МЕТОД НАПОЛНЕНИЯ СОСУДОВ МАЛЫХ ОБЪЕМОВ ОСОБО ЧИСТЫМ АЗОТОМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С КОНТРОЛЕМ ВЛАЖНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК F17C5/06 

Изобретение имеет общепромышленное значение и найдет применение, например, при зарядке баллонов особо чистым сухим азотом с избыточным давлением до 100 МПа (1000 кгс/см²) и нормой влажности по точке росы не выше минус 110°С. Качество заправляемого газа обеспечивается 100% аналитическим контролем на всех этапах.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является патент ЕР 0823584, F17C 5/06, 1998.02.11 «Способ и оборудование для заправки газом», включающий заправку азота в сосуд высокого давления (ВД) посредством соединения конца подающего газ трубопровода с заправочным трубопроводом в сквозном очищенном отсеке.

В состав установки для заправки азотом ВД входят:

- первый чистый отсек, где хранится и подсоединяется к заправляемым баллонам заправочный трубопровод и устройство его очистки консервирующим особо чистым газом [1].

- второй чистый отсек, имеющий сквозное открывающееся и закрывающееся отверстие для подсоединения заправочного трубопровода к подающему трубопроводу, а также для его очищения консервирующим газом.

Недостатками данного способа и устройства являются:

- сложность конструкции и большие материальные затраты,

- сложная и длинная система трубопроводов,

- отсутствие контроля влажности заправляемого газа.

Целью изобретения является: уменьшение энергозатрат при заправке сосудов ВД чистым сухим азотом, снижение стоимости работ и получение гарантируемой нормы влажности и давления газа в заправленном сосуде.

Указанная цель достигается осушкой исходного сырья (азот газообразный ГОСТ 9293-74) до нормы влажности не выше минус 110°С по точке росы и повышение давления чистого глубоко осушенного газа до 100 МПа (1000 кгс/см²) с помощью криокомпрессора проточного типа, принцип работы которого основан на использовании физических свойств азота [3, 4].

Предлагаемый метод наполнения сосудов особо чистым азотом высокого давления (ВД), включает заправку особо чистого газообразного азота в сосуд ВД и отличается тем, что исходный материал, газообразный азот, осушают до требуемой нормы влажности по точке росы на установке глубокой осушки. Далее производят продувку газопроводного тракта установки для повышения давления осушенным азотом до достижения требуемой нормы влажности. Внутреннюю полость заправляемого сосуда перед наполнением подвергают многократному "набору-сбросу" давления ("полосканию") системой электромагнитных клапанов установки для повышения давления до достижения требуемой нормы влажности и повышают давление осушенного газа криокомпрессором до получения необходимого давления глубоко осушенного газообразного азота в заправляемом сосуде с гарантируемой нормой влажности по точке росы.

Устройство для осуществления способа наполнения сосудов особо чистым азотом ВД отличается тем, что оно включает в себя установку глубокой осушки азота, установку для повышения давления глубоко осушенного азота и защищенное заправочное устройство. Для получения особо чистого сухого азота ВД с гарантируемой нормой влажности и давления используется установка для повышения давления, состоящая из криокомпрессора проточного типа, с рассчитанным герметичным объемом на требуемое давление при однократном отеплении, сосуда Дьюара с жидким азотом для конденсации осушенного азота, системы электромагнитных клапанов, предназначенных для осушки внутренней полости заправляемого сосуда, высокоточных манометров, запорной арматуры, гигрометра, регулятора давления, расходомера азота и предохранительных клапанов. Заправка сосуда ВД особо чистым газообразным азотом осуществляется в защищенном заправочном устройстве, включающем в себя заправочный штуцер и устройство для охлаждения сосуда ВД с трубопроводом.

На чертеже изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа заправки. Устройство состоит из источников исходного сырья 1 и 2 (азот газообразный ГОСТ 9293-74 в стандартных баллонах емкостью 40 л с давлением газа 15 МПа (150 кгс/см²)), запорных вентилей 3 и 4, необходимых для замены использованных баллонов без прекращения процесса осушки, редуктора ВД 7 с манометрами 5 и 6, установки глубокой осушки 8, установки для повышения давления глубоко осушенного азота 28 и защищенного заправочного устройства 46.

