СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТНОЙ ПАСТЫ Российский патент 2009 года по МПК C01B21/04 B01J3/00 F25J1/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения суспензии жидкого азота и частиц твердого азота, т.е. азотной пасты.

Уровень техники

Жидкий азот используют в качестве негорючего и портативного источника холода в различных производствах. Кроме того, низкотемпературный твердый азот плохо передает тепло при охлаждении твердой поверхности. Кроме того, азот не может быть использован в качестве текучей среды и, следовательно, его использование ограничено.

Недавно был открыт и применен на практике высокотемпературный сверхпроводящий материал. В результате появилась сверхпроводящая система, способная охлаждать при той же самой температуре, что и температура жидкого азота. Такая низкая температура, как 65 К является предельной для охлаждения без затвердевания жидкого азота, точка плавления которого составляет 63 К. Поскольку верхний предел непосредственно перед кипением составляет приблизительно 75 К, температурный диапазон, допускающий охлаждение с выделением тепла жидкого азота, изменяется на 10 К.

Поскольку удельная теплоемкость жидкого азота составляет 2 кДж/кг, теплосодержание на единицу массы жидкого азота, допускающее изменение энтальпии, составляет только 20 кДж/кг. Далее, фактически, свойство сверхпроводящего тела обычно более стабильно при низкой температуре (около температуры затвердевания жидкого азота), чем при высокой температуре (около температуры кипения жидкого азота).

Таким образом, поскольку температурный диапазон, допускающий охлаждение с выделением тепла жидкого азота, является узким, и его теплосодержание мало, необходимо большое количество жидкого азота. Следовательно, становиться необходимым большое сверхпроводящее устройство. Если температура охлаждения поднимается, например, до точки кипения, действие сверхпроводящего тела ограничивается этой температурой. Поэтому использование суспензии частиц твердого азота и жидкого азота, так называемой азотной пасты, которую возможно использовать совместно со скрытой теплотой фазового превращения (25 кДж/кг), позволяет поддерживать низкую температуру около тройной точки азота (63 К). Следовательно, вышеуказанная трудность может быть преодолена.

Также существует потребность в водородной пасте в качестве жидкого топлива для космической индустрии. Например, устройство для получения водородной пасты опубликовано в японской выложенной патентной публикации № 6-241647(1994), где водород сжижают с помощью теплообменника, используя холодный жидкий гелий. Часть жидкого водорода дальше затвердевает на твердой поверхности и охлаждается жидким гелием, и полученный твердый водород отламывается.

Японская выложенная патентная публикация № 6-281321(1994) описывает способ и устройство для получения водородной пасты путем затвердевания жидкого водорода на твердой поверхности с помощью жидкого гелия в криостатическом контейнере и отламывания полученного твердого водорода, где получают большое количество водородной пасты выпуском сверххолодного жидкого водорода в криостатический контейнер.

В японской выложенной патентной публикации № 8-283001(1996) способ и устройство для получения водородной пасты, в котором твердый водород получают продувкой газообразного водорода в жидкий гелий и жидкий водород тройной точки смешивают с полученным твердым водородом.

В каждом случае, водород превращают с применением гелия. Предполагается применить данную технологию к производству азотной пасты. При рециркуляции гелия конденсированием его как охлаждающего агента необходимо сжижающее устройство и необходимо, чтобы температура сжижения гелия была ниже, чем температура сжижения азота или водорода. Такой процесс имеет недостатки за счет потребности в большой аппаратуре и высоких производственных затрат.

Поэтому заявитель настоящего изобретения предложил способы получения азотной пасты на основании неопубликованных патентных заявок JP 2003-065571 и JP 2003-391508. Первая заявка представляет собой способ, в котором азотную пасту производят перекачиванием жидкого азота в низкотемпературный сосуд, используя в качестве рабочей жидкости низкотемпературный хладагент, способный генерировать твердый азот. Поскольку только гелий может быть использован в качестве низкотемпературного хладагента для получения твердого азота, необходимы особые приемы для предотвращения закупоривания форсунки эжектора твердым азотом. Что касается регулирования размера частиц твердого азота, хотя это возможно в некотором отношении регулированием диаметра форсунки или давления жидкости, существуют слишком много факторов регулирования для получения стабильно высокодисперсных частиц, имеющих одинаковый диаметр частиц. Последняя заявка представляет собой способ, в котором газовая фаза в сосуде с жидким азотом подвергается снижению давления для испарения азота в жидкой фазе с тем, чтобы понизить температуру в конце до тройной точки азота; твердый азот получается поддержанием тройной точки, и образованный твердый азот тонко распыляют, получая азотную пасту. Однако регулирование диаметра частиц затруднено.

