Способ шлюзования разнообразных предметов и веществ при высоких и сверхвысоких давлениях

 

Изобретение относится к технологии высоких и сверхвысоких давлений в энергетике, в химической технологии, а также в машиностроении, в сельском хозяйстве и в других областях. По способу шлюзуемый материал в транспортном контейнере устанавливают на приемной площадке внутреннего подъемника, шлюзовой камеры, применяют вспомогательный внешний подъемник, которым одновременно поднимают нижний шлюзовой затвор до его стыковки со шлюзовой камерой и создают исходный силовой прижим затвора, который затем жестко фиксируют, при этом зону уплотнения стыковки затвора охватывают дополнительно вводимой герметичной камерой, далее освобождают поверхности стыковки затворов от контактного уплотнения и оставляют силовые нагрузки на затворе, сбрасывают остаточное контактное давление до малых значений, обеспечивающих стыковку или герметизацию, которую осуществляют дополнительной камерой, заливаемой со стороны высокого давления вспомогательным уплотняющим жидким веществом и затем его охлаждают до затвердевания в зоне перед входом в остаточные неплотности стыковки, в это же время на верхнем уровне заливки уплотнительное вещество подогревают и поддерживают в жидком состоянии, создают гидродинамическое уплотнение исходных беспрокладочных стыковок нижнего затвора шлюзовой камеры, после чего в ней поднимают давление до выравнивания с давлением технологического пространства над верхним шлюзовым затвором, который ранее загерметизирован по аналогичной последовательности действий гидродинамического уплотнения, а далее нагревают до размораживания и полного сжижения примененное на верхнем затворе уплотняющее вещество, а затем удаляют его в сборную камеру с возвратом из нее в обратном цикле, при этом разгруженный от противодавления и разгерметизированный верхний шлюзовой затвор открывают внутрь технологического пространства и поднимают контейнер со шлюзуемым материалом на уровень технологической площадки, сдвигают и/или кантуют до рабочего положения, а на освобождаемую приемную площадку внутришлюзового подъемника устанавливают контейнер с предметами или веществами для вывода из технологического пространства с высоким и сверхвысоким давлением, для чего выполняют в обратной последовательности технологические приемы шлюзования. Достигаемый изобретением технический результат заключается в возможности осуществления шлюзования при высоких и сверхвысоких давлениях; в возможности шлюзования любых веществ в жидком и/или твердом состоянии; в обеспечении возможности шлюзования принципиально неограниченного объема одновременно транспортируемых веществ; в обеспечении высокой экологической защищенности процессов шлюзования разнообразных веществ, в том числе токсичных. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии высоких и сверхвысоких давлений в энергетике, в химической технологии, а также в машиностроении, в сельском хозяйстве и в других областях.

Из патентной и технической литературы известна технология шлюзования разнообразных предметов и веществ (см. патент FR 2560528 от 1985; книгу Симонов В.В. и др. Оборудование ионной имплантации, М.: Радио и связь, 1986, с. 97-104; патент DE 2510683 от 1978; патент ЕР 0359159 от 1990).

Целью изобретения является расширение технологических возможностей шлюзования.

Достигаемый изобретением технический результат заключается: - в возможности осуществления шлюзования при высоких и сверхвысоких давлениях; - в возможности шлюзования любых веществ в жидком и/или твердом состоянии; - в обеспечении возможности шлюзования принципиально неограниченного объема одновременно транспортируемых веществ; - в обеспечении высокой экологической защищенности процессов шлюзования разнообразных веществ, в том числе токсичных.

Изобретение поясняется следующими чертежами, где на фиг.1-3 показаны стадии цикла шлюзования разнообразных предметов и веществ в контейнерах.

