Установка для зрідження кріогенного газу

Реферат: Винахід належить до газової промисловості та кріогенної техніки, а саме до установок зрідження і регазифікації кріогенних газів, для потреб промисловості та систем глибокого охолодження. Установка для зрідження кріогенного газу, наприклад азоту, містить контур конденсовного низькокиплячого кріоагенту, що включає компресор 1 з кінцевим холодильником 2, через блок 3 комплексного очищення з'єднаний з послідовно з'єднаними порожнинами прямого потоку першим і другим регенеративними теплообмінниками 4, 5, відповідно, причому порожнина прямого потоку другого регенеративного теплообмінника 5, по виходу пов'язана з першим дроселем 6. Порожнини зворотного потоку з'єднаних послідовно другого і першого теплообмінників 5 і 4, відповідно, по виходу сполучені із входом компресора 1. Контур регазифіковного висококиплячого кріоагента, наприклад метану, утворений послідовно з'єднаними ємністю 7 рідкого газу, насосом зріджених газів 8, третьою порожниною зворотного потоку трипорожнинного першого теплообмінника 4 і другим дроселем 9, сполученим з ємністю стисненого газу метану 10. Перший дросель 6 контуру конденсовного кріоагента азоту сполучений із входом сепаратора 11, рідинний вихід якого сполучений з ємністю 12 зрідженого кріогенного газу азоту, а газовий - з порожниною зворотного потоку другого теплообмінника 5. Компресор 1 по входу також пов'язаний iз ємністю зріджуваного кріогенного газу 13. Використання винаходу дозволить спростити пристрій та підвищити ефективність зрідження кріогенних газів при зниженні енерговитрат охолодження. UA 100102 C2 (12) UA 100102 C2 UA 100102 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до газової промисловості та кріогенної техніки, а саме до установок зрідження і регазифікації кріогенних газів, для потреб промисловості та систем глибокого охолодження. Відомий пристрій для одержання холоду (Пат. РФ № 2239131, F25B 1/00, F25B 9/14, 2004), що містить контур зріджуваного низькотемпературного робочого тіла, у якому встановлені компресор з кінцевим холодильником, детандер, послідовно підключені три регенеративних теплообмінники, дросель, сепаратор, насос зріджуваних газів. Пристрій додатково включає камеру вироблення холоду. Відомий пристрій призначений для вироблення споживчого холоду шляхом послідовного компресорного стиску в газовій фазі циркулюючого в замкнутому контурі холодоносія при розширенні та частковому зрідженні в детандерно-дросельному низькотемпературному блоці з регенерацією холоду парової фази, стиску рідкої фази насосом зрідженого газу, випару і нагрівання стисненого холодоносія до температур довкілля теплом, що відводиться від споживача, повернення нагрітого холодоносія в лінію нагнітання компресора в перший найбільш теплий регенеративний теплообмінник. Відомий пристрій не забезпечує ефективного зрідження промислового кріогенного газу з видачею споживачеві, не зважаючи на трикаскадне охолодження з використанням розширення кріогенного газу в трьох детандерах, у силу недостатньої питомої холодопродуктивності через значне погіршення термодинамічної ефективності у випадку відбору частини отриманої в низькотемпературному блоці рідкої фази або передачі холоду стисненого кріогенного газу на рівень температур довкілля. Найбільш близькою за технічною суттю є установка для зрідження кріогенного газу (холодильна машина) (А.с. СРСР № 1642207, F25B 1/00, 1991), що містить контур власного холодоагента (аміаку), яка включає компресор з кінцевим холодильником, випарник (для прийому тепла низького температурного потенціалу), конденсатор (для передачі тепла підвищеного температурного потенціалу), дросель, три регенеративних теплообмінники, з яких з'єднані паралельно перший і другий, зв'язані порожнинами прямого потоку по входу з кінцевим холодильником компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора, порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора, третій теплообмінник порожниною зворотного потоку зв'язаний із другим теплообмінником і порожниною прямого потоку по входу сполучений з порожниною прямого потоку конденсатора, а по виходу - із дроселем, пов'язаним з порожниною випарника. Вироблення холоду в пристрої відомого виконання реалізоване шляхом регульованої зміни температури теплоносія конденсації за заданими умовами зміни тисків циклу холодильної установки. Продуктований холодильною машиною холод підвищеного температурного потенціалу, недостатній для ефективного зрідження холодоагента із кріогенним рівнем температури критичної точки, оскільки відомий пристрій не містить контуру регенерації холоду рідкого теплоносія для охолодження холодоагента до кріогенних рівнів температур, а теплота стиснення відводиться на