專利名稱：凈化和再循環(huán)氦氣的方法和設(shè)備以及在光纖制造中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種凈化和再循環(huán)氦氣的方法及其在光纖制造中的應(yīng)用。
稀少且昂貴的氦氣在許多方法中，尤其在焊接、醫(yī)療和呼吸氣體領(lǐng)域中以純凈形式或以與其它氣態(tài)化合物的混合物形式用作冷卻氣體或標(biāo)記氣體等。
像任何其它惰性氣體一樣，氦氣完全保持在其中它被使用的應(yīng)用中，并且一般發(fā)現(xiàn)它在從所述應(yīng)用中排放的氣體或廢氣中被污染。
因此，已知的是，光纖的制造需要幾個(gè)接連的操作或步驟，即沉積步驟、固化步驟、拉絲步驟和隨后的涂覆步驟，它們都要消耗不同量的氦氣，其中拉絲纖維的步驟消耗大部分氦氣。
在纖維上沉積的步驟可利用至少四種不同的工藝，即MCVD、OVD、VAD和PCVD進(jìn)行。在大部分這些工藝中，這一步驟優(yōu)選在高純度氦氣存在下進(jìn)行，其中該氦氣的純度一般大于99％，并且通常至少為99.5％。
固化步驟也可利用前述四種工藝且此處再在高純度氦氣，也就是說純度與沉積步驟的氦氣純度相似的氦氣存在下進(jìn)行。
在拉絲步驟和涂覆步驟之間，必須將光纖在冷卻步驟中在氣態(tài)氦氣的氣氛中冷卻。
所述冷卻步驟常規(guī)在通常為細(xì)長(zhǎng)圓筒形式的換熱器中進(jìn)行，至少有一根待冷卻的纖維通過該換熱器，所述纖維通過與冷卻氣體，優(yōu)選與氦氣接觸而冷卻。然而，該冷卻過程中所使用的氦氣不必與前面各步驟中所用的氦氣一樣純，也就是說，純度為80-99％的氦氣就足夠。
各種這些步驟對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員而言是已知的，有關(guān)各種這些步驟的任何詳細(xì)內(nèi)容可參考涉及到下面主題的下述文獻(xiàn)制造光學(xué)波導(dǎo)纖維的管外氣相沉積法，M.G.Blankenship等人；IEEE Journal ofQuantum Electronics(電氣及電子工程師學(xué)會(huì)量子電子學(xué)雜志)，第QE-18卷，第18期，第1414-1423頁，10/1982；數(shù)據(jù)傳輸用粗芯高數(shù)值孔徑纖維，P.B.O’Connor等人；電子學(xué)通訊，31.03.1977，第13卷，第7期，第170-171頁；于13.01.1976公布的US-A-3 932 160；于19.10.1993公布的US-A-5 254 508；JP-A-4-240129和JP-A-60-46954。
總之，可以說在制造光纖的工藝過程中，將纖維進(jìn)行上述各步驟中所發(fā)生的各種、尤其化學(xué)或物理化學(xué)處理，而這些處理取決于所述步驟會(huì)對(duì)氦氣產(chǎn)生或多或少的污染。
因此，在拉絲步驟中，所使用的冷卻氣體，也就是氦氣一般受到污染，尤其受到可能引入到從來都不是完全氣密的冷卻系統(tǒng)中的大氣雜質(zhì)尤其如氮?dú)?、氧氣、水蒸汽和氬氣的污染?br> 而且，在纖維和預(yù)制纖維(pré-fibre)的沉積步驟和固化步驟中，所述纖維或預(yù)制纖維要進(jìn)行產(chǎn)生雜質(zhì)如氮?dú)狻⒀鯕饣蛩羝蚱渌衔锶鏗Cl、H2、Si和Ge的各種化學(xué)或物理化學(xué)處理。
由于氦氣昂貴且稀有，因此理想的是盡量利用從各種這些步驟中排出的氣態(tài)流出物，為此，通常的做法是凈化氦氣，以將其再循環(huán)。
