Способ, устройство и система получения гранулированного диоксида углерода
Владельцы патента RU 2784059:
Общество с ограниченной ответственностью "ИРБИС ТЕХНОЛОГИИ" (ООО "ИРБИСТЕХ") (RU)
Изобретение относится к получению гранулированного СО2, используемого в процессах очистки поверхностей деталей промышленного оборудования и в процессах охлаждения промышленных и непромышленных объектов и изделий. Устройство получения гранулированного СО2 содержит корпус, имеющий камеру для твердого СО2, выполненную с возможностью формирования в ней твердого СО2, прессующий элемент, выполненный с возможностью прессования твердого СО2 в камере для твердого СО2 с обеспечением перехода по меньшей мере части твердого СО2 в состояние высоковязкого текучего СО2. Указанная часть твердого СО2, подвергшаяся переходу в состояние высоковязкого текучего СО2, расположена смежно внутренней поверхности стенки корпуса. Устройство также содержит кожух, формирующий камеру для жидкого СО2, выполненную с возможностью приема жидкого СО2. Камера для жидкого СО2 выполнена с возможностью обеспечения контакта жидкого СО2 с областями стенки корпуса, смежно с которыми сформирован высоковязкий текучий СО2. Предложены также гранулированный СО2 и способ его получения. Изобретения позволяют получить гранулированный СО2 высокой плотности с высокой производительностью и надежностью, уменьшить износ прессующих элементов устройства. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области получения гранулированного твердого диоксида углерода (СО2), а именно, к способу, устройству и системе получения гранулированного твердого диоксида углерода. Гранулированный твердый СО2, получаемый в рамках настоящей заявки, может быть сформирован в структуры, такие как гранулы, брикеты, пригодные для упаковывания и дальнейшей обработки, или для конечного применения. Гранулированный твердый СО2 имеет большую область различных применений, включая применение в процессах очистки, таких как струйная очистка поверхностей деталей различного промышленного оборудования от эксплуатационных и технологических поверхностных загрязнений, и в процессах охлаждения различных промышленных и непромышленных объектов и изделий.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для получения гранулированного твердого СО2, твердый СО2 подвергают прессованию для уплотнения его структуры и получения гранул необходимой формы. Гранулированный твердый СО2 в отличие от крошки твердого СО2, известной еще как «снег», обеспечивает более эффективную очистку поверхностей объектов вследствие более высокой плотности и твердости, предоставляет возможность дозировать твердый СО2, способствует увеличению времени хранения твердого СО2 перед его использованием в различных применениях.
Из патента US6189336 (МПК C01B32/55, F25J1/00, опубл. 20.02.2001) известно устройство для получения твердого СО2, содержащее две камеры для получения твердого СО2 в виде «снега», фильтр для задерживания твердого СО2 в потоке газообразного СО2, два поршня для перемещения твердого СО2 и камеру прессования, в которой твердый СО2 прессуют в необходимую форму посредством прессующего поршня. Недостатком данного устройства является сложность и громоздкость, ввиду необходимости использования пары камер формирования твердого СО2 с парой поршней, а также камеры прессования с прессующим поршнем. Также, применение множества приводимых в действие поршней, а также интегрированной гидравлической системы приведения в действие прессующего поршня приводит к возникновению и проникновению тепла в камеры устройства, что нежелательным образом сказывается на конвертации жидкого СО2 в твердый СО2 и качестве получаемого гранулированного СО2, например, таком как плотность гранулы.
Из патента RU2741594 C1 (МПК C01B 32/55, B01J 2/00, B29C 43/00, опубл. 27.01.2021) известно устройство и способ получения гранулированного СО2, где устройство содержит корпус для твердого СО2, кожух для жидкого СО2, гильзу для газообразного СО2, отводимого из корпуса, и прессующий элемент, приводимый в действие усилием газообразного СО2, отводимым из гильзы. Недостатком данного устройства и способа является сложность конструкции устройства и этапов выполнения способа ввиду необходимости применения газообразного СО2, образовавшегося в процессе получения твердого СО2, для приведения в действие прессующего элемента. Так, например, в RU2741594 C1 необходимо строгое соблюдение условий относительно уплотнения и температур в исполнительном устройстве, приводящем в действие прессующий элемент за счет энергии газообразного СО2, образовавшегося в процессе получения твердого СО2. Также, плотность получаемых гранул СО2 является недостаточной для ряда применений, например, связанных с очисткой оборудования и изделий. Дополнительно, ввиду сложности конструкции устройства производительность и надежность являются недостаточными.
Из истории техники известно, что для получения металлических профилей/труб используется метод экструдирования горячего металла через матрицу определенной формы. Хоть металл и является твердым телом, но при достаточном нагреве он становится относительно мягких и при экструзии металл начинает себя вести как высоковязкая жидкость. Такой же эффект можно наблюдать и при ковке нагретого металла, когда удара молота придают металлу необходимую форму. Это сравнение можно применять и в процессе получения гранул сухого льда, о чем ниже будет описано подробнее.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является обеспечение способа получения гранулированного твердого СО2 с надлежащей плотностью, имеющего высокую производительность и надежность, а также устройства и системы для осуществления способа.
Один из технических результатов настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства получения гранулированного твердого СО2 с надлежащей плотностью, имеющего высокую производительность и надежность.
Еще один из технических результатов настоящего изобретения заключается в повышении общей эффективности процесса получения гранулированного твердого СО2.
Другой один из технических результатов настоящего изобретения заключается в повышении эффективности теплопередачи от стенки корпуса устройства получения гранулированного СО2 к твердому СО2.
Еще один из технических результатов настоящего изобретения заключается в обеспечении возможности контроля над качеством полученного гранулированного твердого СО2 и процесса его получения.
Другой один технический результат настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства получения гранулированного твердого СО2, обеспечивающего уменьшенный износ компонентов устройства, в частности, уменьшенный износ прессующего элемента устройства.
Одним из технических результатов настоящего изобретения также является обеспечение устройства получения гранулированного твердого СО2 с улучшенными характеристиками теплоизоляции компонентов устройства.
Указанная техническая проблема решается и указанные технические результаты достигаются посредством способа и устройства получения гранулированного твердого СО2 по настоящему изобретению.
Настоящее изобретение относится к способу получения гранулированного СО2, включающему:
a) формирование твердого СО2 в корпусе устройства получения гранулированного СО2,
b) прессование твердого СО2 в корпусе устройства с обеспечением перехода по меньшей мере части сформированного твердого СО2 в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, причем указанная часть твердого СО2, подвергшаяся переходу в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, расположена смежно внутренней поверхности стенки корпуса,
c) прекращения прессования с обеспечением перехода СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, в твердый СО2 с получением гранулированного СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, дополнительно включающий этап d) приложения усилия к гранулированному СО2 с обеспечением выхода гранулированного СО2 из корпуса устройства, причем корпус имеет камеру для формирования твердого СО2, причем этапы a)-d) осуществляют в камере для формирования твердого СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором устройство получения гранулированного СО2 включает кожух, формирующий камеру для жидкого СО2, выполненную с возможностью приема жидкого СО2, причем камера для жидкого СО2 окружает корпус, причем жидкий СО2 циклически и/или непрерывно подают в камеру для жидкого СО2, причем подачу жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2 регулируют так, что жидкий СО2 находится в контакте с областями стенки корпуса, смежно с которыми формируют высоковязкий текучий СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором корпус имеет внешнюю поверхность стенки, причем на внешней поверхности стенки обеспечена канавка, проходящая по спирали по внешней поверхности стенки и выполненная с возможностью протекания по ней жидкого СО2, причем жидкий СО2 подают в устройство так, что жидкий СО2 протекает по указанной канавке.