Сущность изобретения Способ шлюзования разнообразных предметов и веществ при высоких и сверхвысоких давлениях, в котором шлюзуемый материал в транспортном контейнере устанавливают на приемной площадке внутреннего подъемника шлюзовой камеры, применяют вспомогательный внешний подъемник, которым одновременно поднимают нижний шлюзовой затвор до его стыковки со шлюзовой камерой и создают исходный силовой прижим затвора, который затем жестко фиксируют, при этом зону уплотнения стыковки затвора охватывают дополнительно вводимой герметичной камерой, далее освобождают поверхности стыковки затворов от контактного уплотнения и оставляют силовые нагрузки на затворе, сбрасывают остаточное контактное давление до малых значений, обеспечивающих стыковку или герметизацию, которую осуществляют дополнительной камерой, заливаемой со стороны высокого давления вспомогательным уплотняющим жидким веществом, и затем его охлаждают до затвердевания в зоне перед входом в остаточные неплотности стыковки, в это же время на верхнем уровне заливки уплотняющее вещество подогревают и поддерживают в жидком состоянии, создают гидродинамическое уплотнение исходных беспрокладочных стыковок нижнего затвора шлюзовой камеры, после чего в ней поднимают давление до выравнивания с давлением технологического пространства над верхним шлюзовым затвором, который ранее загерметизирован по аналогичной последовательности действий гидродинамического уплотнения, а далее нагревают до размораживания и полного ожижения примененное на верхнем затворе уплотняющее вещество, а затем удаляют его в сборную камеру с возвратом из нее в обратном цикле, при этом разгруженный от противодавления и разгерметизированный верхний шлюзовой затвор открывают внутрь технологического пространства и поднимают контейнер со шлюзуемым материалом на уровень технологической площадки, сдвигают и/или кантуют до рабочего положения, а на освобождаемую приемную площадку внутришлюзового подъемника устанавливают контейнер с предметами или веществами для вывода из технологического пространства с высоким и сверхвысоким давлением, для чего выполняют в обратной последовательности технологические приемы шлюзования.

Способ, в котором в качестве уплотняющего вещества используют легкоплавкие металлы и их сплавы, расплавы композиционного состава, в том числе с выделением при их кристаллизации упрочняющих твердых фаз, низкотемпературные солевые расплавы и жидкости, легко затвердевающие под высоким давлением, включая растворы органических и неорганических веществ, в частности, низкокипящих и криогенных жидкостей для соответствующей химической защиты основного уплотняющего вещества и ускорения процессов его затвердевания.

Способ, в котором при шлюзовании предметов с неплотной упаковкой или пористых веществ их заливают в транспортном контейнере жидкостью, которую в последующем используют в технологическом процессе, либо заливают получаемыми в нем жидкими продуктами и/или вспомогательной нейтральной жидкостью.

Способ, в котором для создания высокого и сверхвысокого газового давления и/или поддержания его величины на заданном значении в технологическом пространстве производят шлюзование в сжиженном состоянии требуемого рабочего газа и/или низкокипящих или криогенных жидкостей в транспортном контейнере, в котором на стадии его ввода в шлюзовую камеру осуществляют разгерметизацию зон исходной вакуумной теплоизоляции шлюзуемых жидкостей и далее проводят их газификацию до рабочей температуры, а перед обратным циклом шлюзования с выводом наружу исходного транспортного контейнера его предварительно заполняют вспомогательным жидким веществом, которое нагнетают в шлюзовую зону технологического пространства.

Способ, в котором при сверхвысоких давлениях осуществляют последовательно два или более процессов шлюзования через последовательно соединенные шлюзовые устройства, а при параллельном шлюзовании при использовании двух или более шлюзовых устройств их рабочие циклы сдвигают по фазе и производят энергосберегающий взаимный перепуск газа между шлюзами, например, от шлюза с циклом выгрузки с необходимым при этом сбросом давления газ подают к шлюзу с рабочим циклом загрузки с требуемым в нем подъемом газового давления.

