Способ производства сухого льда
Иллюстрации
Реферат
1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СУХОГО ЛЬДА, заключающийся в сжатии газообразной углекислоты, ее охлаждении , отделении от масла, сжижении с последующим дросселированием до давления образования сухого льда, отличающийся тем, что, с целью повьшения эффективности, сжижение газообразной углекислоты осуществляют путем перевода ее в газовые гидраты при контактировании с водой, полученные гидраты сжимают до давления, превышающего давление верхней инвариантной точки и плавят при температуре и давлении предпочтительно 285 К и 4,75 МПа с получением воды и сжиженной углекислоты, которые разделяют. 2. Способ по отличающ и и с я тем, что полученную при плавлении .воду возвращают для контак-§ тирования с газообразной углекисло Л той, а пары углекислоты, образовавшиеся после дросселирования, возвращают для образования гидратов.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ%
РЕСПУБЛИК ив я (!!l 1 А
3(58 F 25 J t!00 с о в
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К ABT0PCHOIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Уг
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 35434 73 23-26 (22) 14.01. 83 (46) 07. 09. 84. Бюл. Ф 33 (72) Э.А.Бакум (71) Одесский технологический институт холодильной промышленности (53) 621.574:621.592(088.8) (56) 1. Соколов Г.Я. и Бродянский В.H.
"Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения . М., Энергоиздат, 1981, с. 224-226.
2. Чуклин С.Г., Мартыновский В.C., Мельцер Л.З. "Холодильные установки .
M., Госкомиздат, 1961, с. 384. (54)(57) 1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА
СУХОГО ЛЬДА, заключающийся в сжатии газообразной углекислоты, ее охлаж— дении, отделении от масла, сжижении с последующим дросселиронанием до давления образования сухого льда, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, сжижение газообразной углекислоты осуществляют путем перевода ее в газовые гидраты при контактировании с водой, полученные гидраты сжимают до давления, превышающего давление верхней инвариантной точки и плавят при температуре и давлении предпочтительно 285 К и 4,75 МПа с получеННеМ воды и сжиженной углекислоты, которые разделяют.
2. Способ по п.), о т л и ч а ю— щ и и с. я тем, что полученную при плавлении воду возвращают для контак-
Я тирования с газообразной углекислотой, а пары углекислоты, образовавшиеся после дросселирования, возвращают для образования гидратов.
1112202
Изобретение относится к холодиль: —, ной технике и может найти применение при производстве сухого льда.
Известен способ производства сухого льда при высоком давлении, заключающийся в трехступенчатом сжатии газообразной углекислоты до давления ".70 МПа с промежуточным охлаждением, отделении масла, сжижении и трехступенчатом дросселировании до 10 давления 0,1 МПа с получением сухого льда и газообразной углекислоты (1) .
Недостатками данного способа являются большие энергозатраты и необходимость проведения трехступенчатого 15 сжатия газообразной углекислоты. Кроме того, очистка сжатой газообразной углекислоты от масла затруднена в связи с тем, что удельный вес смазочного масла и газообразной углекисло- 20 ты при давлениях, близких к критическому, незначительно отличаются друг от друга.
Наиболее близким к изобретению яв25 ляется способ производства сухого льда при среднем давлении, состоящий из двухступенчатого сжатия газообразной углекислоты до давления -2 MIa c промежуточным охлаждением, отделения масла, осушения, сжижения и двухстуЗО пенчатого дросселирования до давления 0,1 MIa с получением сухого льда и газообразной углекислоты.
Способ реализуется следующим образом. Углекислый газ, поступающий изЗ5 газовой части завода при давлении
О, 1 МПа и температуре 293 К, сжимается до давления, несколько превышающе. го давление тройной точки (Р .
