УСТАНОВКА ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ КРИОГЕННЫХ ГАЗОВ Российский патент 1998 года по МПК F25B43/00 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в химической, электронной промышленности, а также в других областях науки и техники, где необходима глубокая очистка криптона, неона, гелия, водорода или смеси этих газов от микропримесей.

Известна установка для разделения и очистки криптоно-ксеноновой смеси, в которой очистка криптона осуществляется адсорбцией ксенона из криптоно-ксеноновой смеси при низких температурах, содержащая четыре последовательно включенных секции адсорбера, заполненных активированным углем, помещенных в ванну, в которой криостатирование осуществляется смесью спирта с жидким азотом.

Недостатком такой установки является сложность и низкая надежность конструкции адсорбера, вызванная необходимостью последовательного соединения четырех отдельных секций адсорбера, а также отсутствие рекуперации холода паров испаряющегося азота, что приводит к увеличению расхода жидкого азота, поступающего в установку.

Наиболее близким по технической сущности в заявляемой, выбранной в качестве прототипа является установка низкотемпературной очистки гелия от примесей, содержащая последовательно включенные рекуперативный теплообменник, змеевик-охладитель смеси и помещенный в ванну с кипящим жидким азотом низкотемпературный адсорбер, которые теплоизолированы от окружающей среды с помощью сосуда Дьюара с порошково-вакуумной теплоизоляцией.

Недостатком такой установки является размещение рекуперативного теплообменника над низкотемпературным адсорбером с большим диаметральным зазором по отношению к внутреннему диаметру сосуда Дьюара, в результате чего пары испаряющегося азота с низкой скоростью омывают змеевики рекуперативного теплообменника, что приводит к незначительной рекуперации холода паров азота и повышению расхода жидкого азота, поступающего в установку. Кроме того, необходимость увеличения высоты адсорбера для повышения степени очистки гелия, выполненного из одной секции, приводит к увеличению габаритов установки по высоте.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - разработать установку для очистки криогенных газов от микропримесей, отличающуюся повышенной компактностью и эффективностью.

Технический результат, на получение которого направлено заявленное устройство, заключается в обеспечении более полной рекуперации паров азота за счет повышения теплоотдачи от азота к разделяемой смеси введением дополнительной секции в рекуперативном теплообменнике и размещением его на верхней части обечайки адсорбера, при этом наружный диаметр теплообменника равен внутреннему диаметру ванны с жидким азотом в верхней части ванны. Более полная рекуперация холода паров азота повышает эффективность установки, т.к. сокращается расход жидкого азота, идущего на охлаждение разделяемой смеси и криостатирование адсорбера. Технический результат, на получение которого направлено заявляемое устройство, заключается также в большей компактности установки за счет снижения высоты адсорбера при очистке исходной смеси при низком давлении путем деления внутренней полости адсорбера вертикальной перегородкой на две сообщающиеся между собой полости, через которые последовательно проходит поток разделяемой смеси, или при очистке исходной смеси при высоком давлении адсорбер выполняется в трубчатом варианте в виде змеевика, навитого на общий с теплообменником сердечник.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке для глубокой очистки криогенных газов от микропримесей, содержащей последовательно соединенные рекуперативный теплообменник и адсорбер, помещенные в ванну с жидким азотом, согласно изобретению внутренняя полость адсорбера разделена на две сообщающиеся внизу зоны вертикальной перегородкой, а верхняя часть его обечайки служит сердечником, на который навит рекуперативный теплообменник с секцией для прохождения паров испаряющегося в ванне жидкого азота, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру ванны с жидким азотом по высоте навивки теплообменника.

Кроме того, достижению указанного технического результата способствует также то, что в заявляемом устройстве внутренняя полость сердечника теплообменника служит демпферным пространством на входе очищаемого потока газа а адсорбере.

Достижению указанного технического результата способствует также то, что адсорбер может быть выполнен в виде змеевика, навитого на общий с теплообменником сердечник.

Деление внутренней полости адсорбера при очистке исходной смеси низкого давления на две сообщающиеся внизу зоны вертикальной перегородкой делает адсорбер достаточно компактным аппаратам при увеличении высоты слоя адсорбента в два раза, что обеспечивает более высокую степень очистки исходной смеси от микропримесей. Верхняя часть обечайки адсорбера является сердечником, на который навиты трубки рекуперативного теплообменника и дополнительной азотной секции. Наличие азотной секции в рекуперативном теплообменнике позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи от исходной смеси к азоту, улучшив ее охлаждение, что в итоге несколько уменьшит затраты жидкого азота, расходуемого на охлаждение исходной смеси и криостатирование адсорбера. Внутренняя полость сердечника теплообменника используется в качестве демпферного пространства на входе исходной смеси в адсорбер и позволяет снизить скорость потока без увеличения сопротивления адсорбера и уменьшить интенсивность разрушения адсорбента.

В варианте установки, предназначенной для очистки криогенных газов от микропримесей, при очистке исходной смеси высокого давления адсорбер выполнен в виде змеевика, навитого на общий с теплообменником сердечник. Выполнение адсорбера в виде змеевика позволяет улучшить условия его криостатирования при одновременном увеличении высоты слоя адсорбера, что повышает эффективность процесса адсорбции и степень очистки газа. Кроме того, такая конструкции адсорбера обеспечивает высокую компактность установки.

