專利名稱：金屬噴霧器氣體供應(yīng)和再生的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工藝氣體的使用，如氬氣，該工藝設(shè)備首先用氦氣和氦氣凈化設(shè)備凈化。
背景技術(shù)：
眾所周知，基于氬氣的工藝可以回收和凈化工藝中使用的氬氣。凈化設(shè)備可以包括吸氣器，PSA，TSA和低溫柱。然而，利用上述凈化設(shè)備從氬氣中分離氧氣和氮?dú)鈺?huì)產(chǎn)生額外的資金成本。眾所周知，從氦氣中去除氧氣和氮?dú)獾馁Y金成本較低。由于氦氣和其它雜質(zhì)在物理性質(zhì)上的差別，從氦氣中分離氧氣和氮?dú)飧菀讓?shí)現(xiàn)。
作為一個(gè)實(shí)例，眾所周知，在間歇處理工藝中，通過(guò)霧化噴嘴將氣流噴射到熔融的金屬流周圍可以產(chǎn)生霧化粉末。通常，熔融的物質(zhì)是如下的金屬鐵、鋼、銅、鎳、鋁、鎂、鉛、錫、鈦、鈷、釩、鉭和它們的合金，或也可以用來(lái)生產(chǎn)非金屬粉末的物質(zhì)，如使用氧化物和/或陶瓷材料作為熔融流。在許多情況下，優(yōu)選使用高純氬氣(例如，至少99.99mol％)。
在霧化前，從熔融室和霧化塔中去除雜質(zhì)也是必須的。這些雜質(zhì)包括氧氣、氮?dú)?、水、一氧化碳、二氧化碳、金屬和金屬鹽。不利的是，從氧氣和氮?dú)庵蟹蛛x氬氣非常困難且昂貴。除了吸氣器(即化學(xué)反應(yīng))，膜和分子篩(如在PSA中)處理氧氣和氬氣幾乎是一樣的。因此，當(dāng)氣體中包含相當(dāng)數(shù)量的氮?dú)夂脱鯕怆s質(zhì)時(shí)，氬氣凈化包括再生吸氣器或低溫工藝。因而在霧化工藝中凈化氬氣是非常高成本的，而凈化氦氣簡(jiǎn)單多了，因此成本較低。
更進(jìn)一步的，美國(guó)專利4629407公開(kāi)了一種金屬霧化系統(tǒng)，帶有氣體回收、凈化和傳輸系統(tǒng)。氣體回收系統(tǒng)可以處理惰性氣體和氮?dú)?。?duì)于惰性氣體，氣體凈化系統(tǒng)是使用鈦吸氣器去除氧氣和氮?dú)?。?duì)于氮?dú)?，氣體凈化系統(tǒng)使用其它吸氣器如銅金屬來(lái)去除氧氣。惰性氣體和氮?dú)舛紤?yīng)該使用分子篩去除水。
專利4838912和6123909各自公開(kāi)了基于氬氣液化和/或蒸餾的氬氣回收系統(tǒng)。
發(fā)明目的因而本發(fā)明的目的是提供一個(gè)工藝和系統(tǒng)，當(dāng)該工藝設(shè)計(jì)使用不同的氣體如氬氣時(shí)，該工藝和系統(tǒng)能夠有效的凈化使用氦氣的工藝室。
發(fā)明概述本發(fā)明使用氦氣和氦氣回收設(shè)備凈化填充工藝氣體前的工藝室。工藝氣體用在間歇處理中，該工藝包括霧化、熱處理、化學(xué)摻雜，金屬處理或任何其它分離工藝氣體困難或昂貴的雜質(zhì)分離工藝。因而，作為本發(fā)明的第一步，工藝室含有的雜質(zhì)濃度達(dá)到不能接受的濃度，引入氦氣到工藝室與雜質(zhì)混合，氦氣和雜質(zhì)然后通過(guò)凈化設(shè)備去除雜質(zhì)。當(dāng)工藝室內(nèi)雜質(zhì)濃度達(dá)到可以接受的水平時(shí)，作為第二步，工藝氣體置換工藝室內(nèi)氦氣。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是使用氦氣和氦氣回收設(shè)備來(lái)凈化用于霧化填充氬氣前的金屬霧化工藝中的熔融室和塔。霧化工藝是間歇工藝，其中，霧化后，霧化室在空氣中打開(kāi)，得到清潔。這就將空氣引入系統(tǒng)。因而根據(jù)本發(fā)明，發(fā)明工藝的第一步是加真空于熔融室和霧化器。真空減少了空氣和其它雜質(zhì)的量。真空步驟的最后，氦氣通入工藝室和塔增加其中的壓力，直到稍微高于大氣壓力。氦氣的純度依賴于氦氣引入工藝室的方式，范圍在約90-99.999mol％。例如，通過(guò)密度交換氦氣置換空氣，交換后氦氣的純度達(dá)到90mol％的數(shù)量級(jí)。另一方面，如果氦氣是在真空去除空氣后引入，從凈化系統(tǒng)直接引入的氦氣純度可達(dá)到99.999mol％數(shù)量級(jí)，或如果從例如滲透管引入，純度可達(dá)到99.995mol％。壓縮設(shè)備使氦氣和雜質(zhì)循環(huán)通過(guò)氦氣回收系統(tǒng)得以凈化。氦氣凈化系統(tǒng)可以使用一次和多次壓力變化吸附和/或膜吸附來(lái)分離氣體雜質(zhì)中的氦氣，以生產(chǎn)99.999mol％的氦氣。優(yōu)選的工藝公開(kāi)在通常認(rèn)定的WO 031011434 A1(氦氣回收控制系統(tǒng))和WO031011431 A1(氦氣回收)中。
