УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к устройствам финишной очистки инертных газов от газообразных примесей путем их пропускания через спеченную пористую структуру металлического газопоглотителя и может быть использована в областях техники и промышленности, в которых необходимы сверхчистые инертные газы (газовая хроматография, микроэлектроника, металлургия и т.д.).
Уровень техники
-4
-4
Устройства очистки инертных (благородных) газов от примесей, в целом, хорошо известны и базируются на различных подходах и физических принципах. Известны способы очистки инертных газов, например, ксенона от метана посредством пропускания через катализаторы на базе металлов платиновой группы при повышенных до 170-180°С температурах (патент РФ №2275232). Техническим результатом является глубокая очистка (на порядок величины) ксенона по метану с уровня 0,7⋅10 до 0,02⋅10 об. %.
К недостаткам данного метода можно отнести сложности связанные с изготовлением катализаторов, а также недостаточную эффективность очистки газа по другим примесным газам (кислороду и азоту).
3
7
-4
Известен способ финишной очистки технологических газов центрифугированием (патент РФ №2275232), в котором газ обрабатывают электромагнитным излучением с энергией 10-10 эВ, при температуре газа от -50-50°С с подпиткой воды до концентрации не выше 10 об. %. затем подают в центрифугу с окружной скоростью ротора не более 700 м/с при интенсивности центробежного поля 10-500 Дж/г. Техническим результатом такого подхода является очистка исходного технологического газа чистотой 99,97 до уровня 99,99999 об. %.
Несмотря на высокую эффективность данного способа, очевидна его сложность и дороговизна.
Известно устройство для очистки газа (гелия) (авторское свидетельство №959808), включающее охлаждаемый корпус с верхним вводным и аксиальным выводным патрубками и спиральную насадку из металлической ленты, наружный виток которой соединен с внутренней поверхностью корпуса, а внутренний с наружной поверхностью выводной трубки. Металлическая лента выполнена плоской и амальгированной, а отношение шага между витками насадки к ее высоте составляет 1:200-400. Техническим результатом работы устройства является очистка гелия чистотой 99,995 до уровня 99,9999 об. % при захолаживании корпуса устройства до температуры жидкого азота.
К недостаткам устройства можно отнести использование токсичного элемента - ртути и невозможность очистки других инертных газов, которые в процессе очистки будут адсорбироваться на поверхности металлической ленты по причинам их более высокой температуры кипения.
-4
-4%
Известно устройство для очистки инертного газа от примесей (патент РФ 2102120), в котором очистку инертного газа осуществляют с помощью газопоглотителя на основе губчатого титана, помещенного в устройство, включающее в себя теплоизолированный кожух со съемной крышкой и днищем, в котором установлена внутренняя цилиндрическая реторта, заполненная чередующимися слоями газопоглотителя с насадкой и без нее. Насадка представляет собой спираль (левую или правую) из металлической ленты, в щелевые зазоры которой засыпан газопоглотитель. Внутренняя реторта оборудована перфорированным дном, и размещена в устройстве соосно в наружной реторте. Корпус устройства снабжен теплообменником, вмонтированным в верхнюю половину внутренней реторты, и представляет собой экранный теплоизолятор с полированными по ходу движения газа тарелками. Очистку газа проводят при температуре 900-950°С, при этом достигается глубина очистки инертного газа до 0,5⋅10 - 1⋅10 по объему. К недостаткам приведенного устройства очистки газа можно отнести: сложность конструкции, необходимость эксплуатации при высокой температуре, необходимость замены газопоглотителя вследствие невозможности его регенерации;
в процессе работы устройства при температуре 900-950°С, будет происходить спекание газопоглотителя, что затруднит его последующее извлечение.
Наиболее близкой по технической сути к заявленной полезной модели является устройство для финишной очистки инертного газа (патент РФ на полезную модель №57143), состоящее из стального цилиндрического теплоизолированного корпуса, съемной крышки и днища, укрепленных на корпусе с помощью фланцевых разъемов. Внутри корпуса установлен трехпроводный нагреватель, размещенный в жаропрочной оболочке, и цилиндрическая реторта, заполненная твердым поглотителем, занимающим менее 70% от ее объема, с насадкой представляющей собой металлическую пружину. В верхней части реторты смонтирован блок перфорированных дисков, в нижней части «ложное» перфорированное дно. В устройстве реализована однопроходная схема очистки газа, при которой очищаемый газ движется сверху вниз. Для устранения пристеночных эффектов в слое твердого поглотителя помещена насадка - металлическая пружина.
Одним из недостатков этого устройства является как сложность конструкции, так и трудность замены газопоглотителя.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью является повышение надежности эксплуатации устройства, в т.ч. в условиях различных температур.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности очистки инертных газов в широком диапазоне температур.
