УСТРОЙСТВО, СПОСОБ И СИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
DEVICE, METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCTION OF GRANULAR CARBON DIOXIDE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области получения гранулированного твердого диоксида углерода (СО2), а именно, к устройству, способу и системе получения гранулированного твердого диоксида углерода. Гранулированный твердый СО2, получаемый в рамках настоящей заявки, может быть сформирован в структуры, такие как гранулы, брикеты, пригодные для упаковывания и дальнейшей обработки, или для конечного применения. Гранулированный твердый СО2 имеет большую область различных применений, включая применение в процессах очистки, таких как струйная очистка поверхностей деталей различного промышленного оборудования от эксплуатационных и технологических поверхностных загрязнений, и в процессах охлаждения различных промышленных и непромышленных объектов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для получения гранулированного твердого СО2, твердый СО2 подвергают прессованию для уплотнения его структуры и получения гранул необходимой формы. Гранулированный твердый СО2 в отличие от крошки твердого СО2, известной ещё как «снег», обеспечивает более эффективную очистку поверхностей объектов вследствие более высокой твердости, предоставляет возможность дозировать твердый СО2, способствует увеличению времени хранения твердого СО2 перед его использованием в различных применениях.
Из патента US6189336 (МПК C01B32/55, F25J1/00, опубл. 20.02.2001) известно устройство для получения твердого СО2, содержащее камеру для получения твердого СО2 в виде «снега», фильтр для задерживания твердого СО2 в потоке газообразного СО2, поршень для перемещения твердого СО2 и камеру прессования, в которой твердый СО2 прессуют в необходимую форму посредством прессующего поршня. Недостатком данного устройства является закупоривание фильтра частицами твердого СО2, в результате чего эффективное отведение газообразного СО2 из камеры для получения твердого СО2 является затруднительным. Также, устройство содержит по меньшей мере два поршня, воздействующих на твердый СО2, приводимых в действие гидравлическими системами, тепло, выделяемое при работе которых, может проходить в камеры устройства. Закупоривание фильтров ведет к возможности возникновения жидкого СО2 в камере прессования и увеличению времени заполнения камеры твердым СО2 в каждом цикле. Дополнительно, применение по меньшей двух поршней, работающих в камерах и приводимых в действие отдельными гидравлическими системами, приводит к повышенному энергопотреблению и громоздкости устройства.
Из патента US5548960 (МПК B01J 2/20, C01B32/55, F25J1/00, опубл. 27.08.1996) известна установка для получения гранулированного СО2, включающая камеру для получения твердого СО2 и предварительного уплотнения твердого СО2, фильтр для задерживания твердого СО2 в потоке газообразного СО2, поршень для предварительного уплотнения твердого СО2, камеру гранулирования, в которой твердый СО2 гранулируют посредством прессования в необходимую форму посредством прессующего поршня. Недостатками данной установки также является закупоривание фильтра частицами твердого СО2, так как фильтр содержит множество мелких отверстий, которые быстро закупориваются частицами твердого СО2 в виде «снега». Установка также содержит два поршня, воздействующих на твердый СО2, которые приводятся в действие двумя гидравлическими цилиндрами, из-за применения которых в камеру для получения твердого СО2 и камеру гранулирования проникает тепло. Закупоривание фильтров ведет к возможности возникновения жидкого СО2 в камере прессования и увеличению времени заполнения камеры твердым СО2 в каждом цикле. Дополнительно, применение по меньшей двух гидравлических цилиндров, приводит к повышенному энергопотреблению и громоздкости устройства.
Из заявки на изобретение RU2015127986 (МПК C01B32/55, опубл. 10.01.2017) известно устройство для производства гранулированного СО2, содержащее камеру для формирования твердого СО2 и прессования твердого СО2 в гранулы, фильтр для задерживания твердого СО2 в потоке газообразного СО2, поршень для прессования твердого СО2 с получением гранулированного СО2. Устройство также содержит пневматический исполнительный механизм, выполненный с возможностью приведения в действие поршня для прессования твердого СО2. Пневматический исполнительный механизм приводит в действие поршень для прессования твердого СО2 за счет приема газообразного СО2, получаемого из камеры для формирования твердого СО2. Данное устройство имеет уменьшенное энергопотребление за счет применения газообразного СО2, получаемого из камеры для формирования твердого СО2, для приведения поршня для прессования твердого СО2. Недостатками данного устройства также является закупоривание фильтра частицами твердого СО2, что ведет к возможности возникновения жидкого СО2 в камере прессования и увеличению времени заполнения камеры твердым СО2 в каждом цикле.
Также для всех указанных выше установок характерно то, что снег/гранула твердого СО2 будет стремиться расшириться во все стороны, что приводит к давлению и на внутренние стенки камеры, что в свою очередь приводит к излишнему трению снега/гранулы твердого СО2 о стенки камеры, в результате чего выделяется тепло внутри камеры и происходит дополнительный износ поверхностей поршня из-за избыточной силы прессования. Возникновение тепла внутри камеры пагубно влияет на коэффициент конвертации жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2 из-за излишнего испарения части твердого СО2, из-за чего общая эффективность и производительность устройства снижена.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание энергоэффективного устройства получения гранулированного твердого СО2, демонстрирующего улучшенную энергоэффективность и общую эффективность получения гранулированного твердого СО2.
Один из технических результатов настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства, способа и системы получения гранулированного твердого СО2, имеющих уменьшенное энергопотребление.
Еще один из технических результатов настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства, способа и системы получения гранулированного твердого СО2, обеспечивающих улучшенные производительность и общую эффективность процесса получения гранулированного твердого СО2.
Другой один технический результат настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства получения гранулированного твердого СО2, обеспечивающего уменьшенный износ компонентов устройства, в частности, уменьшенный износ прессующего элемента устройства.
Еще одним техническим результатом настоящего изобретения является снижение усилия, необходимого для прессования, за счет снижения трения твердого СО2 о камеру, что также приводит к повышению коэффициента конвертации из жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2.
Одним из технических результатов настоящего изобретения также является обеспечение устройства получения гранулированного твердого СО2 с улучшенными характеристиками теплоизоляции компонентов устройства.
Указанные техническая проблема решается и технические результаты достигаются посредством устройства, способа и системы получения гранулированного твердого СО2 по настоящему изобретению.
Настоящее изобретение относится к устройству получения гранулированного твердого СО2, включающему:
- корпус, имеющий внутреннее пространство, образующее камеру корпуса для формирования твердого СО2,
- кожух, окружающий корпус, причем кожух выполнен с возможностью формирования камеры для жидкого СО2 между корпусом и кожухом и приема жидкого СО2 в камере для жидкого СО2, и причем кожух выполнен с возможностью подачи жидкого СО2 в камеру корпуса,
- множество фильтрующих элементов, выполненных с возможностью задерживания частиц твердого СО2 в газообразном СО2, отводимом из камеры корпуса, причем каждый фильтрующий элемент из множества фильтрующих элементов имеет участок, расположенный в камере для жидкого СО2,
- прессующий элемент, выполненный с возможностью перемещения в камере корпуса и выполненный с возможностью прессования твердого СО2 с получением гранулированного твердого СО2, причем прессующий элемент выполнен с возможностью приведения в действие усилием создаваемым газообразным СО2, отводимым из камеры корпуса.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, дополнительно содержащее гильзу, по меньшей мере частично окружающую кожух и выполненную с возможностью формирования между кожухом и гильзой камеры для газообразного СО2, отводимого из камеры корпуса, причем гильза выполнена с возможностью приема отводимого из камеры корпуса газообразного СО2 в камере для газообразного СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором каждый фильтрующий элемент из множества, фильтрующих элементов, имеет первый конец и второй конец, причем первый конец расположен в стенке корпуса, и причем второй конец расположен в стенке кожуха, и причем фильтрующий элемент проходит от стенки корпуса до стенки кожуха.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором первый конец фильтрующего элемента имеет форму, повторяющую форму внутренней поверхности стенки корпуса, или
в стенке корпуса обеспечены множество фильтрующих отверстий, расположенных смежно первому концу фильтрующего элемента, причем фильтрующие отверстия из множества фильтрующих отверстий имеют форму, повторяющую форму внутренней поверхности стенки корпуса.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором второй конец фильтрующего элемента открыт в камеру для газообразного СО2 и выполнен с возможностью обеспечения прохождения газообразного СО2 в камеру для газообразного СО2 из камеры корпуса.
Согласно другому варианту осуществления предложено устройство, дополнительно содержащее исполнительное устройство, функционально соединенное с прессующим элементом и выполненное с возможностью приведения в действие прессующего элемента, причем исполнительное устройство содержит по меньшей мере одну камеру исполнительного устройства, выполненную с возможностью приема газообразного СО2 и буферного газа, причем газообразный СО2 представляет собой газообразный СО2 отводимый напрямую из камеры корпуса или отводимый из камеры корпуса с последующим приемом в камере для газообразного СО2 и отведением из камеры для газообразного СО2.