Между тем, поскольку промышленное применение азотной пасты распространилось, свойство текучести жидкости стало весьма важным. В особенности требуется, чтобы частицы твердого азота в азотной пасте тонко распылялись, и размер частиц получался одинаковым, чтобы проявлять хорошее свойство текучести от небольшой потери давления. Таким образом, когда длинное и большое тело охлаждают в текущей азотной пасте, или азотную пасту перемещают на большое расстояние, охлаждение или перемещение может быть реализовано с высокой производительностью и высокой эффективностью.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение выполнено с точки зрения проблем, которые имеет вышеупомянутый предшествующий уровень техники и с точки зрения современных потребностей. Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства для получения азотной пасты, включающей высокодисперсные частицы твердого азота, которые регулируют по размеру частиц, без дорогостоящего хладагента или дополнительного оборудования.

В соответствии с настоящим изобретением способ получения азотной пасты включает этапы: распыление жидкого азота из форсунки в сосуд, поддерживаемый при пониженном давлении, диаметр форсунки и давление распыления так отрегулированы, чтобы жидкий азот сохранял форму капель, таким образом образуя высокодисперсные частицы жидкого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц, и диспергируя указанные частицы в сосуд; испарение азота из капельных частиц во время пребывания их в пространстве сосуда, чтобы перевести частицы жидкого азота в твердое состояние за счет скрытой теплоты парообразования и образовать однородные частицы твердого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц; и смешение частиц твердого азота с жидким азотом.

Размер частиц распыляемого жидкого азота определяется диаметром форсунки и скоростью потока, определяемого давлением распыления. Форма жидких капель, распыляемых в пространство, становится сферической. Испарение происходит со всей поверхности распыляемых сферических частиц жидкого азота, и скрытая теплота испарения отбирается так, что температура частиц жидкого азота становится ниже, чем температура затвердевания, чтобы частица затвердевала в сферической форме. Поскольку масса частиц твердого азота может быть получена вычитанием массы испаренного азота, соответствующей скрытой теплоте парообразования, необходимой для понижения настоящей температуры (известной) частиц жидкого азота до температуры затвердевания азота (63К) из массы распыленных частиц жидкого азота, диаметр частиц твердого азота может быть получен геометрическим расчетом из удельной массы твердого азота. Также, количество образованного твердого азота может быть легко получено измерением количества испаренного азота как газообразного азота из подаваемого жидкого азота.

Поскольку образованный твердый азот собирается на дне вакуумного сосуда, азотная паста заданной твердой концентрации может быть получена заливанием жидкого азота тройной точки в сосуд и перемешиванием жидкого и твердого азота.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения устройство для получения азотной пасты включает: вакуумный насос для понижения давления внутри сосуда, сосуд, способный поддерживать пониженное давление от вакуумного насоса, форсунку, расположенную таким образом, чтобы распылять жидкий азот в сосуд, насос для подачи жидкого азота к форсунке под давлением и мешалку для перемешивания содержимого сосуда. В данном устройстве форсунка может быть заменена на различные форсунки разных диаметров и давление подачи жидкого азота может быть отрегулировано. Жидкий азот распыляют в сосуд и поддерживают при пониженном давлении из форсунки, выбранной из форсунок, путем регулирования давления распыления так, чтобы образовать тонкодисперсные частицы жидкого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц, и диспергировать указанные частицы в сосуд. Азот испаряют из жидких частиц во время пребывания в пространстве сосуда для того, чтобы перевести частицы жидкого азота в твердое состояние за счет скрытой теплоты парообразования и образовать тонкодисперсные частицы твердого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц. В конце, частицы твердого азота смешивают с жидким азотом.

Таким образом, без специального дорогостоящего рефрижератора или хладагента данное устройство легко создается из вакуумного насоса, распыляющего устройства, диаметр которого регулируется (распыляющее устройство, которое заменяется на различные виды форсунок с разными отверстиями форсунки), вакуумного сосуда и устройства для подачи жидкого азота. Диаметр форсунки предпочтительно находится в диапазоне между 0,1 мм и 0,2 мм. Давление распыления форсунки предпочтительно находится в диапазоне между 7 кг/см² и 10 кг/см².

В соответствии с настоящим изобретением множество форсунок может быть предусмотрено в одном сосуде.

В соответствии с настоящим изобретением форсунка может быть многоструйного типа, имеющая множество отверстий.

