低温氦基混合气体吸附研究系统及控制方法技术方案

一种低温氦基混合气体吸附研究系统及控制方法，包括第一、第二、第三气体钢瓶、第一、第二活性炭吸附罐、气体质谱分析仪、回收气囊，第一、第二活性炭吸附罐分别放置于第一、第二液氮槽内，采用两种配气方案对氦基混合气体进行吸附研究，第一种方案购置标准气体，通过第三气体钢瓶，经过第一活性炭吸附罐进行吸附后分为两股气流，一股气流流入气体质谱分析仪进行气体成分分析排入大气，另外一股气流流入回收气囊；第二种方案通过第一、第二气体钢瓶配置一定浓度的氦基混合气体，经过第二活性炭吸附罐进行吸附后分为为两股气流，一股气流流入气体质谱分析仪进行气体成分分析排入大气，另外一股气流流入回收气囊，实现对活性炭低温吸附效果分析。效果分析。效果分析。

【技术实现步骤摘要】
低温氦基混合气体吸附研究系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及低温制冷
，尤其涉及一种氦基混合气体吸附研究系统。

技术介绍

[0002]氦气作为一种稀缺的战略资源，广泛应用于低温超导、大科学工程、国防、医疗、太空探索以及半导体芯片产业，被誉为“气体稀土”。2018年，美国内政部将氦气列为“对国家安全和经济稳定至关重要的35种元素或材料”之一。近几年，随着高端科学技术飞速地发展，全球氦需求量不断增加；特别是以中国为主的东亚地区，氦气的消耗量以每年5％左右的速度增长，已经超越欧美地区成为氦需求量增长最快的区域。但是，氦气的供应量却难以满足其日益增长的需求量。近年来，“氦危机”时有发生，严重影响与氦气相关的科学研究的进展。自2006第一次氦短缺以来，全球范围内已经发生了三次“氦危机”。主要原因是作为美国主要的氦气储备机构美国国土资源管理局，提供了世界范围内约50％氦气供应量。全球的氦气供应量，被牢牢把控在美国手里。随着中美关系进一步恶化，美国从各个方面针对中国采取了遏制措施，尤其在高新科技领域，对中国更是围追堵截。
[0003]由于氦气在低温超导、芯片制造和太空探索等高科技领域不可替代的作用，在国际形势突变的特殊情况下，国际氦气贸易市场将成为敏感度极高的地带，美国等西方国家极有可能采取“勒脖子”战术，实施战略物资禁运政策。为了避免此种情况的发生，我国必须积极采取相应的措施，保障国内氦气的供应，进而保障国家重大战略计划的顺利进行。其中发展废氦提纯技术，加强氦气资源回收利用是一种比较有效的举措，可以缓解国内氦气供应紧张的局面，促进氦气地高效利用。
[0004]氦气纯化回收分为冷冻分凝分离，吸附分离，膜分离等方法；冷冻分凝分离与吸附分离常用于大型氦低温制冷系统，冷冻分凝分离用于氦气的初步纯化，而氦气的高纯净化则依赖于吸附分离。吸附器作为吸附分离的重要设备，其设计关乎着系统的长期稳定运行；而在大型氦低温制冷系统中，由于杂质气体常处于低温低分压的混合气体状态，其竞争吸附机理尚未研究透彻；且由于氦气流量较大及冷箱的紧凑化设计要求，常规吸附器化工设计中的指导空塔速度已不适用。

