專利名稱：基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種氣體分離和純化的低溫裝置，尤其是一種基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置。
背景技術：
含雜質原料氣中各組分氣體的分離和純化是獲得高純度(體積百分含量99. 999%或以上)氣體的基本過程。通常利用各組分氣體冷凝溫度和分子性質之間的差異來進行分離，傳統(tǒng)的方法有精餾法、分凝法、吸附法、催化反應法等。當產品氣要求純度較高時，需要幾種方法聯(lián)合使用，如高壓低溫冷凝和低溫吸附相結合的方法或常溫下的變壓吸附和低溫吸附相結合的方法等。傳統(tǒng)的分離純化方法流程復雜，投資成本高，通常用于大型的氣體分離純化設備。
一般來說，氦、氖等稀有氣體的分離和純化也是基于以上幾種常用方法。稀有氣體中，氦氣、氖氣等稀有氣體在航空、航天、軍事和科研等領域有著非常重要的應用，且需求量日益增大。重要的是我國屬于貧氦國家，美國作為世界上主要的氦出口國已經將氦列為戰(zhàn)略資源。因此，氦的回收再利用就顯得尤為重要；此外，從空分裝置中提取是工業(yè)上獲得氦、氖的途徑之一。對于回收的氦氣，其純度在90%左右，其余主要是空氣等雜質氣體。這個純度的氦氣通常無法直接使用，需要經過特別的分離和純化流程。對于空分裝置中氦氣、氖氣的分離和純化，傳統(tǒng)方法一般包括粗氦氖混合氣的提取、純氦氖混合氣的制備和純氦、純氖的制備三個工序。三道工序流程都比較復雜，投資成本高，缺乏經濟性，一般很少應用于實際的空分裝置中。小型低溫制冷機一般包括GM制冷機，脈管制冷機，斯特林制冷機，J-T制冷機等。小型低溫制冷機的制冷溫度范圍一般在0 - 80 K (-273. 15°C - -193. 15°C )，制冷量大約在0.1 - 100 W。小型低溫制冷機是獲得極低溫的重要設備?；谛⌒偷蜏刂评錂C的用于氣體分離和純化的低溫裝置則適合用于小型的氣體分離和純化。
發(fā)明內容本實用新型提供了一種基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的方法。改進了傳統(tǒng)的分離和純化方案，用小型低溫制冷機的第一級和第二級冷頭作為冷源，將不同冷凝溫度的氣體分別液化和固化，從而得到冷凝溫度更低的高純氣體(如氦氣)，已經液化的其它冷凝溫度較高的高純氣體同樣可以獲得。這樣就可以用較低的成本來實現(xiàn)兩種或多種氣體的分離和純化。本實用新型的技術方案是一種基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其特征是包括一級換熱器、二級換熱器、四級換熱器、至少一個小型低溫制冷機以及至少一個集液罐，所述的小型低溫制冷機包括第一冷頭和第二冷頭，所述的二級換熱器設置在所述的第一冷頭上形成一級冷頭換熱器，所述的四級換熱器設置在第二冷頭上形成二級冷頭換熱器，在所述的一級換熱器上設置有混合氣體進口、混合氣體出口、純化后氣體進口以及純化后氣體出口，所述的混合氣體出口連接至所述的一級冷頭換熱器入口，一級冷頭換熱器的出口連接所述集液罐的入口，集液罐氣體出口連接到二級冷頭換熱器進口，二級冷頭換熱器出口連接到一級換熱器冷端純化后氣體一進口，一級換熱器熱端為純化后氣體一出口。在所述的集液罐氣體出口與二級冷頭換熱器進口之間還設置有一三級換熱器，所述的二級冷頭換熱器出口也經過所述的三級換熱器連接至一級換熱器冷端純化后氣體一進口。還包括另一制冷機，該另一制冷機包括位于第一冷頭的一級換熱罐和位于第二冷
頭的二級換熱罐，所述的集液罐的液體出口經一級冷頭換熱器進入一級換熱器的冷端純化后氣體一進口，所述的集液罐的氣體出口經過所述的一級換熱罐連接至所述的二級冷頭換熱器進口，二級冷頭換熱器的出口連接另一集液罐，該另一集液罐的氣體出口經過所述的二級換熱罐連接至一級換熱器的冷端純化后氣體二進口，所述另一集液罐的液體出口經一級冷頭換熱器和一級換熱罐進入一級換熱器的冷端純化后氣體三進口，一級換熱器熱端為純化后氣體一出口、氣體二出口和氣體三出口。所述的一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器和四級換熱器類型為繞管換熱器、盤管式換熱器、板式換熱器或翅片式換熱器。所述的小型低溫制冷機為GM制冷機、脈管制冷機、斯特林制冷機或J-T制冷機。本實用新型的有益效果本實用新型將小型低溫制冷機引入到傳統(tǒng)的氣體分離和純化系統(tǒng)中，用小型低溫制冷機第一級和第二級冷頭作為冷源，將不同冷凝溫度的其它氣體分別液化和固化，冷凝溫度較高的氣體在制冷機第一級冷頭液化后，冷凝溫度較低的氣體純度將達到99%以上，依然存在1%左右的雜質氣體未被液化，這就需要溫度更低的冷源(制冷機第二級冷頭提供)將雜質氣體固化，冷源溫度越低，氣體純度越高，經過固化后的氣體純度通常達到99. 999%以上。這樣就可以用較低的成本來實現(xiàn)兩種或多種氣體的分離和純化。

