氦氣純化器性能測試方法的比較

馬香蓮，師銅墻，劉 楊，陳志軍，呂繼祥，黃 衛(wèi)，張?zhí)K雯

(安徽萬瑞冷電科技有限公司，安徽 合肥 230088)

1 前 言

氦氣是一種不可再生的稀缺性戰(zhàn)略資源，在衛(wèi)星發(fā)射、導(dǎo)彈武器工業(yè)、浮空器、低溫超導(dǎo)研究、半導(dǎo)體生產(chǎn)、核磁共振成像、特種金屬冶煉及氣體檢漏等方面具有廣泛的用途。氦氣在全球的儲量分布非常不均勻，北美、北非及俄羅斯等地有著較為豐富的氦氣資源，而我國氦氣資源相對匱乏，我國的工業(yè)企業(yè)和科學(xué)試驗用氦氣(含液氦)基本依靠國外進(jìn)口，國內(nèi)的氦氣價格相對較高，且供貨周期很長，基于節(jié)約氦氣資源，降低氦氣使用成本，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)陸續(xù)開展氦氣回收純化裝置的研制和生產(chǎn)，有效解決了廢氦氣的回收提純純化問題。氦氣純化器即為工業(yè)領(lǐng)域以及科學(xué)院所提供氦氣回收提純的常用設(shè)備。為保證交付氦氣純化器性能合格，在出廠前需要進(jìn)行性能測試試驗，如處理量大的設(shè)備做一次測試，需要大量氦氣。本文結(jié)合生產(chǎn)實際，就兩種不同性能測試方法進(jìn)行了分析和比較。

2 材料和方法

2.1 原理

儲存于球囊或鋼瓶組的不純氦氣流經(jīng)氦氣純化器吸附雜質(zhì)，雜質(zhì)留在純化器，出氣即為氦氣高純氣體。

2.2 儀器

2.2.1純度測量

不純氦氣的純度采用綜合分析儀進(jìn)行測量；高純氦氣的純度采用可測量氮、氧、水的多組分高純分析儀。

2.2.2流量測量

流量計控制流經(jīng)氦氣純化器的流量，多余流量采用旁通。

2.3 材料

測試所需的不純氦氣。

3 氦氣純化器測試方法

3.1 吸附總量離線測試方法

吸附總量離線測試方法是指在不采用壓縮機(jī)動力源的情況下，利用鋼瓶組放氣的方法來測試純化器的性能，圖1為吸附總量離線測試流程。

圖1 吸附總量離線測試方法流程

該測試方法流程簡單，但受吸附總量Q和工作壓力限制。例如需測試的氦氣純化器的設(shè)計參數(shù)為：進(jìn)氣純度95%，出氣純度為99.999%，工作壓力P=15 MPa，流量q=100 m3/h，工作時間t=8 h，則需要總氦氣量為：Q總=q·t=100×8=800 m3。

由氣體狀態(tài)方程P1V1/T1=P2V2/T2可知，儲存氣體的壓力和體積成反比。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 kPa=0.101 MPa，單個鋼瓶的水容積為40 L，存儲壓力為14.5 MPa，則單個鋼瓶的存貯容積為：40×14.5/0.101=5742.6 L=5.7 m3。

按照用氣量800 m3計算，需要40 L的鋼瓶140個，16個一組，需要鋼瓶組9組，總備氣量：5.7×16× 9=820.8 m3。

根據(jù)設(shè)計要求，整個測試過程工作壓力應(yīng)為15 MPa，鋼瓶組的最高充裝壓力14.5 MPa，在測試的進(jìn)程中，鋼瓶組的壓力是在逐漸降低，純化器的吸附容量可通過測試數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，而流量、壓力變化對純化器性能的影響只能忽略不計。

3.2 壓縮機(jī)在線循環(huán)測試方法

壓縮機(jī)在線循環(huán)測試方法是在壓縮機(jī)提供動力情況下，以純化器實際設(shè)計參數(shù)為目標(biāo)，調(diào)整符合要求的壓力、流量等參數(shù)，測試時間可嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行，進(jìn)氣則通過純度高的氦氣與雜質(zhì)氣體混合提供測試合適氣源。該方法可有效解決吸附總量離線測試方法中存在的不足，測試流程見圖2。

圖2 壓縮機(jī)在線循環(huán)測試方法

如設(shè)備的設(shè)計參數(shù)：進(jìn)氣純度95%，出氣純度為99.999%，工作壓力P=15 MPa，流量q=100 m3/h，工作時間t=8 h。

