一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，包括利用加氧催貨原理的除氫干燥模塊、利用低溫純化器原理的除氮氧及氦氣精制模塊和以制冷機(jī)為冷源的氖氦分離及氖氣精制模塊，依次進(jìn)行除氫干燥、除氮氧、氖氦分離及氖氣精制、氦氣精制處理。本實用新型的操作壓力更低，安全性更高，設(shè)置了多個回?zé)峒坝鄽饣厥昭b置，回收率高且能耗低，適合于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】
一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及空分尾氣中的稀有氣體分離精制工藝，具體是一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]氖氣和氦氣在空氣中的體積含量僅為1.8X 10—7和5.2 X 10—6。由于氖氦為低沸點氣體，其在空分塔中為不凝氣體，以氣態(tài)形式存在于空分塔頂部的冷凝器中，最終以空分尾氣的形式被排出。氖氦氣體，尤其是氖氣的來源主要是從空分尾氣中來。
[0003]當(dāng)下，氖氣的價格非常昂貴，被稱之為“黃金氣體”，售價達(dá)到15000元/Nm3左右！
[0004]到要想獲得高純的氖、氦稀有氣體比較難，專業(yè)設(shè)備的技術(shù)門檻很高，西方空分巨頭對該氣體的分離提純工藝實行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。國內(nèi)的生產(chǎn)廠家只能夠提供初級濃縮生產(chǎn)的粗氖氦混合氣，沒有能力獲得高純的氖氣和氦氣，所以只能為國外廠家提供初級的濃縮產(chǎn)品。相反西方氣體公司則可以用這些粗氖氦混合氣精制得到高純氖氦氣體，尤其是氖氣，然后再高價返銷至國內(nèi)市場，獲取巨額利潤。目前國內(nèi)高純稀有氣體產(chǎn)品一半以上依靠進(jìn)口，特別是氖氣，全球的供應(yīng)量僅為需求量的40%。
[0005]傳統(tǒng)的空分尾氣精制氖氦的工藝方法主要是提高其壓力后的高壓節(jié)流方法和液氫制冷的方法。液氫作為冷源是將氖氦混合氣用液氫降溫至27K以下，利用氖氦沸點不同(27.3K、4.2K)使氖液化，達(dá)到氖氦分離的目的。此種方法由于要用到液氫這種易燃易爆性介質(zhì)，因此操作安全性非常差。高壓節(jié)流方法需要的操作壓力比較高，需達(dá)到15MPa，此種工藝方法有兩個缺點:(I)所需的壓縮機(jī)要求高、體積龐大且價格昂貴；(2)因為操作壓力達(dá)到150個大氣壓，操作安全性差；(3)由于操作壓力高，所以溫度、流量調(diào)節(jié)不方便，且溫度、流M不穩(wěn)定。
[0006]本實用新型提出用制冷機(jī)作為分離精制工藝的冷源，所以不需要使用液氫冷源，比起液氫作為冷源，本實用新型的分離溫度及提供的冷量更容易控制。同時所需的操作壓力只要達(dá)到高壓節(jié)流工藝操作壓力的1/8，約2MPa即可，操作壓力的降低可使設(shè)備體積大幅度縮小，操作安全性更高，溫度、流量更穩(wěn)定?？梢哉f兼具兩種工藝方法的優(yōu)點。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本實用新型設(shè)計了一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，它解決了現(xiàn)有技術(shù)安全性低、操作壓力高、設(shè)備龐大復(fù)雜、溫度流量不易控制的問題。
[0008]本實用新型采用的技術(shù)方案是:
