TWI885888B - Helium gas purification device and method for purifying helium gas - Google Patents
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Abstract
Description
本發明係關於純化裝置及純化方法,更具體而言,是關於氦氣純化裝置及純化氦氣之方法。The present invention relates to a purification device and a purification method, and more specifically, to a helium purification device and a method for purifying helium.
氦氣屬於稀缺且高成本的消耗性資源,其廣泛運用横跨醫學、能源和太空研究等眾多領域,每年的消耗率更以約10%的速度不斷攀升。在眾多設施中,液態氦被廣泛應用於大型設備的超低溫冷卻,包括超導磁鐵、超導射頻共振腔體、以及MRI等。然而,使用完之液態氦經相變氣化後可能攜帶諸如濕氣、氧氣、油和氮等雜質,這些雜質的冰點高於液態氦並可能結晶凝固。凝固的雜質對於氦氣回收再製之液態氦製造系統及使用液態氦的低溫系統而言,將直接影響裝置的性能和運行狀態,包括改變流動特性、損害低溫系統中的冷箱或運動部件(如渦輪等),進而降低整體運行效率。因此,確實清除雜質對於延長低溫系統的使用壽命至為關鍵。Helium is a scarce and high-cost consumable resource. It is widely used in many fields such as medicine, energy and space research, and its annual consumption rate continues to rise at a rate of about 10%. In many facilities, liquid helium is widely used for ultra-low temperature cooling of large equipment, including superconducting magnets, superconducting radio frequency resonance cavities, and MRI. However, after the used liquid helium is vaporized through phase change, it may carry impurities such as moisture, oxygen, oil and nitrogen. The freezing point of these impurities is higher than that of liquid helium and may crystallize and solidify. Solidified impurities will directly affect the performance and operation of the liquid helium manufacturing system for helium recovery and re-production and the cryogenic system using liquid helium, including changing the flow characteristics, damaging the cold box or moving parts (such as turbines, etc.) in the cryogenic system, and thus reducing the overall operating efficiency. Therefore, it is critical to effectively remove impurities to extend the service life of the cryogenic system.
傳統氦氣純化方法的一個問題在於去除微量雜質方面的低效率,因此,氦氣純化裝置及純化氦氣之方法需要進一步改良,以更高的純化效率、低損耗的方式獲得經純化的氦氣,以支援液態氦的廣泛應用。One problem with traditional helium purification methods is the low efficiency in removing trace impurities. Therefore, helium purification devices and methods for purifying helium need to be further improved to obtain purified helium with higher purification efficiency and low loss to support the widespread application of liquid helium.
本發明的實施例涉及一種氦氣純化裝置。所述氦氣純化裝置包括:一入口,用以接收一氦氣;一第一降溫單元,其設置為將該氦氣的溫度降至一第一溫度;一第二降溫單元,其設置為接收降溫至該第一溫度之該氦氣,並將具有該第一溫度之該氦氣的溫度降至一第二溫度;一雜質分離單元,其設置為接收降溫至該第二溫度之該氦氣,並將具有該第二溫度之該氦氣中的一第一雜質分離出,其中該第一雜質的冰點不低於該第二溫度;一雜質吸附單元,其設置為接收經分離該第一雜質之該氦氣,並用以吸附該氦氣中的一第二雜質,以取得一經純化氦氣;以及一出口,用以輸出該經純化氦氣。An embodiment of the present invention relates to a helium purification device. The helium purification device includes: an inlet for receiving helium; a first cooling unit, which is configured to reduce the temperature of the helium to a first temperature; a second cooling unit, which is configured to receive the helium cooled to the first temperature and reduce the temperature of the helium having the first temperature to a second temperature; an impurity separation unit, which is configured to receive the helium cooled to the second temperature and separate a first impurity from the helium having the second temperature, wherein the freezing point of the first impurity is not lower than the second temperature; an impurity adsorption unit, which is configured to receive the helium from which the first impurity is separated and adsorb a second impurity in the helium to obtain purified helium; and an outlet, which is configured to output the purified helium.
本發明的實施例涉及一種純化氦氣之方法。所述方法包括:接收一氦氣原料;將該氦氣原料的溫度降至一第一溫度;將水自降溫至該第一溫度之該氦氣原料分離出;將該具有該第一溫度之該氦氣原料的溫度降至一第二溫度;將一第一雜質自具有該第二溫度之該氦氣原料分離出,其中該第一雜質的冰點高於該第二溫度;將一第二雜質自具有該第二溫度且已分離出該第一雜質之該氦氣原料吸附出,以取得一經純化氦氣;以及升溫該經純化氦氣。An embodiment of the present invention relates to a method for purifying helium. The method includes: receiving a helium raw material; lowering the temperature of the helium raw material to a first temperature; separating water from the helium raw material cooled to the first temperature; lowering the temperature of the helium raw material having the first temperature to a second temperature; separating a first impurity from the helium raw material having the second temperature, wherein the freezing point of the first impurity is higher than the second temperature; adsorbing a second impurity from the helium raw material having the second temperature and from which the first impurity has been separated to obtain purified helium; and raising the temperature of the purified helium.
以下揭露內容提供用於實施本發明之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本發明。當然,此等僅為實例且不旨在限制。舉例而言,在下列描述中,第一構件形成於第二構件上方或第一構件形成於第二構件之上,可包含該第一構件及該第二構件直接接觸之實施例,且亦可包含額外構件形成在該第一構件與該第二構件之間之實施例,使該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外,本揭露可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的,且本身不代表所論述之各項實施例及/或組態之間的關係。The following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing the different features of the present invention. Specific examples of components and configurations are described below to simplify the present invention. Of course, these are only examples and are not intended to be limiting. For example, in the following description, a first component is formed above a second component or a first component is formed on a second component, which may include an embodiment in which the first component and the second component are in direct contact, and may also include an embodiment in which an additional component is formed between the first component and the second component, so that the first component and the second component may not be in direct contact. In addition, the present disclosure may repeat component symbols and/or letters in various examples. This repetition is for the purpose of simplification and clarity, and does not itself represent the relationship between the various embodiments and/or configurations discussed.
