УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ИНЕРТНОГО ГАЗА Российский патент 1998 года по МПК B01D53/04 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки инертного газа (например, криптона, ксенона, аргона и др.) от газообразных примесей, таких как азот, кислород, водород, углекислый газ, углеводороды и т.д. путем поглощения последних твердым поглотителем (губчатым титаном или другим геттером) и может быть использовано в химической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, где получают чистые инертные газы для применения в медицине, светотехнике, ядерной физике и т.п.

Известно устройство для очистки инертного газа от примесей, снабженное технологическими патрубками и холодильником, содержащее вертикальный теплоизолированный корпус с крышкой и днищем, в котором установлен нагреватель и внутренняя цилиндрическая реторта (емкость) с перфорированным дном, заполненная твердым поглотителем. Днище корпуса размещено на стояках с возможностью перемещения. Устройство снабжено перевернутым конусом, основание которого соединено с перфорированным дном реторты, а вершина с патрубком ввода газа. Температурный режим в устройстве контролируется с помощью термопар (см. авт. св. СССР N 867402, кл. B 01 D 53/00, заявл. 17.02.76, опубл. 30.09.81 г).

Недостатком известного устройства является неравномерность распределения температуры в слое поглотителя, обуславливающая неэффективность очистки и значительные энергозатраты.

Кроме того, отсутствие крышки на реторте вызывает загрязнение очищенного газа газообразными компонентами, сорбированными пористой керамикой теплоизоляции корпуса, что усугубляет неэффективность очистки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является устройство для очистки инертного газа, снабженное технологическими патрубками (патрубками ввода и вывода газа) и теплообменником (противоточным, типа "труба в трубе"), включающее теплоизолированный корпус со съемными крышкой и днищем, в котором установлен нагреватель и внутренняя цилиндрическая реторта (емкость) с перфорированным дном, заполненная твердым поглотителем. Устройство снабжено конической распределительной камерой, соединенной с технологическими патрубками. В емкости имеются горизонтальная и цилиндрическая перегородки. Разогрев нагревателя и твердого поглотителя контролируют термопарами (см. авт.св. СССР N 1049089, кл. B 01 D 53/04, заявл. 11.06.82, опубл. 23.10.83 г).

Описанное устройство позволяет снизить градиент температурных полей поглотителя (неравномерность распределения температуры), снизить энергозатраты и повысить глубину очистки инертного газа (неона или аргона) от кислорода и азота.

Однако известное устройство не позволяет получать особо чистый инертный газ из-за возможности загрязнения очищаемого газа через отверстия для ввода термопар, при этом происходит утечка ценного газа.

Кроме того, глубокая очистка инертных газов проблематична вследствие короткого пути движения газа в известном устройстве, недостаточного прогрева очищаемого газа перед входом в реторту (отсутствие любого контакта очищаемого газа с нагревателем) и наличия некоторой неравномерности температурных полей поглотителя (в центральной и периферийной зонах).

К недостаткам известного устройства относятся и значительные энергозатраты, обусловленные использованием теплообменника типа "труба в трубе" для подогрева исходного газа (охлаждения очищенного газа), теплообмен в котором неэффективен.

Кроме того, имеет место сложный опосредованный теплообмен между нагревателем и очищаемым газом через слой инертного газа, стенку реторты и слой поглотителя.

Также известное устройство не применимо для очистки особо ценных инертных газов, таких как криптон и ксенон, вследствие необходимости заполнения ими пространства между ретортой и нагревателем для создания теплопередающей среды.

Задачей настоящего изобретения является повышение глубины очистки инертного газа и снижение энергозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для очистки инертного газа, снабженном технологическими патрубками и теплообменником, включающем теплоизолированный корпус со съемными крышкой и днищем, в котором установлен нагреватель и внутренняя цилиндрическая реторта с перфорированным дном, заполненная твердым поглотителем, согласно изобретению, внутренняя реторта размещена коаксиально в наружной реторте с образованием кольцевого зазора для прохождения очищаемого газа и в нижней половине заполнена чередующимися слоями твердого поглотителя с насадкой и без нее; нагреватель установлен на внешней поверхности наружной реторты и помещен в кожух; теплообменник смонтирован в верхней половине внутренней реторты и представляет собой экранный теплоизолятор с полированными по ходу движения газа тарелками; технологические патрубки расположены на выступающей над крышкой корпуса поверхности наружной реторты.