Согласно еще одному варианту осуществления предложено устройство, в котором исполнительное устройство выполнено с возможностью обеспечения перемещения прессующего элемента в камере корпуса в первом направлении посредством усилия, создаваемого газообразным СО2, введенным в по меньшей мере одну камеру исполнительного устройства.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором первое направление представляет собой направление прессования.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором исполнительное устройство выполнено с возможностью перемещения прессующего элемента во втором направлении, противоположном первому направлению, посредством усилия, создаваемого буферным газом, введенным в по меньшей мере одну камеру исполнительного устройства.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором прессующий элемент имеет первоначальное положение и конечное положение, причем прессующий элемент выполнен с возможностью перемещения из первоначального положения в конечное положение вдоль первого направления, и причем прессующий элемент выполнен с возможностью перемещения из конечного положения в первоначальное положение вдоль второго направления.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором фильтрующие элементы из множества фильтрующих элементов пространственно разнесены друг от друга по длине корпуса и/или по окружности корпуса.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором фильтрующие элементы из множества фильтрующих элементов расположены в стенке камеры для формирования твердого СО2 и стенке кожуха и пространственно разнесены друг от друга по длине корпуса и кожуха и/или по окружности корпуса и кожуха.
Согласно другому варианту осуществления предложено устройство, в котором участок фильтрующего элемента, расположенный в камере для жидкого СО2, имеет по меньшей мере одну поверхность, находящуюся в контакте с жидким СО2, находящимся в камере для жидкого СО2.
Согласно еще одному варианту осуществления предложено устройство, в котором кожух содержит впуск для жидкого СО2, выполненный с возможностью введения жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2, и выпуск для жидкого СО2, выполненный с возможностью введения жидкого СО2 в камеру корпуса, причем впуск для жидкого СО2 и выпуск для жидкого СО2 пространственно разнесены друг от друга по длине кожуха.
Согласно еще одному варианту осуществления предложено устройство, в котором корпус содержит впускное отверстие для жидкого СО2, выполненное с возможностью обеспечения введения жидкого СО2 в камеру корпуса, причем впускное отверстие для жидкого СО2 корпуса находится в сообщении по текучей среде с выпуском для жидкого СО2 кожуха.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором кожух дополнительно содержит выпуск для паров СО2, выполненный с возможностью выпуска паров СО2 из камеры для жидкого СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором гильза содержит выпуск для газообразного СО2, выполненный с возможностью отведения газообразного СО2 из камеры для газообразного СО2, причем выпуск для газообразного СО2 находится в сообщении по текучей среде с по меньшей мере одной камерой исполнительного устройства.
Согласно другому варианту осуществления предложено устройство, в котором корпус расположен соосно с кожухом, причем устройство дополнительно содержит внутренний кольцевой элемент, выполненный с возможностью обеспечения соосного расположения корпуса и кожуха.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором фильтрующий элемент содержит средство фильтрования, выбранное, например из сетки, спеченных шариков и спрессованной проволоки.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, дополнительно содержащее затвор, расположенный смежно с корпусом, причем затвор имеет открытое и закрытое положение, причем затвор выполнен с возможностью перехода из закрытого положения в открытое положение для выпуска гранулированного твердого СО2.
Согласно другому варианту осуществления предложено устройство, в котором корпус содержит выпуск для гранулированного твердого СО2, причем затвор содержит вал, выполненный с возможностью поворота и содержащий сквозное выпускное отверстие для гранулированного твердого СО2, и причем при нахождении затвора в открытом положении выпускное отверстие для гранулированного твердого СО2 затвора выравнено с выпуском для гранулированного твердого СО2 корпуса посредством поворота затвора для обеспечения выпуска гранулированного СО2 из корпуса.
Согласно еще одному варианту осуществления предложено устройство, в котором затвор содержит втулку, причем поворотный вал выполнен с возможностью поворота внутри втулки, причем втулка содержит отверстие втулки, которое выравнено с выпуском для гранулированного твердого СО2, причем при нахождении затвора в открытом положении выпускное отверстие для гранулированного твердого СО2 затвора выравнено с отверстием втулки и выпуском для гранулированного твердого СО2 корпуса посредством поворота затвора внутри втулки для обеспечения выпуска гранулированного СО2 из корпуса.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложено устройство, в котором каждый фильтрующий элемент содержит корпус фильтрующего элемента, причем корпус фильтрующего элемента проходит от стенки корпуса до стенки кожуха.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предложено устройство, в котором фильтрующие элементы из множества фильтрующих элементов пространственно разнесены друг от друга в шахматном порядке или по спирали.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предложено устройство, в котором корпус, кожух, множество фильтрующих элементов, прессующий элемент и гильза функционально объединены с образованием блока прессования, причем устройство содержит два блока прессования функционально соединенных с исполнительным устройством, причем исполнительное устройство выполнено с возможностью приведения в действие прессующих элементов каждого из двух блоков прессования.
Настоящее изобретение также относится к способу получения гранулированного твердого CO2, включающему:
- подачу жидкого СО2 в вышеуказанное устройство получения гранулированного твердого СО2, причем жидкий СО2 подают в камеру для жидкого СО2,
- введение жидкого СО2 из камеры для жидкого СО2 в камеру корпуса для формирования твердого СО2 из жидкого СО2,
- формирование твердого СО2 в камере корпуса,
- - отвод газообразного СО2 из камеры корпуса через множество фильтрующих элементов,
- прессование твердого СО2 посредством прессующего элемента с получением гранулированного твердого СО2, причем прессующий элемент приводят в действие усилием, создаваемым газообразным СО2, отводимым из камеры корпуса,
причем способ дополнительно включает обеспечение контакта стенки камеры корпуса с жидким СО2, находящимся в камере для жидкого СО2, и обеспечение контакта участка фильтрующих элементов, расположенного в камере для жидкого СО2, с жидким СО2, находящимся в камере для жидкого СО2
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором газообразный СО2, отводимый из камеры корпуса, направляют в емкость для газообразного СО2 с последующей подачей газообразного СО2 в по меньшей мере одну камеру исполнительного устройства для приведения в действие прессующего элемента.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором приведение в действие прессующего элемента включает перемещение прессующего элемента в первом направлении.
Согласно еще одному варианту осуществления предложен способ, в котором приведение в действие прессующего элемента включает перемещение прессующего элемента вдоль первого направления из первоначального положения в конечное положение.
Согласно другому варианту осуществления предложен способ, в котором буферный газ подают из емкости для буферного газа в по меньшей мере одну камеру исполнительного устройства для перемещения прессующего элемента во втором направлении, противоположном направлению прессования.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором жидкий СО2 подают в камеру для жидкого СО2 из емкости для жидкого СО2, причем пары СО2, образующиеся в емкости для жидкого СО2, направляют в емкость для газообразного СО2 для первоначального заполнения емкости для газообразного СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором часть газообразного СО2, расположенного в емкости для газообразного СО2, подают в емкость для буферного газа для применения в качестве буферного газа.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором вместо буферного газа возврат поршней исполнительного устройства осуществляется посредством усилия пружины сжатия/растяжения.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, дополнительно включающий перевод затвора в открытое положение, включающий поворот поворотного вала затвора во втулке затвора с обеспечением выравнивания выпускного отверстия для гранулированного твердого СО2 затвора с отверстием втулки и выпуском для гранулированного твердого СО2 корпуса для выпуска гранулированного твердого СО2 из корпуса.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, включающий отведение газообразного СО2 из камеры корпуса в камеру для газообразного СО2 через множество фильтрующих элементов, причем газообразный СО2, отводимый из камеры корпуса, представляет собой газообразный СО2, отводимый из камеры корпуса с последующим приемом в камере для газообразного СО2 и отведением из камеры для газообразного СО2.
Настоящее изобретение также относится к системе получения гранулированного твердого CO2, включающая,
- по меньшей мере одно вышеуказанное устройство получения гранулированного твердого CO2,
- емкость для газообразного СО2, выполненную с возможностью приема газообразного СО2 из камеры корпуса и подачи газообразного СО2, отведенного из камеры корпуса, для создания усилия для приведения в действие прессующего элемента,
- емкость для жидкого СО2, выполненную с возможностью подачи жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложена система, в которой емкость для газообразного СО2 выполнена с возможностью подачи газообразного СО2, отведенного из камеры для газообразного СО2, в по меньшей мере одну камеру исполнительного устройства.
Согласно еще одному варианту осуществления предложена система, дополнительно включающая емкость для буферного газа, выполненную с возможностью подачи буферного газа в по меньшей мере одну камеру исполнительного механизма.
Согласно еще одному варианту осуществления предложена система, включающая множество вышеуказанных устройств получения гранулированного твердого CO2, работающих параллельно или последовательно.