此外,為便於描述,可在本文中使用諸如「在…下面」、「在…下方」、「下」、「在…上方」、「上」及類似者之空間相對術語來描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係,如圖中繪示。空間相對術語旨在涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。該裝置可以有其他定向(旋轉90度或按其他定向),同樣可以相應地用來解釋本文中使用之空間相對描述詞。Additionally, for ease of description, spatially relative terms such as "below," "beneath," "down," "above," "upper," and the like may be used herein to describe the relationship of one element or component to another element or components as depicted in the figures. Spatially relative terms are intended to encompass different orientations of the device in use or operation in addition to the orientation depicted in the figures. The device may be in other orientations (rotated 90 degrees or at other orientations) and the spatially relative descriptors used herein may be interpreted accordingly.
如本文中所使用諸如「第一」、「第二」、和「第三」等用語說明各種元件、部件、區域、層、和/或區段,這些元件、部件、區域、層、和/或區段不應受到這些用語限制。這些用語可能僅係用於區別一個元件、部件、區域、層、或區段與另一個。當文中使用「第一」、「第二」、和「第三」等用語時,並非意味著順序或次序,除非由該上下文明確所指出。As used herein, terms such as "first," "second," and "third" describe various elements, components, regions, layers, and/or sections, these elements, components, regions, layers, and/or sections should not be limited by these terms. These terms may only be used to distinguish one element, component, region, layer, or section from another. When used herein, the terms "first," "second," and "third" do not imply a sequence or order unless clearly indicated by the context.
本發明係提供一種氦氣純化裝置及純化氦氣之方法。在一些實施例中,本發明的氦氣純化裝置係通過物理方式純化氦氣,且可在短時間內快速純化大量氦氣,有利於支援氦氣的廣泛應用。The present invention provides a helium purification device and a method for purifying helium. In some embodiments, the helium purification device of the present invention purifies helium by physical means and can quickly purify a large amount of helium in a short time, which is beneficial to support the wide application of helium.
圖1所示是根據本發明的某些實施例的氦氣純化裝置100的示意圖。參見圖1,本發明氦氣純化裝置100包括入口110、第一降溫單元121、第一升溫單元122、第二降溫單元150、雜質分離單元160、雜質吸附單元170,以及出口180。在一些實施例中,氦氣純化裝置100還包括外殼體101、殼管式熱交換器130及液態氮儲存桶140。FIG1 is a schematic diagram of a
在一些實施例中,外殼體101用於容置第一降溫單元121、第一升溫單元122、殼管式熱交換器130、液態氮儲存桶140、第二降溫單元150、雜質分離單元160,以及雜質吸附單元170。在一些實施例中,入口110用於接收氦氣原料200進入氦氣純化裝置100的外殼體101,出口180用於將經純化氦氣300輸出氦氣純化裝置100的外殼體101。在一些實施例中,外殼體101內的壓力介於約0.00001 bar至約0.01 bar。In some embodiments, the
在一些實施例中,第一流體導管111位於外殼體101中且經配置以連通入口110與第一降溫單元121。第一流體導管111用於使氦氣原料200由外殼體101之外進入氦氣純化裝置100的外殼體101中,並經由第一流體導管111傳送至第一降溫單元121。在一些實施例中,氦氣純化裝置100還包含壓縮機102,壓縮機102用於提升氦氣原料200內壓力並配置成與第一流體導管111連通,以促進氦氣原料200進入氦氣純化裝置100。氦氣原料200的壓力可被壓縮機102自非運作狀態的1.013 bar提升至約3 bar至約160 bar。In some embodiments, the
在一些實施例中,自入口110進入氦氣純化裝置100的氦氣原料200包含第一雜質及第二雜質。第一雜質的冰點不低於77K,可例如但不限於微粒、冰晶、二氧化碳、水。第二雜質係選自於由氮氣、氧氣、碳氫化合物(C
xH
y)及油汙染物所組成之群組其中至少之一者。在一些實施例中,第一雜質和第二雜質實質上將會在氦氣純化裝置100內的不同處理階段被移除。