На фиг. 1 изображена предлагаемая установка для очистки исходной смеси от микропримесей, работающая при низком давлении исходной смеси, на фиг. 2 - установка для очистки исходной смеси при подаче на очистку смеси под высоким давлением.

Установка низкого давления для глубокой очистки криогенных газов от микропримесей (фиг. 1) содержит противоточный теплообменник 1, адсорбер 2 с демпферным пространством 3, трубку 4 теплообменника для потока исходной смеси, адсорбент 5, отделенный от демпферного пространства 3, решеткой 6. Адсорбер 5 помещен в ванну жидкого азота 7 и разделен на две сообщающиеся внизу зоны вертикальной перегородкой 8. Теплообменник из спаянных между собой трубок, кроме трубки 4 для исходной смеси, включает в себя трубку 9 для чистого газа и трубку 10 для отвода паров испарившегося азота. Через крышку 12, установленную на фланце 11, проходят трубопроводы 13, 14 и 15. Через штуцер 15 адсорбера 2 производится загрузка (выгрузка) адсорбента 6. Снаружи ванна 7 жидкого азота закрыта теплоизоляцией 17 и наружным кожухом 18.

Установка низкого давления работает следующим образом.

Очищаемый газ с микропримесями других газов, подлежащих удалению, подается под низким давлением через трубопровод 13 в теплообменник 1, в котором он охлаждается, проходя через трубку 4, и поступает в демпферное пространство 3 адсорбера 2. При входе в демпферное пространство скорость очищаемого газа снижается и он, пройдя через решетку 6, последовательно проходит обе, разделенные перегородкой 8 зоны адсорбера 2, которые заполнены адсорбентом 5, поглощающим примеси из очищаемого газа. Чистый газ из адсорбера 2 поступает в трубку 9 теплообменника 1, где подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и через трубопровод 14 выводится из установки.

Подаваемый в ванну 7 жидкий азот кипит, охлаждая адсорбент 5 в адсорбере 2, и образовавшиеся пары поступают в трубку 9 теплообменника 1, пройдя который выбрасываются через трубопровод 15 в атмосферу.

Установка высокого давления для глубокой очистки криогенных газов от микропримесей (фиг. 2) содержит навитый на общий сердечник 1 противоточный теплообменник 2 и параллельно подключенный к нему через трубопроводы 3 и 4 адсорбер 5, заполненный адсорбентом 6. Адсорбер 5 помещен в ванну 7, заполненную жидким азотом. Трубка 8, являющаяся азотной секцией теплообменника 1, служит для отвода из ванны 7 паров испаряющегося азота. Сердечник 1 прикреплен к крышке 10, установленной на фланце 9, через которую проходят трубопроводы 11 - 13. В нижнюю часть адсорбера вварен штуцер 14 для загрузки (выгрузки) адсорбента 6. Снаружи ванна 7 жидкого азота закрыта теплоизоляцией 15 с наружным кожухом 16.

Установка высокого давления работает следующим образом.

Очищаемый газ, содержащий микропримеси других газов, под давлением подается через трубопровод 11 в теплообменник 1, где охлаждается и затем через трубопровод 3 поступает в адсорбер 5, заполненный адсорбентом 6. В адсорбере 5 из очищаемого газа поглощаются адсорбентом 6 микропримеси и очищенный газ из адсорбера через трубопровод 4 поступает в теплообменник 1, где подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и выводится из установки через трубопровод 12.

Ванна 7 заполнена жидким азотом, из которой пары азота через трубку 8 поступают в азотную секцию теплообменника и после рекуперации холода выбрасываются через трубопровод 13 в атмосферу.

Изобретение относится к криогенной технике. В установке глубокой очистки криогенных газов от микропримесей последовательно соединенные рекуперативный теплообменник 1 и адсорбер 2 размещены в ванне 7 с жидким азотом. Внутренняя полость адсорбера 2 разделена на две сообщающиеся внизу зоны вертикальной перегородкой 3. Верхняя часть адсорбера выполнена в виде сердечника теплообменника 1. На сердечник навиты трубки 3, 9, 10 соответственно прямого и обратного потоков, а также для отвода паров испаряющегося из ванны 7 азота. Внутренняя полость 3 сердечника теплообменника 1 используется в качестве демпфера на входе очищаемой смеси, что снижает интенсивность разрушения адсорбента 5. Адсорбер может быть выполнен в виде змеевика, навитого на общий сердечник.2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для глубокой очистки криогенных газов от микропримесей, содержащая последовательно соединенные рекуперативный теплообменник и адсорбер, помещенные в ванну с жидким азотом, отличающаяся тем, что внутренняя полость адсорбера разделена на две сообщающиеся внизу зоны вертикальной перегородкой, а верхняя часть его обечайки служит сердечником, на который навит рекуперативный теплообменник с секцией для прохождения паров испаряющегося в ванне жидкого азота, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру ванны с жидким азотом по высоте навивки теплообменника. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя полость сердечника теплообменника служит демпферным пространством на входе очищаемого потока газа в адсорбер. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что при очистке криогенных газов высокого давления адсорбер выполнен в виде змеевика, навитого на общий с теплообменником сердечник.