專利名稱：回收氣體的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及氣體的回收，更具體而言，涉及冷噴涂成形工藝中氦氣的回收。
本發(fā)明背景氦氣是冷噴涂成形(CSF)工藝中所選擇的氣體。然而，如果對氦氣沒有進行足夠的回收，則其使用在經(jīng)濟上將受到抑制。
一般來說，高的速度對于加速使CSF粉末到達工件是必不可少的。當氦氣中的氮達到5％(摩爾)時，聲速將降低8％。如果氮氣濃度增加至20％(摩爾)，則聲速將減少33％。如果較重的雜質(zhì)(如二氧化碳)達到20％(摩爾)，其余為氦氣，則聲速將減少43％純氦氣的高氣體速度是一項所需的物理性能，與具體的CSF應(yīng)用無關(guān)。
表1作為氣體組成函數(shù)的聲速
CSF是本說明書未經(jīng)商業(yè)化的一種新開發(fā)的技術(shù)。CSF與熱噴鍍(TS)的主要區(qū)別在于噴嘴氣體的溫度。TS使用微粒速度結(jié)合加熱在工件上形成涂層。對兩種工藝的描述將揭示與TS相關(guān)的問題，而該問題可通過CSF得到解決，以及以前不使用氦氣而CSF選擇氦氣的原因。


圖1顯示了CSF和TS的設(shè)備機殼的簡圖。一種TS的應(yīng)用為等離子噴鍍。使氣體通過噴嘴14內(nèi)的電弧形成等離子體。因此對TS而言，噴嘴14必須用水冷卻或包含耐火材料以承受高溫。噴嘴14的預(yù)期使用壽命通常少于100小時。氣體和粉末通過噴嘴14形成噴路16。典型的噴嘴氣體可以是氬氣和氫氣的混合物。在噴路16中氫氣將燃燒以便為粉末提供額外的熱量。粉末在到達工件18之前將在噴路16中部分或全部熔化并在工件18上形成涂層。必須注意工件18不能變得太熱或涂層施用得太厚。如果涂層太熱或施用得太厚，則冷卻后涂層將發(fā)生龜裂。同時還需注意選擇粉末的微粒大小。如果微粒的粒度太小，則由于汽化造成的損失在經(jīng)濟上是不允許的。噴路16使用氣體速度及密度以加速微粒到達工件18。在噴路16中存在的高溫降低了氣體密度，最大限度地減少了氣體速度對微粒速度的影響。要求TS的微粒速度最高達到200m/s。氦氣可以提供較高的氣體速度，但其密度將較低。
TS需要單獨的流體用于冷卻工件18。所述單獨的流體可以是液態(tài)二氧化碳或水?？諝庖部山?jīng)氣體入口22通過機殼12。大量空氣流過工件18并帶走不作為涂層粘附的過量粉末。空氣及粉末廢氣經(jīng)氣體排出口20離開機殼12。如果在噴嘴14中使用氦氣，則采用空氣吹掃工件18將使氦氣的回收及凈化變得困難和昂貴。
CSF不同于TS之處在于在環(huán)境溫度下用氦氣可將噴嘴14中的粉末加速至約1000至約1200m/s到達工件18。噴嘴14中通常低于約400°F的CSF溫度允許使用小于20微米并且含有各種揮發(fā)性合金元素的微粒。用氦氣所能達到的高速使微粒在撞擊工件18時具有足夠的能量熔入涂層內(nèi)。所得的涂層不會引起工件18底材發(fā)生變化，而如果將其置于TS溫度下將導致這種變化。氦氣也流經(jīng)入口22吹掃工件18并帶走過量的粉末。氦氣及粉末從機殼12經(jīng)放氣口20排至氦氣回收和凈化裝置。在CSF中，氦氣主要起兩種作用。首先，起加速涂料粉末，提供動力能量的作用。其次，起清潔吹掃氣體的作用以便清潔工件外部的微粒。
相信沒有現(xiàn)成的氦氣回收系統(tǒng)可用于CSF。由于目前各種CSF工藝均處于實驗室規(guī)模并且使用少量的氦氣，因此缺乏用于CSF的氦氣回收系統(tǒng)也就不足為奇。但其它使用大量氦氣的工藝具有氦氣回收系統(tǒng)。