високих рівнях температури. В основу винаходу поставлена задача створення установки зрідження кріогенного газу, шляхом введення додаткових елементів i зв'язків між ними з реалізацією в пристрої додаткового контуру буферного кріоагента, у якому в циклі охолодження стиск буферного кріоагента забезпечений низькоенерговитратним насосом зріджених газів, а передачу кріохолоду буферного кріоагента та холоду зворотного потоку частини охолодженого кріогенного газу до зріджуваного здійснюють на малому перепаді температур використовуваних у контурах кріоагентів, за рахунок чого досягнуте спрощення пристрою та підвищення ефективності зрідження при зниженні енерговитрат. Поставлена задача досягається тим, що в системі зрідження кріогенного газу, яка містить контур низькокиплячого конденсовного кріоагента, що включає компресор з кінцевим холодильником, дросель, два регенеративних теплообмінники, з яких перший по входу пов'язаний з кінцевим холодильником компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку другого регенеративного теплообмінника, з'єднаного з першим дроселем, причому порожнини зворотного потоку з'єднаних послідовно другого і першого теплообмінників, по виходу сполучені із входом компресора, відповідно до винаходу, пристрій додатково містить контур регазифіковного висококиплячого кріоагента, утворений послідовно з'єднаними ємністю рідкого газу, насосом зріджених газів, третьою порожниною зворотного потоку трипорожнинного першого теплообмінника і другим дроселем, сполученим з ємністю стисненого газу, а в контурі конденсовного низькокиплячого кріоагента, перший дросель сполучений із входом сепаратора, рідинний вихід якого пов'язаний з ємністю зрідженого кріогенного газу, а газовий - з порожниною 1 UA 100102 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зворотного потоку другого теплообмінника, при цьому компресор по входу пов'язаний з ємністю зріджуваного кріогенного газу. Пристрій додатково містить контур регазифіковного висококиплячого кріоагента, утворений послідовно з'єднаними ємністю рідкого газу, насосом зріджених газів, третьою порожниною зворотного потоку трипорожнинного першого теплообмінника і другим дроселем, сполученим з ємністю стисненого газу, що дозволяє використовувати скидний низькотемпературний холод регазифікованого висококиплячого кріоагента, наприклад метану, для зрідження більш низькокиплячого кріогенного газу, наприклад азоту промислового споживання, для підвищення ефективності при зниженні енерговитрат на зрідження. У контурі конденсовного низькокиплячого кріоагента перший дросель сполучений із входом сепаратора, рідинний вихід якого пов'язаний з ємністю зрідженого кріогенного газу, а газовий - з порожниною зворотного потоку другого теплообмінника, при цьому компресор по входу пов'язаний з ємністю зріджуваного кріогенного газу, що дозволяє підвищити ефективність зрідження кріогенного газу, наприклад азоту, з температурою довкілля за рахунок регенерації холоду зворотного потоку пари. На фігурі (Фіг.) подана двоконтурна установка для зрідження кріогенного газу, контури проходження якої, включаючи герметичні порожнини теплообмінників і трубопроводи, виконані роздільно для кожного із кріогенних газів. Установка для зрідження кріогенного газу містить контур конденсовного низькокиплячого кріоагента, що включає компресор 1 з кінцевим холодильником 2, через блок 3 комплексного очищення з'єднаний з послідовно з'єднаними першим і другим регенеративними теплообмінниками 4, 5, відповідно. Перший трипорожнинний теплообмінник 4 порожниною прямого потоку по входу пов'язаний із блоком 3 комплексного очищення, а по виходу - з порожниною прямого потоку другого регенеративного теплообмінника 5, по виходу пов'язаного з першим дроселем 6. Порожнини зворотного потоку з'єднаних послідовно другого і першого теплообмінників 5 і 4, відповідно, по виходу сполучені зі входом компресора 1. Контур регазифіковного кріоагента утворений послідовно з'єднаними ємністю 7 рідкого газу, насосом зріджених газів 8, третьою порожниною зворотного потоку трипорожнинного першого теплообмінника 4 і другим дроселем 9, сполученим з ємністю 10 стиснутого газу, наприклад метану. Перший дросель 6 контуру конденсовного низькокиплячого кріоагента сполучений із входом сепаратора 11, рідинний вихід якого сполучений з ємністю 12 зрідженого кріогенного газу, а газовий - з порожниною зворотного потоку другого теплообмінника 5. Компресор 1 по входу також пов'язаний із ємністю 13 зріджуваного кріогенного газу, яка сполучена з блоком вироблення кріогенного газу, наприклад повітророзподільною установкою, (на Фіг. не показаний). Запропонований пристрій (Фіг.) працює в такий спосіб, розглянутий на прикладах конкретних кріоагентів