СПОСОБ ОЧИСТКИ КРИОАГЕНТА Российский патент 1997 года по МПК F25B30/02 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности, к способам очистки криоагентов от примесей, и может быть использовано в криогенных гелиевых и воздухоразделительных устройствах, а также в установках по переработке природного газа.

Известен способ очистки гелийсодержащих смесей от примесей, заключающийся в последовательном охлаждении смеси, конденсации примеси, отделение жидкой фракции примеси и вымораживании примеси, оставшейся в газовой фазе, в котором охлаждение смеси при конденсации и вымораживании примеси ведут объединенным потоком гелия, прошедшего очистку, и чистого гелия, подаваемого от источника холода [1]
Основным недостатком этого способа является то, что его можно использовать при очистке криоагента с небольшими количествами низкокипящих примесей (неон, водород) до 1^oC2% При большем содержании последних переохлаждение и переход примесей в твердое состояние может привести к быстрой забивке аппарата для вымораживания, а, соответственно, и к большему расходу чистого гелия, подаваемого от источника холода для компенсации потерь при частых отогревах и захолаживании аппаратов (в случае забивки).

Кроме того, в указанном способе не используется холод сконденсированной жидкой фракции примеси.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, выбранным нами за прототип, является способ очистки криоагента (гелия) от примесей (компонентов воздуха азота и кислорода) путем последовательного охлаждения криоагента, конденсации примеси, отделения жидкой фракции примеси и вымораживания примеси, оставшейся в газовой фазе. При этом для охлаждения криоагента, идущего на очистку (смеси), и конденсации примеси используется не только чистый криоагент, подаваемый от источника холода, но и отделенная жидкая фракция примеси.

Недостатком этого способа является относительно большое количество низкокипящей примеси, остающейся в газовой фазе после отделения жидкой фракции примеси, что влечет за собой большие размеры устройства для вымораживания примеси и малое время его непрерывной работы.

К не менее важному недостатку этого способа очистки следует отнести возможное переохлаждение отделенной жидкой фракции примеси чистым криоагентом, подаваемым от источника холода для охлаждения очищаемого криоагента и конденсации примеси, что, в свою очередь, может привести к переходу жидкой фракции примеси в твердое состояние и забивке устройства, что ограничивает время его работы.

Кроме того, в случае очистки вышеуказанным способом криоагента с содержанием нескольких примесей (смесь), отличающихся по температуре кипения, невозможно выделить компоненты примеси для их последующего использования.

Основной задачей изобретения является увеличение длительности процесса очистки, уменьшение расхода чистого криоагента, подаваемого от источника холода для охлаждения очищаемого криоагента (смеси), а также использование отдельных примесей как выходного продукта.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки криоагента, по крайней мере, от одной примеси, проводимом путем последовательного охлаждения очищаемого криоагента отделенной жидкой фракции примеси и чистым криоагентом, конденсация примеси, отделения жидкой фракции примеси и последующего вымораживания оставшейся примеси при охлаждении чистым криоагентом, охлаждение очищаемого криоагента отделенной жидкой фракции примеси ведут до температуры T=1,1^oC1,4T_о (T_о температура отделения жидкой фракции примеси), а после вымораживания примеси очищаемый криоагент фильтруют.

Для регулирования процесса отделения жидкую фракцию примеси частично байпасируют.

Для уменьшения расхода криоагента, подаваемого на охлаждение очищаемого криоагента, его адиабатически расширяют при температуре T>T_пл (температуры плавления отделенной жидкой фракции примеси).

Другим вариантом способа очистки криоагента предлагается способ, в котором очищаемый криоагент после отделения жидкой фракции примеси вторично охлаждают до температуры T=1,02^oC1,4 T_пл (температуры плавления примеси) с понижением давления, например, дросселированием, после чего сконденсированную жидкую фракцию примеси вторично отделяют, при этом первично отделенную жидкую фракцию примеси перед подачей на охлаждение очищаемого криоагента дросселируют и смешивают с потоком вторично отделенной жидкой фракции примеси, благодаря чему уменьшается нагрузка на теплообменник-вымораживатель и увеличивается время их непрерывной работы.