美國專利號5,377,491公開了一種用于光學纖維冷卻管的冷卻氣體回收工藝，該工藝使用真空泵/壓縮機從冷卻管中移走冷卻氣體，去除微粒和各種污染物后將冷卻氣體返回至光學纖維冷卻管。在去除水和氧氣方面使用了凈化設(shè)備如變壓吸附、干燥器和膜，氧氣的最大去除量范圍為1至50％(摩爾)，并且冷卻管要求在0至150磅/平方英寸(表壓)下冷卻氣體。
美國專利號4,845,334公開了一種等離子體爐氣體回收系統(tǒng)，其中氣體在高溫(～700℃)和低壓(＜2磅/平方英寸(表壓))下離開所述爐。將排放氣體冷卻后再經(jīng)過微粒去除設(shè)備。然后壓縮不含微粒的氣體，重新過濾后干燥。然后將經(jīng)過干燥和壓縮后的氦氣經(jīng)油溢流式螺桿壓出機在使用氣流的壓力及150標準立方英尺/分(SCFM)和100磅/平方英寸(表壓)的壓力下循環(huán)至所述爐內(nèi)。
美國專利號5,158,625公開了一種用于從金屬硬化(淬火)室中移出氦氣、凈化氦氣并壓縮氦氣的工藝。據(jù)描述淬火室為10立方米，氦氣為2.5巴(絕對壓力，875標準立方英尺)。從硬化爐中經(jīng)真空泵可回收氦氣及各種雜質(zhì)。氦氣和雜質(zhì)可在真空泵下游中得到壓縮并儲存于接收器內(nèi)。一旦除去所有來自硬化爐的所需氦氣后，使具有雜質(zhì)的氦氣通過膜、干燥器、PSA或氫的催化氧化，從工藝中去除氧氣和水。然后重新壓縮經(jīng)凈化后的氦氣并在壓力下儲存于另一個接收器內(nèi)直至下一個硬化循環(huán)開始為止。上述工藝在淬火室中使用了比大氣壓高的壓力以提高氦氣的密度，并由此改進了傳熱性能。
先有技術(shù)并未提出或建議采用包括三個涉及戰(zhàn)略性替代凈化設(shè)備的連續(xù)回路的回收及凈化系統(tǒng)。此外，每一個回路均具有其本身單獨的功能。除了凈化及回收之外，本發(fā)明還能使氦氣加壓以獲得必要的聲速。
本發(fā)明目的因此，本發(fā)明目的之一是提供一種效能價格合算的氦氣回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)在CSF噴嘴處能提供可接收的氦氣純度(＞80％摩爾)、體積和壓力并用于清潔吹掃工件。
本發(fā)明目的之二是提供一種氦氣回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)可從氦氣中去除各種污染物，如氧、氮、水、二氧化碳和微粒。
本發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種回收和凈化氣體的三段法。各步驟包括a)從氣室中將氣體導入至去除微粒的裝置內(nèi)并形成無微粒的氣體，將第一部分的無微粒氣體循環(huán)至氣室中；b)在通過選擇性氣體凈化膜之前使第二部分的無微粒氣體通過第一壓縮機形成凈化氣體和廢氣，并將凈化氣體與送往氣室的第一部分的無微粒氣體混合；和c)使第三部分的無微粒氣體通過液體分離裝置和接收器形成不含液體的氣體，并將不含液體的氣體循環(huán)至所述氣室。
本發(fā)明在另一個實施方案中涉及一個回收和凈化氣體的三段系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括a)從氣室中將氣體導入至去除微粒的裝置內(nèi)形成無微粒的氣體，并將一部分無微粒氣體循環(huán)至氣室中的第一段；b)在通過選擇性氣體凈化膜之前使第二部分的無微粒氣體通過第一壓縮機形成凈化氣體和廢氣，并將凈化氣體與送往氣室的第一部分的無微粒氣體混合的第二段；和c)使第三部分的無微粒氣體通過液體分離裝置和接收器形成不含液體的氣體，并將不含液體的氣體循環(huán)至所述氣室的第三段。
第二段可包括在使第二部分的無微粒氣體通過第一壓縮機之前加入氦氣與第二部分的無微粒氣體混合。第一段可包括用于循環(huán)氣體流的循環(huán)單元。第二段可包括氣體分析器以便確定第二部分的無微粒氣體的純度。選擇性氣體凈化膜可包括選擇分離氦氣的膜。第三段可包括第二壓縮機、冷卻器和液體分離裝置。還可包括回收單元及吸附單元。