Основными элементами установки глубокой осушки 8 являются: адсорбционные аппараты 14 и 15 полочного типа, запорная и регулирующая аппаратура 9, 10, 11, 12, 22, 23, 24, 25, термостаты 16 и 17, измерители-регуляторы 18 и 19, манометры 20 и 21, ротаметр 13, фильтр финишной очистки от механических примесей 26 и гигрометр 27 [5].

Основными элементами установки для повышения давления глубоко осушенного азота 28 являются: криокомпрессор проточного типа 36 с рассчитанным герметичным объемом на требуемое давление при однократном отеплении, сосуд Дьюара 37 (термос), запорная арматура 31, 33, 34, 38, 40, 41 и 43, предохранительные клапаны 29, 30 и 32, манометры 35 и 39, регулятор давления 44, ротаметр 45 и гигрометр 42.

Защищенное заправочное устройство 46 состоит из заправочного штуцера 47 и устройства для охлаждения сосуда 48 с трубопроводом 50.

Реализация метода заправки осуществляется следующим образом.

Открывают вентиль 3 и редуктором 7 по манометру 6 устанавливают давление осушаемого газа 1,0 МПа (10,0 кгс/см²). Открывают вентиль 9 или 10 и газ давлением 1,0 МПа (10,0 кгс/см²), которое контролируется по манометру 20 или 21, направляют на глубокую осушку в один из подготовленных адсорбционных аппаратов 14 или 15. Переключение вентилями 9, 10, 23 и 24. Осушку производят при рабочем давлении газа в адсорбционном аппарате 1,0 МПа (10,0 кгс/см²), а регенерацию - под давлением, близким к атмосферному и температуре (350-360)°С. Газ на регенерацию подают через вентиль 22 и отводят на сброс, при этом расход газа контролируют по, ротаметру 13, температуру нагрева термостатов задают и контролируют измерителями-регуляторами 18 и 19.

Осушенный и очищенный азот подают из установки через вентиль 25 и фильтр финишной очистки 26, при этом поток проходит через измерительную камеру гигрометра 27. Таким образом азот осушают до достижения требуемой нормы влажности по точке росы [5].

Перед заправкой внутреннюю полость сосуда 49 тщательно очищают многократной промывкой спиртом и продувают чистым сухим азотом. Затем устанавливают в защищенное заправочное устройство 46 и закрепляют заправочный штуцер 47. На охлаждающее устройство 48 подают охлаждающий газ (воздух) по трубопроводу 50 на стенки сосуда 49 для предотвращения его нагрева во время заправки азотом ВД.

Осушенный азот с давлением 1,0 МПа (10 кгс/см²), которое контролируют по манометру 35, через клапан 33 и вентиль 34 подают в объем криокомпрессора 36. Открывают вентиль 41 и регулятором давления 44 устанавливают расход азота для продувки тракта по ротаметру 45. Поток газа проходит через измерительную камеру гигрометра 42. С целью поддержания датчика гигрометра 42, находящегося в измерительной камере в "сухом" состоянии, предусмотрена обводная линия подачи сухого азота через вентиль 43 [6]. Далее производят осушку внутренней полости заполняемого сосуда 49 через вентиль 38 методом "полоскания" с помощью системы электромагнитных клапанов 33 и 31, которые позволяют проводить операции набора - сброса давления переключением одного тумблера.

После осушки внутренней полости сосуда 49 закрывают вентили 38 и 43 и помещают объем криокомпрессора 36 в сосуд Дьюара 37 с жидким азотом для конденсации осушенного азота.

После осушки внутренней полости сосуда 49 закрывают вентили 38 и 43 и помещают объем криокомпрессора 36 в сосуд Дьюара 37 с жидким азотом для конденсации осушенного азота.

По окончании процесса конденсации, что определяется прекращением интенсивного кипения жидкого азота, перекрывают вентиль ВЗ и клапан 33, сосуд Дьюара снимают и отогревают криокомпрессор 36 до положительных температур вентилятором. При этом наблюдают за ростом давления по манометру 39. Предохранительные клапаны 29 и 32 предназначены для предотвращения завышения давления более 1,5 МПа (15 кгс/см²), а клапан 30 - более 40 МПа (400 кгс/см²).

