Установка очистки инертных газов от влаги, кислорода и иных примесей Российский патент 2025 года по МПК B01D53/04 

Изобретение относится к очистке инертных газов от примесей и может быть использовано преимущественно в конструкции установки очистки от примесей влаги, кислорода, азота, оксида углерода и диоксида углерода инертной газовой среды технологических камер большого объема для испытаний макетов аппаратов пирохимической переработки отработавшего ядерного топлива.

Прототипом для разработки является известная установка очистки инертных газов [RU 2788975, опубл. 26.01.2023]. Установка содержит блок удаления влаги и диоксида углерода, состоящий из двух одинаковых попеременно работающих адсорберов-десорберов, имеющих молекулярное сито из смеси цеолитов типа NaA и NaX, блок очистки газов от кислорода, содержащий кислородный насос с электрохимической мембраной из твердооксидного электролита на основе стабилизированного диоксида циркония, блок поглощения водорода, содержащий смесь палладированного оксида марганца и молекулярное сито из цеолитов или их смеси типа NaA и/или NaX и/или СаА, блок поглощения азота и оксида углерода, предназначенный для низкотемпературной физической адсорбции азота и оксида углерода на молекулярном сите при криогенных температурах, состоящий из двух одинаковых попеременно работающих адсорберов-десорберов, имеющих молекулярное сито из цеолита типа NaX, и криогенного охладителя. Криогенный охладитель в виде криогенной морозильной камеры предназначен для поддержания низкой температуры сорбции азота и оксида углерода и соединен с адсорберами-десорберами блока поглощения азота и оксида углерода. Кроме того, известная установка содержит, как минимум один циркуляционный насос, предназначенный для циркуляции очищаемого инертного газа в установке, расположенный во внешней атмосфере в конце газовой линии установки, то есть после всех блоков очистки от примесей.

Известная установка направлена на возможность очистки инертных газов от влаги и диоксида углерода, а также от иных примесей с использованием регенерируемых сорбентов, а очистки от кислорода - без использования сорбентов. Газовые соединения между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков установки, включая адсорберы-десорберы, криогенный охладитель, кислородный насос и циркуляционный насос, выполнены без соблюдения условий газовой герметичности, что в процессе эксплуатации может привести к эффекту натекания внешнего воздуха внутрь установки, то есть в очищаемую газовую среду, тем самым снижая эффективность очистки инертного газа. Расположение циркуляционного насоса во внешней атмосфере потенциально может приводить к эффекту захватывания воздуха двигателем насоса во время работы установки и, соответственно, загрязнению этим воздухом очищаемого инертного газа. Кроме того, расположение циркуляционного насоса после всех блоков очистки от примесей будет способствовать созданию разрежения в этих блоках, также повышая вероятность натекания внешнего воздуха в установку и дополнительно - рисков выхода кислородного насоса из строя. Помимо этого, нахождение адсорберов-десорберов блока очистки от азота и оксида углерода вне криогенного охладителя будет приводить к тому, что на участке трубопровода от этого охладителя до входа в адсорберы-десорберы данного блока очищаемый инертный газ, поступающий в адсорберы-десорберы блока очистки от азота и оксида углерода, будет нагреваться, что будет значительно снижать эффективность сорбции примесей азота и оксида углерода.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в устранении недостатков установки-прототипа.

Для этого предложена установка очистки инертных газов от влаги, кислорода и иных примесей, содержащая блок очистки от влаги и диоксида углерода, включающий адсорбер-десорбер с молекулярным ситом из смеси цеолитов типа NaA и NaX, блок очистки газов от кислорода, содержащий кислородный насос с электрохимической мембраной из твердооксидного электролита на основе стабилизированного диоксида циркония, блок очистки от азота и оксида углерода, содержащий адсорбер-десорбер с молекулярным ситом из цеолита типа NaX, кроме того, в состав узлов установки входит криогенный охладитель и циркуляционный насос, при этом в газовой линии установки между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков установки, включая адсорберы-десорберы, криогенный охладитель, кислородный насос и циркуляционный насос, имеются газовые соединения. Новая установка отличается тем, что дополнительно включает блок циркуляции газа, состоящий из циркуляционного насоса, помещенного в герметичную емкость, расположенный в начале газовой линии установки, газовые соединения между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков установки, выполнены в вакуумном исполнении, а адсорбер-десорбер блока очистки от азота и оксида углерода размещен в криогенном охладителе.