Согласно одному варианту осуществления, предложен способ, в котором содержит множество фильтрующих сборок с множеством отверстий корпуса, причем обеспечивают втекание СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, в указанное множество отверстий с образованием отростков в виде выступов.
Согласно одному варианту осуществления, предложен способ, в котором фильтрующие сборки содержат множество фильтрующих элементов, причем множество отверстий корпуса выполнены с возможностью размещения множества фильтрующих элементов, причем каждый из фильтрующих элементов имеет корпус фильтрующего элемента и усиливающий элемент, встроенный в корпус фильтрующего элемента
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором корпус содержит множество отверстий, причем обеспечивают втекание СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, в указанное множество отверстий с образованием отростков в виде выступов, причем способ дополнительно включает этап d) приложения усилия к гранулированному СО2 с обеспечением выхода гранулированного СО2 из корпуса устройства, причем на этапе d) обеспечивают срезание отростков в виде выступов, причем гранулированный СО2 имеет видимые области срезания отростков на своей поверхности.
Согласно одному варианту осуществления предложен способ, в котором множество отверстий корпуса выполнены с возможностью размещения множества фильтрующих элементов, причем каждый из фильтрующих элементов имеет корпус фильтрующего элемента и усиливающий элемент, встроенный в корпус фильтрующего элемента.
Согласно одному варианту осуществления на этапе b) обеспечивают переход всего твердого СО2, находящегося в корпусе устройства получения гранулированного СО2, в состояние по существу высоковязкого текучего СО2. При этом, твердый СО2, подвергающийся переходу в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, находится в контакте/смежно с внутренней стенкой корпуса, прессующим элементом и затвором.
Настоящее изобретение также относится к гранулированному СО2 для очистки поверхностей и/или для охлаждения изделий, полученный указанным выше способом, включающий видимые области срезания отростков и/или видимые области появления отростков на своей поверхности.
Также, настоящее изобретение относится к устройству получения гранулированного СО2, содержащему:
- корпус, имеющий камеру для твердого СО2, выполненную с возможностью формирования в ней твердого СО2,
- прессующий элемент, выполненный с возможностью прессования твердого СО2 в камере для твердого СО2 с обеспечением перехода по меньшей мере части твердого СО2 в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, причем указанная часть твердого СО2, подвергшаяся переходу в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, расположена смежно внутренней поверхности стенки корпуса,
причем устройство выполнено с возможностью обеспечения контакта жидкого СО2 с областями стенки корпуса, смежно с которыми сформирован высоковязкий текучий СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, дополнительно содержащее:
- кожух, формирующий камеру для жидкого СО2, выполненную с возможностью циклического и/или непрерывного приема жидкого СО2, причем камера для жидкого СО2 окружает корпус, и
- средство обеспечения перемещения/циркуляции жидкого СО2 в камере для жидкого СО2, выполненное с возможностью циклической и/или непрерывной подачи жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2,
причем средство обеспечения перемещения жидкого СО2 выполнено с возможностью подачи жидкого СО2 так, что жидкий СО2 находится в контакте с областями стенки корпуса, смежно с которыми сформирован высоковязкий текучий СО2, причем области стенки корпуса представляют собой области внешней поверхности стенки корпуса.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором средство обеспечения перемещения жидкого СО2 представляет собой насос, или средство обеспечения перемещения жидкого СО2, выполненное с возможностью циклической подачи жидкого СО2, представляет собой клапан впрыска жидкого СО2 в камеру для твердого СО2 корпуса.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором корпус содержит множество фильтрующих сборок с множеством отверстий корпуса, выполненных с возможностью обеспечения втекания в них СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, с образованием отростков в виде выступов, причем прессующий элемент выполнен с возможностью срезания отростков в виде выступов с обеспечением видимых областей срезания отростков на поверхности гранулированного СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором, каждая фильтрующая сборка содержит решетчатый элемент с отверстиями, выполненный за одно целое с корпусом устройства получения гранулированного СО2, и причем решетчатый элемент выполнен с возможностью поглощения усилия, прикладываемого СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, по направлению от центра корпуса устройства получения гранулированного СО2 к внутренней поверхности стенки корпуса устройства получения гранулированного СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором фильтрующая сборка содержит фильтрующий элемент, причем конец фильтрующего элемента, направленный к центру корпуса устройства получения гранулированного СО2, выполнен с возможностью повторения геометрии внутренней поверхности стенки камеры для твердого СО2 с обеспечением беспрепятственного перемещения прессующего элемента в камере для твердого СО2, причем решетчатый элемент с отверстиями и/или указанный конец фильтрующего элемента выполнен с возможностью обеспечения втекания в него твердого СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, причем корпус по меньшей мере одного фильтрующего элемента находится в тепловом контакте с жидким СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором корпус содержит множество отверстий, выполненных с возможностью обеспечения втекания в них СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, с образованием отростков в виде выступов.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором прессующий элемент выполнен с возможностью срезания отростков в виде выступов с обеспечением видимых областей срезания отростков на поверхности гранулированного СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором множество отверстий выполнены с возможностью размещения множества фильтрующих элементов, причем каждый из фильтрующих элементов имеет корпус фильтрующего элемента и усиливающий элемент, встроенный в корпус фильтрующего элемента, причем множество отверстий включают множество силовых площадок, выполненных за одно целое с корпусом устройства получения гранулированного СО2, причем силовая площадка выполнена в виде окружности, в центре которой выполнен решетчатый элемент.Силовая площадка может быть также выполнена в виде параллелограмма, включая прямоугольник, квадрат, ромб, в котором выполнен решетчатый элемент.Решетчатый элемент может иметь форму круга/закругленную форму или форму параллелограмма, включая прямоугольник, квадрат, ромб. Силовая площадка может быть выполнена с возможностью поглощения усилия, прикладываемого СО2, находящимся в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, по направлению от центра корпуса устройства получения гранулированного СО2 к внутренней поверхности стенки корпуса устройства получения гранулированного СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором корпус имеет внешнюю поверхность стенки, причем на внешней поверхности стенки обеспечена канавка, проходящая по спирали по внешней поверхности стенки и выполненная с возможностью протекания по ней жидкого СО2.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором средство обеспечения перемещения жидкого СО2 выполнено с возможностью подачи жидкого СО2 так, что жидкий СО2 протекает по канавке на внешней поверхности стенки корпуса.
Согласно одному варианту осуществления корпус имеет внешнюю поверхность стенки, причем на внешней поверхности стенки обеспечена канавка, проходящая по спирали по внешней поверхности стенки и выполненная с возможностью протекания по ней жидкого СО2, и причем в устройстве получения гранулированного СО2 обеспечена по меньшей мере одна втулка, расположенная поверх внешней поверхности стенки корпуса.
