СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЮБЫХ ГАЗОВ, КРОМЕ ГЕЛИЯ, В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СО СЪЁМНЫМ МНОГОРАЗОВЫМ ТВЕРДОГАЗОВЫМ КРИОГЕННЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
METHOD FOR PRODUCING ANY GASES EXCEPT HELIUM IN A SOLID STATE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION WITH A REMOVABLE REUSABLE SOLID GAS CRYOGENIC ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области криогенной техники, а именно к технологии отверждения газов, и к устройству для осуществления этого способа.
Описание предшествующего уровня техники
В настоящее время газы (азот, гелий, кислород, водород, метан и другие углеводороды, инертные газы, хлор, фтор, сероводород, аммиак и другие) природного и искусственного происхождения используются в различных областях промышленности (металлургическая, химическая, нефтегазохимическая, горнодобывающая, пищевая, целлюлозно-бумажная и др.) и жизнедеятельности общества (наука, медицина, энергетика, транспорт, вооружение, космос, приборостроение, физика, топливо, сельское хозяйство и др.) в двух агрегатных состояниях: газообразном и сжиженном.
По информации из открытых источников использование газов в твердом криогенном состоянии ограничивается в основном научными исследованиями их свойств и получением в минимальных количествах для проведения лабораторных экспериментов, при этом из предшествующего уровня техники, по общедоступным сведениям, неизвестны технологии и устройства получения газов в твердом состоянии в промышленном производстве.
Анализ известных технических решений (RU 2 353 869 С2, RU 2 337 057 С2, SU 161788 Al, US3521458A, US 2005/0061028Al, RU2337057 С2, US3901044A, US1863377A) свидетельствует о том, что технологии переработки газов ограничены получением газов в сжиженном или шугообразном состоянии. Шугообразное состояние газов представляет собой процесс получения твердой фазы газа в сжиженном растворе в различных соотношениях каждого компонента. Применение и использование газов именно в твердом состоянии в промышленном производстве и масштабах до настоящего времени не осуществлялось.
Известна установка для производства шугообразного водорода при помощи гелиевого хладагента (US3521458A), в которой жидкий водород кристаллизуется тонким слоем на внутренней поверхности генератора шуги путем охлаждения ее с внешней стороны гелиевым хладагентом, срезается лезвием вращающегося механического винтообразного ножа, смешивается в разной пропорции с жидкой фазой и насосом транспортируется в хранилище шуги. В приведенной установке US3521458A любое превышение заданных пропорций объемного содержания газа в твердом состоянии в шуге приведет к закупориванию выходного канала. Таким образом, полученный в установке по US3521458A продукт предназначен для применения именно в двухфазном шугообразном состоянии. Другим отличием является отсутствие функционально связанного устройства, позволяющего упаковывать газ в твердом состоянии в элементы для дальнейшего использования, транспортировки и хранения. И кроме того, описанная в US3521458A, установка не содержит внутреннего элемента (соосной трубы с хладагентом), позволяющего кристаллизоваться всему объему поступающего сжиженного газа до твердого состояния без образования шуги и не предназначена для использования в качестве хладагента вещества в твердом состоянии. Причем шнек, применяемый в патенте US3521458A, не предназначен для перемещения, образующегося в результате процесса кристаллизации, газа в твердом состоянии.
Известна также установка для замораживания ксенона (US 2005/0061028А1), которая используется в экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUVL) при производстве интегральных микросхем для уменьшения печатаемых объектов, в которой ксенон используется, чтобы создать мишень для генерации экстремального ультрафиолетового излучения (EUV). При этом сжатый газообразный ксенон подается через сопло (дроссель) в отвакуумированную камеру и за счет разности давлений сжижается или затвердевает в непосредственной близости от сопла. Использование установки, описанной в данном патенте, для получения газов в твердом состоянии в промышленности будет ограничиваться размерами каналов и производительностью сопла.
