Способ получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах
METHOD FOR OBTAINING ULTRAPURE COMPRESSED HELIUM IN CYLINDERS

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способу получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах, основанного на очистке гелия в процессе его ожижения.
Аналогом заявленного изобретения является способ производства чистого гелия, по которому гелий чистотой 99.99 моль % производится из неочищенного гелия чистотой 40-90 моль % путем пропускания через модуль разделительной мембраны (патент JP 2003342009 (А) - 2003-12-03). Недостатками указанного аналога является то, что в результате технологического процесса не получается газообразный гелий даже чистотой 99, 995%, а создание специальных систем очистки гелия для получения до концентрации 99.9999% - 99,99999% существенно усложняет технологический процесс.
2
2
2
Наиболее близким к предложенному способу является способ получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах, включающий в зависимости от получения требуемой концентрации два режима в работе ожижителя гелия: в первом режиме для получения гелия с концентрацией 99,995% - 99,999% часть потока гелия, очищенного от примесей О и N отбирают после адсорбера с температурой 80 К и давлением технологического процесса ожижения гелия, нагревают, после чего сжимают до рабочего давления в баллонах и закачивают в баллоны, а во втором режиме для получения гелия с концентрацией 99,995% - 99,999% часть потока гелия, очищенного от примесей Н и Ne отбирают после неонового адсорбера с температурой 25 К - 30 К и давлением технологического процесса ожижения гелия, нагревают, после чего сжимают до рабочего давления в баллонах и закачивают в баллоны (см. патент RU 2578144).
Основной недостаток указанного способа заключается в том, что перед сжатием в компрессоре сверхчистого гелия до рабочего давления в баллонах его подогревают с помощью нагревателя до температуры 290 К - 300 К, что приводит к дополнительным энергетическим затратам, которые составляют до 5% от мощности, затрачиваемой в ожижителе на получение жидкого гелия.
Цель предлагаемого изобретения заключается в устранении указанного недостатка.
2
2
2
2
2
2
Поставленная цель достигается тем, что способе получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах включающим в зависимости от получения требуемой концентрации два режима в работе ожижителя гелия: в первом режиме для получения гелия с концентрацией 99,995% - 99,999% часть потока гелия, очищенного от примесей О и N отбирают после адсорбера с температурой 80 К и давлением технологического процесса ожижения гелия, нагревают, после чего сжимают до рабочего давления в баллонах и закачивают в баллоны, а во втором режиме для получения гелия с концентрацией 99,9 999% - 99,99999% часть потока гелия, очищенного от примесей Н и Ne отбирают после неонового адсорбера с температурой 25 К - 30 К и давлением технологического процесса ожижения гелия, нагревают, после чего сжимают до рабочего давления в баллонах и закачивают в баллоны, оба режима получения сверхчистого гелия осуществляют за счет автономной подачи в ожижитель неочищенного потока гелия, равного по величине ожижаемому потоку гелия, при этом для получения гелия с концентрацией 99,995%-99,999% неочищенный поток гелия предварительно охлаждают от 300 К до 85 К в первом рекуперативном теплообменнике и до адсорбера соединяют с технологическим потоком гелия ожижителя и объединенный поток при температуре 80 К очищают от примесей О и N в адсорбере, а за тем часть очищенного потока выводят из адсорбера с давлением технологического процесса ожижения гелия, нагревают в первом рекуперативном теплообменнике от 80 К до 280 К - 290 К после чего сжимают до рабочего давления в баллонах и закачивают в баллоны, а для получения гелия с концентрацией 99,9 999% - 99,99999% переходят на второй режим очистки гелия, который выполняют путем переключения подачи гелия, полученного в первом режиме очистки, на вход неонового адсорбера, при этом поток гелия предварительно охлаждают от 280 К - 290 К во втором рекуперативном теплообменнике до 25 К - 30 К, соединяют с технологическим потоком гелия ожижителя и объединенный поток при температуре 25 К - 30 К очищают от примесей Н и Ne в неоновом адсорбере, а за тем часть очищенного потока выводят из адсорбера с давлением технологического процесса ожижения гелия, нагревают во втором рекуперативном теплообменнике от 25 К - 30 К до 275 К - 280 К, после чего сжимают до рабочего давления в баллонах и закачивают в баллоны.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию НОВИЗНА.
На чертеже дана принципиальная пневмогидравлическая схема гелиевой системы, работающей поданному способу.
2
2
2
Гелиевая система включает: гелиевый ожижитель в составе компрессора 1, блока очистки гелия от масла и влаги 2, блока низкотемпературной очистки гелия 3 в адсорбере 4 от примесей О и N на уровне 80 К, блока ожижения 5 в составе теплообменников 6 и 7, установленных до неонового адсорбера 8 очистки гелия от примесей Н и Ne на уровне 25 К - 30К, теплообменников 9 и 10, установленных после неонового адсорбера 8, детандера 11, дроссельного клапана 12, сборника жидкого гелия 13, трубопровода 14 для слива ожиженного потока гелия. В состав гелиевой системы входит также блок теплообменников 15 в составе первого рекуперативного теплообменника 16 и второго рекуперативного теплообменника 17, подключенных трубопроводами 18.19. 20 и 21 соответственно к абсорберам 4 и 8, арматурного блока 22 с клапанами 23, 24 и 25, дожимающего компрессора 26, подключенного к баллонам 27, 28 для хранения сверхчистого сжатого гелия, и баллонам 29 с неочищенным гелием..
