Патент на изобретение №2238791

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2238791 (13) C2
(51) МПК 7
B01D53/00
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 07.02.2011 – действует

(21), (22) Заявка: 2002108886/15, 09.04.2002

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

09.04.2002

(43) Дата публикации заявки: 27.10.2003

(45) Опубликовано: 27.10.2004

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
RU 2166354 С1, 10.05.2001. RU 2129904 С1, 10.05.1999. RU 2149676 С1, 27.05.2000. RU 2174041 С1, 27.09.2001. US 4574006 А1, 04.03.1986. US 4647299 А1, 30.03.1995. ЕР 0978699 А1, 09.02.2000. ЕР 1067346 А1, 10.01.2001.

Адрес для переписки:

121433, Москва, ул. Звенигородская, 8, корп. 2, кв. 45, М.Ю. Савинову

(71) Заявитель(и):

Капралов Петр Алексеевич (RU)

(72) Автор(ы):

Савинов М.Ю. (RU),
Капралов П.А. (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Капралов Петр Алексеевич (RU)

(54) УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРВИЧНОГО КРИПТОНО-КСЕНОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА НА ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к установкам разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации. Устройство содержит криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-обогатитель, трубопроводы с арматурой, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод и трубу со свободным сливом циркулирующей кубовой жидкости из отделителя пара в нижний коллектор парогенерирующих труб испарителя конденсатора, криптоновая колонна, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор, напорный трубопровод и испаритель-обогатитель соединены трубопроводами с арматурой, причем конденсатор криптоновой колонны соединен с испарителем-конденсатором через регулирующий клапан кубовой жидкости, испаритель-конденсатор дополнительно содержит адиабатный участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, а отделитель пара имеет патрубок выхода циркулирующей кубовой жидкости и снабжен щитом с отверстиями, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости, причем верхний торец адиабатного участка оканчивается в отделителе пара под щитом с отверстиями, а регулирующий клапан кубовой жидкости настроен на регулирование уровня кубовой жидкости в трубе со свободным сливом. Изобретение позволяет увеличить содержание криптона и ксенона в первичном криптоно-ксеноновом концентрате, повысить его давление, повысить надежность устройства и уменьшить потери криптона и ксенона. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к установкам разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации.

Известно устройство для получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках (см. патент РФ №2166354, кл. В 01 D 53/00, F 25 J 3/04). Устройство включает криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод, испаритель-обогатитель, соединенные трубопроводами с арматурой.

Недостатком известного устройства является низкое обогащение криптоном и ксеноном получаемого первичного концентрата и его низкое давление, недостаточная надежность и существенные потери криптона и ксенона.

Низкое обогащение криптоном и ксеноном получаемого первичного концентрата обусловлено недостаточным и нестабильным движущим напором для подачи паров кубовой жидкости из испарителя-обогатителя в криптоновую колонну и чрезмерным уносом криптона и ксенона с капельной влагой из испарителя-конденсатора. Недостаточный движущий напор вызван неэффективной работой напорного трубопровода, так как в трубопроводе, соединяющем испаритель-конденсатор и испаритель-обогатитель, движется не жидкость, а парожидкостная смесь. Паровая фаза в этом трубопроводе появляется уже в самом начале в результате отбора с верхней трубной решетки, обогреваемой снизу конденсирующимся воздухом, кипящей жидкости, а затем паросодержание потока увеличивается при движении по обогреваемому участку, проходящему в межтрубном пространстве испарителя-конденсатора (см., например, В.И. Фанштейн. Безопасность при производстве и применении продуктов разделения воздуха. – М.: Металлургия, 1996, с.97-98, рис.12). Конструкция отделителя пара испарителя-конденсатора не обеспечивает сепарацию капельной влаги на выходе из аппарата. Проведенные испытания испарителя-конденсатора, входящего в состав всех работающих и вновь проектируемых крупных воздухоразделительных установок, показали, что, например, на воздухоразделительной установке КТК-35-3 при располагаемом перепаде давлений 33 кПа, обусловленным высотой напорного трубопровода, в известном устройстве реализуется только 10 кПа, т.е. ~30% и сопровождается периодическими выбросами жидкости в отделитель пара, а унос капельной влаги в номинальном режиме работы аппарата достигает 5-6%. Это приводит к увеличению потерь криптона и ксенона в установке.