因此，如文獻(xiàn)JP-A-60-46954、JP-A-4-240129或EP-A-601 601所述，可將冷卻步驟中所使用的氦氣在其再引入到冷卻光纖用的換熱器之前再循環(huán)，也就是說回收和凈化，即脫除它含有的雜質(zhì)。
再循環(huán)從沉積步驟和固化步驟中所得的氦氣的可能方式也是已知的。
為此，可提及教導(dǎo)在氦氣返回之前，也就是說再循環(huán)到一個(gè)或多個(gè)所述步驟之前怎樣回收在纖維沉積步驟、固化步驟和拉絲步驟中所使用的氦氣以及怎樣將各種這些氦氣流合并成進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)提純步驟的單一料流的文獻(xiàn)-EP-A-820 963。
類似地，文獻(xiàn)US-A-5 890 376公開了將固化步驟中所使用的氦氣再循環(huán)的方法。根據(jù)該方法，將不純氦氣回收、凈化并送回到它從中排出的固化步驟或送回到要求較低純度的氦氣的方法的另一步驟，例如纖維冷卻步驟中。
實(shí)際上，涉及再循環(huán)氣體、尤其氦氣的所有這些光纖制造方法因而推薦在不純氦氣，也就是在說一個(gè)或多個(gè)工藝步驟中使用過的氦氣再引入到制造工藝之前將其凈化，以通過節(jié)省氦氣而降低該方法的成本。
目前，盡管已提出了各種方案，但從凈化效力、實(shí)施復(fù)雜性或工業(yè)角度的操作成本看，它們中沒有一種是真正令人滿意的。
因此，大量文獻(xiàn)推薦氦氣應(yīng)該通過吸附它含有的雜質(zhì)來凈化。關(guān)于此，可提及推薦通過PSA(變壓吸附)法利用特定的吸附劑來凈化氦氣的文獻(xiàn)—EP-A-739 648或EP-A-982 273。
然而，由于吸附凈化體系就流速和組成而言一般必須設(shè)計(jì)非常精確的加料條件，因此這些方案難以實(shí)施或不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，也就是說不適合在終端使用者的場(chǎng)地應(yīng)用。
因此，加料量或加料質(zhì)量的任何波動(dòng)都可顯著地削弱所需產(chǎn)物就其純度或效率方面的回收，即使通過改變吸附周期而作出反應(yīng)亦如此，而該吸附周期又難以想象是怎樣影響安裝在使用者如光纖制造商的場(chǎng)地且最優(yōu)遙控的設(shè)備的。
然而，對(duì)于從同一場(chǎng)地的幾條線或幾種應(yīng)用中收集排出物的再加工體系而言，這些波動(dòng)是正常的操作條件。
而且，使用一個(gè)或多個(gè)凈化被雜質(zhì)污染的氦氣的膜也是已知的，這也描述在文獻(xiàn)EP-A-621 070中。
然而，這一體系當(dāng)期望它獲得與某些要求高純度氦氣的應(yīng)用如制造光纖的方法相協(xié)調(diào)的氦氣純度水平時(shí)并不足夠有效。
從這一起點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種比現(xiàn)有方法改進(jìn)的且與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)的氦氣凈化方法-對(duì)于加料波動(dòng)在質(zhì)量和數(shù)量方面的高靈活性；-盡可能高的氦氣回收程度；-在置于客戶場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的條件下操作的簡(jiǎn)單性；以及-易于與光纖制造方法聯(lián)合，使得可再循環(huán)至少部分該制造方法中的一個(gè)或多個(gè)步驟中所使用的氦氣。
