Технологические схемы производства сухого льда.

Отвод теплоты от жидкой углекислоты может производиться одним из следующих двух способов:

- внешний отвод теплоты - отвод теплоты от находящейся под давлением жидкой углекислоты через стенку сосуда при температуре ниже температуры тройной точки; конденсация газообразной углекислоты осуществляется непосредственно из газовой смеси, содержащей углекислый газ, с последующим отводом теплоты при температуре ниже температуры тройной точки;

- внутренний отвод теплоты - испарение жидкой углекислоты с отводом паров от поверхности; дросселирование жидкой углекислоты до давления тройной точки с последующим прессованием полученного снега; расширение жидкой углекислоты с получением внешней работы; испарение жидкой углекислоты при давлении 686¸882 кПа с частичной сублимацией уже образовавшейся твердой углекислоты и отводом пара через ее поры.

Практическое применение получил способ, основанный на внутреннем отводе теплоты при дросселировании жидкой углекислоты с последующим прессованием снега в специальных сухоледных прессах или отводом образующихся паров через поры блока сухого льда в льдогенераторах.

Снижение давления жидкой углекислоты от давления конденсации до давления тройной точки может происходить как при однократном дросселировании (простой цикл), так и при многократном (цикл с промежуточным отводом пара). При этом давление конденсации может принимать следующие значения: 6370 - 6860 кПа (цикл высокого давления), 1568 - 1960 кПа (цикл среднего давления), 736 - 882 кПа (цикл низкого давления).

Технологические схемы производства сухого льда основаны преимущественно на применении цикла высокого давления с промежуточным отводом пара.

Схемы с циклом среднего давления и промежуточным отводом пара, термодинамически более выгодные, пока имеют очень отграниченное применение, поскольку трудно подобрать углекислотные и аммиачные компрессоры с необходимыми характеристиками.

Схемы с простым циклом низкого давления требуют применения низкотемпературных двухступенчатых холодильных машин, усложняющих условия эксплуатации, что делает их использование в настоящее время нецелесообразным.

Блоки сухого льда получают либо в сухоледных прессах, либо в льдогенераторах вне зависимости от принятой технологической схемы.

Схема производства сухого льда с циклом высокого давления.

Углекислый газ и отсасываемые из ледогенераторов пары (нижний отсос) поступают к всасывающей стороне углекислотного компрессора 1 (рис. 3). Отвод теплоты сжатия и отделение капельной влаги производятся в холодильниках 2 и масловлагоотделителях 3, которые одновременно выполняют роль смесителей газа, нагнетаемого ступенями компрессора и отсасываемых паров, обеспечивая отделение капельной влаги, образующейся при смешении холодного и теплого потоков газов.

Рис. 3 Схема производства сухого льда с циклом, высокого давления с промежуточным отбором пара: 1 - углекислотные компрессоры; 2 - холодильники; 3 - масловлагоотделители; 4 - блок очистки и осушки; 5 - конденсаторы; 6 - стапельный баллон; 7 - первый промежуточный сосуд; 8 ­ второй промежуточный сосуд; 9 - льдогенераторы.

Сжатый газ проходит блок очистки и осушки 4 и поступает в конденсатор 5. Жидкая углекислота, пройдя стапельные баллоны 6, которые служат промежуточной емкостью высокого давления, дросселируются до давления 2452 - 2744 кПа. Полученные при дросселировании пары отсасываются третьей ступенью компрессоров, а жидкость накапливается в первом промежуточном сосуде 7, откуда дросселируется до давления 736 - 980 кПа во второй промежуточный сосуд 8. Пары отсасываются второй ступенью компрессора, а жидкая углекислота из сосуда направляется в льдогенераторы 9 (на схеме условно показан один льдогенератор), которые работают поочередно.

Льдогенераторы заполняются жидкой углекислотой самотеком при открытом вентиле уравнительной линии (верхний отсос) и закрытых диафрагмах (нижний отсос). После заполнения открывают одну из диафрагм нижнего отсоса, что обеспечивает дросселирование жидкости до давления всасывания.

При давлении тройной точки жидкость превращается в сухой лед. Процесс льдообразования распространяется в полости льдогенератора снизу вверх концентрическими поверхностями, причем роль дросселя выполняет масса сухого льда. Окончание процесса льдообразования характеризуется падением давления внутри льдогенератора до давления всасывания первой ступени компрессора.