Раскрытие сущности изобретения
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключается в разработке способа получения любого газа в твердом состоянии, кроме гелия, в промышленном производстве и устройства для его осуществления со съёмным многоразовым твердогазовым криогенным элементом путем применения технологии дальнейшего охлаждения сжиженного газа, полученного любым известным в настоящее время способом, до получения конечного продукта ниже температуры кристаллизации, т.е. газа в твердом состоянии.
Способ получения любых газов, кроме гелия, в твердом состоянии в качестве конечного продукта в промышленном производстве, состоящий по меньшей мере в том, что, сжиженный газ, полученный любым известным в настоящее время способом, охлаждают любым известным в настоящее время способом, например, с помощью хладагента, имеющего температуру ниже температуры кристаллизации охлаждаемого сжиженного газа, до получения газа в твердом состоянии во всем объеме и упаковки его для хранения, транспортирования и непосредственного использования в универсальную энергетическую и/или химическую единицу оборудования различных систем, например, в съемный многоразовый твердогазовый криогенный элемент.
Под температурой кристаллизации понимается температура перехода сжиженного газа в твердое состояние при давлении, которое в данный момент имеет сжиженный газ согласно кривой кристаллизации отверждаемого сжиженного газа.
Устройство для осуществления заявленного способа характеризуется наличием по меньшей мере конструктивно взаимосвязанных и последовательно функционирующих блоков единого цикла производства:
- блока кристаллизации (блока А);
- формовочно-упаковочного блока (блока Б).
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
- на фиг. 1 блок кристаллизации (Блок А);
- на фиг. 2 формовочно-упаковочный блок (Блок Б);
- на фиг. 3 барабан поз. Б1 фиг.2, разрезы А-А и В-В барабана поз. Б1, виды К, Л, М, Р;
- на фиг. 4 крышка 10 барабана фиг.3, разрез Б-Б крышки 10 барабана, вид Е фиг.3;
- на фиг. 5 съемный модуль поз. Б2 фиг. 2;
- на фиг. 6 вращающий механизм поз. Б3 фиг. 2;
- на фиг. 7 съемный многоразовый твердогазовый криогенный элемент (ТГКЭЛ) поз. Б4 фиг. 2;
- на фиг. 8 отсекающая пластина разъединяющего механизма поз. Б5
фиг. 2;
- на фиг. 9 прорезь для загрузки отсекающей пластины, вид Г фиг. 3;
- на фиг. 10 прорезь для выгрузки отсекающей пластины, вид Д фиг. 3;
- на фиг. 11 съемный модуль поз. Б2 фиг. 2, закрывание крышек.
Осуществление изобретения
Блок кристаллизации (фиг. 1) состоит из следующих элементов: теплоизолированного корпуса для теплоизоляции и размещения в нем 3-х концентрически расположенных друг в друге соосных труб: 2, 3, 4 и движителя, например, шнека 7, расположенного подвижно на внутренней трубе 4 и вращающегося с помощью внешнего привода (привод не показан). При этом внутри трубы 4 и в пространстве между 2 и 3-й трубами находится хладагент в динамическом (газообразном или жидком) или статическом (твердом) состоянии, имеющий температуру ниже температуры кристаллизации охлаждаемого сжиженного газа, а в пространстве между 3-й и 4-й трубами - охлаждаемый сжиженный газ. Корпус блока кристаллизации выполнен с применением многослойной экранно-вакуумной изоляции (не показана на чертежах) с характеристиками, позволяющими минимизировать теплоприток и теплообмен с окружающей средой.