凈化后，氦氣與例如氬氣交換。氬氣在塔的低點(diǎn)進(jìn)入霧化系統(tǒng)，當(dāng)氬氣進(jìn)入霧化系統(tǒng)，氦氣通過(guò)塔的高點(diǎn)從系統(tǒng)中排出。在優(yōu)選的方式中，氬氣/氦氣交換獲得的氣體中氬氣大于90％。剩余在霧化系統(tǒng)中的氦氣可以作為氬氣的雜質(zhì)停留，或通過(guò)另外的工藝去除。在高純度的情況下，霧化空氣中氧氣、氮?dú)狻⑺?、CO2和其它雜質(zhì)(不包括氦氣)的含量必須小于百萬(wàn)分之5(ppm)，優(yōu)選小于2ppm。在霧化過(guò)程中，使氦氣循環(huán)的同一壓縮設(shè)備在此使氬氣循環(huán)。額外的壓縮用來(lái)增加氬氣的壓力達(dá)到用于霧化工藝的噴嘴所需壓力(如范圍在100-1500psi)。
更通常的是，本發(fā)明涉及去除不可接受雜質(zhì)的工藝，如工藝設(shè)備空氣中的雜質(zhì)。包括以下步驟(a)從工藝設(shè)備中去除空氣；(b)引入氦氣到所述的工藝設(shè)備；(c)循環(huán)所述氦氣完全通過(guò)所述工藝設(shè)備；(d)用氬氣或其它工藝氣體交換所述氦氣；和(e)用所述工藝氣體完成工藝過(guò)程。
在一個(gè)實(shí)施方式中，引入氦氣前，通過(guò)真空將空氣從所述工藝設(shè)備中去除。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述空氣通過(guò)密度交換被所述氦氣置換。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述氦氣由凈化系統(tǒng)提供。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，凈化系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)壓力變化吸收系統(tǒng)和膜系統(tǒng)。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述凈化系統(tǒng)與所述工藝設(shè)備連接成為整體。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)密度交換，所述氦氣被所述氬氣交換。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，氦氣在低于大氣壓的條件下引入所述工藝設(shè)備。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述工藝設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)熔融室和霧化塔。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述工藝產(chǎn)生霧化金屬和被污染的氬氣。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述污染的氬氣被處理。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述氬氣通過(guò)凈化系統(tǒng)去除一種或多種所述污染成分和霧化金屬。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述污染成分存在的量小于2ppm。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，90％或更多的所述氦氣被氬氣交換。