附圖簡述本領(lǐng)域技術(shù)人員可從以下優(yōu)選實施方案的描述及附圖中發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點，附圖中圖1為本發(fā)明CPF法的示意圖；和圖2為用于本發(fā)明CPF法中的回收氣體的示意圖。
本發(fā)明詳述在公開回收和凈化氦氣的先有技術(shù)中沒有公開對CSF氦氣回收系統(tǒng)采用體積和壓力的要求。CSF的流速與本領(lǐng)域中所公知的那些有很大不同。本發(fā)明具有連續(xù)操作的三個不同回路。每一個回路均具有不同的功能。首先，本發(fā)明在回路A中采用了鼓風機以便將氦氣從CSF氣室經(jīng)微粒去除單元循環(huán)回CSF氣室，以提供清潔吹掃流(圖2)。回路A的氣流必須將微粒從氣室中除去。回路A中的流速優(yōu)選為1000SCFM或更高。移出一部分在回路A中循環(huán)的氣體提供給回路B和回路C。本發(fā)明使用了壓縮機將氣體從回路A中移出。所移出的氣體量將取決于噴嘴的數(shù)量及所需的純度要求。如果CSF氣室含有一個要求氦氣的純度達到至少90％、優(yōu)選至少95％的噴嘴，則回路B和回路C中的流速將分別約為80SCFM和125SCFM?；芈稢采用了壓縮機以提高壓力并控制氣體前往噴嘴的流動。
有人可能認為可以提供噴嘴并從回路A的單一壓縮機中提供清潔吹掃流。具備壓縮機可以刪除回路C。然而，在本實施例中的低壓清潔吹掃流約為噴嘴流的8倍。而噴嘴的壓力為清潔吹掃流壓力的至少20倍或更高。因此其基本建設(shè)投資及運行成本將為上述回路A和回路C用于鼓風機和壓縮機各自成本總和的數(shù)倍。
本發(fā)明必須使用凈化以便維持氦氣所需的各項性能并去除對涂層或底材有害的雜質(zhì)。
本發(fā)明也可以使用PSA、TSA、膜、催化氧化和深冷分離來去除雜質(zhì)。但氦氣中存在的任何雜質(zhì)都能成為CSF的工藝限制劑。因此，根據(jù)應(yīng)用的具體情況，凈化系統(tǒng)必須去除氮、氧、水、一氧化碳、二氧化碳、氫氣和可能的輕質(zhì)烴。當各種零部件進出CSF氣室時將出現(xiàn)大部分的雜質(zhì)。一些CSF應(yīng)用將處理較大量一次置于CSF氣室內(nèi)的零部件。當將各種零部件置于CSF氣室中時，氦氣將逸出而空氣將進入氣室內(nèi)。當從CSF氣室中取出各種零部件時也將發(fā)生同樣的情況。在將各種零部件置于機殼內(nèi)前后對氣室進行抽真空將最大限度減少氦氣的損失以及進入密閉氣室內(nèi)的空氣量。即使對機殼施行抽真空可以改進氦氣的回收，時間周期的延長及可抽真空裝置的資金未必能證明這種努力是合算的。
較高分子量的雜質(zhì)將顯著降低氦氣的聲速。聲速比重質(zhì)氣體要高是氦氣的幾項獨特物理性能之一，這也是選擇其作為冷噴涂成型用氣體的原因。典型的商業(yè)應(yīng)用要求氦氣的純度大于約85％、優(yōu)選大于約90％、最優(yōu)選大于約95％。所期望的氦氣的回收率大于約90％(基于回路C中的流量計算)。
表2給出了滿足不同氣體技術(shù)規(guī)格要求的不同凈化技術(shù)。所述氣體技術(shù)規(guī)格要求取決于工藝操作條件以及用于涂層工藝的材料。例如，我們討論項目1、10和13。項目1描述了一種其中設(shè)備允許相當少量的氧氣滲入工藝過程中但要求高純度氣體的方法。氧化銅吸氣劑將有效使氧氣去除至低PPMV的水平。項目10的方法示意了一種其中兩種不同的彼此分開設(shè)置的凈化技術(shù)提供最經(jīng)濟凈化策略的方法。在回路B中膜將去除氮氣和氧氣，而在回路D中TSA將去除水分。