Для сокращения расхода чистого криоагента, отбираемого от постороннего источника холода, охлаждение очищаемого криоагента перед первым отделением жидкой фракции примеси ведут смешанным потоком чистого криоагента и холодного криоагента от источника после его байпасирования, причем температуры смешанного потока (T_см) поддерживается в диапазоне 1,4^oC2,1 T_пл (температуры плавления отделенной жидкой фракции примеси).

При необходимости выделения компонентов примесей из очищаемого криоагента для очистки от низкокипящего компонента в схему может быть введена дополнительная ступень очистки. В этом случае охлаждение очищаемого криоагента ведут смешанным потоком жидких фракций примеси, отделенных на разных температурных уровнях.

Для пояснения сущности предлагаемого способа очистки криоагента на фигурах 1-6 представлены схемы устройств для осуществления способа.

На фиг. 1 устройство для очистки криоагента от примеси; на фиг. 2 - устройство для очистки криоагента от примеси с байпасным вентилем на линии вывода жидкой фракции примеси; на фиг. 3 устройство для очистки криоагента от примеси с детандером; на фиг. 4 устройство для очистки криоагента от примеси с двумя отделителями жидкой фракции примеси; на фиг. 5 устройство для очистки криоагента от примеси с двумя отделителями жидкой фракции примеси и байпасным вентилем на линии криоагента от источника холода; на фиг. 6 устройство для очистки криоагента с двумя ступенями очистки от низкокипящей и высококипящей примеси.

Устройство для очистки криоагента (фиг. 1) состоит из теплообменника 1 для охлаждения криоагента, идущего на очистку, теплообменника-конденсатора 2 для охлаждения криоагента до состояния конденсации высококипящего компонента примеси, отделителя 3 жидкой сконденсированной фракции примеси и теплообменника-вымораживателя 4 для вымораживания примеси, оставшейся в газовой фазе, после которого установлен фильтр 5 для улавливания твердых кристаллов примеси.

На линии вывода жидкой фракции примеси установлен дроссельный вентиль 6.

Для удобства регулирования уровня жидкости и температуры в отделителе 3 жидкой фракции примеси на линии вывода жидкой фракции примеси может быть установлен байпасный вентиль 7 (фиг. 2).

В устройстве для очистки криоагента (фиг. 3) на потоке чистого криоагента от источника холода между теплообменниками 2 и 4 установлен детандер 8, служащий для обеспечения холодом процесса отделения жидкой фракции примеси.

Для уменьшения расхода чистого криоагента, подаваемого от источника холода, а также для более полного отделения примеси перед вымораживанием, в устройство для очистки криоагента (фиг. 4) дополнительно введены теплообменники 9,10, дроссель 11 и отделитель жидкой фракции примеси 12, служащее для охлаждения и отделения жидкой фракции примеси на более низком температурном уровне.

Вентиль 13 установлен на линии вывода низкой фракции примеси после второго отделителя 12 и служит для регулирования уровня жидкости в отделителе 12, а также смешения потоков жидких фракций после отделителей 3 и 12, подаваемых на охлаждение очищаемого криоагента на разных температурных уровнях.

Для регулирования температурного уровня криоагента, подаваемого в отделитель 3 жидкой фракции примеси (фиг. 5), введена обводная линия криоагента от источника холода через байпасный вентиль 14, минуя теплообменники 4, 10 и 9.

При необходимости выделения нескольких, в частности двух, компонентом примесей из очищаемого криоагента, которые значительно отличаются температурами кипения, для очистки от низкокипящего компонента в схему введена дополнительная ступень очистки 15 (фиг. 6), включающая все аппараты схемы, показанной на фиг. 1, или других вышеописанных вариантов.

Предлагаемый способ очистки криоагента осуществляется следующим образом.

