Способ ректификационной очистки дифторхлорметана и устройство, его реализующее
METHOD OF RECTIFICATION PURIFICATION OF DIFLUOROCHLOROMETHANE AND DEVICE REALIZING IT

Способ ректификационной очистки дифторхлорметана и устройство его реализующее, относится к области регенерации озоноопасных хладонов, в частности дифторхлорметана, бывших в употреблении в промышленных и специального назначения холодильных машинах, от загрязняющих их низко- и высококипящих примесей, воды, масла, кислот и механических примесей.
Способ ректификационной очистки предназначен для применения в холодильной промышленности. Его применение обеспечивает работоспособность холодильных машин в промышленных предприятиях и в составе специальной техники.
Исследование технического уровня развития холодильной техники позволяет определить следующие причины, являющиеся предпосылками создания заявляемого решения. В рабочих контурах холодильных машин во время их эксплуатации происходит накопление влаги, воздуха, продуктов разложения масла, появляются кислоты, механические и другие примеси. Эти процессы являются следствием как нормального, так и аварийного износа холодильной машины, величина которого зависит от ряда химических, механических и тепловых факторов, а также продолжительности эксплуатации машин.
Основными причинами нормального и аварийного износов являются:
- изменение размеров рабочего контура холодильной машины, включая машины и аппараты, входящие в него, вследствие абразивного изнашивания трибосопряженных деталей;
- изменения химического состава рабочего тела холодильной машины;
- температурные деформации в процессе эксплуатации.
Как правило, на величину и сроки износа оказывает влияние неправильное или не своевременное техническое обслуживание, низкое качество материалов, наличие негерметичных соединений, конструктивные недостатки, а также ошибки в процессе монтажа и эксплуатации.
Основным катализатором образования большинства загрязнений в рабочем теле холодильной машины является влага, наличие которой в рабочем контуре обусловлено:
- недостаточной степенью обезвоживания хладагента и смазочного масла;
- недостаточной степенью вакуумирования перед заполнением установок дифторхлорметаном;
- недостаточной степенью осушки аппаратов и машин перед сборкой холодильной установки;
- ее попаданием в систему с частицами флюса, применяемого при пайке;
- использованием гигроскопических материалов в агрегатах холодильной машины, например, в электродвигателе компрессора и др.
Вода может образовываться также в тщательно осушенной системе из-за распада гидроперекиси, являющейся промежуточным продуктом окисления смазочного масла.
Наличие воды способствует гидролизу дифторхлорметана, побочные продукты которого составляют шлам, смолистые осадки, хлориды алюминия, меди и другие включения.
Вследствие абразивного изнашивания трибосопряженных деталей холодильного компрессора происходит выделение продуктов износа в рабочую среду и на внутренние поверхности элементов агрегата в виде частиц металлов.
В условиях работы холодильной машины к загрязнениям необходимо отнести и примеси в «маслодифторхлорметановой» смеси, под которыми понимают вещества и соединения, образующие с рабочими веществами истинные и коллоидные растворы, размеры частиц которых соизмеримы с размерами молекул компонентов рабочих веществ.
В технологических процессах синтезирования дифторхлорметана химическими методами в исходный дифторхлорметан могут попадать примеси, в том числе неконденсирующиеся при нормальных условиях газы (воздух и его компоненты, низкокипящие хладоны и т.п.), которые также являются примесными для исходного рабочего тела. Кроме того, другие хладоны могут быть примешены в процессе неправильной эксплуатации при дозаправке рабочего контура холодильной машины.
Наличие загрязнений снижает теплоэнергетические и функциональные показатели холодильных машин [«Проблемы рекуперации озоноопасных хладагентов и их повторного использования в судовых холодильных установках и различных отраслях промышленности». Журнал «Проблемы развития корабельного вооружения и судового радиоэлектронного оборудования», №2(15) 2018, Москва. Авторы: Бычков Е.Г., Бузукашвили И.И. и др.; «Основы холодильной техники и технического обслуживания холодильных систем. Руководство для технических специалистов-холодильщиков» Д. Азизов, Ф. Сайдиев. - Ташкент: «Baktria press», 2017. - 176 с.]. Это приводит к необходимости обязательной очистки внутренних герметичных агрегатов холодильных машин и замены (очистки) рабочего тела в процессе ремонтных или профилактических работ.
Кроме того, на дифторхлорметан устанавливается срок годности [ГОСТ 8502-93. Дифторхлорметан (хладон 22). Технические условия] или эксплуатации, после чего используемый дифторхлорметан должен быть заменен на новый или регенерированный. Из уровня техники известны различные способы (технологии) регенерации дифторхлорметана путем осуществления последовательности технологических операций. Например, последовательными фильтрованием, выпариванием и конденсацией.