技术实现思路

[0005]鉴于此，有必要提供一种操作简单、工作稳定、易于维护的低温氦基混合气体吸附研究系统，旨在研究低温下氦基混合气体的吸附机理，建立活性炭低温吸附理论模型，用于大型低温制冷系统内吸附器的设计。
[0006]一种低温氦基混合气体吸附研究系统，包括第一气体钢瓶1a、第二气体钢瓶1b、第三气体钢瓶1c、第一活性炭吸附罐3a、第二活性炭吸附罐3b、第一液氮槽4a、第二液氮槽4b、储气罐5、真空显示仪6、冷凝盘管7、蒸发器8、气体质谱分析仪10、回收气囊11和真空泵12，所述第一活性炭吸附罐3a放置于所述第一液氮槽内4a，所述第二活性炭吸附罐3b与所述冷凝盘管7放置于所述第二液氮槽4b内；
[0007]所述第一气体钢瓶1a的出口和所述储气罐5的进口连通，所述第二气体钢瓶1b的出口和所述储气罐5的进口连通，所述第三气体钢瓶1c的出口和第一活性炭吸附罐3a的进口连通，所述第一活性炭吸附罐3a的出口和所述储气罐5的进口连通；所述储气罐5的出口与三通阀V5的第一出口V5a连通，所述储气罐5的出口还与冷凝盘管7的进口连通，所述冷凝盘管7的出口与所述第二活性炭吸附罐3b的进口连通，所述第二活性炭吸附罐3b的出口与蒸发器8的进口连通，所述蒸发器8的出口与三通阀V5的第二出口V5b连通，三通阀V5的第三出口V5c同时与所述气体质谱分析仪10、回收气囊11连通；
[0008]所述蒸发器8的出口与三通阀V5的第二出口V5b之间管路上连接有真空泵12，所述第二液氮槽4b设有液氮加注口V4a；
[0009]优选地，所述第一气体钢瓶1a与所述储气罐5之间依次串联有第一减压阀V1a、第一质量流量控制器2a，所述第二气体钢瓶1b与所述储气罐5之间依次串联有第二减压阀V1b、第二质量流量控制器2b，所述第三气体钢瓶1c与所述第一活性炭吸附罐3a之间设有第三减压阀V1c，所述第一活性炭吸附罐3a与储气罐5之间设有第三质量流量控制器2c，所述第三质量流量控制器2c并联有第三球阀V2c。
[0010]优选地，所述第一质量流量控制器2a并联有第一球阀V2a，所述第二质量流量控制器2b并联有第二球阀V2b，所述第三质量流量控制器2c与第一活性炭吸附器3a之间设有第一压力表P1。
[0011]优选地，所述储气罐5安装有第一安全阀V3a，第一安全阀V3a对储气罐5起到压力保护作用。
[0012]优选地，所述储气罐5与冷凝盘管7的管路上依次设置有第五减压阀V1e、真空度显示仪6、第五球阀V2e和第二安全阀V3b，所述真空度显示仪6的进口连接第四球阀V2d后与储气罐5与冷凝盘管7之间的管路连接。
[0013]优选地，所述第二活性炭吸附罐3b的出口与蒸发器8的进口之间设有第二压力表P2；所述第二液氮槽4b设有液氮加注口V4a。
[0014]优选地，所述蒸发器8的出口与三通阀V5第二出口V5b之间设有第六减压阀V1f、质量流量计9，所述三通阀V5第二出口V5b与所述质量流量计9之间的管路上连接有第一KF25连接口13a，第一KF25连接口13a连接所述真空泵12进气口，真空泵12出气口与大气连通，所述质量流量计9与所述第六减压阀V1f之间设有第四压力表P4。
[0015]优选地，所述三通阀V5的第三出口V5c与气体质谱分析仪10进口的管路上设有第四减压阀V1d和第三压力表P3，回收气囊11进气口与气体质谱分析仪10和三压力表P3之间的管路连接，回收气囊11进气口还安装有单相止回阀V6。
[0016]优选地，气体质谱分析仪10的出口设有气体出口V4b。
[0017]所述的低温氦基混合气体吸附研究系统的控制方法，选择两种配气方案之一或者同时选择两种方案实现对低温氦基混合气体吸附效果研究：
[0018]方案一：步骤一：将第一球阀V2a、第二球阀V2b、第三球阀V2c、第四球阀V2d和第五球阀V2e打开；
[0019]步骤二：将第一减压阀V1a、第二减压阀V1b、第三减压阀V1c和第四减压阀V1d关闭，第五减压阀V1e和第六减压阀V1f打开；将三通阀V5的第二出口V5b和第三出口V5c接通；
[0020]步骤三：启动真空泵12，进行抽真空，当真空显示仪6显示系统的真空度达
0.0001Pa，停止真空泵12；将第一液氮槽4a内充入液氮；