Согласно одному варианту осуществления сопряжение корпуса и втулки обеспечивает формирование канавки, проходящей по спирали по внешней поверхности стенки корпуса и выполненной с возможностью протекания по ней жидкого СО2, причем средство обеспечения перемещения жидкого СО2 выполнено с возможностью подачи жидкого СО2 так, что жидкий СО2 протекает вдоль по упомянутой канавке.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором указанная по меньшей мере одна втулка расположена поверх канавки внешней поверхности стенки корпуса и выполнена с возможностью ограничения потока жидкого СО2, протекающего по канавке корпуса, причем кожух имеет внутреннюю поверхность стенки, причем указанная по меньшей мере одна втулка выполнена с возможностью обеспечения теплоизоляции потока жидкого СО2, протекающего по канавке корпуса, относительно внутренней поверхности стенки кожуха.
Согласно одному варианту осуществления предложено устройство, в котором прессующий элемент выполнен с возможностью приведения в действия усилием текучей среды, представляющей собой сжатый газ или жидкость под давлением, предпочтительно сжатый воздух.
Также, настоящее изобретение относится к устройству получения гранулированного СО2, содержащему:
- корпус, имеющий камеру для твердого СО2, выполненную с возможностью формирования в ней твердого СО2,
- прессующий элемент, выполненный с возможностью прессования твердого СО2 в камере для твердого СО2 с обеспечением перехода по меньшей мере части твердого СО2 в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, причем указанная часть твердого СО2, подвергшаяся переходу в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, расположена смежно внутренней поверхности стенки корпуса,
- кожух, формирующий камеру для жидкого СО2, выполненную с возможностью циклического приема жидкого СО2, причем камера для жидкого СО2 окружает корпус,
причем корпус имеет внешнюю поверхность стенки, причем на внешней поверхности стенки обеспечена канавка, проходящая по спирали по внешней поверхности стенки и выполненная с возможностью протекания по ней жидкого СО2, и причем в устройстве получения гранулированного СО2 обеспечена по меньшей мере одна втулка, расположенная поверх внешней поверхности стенки корпуса.
Настоящее изобретение также относится к системе получения гранулированного СО2, включающей:
- по меньшей мере одно устройство получения гранулированного СО2 как описано выше, и
- устройство приведения в действие прессующего элемента, сообщающееся с устройство получения гранулированного СО2 и выполненное с возможностью подачи текучей среды к прессующему элементу.
Согласно одному варианту осуществления предложена система, в которой устройство приведения в действие прессующего элемента представляет собой компрессор.
Согласно одному варианту осуществления предложена система, в которой устройство приведения в действие прессующего элемента выполнено с возможностью сообщения с устройством получения гранулированного СО2 по текучей среде.
Согласно одному варианту осуществления предложена система, в которой указанное по меньшей мере одно устройство получения гранулированного СО2 и устройство приведения в действие прессующего элемента пространственно разнесены.
В последующем описании, показаны и более подробно описаны варианты осуществления предложенного изобретения. Следует понимать, что изобретение допускает другие варианты осуществления, и некоторые их детали допускают модификацию в различных очевидных аспектах без отступления от изобретения, как изложено и описано в последующей формуле изобретения. Соответственно, чертежи и описание, по характеру, должны рассматриваться в качестве иллюстративных, а не в качестве ограничительных.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует частичный вид устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разрезе.
Фиг. 2 иллюстрирует другой частичный вид устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разрезе.
Фиг. 3 иллюстрирует частичный вид участка устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разрезе.
Фиг. 4 увеличенный вид в разрезе участка С устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению, проиллюстрированного на фиг. 3.
Фиг. 5 иллюстрирует общий внешний вид корпуса устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 6 иллюстрирует общий внешний втулки для устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению.
Фиг. 7 иллюстрирует еще один частичный общий вид устройства получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разрезе.
Фиг. 8 схематично иллюстрирует выход отростков твердого СО2 RR из корпуса 2 при избыточном прессовании высоковязкого СО2 по настоящему изобретению.
Фиг. 9 схематично иллюстрирует гранулу PL твердого СО2 с вышедшими отростками RR твердого СО2 из корпуса 2 при избыточном прессовании высоковязкого СО2 по настоящему изобретению.
Фиг. 10 схематично иллюстрирует готовую гранулу твердого СО2 с видимыми областями срезания отростков
Фиг. 11 схематично иллюстрирует участок D готовой гранулы твердого СО2 с видимыми областями срезания отростков
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Базовый процесс, используемый для получения твердого СО2 из жидкого СО2, известен и описан в источниках уровня техники (см., например, RU2015127986, US2018282168). В целом, процесс заключается в подаче жидкого СО2 в камеру для формирования твердого СО2, где жидкий СО2 трансформируется за счет падения давления ниже тройной точки диоксида углерода (5,2 абсолютных атмосфер) в твердый СО2, так называемый «снег», и сжатый газообразный СО2. Твердый СО2 в виде «снега» затем при необходимости прессуют с получением гранулированного СО2, при этом газообразный СО2, сформировавшийся в камере, отводят из камеры. В настоящей заявке термины «гранулированный СО2» и «гранула СО2» используются взаимозаменяемо.
На фиг. 1 представлен частичный общий вид устройства 1 получения гранулированного твердого CO2 по настоящему изобретению в разрезе. Устройство 1 содержит корпус 2 для формирования твердого СО2, кожух 3 для жидкого СО2 и коллектор 4 для сбора газообразного СО2, образовавшегося в корпусе 2, причем кожух 3 расположен вокруг или окружает корпус 2, и причем коллектор 4 по меньшей мере частично окружает кожух 3. Корпус 2 имеет камеру VS для формирования твердого СО2, в которой проводят формирование твердого СО2 из жидкого СО2, поступившего в камеру через впуск 21 для жидкого СО2 корпуса 2. Также, в камере VS проводят прессование сформировавшегося твердого СО2 посредством воздействия на твердый СО2 прессующим элементом 5 с обеспечением перехода по меньшей мере части сформированного твердого СО2 в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, как будет более подробным образом описано далее. Камера VS сформирована внутри корпуса 2 и ограничена внутренней поверхностью стенки корпуса 2. Корпус 2 включает впускное отверстие 21 для впуска жидкого СО2 для формирования твердого СО2 внутри камеры VS.
Устройство 1 получения гранулированного твердого CO2 также включает кожух 3, формирующий камеру VL для жидкого СО2. Камера VL соответствующим образом образована между внутренней поверхностью стенки кожуха 3 и внешней поверхностью стенки корпуса 2. В данном описании понятия «внешний» и «внутренний» следует понимать относительно направления от центра устройства 1 к периферии, т.е. наружу от устройства. Камера VL выполнена с возможностью циклического и/или непрерывного приема жидкого СО2 через впускное отверстие 32 для впуска жидкого СО2 посредством непрерывной циркуляции жидкого СО2 и/или циклической подачи жидкого СО2 посредством впрыска. Жидкий СО2 подается в камеру VL через впускное отверстие 32 посредством впуска 33 для жидкого СО2. Впуск 33 может представлять собой любое пригодное средство, такое как шланг, труба, патрубок, штуцер. Кожух 3 имеет выпуск 31 для жидкого СО2, за счет которого проводят впрыск/введение жидкого СО2 в камеру VS корпуса 2 через впуск 21 для жидкого СО2 корпуса 2.