圖I是本實用新型獲得高純氦氣和氮氣的基于GM制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置系統(tǒng)原理圖。圖2是獲得高純氦氣、氖氣和氮氣三種產品氣的基于GM制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置系統(tǒng)原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。實施例一為獲得高純氦氣和氮氣的基于GM制冷機的用于氣體分離和純化的低溫
>J-U裝直。如圖I所示?；贕M制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，包括混合氣進口I、一級換熱器2、二級換熱器3、集液罐4、三級換熱器5、四級換熱器6、氦氣出口 7、氮氣出口 8、GM制冷機9、和真空罩10，所述混合氣進口 I連接一級換熱器2熱端進口，一級換熱器2冷端出口連接二級換熱器3進口，二級換熱器3盤繞在GM制冷機一級冷頭上，二級換熱器3出口連接到集液罐4氣體進口，集液罐4氣體出口連接到三級換熱器5熱端進口，三級換熱器5冷端出口連接到四級換熱器6進口，四級換熱器6盤繞在GM制冷機二級冷頭上，四級換熱器6出口連接到三級換熱器5冷端進口，三級換熱器5熱端出口連接到一級換熱器2冷端進口，一級換熱器2熱端出口連接到氦氣出口 7，集液罐4液體出口連接到氮氣出口 8。GM制冷機9的一級、二級冷頭部分，一級換熱器2，二級換熱器3，三級換熱器4，四級換熱器5和集液罐4均置于真空罩10中。所述的獲得高純氦氣和氮氣的一種基于GM制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其工作流程如下原料氣(含氦氣和氮氣)從混合氣進口 I進入系統(tǒng)后首先進入一級換熱器2預冷，預冷到較低溫度后再進入到二級換熱器3中進一步冷卻，二級換熱器3盤繞在GM制冷機9的一級冷頭上。 所述原料氣離開二級換熱器3出口時是氣液混合物，原料氣中的絕大部分氮氣已經液化，氣液混合物進入集液罐4后進行氣液分離，液體在集液罐4底部聚集，此時，離開集液罐4的氣體里面依然含有少量未被液化的氮氣。所述氦氣及少量未被液化的氮氣離開集液罐4進入到三級換熱器5中再次冷卻，之前少量的未被液化的氮氣在三級換熱器5中固化,從三級換熱器5冷端出來的氦氣純度達到了 99. 999%以上，為高純氣。所述高純氣進入到四級換熱器6中，四級換熱器6盤繞在GM制冷機9的二級冷頭上，離開四級換熱器6的氦氣溫度達到最低值，氦氣首先經過三級換熱器5再經過一級換熱器2后恢復到常溫到達氦氣出口 7，集液罐4中液化的氮氣每隔一段時間自動控制排放。實施例二為獲得高純氦氣、氖氣和氮氣三種產品氣的基于GM制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置。如圖2所示。基于GM制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，包括原料氣進口11，一級換熱器12，一級冷頭換熱器13，集液罐一 14，二級冷頭換熱器15，集液罐二 16，一級換熱罐17，二級換熱罐18，GM制冷機一 19，GM制冷機二 20，氮氣出口 21，氦氣出口 22，氖氣出口 23和真空罩24。所述的獲得高純氦氣、氖氣和氮氣三種產品氣的一種基于GM制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其工作流程如下原料氣(含氦氣、氖氣和氮氣)從原料氣進口 11首先進入一級換熱器12中進行預冷。經所述一級換熱器12預冷后的原料氣進入一級冷頭換熱器13進一步降溫，將原料氣中的氮氣液化，原料氣在一級冷頭換熱器13出口轉變?yōu)榘簯B(tài)氮氣、氣態(tài)氮氣、氦氣和氖氣的氣液混合物。所述氣液混合物流出一級冷頭換熱器13后，流入集液罐一 14，在集液罐一 14中將氣體和液體分離，分離后的液態(tài)氮氣回流至一級換熱器12中預冷原料氣，分離后的氦氣、氖氣以及未被液化的氮氣進入一級換熱罐17繼續(xù)降溫。所述未被液化的氮氣在一級換熱罐17中被固化，流出一級換熱罐17的氣體為氦氣和氖氣的混合氣體。所述氦氣和氖氣的混合氣體進入二級冷頭換熱器15進一步降溫，將其中的氖氣液化，氦氣和氖氣的混合氣體在二級冷頭換熱器15出口轉變?yōu)榘簯B(tài)氖氣、氣態(tài)氖氣和氦氣的氣液混合物。