Известен способ очистки хладагентов от примесей и установка на его основе, описанные в патенте [RU Патент №2134851, опубликовано 20.08.1999 г.], реализующая технологию испарительной очистки основного вещества от примесей нелетучих, низко- и легколетучих органических примесей и воды. В устройстве для регенерации трубопровод отвода горячих газов соединен с регулятором температуры дистилляции жидкости, поддерживающим очень низкую величину температуры для предотвращения переноса влаги и установки уровня жидкости. Камера дистилляции содержит теплообменную систему и систему вывода дистиллированного хладагента, а также входной трубопровод для подачи загрязненного хладагента. Пар, образующийся над жидкостью в камере, отводится компрессором, из которого через спиральный змеевик, погруженный в жидкость в камере дистилляции, выводят горячие газы. Компрессор может периодически подавать газы по трубопроводу в обход спирального змеевика в соответствии с управляющими сигналами терморегулятора. В любом случае при прохождении потока либо через отводной трубопровод, либо через змеевик небольшой холодильник с воздушным охлаждением рассеивает тепло, вырабатываемое компрессором.
Преимуществами такого способа и установки очистки являются простота, универсальность, невысокие удельные энергетические затраты.
К недостаткам способа нужно отнести недостаточно высокую степень очистки при однократном (одноступенчатом) испарении, что является одним из определяющим показателем при регенерации дифторхлорметана.
Указанный недостаток решается применением способа (технологии) многоступенчатого последовательного процесса испарения и конденсации, реализуемого в ректификационной колонне.
В качестве ближайшего аналога к предлагаемому способу и устройству его реализующей полезной модели принята установка для очистки технического изобутана от примесей [RU Патент №52850, опубликовано 27.04.2006 г.]. В данной установке реализована технология (способ) многоступенчатой испарительно/конденсационной очистки, с применением ректификационной колонны. Установка для очистки технического изооктана от примесей по предлагаемой полезной модели включает в себя: ректификационную колонну под давлением, куб которой имеет соединения с емкостью для исходного технического изооктана, две последовательно соединенные сорбционные колонки, заполненные силикагелем и цеолитом, охлаждаемый теплообменник, две охлаждаемые сборные емкости готового продукта, транспортируемую емкость для отгрузки готового продукта - очищенного от примесей изооктана - потребителям, сборник нелетучих примесей.
К недостаткам прототипа нужно отнести недостаточно высокие степень очистки и производительность, а также относительно большие массогабаритные характеристики установки.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого способа, заключается в возможности достижения достаточной с практической точки зрения степени очистки при невысоких энергетических затратах, повышение производительности до промышленного уровня, а также снижение массогабаритных характеристик.
Дополнительный технический результат выражается в возможности достижения любой теоретически возможной степени очистки и создания мобильных вариантов установок для регенерации дифторхлорметана.
Заявляемый способ ректификационной очистки дифторхлорметана заключается в отводе дифторхлорметана от холодильной машины (или другого технического устройства, использующего дифторхлорметан в качестве рабочего тела) через очищающий от механических примесей фильтр в испаритель первой ступени, в котором он подогревается до температуры 45-50°C теплоносителем из тепловодонагревателя, а затем подается в нижнюю часть ректификационной колонны, где также греется электронагревателем в испарителе второй ступени. После чего пары дифторхлорметана поднимаются по ректификационной колонне, на тарелках которой происходит тепломассообмен с охлажденным до температуры 7-10°C конденсатом, стекающим из дефлегматора. После чего очищенные пары дифторхлорметана конденсируются в конденсаторе при температуре 5-10°C, и стекают через фильтр тонкой очистки в охлажденную до температуры 3-5°C сборную емкость, выходы из которой направлены через запорно-регулирующую арматуру по жидкости в транспортную емкость и в емкость для повторной очистки, а по пару - в нижнюю часть конденсатора. Охлаждение дефлегматора, конденсатора, сборной емкости и емкости для повторной очистки обеспечивается теплоносителем из чиллера, а нагрев сборной емкости и емкости для повторной очистки может быть осуществлен теплоносителем из тепловодонагревателя, как и испарителя первой ступени.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа, где:
поз. 1 - испаритель первой ступени (с водяной рубашкой);
поз. 2 - испаритель второй ступени (с электронагревателем);
поз. 3 - колонна ректификационная;
поз. 4 - дефлегматор;
поз. 5 -конденсатор;
поз. 6 - сборная емкость с фильтром и с водяной рубашкой;
поз. 7 - дополнительная емкость с водяной рубашкой;
поз. 8 - чиллер;
поз. 9 - водонагреватель;
поз. 10-40 - регулирующие краны;
поз. 41-47 - датчики уровнемеры;
поз. 48-50 - клапаны предохранительные;
поз. 51-52 - фильтры;
поз. 53-56 - манометры;
поз. 57 - водяной насос;
поз. 58 - смотровое окно, а также технологических трубопроводов, контрольно-измерительных приборов и блока управления.
