SU551480A1 - Cryogenic liquid cleaner - Google Patents

Description

1one

Изобретение относитс  к криогенной технике , к устройствам дл  очистки криогенных газов и жидкостей от малолетучих примесей и может быть использовано при получении криогенных жидкостей и газов высокой чистоты , необходимых в различных област х науки и техники (в  дерной физике, ракетной и космической технике и т. д.).The invention relates to cryogenic technology, to devices for purifying cryogenic gases and liquids from low volatile impurities, and can be used to obtain cryogenic liquids and high-purity gases needed in various fields of science and technology (in nuclear physics, rocket and space technology, etc.) d.)

В криогенных газах и жидкост х, вырабатываемых воздухоразделительными уставовками , ожижител ми азота, неона, водорода и гели , содержатс  твердые примеси, значительна  часть которых образована малолетучими веществами. Например, в техническом жидком кислороде посто нно присутствуе тверда  двуокись углерода, в жидком водороде - твердый воздух и т. д. Несмотр  наIn cryogenic gases and liquids produced by air separation units, liquefiers of nitrogen, neon, hydrogen and gels, solid impurities are contained, a significant part of which is formed by low volatile substances. For example, solid carbon dioxide is permanently present in technical liquid oxygen, solid air is present in liquid hydrogen, and so on.

сравнительно небольшое содержание твердыхrelatively low solid content

„I ,“I,

цримесеи в технических продуктах ( -Ю 10 об.%)присутствие их  вл етс  серьезной помехой дл  работы р да низкотемпературных устройств, в особенности оптических (например , водородных пузырьковых камер).Crimes in technical products (-10% by volume) their presence is a serious impediment to the operation of a number of low-temperature devices, especially optical (for example, hydrogen bubble chambers).

Обычно твердые примеси удал ютс  из криогенных жидкостей фильтрацией. Но эффективность этого способа ограничена тем, что размеры пор фильтров нельз  уменьшить беспредельно .Typically, solids are removed from cryogenic liquids by filtration. But the effectiveness of this method is limited by the fact that the pore sizes of filters cannot be reduced infinitely.

При размерах пор около 1 мкм пропускна  способность фильтров уменьшаетс  настолько , что фильтраци  требует чрезмерно много времени.With a pore size of about 1 micron, the filter capacity is reduced to such an extent that filtration takes an excessive amount of time.

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 испарени  и конденсации кислорода содержание двуокиси углерода снижаетс  от 5 0,8 .% 1 .There are known devices (prototype) containing a condenser and an evaporator filled with a refrigerant, in which the purification of liquid oxygen from solid impurities is based on recondensation. In these devices, due to re-evaporation and condensation of oxygen, the content of carbon dioxide decreases from 5 0.8.% 1.

Но указанное устройство не обеспечивает степень требуемой очистки, близкую 6,6. объемных. Т.е. теоретически возможна  чистота кислорода по СО. в несколько сот раз выше обеспечиваемой известным устройством . Объ сн етс  это частичным уносом COj с парами кип щего в неравновесных услови х раствора двуокиси углерода в жидком кислороде .But the specified device does not provide the degree of required cleaning, close to 6.6. bulk. Those. theoretically possible purity of oxygen in CO. several hundred times higher than that provided by a known device. This is attributed to the partial carry-over of COj with vapor of a solution of carbon dioxide in liquid oxygen boiling under nonequilibrium conditions.

Целью насто щего изобретени   вл етс  повышение степени очистки.The object of the present invention is to increase the degree of purification.

Это достигаетс  тем, что испаритель снажен вымораживателем, выполненным в виде горизонтально расположенного змеевика, выходкой патрубок которого подключен к конденсатору , входной патрубок размещен над уровнем хладагента, а нижн   часть вым.ораживател  погружена в жидкость, причем на верхней частью вымораживател  установлен подогреватель.This is achieved by the fact that the evaporator is equipped with a freezer, made in the form of a horizontal coil, the discharge pipe of which is connected to the condenser, the inlet pipe is located above the refrigerant level, and the lower part of the defroster is immersed in the liquid, with a heater installed on the upper part of the freezer.

Схема описываемого устройства дл  очиски , например жидкого кислорода, от твердой двуокиси углерода показана на чертеже.The scheme of the described device for cleaning, for example, liquid oxygen from solid carbon dioxide is shown in the drawing.