Согласно еще одному варианту осуществления предложена система, в которой газообразный СО2, отводимый из камеры корпуса, представляет собой газообразный СО2, отводимый из камеры корпуса с последующим приемом в камере для газообразного СО2 и отведением из камеры для газообразного СО2.
В последующем описании, показаны и более подробно описаны варианты осуществления предложенного изобретения. Следует понимать, что изобретение допускает другие варианты осуществления, и некоторые их детали допускают модификацию в различных очевидных аспектах без отступления от изобретения, как изложено и описано в последующей формуле изобретения. Соответственно, чертежи и описание, по характеру, должны рассматриваться в качестве иллюстративных, а не в качестве ограничительных.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует производственный узел получения гранулированного твердого СО2, содержащий устройство получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 2 иллюстрирует модуль получения гранулированного твердого СО2, содержащий устройство получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 3 иллюстрирует исполнительное устройство устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 4 иллюстрирует общий внешний вид устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в сборе.
Фиг. 5 иллюстрирует другой общий внешний вид устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в сборе.
Фиг. 6 иллюстрирует частичный общий вид устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разборе.
Фиг. 7 иллюстрирует другой частичный общий вид устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разборе.
Фиг. 8 иллюстрирует вид участка устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разрезе.
Фиг. 9 представляет собой детальный вид в разрезе участка устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 10 иллюстрирует детальный вид в разрезе фильтрующего элемента устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 11 иллюстрирует детальный вид в разрезе фильтрующего элемента устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 12 иллюстрирует систему получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Базовый процесс, используемый для получения твердого СО2 из жидкого СО2, известен и описан в источниках уровня техники (см., например, RU2015127986, US2018282168). В целом, процесс заключается в подаче жидкого СО2 в камеру для формирования твердого СО2, где жидкий СО2 трансформируется за счет падения давления ниже тройной точки диоксида углерода (5,2 абсолютных атмосфер) в твердый СО2, так называемый «снег», и сжатый газообразный СО2. Твердый СО2 в виде «снега» затем при необходимости прессуют с получением гранулированного СО2, при этом газообразный СО2, сформировавшийся в камере, отводят из камеры.
На фиг. 1 изображен узел по производству гранулированного твердого СО2. Модуль 1 грануляции служит для производства гранул твердого СО2 из жидкого СО2, который поступает из коллектора 3. В коллектор 3 жидкий СО2 поступает из емкости/резервуара для жидкого СО2 с теплоизоляцией (не показана). Модуль 1 грануляции производит гранулы твердого СО2, которые поступают из нижней части модуля 1 прямо в ящик 2 для хранения гранул. Ящик 2 для хранения гранул имеет теплоизоляцию для сохранения гранул твердого СО2. Подобная компоновка узла по производству гранулированного СО2 обеспечивает компактность и отсутствие внешних источников тепла, таких как гидравлические агрегаты, что позволяет производить гранулированный твердый СО2 эффективным и энергоемким образом, ввиду отсутствия излишнего испарения твердого СО2 в камере для формирования твердого СО2 устройства и ввиду отсутствия отдельных агрегатов, приводящих в действие компоненты модуля 1, и минимизации трения за счет жидкостной рубашки. Габариты и вес модуля 1 позволяют производить его настенную установку с продольным направлением (направление по длине) модуля 1, направленным к полу/потолку помещения.
В некоторых вариантах осуществления, узел по производству гранулированного твердого СО2 или система получения гранулированного СО2 может включать множество модулей 1 грануляции или устройств получения гранулированного твердого СО2. Модули грануляции или устройства получения гранулированного твердого СО2 могут работать параллельно или последовательно и могут быть установлены в ряд или пространственно разнесены друг от друга.
На фиг. 2 представлен подробный вид модуля 1. Модуль 1 содержит внешнюю обшивку 101, окружающую устройство получения гранулированного СО2, панель 105 управления, выполненную с возможностью управления, регулировки, мониторинга работы устройства получения гранулированного СО2. В нижней части модуля 1 расположено отверстие 107 для выхода гранул твердого СО2. В верхней части модуля 1 установлен патрубок 108 для подачи жидкого СО2, соединенный и находящийся в сообщении по текучей среде с коллектором 3, для подачи жидкого СО2 в устройство получения гранулированного СО2. Далее, модуль 1 в своей верхней части содержит патрубок 111 для отвода/подачи рабочего газообразного СО2. В настоящей заявке термин «рабочий газообразный СО2» относится к газообразному СО2, направляемому в устройство получения гранулированного СО2 для приведения в действие компонентов устройства, таких как исполнительное устройство и прессующий элемент. В верхней части модуля 1 также установлен патрубок 109 для отвода отработанного газообразного СО2. В настоящей заявке термин «отработанный газообразный СО2» представляет собой газообразный СО2, который был использован для приведения в действие компонентов устройства, таких как исполнительное устройство и прессующий элемент, и отводится из устройства в атмосферу или в емкость для хранения, при необходимости. В верхней части модуля 1 также расположен патрубок 110 для подвода буферного газа. В настоящей заявке термин «буферный газ» относится к газу, направляемому в устройство получения гранулированного СО2, в частности, в исполнительное устройство для перемещения прессующего элемента в первоначальное положение. Буферный газ может представлять собой любой пригодный газ, такой кислород, воздух, азот. В предпочтительном варианте осуществления буферный газ представляет собой газообразный СО2.
Термины «нижняя часть» и «верхняя часть» указаны для случая вертикального расположения модуля 1 грануляции, т.е. для случая, при котором продольное направление (направление по длине) модуля направлено в пол/потолок помещения. При вертикальном расположении модуля 1 его продольное направление по существу направлено перпендикулярно полу/потолку. Однако модуль грануляции также может быть распложен под углом к горизонтали (полу/потолку) или по существу горизонтально, т.е. по существу параллельно полу/потолку. В случае расположения модуля 1 грануляции в положении отличном от вертикального, верхняя и нижняя части представляет собой противоположные части модуля 1 грануляции, расположенные на противоположных концах модуля 1 грануляции в продольном направлении. Также, патрубки 108, 109, 110, 111, как и термин «патрубок» в целом, относится к любым элементам, выполненным с возможностью соединения и сообщения по текучей среде двух компонентов, таких как шланги, трубы. Так, например, патрубки 108, 109, 110, 111, как и термин «патрубок» в целом, относятся к фитингам, двойникам, тройникам, соединительным коленам, кранам, штуцерам и т.д.
Следует отметить, что предпочтительным является вертикальное расположения модуля 1 грануляции и устройства получения гранулированного твердого СО2, ввиду того, что возможно обеспечение выпуска и прессования гранулированного твердого СО2 из отверстия 107 для выхода гранул под действием силы тяжести, ввиду чего нет необходимости в применении громоздких гидравлических систем/агрегатов, потребляющих большое количество энергии и выделяющих большое количество тепла, которое проникает внутрь устройства получения гранулированного твердого СО2 и снижает эффективность конвертации жидкого СО2 в твердый СО2 и общую эффективность процесса из-за излишнего испарения твердого СО2.
На фиг. 3 представлено исполнительное устройство 112 устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению. Исполнительное устройство 112 выполнено с возможностью приведения в действие прессующего элемента устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению и может представлять собой пневмоцилиндр 112. Пневмоцилиндр 112 содержит верхнюю крышку 124, промежуточную крышку 125, нижнюю крышку 126, а также две гильзы (изображены прозрачно), образующие камеры 127а и 127b исполнительного устройства. Два поршня 129а и 129b исполнительного устройства расположены в камерах 127а и 127b, соответственно. Поршень 129а функционально соединен с промежуточным штоком 130 исполнительного устройства, который в свою очередь функционально соединен с поршнем 129b. Поршень 129b функционально соединен с плунжером 131 для прессования твердого СО2 в гранулы, который представляет собой прессующий элемент устройства получения гранулированного СО2. В данном варианте осуществления прессующий элемент представляет собой плунжер 131, однако в целом любой пригодный прессующий элемент может быть использован. Например, в качестве прессующего элемента также может быть использована конфигурация со штоком и поршнем. В данном варианте осуществления исполнительное устройство представляет собой пневмоцилиндр, однако в целом любой исполнительный механизм, выполненный с возможностью работы от усилия, создаваемого газом, может быть использован в рамках настоящего изобретения.
Для работы пневмоцилиндра 112 используется рабочий газообразный СО2, который используется для приведения в действие пневмоцилиндра 112 и плунжера 131 в целях прессования и получения гранулированного СО2, а также используется буферный газ в целях возврата плунжера 131 в первоначальное положение, или же в целях возврата плунжера 131 в первоначальное положение используется пружина сжатия/растяжения (не показана), в частности, усилие пружины сжатия/растяжения, действующее на поршни. При этом камеры 127а и 127b выполнены с возможностью синхронизированной подачи в них обоих видов газов посредством шланга 114 и шланга 116, имеющих два впуска для газа каждый.
