專利名稱：帶有制冷設(shè)備的分離提純氖和氦的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氣體分離提純裝置，尤其涉及一種帶有制冷設(shè)備、通過制冷進(jìn)行氦和氖的分離提純裝置。
背景技術(shù)：
氖氣與氦氣屬于惰性氣體，在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，氖氣多用于充填航標(biāo)燈、霓虹燈和用作低溫實(shí)驗(yàn)室的安全制冷劑；氦氣用作稀有金屬精煉的保護(hù)氣和配制深水作業(yè)、宇航中呼吸用氣，用于壓力容器、真空系統(tǒng)檢漏和制作氦氖激光器，還在原子能、紅外線探測(cè)、低溫電子等方面得到應(yīng)用。從空分中提取氖氣和氦氣，傳統(tǒng)方法是在空分中設(shè)置粗氖氦塔，在塔頂部可獲得含氖氦50%左右的粗氖氦混合氣(氦氖濃縮物)，雜質(zhì)組分大部分是氮，小部分為氫，一般采用加氧催化反應(yīng)除氫。脫除氮一般采用低溫冷凝和低溫吸附相結(jié)合的裝置，另外一種是采用常溫下的變壓吸附和低溫吸附相結(jié)合的裝置。氖氣、氦氣在空分設(shè)備精餾塔內(nèi)為不凝氣，而以氣態(tài)聚集在主冷凝器頂部和氮回流液中，氖氣和氦氣性質(zhì)接近，不易被分離。如中國(guó)專利CN102062515A中公開的從空氣中提取氦氖濃縮物的方法，通過精餾塔進(jìn)行精餾，在塔頂?shù)玫胶つ蕽饪s物。美國(guó)專利US2012/0012201A1公開了一種選擇性收集流出物的方法和設(shè)備，可以獲得氦、氖氣體，但是該方法是通過化學(xué)反應(yīng)的方式除去氣體雜質(zhì)，但是，氦和氖均屬于惰性氣體，很難通過化學(xué)反應(yīng)除去其中的一種；而且氦、氖氣體在大氣中含量很少，采用化學(xué)反應(yīng)去除的方式，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。W098/28226A1中公開了一種采用過濾和吸附進(jìn)行提純氣體的方法，但是該專利并未公開如何將氦、氖進(jìn)行吸附去除其中的一種，而且，將其中一種吸附去除的方法，也會(huì)導(dǎo)
致浪費(fèi)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)氦氖濃縮物分離困難的問題，本實(shí)用新型提供了一種通過制冷進(jìn)行氦氖分離的裝置，可用于分離含氮、氧雜質(zhì)的粗氦氖氣(氦氖濃縮物)。因此，本實(shí)用新型提供了一種帶有制冷設(shè)備的提純分離氦氖的裝置，包括制冷機(jī)，所述制冷機(jī)的低溫部分置于絕熱容器內(nèi)。原料氣體輸送管道依次進(jìn)入第一級(jí)制冷機(jī)、和第一級(jí)氣液分離器，所述第一級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道依次通過第二級(jí)制冷機(jī)、第三級(jí)制冷機(jī)后進(jìn)入第二級(jí)氣液分離器。第二級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道通過第四級(jí)制冷機(jī)后通往所述絕熱容器外。第二級(jí)氣液分離器的液體輸出管道連通純氖塔；所述純氖塔的液體輸出管道、氣體輸出管道均通往所述絕熱容器外。第一級(jí)氣液分離器液體輸出管道通往所述絕熱容器外。本實(shí)用新型上述的裝置，在絕熱容器內(nèi)還可以設(shè)有換熱器，用于將進(jìn)入制冷機(jī)的流體進(jìn)行預(yù)冷，也可以用于將通過制冷機(jī)或純氖塔、氣液分離器的流體進(jìn)行熱交換，將冷量充分利用。熱交換器可以是一個(gè)或多個(gè)。本實(shí)用新型還提供了另一種一種帶有制冷設(shè)備的、提純分離氦氖的裝置，包括制冷機(jī)和換熱器，所述制冷機(jī)的低溫部分和換熱器均置于絕熱容器內(nèi)。