устройство для фильтрации криогенных газов

Формула изобретения

1. Устройство для фильтрации криогенных газов, включающее цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, регенерируемый цилиндрический многослойный фильтроэлемент, коаксиально расположенный внутри цилиндрического корпуса, и штуцер для вывода фильтрата примесей, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительным корпусом, измерителем сопротивления газовому потоку и штуцером подачи чистого газа, при этом последний соединен с выходным патрубком, а регенерируемый цилиндрический многослойный фильтроэлемент выполнен из металла и имеет тонкопористый, фильтрующий слой, причем дополнительный корпус выполнен с экранно-вакуумной теплоизоляцией и установлен коаксиально снаружи цилиндрического корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размер пор металлического, тонкопористого фильтрующего слоя варьируют от 0,2 до 6 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технической физики низких температур, в частности к криогенной технике, и может быть использовано в установках по переработке природного газа в сжиженный метан, а также для получения чистых газов в газоразделительных устройствах.

Известно устройство для глубокой очистки криогенных газов, содержащее цилиндрическую ванну с жидким криоагентом, в которую помещен цилиндрический адсорбер с навитым по его высоте рекуперативным теплообменником, соединенным с патрубком подачи газа на очистку в адсорбер через рекуперативный теплообменник, выходной патрубок очищенного газа из адсорбера и трубопровод для отвода паров испаряющегося жидкого криоагента и его периодической подачи в ванну (Патент РФ №2111425, Кл. F 25 В 43/00, опублик. 1998 [1]).

Недостатком устройства является неэффективная фильтрация криогенных газов от субмикронных, дисперсных примесей и невозможность его периодической регенерации от фильтрата накопленных примесей. В процессе очистки имеет место канализация и конвективный унос субмикронных частиц адсорбента, обусловленный его абразивным износом, что, также, загрязняет криогенный газ. Кроме того, необходимо поддерживать в ванне определенный уровень испаряющегося, жидкого криоагента путем его периодической подачи из специального блока хранения, а для того чтобы не заморозить устройство с криогенным газом, необходимо подбирать химический состав жидкого криоагента с соответствующей теплотой парообразования и температурой кипения-замерзания, что усложняет конструкцию и эксплуатацию устройства.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство для фильтрации криогенных газов в условиях больших перепадов температур и термоциклирования, включающее цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, в котором коаксиально расположен регенерируемый, цилиндрический, многослойный фильтроэлемент, и штуцер для вывода фильтрата примесей (Патент РФ №2042090, Кл. F 25 В 43/02, опублик. 1995 [2]).

Недостатком данного устройства является неэффективная очистка криогенных газов от субмикронных дисперсных примесей с размером частиц 1-2 мкм, обусловленная несовершенством многослойной структуры фильтроэлемента по фильтрационным и регенерационным характеристикам, а также отсутствие теплоизоляции, которая необходима для поддержания постоянной температуры криогенного газа в процессе фильтрации и эффективного осуществления регенерации фильтроэлемента от фильтрата примесей.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в повышении эффективности очистки криогенных газов от субмикронных, дисперсных примесей с размером кристаллов и капель от 0,005 до 1-2 мкм, путем обеспечения возможности осуществления высокоэффективного улавливания субмикронных дисперсных примесей при постоянной температуре криогенных газов и эффективной периодической регенерации фильтроэлемента от фильтрата накопленных примесей в адиабатическом режиме за счет использования высокоэффективного и регенерируемого обратным потоком чистого газа, цилиндрического, многослойного фильтроэлемента из металла с тонкопористым, фильтрующим слоем и создания надежной теплоизоляции вокруг него.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для фильтрации криогенных газов, включающее цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, регенерируемый, цилиндрический, многослойный фильтроэлемент, коаксиально расположенный внутри цилиндрического корпуса, и штуцер для вывода фильтрата примесей, снабжено дополнительным корпусом, измерителем сопротивления газовому потоку и штуцером подачи чистого газа, при этом последний соединен с выходным патрубком, а регенерируемый, цилиндрический, многослойный фильтроэлемент выполнен из металла и имеет тонкопористый фильтрующий слой, причем дополнительный корпус выполнен с экранно-вакуумной теплоизоляцией и установлен коаксиально снаружи цилиндрического корпуса. А также тем, что размер пор металлического, тонкопористого фильтрующего слоя варьируют от 0,2 до 6 мкм.