Формовочно-упаковочный блок (фиг. 2) состоит из следующих основных элементов:
- барабана поз. Б1 (фиг. 3, 4), состоящего из внутренней крышки 8, внешней крышки 10 и цилиндра 9, и разделенный на 6 (шесть) секторов;
- съемного модуля поз. Б2 (фиг. 5), состоящего из 4-х съемных многоразовых твердогазовых криогенных элементов (ТГКЭЛ) поз. Б4, сосуда 11, крышки 12, основания 13 модуля, отверстия 41 для создания вакуума, 42 - ушей;
- вращающего механизма поз. Б3 (фиг. 6), состоящего из ведущего вала 14, установленного в подшипнике 39 в отверстии 38 внутренней крышки 8 барабана и подшипнике 40 в одинаковом отверстии во внешней крышке 10 барабана (отверстие не обозначено), со шлицевыми частями 15 ведущего вала 14, шестью захватами 16 с центрирующими прорезями 17 и соединенных с центральной втулкой 18 шестью спицами 19;
- съемного многоразового твердогазового криогенного элемента (ТГКЭЛ) поз. Б4 по типу сосуда Дьюара (фиг. 7), состоящего из основания 20 с отверстиями 21, 22, 23 и, со встроенной в него, измерительной (приемной) частью 2-3-х параметрического (температура, давление и др.) индикатора состояния твердого газа (не показан), с клеммами соединительных выводов индикатора заподлицо или утопленных внутри основания, установленных на основании 2-х сосудов: внутреннего сосуда 24 и внешнего сосуда 25, закрытых крышками 26 и 27 соответственно;
- разъединяющего механизма поз. Б5 (фиг. 2), состоящего из отсекающей пластины 28 (фиг. 8) с отверстиями 43, механизма подъема 29 пластины 28, механизма выталкивания 30 пластины 28 по направляющим 31 (фиг. 3).
Работа устройства для реализации заявленного способа приводится на примере получения метана в твердом состоянии и осуществляется следующим образом.
Для получения метана в твердом состоянии необходимо подать сжиженный природный газ (СПГ) с температурой -162 °С в межтрубное пространство 1 (фиг. 1) блока кристаллизации (блок А). В пространство между 2 и 3-й трубами, а также внутрь 4-й трубы необходимо подать жидкий азот с температурой -196 °С в качестве охлаждающего агента. При этом внешняя 5 и внутренняя 6 поверхности межтрубного пространства 1, заполненного СПГ, в результате теплообмена будут охлаждаться жидким азотом и постепенно снижать температуру СПГ, сначала до аморфного состояния, затем после появления и роста центров кристаллизации до шугообразного состояния (шуги), а затем до твердого состояния (температура кристаллизации -182,55 °С). Движение СПГ вдоль труб 3 и 4 обеспечивается с помощью приводимого извне вращающегося шнека 7, подвижно закрепленного на трубе 4. Длина блока кристаллизации (блока А) и скорость вращения шнека 7 рассчитываются из условия достижения требуемой степени охлаждения СПГ ниже температуры кристаллизации и производительности устройства.
Далее метан в твердом состоянии подается в формовочно-упаковочный блок (блок Б), обеспечивающий формование и пакетирование метана в твердом состоянии в изотермические резервуары поз. Б4 по типу сосуда Дьюара (твердогазовые криогенные элементы - ТГКЭЛ).
Формовочно-упаковочный блок (блок Б) работает следующим образом.
Через прорезь 44 в секторе С1 цилиндра 9 барабана поз. Б1 (фиг. 9, фиг. 3 вид Р) загружается отсекающая пластина 28 (фиг. 8), которая скользит по верхней плоскости захватов 16 вращающего механизма поз. Б3 (фиг. 6), как по направляющей до цилиндрического буртика 46 на внутренней крышке 8 барабана поз. Б1 (фиг.3, разрезы А- А и В-В, вид Л).
Далее через загрузочное отверстие 32 в крышке 10 (фиг. 4, вид Е) в секторе С1 в барабан поз. Б1 загружается открытый (без крышек) съемный модуль поз. Б2 (фиг. 5). При этом уши 42 (фиг. 5) съемного модуля поз. Б2 входят в центрирующие прорези 17 захватов 16 вращающего механизма поз. Б3 (фиг. 6), а после загрузки внутренние сосуды 24 без зазора входят в отверстия 43 отсекающей пластины 28. Длина внутреннего сосуда 24 ТГКЭЛ больше длины внешнего сосуда 25 ТГКЭЛ на величину толщины отсекающей пластины 28 и поэтому внешние сосуды 25 своей верхней кромкой упираются в отсекающую пластину 28.