Способ получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах осуществляют следующим образом.
До начала процесса получения сверхчистого гелия выполняют пуск ожижителя и выход его на установившийся режим ожижения. Для ожижителя, показанного на схеме и работающего по каскадному циклу с предварительным азотным охлаждением, расширением части потока гелия в одной ступени детандера и последующим дросселированием другой части потока, выход на рабочий режим ожижения выполняют следующим образом.
2
2
2
Гелий сжимается в компрессоре 1 до давления 1,5 МПа - 2,5 МПа и поступает в блок очистки гелия от масла и влаги 2, где из него удаляют пары масла и воды на температурном уровне 270 К - 275К, далее он проходит блок низкотемпературной очистки гелия 3, в котором производиться охлаждение до 80 К и очистка от примесей О и N в адсорбере 4 с достижением чистоты в пределах 99,995% - 99,999%. Далее поток гелия поступает в блок ожижения 5, где после теплообменника 6 примерно 65%-70% отбирается на детандер 11, после которого его температура понижается до 15 К - 18 К и он подается в обратный поток под теплообменник 8, где соединяется с обратным потоком, поступающим из сборника жидкого гелия 13. Другая часть гелия, равная 35%-30%, проходит теплообменника 7 и понижает температуру до 25 К - 30 К, которая является оптимальной для неонового адсорбера 8, в котором происходит удаление в гелии примесей Н и Ne и чистота гелия достигает значения от 99,9 999% до 99,99999%. После неонового адсорбера 8 поток гелия проходит теплообменники 9 и 10 и дросселируется с помощью клапана 12 в сборник жидкого гелия 13, где ожижается 8%-10% гелия от общего потока. Ожижившийся поток гелия отводится из сборника жидкого гелия 13 по трубопроводу 14 для слива ожиженного потока гелия. После достижения устойчивого режима работы ожижителя переходят к выполнению процесса получения сверхчистого сжатого гелия в баллонах.
В зависимости от получения требуемой концентрации гелия предусмотрены два режима работы, при этом оба режима получения сверхчистого сжатого гелия осуществляют за счет автономной подачи в ожижитель неочищенного потока гелия, равного по величине ожижаемому потоку гелия.
2
2
Для получения гелия с концентрацией 99,995% - 99.999% гелий подают из баллонов 29 с неочищенным гелием в блок теплообменников 15,где неочищенный поток гелия предварительно охлаждают от 300 К до 85 К в первом рекуперативном теплообменнике 16 и до адсорбера 4 по трубопроводу 18 соединяют с технологическим потоком гелия ожижителя и объединенный поток при температуре 80 К очищают от примесей О и N в адсорбере 4, а за тем часть очищенного потока выводят по трубопроводу 19 из адсорбера 4 с давлением технологического процесса ожижения гелия в первый рекуперативный теплообменник 16, нагревают гелий в первом рекуперативном теплообменнике 16 от 80 К до 280 К - 290 К, после чего сжимают с помощью дожимающего компрессора 26 до рабочего давления в баллонах 27 и закачивают в баллоны 27.
2
Для получения гелия с концентрацией 99,9999%-99,99999% переходят на второй режим очистки гелия, который выполняют путем переключения подачи гелия, полученного в первом режиме очистки, на вход неонового адсорбера 8. Переключение подачи гелия выполняют за счет перевода в арматурном блоке 22 в открытое положение клапанов 24 и 25 и в закрытое - клапана 23. В результате гелий из первого рекуперативного теплообменника 16 поступает во второй рекуперативный теплообменник 17, где поток гелия предварительно охлаждают от 280 К - 290 К во втором рекуперативном теплообменнике 17 до 25 К - 30 К, и до адсорбера 8 по трубопроводу 20 соединяют с технологическим потоком гелия ожижителя и объединенный поток при температуре 25 К - 30 К очищают от примесей Н и Ne в неоновом адсорбере 8, а за тем часть очищенного потока выводят из адсорбера 8 с давлением технологического процесса ожижения гелия во второй рекуперативном теплообменнике 17, нагревают во втором рекуперативном теплообменнике 17 от 25 К - 30 К до 275 К - 280 К, после чего сжимают с помощью дожимающего компрессора 26 до рабочего давления в баллонах 28 и закачивают в баллоны 28.
Как видно из описания способа предлагаемое техническое решения позволяет осуществить цель изобретения - снижение энергозатрат при производстве сверхчистого сжатого гелия в баллонах.