1.本发明涉及化工气体分离和液化技术领域，具体涉及一种集成内纯化的氦气液化装置。


背景技术：

2.氦液化装置所需的氦气对纯度有较高的要求，为避免氦气中杂质在氦气液化过程杂质固化冻堵，通常在氦液化前，需将氦气进行纯化，目前常用的纯化方法包括外纯化和内纯化两种。
3.外纯化一般是在氦液化冷箱外通过低温吸附的方法将原料氦气中的杂质除去，冷源由液化冷箱内引出一股低温氦气。内纯化是在液化冷箱内通过引出一股低温氦气进入纯化换热器中将原料氦气冷却，然后将原料氦气中的杂质通过低温吸附或固化除去。但是，以上的外纯化和内纯化方法目前都是采用单独的换热器即将纯化和液化的换热器分开的方案，不但成本增加，而且使得液化冷箱的尺寸变大，进而导致液化装置冷损增加；另外，最终产品只有液氦，输出的产品较单一。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种集成内纯化的氦气液化装置，以解决现有氦气液化装置换热器数量多和冷量损失大的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：集成内纯化的氦气液化装置，包括：纯化单元，用于原料氦气的纯化以制取高纯氦气；液化单元，通过补气通道与所述纯化单元连通，用于液化高纯氦气以制取液氦；及预冷单元，用于给高纯氦气液化提供预冷冷量；其中，所述纯化单元与液化单元耦合于同温区换热器中；当所述补气通道全关时，整个装置以纯化模式运行制取高纯氦气；当所述补气通道全开时，整个装置以液化模式运行制取液氦。
6.在本技术公开的一个实施例中，所述纯化单元包括依次通过管道连接的原料氦气进气管、第一换热器第一流道、第一吸附器、第二换热器第一流道、第三换热器第一流道、第二吸附器、第三换热器第四流道、第二换热器第四流道、第一换热器第四流道及高纯氦气出气管。
7.在本技术公开的一个实施例中，所述补气通道包括补气管路及安装于补气管路的补气阀；所述补气管路一端与所述高纯氦气出气管连通、另一端与所述液化单元连通。
8.在本技术公开的一个实施例中，所述液化单元包括依次通过管道连接的循环压缩机工艺气体流道、第一换热器第二流道、第二换热器第二流道、第三换热器第二流道、第四换热器第二流道、第五换热器第一流道、第六换热器第一流道、节流阀、液氦储罐、第六换热
器第二流道、第五换热器第二流道、第四换热器第三流道、第三换热器第三流道、第二换热器第三流道、第一换热器第三流道及循环压缩机入口；所述循环压缩机工艺气体流道出口与所述补气管路汇合。
9.在本技术公开的一个实施例中，所述预冷单元包括第一换热器第五流道，该流道内流动的介质为液氮。
10.在本技术公开的一个实施例中，还包括制冷单元，用于为纯化单元提供低温吸附的冷量；所述制冷单元包括依次通过管道连接的第二换热器第二流道与第三换热器第二流道的连接管道分支口、调节阀、第一膨胀机工艺气体流道、第四换热器第一流道、第二膨胀机工艺气体流道及第六换热器第二流道与第五换热器第二流道的连接管道汇合口。
11.在本技术公开的一个实施例中，所述第一换热器至第六换热器、第一吸附器、第二吸附器、第一膨胀机膨胀端及第二膨胀机膨胀端均集成于真空冷箱内。
12.在本技术公开的一个实施例中，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器及第六换热器均为板翅式换热器；其中，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器及第四换热器为多股流换热器，所述第五换热器与第六换热器为双股流换热器。
13.在本技术公开的一个实施例中，所述第一吸附器与第二吸附器均为低温吸附器。
14.在本技术公开的一个实施例中，所述第一膨胀机与第二膨胀机为气体轴承透平膨胀机。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：将纯化单元与液化单元耦合于同温区换热器中，减少了换热器数量和冷量损失，减小了真空冷箱的尺寸，降低了真空冷箱制作成本；另外，通过补气通道的调整，可实现氦气纯化、氦气液化、氦气纯化和液化混合三种运行模式的任意切换，解决了产品单一的问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的工艺流程示意图。