Способ, в котором сбросной газ шлюзования сжижают, осуществляют низкотемпературное разделение его компонентов и утилизацию некоторых компонентов, а оставшуюся часть, очищенную до технологически приемлемого уровня, в полученном жидком состоянии вновь возвращают в исходное технологическое пространство высокого и сверхвысокого давления.

Для реализации заявленного изобретения используется устройство, изображенное на фиг.1-3. Устройство содержит следующие конструктивные элементы: 1 - корпус герметичный, 2 - внутренний подъемник, 3 - толкатели телескопического типа, 4 - привод внутренний, 5 - захват, 6 - площадка технологическая, 7 - верхний шлюзовой затвор, 8 - камера кольцевая сборная, 9 - электронагреватель кольцевой, 10 - гидрозатвор, 11 - холодильное устройство, 12 - вытеснитель, 13 - диск распорный, 14 - контейнер, 15 - материал шлюзуемый, 16 - площадка приемная, 17 - толкатель подвижный, 18 - внутришлюзовой подъемник, 19 - нижний шлюзовой затвор, 20 - зона уплотнения, 21 - кольцо разрезное, 22 - толкатель, 23 - подъемник вспомогательный внешний, 24 - площадка вспомогательная, 25 - контейнер в нерабочем положении, 26 - направление перемещения шибера, 27 - холодильник, 28 - камера герметичная, 29 - кольцо гидрозатворное, 30 - электронагреватель, 31 - толкатель, 31* - толкатель (условно показанный), 32 - рабочее положение (условно показанное) и 33 - камера (условно показанная).

Как показано на фиг. 1, шлюзуемый материал 15 помещают в транспортный контейнер 14 и устанавливают на приемной площадке 16 внутреннего шлюзового подъемника 18 (телескопического типа с подвижными толкателями 17), который закрепляют на своде нижнего шлюзового затвора 19. Указанную сборку вводят в шлюзовую камеру вертикального исполнения с верхним герметичным корпусом 1, для чего применяют вспомогательный внешний подъемник 23, толкателем 22 которого создают силовой прижим затвора 19 к уплотнительной зоне 20 (например, с конусной стыковкой) и жестко фиксируют этот прижим соответствующим замковым устройством, например, разрезным кольцом 21.

Следующая стадия шлюзования принципиально представлена на фиг.2. Уплотнительную зону 20 охватывают дополнительно вводимой герметичной камерой 28. Эту камеру заранее заполняют вспомогательным жидким веществом, например, низкотемпературным металлическим расплавом так, что на исходной первой стадии указанный уровень "А" во внутренней (относительно гидрозатворного кольца 29) камере поддерживают ниже переливной кромки уплотнительной зоны 20, сосредотачивая при этом указанное вещество во внешней сборной камере с максимальным уровнем "С". После предшествующего прижатия нижнего затвора его уплотнительную зону 20 заливают жидким веществом до указанного второго повышенного уровня "В" и начинают охлаждать соответствующими средствами через холодильник 27 до затвердевания залитого вещества в уплотнительной зоне 20 перед входом в имеющиеся микроскопические неплотности исходного прижима затвора 19. Одновременно с этим на указанном верхнем уровне "В" уплотнительное вещество наоборот подогревают (соответствующим электронагревателем 30) и поддерживают в жидком состоянии.

Этими действиями и создают, условно названное, динамическое (гидродинамическое) уплотнение. По своей очевидной физической сути оно способно обеспечивать абсолютную герметизацию. Таков один из вариантов технической реализации вышеупомянутого нового принципа динамической обтюрации.

Продолжая предыдущее, теперь в камере шлюзования поднимают давление до его выравнивания с технологическим пространством (в камере 33) над верхним шлюзовым затвором 7 (с распорным диском 13 и вытеснителем 12). Ранее на предыдущей стадии затвор 7 был поставлен в закрытое и герметизированное состояние.