In some embodiments, the helium
圖2所示是根據本發明的某些實施例的管套管式熱交換器(coaxial pipe counterflow heat exchanger,又稱為同軸管逆流熱交換器tube in tube heat exchanger)120的示意圖。圖3所示是根據本發明的某些實施例的管套管式熱交換器120的透視圖。在一些實施例中,參見圖1、圖2及圖3,氦氣純化裝置100中的第一降溫單元121及第一升溫單元122係結合於管套管式熱交換器120中。管套管式熱交換器120係用以將氦氣原料200以及經純化氦氣300進行第一熱交換。FIG. 2 is a schematic diagram of a coaxial pipe
詳言之,第一降溫單元121設置為將氦氣原料200的溫度降至第一溫度。在一些實施例中,第一溫度不超過約120K。在一些實施例中,第一溫度為約120K至約80K。依據待純化之氦氣原料200的來源不同,其初始溫度可能有所差異,在一些例子中,氦氣原料200的溫度是由200K以上降至第一溫度,而在另一些例子中,氦氣原料200的溫度是由300K以上降至第一溫度。在一些實施例中,第一降溫單元121配置成接收氦氣原料200,第一升溫單元122配置成接收經純化氦氣300,兩者被整合至管套管式熱交換器120當中,以使兩者進行第一熱交換,使在引入待純化之氦氣原料200至氦氣純化裝置100當中的方向上,氦氣原料200的溫度會在此降至第一溫度。In detail, the
在一些實施例中,管套管式熱交換器120包含兩根同軸管,其中一根為內管,另一根為外管,內管位於外管中,外管套在內管之外。通過管套管的配置,在第一降溫單元121中流動的氦氣原料200會與在第一升溫單元122中流動的經純化氦氣300進行前述的第一熱交換。In some embodiments, the tube-in-
在一些實施例中,第一降溫單元121配置為使氦氣原料200進入內管並藉由壓縮機102推動流動,第一升溫單元122配置為使經純化氦氣300進入內管及外管之間的環形空間並沿第二方向X2流動,第一方向X1與第二方向X2相反。在一些實施例中,第一降溫單元121配置為使氦氣原料200進入內管及外管之間的環形空間並沿第一方向X1流動,第一升溫單元122配置為使經純化氦氣300進入內管並沿第二方向X2流動,意即,本發明一些實施例在待純化的氦氣原料200進入氦氣純化裝置100後,會對待純化的氦氣原料200施以降溫之處理,而經純化氦氣300在離開氦氣純化裝置100前,會對經純化氦氣300施以升溫之處理,而所述降溫/升溫之處理,則以管套管式熱交換器120之管套管的配置來實現。在一些實施例中,兩根同軸管為螺旋狀,第一方向X1為順時鐘方向或逆時鐘方向,第二方向X2對應的為逆時鐘方向或順時鐘方向,以使第一方向X1與第二方向X2相反。在一些實施例中,為增強換熱效率,每根同軸管的長度是大於1公尺。In some embodiments, the
在一些實施例中,第二流體導管112位於外殼體101中且經配置以連通第一降溫單元121與殼管式熱交換器130。第二流體導管112用於自第一降溫單元121接收具有第一溫度之氦氣原料200,並經由第二流體導管112傳送至殼管式熱交換器130。在一些實施例中,殼管式熱交換器130設置於第一降溫單元121以及第二降溫單元150間。In some embodiments, the
圖4所示是根據本發明的某些實施例的殼管式熱交換器(vassel and tube heat exchanger)130的示意圖。在一些實施例中,參見圖1及圖4,殼管式熱交換器130係用以將具有第一溫度之氦氣原料200與經純化氦氣300進行第二熱交換。殼管式熱交換器130包括外套殼131以及內管路132。內管路132容置於外套殼131中,且內管路132與外套殼131之內壁131a間具有流動空間133。內管路132係與雜質吸附單元170相連接,以接收經純化氦氣300,流動空間133連通第二流體導管112及第一降溫單元121,用以容置具有第一溫度之氦氣原料200。在一些實施例中,內管路132是螺旋狀的,用以增加具有第一溫度之氦氣原料200與內管路132之外表面132a的接觸面積。在一些實施例中,進行第二熱交換時,具有第一溫度之氦氣原料200的水氣會冷凝或附著於內管路132及外套殼131之內壁131a。在一些實施例中,殼管式熱交換器130配置成將具有第一溫度之氦氣原料200中的水去除。因此,相較於前述之管套管式熱交換器120,殼管式熱交換器130之設置目的有所不同,前述之管套管式熱交換器120之主要目的在於溫度之調整,而殼管式熱交換器130之主要目的在於配合殼管式熱交換器130的結構設計,利用溫度較低之經純化氦氣300來協助移除氦氣原料200中的水。FIG. 4 is a schematic diagram of a vassel and
在一些實施例中,第三流體導管113位於外殼體101中且經配置以連通殼管式熱交換器130與第二降溫單元150。第三流體導管113用於自殼管式熱交換器130的外套殼131中接收具有第一溫度之氦氣原料200,並將具有第一溫度之氦氣原料200傳送至第二降溫單元150。In some embodiments, the third
在一些實施例中,第二降溫單元150、雜質分離單元160以及雜質吸附單元170是於第二溫度或第二溫度以下工作。在一些實施例中,第二溫度為不超過約80K。在一些實施例中,第二溫度為不超過約77K。In some embodiments, the
圖5所示是根據本發明的某些實施例的氦氣純化裝置100的立體示意圖。在一些實施例中,參見圖1及圖5,第二降溫單元150、雜質分離單元160以及雜質吸附單元170係設置於液態氮儲存桶140中而浸泡於液態氮141。在一些實施例中,液態氮儲存桶140用於容置液態氮141,且用於使第二降溫單元150、雜質分離單元160以及雜質吸附單元170於工作狀態時浸泡於液態氮141中。在一些實施例中,第二降溫單元150、雜質分離單元160以及雜質吸附單元170於工作狀態時是完全浸泡於液態氮141中。在一些實施例中,液態氮儲存桶140具有多層隔熱膜142,外殼體101與多層隔熱膜142之間包含至少一中空空間143。相較於傳統隔熱系統,設有多層隔熱膜142的液態氮儲存桶140可以降低三個數量級的熱通量,使液態氮141的消耗量大幅降低。在一些實施例中,液態氮儲存桶140中的液態氮141靜態熱損為55W,液態氮141消耗量為1.25公升/小時。在一些實施例中,第三流體導管113將具有第一溫度之氦氣原料200輸送至位於液態氮儲存桶140中的第二降溫單元150。FIG5 is a three-dimensional schematic diagram of a
