УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ ОТ ПРИМЕСЕЙ Российский патент 1994 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к криогенной технике и может эффективности применяться в химической промышленности, при проведении глубоководных работ, в медицине и других областях науки и техники при очистке гелийсодержащих газовых смесей от примесей, с целью выделения из них гелия.

Известна установка низкотемпературной очистки гелия от примесей, содержащая последовательно включенные рекуперативный теплообменник, змеевик-охладитель смеси и низкотемпературный адсорбер, помещенный в ванну с кипящим жидким азотом, которые теплоизолированы от окружающей среды с помощью сосуда Дьюара с порошково-вакуумной теплоизоляцией.

Недостатком этой установки является то, что она не обеспечивает очистку гелия при наличии в смеси значительного по объему количества примесей, а размещение рекуперативного теплообменника над низкотемпературным адсорбером в верхней части азотной ванны приводит к увеличению габаритов установки по высоте. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает эффективной рекуперации холода паров испарившегося азота, так как пары, движущиеся внутри сосуда Дьюара с низкой скоростью, омывают змеевики теплообменника, по которым движется как прямой, так и обратный потоки газа.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является установка для очистки неоно-гелиевой смеси от примесей, содержащая двухзаходный змеевиковый теплообменник, прямотрубный конденсатор (дефлегматор), сборник конденсата и низкотемпературный адсорбер, в которой адсорбер и нижняя часть прямотрубного конденсатора расположены в ванне жидкого азота, и позволяющая производить очистку неоно-гелиевой смеси от значительного по объему количества примесей.

Недостатком такой установки является то, что расположение сборника конденсата под нижней трубной решеткой дефлегматора снаружи азотной ванны, вызывает дополнительный теплоприток к этой части установки. Кроме того, холод паров испарившегося азота используется недостаточно эффективно, так как пары поднимаются вверх с низкой скоростью, омывая двухзаходный теплообменник, по трубкам которого движутся оба потока: прямой и обратный. Наличие прямотрубной конструкции конденсатора (дефлегматора) приводит к увеличению высоты установки, а принятая компоновка аппаратов внутри обечайки корпуса выполнена так, что в процессе эксплуатации, в случае замены адсорбента в адсорбере, требуется произвести достаточно сложную разборку установки с отсоединением обечайки корпуса, приваренной к нижней трубной решетке конденсатора (дефлегматора) и к крышке корпуса, с последующей разборкой адсорбера.

Цель изобретения - повышение компактности и эффективности установки, а также удобства ее эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой установке для очистки гелийсодержащих смесей от примесей, содержащей теплообменник, помещенные в ванну жидкого азота со съемной крышкой конденсатор и снабженный обечайкой адсорбер, сборник конденсата, согласно изображению, сборником конденсата является внутренняя полость адсорбера, образованная нижней частью его обечайки, конденсатор выполнен в виде змеевика, охватывающего наружную боковую поверхность адсорбера, а ванна жидкого азота является сердечником, на который навит теплообменник. Установка снабжена дроссельным вентилем, вход которого соединен со сборником конденсата, а выход - с паровым пространством ванны жидкого азота.

Использование нижней части адсорбера в качестве сборника конденсата, а обечайки адсорбера в качестве сердечника прямоточного конденсатора позволяет сделать эту часть установки достаточно компактной и тем самым уменьшить габариты азотной ванны, являющейся наиболее низкотемпературной частью установки, и снизить теплопритоки к ней извне, что приведет к снижению расхода жидкого азота.

Расположение трубок теплообменника на наружном кожухе ванны жидкого азота позволяет существенно уменьшить габариты установки по высоте, обеспечив отсутствие теплового контакта теплообменника с наиболее холодной внутренней частью установки.

Соединение выхода конденсата из дроссельного вентиля с паровым пространством азотной ванны обеспечивает эффективное использование конденсата для охлаждения адсорбера и смеси, поступающей на разделение. Парожидкостная смесь, выходящая из дроссельного вентиля, сепарируется в паровом пространстве азотной ванны, жидкая фаза стекает вниз, смешивается с жидким азотом и охлаждает адсорбер с прямоточным конденсатором, а паровая фаза смешивается с парами азота и поступает в трубки обратного потока теплообменника. Использование конденсата наряду с жидким азотом для охлаждения конденсатора и адсорбера приводит к снижению расхода жидкого азота, что позволяет повысить эффективность установки. Подача паровой фазы вместе с парами азота в теплообменник позволяет исключить в его конструкции отдельную секцию для подогрева конденсата.

Подвеска адсорбера вместе с навитым на него прямоточным конденсатором к крышке азотной ванны обеспечивает удобный доступ к аппаратам, расположенным в азотной ванне, так как при снятии крышки азотной ванны с фланца они вместе с крышкой извлекаются из внутреннего объема ванны, что обеспечивает, при необходимости, проведение замены адсорбента в адсорбере без демонтажа всей установки.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволило сделать вывод о его соответствии критерию "новизна". При изучении данной и смежной областей техники признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа, не были выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже изображена предлагаемая установка, общий вид.