висококиплячого метану і низькокиплячого азоту. У циклі регазифікації нагнітання зрідженого висококиплячого кріоагента метану в порожнину високого тиску регенеративного теплообмінника 4 здійснюється насосом зріджених газів 8, що забезпечує тиск від 3,5 до 15,0 МПа та вище. Величина тиску нагнітання регулюється дросельним вентилем 9 на заданий рівень тиску споживача. Запас холоду стисненого до закритичного тиску зрідженого висококиплячого кріоагента метану в процесі регазифікації використовується для охолодження стисненого низькокиплячого кріоагента азоту. Отриманий із повітророзподільної установки низькокиплячий кріогенний газ азот через ємність 13 зріджуваного кріогенного газу попередньо стискується до закритичного тиску в компресорі 1, а потім прохолоджується в кінцевому холодильнику 2 до температур довкілля. У блоці 3 комплексного очищення відбувається видалення залишкової вологи, вуглекислоти та інших домішок, з метою попередження їх кристалізації за кріогенних температур. Проходячи теплообмінник 4 низькокиплячий азот високого тиску прохолоджується до температури 125 К зворотним потоком пари охолодженого азоту низького тиску та зустрічним потоком регазифіковного висококиплячого метану. Азот високого тиску трипорожнинного теплообмінника 4 надходить у двопорожнинний теплообмінник 5, у якому за рахунок холоду зворотного потоку власної пари низького тиску із сепаратора 11 відбувається зниження температури до 119 К. Після теплообмінника 5 азот високого тиску розширюється в дросельному вентилі 6 зі зниженням тиску не нижче ніж 0,1 МПа. Отримана двофазна суміш азоту низького тиску надходить у сепаратор 11, рідка фаза з якого відводиться в ємність 12 зрідженого кріогенного газу азоту. Зворотний потік азоту через порожнини другого і першого регенеративних теплообмінників 5 і 4, відповідно, повертається на вхід компресора 1 для повторного стиску. Недорекуперація 2 UA 100102 C2 5 10 15 20 протиструминного теплообмінника 4 становить близько 10 К, на виході теплообмінника 4 зворотний потік азоту перебуває в термодинамічному стані, близькому до стану довколишнього повітря. Об'ємна витрата виведеного зрідженого азоту компенсується об'ємом газу з ємності 13 зріджуваного кріогенного газу азоту, яка підживлюється від пристрою генерації азоту повітророзподільної установки. Енергетична ефективність установки досягається стиском рідкого метану до закритичного тиску, при якому зміна об'єму і робота стиску метану в багато разів менше ніж за стиску газоподібного метану в компресорах. Підвищення температури після стиску рідкого метану у порівнянні з початковою є незначним. Так, адіабатному процесу стиску метану від 0,1 до 15,0 МПа відповідає підвищення температури на 5 К, а адіабатному стиску від 0,1 до 7,0 МПа підвищення температури не більше 3,5 К. Тому, за рахунок низької температури охолодного регазифіковного метану, азот підвищеного тиску перед дроселюванням може бути охолоджений до низьких кріогенних температур, що забезпечують достатньо високий коефіцієнт зрідження не менш 0,5. Виконання пристрою для зрідження низькокиплячого кріогенного газу азоту з додатковим контуром використання холоду регазифіковного висококиплячого кріоагента метану з вихідним тиском до 15,0 МПа і вище дозволяє здійснювати зрідження азоту за рахунок використання втраченого при промисловій чи транспортній регазифікації скидного холоду рідкого метану, нагрів якого здійснюють за рівнів тиску вище критичних. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Установка для зрідження кріогенного газу, яка містить контур низькокиплячого конденсовного кріоагента, що включає компресор з кінцевим холодильником, дросель, два регенеративних теплообмінники, з яких перший по входу пов'язаний з кінцевим холодильником компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку другого регенеративного теплообмінника, з'єднаного з першим дроселем, причому порожнини зворотного потоку з'єднаних послідовно другого і першого теплообмінників по виходу сполучені iз входом компресора, яка відрізняється тим, що вона додатково містить контур регазифіковaного висококиплячого кріоагента, утворений послідовно з'єднаними ємністю рідкого газу, насосом зріджених газів, третьою порожниною зворотного потоку першого теплообмінника і другим дроселем, сполученим з ємністю стисненого газу, а в контурі низькокиплячого конденсовного кріоагента перший дросель сполучений із входом сепаратора, рідинний вихід якого пов'язаний з ємністю зрідженого кріогенного газу, а газовий - з порожниною зворотного потоку другого теплообмінника, при цьому компресор по входу пов'язаний з ємністю зріджуваного кріогенного газу. 3 UA 100102 C2 Комп’ютерна верстка M. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4