Криоагент, поступающий на очистку (смесь), сначала охлаждается (фиг.1) в теплообменнике 1 потоком чистого криоагента от источника холода (или потоком выходящего очищенного криоагента) и потоком жидкой фракции примеси, отделенной в отделителе 3 и подаваемой через дроссельный вентиль 6, а затем в теплообменнике-конденсаторе 2 потоком чистого криоагента. В процессе охлаждения криоагента в теплообменниках 1 и 2, которое ведут до температуры (T), равной T= 1,1^oC1,4 T_o (T_o температура отделения жидкой фракции примеси), происходит конденсация примесей. Образующуюся парожидкостную смесь криоагента затем направляют в отделитель 3 для отделения жидкой фракции примеси. Отделенная жидкая фракция примеси направляется в теплообменник 1, а газовая фракция криоагента, пройдя теплообменник-вымораживатель 4, в котором происходит вымораживание оставшейся высококипящей примеси, направляется в фильтр 5, где задерживаются летящие в потоке кристаллы примеси.

Очищенный таким образом от одной (высококипящей) примеси криоагента идет или потребителю или на охлаждение очищаемого криоагента в цикл.

Регулирование процесса в отделителе 3 ведется дроссельный вентиль 6.

Для поддержания постоянными температурами отделения жидкой фракции примеси и уровня жидкости в отделителе 3 часть потока жидкой фракции примеси после отделителя 3 байпасируют с помощью вентиля 7 (фиг. 2).

При очистке криоагента с использованием устройства, показанного на фиг. 3, охлаждающий поток чистого криоагента перед теплообменником 2 адиабатически расширяют в детандере 8 при температуре T>T_пл (температуры плавления отделенной жидкой фракции примеси), что позволяет иметь более низкую температуру чистого криоагента на входе в теплообменник 2 и, как следствие, отвести большее количество тепла от криоагента в процессе конденсации примеси, а это, в свою очередь, ведет к уменьшению расхода чистого криоагента.

Для уменьшения расхода чистого криоагента от источника холода очистку криоагента можно вести с двукратным отделением жидкой фракции примеси (фиг. 4).

Очищаемый криоагент после отделения жидкой фракции примеси в отделителе 3 вторично охлаждают в теплобменнике 9 и дросселируют в дроссельном вентиле 11 с понижением давления, вновь охлаждают в теплообменнике 10 до температуры, составляющей 1,02 199>1,4 T_пл (температуры плавления примеси), после чего сконденсированную жидкую фракцию примеси вторично отделяют в отделителе 12.

Выбранный интервал температуры охлаждения очищаемого криоагента перед вторым отделением жидкой фракции примеси объясняется тем, что при T≥1,02 T_пл достигается допустимая концентрация примеси в очищаемом криоагенте, а при температуре T>1,4 T_пл концентрация примеси превышает допустимую величину, что может привести к увеличению нагрузки на теплообменник-вымораживатель и фильтр, а это, в свою очередь, ведет к увеличению размеров аппаратов или сокращению времени их непрерывной работы.

Вторично отделенную жидкую фракцию примеси дросселируют в вентиле 13 и направляют на охлаждение очищаемого криоагента в теплообменники 9 и 2, смешивают с потоком первично отделенной жидкой фракции примеси в отделителе 3 и вновь направляют на охлаждение очищаемого криоагента в теплообменник 1.

Газовая фракция очищаемого криоагента после отделителя 12 вновь охлаждается в теплообменнике-вымораживателе 4, смешивается с потоком чистого криоагента от источника холода, и, пройдя фильтр 5 очистки от кристаллов примеси, направляется в теплообменники 4, 10, 9, 2 и 1 для охлаждения очищаемого криоагента и далее потребителю.

