探讨浮空器氦气纯化的常见方法

摘 要：近年来，伴随着我国科学技术的进步与发展，浮空器飞行器发展迅速，在这过程中，氦气作为浮空器飞行器的主要动力来源正变得越来越稀缺，在这样的背景下，如何实现氦气的纯化与循环使用就成为了相关人员需要解决的首要问题。鉴于此，文章从浮空器氦气纯化的应用现状出发，分析探讨了浮空器氦氣纯化的常见方法以及各自的实践效果，以期能够对相关人员工作的开展有所帮助。

关键词：浮空器;氦气纯化;方法;实践效果

如今，随着浮空器飞行器的广泛使用，如何对浮空器氦气进行纯化是当务之急，只有保证浮空器氦气的纯度，进一步的，浮空器飞行器的使用安全性与稳定性才能得到保障，同时，氦气资源的紧缺问题才可得到有效解决。

1 气体常见纯化方法

1.1 变压吸附法

变压吸附系统对于气体的纯化依靠的主要是吸附剂对于气体中各类混合物组分的吸附能力，当气体压力发生变化时，气体内的各类混合物组分将发生变化，此时，选择性地吸附混合物中的不同组分便可实现较好的气体分离效果。在具体的操作中，采用的通常是在两个吸附气瓶之间进行交替的加压和常压（真空）解吸的方式，在合适的温度条件下，用碳分子筛吸附氧气、沸石分子筛吸附氮气可达到纯化氦气的目的，但不足在于净化速度较慢。

1.2 脱氧脱氮法

相较于变压吸附法，脱氧脱氮法的操作相对简单，触媒和高温是本方法进行气体分离的主要原理，在对氦气进行具体的分离过程中，首先，需要使用干燥剂对氦气中包含的水份等相关杂质进行吸附;此外，在高温下利用触媒对杂质行化学吸收，进而实现除去气体中氧、氮等空气杂质的目的。

1.3 低温精馏法

低温蒸馏法对于气体的分离依赖的主要是不同的气体组分可以在低温下形成固态、液态和气态等不同形态以及冷却后沸点不尽相同的特性。分离过程采用的主要是部分蒸发和部分冷凝的方式，分离效率取决于杂质的分压情况，一般情况下，低温蒸馏具有更大的分离量和更高的分离纯度与分离，适用于大量的氦气的纯化，但同时要注意到，低温蒸馏设备往往需要大量资金投入，在能源和成本方面的消耗均较大。

1.4 高压低温冷凝吸附法

在高压、低温条件下对不纯的氦气进行冷凝处理后，将其中的液态空气彻底分离，然后利用低温吸附剂将空气中剩余的其他杂质进行去除是高压低温冷凝吸附法的主要原理和分离过程，相较于变压吸附法、脱氧脱氦等方法，该方法最大的优势在于分离量大、分离后得到的氦气纯度高，与此同时，近年来，随着相关技术的发展，该方法的工艺不断成熟，因而是目前使用最广的一种氦气纯化方法。

1.5 膜分离法

膜分离技术是以选择性渗透膜为分离介质，通过利用选择性渗透膜的压力差、浓度差和电位差等某种推动力来，使原料侧组分选择性地透过膜，进而实现分离纯化效果目的的一种分离方式。整体来看，膜分离气体依赖的主要是压力下混合气体中各组分的传输率有所不同的特性，此时，便可选择性的对气体选择性进行分离，达到分离效果。

2 浮空器氦气纯化技术

2.1 原理方法

就现阶段浮空器装置的一般市面产品而言，不同产品的氦气囊体积存在较大差异，体积往往从几百立方米到几千立方米不等。因此，在工业上可以采用高压低温冷凝与低温吸附相结合的净化方法，该方法不仅能够同时处理较大体积的氦气，且具有价格便宜的优势。目前，该技术还用于在航天发射场的氦气净化中，且显现出了明显优势。由于浮空器中氦气的污染主要来自空气，因此氦气净化工作主要是除去氦气中混入的空气，通过对不同气体的成分进行分析可知，空气中氮、氧、氩和二氧化碳的体积分数已经超过99.99%。由于氧气、氩气、二氧化碳和水汽液体温度高于氮气，因此，在液氮达到冷冻温度时，即可实现以上气体组分的液化分离，实现氦气纯化的效果。

2.2 工艺流程与过程自动控制技术

在氦气的纯化过程中，其基本步骤如下：首先通过氦气压缩机将混合有空气的氦气（粗氦）加压到5.0MPa以上;其次，对加压后的不纯氦气进行过滤干燥处理;最后，冷冻分离，实现纯化。在上述过程中，氦气回收系统是氦气纯化的关键部件，只有其拥有良好的隔热性能和使用性能时，才能保证最终的纯化效果;与此同时，氦纯化器外壳通常为杜瓦结构，分析原因，主要在于保证内装液氮与外界的良好隔热，避免由于沸点的温度大于液氮温度，而造成的冷饱和析出的情况的发生，确保分离的有效性。另外，氦纯化器内通常装有一定数量的活性炭和分子筛，当氦气中混入的空氣组分流经换热器时，上述物质可进一步增强设备的，空气组分吸附力，保证彻底的对剩余的空气杂质进行吸附，进而进一步提高氦气纯度。此外，在实践操作中，根据不同的纯度要求，在进行氦气纯化时和氦气净化系统设计时，可以选择不同的压力水平值，在保证纯化效果的同时兼顾纯化效益。

3 结束语

综上所述，在使用浮空器飞行器的过程中，受到外界因素的影响，空气将不可避免的混入到将导致其内部氦气纯度降低，从而影响到浮空器正常使用，一方面，导致浮空器飞行器的安全性和稳定性大幅度下降;另一方面，还将造成氦气的严重浪费。因此，对浮空器进行氦气纯化是重要且必要的，在方法的选择利用上，可优先考虑高压低温冷凝和低温吸附相结合的氦气提纯方法。

参考文献：

[1]冯欣宇.贝加莱PCC构建氦气回收设备控制系统[J].自动化仪表，2018

[2] 吴翼凡.气象探测数据采集与处理系统设计[D].南京信息工程大学，2018

[3] 肖存英.中国上空平流层准零风层的特征分析[J].空间科学学报，2018

作者简介：

孟超（1982.5—）高级工，安徽合肥人，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究