Как показано на фиг.1 и 2, закрытое состояние верхнего затвора создают следующими действиями. Внутренним подъемником 2 (телескопического типа с подвижными толкателями 3 и захватом 5) затвор 7 опускают до стыковочного упора, а остаточные микроскопические неплотности такой стыковки в последующем герметизируют аналогично уже изложенной реализации принципа гидродинамического уплотнения на примере нижнего затвора. Кратко повторяя, здесь также из кольцевой камеры 8 заливают жидким уплотнительным веществом остаточные неплотности стыковки до указанного уровня "В", а затем непосредственно в зоне перед входом в эти неплотности его охлаждают холодильным устройством 11 до замораживания, а на верхнем уровне его наоборот подогревают (например, кольцевым электронагревателем 9) и поддерживают в жидким состоянии, чем и создают, как уже называлось - гидродинамическое уплотнение в данном случае верхнего шлюзового затвора 7.

Возвращаясь вновь к стадии сделанного выравнивания давления в шлюзовой камере с технологическим пространством, дальнейшими действиями размораживают уплотняющее вещество в зоне уплотнения верхнего затвора отключением холодильного устройства 11 и форсированным прогревом соответствующими средствами, например, дополняющими работу электронагревателя 9. После этого полностью сжиженное уплотняющее вещество удаляют в сборную камеру 8 так, что во внутренней (относительно гидрозатвора 10) камере его уровень опускают до указанного "А", расположенного ниже переливной кромки уровня стыковки затвора 7 (уровень "А" в некоторых случаях дополнительно фиксируют повторным временным замораживанием тем же холодильным устройством 11).

Далее, когда верхний затвор полностью разгружен от противодавления и разгерметизирован, его открывают внутрь технологического пространства с помощью подъемника 2 до крайнего верхнего положения.

Заключительная стадия принципиально представлена на фиг.3. После выполненного открытия верхнего затвора 7, вновь внутришлюзовым подъемником 18 (толкателями 17), окончательно поднимают контейнер 14 со шлюзуемым материалом 15 на уровень технологической площадки 6, куда его сдвигают соответствующим толкателем 31 (с внутренним приводом 4) и устанавливают на требуемое рабочее положение (условно показанное 32). Затем на освободившуюся приемную площадку 16 устанавливают (условно показанным толкателем 31*) контейнер с предметами или веществом теперь уже для вывода из технологического пространства с рассматриваемым высоким и сверхвысоким давлением, для чего выполняют в обратной последовательности вышеуказанные действия.

В качестве уплотняющего вещества наибольший интерес представляет применение легкоплавких металлов и их сплавов, особенно сплавов, выделяющих при кристаллизации упрочняющие твердые фазы, в том числе расплавы композиционного состава.

Конкретный выбор производят с естественным учетом возможного химического взаимодействия уплотняющего вещества с самим технологическим газом. Отсюда в ряде случаев может быть более эффективным применение, например, низкотемпературных солевых расплавов или других химически инертных растворов, как органических, так и неорганических веществ, особенно тех из них, которые легко затвердевают под высоким давлением.

Наконец, представляется также эффективным возможное комплексное применение двух или более жидких веществ, в том числе низкокипящих и(или) криогенных жидкостей, с помощью которых создают соответствующую химическую защиту выбранного при этом функционально основного уплотняющего вещества и ускоряют процессы его затвердевания.

Известно, что область высоких и сверхвысоких давлений является одной из наиболее проблематичных для своего технического оснащения, в частности, устройствами автоматизации и системами управления вообще.

Вместе с тем, именно в такой области для предлагаемого способа шлюзования требуется обеспечить дистанционное управление уплотняющим жидким веществом с его циклической подачей из сборных емкостей в камеры герметизации (и обратно) с необходимой при этом особо повышенной надежностью выполнения заданных рабочих параметров таких циклов и др. Совершенно очевидно, что для решения таких задач не может быть и речи о каком-либо использовании обычных традиционных датчиков, регуляторов и т. п. Здесь явно требуются особые принципиальные подходы и специальные разработки.