本發(fā)明基于兩個(gè)獨(dú)立的已知工藝，即低溫氦氣凈化步驟和隨后的在一個(gè)或多個(gè)膜上的整理步驟或處理以精確順序的聯(lián)合。
本發(fā)明因而涉及一種凈化不純氦氣的方法，其中將該不純氦氣進(jìn)行至少下列接連的步驟(a)不純氦氣的低溫冷凍，和(b)至少一部分從步驟(a)得到的氦氣的滲透。
更確切地，本發(fā)明還涉及一種凈化不純氦氣的方法，其中將該不純氦氣進(jìn)行至少下列接連的步驟(a)不純氦氣的低溫冷凍，以通過冷凝除去至少一些它含有的主要雜質(zhì)，以及含有殘留雜質(zhì)的中間純度氦氣的回收；和(b)至少一些從步驟(a)得到的中間純度氦氣的滲透，以除去至少一些所述殘留雜質(zhì)，以及最終純度比所述中間純度高的氦氣的回收。
在本法明的上下文中，使用下列術(shù)語-“光纖”指為其最終狀態(tài)或?yàn)橐环N其中間狀態(tài)，也就是說例如還沒有拉絲或僅部分拉絲，或部分處理或完全處理的預(yù)制纖維形式的纖維；-“不純”氦氣指含有不同雜質(zhì)量的氦氣，特別是已與換熱器中的光纖接觸過的氦氣，以及-“雜質(zhì)”指除氦氣以外的一般為氣態(tài)的易于污染所述氦氣的任何化合物，例如氮?dú)?、氧氣、CO2、水蒸汽、氬氣、HCl、H2、Si、Ge和它們的混合物等；-“不純氦氣的低溫冷凍”指其中含有雜質(zhì)的氦氣與流體在低溫下，一般在低于約-150℃的溫度下，例如在液氮的溫度下間接接觸的步驟，其中所述接觸操作可通過將輸送不純氦氣的盤管或另一換熱裝置浸在液氮浴中進(jìn)行或通過所述氦氣經(jīng)由對(duì)流換熱型的換熱系統(tǒng)，尤其具有銅焊鋁板和葉片的換熱器冷凍來進(jìn)行；-“外罩”指在拉絲步驟中用于冷卻光纖的換熱器，它具有中心通道，該通道又具有經(jīng)其引入待冷卻光纖的纖維入口孔、經(jīng)其抽出通過與氣體接觸而冷卻的光纖的纖維出口孔、經(jīng)其引入冷卻氣體的氣體入口孔和經(jīng)其吸出不純氣體的氣體出口孔。
取決于具體情形，本發(fā)明的凈化方法可包括一個(gè)或多個(gè)下述特征
-不純氦氣的低溫冷凍通過使液氮或低溫流體與所述氦氣間接接觸，優(yōu)選通過至少一個(gè)換熱器來進(jìn)行；-氦氣的滲透通過一個(gè)或多個(gè)膜，優(yōu)選串聯(lián)連接的幾個(gè)膜來進(jìn)行；-它包括至少一個(gè)其中將氦氣壓縮到壓力大于10巴，優(yōu)選為20-50巴的壓縮步驟；-它包括至少一個(gè)步驟(a)之前的脫除不純氦氣中至少一些CO2和/或H2O雜質(zhì)的預(yù)凈化步驟；-在預(yù)凈化步驟中，CO2和/或H2O雜質(zhì)通過吸附，優(yōu)選采用沸石顆粒、硅膠顆粒、氧化鋁顆?；蚱浣M合而除去；-氦氣壓縮在步驟(a)之前且通過至少一個(gè)壓縮機(jī)如螺桿式壓縮機(jī)進(jìn)行；-它包括至少一個(gè)將從至少一個(gè)膜的保留(rétentat)側(cè)離去的氦氣的一些再引入到壓縮機(jī)吸入側(cè)或再引入到所述壓縮機(jī)中間階段的步驟；-不純氦氣是被環(huán)境空氣污染的氦氣；-不純氦氣是含有至少一種選自CO2、水蒸汽(H2O)、氬氣、氮?dú)夂脱鯕獾碾s質(zhì)的氦氣，優(yōu)選是含有幾種所述雜質(zhì)的氦氣；-從步驟(a)所得的氦氣的純度為75-98體積％，優(yōu)選為90-95體積％；-從步驟(b)所得的氦氣的純度為97-99.99％，優(yōu)選為99-99.9％。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明還涉及包括串聯(lián)連接的下列裝置的氦氣凈化設(shè)備-待凈化氦氣進(jìn)行低溫冷凍用的低溫氦氣冷凍裝置；和-通過離開所述低溫冷凍裝置的氦氣的滲透進(jìn)行凈化用的滲透裝置。