所述液態(tài)氖氣、氣態(tài)氖氣和氦氣的氣液混合物流出二級冷頭換熱器15后,流入集液罐二 16，在集液罐二 16中將氣體和液體分離，分離后的氦氣以及未被液化的氖氣進入二級換熱罐18。所述未被液化的氖氣在二級換熱罐18中被固化，流出二級換熱罐18的氣體為低溫高純氦氣，低溫高純氦氣回流至一級換熱器12，預冷常溫原料氣，氦氣被復溫至常溫，SP可獲得常溫高純氦氣。所述的分離后的液態(tài)氖氣回流至一級冷頭換熱器13，預冷經一級換熱器12預冷后的原料氣，液態(tài)氖氣吸熱轉變成氣態(tài)且被復溫，被復溫后的氖氣進入一級換熱罐17再次降溫后流入一級換熱器12預冷常溫原料氣，低溫氖氣在一級換熱器12中被復溫至常溫，即可獲得常溫高純氖氣。 本實施例一和實施例二只是列舉了獲得兩種廣品氣和二種廣品氣的原理和方法，如需要獲得更多的產品氣則需要在獲得三種產品氣的基礎上加以改進得到。本實用新型未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
權利要求1.一種基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其特征是包括一級換熱器(2)、二級換熱器(3)、四級換熱器(6)、至少一個小型低溫制冷機(9)以及至少一個集液罐(4)，所述的小型低溫制冷機(9)包括第一冷頭和第二冷頭，所述的二級換熱器(3)設置在所述的第一冷頭上形成一級冷頭換熱器，所述的四級換熱器(6)設置在第二冷頭上形成二級冷頭換熱器，在所述的一級換熱器(2)上設置有混合氣體進口、混合氣體出口、純化后氣體進口以及純化后氣體出口，所述的混合氣體出口連接至所述的一級冷頭換熱器入口，一級冷頭換熱器的出口連接所述集液罐(4)的入口，集液罐(4)氣體出口連接到二級冷頭換熱器進口，二級冷頭換熱器出口連接到一級換熱器(2)冷端純化后氣體一進口，一級換熱器(2)熱端為純化后氣體一出口。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其特征是在所述的集液罐氣體出口與二級冷頭換熱器進口之間還設置有一三級換熱器(5)，所述的二級冷頭換熱器出口也經過所述的三級換熱器(5)連接至一級換熱器(2)冷端純化后氣體一進口。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其特征是還包括另一制冷機，該另一制冷機包括位于第一冷頭的一級換熱罐和位于第二冷頭的二級換熱罐，所述的集液罐的液體出口經一級冷頭換熱器進入一級換熱器的冷端純化后氣體一進口，所述的集液罐的氣體出口經過所述的一級換熱罐連接至所述的二級冷頭換熱器進口，二級冷頭換熱器的出口連接另一集液罐，該另一集液罐的氣體出口經過所述的二級換熱罐連接至一級換熱器的冷端純化后氣體二進口，所述另一集液罐的液體出口經一級冷頭換熱器和一級換熱罐進入一級換熱器的冷端純化后氣體三進口，一級換熱器熱端為純化后氣體一出口、氣體二出口和氣體三出口。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其特征是所述的一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器和四級換熱器類型為繞管換熱器、盤管式換熱器、板式換熱器或翅片式換熱器。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，其特征是所述的小型低溫制冷機為GM制冷機、脈管制冷機、斯特林制冷機或J-T制冷機。
專利摘要本實用新型公開了一種基于小型低溫制冷機的用于氣體分離和純化的低溫裝置，包括一級換熱器、二級換熱器、四級換熱器、至少一個小型低溫制冷機以及至少一個集液罐，小型低溫制冷機包括第一冷頭和第二冷頭，二級換熱器設置在第一冷頭上形成一級冷頭換熱器，四級換熱器設置在第二冷頭上形成二級冷頭換熱器，混合氣體出口連接至一級冷頭換熱器入口，一級冷頭換熱器的出口連接集液罐的入口，集液罐氣體出口連接到二級冷頭換熱器進口。本實用新型用小型低溫制冷機的第一級和第二級冷頭作為冷源，將不同冷凝溫度的氣體分別液化和固化，從而得到冷凝溫度更低的高純氣體，這樣就可以用較低的成本來實現(xiàn)兩種或多種氣體的分離和純化。
文檔編號F25J3/08GK202470623SQ20122004243
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權日2012年2月10日
發(fā)明者巢偉, 李奧, 董文慶, 陳杰, 高金林 申請人:南京柯德超低溫技術有限公司