原料輸送管道通過第一級(jí)換熱器后依次進(jìn)入第一級(jí)制冷機(jī)、和第一級(jí)氣液分離器，所述第一級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道依次通過第二級(jí)換熱器、第二級(jí)制冷機(jī)、第三級(jí)換熱器、第三級(jí)制冷機(jī)后進(jìn)入第二級(jí)氣液分離器。第二級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道通過第四級(jí)換熱器后進(jìn)入第四級(jí)制冷機(jī)；第四級(jí)制冷機(jī)的輸出管道依次通過第四級(jí)換熱器、第三級(jí)換熱器、第二級(jí)換熱器和第一級(jí)換熱器后通往所述絕熱容器外。第二級(jí)氣液分離器的液體輸出管道連通純氖塔；所述純氖塔的液體輸出管道、氣體輸出管道均依次通過第三級(jí)換熱器、第二級(jí)換熱器和第一級(jí)換熱器后通往所述絕熱容器 外。第一級(jí)氣液分離器液體輸出管道通過第一級(jí)換熱器后通往所述絕熱容器外。在本實(shí)用新型所述裝置的一種優(yōu)選實(shí)施例中，原料氣輸送管道先通過壓縮機(jī)、和/或干燥器后，再進(jìn)入絕熱容器中的第一換級(jí)熱器或第一級(jí)制冷機(jī)；所述壓縮機(jī)和/或干燥器在所述絕熱容器外。并且，壓縮機(jī)、和/或干燥器先后順序不受限制，但優(yōu)選為干燥器位于壓縮機(jī)之后。在本實(shí)用新型所述裝置的一種優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)氣液分離器的液體輸出管道在所述絕熱容器外返回原料輸送管道。在本實(shí)用新型所述裝置的一種優(yōu)選實(shí)施例中，還包括附屬氣液分離器，所述附屬氣液分離器入口連通第一級(jí)氣液分離器的液體出口，所述附屬氣液分離器的氣體輸出管道和液體輸出管道分別通往所述絕熱容器外。在設(shè)有換熱器的情況下，所述附屬氣液分離器的氣體輸出管道和液體輸出管道分別通過第一級(jí)換熱器后通往所述絕熱容器外。在本實(shí)用新型所述裝置的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，所述附屬氣液分離器的氣體輸出管道在所述絕熱容器外返回原料輸送管道。在本實(shí)用新型所述裝置的一種優(yōu)選實(shí)施例中，純氖塔的氣體輸出管道在所述絕熱容器外返回原料輸送管道。在本實(shí)用新型所述裝置的一種優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)氣液分離器和第二級(jí)氣液分離器的液體輸出管道上還安裝有減壓閥；第一級(jí)氣液分離器和第二級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道上也可以安裝有減壓閥。在本實(shí)用新型所述裝置的一種優(yōu)選實(shí)施例中，還包括真空泵，用于對(duì)所述絕熱容器抽真空。本實(shí)用新型上述內(nèi)容中，所述絕熱容器優(yōu)選為多層絕熱。本實(shí)用新型上述內(nèi)容中，所述干燥器、真空絕熱容器及真空絕熱容器內(nèi)的部件都可以是至少兩組，可以相互切換，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，上述各管道在換熱器內(nèi)各有通道。本實(shí)用新型的氖和氦分離提純裝置安全性高、回收率高、能耗低、可以連續(xù)運(yùn)行，適用于工業(yè)大規(guī)模化生產(chǎn)需要。
圖I為本實(shí)用新型氦氖分離提純裝置一種實(shí)施例示意圖；圖2為本實(shí)用新型氦氖分離提純裝置第二種實(shí)施例示意圖；圖3為本實(shí)用新型氦氖分離提純裝置第三種實(shí)施例示意圖；其中箭頭代表管道中流體的流動(dòng)方向。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種帶有制冷設(shè)備的、用于氦氖提純分離的裝置，本實(shí)用新型提供了一種帶有制冷設(shè)備的、提純分離氦氖的裝置，包括制冷機(jī)，所述制冷機(jī)的低溫部分置于絕熱容器內(nèi)。