在一些實施例中,液位感測器144設置於液態氮儲存桶140中,用於檢測或測量液態氮儲存桶140中液態氮141的液位及液料量。在一些實施例中,液態氮儲存桶140中設置有複數個液位感測器144,可例如但不限於將複數個液位感測器144分散的設置在液態氮儲存桶140中的各處。在一些實施例中,複數個液位感測器144沿重力方向Z排列於液態氮儲存桶140的頂部及底部之間。In some embodiments, the
圖6所示是根據本發明的某些實施例的第二降溫單元150的示意圖。在一些實施例中,參見圖1及圖6,第二降溫單元150設置為接收降溫至第一溫度之氦氣原料200,並將具有第一溫度之氦氣原料200的溫度降至第二溫度,形成降溫至第二溫度之氦氣原料200。在一些實施例中,第一雜質會於第二溫度的環境中遇冷凝結,因此降溫至第二溫度之氦氣原料200可包含經凝結的第一雜質。FIG6 is a schematic diagram of a
在一些實施例中,第二降溫單元150是一種預冷卻器(precooler)。在一些實施例中,預冷卻器包含螺旋盤捲的管路。在一些實施例中,第二降溫單元150的螺旋盤捲的管路完全浸泡於液態氮141中。In some embodiments, the
在一些實施例中,第四流體導管114位於液態氮儲存桶140中且經配置以連通第二降溫單元150與雜質分離單元160。第四流體導管114用於自第二降溫單元150接收具有第二溫度之氦氣原料200,並將具有第二溫度之氦氣原料200輸送至雜質分離單元160。In some embodiments, the fourth
在一些實施例中,雜質分離單元160設置為接收降溫至第二溫度之氦氣原料200,並將具有第二溫度之氦氣原料200中的第一雜質分離出來。在一些實施例中,雜質分離單元160通過物理方法將具有第二溫度之氦氣原料200中的第一雜質分離出來。在一些實施例中,雜質分離單元160包括相分離器161以及過濾器162。在一些實施例中,第四流體導管114用於將具有第二溫度之氦氣原料200輸送至雜質分離單元160。在一些實施例中,第四流體導管114用於將具有第二溫度之氦氣原料200輸送至相分離器161。In some embodiments, the
圖7所示是根據本發明的某些實施例的相分離器161的示意圖。在一些實施例中,參見圖1及圖7,相分離器161設置為利用螺旋氣流163將第一雜質自具有第二溫度之氦氣原料200分離出來。在一些實施例中,相分離器161定義沿重力方向Z延伸的狹長空間164,且在狹長空間164中建立高速旋轉的螺旋氣流163。螺旋氣流163用於帶著具有第二溫度之氦氣原料200繞狹長空間164的中心軸線C呈螺旋狀高速旋轉。在一些實施例中,螺旋氣流163用於帶著具有第二溫度之氦氣原料200從狹長空間164的頂部開始進入相分離器161中,高速旋轉的同時往沿重力方向Z移動至狹長空間164的底部,然後沿中心軸線C由狹長空間164的底部流至頂部,並流出狹長空間164。相較於具有第二溫度之氦氣原料200的慣性,第一雜質,特別是經凝結的第一雜質或是包含第一雜質的微粒,由於體積及/或密度較大導致慣性較大。當螺旋氣流163帶著具有第二溫度之氦氣原料200繞狹長空間164的中心軸線C高速旋轉,慣性較大的經凝結的第一雜質或是包含第一雜質的微粒,難以跟隨螺旋氣流163的狹窄曲線移動,甚至因此撞擊外侧壁而落到狹長空間164底部,進而無法流出狹長空間164,從而自具有第二溫度之氦氣原料200被移除。FIG7 is a schematic diagram of a
在一些實施例中,第五流體導管115位於液態氮儲存桶140中且經配置以連通相分離器161與過濾器162。第五流體導管115用於自相分離器161接收具有第二溫度之氦氣原料200,並將具有第二溫度之氦氣原料200輸送至過濾器162。在一些實施例中,第五流體導管115配置於雜質分離單元160中。In some embodiments, the fifth
圖8所示是根據本發明的某些實施例的過濾器162的示意圖。在一些實施例中,參見圖1及圖8,過濾器162設置為將冰晶及二氧化碳(具有第二溫度之二氧化碳為固體)自氦氣原料200分離出。在一些實施例中,過濾器162包括濾網或濾芯165,可例如但不限於單層以上的40目不銹鋼絲布卷。過濾器162的長度可為10毫米以上。在一些實施例中,過濾器162包括位於頂部的入口166,以及位於側邊的出口167。入口166連通濾芯165內部並配置為使具有第二溫度之氦氣原料200進入濾芯165,出口167位於濾芯165之外並配置為使具有第二溫度之氦氣原料200離開濾芯165,入口166及出口167確保冰晶及二氧化碳會被濾芯165攔截。FIG8 is a schematic diagram of a
在一些實施例中,第六流體導管116位於液態氮儲存桶140中且經配置以連通雜質分離單元160與雜質吸附單元170。第六流體導管116用於自雜質分離單元160接收具有第二溫度之氦氣原料200,並將具有第二溫度之氦氣原料200輸送至雜質吸附單元170。在一些實施例中,第六流體導管116是用於將具有第二溫度之氦氣原料200自過濾器162輸送至雜質吸附單元170。第六流體導管116經配置以連通過濾器162的出口167與雜質吸附單元170。In some embodiments, the sixth
雜質吸附單元170設置為接收經分離第一雜質且降溫至第二溫度之氦氣原料200,並用以吸附氦氣原料200中的第二雜質,以取得經純化氦氣300。雜質吸附單元170用於使降溫至第二溫度之氦氣原料200進行低溫吸附。在一些實施例中,雜質吸附單元170包含吸附劑171,吸附劑171是用於在低溫條件下通過物理吸附,從氦氣原料200中去除雜質的核心組件。經純化氦氣300的純度為99.99%以上。在一些實施例中,經純化氦氣300的純度為99.9995%以上。The