В соответствии с настоящим изобретением множество устройств для получения азотной пасты могут быть соединены параллельно, и процесс образования частиц твердого азота и процесс смешения частиц твердого азота с жидким азотом, имеющим температуру вблизи тройной точки, могут быть выполнены в отдельных сосудах в одно и тоже время так, чтобы каждый процесс мог быть проведен последовательно и альтернативно в каждом сосуде для непрерывного выполнения всего процесса.

Как описано выше, эффекты настоящего изобретения суммируются следующим образом: азотная паста, содержащая тонкодисперсные частицы твердого азота, имеющие регулируемый диаметр частиц, может быть произведена без дорогостоящего рефрижератора или дополнительного устройства распылением жидкого азота из форсунки в сосуд, поддерживаемый при пониженном давлении, диаметр форсунки и давление распыления так отрегулированы, чтобы жидкий азот сохранял форму капель, чтобы таким образом сформировать высокодисперсные частицы жидкого азота, имеющие одинаковый размер частиц, и диспергировать указанные частицы в сосуд; испарение азота из капельных частиц во время пребывания их в пространстве сосуда для того, чтобы перевести частицы жидкого азота в твердое состояние за счет скрытой теплоты парообразования и образовать высокодисперсные частицы твердого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц; и смешение частиц твердого азота с жидким азотом.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления устройства для получения азотной пасты в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 представляет собой иллюстрацию одного варианта осуществления устройства для непрерывного получения азотной пасты, где множество устройств соединены в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Настоящее изобретение будет теперь описано в деталях на основании примера со ссылкой на сопровождающие чертежи. Следует понимать, однако, что описание здесь специфических вариантов осуществления, которые касаются размеров, видов материала, конфигураций и относительных расположений основных частей и подобного, не имеет намерения ограничить изобретение конкретно описанными формами; намерение заключается в описании ради примера, если не описано специально иным образом.

Первый вариант осуществления

Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления устройства для получения азотной пасты в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1 1 представляет собой сосуд; 2 представляет собой форсунку, формирующую капли распылением жидкого азота; 3 представляет собой резервуар с жидким азотом; 4 представляет собой вакуумный насос, который поддерживает внутри сосуда вакуум; 5 представляет собой мешалку для перемешивания жидкого азота и частиц твердого азота, подготовленных в нижней части сосуда; 6 представляет собой жидкий азот; 7 представляет собой подводящий трубопровод для подачи жидкого азота; 8 представляет собой трубопровод для вывода продукта азотной пасты; 9 представляет собой частицы жидкого азота, образованные форсункой; 10 представляют собой частицы твердого азота, затвердевшие из частиц жидкого азота; 11 представляет собой насос для подачи жидкого азота к форсунке под давлением.

Ссылаясь на фиг.1, конструкция устройства и способ по первому варианту осуществления в соответствии с настоящим изобретением поясняются следующим образом. Подводящий трубопровод 7 для подачи жидкого азота соединен с резервуаром жидкого азота 3, один конец которого соединен через насос 11 с форсункой 2. Различные форсунки с разными диаметрами отверстия подготовлены и могут быть заменены в диапазоне размеров отверстия. Давление внутри форсунки может быть отрегулировано скоростью вращения насоса 11 или устройством для регулирования давления, расположенным с напорной стороны насоса 11 (не показано). Другой конец подводящего трубопровода для подачи жидкого азота соединен с сосудом 1. Вакуумный трубопровод соединен с потолочным трубопроводом сосуда, чтобы понижать давление внутри сосуда вакуумным насосом. Мешалка 5 предусмотрена в нижней части сосуда так, чтобы перемешивать содержимое сосуда. Трубопровод 8 для вывода продукта расположен вблизи низа обечайки сосуда 1.

Жидкий азот помещают в резервуаре жидкого азота 3 заранее или пополняют так, чтобы поддерживать соответствующий уровень жидкости. Азот подают к форсунке 2 через подводящий трубопровод 7 под давлением от 7 до 10 кг/см². При распылении жидкого азота из форсунки диаметр форсунки 2 варьируют в диапазоне между 0,1 мм и 0,2 мм, и вакуумный насос 4 эксплуатируют таким образом, чтобы внутреннее давление сосуда становилось приблизительно 93 торр (которое является тройной точкой). В результате получают частицы твердого азота, имеющие любой из диаметров между 0,05 мм и 0,1 мм. Порошок твердого азота, имеющий точное распределение частиц по размеру получают, если используется форсунка с определенным диаметром отверстия и поддерживается постоянное давление подачи и постоянное пониженное давление.

