[发明专利]一种高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置及分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体分离和纯化的装置，尤其能分离沸点相差比较大的气体混合物氦气和二氧化碳。

背景技术

氦气是国防军工和高科技产业发展尤其是低温超导领域不可或缺的稀有战略性物资之一。氦气在全球的储量分布非常不均匀,北美、北非及俄罗斯等地有着较为丰富的氦气资源,而我国氦气资源严重匮乏,只有四川地区储存有少量的氦气。长期以来,我国的工业生产和科学试验用氦气(含液氦)基本依靠国外进口,所以国内的氦气价格相对较高,且大批量供货周期很长。同时随着我国国防工业技术的发展,氦气的需求量越来越大,一旦在非常时期发生氦气禁运,必将在大范围内影响我国的国防安全和经济发展。因此,为了节约氦气资源,降低使用成本,对氦气回收纯化具有非常重要的意义。通过对目前提氦技术的文献检索可知，精馏法较为成熟，但能耗、成本较高；吸附法、吸收法和膜渗透法等其他提氦技术各具特点，但目前限于适用条件尚不能规模化工业应用。上述技术主要集中在将氦气从含氦天然气中分离出来，目前尚未有从二氧化碳伴生气中提取氦气的文献报道。

发明内容

技术问题：针对含氦气二氧化碳气田，利用氦气和二氧化碳三相点相差大的特点，本发明设计了一种高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置及分离方法，大大降低了提取氦气的成本，并可同时生产高纯度的二氧化碳液体。

技术方案：本发明的高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置为：该装置包括第一换热器（1）、压缩机（2）、第二换热器（3）、冷凝蒸发器（4）、活性炭吸附器（5）、液氮储罐（6）；第一换热器（1）的输入端接进气阀（7），第一换热器（1）的输出端与压缩机（2）、第二换热器（3）、冷凝蒸发器（4）顺序串联连接，液氮储罐（6）的输出端通过低温手动阀（8）接冷凝蒸发器（4），冷凝蒸发器（4）的下端接低温浮球阀（9），冷凝蒸发器（4）的上部气体输出端与活性炭吸附器（5）、第二换热器（3）、第一换热器（1）顺序串联连接，冷凝蒸发器（4）中部的氦气输出端顺序串联连接活性炭吸附器（5）、第二换热器（3）接自动排气阀（10）。

本发明的高效分离氦气和二氧化碳气体混合物的装置的气体混合物的分离方法为：混合气体由进气阀（7）进入，依次通过第一换热器（1）、压缩机（2）、第二换热器（3）到达冷凝蒸发器（4），在冷凝蒸发器（4）中，高压低温的二氧化碳冷凝成液态从冷凝蒸发器（4）底部的冷凝侧通过低温浮球阀（9）排出，氦气从冷凝蒸发器（4）上部引出，实现两者的分离，并将氦气经由活性炭吸附器（5）得到高纯度的氦气，再流经第二换热器（3）回收冷量，获得常温高纯度氦气；液氮储罐（6）供应液氮到冷凝蒸发器（4），并依次通过活性炭吸附器（5）、第二换热器（3）和第一换热器（1）逐级冷却来流混合气体。

工作原理：氦气和二氧化碳混合气路侧：将二氧化碳和氦气的混合气体送入第一换热器1预冷、通过压缩机2压缩至200bar后将高压气体引入第二换热器3，将其冷却为低温高压混合气体，进入77K温区的冷凝蒸发器4，由于二氧化碳和氦气的沸点相差非常大，在冷凝侧二氧化碳气体迅速被冷凝成液态，从冷凝蒸发器底部收集，以便它用；剩余下来的气体主要成分为氦气，再通过活性炭吸附器5吸附二氧化碳及其他杂质，得到高纯度的低温氦气（99.995%），通过第二换热器3回收冷量，获得常温氦气。

氮气侧：液氮储罐6直接供应液氮到冷凝蒸发器4的蒸发侧，为冷凝蒸发器4提供77K低温环境，在冷凝蒸发器4中液氮被蒸发成低温氮气，通过活性炭吸附器5后得到中温氮气,目的是使活性炭吸附器在低温下保持高效率，中温氮气经过第二换热器3和第一换热器1换热回收冷量后得到常温氮气，收集后备其他工业使用。

有益效果：本发明的优点在于：

（1）本发明利用氦气和二氧化碳的三相点相差大的特点，省却精馏塔等复杂设备，采用简单的冷凝—蒸发方法来实现两者的分离，系统简单，易于操作，降低初投资成本；

（2）本发明直接利用液氮储罐提供液氮，代替低温制冷机从而提高系统可靠性；利用自增压液氮储罐迫使液氮从底部输送到冷凝蒸发器，节省了泵的耗功。

（3）本发明装置系统中所有产物都得到收集，没有产生废弃物，对环境未造成污染，处理过程中能量逐级回收，是一种节能高效环保的方法。

附图说明

图1是氦气和二氧化碳混合气的分离装置图。

图1中各组成部件：1第一换热器，2压缩机，3第二换热器，4冷凝蒸发器，5活性炭吸附器，6液氮储罐，7进气阀，8低温手动阀，9低温浮球阀，10自动排气阀。