=530 кПа), обычно до 0,6-0,8 МПа. 40
При сжатии температура его повьппается до температуры, значительно превы шающей температуру окружающей среды (обычно выше 373 К). Для уменьшения энергозатрат на выработку сухого льда газообразную углекислоту охлаждают до 333 К, отводя тепло в окружающую среду, после чего ее очищают от масла, осушают от влаги путем абсорбции влаги хлористым кальцием(либо другим абсорбентом), смешивают с парами углекислоты, образующимися после дросселирования и сжимают до давления
1,7-2,0 KIa. Сжатый газ предварительно охлаждают до температуры "333 К, 55 отводя тепло в окружающую среду, отделяют от масла, предварительно осушают, контактируя с селикагелем, а затем осушают вымораживанием влаги. 1
После осушки углекислый газ конденсируют при 248 К, отводя теплоту конденсации за счет кипения аммиака в холодильной установке при 243-245 К.
Жидкая углекислота дросселируется до давления 0,6-0,8 МПа, а затем до давления 0,1 МПа, в результате чего она превращается в двухфазную смесь газообразной и твердой углекислоты. Твердую углекислоту прессуют в блоки и направляют потребителю, а газообразную возвращают на сжатие (2 .
Недостатком известного способа является то, что тепло конденсации углекислоты воспринимается хладагентом, кипящим при " 243-248 К, так как равновесная температура конденса ции углекислоты при давлении 1,7:
-2 МПа составляет 248-253 К, т.е. необходимо тепло конденсации переносить с температурного уровня 248 К на уровень выше 298 К, так как температура окружающей среды обычно 293—
298 К. Недостатком также являются непроизводительные затраты энергии на покрытие теплопритоков из окружающей среды, так как чем ниже температура проведения процесса, тем больше теплопритоков, кроме того, требуется осушка газообразной углекислоты от влаги до точки росы 2t3-214 К, а также необходимо использовать селикагель и хлористый кальций.
Цель изобретения — повышение эффектизности.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в сжатии газообразной углекислоты, ее охлаждении, отделении от масла, сжижении с последующим дросселированием до давления образования сухого льда, сжижение газообразной углекислоты осуществляют путем перевода ее в газовые гидраты при контактировании с водой„ полученные гидраты сжимают до давления, превьппающего давление верхней инвариантной точки и плавят при температуре и давлении предпочтительно 285 К и 4,75 МПа с получением воды и сжиженной углекислоты, которые разделяют.
Кроме того, полученную при плавлении воду возвращают для контактирования с газообразной углекислотой, а пары углекислоты, образовавшиеся ,после дросселирования, возвращаюг для образования гидратов.
i 1 1 2202
На чертеже показана установка, реализующая предлагаемый способ.
Установка состоит из углекислотных компрессоров 1 и 2, промежуточных охладителей первой и второй ступеней 5
3 и 4, маслоотделителей 5 и 6, промежуточного сосуда 7 и дополнительного промежуточного сосуда 8, генератора 9 сухого льда, абсорбера-кристаллизатора 10, имеющего встроенный змеевик
11, ресивера-плавителя 12 со встроенным змеевиком 13 и поддерживающей решеткой 14, холодильного компрессора
15, дополнительного холодильного компрессора 16, промежуточного сосуда
17, конденсатора 18, насоса 19, установленного на одном валу с гидротурбиной 20 и электродвигателем 21, осушителей 22 влаги, установленных па— раллельно, дросселирующих вентилей 20
23-27 и запорного вентиля 28. Всасывающая полость компрессора 1 соединена с трубопроводом 29 подачи исходной газообразной углекислоты и с генератором 9 сухого льда, нагнетательная через последовательно установленные промежуточный охладитель 3 и маслоотделитель 5 — с всасывающей полостью компрессора 2, которая соединена также с верхней частью промежуточного 36 сосуда 7. Нагнетательная полость компрессора 2 соединена через промежуточный охладитель 4 с маслоотделителем