Верхняя крышка 124 содержит выхлопной патрубок 138 для отвода отработанного газа, который соединен или сообщается по текучей среде с патрубком 109 отвода отработанного газообразного СО2, и рабочий патрубок 139 для подачи рабочего газообразного СО2, соединенный или сообщающийся по текучей среде с патрубком 111 для отвода/подачи рабочего газообразного СО2. Буферный газ подается в пневмоцилиндр 112 предпочтительно посредством шланга 116, который соединен или сообщается по текучей среде с патрубком 110 для подвода буферного газа.
Для формирования прессующего усилия, создаваемого газообразным СО2, отводимым из камеры для газообразного СО2, как будет более подробно объяснено далее, и приведения в действие плунжера 131 и перемещения плунжера 131 в первом направлении из первоначального положения в конечное положение или вниз в случае вертикального расположения устройства получения гранулированного твердого СО2 рабочий газообразный СО2 направляют через рабочий патрубок 139 и шланг 114 в по меньшей мере одну камеру 127а и 127b, где за счет усилия создаваемого давлением рабочего газообразного СО2 поршни 129а и 129b приводятся в действие и перемещаясь приводят в действие плунжер 131. Давление рабочего газообразного СО2 при подаче в камеры 127а и 127b составляет от 2,0 до 4,0 абсолютных атмосфер. При этом буферный газ в камерах 127а и 127b вытесняется в емкость для буферного газа. Осуществляется это за счет разности давления, так как буферный газ имеет более низкое давление, чем рабочий газообразный СО2, составляющее от 1,2 до 1,7 абсолютных атмосфер.
Для обратного перемещения плунжера во втором направлении из конечного положения в первоначальное положение или подъема плунжера 131 отработанный газообразный СО2 выпускают через шланг 114 и выхлопной патрубок 138, и он выходит в виде выхлопного газа через патрубок 111 для отвода/подачи рабочего газообразного СО2, и за счет подачи буферного газа в по меньшей мере одну камеру 127а и 127b (или за счет усилия, создаваемого пружиной сжатия/растяжения) поршни 129а, 129b перемещаются в первоначальное положение или поднимаются, и плунжер 131 перемещается во втором направлении из конечного положения в первоначальное положение или поднимается внутри камеры корпуса устройства получения гранулированного СО2, как будет более подробным образом объяснено далее.
Пневмоцилиндр имеет буксу 140 для присоединения к корпусу устройства получения гранулированного твердого СО2, как будет более подробным образом объяснено далее. При этом, исполнительное устройство может быть выполнено с возможностью прикрепления и/или функционального присоединения к двум корпусам устройства получения гранулированного твердого СО2 с обеспечением приведения в действия двух прессующих элементов для прессования и гранулирования твердого СО2.
Подобная конфигурация исполнительного устройства обеспечивает возможность применения газообразного СО2, формирующегося в процессе формирования твердого СО2 и отводимого из камеры для газообразного СО2 устройства получения гранулированного твердого СО2, для создания усилия для приведения в действие прессующего элемента и прессования твердого СО2 с получением гранулированного твердого СО2. Ввиду чего, отпадает необходимость в применении отдельных агрегатов, например, гидравлических систем, приводящих в действие компоненты устройства получения гранулированного твердого СО2, что ведет к более энергоэффективному процессу и повышает общую эффективность процесса и коэффициент конвертации жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2, ввиду отсутствия проникновения тепла от агрегатов/систем, приводящих в действие компоненты устройства получения гранулированного твердого СО2.
На фиг. 4-5 изображено устройство получения гранулированного твердого СО2 по настоящему изобретению в сборе. Устройство получения гранулированного твердого СО2 содержит блок 119 прессования, содержащий корпус, кожух, гильзу и затвор 121, как будет более подробно объяснено далее, и исполнительно устройство 112 (пневмоцилиндр 112). Несмотря на то, что на фиг. 4-5 проиллюстрирован вариант осуществления устройства получения гранулированного твердого СО2, включающий только один блок прессования 119, настоящее устройство получения гранулированного твердого СО2 может также включать два блока прессования 119, прикрепленных и/или функционально соединенных с одним исполнительным устройством 112. Исполнительное устройство 112 может обеспечивать прессование твердого СО2 с получением гранулированного СО2 в двух блоках прессования 119.
В устройстве получения гранулированного твердого СО2 обеспечена труба 113, соединенная патрубком 108 для подачи жидкого СО2 и шлангом 123 для подачи жидкого СО2 в кожух (не показан) блока 119 прессования и шлангом 117 для отвода паров СО2 от жидкого СО2. Труба 113 выполнена с возможностью приема жидкого СО2 через патрубок 108 и подачи жидкого СО2 в кожух блока 119 прессования. Шланг 117 позволяет отводить пары СО2 для обеспечения эффективного впрыска/ввода жидкого СО2 в камеру корпуса устройства получения гранулированного твердого СО2 с обеспечением более эффективного производства твердого СО2 из жидкого СО2.
Рабочий газообразный СО2, формирующийся в камере корпуса блока 119 прессования и скапливающийся в камере для газообразного СО2, как будет объяснено более подробно далее, отводится из блока 119 прессования через шланг 115 для отвода газообразного СО2 и поступает к выходу пневмоцилиндра и далее через рабочий патрубок 139 и патрубок 111 для отвода/подачи поступает в емкость для газообразного СО2. Из емкости для газообразного СО2 рабочий газообразный СО2 направляется обратно в патрубок 111 для отвода/подачи рабочего газообразного СО2 и далее через рабочий патрубок 139 пневмоцилиндра 112 и шланг 114 в по меньшей мере одну камеру 127а и 127b пневмоцилиндра 112 для приведения в действие плунжера 131 и перемещения его в первом направлении из первоначального положения в конечное положение. В традиционных устройствах получения твердого СО2 газообразный СО2, формирующийся в процессе получения твердого СО2, выпускают в атмосферу или каким-либо другим образом утилизируют. В настоящем изобретении также предполагается возможность выпуска газообразного СО2, формирующегося в процессе получения твердого СО2, в атмосферу или в систему повторного ожижения. Однако в настоящем изобретении благодаря применению указанных выше средств отвода газообразного СО2 от устройства стало возможным обеспечивать промежуточную энергетическую утилизацию энергии газообразного СО2 для создания усилия прессования, т.е. стало возможным использовать газообразный СО2, формирующийся в процессе получения твердого СО2, для прессования и гранулирования твердого СО2. Это позволяет избежать применения энергозатратных внешних агрегатов/систем, имеющих повышенное тепловыделение, что позволяет обеспечить более энергоэффективный процесс и повышает общую эффективность процесса и коэффициент конвертации жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2.
На фиг. 6-7 изображены виды устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разборе, а именно, блок 119 прессования в разборе. Блок 119 прессования содержит кожух 212, корпус 217 и гильзу 206, причем кожух расположен вокруг или окружает корпус 217, и причем гильза 206 по меньшей мере частично окружает кожух 212. Кожух 212 может полностью окружать корпус 217 или окружать по меньшей мере часть корпуса 217. Гильза 206 может также полностью окружать кожух 212 или окружать часть кожуха 212. Кожух 212 подсоединен в крышке 126 пневмоцилдиндра через буксу 140 для обеспечения структурной целостности устройства и предотвращения проникновения тепла в блок 119 прессования.
Автор отмечает, что, предпочтительно, кожух 212 и камера VL должны максимально окружать корпус 217 и камеру VS для максимального эффекта снижения трения пульпы/гранулы СО2 о корпус 217 по мере продвижения прессующего элемента в сторону затвора особенно максимально близко к затвору, так как по мере прессования для постоянного испарения внешнего слоя пульпы/снега/гранулы СО2 количество тепла, передаваемого от корпуса 217, требуется все больше по мере перемещения прессующего элемента в сторону затвора.
Кожух 212 содержит впуск 207 для жидкого СО2, через который жидкий СО2 подается внутрь кожуха 212 в камеру для жидкого СО2 кожуха 212. Впуск 207 может представлять собой патрубок 207 для подачи жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2 кожуха 212. Также, в кожухе 212 обеспечено впускное отверстие 201 кожуха для приема патрубка 207 и введения жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2 кожуха 212. Кожух 212 содержит выпуск 214 для жидкого СО2 для подачи жидкого СО2 в камеру корпуса 217, образованную внутренней поверхностью стенки корпуса 217. Выпуск 214 может представлять собой клапан 214, при этом в блоке 119 прессования также обеспечен активатор 150 в виде катушки для активации клапана 214 для обеспечения введения/впрыска жидкого СО2 в камеру корпуса 217 через впускное отверстие 245 для жидкого СО2 корпуса 217. Обеспечение отдельных впуска 207 для жидкого СО2 и выпуска 214 для жидкого СО2 в кожухе 212 обеспечивает возможность заполнения камеры для жидкого СО2 кожуха 212 жидким СО2, что в свою очередь обеспечивает более надлежащее теплоизолирование камеры корпуса 217, в которой происходит формирование и гранулирование твердого СО2, от внешней среды. В результате, можно избежать излишнего испарения СО2 в камере корпуса 217, и тем самым повысить общую эффективность процесса формирования и гранулирования твердого СО2. Устройство и конфигурация камеры корпуса 217, камеры для жидкого СО2 кожуха будет более подробным образом описана ниже.
