帶冷量回收的污氦氣冷凝純化方法

徐 鵬 馮國(guó)超,2 朱偉平 龔領(lǐng)會(huì) 李正宇 鄒龍輝,2

(1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

帶冷量回收的污氦氣冷凝純化方法

徐 鵬1馮國(guó)超1,2朱偉平1龔領(lǐng)會(huì)1李正宇1鄒龍輝1,2

(1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

以HYSYS為工具對(duì)氦冷凝純化的影響因素進(jìn)行了理論分析，為氦冷凝純化的純化壓力選取提供了依據(jù)。同時(shí)，對(duì)冷凝純化過(guò)程中的冷量回收利用方式進(jìn)行了理論研究，提出了對(duì)雜質(zhì)冷凝液節(jié)流后回?zé)岬男路椒?，?jīng)過(guò)模擬計(jì)算，提高了氦冷凝純化的經(jīng)濟(jì)性。

氦氣 冷凝純化 冷量回收

1 引 言

氦是一種無(wú)色、無(wú)味的惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，一般情況下不與任何元素化合。氦具有很低的臨界溫度，是自然界中最難液化的氣體；在所有的氣體中，氦的沸點(diǎn)最低，4He的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)僅為4.224 K。同時(shí)，氦還具有較高的比熱、熱導(dǎo)率及低密度等熱物理性質(zhì)(僅次于氫氣)[1]。因其獨(dú)特的熱物性，氦被廣泛應(yīng)用于低溫、超導(dǎo)(NMR，MRI等)、加壓置換、焊接保護(hù)氣氛、檢漏、呼吸混合氣等方面，它和空間技術(shù)、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、光纖等工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)[2]。

氦應(yīng)用如此之廣泛，但是氦是一種稀缺的不可再生資源，在空氣中含量?jī)H為4—5.6 mg/L，而且其提取過(guò)程非常困難，因此主要從天然氣中提取微量的氦氣。中國(guó)是一個(gè)貧氦國(guó)家，幾乎全部的氦氣來(lái)源于國(guó)外進(jìn)口，隨著低溫技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)氦的需求量日益增大，一旦美國(guó)收緊氦的出口，屆時(shí)會(huì)因無(wú)氦供應(yīng)導(dǎo)致現(xiàn)有的許多相關(guān)的科研和醫(yī)療項(xiàng)目無(wú)法實(shí)施，影響非常嚴(yán)重。因此，為了節(jié)約氦氣資源，必須對(duì)氦氣資源進(jìn)行回收純化。

2 氦氣低溫純化方法

2.1 冷凝吸附純化

冷凝、吸附純化是將污氦氣壓縮后在低溫(78 K)下先進(jìn)行冷凝，分離出其中的雜質(zhì)冷凝液，該步驟稱為氦冷凝純化。然后冷凝純化后的污氦氣再通過(guò)低溫吸附劑除去剩余雜質(zhì)。其流程為：回收得到的污氦氣在增壓后，在油水分離器內(nèi)除去油分和壓縮后產(chǎn)生的水分，進(jìn)入干燥器進(jìn)一步除去水分和二氧化碳，然后進(jìn)入純化系統(tǒng)。首先在冷凝換熱器中將高壓污氦氣中的空氣冷凝成液態(tài)并分離除去，再進(jìn)入低溫吸附筒中；由活性炭在高壓低溫下，吸附剩余的空氣雜質(zhì)后，之后壓入集束管(或集裝格)貯存[3]。冷凝吸附純化方式示意圖如圖1所示。

圖1 冷凝吸附純化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram for condensing and adsorption purification system

冷凝吸附原理的氦純化器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，純化效果穩(wěn)定，但工作壓力較高，需要消耗液氮，占空間較大。目前國(guó)內(nèi)外公司如德國(guó)LINDE、法國(guó)AIR LIQUID、安徽萬(wàn)瑞冷電科、南京鵬力超低溫有限公司等均有基于此純化方式的氦純化器產(chǎn)品，而中國(guó)科學(xué)院等離子體所、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所等也均采用該原理的氦純化器做氦的器外純化[4-5]。