Для достижения технического результата предложено устройство для очистки инертных газов, снабженное технологическими патрубками, состоящее из корпуса с крышкой и днищем, в котором установлен нагреватель и цилиндрическая реторта, заполненная твердым поглотителем, при этом, внутри корпуса расположены две цилиндрические коаксиально установленные реторты, в полостях которых находится газопоглотитель, с жестко приваренными к ним крышками, днищем и прямым и изогнутым патрубками, снабженными пристыковочными фланцами, при этом внутренняя реторта имеет в нижней части сквозные отверстия, а днище проточку.
Кроме того, газопоглотитель находится ниже уровня изогнутого патрубка и представляет собой мелкодисперсный порошок на основе титана с размером частиц <100 мкм, изготовленный посредством его спекания в высоком вакууме в течение 1 часа при температуре 900-950°С.
Кроме того, на поверхности днища, внешней и внутренней реторт, контактирующих с газопоглотителем наносятся проточки в форме колец глубиной и шириной ~0,5-2 мм с шагом 1-5 мм.
Краткое описание чертежей
На фигуре показан вариант выполнения фильтра для очистки инертных газов, где:
1 - внутренняя реторта;
2 - внешняя реторта;
3 - днище;
4 - крышка;
5 - изогнутый патрубок;
6 - пристыковочные фланцы;
7 - верхняя крышка;
8 - прямой патрубок;
9 - газопоглотитель в зазоре между внешней и внутренней ретортами;
10 - газопоглотитель в полости внутренней реторты;
11 - нагреватель;
12 - корпус;
13 - аксиально-симметричные проточки;
14 - сквозные отверстия по образующей;
15 - коническая проточка.
Осуществление полезной модели
Устройство состоит из корпуса 12, внутри которого коаксиально установлены внутренняя 1 и внешняя 2 реторты, днища 3, крышки 4 и верхней крышки 7. К внешней реторте и верхней крышке приварены прямой 8 и изогнутый 5 патрубки снабженные пристыковочными фланцами 6 для подключения устройства к линиям напуска инертных газов. Крышка 4 и днище 3 жестко приварены к внешней 2 и внутренней 1 ретортам, в полостях которых находится газопоглотитель 9.
Диаметры и толщины стенок внешней 2 и внутренней 1 реторт подбираются таким образом, чтобы обеспечить равенство площадей поверхности газопоглотителей 9 и 10, находящихся в соответствующих полостях ниже уровня изогнутого патрубка 5.
Для минимизации эффекта каналирования газа вдоль стенок реторт при его просачивании через пористую структуру, а также для обеспечения механического сцепления пористого газопоглотителя к металлическим стенкам, на внутренней поверхности внешней реторты 2, днища 3, а также поверхностях внутренней реторты 1, контактирующих с газопоглотителем 9, выполняются аксиально-симметричные проточки 13 в форме колец глубиной и шириной ~0,5-2 мм с шагом 1-5 мм.
Для обеспечения перетекания газа из одной полости в другую, при его подаче в один из патрубков 5 и 8, в нижней области внутренней реторты 1 выполнены сквозные отверстия 14 по образующей, а днище 3 оборудовано конической проточкой 15. Количество отверстий внутренней реторты 1 подбирается исходя из газопроводимости газопоглотителя 9 и необходимой производительности фильтра.
Для создания теплового и механического контакта внутренней реторты 1 и днища 3, в последнем выполнены проточки по диаметрам внутренней реторты 1.
Внешняя сторона корпуса 12 окружена несъемным, изолированным посредством трубчатых керамических изоляторов, нагревателем 11 из нихромовой проволоки, позволяющим нагревать корпус 12 устройства до температур ≤950°С.
Корпус 12 изготавливается из цельносварной крио и жаростойкой аустенитной стали, например, 12Х18Н10Т, при этом внешняя 2 и внутренняя 1 реторты имеют в верхней части тепловую развязку с верхней крышкой 7, позволяющую эксплуатировать фильтр как при крио-температурах, погружая корпус в сосуд Дюара с жидким азотом, так и повышенных температурах, за счет использования изолированного нагревателя контактирующего с корпусом 12.
Пористая структура газопоглотителей 9 и 10 создается путем свободной засыпки через прямой 8 и изогнутый 5 патрубки во внутреннее пространство мелкодисперсного порошка на основе титана, например, порошка из сплава Ti70V30 с размером частиц <100 мкм, с последующей спеканием его в высоком вакууме в течение не более 1 часа при температуре 900-950°С. Полученная в результате спекания несыпучая пористая структура газопоглотителей 9 и 10 обладает пористостью на уровне ~70%, и большей удельной поверхностью, чем в случае применения губчатого титана.
Таким образом, предложенная простая в изготовлении конструкция фильтра:
- увеличивает эффективность очистки инертных газов за счет оптимальной организации их прохождения через слои газопоглотителей при эксплуатации в широком температурном диапазоне -190-850°С, что позволяет производить очистку газа в различных режимах работы при использовании одного устройства;
- имеет возможность неоднократной регенерации сорбционных свойств пористой структуры газопоглотителей.