圖9所示是根據本發明的某些實施例的雜質吸附單元170的分解圖。在一些實施例中,參見圖1及圖9,雜質吸附單元170除包含吸附劑171外,亦包含用於容置吸附劑的桶172。在一些實施例中,吸附劑171是選自於以下群組之單獨或組合:活性氧化鋁、分子篩、矽膠,及活性炭。在一些實施例中,使用具有較高的BET(Brunauer-Emmett-Teller)比表面積和較低的體積密度的粒狀活性炭作為吸附劑171的雜質吸附效益相對較為明顯,這些粒狀活性炭較高的BET比表面積允許更多微孔進行氣體吸附,而較低的體積密度降低了吸附床的重量。活性炭的再生溫度低於其他吸附劑的再生溫度,當飽和時更容易且能更快地再活化。在低溫和較高壓力的的環境下,粒狀活性炭的氮吸附等溫線優於商業上可用的分子篩、矽膠和活性氧化鋁。此外,粒狀活性炭其粒狀形式在低溫下比其他顆粒形式活性炭具有更好的吸附性能。在降溫至第二溫度之氦氣原料200進入桶172的入口後,經由具備多孔性的內導管把降溫至第二溫度之氦氣原料200導入活性碳桶裡進行低溫吸附,這些孔洞有整流、導流以及擴散等作用,使降溫至第二溫度之氦氣原料200的雜質能更有效在低溫環境被吸附。FIG9 is an exploded view of an
在一些實施例中,參見圖1,第七流體導管117位於液態氮儲存桶140中並延伸至液態氮儲存桶140外,且經配置,其一端連通桶172,以與雜質吸附單元170相連接,另一端則連接殼管式熱交換器130的內管路132。第七流體導管117用於自雜質吸附單元170接收經純化氦氣300,並將經純化氦氣300輸送至前述之殼管式熱交換器130的內管路132進行第二熱交換。在一些實施例中,第七流體導管117上設置有感測器117a,用於感測溫度及壓力等參數。In some embodiments, referring to FIG. 1 , the seventh
如前所述,在一些實施例中,殼管式熱交換器130用於進行第二熱交換,使經純化氦氣300自約第二溫度升溫至約第一溫度。內管路132用於接收經純化氦氣300,並使流經內管路132的經純化氦氣300自約第二溫度升溫至約第一溫度。As described above, in some embodiments, the shell-and-
在一些實施例中,參見圖1,第八流體導管118位於外殼體101中,且經配置以連接殼管式熱交換器130以及第一升溫單元122。第八流體導管118用於自殼管式熱交換器130接收升溫至約第一溫度的經純化氦氣300,並將升溫至約第一溫度的經純化氦氣300輸送至第一升溫單元122進行第一熱交換。在一些實施例中,第八流體導管118是用於將經純化氦氣300自殼管式熱交換器130的內管路132輸送至管套管式熱交換器120。在一些實施例中,管套管式熱交換器120用於將經純化氦氣300自約第一溫度升溫至高於第一溫度,例如升溫至120K以上。In some embodiments, referring to FIG. 1 , the eighth
在一些實施例中,第九流體導管119位於外殼體101中且經配置以連通出口180與第一升溫單元122。第九流體導管119用於使升溫至第一溫度以上的經純化氦氣300輸送至氦氣純化裝置100的外殼體101外,提供由氦氣純化裝置100處理的經純化氦氣300。In some embodiments, the ninth
圖10為例示是根據本發明的某些實施例的純化氦氣之方法400的方法流程圖。純化氦氣之方法400包括數個步驟:步驟(401),接收一氦氣原料;步驟(402),將該氦氣原料的溫度降至一第一溫度;步驟(403),將水自降溫至該第一溫度之該氦氣原料分離出;步驟(404),將該具有該第一溫度之該氦氣原料的溫度降至一第二溫度;步驟(405),將一第一雜質自具有該第二溫度之該氦氣原料分離出,其中該第一雜質的冰點高於該第二溫度;步驟(406),將一第二雜質自具有該第二溫度且已分離出該第一雜質之該氦氣原料吸附出,以取得一經純化氦氣;及步驟(407),升溫該經純化氦氣。FIG10 is a flow chart illustrating a
為了說明本發明的概念和純化氦氣之方法400,下面提供各種具體實施例。然而,本發明並不欲受限於特定具體實施例。另外,在不同具體實施例中例示的元件、條件或參數可組合或修改,以形成具體實施例的不同組合,只要所使用的元件、參數或條件不衝突即可。為了便於說明,在不同的具體實施例和附圖中,重複具有相似或相同功能和特性的參考編號。純化氦氣之方法400的各種操作可使用如圖1至9任一者所示之具體實施例。In order to illustrate the concepts of the present invention and the
在一些實施例中,純化氦氣之方法400包括步驟401,其包括接收氦氣原料200。此氦氣原料200可例如但不限於來自於例如超導磁鐵、超導射頻共振腔體、以及MRI等大型設備的冷卻裝置,而為了使這些使用過的液態氦(已經過相變氣化)能夠再被循環使用,本發明的目的之一即再於將其所包含之雜質,例如前述實施例所提及之第一雜質及第二雜質,於不同的階段進行移除處理,以獲得經純化之氦氣,以將其以直接(例如直接與產生待液化之液態氦製造設備相連接,以直接回饋經純化之液態氦)或間接(例如另外藉由運輸設備,將經純化之氦氣運輸至至所需要的設備)的方式,將純化之氦氣再重新提供給產業使用。在一些實施例中,氦氣原料200被外殼體101接收,由入口110進入氦氣純化裝置100。在一些實施例中,純化氦氣之方法400是使用圖1所示氦氣純化裝置100。在一些實施例中,氦氣原料200於步驟402至步驟407係處於約3 bar至約160 bar的壓力。In some embodiments, a
在一些實施例中,純化氦氣之方法400包括步驟402,其包括將氦氣原料200的溫度降至第一溫度。在一些實施例中,第一溫度不超過約120K。在一些實施例中,將氦氣原料200的溫度降至第一溫度包括使氦氣原料200與經純化氦氣300進行第一熱交換,以使氦氣原料200的溫度由200K以上降至第一溫度。在一些實施例中,第一熱交換是通過管套管式熱交換器120進行。在一些實施例中,將氦氣原料200的溫度降至第一溫度包括使用第一降溫單元121將氦氣原料200的溫度降至第一溫度,第一降溫單元121可具有例如圖1至圖3所示態樣。在一些實施例中,通過第一流體導管111將氦氣原料200輸送至第一降溫單元121。In some embodiments, the
在一些實施例中,純化氦氣之方法400包括步驟403,其包括將水自具有第一溫度之氦氣原料200分離出。在一些實施例中,將水自具有第一溫度之氦氣原料200分離出之步驟包含使具有第一溫度之氦氣原料200與經純化氦氣300進行第二熱交換。在一些實施例中,使用殼管式熱交換器130將水自具有第一溫度之氦氣原料200分離出以及進行第二熱交換。在一些實施例中,殼管式熱交換器130的態樣可例如圖1及圖4所示。在一些實施例中,將水自具有第一溫度之氦氣原料200分離出之步驟包含將具有第一溫度之氦氣原料200通過第二流體導管112輸入至殼管式熱交換器130。
