回收气体的系统和方法 本发明领域
本发明涉及气体的回收，更具体而言，涉及冷喷涂成形工艺中氦气的回收。
本发明背景
氦气是冷喷涂成形(CSF)工艺中所选择的气体。然而，如果对氦气没有进行足够的回收，则其使用在经济上将受到抑制。
一般来说，高的速度对于加速使CSF粉末到达工件是必不可少的。当氦气中的氮达到5％(摩尔)时，声速将降低8％。如果氮气浓度增加至20％(摩尔)，则声速将减少33％。如果较重的杂质(如二氧化碳)达到20％(摩尔)，其余为氦气，则声速将减少43％纯氦气的高气体速度是一项所需的物理性能，与具体的CSF应用无关。
表1：作为气体组成函数的声速氦气％摩尔氮气％摩尔水％摩尔二氧化碳％摩尔温度(F)声速(英尺/秒) 100 0 0 0 100 3958 95 5 0 0 100 3467 90 10 0 0 100 3120 85 15 0 0 100 2859 80 20 0 0 100 2653 95 0 5 0 100 3645 95 0 0 5 100 3225 90 0 0 10 100 2788 85 0 0 15 100 2489 80 0 0 20 100 2267
CSF是本说明书未经商业化的一种新开发的技术。CSF与热喷镀(TS)的主要区别在于喷嘴气体的温度。TS使用微粒速度结合加热在工件上形成涂层。对两种工艺的描述将揭示与TS相关地问题，而该问题可通过CSF得到解决，以及以前不使用氦气而CSF选择氦气的原因。
图1显示了CSF和TS的设备机壳的简图。一种TS的应用为等离子喷镀。使气体通过喷嘴14内的电弧形成等离子体。因此对TS而言，喷嘴14必须用水冷却或包含耐火材料以承受高温。喷嘴14的预期使用寿命通常少于100小时。气体和粉末通过喷嘴14形成喷路16。典型的喷嘴气体可以是氩气和氢气的混合物。在喷路16中氢气将燃烧以便为粉末提供额外的热量。粉末在到达工件18之前将在喷路16中部分或全部熔化并在工件18上形成涂层。必须注意工件18不能变得太热或涂层施用得太厚。如果涂层太热或施用得太厚，则冷却后涂层将发生龟裂。同时还需注意选择粉末的微粒大小。如果微粒的粒度太小，则由于汽化造成的损失在经济上是不允许的。喷路16使用气体速度及密度以加速微粒到达工件18。在喷路16中存在的高温降低了气体密度，最大限度地减少了气体速度对微粒速度的影响。要求TS的微粒速度最高达到200m/s。氦气可以提供较高的气体速度，但其密度将较低。
TS需要单独的流体用于冷却工件18。所述单独的流体可以是液态二氧化碳或水。空气也可经气体入口22通过机壳12。大量空气流过工件18并带走不作为涂层粘附的过量粉末。空气及粉末废气经气体排出口20离开机壳12。如果在喷嘴14中使用氦气，则采用空气吹扫工件18将使氦气的回收及净化变得困难和昂贵。
CSF不同于TS之处在于：在环境温度下用氦气可将喷嘴14中的粉末加速至约1000至约1200m/s到达工件18。喷嘴14中通常低于约400°F的CSF温度允许使用小于20微米并且含有各种挥发性合金元素的微粒。用氦气所能达到的高速使微粒在撞击工件18时具有足够的能量熔入涂层内。所得的涂层不会引起工件18底材发生变化，而如果将其置于TS温度下将导致这种变化。氦气也流经入口22吹扫工件18并带走过量的粉末。氦气及粉末从机壳12经放气口20排至氦气回收和净化装置。在CSF中，氦气主要起两种作用。首先，起加速涂料粉末，提供动力能量的作用。其次，起清洁吹扫气体的作用以便清洁工件外部的微粒。
相信没有现成的氦气回收系统可用于CSF。由于目前各种CSF工艺均处于实验室规模并且使用少量的氦气，因此缺乏用于CSF的氦气回收系统也就不足为奇。但其它使用大量氦气的工艺具有氦气回收系统。