在項目13中，氣體技術(shù)規(guī)格要求為空氣少于2％，當將各種零部件置于CSF氣室時允許10％的空氣進入回路A。CSF工藝將由回路A和回路B開始，而通過氧氣分析器19檢測達到氣體技術(shù)規(guī)格要求后才開始回路C。如果氧氣分析器19的結(jié)果顯示氧氣的濃度水平達到可以接受的程度，則開始啟動回路C，而回路B將繼續(xù)進行以增加氦氣的純度。
表2CSF廢氣中凈化與雜質(zhì)的關(guān)系
圖2提供了本發(fā)明系統(tǒng)及其方法的示意圖。CSF方法包括為CSF氣室30內(nèi)的零部件施用涂層。氣室的幾何形狀將部分取決于大小和幾何形狀。在本發(fā)明的一個實施方案中，一次將一個零部件置于CSF氣室內(nèi)，并用一個噴嘴涂裝零部件。從密閉氣室的開口處移出涂裝后的零部件，并釋放出約8立方英尺(CF)的氦氣，讓8CF的空氣進入密閉氣室。此外，回路A含有約80CF的氣體。開始時，鼓風機42將從CSF氣室30使氣體引經(jīng)管道32、閥38、微粒去除裝置38和管道36和40。鼓風機42將以稍微高于15psia的壓力將氣體排入管道44中。管道44中的一部分流將進入管道46，而其剩余部分將繼續(xù)通過管道46的入口至管道56的排氣口。來自管道56的凈化后氦氣將進入管道44并繼續(xù)前往CSF氣室30。來自回路A的氦氣將用于清潔吹掃工件。
進入管道46的氣體將進料至壓縮機48的吸入口。壓縮機48中的氣體將以約180psia的壓力排入管道50。管道50中的一部分氣體將進入管道62并經(jīng)調(diào)節(jié)閥64至氧氣分析器68。如果氣體中氧氣的含量超過技術(shù)規(guī)格要求，則氧氣分析器68將報警。如果氣體成分超過技術(shù)規(guī)格要求，則操作者或軟件將決定涂裝工藝是否開始或持續(xù)。如果不開始涂裝工藝，則對設(shè)備而言其最經(jīng)濟的操作是等氣體成分符合技術(shù)規(guī)格要求時才開啟回路C。但對于在回路C或回路D中進行凈化的替代設(shè)備組合而言，需要在回路C中操作壓縮機。
管道50中的剩余氣體部分在經(jīng)過管道62后將繼續(xù)前往管道52和管道68。管道52為回路B的入口。氣體通過管道52進入膜54。滲余物離開膜經(jīng)吸入壓力調(diào)節(jié)閥58至排氣口60。凈化后的氦氣作為滲透流(低壓旋管)離開膜經(jīng)管道56如上所述進入管道44。表3示意了當氦氣中含有10％干空氣進料至膜時的結(jié)果。進入管道56的滲透流的氦氣純度將達到97.5％。當來自管道56的氣體與管道44的氣體混合時，雜質(zhì)的濃度將得到降低。
表3膜模型1，進料10％干空氣模型編號 纖維外徑 纖維內(nèi)徑 活性長度 封裝長度 面積(密耳) (密耳) (英尺) (英尺) (英尺2)114.007.50 5.6670.2675005.1計算的工藝參數(shù)
2號流中氦氣的回收百分數(shù)＝0.952號流中氮氣的回收百分數(shù)＝84.202號流中氧氣的回收百分數(shù)＝48.85表4顯示，隨著前往膜的進料的純度提高，進入管道56的氣體的純度也將增加。此外，隨著進料氦氣純度的提高，滲余物流速將降低。降低滲余物流速提高了氦氣的回收。
表4膜模型2，進料10％的空氣模型編號纖維外徑 纖維內(nèi)徑 活性長度 封裝長度面積(密耳)(密耳)(英尺)(英尺) (英尺2)1 14.00 7.50 5.667 0.267 3752.4計算的工藝參數(shù)
2號流中氦氣的回收百分數(shù)＝0.062號流中氮氣的回收百分數(shù)＝64.472號流中氧氣的回收百分數(shù)＝20.52