[0009]—種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，其特征在于，包括有除氫干燥模塊、除氮氧及氦氣精制模塊、氖氦分離及氖氣精制模塊，所述除氫干燥模塊包括有依次連接的增壓器PC1、除氫接觸爐、水浴換熱器、除水器和干燥器，除氫接觸爐中通入足量氧氣；所述除氮氧及氦氣精制模塊包括有回?zé)崞鱄El，回?zé)崞鱄El與氣液分離器GSl連接，氣液分離器GSl浸泡于減壓液氮或常壓液氮中冷卻，溫度為65?80K，氣液分離器GSl底部連接氣液分離器GS2的中部，氣液分離器GS2頂部依次與回?zé)崞鱄El、除氫干燥模塊連接，氣液分離器GSl頂部與串聯(lián)的低溫吸附器Al?A4連接，回?zé)崞鱄El還與串聯(lián)的低溫純化器A5?AU連接;所述氖氦分離及氖氣精制模塊包括有回?zé)崞鱄E2，回?zé)崞鱄E2與液氮冷卻器E連接，液氮冷卻器E與低溫吸附器A12連接，低溫吸附器A12與二級回?zé)崞鱄E3連接，二級回?zé)崞鱄E3與由制冷機(jī)冷卻的分離腔體Al 3連接，分離腔體Al 3的底部連接低溫精餾塔C，分離腔體Al 3的上部依次與二級回?zé)崞鱄E3、回?zé)崞鱄E2、除氮氧及氦氣精制模塊中的串聯(lián)的低溫純化器A5?All連接。
[0010]所述的一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，其特征在于，所述除氮氧及氦氣精制模塊整合、集成了除氮氧功能模塊和氦氣精制功能模塊，并安裝在同一個液氮恒溫器中，使用同一個回?zé)崞鱄El，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，減少了冷量的損耗，節(jié)省了能源。
[0011]所述的一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，其特征在于，所述氖氦分離及氖氣精制模塊了氖氦的分凝分離功能模塊和氖氣精制功能模塊，并安裝在同一個真空容器內(nèi)，共同使用回?zé)崞鱄E2和二次回?zé)崞鱄E3，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，減少了冷量的損耗，節(jié)省了能源。
[0012]本實用新型的原理是:
[0013]除氫干燥模塊是加氧催化的方式，催化劑是鈀觸媒，在除氫接觸爐的鈀觸媒作用下，氫氣和外加的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水;氫氧化后生成的水需要去除，通過除水干燥裝置，吸收掉混合氣中的水蒸氣。
[0014]除氮氧及氦氣精制模塊有兩個功能。一是干燥后的混合氣需要除去氮氣及除氫過程中加入的過量氧氣，采取的方法是低溫純化法。混合氣體通過液氮溫度或減壓液氮溫度下的低溫吸附器，氮氧組分被液化和吸收;二是經(jīng)氖氦分凝分離得到的粗氦進(jìn)入本模塊的低溫純化器中，經(jīng)過低溫吸附后得到高純氦氣。
[0015]氖氦分離及氖氣精制模塊有兩個功能。一是可進(jìn)行氖氦的分凝分離，有小型制冷機(jī)提供冷源，利用氖氦的沸點差異(氖27.1K、氦4.2K)初步分離得到粗氦和粗氖。粗氦經(jīng)除氮氧及氦氣精制模塊的低溫純化除氖后得到高純氦充瓶;二是對得到的粗氖進(jìn)行低溫精餾分離。液氖從低溫精餾塔頂進(jìn)入塔后，經(jīng)過反復(fù)的精餾分離，從塔底得到高純液氖，回?zé)釓?fù)溫后得到高純氖充瓶。
[0016]本實用新型的優(yōu)點是:
[0017]本實用新型的操作壓力更低，安全性更高，設(shè)置了多個回?zé)峒坝鄽饣厥昭b置，回收率高且能耗低，適合于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的工藝總體思路流程圖。
[0019]圖2為除氫干燥模塊工作流程圖。
[0020]圖3為除氮氧及氦氣精制模塊工作流程圖。
[0021 ]圖4為氖氦分離及氖氣精制模塊工作流程圖。
【具體實施方式】
[0022]以下將結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行具體闡釋。