Целью изобретения является увеличение содержания криптона и ксенона в первичном криптоно-ксейоновом концентрате и повышение его давления, повышение надежности устройства и уменьшение потерь криптона и ксенона.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающем криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод, испаритель-обогатитель, соединенные трубопроводами с арматурой, отличительной особенностью является то, что испаритель-конденсатор дополнительно содержит тяговый участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, отделитель пара снабжен дырчатым щитом, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости с окончанием верхнего торца тягового участка под дырчатым щитом, а клапан подачи кубовой жидкости настроен на регулирование уровня в опускной трубе, напорный трубопровод находится за пределами испарителя-конденсатора, снабжен сепаратором, имеющим патрубки входа кубовой жидкости и выхода паров кубовой жидкости, соединенные соответственно линиями с патрубками выхода кубовой жидкости из отделителя пара конденсатора-испарителя и паровой полостью отделителя пара испарителя-конденсатора, а тепловая изоляция напорного трубопровода обеспечивает линейную плотность теплопритоков (q) не более

где G – расход кубовой жидкости через напорный трубопровод, кг/с;

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

Ts – температура насыщения при давлении в сепараторе, К;

cр – теплоемкость кубовой жидкости, Дж/кгград;

‘, ” – плотность жидкости и пара соответственно на линии насыщения при Ts, кг/м3;

– угол между осью напорного трубопровода и вертикалью, град.

На фиг.1 приведена конструктивная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 – конструктивная схема испарителя-конденсатора, взаимное повысотное расположение испарителя-конденсатора, напорного трубопровода и испарителя-обогатителя.

Устройство (фиг.1) содержит криптоновую колонну 1, конденсатор криптоновой колонны 2, испаритель-конденсатор 3, напорный трубопровод 4, испаритель-обогатитель 5, теплообменник 6. Верхняя часть криптоновой колонны 1 имеет патрубки ввода по линии 7 бедного криптоном и ксеноном жидкого кислорода, по линии 8 – обогащенного криптоном и ксеноном жидкого кислорода и выхода паров кислорода по линии 9. Нижняя часть криптоновой колонны имеет патрубок выхода по линии 10 кубовой жидкости в межтрубное пространство конденсатора криптоновой колонны 2 и патрубки входа паров кубовой жидкости по линии 11 из конденсатора криптоновой колонны 2 и испарителя-конденсатора 3, а по изолированной линии 12, снабженной теплообменником 6 и регулирующим клапаном 13, из испарителя-обогатителя 5. Конденсатор криптоновой колонны 2 через регулирующий клапан 14 жидкостной линией 15 соединен с нижним коллектором парогенерирующих труб испарителя-конденсатора 3. Отделитель пара 26 (фиг.2) испарителя-конденсатора 3 имеет патрубки выхода по линии 11 паров кубовой жидкости в криптоновую колонну 1, входа по линии 16 паров кубовой жидкости из сепаратора 31 напорного трубопровода 4, выхода циркулирующей кубовой жидкости со свббодным сливом по линии 17 (опускной трубе) в нижний коллектор парогенерирующих труб испарителя-конденсатора, выхода кубовой жидкости по линии 18, снабженной клапаном 19 в напорный трубопровод 4. В нижней части напорный трубопровод 4 снабжен штуцером, соединенным жидкостной линией 20 через регулирующий клапан 21 с испарителем-обогатителем 5, который, в свою очередь, как уже отмечалось, изолированной линией 12 через регулирующий клапан 13 и теплообменник 6 соединен с криптоновой колонной 1, а линией 22 с регулирующим клапаном 23 – с коллектором 24 первичного криптоно-ксенонового концентрата. Испаритель-конденсатор 3 между поверхностью теплообмена 25, обогреваемой конденсирующимся воздухом, и отделителем пара 26 имеет необогреваемый тяговый участок 27. Тяговый участок 27 в случае небольшого количества парогенерирующих труб, образующих поверхность теплообмена 25, может быть выполнен в виде вертикального продолжения каждой парогенерирующей трубы такого же внутреннего диаметра, при значительном количестве парогенерирующих труб, например, в виде одной вертикальной трубы, заполненной концентрическими слоями гофрированной гладкой насадки из фольги, отделенных друг от друга цилиндрическими прослойками из такой же гладкой фольги с образованием гофрированной насадкой и гладкими прослойками продольных каналов.

Верхний торец тягового участка 27 оканчивается в отделителе пара 26 под дырчатым щитом (щитом с отверстиями) 29, установленным ниже патрубка 28 выхода циркулирующей кубовой жидкости.