6, выход из которого соединен с верхней частью дополнительного промежу-точного сосуда 8 и с входом в абсорбер-кристаллизатор 10, соединенный по суспензии через насос 19 с ресиверомплавителем 12. Нижняя часть ресивера-, плавителя 12 соединена по воде через 40 гидротурбину 20 с верхней частью абсорбера-кристаллизатора, а по жидкой углекислоте через один из двух параллельно установленных осушителей
22 влаги и дроссельный вентиль 25 — 45 со средней частью дополнительного промежуточного сосуда 8, нижняя часть которого через дроссельный вентиль 24 соединена со средней частью промежуточного сосуда 7, а нижняя 5Î часть последнего через дроссельный вентиль 23 — с генератором 9 сухого льда. Компрессор 15 соединен всасывающей полостью с выходом из змеевика 11, а нагнетательной — с входом в змеевик 13 и всасывающей полостью дополнительного компрессора l6. Выход из змеевика 13 через дроссельный вентиль 26 соединен с входом в змеевик
11. Нагнетательная полость компрессора 16 соединена через конденсатор
18 и дроссельный вентиль 27 со сред-. ней частью промежуточного сосуда l7,верхняя часть которого соединена с входом в змеевик 13> а нижняя часть с выходом из змеевика 13 перед р гу" лирующим вентилем 26.
Установка работает следующим образом.
Газообразная углекислота вводится . в установку извне по трубопроводу 29 при давлении 0,1 Mlia и 293 К, смешивается с парами углекислоты, выделившимися в генераторе 9 сухого льда при давлении 0,1 ИПа и 194 К, направляется во всасывающую полость компрессора 1 и сжимается им до давления, несколько превышающего давление тройной точки (P г =530 кПа), обычно до
0,6-0,65 ИПа. Углекислота, выходящая из компрессора 1, имеет обычно температуру, значительно превьппающую температуру окружающей среды. Для уменьшения энергозатрат на выработку сухого льда ее пропускают через промежуточный охладитель 3, где за счет отвода тепла температура ее снижается. Затем углекислоту очищают от масла в маслоотделителе 5, смешивают с парами углекислоты, выделившимися при том же давлении (0,6-0,65 МПа) в промежуточном сосуде 7, и направляют в компрессор 2, в котором сжимают ее до давления 1,7-2 МПа. Газообразную углекислоту, выходящую из компрессора 2, пропускают через промежуточный охладитель 4, маслоотделитель
1/
6, смешивают с парами углекислоты, выделившимися при том же давлении (1,7-2 ИПа) в дополнительном промежуточном сосуде 8, и направляют в абсорбер-кристаллизатор 10, в котором они контактируют с водой: При переме шивании в результате циркуляции воды и барботажа газообразной углекислоты в абсорбере-кристаллизаторе образуются гидраты углекислоты при давлении
1,7-2 ИПа и 2?6 К. Теплота охлаждения и гидратообразования отводится хладагентом, кипящим в змеевике 11 при 273 К. Суспензию (смесь 15-30% гидратов и воды) сжимают до давления
4,75 ИПа насосом 19 и направляют в ресивер-плавитель 12, в котором гидраты, задерживаясь решеткой 14, сначала иэобарически нагреваются до
1112202
285 К, а затем плавятся с образованием воды и жидкой углекислоты. Теплота нагревания суспензии и плавления гидратов подводится через теплопередающую поверхность змеевика 13 в ре- 5 зультате конденсации паров хладагента, сжатых компрессором 15. Жидкие воца и углекислота стекают в нижнюю часть ресивера-плавителя и разделяются под действием силы тяжести из-за разности плотностей (5 0 =1000 кг/м, =843,2 кг/м ). Вода отбирается
И 0 с02 из нижней т зчки ресивера-плавителя и через гидротурбину 20, в которой регенерируется часть работы насоса
19, возвращается в абсорбер-кристаллизатор 10. Жидкая углекислота выводится из средней точки ресивераплавителя и через один из параллельно установленных и периодически работающих в режиме осушки и регенерации осушителей 22 влаги (в качестве осушителей влаги могут быть использованы вымораживатели либо абсорбе25 ры) поступает через дроссельный вентиль 25, понижающий г;авление углекислоты до 1,7-2 МПа, в дополнительный промежуточный сосуд 8, в котором происходит разделение фаз (из дроссельного вентиля углекислота выходит в состоянии двухфазной смеси ю:.„кости и napa). Выделившиеся пары углекислоты смешивают с газообразной углекислотой, выходящей из маслоотделителя 6, и направляют в абсорбер- 35 кристаллизатор 10, а жидкую углекислоту через дроссельный вентиль 24, в котором давление снижается до