原料氣體輸送管道依次通過第一級(jí)制冷機(jī)將原料氣中的氮和氧液化、第一級(jí)氣液分離器將液相分離、第二制冷機(jī)將殘余氮和氧固化、第三級(jí)制冷機(jī)將氦氖氣體液化、氣液分離器將氦分離；氣液分離器的氣體輸出管道進(jìn)入第四級(jí)制冷機(jī)將殘余氖固化、然后氣體通往絕熱容器外，氣液分離器的氣相的液體輸出管道進(jìn)入純氖塔，純氖塔的液體輸出管道通往絕熱容器外。下面參照附圖，通過具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型所述裝置進(jìn)行詳細(xì)的介紹和描述，以使更好的理解本實(shí)用新型內(nèi)容，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，下述實(shí)施例并不限制本實(shí)用新型范圍。實(shí)施例I參照?qǐng)D1，本實(shí)施例中，作為原料氣體的粗氦氖氣中除了氦、氖之外，主要雜質(zhì)為
氮、氧。將原料氣體壓縮，有利于后面步驟中的提純分離，因此粗氦氖氣通過壓縮機(jī)5壓縮至30bar。一般情況下，原料氣體中難免會(huì)混入少量的水分，在此情況下，將壓縮后的粗氦氖氣通過干燥器6進(jìn)行干燥，如果原料氣中沒有水分，則無需干燥器6。然后進(jìn)入絕熱容器I內(nèi)進(jìn)行處理。為了使絕熱容器具有更好的絕熱性能，通過真空泵7將絕熱容器I內(nèi)抽真空。在絕熱容器I中設(shè)置有多個(gè)制冷機(jī)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，所述制冷機(jī)僅低溫部分位于絕熱容器I內(nèi)即可，而無需整體置于絕熱容器I內(nèi)，這樣既方便制冷機(jī)的安裝，也能夠?yàn)榻^熱容器節(jié)省空間。壓縮脫水后的粗氦氖氣進(jìn)入第一制冷機(jī)21，冷卻至66K，將大部分氮和氧液化，然后進(jìn)入第一級(jí)氣液分離器31將氣相(主要組分為氦、氖)和液相(主要組分為氮、氧)分離，液相通過液相輸送管道送出絕熱容器外。由于液相中不可避免地混有部分氦氖，因此可將液相輸送管道在絕熱容器I外返回原料氣體管道，繼續(xù)純化或混入后續(xù)原料氣體中一起純化。第一級(jí)氣液分離器31的氣體輸出管道進(jìn)入第二級(jí)制冷機(jī)22，由于氣相中難免會(huì)混有殘余的微量氮和氧，因此，在第二級(jí)制冷機(jī)中冷卻至52K，將微量的氮和氧固化，得到氦氖混合物。氦氖混合物進(jìn)入第三級(jí)制冷機(jī)23，冷卻至26K將氖液化，然后進(jìn)入第二級(jí)氣液分離器32，將氣相(主要組分為氦)和液相(主要組分為氖)分離。第二級(jí)氣液分離器32的液體輸出管道通往純氖塔33，在純氖塔33中加熱，將液相中混入的微量雜質(zhì)(主要是氦)氣化，得到純度可達(dá)99. 999%的液氖，純氖塔33塔頂?shù)玫降牟患兡蕷馔ㄍ^熱容器外，同樣地，可以返回原料氣體輸送管道，進(jìn)行進(jìn)一步純化或混入后續(xù)原料氣體中一起純化。純氖塔33的液相輸出管道通往絕熱容器外，得到純氖。第二級(jí)氣液分離器32的氣體輸送管道通往第四級(jí)制冷機(jī)24，冷卻至lfl2K將氣相中殘余的微量氖固化，從而得到純度可達(dá)99. 999%的氦，然后通往絕熱容器外。由于第二級(jí)、第四級(jí)制冷機(jī)后出現(xiàn)固體，因此， 當(dāng)固體累計(jì)過多時(shí)，需要切換，為了保證持續(xù)生產(chǎn)，真空絕熱容器及真空絕熱容器內(nèi)的部件都可以是至少兩組，此外，干燥器也可以是至少兩組，可以相互切換，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。實(shí)施例2通過上述實(shí)施例I的描述可以看出，氦氖的分離純化是通過制冷來實(shí)現(xiàn)，在此過程中產(chǎn)生極大的冷量，而最后的產(chǎn)品溫度很低，為了節(jié)省冷量，可以在絕熱容器I內(nèi)安裝至少一個(gè)換熱器。如圖2所示，在實(shí)施例I的基礎(chǔ)上，在絕熱容器I內(nèi)，第一級(jí)制冷機(jī)21前安裝第一級(jí)換熱器41，所有通往絕熱容器I外部的管道均通過第一級(jí)換熱器41。