探討浮空器氦氣純化的應(yīng)用方法與實(shí)踐效果

王龍

摘 要：近年來(lái)，伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，浮空器飛行器發(fā)展迅速，在這過(guò)程中，氦氣作為浮空器飛行器的主要?jiǎng)恿?lái)源正變得越來(lái)越稀缺，在這樣的背景下，如何實(shí)現(xiàn)氦氣的純化與循環(huán)使用就成為了相關(guān)人員需要解決的首要問(wèn)題。鑒于此，文章從浮空器氦氣純化的應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，分析探討了討浮空器氦氣純化的常見(jiàn)應(yīng)用方法以及各自的實(shí)踐效果，以期能夠?qū)ο嚓P(guān)人員工作的開(kāi)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：浮空器；氦氣純化；方法；實(shí)踐效果

如今，隨著浮空器飛行器的廣泛使用，如何對(duì)浮空器氦氣進(jìn)行純化是當(dāng)務(wù)之急，只有保證浮空器氦氣的純度，進(jìn)一步的，浮空器飛行器的使用安全性與穩(wěn)定性才能得到保障，同時(shí)，氦氣資源的緊缺問(wèn)題才可得到有效解決。

1 氣體常見(jiàn)純化方法

1.1 變壓吸附法

變壓吸附系統(tǒng)對(duì)于氣體的純化依靠的主要是吸附劑對(duì)于氣體中各類混合物組分的吸附能力，當(dāng)氣體壓力發(fā)生變化時(shí)，氣體內(nèi)的各類混合物組分將發(fā)生變化，此時(shí)，選擇性地吸附混合物中的不同組分便可實(shí)現(xiàn)較好的氣體分離效果。在具體的操作中，采用的通常是在兩個(gè)吸附氣瓶之間進(jìn)行交替的加壓和常壓（真空）解吸的方式，在合適的溫度條件下，用碳分子篩吸附氧氣、沸石分子篩吸附氮?dú)饪蛇_(dá)到純化氦氣的目的，但不足在于凈化速度較慢。

1.2 脫氧脫氮法

相較于變壓吸附法，脫氧脫氮法的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，觸媒和高溫是本方法進(jìn)行氣體分離的主要原理，在對(duì)氦氣進(jìn)行具體的分離過(guò)程中，首先，需要使用干燥劑對(duì)氦氣中包含的水份等相關(guān)雜質(zhì)進(jìn)行吸附；此外，在高溫下利用觸媒對(duì)雜質(zhì)行化學(xué)吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)除去氣體中氧、氮等空氣雜質(zhì)的目的。

1.3 低溫精餾法

低溫蒸餾法對(duì)于氣體的分離依賴的主要是不同的氣體組分可以在低溫下形成固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等不同形態(tài)以及冷卻后沸點(diǎn)不盡相同的特性。分離過(guò)程采用的主要是部分蒸發(fā)和部分冷凝的方式，分離效率取決于雜質(zhì)的分壓情況，一般情況下，低溫蒸餾具有更大的分離量和更高的分離純度與分離，適用于大量的氦氣的純化，但同時(shí)要注意到，低溫蒸餾設(shè)備往往需要大量資金投入，在能源和成本方面的消耗均較大。

1.4 高壓低溫冷凝吸附法

在高壓、低溫條件下對(duì)不純的氦氣進(jìn)行冷凝處理后，將其中的液態(tài)空氣徹底分離，然后利用低溫吸附劑將空氣中剩余的其他雜質(zhì)進(jìn)行去除是高壓低溫冷凝吸附法的主要原理和分離過(guò)程，相較于變壓吸附法、脫氧脫氦等方法，該方法最大的優(yōu)勢(shì)在于分離量大、分離后得到的氦氣純度高，與此同時(shí)，近年來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該方法的工藝不斷成熟，因而是目前使用最廣的一種氦氣純化方法。

1.5 膜分離法

膜分離技術(shù)是以選擇性滲透膜為分離介質(zhì)，通過(guò)利用選擇性滲透膜的壓力差、濃度差和電位差等某種推動(dòng)力來(lái)，使原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分離純化效果目的的一種分離方式。整體來(lái)看，膜分離氣體依賴的主要是壓力下混合氣體中各組分的傳輸率有所不同的特性，此時(shí)，便可選擇性的對(duì)氣體選擇性進(jìn)行分離，達(dá)到分離效果。

2 浮空器氦氣純化技術(shù)

2.1 原理方法

就現(xiàn)階段浮空器裝置的一般市面產(chǎn)品而言，不同產(chǎn)品的氦氣囊體積存在較大差異，體積往往從幾百立方米到幾千立方米不等。因此，在工業(yè)上可以采用高壓低溫冷凝與低溫吸附相結(jié)合的凈化方法，該方法不僅能夠同時(shí)處理較大體積的氦氣，且具有價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)。目前，該技術(shù)還用于在航天發(fā)射場(chǎng)的氦氣凈化中，且顯現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。由于浮空器中氦氣的污染主要來(lái)自空氣，因此氦氣凈化工作主要是除去氦氣中混入的空氣，通過(guò)對(duì)不同氣體的成分進(jìn)行分析可知，空氣中氮、氧、氬和二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過(guò)99.99%。由于氧氣、氬氣、二氧化碳和水汽液體溫度高于氮?dú)?，因此，在液氮達(dá)到冷凍溫度時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)以上氣體組分的液化分離，實(shí)現(xiàn)氦氣純化的效果。

2.2 工藝流程與過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)

在氦氣的純化過(guò)程中，其基本步驟如下：首先通過(guò)氦氣壓縮機(jī)將混合有空氣的氦氣（粗氦）加壓到5.0MPa以上；其次，對(duì)加壓后的不純氦氣進(jìn)行過(guò)濾干燥處理；最后，冷凍分離，實(shí)現(xiàn)純化。在上述過(guò)程中，氦氣回收系統(tǒng)是氦氣純化的關(guān)鍵部件，只有其擁有良好的隔熱性能和使用性能時(shí)，才能保證最終的純化效果；與此同時(shí)，氦純化器外殼通常為杜瓦結(jié)構(gòu)，分析原因，主要在于保證內(nèi)裝液氮與外界的良好隔熱，避免由于沸點(diǎn)的溫度大于液氮溫度，而造成的冷飽和析出的情況的發(fā)生，確保分離的有效性。另外，氦純化器內(nèi)通常裝有一定數(shù)量的活性炭和分子篩，當(dāng)氦氣中混入的空氣組分流經(jīng)換熱器時(shí)，上述物質(zhì)可進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)備的，空氣組分吸附力，保證徹底的對(duì)剩余的空氣雜質(zhì)進(jìn)行吸附，進(jìn)而進(jìn)一步提高氦氣純度。此外，在實(shí)踐操作中，根據(jù)不同的純度要求，在進(jìn)行氦氣純化時(shí)和氦氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇不同的壓力水平值，在保證純化效果的同時(shí)兼顧純化效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在使用浮空器飛行器的過(guò)程中，受到外界因素的影響，空氣將不可避免的混入到將導(dǎo)致其內(nèi)部氦氣純度降低，從而影響到浮空器正常使用，一方面，導(dǎo)致浮空器飛行器的安全性和穩(wěn)定性大幅度下降；另一方面，還將造成氦氣的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，對(duì)浮空器進(jìn)行氦氣純化是重要且必要的，在方法的選擇利用上，可優(yōu)先考慮高壓低溫冷凝和低溫吸附相結(jié)合的氦氣提純方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮欣宇，何智，楊家濤.貝加萊PCC構(gòu)建氦氣回收設(shè)備控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2016（3）：39-41+46.