Устройство для очистки криогенной жидкости Советский патент 1977 года по МПК F25J5/00 

1

Изобретение относится к криогенной технике, к устройствам для очистки криогенных газов и жидкостей от малолетучих примесей и может быть использовано при получении криогенных жидкостей и газов высокой чистоты, необходимых в различных областях науки и техники (в ядерной физике, ракетной и космической технике и т. д.).

В криогенных газах и жидкостях, вырабатываемых воздухоразделительными уставовками, ожижителями азота, неона, водорода и гелия, содержатся твердые примеси, значительная часть которых образована малолетучими веществами. Например, в техническом жидком кислороде постоянно присутствуе твердая двуокись углерода, в жидком водороде - твердый воздух и т. д. Несмотря на

сравнительно небольшое содержание твердых

„I ,

цримесеи в технических продуктах ( -Ю 10 об.%)присутствие их является серьезной помехой для работы ряда низкотемпературных устройств, в особенности оптических (например, водородных пузырьковых камер).

Обычно твердые примеси удаляются из криогенных жидкостей фильтрацией. Но эффективность этого способа ограничена тем, что размеры пор фильтров нельзя уменьшить беспредельно.

При размерах пор около 1 мкм пропускная способность фильтров уменьшается настолько, что фильтрация требует чрезмерно много времени.

Известны устройства (прототип), содержащие конденсатор и заполненный хладагентом испаритель, в которых очистка жидкого кислорода от твердых примесей основана на переконденсации. В этих устройствах за счет повторного испарения и конденсации кислорода содержание двуокиси углерода снижается от 5 0,8 .% 1 .

Но указанное устройство не обеспечивает степень требуемой очистки, близкую 6,6. объемных. Т.е. теоретически возможная чистота кислорода по СО. в несколько сот раз выше обеспечиваемой известным устройством. Объясняется это частичным уносом COj с парами кипящего в неравновесных условиях раствора двуокиси углерода в жидком кислороде.

Целью настоящего изобретения является повышение степени очистки.

Это достигается тем, что испаритель снажен вымораживателем, выполненным в виде горизонтально расположенного змеевика, выходкой патрубок которого подключен к конденсатору, входной патрубок размещен над уровнем хладагента, а нижняя часть вым.ораживателя погружена в жидкость, причем на верхней частью вымораживателя установлен подогреватель.

Схема описываемого устройства для очиски, например жидкого кислорода, от твердой двуокиси углерода показана на чертеже.

Устройство состоит из фильтра 1, теплоизолированного испарителя 2, встроенного в испаритель вымораживателя 3, выполненного в виде горизонтально распополненного змеевика, погруженного частично в жидкость испарителя, подогревателя 4, пористой насадки 5, размещенной в вымораживателе, ванны 6 с жидким азотом (или кипящим при пониже11ном давлении кислородом ) и конденсатора 7. Устройство работает следующим образом.

Кислород, очищенный предварительно на фильтре 1, испаряется в испарителе 2 и поступает нз парового объема испарителя непосрественно в вымораживатель 3. Выходящий из выморажквателя газообразный кислород ежижае1х:я в конденсаторе 7, Испарение кислорода в испарителе может осуществляеться или за счет естественного подвода тепла (из -за наличия остаточного теплопритока извне через теплоизоляцию емкости) или

включением подогревателя 4,

На. противоположных сторонах витков змеевика вымораживателя 3 возникает разность температур, определяемая уровнем жидкости в испарителе и теплопритоком к паровому объему емкости

7

где Т -температура холодной стороны змеевика, близкая к температуре жидкости.

Т - температура теплой стороны зме.евика.

Пары кипящего кислорода, проходя через витки змеевика, многократно охлаждаются до температуры T.j и нагреваются до температуры Т,,, двуокись углерода, содержащаяся в парах кислорода, кристаллизуется в каждом из витков змеевика, частично вымораживаясь на его поверхности, частично уносясь с потоком кислорода в виде высокодисперсной взвеси или пересыщенного пара в теплый учасггок витка и там сублимируясь.

