способ работы вакуумного криоадсорбционного устройства в теплоизоляционной полости криогенного резервуара

Формула изобретения

СПОСОБ РАБОТЫ ВАКУУМНОГО КРИОАДСОРБЦИОННОГО УСТРОЙСТВА В ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЙ ПОЛОСТИ КРИОГЕННОГО РЕЗЕРВУАРА, включающий поглощение газов путем адсорбции их адсорбентом, отличающийся тем, что изменяют среднюю температуру криогенной жидкости путем изменения давления в криогенной емкости, а теплоизоляционную полость криогенного резервуара сообщают с вакуумными средствами откачки, причем адсорбцию осуществляют путем снижения давления в емкости, а регенерацию - путем повышения давления в емкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к способам эксплуатации адсорбционных устройств.

Известен способ работы высоковакуумного адсорбционного насоса, в котором в качестве адсорбента используют вещество с фазовым переходом металл-полупроводник, адсорбцию осуществляют путем нагрева вещества до температуры фазоперехода, а регенерацию путем охлаждения вещества до температуры, на 5-10^оС меньшей температуры фазового перехода. Небольшая разница в температурах адсорбции и десорбции позволяет снизить энергозатраты в процессе эксплуатации насосов, использующих в качестве адсорбента вещество с фазовым переходом металл-полупроводник [1]

Недостатком известного способа является его узкая область действия, он применим только для насосов, использующих в качестве адсорбента вещество с фазовым переходом металл-полупроводник.

Известен способ работы криоадсорбционного насоса, в котором в качестве сорбента используют сорбирующее вещество парамагнетик, а его регенерацию проводят в магнитном поле. Способ позволяет увеличить КПД насоса, увеличивается скорость охлаждения и регенерации сорбента ввиду незначительного времени релаксации сорбента парамагнетика [2]

Недостатком известного способа является его узкая область действия, он применим только для адсорбционных устройств, использующих в качестве адсорбента вещество парамагнетик.

Известен способ работы встроенного криоадсорбционного насоса, в котором при заполнении ванны жидким криоагентом через патрубок во внутренний объем сосуда за счет гиидростатического давления поступает жидкий агент. Газ, заполняющий сосуд, при этом конденсируется и внутри сосуда создается разрежение, компенсируемое продолжающим поступать жидким хладагентом. В конечном итоге внутренний объем сосуда полностью заполняется жидким хладагентом, сорбционный элемент охлаждается и сорбент начинает поглощать газ, подводимый к нему из откачиваемого объема по патрубку. После полного насыщения сорбента (или при уменьшении скорости откачки ниже допустимой) патрубок отключается от откачиваемого объема и включается нагреватель. При этом остатки жидкого хладагента вытесняются через патрубок из сосуда паром, сорбционный элемент нагревается и происходит регенерация сорбента. Способ работы известного устройства [3] обеспечивает возможность охлаждения сорбционного элемента непосредственно жидким хладагентом при условии минимального расхода последнего, а также простоту и экономичность процесса регенерации. Однако недостатком способа работы известного устройства [3] является сложность устройства, снижение полезного объема криогенной емкости.

Известен способ работы сосуда для хранения криогенной жидкости, в котором сосуд содержит внутреннюю и наружную обечайки, расположенную между ними вакуумную теплоизоляцию, карманы с адсорбентом и нагревательные элементы, расположенные на внутренней обечайке [4] Однако, для регенерации адсорбента в данном сосуде необходимо сливать криогенную жидкость. Что приводит к неизбежным потерям последней.

Известен сосуд для хранения криогенной жидкости, содержащий внутреннюю и наружную обечайки, расположенные между ними вакуумную теплоизоляцию, карман с адсорбентом и нагревательные элементы, соединенные с карманами, а также механический привод с тягой, связанной с карманом, привод установлен на наружной обечайке посредством кронштейнов. Однако выведенный наружу привод уменьшает надежность известного сосуда в части поддержания вакуума в теплоизоляции и приводит к дополнительным теплопритокам к внутренней обечайке.

