探討浮空器氦氣純化的常見方法

摘 要：近年來，伴隨著我國科學技術的進步與發展，浮空器飛行器發展迅速，在這過程中，氦氣作為浮空器飛行器的主要動力來源正變得越來越稀缺，在這樣的背景下，如何實現氦氣的純化與循環使用就成為了相關人員需要解決的首要問題。鑒于此，文章從浮空器氦氣純化的應用現狀出發，分析探討了浮空器氦氣純化的常見方法以及各自的實踐效果，以期能夠對相關人員工作的開展有所幫助。

關鍵詞：浮空器;氦氣純化;方法;實踐效果

如今，隨著浮空器飛行器的廣泛使用，如何對浮空器氦氣進行純化是當務之急，只有保證浮空器氦氣的純度，進一步的，浮空器飛行器的使用安全性與穩定性才能得到保障，同時，氦氣資源的緊缺問題才可得到有效解決。

1 氣體常見純化方法

1.1 變壓吸附法

變壓吸附系統對于氣體的純化依靠的主要是吸附劑對于氣體中各類混合物組分的吸附能力，當氣體壓力發生變化時，氣體內的各類混合物組分將發生變化，此時，選擇性地吸附混合物中的不同組分便可實現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吸附氣瓶之間進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、沸石分子篩吸附氮氣可達到純化氦氣的目的，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簡單，觸媒和高溫是本方法進行氣體分離的主要原理，在對氦氣進行具體的分離過程中，首先，需要使用干燥劑對氦氣中包含的水份等相關雜質進行吸附;此外，在高溫下利用觸媒對雜質行化學吸收，進而實現除去氣體中氧、氮等空氣雜質的目的。

1.3 低溫精餾法

低溫蒸餾法對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、液態和氣態等不同形態以及冷卻后沸點不盡相同的特性。分離過程采用的主要是部分蒸發和部分冷凝的方式，分離效率取決于雜質的分壓情況，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，但同時要注意到，低溫蒸餾設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、低溫條件下對不純的氦氣進行冷凝處理后，將其中的液態空氣徹底分離，然后利用低溫吸附劑將空氣中剩余的其他雜質進行去除是高壓低溫冷凝吸附法的主要原理和分離過程，相較于變壓吸附法、脫氧脫氦等方法，該方法最大的優勢在于分離量大、分離后得到的氦氣純度高，與此同時，近年來，隨著相關技術的發展，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

膜分離技術是以選擇性滲透膜為分離介質，通過利用選擇性滲透膜的壓力差、濃度差和電位差等某種推動力來，使原料側組分選擇性地透過膜，進而實現分離純化效果目的的一種分離方式。整體來看，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，便可選擇性的對氣體選擇性進行分離，達到分離效果。

2 浮空器氦氣純化技術

2.1 原理方法

就現階段浮空器裝置的一般市面產品而言，不同產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，在工業上可以采用高壓低溫冷凝與低溫吸附相結合的凈化方法，該方法不僅能夠同時處理較大體積的氦氣，且具有價格便宜的優勢。目前，該技術還用于在航天發射場的氦氣凈化中，且顯現出了明顯優勢。由于浮空器中氦氣的污染主要來自空氣，因此氦氣凈化工作主要是除去氦氣中混入的空氣，通過對不同氣體的成分進行分析可知，空氣中氮、氧、氬和二氧化碳的體積分數已經超過99.99%。由于氧氣、氬氣、二氧化碳和水汽液體溫度高于氮氣，因此，在液氮達到冷凍溫度時，即可實現以上氣體組分的液化分離，實現氦氣純化的效果。

2.2 工藝流程與過程自動控制技術

在氦氣的純化過程中，其基本步驟如下：首先通過氦氣壓縮機將混合有空氣的氦氣（粗氦）加壓到5.0MPa以上;其次，對加壓后的不純氦氣進行過濾干燥處理;最后，冷凍分離，實現純化。在上述過程中，氦氣回收系統是氦氣純化的關鍵部件，只有其擁有良好的隔熱性能和使用性能時，才能保證最終的純化效果;與此同時，氦純化器外殼通常為杜瓦結構，分析原因，主要在于保證內裝液氮與外界的良好隔熱，避免由于沸點的溫度大于液氮溫度，而造成的冷飽和析出的情況的發生，確保分離的有效性。另外，氦純化器內通常裝有一定數量的活性炭和分子篩，當氦氣中混入的空氣組分流經換熱器時，上述物質可進一步增強設備的，空氣組分吸附力，保證徹底的對剩余的空氣雜質進行吸附，進而進一步提高氦氣純度。此外，在實踐操作中，根據不同的純度要求，在進行氦氣純化時和氦氣凈化系統設計時，可以選擇不同的壓力水平值，在保證純化效果的同時兼顧純化效益。

3 結束語

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

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作者簡介：

孟超（1982.5—）高級工，安徽合肥人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究