取決于具體情形，本發(fā)明的氦氣凈化設(shè)備可具有一個(gè)或多個(gè)下述特征-壓縮待凈化氦氣用的氦氣壓縮裝置置于低溫冷凍裝置的上游；-氦氣壓縮裝置包括壓縮機(jī)和/或滲透裝置包括一個(gè)或多個(gè)膜或膜組件；-至少一個(gè)膜或膜組件的保留出口與至少所述壓縮機(jī)的入口連接。
根據(jù)再一方面，本發(fā)明還涉及一種制造至少一種光纖的方法，其中使用通過本發(fā)明的氦氣凈化方法凈化的氦氣。
換句話說，本法明還涉及一種制造至少一種光纖的方法，包括至少下列步驟(i)將氣態(tài)氦氣引入到含有至少一段光纖的至少一個(gè)外罩中，使至少該段光纖與氣態(tài)氦氣接觸；(ii)回收至少一些已經(jīng)與所述纖維在所述外罩中接觸的不純氦氣；以及(iii)通過本發(fā)明的氦氣凈化方法將來自(ii)的不純氦氣凈化。
類似地，本發(fā)明還涉及一種制造至少一種光纖的方法，包括至少下列步驟(i)使氣態(tài)氦氣與至少一段光纖接觸；(ii)回收在步驟(i)中已經(jīng)與所述纖維在所述外罩中接觸的不純氦氣；以及(iii)通過本發(fā)明之一的氦氣凈化方法將來自(ii)的不純氦氣凈化。
取決于具體情形，本發(fā)明的光纖制造方法可包括一個(gè)或多個(gè)下述特征-它包括將至少部分步驟(iii)中所凈化的氦氣通過使所述凈化后的氦氣返回與至少一段光纖接觸而再循環(huán)的步驟；-使氦氣和光纖在至少一個(gè)冷卻外罩中接觸；-用于冷卻光纖的氣體是純度為95-99.9999體積％的氦氣；-它包括至少一個(gè)纖維沉積步驟、至少一個(gè)纖維固化步驟和至少一個(gè)纖維拉絲步驟，氦氣優(yōu)選用于這些步驟的幾個(gè)中。
本發(fā)明的凈化方法現(xiàn)在將通過下面的說明和附圖來更詳細(xì)地描述，其中

圖1示意地表示不純氦氣通過浸在液氮浴中的低溫冷凍；圖2示意地表示不純氦氣通過與低溫氮對(duì)流接觸的低溫冷凍；圖3和4示意地表示氦氣中含有的殘留雜質(zhì)的滲透步驟；圖5示意地表示帶有返回到壓縮機(jī)進(jìn)料中的返回料的本發(fā)明方法各步驟的次序；
圖6是下表所給數(shù)據(jù)的圖解表示；以及圖7示意地表示本發(fā)明方法在利用不純氦氣的預(yù)凈化來制造光纖中的應(yīng)用。
為了更容易理解本發(fā)明，將考慮用大氣，也就是說用基本由CO2、H2O、N2和O2類構(gòu)成的雜質(zhì)來污染氦氣，并且用同一參數(shù)表示圖1-5和圖7中的同一部件。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明方法優(yōu)選從氦氣預(yù)凈化步驟8開始，如圖7所示，該步驟由常規(guī)的干燥步驟和脫碳步驟組成，在將氦氣壓縮到大于10巴，一般約20-50巴的壓力后，將會(huì)除去氦氣中存在的痕量濕氣(H2O)和CO2。
例如，這一預(yù)凈化步驟8可通過常規(guī)吸附顆粒如沸石顆粒、硅膠顆粒、氧化鋁顆?；蚱浣M合，尤其幾種這些吸附材料的連續(xù)層的并置來進(jìn)行，這些吸附顆粒置于一個(gè)或多個(gè)吸附器，優(yōu)選至少兩個(gè)吸附器18，19中，這些吸附器在具有壓力和/或溫度變動(dòng)(通常稱作PSA(變壓吸附)或TSA(變溫吸附))周期的吸附周期中交替運(yùn)行。
在這一在先處理后，該輪到的是凈化氦氣與經(jīng)脫碳的干空氣的混合物了。