由于測試方法為氦氣循環(huán)測試，則不需要準(zhǔn)備大量的氦氣，基本準(zhǔn)備Q1>100 m3/h的氣體即可。但要考慮以下幾個因素，備足氦氣量。

由于低溫下純化器增壓到15 MPa，需富裕氣體量Q2計算如下：用氣體狀態(tài)方程P1V1/T1=P2V2/T2可知，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 kPa=0.101 MPa，純化器總?cè)莘e假設(shè)為120 L，工作溫度為77 K，工作壓力15 MPa，經(jīng)計算需富裕的氣體量Q2為：0.101×Q2/273= 15×120/77，Q2=63 186 L，約63 m3。

常溫管道系統(tǒng)以及干燥系統(tǒng)容積假設(shè)為80 L，則求得在常溫下氣體增壓到15 MPa所需的氣體量為Q3，用氣體狀態(tài)方程代入0.101×Q2/273= 15×80/273，Q3=11881 L，約12 m3。

考慮球囊漏率及分析儀的浪費(fèi)氣體，系統(tǒng)回收率為98%，則所需浪費(fèi)氣體Q4=100×(1-98%)×8= 16 m3。

故測試用氣準(zhǔn)備95%純度的氦氣為Q1+Q2+Q3+Q4=100+63+12+16=191 m3氦氣即可滿足測試需要。

測試流程：測試用氣充入球囊，啟動壓縮機(jī)，把球囊氣體輸送到純化器純化，經(jīng)過純化器的氣體再流入氣囊，這樣氣囊的純度會越來越高，大于95%，則需向氣囊中補(bǔ)充雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體補(bǔ)充量根據(jù)實際純度來把控，低于測試進(jìn)氣補(bǔ)充高純氦氣，高于測試進(jìn)氣補(bǔ)充雜質(zhì)氣體，根據(jù)測試經(jīng)驗基本都是補(bǔ)充雜質(zhì)氣體。按照下表1記錄試驗數(shù)據(jù)。

表1 試驗數(shù)據(jù)記錄表

當(dāng)設(shè)備出99.999%時間為t1，測試飽和時間t2，t2-t1即為純化器連續(xù)工作時間。

4 討 論

4.1 吸附總量離線測試方法

吸附總量離線測試方法流程簡單，測試系統(tǒng)搭建也較簡易，測試不需要壓縮機(jī)也可以做測試，解決了無壓機(jī)不測試的難題。但測試成本高，舉例工況做一次測試需要準(zhǔn)備800 m3氦氣，測試成本8萬左右；由于壓力變化導(dǎo)致流量以及流速的變化，測試后需要大量的計算，推算修正，不能反映純化器的真實性能。但在緊急情況或針對成熟產(chǎn)品可采用此方法。

4.2 壓縮機(jī)在線循環(huán)測試方法

壓縮機(jī)在線循環(huán)測試方法成本低，舉例工況做一次測試需要準(zhǔn)備191 m3氦氣，測試成本2萬左右；數(shù)據(jù)真實直觀，測試后測試性能就能反饋出來，壓力、流量、純度、時間都真實工況模擬。

4.3 氦氣純化器進(jìn)氣純度

由于本測試方法為循環(huán)測試，當(dāng)綜合分析儀測得進(jìn)氣純度>95%時，則往球囊中補(bǔ)空氣，空氣補(bǔ)給量根據(jù)純度分析儀讀數(shù)，進(jìn)氣純度在95%左右時，停止補(bǔ)氣。

4.4 氦氣純化器進(jìn)氣流量

氦氣純化器的流量即為氦氣純化器的單位時間處理的氦氣量，如果流量大于氦氣的處理量，即測試進(jìn)氣量為q=200 m3/h，這不僅體現(xiàn)在飽和時間縮短一半，也有可能導(dǎo)致純化器出氣管道結(jié)霜，氦氣純度達(dá)不到等多種因素(本文不做詳細(xì)討論)，所以提供動力的壓縮機(jī)流量大于氦氣純化器的處理量時候，則必須做旁通分流，給純化器提供一個合適的流量。

5 總 結(jié)

綜上所述，本文比較了純化器性能測試的兩種方法，吸附總量離線測試方法和壓縮機(jī)在線循環(huán)測試方法兩種測試方法，但第一種測試方法不推薦使用，測試成本高，測試后需要大量的計算推算，同時不能反映純化器的真實性能；但在緊急情況或針對成熟產(chǎn)品可采用此方法，第二種測試方法成本低，數(shù)據(jù)真實直觀，測試后測試性能就能反饋出來，壓力、流量、純度、時間都真實工況模擬，建議純化器性能測試采用第二種方法。