原料氣體在進(jìn)入第一級(jí)制冷機(jī)21前溫度較高，通過第一級(jí)換熱器41將熱量傳送給通往絕熱容器外的氦和氖，將氖和氦復(fù)熱得到氦氣和氖氣。而通過第四級(jí)制冷機(jī)24和純氖塔33后的氦和氖溫度較低，通過第一級(jí)換熱器41將冷量交換給原料氣，將原料氣預(yù)冷，節(jié)省冷量，減輕了后面制冷機(jī)的冷量，節(jié)省了能源。實(shí)施例3在實(shí)施例I和2的基礎(chǔ)上，參照?qǐng)D3，本實(shí)施例中，設(shè)有多個(gè)換熱器。粗氦氖氣通過壓縮機(jī)5壓縮至30bar，然后將壓縮后的粗氦氖氣通過干燥器6進(jìn)行干燥。為了使絕熱容器具有更好的絕熱性能，通過真空泵7將絕熱容器I內(nèi)抽真空。壓縮脫水后的粗氦氖氣通過第一級(jí)換熱器41預(yù)冷后進(jìn)入第一制冷機(jī)21，冷卻至66K，將大部分氮和氧液化，然后進(jìn)入第一級(jí)氣液分離器31將氣相(主要組分為氦、氖)和液相(主要組分為氮、氧)分離。第一級(jí)氣液分離器31的氣體輸出管道通過第二級(jí)換熱器42預(yù)冷后，進(jìn)入第二級(jí)制冷機(jī)22，冷卻至52K，將微量的氮和氧固化，得到氦氖混合物。第一級(jí)氣液分離器31的液體輸送管道通過減壓閥10減壓至I. 5bar后，進(jìn)入附屬氣液分離器34，進(jìn)行進(jìn)一步分離，將液氮分離開來，液氮通過第一級(jí)換熱器41復(fù)熱后形成氮?dú)馔ㄍ^熱容器I外，氣體組分(含有氦、氖)通過輸送管道經(jīng)第一級(jí)換熱器41后送出絕熱容器外，并返回原料氣體管道。氦氖混合物通過第三級(jí)換熱器43預(yù)冷后進(jìn)入第三級(jí)制冷機(jī)23，冷卻至26K將氖液化，然后進(jìn)入第二級(jí)氣液分離器32，將氣相(主要組分為氦)和液相(主要組分為氖)分離。第二級(jí)氣液分離器32的液體通過減壓閥減壓至I. 5bar后，通往純氖塔33，在純氖塔33中加熱，將液相中混入的微量雜質(zhì)(主要是氦)氣化，得到純度可達(dá)99. 999%的液氖，純氖塔33塔頂?shù)玫降牟患兡蕷庖来瓮ㄟ^第三級(jí)換熱器43、第二級(jí)換熱器42和第一級(jí)換熱器41后通往絕熱容器外，并返回原料氣體輸送管道。純氖塔33的液相輸出管道依次通過第三級(jí)換熱器43、第二級(jí)換熱器42和第一級(jí)換熱器41后通往絕熱容器外，得到純氖。第二級(jí)氣液分離器32的氣體輸送管道經(jīng)過第四級(jí)換熱器44后通往第四級(jí)制冷機(jī)24，冷卻至11 12Κ將氣相中殘余的微量氖固化，從而得到純度可達(dá)99. 999%的氦，然后依次通過第四級(jí)換熱器44、第三級(jí)換熱器43、第二級(jí)換熱器42和第一級(jí)換熱器41后通往絕熱容器外。以上對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只作為范例，本實(shí)用新型 并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)該實(shí)用進(jìn)行的等同修改和替代也都在本實(shí)用新型的范疇之中。因此，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種帶有制冷設(shè)備的提純分離氦氖的裝置，其特征在于，包括制冷機(jī)，所述制冷機(jī)的低溫部分置于絕熱容器內(nèi)； 原料氣體輸送管道依次進(jìn)入第一級(jí)制冷機(jī)、和第一級(jí)氣液分離器，所述第一級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道依次通過第二級(jí)制冷機(jī)、第三級(jí)制冷機(jī)后進(jìn)入第二級(jí)氣液分離器； 第二級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道通過第四級(jí)制冷機(jī)后通往所述絕熱容器外；第ニ級(jí)氣液分離器的液體輸出管道連通純氖塔；所述純氖塔的液體輸出管道、氣體輸出管道均通往所述絕熱容器外； 第一級(jí)氣液分離器液體輸出管道通往所述絕熱容器外。