Устройство для ректификационной очистки дифторхлорметана предназначено для регенерации бывшего в употреблении дифторхлорметана, используемого в промышленных холодильных установках, в том числе и на спецтехнике, и включает испаритель первой ступени (поз. 1), испаритель второй ступени (поз. 2), ректификационную колонну (поз. 3), дефлегматор (поз. 4), конденсатор (поз. 5), сборную емкость (поз. 6), дополнительную емкость (поз. 7), чиллер (поз. 8), электроводонагреватель (поз. 9), регулирующие краны (поз. 10-40), датчики уровнемера (поз. 41-47), клапаны предохранительные (поз. 48-50), фильтры (поз. 51-52), манометры (поз. 53-56) и также вакуум насос на схеме условно не показанный. Общее управление и контроль параметров устройства в процессе работы производится со щита управления.
Агрегаты и аппараты устройства соединены между собой технологическими трубопроводами для обеспечения перемещения дифторхлорметана и жидкости для охлаждения / нагрева емкостей и теплообменников. Датчики и прочая микроэлектронная аппаратура являются типовыми серийно выпускаемыми изделиями.
Сущность представленного способа описана ниже, является последовательностью операций, а также соответствует описанию установки (в процессе функционирования), реализующей способ.
Поступающий на очистку дифторхлорметан через фильтр (поз. 52), задерживающий механические примеси, помещается в испаритель первой ступени (поз. 1). Контроль максимального и минимального уровней дифторхлорметана в испарителе первой ступени (поз. 1) обеспечивается датчиками уровнемера уровня (поз. 43) и (поз. 44). Теплоносителем, нагретым в электроводонагревателе накопительного типа (поз. 9), нагревается испаритель первой ступени (поз. 1), а дефлегматор (поз. 4), конденсатор (поз. 5) и сборная емкость (поз. 6) охлаждаются теплоносителем из чиллера (поз. 8).
Температуру в испарителе второй ступени (поз. 2), являющимся одновременно и кубом ректификационной колонны (поз. 3), электронагревателем доводят до температуры равной температуре дифторхлорметана в испарителе первой ступени (поз. 1).
Открытые краны-регуляторы (поз. 20 и поз. 11) обеспечивают перемещение очищаемого дифторхлорметана из испарителя первой ступени (поз. 1) через испаритель второй ступени (поз. 2), ректификационную колонну (поз. 3) с дефлегматором (поз. 4), конденсатор (поз. 5), фильтр тонкой очистки (поз. 51) в сборную емкость (поз. 6). При необходимости дифторхлорметан из сборной емкости (поз. 6) может быть перемещен в дополнительную емкость (поз. 7) для повторной очистки. Трубка с краном (поз. 40), соединяющая верхнюю часть сборной емкости с конденсатором, обеспечивает свободное движение жидкости из конденсатора в сборную емкость, исключая противоток пара и жидкости при заполнении сборной емкости дифторхлорметаном.
В ректификационной колонне очищаемый дифторхлорметан освобождается от примесей (вода, масло, высоко- и низкокипящие по отношению к очищаемому дифторхлорметану), проходя процессы последовательного испарения и конденсации на тарелках ректификационной колонны. Интенсивность тепломассообменных процессов определяются температурами в испарителе первой ступени (поз. 1), дефлегматоре (поз. 4), конденсаторе (поз. 5) и сборной емкости (поз. 6), а значение температур в испарителе первой ступени (поз. 1) и сборной емкости (поз. 6) определяют, соответственно, давления кипения/конденсации дифторхлорметана в начале и конце процесса очистки в рассматриваемом устройстве, а значит и расход регенерируемого дифторхлорметана в устройстве.
Выделенные низкокипящие примеси отводятся при продувке испарителя первой ступени (поз. 1) и испарителя второй ступени (поз. 2).
Высококипящие примеси отводятся из сборной емкости (поз. 6) периодическим сбросом давления, повышающегося в течение нескольких последовательных процессов регенерации.
Значения температур, определяющих режимы процесса ректификационной очистки, выбираются в зависимости от природы и характеристик регенерируемого дифторхлорметана, от заданных степени очистки и требуемой производительности устройства.
Данные по ректификационной очистке дифторхлорметана, полученные при использовании рассматриваемого способа ректификационной очистки и устройства его реализующего, приведены в таблице 1.
Устройство для регенерации дифторхлорметана основано на применении оборудования и аппаратов, которые могут быть изготовлены на отечественных предприятиях и/или серийно выпускаемых комплектующих элементов (датчиков температуры, давления, уровня и др.).
Предлагаемый способ для регенерации дифторхлорметана и устройство его реализующее могут успешно применяться для решения актуальной задачи по регенерации дифторхлорметана на всей территории РФ, а также допускают возможность широкой модернизации и усовершенствования, в том числе - создания установок в модульном исполнении, установок для регенерации других типов хладонов.