根據(jù)本發(fā)明，這種氦氣/干空氣混合物中的氦氣可按下列順序在兩個(gè)接連的步驟，即低溫分離步驟1和隨后的膜滲透步驟2中凈化，如圖1-5和圖7所示。
在低溫分離或冷凍步驟1中，(在3處)已經(jīng)壓縮的氦氣/空氣混合物10通過與液氮間接接觸的冷卻將致使氦氣中含有的絕大部分氮?dú)夂脱鯕饫淠?，其中冷凝物回收在例如分離器容器5中。
密閉效力簡(jiǎn)單地從所述氣體在凍點(diǎn)溫度(對(duì)于77K的液氮而言認(rèn)為是79K)下的蒸氣壓來評(píng)估，即-對(duì)于氮?dú)釶N2＝1.22巴；-對(duì)于氧氣PO2＝0.26巴。
在總壓例如31巴(絕對(duì)，計(jì)算假設(shè))下冷凝后的氣體因而含有1.22巴氮?dú)狻?.26巴氧氣和31-(1.22+0.26)巴氦氣。
將此用百分比表示，因而我們獲得混合物的下列大致組成N2＝3.93％，O2＝0.85％和He＝95.22％；其它污染物的含量認(rèn)為可忽略。
其后，可想到兩種低溫處理，即-利用失去的液氮的簡(jiǎn)單冷凝步驟1，如圖1示意所示，也就是說通過將輸送不純氦氣10的盤管6或類似物浸在液氮浴7中，在該液氮浴中沒有冷凍回收且液氮擔(dān)負(fù)著各氣體的冷卻和空氣的冷凝4的所有任務(wù)，其中冷凝物4可經(jīng)由排氣管線40除去；-或者利用對(duì)流氣體/氣體交換和冷端的擴(kuò)張(如Joule-Thomson所教導(dǎo))的熱力學(xué)優(yōu)化方案，如圖2示意所示，在該方案中，液氮僅為補(bǔ)充流體，以保持系統(tǒng)處于冷凍狀態(tài)，這對(duì)于某些壓力條件可能甚至證明是自熱的。使用一個(gè)或多個(gè)換熱器11，12的這一方案盡管更復(fù)雜，但應(yīng)該是優(yōu)選的，因?yàn)榈獨(dú)獾南目赡芗s束該方法，也就是說在高流速和高濃度的可冷凝物的情況下。在圖2中應(yīng)該指出的是，含有液氮的附加管線可與不純氦氣管線10和對(duì)流換熱管線30平行提供，該管線含有液氮且與分離器容器5連接。
接下來，低溫處理1后，從該低溫處理所得的氣體20在一個(gè)或多個(gè)膜上進(jìn)行滲透凈化2，因?yàn)樵摎怏w是干燥的、脫碳的且在等于或大于滲透處理2一般所需的壓力下可獲得。
這是因?yàn)閱为?dú)膜的性能不能使百分之幾十的雜質(zhì)降至1體積％，后者是要達(dá)到的目標(biāo)，以獲得可尤其用于光纖制造過程中冷卻光纖的高純度氦氣。
另一方面，如果加入通過低溫處理1所得的氣體20(95％氦氣，5％空氣)，如在本發(fā)明上下文范圍內(nèi)，則如下表和圖6所示將會(huì)非常容易地使純度從95％提高至99％或更高。
表作為進(jìn)料的純度為90體積％和95體積％的氦氣加料用的膜的性能。
用含有95體積％氦氣的加料氣體進(jìn)行的試驗(yàn)
用含有90體積％氦氣的加料氣體進(jìn)行的試驗(yàn)
上面各表所示的試驗(yàn)采用從MEDAL公司獲得的、總交換表面積為6.7m2、中空纖維長(zhǎng)度為0.457m、O2/He相對(duì)于N2的選擇性為5/80、加料的氣體壓力為12巴、滲透?jìng)?cè)的壓力為6巴的膜組件(組件1法寸＝1英寸)來進(jìn)行。