Корпус 2 включает множество фильтрующих сборок. В настоящем описание фильтрующая сборка в целом обозначает совокупность элементов/средств, в той или иной мере участвующих в процессе фильтрования частиц твердого СО2 и сопутствующих процессах. В неограничивающих вариантах осуществления, фильтрующая сборка может включать отверстие 7 корпуса, фильтрующий элемент 8 (показан на фиг. 2), включая компоненты фильтрующего элемента, силовую площадку 9 (показана на фиг. 2), включая компоненты силовой площадки. Фильтрующие сборки включают отверстия 7 корпуса, выполненные с возможностью обеспечения втекания в них СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, как будет более подробным образом описано далее. Указанные отверстия 7 корпуса также отводят газообразный СО2, сформировавшийся внутри камеры VS в коллектор 4 для сбора газообразного СО2, откуда газообразный СО2 может направляться для последующего применения, обработки или сбора, или может выпускаться в атмосферу. Отверстия 7 также выполнены с возможностью размещения множества фильтрующих элементов 8 (показаны на фиг. 2), которые задерживают частицы твердого СО2, переносимого газообразным СО2, сформировавшимся внутри камеры VS. Указанные отверстия 7 могут также представлять собой углубления, выполненные во внешней поверхности стенки корпуса 2, и заканчивающиеся на конце, направленном во внутрь корпуса 2, решетчатым элементом, как будет описано ниже. Указанные отверстия или углубления 7 могут иметь форму/сечение в виде круга, параллелограмма, включая прямоугольник, квадрат, ромб, трапеции.
Отверстия или углубления 7 включают в себя множество силовых площадок 9 (показаны на фиг. 2), выполненных за одно целое с корпусом 2. Силовая площадка 9 представляет собой элемент, выполненный в теле корпуса 2 в качестве усиливающего/армирующего средства/элемента, способного противостоять/поглощать давление, возникающее внутри камеры VS, и/или усилие, прикладываемое твердым СО2 и/или СО2, находящимся в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, в случае когда твердый СО2 или СО2, находящийся в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, давит/прилагает усилие на соответствующие области отверстий 7. Роль силовой площадки 9 будет более подробным образом описана далее. В неограничивающем варианте выполнения силовая площадка 9 выполнена в виде окружности, в центре которой выполнен решетчатый элемент, где окружность заглублена во внутреннем направлении в поверхность/тело корпуса 2, в частности, во внешнюю поверхность стенки корпуса 2. Более подробно, силовая площадка состоит из окружности, включающей/заключающей решетчатый элемент/элемент в виде решетки, и кольца сплошного материала, окружающего указанную окружность. Силовая площадка 9 может также в целом представлять собой решетчатый элемент/элемент в виде решетки выполненный в теле корпуса 2, в частности, во внутренней поверхности стенки корпуса 2. В неограничивающем варианте выполнения силовая площадка 9 может быть выполнена в виде параллелограмма, включая прямоугольник, квадрат, ромб, в центре которого выполнен решетчатый элемент, где параллелограмм заглублен во внутреннем направлении в поверхность/тело корпуса 2, в частности, во внешнюю поверхность стенки корпуса 2. Силовая площадка может состоять из параллелограмма, включая прямоугольник, квадрат, ромб, включающего/заключающего решетчатый элемент/элемент в виде решетки, и сплошного материала, окружающего указанный параллелограмм. Силовая площадка 9 может быть также выполнена в виде трапеции с указанной выше конфигурацией. Решетчатый элемент/элемент в виде решетки может иметь форму круга/округлую форму, форму прямоугольника, квадрата, ромба, трапеции.
Устройство 1 также включает в себя прессующий элемент 5, выполненный с возможностью перемещения внутри корпуса 2, в частности, внутри камеры VS для прессования твердого СО2 с получением гранулированного СО2 и обеспечения перехода по меньшей мере части твердого СО2 в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, как будет более подробным образом описано ниже. В целом, в не приведенном в действие состоянии прессующий элемент расположен в проксимальном положении в устройстве 1. В настоящем описании, термин «проксимальный» относится к той части устройства 1, где в не приведенном в действие состоянии расположен прессующий элемент. Термин «дистальный» относится к той части устройства 1, где расположен затвор 6 выпуска гранулированного твердого СО2 устройства 1. Таким образом, затвор 6 расположен в дистальном положении, и прессующий элемент выполнен с возможностью перемещения в дистальном направлении по направлению к затвору 6 во время прессования твердого СО2, и выполнен с возможностью перемещения в проксимальном направлении при отводе прессующего элемента 5 в изначальное положение, соответствующее не приведенному в действие состоянию. Прессующий элемент может представлять собой плунжер, например, плунжер 5 или любой другой пригодный для прессования элемент, например, поршень, стержень. Прессующий элемент 5 выполнен с возможностью приведения в действие исполнительным элементом, не показан, представляющим собой, например, пневмоцилиндр или гидравлический цилиндр, работа которых хорошо известна специалисту в данной области техники. Исполнительный элемент в свою очередь приводится в действие посредством текучей среды под давлением, поступающей из устройства приведения в действие прессующего элемента, такого как, например, компрессор, насос, гидростанция. Текучая среда может представлять собой сжатый газ, где сжатый газ может представлять собой любой пригодный газ или смесь газов, такой как кислород, азот, воздух. С точки зрения обеспечения надлежащей производительности, надежности и эффективности преимущественным является применение сжатого воздуха. Текучая среда может представлять собой жидкость под давлением, где жидкость может представлять собой любую пригодную жидкую среду/жидкость, такую как, масло, вода.
Затвор 6, расположенный в дистальной части устройства 1, включает в себя поверхность прессования, в которую при прессовании упирается твердый СО2 под воздействием прессующего элемента 5, за счет чего происходит прессование твердого СО2 с получением гранулированного СО2. Затвор 6 выполнен с возможностью поворота для выпуска гранулированного СО2 через выпускное отверстие для гранулированного твердого СО2. Таким образом, в изначальном состоянии, в частности, состоянии прессования поверхность прессования затвора 6 находится в контакте с твердым СО2 и/или с дистальной частью гранулированного твердого СО2, в конечном положении затвора 6, поверхность прессования поворачивается, тем самым открывая выпускное отверстие для гранулированного твердого СО2 для выпуска гранулированного твердого СО2.
В общем виде принцип работы устройства и способа получения гранулированного твердого СО2 заключается в следующем.