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明包括一個(gè)工藝系統(tǒng)，例如，金屬霧化，包括a)工藝系統(tǒng)，例如金屬霧化塔；b)氦氣源；c)工藝氣體源，如氬氣源；d)用工藝氣體如氬氣交換氦氣的方法和將氬氣填充入金屬霧化塔的手段。在該系統(tǒng)的實(shí)施方式中，氦氣源是氦氣凈化系統(tǒng)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員，從以下的優(yōu)選實(shí)施例的敘述和附圖，可以認(rèn)識(shí)到其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的簡(jiǎn)圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明使用氦氣凈化引入氬氣前的工藝設(shè)備(如霧化塔和熔融室)。利用膜和分子篩去除氦氣中的空氣、甲烷和其它雜質(zhì)。通過(guò)聯(lián)合使用標(biāo)準(zhǔn)PSA/膜，工藝設(shè)備中氣體純度能達(dá)到上述雜質(zhì)小于5ppm。PSA/膜氦氣回收系統(tǒng)能夠去除百分比數(shù)量的氧氣和氮?dú)狻．?dāng)氦氣氣體達(dá)到所需的純度后，氬氣可以簡(jiǎn)單的置換工藝設(shè)備中的氦氣。
氬氣/氦氣交換可通過(guò)多種已知的方法實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選方法是利用氦氣和氬氣的密度不同。在密度分離中，氬氣從系統(tǒng)的低點(diǎn)引入，氦氣在系統(tǒng)高點(diǎn)去除。如果交換后，氬氣中的氦氣濃度還是很高，那么可以使用膜和/或PSA凈化系統(tǒng)來(lái)降低氦氣濃度。一旦不希望的雜質(zhì)(如氧氣和氮?dú)?濃度降低到可接受的水平(如上述提到的2-5ppm)，霧化工藝開(kāi)始。
工藝設(shè)備和回收設(shè)備的壓力保持高于大氣壓，以避免空氣滲透進(jìn)系統(tǒng)。然而，即使高于大氣壓，氧氣和氮?dú)庖部梢栽诮饘倩蛟O(shè)備脫氣過(guò)程進(jìn)入工藝氣體。在氧氣和氮?dú)鉂舛冗^(guò)高的情況下，氬氣凈化可以在壓縮到大約10bar過(guò)程中通過(guò)切向流實(shí)現(xiàn)(其中，部分氣體被去除、凈化和重新引入)。
本發(fā)明參照附圖1得到更詳細(xì)描述。本發(fā)明從引入氦氣(來(lái)自源18或來(lái)自PSA16的凈化設(shè)備)到霧化器30，即工藝設(shè)備開(kāi)始。使用如真空泵28，通過(guò)管線27將工藝設(shè)備抽真空(為了去除空氣)后，氦氣作為回填氣體引入。空氣然后通過(guò)管線29和壓縮機(jī)5進(jìn)入氬氣凈化系統(tǒng)。
氦氣還可以通過(guò)空氣和氦氣的密度交換來(lái)引入。為了密度交換，氦氣從設(shè)備的高點(diǎn)引入，而空氣從低點(diǎn)被排出(如管線27)。氦氣/空氣交換后，期望氦氣的濃度達(dá)到90％和更高。一旦氦氣占據(jù)工藝設(shè)備，壓縮機(jī)5啟動(dòng)并推動(dòng)氣體通過(guò)PSA13，雜質(zhì)通過(guò)管線16排出。純凈氣體離開(kāi)PSA通過(guò)管道15進(jìn)入工藝設(shè)備。因而，氣體以循環(huán)方式在工藝設(shè)備和凈化設(shè)備間流動(dòng)。壓縮機(jī)5繼續(xù)推動(dòng)氣體循環(huán)，直到分析儀24顯示雜質(zhì)水平(如氧氣和氮?dú)?達(dá)到特定要求。一旦雜質(zhì)濃度達(dá)到特定要求，壓縮機(jī)5開(kāi)始通過(guò)管道25再循環(huán)。
下一步包括用氬氣置換氦氣。通過(guò)使用另一種密度交換，氬氣置換氦氣。氬氣23進(jìn)入管道4。氦氣通過(guò)高點(diǎn)由管道17離開(kāi)工藝室。管道17將氦氣送回壓縮機(jī)5，然后到達(dá)氣體接收器14。氬氣交換氦氣繼續(xù)直到氬氣達(dá)到需要的濃度。