In some embodiments, the
在一些實施例中,在將氦氣原料200的溫度降至第一溫度後,進行第二熱交換以將水自具有第一溫度之氦氣原料200分離出。在一些實施例中,將具有第一溫度之氦氣原料200通入殼管式熱交換器130之外套殼131與內管路132間之流動空間133,使具有第一溫度之氦氣原料200與內管路132之外表面132a接觸以進行第二熱交換,此內管路132當中包含經純化氦氣300,以與位於內管路132外的氦氣原料200進行第二熱交換;收集冷凝於內管路132之外表面132a以及外套殼131之內壁131a之水;以及使經第二熱交換的氦氣原料200排出殼管式熱交換器130。在一些情況中,例如在純化氦氣的流程啟動之初,尚未有經純化氦氣300產生時,可利用一般冷凝的方式使氦氣原料200降溫,而不透過熱交換的方式使氦氣原料200降溫。
In some embodiments, after the temperature of the helium
在一些實施例中,在步驟403之後,純化氦氣之方法400還包括將經第二熱交換的氦氣原料200通入第三流體導管113,且第三流體導管113將經第二熱交換的氦氣原料200送至具有第二溫度的環境中。在一些實施例中,第二溫度為不超過約80K。在一些實施例中,在步驟403之後,純化氦氣之方法400還包括將經第二熱交換的氦氣原料200以第三流體導管113送入液態氮儲存桶140中,且第三流體導管113是浸泡於液態氮141中。
In some embodiments, after
在一些實施例中,純化氦氣之方法400包括步驟404,其包括將經第二熱交換的氦氣原料200的溫度降至第二溫度,第二溫度為不超過約80K,獲得具有第二溫度之氦氣原料200。在一些實施例中,將經第二熱交換的氦氣原料200的溫度降至第二溫度是通過第二降溫單元150進行。在一些實施例中,通過第三流體導管113將經第二熱交換的氦氣原料200自殼管式熱交換器130輸送至第二降溫單元150。在一些實施例中,第二降溫單元150的態樣可例如但不限於圖1或圖6所示態樣。In some embodiments, the
在一些實施例中,步驟404至步驟406是於第二溫度或第二溫度以下進行。在一些實施例中,步驟404至步驟406是於液態氮儲存桶140中進行。在一些實施例中,液態氮儲存桶140的態樣可例如但不限於圖1及圖5所示。在一些實施例中,純化氦氣之方法400還包括將第二降溫單元150浸泡於液態氮141中。在一些實施例中,純化氦氣之方法400還包括檢測或測量液態氮儲存桶140中液態氮141的液位及液料量,可例如但不限於以設置於液態氮儲存桶140中的液位感測器144檢測。In some embodiments,
在一些實施例中,純化氦氣之方法400包括步驟405,其包括將第一雜質自具有第二溫度之氦氣原料200分離出,其中第一雜質的冰點高於第二溫度。在一些實施例中,通過第四流體導管114將具有第二溫度之氦氣原料200自第二降溫單元150輸送至雜質分離單元160。在一些實施例中,純化氦氣之方法400還包括將雜質分離單元160浸泡於液態氮141中。In some embodiments, the
在一些實施例中,利用相分離器161及過濾器162將第一雜質自具有第二溫度之氦氣原料200分離出來。在一些實施例中,步驟405包含於相分離器161中提供螺旋狀氣流,以及將具有第二溫度之氦氣原料200通入相分離器161並與螺旋狀氣流接觸,使第一雜質或是包含第一雜質的微粒自由落入相分離器161之底部。在一些實施例中,通過第四流體導管114將具有第二溫度之氦氣原料200自第二降溫單元150輸送至相分離器161。在一些實施例中,相分離器161可例如但不限於圖1及圖7所示態樣。In some embodiments, the first impurity is separated from the helium
在一些實施例中,步驟405還包含過濾具有第二溫度之氦氣原料200,且第一雜質包括二氧化碳及冰晶。在一些實施例中,純化氦氣之方法400還包括將具有第二溫度之氦氣原料200通入第五流體導管115,且第五流體導管115將第二溫度之氦氣原料200由相分離器161輸送至過濾器162。在一些實施例中,使具有第二溫度之氦氣原料200通過過濾器162中的濾心165,以將第一雜質自具有第二溫度之氦氣200原料分離出。在一些實施例中,過濾器162可例如但不限於圖1及圖8所示態樣。In some embodiments, step 405 further includes filtering the helium
在一些實施例中,在步驟405之後,純化氦氣之方法400還包括將具有第二溫度之氦氣原料200通入第六流體導管116,且第六流體導管116將已分離出第一雜質且具有第二溫度之氦氣原料200由雜質分離單元160送至雜質吸附單元170。在一些實施例中,第六流體導管116是浸泡於液態氮141中。In some embodiments, after
在一些實施例中,純化氦氣之方法400包括步驟406,其包括將第二雜質由已分離出第一雜質且具有第二溫度之氦氣原料200吸附出,以取得經純化氦氣300。在一些實施例中,步驟406係使用物理吸附。在一些實施例中,將已分離出第一雜質且具有第二溫度之氦氣原料200通入雜質吸附單元170,使第二雜質被吸附進而與氦氣原料200分離。在一些實施例中,將已分離出第一雜質且具有第二溫度之氦氣原料200與吸附劑171接觸,使第二雜質被吸附劑171吸附,以獲得經純化氦氣300。在一些實施例中,純化氦氣之方法400還包括將雜質吸附單元170浸泡於液態氮141中。In some embodiments, the
在一些實施例中,通過純化氦氣之方法400獲得經純化氦氣300的所需時間是小於10秒。在一些實施例中,通過純化氦氣之方法400獲得經純化氦氣300的所需時間是小於3秒。在一些實施例中,通過純化氦氣之方法400獲得經純化氦氣300的所需時間是小於1秒。In some embodiments, the time required to obtain purified
在一些實施例中,純化氦氣之方法400包括步驟407,其包括升溫經純化氦氣300。在一些實施例中,先將經純化氦氣300升溫至第一溫度,再將具有第一溫度的經純化氦氣300升溫至200K以上之溫度。In some embodiments, the