Гильза 206 устанавливается поверх кожуха 212 и имеет больший диаметр чем кожух 212, в то время как кожух 212 имеет больший диаметр, чем корпус 217. В целом, корпус 217, кожух 212 и гильза 206 имеют цилиндрическую форму. Цилиндрическая форма корпуса 217 обеспечивает эффективное прессование твердого СО2, формирующегося в камере корпуса 217, прессующим элементом 131 ввиду того, что отсутствуют углы, в которых мог бы скапливаться твердый СО2. В результате, в целом общая эффективность процесса может быть повышена. Однако корпус 217 и камера корпуса 217 могут иметь форму по существу прямоугольную или квадратную для получения брикетов твердого СО2 четырехугольной формы.
Гильза 206 служит для сбора газообразного СО2, выходящего из корпуса 217 при формировании твердого СО2, в камере для газообразного СО2 гильзы 206, устройство которой будет более подробным описано ниже. Гильза 206 имеет выпуск 215 для газообразного СО2, выполненный с возможностью отведения газообразного СО2 из камеры для газообразного СО2 кожуха 212. Выпуск 215 может представлять собой патрубок 215. Газообразный СО2, отводимый из камеры для газообразного СО2 гильзы 206, представляет собой рабочий газообразный СО2. Газообразный СО2, отводимый из камеры для газообразного СО2 гильзы 206, далее отводится в емкость для газообразного СО2, и затем из емкости газообразный СО2 в виде рабочего газообразного СО2 направляется в патрубок 111 для отвода/подачи рабочего газообразного СО2 и через рабочий патрубок 139 для подачи рабочего газообразного СО2 и шланг 114 подается в камеры 127а, 127b пневмоцилиндра 112 для приведения в действие плунжера 131 и прессования твердого СО2 в камере корпуса 217. Присутствие и конфигурация гильзы позволяет использовать газообразный СО2, отводимый из камеры корпуса 217, для создания усилия, приводящего в действие плунжер 131, что позволяет обеспечить более энергоэффективный процесс получения гранулированного СО2.
В целом, корпус 217 соосно расположен внутри кожуха 212, и кожух 212 соосно расположен внутри гильзы 206, что обеспечивает возможность формирования камеры для жидкого СО2 кожуха 212 и камеры для газообразного СО2 гильзы 206, как будет более подробным образом объяснено ниже. Подобное «слоеное» расположение корпуса 217, кожуха 212 и гильзы 206 обеспечивает возможность образования соответствующих камер, а также обеспечивает большую теплоизоляцию камеры корпуса 217, в которой формируется твердый СО2, что дает возможность повысить общую эффективность процесса получения твердого СО2 и коэффициента конвертации жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2.
Кожух 212 содержит отверстия 213 для отвода газообразного СО2 из камеры корпуса 217. В блоке 119 прессования также предусмотрено кольцо 211 для центрирования и герметизации объема газообразного СО2 в пространстве между кожухом 212 и гильзой 206, т.е. в камере для газообразного СО2 гильзы 206, от внешней среды. Стопорное кольцо 205 удерживает плиту 204 крепления затвора для выпуска гранулированного СО2. Применение колец 211 и 205 позволяет обеспечить герметизацию блока прессования и избежать возможных теплопритоков в блок 119 прессования.
Как уже было указано выше, внутри кожуха 212 установлен соосно корпус 217. Соосность установки обеспечивается за счет внутреннего кольца 218 и буксы 140. Кольцо 216 удерживает кожух 212 на буксе 140. Корпус 217 содержит выпускные отверстия 231 для газообразного СО2, расположенные соосно с отверстиями 213 для отвода газообразного СО2 кожуха 212. Отверстия 231 и 213 обеспечивают отвод газообразного СО2 из камеры корпуса 217 через камеру для жидкого СО2 кожуха в камеру для газообразного СО2 гильзы 206. Отведение газообразного СО2 через отверстия 231 и 213 в камеру для газообразного СО2 гильзы 206 позволяет использовать отводимый из камеры корпуса 217 газообразный СО2 в качестве рабочего газообразного СО2 для приведения в действие плунжера 131, что позволяет получить более энергоэффективный процесс получения твердого гранулированного СО2.
Отверстия 231 и 213 выполнены с возможностью приема и расположения в них множества фильтрующих элементов 225, выполненных с возможностью обеспечения прохождения газообразного СО2, отводимого из камеры корпуса 217, через камеру для жидкого СО2 кожуха 212 в камеру для газообразного СО2 гильзы и задерживания частиц твердого СО2. Фильтрующие элементы 225 в общем включают корпус 220 фильтрующего элемента, выполненный с возможностью закрепления посредством резьбы, вставки или посадки в натяг в стенке корпуса 217 и в стенке кожуха 212. Фильтрующие элементы 225 также включают уплотнение 221, препятствующее утечке жидкости из кожуха 212, и уплотнение 222, препятствующее проникновение жидкости из кожуха 212 внутрь корпуса 220, так как каждый из фильтрующих элементов 225 содержит участок корпуса 220, расположенный в камере для жидкого СО2 кожуха 212, заполненной жидким СО2. Причем указанный участок корпуса 220 фильтрующего элемента содержит по меньшей мере одну поверхность, контактирующую с жидким СО2, находящимся в камере для жидкого СО2 кожуха 212, или все поверхности/вся поверхность участка корпуса 220 фильтрующего элемента 225 контактирует с жидким СО2, находящимся в камере для жидкого СО2 кожуха 212. Расположение фильтрующих элементов 225 в отверстиях 213 и 231, обеспечивает возможность омывания поверхности фильтрующих элементов 225, в частности, поверхности корпуса 220 жидким СО2, что позволяет обеспечить оттаивание частиц твердого СО2, задержанных в фильтрующих элементах 225, так как температура жидкого СО2 выше температуры твердого СО2, а именно, приблизительно -20°С и приблизительно -80°С, соответственно. Это обеспечивает более эффективный отвод газообразного СО2 из камеры корпуса 217 и более эффективное применение отводимого газообразного СО2 в качестве рабочего газообразного СО2 для приведения в действие прессующего элемента.
Устройство согласно настоящему изобретению также содержит затвор 210, включающий вал 202, расположенный смежно с одним из концов или нижним концом корпуса 217, выполненный с возможностью поворота и содержащий сквозное выпускное отверстие для гранулированного твердого СО2 для выпуска гранулированного СО2. Корпус 217 включает на одном из своих концов или нижнем конце выпуск для гранулированного твердого СО2 корпуса 217. Таким образом, сквозное выпускное отверстие затвора расположено смежно с выпуском для гранулированного твердого СО2 корпуса 217. Затвор 210 также включает втулку 203 имеющую сквозное отверстие, во внутреннем пространстве которой расположен поворотный вал 202, опорную плиту 209 и плиту 204 крепления. Для выпуска гранулы твердого СО2 вал 202 поворачивается с обеспечением выравнивания сквозного выпускного отверстия вала со сквозным отверстием втулки 203. В результате, отверстие вала выравнивается с отверстием втулки и выпуском для гранулированного твердого СО2 корпуса 217, и гранула твердого СО2 выпускается из корпуса 217 за счет силы тяжести или под воздействием прессующего элемента или газа. Авторами настоящего изобретения неожиданно было обнаружено, что устройство затвора, содержащего вал 202 и втулку 203, позволяет производить самогерметизацию камеры корпуса 217 при формировании твердого СО2 за счет закупоривания частицами твердого СО2 тончайших щелей между валом 202 и втулкой 203 затвора 210, что обеспечивает уменьшение потерь рабочего газа, что влияет на эффективность прессования и, как следствие, на общую эффективность процесса получения гранулированного твердого СО2.
Фиг. 8 иллюстрирует участок устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разрезе. Корпус 217 установлен в буксу 140 крышки 126 пневмоцилиндра 112. Внутренняя поверхность стенки корпуса 217 образует камеру VS корпуса 217, в которой осуществляют процесс формирования твердого СО2 и прессование твердого СО2 в гранулы посредством приведения в действие плунжера 131 и перемещения его в камере VS корпуса 217.
Плунжер 131 может перемещаться в камере VS корпуса 217 из первоначального положения, проиллюстрированного на фиг. 8, вдоль первого направления в конечное положение и вдоль второго направления из конечного положения в первоначальное положение в камере VS корпуса 217, или вниз и вверх в камере VS корпуса 217. Данное перемещение обеспечивается за счет приведения в действие пневмоцилиндра 112 и плунжера 131 за счет усилия, создаваемого газообразным СО2, отводимым из камеры VS корпуса 217 через гильзу 206.