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，包括制冷機(jī)和換熱器，所述制冷機(jī)的低溫部分和換熱器均置于絕熱容器內(nèi)； 原料輸送管道通過第一級(jí)換熱器后依次進(jìn)入第一級(jí)制冷機(jī)、和第一級(jí)氣液分離器，所述第一級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道依次通過第二級(jí)換熱器、第二級(jí)制冷機(jī)、第三級(jí)換熱器、第三級(jí)制冷機(jī)后進(jìn)入第二級(jí)氣液分離器； 第二級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道通過第四級(jí)換熱器后進(jìn)入第四級(jí)制冷機(jī)；第四級(jí)制冷機(jī)的輸出管道依次通過第四級(jí)換熱器、第三級(jí)換熱器、第二級(jí)換熱器和第一級(jí)換熱器后通往所述絕熱容器外； 第二級(jí)氣液分離器的液體輸出管道連通純氖塔；所述純氖塔的液體輸出管道、氣體輸出管道均依次通過第三級(jí)換熱器、第二級(jí)換熱器和第一級(jí)換熱器后通往所述絕熱容器外； 第一級(jí)氣液分離器液體輸出管道通過第一級(jí)換熱器后通往所述絕熱容器外。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，原料氣輸送管道先通過壓縮機(jī)、和/或干燥器后，再進(jìn)入絕熱容器中的第一換級(jí)熱器或第一級(jí)制冷機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，還包括附屬氣液分離器，所述附屬氣液分離器入口連通第一級(jí)氣液分離器的液體出口，所述附屬氣液分離器的氣體輸出管道和液體輸出管道分別通往所述絕熱容器外。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在干，所述附屬氣液分離器的氣體輸出管道在所述絕熱容器外返回原料輸送管道。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，還包括真空泵，用于將所述絕熱容器抽真空。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，純氖塔的氣體輸出管道在所述絕熱容器外返回原料輸送管道。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，第一級(jí)氣液分離器和第二級(jí)氣液分離器的液體輸出管道上還安裝有減壓閥。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種帶有制冷設(shè)備的、用于氦氖提純分離的裝置，本實(shí)用新型提供了一種帶有制冷設(shè)備的、提純分離氦氖的裝置，包括制冷機(jī)，所述制冷機(jī)的低溫部分置于絕熱容器內(nèi)。原料氣體輸送管道依次通過第一級(jí)制冷機(jī)將原料氣中的氮和氧液化、第一級(jí)氣液分離器將液相分離、第二制冷機(jī)將殘余氮和氧固化、第三級(jí)制冷機(jī)將氦氖氣體液化、第二級(jí)氣液分離器將氦氖分離；第二級(jí)氣液分離器的氣體輸出管道進(jìn)入第四級(jí)制冷機(jī)將殘余氖固化、然后氣體通往絕熱容器外，氣液分離器的液體輸出管道進(jìn)入純氖塔，純氖塔的液體輸出管道通往絕熱容器外。本實(shí)用新型安全性高、回收率高、能耗低、可以連續(xù)運(yùn)行，適用于工業(yè)大規(guī)模化生產(chǎn)需要。
文檔編號(hào)F25J3/08GK202522015SQ20122012262
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者嚴(yán)壽鵬, 俞建, 喻永貴, 曹月叢 申請(qǐng)人:上海啟元空分技術(shù)發(fā)展股份有限公司