СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ
METHOD OF GAS MIXTURE COOLING

Изобретение относится к технологии раздельного извлечения компонент газовых смесей, в частности очистки гексафторида урана от легколетучих примесей, и может быть использовано для улучшения качества и снижения себестоимости продукции газоразделительных производств.
Технология очистки гексафторида урана от легколетучих примесей представляет собой процесс фракционной разгонки гексафторида урана (ГФУ) и примесей. Процесс осуществляется на температурном уровне Т=193 K и состоит в проведении десублимации и сублимации ГФУ и «легких» примесей в специальных охлаждаемых ёмкостях.
В настоящее время в качестве источников «холода», удовлетворяющего требованиям эксплуатации, на разделительных предприятиях применяют: машины Fillips; двуокись углерода в твердом состоянии (применяют на ОАО «УЭХК»); каскадные холодильные машины; холодильные газовые турбодетандерные установки (применяют на ОАО «СХК»). Широкого распространения эти технологии не получили по ряду причин.
Машины Fillips отличаются невысоким ресурсом, сложны в эксплуатации, имеют продолжительный период выхода на рабочий режим из отепленного состояния.
2
Двуокись углерода имеет недостаточную температуру для ведения технологического процесса. При рабочих давлениях требуется температура Т=193 K для десублимации продукта. Температура CO в твердом состоянии Т=197 K.
Каскадные холодильные машины на такой температурный уровень серийно не выпускаются, отличаются сложной конструкцией (не менее 3 каскадов, так как степень сжатия в контуре по техническим условиям не более 8) и требуют промежуточных рабочих тел. Рабочими телами на последнем каскаде, как правило, являются экзотические вещества, обладающие высокой стоимостью.
Наиболее удобной с точки зрения эксплуатации является технология адиабатного расширения предварительно осушенного от влаги и углекислоты сжатого воздуха в тубодетандерном агрегате.
В качестве прототипа выбран способ охлаждения, реализуемый с помощью холодильной газовой турбодетандерной установки (агрегат турбодетандерный РТ 10/6 КД 2014.00.000, изготовлен на машиностроительном заводе им. 40-летия Октября, г. Балашиха).
3
В прототипе предварительную очистку сжатого атмосферного воздуха (рабочего тела) от паров воды и углекислого газа и предварительное захолаживание осуществляют на регенеративных теплообменниках. Регенераторы работают в паре. На один подают холодный воздух из турбодетандера для удаления конденсата в атмосферу и охлаждения насадок, чтобы обеспечить последующую осушку и предварительное захолаживание сжатого атмосферного воздуха, во втором регенераторе в это время производят осушку сжатого атмосферного воздуха. Через каждые три минуты необходимо переключение регенераторов для обеспечения требуемого перепада температуры на входе и выходе регенератора (не более 14°C). При данном режиме расход сжатого атмосферного воздуха составляет ~10000 м/ч. Очищенный сжатый атмосферный воздух подают на турбодетандер для охлаждения. Охлажденный воздух разделяют на два потока (работа и предварительная очистка). Отвод работы, затраченной на расширение, осуществляют с помощью электродвигателя, работающего в режиме шунтирования с последующим преобразованием в электроэнергию. Регулируют холодопроизводительность изменением количества подаваемого в турбодетандер сжатого атмосферного воздуха за счет изменения проходного сечения направляющего аппарата, осуществляемого изменением положения лопаток диафрагмы направляющего аппарата при постоянной скорости вращения турбины турбодетандера.
Недостатки прототипа:
- отсутствие эффективного регулирования холодопроизводительности при работе на минимальных режимах вызывает большой перерасход потребляемой электроэнергии (при удельном расходе электроэнергии ~0,179 кВт/ккал фактический перерасход составляет на ~50-80% больше);
3
- применение регенеративных теплообменников приводит к большому расходу сжатого атмосферного воздуха ~10 000 м/ч, что снижает кпд;
- регулирование холодопроизводительности дросселированием рабочего потока трудоемко и приводит к значительным энергопотерям;
- используемая централизованная система охлаждения представляет собой рассчитанную на обслуживание всего комплекса сосудов охлаждения разветвленную сеть коммуникаций, выполненную в специальной изоляции, с большим количеством специальной (криогенной) запорной арматуры.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа охлаждения, свободного от недостатков прототипа.
Поставленная задача решается тем, что:
В способе охлаждения газовой смеси, включающем предварительную очистку сжатого атмосферного воздуха, предварительное захолаживание сжатого атмосферного воздуха, охлаждение сжатого атмосферного воздуха в турбодетандере до заданной температуры, отвод работы, затраченной на расширение, регулирование холодопроизводительности, предварительную очистку сжатого атмосферного воздуха производят на цеолите, обеспечивающем очистку до точки росы 203 K. Предварительное захолаживание сжатого атмосферного воздуха осуществляют в рекуперативном теплообменнике. Отвод работы, затраченной на расширение, осуществляют нагревом промежуточного рабочего тела на тормозящем устройстве. Регулирование холодопроизводительности обеспечивают изменением числа оборотов турбины турбодетандера.
3
Расход сжатого атмосферного воздуха составляет 450-550 м/ч.
В качестве промежуточного тела используют турбинное масло.
Принципиальная технологическая схема оборудования, разработанного для осуществления заявленного способа охлаждения газовой смеси, представлена на фиг.1.
Способ осуществляют следующим образом.
Сжатый атмосферный воздух подают в сорбционный осушитель 1, наполненный цеолитом, обеспечивающим очистку до точки росы 203 K, например, цеолитом СИЛОБИТ МС 512. Осушенный до точки росы 203 K  сжатый атмосферный воздух с температурой 293 K направляют в рекуперативный теплообменник 2. В рекуперативном теплообменнике 2 за счет теплообмена с отходящим от потребителя воздушным потоком, сжатый атмосферный воздух предварительно захолаживают до температуры около 230 K и подают в турбодетандер 3. В турбодетандере 3 предварительно охлажденный сжатый атмосферный воздух расширяется по адиабате и охлаждается до температуры 173 K, после чего поступает на охлаждение потребителей и далее на охлаждение прямого потока в рекуперативный теплообменник 2. Отвод работы, затраченной на расширение, осуществляют нагревом промежуточного рабочего тела, например турбинного масла TURBO BLEND, в масленом тормозе 4. Нагретое промежуточное рабочее тело направляют в теплообменник 5, где оно охлаждается. После охлаждения промежуточное рабочее тело возвращают в маслобак 6.
Холодопроизводительность регулируют изменением числа оборотов турбины турбодетандера за счет изменения давления на масленый тормоз.
Разработанный способ рекомендуется для применения в технологических процессах по охлаждению объектов с тепловыделением до 7 кВт на температурном уровне Т=193 K с использованием децентрализованной схемы охлаждения.
Преимущества предлагаемого способа охлаждения газовой смеси применительно к технологии очистки гексафторида урана от легколетучих примесей:
- обеспечивает необходимую степень очистки гексафторида урана от легколетучих примесей;
- существенно упрощает технологическое и конструктивное исполнение схемы охлаждения;
- обеспечивает необходимый интервал температур даже при самых теплонапряженных режимах работы;
- децентрализованная система охлаждения - это возможность полной автоматизации работы;
- применение атмосферного воздуха в качестве рабочего тела исключает попадание вредных веществ в окружающую среду.