2.2 冷凝、凍結(jié)純化

冷凝、凍結(jié)純化同樣是將污氦氣先進(jìn)行冷凝純化，分離出其中的雜質(zhì)冷凝液，然后進(jìn)一步降溫將剩余的雜質(zhì)凍結(jié)去除。該純化原理被廣泛應(yīng)用于商品化氦液化器的器內(nèi)純化器中，利用氦液化器本身的冷量進(jìn)行純化，因此不消耗液氮，并使純化器與液化系統(tǒng)緊密聯(lián)系起來(lái)，自動(dòng)化程度高。其示意圖如圖2。

其流程為：污氦氣在常溫吸附器中除去其中的水份、二氧化碳、油份，之后減壓至純化壓力，然后進(jìn)入內(nèi)純化器。首先在內(nèi)純化一級(jí)換熱器中(出口溫度約65 K)將污氦氣中的空氣冷凝成液態(tài)并分離去除，再進(jìn)入內(nèi)純化二級(jí)換熱器(出口溫度約30 K)進(jìn)一步降溫，同時(shí)將剩余的雜質(zhì)凍結(jié)去除，最后純化后的氦氣經(jīng)回?zé)徇M(jìn)入氦液化器高壓側(cè)[6]。

由于內(nèi)純化結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需操作，因此現(xiàn)有商業(yè)化的氦液化器普遍采用該形式，如林德、法液空、大陽(yáng)日酸等均采用了器內(nèi)純化的方式。

圖2 冷凝凍結(jié)純化系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram for condensing and freeze-out purification system

3 氦冷凝純化的影響因素

在低溫冷凝吸附純化方法中，氦冷凝純化將污氦氣冷卻到液氮溫度點(diǎn)，并將產(chǎn)生的冷凝液分離去除，從而起到冷凝純化的作用。對(duì)氦冷凝純化采用ASPEN-HYSYS建模進(jìn)行計(jì)算，由于現(xiàn)有回收污氦氣中雜質(zhì)以干燥空氣為主，考慮到He-Air缺乏相應(yīng)的相平衡數(shù)據(jù)，因此以下分析均采用He-N2二元混合氣體。對(duì)于He-N2二元混合氣體的狀態(tài)方程，與WILL E. DeVANEY等測(cè)得He-N2氣液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，采用ASPEN-HYSYS中的SRK方程[7]。

當(dāng)不同壓力、不同純度的污氦氣經(jīng)降溫冷卻到78 K時(shí)，氣液分離后污氦氣中N2含量如圖3。

圖3 污氦氣壓力、純度對(duì)純化效果的影響Fig.3 Purification performance under different pressure and purity of contaminated helium

由圖3可以看到，不同的污氦氣純度、不同的純化壓力對(duì)低溫冷凝純化效果的影響如下所示。

(1)對(duì)不同純度的污氦氣，隨著冷凝純化壓力的升高，其純化效果越來(lái)越好，即出口雜質(zhì)含量逐漸減少。

(2)當(dāng)冷凝純化壓力小于10 MPa時(shí)(中壓流程)，污氦氣入口純度對(duì)冷凝換熱器純化效果影響很大，對(duì)70%純度的污氦氣來(lái)說(shuō)，1 MPa時(shí)N2冷凝純化后仍有10.9 %V的含量，而10 MPa時(shí)僅剩余1 %V左右。同時(shí)，在該壓力范圍內(nèi)，隨著污氦氣入口純度降低，剩余N2含量會(huì)迅速增大。因此，采用中壓流程時(shí)對(duì)純度較低的污氦氣進(jìn)行冷凝純化時(shí)效果較差，這將導(dǎo)致后級(jí)低溫吸附器工作負(fù)荷很重，因此中壓流程并不適用于純度較低的污氦氣。