Установка для очистки гелийсодерджащих смесей от примесей содержит витой противоточный теплообменник 1, размещенный на наружной обечайке 2 сосуда Дьюара 3, внутренняя полость которого является ванной 4 жидкого азота, в которой расположен конденсатор 5, навитый на обечайку адсорбера 6, в нижней части которого расположен сборник конденсата 7 с сепаратором 8. Адсорбер 6 подвешен на тяге 9, прикрепленной к крышке 10, установленной на фланце 11, на которой закреплен дроссельный вентиль 12 и через которую проходят трубопроводы 13 и 14. Снаружи теплообменник 1 закрыт теплоизоляцией 15 с кожухом 16.

Установка работает следующим образом.

Разделяемая смесь под давлением, содержащая гелий, азот и кислород, осушенная и очищенная от диоксида углерода и других высококипящих примесей в отдельном адсорбционном блоке (не показан), работающем при положительных температурах, поступает в трубки противоточного витого теплообменника 1, навитого на наружную обечайку 2 сосуда Дьюара 3. Охлажденная в теплообменнике 1 разделяемая смесь затем поступает в трубки прямоточного конденсатора 5, где дополнительно охлаждается жидким азотом и конденсатом, кипящими под вакуумом в азотной ванне 4. При охлаждении смеси в конденсаторе 5 значительная часть примесей конденсируется и образовавшаяся парожидкостная смесь подается в сборник конденсата 7.

В сборнике конденсата 7 жидкая фаза, состоящая в основном из кислорода и азота с небольшим количеством растворившегося гелия, отделяется от паровой фазы, которая поднимается вверх, проходит через сепаратор 8 и поступает в зону адсорбера, заполненную адсорбентом, который поглощает из паровой фазы остаточное количество примесей. Чистый гелий, выходящий из адсорбера 6, через патрубок 14 отводится в трубки теплообменника 1, где подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и подается в емкости, предназначенные для сбора чистого гелия.

Из сборника конденсата жидкая фаза поступает к дроссельному вентилю 12, пройдя который дросселируется в азотную ванну 4. Образовавшиеся при дросселировании пары, вместе с парами испарившегося в ванне азота, через патрубок 13 отводятся в теплообменник 1 для охлаждения потока разделяемой смеси.

Таким образом, предлагаемая установка по сравнению с прототипом имеет более компактную конструкцию, позволяет уменьшить потери холода в окружающую среду, что приводит к уменьшению расхода жидкого азота и соответственно к повышению ее эффективности. Она более удобна в эксплуатации, так как позволяет обеспечить достаточно быструю замену адсорбента в адсорбере и возможность доступа к отдельным элементам установки. (56) Головко Г. А. Криогенное производство инертных газов. , Л. L Машиностроение, 1983 г. , с. 314.

Использование: химическая промышленность, медицина, подготовка дыхательной смеси при глубоководных работах. Сущность изобретения: установка для очистки гелийсодержащих смесей от примесей содержит витой противоточный теплообменник 1, размещенный на наружной обечайке 2 сосуда Дьюара 3, внутренняя полость которого является ванной 4 жидкого азота, в которой расположен конденсатор 5, навитый на обечайку адсорбера 6, в нижней части которого расположен сборник конденсата 7 с сепаратором 8. Адсорбер 6 подвешен на тяге 9, прикрепленной к крышке 10, установленной на фланце 11, на которой закреплен дроссельный вентиль 12 и через которую проходят трубопроводы 13 и 14. Снаружи теплообменник 1 закрыт теплоизоляцией 15 с кожухом 16. Положительный эффект: компактность конструкции, уменьшение расхода жидкого азота за счет снижения потерь холода в окружающую среду, удобство эксплуатации. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ ОТ ПРИМЕСЕЙ, содержащая теплообменник, помещенные в ванну жидкого азота со съемной крышкой конденсатор и снабженный обечайкой адсорбер, сборник конденсата, отличающаяся тем, что, с целью повышения компактности и эффективности за счет снижения холодопотерь в окружающую среду, сборником конденсата является внутренняя полость адсорбера, образованная нижней частью его обечайки, при этом конденсатор выполнен в виде змеевика, охватывающего наружную боковую поверхность адсорбера, а ванна жидкого азота является сердечником, на который навит теплообменник. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дроссельным вентилем, вход в который соединен со сборником конденсата, а выход - с паровым пространством ванны жидкого азота. 3. Установка по пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что, с целью повышения удобства эксплуатации, адсорбер прикреплен к упомянутой съемной крышке ванны жидкого азота.