Устройство работает следующим образом. В верхнюю часть криптоновой колонны (см. фиг.1) на орошение по линии 7 подают бедный криптоном и ксеноном жидкий кислород, отбираемый из потока жидкого кислорода на входе в основные конденсаторы-испарители, а по линии 8 подают обогащенный криптоном и ксеноном жидкий кислород, отбираемый после адсорбера из циркуляционного контура очистки жидкого кислорода от взрывоопасных примесей. При движении по колонне вниз жидкость взаимодействует на контактных элементах с поднимающимся паром и обогащается криптоном и ксеноном. Обогащенная криптоном и ксеноном жидкость из куба колонны (кубовая жидкость) по линии 10 поступает на частичное испарение в конденсатор криптоновой колонны 2, а пары кислорода с незначительным содержанием криптона и ксенона уходят из колонны по линии 9. Питание колонны паром осуществляется в двух местах. Основной поток пара по линии 11 поступает из конденсатора криптоновой колонны 2 и испарителя-конденсатора 3 в куб колонны под контактные элементы, а другой поток пара, меньший по объему, – из испарителя-обогатителя 5 по изолированной линии 12 в среднюю часть колонны к патрубку, находящемуся между патрубками входа по линии 8 обогащенного криптоном и ксеноном жидкого кислорода и входа пара по линии 11.

В связи с установкой на линии 12 регулирующего клапана 13 и теплообменника 6 гидравлическое сопротивление линии 12 становится соизмеримым с давлением пара в криптоновой колонне 1.

Основное количество поступившей из криптоновой колонны кубовой жидкости испаряется в конденсаторе криптоновой колонны 2. Часть жидкости из конденсатора криптоновой колонны 2 поступает по линии 15 через регулирующий клапан 14 в испаритель-конденсатор 3 (фиг.2). Вновь поступившая жидкость смешивается с циркулирующей жидкостью, выходящей из отделителя пара 26 по опускной трубе 17, и направляется в парогенерирующие каналы поверхности теплообмена 25, где частично испаряется за счет конденсации паров сжатого воздуха. При этом регулирующий клапан 14 построен на поддержание уровня жидкости в опускной трубе 17. Настройка регулирующего клапана 14 на поддержание уровня в опускной трубе 17 позволяет стабилизировать уровень кубовой жидкости в отделителе пара 26, так как изменение уровня жидкости в опускной трубе на ± 200 мм почти не сказываются на изменение уровня жидкости в отделителе пара.

Для взрывобезопасной работы самих парогенерирующих каналов поверхности теплообмена 25 парожидкостной поток разгоняется в них до значительной скорости (используются длинные каналы) и поступает в адиабатный тяговый участок 27 и далее в отделитель пара 26 под дырчатый щит 29, затопленный жидкостью. Дырчатый щит 29 позволяет погасить высокую скорость парожидкостного потока на выходе из каналов тягового участка (со скорости ~23 м/с в номинальном режиме работы аппарата до скорости пара ~0,35 м/с над зеркалом испарения).

Сепарационный объем и пленочный сепаратор 30 задерживают капельную и частично транспортируемую влагу, которая в потоке пара в линии 11 на выходе из отделителя не превышает 0,5%. Уменьшение уноса капельной влаги приводит к уменьшению потерь криптона и ксенона в устройстве, т.к. снижает уровень их концентрации по высоте криптоновой колонны.

Тяговый участок имеет на единице длины гидравлическое сопротивление, обусловленное гидростатическим давлением столба парожидкостной смеси, сопротивлением движению парожидкостной смеси и ускорению потока, вызванному самоиспарением жидкости при вертикальном адиабатном подъемном движении, в несколько раз меньшем, чем гидростатическое давление столба одной жидкости. Поэтому увеличение уровня жидкости в опускной трубе 17, например, на 0,5 м позволит за счет установки тягового участка поднять отделитель пара 26 как минимум на высоту 1,5 м. Если же такой возможности по подъему жидкости в опускной трубе нет, то при сохранении прежнего уровня жидкости в опускной трубе 17 и опускании поверхности теплообмена испарителя-конденсатора относительно, например, фундамента установки на те же 0,5 м возможно поднять отделитель пара 26 относительно фундамента на ~1,0 м, что приведет к увеличению высоты напорного трубопровода 4 и увеличению давления гидростатического столба жидкости в нем.

Поступившая в отделитель пара 26 кубовая жидкость делится на два потока: один поток по линии 18 через клапан 19 направляется в сепаратор 31 напорного трубопровода 4, а другой – через патрубок 28 с разрывом струи сливается в опускную трубу 17, обеспечивая постоянный уровень жидкости в отделителе пара. Количество поступающей в отделитель пара 26 жидкости регулируют величиной столба жидкости в опускной трубе 17, воздействуя на регулирующий клапан 14, и поддерживают его таким, чтобы уровень жидкости в отделителе пара 26 находился на высоте расположения патрубка 28.