Между корпусом 217 и кожухом 212 образована камера VL для жидкого СО2. Камера VL для жидкого СО2 кожуха 212, соответственно, образована внешней поверхностью стенки корпуса 217 и внутренней поверхностью стенки кожуха 212. Камера VL выполнена с возможностью приема жидкого СО2 из емкости для жидкого СО2 через патрубок 207 для подачи жидкого СО2 и впускное отверстие 201. При подаче жидкого СО2 в камеру VL по существу вся камера VL заполняется жидким СО2, после чего клапан 214 переводят в открытое положение и жидкий СО2 вводят/впрыскивают в камеру VS корпуса 217. При этом, в камере VS осуществляют известный процесс формирования твердого СО2 из жидкого СО2 (см., например, RU2015127986, US2018282168).
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что одно из преимуществ обеспечения камеры VL для жидкого СО2 между корпусом 217 и кожухом 212 заключается в том, что жидкий СО2 омывает в каждом такте работы устройства внешнюю поверхность стенки корпуса 217 и передает ей свое тепло, за счет которого внешний слой сформировавшегося в камере VS пульпы/гранулы твердого СО2, который примыкает к внутренней поверхности стенки корпуса 217, и участок поверхности гранулы твердого СО2 подвергаются испарению за счет разницы температур между жидким СО2 (-20°С) и твердым СО2 (-80°С). Ввиду указанного испарения, между внутренней поверхностью стенки камеры VS и поверхностью плунжера 131 образуется «газовая подушка». За счет образования указанной «газовой подушки» трение между внутренней поверхностью стенки корпуса 217 и поверхностью плунжера 131 значительным образом уменьшается. Уменьшение трения обеспечивает уменьшение износа прессующего элемента. Также, уменьшение трения обеспечивает более эффективный процесс получения гранулированного твердого СО2 ввиду того, что трение между внутренней поверхностью стенки корпуса 217 и поверхностью плунжера 131 (или любого другого прессующего элемента) будет вызвать возникновение тепла в камере VS, что будет приводить к понижению эффективности процесса и коэффициента конвертации жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2. При уменьшении трения нежелательное образование тепла в камере VS может быть уменьшено, что ведет к повышению общей эффективности процесса и коэффициента конвертации жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2. Также, при уменьшении трения энергия и усилие требуемое для прессования и перемещения плунжера 131 является уменьшенным, что позволяет обеспечивать более энергоэффективный процесс получения гранулированного твердого СО2. При этом, дополнительно следует отметить, что испарение твердого СО2 представляет собой эндотермический процесс, т.е. процесс испарения идет с поглощением тепла. За счет данного небольшого поглощения тепла возможно дополнительно интенсифицировать процесс конвертации жидкого СО2 в твердый СО2. Также, авторы настоящего изобретения отмечают, что масса твердого СО2 которая испарилась в корпусе 217 за счет омывания стенки корпуса 217 жидким СО2, переходит к жидкому СО2 в качестве холода, который в итоге повышает выделение твердого СО2 при впрыске в той же самой массе. Из-за чего фактически в замкнутой системе, т.е. в устройстве получения гранулированного твердого СО2, отсутствуют потери твердого СО2.
Также для интенсификации теплоотдачи от жидкого СО2 на внешней поверхности стенки корпуса 217 могут быть предусмотрены ребра или направляющие для увеличения скорости или длины пути прохождения жидкого СО2 до впускного отверстия 245 для жидкого СО2 корпуса 217.
Авторы настоящего изобретения также обнаружили, что другое из преимуществ обеспечения камеры VL для жидкого СО2 между корпусом 217 и кожухом 212 заключается в том, что поверхность фильтрующих элементов 225, в частности, поверхность корпусов 220 или ее участок(участки) омывается жидким СО2, что ведет к оттаиванию частиц твердого СО2, задержанных в фильтрующих элементах 225. Это обеспечивает более эффективный отвод газообразного СО2 из камеры корпуса 217 и более эффективное применение отводимого газообразного СО2 в качестве рабочего газообразного СО2 для приведения в действие прессующего элемента. Дополнительно, эффективное отведение газообразного СО2 из камеры VS позволяет интенсифицировать процесс конвертации жидкого СО2 в твердый СО2.
Между кожухом 212 и гильзой 206 образована камера VG для газообразного СО2, сформировавшегося в камере VS при осуществлении процесса формирования твердого СО2 из жидкого СО2. Соответственно, камера VG для газообразного СО2 сформирована внешней поверхностью стенки кожуха 212 и внутренней поверхностью стенки гильзы 206. Камера VG служит для сбора газообразного СО2, сформировавшегося в камере VS. При работе устройства получения гранулированного твердого СО2 газообразный СО2 для обеспечения того, что давление в камере VS не повышается выше тройной точки СО2, отводят через фильтры 225, корпус 220 которых проходит через камеру VL от стенки корпуса 217 до или в стенку кожуха 212, в камеру VG между кожухом 212 и гильзой 206. Далее, газообразный СО2 отводят из камеры VG в качестве рабочего газообразного СО2 для приведения в действие прессующего элемента через патрубок 215, проиллюстрированный на фиг. 9. Газообразный СО2, отводимый в качестве рабочего газообразного СО2 из камеры VG гильзы 206, может быть направлен в емкость для газообразного СО2, из которой газообразный СО2 может быть подан в исполнительное устройство, например, пневмоцилиндр 112, для приведения исполнительного устройства и прессующего элемента, например, плунжера 131, в действие для прессования твердого СО2 в камере VS в гранулы. Обеспечение камеры VG, содержащей газообразный СО2, отводимый из камеры VS, позволяет обеспечить эффективную теплоизоляцию камеры VL кожуха 212 и камеры VS корпуса 217, так что внешние теплопритоки не будут проникать во внутреннее пространство компонентов устройства. В результате чего, можно избежать излишнего испарения жидкого СО2 в камере VL и излишнего испарения твердого СО2 в камере VS, что ведет к более эффективному процессу получения твердого гранулированного СО2 и повышению коэффициента конвертации жидкого СО2 в гранулированный твердый СО2. Также, обеспечение камеры VG и отвод газообразного СО2 первоначально в камеру VG, и лишь затем отвод данного газообразного СО2 в качестве рабочего газообразного СО2 ведет к более энергоэффективному процессу. Так, газообразный СО2 накапливается в камере VG, за счет чего давление газообразного СО2 в камере VG повышается в такой степени, что газообразный СО2 можно отводить из камеры VG самотеком в емкость для газообразного СО2. Ввиду чего, отсутствует необходимость в применении отдельных агрегатов, таких как насосы, для отведения газообразного СО2.
Затвор 210, проиллюстрированный на фиг. 6, содержит вал 202, включающий сквозное выпускное отверстие 239 для гранулированного твердого СО2, которое выравнивается с отверстием во втулке 203 и выпуском для гранулированного твердого СО2 корпуса 217 для выпуска гранулированного СО2 из устройства, как показано на фиг. 8. Авторы настоящего изобретения отмечают, что подобная конфигурация затвора обеспечивает как необходимую герметизацию устройства для получения гранулированного СО2, в частности, камеры VS корпуса 217, так и эффективный с точки зрения затрат энергии механизм выпуска гранулированного СО2, так как при выравнивании выпускного отверстие 239 вала 202 с отверстием во втулке 203 и выпуском для гранулированного твердого СО2 корпуса 217, гранулированный СО2 может выпускаться из камеры VS под действием силы тяжести.
Дополнительно, на внешней поверхности стенки кожуха 212 и/или между внешней поверхностью стенки кожуха 212 и внутренней поверхностью стенки гильзы 206 может быть обеспечен теплообменный элемент или множество теплообменных элементов (не показано). Указанный теплообменный элемент или множество теплообменных элементов расположены в контакте с внешней поверхностью стенки кожуха 212 и могут быть расположены в камере VG. Теплообменный элемент может представлять собой любое средство, элемент, устройство, выполненное с возможностью передачи/приема тепла от внешней поверхности стенки кожуха 212. Теплообменный элемент также может быть выполнен с возможностью передачи тепла от внешней поверхности стенки кожуха 212 газообразному СО2, находящемуся в камере VG. Теплообменный элемент может быть пористым. Теплообменный элемент может, к примеру, представлять собой сетку, например, металлическую сетку, намотанную на внешнюю поверхность стенки кожуха 212 и/или вокруг внешней поверхности стенки кожуха 212. Преимущества обеспечения теплообменного элемента и расположения его как указано выше заключаются в том, что за счет теплообмена повышается температура рабочего газообразного СО2, и тем самым понижаются требования к температурным диапазонам работы уплотнений в исполнительном устройстве 112. В частности, в отсутствие теплообменного элемента уплотнения будут функционировать при температуре -80°С, а при обеспечении теплообменного элемента уплотнения будут функционировать при температуре от около -70 до около -60°С, ввиду чего будет уменьшаться износ уплотнений, и в целом срок службы уплотнений будет увеличен. Также, за счет теплообмена будут испаряться неотфильтрованные частицы твердого СО2, которые прошли через фильтр. При этом, за счет теплообмена температура жидкого СО2 в камере VL будет в некоторой степени снижена, что будет способствовать увеличению коэффициента конвертации жидкого СО2 в твердый гранулированный СО2.