Когда порошок твердого азота образуется и собирается в нижней части сосуда, жидкий азот вводят в сосуд через подводящий трубопровод 7 и содержимое перемешивают мешалкой 5 с образованием частиц твердого азота, имеющих одинаковый диаметр частиц. Азотную пасту выводят из трубопровода 8 для вывода продукта азотной пасты к концу одного периодического процесса.

Второй вариант осуществления

Фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию устройства второго варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением. Фиг.2 включает элементы из фиг.1, которые отмечены также, поэтому специальное пояснение в отношении этих элементов не включено. Ссылаясь на фиг.2, конструкция устройства и способ по второму варианту осуществления в соответствии с настоящим изобретением поясняются следующим образом.

Устройства для получения азотной пасты 100 и 200, похожие на устройство, поясненное в первом варианте осуществления, располагаются параллельно. Маршруты подачи материала обоих устройств соединены с тем же резервуаром жидкого азота 3, и их маршруты удаления продукта соединены с тем же маршрутом удаления продукта 80. В устройстве для получения азотной пасты 100 внутренняя часть сосуда 1 поддерживается при пониженном давлении работой насоса 4, жидкий азот 6 подается под давлением к форсунке 2, расположенной в сосуде 1 для образования частиц жидкого азота 9, затем получают порошок твердого азота, включающий частицы твердого азота 10. Тем временем как порошок твердого азота, полученный в предыдущей загрузке, остается в устройстве 200, жидкий азот 6 вводят в сосуд 1 устройства 200 из резервуара азота 3, и мешалка 5 приводится в действие для перемешивания содержимого сосуда с жидким азотом для получения азотной пасты, содержащей однородные тонкодисперсные частицы твердого азота. После этого продукт выводится маршрутом удаления продукта 80. Процесс получения тонкодисперсных частиц твердого азота в устройстве 100 предполагается закончить в то же время, когда процесс смешения и удаления содержимого в устройстве 200 закончен. Затем, последовательно, процесс получения частиц твердого азота заменяют на процесс смешения и удаления так, чтобы производить частицы твердого азота в устройстве 200 и смешивать и удалять содержимое в устройстве 100. После этого данные процессы выполняются альтернативно и непрерывно.

Промышленное применение

В соответствии с настоящим изобретением азотная паста, имеющая хорошее свойство текучести, может быть получена недорогим устройством и способом, и большие и длинные объекты могут быть эффективно охлаждены, в соответствии с чем настоящая технология может быть широко использована в индустрии сверхпроводящих устройств, среди прочих индустрий.

Способ получения азотной пасты, предусматривающий использование резервуара с жидким азотом, в который жидкий азот помещают заранее при пониженном давлении, вакуумного насоса для понижения давления внутри сосуда, сосуда с пониженным давлением для получения азотной пасты так, чтобы сосуд с пониженным давлением поддерживался при пониженном давлении при помощи вакуумного насоса и форсунки, расположенной в сосуде с пониженным давлением таким образом, чтобы распылять жидкий азот, подаваемый из резервуара с азотом, с диаметром форсунки и давлением распыления, регулируемыми для подержания жидкого азота в виде капель; распыление жидкого азота из форсунки, чтобы таким образом сформировать тонкодисперсные частицы жидкого азота, имеющие одинаковый размер частиц, и диспергировать указанные частицы в сосуд; испарение азота из капельных частиц во время пребывания их в пространстве сосуда для того, чтобы перевести частицы жидкого азота в твердое состояние за счет скрытой теплоты парообразования и образовать частицы твердого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц; и смешивание частиц твердого азота с жидким азотом посредством мешалки, расположенной в нижней части сосуда с пониженным давлением. Предложено также устройство, предназначенное для осуществления указанного выше способа, и вариант осуществления способа с использованием множества устройств, соединенных параллельно. Способ является недорогим и позволяет получить азотную шугу с хорошей текучестью и одинаковым размером частиц без использования охлаждения инертным газом. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения азотной пасты, предусматривающий:
использование резервуара (3) с жидким азотом, в котором жидкий азот помещают заранее при пониженном давлении, вакуумного насоса (4) для понижения давления внутри сосуда (1), сосуда (1) с пониженным давлением для получения азотной пасты так, чтобы сосуд с пониженным давлением поддерживался при пониженном давлении, то есть давлении, которое, по существу, является давлением тройной точки азота, при помощи вакуумного насоса, и форсунки (2), расположенной в сосуде с пониженным давлением таким образом, чтобы распылять жидкий азот, подаваемый из резервуара (3) с азотом, с диаметром форсунки и давлением распыления, регулируемыми для поддержания жидкого азота в виде капель;
распыление жидкого азота из форсунки сосуда с пониженным давлением, чтобы таким образом сформировать тонкодисперсные частицы (9) жидкого азота, имеющие одинаковый размер частиц, и диспергировать указанные частицы в сосуд;
испарение азота из капельных частиц во время пребывания их в пространстве сосуда для того, чтобы перевести частицы жидкого азота в твердое состояние за счет скрытой теплоты парообразования и образовать частицы (10) твердого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц; и
смешивание частиц твердого азота с жидким азотом посредством мешалки (5), расположенной в нижней части сосуда с пониженным давлением.