Для стабилизации процесса отделения и поддержания постоянными температурами в отделях фаз охлаждение очищаемого криоагента перед первым отделителем 3 жидкой фракции примеси ведут смешанным потоком очищаемого криоагента и чистого криоагента от источника холода, байпасируемого с помощью вентиля 14 от основного потока чистого криоагента, подаваемого от источника холода в цикл. При этом температура смешанного потока перед теплообменником 2 поддерживается в диапазоне 1,4^oC2,1 T_пл (температуры плавления отделенной жидкой фракции примеси). Снижение температуры до T<1,4 T_пл приведет к увеличению нагрузки на теплообменники 1 и 2 и дополнительному расходу чистого криоагента, а при повышении температуры T>2,1 T_пл увеличивается нагрузка на теплообменники 9 и 10, что также приведет к дополнительному расходу чистого криоагента от внешнего источника холода.

Охлаждение криоагента, очищаемого с выделением нескольких компонентов примеси (например, азота и водорода) (фиг. 6), ведут смешанным потоком жидких фракций примесей, отделенных в ступенях на разных температурных уровнях (77 К и 20 К, соответственно). В данном случае водород отделяется в ступени 15, и жидкая водородная фракция, пройдя теплообменники 4 и 2 в качестве обратного охлаждающего потока, перед теплообменником 1 смешивается с потоком жидкой азотной фракции после отделителя 3.

Использование: в криогенной технике, в частности, в гелиевых и воздухоразделительных установках, а также в установках по переработке природного газа. Сущность изобретения: очистку криоагента проводят путем последовательного охлаждения очищаемого криоагента отдельной жидкой фракцией примесей и чистым криоагентом, конденсации примесей, отделения жидкой фракции примесей и последующего вымораживания оставшейся примеси при охлаждении чистым криоагентом. Охлаждение очищаемого криоагента отделенной жидкой фракцией примеси ведут до температуры, составляющей T=(1,1-1,4)Tо, где Tо - температура отделения жидкой фракции примеси. После вымораживания примеси очищенный криоагент фильтруют. В способе могут быть использованы: вторичное отделение жидкой фракции примеси на более низком температурном уровне, адиабатическое расширение или байпасирование чистого криоагента, подаваемого на охлаждение очищаемого криоагента, а также дополнительная ступень очистки при необходимости выделения компонентов примеси в виде выходного продукта. 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ очистки криоагента по меньшей мере от одной примеси путем последовательного охлаждения очищаемого криоагента отделенной жидкой фракцией примеси и чистым криоагентом, конденсации примеси, отделения жидкой фракции примеси и последующего вымораживания оставшейся примеси при охлаждении чистым криоагентом, отличающийся тем, что охлаждение очищаемого криоагента отделенной жидкой фракцией примеси ведут до температуры Т (1,1 1,4)Т_о, где Т_о температура отделения жидкой фракции примеси, а после вымораживания примеси очищенный криоагент фильтруют. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть отделенной жидкой фракции байпасируют. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что чистый криоагент перед подачей на охлаждение очищаемого криоагента адиабатически расширяют при температуре Т > Т_п л, где Т_п л температура плавления отделенной жидкой фракции примеси. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что очищаемый криоагент после отделения жидкой фракции примеси вторично охлаждают до температуры, равной Т (1,02 1,4) • Т_п л, где Т_п л температура плавления примеси, с понижением давления, например, дросселированием, после чего сконденсированную жидкую фракцию примеси вторично отделяют, при этом первично отделенную жидкую фракцию примеси перед подачей на охлаждение очищаемого криоагента дросселируют и смешивают с потоком вторично отделенной жидкой фракции примеси. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что охлаждение очищаемого криоагента перед первым отделением жидкой фракции примеси ведут смешанным потоком чистого криоагента и холодного криоагента от источника холода после его байпасирования, причем температура смешанного потока поддерживается в диапазоне Т_с м (1,4 2,1) • Т_п л, где Т_п л температура плавления отделенной жидкой фракции примеси. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение очищаемого криоагента ведут смешанным потоком жидких низкокипящей и высококипящей фракций примесей, отделенных на разных температурных уровнях.