Схема производства сухого льда методом прессования с циклом высокого давления.

Снег, получаемый при дросселировании жидкой углекислоты до давления ниже давления тройной точки, превращается в блоки сухого льда в результате его сжатия (прессования). Удельная масса сухого льда зависит от давления и продолжительности сжатия, а также от формы блока и практически составляет 1,4 - l,6 кг/дм³. При получении сухого льда методом прессования в специальных сухоледных прессах давление сжатия снегообразной массы больше, чем в льдогенераторах. Углекислый газ и отсасываемые из пресса пары (нижний отсос) поступают к всасывающей стороне основного компрессора, которым они сжимаются до давления конденсации. Схема сжижения сжимаемого основным компрессором газа аналогична схеме, представленной на рис. 3.

Жидкая углекислота поступает к стапельным баллонам, откуда, пройдя теплообменники, предназначенные для рекуперации холода отсасываемых из второго промежуточного сосуда и сухоледного пресса паров, дросселируется до давления 2450 - 2940 кПа в первый промежуточный сосуд.

Полученные при дросселировании пары отсасываются третьей ступенью дополнительного компрессора, а жидкая углекислота дросселируется до давления 980 - 1470 кПа во второй промежуточный сосуд. Образовавшиеся при дросселировании пары через теплообменник отсасываются второй ступенью дополнительного компрессора, а жидкая углекислота, пройдя мерный бачок, обеспечивающий заполнение пресса необходимым количеством жидкости, дросселируется в снеговые камеры сухоледного пресса до давления, равного давлению тройной точки, 517 кПа.

Полученные при дросселировании пары отсасываются через теплообменник первой ступенью дополнительного компрессора (верхний отсос).

Процесс заполнения снеговой камеры продолжается около 6 мин, после чего регулирующий вентиль закрывается, а продолжающий действовать верхний отсос доводит давление в камере до 392 - 440 кПа. После этого верхний отсос отключают и включают нижний, обеспечивающий снижение давления в камере до 147 - 157 кПа. По достижении указанного давления накопленный в камере пресса углекислотный снег сжимается, в результате чего получается компактный блок сухого льда с удельной массой до 1,6 кг/дм³. После удаления блока из камеры прессующий поршень поднимается вверх, а отверстие камеры закрывается головкой плунжера нижнего цилиндра.

Во время работы нижнего отсоса, обеспечивающего снижение давления, и освобождения от блока одной камеры в другой камере накапливается углекислотный снег.

Дополнительный компрессор сжимает пары до давления конденсации. Отвод теплоты сжатия и отделение капельной влаги производятся в холодильниках дополнительного компрессора и маслоотделителях, одновременно выполняющих роль смесителей. Сжатый газ проходит блок очистки, предназначенный для очистки газа от масла (сжимаемый в дополнительном компрессоре газ влаги не содержит), и поступает в конденсатор. Полученная жидкая углекислота соединяется с потоком жидкости, идущим из конденсатора основного компрессора.

Схема производства сухого льда с циклом низкого давления.

Газ сжимается в одноступенчатом компрессоре 1 (рис. 4) до давления 882 - 980 кПа, направляется в водяной холодильник 2, маслоотделитель 3, колонку с хлористым кальцием 4, силикагелевый фильтр 5 и вымораживатель влаги 6. В конденсаторе-испарителе 7 газ сжижается и затем направляется в льдогенераторы для получения блоков сухого Льда. Из ледогенераторов газ поступает в компрессор 1.

Холод, необходимый для вымораживания влаги из углекислого газа и сжижения его, получают от компрессионной или абсорбционной холодильной установки. Для конденсации углекислоты при давлениях 882 - 980 кПа температура кипения хладагента в конденсаторе-испарителе должна составлять - 48 ¸ -45 ^оС.

Дальнейшее снижение давления конденсации углекислоты может быть достигнуто при использовании холода, генерируемого при более низких температурах, например в холодильных установках с трехступенчатым сжатием хладагента или в каскадных холодильных машинах с циркуляцией различных хладагентов.

Рис. 4. Схема производства сухого льда при низком давлении: 1 - компрессор; 2 - водяной холодильник; 3 - маслоотделитель; 4 - колонка с хлористым кальцием; 5 - силикагелевый фильтр; 6 - вымораживатель влаги; 7 - конденсатор-испаритель; 8 - льдогенераторы: 9 - отделитель жидкого аммиака.