氦氣/氬氣交換結(jié)束后，壓縮機(jī)5增加管道6中氬氣壓力，從10bar到13bar。帶有壓力的氬氣通過(guò)管道7流入壓縮機(jī)8。壓縮機(jī)8增壓氬氣到噴嘴壓力(＜150bar)。氬氣以噴嘴壓力充滿氣體接收器10。額外氬氣填充氣體接收器10，來(lái)自23的氬氣補(bǔ)充。氣體接收器10的尺寸設(shè)計(jì)為可以去除來(lái)自管道9的壓縮機(jī)8的脈沖。因而，本發(fā)明具有一個(gè)優(yōu)于以往技術(shù)的經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)，具有一個(gè)較小的高壓接收器。本發(fā)明的氣體循環(huán)迅速，不需要大量的高壓氣體。
工藝負(fù)荷氬氣的操作和控制是通過(guò)壓縮機(jī)調(diào)節(jié)和其它閥實(shí)現(xiàn)的。為避免管道4出現(xiàn)負(fù)壓，壓縮機(jī)5通過(guò)調(diào)低來(lái)減小容量，氬氣回流氣體從管道11通過(guò)管道26進(jìn)入管道4。保持管道4的正壓非常重要，因?yàn)樨?fù)壓會(huì)將空氣引入系統(tǒng)。即使PPM級(jí)的空氣也可能使氬氣濃度超出特定范圍。同樣控制也使用在霧化工藝中，來(lái)保證多余的雜質(zhì)不進(jìn)入系統(tǒng)。
在霧化過(guò)程中，霧化氣體和固體離開(kāi)霧化塔。固體經(jīng)管道3通過(guò)旋風(fēng)分離器1和過(guò)濾筒2時(shí)從氣體中分離。不含固體的氣體然后進(jìn)入壓縮機(jī)5。分析儀24繼續(xù)監(jiān)控氣體流以使其達(dá)到特定要求。
如果氣體范圍沒(méi)有達(dá)到特定要求，那么管道19上的流量控制閥打開(kāi)?？刂崎y的打開(kāi)程度依賴于分析儀24則定的雜質(zhì)量。壓縮機(jī)5的尺寸允許最高達(dá)噴嘴流量50％的氣體進(jìn)入管道19。因而，如果管道11后的霧化噴嘴流量為1000scfm，那么壓縮機(jī)5必須能提供當(dāng)控制閥完全打開(kāi)時(shí)所需的1500scfm。根據(jù)雜質(zhì)控制管道19上控制閥，壓縮機(jī)5可以動(dòng)力最小化，氬氣凈化設(shè)備20的操作使用也可以最小化。當(dāng)不純凈的氬氣通過(guò)管道19后，進(jìn)入氬氣凈化設(shè)備20。
氬氣凈化設(shè)備20可能包括熱變化吸收系統(tǒng)(TSA)去除CO2和水，氫催化氧化去除氧氣，或吸氣器去除氧氣和氮?dú)?。在最?yōu)選的情況下，氬氣凈化包括低溫吸附。低溫吸附可以從氬氣中去除氧氣和氮?dú)狻４罅康碾s質(zhì)采用氦氣凈化系統(tǒng)去除。因而，從金屬脫氣過(guò)程進(jìn)入系統(tǒng)的雜質(zhì)應(yīng)該非常低。氬氣凈化設(shè)備20較以往技術(shù)中的設(shè)備小很多。凈化后，純凈工藝氣體(如99.999mol％)從管道22回到壓縮機(jī)5進(jìn)行壓縮，而雜質(zhì)通過(guò)管道21排出。
氦氣/氬氣交換后，氦氣作為雜質(zhì)存在著幾個(gè)百分比(例如1-10mol％)。如果氬氣中氦氣濃度過(guò)高，那么可以用部分氬氣凈化設(shè)備20來(lái)去除氬氣中的氦氣。如果霧化前，氬氣中氦氣的濃度一定要降低，那么分離管道和閥門將使氣體循環(huán)進(jìn)入霧化器，而不是通過(guò)管道22流入霧化器。膜系統(tǒng)將提供最優(yōu)選的去除氦氣的方法。使用膜可以去除氦氣達(dá)到ppm級(jí)。其它去除氬氣中氦氣的方法包括PSA或低溫分離。
使用氬氣和氦氣混合物作為霧化氣體是有利的。因而用＞90％的氬氣取代氦氣/氬氣完全交換，工藝可以停下來(lái)使用不同的混合比。例如，如果霧化器需要50/50的氦氣和氬氣，氬氣凈化系統(tǒng)可以如上所述同樣工作。
氬氣凈化設(shè)備可以在管道6上，而不是在壓縮機(jī)5的環(huán)路上。這將減小壓縮機(jī)5的尺寸。在低溫吸附的情況下，壓縮機(jī)5可以在管道6中產(chǎn)生壓力，該壓力小于吸附溫度下氬氣的飽和壓力。處理所有工藝氣體較所述優(yōu)選方法將增加制冷成本。