Скорость испарения жидкого кислорода, регулируемая изменением мощности нагрева (например, изменением остаточного давления

газа в теплоизоляционной полости емкости или мощности подогревателя 4J,подбирается равной скорости подачи жидкости в емкость с тем, чтобы уровень жидкости в емкости и, значит, перепад температур между теплой и холодной сторонами змеевика был постоянным.

Регулированием уровня жидкости теплая сторона змеевика поддерживается при температуре, достаточной для возгонки кристаллической взвеси СО, не вымороженной в витке.

Оставшееся количество СО2 вновь кристаллизуется в холодном участке следующего витка змеевика и т.д. Таким образом в змеевике, как в многоступенчатом вымораживателе, происходит достаточно полное удаление двуокиси углерода, содержащегося первоначально в парах кислорода.

Эффективность работы предлагаемого устройства существенно зависит от температуры жидкого кислорода в испарителе. С понижением температуры уменьщается давление паров и растворимость двуокиси углерода в жиком кислороде и, в конечном итоге, значительно уменьщается содержание СО2 в килороде после вымораживателя 3. Конденсируя пары кислорода, выходящие из выморалнивателя, в конденсаторе 7, погруженном в ванну с жидким, азотом, можно понизить давление паров и соответственно температуру жидкого кислорода, кипящего в испарителе 2 Например, если испарение жидкого кислорода проводить при температуре 80°К, остаточное содержание COj можно довести до 10 % об., а при Т 77°К остаточное содержание СО2. понизится до величины, сравнимой со значением, определяемым десорбцией СОij из материала теплых участков теплообменника и других деталей устройства.

Осуществление процесса дополнительной очистки кислорода в вымораживателе, размещенном непосредственно в том же устройстве, где происходит испарение жидкого кислорода, т.е. совмещение двух процессов очистки в конструктивно едином устройстве, позволяет избежать такого нежелательного для процесса вымораживания явления, «ак частичная конденсация кислорода в вымораживателе.

В предлагаемом устройстве обеспечивается обратная связь между давлением паров кислорода на выходе из вымораживателя и температурой жидкого кислорода, при заданном давлении на выходе теплообменника-вымораживателя жидкий кислород прогревается до температуры, соответствующей этому давлению и поэтому в установившелл;я режиме

испарения пары кислорода не конденсируются в процессе вымораживания СО2.

Таким образом предлагаемое устройство, в котором органически сочетаются два процесса очистки, а именно переконденсации и вымораживания, позволяет повысить степень очистки в 100 и более раз по сравнению с известными предложениями.

Эффективность предлагаемого устройства может быть дополнительно повышена размещением внутри вымораживателя пористой насадки с высокой удельной поверхностью, например силикагеля.

Наличие такой насадки позволяет не только увеличить полноту вымораживания примеси, но и получить дополнительный эффект очистки за счет сорбции остаточного, невымороженного количества примеси на высокоразвитой поверхности насадки.

Это устройство может быть использовано также для очистки жидкого водорода, гелия и других криогенных жидкостей.

Формула изобретения

Устройство для очистки криогенной жидкости от примесей, содержащее коденсатор и заполненный жидким хладагентом испаритель, отличающееся тем, что, с целью повыщения степени очистки, испаритель снабжен вымораживателем, выполненным в виде горизонтально расположенного змеевика, выходной патрубок которого подключен к конденсатору, входной патрубок размещен над уровнем хладагента, а нижняя часть вымораживателя погружена в жидкость

2. Устройство по п. 1, отлича ющ е е с я тем, что над верхней частью вымораживателя установлен подогреватель.

Источники информации, использованные при экспертизе,

1. Справочник Кислород, ч. 1, Метаплургиздат, М., с 198-206, 1967,