器后一次纯化气体的温度，进而大大减少了冷源消耗。
附图说明
21.图1为本发明实施例的一种可去除氢氖的氦气提纯系统的结构示意图。
具体实施方式
22.为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
23.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
24.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
25.参阅图1，本实施例公开了一种可去除氢氖的氦气提纯系统，包括前处理装置1、真空容器2、一级提纯装置3和二级提纯装置4，所述真空容器2内设置有相互连通的一级提纯装置3和二级提纯装置4，设置在真空容器2外部的前处理装置1的输出端连接一级提纯装置3。
26.所述前处理装置1包括储气设备11、除油器12和干燥器13，所述储气设备11、除油器12和干燥器13依次连接，所述干燥器13的输出端连接所述一级提纯装置3。
27.具体的，储气设备11用于存储原料气体，储气设备11和除油器12之间以及除油器12和干燥器13之间均通过管道连通，管道中间设置有手动阀门，储气设备11和除油器12之间的手动阀门打开时，储气设备11中存储的原料气体经过管道输送至除油器12，通过除油器12对原料气体去除油分，干燥器13进一步去除原料气体中的水分和二氧化碳形成待纯化气体。
28.所述一级提纯装置3包括液氮容器31、一级换热器32、冷凝设备33和一级低温吸附装置34，所述液氮容器31设置在真空容器2内并用于盛放液氮，所述液氮容器31连接真空容器2外部的液氮输入管5和第一液氮输出管6，所述液氮容器31内设置有浸泡在液氮内的一级换热器32、冷凝设备33和一级低温吸附装置34，所述干燥器13的输出端连接所述一级换热器32的热介质进口，所述一级换热器32的热介质出口通过冷凝设备33连接一级低温吸附装置34，所述一级低温吸附装置34的输出端连接所述二级提纯装置4。将一级换热器32、冷凝设备33和一级低温吸附装置34浸泡在液氮内，为氦气的一次纯提供了冷源，通过液氮容器31内的液氮以及一级换热器32和冷凝设备33，使得进入一级低温吸附装置34的待纯化气体温度降至80k，再通过一级低温吸附装置34吸附待提纯气体中的氧气、氮气杂质，实现对待纯化气体的一次提纯，得到一次纯化气体。
29.所述冷凝设备33还连接真空容器2外部的第二液氮输出管7，用于排放冷能设备33内的液氮，进一步的，将设置在真空容器2外部第一液氮输出管6和第二液氮输出管7与总输出管(图中未标注)连通，减少输出管道的设置。
30.进一步的，所述液氮容器31外壁还包裹有多层绝热材料制作的保温层(图中未示)，对液氮容器31内的液氮进行保温。
31.所述二级提纯装置4包括二级换热器41、冷头换热器42、gm制冷机43和二级低温吸附装置44，所述二级换热器41的热介质进口连接一级低温吸附装置33输出端，所述二级换热器41的热介质出口通过冷头换热器42连接所述二级低温吸附装置44输入端，固定在真空容器2外部的gm制冷机43输入端连接所述冷头换热器42为其提供冷源，使得从二级换热器41和冷头换热器42换热后的气体温度降至20k，所述二级低温吸附装置44的输出端连接所述二级换热器41的冷介质进口，所述二级换热器41的冷介质出口连接所述一级换热器32的冷介质进口，所述一级换热器32的冷介质出口用于排出纯化后的氦气。
32.具体的，通过二级换热器41和冷头换热器42，使得进入二级低温吸附装置44的一次纯化气体温度降至20k，降低一次纯化气体的温度，满足吸附一次纯化气体中的氧气和氮气的温度环境，使得二级低温吸附装置44能够吸附一次纯化气体中的氧气和氮气杂质，实现对一次纯化气体的二次提纯，得到99.9995％的纯化氦气，大大提高了氦气的提纯度。
33.另外，经过二级低温吸附装置44吸附后的纯化氦气输入所述二级换热器41的冷介质进口，能够为二级换热器41内提供冷源，并从所述二级换热器41的冷介质出口输出进入
所述一级换热器32的冷介质进口；再为一级换热器32内提供冷源，最后从一级换热器32的冷介质出口排出得到纯化后的氦气；通过二次提纯后的氦气本身为一级换热器32和二级换热器41提供冷源，大大降低了流出一级换热器32后的待纯化气体和流出二级换热器41后一次纯化气体的温度，进而大大减少了冷源消耗。
34.需要说明的是，由于二次提纯后的气体温度低于一级低温吸附装置34输出的一次纯化气体温度，故二次提纯后的气体能够为二级换热器41内提供冷源，并且从二级换热器41换热后的二次提纯后的气体温度也是不会超过一级低温吸附装置34输出的一次纯化气体温度，而一次纯化气体温度是低于从干燥器83输出的待纯化气体温度，故从二级换热器41换热后的二次提纯后的气体也是可以对一级换热器32内提供冷源。
35.进一步的，所述一级换热器32和二级换热器41均为套管式换热器，所述冷头换热器42为肋片换热器。
36.本实施例的工作原理为：将储气设备11中存储的原料气体经过管道输送至除油器12，对原料气体去除油分，再通过干燥器13去除原料气体中的水分和二氧化碳形成待纯化气体。
37.待纯化气体依次通过一级换热器32和冷凝设备33进行换热降温至80k后，通过一级低温吸附装置34吸附待提纯气体中的氧气、氮气杂质，得到一次纯化气体。
38.依次一次纯化气体依次通过二级换热器41和冷头换热器42进行换热降温至20k后，满足了吸附一次纯化气体中的氧气和氮气的温度环境，再通过二级低温吸附装置44吸附一次纯化气体中的氧气和氮气杂质，实现对一次纯化气体的二次提纯得到纯化氦气，纯化氦气再输入所述二级换热器41的冷介质进口，为二级换热器41内提供冷源，并从所述二级换热器41的冷介质出口输出进入所述一级换热器32的冷介质进口，再为一级换热器32内提供冷源，最后从一级换热器32的冷介质出口排出。
39.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
40.以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。