Насадка представляет собой левую и правую спираль из металлической ленты, в щелевые зазоры которой засыпан поглотитель.

Следует отметить, что известно устройство для очистки газа, включающее охлаждаемый корпус со спиральной насадкой из металлической амальгированной ленты, наружный виток которой соединен с внутренней поверхностью корпуса, а внутренний с наружной поверхностью выводной трубки (см. авт.св. СССР N 959808, кл. B 01 D 53/04, заявл. 03.11.80, опубл. 23.09.82 г).

Заявляемое устройство содержит сходный признак спиральную насадку. Однако известное устройство предназначено для решения иной задачи, чем заявляемое изобретение, криогенной очистки газов, а спиральная насадка служит для развития поверхности теплообмена в потоке газа.

Следовательно, анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники и соответствует критерию "новизна".

Сущность заявляемого изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность изготовления предлагаемого устройства для очистки инертного газа на предприятиях машиностроения (приборостроения) из серийно выпускаемых конструктивных элементов и материалов позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "промышленная применимость".

На чертеже схематично изображено заявляемое устройство для очистки инертного газа.

Обозначения на чертеже:
1 технологические патрубки;
2 теплообменник;
3 корпус;
4 теплоизоляция корпуса;
5 съемная крышка корпуса;
6 съемное днище корпуса;
7 нагреватель;
8 внутренняя реторта;
9 перфорированное дно внутренней реторты;
10 твердый поглотитель;
11 наружная реторта;
12 насадка;
13 кожух нагревателя;
14 тарелки теплообменника.

Предлагаемое устройство для очистки инертного газа включает стальной цилиндрический корпус 3 (высота 1500 мм, диаметр 500 мм), теплоизоляция 4 которого выполнена из каолиновой ваты. Крышка 5 и днище 6 укреплены на корпусе 3 с помощью фланцевых разъемов (на чертеже не показаны).

Кожух 13 нагревателя 7 металлический, закреплен с помощью тяг на крышке корпуса и может быть заполнен инертным газом (аргоном) с целью исключения окисления кабеля.

Внутренняя цилиндрическая реторта 8 размещена коаксиально в наружной реторте 11, выполненной из жаростойкой стали. Обе реторты укреплены с помощью болтовых соединений (на чертеже не показаны).

Нагреватель 7 спиральная намотка из жаростойкого нагревательного кабеля установлен на внешней поверхности наружной реторты 11.

Твердый поглотитель 10 губчатый титан (или другой геттер) засыпан чередующимися слоями в нижней половине внутренней реторты 8. Слои представляют собой:
твердый поглотитель 10;
слой с насадкой 12 правая или левая спираль из стальной металлической ленты, высотой 100 мм, в щелевые зазоры которой засыпан поглотитель 10.

Теплообменник 2 смонтирован в верхней половине реторты 8 и представляет собой экранный теплоизолятор из стали с полированными по ходу движения газа тарелками 14 в количестве 30 штук. Тарелки 14 отделены друг от друга стержнями (на чертеже не показаны) и установлены таким образом, что одна тарелка касается стенки корпуса и имеет отверстие в центре, другая установлена с зазором по отношению к корпусу.

Технологические патрубки 1 расположены на внешней поверхности наружной реторты 11, выступающей над крышкой 5 корпуса 3.

Заявляемое устройство для очистки инертного газа работает следующим образом.

Предварительно осуществляют подготовку устройства к работе путем последовательного вакуумирования внутренней реторты 8 и активации поглотителя 10. Затем подают напряжение на нагреватель 7, осуществляя разогрев поглотителя до температуры процесса хемосорбции азота 850^oC (для других примесей разогрев ведется до их температуры хемосорбции). Контролируют нагрев при помощи термопар, которые установлены в 3-х контрольных точках: в верхней и нижней части поглотителя 10 и в верхней части нагревателя 7. Термопары в поглотителе установлены в герметично приваренных к корпусу реторты 8 патронах.