После загрузки в сектор С1 барабана поз. Б1 съемного модуля поз. Б2 вращающий механизм поз. Б3 поворачивает съемный модуль поз. Б2 на 60° относительно оси барабана (в сектор С2) с помощью захватов 16, которые вращаются ведущим валом 14 посредством шлицевого соединения 15, центральной втулки 18 и спиц 19 (фиг. 6). При этом отсекающая пластина 28 увлекается наружными поверхностями сосудов 24 и движется вместе с съемным модулем поз. Б2.
В секторе С2 барабана поз. Б1 происходит наполнение 4-х внутренних сосуда 24 ТГКЭЛ поз. Б4 газом в твердом состоянии, который выдавливается из блока кристаллизации (блок А) шнеком 7 (фиг. 1) через отверстия 34 в крышке 8 барабана поз. Б1 (фиг. 3).
Г аз (не в твердом состоянии), находящийся во внутренних сосудах 24 ТГКЭЛ поз. Б4, будет выдавливаться (стравливаться) через отверстия 22 в основании 20 ТГКЭЛ поз. Б4 и отверстия 49 в крышке 10 барабана поз. Б1. При этом после стравливания газа отверстия 22 сразу закрываются пробками 52 (фиг. 7).
После заправки внутренних сосудов 24 ТГКЭЛ поз. Б4 газом в твердом состоянии съемный модуль поз. Б2 поворачивается вращающим механизмом поз. Б3 на 60° в сектор С3. При этом отсекающая пластина 28 разъединяющего механизма Б5, двигаясь вместе со съемным модулем поз. Б2, не дает (отсекает) излишкам отверждённого газа упасть в пространство между сосудами 24 и 25 ТГКЭЛ поз. Б4.
В секторе С3 через отверстия 35 в крышке 8 барабана поз. Б1 происходит закручивание крышек 26 внутренних сосудов 24 ТГКЭЛ поз. Б4 (фиг. 2, показано схематично) и через отверстия 50 в крышке 10 барабана поз. Б1 закрывание отверстий 21 пробками 53 (фиг. 2 и 7) с одновременным вакуумированием пространства внутри основания 20 ТГКЭЛ поз. Б4 до давления не ниже давления кривой возгонки (сублимации) газа в твердом состоянии при данной температуре. Перепускной канал 48, соединяющий отверстия 21 и 22 внутри основания 20 ТГКЭЛ поз. Б4, служит для более равномерного вакуумирования пространства основания 20, т.к. включает в процесс вакуумирования и отверстие 22.
После герметизации сосудов 24 ТГКЭЛ поз. Б4 (закрытия крышками 26 и пробками 53) съемный модуль поз. Б2 поворачивается вращающим механизмом поз. Б3 на 60° в сектор С4, в котором сначала механизмом подъема 29 происходит поднятие отсекающей пластины 28 выше кромок внутренних сосудов 24 ТГКЭЛ поз. Б4 (для этого в крышке 8 барабана поз. Б1 сделана выемка 47 (фиг.3, разрезы А-А и В-В, вид М)), а затем механизмом выталкивания 30 происходит выталкивание (выгрузка) отсекающей пластины 28 вне барабана поз. Б1 по направляющим 31 в прорези 45 барабана поз. Б1 (фиг.3 разрезы А-А и В-В, вид К и фиг. 10), которая находится напротив выемки 47 крышки 8.
