迪凯机电—研究院所中科研氦的应用与回收之道
发布时间：
2024-08-12
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一、科研氦的广泛应用
低温学研究
氦气在低温学研究中扮演着关键角色。它拥有极低的沸点，液态氦在零下 269℃就会沸腾，这一特性使其成为实现极低温度的理想制冷介质。在日本质子加速器研究园区，每年消耗的氦-3 数量超过 10 万升，用于填充大型中子散放装置，推动相关研究。同时，低温物理学家正在研究液氦中的颗粒物质行为，期望开发出新的低温技术。
航空航天
在航空航天领域，氦气不可或缺。它能用于操纵各种气动阀门和部件，为火箭和飞行器的燃料箱增压，还能用于火箭发动机系统的清洗。此外，氦气可作为净化和更换气体，..液体推进剂加注系统的纯净。对于液氢低温阀门和某些处于液氢温度下工作的气动阀件，氦气更是..适用的选择。
半导体与光纤制造
在半导体和光纤制造中，氦气发挥着重要作用。它能实现零部件的快速冷却，提高生产效率，控制热传递速率，减少零部件缺陷。同时，氦气还可充当载运气体，..生产过程的顺利进行。核反应堆
核反应堆中，氦气是重要的冷却剂。其低中子吸收和高导热性的特点，能有效吸收核裂变反应产生的多余热量，提高核反应堆的性能。同时，氦气在维持反应堆温度、加强安全措施、减少废物产生、降低反应堆部件磨损等方面都有着显著贡献。二、科研氦的回收现状
变压吸附
变压吸附是一种常见的氦气回收技术。其原理是利用固体吸附剂对不同气体的吸附能力差异，当气体通过吸附床层时，部分气体被大量吸附，其余气体则大部分流出，从而实现气体的分离提纯。在氦气回收中，通过改变压力，实现吸附剂对氦气和其他气体的选择性吸附与解吸。变压吸附的优点在于操作相对简单，设备投资和运行成本较低。但它也存在一些缺点，如吸附剂需要定期再生，氦气的回收率相对不是特别高，且对于复杂的气体组分分离效果可能不够理想。膜分离
膜分离技术在氦气回收中应用广泛。其原理是依据不同气体分子的大小和形状差异，通过膜的选择性渗透作用，让氦气从混合气体中分离出来。膜分离技术的优点包括分离效率较高、操作简便、能耗低等。然而，膜分离技术也有不足之处，比如膜的寿命较短，易受污染和损坏，需要定期更换；膜的选择性有限，对于一些分子大小相近的气体分离效果欠佳；膜的成本较高，大规模应用时成本较高；对气体流量和压力的要求较为严格，需要..控制和调节。
其他方法
除了变压吸附和膜分离技术，还有低温分离法、吸附法等常见的氦气回收方法。低温分离法利用氦气的低温凝结特性，将混合气体通过低温处理，使氦气凝结成液体，然后分离出液态氦气。其优点是提纯效果好、效率高，但需要昂贵的低温冷却设备和复杂操作技术。吸附法利用吸附剂对氦气的选择性吸附和解吸来实现回收，优点是操作简单、设备成本低，缺点是吸附剂吸附容量有限，需频繁更换。总之，不同的氦气回收方法和技术各有优缺点，研究院所在选择时需要根据实际情况综合考虑，以实现..、经济和可持续的氦气回收。三、回收技术的创新与突破
新型吸附剂的研发
近年来，科研人员在氦气回收的新型吸附剂研发方面取得了显著进展。例如，金属有机框架材料（MOFs）因其具有高孔隙率和可调节的结构，在氦气吸附中展现出了优异的性能。与传统吸附剂相比，MOFs 能够提供更多的活性吸附位点，从而提高氦气的吸附容量。多孔性聚合物也是新兴的吸附剂之一，其独特的孔道结构和化学组成，能够实现对氦气的..选择性吸附。这些新型吸附剂的研发，大大提高了氦气回收的效率和纯度。吸附过程动力学的优化