В заявленной установке расположение циркуляционного насоса в герметичной емкости исключает эффект захватывания внешнего воздуха двигателем насоса во время работы установки, а размещение насоса в начале газовой линии установки предотвращает создание разрежения в блоках очистки от примесей. Вакуумное исполнение газовых соединений между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков, обеспечивает такую герметичность установки, которая исключает эффект натекания внешнего воздуха в очищаемую газовую среду. Размещение адсорбера-десорбера блока очистки от азота и оксида углерода в криогенном охладителе предотвращает нагрев очищаемого инертного газа, поступающего в адсорбер-десорбер блока очистки от азота и оксида углерода. В совокупности это позволяет устранить недостатки прототипа и повысить эффективность очистки инертного газа от влаги, кислорода и иных примесей, в частности, азота, оксида углерода и диоксида углерода.

Новый технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении эффективности очистки от примесей влаги, кислорода, азота, оксида углерода и диоксида углерода инертной газовой среды технологических камер большого объема для испытаний макетов аппаратов пирохимической переработки отработавшего ядерного топлива.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 представлена блок-схема известной установки-прототипа; на фиг. 2 - блок-схема заявляемой установки.

Согласно блок-схеме (фиг. 1), известная установка - прототип содержит соединенные между собой газовыми магистралями блок очистки от влаги и диоксида углерода I, состоящий из двух одинаковых попеременно работающих адсорберов-десорберов II, блок очистки газов от кислорода III, содержащий кислородный насос с электрохимической мембраной из твердооксидного электролита на основе стабилизированного диоксида циркония IV, блок поглощения водорода V, блок поглощения азота и оксида углерода VI, состоящий из двух одинаковых попеременно работающих адсорберов-десорберов VII и криогенного охладителя VIII в виде криогенной морозильной камеры, соединенной с адсорберами-десорберами VII. Кроме того, известная установка содержит циркуляционный насос IX, расположенный во внешней атмосфере.

Согласно блок-схеме (фиг. 2), предложенная установка содержит блок очистки от влаги и диоксида углерода 1, содержащий адсорбер-десорбер 2, блок очистки от кислорода 3, содержащий кислородный насос 4 с электрохимической мембраной из твердооксидного электролита на основе стабилизированного диоксида циркония, блок очистки от азота и оксида углерода 5, содержащий адсорбер-десорбер 6, размещенный в криогенном охладителе 7, который, как и в прототипе, имеет теплообменный аппарат 8, предназначенный для эффективного охлаждения газа до криогенных температур, а также ловушку паров воды 9, предназначенную для предотвращения намерзания льда на стенках трубопровода. Установка содержит также расположенный перед блоком 1, то есть в начале газовой линии установки блок циркуляции газа 10, состоящий из циркуляционного насоса 11, помещенного в герметичную емкость 12. Блоки установки, а также узлы, находящиеся в каждом из блоков, включая адсорберы-десорберы 2 и 6, криогенный охладитель 7, кислородный насос 4, циркуляционный насос 11 соединены между собой газовыми магистралями с помощью соединений вакуумного исполнения, которые могут включать вакуумные запирающие краны, вакуумные тройники и другие необходимые вакуумные элементы.

Предложенная установка очистки инертных газов от влаги, кислорода и иных примесей работает следующим образом. Инертная газовая среда, поступая на вход газа в установку, попадает в блок циркуляции газа 10, который обеспечивает движение газа в установке в ходе очистки, и подается в блок очистки от влаги и диоксида углерода 1, содержащий адсорбер-десорбер 2, очищается от примесей влаги и диоксида углерода посредством физической адсорбции на молекулярных ситах из смеси цеолитов типа NaA и NaX. Для оценки качества очистки от влаги инертная газовая среда проходит через индикатор влажности газа (не показан). Далее инертная газовая среда поступает в блок очистки газов от примесей кислорода 3, где производится очистка от примесей кислорода с помощью кислородного электрохимического насоса 4, и далее инертная газовая среда попадает в блок очистки от примесей азота и оксида углерода 5, состоящий из адсорбера-десорбера 6, имеющего молекулярное сито из цеолита типа NaX. Адсорбер-десорбер 6 размещен в криогенном охладителе 7. Инертная газовая среда очищается от примесей азота и оксида углерода в адсорбере-десорбере 6 посредством низкотемпературной физической адсорбции на молекулярном сите из цеолита типа NaX, при температурах от минус 100°С и ниже, и подается на выход газа из установки. В эксперименте, проведенном на заявленной установке, получен результат по очистке инертной газовой среды от примесей влаги, кислорода и азота до содержания не более 1, 3 и 100 ppm соответственно, а по очистке от оксида и диоксида углерода - ниже предела обнаружения.