[0021]步骤四：第三气体钢瓶1c内存储的是购置的标准氦基混合气体，打开第三减压阀V1c，关闭第三球阀V2c，打开第三质量流量控制器2c，关闭第五减压阀V1e和第五球阀V2e，接通三通阀V5的第一出口V5a和第三出口V5c，打开第四减压阀V1d，进行低温氦基混合气体吸附实验，第三质量流量控制器2c调节混合气体的质量流量；
[0022]步骤五：气体质谱分析仪10分析氦基混合气体中各组分气体的含量，通过进入活性炭吸附罐3b前的氦基混合气体组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温氦基混合气体吸附研究系统，其特征在于：包括第一气体钢瓶(1a)、第二气体钢瓶(1b)、第三气体钢瓶(1c)、第一活性炭吸附罐(3a)、第二活性炭吸附罐(3b)、第一液氮槽(4a)、第二液氮槽(4b)、储气罐(5)、真空显示仪(6)、冷凝盘管(7)、蒸发器(8)、气体质谱分析仪(10)、回收气囊(11)和真空泵(12)，所述第一活性炭吸附罐(3a)放置于所述第一液氮槽内(4a)，所述第二活性炭吸附罐(3b)与所述冷凝盘管(7)放置于所述第二液氮槽(4b)内；所述第一气体钢瓶(1a)的出口和所述储气罐(5)的进口连通，所述第二气体钢瓶(1b)的出口和所述储气罐(5)的进口连通，所述第三气体钢瓶(1c)的出口和第一活性炭吸附罐(3a)的进口连通，所述第一活性炭吸附罐(3a)的出口和所述储气罐(5)的进口连通；所述储气罐(5)的出口与三通阀(V5)的第一出口(V5a)连通，所述储气罐(5)的出口还与冷凝盘管(7)的进口连通，所述冷凝盘管(7)的出口与所述第二活性炭吸附罐(3b)的进口连通，所述第二活性炭吸附罐(3b)的出口与蒸发器(8)的进口连通，所述蒸发器(8)的出口与三通阀(V5)的第二出口(V5b)连通，三通阀(V5)的第三出口(V5c)同时与所述气体质谱分析仪(10)、回收气囊(11)连通；所述蒸发器(8)的出口与三通阀(V5)的第二出口(V5b)之间管路上连接有真空泵(12)，所述第二液氮槽(4b)设有液氮加注口V(4a)。2.如权利要求1所述的低温氦基混合气体吸附研究系统，其特征在于，所述第一气体钢瓶(1a)与所述储气罐(5)之间依次串联有第一减压阀(V1a)、第一质量流量控制器(2a)，所述第二气体钢瓶(1b)与所述储气罐(5)之间依次串联有第二减压阀(V1b)、第二质量流量控制器(2b)，所述第三气体钢瓶(1c)与所述第一活性炭吸附罐(3a)之间设有第三减压阀(V1c)，所述第一活性炭吸附罐(3a)与储气罐(5)之间设有第三质量流量控制器(2c)，所述第三质量流量控制器(2c)并联有第三球阀(V2c)。3.如权利要求2所述的低温氦基混合气体吸附研究系统，其特征在于，所述第一质量流量控制器(2a)并联有第一球阀(V2a)，所述第二质量流量控制器(2b)并联有第二球阀(V2b)，所述第三质量流量控制器(2c)与第一活性炭吸附器(3a)之间设有第一压力表(P1)。4.如权利要求3所述的低温氦基混合气体吸附研究系统，其特征在于，所述储气罐(5)安装有第一安全阀V(3a)，第一安全阀V(3a)对储气罐(5)起到压力保护作用。5.如权利要求4所述的低温氦基混合气体吸附研究系统，其特征在于，所述储气罐(5)与冷凝盘管(7)的管路上依次设置有第五减压阀(V1e)、真空度显示仪6、第五球阀(V2e)和第二安全阀V(3b)，所述真空度显示仪6的进口连接第四球阀(V2d)后与储气罐(5)与冷凝盘管(7)之间的管路连接。6.如权利要求5所述的低温氦基混合气体吸附研究系统，其特征在于，所述第二活性炭吸附罐(3b)的出口与蒸发器(8)的进口之间设有第二压力表(P2)；所述第二液氮槽(4b)设有液氮加注口V(4a)。7.如权利要求6所述的低温氦基混合气体吸附研究系统，其特征在于，所述蒸发器(8)的出口与三通阀(V5)第二出口(V5b)之间设有第六减压阀(V1f)、质量流量计(9)，所述三通阀(V5)第二出口(V5b)与所述质量流量计(9)之间的管路上连接有第一KF25连接口1(3a)，第一KF...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国超，邹龙辉，龚领会，亢凤林，
申请(专利权)人：安阳工学院，
类型：发明
国别省市：