在吸附过程动力学的优化方面，研究人员通过..控制温度、压力等操作参数，显著提高了吸附速率和吸附容量。同时，建立了更..的吸附过程动力学模型，深入探究了吸附剂性质与吸附效果之间的关系。例如，通过优化温度，使得吸附剂在特定温度下对氦气的亲和力增强，从而加快吸附速度。压力的合理调控也有助于增加吸附剂对氦气的吸附量。这些创新带来了显著的效率提升。新型吸附剂的应用使得氦气回收率提高了[X]%，而吸附过程动力学的优化则减少了回收所需的时间，降低了能耗，综合提高了氦气回收的经济效益和环境效益。未来，随着研究的不断深入，相信在新型吸附剂和吸附过程动力学优化方面还会有更多的突破，为氦气回收技术的发展注入新的活力。
四、成功案例与经验分享
国内成功案例
中国煤炭科工集团：成功研发..首套含氦煤气层提取高纯度氦气装置，在窑街煤电集团所属海石湾煤矿实现应用，产出纯度高达 99.999%以上的高纯氦气。其攻克了多组分煤层气变压吸附、脱碳浓缩、提氦一体化分离等关键技术，实现了从煤层气中提取氦气的重大突破。这一成果得益于科研人员的努力攻关，为我国氦气资源开发和利用提供了新途径。有研集团有研工研院：其“氦气回收提纯技术与装置”项目荣获 2020 年“创客中国”北京市中小企业创新创业大赛奖项。该项目开发了具有自主知识产权的模块化全自动氦气回收提纯及存储装置，氦气回收率高于 90%，用气成本节约至少 70%，并在兵器 211 所、北航、北科大等单位获得好评。国外成功案例
日本东京大学物性研究所：在面临“氦气荒”的情况下，其回收设备可对使用过的氦气进行 90%左右的回收。一方面开足马力进行氦气回收，另一方面与日本国内公司讨论回收可能性，以解决部分用气需求。林德工程和巴斯夫：联合开发了从天然气中回收高价值产品的新型工艺，包括氦气、液态烃和纯化的二氧化碳等。该工艺融合了多项关键技术，提高了氦气的提纯浓度和收率，同时产生了额外的价值流，具有较高的..率。这些成功案例展示了不同研究院所在氦气应用及回收方面的创新和努力，其经验和成果可为其他院所提供宝贵的借鉴，推动氦气领域的进一步发展。五、未来发展趋势与展望
未来可能出现的新技术
随着科技的不断进步，科研氦应用及回收领域有望出现更多创新技术。例如，基于人工智能和大数据的智能回收系统，能够实时监测和优化氦气回收过程，提高回收效率和精度。此外，新型的材料和吸附剂研发也将取得突破，进一步提升氦气的吸附和分离效果，降低回收成本。纳米材料的应用：纳米材料因其独特的物理和化学性质，在氦气回收领域展现出巨大潜力。例如，纳米碳管、纳米沸石等材料可能具有更高的氦气吸附能力和选择性。生物技术的融合：生物技术的发展可能为氦气回收带来新的思路，如利用生物酶或微生物来促进氦气的分离和提纯。新应用场景
量子计算：量子计算机的发展需要极低温环境，氦气的低温特性将为其提供关键的冷却支持。太空探索：随着太空探索的深入，氦气可能用于太空站的生命保障系统、航天器的推进系统等。能源存储：研究人员正在探索利用氦气在特定条件下的特性，开发新型的能源存储技术。对资源可持续利用的影响
未来科研氦应用及回收技术的发展，将对资源可持续利用产生积极影响。减少资源依赖：..的回收技术将减少对新开采氦气资源的依赖，延长现有氦气资源的使用年限。促进产业升级：推动相关产业向更加环保、..的方向发展，提高资源利用效率，降低对环境的压力。保障关键领域供应：..在医疗、科研等关键领域的稳定供应，支撑这些领域的持续创新和发展。
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