美国专利号5,377,491公开了一种用于光学纤维冷却管的冷却气体回收工艺，该工艺使用真空泵/压缩机从冷却管中移走冷却气体，去除微粒和各种污染物后将冷却气体返回至光学纤维冷却管。在去除水和氧气方面使用了净化设备如变压吸附、干燥器和膜，氧气的最大去除量范围为1至50％(摩尔)，并且冷却管要求在0至150磅/平方英寸(表压)下冷却气体。
美国专利号4,845,334公开了一种等离子体炉气体回收系统，其中气体在高温(～700℃)和低压(＜2磅/平方英寸(表压))下离开所述炉。将排放气体冷却后再经过微粒去除设备。然后压缩不含微粒的气体，重新过滤后干燥。然后将经过干燥和压缩后的氦气经油溢流式螺杆压出机在使用气流的压力及150标准立方英尺/分(SCFM)和100磅/平方英寸(表压)的压力下循环至所述炉内。
美国专利号5,158,625公开了一种用于从金属硬化(淬火)室中移出氦气、净化氦气并压缩氦气的工艺。据描述淬火室为10立方米，氦气为2.5巴(绝对压力，875标准立方英尺)。从硬化炉中经真空泵可回收氦气及各种杂质。氦气和杂质可在真空泵下游中得到压缩并储存于接收器内。一旦除去所有来自硬化炉的所需氦气后，使具有杂质的氦气通过膜、干燥器、PSA或氢的催化氧化，从工艺中去除氧气和水。然后重新压缩经净化后的氦气并在压力下储存于另一个接收器内直至下一个硬化循环开始为止。上述工艺在淬火室中使用了比大气压高的压力以提高氦气的密度，并由此改进了传热性能。
先有技术并未提出或建议采用包括三个涉及战略性替代净化设备的连续回路的回收及净化系统。此外，每一个回路均具有其本身单独的功能。除了净化及回收之外，本发明还能使氦气加压以获得必要的声速。
本发明目的
因此，本发明目的之一是提供一种效能价格合算的氦气回收系统，该系统在CSF喷嘴处能提供可接收的氦气纯度(＞80％摩尔)、体积和压力并用于清洁吹扫工件。
本发明目的之二是提供一种氦气回收系统，该系统可从氦气中去除各种污染物，如氧、氮、水、二氧化碳和微粒。
本发明概要
本发明涉及一种回收和净化气体的三段法。各步骤包括：a)从气室中将气体导入至去除微粒的装置内并形成无微粒的气体，将第一部分的无微粒气体循环至气室中；b)在通过选择性气体净化膜之前使第二部分的无微粒气体通过第一压缩机形成净化气体和废气，并将净化气体与送往气室的第一部分的无微粒气体混合；和c)使第三部分的无微粒气体通过液体分离装置和接收器形成不含液体的气体，并将不含液体的气体循环至所述气室。
本发明在另一个实施方案中涉及一个回收和净化气体的三段系统。该系统包括：a)从气室中将气体导入至去除微粒的装置内形成无微粒的气体，并将一部分无微粒气体循环至气室中的第一段；b)在通过选择性气体净化膜之前使第二部分的无微粒气体通过第一压缩机形成净化气体和废气，并将净化气体与送往气室的第一部分的无微粒气体混合的第二段；和c)使第三部分的无微粒气体通过液体分离装置和接收器形成不含液体的气体，并将不含液体的气体循环至所述气室的第三段。
第二段可包括在使第二部分的无微粒气体通过第一压缩机之前加入氦气与第二部分的无微粒气体混合。第一段可包括用于循环气体流的循环单元。第二段可包括气体分析器以便确定第二部分的无微粒气体的纯度。选择性气体净化膜可包括选择分离氦气的膜。第三段可包括第二压缩机、冷却器和液体分离装置。还可包括回收单元及吸附单元。
附图简述
本领域技术人员可从以下优选实施方案的描述及附图中发现本发明的其他目的、特征和优点，附图中：
图1为本发明CPF法的示意图；和
图2为用于本发明CPF法中的回收气体的示意图。
本发明详述
在公开回收和净化氦气的先有技术中没有公开对CSF氦气回收系统采用体积和压力的要求。CSF的流速与本领域中所公知的那些有很大不同。本发明具有连续操作的三个不同回路。每一个回路均具有不同的功能。首先，本发明在回路A中采用了鼓风机以便将氦气从CSF气室经微粒去除单元循环回CSF气室，以提供清洁吹扫流(图2)。回路A的气流必须将微粒从气室中除去。回路A中的流速优选为1000SCFM或更高。移出一部分在回路A中循环的气体提供给回路B和回路C。本发明使用了压缩机将气体从回路A中移出。所移出的气体量将取决于喷嘴的数量及所需的纯度要求。如果CSF气室含有一个要求氦气的纯度达到至少90％、优选至少95％的喷嘴，则回路B和回路C中的流速将分别约为80SCFM和125SCFM。回路C采用了压缩机以提高压力并控制气体前往喷嘴的流动。