Так, представляется целесообразным применить в указанной столь проблематичной области высоких и сверхвысоких давлений в качестве принципиальной основы для соответствующих разработок известный газогидродинамический способ управления жидкостями по а.с. 195656 и 771621, позволяющий самое главное - реализовать дистанционное регулирование вообще без непосредственного контакта с самой жидкостью какими-либо датчиками, регуляторами и др.

Известное понятие о так называемом вредном пространстве в цилиндрах поршневых газовых компрессоров в определенной мере распространимо на оценку последствия относительного незаполнения внутреннего объема шлюзовой камеры.

Учитывая это обстоятельство, представляется целесообразным при шлюзовании предметов с неплотной упаковкой или пористых веществ заливать в транспортном контейнере жидкостью, в частности, такой, которую можно было бы в последующем использовать в самом технологическом процессе с высоким или сверхвысоким давлением, либо той, которая возможно получается при нем в виде жидких продуктов. Наряду с этим возможна заливка вспомогательной нейтральной жидкостью.

Принципиально в этих же целях в конструкции шлюзовых камер применяют разнообразные твердые вытеснители 12.

Представляется особо важным применение данного способа шлюзования для самого создания высоких и сверхвысоких давлений.

С этой целью в соответствующие технологические пространства (в камеры газификации) производят указанное шлюзование, в сжиженном состоянии требуемого рабочего газа и(или) технологически приемлемых низкокипящих или криогенных жидкостей.

Наиболее принципиально существенными при этом являются следующие действия. Первое - производят разгерметизацию зон исходной вакуумной теплоизоляции (дюаровских зон) в соответствующей конструкции транспортных контейнеров для указанных жидкостей на стадии ввода и герметизации в шлюзовой камере. Второе - перед обратным циклом шлюзования с выводом наружу исходного транспортного контейнера его предварительно заполняют вспомогательным жидким веществом, которое для этого, соответственно, нагнетают в шлюзовую зону вышеуказанного целевого технологического пространства. Третье - после указанного шлюзования при дальнейшем проведении известных теплофизических процессов по газификации прежде всего используют низко потенциальную тепловую энергию.

В случаях особо сверхвысоких давлений или по технологической целесообразности специально выделять какие-то уровни давления, осуществляют последовательно два или более рассмотренных процессов шлюзования через соответственно последовательно конструктивно соединенные шлюзовые устройства.

В тех же случаях, когда осуществляют параллельное шлюзование при использовании двух или более шлюзовых устройств, обслуживающих, например общее технологическое пространство, то их рабочие циклы сдвигают по фазе так, что производят энергосберегающий взаимный перепуск газа между шлюзами. Так, например, от шлюза с циклом выгрузки (при котором необходим сброс давления в шлюзовой камере) газ подают к шлюзу с рабочим цикл загрузки с требуемым в нем соответствующим подъемом газового давления и т.д.

Представляется целесообразным (при крупномасштабных процессах) сбросной газ шлюзования ожижать и осуществлять низкотемпературное разделение его компонентов известными методами с соответствующим отделением и целевым использованием некоторых из компонентов, а оставшуюся часть, очищенную до технологически приемлемого уровня в полученном жидком состоянии вновь возвращать в исходное технологическое пространство по данному способу шлюзования.