在一些實施例中,在步驟406後,獲得的經純化氦氣300具有第二溫度,第七流體導管117將具有第二溫度的經純化氦氣300送出液態氮儲存桶140,使經純化氦氣300不再浸泡於液態氮141中。在一些實施例中,步驟407包括使具有第二溫度的經純化氦氣300與具有第一溫度之氦氣原料200進行第二熱交換,以升溫具有第二溫度的經純化氦氣300。In some embodiments, after
在一些實施例中,步驟407包括由第七流體導管117將具有第二溫度的經純化氦氣300由雜質吸附單元170輸送至殼管式熱交換器130,並與具有第一溫度之氦氣原料200進行第二熱交換。在一些實施例中,具有第二溫度的經純化氦氣300是被送至殼管式熱交換器130升溫,例如在殼管式熱交換器130的內管路132中升溫。In some embodiments,
在一些實施例中,步驟407包括在第二熱交換之後,使經第二熱交換的經純化氦氣300進行第一熱交換。在一些實施例中,第八流體導管118將經第二熱交換的經純化氦氣300由殼管式熱交換器130輸送至管套管式熱交換器120,並與氦氣原料200進行第一熱交換。在一些實施例中,第八流體導管118將經第二熱交換的經純化氦氣300輸送至第一升溫單元122進行第一熱交換。在一些實施例中,經第一熱交換的經純化氦氣300具有200K以上的溫度。在一些實施例中,第九流體導管119將經第一熱交換的經純化氦氣300輸送至外殼體101之外。在一些實施例中,經純化氦氣300輸送至外殼體101之外的流量為20g/s以上。In some embodiments,
承上所述,本發明氦氣純化裝置以及純化氦氣之方法包含多階段純化過程,透過物理方法進行低溫換熱及低溫吸附,達到低損耗且高效率的雜質去除,獲得高純度的經純化氦氣。同時,亦可在高氦氣流量(20公克/秒以上,依據設備尺寸之設計亦可再更為提高)的狀態下進行此純化處理,無疑是改善了過往在除去氦氣微量雜質之低效率的問題。As mentioned above, the helium purification device and the method for purifying helium of the present invention include a multi-stage purification process, which uses physical methods to perform low-temperature heat exchange and low-temperature adsorption to achieve low-loss and high-efficiency impurity removal, and obtain high-purity purified helium. At the same time, the purification process can also be carried out at a high helium flow rate (more than 20 grams/second, which can be further increased according to the design of the equipment size), which undoubtedly improves the low efficiency of removing trace impurities in helium in the past.
上文的敘述簡要地提出了本申請某些實施例之特徵,而使本申請所屬技術領域具有通常知識者能夠更全面地理解本申請內容的多種態樣。本申請所屬技術領域具有通常知識者當可明瞭,其可輕易地利用本申請內容作為基礎,來設計或更動其他製程與結構,以實現與此處之實施方式相同的目的和/或達到相同的優點。本申請所屬技術領域具有通常知識者應當明白,這些均等的實施方式仍屬於本申請內容之精神與範圍,且其可進行各種變更、替代與更動,而不會悖離本申請內容之精神與範圍。The above description briefly presents the features of certain embodiments of the present application, so that a person with ordinary knowledge in the art to which the present application belongs can more comprehensively understand the various aspects of the content of the present application. A person with ordinary knowledge in the art to which the present application belongs should understand that he or she can easily use the content of the present application as a basis to design or change other processes and structures to achieve the same purpose and/or achieve the same advantages as the implementation method here. A person with ordinary knowledge in the art to which the present application belongs should understand that these equal implementation methods still belong to the spirit and scope of the content of the present application, and that they can be subjected to various changes, substitutions and modifications without violating the spirit and scope of the content of the present application.