Известен сосуд для хранения криогенной жидкости, содержащий внутреннюю и наружную обечайки с расположенной между ними вакуумной теплоизоляцией, карман с адсорбентом, нагревательный элемент, соединенный с карманом, электропривод с кронштейнами из нетеплопроводного материала, установленными на внутренней обечайке и подпружиненными тягами, связанными шарнирно с карманом, нагревательный элемент выполнен со стороны внутренней обечайки по ее форме [5] Известный сосуд позволяет проводить многократную регенерацию адсорбента без слива криогенной жидкости, а также прогрев теплоизоляции во время вакуумирования последней с одновременным уменьшением трудоемкости указанных процессов и повышением надежности работы по сравнению с известными сосудами. Однако наличие электрического привода в теплоизоляционных полостях не всегда допустимо, особенно при эксплуатации сосудов с взрывоопасными криопродуктами, такими как кислород, водород и т. д. Кроме того, наличие подвижных элементов в теплоизоляционной полости также нежелательно ввиду отсутствия возможности их технического обслуживания или замены.

Наиболее близким техническим решением является способ работы встроенного криоадсорбционного насоса [6] в котором в период регенерации криоадсорбционного насоса через спиральный трубопровод подается горячий теплоноситель, например, горячий газ, что вызывает десорбцию адсорбированной мелкодисперсным адсорбентом среды. Способ обеспечивает восстановление поглотительной способности адсорбента. Однако недостатком способа является низкая экономичность процесса регенерации в связи с неизбежными потерями криогенной жидкости при передавливании ее в другую емкость, а также повышенные трудозатраты. энергозатраты при проведении регенерации.

Задачей изобретения является снижение трудозатрат, энергозатрат, а также сокращение потерь криопродукта во время проведения регенерации.

Это достигается тем, что в известном способе работы вакуумного криоадсорбционного устройства в теплоизоляционной полости криогенного резервуара, включающем поглощение газов путем адсорбции их адсорбентом, сокращения потерь криоагента в процессе регенерации, изменяют среднюю температуру криоагенной жидкости путем изменения давления в криогенной емкости, а теплоизоляционную полость криогенного резервуара сообщают с вакуумными средствами откачки, причем адсорбцию осуществляют путем снижения давления в емкости, а регенерацию путем повышения давления в емкости.

Сущность изобретения заключается в изменении температуры адсорбента встроенного криоадсорбционного насоса в процессе эксплуатации за счет изменения температуры кипения криогенной жидкости путем изменения рабочего давления в криогенной емкости, а теплоизоляционную полость сообщают с вакуумными средствами откачки, например, со съемным химическим патроном с газовым поглотителем, причем адсорбцию осуществляют путем снижения рабочего давления в емкости, а регенерацию путем повышения давления в емкости, в частности в штатном процессе повышения рабочего давления при выполнении определенных технологических операций.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что прогрев адсорбента до температуры десорбции трудноконденсируемых газов осуществляют путем повышения рабочего давления в емкости для криогенной жидкости, а теплоизоляционную полость при этом сообщают с газопоглотителем. Таким образом, способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известно техническое решение, в котором регенерацию сорбента производят в магнитном поле, а в качестве сорбента используют сорбирующее вещество парамагнетик. Однако указанный способ нельзя применить для наиболее распространенных эффективных сорбирующих веществ, таких как, например, цеолит СаЕН-4В, или активированный уголь. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию охраноспособности "неогебидность".

Сущность изобретения поясняется следующими математическими рассуждениями. При исследовании адсорбции на вакуумных цеолитах СаА-4В и СаЕН-4В в области заполнений 0,01 Q 0,9 в результате экспериментов установлено, что в области заполнений адсорбционного пространства Q 0,1 адсорбция подчиняется уравнению Генри: v=B P exp(d/RT), где B экспериментальная постоянная; P давление над адсорбентом; q теплота сорбции; v удельная поглотительная способность сорбента при давлении P и температуре T. Из экспериментов известно, что q const для T=30-40К, R универсальная постоянная [8]

Таким образом, для T₁<T<SUB>2
v₁=BPe

v₂=BPe

e =e

Для азота для диапазона давлений P=1-10 атм известно

T_пас=77,36 K при P=0,1013 мПа (760 мм рт. ст);

T_нас=104K при P=1,017 мПа;

T_нас=106K при P=1,154 мПа.