Формула изобретения

1. Способ шлюзования разнообразных предметов и веществ при высоких и сверхвысоких давлениях, в котором шлюзуемый материал в транспортном контейнере устанавливают на приемной площадке внутреннего подъемника шлюзовой камеры, применяют вспомогательный внешний подъемник, которым одновременно поднимают нижний шлюзовой затвор до его стыковки со шлюзовой камерой и создают исходный силовой прижим затвора, который затем жестко фиксируют, при этом зону уплотнения стыковки затвора охватывают дополнительно вводимой герметичной камерой, далее освобождают поверхности стыковки затворов от контактного уплотнения и оставляют силовые нагрузки на затворе, сбрасывают остаточное контактное давление до малых значений, обеспечивающих стыковку или герметизацию, которую осуществляют дополнительной камерой, заливаемой со стороны высокого давления вспомогательным уплотняющим жидким веществом, и затем его охлаждают до затвердевания в зоне перед входом в остаточные неплотности стыковки, в это же время на верхнем уровне заливки уплотняющее вещество подогревают и поддерживают в жидком состоянии, создают гидродинамическое уплотнение исходных беспрокладочных стыковок нижнего затвора шлюзовой камеры, после чего в ней поднимают давление до выравнивания с давлением технологического пространства над верхним шлюзовым затвором, который ранее загерметизирован по аналогичной последовательности действий гидродинамического уплотнения, а далее нагревают до размораживания и полного ожижения примененное на верхнем затворе уплотняющее вещество, а затем удаляют его в сборную камеру с возвратом из нее в обратном цикле, при этом разгруженный от противодавления и разгерметизированный верхний шлюзовой затвор открывают внутрь технологического пространства и поднимают контейнер со шлюзуемым материалом на уровень технологической площадки, сдвигают и/или кантуют до рабочего положения, а на освобождаемую приемную площадку внутришлюзового подъемника устанавливают контейнер с предметами или веществами для вывода из технологического пространства с высоким и сверхвысоким давлением, для чего выполняют в обратной последовательности технологические приемы шлюзования.

2. Способ по п.1, в котором в качестве уплотняющего вещества используют легкоплавкие металлы и их сплавы, расплавы композиционного состава, в том числе с выделением при их кристаллизации упрочняющих твердых фаз, низкотемпературные солевые расплавы и жидкости, легко затвердевающие под высоким давлением, включая растворы органических и неорганических веществ, в частности низкокипящих и криогенных жидкостей для соответствующей химической защиты основного уплотняющего вещества и ускорения процессов его затвердевания.

3. Способ по п.1, в котором при шлюзовании предметов с неплотной упаковкой или пористых веществ их заливают в транспортном контейнере жидкостью, которую в последующем используют в технологическом процессе либо заливают получаемыми в нем жидкими продуктами и/или вспомогательной нейтральной жидкостью.

4. Способ по п.1, в котором для создания высокого и сверхвысокого газового давления и/или поддержания его величины на заданном значении в технологическом пространстве производят шлюзование в сжиженном состоянии требуемого рабочего газа и/или низкокипящих или криогенных жидкостей в транспортном контейнере, в котором на стадии его ввода в шлюзовую камеру осуществляют разгерметизацию зон исходной вакуумной теплоизоляции шлюзуемых жидкостей и далее проводят их газификацию до рабочей температуры, а перед обратным циклом шлюзования с выводом наружу исходного транспортного контейнера его предварительно заполняют вспомогательным жидким веществом, которое нагнетают в шлюзовую зону технологического пространства.

5. Способ по п.1 или 4, в котором при сверхвысоких давлениях осуществляют последовательно два или более процессов шлюзования через последовательно соединенные шлюзовые устройства, а при параллельном шлюзовании при использовании двух или более шлюзовых устройств их рабочие циклы сдвигают по фазе и производят энергосберегающий взаимный перепуск газа между шлюзами, например от шлюза с циклом выгрузки с необходимым при этом сбросом давления газ подают к шлюзу с рабочим циклом загрузки с требуемым в нем подъемом газового давления.

6. Способ по п.5, в котором сбросной газ шлюзования сжижают, осуществляют низкотемпературное разделение его компонентов и утилизацию некоторых компонентов, а оставшуюся часть, очищенную до технологически приемлемого уровня, в полученном жидком состоянии вновь возвращают в исходное технологическое пространство высокого и сверхвысокого давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3