(3)當(dāng)冷凝純化壓力高于10 MPa時(shí)(高壓流程)，純化壓力的升高對(duì)氦冷凝純化效果的增加則不明顯，當(dāng)污氦氣增壓至20 MPa時(shí)，出口雜質(zhì)含量為0.55 %V，僅減少0.45 %。另外，對(duì)于冷凝純化壓力大于10 MPa，則污氦氣入口純度對(duì)于冷凝換熱器純化效果沒(méi)有影響。

4 氦冷凝純化中冷量回收方式分析

圖1所示的冷凝吸附純化流程，在不考慮漏熱的情況下，該方法對(duì)于液氮的消耗主要有兩部分：氦冷凝純化消耗及低溫吸附消耗。其中氦冷凝對(duì)液氮的消耗是由于冷凝換熱器2浸泡于液氮中，需要消耗液氮潛熱來(lái)將污氦氣進(jìn)一步冷卻至液氮溫度78 K；低溫吸附的液氮消耗主要用于吸收吸附熱，由于低溫吸附器入口雜質(zhì)含量低于1%，因此這部分液氮消耗很少。

可以看出，低溫冷凝吸附的冷量消耗主要來(lái)自氦冷凝純化。以15 MPa的He-N2組分的污氦氣為例，對(duì)氦氣冷凝純化量100 Nm3/h(純氦氣量，約5 g/s)時(shí)所需的液氮量進(jìn)行計(jì)算，混合物的物性采用ASPEN的SRK方程，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 液氮消耗量隨污氦氣純度的變化Fig.4 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium

可以看出，隨著污氦氣入口純度的降低，冷凝換熱器消耗的液氮量迅速增加，70%純度工況下需要消耗的液氮量達(dá)到約135 L/h。

然而如圖5所示，在液氮消耗量增加的同時(shí)，大量的飽和冷氮?dú)夂碗s質(zhì)冷凝液被浪費(fèi)。當(dāng)氦氣純度為70%時(shí)，可以看到有近15 g/s(約66 L/h)的冷凝液及30 g/s的78 K飽和氮?dú)獗焕速M(fèi)。若將這部分冷量在冷凝換熱器中進(jìn)行充分的回收利用將具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而不同的冷量利用方式對(duì)液氮消耗量的影響就成為了研究重點(diǎn)。

圖5 冷凝液量及飽和氮?dú)饬侩S污氦氣純度的變化Fig.5 Mass flow rate of condensate and saturated nitrogen under different purity of contaminated helium

4.1 飽和氮?dú)饣責(zé)崂?/p>

對(duì)蒸發(fā)的飽和氮?dú)庠诶淠龘Q熱器1中進(jìn)行回?zé)?，如圖6所示。計(jì)算結(jié)果如圖7，可以看出同樣隨著污氦氣入口純度的降低，冷凝換熱器消耗的液氮量迅速增加，70%純度工況下需要消耗的液氮量達(dá)到約65 L/h，較不對(duì)飽和氮蒸汽回?zé)岬牧鞒桃旱牧繙p少70 L/h。因此，對(duì)蒸發(fā)的飽和氮蒸汽進(jìn)行回?zé)崂?，可以有效的?jié)能，在70%純度時(shí)減少液氮消耗近52%。

圖6 飽和氮?dú)饣責(zé)崂玫睦淠郊兓到y(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of condensing and adsorption purification system with saturated nitrogen recycled

圖7 液氮消耗量隨污氦氣純度的變化Fig.7 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium

4.2 雜質(zhì)冷凝液直接回?zé)?/p>

圖8所示為在冷凝換熱器中對(duì)冷凝液進(jìn)行回收的示意圖，考慮將冷凝液在冷凝換熱器1中直接回?zé)?，即低溫?jié)流閥無(wú)壓降時(shí)，冷凝換熱器夾點(diǎn)溫差為1 K時(shí)消耗的液氮量如圖9。

圖8 冷凝液回?zé)崂玫睦淠郊兓到y(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of condensing and adsorption purification system with condensate recycled