Жидкий СО2 через впуск 33 для подачи жидкого СО2 и впускное отверстие 32 подается в камеру VL кожуха 3 посредством средства обеспечения циркуляции/перемещения жидкого СО2, такого как насос, или в отсутствие него посредством впрыска. Затем жидкий СО2 подают через впускное отверстие 21 для жидкого СО2 корпуса 2 в камеру VS. В камере VS обеспечивают условия для формирования твердого СО2 из жидкого СО2, например, как описано в RU2015127986, US2018282168, содержание которых в полном объеме включено в настоящий документ.В камере VS формируется твердый СО2 и газообразный СО2. Газообразный СО2 отводят из камеры VS через отверстия 7 корпуса 2 и множество фильтрующих элементов 8, находящихся смежно/в контакте с отверстиями 7, в коллектор 4. При этом за счет конфигурации устройства обеспечивается контакт внешней поверхности стенки корпуса 2 с жидким СО2, находящимся в камере VL для испарения части твердого СО2, находящегося в контакте/смежно с внутренней поверхностью стенки корпуса 2. Также, за счет конфигурации устройства может обеспечиваться прямой, т.е. исключая какие-либо промежуточные стенки, элементы и т.д., контакт внешней поверхности стенки корпуса 2 с жидким СО2, находящимся в камере VL для испарения части твердого СО2, находящегося в контакте/смежно с внутренней поверхностью стенки корпуса 2. В частности, жидкий СО2 может омывать внешнюю поверхность стенки корпуса 2. При этом, после формирования твердого СО2, прессующий элемент 5 перемещается в камере VS и прессует твердый СО2 с получением гранулированного СО2. Затвор 6 переводится в отрытое положение, и твердый гранулированный СО2 выпускают из отверстия для выпуска для гранулированного твердого СО2 затвора. После выпуска гранулированного СО2 из выпуска для гранулированного твердого СО2 прессующий элемент 5 возвращают в проксимальное положение, цикл повторяют с такта подачи жидкого СО2.
Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что существует необходимость для усовершенствования указанного устройства и способа получения гранулированного СО2 с точки зрения получения гранулированного СО2 надлежащей плотности, а также с надлежащей производительностью, надежностью и эффективностью процесса.
Главным показателем качества гранулы СО2 является плотность [кг/м3] гранулы. При использовании гранулы СО2 для целей очистки (с или без предварительного измельчения) важна плотность, так как она напрямую влияет на твердость и аэродинамическое ускорение в потоке сжатого воздухе, что в общем влияет на эффективность очистки сухим льдом.
Повышение плотности достигается воздействием на частицы твердого СО2 внешним давлением, при котором вытесняются пары СО2 из объема гранулы между частицами твердого СО2. По мере вытеснения паров СО2 под давлением происходит соединение частиц твердого СО2 в единое тело. Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что показателем максимальной плотности гранулы твердого СО2 (или достаточной плотности для целей использования) может служить ее поведение в процессе прессования. Гранула при прессовании будет стремиться в радиальном направлении камеры VS до тех пор, пока не выйдут все или по существу все пары СО2 из ее структуры. После того как все пары СО2 или по существу все пары СО2 или их существенная часть покинут структуру гранулы твердого СО2, гранула обретает высокую плотность, и в структуре гранулы твердого СО2 будет присутствовать только или по существу только твердая фаза. При дальнейшем повышении давления и прессовании гранула твердого СО2 будет переходить в состояние по существу высоковязкого текучего СО2. Выражение «состояние по существу высоковязкого текучего СО2» обозначает твердый СО2, имеющий высокую вязкость и способность течь, например, под воздействием внешнего усилия. СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 может по существу представлять собой жидкость, в частности, высоковязкую жидкость. Начало и прекращение прессования в настоящем изобретении характеризуется в первую очередь не просто какой-либо силой, действующей на сухой лед, а в первую очередь уровнем силы - силой достаточной для перехода сухого льда в состояние высоковязкой жидкости.
Таким образом, в настоящем изобретении по меньшей мере часть твердого СО2, сформировавшегося в камере VS корпуса 2, переводят в состояние по существу высоковязкого текучего СО2 посредством продолжения оказания на твердый СО2 усилия от прессующего элемента 5, за счет чего улучшается показатель плотности готовой гранулы/гранулированного твердого СО2, так как при достижении состояния по существу высоковязкого текучего СО2 гранула обретает высокую надлежащую плотность. Таким образом, например, в неограничивающем варианте осуществления оказание усилия прессующим элементом 5 на твердый СО2 продолжают до момента, когда твердый СО2 переходит в состояние по существу высоковязкого текучего СО2. Указанная по меньшей мере часть твердого СО2, находящаяся в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, преимущественно расположена/находится смежно и/или по существу в контакте с внутренней поверхностью стенки корпуса 2. Указанная по меньшей мере часть твердого СО2, находящаяся в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, может быть преимущественно расположена/находится смежно и/или по существу в прямом, т.е. исключая какие-либо промежуточные стенки, элементы и т.д., контакте с внутренней поверхностью стенки корпуса 2. В частности, жидкий СО2 может омывать области внешней поверхности стенки корпуса 2, находящиеся в контакте с частью твердого СО2, находящегося в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2. Твердый СО2 переводят в состояние по существу высоковязкого текучего СО2 посредством воздействия на твердый СО2 прессующим элементом. В целом, давление и усилие прилагаемое прессующим элементом на твердый СО2 для перехода по меньшей мере части твердого СО2 в состояние по существу высоковязкого текучего СО2 может варьироваться в зависимости от устройства и условий. При этом, авторы отмечают, что в настоящем изобретении возможность перехода твердого СО2 в по существу высоковязкое текучее состояние может достигаться при давлении в 150-180 атм, а получаемый гранулированный СО2 имеет плотность 1500-1600 кг/м3. В некоторых вариантах осуществления по существу весь твердый СО2 может переходить в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, причем твердый СО2 может находится в контакте/смежно с внутренней стенкой корпуса 2, прессующим элементом 5 и затвором 6.
Далее, авторы настоящего изобретения обнаружили, что указанная часть твердого СО2 (или весь твердый СО2) в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 вблизи прессующего элемента при перемещении прессующего элемента в дистальном направлении стремится в направлении внутренней поверхности стенки корпуса 2 и прижимается к внутренней поверхности стенки корпуса 2, в результате чего при прессовании сохраняется постоянный тепловой контакт высоковязкого текучего СО2 с внутренней поверхностью стенки корпуса 2, что обеспечивает постоянное испарение части/слоя высоковязкого текучего СО2, находящегося смежно/в контакте с внутренней поверхностью стенки корпуса 2, за счет передачи тепла от жидкого СО2, находящегося в камере VL кожуха 3, к внутренней поверхности стенки корпуса 2. Тепло может преимущественно передаваться напрямую, т.е. исключая какие-либо промежуточные стенки, элементы и т.д., от жидкого СО2 к внутренней поверхности стенки корпуса 2. Испарение именно указанной части/слоя именно высоковязкого текучего СО2 влияет на обеспечение улучшенной производительности, надежности, эффективности процесса и уменьшенного износа элементов устройства, так как прессующий элемент 5 встречает меньше препятствий при прессовании при перемещении в камере VS, и трение поверхности прессующего элемента 5 о внутреннюю поверхность стенки корпуса 2 является уменьшенным. Дополнительно, за счет того, что элемент 5 встречает меньше препятствий и имеет уменьшенное трение о внутреннюю поверхность стенки корпуса 2, по существу все усилие прессующего элемента 5 будет передаваться в дистальном направлении именно для прессования твердого СО2, достигая при этом требуемого уплотнения твердого СО2 с достижением высокой плотности.
