[发明专利]高纯气体大规模存储快速液化与回收装置

说明书

一种高纯气大规模存储快速液化与回收装置，利用气体在临界点以下饱和蒸气压随温度下降而迅速下降的特点，充分挖掘气瓶、齿轮泵、制冷装置、加热器的极限性能，集成已有的标准化气瓶、齿轮泵、制冷装置而达到高密度存储及快速液化、回收的目的，可用于数十吨级、百吨级的高纯气体使用领域。

技术领域

本发明涉及高纯流体介质或者昂贵流体介质的使用领域，具体是一种高纯气体大规模存储快速液化与回收装置。

背景技术

暗物质直接探测是高能物理实验领域的前沿课题，目前国内外主流的探测器以低温液化的高纯氙作为靶物质，探测器的规模也从最初的10kg级逐步发展到现在的10吨级，例如PandaX、XENON、LZ(LUX)等系列实验，远期规划的探测器已达百吨级，探测目标也已经扩展到无中微子双贝塔衰变事例搜寻。这类实验必须在深地实验室进行，以避免宇宙射线的干扰，而深地实验室建设周期长，费用高，空间相对有限，随着实验规模的扩大，在系统设计中设备尺寸也是必须考虑的限制性条件。氙是昂贵稀少的惰性气体，在空气中约占0.1ppm，全球的产能也十份有限，巨量的氙气需要积攒多年才能满足实验规模，并且暗物质探测实验对氙气的纯度要求到6N级别，其中的氪含量需要低于1ppt甚至0.1ppt，所以氙气必须回收重复使用。以往的暗物质探测实验，以气氙形式存储、加注、回收，加注与回收过程伴随气液相变，甚至回收过程需要多次相变，能量浪费严重，操作效率低，并且大量消耗液氮。现在已经升级为不锈钢杜瓦回收、加注、存储，但这种方案占地面积仍然较大，造价昂贵，例如XENON1T实验组设计了ReStoX 系统用于存储、加注、回收液态氙，其中直径2.1m真空绝热球罐可存储7.6吨氙，然而冷却过程需要消耗大量的液氮，系统也需要配置容积10m³的液氮罐。液氙探测器一般工作在178K，而液氮沸点77K，两者温差巨大，冷量利用率低，在液氮大规模供应方便的地面实验中，这个问题并不严重，但在地下实验室则不同。由于制冷系数随制冷温度降低而减小，在实验室生产液氮并用于冷却液化氙气是极其低效的，并且生产设备也占用宝贵空间，从外界向地下实验室大规模运输液氮需要消耗大量的人力资源。前述矛盾随着实验规模的扩大而日益突出，所以必须发展不依赖大量液氮的高纯氙气大规模高密度存储、快速液化与回收技术。

本发明充分挖掘已有标准气瓶、齿轮泵的各种极限性能，以获得高密度大规模存储高纯氙气的能力，并保证高速率回收、液化灌注等。

发明内容

本发明旨在解决现有高纯气体大规模存储占地空间大、存储费用高以及难以快速液化快速回收的问题，本发明提供一种高纯气体大规模存储与快速液化、回收装置，特别是利用氙气临界温度接近室温并且在临界点以下饱和蒸气压随温度下降而迅速下降的特点，充分挖掘气瓶、齿轮泵、制冷装置、加热器的极限性能，集成已有的标准化钢质气瓶、齿轮泵、制冷装置而达到高密度存储及快速液化、回收的目的，可用于未来的数十吨级、百吨级的高纯氙气使用领域。

本发明的技术解决方案如下：

一种高纯气体大规模存储快速液化与回收装置，其特点在于包括存储气瓶组、加注管路、液氙回收管路和液氙紧急回收管路，

所述的存储气瓶组包括气瓶组框架和气瓶组，所述的气瓶组框架是由框架和保温层构成的保温结构腔体，所述的气瓶组包括上托盘、下托盘和N个气瓶，每个气瓶的上下两端的肩部都分别设有上换热器、上方电动阀门、下换热器、下方电动阀门并置于所述的上托盘和下托盘之间，所述的气瓶组置于所述的气瓶组框架内的保温结构腔体中，在所述的下托盘的下方设有称重传感器，所述的上托盘设有与每个气瓶的上端相连的上部管路和上载冷剂管道，所述的下托盘设有与每个气瓶下端相连的下部管路和下载冷剂管道，所有N个气瓶立式布置在所述的气瓶组框架之内；其中N为2以上的正整数；

所述的上部管路在加注工况依次经第1减压阀、第1电动阀门与外置的高压气瓶相连并连通；在正常回收工况与第1电加热器出口连接并连通；在紧急回收工况与第3换热器的热侧进口端连接并连通；