На Фиг. 9 представлен вид в разрезе, который перпендикулярен разрезу на фиг. 8, устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению. Как видно из фиг. 9 фильтрующие элементы 225 имеют первый конец, расположенный в стенке корпуса 217, и второй конец, расположенный в стенке кожуха 212. В частности, корпус 220 имеет указанные первый и второй концы. Подобная конфигурация позволяет обеспечить контакт жидкого СО2, находящегося между кожухом 212 и корпусом 217, с поверхностью(ями) участка(ов) фильтрующего элемента 225, в частности, с поверхностью(ями) участка(ов) корпуса 220 для обеспечения оттаивания частиц твердого СО2, задерживаемого фильтрующими элементами 225. Это обеспечивает более эффективный отвод газообразного СО2 из камеры корпуса 217 и более эффективное применение отводимого газообразного СО2 в качестве рабочего газообразного СО2 для приведения в действие прессующего элемента.  Эффективное отведение газообразного СО2 из камеры VS также снижает риск повышения давления в камере VS свыше давления тройной точки, что может приводить к образованию жидкого СО2 в камере VS, что будет нарушать работу всей системы и снижать эффективность процесса получения твердого СО2 из жидкого СО2. При этом, хорошая пропускная способность фильтрующих элементов 225 позволяет увеличить скорость заполнения камеры VG, что ведет к повышению общей производительности устройства получения гранулированного твердого СО2.
В кожухе 212 устройства получения твердого гранулированного СО2 также предусмотрен выпуск 244 для паров СО2, выполненный с возможностью выпуска паров СО2 из камеры для жидкого СО2. Выпуск 244 может представлять собой патрубок 244 для выпуска паров СО2. Обеспечение выпуска 244 для паров СО2 позволяет обеспечить более эффективное введение/впрыск жидкого СО2 в камеру VS корпуса 217.
Также, в устройстве предусмотрен предохранительный выпуск 233 для отвода паров жидкого СО2, в случае образования жидкого СО2 внутри камеры прессования. При этом, предпочтительно, выпуск 233 должен находиться выше впускного отверстия 245.
Как видно из фиг. 9, газообразный СО2 может отводиться из пространства между гильзой 206 и кожухом 212, т.е. из камеры VG гильзы 206, через патрубок 215.
Далее, исходя из фиг. 9 видно, что фильтрующие элементы 225, в частности, корпусы 220 фильтрующих элементов пространственно разнесены друг от друга по длине корпуса 217 и кожуха 212. В данном случае, выражение «по длине» означает, что фильтрующие элементы 225 пространственно разнесены друг от друга в продольном направлении корпуса 217 и кожуха 212. Термин «пространственно разнесены друг от друга по длине» означает, что фильтрующие элементы 225 находятся на расстоянии друг от друга, но при этом расположены в корпусе 217 и кожухе 212. Также, фильтрующие элементы 225 пространственно разнесены друг от друга по окружности корпуса или по окружности и корпуса и кожуха, в случае если корпус и кожух имеют цилиндрическую форму. Таким образом, фильтрующие элементы 225 могут быть пространственно разнесены друг от друга по окружности стенок корпуса и кожуха. Также, фильтрующие элементы 225 могут быть расположены в шахматном порядке или по спирали, т.е. фильтрующие элементы 225 могут составлять рисунок в виде шахматного порядка или в виде спирали на поверхности стенок корпуса и кожуха. Такое же расположение, описанное выше, могут иметь отверстия 213 кожуха и отверстия 231 корпуса, так как фильтрующие элементы 225 расположены в отверстиях 213 кожуха и отверстиях 231 корпуса.
На фиг. 10-11 представлен детальный вид в разрезе фильтрующих элементов 225 двух разных видов, которые могут применяться для настоящего изобретения. Фильтрующие элементы содержат корпус 220, первый конец 232a, расположенный в стенке корпуса 217, и второй конец 232b, расположенный в стенке кожуха 212.
Как видно из фиг. 10 в стенке корпуса 217 сформировано отверстие 231, в которое вставлен и/или присоединен с резьбовым соединением первый конец 232а, причем первый конец 232а и отверстие 231, находятся в сообщении по текучей среде друг с другом. На фиг. 11 показано, что первый конец 232а может иметь форму, повторяющую форму внутренней поверхности стенки корпуса 217. За счет этого, можно достичь уменьшения износа прессующего элемента и уменьшения количества энергии усилия, необходимой для перемещения прессующего элемента в камере VS, так как при перемещении прессующий элемент не будет встречать препятствий таких как выступы или пазы, и прессующий элемент будет перемещаться максимально соосно с камерой прессования.
Второй конец 232b открыт в камеру VG для обеспечения прохождения газообразного СО2 из камеры VS в камеру VG и вставлен и/или присоединен резьбовым соединением в стенке кожуха 212. На втором конце 232b обеспечено отверстие 236 для обеспечения прохождения газообразного СО2 из камеры VS в камеру VG. На первом конце 232а обеспечено отверстие для обеспечения прохождения газообразного СО2 из камеры VS в камеру VG, причем отверстие на первом конце 232а и отверстие 236 на втором конце 232b сообщаются по текучей среде.
Таким образом первый конец 232a, встроен в корпус 217, в частности, в стенку корпуса 217, что позволяет увеличить прочность самого фильтрующего элемента 225 в целом.
На участках внутренней поверхности стенки корпуса 217, смежных фильтрующим элементам 225, в частности, первым концам 232а выполнены отверстия 235 или фильтрующие отверстия 235 для обеспечения прохождения газообразного СО2 из камеры VS корпуса 217 и задерживания некоторой части частиц твердого СО2 в потоке газообразного СО2. При этом фильтрующие отверстия 235 сообщаются по текучей среде с отверстием, обеспеченными на первом конце 232а, и отверстием 236 за счет чего обеспечивается сообщение по текучей среде между камерой VS корпуса 217 и камерой VG гильзы 206. Расположение фильтрующих отверстий 235 показано на фиг. 9 и фиг. 10. Фильтрующие отверстия 235 расположены на внутренней поверхности стенки корпуса 217 в участках поверхности стенки, смежных или примыкающих к фильтрующему элементу 225, в частности, первому концу 232а. Фильтрующие отверстия 235 могут быть выравнены и/или расположены соосно с отверстием на первом конце 232а и отверстием 236. Фильтрующее отверстие 235 может представлять собой одиночное отверстие с обеспечением в нем средства фильтрования, такого, например, как сетка. В предпочтительном варианте осуществления, фильтрующее отверстие 235 представляет собой множество фильтрующих отверстий, расположенных соосно и/или выравненных с отверстием в первом конце 232а, отверстием 236. Форма фильтрующих отверстий из множества фильтрующих отверстий может представлять собой любую пригодную форму, такую как, например, круглая или по существу круглая, овальная, многоугольная, такая как квадратная, прямоугольная, трапецевидная, ромбовидная, шестигранная и т.д. Фильтрующее отверстие 235 может представлять собой компонент/часть фильтрующего элемента 225 или же «фильтра» в целом, как будет объяснено более подробно ниже. На фиг. 10 показано, что отверстие(я) 235 может иметь форму, повторяющую форму внутренней поверхности стенки корпуса 217.
Теплоконтакт между концами 232a и 232b обеспечивается за счет обеспечения корпуса 220 фильтрующего элемента. Также, наличие корпуса 220 в фильтрующем элементе 225 обеспечивает возможность испарения, оттаивания частиц твердого СО2, задержанных в фильтрующем элементе 225, в частности, на первом конце 232а, за счет контакта участка корпуса 220, расположенного в камере VL, с жидким СО2, имеющим более высокую температуру (‒20ºС), по сравнению с твердым СО2 (‒80ºС). В частности, участок корпуса 220 имеет поверхность(ти), находящуюся(иеся) в контакте с жидким СО2 в камере VL. Это обеспечивает более эффективный отвод газообразного СО2 из камеры VS корпуса 217 и более эффективное применение отводимого газообразного СО2 в качестве рабочего газообразного СО2 для приведения в действие прессующего элемента. Также, подобная конфигурация позволяет уменьшить риск образования жидкого СО2 в камере прессования, что ведет к возможности повышения общей эффективности процесса получения твердого СО2 и коэффициента конвертации жидкого СО2 в гранулированный твёрдый СО2.
Фильтрующие элементы 225 также включают уплотнение 221, препятствующее утечке жидкости из кожуха 212, и уплотнение 222, препятствующее проникновение жидкости из кожуха 212 внутрь корпуса 220, что ведет к возможности повышения общей эффективности процесса получения твердого СО2 за счет отсутствия утечек жидкого СО2 из камеры VL.