18.附图标记说明如下：a01、第一吸附器，a02、第二吸附器；c01、循环压缩机；e01、第一换热器，e02、第二换热器，e03、第三换热器，e04、第四换热器，e05、第五换热器，e06、第六换热器；et01、第一膨胀机，et02、第二膨胀机；sv01、液氦储罐；v01、补气阀，v02、节流阀，v03、调节阀。
具体实施方式
19.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
24.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
25.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
26.参见图1所示，本发明提供了一种集成内纯化的氦气液化装置，包括：纯化单元，用于原料氦气的纯化以制取高纯氦气;液化单元，通过补气通道与纯化单元连通，用于液化高纯氦气以制取液氦；及预冷单元，用于给高纯氦气液化提供预冷冷量；其中，纯化单元与液化单元耦合于同温区换热器中（即共用换热器）；当补气通道全关时，整个装置以纯化模式运行制取高纯氦气；当补气通道全开时，整个装置以液化模式运行制取液氦。
27.纯化单元包括依次通过管道连接的原料氦气进气管、第一换热器e01第一流道、第一吸附器a01、第二换热器e02第一流道、第三换热器e03第一流道、第二吸附器a02、第三换热器e03第四流道、第二换热器e02第四流道、第一换热器e01第四流道及高纯氦气出气管。具体地，来自原料氦气进气管的原料氦气经第一换热器e01第一流道与预冷单元发生热交
换被冷却至80k左右后进入第一吸附器a01通过低温吸附除去氧、氮、氩等杂质，除杂后的原料氦气依次进入第二换热器e02第一流道和第三换热器e03第一流道被冷却至30k左右后进入第二吸附器a02，在第二吸附器a02中通过低温吸附除去原料氦气中的氖、氢等杂质得到低温高纯氦后依次返回第三换热器e03第四流道、第二换热器e02第四流道、第一换热器e01第四流道复热至常温得到高纯氦气，从高纯氦气出气管排出。即原料氦气在纯化单元内经过两次低温吸附和三次复热后得到高纯氦气。
28.补气通道包括补气管路及安装于补气管路的补气阀v01，补气管路一端与高纯氦气出气管连通、另一端与液化单元连通。即通过调整补气阀v01的开度，可以补充需要液化的氦气，从而调整产品高纯氦气和液氦的需求比例，满足不同生产需求。
29.液化单元包括依次通过管道连接的循环压缩机c01工艺气体流道、第一换热器e01第二流道、第二换热器e02第二流道、第三换热器e03第二流道、第四换热器e04第二流道、第五换热器e05第一流道、第六换热器e06第一流道、节流阀v02、液氦储罐sv01、第六换热器e06第二流道、第五换热器e05第二流道、第四换热器e04第三流道、第三换热器e03第三流道、第二换热器e02第三流道、第一换热器e01第三流道及循环压缩机c01入口（即上述各设备通过管道首尾相连形成循环通道）；循环压缩机c01工艺气体流道出口与补气管路汇合。
30.预冷单元主要由第一换热器e01第五流道组成，该流道内流动的介质为液氮，即采用液氮为高纯氦气液化提供预冷冷量。
31.上述的集成内纯化的氦气液化装置还包括制冷单元，用于为纯化单元提供低温吸附的冷量。具体地，制冷单元包括依次通过管道连接的第二换热器e02第二流道与第三换热器e03第二流道的连接管道分支口、调节阀v03、第一膨胀机et01工艺气体流道、第四换热器e04第一流道、第二膨胀机et02工艺气体流道及第六换热器e06第二流道与第五换热器e05第二流道的连接管道汇合口。制冷单元作为液化单元的支流通道，在节流阀v02关闭时，可与第五换热器e05第二流道、第四换热器e04第三流道、第三换热器e03第三流道、第二换热器e02第三流道、第一换热器e01第三流道、循环压缩机c01工艺气体流道、第一换热器e01第二流道及第二换热器e02第二流道形成循环通道，从而持续提供冷量给纯化单元低温吸附使用。