В результате наличия в корпусе регенерируемого, цилиндрического, металлического, многослойного фильтроэлемента, имеющего тонкопористый фильтрующий слой на своей фронтальной поверхности, существенно увеличивается (в 10 ⁴-10⁶ раз по сравнению с существующими) эффективность улавливания субмикронных дисперсных примесей, поскольку разработанный фильтроэлемент по степени улавливания частиц с диаметром более 0,005 мкм обеспечивает высокую (класс Н, эффективность Е>99,9995%) и сверхвысокую (класс U, эффективность Е>99,999995%) фильтрацию газов по классификации согласно ГОСТ Р 51251-99 [3]. Кроме того, в порах фильтроэлемента, также, имеет место улавливание молекулярных примесей за счет их аккомодации и вымораживания на развитой поверхности тонкопористой структуры с площадью извилистых каналов до 100 м²/г.

Регенерируемый, цилиндрический, многослойный фильтроэлемент с тонкопористым фильтрующим слоем изготовлен из никеля или нержавеющей стали по технологии авторов (Патент РФ №2044090, опублик. 1995 [4]). Его мембранная металлическая структура состоит из грубопористой, армирующей основы, на которую нанесен тонкопористый, фильтрующий слой. Толщина грубопористой основы с порами от 15 до 40 мкм составляет от 0,5 до 3 мм, а толщина тонкопористого слоя - от 50 до 100 мкм.

В зависимости от требований эффективности очистки и газодинамического сопротивления оптимальный средний размер пор тонкопористого фильтрующего слоя составляет 0,2-6 мкм. При диаметре пор менее 0,2 мкм фильтроэлемент характеризуется большим газодинамическим сопротивлением и соответствующими, нежелательными энергозатратами на его преодоление, а при диаметре пор более 6 мкм существенно уменьшается эффективность улавливания субмикронных дисперсных примесей.

Использование многослойного фильтроэлемента с тонкопористьм фильтрующим слоем на его фронтальной поверхности позволяет не только обеспечить высокоэффективное улавливание субмикронных частиц и молекулярных микропримесей, но и одновременно обеспечить периодическую регенерацию фильтроэлемента от накопленного фильтрата путем его периодической отдувки обратным импульсным потоком чистого газа через штуцер его подачи в устройство, соединенный с выходным патрубком. Регенерационный цикл осуществляется при существенном повышении газодинамического сопротивления фильтроэлемента в результате накопления фильтрата примесей на поверхности тонкопористого фильтрующего слоя, которое регистрируется измерителем сопротивления. Фильтрат примесей с поверхности тонкопористого слоя удаляется из устройства через штуцер для их вывода.

В процессе регенерации для эффективного удаления кристаллов углекислого газа, воды и других примесей температура чистого газа должна превышать температуру фильтруемого криогенного газа. В результате пористая структура фильтроэлемента должна быть устойчива к воздействию больших перепадов температур и соответствующих механических и тепловых напряжений. Поэтому цилиндрический, многослойный фильтроэлемент изготовлен из однородного металла в полностью сварном варианте без уплотняющих прокладок (резина, фторопласт 4 и т.п.).

Наличие дополнительного корпуса, установленного коаксиально с наружной стороны цилиндрического корпуса, имеющего экранно-вакуумную теплоизоляцию, позволяет осуществлять фильтрацию практически без теплообмена с окружающей средой (адиабатический режим) и, соответственно, поддерживать постоянную температуру фильтруемого криогенного газа в устройстве и на выходе из него. В существующих устройствах криогенный газ в процессе очистки частично нагревается в результате теплообмена с окружающей средой за счет излучения и теплопроводности, поскольку отсутствует экранно-вакуумная изоляция и/или ванна с охлаждающим, жидким криоагентом. В результате кристаллы и капли примесей частично испаряются, что загрязняет очищаемый криогенный газ. Устройство по изобретению свободно от указанного недостатка.

Кроме того, за счет создания экранно-вакуумной теплоизоляции процесс регенерации фильтроэлемента обратным потоком чистого газа осуществляется, также, в адиабатическом режиме. В результате теплосодержание чистого газа используется в основном для нагревания фильтроэлемента и кристаллов примесей с их последующим частичным испарением, что позволяет уменьшить его расход на регенерацию фильтроэлемента.