0,6 МПа, направляют в промежуточный сосуд 7 в виде двухфазной смеси — 40 жидкости и пара. После разделения фаз в промежуточном сосуде 7 пары направляют на всасывание компрессора 2, а жидкую углекислоту через дроссельный вентиль 23 — в генератор 9 сухого45 льда. Б дроссельном вентиле 23 давление углекислоты понижается от 3,6 до - 0,1 МПа, в результате чего жидкая углекислота превращается в двух фазную смесь пара и твердого тела, 50 которая поступает в генератор 9 сухого льда, где происходит разделение фаз. Твердая углекислота накапливается в генераторе 9 сухого льда, периодически прессуется и выводится из не-55 го в виде блоков сухого льда, а парообразная направляется на всасывание компрессора 1.
В соответствии с тепловым балансом обратного цикла холодильной установки в змеевике 11 выкипает большее количество хладагента, чем может быть сконденсировано в змеевике 13 в результате плавления гидратов. Это избыточное количество несконденсированных паров хладагента сжимается в дополнительном компрессоре 16 и конденсируется в конденсаторе 18 путем теп.лообмена с охлаждающей водой, прокачиваемой через конденсатор 18, после чего сжиженный хладагент дросселируется в дроссельном вентиле 27 до давления, равного давлению нагнетания компрессора 15, и подается в промежуточный сосуд 17, в котором происходит разделение фаз, газообразный хладагент из верхней части промежуточного сосуда 17 подается в трубопровод нагнетания компрессора 15, а жидкий хладагент из нижней части промежуточного сосуда 17 — в трубопровод выхода из змеевика 13 перед дроссельным вентилем 26. Охлаждающая вода, выходящая из конденсатора 18, направляется в промежуточные охладители 3 и
4, в результате чего ее температура повышается до 323-328 К (горячая вода может быть использована для технических нужд).
Вследствие того, что работа насоса 19 превышает работу, полученную в гидротурбине 20, на одном валу с ними установлен электродвигатель 21, компенсирующий эту разность работ, а также служащий для привода насоса
19 в пусковой период работы установки.
Пример 1. Углекислый газ, поступающий из газовой части завода при давлении О, 1 МПа и 293 К, сжимается до давления, несколько превышающего давление тройной точки (Рт т =530 кПа), обычно до давления
0,6 МПа, предварительно охлаждают до
333 К, отводя тепло в окружающую среду, очищают от масла и сжимают до давления 1,4 ИПа. Затем газообразную СО охлаждают до 333 К, отделяют от масла и контактируют с водой, образуя гидраты при давлении 1,4 MIa и 273,3 К. Теплоту гидратообразования отводят через теплопередающую поверхность хладагентом (например, аммиаком). кипящим при 270,8 К. Суспензию (смесь 25 -ных гидратов углекислоты и иоды) сжимают до давле- ния 4,75 МПа, нагревак1т и плавят при, 1112202
MHHlR Заказ *6440/26 Тираж 513 Подписное
Филиал ППП "Патеит", г. Ужгород,ул.Проектная, 4
285 К с получением воды и сжиженной углекислоты, которые разделяют под действием разностей плотностей. Для нагревания и плавления гидратов используют теплоту конденсации хлад- 5 агента, который конденсируют при
288 K. Воду возвращают в зону гидратообразования, а жидкую углекислоту ,осушают от растворенной в ней воды и ступенчато дросселируют вначале до давления 1,4 МПа, направляя образующиеся пары вновь на гидратообразование, затем до давления 0,6 MIIa npu этом образующиеся пары смешивают с охлажденной газообразной углекисло- 15 той, полученной после первого сжатия, и дросселируют до давления 0,1 МПа, в результате чего жидкая углекислота превращается в двухфазную смесь пара и твердого тела. Твердая углекислота 20 прессуется и периодически выводится потребителю в виде блоков сухого льда, а преобразованная смешивается с исходной углекислотой. Затем цикл повторяется снова. Расход энергии в дан. 25 ном цикле составляет 660,5 кДж/кг сухого льда.
