CN105841437B - 一种气体低温分离的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体低温分离的装置和方法。上述装置包括：用于为气体提供所需温度的低温冷头，与上述低温冷头连接、用于容纳气体且容积可变的可变容积试样腔，控制气体进出上述可变容积试样腔的阀门，连接上述阀门与所述可变容积试样腔的第一连接管道，以及连接在上述阀门相对所述第一连接管道另外一侧的第二连接管道。上述方法包括如下步骤：打开阀门，将待分离的混合气体通过与上述阀门相连接的第二连接管道、阀门和第一连接管道进入可变容积试样腔；关闭阀门；启动与可变容积试样腔连接的低温冷头，且将可变容积试样腔冷却至所需气体液化点以下温度；压缩可变容积试样腔，通过阀门排出其他气体；将温度升高至所需气体液化点以上；压缩可变容积试样腔，排出所需气体。本发明提供的装置不仅结构简单，而且操作方便。

Description

一种气体低温分离的装置和方法
技术领域
本发明涉及气体分离技术领域，特别涉及一种气体低温分离的装置和方法。
背景技术
随着我国冶金、化工、电力，特别是煤化工行业的不断发展，市场对气体分离装置的需求越来越大。目前，气体分离技术有超临界萃取分离技术、气体膜分离技术、超重力气体分离技术等多种方法，每种技术都有其自身的优点和局限性。
从气体混合物中低温分离目标组分气体的现有方法一般基于气体混合物冷冻、目标组分冷凝，以及随后从气体混合物中分离出包含目标组分气体的冷凝物。在此方法中，气体混合物的冷冻一般以节流阀和膨胀机中的气体膨胀为代价进行，或者应用冷冻装置来进行。在低温气体分离的方案中，使用同流式热交换器和精馏塔作为附加的辅助设备。
例如，在专利US 6182468 B1揭露的一种方法中，其包括混合物的冷却、不做机械功的混合物膨胀、在膨胀期间混合物的部分冷凝、在精馏塔中分离混合物或其一部分来获得液相和气相产物。在此情况中，使用同流式热交换器和冷冻器实施混合物的冷却，而混合物则通过在阀门中进行节流从而来实现混合物的膨胀。
以上公开的气体低温分离装置和方法，需要使用精馏塔、交换器等众多大型设备或装置，不仅结构复杂，而且操作上也存在操作不方便的缺陷。
发明内容
本发明实施例提供了一种气体低温分离的装置和方法，不仅结构简单，而且操作方便。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种气体低温分离的装置，其包括：用于为气体提供所需温度的低温冷头，与所述低温冷头连接、用于容纳气体且容积可变的可变容积试样腔，控制气体进出所述可变容积试样腔的阀门，连接所述阀门与所述可变容积试样腔的第一连接管道，以及连接在所述阀门相对所述第一连接管道另外一侧的第二连接管道。
在本发明提供的一种气体低温分离的装置实施例中，所述可变容积试样腔为弹性材料加工的腔体，或气缸活塞结构。
在本发明提供的一种气体低温分离的装置实施例中，所述低温冷头的冷源为制冷机，或低温介质。
在本发明提供的一种气体低温分离的装置实施例中，所述阀门为球阀，或者针阀。
在本发明提供的一种气体低温分离的装置实施例中，所述阀门处于低温位置，或者处于室温位置。
在本发明提供的一种气体低温分离的装置实施例中，所述装置处于真空环境中。
本发明实施例还提供了一种气体低温分离的方法，该方法包括如下步骤：
打开阀门，将待分离的混合气体通过与所述阀门相连接的第二连接管道、所述阀门和第一连接管道进入可变容积试样腔；
关闭所述阀门；
启动与所述可变容积试样腔连接的低温冷头，且将所述可变容积试样腔冷却至所需气体液化点以下温度；
压缩所述可变容积试样腔，通过所述阀门排出其他气体；
将温度升高至所需气体液化点以上；
压缩所述可变容积试样腔，排出所述所需气体。
在本发明提供的一种气体低温分离的方法实施例中，所述可变容积试样腔为弹性材料加工的腔体，或气缸活塞结构。
在本发明提供的一种气体低温分离的方法实施例中，所述低温冷头的冷源为制冷剂，或低温介质。
在本发明提供的一种气体低温分离的方法实施例中，所述低温冷头、可变容积试样腔和阀门处于真空环境中。
本发明提供的气体低温分离的装置不仅结构简单，而且操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明一种实施例提供的一种气体低温分离的装置的示意图；
图2是本发明一种实施例提供的一种气体低温分离的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施方式，对本发明实施方式作进一步地详细描述。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图1所示，本发明实施例基于不同种类的气体具有不同的液化点和凝固点，提供了一种气体低温分离的装置，该装置包括用于为气体提供低温的低温冷头1，与低温冷头1连接、用于容纳气体且容积可变的可变容积试样腔2，控制气体进出所述可变容积试样腔的阀门4，连接阀门4与可变容积试样腔2的第一连接管道3，以及连接在所述阀门4相对所述第一连接管道3另外一侧的第二连接管道5。