在各表中，使用下列縮寫-Q加料表示加料氣體的流速(以m3/h表示)；-XN2、XO2和XHe分別表示保留側(cè)上所回收氣體中氮?dú)?、氧氣和氦氣含?以％表示)；-YN2、YO2和YHe分別表示滲透?jìng)?cè)上所回收氣體中氮?dú)狻⒀鯕夂秃夂?以％表示)；-Q保留表示保留輸出氣體的流速(以m3/h表示)；-Q滲透表示滲透輸出氣體的流速(以m3/h表示)；對(duì)不純氦氣的兩個(gè)純度水平(90％和95％)所得的結(jié)果表示在圖6中，其中X軸表示凈化后的氦氣的純度(以％表示)，Y軸表示對(duì)于氦氣所得的產(chǎn)率(Y，以％表示)。
此外，考慮到所述膜對(duì)氦氣具有非常高的滲透率和可達(dá)到的壓力(30巴)，與待處理料流比較，對(duì)應(yīng)于30/升膨脹的通量太高。換句話說，事實(shí)上存在可以各種方式使用的壓力儲(chǔ)備-使一些凈化后的氦氣保持在一定壓力下，以將其儲(chǔ)存在緩沖罐中，然后在需要的時(shí)候?qū)⑵渌偷绞褂矛F(xiàn)場(chǎng)；-或進(jìn)行雙膜凈化，如圖4或5所示，得到更高純度，也就是說純度為99.9％或更高的氦氣。
當(dāng)然，這些氦氣在膜上的每一次通過都伴隨有將再循環(huán)進(jìn)入壓縮機(jī)入口的非滲透部分的排放。
通過在再循環(huán)程度比例(10-20％)中提高壓縮機(jī)和低溫部件的容量，已發(fā)現(xiàn)可徹底回收氦氣，其落入在氣體預(yù)凈化8中所使用的吸附器18，19或干燥瓶的倒置中產(chǎn)生的重大損失之內(nèi)且溶解在冷凝空氣4中的氦氣比例低，即在1體積％以內(nèi)。
上述計(jì)算很明顯可稍微因膜的類型、氦氣壓縮機(jī)可達(dá)到的壓力以及大體上本方法的總體優(yōu)化而異。
而且，具有這兩個(gè)純度水平的氦氣可在不同生產(chǎn)線上再使用或在相同生產(chǎn)線上交替再使用，尤其在光纖應(yīng)用的情況下再使用，如圖7所示。
圖7示意地表示制造光纖27的設(shè)備25，該設(shè)備包括起換熱器作用的外罩26，在該外罩中光纖27通過經(jīng)由入口孔28引入到外罩26中的氣態(tài)氦氣而冷卻，尤其是被進(jìn)入的大氣所污染并因而基本含有N2、O2、CO2和H2O類雜質(zhì)的不純氦氣經(jīng)由出口孔29從外罩26中吸出。
回收例如通過吸收裝置或泵吸裝置吸出的經(jīng)由出口孔29離去的不純氦氣，并經(jīng)由管線10，在進(jìn)行本發(fā)明方法之前，也就是說在進(jìn)行預(yù)凈化步驟8、然后進(jìn)行低溫冷凍步驟1和膜滲透步驟2之前在3處壓縮。
在膜2的滲透?jìng)?cè)22所回收的凈化后的氦氣可儲(chǔ)存或直接送入光纖制造設(shè)備25的入口孔28。
另一方面，將在膜2的保留側(cè)23所回收的氦氣送入壓縮機(jī)3上游的管線10或排放到大氣中。
應(yīng)該指出的是，如果高氦氣純度是所需要的，則圖7中的膜2-該膜2還表示在圖3中-可用包括如圖4示意所示的串聯(lián)連接的兩個(gè)膜2的體系來代替。在這種情況下，來自第一個(gè)膜的滲透輸出物22進(jìn)入第二個(gè)膜的入口，其中在送回到圖7所示設(shè)備中的外罩26的入口28之前，凈化后的氦氣以來自第二膜的滲透輸出物22回收，第一和第二膜的保留出口23處回收的氣體可例如作為合并的單一料流送回到壓縮機(jī)3的入口，如上所述，或者可以排放進(jìn)入大氣，或者甚至用于要求較低純度氦氣的另一應(yīng)用或另一工藝步驟。
當(dāng)然，必要的話，氦氣補(bǔ)充管與外罩26的入口孔28連接。
權(quán)利要求
1.一種凈化不純氦氣的方法，其中將該不純氦氣進(jìn)行至少下列接連的步驟(a)不純氦氣的低溫冷凍；和(b)至少一部分從步驟(a)得到的氦氣的滲透。