По достижении требуемого давления в криокомпрессоре 36 плавно открывают вентиль В2 и заполняют сосуд 49 чистым сухим азотом высокого давления. Производят герметизацию сосуда 49 заправочным штуцером 47 и сбрасывают давление в криокомпрессоре 36 вентилем 40 до нуля.

Литература

1. Патент ЕР 0823584, F17C 5/06, от 1998.02.11.

2. А.К.Михайлов, В.П.Ворошилов. Компрессорные машины. - М.: Энергоиздат, 1989.

3. Р.Хэфер. Криовакуумная техника. - М.: Энергоиздат, 1983.

4. Журнал "Новые промышленные технологии", 2/2006 г., с.19, ЦНИИЛОТ, Управление промышленности ядерных боеприпасов.

5. Установка глубокой осушки азота "УГОА-2,5/10". Руководство по эксплуатации КД 04-032102 ООЗРЭ. - М.: НТА "Наука", 2003.

6. Гигрометр "ИВА-9". Руководство по эксплуатации КД 4-02.010 РЭ. - М.: НТА "Наука", 2003.

Изобретение относится к криогенной области и может использоваться для обеспечения промышленных и исследовательских установок особо чистым сухим азотом высокого давления (ВД) с гарантируемой нормой влажности. В предложенном способе наполнения сосудов исходный материал осушают до требуемой нормы влажности по точке росы на установке глубокой осушки, производят продувку газопроводного тракта криокомпрессора осушенным азотом до достижения требуемой нормы влажности, внутреннюю полость заправляемого сосуда перед наполнением подвергают многократному "набору-сбросу" давления ("полосканию") системой электромагнитных клапанов, повышают давление осушенного газа в криокомпрессоре и получают необходимое давление в заправляемом сосуде глубоко осушенного газообразного азота с гарантируемой нормой влажности по точке росы. Устройство для осуществления способа наполнения сосудов малых объемов особо чистым азотом высокого давления содержит сосуд ВД, установку глубокой осушки, криокомпрессор проточного типа и защищенное заправочное устройство. Криокомпрессор состоит из рассчитанного герметичного объема на требуемое давление при однократном отеплении, сосуда Дьюара с жидким азотом для конденсации осушенного азота, системы электромагнитных клапанов, предназначенных для осушки внутренней полости заправляемого сосуда, высокоточных манометров, запорной аппаратуры, расходомера азота и предохранительных клапанов. Использование изобретения позволит снизить стоимость работ и уменьшить энергозатраты. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ наполнения сосудов особо чистым азотом высокого давления (ВД), включающий заправку азота в сосуд ВД, отличающийся тем, что исходный материал осушают до требуемой нормы влажности по точке росы на установке глубокой осушки, производят продувку газопроводного тракта установки для повышения давления осушенным азотом до достижения требуемой нормы влажности, внутреннюю полость заправляемого сосуда перед наполнением подвергают многократному "набору-сбросу" давления ("полосканию") системой электромагнитных клапанов, повышают давление осушенного газа в криокомпрессоре и получают необходимое давление в заправляемом сосуде глубоко осушенного газообразного азота с гарантируемой нормой влажности по точке росы.2. Устройство для осуществления способа наполнения сосудов особо чистым азотом высокого давления, отличающееся тем, что оно снабжено установкой глубокой осушки, установкой для повышения давления глубоко осушенного азота и защищенным заправочным устройством, причем для получения особо чистого сухого азота ВД с гарантируемой нормой влажности и давления используют установку для повышения давления, включающую в себя: криокомпрессор проточного типа, с рассчитанным герметичным объемом на требуемое давление при однократном отеплении, сосуд Дъюара с жидким азотом для конденсации осушенного азота, систему электромагнитных клапанов, предназначенных для осушки внутренней полости заправляемого сосуда, высокоточные манометры, запорную аппаратуру, гигрометр, регулятор давления, расходомер азота и предохранительные клапаны.