Наконец, использование экранно-вакуумной теплоизоляции позволяет упростить устройство за счет отказа от традиционно используемой ванны с жидким криоагентом для его охлаждения (Патент РФ №2111425, Кл. F 25 В 43/00, опублик. 1998 [1]).

Таким образом, за счет использования высокоэффективного, регенерируемого, цилиндрического, многослойного, выполненного полностью металлическим фильтроэлемента, имеющего тонкопористый фильтрующий слой с оптимальным размером пор от 0,2 до 6 мкм, его периодической регенерации обратным потоком чистого газа с температурой, превышающей температуру криогенного газа, а также создания адиабатического режима фильтрации и регенерации фильтроэлемента с помощью экранно-вакуумной теплоизоляции вокруг него достигается ожидаемый технический результат.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 приведена схема устройства для высокоэффективной фильтрации криогенных газов, а на Фиг.2 - фрагмент многослойной пористой структуры цилиндрического фильтроэлемента из металла с тонкопористым фильтрующим слоем.

Устройство для высокоэффективной фильтрации криогенных газов содержит: цилиндрический корпус 1, входной патрубок загрязненного криогенного газа 2, выходной патрубок очищенного криогенного газа 3, цилиндрический, многослойный фильтроэлемент 4, выполненный из металла, измеритель сопротивления устройства газовому потоку 5, штуцер для вывода фильтрата примесей 6, штуцер подачи чистого газа 7, дополнительный корпус 8 с внутренней экранно-вакуумной теплоизоляцией 9, вакуумный вентиль 10, запорные вентили 11, 12, 13 и 14.

Штуцеры 6 и 7 соединены с патрубками 2 и 3 соответственно. Экранно-вакуумная теплоизоляция 9 расположена между стенками корпусов 1 и 8. Устройство изготовлено из металла в полностью сварном варианте.

Многослойная, пористая структура (Фиг.2) фильтроэлемента 4 (Фиг.1) состоит из фронтального, тонкопористого, фильтрующего слоя 15, нанесенного на грубопористый, армирующий слой 16. Фильтрат примесей 17 улавливается в порах поверхности тонкопористого фильтрующего слоя 15.

Устройство работает следующим образом. В цилиндрический корпус 1 через входной патрубок 2 подается поток загрязненного криогенного газа и далее осуществляется его фильтрация путем пропускания через цилиндрический фильтроэлемент 4, который изготовлен из никеля с многослойной мембранной структурой и обеспечивает высокую (класс Н, эффективность Е>99,9995%) и сверхвысокую (класс U, эффективность Е>99,999995%) очистки по частицам с размером более 0,005 мкм согласно ГОСТ Р 51251-99 (3). В результате молекулярные примеси частично вымораживаются в порах металлического, тонкопористого, фильтрующего слоя 15 (Фиг.2), а субмикронные и грубодисперсные фильтраты примеси 17 высокоэффективно задерживаются в тонких порах его фронтальной поверхности.

Оптимальный размер пор фильтрующего слоя 15 составляет от 0,2 до 6 мкм, его толщина - от 50 до 100 мкм. Размер пор грубопористого армирующего слоя 16, служащего основой, на которую нанесен тонкопористый, фильтрующий слой 15, составляет от 15 до 40 мкм, а его толщина варьируется от 0,5 до 3 мм в зависимости от требований очистки криогенного газа.

Очищенный криогенный газ выводится из устройства через выходной патрубок 3.

В процессе очистки и накопления фильтрата примесей возрастает газодинамическое сопротивление Р цилиндрического фильтроэлемента 4, регистрируемое измерителем сопротивления устройства 5. При существенном увеличении величины Р перекрываются вентили 11 и 14 и последовательно открываются вентили 12 и 13. В результате от источника чистого газа (не показан) через штуцер 7 на фильтроэлемент 4 поступает импульсный поток очищенного газа с температурой, существенно превышающей температуру криогенного газа. Далее, через штуцер 6 удаляется накопленный фильтрат молекулярных и дисперсных примесей 17 из пор и с фронтальной поверхности тонкопористого, фильтрующего слоя 15 (Фиг.1 и 2).

Перед регенерацией абсолютное давление подаваемого чистого газа, регистрируемое измерителем сопротивления 5, должно быть в 1,5-2 раза меньше величины давления механического разрушения металлического, многослойного фильтроэлемента 4, составляющего 5-8 атм (Патент РФ №2044090, опублик. 1995 [4]).