2.一種凈化不純氦氣的方法，其中將該不純氦氣進(jìn)行至少下列接連的步驟(a)不純氦氣的低溫冷凍，以通過冷凝除去至少一些它含有的主要雜質(zhì)，以及含有殘留雜質(zhì)的中間純度的氦氣的回收；和(b)至少一些從步驟(a)得到的中間純度氦氣的滲透，以除去至少一些所述殘留雜質(zhì)，以及最終純度比所述中間純度高的氦氣的回收。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于不純氦氣的低溫冷凍通過使液氮與所述氦氣間接接觸來進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于氦氣的滲透通過一個(gè)或多個(gè)膜，優(yōu)選串聯(lián)連接的幾個(gè)膜來進(jìn)行。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其特征在于它包括至少一個(gè)其中將氦氣壓縮到壓力大于10巴，優(yōu)選為20-50巴的壓縮步驟。
6.如權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其特征在于它包括至少一個(gè)步驟(a)之前的脫除不純氦氣中的至少一些CO2和/或水雜質(zhì)的預(yù)凈化步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在預(yù)凈化步驟中，CO2和/或水雜質(zhì)通過吸附，優(yōu)選采用沸石顆粒、硅膠顆粒、氧化鋁顆粒或其組合而除去。
8.如權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于氦氣的壓縮在步驟(a)之前進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求1-8之一所述的方法，其特征在于它包括至少一個(gè)將從至少一個(gè)膜的保留側(cè)離去的氦氣的一些再引入到壓縮機(jī)的吸入側(cè)或再引入到所述壓縮機(jī)中間階段的步驟。
10.如權(quán)利要求1-9之一所述的方法，其特征在于不純氦氣是被環(huán)境空氣污染的氦氣。
11.如權(quán)利要求1-10之一所述的方法，其特征在于不純氦氣是含有至少一種選自CO2、水蒸汽(H2O)、氬氣、氮?dú)夂脱鯕獾碾s質(zhì)的氦氣，優(yōu)選是含有幾種所述雜質(zhì)的氦氣。
12.如權(quán)利要求1-11之一所述的方法，其特征在于從步驟(a)得到的氦氣的純度為75-98體積％，優(yōu)選為90-95體積％。
12.如權(quán)利要求1-11之一所述的方法，其特征在于從步驟(b)得到的氦氣的純度為97-99.99％，優(yōu)選為99-99.9％。
13.氦氣凈化設(shè)備，包括串聯(lián)連接的下列裝置-待凈化氦氣進(jìn)行低溫冷凍用的低溫氦氣冷凍裝置(1)；和-通過離開所述低溫氦氣冷凍裝置(1)的氦氣的滲透進(jìn)行凈化用的滲透裝置(2)。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于壓縮待凈化氦氣用的氦氣壓縮裝置(3)置于低溫冷凍裝置(1)的上游。
15.如權(quán)利要求13或14所述的設(shè)備，其特征在于氦氣壓縮裝置(3)包括壓縮機(jī)，滲透裝置(2)包括一個(gè)或多個(gè)膜或膜組件和/或預(yù)凈化裝置(8，18，19)置于低溫冷凍裝置(1)的上游。
16.如權(quán)利要求13或14所述的設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)膜或膜組件(2)的保留出口與至少所述壓縮機(jī)(3)的入口連接。