Устройство состоит из фильтра 1, теплоизолированного испарител  2, встроенного в испаритель вымораживател  3, выполненного в виде горизонтально распополненного змеевика, погруженного частично в жидкость испарител , подогревател  4, пористой насадки 5, размещенной в вымораживателе, ванны 6 с жидким азотом (или кип щим при пониже11ном давлении кислородом ) и конденсатора 7. Устройство работает следующим образом.The device consists of a filter 1, a thermally insulated evaporator 2 embedded in the evaporator of the freezer 3, made in the form of a horizontally filled coil, partially immersed in the evaporator liquid, preheater 4, a porous nozzle 5 placed in the freezer, a bath 6 with liquid nitrogen (or boiling at lower pressure with oxygen) and a condenser 7. The device operates as follows.

Кислород, очищенный предварительно на фильтре 1, испар етс  в испарителе 2 и поступает нз парового объема испарител  непосрественно в вымораживатель 3. Выход щий из выморажквател  газообразный кислород ежижае1х:  в конденсаторе 7, Испарение кислорода в испарителе может осуществл етьс  или за счет естественного подвода тепла (из -за наличи  остаточного теплопритока извне через теплоизол цию емкости) илиThe pre-cleaned oxygen on filter 1 evaporates in the evaporator 2 and enters the vapor volume of the evaporator immediately into the freezer 3. The oxygen gas out of the freezer remains in the condenser 7, Evaporation of oxygen in the evaporator can occur or due to natural heat supply ( due to the presence of residual heat supply from the outside through the thermal insulation of the container) or

включением подогревател  4,turning on the heater 4,

На. противоположных сторонах витков змеевика вымораживател  3 возникает разность температур, определ ема  уровнем жидкости в испарителе и теплопритоком к паровому объему емкостиOn. opposite sides of the turns of the coil of the freezer 3, a temperature difference arises, determined by the level of the liquid in the evaporator and the heat leakage to the vapor volume of the tank

7 7

где Т -температура холодной стороны змеевика , близка  к температуре жидкости.where T is the temperature of the cold side of the coil, close to the temperature of the liquid.

Т - температура теплой стороны зме.евика .T is the temperature of the warm side of the snake.

Пары кип щего кислорода, проход  через витки змеевика, многократно охлаждаютс  до температуры T.j и нагреваютс  до температуры Т,,, двуокись углерода, содержаща с  в парах кислорода, кристаллизуетс  в каждом из витков змеевика, частично выморажива сь на его поверхности, частично унос сь с потоком кислорода в виде высокодисперсной взвеси или пересыщенного пара в теплый учасггок витка и там сублимиру сь.The boiling oxygen vapor, the passage through the coil turns, is repeatedly cooled to the temperature Tj and heated to the temperature T ,,, carbon dioxide contained in the vapor of oxygen, crystallizes in each of the turns of the coil, partially freezing on its surface, partially carrying away the flow of oxygen in the form of finely dispersed suspension or supersaturated steam in the warm part of the loop and there sublimated.

Скорость испарени  жидкого кислорода, регулируема  изменением мощности нагрева (например, изменением остаточного давлени  The rate of evaporation of liquid oxygen, regulated by changing the heating power (for example, by changing the residual pressure

газа в теплоизол ционной полости емкости или мощности подогревател  4J,подбираетс  равной скорости подачи жидкости в емкость с тем, чтобы уровень жидкости в емкости и, значит, перепад температур между теплой и холодной сторонами змеевика был посто нным.The gas in the heat-insulating cavity of the tank or the power of the preheater 4J is chosen equal to the rate at which the fluid is supplied to the tank so that the liquid level in the tank and, therefore, the temperature difference between the warm and cold sides of the coil is constant.

Регулированием уровн  жидкости тепла  сторона змеевика поддерживаетс  при температуре , достаточной дл  возгонки кристаллической взвеси СО, не вымороженной в витке.By adjusting the level of liquid heat, the side of the coil is maintained at a temperature sufficient to sublimate the crystalline suspension of CO not frozen in the coil.

Оставшеес  количество СО2 вновь кристаллизуетс  в холодном участке следующего витка змеевика и т.д. Таким образом в змеевике , как в многоступенчатом вымораживателе , происходит достаточно полное удаление двуокиси углерода, содержащегос  первоначально в парах кислорода.The remaining amount of CO2 crystallizes again in the cold region of the next coil loop, etc. Thus, in a coil, as in a multi-stage freezer, a sufficiently complete removal of carbon dioxide, initially contained in oxygen vapor, occurs.