[0023]如圖1所示，一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，包括有利用加氧催貨原理的除氫干燥模塊、利用低溫純化器原理的除氮氧及氦氣精制模塊和以制冷機(jī)為冷源的氖氦分離及氖氣精制模塊，除氫干燥模塊包括有依次連接的增壓器PC1、除氫接觸爐1、水浴換熱器2、除水器3和干燥器4，除氫接觸爐I中通入足量氧氣;除氮氧及氦氣精制模塊包括有回?zé)崞鱄El，回?zé)崞鱄El與氣液分離器GSl連接，氣液分離器GSl浸泡于減壓液氮或常壓液氮中冷卻，溫度為65?80K，氣液分離器GSl底部連接氣液分離器GS2的中部，氣液分離器GS2頂部依次與回?zé)崞鱄E1、除氫干燥模塊連接，氣液分離器GSl頂部與串聯(lián)的低溫吸附器Al?A4連接，回?zé)崞鱄El還與串聯(lián)的低溫純化器A5?AU連接;氖氦分離及氖氣精制模塊包括有回?zé)崞鱄E2，回?zé)崞鱄E2與液氮冷卻器E連接，液氮冷卻器E與低溫吸附器A12連接，低溫吸附器A12與二級回?zé)崞鱄E3連接，二級回?zé)崞鱄E3與由制冷機(jī)冷卻的分離腔體A13連接，分離腔體Al3的底部連接低溫精餾塔C，分離腔體Al3的上部依次與二級回?zé)崞鱄E3、回?zé)崞鱄E2、除氮氧及氦氣精制模塊中的串聯(lián)的低溫純化器A5?All連接。
[0024]實施例:使用本實用新型的制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)進(jìn)行氖氦稀有氣體分離精制的工藝步驟為:
[0025](I)除氫干燥:如圖2所示，從空分裝置引出的混合氣經(jīng)增壓器PCl增壓至2?3MPa后，加足量氧氣混合進(jìn)入除氫干燥模塊中的除氫接觸爐I中，在催化劑鈀觸媒的作用下，在140?220°C溫度下，混合氣中的氫氣與氧氣發(fā)生氫氧反應(yīng)生成水，反應(yīng)后的氣體送入水浴換熱器2冷卻后進(jìn)入除水器3和干燥器4進(jìn)行干燥；
[0026](2)除氮氧:如圖3所示，步驟(I)得到的不含氫氣的混合氣，經(jīng)過除氮氧及氦氣精制模塊中的回?zé)崞鱄El預(yù)冷后進(jìn)入氣液分離器GSl中進(jìn)行氣液分離，氣液分離器GSl浸泡于減壓液氮或常壓液氮中冷卻，溫度為至65?80K，混合氣中大部分的氮氣、氧氣在氣液分離器G SI中被液化，液氮、液氧以及少量未被液化的混合氣從氣液分離器G SI底部排入氣液分離器GS2中，液氮及液氧從氣液分離器GS2中排入恒溫器中提供冷量，氣液分離器GS2頂部的少量未被液化的混合氣經(jīng)回?zé)崞鱄El回?zé)岷笾匦逻M(jìn)入步驟(I)進(jìn)行循環(huán);從氣液分離器GSl頂部引出的氖氦混合氣進(jìn)入串聯(lián)的低溫吸附器Al?A4中，進(jìn)行氮氧的低溫吸附凈化，除去混合氣中的氮氧成分，粗氖氦混合氣；
[0027](3)氖氦分離及氖氣精制:如圖4所示，步驟(2)所得到的粗氖氦混合氣，經(jīng)過氖氦分離及氖氣精制模塊中的回?zé)崞鱄E2預(yù)冷后，進(jìn)入液氮冷卻器E內(nèi)冷卻至65?80K，隨后進(jìn)入低溫吸附器A12內(nèi)吸附其中殘存的雜質(zhì)氣體，再經(jīng)二級回?zé)崞鱄E3預(yù)冷后，進(jìn)入由制冷機(jī)冷卻的分離腔體Al3中，氖氦混合氣被冷卻至25K左右，并在分離腔體Al3中進(jìn)行氣液分離，液氖以及少量氦氣從分離腔體A13底部流入低溫精餾塔C中，利用低溫精餾原理，在精餾塔C中進(jìn)行氖的精制，并在精餾塔C的塔底得到純液氖，純液氖復(fù)熱氣化后裝瓶待用;氦氣以及帶有的少量氖氣從分離腔體A13上部排出，經(jīng)二級回?zé)崞鱄E3、回?zé)崞鱄E2冷量利用后，引入除氮氧及氦氣精制模塊中；
[0028](4)氦氣精制:如圖3所示，步驟(3)所得到的氦氣以及帶有的少量氖氣進(jìn)入除氮氧及氦氣精制模塊中的串聯(lián)的低溫純化器A5?AU中，低溫純化器A5?AU同樣處于液氮溫度，吸收氦氣中的氖氣及其它高沸點雜質(zhì)，最后得到高純氦氣裝瓶待用。