После достижения заданной температуры хемосорбции очищаемый газ (ксенон с содержанием примесей азота, воды, водорода, метана и других углеводородов
1,5 2% об.) по трубопроводу через технологический патрубок 1 для ввода газа поступает в кольцевой зазор между внутренней 8 и наружной 11 ретортами. Проходя по зазору, очищаемый газ нагревается:
в области экранного теплоизолятора через стенку реторты 8 теплом очищенного газа;
в области нагревателя 7 через стенку наружной реторты 11.

Нагретый до рабочей температуры газ через перфорированное дно 9 поступает в чередующиеся слои поглотителя 10 и насадки 12 с поглотителем.

Предложенная конструкция обеспечивает высокую эффективность процесса хемосорбции за счет исключения каналообразования в объеме поглотителя и равномерного распределения газа в геттере. При прохождении газа через поглотитель происходит его очистка до 0,0001 0,00005% об. азота в зависимости от требований потребителя. После выхода очищенного газа из зоны поглотителя он поступает в теплообменник, где, проходя между полированными по ходу его движения тарелками 14, охлаждается до 100^oC, за счет отдачи тепла через стенку реторты 8 вновь поступившей порции газа. Охлажденный газ через технологический патрубок 1 вывода газа покидает устройство.

Использование заявляемого изобретения для очистки инертного газа по сравнению с известным устройством, взятым за прототип (см. авт.св. СССР N 1049089, кл. B 01 D 53/04, заявл. 11.06.82, опубл. 23.10.83 г), обеспечивает следующие технические и общественно полезные преимущества:
повышение глубины очистки инертного газа до 0,5 • 10^-4 1 • 10^-4% об. вместо (4 6) • 10^-4% об.

снижение энергозатрат;
возможность очистки особо ценных инертных газов, таких как криптон и ксенон;
исключение потерь продуктового газа;
простоту ремонта, эксплуатации и обслуживания;
уменьшение габаритов;
обеспечение экологической безопасности работы устройства.

Использование: для очистки инертного газа (криптона, ксенона, аргона и др.) от газообразных примесей, таких как азот, кислород, водород, углекислый газ и т.д., путем поглощения последних твердым поглотителем (губчатым титаном или другим геттером) в химической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство включает теплоизолированный корпус со съемными крышкой и днищем, в котором установлена внутренняя цилиндрическая реторта с перфорированным дном, размещенная коаксиально в наружной реторте с образованием кольцевого зазора для прохождения очищаемого газа и в нижней половине заполненная чередующимися слоями твердого поглотителя с насадкой и без нее. Насадка представляет собой левую или правую спираль из металлической ленты, в щелевые зазоры которой засыпан поглотитель. Внутри корпуса на внешней поверхности наружной реторты размещен нагреватель в собственном кожухе. Корпус снабжен теплообменником, который смонтирован в верхней половине внутренней реторты и представляет собой экранный теплоизолятор с полированными по ходу движения газа тарелками. Корпус имеет технологические патрубки, которые расположены на выступающей над крышкой корпуса поверхности наружной реторты. Технический результат: повышение глубины очистки инертного газа до 0,5 • 10^-4 - 1 • 10^-4% об.; снижение энергозатрат; возможность очистки особо ценных инертных газов; исключение потерь продуктового газа; простота ремонта, эксплуатации и обслуживания; уменьшение габаритов; обеспечение экологической безопасности работы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для очистки инертного газа, снабженное технологическими патрубками и теплообменником, включающее теплоизолированный корпус со съемными крышкой и днищем, в котором установлен нагреватель и внутренняя цилиндрическая реторта с перфорированным дном, заполненная твердым поглотителем, отличающееся тем, что внутренняя реторта размещена коаксиально в наружной реторте с образованием кольцевого зазора для прохождения очищаемого газа и в нижней половине заполнена чередующимися слоями твердого поглотителя с насадкой и без нее, нагреватель установлен на внешней поверхности наружной реторты и помещен в кожух, теплообменник смонтирован в верхней половине внутренней реторты и представляет собой экранный теплоизолятор с полированными по ходу движения газа тарелками, технологические патрубки расположены на выступающей над крышкой корпуса поверхности наружной реторты. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что насадка представляет собой левую или правую спираль из металлической ленты, в щелевые зазоры которой засыпан поглотитель.