除了氬氣凈化設(shè)備20，從23補(bǔ)充的氬氣能夠引入新鮮氬氣以稀釋雜質(zhì)。霧化器后的出口將排出多余的氣體。
附圖只為了方便地說(shuō)明本發(fā)明的特定特點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)本發(fā)明每個(gè)特點(diǎn)都可以和其它特點(diǎn)相結(jié)合。替代實(shí)施方式可以被本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，并被包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.去除封閉工藝設(shè)備內(nèi)氣體不需要雜質(zhì)的工藝，包括以下步驟(a)去除封閉工藝設(shè)備內(nèi)的任何空氣；(b)引入氦氣到所述封閉工藝設(shè)備；(c)循環(huán)所述氦氣完全通過(guò)所述封閉工藝設(shè)備以去除雜質(zhì)；(d)用工藝氣體交換所述氦氣；(e)以所述工藝氣體開(kāi)始工藝過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其中所述工藝氣體選自氬氣、氮?dú)?、?nèi)部氣體和他們的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其中在引入氦氣前，所述空氣通過(guò)真空從所述工藝設(shè)備中去除。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其中所述空氣通過(guò)密度交換被所述氦氣置換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其中所述氦氣由至少一個(gè)凈化系統(tǒng)提供，所述凈化系統(tǒng)與所述工藝設(shè)備連接成為整體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其中所述工藝設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)熔融室和一個(gè)霧化塔，所述工藝產(chǎn)生霧化金屬和污染的氬氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其中所述工藝設(shè)備選自化學(xué)蒸汽沉積設(shè)備、冷噴成型設(shè)備、熱噴設(shè)備、金屬鑄塑設(shè)備、陶瓷工藝設(shè)備、等離子弧設(shè)備和真空設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的工藝，其中所述氬氣通過(guò)凈化系統(tǒng)去除污染物質(zhì)。
9.一種工藝設(shè)備，包括(a)封閉工藝設(shè)備；(b)氦氣源；(c)工藝氣體源；(d)封閉環(huán)境下用工藝氣體交換氦氣的手段。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的工藝，其中所述工藝設(shè)備選自金屬霧化塔、化學(xué)蒸汽沉積設(shè)備、冷噴成型設(shè)備、熱噴設(shè)備、金屬鑄塑設(shè)備、陶瓷工藝設(shè)備、等離子弧設(shè)備和真空電弧設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明使用氦氣和氦氣回收凈化設(shè)備去除來(lái)自封閉工藝設(shè)備的雜質(zhì)，封閉工藝設(shè)備如熔融室和霧化塔。高于大氣壓的氬氣/氦氣交換可以產(chǎn)生霧化所需的氬氣氣氛。
文檔編號(hào)B01D61/00GK1741840SQ200380109229
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月26日
發(fā)明者S·E·杰恩斯, M·克萊斯, J·范登塞普 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司