管道68開始回路C。氣體以約100psig至約270psig，優(yōu)選約155psig至約195psig，最優(yōu)選約175psig的壓力進入回路C，并根據(jù)應(yīng)用的需要，由壓縮機70進一步壓縮至約270psig至約1130psig，優(yōu)選約300psig至約1100psig。較高的壓力將使CSF氣室30中的噴嘴的速度較高。高壓氣體通過冷卻器72和水分離器74，除去任何冷凝水。將水分離器放置在壓縮機之后是因為水將首先在使氣體溫度保持恒定的較高壓力下冷凝。為了除去更多的水，水分離器可以增設(shè)冷凝器以降低氣體的溫度。管道76將氣體輸送至接收器78，該接收器足夠大以緩沖任何來自隔膜或活塞壓氣機的氣流的脈沖。氣體從接收器78中流入管道80并經(jīng)過閥82，當操作者準備在CSF氣室30中涂布零部件時，閥82開啟。氣體經(jīng)調(diào)節(jié)閥86流入管道84中。調(diào)節(jié)閥86確保進入管道88的壓力為所需的噴嘴壓力。從此處來的氣體進入CSF氣室以便協(xié)助工件的涂布。氦氣拾取粉末并將其加速以提供涂布所需的動能。如在表2中所討論的那樣，氣體的技術(shù)規(guī)格要求將取決于其應(yīng)用。
補充氦氣來自氦氣儲存罐90，經(jīng)管道92和閥96進入管道46。當通過壓力表94測得的壓力降至設(shè)定值以下時閥門96開啟。
本發(fā)明也考慮將膜置于管道68內(nèi)并將滲透流進料至壓縮機20的吸入口。如果雜質(zhì)連續(xù)從CSF氣室30進入管道32，則將膜置于管道68內(nèi)是理想的。當雜質(zhì)連續(xù)進入管道32時，通過運送帶或一些其他機械裝置將零部件連續(xù)送入CSF氣室30將是一個實施例。
當氣體技術(shù)規(guī)格要求氦氣中的雜質(zhì)遠低于2％時，可能任選需要變壓吸附或低溫吸附單元。管道98將引導來自管道68的一部分氣體通過其中經(jīng)變壓吸附單元100。然后純氦氣將進入管道102并與管道68中的含雜質(zhì)氦氣混合。來自管道68和管道102的氣體混合物將滿足氣體技術(shù)規(guī)格要求。調(diào)節(jié)閥104在管道68中產(chǎn)生所需的壓降以迫使氣體經(jīng)過變壓吸附單元100。隨著氣體純度技術(shù)規(guī)格要求水平的提高，通過回路D的氣體百分數(shù)也將增加。對于2ppm以下的技術(shù)規(guī)格要求而言，變壓吸附單元或低溫吸附單元將放置于管道68中。
如果在零部件準備好進行涂裝工藝之前氣室30使用抽真空來回收氦氣并去除空氣雜質(zhì)，則對于高純度氦氣應(yīng)用的情況而言可以取消回路B而保留回路D。如果將氣室30抽真空，并且通過膜維持氣體技術(shù)規(guī)格要求，則可以保留回路B。
如果CSF氣室30采用抽真空，同時必須使氧氣保持低水平，則氧化銅吸氣劑可控制氧氣。然后膜可使其它各種雜質(zhì)維持在可以接受的水平。類似地，如果必須將氧氣或其它化學物質(zhì)控制在某一水平，如控制與涂層的反應(yīng)，則可以使用吸氣劑或催化氧化。其一個實施例是鋁涂層上薄的氧化物層以使金屬鈍化。這種系統(tǒng)可以使用氫氣和催化劑以便和部分或全部氧氣反應(yīng)。系統(tǒng)中的氫氣可維持在某一水平，或可將具有一定氧氣水平的氫氣導入至系統(tǒng)內(nèi)。然后在分離器74內(nèi)可除去由氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的水。
在上述回收系統(tǒng)中的流速是假設(shè)CSF氣室中存在一個噴嘴的情況。然而，在具體的應(yīng)用中一個氣室可以具有幾個噴嘴，每一個噴嘴均要求超過約100SCFM的氦氣。對多噴嘴應(yīng)用而言，氣流將遠遠超出上述的范圍。