Эффективность работы предлагаемого устройства существенно зависит от температуры жидкого кислорода в испарителе. С понижением температуры уменьщаетс  давление паров и растворимость двуокиси углерода в жиком кислороде и, в конечном итоге, значительно уменьщаетс  содержание СО2 в килороде после вымораживател  3. Конденсиру  пары кислорода, выход щие из выморалнивател , в конденсаторе 7, погруженном в ванну с жидким, азотом, можно понизить давление паров и соответственно температуру жидкого кислорода, кип щего 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. понизитс  до величины, сравнимой со значением, определ емым десорбцией СОij из материала теплых участков теплообменника и других деталей устройства.The efficiency of the proposed device significantly depends on the temperature of the liquid oxygen in the evaporator. With a decrease in temperature, the vapor pressure and solubility of carbon dioxide in oxygen are reduced and, ultimately, the CO2 content in kilor after the freezer 3 significantly decreases. Condensir oxygen vapor coming out of the freezer in the condenser 7, immersed in a bath with liquid, nitrogen, it is possible to lower the vapor pressure and, accordingly, the temperature of liquid oxygen boiling in the evaporator 2 For example, if the evaporation of liquid oxygen is carried out at a temperature of 80 ° K, the residual content of COj can be brought to 10% by volume, and at T 77 ° K the residual CO2 content. decreases to a value comparable to the value determined by the desorption of COij from the material of the warm sections of the heat exchanger and other parts of the device.

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, позвол ет избежать такого нежелательного дл  процесса вымораживани   влени , «ак частична  конденсаци  кислорода в вымораживателе .The process of additional purification of oxygen in the freezer, placed directly in the same device, where the evaporation of liquid oxygen, i.e. The combination of the two cleaning processes in a constructively uniform device avoids such an undesirable phenomenon of the freezing process, as a partial condensation of oxygen in the freezer.

В предлагаемом устройстве обеспечиваетс  обратна  св зь между давлением паров кислорода на выходе из вымораживател  и температурой жидкого кислорода, при заданном давлении на выходе теплообменника-вымораживател  жидкий кислород прогреваетс  до температуры, соответствующей этому давлению и поэтому в установившелл;  режимеIn the proposed device, a feedback is provided between the oxygen vapor pressure at the outlet of the freezer and the temperature of the liquid oxygen, at a given pressure at the outlet of the heat exchanger-freezer, the liquid oxygen is heated to a temperature corresponding to this pressure and therefore set to the shell; mode

испарени  пары кислорода не конденсируютс  в процессе вымораживани  СО2.The vaporization of the oxygen vapor does not condense during CO2 freezing.

Таким образом предлагаемое устройство, в котором органически сочетаютс  два процесса очистки, а именно переконденсации и вымораживани , позвол ет повысить степень очистки в 100 и более раз по сравнению с известными предложени ми.Thus, the proposed device, in which two purification processes, namely recondensation and freezing, are organically combined allows one to increase the degree of purification by a factor of 100 or more in comparison with the known proposals.

Эффективность предлагаемого устройства может быть дополнительно повышена размещением внутри вымораживател  пористой насадки с высокой удельной поверхностью, например силикагел .The effectiveness of the proposed device can be further enhanced by the placement inside the freezer of a porous nozzle with a high specific surface, for example, silica gel.

Наличие такой насадки позвол ет не только увеличить полноту вымораживани  примеси , но и получить дополнительный эффект очистки за счет сорбции остаточного, невымороженного количества примеси на высокоразвитой поверхности насадки.The presence of such a nozzle allows not only to increase the completeness of freezing of the impurity, but also to obtain an additional cleaning effect due to the sorption of the residual, non-frozen amount of impurity on the highly developed surface of the nozzle.

Это устройство может быть использовано также дл  очистки жидкого водорода, гели  и других криогенных жидкостей.This device can also be used to purify liquid hydrogen, gels and other cryogenic liquids.

Claims (2)

Формула изобретени Invention Formula Устройство дл  очистки криогенной жидкости от примесей, содержащее коденсатор и заполненный жидким хладагентом испаритель , отличающеес  тем, что, с целью повыщени  степени очистки, испаритель снабжен вымораживателем, выполненным в виде горизонтально расположенного змеевика, выходной патрубок которого подключен к конденсатору, входной патрубок размещен над уровнем хладагента, а нижн   часть вымораживател  погружена в жидкостьA device for purifying cryogenic liquid from impurities, containing a condenser and an evaporator filled with liquid refrigerant, characterized in that, in order to increase the degree of purification, the evaporator is provided with a freezer, made in the form of a horizontal coil, the outlet of which is connected to the condenser, the inlet is located above the level refrigerant, and the bottom of the freezer is immersed in liquid 2. Устройство по п. 1, отлича ющ е е с   тем, что над верхней частью вымораживател  установлен подогреватель.2. The device according to claim 1, characterized by the fact that a heater is installed above the top of the freezer. Источники информации, использованные при экспертизе,Sources of information used in the examination, 1. Справочник Кислород, ч. 1, Метаплургиздат , М., с 198-206, 1967,1. Reference Oxygen, Part 1, Metaplurgizdat, M., from 198-206, 1967,