Изменение давления на 10 атм дает изменение температуры жидкого азота на T=26,64 К.

= = -3,3110^-3

q/R 854,27

5,9110^-2 6%

Таким образом, при изменении температуры жидкого азота и соответственно сорбента на T=26,64 К в результате десорбции в сорбенте остается только 6% адсорбированных при 77,36 К газов. Для кислорода имеем

T_нас=90,18 K при P=1013,2 гПа;

T_нас=120 K при P=10216 гПа

Таким образом,

9,510^-2 10%

Для жидкого водорода по диаграмме T--S для водорода

T_нас=20,2 K при P=0,1 мПа;

T_нас=32 K при P=1,0 мПа;

T=12,2 K; = = -1,8310^-2

e=e^-6,1599=2,1110^-3 0,2%

0,2%

На чертеже изображен криогенный резервуар с встроенным криоадсорбционным насосом, реализующим предлагаемый способ.

Криогенный резервуар содержит наружный кожух 1, криогенную емкость 2 с криоагентом, встроенный криоадсорбционный насос 3, химический патрон 4 с газопоглотителем, испаритель криогенной жиидкости 5, дренажный газовый клапан 6. Встроенный криоадсорбционный насос 3 криоагентом происходит охлаждение сорбента с последующей сорбцией им газов. После насыщения сорбента газами повышают давление в криогенной емкости путем отсечки дренажного газового клапана 6 и накоплением газовых паров и в криогенной емкости 2 или испарением части жидкости испарителем 5. При этом повышается температура кипения криогенной жидкости и за счет теплопритоков из вне растет средняя температуа криожидкости без соответствующего ее испарения, достигая величины, равной новой температуре ее испарения. Вместе с повышением температуры криоагента нагревается и криоадсорбционный насос 3. И, так как величина адсорбции сильно зависит от температуры, достаточно небольшого повышения температуры адсорбента, чтобы десорбировать большинство газов, которые активно поглощаются переносным химическим патроном 4 с газопоглотителем. После проведения регенерации снижают величину рабочего давления в криогенной емкости 3 до давления хранения криогенной жидкости. Так как температура кипения криогенной жидкости снижается, то за счет интенсифицирующегося испарения средняя температура криожидкости снижается до первоначальной величины. При этом понижается температура сорбента встроенного криоадсорбционного насоса 3. Начинается адсорбция газов из полости кожуха 1. В криогенной емкости 2, имеющей вытеснительную систему по- дачи хладагента, регенерация адсорбента осуществляется во время штатного процесса повышения давления для выполнения технологических операций, в частности передавливания компонента. В этом случае регенерация адсорбента производится с наименьшими затратами за счет использования неизбежного повышения температуры жидкости в штатном технологическом процессе и применении газопоглотителя с возобновляемым время от времени химическим поглотителем. В этом случае для проведения наиболее полной регенерации повышенное давление в газовой подушке криогенной емкости 2 оставляют до момента начала стабилизации снижающегося давления в вакуумной полости последующего процессу повышения в полости кожуха 1 во время десорбции.

Итак, в результате использования способа работы высоковакуумного встроенного насоса криогенного резервуара достигается существенное снижение энергетических, трудовых затрат, сокращаются потери криоагента в процессе регенерации за счет исключения операции опорожнения емкости и ее отогрева с неизбежными внушительными (до 200 т для жидкого водорода, до 100 т для жидкого кислорода, свыше 100 т для жидкого азота для резервуара РС-1400/1,0) потерями криогенной жидкости при ее передавливании в теплый резервуар. Процесс регенерации из многооперационного преобразуется в малооперационный процесс. Способ весьма полезен при эксплуатации крупных криогенных комплексов с тенденцией их развития в сторону безлюдной технологии и позволяет существенно увеличить продолжительность межрегламентного периода.