Авторы настоящего изобретения также обнаружили, что прессование твердого СО2, по меньшей мере часть которого перешла в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, следует остановить, а не продолжать прессование вплоть до момента выхода гранулированного СО2 из устройства, так как может произойти переохлаждение и заморозка жидкого СО2, находящегося в камере VL, а также сильное закупоривание фильтрующих элементов в промежутке от прессующего элемента 5 до затвора 6, что негативным образом скажется на производительности, надежности и эффективности процесса. Такие негативные последствия могут быть достигнуты при выборе слишком высокого давления прессования. В определенных вариантах осуществления, прессование согласно настоящему изобретению останавливают в тот момент, когда по существу весь или весь твердый СО2 переходит в состояние по существу высоковязкого текучего СО2. При остановке/прекращении прессования прессующий элемент 5 фиксируется в последнем/дистальном положении прессования. Фиксация прессующего элемента 5 может представлять собой как полную остановку/деактивирование прессующего элемента 5, так и остановку непосредственно прессования твердого СО2 посредством уменьшения усилия, прилагаемого к твердому СО2 прессующим элементом 5 за счет регулировки давления над прессующим элементом 5 и под ним. В последнем случае, процесс может осуществляться так, что над прессующим элементом 5 может оставаться небольшое избыточное давление, при котором не будет происходить непосредственно прессование, но которое сможет обеспечить мягкое выталкивание/выход гранулы при открытии затвора 6 без необходимости повторной подачи давления на прессующий элемент 5. В неограничивающих вариантах осуществления настоящего изобретения фиксация прессующего элемента 5 с последующим выходом гранулы СО2 может осуществляться следующим образом и при следующих условиях:
a. давление над прессующим элементом 5 составляет 4 атм и давление под прессующим элементом 5 составляет 3.7 атм, обеспечивается перепад давления 0.3 атм в направление гранулы СО2, при открытии затвора 6 указанный перепад давления мягко выталкивает гранулу СО2 из корпуса 2;
b. давление над прессующим элементом 5 составляет 0.3 атм и давление под прессующим элементом 5 составляет 0 атм, обеспечивается перепад давления 0.3 атм в направление гранулы СО2, при открытии затвора 6 указанный перепад давления мягко выталкивает гранулу СО2 из корпуса 2;
c. полная остановка прессующего элемента 5, с обеих сторон от прессующего элемента 5 давление составляет 0 атм, при открытии затвора 6 подается небольшая порция текучей среды для создания небольшого усилия на прессующий элемент 5, который мягко выталкивает гранулу СО2 из корпуса 2;
d. полная остановка прессующего элемента 5, с обеих сторон от прессующего элемента 5 давление составляет 4 атм, при открытии затвора 6 давление под прессующим элементом 5 сбрасывается, ввиду чего прессующий элемент 5 подает небольшое усилие на гранулу СО2 с обеспечением мягкого выталкивания гранулы СО2 из корпуса 2.
Также, возможно осуществление выталкивания гранулы СО2 из корпуса 2 за счет кратковременного впрыска жидкого СO2 в камеру VS через впуск 21. В данном случае, после остановки прессования, прессующий элемент 5 отводится в проксимальное положение, после чего осуществляют впрыск жидкого СO2 в камеру VS с обеспечением выталкивания гранулы СО2 из корпуса 2.
Таким образом, способ и работа устройства по настоящему изобретению заключается в следующем.
Как уже было указано выше, твердый СО2 формируют в камере VS корпуса 2. После формирования необходимого количества твердого СО2 прессующий элемент 5 приводят в действие для прессования твердого СО2 в камере VS корпуса 2. При прессовании дистальная часть твердого СО2 упирается в поверхность прессования затвора 6. Прессование проводят в камере VS корпуса 2 с обеспечением перехода за счет воздействия на твердый СО2 прессующим элементом 5 по меньшей мере части твердого СО2 в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, преимущественно данная часть твердого СО2, подвергшегося переходу в состояние по существу высоковязкого текучего СО2, расположена смежно и/или в контакте с внутренней поверхностью стенки корпуса 2. Прессование затем останавливают, предпочтительно, за счет фиксации прессующего элемента, в результате чего СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 переходит обратно в твердое состояние с получением гранулированного твердого СО2. В целом, прессование можно проводить вплоть до момента, когда по существу весь твердый СО2 переходит в состояние по существу высоковязкого текучего СО2. При этом, после остановки прессования и фиксации прессующего элемента 5, на прессующий элемент 5 подают небольшое усилие, способное обеспечить выход гранулированного СО2 из устройства, при этом затвор 6 поворачивают в конечное положение для выпуска гранулированного СО2 из устройства. При этом, как было указано выше, операция остановки прессования и фиксации прессующего элемента 5 может происходить и с наличием небольшого избыточного давления в камере VS.
При получении твердого СО2 в камере VS корпуса 2 жидкий СО2 циклически или непрерывно (циркуляция) подают в камеру VL кожуха посредством средства обеспечения циркуляции/перемещения жидкого СО2 или в отсутствие его посредством впрыска. Циклическая подача жидкого СО2 содержит множество циклов подачи жидкого СО2, где один цикл включает разовый проход жидкого СО2 от низа камеры VL, т.е. от впускного отверстия 32 для впуска жидкого СО2, до точки введения в камеру VS, т.е. до впуска 21 для жидкого СО2 корпуса 2 и выпуска 31 для жидкого СО2 кожуха 3. Циклическая подача жидкого СО2 может быть осуществлена посредством клапана впрыска жидкого СО2 из кожуха 3 в корпус 2 для формирования из жидкого СО2 твердый СО2 в корпусе 2. Подачу жидкого СО2, преимущественно в случае непрерывной подачи, можно осуществлять посредством средства обеспечения циркуляции/перемещения жидкого СО2, такого как насос.Насос может представлять собой любой пригодный для перемещения жидкого СО2 насос, однако с точки зрения производительности, надежности и эффективности процесса предпочтительным является шестеренный или пластинчатый (шиберный) насос непрерывного типа действия по вытеснению объема, в частности, на асинхронном двигателе либо плунжерный/поршневой насос дискретного (циклического) типа действия по вытеснению объема. Также, возможна подача жидкого СО2 без средства обеспечения перемещения жидкого СО2 посредством других средств известных в уровне техники, например, посредством клапана(ов). При этом, подачу жидкого СО2 предпочтительно регулировать так, что жидкий СО2 или его уровень в камере VL находится в контакте с областями стенки корпуса, смежно с которыми сформирован высоковязкий текучий СО2. Жидкий СО2 или его уровень в камере VL может находиться в прямом контакте с областями стенки корпуса, смежно с которыми сформирован высоковязкий текучий СО2.