本發(fā)明各種具體的特征示于一個或多個僅為方便起見而畫出的附圖中，每一個特征均可與本發(fā)明的其他特征結(jié)合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解替代實施方案，而這些實施方案包括在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于回收和凈化氣體的三段法，該方法包括a)將氣體從氣室導入到去除微粒的裝置中形成無微粒的氣體，并將第一部分的無微粒氣體循環(huán)至氣室中；b)在通過選擇性氣體凈化膜之前使第二部分的無微粒氣體通過第一壓縮機，形成凈化氣和廢氣，并使凈化氣與送往氣室的第一部分的無微粒氣體混合；c)使第三部分的無微粒氣體通過液體分離裝置和接收器形成無液體的氣體，并將無液體的氣體循環(huán)回所述氣室中。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括在將第二部分的無微粒氣體送往第一壓縮機之前加入氦氣與第二部分的無微粒氣體混合。
3.權(quán)利要求1的方法，還包括使來自氣室的氣體通過用于循環(huán)氣流的循環(huán)單元。
4.權(quán)利要求1的方法，包括將壓縮后的第二部分的無微粒氣體送入氣體分析器以確定氣體純度。
5.權(quán)利要求1的方法，其中選擇性氣體凈化膜包括選擇氦氣的膜。
6.一種用于回收和凈化氣體的三段系統(tǒng)，包括a)將氣體從氣室導入至去除微粒的裝置內(nèi)形成無微粒的氣體，并將一部分無微粒氣體循環(huán)至氣室中的第一段；b)在通過選擇性氣體凈化膜之前使第二部分的無微粒氣體通過第一壓縮機形成凈化氣體和廢氣，并將凈化氣體與送往氣室的第一部分的無微粒氣體混合的第二段；和c)使第三部分的無微粒氣體通過液體分離裝置和接收器形成不含液體的氣體，并將不含液體的氣體循環(huán)至所述氣室的第三段。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中第二段包括在將第二部分的無微粒氣體送往第一壓縮機之前加入氦氣與第二部分的無微粒氣體混合。
8.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中第二段包括氣體分析器以確定第二部分的無微粒氣體的純度。
9.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中選擇性氣體凈化膜包括選擇氦氣的膜。
10.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述第三段包括第二壓縮機、冷卻器和液體分離裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種回收和凈化氣體如來自冷噴涂涂裝工藝的受污染氦氣的三段法以及使用所述三段法的系統(tǒng)。其步驟包括a)從氣室中將氣體導入到去除微粒的裝置中形成無微粒的氣體，并將第一部分的無微粒氣體循環(huán)至氣室中；b)在通過選擇性氣體凈化膜之前使第二部分的無微粒氣體通過第一壓縮機，形成凈化氣和廢氣，并使凈化氣與送往氣室的第一部分的無微粒氣體混合；和c)使第三部分的無微粒氣體通過液體分離器形成無液體的氣體，并將無液體的氣體循環(huán)回氣室中。
文檔編號C23C6/00GK1501832SQ01822369
公開日2004年6月2日 申請日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月4日
發(fā)明者S·E·杰恩斯, S E 杰恩斯 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司