Пример 2. Углекислый газ, поступающий из газовой части завода при давлении О, 1 МПа и 293 К, сжима- 30 ется до давления, несколько превышаю.щего давление тройной точки (Р1 =530 кПа), обычно до давления 0,6 МПа, предварительно охлаждают до 333 К, отводя тепло в окружающую среду, очищают от масла и сжимают до давле-! ния 2,2 МПа. Затем газообразную СО охлаждают до 333 К, отделяют от масла и контактируют с водой, образуя гидраты при давлении 2,2 МПа и 277 К.40
Теплоту гидратообразования отводят через теплопередающую поверхность ! хладагентом (например, аммиаком), кипящим при 274,5 К. Суспензию (смесь !25% †H гидратов углекислоты 4
45 и воды) сжимают до давления 4,75 МПа, нагревают и плавят при 285 К с получением воды и сжиженной углекислоты, которые разделяют под действием разности плотностей. Для нагревания и
50 плавления гидратов используют теплоту конденсации хладагента, который конденсируют при 288 К. Воду возвращают в зону гидратообразования, а жидкую углекислоту осушают от растворенной в ней воды и ступенчато дросселируют, вначале до давления
2,2 МПа,направляя образующиеся пары вновь на гидратообразование, затем до ,давления 0,6 МПа, при этом образующиеся пары смешивают с охлажденной газообразной углекьслотой, полученной после первого сжатия, и дросселируют до давления О, 1 МПа, в результате чего жидкая углекислота превращается в двухфазную смесь пара и твердого тела.
Твердая углекислота прессуется и пе риодически выводится в виде блоков !, сухого льда потребителю, а парообразная смешивается с исходной углекислотой. Затем цикл повторяется вчовь.
Расход эыергии в приведенном цикле составляет 649,1 кДж/кг сухого льда.
Преимущества предлагаемого спосб ба по сравнению с известным заключаются в том, что при практически одинаковых основных расходах энергии (666,12 кДж/кг сухого льда против
624,25 кДж/кг сухого льда по известному способу, расчет выполняется без учета расхода энергии на покрытие теплопритоков из окружающей среды) холодильная установка работает в более легких условиях (в температурном интервале 15-20, а не 45-50 ), а соответственно и при меньшем перепаде давлений, что позволяет облегчить компрессор и увеличить его моторесурс, а также межремонтный период. Примене-ние холода на высоком температурном уровне 273 К, а не 243-248 К, сокращает потери холода в окружающую среду вследствие сокращения теплопритоков, тем самым снижает непроизводительные потери энергии на привод холодильной установки, а также обеспечивает возможность применения менее качественной и меньшей толщины изоляции. Так как растворимость влаги в жидкой углекислоте более чем на порядок ниже растворимости влаги в газообразной углекислоте (влагосодержание газа при
293 Е и давлении 0,1 MIIa составляет
10 г/кг СО, а растворимость воды в жидкой углекислоте при 283 К вЂ” не более 0,05% по весу, т.е. не более
0,5 г/кг С02), то соответственно и расходы на осушку углекислоты меньше.