32.制冷单元与液化单元共同组成制冷液化循环单元，原料氦气经纯化单元内两次低温吸附后复热得到高纯氦气，制冷液化循环单元通过循环氦气压缩膨胀制冷为原料氦气纯化和高纯氦气液化提供冷量。具体地，从循环压缩机c01出来的高压循环氦气依次进入第一热器e01第二流道和第二换热器e02第二流道被冷却至40k左右后分两股：一股高压循环氦气作为膨胀氦依次进入用来控制流量的调节阀v03、第一膨胀机et01工艺气体流道、第四换热器e04第一流道、第二膨胀机et02工艺气体流道后与液化单元返回的低压氦气混合，进入液化单元的返流通道；从第二换热器e02第二流道出来的另一股高压循环氦气依次进入第三换热器e03第二流道、第四换热器e04第二流道、第五换热器e05第一流道、第六换热器e06第一流道后被冷却至7k左右进入节流阀v02，低温高压氦气经节流阀v02再次降温变为气液两相后进入液氦储罐sv01，其中，液相的低温液氦在液氦储罐sv01沉积下来，而低温低压氦气（闪蒸气）返回第六换热器e06第二流道后与第二膨胀机et02出来的膨胀氦气混合后，再依次进入第五换热器e05第二流道、第四换热器e04第三流道、第三换热器e03第三流道、第二换热器e02第三流道、第一换热器e01第三流道回收冷量并复热至常温后进入循环压缩机
c01入口完成循环。
33.通过以上内容可知，纯化单元与液化单元耦合于同温区的第一换热器e01、第二换热器e02及第三换热器e03三台换热器中，原料氦气低温吸附与高纯氦气液化所需的冷量以及冷量回收、回流复热等均在这三台换热器中完成，有效减少了换热器数量和冷量损失。
34.上述的第一换热器e01至第六换热器e06、第一吸附器a01、第二吸附器a02、第一膨胀机et01膨胀端及第二膨胀机et02膨胀端均集成于真空冷箱（图中未示出）内，从而减小真空冷箱的尺寸，降低制作成本。
35.在本实施例中，第一换热器e01、第二换热器e02、第三换热器e03、第四换热器e04、第五换热器e05及第六换热器e06均为板翅式换热器；其中，第一换热器e01、第二换热器e02、第三换热器e03及第四换热器e04为多股流换热器，第五换热器e05与第六换热器e06为双股流换热器。板翅式换热器具有结构紧凑、重量轻、传热效率高、可处理两种以上介质等特点，从而能够进一步减小真空冷箱的尺寸，同时减少冷量损失。
36.第一吸附器a01与第二吸附器a02均为低温吸附器。具体地，第一吸附器a01在液氮温区（-196℃左右）通过低温吸附除去氧、氮、氩等杂质，第二吸附器a02在30k左右通过低温吸附除去原料氦气中的氖、氢等杂质，从而完成原料氦气的两级纯化。
37.第一膨胀机et01与第二膨胀机et02为气体轴承透平膨胀机，其制动端采用风机制动或者电涡流制动。
38.根据不同的生产需求，所述的氦气液化装置通过补气阀v01与节流阀v02的相互启闭，可实现氦气纯化、氦气液化、氦气纯化和液化混合三种运行模式的任意切换。具体如下：（1）纯化模式：关闭补气阀v01和节流阀v02，原料氦气经纯化单元后得到全部的产品高纯氦气，制冷液化循环单元的液化单元关闭，制冷单元通过两级膨胀制冷为纯化单元提供低温吸附的冷量。
39.（2）液化模式：补气阀v01全开，原料氦气经纯化单元后通过补气阀v01进入制冷液化循环单元，最终原料氦气全部转为产品液氦。
40.（3）纯化和液化混合模式：补气阀v01部分开启，根据产品需求比例，原料氦气经纯化单元后通过补气阀v01补充需要再液化的氦气，其余作为气态产品。
41.综上所述，本发明将纯化单元与液化单元耦合于同温区换热器中，减少了换热器数量和冷量损失，而且减小真空冷箱的尺寸，降低了真空冷箱制作成本；另外，通过补气通道的调整，可实现氦气纯化、氦气液化、氦气纯化和液化混合三种运行模式的任意切换，解决了产品单一的问题。
42.上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。