圖9 液氮消耗量隨污氦氣純度的變化Fig.9 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium

可以看到當(dāng)對(duì)78 K的雜質(zhì)冷凝液進(jìn)行直接回?zé)釙r(shí)，70%純度的污氦氣冷凝純化的液氮消耗量?jī)H為約38 L/h，較不做雜質(zhì)冷凝液回?zé)崂脮r(shí)液氮消耗量減少97 L/h，因此對(duì)雜質(zhì)冷凝液進(jìn)行直接回?zé)岬墓?jié)能效果更為明顯，減少液氮消耗近72%。

4.3 雜質(zhì)冷凝液節(jié)流后回?zé)?/p>

進(jìn)一步考慮雜質(zhì)冷凝液的冷量回收方式，當(dāng)污氦氣純度為70%時(shí)，對(duì)冷凝液進(jìn)行不同壓降下的節(jié)流，可以計(jì)算得到冷凝液回?zé)釅毫?duì)液氮消耗量的影響，如圖10所示。

圖10 冷凝液回?zé)釅毫?duì)液氮消耗量的影響Fig.10 Liquid nitrogen consumption under different purity of contaminated helium and different regeneration pressure

從理論計(jì)算可以看，冷凝液回?zé)釅毫ν瑯訉?duì)于液氮消耗量有非常大的影響，當(dāng)回?zé)釅毫Ω哂? MPa時(shí)，冷凝液節(jié)流效果甚微；而當(dāng)回?zé)釅毫Φ陀? MPa時(shí)，冷凝液節(jié)流后可以大幅降低液氮消耗量。當(dāng)回?zé)釅毫?.15 MPa時(shí)，對(duì)于入口純度70%純度污氦氣，液氮消耗量為1.5 L/h；而對(duì)95%的污氦氣，液氮消耗量為2.4 L/h，減少液氮消耗98%。可以看出，冷凝液節(jié)流后回?zé)崾歉玫睦淞坷梅绞剑摲绞綄⒗淠龘Q熱器中的夾點(diǎn)溫度向換熱器冷端推移，從而使冷凝液潛熱在更低溫度點(diǎn)被利用。

同時(shí)由于此時(shí)液氮消耗量非常少，相應(yīng)的飽和蒸汽量也非常少，利用飽和蒸汽冷量的意義不大。

5 結(jié) 論

對(duì)氦低溫冷凝吸附純化法中的冷凝純化部分進(jìn)行了理論研究，得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于冷凝吸附法對(duì)氦進(jìn)行純化，當(dāng)純化壓力高于10 MPa時(shí)，污氦氣入口純度對(duì)冷凝純化效果沒(méi)有影響，且壓力繼續(xù)升高對(duì)冷凝純化效果影響不大；

(2)當(dāng)前冷凝純化部分未對(duì)飽和氮蒸汽及雜質(zhì)冷凝液冷量進(jìn)行回收利用，冷量浪費(fèi)嚴(yán)重，液氮消耗量大；

(3)對(duì)飽和氮蒸汽回?zé)?、雜質(zhì)冷凝液直接回?zé)?、雜質(zhì)冷凝液節(jié)流后回?zé)徇M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這3種冷量回收方式均有較明顯的節(jié)能作用，其中雜質(zhì)冷凝液節(jié)流在回?zé)釅毫Φ陀?.15 MPa時(shí)可使液氮消耗量減少98%以上，冷量利用效果最優(yōu)。

1 吳業(yè)正. 制冷與低溫技術(shù)原理 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

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Niu Xiaofei, Han Yanning, Wan Yuqin, et al. Design and construction of helium recovery and purification system for ADS[J]. Cryo.& Supercond., 2013, 41(12):6-9.

6 徐 鵬, 龔領(lǐng)會(huì), 劉輝明,等. 氦液化器中內(nèi)純化器主要流程參數(shù)分析[C]. 第十一屆全國(guó)低溫工程大會(huì)， 2013.