17.一種制造至少一種光纖的方法，其中使用通過如權(quán)利要求1-12之一所述的氦氣凈化方法凈化的氦氣。
18.一種制造至少一種光纖的方法，包括至少下列步驟(i)將氣態(tài)氦氣引入到含有至少一段光纖的至少一個(gè)外罩中，使至少該段光纖與氣態(tài)氦氣接觸；(ii)回收至少一些已經(jīng)與所述纖維在所述外罩中接觸的不純氦氣；以及(iii)通過如權(quán)利要求1-12之一所述的氦氣凈化方法將來自(ii)的不純氦氣凈化。
19.一種制造至少一種光纖的方法，包括至少下列步驟(i)使氣態(tài)氦氣與至少一段光纖接觸；(ii)回收在步驟(i)中已經(jīng)與所述纖維在所述外罩中接觸的不純氦氣；以及(iii)通過如權(quán)利要求1-12之一所述的氦氣凈化方法將來自(ii)的不純氦氣凈化。
20.如權(quán)利要求17-19之一所述的制造方法，包括將至少部分步驟(iii)中所凈化的氦氣通過使所述凈化后的氦氣返回與至少一段光纖接觸而再循環(huán)的步驟。
21.如權(quán)利要求17-20之一所述的制造方法，其中使氦氣和光纖在至少一個(gè)冷卻外罩中接觸。
22.如權(quán)利要求17-21之一所述的制造方法，其特征在于用于冷卻光纖的氣體是純度為95-99.9999體積％的氦氣。
23.如權(quán)利要求17-22之一所述的制造方法，其特征在于它包括至少一個(gè)纖維沉積步驟、至少一個(gè)纖維固化步驟和至少一個(gè)纖維拉絲步驟，氦氣優(yōu)選用于這些步驟的幾個(gè)中。
24.制造至少一種光纖(27)用的設(shè)備(25)，包括-至少一個(gè)含有至少一段光纖(27)的外罩(26)，所述外罩(26)具有至少一個(gè)氣態(tài)氦氣經(jīng)其引入到所述外罩(26)的入口孔(28)和至少一個(gè)污染的氣態(tài)氦氣經(jīng)其從所述外罩(26)吸出的出口孔(29)；和-如權(quán)利要求13-16之一所述的氦氣凈化設(shè)備，該設(shè)備上游側(cè)與出口孔(29)連接，以加入從所述出口孔(29)吸出的待凈化氦氣，該設(shè)備下游側(cè)與入口孔(28)連接，以向所述入口孔(28)加入凈化后的氦氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及凈化不純氦氣(10)的方法和設(shè)備。所述方法包括將該氦氣進(jìn)行至少兩步接連的步驟(a)不純氦氣的低溫冷凍(1)，以通過冷凝除去它含有的至少部分主要雜質(zhì)，以及含有殘留雜質(zhì)的中間純度的氦氣的回收，和(b)至少部分從步驟(a)得到的具有中間純度的氦氣的滲透(2)，以除去至少部分所述殘留雜質(zhì)，以及最終純度比所述中間純度高的氦氣的回收。所述方法和所述設(shè)備可用于將在冷卻(26)光纖(27)的室的出口處回收的不純氦氣(10)凈化，然后將所得凈化后的氦氣再引入到所述室以再循環(huán)氦氣。
文檔編號(hào)C01B21/04GK1469986SQ01817577
公開日2004年1月21日 申請(qǐng)日期2001年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月18日
發(fā)明者J－Y·托內(nèi)利耶, C·康代拉, J-Y 托內(nèi)利耶 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會(huì)的有限公司, 液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具