有人可能认为可以提供喷嘴并从回路A的单一压缩机中提供清洁吹扫流。具备压缩机可以删除回路C。然而，在本实施例中的低压清洁吹扫流约为喷嘴流的8倍。而喷嘴的压力为清洁吹扫流压力的至少20倍或更高。因此其基本建设投资及运行成本将为上述回路A和回路C用于鼓风机和压缩机各自成本总和的数倍。
本发明必须使用净化以便维持氦气所需的各项性能并去除对涂层或底材有害的杂质。
本发明也可以使用PSA、TSA、膜、催化氧化和深冷分离来去除杂质。但氦气中存在的任何杂质都能成为CSF的工艺限制剂。因此，根据应用的具体情况，净化系统必须去除氮、氧、水、一氧化碳、二氧化碳、氢气和可能的轻质烃。当各种零部件进出CSF气室时将出现大部分的杂质。一些CSF应用将处理较大量一次置于CSF气室内的零部件。当将各种零部件置于CSF气室中时，氦气将逸出而空气将进入气室内。当从CSF气室中取出各种零部件时也将发生同样的情况。在将各种零部件置于机壳内前后对气室进行抽真空将最大限度减少氦气的损失以及进入密闭气室内的空气量。即使对机壳施行抽真空可以改进氦气的回收，时间周期的延长及可抽真空装置的资金未必能证明这种努力是合算的。
较高分子量的杂质将显著降低氦气的声速。声速比重质气体要高是氦气的几项独特物理性能之一，这也是选择其作为冷喷涂成型用气体的原因。典型的商业应用要求氦气的纯度大于约85％、优选大于约90％、最优选大于约95％。所期望的氦气的回收率大于约90％(基于回路C中的流量计算)。
表2给出了满足不同气体技术规格要求的不同净化技术。所述气体技术规格要求取决于工艺操作条件以及用于涂层工艺的材料。例如，我们讨论项目1、10和13。项目1描述了一种其中设备允许相当少量的氧气渗入工艺过程中但要求高纯度气体的方法。氧化铜吸气剂将有效使氧气去除至低PPMV的水平。项目10的方法示意了一种其中两种不同的彼此分开设置的净化技术提供最经济净化策略的方法。在回路B中膜将去除氮气和氧气，而在回路D中TSA将去除水分。
在项目13中，气体技术规格要求为空气少于2％，当将各种零部件置于CSF气室时允许10％的空气进入回路A。CSF工艺将由回路A和回路B开始，而通过氧气分析器19检测达到气体技术规格要求后才开始回路C。如果氧气分析器19的结果显示氧气的浓度水平达到可以接受的程度，则开始启动回路C，而回路B将继续进行以增加氦气的纯度。
表2：CSF废气中净化与杂质的关系项目# 杂质(图2，#40) 净化器类型/位置气体技术规格要求(图2，#88) 1 只有10-100PPM氧气 氧化铜吸气剂/#68 ＜20PPM 02 ＜20PPM N2 ＜20PPM水 2 只有水 TSA/#54或#100 ″ 3 10PPM水 10PPM氧气 氧化铜吸气剂和 TSA/#13或#100 ″ 4 ＜2PPM氧气 ＜2PPM氮气 ＜2PPM水 低温吸附/#100 ″ 5 ＜4PPM氧气 ＜4PPM氮气 ＜4PPM水 改良的低温吸附或 PSA/#100 6 ＜6PPM氧气 ＜6PPM氮气 ＜6PPM水 改良的低温吸附或 PSA/#100 ″ 7 ＜8PPM氧气 ＜8PPM氮气 ＜8PPM水 改良的低温吸附或 PSA/#100 ″ 8 ＜10PPM氧气 ＜10PPM氮气 ＜10PPM水 PSA/#100 ″ 9 ＜2PPM氧气 10％的氮气 膜/#54 ＜20PPM氧气 1％的氮气 10 ＜2PPM氧气 10％的氮气 ＜2PPM水 膜和TSA/#54和#100 ＜20PPM氧气 1％的氮气 ＜20PPM水 11 ＞2PPM氧气 10％的氮气 ＜2PPM水 膜、TSA和氧化铜吸 气剂/#54和#100 ＜20PPM氧气 1％的氮气 ＜20PPM水 12 ＞2PPM水 冷凝器/#23 ＜2000PPM水 13 涂装周期开始时10％的 空气 膜 ＜2％空气 14 ＞100PPMV TSA或PSA/#100 ＜1000PPMV 15 ＞2PPMV TSA或PSA/#100 ＜10PPMV