Xu Peng，Gong Linghui, Liu Huiming, et al. The analyses of primary process parameters of the integrated purifier in the helium liquefier[C]. Transaction on the 11th National Cryogenic Conference，2013：80-84.

7 Will E, Devaney. Vapor-Liquid Equilibria of the Helium-Nitrogen System[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 1963, 8(4):473-478.

中國(guó)航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2016年度學(xué)術(shù)交流會(huì)召開

2016年10月21日至22日,中國(guó)航天第七(低溫)專業(yè)信息網(wǎng)2016年度學(xué)術(shù)交流會(huì)在天津航天城召開，會(huì)議由中國(guó)航天第七信息網(wǎng)主辦，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究承辦。國(guó)內(nèi)數(shù)十家高校、研究所和企業(yè)的代表近70人出席了本次學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。

本次大會(huì)共收到來(lái)各大高校、相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)研究單位論文47篇，論文緊密圍繞低溫專業(yè)，從試驗(yàn)方法、試驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)手段、試驗(yàn)設(shè)備研制等多個(gè)視角、多維度對(duì)低溫工程和試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了深入的闡述，體現(xiàn)了本領(lǐng)域的前沿研究成果和應(yīng)用技術(shù)。

開幕式由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所劉國(guó)青所長(zhǎng)主持，北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所楊思鋒常務(wù)副所長(zhǎng)代表網(wǎng)長(zhǎng)單位致歡迎詞。大會(huì)邀請(qǐng)張亮研究員，苗建印研究員和裴一飛研究員三位領(lǐng)域著名專家為與會(huì)代表就各自在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的最新研究，進(jìn)行了精彩的大會(huì)主題報(bào)告。專家們的報(bào)告緊密圍繞當(dāng)前低溫工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，高屋建瓴地闡述了當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀、最新研究成果和未來(lái)努力方向，對(duì)低溫工程領(lǐng)域的一些技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和深入的探討，與會(huì)代表紛紛表示對(duì)今后的研究方向提供了導(dǎo)向作用，受益匪淺。代表們通過(guò)深入的交流和探討，加強(qiáng)了低溫工程專業(yè)上的聯(lián)系和溝通，達(dá)到了開拓視野，了解最新科技動(dòng)態(tài)的目的，也為研究所與高校之間的交流搭建了平臺(tái)，極大地加強(qiáng)了低溫工程領(lǐng)域的合作，為未來(lái)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。大會(huì)最終評(píng)選優(yōu)秀論文5篇。

閉幕式由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所劉國(guó)青所長(zhǎng)、北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所劉玉濤總師做大會(huì)總結(jié)，均表示本次會(huì)議舉辦的簡(jiǎn)潔高效、內(nèi)容豐富、專業(yè)性強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期效果。下屆舉辦單位蘭州空間技術(shù)物理研究所王先榮巡視員發(fā)表了講話，對(duì)本次會(huì)議成功舉辦表示祝賀，并對(duì)與會(huì)代表提出邀請(qǐng)，歡迎大家積極參加下屆會(huì)議。

趙 明 供稿

Condensing purification method of contaminated helium with cooling power recycled

Xu Peng1Feng Guochao1,2Zhu Weiping1Gong Linghui1Li Zhengyu1Zou Longhui1,2

(1The Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China) (2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190,China)

This paper makes an theoretical analysis of the influence factors of the helium cryogenic condensing and purification using APEN-HYSYS, and provides theoretical basis for the purification pressure of helium cryogenic condensing. Besides, it also makes a study of the methods of recycling the cooling power during the condensing purification, and brings forward a new methods to reheat the impurity condensate after its throttling, which highly improves the economical efficiency of helium cryogenic adsorption and purification.

helium; condensing purification; cooling power recycling

2016-06-28；

2016-09-30

航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究課題(SKLTSCP1605)資助項(xiàng)目。

徐 鵬，男，30歲，博士。

TB65

A

1000-6516(2016)05-0005-06