[实用新型]基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种气体分离和纯化的低温装置，尤其是一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置。

背景技术

含杂质原料气中各组分气体的分离和纯化是获得高纯度（体积百分含量99.999%或以上）气体的基本过程。通常利用各组分气体冷凝温度和分子性质之间的差异来进行分离，传统的方法有：精馏法、分凝法、吸附法、催化反应法等。当产品气要求纯度较高时，需要几种方法联合使用，如高压低温冷凝和低温吸附相结合的方法或常温下的变压吸附和低温吸附相结合的方法等。传统的分离纯化方法流程复杂，投资成本高，通常用于大型的气体分离纯化设备。

一般来说，氦、氖等稀有气体的分离和纯化也是基于以上几种常用方法。稀有气体中，氦气、氖气等稀有气体在航空、航天、军事和科研等领域有着非常重要的应用，且需求量日益增大。重要的是我国属于贫氦国家，美国作为世界上主要的氦出口国已经将氦列为战略资源。因此，氦的回收再利用就显得尤为重要；此外，从空分装置中提取是工业上获得氦、氖的途径之一。

对于回收的氦气，其纯度在90%左右，其余主要是空气等杂质气体。这个纯度的氦气通常无法直接使用，需要经过特别的分离和纯化流程。对于空分装置中氦气、氖气的分离和纯化，传统方法一般包括粗氦氖混合气的提取、纯氦氖混合气的制备和纯氦、纯氖的制备三个工序。三道工序流程都比较复杂，投资成本高，缺乏经济性，一般很少应用于实际的空分装置中。

小型低温制冷机一般包括GM制冷机，脉管制冷机，斯特林制冷机，J-T制冷机等。小型低温制冷机的制冷温度范围一般在0 – 80 K（-273.15℃– -193.15℃），制冷量大约在0.1 – 100 W。小型低温制冷机是获得极低温的重要设备。基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置则适合用于小型的气体分离和纯化。

发明内容

本实用新型提供了一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的方法。改进了传统的分离和纯化方案，用小型低温制冷机的第一级和第二级冷头作为冷源，将不同冷凝温度的气体分别液化和固化，从而得到冷凝温度更低的高纯气体（如：氦气），已经液化的其它冷凝温度较高的高纯气体同样可以获得。这样就可以用较低的成本来实现两种或多种气体的分离和纯化。

本实用新型的技术方案是：

一种基于小型低温制冷机的用于气体分离和纯化的低温装置，其特征是：包括一级换热器、二级换热器、四级换热器、至少一个小型低温制冷机以及至少一个集液罐，所述的小型低温制冷机包括第一冷头和第二冷头，所述的二级换热器设置在所述的第一冷头上形成一级冷头换热器，所述的四级换热器设置在第二冷头上形成二级冷头换热器，在所述的一级换热器上设置有混合气体进口、混合气体出口、纯化后气体进口以及纯化后气体出口，所述的混合气体出口连接至所述的一级冷头换热器入口，一级冷头换热器的出口连接所述集液罐的入口，集液罐气体出口连接到二级冷头换热器进口，二级冷头换热器出口连接到一级换热器冷端纯化后气体一进口，一级换热器热端为纯化后气体一出口。

在所述的集液罐气体出口与二级冷头换热器进口之间还设置有一三级换热器，所述的二级冷头换热器出口也经过所述的三级换热器连接至一级换热器冷端纯化后气体一进口。

还包括另一制冷机，该另一制冷机包括位于第一冷头的一级换热罐和位于第二冷头的二级换热罐，所述的集液罐的液体出口经一级冷头换热器进入一级换热器的冷端纯化后气体一进口，所述的集液罐的气体出口经过所述的一级换热罐连接至所述的二级冷头换热器进口，二级冷头换热器的出口连接另一集液罐，该另一集液罐的气体出口经过所述的二级换热罐连接至一级换热器的冷端纯化后气体二进口，所述另一集液罐的液体出口经一级冷头换热器和一级换热罐进入一级换热器的冷端纯化后气体三进口，一级换热器热端为纯化后气体一出口、气体二出口和气体三出口。

所述的一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器类型为绕管换热器、盘管式换热器、板式换热器或翅片式换热器。

所述的小型低温制冷机为GM制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机或J-T制冷机。

本实用新型的有益效果：