图2提供了本发明系统及其方法的示意图。CSF方法包括为CSF气室30内的零部件施用涂层。气室的几何形状将部分取决于大小和几何形状。在本发明的一个实施方案中，一次将一个零部件置于CSF气室内，并用一个喷嘴涂装零部件。从密闭气室的开口处移出涂装后的零部件，并释放出约8立方英尺(CF)的氦气，让8CF的空气进入密闭气室。此外，回路A含有约80CF的气体。开始时，鼓风机42将从CSF气室30使气体引经管道32、阀38、微粒去除装置38和管道36和40。鼓风机42将以稍微高于15psia的压力将气体排入管道44中。管道44中的一部分流将进入管道46，而其剩余部分将继续通过管道46的入口至管道56的排气口。来自管道56的净化后氦气将进入管道44并继续前往CSF气室30。来自回路A的氦气将用于清洁吹扫工件。
进入管道46的气体将进料至压缩机48的吸入口。压缩机48中的气体将以约180psia的压力排入管道50。管道50中的一部分气体将进入管道62并经调节阀64至氧气分析器68。如果气体中氧气的含量超过技术规格要求，则氧气分析器68将报警。如果气体成分超过技术规格要求，则操作者或软件将决定涂装工艺是否开始或持续。如果不开始涂装工艺，则对设备而言其最经济的操作是等气体成分符合技术规格要求时才开启回路C。但对于在回路C或回路D中进行净化的替代设备组合而言，需要在回路C中操作压缩机。
管道50中的剩余气体部分在经过管道62后将继续前往管道52和管道68。管道52为回路B的入口。气体通过管道52进入膜54。渗余物离开膜经吸入压力调节阀58至排气口60。净化后的氦气作为渗透流(低压旋管)离开膜经管道56如上所述进入管道44。表3示意了当氦气中含有10％干空气进料至膜时的结果。进入管道56的渗透流的氦气纯度将达到97.5％。当来自管道56的气体与管道44的气体混合时，杂质的浓度将得到降低。
表3：膜模型1，进料10％干空气
模型编号 纤维外径 纤维内径 活性长度 封装长度 面积
(密耳) (密耳) (英尺) (英尺) (英尺2)
1 14.00 7.50 5.667 0.267 5005.1
计算的工艺参数流编# 进料 #1 废料 #2 渗透流 #3F，百万标准立方英尺/天(60F) 1 0.08531 0.9147压力，psia 195.00 195.00 16.00温度，F 108.00 108.00 108.00分子量 6.49 26.09 4.66粘度，cp 0.0212 0.0190 0.0208浓度，％摩尔氦气 90.0000 10.0000 97.4611氮气7.9000 77.9749 1.3646氧气2.1000 12.0251 1.1744
2号流中氦气的回收百分数＝0.95
2号流中氮气的回收百分数＝84.20
2号流中氧气的回收百分数＝48.85
表4显示，随着前往膜的进料的纯度提高，进入管道56的气体的纯度也将增加。此外，随着进料氦气纯度的提高，渗余物流速将降低。降低渗余物流速提高了氦气的回收。
表4：膜模型2，进料10％的空气
模型编号 纤维外径 纤维内径 活性长度 封装长度 面积
(密耳) (密耳) (英尺) (英尺) (英尺2)
1 14.00 7.50 5.667 0.267 3752.4