Фильтрующие элементы 225 содержат средство фильтрования, выбранное, например, из сетки, спеченных шариков и спрессованной проволоки. Однако любое средство фильтрования пригодное и способное к улавливанию/задерживанию частиц твердого СО2 в потоке газообразного СО2 может быть использовано в рамках настоящего изобретения. В частности, средство фильтрования может быть обеспечено на первом конце 232а. Средство фильтрования может быть обеспечено смежно с первым концом 232а фильтрующего элемента 225 и/или в контакте с первым концом 232а фильтрующего элемента 225. Средство фильтрования может упираться в первый конец 232а фильтрующего элемента 225.
В целом, фильтрующие элементы 225, фильтрующее отверстие 235 и отверстия 213, 231 могут быть объединены понятием «фильтр» и представлять собой множество фильтров.
Несмотря на то, что представленные на фиг. 6-11 варианты осуществления устройства получения гранулированного твердого СО2 включают в себя гильзу 206, в одном из вариантов осуществления гильза 206 отсутствует (не показан на фигурах). В подобном варианте осуществления, газообразный СО2, сформировавшийся в камере VS корпуса 217, отводится из камеры VS через множество фильтрующих элементов 225 напрямую (т.е. без отвода в камеру VG) в емкость для газообразного СО2, из которой газообразный СО2 направляется в виде рабочего газообразного СО2 в исполнительное устройство 112, например, пневмоцилиндр 112. В подобном варианте осуществления, множество шлангов/трубопроводов подсоединены ко вторым концам 232b фильтрующих элементов 225 и находятся в сообщении по текучей среде с отверстиями 236, за счет чего газообразный СО2 отводится из камеры VS напрямую в емкость для газообразного СО2. Подсоединение множества шлангов/трубопроводов ко вторым концам 232b фильтрующих элементов 225 может осуществляться за счет обеспечения множества соответствующих штуцеров/патрубков, соединенных с отверстиями 213 кожуха 212 с обеспечением сообщения по текучей среде между отверстиями 236 и шлангами/трубопроводами.
Также возможен вариант осуществления изобретения, в котором  газообразный СО2, формирующийся в камере VS, частично собирается в камере VG с дальнейшим отведением к исполнительному устройству 112 в качестве рабочего газообразного СО2 и частично сразу отводится через отдельные шланги к исполнительному устройству 112 в качестве рабочего газообразного СО2.
На фиг. 12 проиллюстрирована система получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению. Модуль 1, проиллюстрированный на фиг. 1-2 и содержащий устройство получения гранулированного твердого СО2, проиллюстрированное на фиг. 3-9, подключен к емкости 301 для жидкого СО2 через линию 307 для подачи жидкого СО2 в устройство получения гранулированного твердого СО2, в частности, в камеру VL кожуха 212. Линия 307 подает жидкий СО2 через коллектор 3, патрубки 108 и 207 в кожух 212, в частности, в камеру VL.
Емкость 302 для газообразного СО2, в частности, рабочего газообразного СО2 соединена с камерой VG гильзы 206 через линию 321 для приема газообразного СО2. По линии 321 газообразный СО2 через патрубок 215 отводится из камеры VG в емкость 302.
Далее, емкость 302 для газообразного СО2 соединена с исполнительным устройством 112, в частности, пневмоцилиндром 112 посредством линии 324 подачи рабочего газообразного СО2. По линии 324 рабочий газообразный СО2 подается в пневмоцилиндр 112, в частности в камеры 127а-127b, через патрубок 111 для отвода/подачи рабочего газообразного СО2 для приведения в действие пневмоцилиндра и прессующего элемента, такого как плунжер 131, для прессования твердого СО2 в камере VS с получением гранулированного твердого СО2. В линии 321 обеспечен кран 120 для отвода газообразного СО2 из камеры VG кожуха 212 или запирания/отсечения камеры VG от компонентов данной системы или производственного узла в целом. В качестве крана 120 также может быть использован обратный клапан без внешнего управления.
В системе также обеспечена емкость 303 для буферного газа. Емкость 303 соединена с пневмоцилиндром 112 посредством линии 323 подачи буферного газа. По линии 323 буферный газ подается в пневмоцилиндр 112, в частности в камеры 127а-127b, через патрубок 110 для отвода плунжера 131 в первоначальное положение.
Емкость 301 для жидкого СО2 также соединена с емкостью 302 для газообразного СО2 через линию 305 и редуктор 304, через которые пары СО2 могут подаваться в емкость 302 в случае необходимости первоначального заполнения емкости 302 газообразным СО2.
Емкость 302 для газообразного СО2 также может быть соединена с емкостью 303 для буферного газа посредством редуктора 306. Таким образом, в случае необходимости первоначального заполнения емкости 303 для буферного газа газообразным СО2.
В коллекторе 3 предусмотрен датчик 310 уровня, выполненный с возможностью определения уровня жидкого СО2 в линии 333 подачи жидкого СО2 от патрубка 108 подачи жидкого СО2 до впуска 207 для подачи жидкого СО2 в камеру VL кожуха 212. Датчик 310 уровня активирует клапан 308 для сброса паров СО2 из линии 307 для подачи жидкого СО2 и коллектора 3. Через клапан 308 и линию 334 пары СО2 могу быть поданы в емкость 302 для жидкого СО2. В системе также может быть предусмотрен предохранительный клапан 312, выполненный с возможностью регулирования давления газообразного СО2 в емкости 302. Причем для безопасной работы системы пропускная способность предохранительного клапана 312 должна быть выше пропускной способности клапана 308.
Дополнительно, следует отметить, что для функционирования затвора 121, в частности, поворота вала 202, крана 120 и крана, управляющего и регулирующего проход газа через патрубок 109, может быть использован поворотный пневмопривод работающий при 5-8 абсолютных атмосфер с незначительным потреблением сжатого воздуха.
Следует также отметить, что термин «линия» может относится к любому пригодному средству для перемещения газообразного и жидкого СО2. Линия может представлять собой шланг, трубопровод и т.д.
Принцип работы устройства/системы получения гранулированного твердого СО2 заключается в следующем.
Жидкий СО2 по линии 307 подается в коллектор 3, из которого жидкий СО2 по линии 333 через патрубок 108 для подачи жидкого СО2 и впуск 207 для подачи жидкого СО2 подается в камеру VL кожуха 212. После заполнения камеры VL необходимым количеством жидкого СО2 клапан 214 переводят в открытое положение и жидкий СО2 подают через впускное отверстие 245 для жидкого СО2 корпуса 217 в камеру VS. В камере VS обеспечивают условия для формирования твердого СО2 из жидкого СО2, например, как описано в RU2015127986, US2018282168. В камере VS формируется твердый СО2 в виде «снега» и газообразный СО2. Газообразный СО2 отводят из камеры VS через фильтрующие элементы 225 в камеру VG гильзы 206, при этом за счет конфигурации устройства обеспечивается контакт участка фильтрующих элементов 225 с жидким СО2, находящимся в камере VL. Газообразный СО2, находящийся в камере VG, через выпуск 215 отводится в емкость 302 для газообразного СО2, откуда по линии 324 для рабочего газообразного СО2 подается в виде рабочего газообразного СО2 в исполнительное устройство 112, такое как пневмоцилиндр 112, для создания усилия, приводящего пневмоцилиндр 112 и прессующий элемент, такой как плунжер 131, в действие. При этом, плунжер 131 перемещается в камере VS и прессует твердый СО2 в виде «снега» с получением гранулированного СО2. Затвор 121 переводится в отрытое положение за счет поворота вала 202 и твердый гранулированный СО2 выпускают из выпуска для гранулированного твердого СО2 корпуса 217. Буферный газ подают из емкости 303 для буферного газа в пневмоцилиндр 112 для отведения плунжера 131 и возвращения его в первоначальное положение. Отработанный рабочий газообразный СО2 выпускают в виде выхлопа через патрубки 109, 138. После выпуска гранулированного СО2 из выпуска для гранулированного твердого СО2 корпуса 217 и после того, как плунжер 131 возвратился в первоначальное положение и освободил полностью камеру VS, цикл повторяют с такта впрыска. Как уже было указано выше, в случае необходимости в емкость 302 для газообразного СО2 могут подавать пары СО2 из емкости 301 для жидкого СО2. Также, в случае необходимости в емкость 303 для буферного газа могут подавать газообразный СО2 из емкости 302.
Рядовому специалисту в данной области будет понятно, что варианты осуществления, охваченные настоящим описанием, не ограничены конкретными иллюстративными вариантами осуществления, описанными выше. В связи с этим, хотя были показаны и описаны иллюстративные варианты осуществления, в вышеизложенном описании предполагается большой диапазон модификаций, изменений, комбинаций и замен. Должно быть понятно, что в изложенном выше такие варианты можно сделать без выхода из объема настоящего изобретения. Соответственно, целесообразно широкое толкование приложенной формулы изобретения и образом, согласующимся c настоящим описанием.