Из сепаратора 31 кубовая жидкость поступает в напорный трубопровод 4, где ее столб увеличивает гидростатическое давление в нижней части напорного трубопровода. Сепаратор 31 позволяет отделить от жидкости возможную паровую фазу, вызванную, например, захватом пара из отделителя пара 26 или теплопритоком через клапан 19, и беспрепятственно удалить ее по линии 16 из сепаратора. Сам напорный трубопровод имеет такой внутренний диаметр, чтобы скорость опускного движения жидкости в нем не превышала скорости всплытия одиночных пузырей пара, а тепловая изоляция обеспечила величину линейной плотности теплопритоков (q) не более

При нарушении этого условия напорный трубопровод становится неработоспособным из-за периодически возникающих гейзерных выбросов из него жидкости. Через штуцер, расположенный в нижней части напорного трубопровода, кубовая жидкость по линии 20, снабженной регулирующим клапаном 21, с большим, чем в прототипе давлением, поступает в испаритель-обогатитель 5, где за счет подвода тепла при конденсации водяного пара газифицируется с выводом двух потоков: газообразного потока первичного криптоно-ксенонового концентрата, направляемого по линии 22 с регулирующим клапаном 23 в коллектор 24 и затем в установку по переработке концентрата, и потока перегретого пара кубовой жидкости, направляемого по изолированной линии 12 с регулирующим клапаном 13 к теплообменнику 6 (см. фиг.1) для охлаждения и далее в криптоновую колонну 1.

Благодаря большему давлению пары кубовой жидкости из испарителя-обогатителя 5 теперь могут быть возвращены по линии 12 в криптоновую колонну в любом требуемом количестве, что позволит оптимально обогатить криптоно-ксенововый концентрат. Одновременно увеличивается давление первичного криптоно-ксенонового концентрата, что позволяет уменьшить затраты на создание установок, которые предполагают безкомпрессорную схему переработки первичного криптоно-ксенонового концентрата.

За счет того, что в устройстве получения криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающем криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод, испаритель-обогатитель, соединенные трубопроводами с арматурой, испаритель-конденсатор дополнительно содержит тяговый участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, отделитель пара снабжен дырчатым щитом, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости с окончанием верхнего торца тягового участка под дырчатым щитом, а клапан подачи кубовой жидкости настроен на регулирование уровня в опускной трубе, напорный трубопровод отделен от испарителя-конденсатора, снабжен сепаратором, имеющим патрубки входа кубовой жидкости и выхода паров кубовой жидкости, соединенных соответственно линиями с патрубками выхода кубовой жидкости из отделителя пара конденсатора-испарителя и паровой полостью отделителя пара испарителя-конденсатора, а тепловая изоляция напорного трубопровода обеспечивает линейную плотность теплопритоков (q) не более величины, определенной по формуле:

за счет чего увеличивают содержание криптона и ксенона в первичном криптоно-ксеноновом концентрате и повышают его давление, повышают надежность устройства и уменьшают потери криптона и ксенона.

Формула изобретения

1. Устройство получения первичного криптоноксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающее криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-обогатитель и трубопроводы с арматурой, отличающееся тем, что устройство содержит испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделением пара, напорный трубопровод и трубу со свободным сливом циркулирующей кубовой жидкости из отделителя пара в нижний коллектор парогенерирующих труб испарителя-конденсатора, криптоновая колонна, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор, напорный трубопровод и испаритель-обогатитель соединены трубопроводами с арматурой, причем конденсатор криптоновой колонны соединен с испарителем-конденсатором через регулирующий клапан кубовой жидкости, испаритель-конденсатор дополнительно содержит адиабатный участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, а отделитель пара имеет патрубок выхода циркулирующей кубовой жидкости и снабжен щитом с отверстиями, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости, причем верхний торец адиабатного участка оканчивается в отделителе пара под щитом с отверстиями, а регулирующий клапан кубовой жидкости настроен на регулирование уровня кубовой жидкости в трубе со свободным сливом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделитель пара с паровой полостью имеет патрубок выхода кубовой жидкости, напорный трубопровод снабжен сепаратором, имеющим патрубки входа кубовой жидкости и выхода паров кубовой жидкости, соединенные соответственно линиями с патрубком выхода кубовой жидкости и паровой полостью, а тепловая изоляция напорного трубопровода обеспечивает линейную плотность теплопритоков не более величины, определенной по формуле

где q – линейная плотность теплопритоков, Вт/м;

G – расход жидкости через напорный трубопровод, кг/с;

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

Тs – температура насыщения при давлении в сепараторе, К;

ср – теплоемкость жидкости, Дж/(кгград);

’, ’’ – плотность жидкости и пара соответственно при температуре насыщения кг/м3;

– угол между осью напорного трубопровода и вертикалью, град.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

Categories: BD_2238000-2238999