低温冷头1与可变容积试样腔2连接，为可变容积试样腔2中的气体提供分离气体所需的温度，该低温冷头1的冷源为制冷机、或低温介质，例如液氮、液氦等。
可变容积试样腔2用于容置和分离气体，该可变容积试样腔2的容积是可变的，其为弹性材料加工的腔体，或者气缸活塞。
阀门4根据具体需要可设置为球阀、或针阀等其他类型的阀门。
进一步地，上述阀门4可根据需要处于低温位置，或处于室温位置。通过调整第一连接管道3的长度，可以使得阀门4处于低温位置，或处于室温位置，即第一连接管道3的长度较短，则阀门4处于低温位置；若第一连接管道3的长度较长，则阀门4处于室温位置。
进一步地，为有效的降低漏热，将上述装置放置于真空环境中。具体地，可以将整个装置放置于一个真空腔体中，以使得装置处于真空环境中。
请参阅图2和图1，基于图1所示的上述气体低温分离的装置，本发明实施例还提供了一种气体低温分离的方法，该方法包括如下步骤：
S1：打开阀门4，将待分离的混合气体通过与所述阀门4相连接的第二连接管道5、所述阀门4和第一连接管道3进入可变容积试样腔2；
例如，以待分离的混合气体为空气，所需气体为氮气为例，上述空气容置于一容器(未显示)中。首先打开阀门4，将空气从上述容器中输入上述可变容积试样腔2中，具体地，空气通过第二连接管道5、阀门4和第一连接管道3，流入可变容积试样腔2中。
S2：关闭所述阀门4；
关闭阀门4，将空气置于可变容积试样腔2中。
S3：启动与所述可变容积试样腔2连接的低温冷头1，且将所述可变容积试样腔2冷却至所需气体液化点以下温度；
进一步地，上述气体低温分离的装置处于真空环境中。
可选地，在气体低温分离的装置外的真空度满足条件后，启动低温冷头1的冷源，将低温冷头1的温度降低到氮气的液化点77K以下，例如70K。
S4：压缩所述可变容积试样腔2，通过所述阀门4排出其他气体；
稳定一段时间，待上述氮气从气体状态液化为液体后，打开阀门4，压缩上述可变容积试样腔2的容积，排出可变容积试样腔2中仍处于气态的氢气、氦气以及液化点比氮气低的其他气体。
S5：将温度升高至所需气体液化点以上；
排出氮气以外的其他气体后，关闭阀门，恢复可变容积试样腔2的容积，并通过低温冷头1将可变容积试样腔2中的温度控制在氮气的液化点以上温度，例如80K。
S6：压缩所述可变容积试样腔，排出所述所需气体。
稳定一段时间，待上述处于液体状态的氮气化为气体后，打开阀门4，再次压缩可变容积试样腔2的容积，将处于气态的氮气通过第一连接管道3、阀门4和第二连接管道5排出可变容积试样腔2，从而实现从空气中低温分离氮气的目的。
本发明实施例提供的气体低温分离的装置和方法，可方便地实现气体分离，而且结构简单。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种气体低温分离的装置，其特征在于，所述装置包括：用于为气体提供所需温度的低温冷头，与所述低温冷头连接、用于容纳气体且容积可变的可变容积试样腔，控制气体进出所述可变容积试样腔的阀门，连接所述阀门与所述可变容积试样腔的第一连接管道，以及连接在所述阀门相对所述第一连接管道另外一侧的第二连接管道。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可变容积试样腔为弹性材料加工的腔体，或气缸活塞结构。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述低温冷头的冷源为制冷机，或低温介质。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述阀门为球阀，或者针阀。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述阀门处于低温位置，或者处于室温位置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置处于真空环境中。
7.一种气体低温分离的方法，其特征在于，包括如下步骤：
打开阀门，将待分离的混合气体通过与所述阀门相连接的第二连接管道、所述阀门和第一连接管道进入可变容积试样腔；
关闭所述阀门；
启动与所述可变容积试样腔连接的低温冷头，且将所述可变容积试样腔冷却至所需气体液化点以下温度；
压缩所述可变容积试样腔，通过所述阀门排出其他气体；
将温度升高至所需气体液化点以上；
压缩所述可变容积试样腔，排出所述所需气体。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述可变容积试样腔为弹性材料加工的腔体，或气缸活塞结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述低温冷头的冷源为制冷剂，或低温介质。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述低温冷头、可变容积试样腔和阀门处于真空环境中。
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