计算的工艺参数 流编#进料#1 废料 #2 渗透流 #3F，百万标准立方英尺/天(60F)1 0.01178 0.9882压力，psia195.00 195.00 16.00温度，F108.00 108.00 108.00分子量4.66 27.63 4.39粘度，cp0.0208 0.0191 0.0207浓度，％摩尔氦气97.4600 5.0000 98.5619氮气1.3600 74.4417 0.4890氧气1.1800 20.5585 0.9490
2号流中氦气的回收百分数＝0.06
2号流中氮气的回收百分数＝64.47
2号流中氧气的回收百分数＝20.52
管道68开始回路C。气体以约100psig至约270psig，优选约155psig至约195psig，最优选约175psig的压力进入回路C，并根据应用的需要，由压缩机70进一步压缩至约270psig至约1130psig，优选约300psig至约1100psig。较高的压力将使CSF气室30中的喷嘴的速度较高。高压气体通过冷却器72和水分离器74，除去任何冷凝水。将水分离器放置在压缩机之后是因为水将首先在使气体温度保持恒定的较高压力下冷凝。为了除去更多的水，水分离器可以增设冷凝器以降低气体的温度。管道76将气体输送至接收器78，该接收器足够大以缓冲任何来自隔膜或活塞压气机的气流的脉冲。气体从接收器78中流入管道80并经过阀82，当操作者准备在CSF气室30中涂布零部件时，阀82开启。气体经调节阀86流入管道84中。调节阀86确保进入管道88的压力为所需的喷嘴压力。从此处来的气体进入CSF气室以便协助工件的涂布。氦气拾取粉末并将其加速以提供涂布所需的动能。如在表2中所讨论的那样，气体的技术规格要求将取决于其应用。
补充氦气来自氦气储存罐90，经管道92和阀96进入管道46。当通过压力表94测得的压力降至设定值以下时阀门96开启。
本发明也考虑将膜置于管道68内并将渗透流进料至压缩机20的吸入口。如果杂质连续从CSF气室30进入管道32，则将膜置于管道68内是理想的。当杂质连续进入管道32时，通过运送带或一些其他机械装置将零部件连续送入CSF气室30将是一个实施例。
当气体技术规格要求氦气中的杂质远低于2％时，可能任选需要变压吸附或低温吸附单元。管道98将引导来自管道68的一部分气体通过其中经变压吸附单元100。然后纯氦气将进入管道102并与管道68中的含杂质氦气混合。来自管道68和管道102的气体混合物将满足气体技术规格要求。调节阀104在管道68中产生所需的压降以迫使气体经过变压吸附单元100。随着气体纯度技术规格要求水平的提高，通过回路D的气体百分数也将增加。对于2ppm以下的技术规格要求而言，变压吸附单元或低温吸附单元将放置于管道68中。
如果在零部件准备好进行涂装工艺之前气室30使用抽真空来回收氦气并去除空气杂质，则对于高纯度氦气应用的情况而言可以取消回路B而保留回路D。如果将气室30抽真空，并且通过膜维持气体技术规格要求，则可以保留回路B。
如果CSF气室30采用抽真空，同时必须使氧气保持低水平，则氧化铜吸气剂可控制氧气。然后膜可使其它各种杂质维持在可以接受的水平。类似地，如果必须将氧气或其它化学物质控制在某一水平，如控制与涂层的反应，则可以使用吸气剂或催化氧化。其一个实施例是铝涂层上薄的氧化物层以使金属钝化。这种系统可以使用氢气和催化剂以便和部分或全部氧气反应。系统中的氢气可维持在某一水平，或可将具有一定氧气水平的氢气导入至系统内。然后在分离器74内可除去由氢气与氧气反应产生的水。
在上述回收系统中的流速是假设CSF气室中存在一个喷嘴的情况。然而，在具体的应用中一个气室可以具有几个喷嘴，每一个喷嘴均要求超过约100SCFM的氦气。对多喷嘴应用而言，气流将远远超出上述的范围。
本发明各种具体的特征示于一个或多个仅为方便起见而画出的附图中，每一个特征均可与本发明的其他特征结合。本领域的技术人员将会理解替代实施方案，而这些实施方案包括在本发明的范畴内。