100:氦氣純化裝置
101:外殼體
102:壓縮機
110:入口
111:第一流體導管
112:第二流體導管
113:第三流體導管
114:第四流體導管
115:第五流體導管
116:第六流體導管
117:第七流體導管
117a:感測器
118:第八流體導管
119:第九流體導管
120:管套管式熱交換器
121:第一降溫單元
122:第一升溫單元
130:殼管式熱交換器
131:外套殼
131a:內壁
132:內管路
132a:外表面
133:流動空間
140:液態氮儲存桶
141:液態氮
142:隔熱膜
143:中空空間
144:液位感測器
150:第二降溫單元
160:雜質分離單元
161:相分離器
162:過濾器
163:螺旋氣流
164:狹長空間
165:濾芯
166:入口
167:出口
170:雜質吸附單元
171:吸附劑
172:桶
180:出口
200:氦氣原料
300:經純化氦氣
401:步驟
402:步驟
403:步驟
404:步驟
405:步驟
406:步驟
407:步驟
C:中心軸線
X1:第一方向
X2:第二方向
Z:重力方向100: Helium purification device
101: Shell
102: Compressor
110: Inlet
111: First fluid conduit
112: Second fluid conduit
113: Third fluid conduit
114: Fourth fluid conduit
115: Fifth fluid conduit
116: Sixth fluid conduit
117: Seventh
當閱讀附圖時,從以下實施方式更佳瞭解本發明之多個態樣。應注意,根據產業中之標準作法,各種特徵件並未按比例繪出。事實上,為了討論的清晰,可任意增加或減少各種特徵件的尺寸。When reading the accompanying drawings, various aspects of the present invention will be better understood from the following embodiments. It should be noted that, in accordance with standard practice in the industry, the various features are not drawn to scale. In fact, the dimensions of the various features may be arbitrarily increased or decreased for clarity of discussion.
圖1所示為根據本發明的某些實施例的氦氣純化裝置的示意圖。FIG. 1 is a schematic diagram of a helium purification device according to some embodiments of the present invention.
圖2所示是根據本發明的某些實施例的管套管式熱交換器的示意圖。FIG. 2 is a schematic diagram of a tube-in-tube heat exchanger according to some embodiments of the present invention.
圖3所示是根據本發明的某些實施例的管套管式熱交換器的透視圖。FIG. 3 is a perspective view of a tube-in-tube heat exchanger according to some embodiments of the present invention.
圖4所示是根據本發明的某些實施例的殼管式熱交換器的示意圖。FIG. 4 is a schematic diagram of a shell and tube heat exchanger according to some embodiments of the present invention.
圖5所示是根據本發明的某些實施例的氦氣純化裝置的立體示意圖。FIG5 is a three-dimensional schematic diagram of a helium purification device according to certain embodiments of the present invention.
圖6所示是根據本發明的某些實施例的第二降溫單元的示意圖。FIG6 is a schematic diagram of a second cooling unit according to some embodiments of the present invention.
圖7所示是根據本發明的某些實施例的相分離器的示意圖。FIG. 7 is a schematic diagram of a phase separator according to some embodiments of the present invention.
圖8所示是根據本發明的某些實施例的過濾器的示意圖。FIG. 8 is a schematic diagram of a filter according to some embodiments of the present invention.
圖9所示是根據本發明的某些實施例的雜質吸附單元的分解圖。FIG. 9 is an exploded view of an impurity adsorption unit according to some embodiments of the present invention.
圖10為例示是根據本發明的某些實施例的純化氦氣之方法的方法流程圖。FIG. 10 is a process flow chart illustrating a method for purifying helium according to certain embodiments of the present invention.
100:氦氣純化裝置 100:Helium purification device
101:外殼體 101: Shell
102:壓縮機 102: Compressor
110:入口 110:Entrance
111:第一流體導管 111: First fluid conduit
112:第二流體導管 112: Second fluid conduit
113:第三流體導管 113: Third fluid conduit
114:第四流體導管 114: Fourth fluid conduit
115:第五流體導管 115: Fifth fluid conduit
116:第六流體導管 116: Sixth fluid conduit
117:第七流體導管 117: Seventh fluid conduit
117a:感測器 117a:Sensor
118:第八流體導管 118: Eighth fluid conduit
119:第九流體導管 119: Ninth fluid conduit
120:管套管式熱交換器 120: Tube-in-tube heat exchanger
121:第一降溫單元 121: First cooling unit
122:第一升溫單元 122: First heating unit
130:殼管式熱交換器 130: Shell and tube heat exchanger
131:外套殼 131: Jacket shell
132:內管路 132: Internal pipe
133:流動空間 133:Flow space
140:液態氮儲存桶 140: Liquid nitrogen storage tank
141:液態氮 141: Liquid nitrogen
142:隔熱膜 142: Thermal insulation film
143:中空空間 143:Hollow Space
144:液位感測器 144: Liquid level sensor
150:第二降溫單元 150: Second cooling unit
160:雜質分離單元 160: Impurity separation unit
161:相分離器 161: Phase separator
162:過濾器 162:Filter
170:雜質吸附單元 170: Impurity adsorption unit
171:吸附劑 171: Adsorbent
172:桶 172: Bucket
180:出口 180:Exit
200:氦氣原料 200: Helium raw material
300:經純化氦氣 300: Purified helium
Z:重力方向 Z: direction of gravity
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