Экранно-вакуумная теплоизоляция 9 состоит из нескольких слоев алюминизированной, политерефталатной пленки, проложенной прокладочным материалом на основе стеклобумаги с добавкой адсорбента на основе композиционной угольной ткани типа КУТ. Величина давления газа в полости между корпусами 1 и 8 с экранно-вакуумной теплоизоляцией 9 составляет от 10^-1 до 10^-4 мм рт. ст. в зависимости от требований эффективности очистки и температуры криогенного газа. Откачка газа осуществляется через вакуумный вентиль 10 с помощью форвакуумного и диффузионного насосов при изготовлении устройства. В процессе его эксплуатации величина вакуума эпизодически контролируется вакуумметром через вентиль 10 (вакуумметр, форвакуумный и диффузионный насосы не показаны).

Пример конкретного использования устройства.

Осуществляли глубокую очистку метана (CH₄) от субмикронных и грубодисперсных примесей двуокиси углерода (СО₂) при температуре около - 165°С. Объемный расход CH₄ варьировали от 100 до 200 нормальных см³/сек, а его абсолютное давление не превышало 3 атм.

Цилиндрический, многослойный, металлический фильтроэлемент 4 с тонкопористым, фильтрующим слоем класса Н(3,4) был изготовлен из никеля чистого с многослойной мембранной структурой. Площадь его геометрической поверхности была равна 100 см². Размер пор тонкопористого фильтрующего слоя 15 составлял 1-1,5 мкм, а его грубопористой основы 16 - около 20-25 мкм.

Корпусы 1 и 8, патрубки 2 и 3, штуцеры 6 и 7, вакуумный 10 и запорные 11, 12, 13 и 14 вентили были выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Для измерения сопротивления фильтроэлемента 4 и абсолютного давления метана использовались два образцовых манометра (модель 1227).

Экранно-вакуумная теплоизоляция 9 состояла из 20 слоев алюминизированной, политерефталатной пленки ПЭТ (марка К, ОА 12 мкм, ТУ17 ост 0273-86), проложенной прокладочным материалом на основе стеклобумаги с добавкой адсорбента на основе композиционной угольной ткани «КУТ». Величина давления газа в полости между корпусами 1 и 8 с экранно-вакуумной теплоизоляцией составляла около 10^-2 мм рт.ст.

Хроматомасспектрометрический анализ показал, что до очистки массовая концентрация примеси СО₂ в СН₄ составляла около 3%, а после очистки - менее 10^-4%.

Измеренное счетчиком ядер конденсации содержание дисперсных примесей в субмикронном диапазоне размеров частиц очищенного метана составляло менее 0,001 частиц/литр, что соответствует пределу точности обнаружения счетчика (около 0,001 частиц/литр). До очистки концентрация дисперсных примесей с размером частиц более 0,01 мкм варьировалась от 10 ⁴ до 10⁵ частиц/литр.

При увеличении газодинамического сопротивления Р фильтроэлемента до 0,5-1 атм осуществлялась его регенерация обратньм импульсным потоком очищенного CH₄ из баллона при температуре 10-15°С. Температура возгонки CO₂ составляет около -78°С. В процессе регенерации вентили 11 и 14 были закрыты, а вентили 6 и 7 открыты. Время регенерации составляло от 60 до 600 сек. В результате величина Р существенно уменьшалась и отличалась в 1,5-2 раза от первоначального значения сопротивления фильтроэлемента Р ₀=0,005-0,01 атм.

Таким образом, устройство для очистки криогенных газов по данному изобретению позволяет при сравнении с существующими увеличить в 10-10 эффективность очистки газов в адиабатическом режиме и, соответственно, обеспечивает их высокую и/или сверхвысокую очистку от дисперсных примесей в субмикронном диапазоне размеров частиц, а также позволяет осуществлять периодическую регенерацию фильтроэлемента в адиабатическом режиме от фильтрата накопленных примесей без его демонтажа и/или разборки.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания

1. Патент РФ, №2111425, МКИ F 25 В 43/00, опубл. 1998.

2. ГОСТ Р 51251-99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка.

3. Патент РФ, №2044090, МКИ F 25 В 43/02, опубл. 1995.

4. Криогенные приборы и устройства в ядерной физике, редактор А.Т.Зельдович, М.: Энергоиздат, с.175, 1982.

5. Патент РФ, №2042090, МКИ F 25 В 43/02, опубл. 1995 (прототип).