Можно отметить, что для эффективной очистки инертных газов от влаги, кислорода и иных примесей на заявленной установке достаточно, чтобы блок очистки от влаги и диоксида углерода и блок очистки от примесей азота и оксида углерода содержали по одному адсорберу-десорберу. В данном случае установка будет работать в периодическом режиме, заключающемся в том, что при насыщении цеолитов какого-либо из адсорберов-десорберов потребуется остановка процесса очистки газа с целью проведения регенерации цеолита. Однако, при необходимости, например, при увеличении объема очищаемого газа, на этом же принципе можно разработать установку непрерывного действия, содержащую не менее двух одинаковых, попеременно работающих блоков очистки от влаги и диоксида углерода и блоков очистки от примесей азота и оксида, каждый из которых может содержать несколько последовательно или параллельно соединенных адсорберов-десорберов.

Таким образом, предложенная установка позволяет эффективно производить очистку от примесей влаги, кислорода, азота, оксида углерода и диоксида углерода инертной газовой среды технологических камер большого объема для испытаний макетов аппаратов пирохимической переработки отработавшего ядерного топлива.

Изобретение относится к очистке инертных газов от примесей и может быть использовано преимущественно в конструкции установки очистки от примесей влаги, кислорода, азота, оксида углерода и диоксида углерода инертной газовой среды технологических камер большого объема для испытаний макетов аппаратов пирохимической переработки отработавшего ядерного топлива. Установка содержит блок очистки от влаги и диоксида углерода, включающий адсорбер-десорбер с молекулярным ситом из смеси цеолитов типа NaA и NaX, блок очистки газов от кислорода, содержащий кислородный насос с электрохимической мембраной из твердооксидного электролита на основе стабилизированного диоксида циркония, блок очистки от азота и оксида углерода, содержащий адсорбер-десорбер с молекулярным ситом из цеолита типа NaX. Кроме того, в состав узлов установки входит криогенный охладитель и циркуляционный насос. При этом в газовой линии установки между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков установки, включая адсорберы-десорберы, криогенный охладитель, кислородный насос и циркуляционный насос, имеются газовые соединения. Установка дополнительно содержит блок циркуляции газа, состоящий из циркуляционного насоса, помещенного в герметичную емкость, расположенный в начале газовой линии установки, газовые соединения между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков установки, выполнены в вакуумном исполнении. Адсорбер-десорбер блока очистки от азота и оксида углерода размещен в криогенном охладителе. Установка позволяет эффективно производить очистку от примесей влаги, кислорода, азота, оксида углерода и диоксида углерода инертной газовой среды технологических камер большого объема для испытаний макетов аппаратов пирохимической переработки отработавшего ядерного топлива. 2 ил.

Установка очистки инертных газов от влаги, кислорода и иных примесей, содержащая блок очистки от влаги и диоксида углерода, включающий адсорбер-десорбер с молекулярным ситом из смеси цеолитов типа NaA и NaX, блок очистки газов от кислорода, содержащий кислородный насос с электрохимической мембраной из твердооксидного электролита на основе стабилизированного диоксида циркония, блок очистки от азота и оксида углерода, содержащий адсорбер-десорбер с молекулярным ситом из цеолита типа NaX, кроме того, в состав узлов установки входит криогенный охладитель и циркуляционный насос, при этом в газовой линии установки между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков установки, включая адсорберы-десорберы, криогенный охладитель, кислородный насос и циркуляционный насос, имеются газовые соединения, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит блок циркуляции газа, состоящий из циркуляционного насоса, помещенного в герметичную емкость, расположенный в начале газовой линии установки, газовые соединения между блоками, а также между узлами, находящимися в каждом из блоков установки, выполнены в вакуумном исполнении, а адсорбер-десорбер блока очистки от азота и оксида углерода размещен в криогенном охладителе.