-4
После выгрузки из барабана поз. Б1 отсекающей пластины 28 съемный модуль поз. Б2 поворачивается вращающим механизмом поз. Б3 на 60° в сектор С5, в котором через отверстия 36 в крышке 8 барабана поз. Б1 происходит закручивание крышек 27 внешних сосудов 25 ТГКЭЛ поз. Б4 (фиг. 11, показано схематично) и через отверстия 51 в крышке 10 барабана поз. Б1 закрывание отверстий 23 пробками 54 (фиг. 7 и фиг. 11) с одновременным вакуумированием пространства между сосудами 24 и 25 ТГКЭЛ поз. Б4 (по типу сосуда Дьюара) не менее 10 мм рт. ст.
4
После герметизации сосудов 25 ТГКЭЛ поз. Б4 (закрытия крышками 27 и пробками 54) съемный модуль поз. Б2 поворачивается вращающим механизмом поз. Б3 на 60° в сектор С6 (фиг. 5), в котором сначала через отверстия 37 в крышке 8 барабана поз. Б1 происходит закручивание крышки 12 сосуда 11 съемного модуля поз. Б2 (фиг. 2, показано схематично), а затем выгрузка съемного модуля поз. Б2 через отверстие 33 в крышке 10 барабана поз. Б1 в отсек вакуумирования пространства между сосудами 25 ТГКЭЛ поз. Б4 и сосудом 11 съемного модуля поз. Б2 через отверстия 41 (фиг. 5) не менее 10" мм рт.ст. (отсек и процесс вакуумирования не показаны) и установки (присоединения с соединительными выводами измерительной части) указательной части 2-3-х параметрических (температура, давление и др.) индикаторов состояния твердого газа в основание каждого ТГКЭЛ (индикаторы и процесс их установки не показаны).
Такт поворота съемного модуля поз. Б2 рассчитывается в зависимости от максимальной длительности процесса в каждом из секторов, а также скорости движения газа в твердом состоянии в блоке А, зависящей от скорости и степени охлаждения газа ниже температуры кристаллизации.
Внутри барабана поз. Б1 находится одновременно 6 (шесть) съемных модулей поз. Б2. Все устройство для получения газа в твердом состоянии со всем вспомогательным оборудованием (для закрытия крышек, пробок, вакуумирования пространства) находится внутри теплоизолированного контура (контур не показан), обеспечивающего вакуумирование пространства внутри и вне устройства до давления не ниже давления кривой возгонки (сублимации) газа в твердом состоянии при данной температуре для отсутствия утечек тепла. Внутреннее пространство барабана дополнительно постоянно вакуумируется с указанным давлением.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является получение любого газа, кроме гелия, в твердом состоянии, предложенным выше способом охлаждения сжиженного газа, дальнейшей его формовки в твердом состоянии и его упаковка в съемный многоразовый твердогазовый криогенный элемент, используя конструктивно вышеприведенное устройство, позволяющее за счет увеличения плотности и уменьшения объема газа в твердом состоянии, использовать упакованный в твердогазовый элемент газ в твердом состоянии для его транспортирования и хранения, и последующего применения в заинтересованных областях промышленности. Устройство для получения газов в твердом состоянии целесообразно монтировать на продолжении технологической линии сжижения газов, при этом оно будет являться ее дополнительным элементом или составной частью, однако, данное устройство также имеет принципиальную возможность функционировать обособленно (как отдельная установка отверждения сжиженных газов) в условиях замкнутого цикла охлаждения хладагента при получении твердого газа.
Особое преимущество использования газа в твердом состоянии, полученного заявленным способом, заключается в том, что съёмный многоразовый твердогазовый криогенный элемент (ТГКЭЛ) имеет принципиальную теоретическую и в развитие данного направления объективную практическую возможность применяться, как универсальная энергетическая и/или химическая единица оборудования различных систем (питания двигателей топливом, охлаждения, отопления, жизнеобеспечения, энергообеспечения и др.) наземных, подземных, водных, подводных, воздушных, космических и ракетно- космических транспортных и других средств, энергетических, атомных, химических, машиностроительных, электронных и других стационарных и нестационарных установок, устройств и техники гражданского и военного назначения, жилых зданий и сооружений и др.