2. Устройство для получения азотной пасты, включающее:
резервуар (3) с жидким азотом, в который жидкий азот помещают заранее при пониженном давлении,
вакуумный насос (4) для понижения давления внутри сосуда (1),
сосуд (1) с пониженным давлением для получения азотной пасты, в котором жидкий азот распыляют из форсунки сосуда с пониженным давлением с регулированием давления распыления в соответствии с выбранным диаметром форсунки, чтобы образовать тонкодисперсные частицы жидкого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц и диспергировать указанные частицы в сосуд,
азот испаряют из жидких частиц во время пребывания в пространстве сосуда с пониженным давлением для того, чтобы перевести в твердое состояние частицы жидкого азота за счет скрытой теплоты парообразования и образовать тонкодисперсные частицы твердого азота, имеющие одинаковый диаметр частиц, так, чтобы сосуд с пониженным давлением поддерживался при пониженном давлении, то есть давлении, которое, по существу, является давлением тройной точки азота, при помощи вакуумного насоса (4);
форсунку (2), расположенную в сосуде с пониженным давлением таким образом, чтобы распылять жидкий азот, подаваемый из резервуара (3) с азотом с диаметром форсунки и давлением распыления, регулируемыми для поддержания жидкого азота в виде капель;
насос (11) для подачи жидкого азота к форсунке (2) из резервуара (3) с жидким азотом под давлением так, чтобы давление было регулируемым,
и мешалку (5), расположенную в нижней части сосуда для перемешивания содержимого сосуда с пониженным давлением,
где форсунку (2) можно заменять на различные виды форсунок с разными диаметрами так, чтобы регулировать давление подачи жидкого азота.

3. Устройство по п.2, в котором дополнительные форсунки предусмотрены в одном сосуде с пониженным давлением (1).

4. Устройство по п.2, в котором форсунка является форсункой многоструйного типа, имеющей множество отверстий форсунки.

5. Способ получения азотной пасты с использованием множества устройств, соединенных параллельно, где каждое из устройств включает резервуар (3) с жидким азотом, в который жидкий азот помещают заранее при пониженном давлении, вакуумный насос (4) для понижения давления вакуума внутри сосуда, сосуд (1) с пониженным давлением для получения азотной пасты так, чтобы сосуд с пониженным давлением поддерживался при пониженном давлении, то есть давлении, которое, по существу, является давлением тройной точки азота, при помощи вакуумного насоса (4), по меньшей мере, одну форсунку (2), которая является форсункой многоструйного типа, имеющей множество отверстий, и которая расположена в сосуде с пониженным давлением таким образом, чтобы распылять жидкий азот, подаваемый из резервуара (3) с азотом, с диаметром форсунки, диаметром отверстия форсунки и давлением распыления, регулируемыми для поддержания жидкого азота в виде капель, насос (11) для подачи жидкого азота к форсунке (2) из резервуара (3) жидкого азота под давлением, регулируя таким образом давление, мешалку (5), расположенную в нижней части сосуда с пониженным давлением для перемешивания содержимого сосуда с пониженным давлением, подводящий трубопровод жидкого азота, связанный с резервуаром (3) жидкого азота, трубопровод вывода (8) азотной пасты, соединенный с трубопроводом удаления (80) азотной пасты, в котором в устройстве (100) для получения азотной пасты жидкий азот (6) подают под давлением посредством насоса (11) к форсунке (2), расположенной в сосуде (1) с пониженным давлением для образования частиц (9) жидкого азота, затем получают порошок твердого азота, содержащий частицы (10) твердого азота, в то время как в устройстве (200) для получения азотной пасты жидкий азот (6) при температуре, близкой к тройной точке азота, подают в порошок твердого азота, полученный в предыдущем периодическом способе в сосуде (1) с пониженным давлением устройства (200), при этом мешалка (5) работает таким образом, чтобы смешивать содержимое сосуда с жидким азотом с получением азотной пасты, содержащей однородные тонкодисперсные частицы твердого азота.