[0029]除氮氧及氦氣精制模塊整合、集成了除氮氧功能模塊和氦氣精制功能模塊，并安裝在同一個液氮恒溫器中，使用同一個回?zé)崞鱄E1，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，減少了冷量的損耗，節(jié)省了能源。
[0030]氖氦分離及氖氣精制模塊了氖氦的分凝分離功能模塊和氖氣精制功能模塊，并安裝在同一個真空容器內(nèi)，共同使用回?zé)崞鱄E2和二次回?zé)崞鱄E3，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，減少了冷量的損耗，節(jié)省了能源。
[0031]按照本實用新型的工藝方法制造的氖氦分離精制設(shè)備，可利用PLC(可編程控制器)加工業(yè)控制計算機(jī)的方式進(jìn)行集中的控制，可對工藝流程中的溫度、壓力、流量、液位、氖氦純度等所有物理參數(shù)進(jìn)行集中的測量控制。
[0032]本實用新型的氖氦分離提純工藝操作方便、簡單，相較于傳統(tǒng)的節(jié)流方法，其操作壓力更低，安全性更高。同時本工藝方法設(shè)置了多個回?zé)峒坝鄽饣厥昭b置，因此回收率高且能耗低，適合于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。
[0033]以上所述是對本實用新型的具體實施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本實用新型并不局限于上述的具體實施例。對于本領(lǐng)域而言，任何對本實用新型進(jìn)行的等同修改和替代也都在本實用新型的范疇之中。因此，在不脫離本實用新型的精神和范圍下所做的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，其特征在于，包括有除氫干燥模塊、除氮氧及氦氣精制模塊、氖氦分離及氖氣精制模塊，所述除氫干燥模塊包括有依次連接的增壓器PCl、除氫接觸爐、水浴換熱器、除水器和干燥器，除氫接觸爐中通入足量氧氣;所述除氮氧及氦氣精制模塊包括有回?zé)崞鱄El，回?zé)崞鱄El與氣液分離器GSl連接，氣液分離器GSl浸泡于減壓液氮或常壓液氮中冷卻，溫度為65?80K，氣液分離器GSl底部連接氣液分離器GS2的中部，氣液分離器GS2頂部依次與回?zé)崞鱄El、除氫干燥模塊連接，氣液分離器GSl頂部與串聯(lián)的低溫吸附器Al?A4連接，回?zé)崞鱄El還與串聯(lián)的低溫純化器A5?All連接;所述氖氦分離及氖氣精制模塊包括有回?zé)崞鱄E2，回?zé)崞鱄E2與液氮冷卻器E連接，液氮冷卻器E與低溫吸附器A12連接，低溫吸附器A12與二級回?zé)崞鱄E3連接，二級回?zé)崞鱄E3與由制冷機(jī)冷卻的分離腔體Al 3連接，分離腔體Al 3的底部連接低溫精餾塔C，分離腔體Al 3的上部依次與二級回?zé)崞鱄E3、回?zé)崞鱄E2、除氮氧及氦氣精制模塊中的串聯(lián)的低溫純化器A5?All連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，其特征在于，所述除氮氧及氦氣精制模塊整合、集成了除氮氧功能模塊和氦氣精制功能模塊，并安裝在同一個液氮恒溫器中，使用同一個回?zé)崞鱄El。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制冷機(jī)為冷源的氖氦稀有氣體分離精制系統(tǒng)，其特征在于，所述氖氦分離及氖氣精制模塊了氖氦的分凝分離功能模塊和氖氣精制功能模塊，并安裝在同一個真空容器內(nèi)，共同使用回?zé)崞鱄E2和二次回?zé)崞鱄E3。
【文檔編號】C01B23/00GK205527756SQ201620115737
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月3日
【發(fā)明人】張俊峰, 章學(xué)華, 丁懷況, 郭會軍, 陳耀峰, 蘇玉磊, 何超峰, 張海峰, 胡銳, 武義鋒, 黃阿娟
【申請人】安徽萬瑞冷電科技有限公司