Важно подметить, что корпус 2 может быть выполнен из монолитного материала, например, такого как нержавеющая сталь марки AISI 304, а не из комбинированной сборки, как, например, цилиндрический корпус и навитая спиральная трубка поверх поверхности корпуса, что не гарантирует качественную теплопередачу или усложняет создание теплового контакта с помощью таких дополнительных относительно сложных производственных процессов как пайка или сварка плавлением. Даже при правильной технологии пайки/сварки тепловой контакт будет иметь более низкий коэффициент теплопередачи из-за наличия припоя или увеличения толщины стенки между высоковязким твердым СО2 и жидким СО2. Омывание монолитного корпуса жидким СО2 обеспечивает относительной более схожий и предсказуемый процесс теплопередачи в нескольких изготовленных одинаковых устройств по настоящему изобретению. Также омывание имеет дополнительное преимущество при чрезмерном прессовании: когда передача холода от высоковязкого Со2 к жидкому СО2 может вызвать эффект кристаллизации жидкого СО2 (переохлаждения), в результате чего на поверхности корпуса могут возникнуть участки с слоями замершего жидкого СО2. При этом снижается риск закупоривания канала, по которому течет жидким СО2 между кожухом и корпусом, в сравнение с навитой трубкой, так как проходное сечение трубки всегда будет меньше площади поперечного сечения пространства между кожухом и корпусом. Устройство продолжит работать и сможет быстрее восстановить номинальный режим работы за счет омывания жидким СО2 замершего жидкого СО2, когда в трубке с замершим жидким СО2 просто остановится поток жидкого СО2. Для данной цели предпочтительно использовать средство обеспечения перемещения жидкого СО2. Указанная подача/циркуляция/перемещение жидкого СО2 в камере VL обеспечивает теплопередачу от жидкого СО2 в камере VL кожуха 3 через стенку корпуса 2 к СО2 именно в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 для обеспечения испарения последнего смежно внутренней поверхности стенки корпуса 2. Также, при применении средства обеспечения перемещения жидкого СО2 возможно осуществлять циркуляцию жидкого СО2 в камере VL, так что в любой момент времени жидкий СО2 омывает всю поверхность внешней поверхности стенки корпуса 2, что может дополнительным образом улучшить теплопередачу.
На фиг. 2 продемонстрированы отверстия или углубления 7 корпуса, в которые приняты/вставлены (в которых расположены/размещены) множество фильтрующих элементов 8, выполненных с возможностью обеспечения прохождения газообразного СО2, отводимого из камеры VS корпуса 2, и задерживание частиц твердого СО2. Фильтрующие элементы 8 в целом включают в себя корпус фильтрующего элемента, выполненный с возможностью закрепления посредством резьбы, вставки или посадки в натяг в стенке корпуса 2 и в стенке кожуха 3, и средство фильтрования, выбранное из сетки, спеченных шариков и спрессованной проволоки и расположенное в корпусе фильтрующего элемента. Фильтрующие элементы содержат участок корпуса, расположенный в камере VL для жидкого СО2 кожуха 3, заполненной жидким СО2. Причем указанный участок корпуса фильтрующего элемента содержит по меньшей мере одну поверхность, контактирующую с жидким СО2, находящимся в камере VL для жидкого СО2 кожуха 3, или все поверхности/вся поверхность участка корпуса фильтрующего элемента контактирует с жидким СО2, находящимся в камере VL для жидкого СО2 кожуха 3. Указанная конфигурация расположения фильтрующих элементов обеспечивает возможность омывания поверхности фильтрующих элементов, в частности, поверхности корпуса фильтрующих элементов жидким СО2. Несмотря на то, что в настоящей заявке, а также на фигурах представлены варианты осуществления, включающие в себя отверстия или углубления 7, корпус 2 может также включать вместо отверстий или углублений 7 по существу плоские площадки, в частности, выполненные фрезерованием, к которым могут соответствующим образом прикреплены или приставлены фильтрующие элементы 8.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что наличие фильтрующих элементов 8 может обеспечить быстрое и надлежащее получение СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2, так как фильтрующие элементы 8 обеспечивают быстрое отведение, вытесненных из твердого СО2 паров СО2. Предпочтительно, для эффективного отведения вытесненных из твердого СО2 паров СО2 фильтрующие элементы располагают вдоль/по длине, в частности, по всей длине камеры VS, корпуса 2.
При перемещении СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 по направлению к внутренней поверхности стенки корпуса 2 в местах расположения фильтрующих элементов и, соответственно, отверстий 7 корпуса 2, может возникать проблема, связанная с тем, что указанные фильтрующие элементы 8 могут повреждаться и средство фильтрования может выбиваться во внешнем направлении от усилия, прилагаемого СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2. Ввиду чего, для дополнительного улучшения с точки зрения производительности и надежности процесса, в отверстиях 7 могут быть выполнены силовые площадки 9, как описано выше. Данные силовые площадки 9 предотвращают повреждение и выбивание фильтрующих элементов во внешнем направлении, что позволяет дополнительно повысить надежность процесса получения гранулированного СО2. Силовые площадки 9 расположены смежно или в контакте с концом фильтрующего элемента, направленным во внутреннем направлении к камере VS корпуса 2, за счет чего обеспечивается защита фильтрующих элементов 8 с обеспечением беспрепятственного прохождения газообразного СО2 из камеры VS корпуса 2. При работе устройства, СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 может втекать в отверстия силовых площадок 9 и в фильтрующие элементы 8, в частности, в корпус фильтрующих элементов 8, а также в средство фильтрования в виде спеченных шариков, проволоки и т.д. Конец фильтрующего элемента 8, направленный к камере VS корпуса 2 или вовнутрь/в центр корпуса 2, повторяет геометрию внутренней поверхности стенки корпуса 2/камеры VS корпуса 2.
В корпусы фильтрующих элементов 8 также могут быть дополнительно встроены усиливающие элементы, не показаны, выполненные с возможностью предотвращения повреждения средства фильтрования фильтрующих элементов 8. Указанные усиливающие элементы расположены смежно и/или в контакте со средством фильтрования. Усиливающий элемент может быть расположен в корпусе фильтрующего элемента 8 за или позади средства фильтрования во внешнем направлении. В качестве примера, а не в качестве ограничения, усиливающий элемент может представлять собой поперечину, торцы которой прикреплены к корпусу фильтрующего элемента 8 к внутренней поверхности корпуса, и/или поверхность которой прикреплена к средству фильтрования. Усиливающий элемент может представлять собой стержни, соединенные в крестообразную конфигурацию, торцы которых прикреплены к корпусу фильтрующего элемента 8 к внутренней поверхности корпуса, и/или поверхность которых прикреплена к средству фильтрования. Предпочтительно, усиливающий элемент может представлять собой ребра жесткости, встроенные в внутри корпуса фильтрующих элементов. Применение усиливающих элементов может дополнительно обеспечить надежность процесса получения гранулированного СО2.
Дополнительно, усиливающий элемент фильтрующего элемента может представлять собой сетку, например, сетку из проволоки.
СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 при прессовании стремится/перемещается в радиальном направлении к внутренней поверхности стенки корпуса 2. В областях корпуса 2, где распложены отверстия 7 и фильтрующие элементы 8, высоковязкий текучий СО2 может втекать в отверстия 7 через силовые площадки 9, в частности, отверстия решетки силовых площадок 9 или в фильтрующие элементы 8, в частности, средство фильтрования с образованием отростков в виде выступов, как показано на фиг. 3 и 4, где заштрихованная область иллюстрирует твердый СО2 после перехода по меньшей мере его части в по существу высоковязкое текучее состояние. В одном из вариантов осуществления, СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 может также втекать в фильтрующие элементы 8, как описано выше. В целом, под втеканием высоковязкого текучего СО2 в отверстия 7 через силовые площадки 9/фильтрующие элементы 8 подразумевается любое пересечение высоковязкого текучего СО2 теоретической цилиндрической границы камеры VS при прессовании, которое может препятствовать свободному выходу твердого СО2 из камеры, например, под собственным весом. При перемещении прессующего элемента 5 в дистальном направлении указанные отростки в виде выступов будут срезаться прессующим элементом 5, при этом срезанные отростки будут испаряться, переходя в газообразный СО2, за счет теплопритока от жидкого СО2, находящегося в камере VL, через фильтрующие элементы 8. При этом, готовая гранула СО2 будет иметь видимые области срезания указанных отростков, как показано на фиг. 10 и 11. Указанные видимые области срезания отростков могут представлять собой выступы, углубления в поверхности гранулы СО2, неровности, шероховатости на поверхности гранулы СО2, и их комбинации. На фиг. 10 и 11 показаны видимые области срезания отростков в виде выступов, однако, как было указано выше, видимые области срезания отростков могут иметь и другую форму. В целом, специалист в данной области техники при зрительном анализе гранулы СО2 без труда обнаружит видимые области срезания отростков и поймет, что определенные участки представляют собой видимые области срезания отростков. В некоторых вариантах осуществления, при перемещении высоковязкого текучего СО2 в радиальном направлении к внутренней поверхности стенки корпуса 2 могут формироваться видимые области появления указанных выше отростков, где данные области могут иметь ту же форму, что и видимые области срезания отростков. Готовая гранула твердого СО2 также может иметь указанные видимые области появления отростков, и указанные видимые области появления отростков могут быть также без труда обнаружены специалистом в данной области техники, как указано выше. Авторы изобретения обнаружили, что указанные видимые области срезания и/или видимые области появления отростков на грануле СО2 являются преимущественными с точки зрения обеспечения возможности контроля над качеством полученного гранулированного твердого СО2 и процесса его получения, так как наличие видимых областей срезания и/или появления отростков на грануле СО2 является свидетельством того, что процесс прошел заданным образом без значительных отклонений и гранула твердого СО2 имеет надлежащую плотность. Этап срезания проводят, предпочтительно, после фиксации положения прессующего элемента 5 при подаче усилия к гранулированному СО2 с обеспечением выхода гранулированного СО2 из корпуса 2.
Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что вследствие или при более высоком давлении прессовании плунжером, или слишком длительным временем прессования плунжером, или слишком высоким нагревом камеры жидким СО2, или слишком большими отверстия в корпусе 2 /фильтрующих сборок, или комбинации упомянутых причин может быть получена ситуация избыточного прессования высоковязкой гранулы СО2 PL. Пример избыточного прессования твердого СО2 PL представлен на фиг. 8 и фиг. 9. При избыточном прессовании высоковязкого твердого СО2 PL без установленных фильтров поверх решетки корпуса 2 отростки вытекают через отверстия и сразу превращаются из высоковязкого состояния в твердых СО2 и растягиваются в продолговатые элементы RR. Данный эффект является свидетельством применения настоящего изобретения на ровне с видимыми местами среза отростков. Если снять фильтр-элементы и оставить только открытые решетки или открытые отверстия в корпусе 2, то высоковязкий СО2 PL при ранее упомянутых причинах может выдавится через них.
На фиг. 5 представлен один из неограничивающих вариантов осуществления корпуса 2. На корпусе 2 может быть обеспечена канавка 12, проходящая по спирали по внешней поверхности стенки корпуса 2, для протекания по ней жидкого СО2. Указанная канавка, таким образом, образует винтовую поверхность на поверхности внешней поверхности стенки корпуса 2. Также, канавка может быть сформирована за счет сопряжения корпуса и втулки, последняя будет описана ниже. Например, канавка может быть также обеспечена за счет проточки во внутренней части втулки. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что обеспечение канавки, проходящей по спирали по внешней поверхности стенки корпуса и выполненной с возможностью протекания по ней жидкого СО2, может дополнительным образом интенсифицировать процесс теплопередачи от жидкого СО2 к СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2 в камере VS корпуса 2 через стенку корпуса 2, за счет чего может улучшаться испарение СО2, находящегося в контакте/смежно с внутренней поверхностью стенки корпуса 2, что в свою очередь может дополнительно улучшить производительность, надежность и общую эффективность процесса, а также уменьшить износ элементов устройства. Дополнительно, обеспечение указанной канавки может обеспечить уменьшение необходимой производительности средства обеспечения перемещения жидкого СО2, такого как насос, с точки зрения объемной вытеснительной способности в единицу времени. Это может улучшить энергоэффективность процесса, что в свою очередь имеет дополнительное преимущество относительно общей эффективности процесса.
На фиг. 6 представлена втулка 11, выполненная с возможностью расположения поверх внешней поверхности стенки корпуса 2. Расположение втулки в устройстве 1 проиллюстрировано на фиг. 2. В устройстве 1 может располагаться по меньшей мере одна или множество втулок 11. Таким образом, втулка 11 надевается/располагается поверх внешней поверхности стенки корпуса 2 и, соответственно, между корпусом 2 и кожухом 3 в камере VL. Втулка 11 выполнена с возможностью ограничения объема/сечения камеры VL для уменьшения скорости/объема протекания жидкого СО2 в камере VL, за счет чего жидкий СО2 находится в контакте с внешней поверхностью стенки корпуса 2 больший промежуток времени из-за чего эффективность теплопритока от жидкого СО2 может дополнительно увеличиваться с дополнительным улучшением производительности, надежности, эффективности процесса и уменьшения износа элементов устройства. Втулка имеет отверстия, расположение которых соответствует расположению отверстий 7 и фильтрующих элементов 8, другими словами отверстия во втулке могут быть выровнены с отверстиями 7 и фильтрующими элементами 8, так что отверстия втулки 11 выполнены с возможностью приема фильтрующих элементов 8, в частности, корпуса фильтрующих элементов 8. Таким образом, втулка располагается поверх корпуса 2/окружает корпус 2, причем фильтрующие элементы 8 расположены в отверстиях втулки. Втулка 11 может располагаться поверх корпуса 2, имеющего канавку 12, проходящую по спирали по внешней поверхности корпуса 2, так и может располагаться поверх корпуса 2, не имеющего указанную канавку 12. Втулка 11 также выполнена с возможностью обеспечения теплоизоляции потока жидкого СО2, протекающего вдоль корпуса 2 или по канавке 12 корпуса 2, относительно внутренней поверхности стенки кожуха 3, за счет чего можно дополнительно обеспечить улучшение испарения твердого СО2 у внутренней поверхности стенки корпуса 2, так как жидкий СО2 не отдает тепло внутренней поверхности стенки кожуха 3.
Дополнительно, авторы настоящего изобретения обнаружили, что отношение объема камеры VL для жидкого СО2 кожуха 3, заполненной жидким СО2 при прессовании твердого СО2, к объему камеры VS может также дополнительно улучшать производительность, надежность, эффективность процесса и уменьшать износ компонентов устройства получения гранулированного СО2. Так, является важным, чтобы при прессовании объем занимаемый твердым СО2/СО2 в состоянии по существу высоковязкого текучего СО2/гранулированным СО2 соотносился с объемом, занимаемым объемом жидкого СО2, находящегося в камере VL, так как необходимо омывать ту часть корпуса 2 и, соответственно, камеры VS, в которых расположен СО2 при его прессовании. На фиг. 7 схематически представлен вид части устройства 1 в разрезе, где пунктирной линией обозначена часть камеры VL, заполненная жидким СО2, при прессовании, а сплошной линией обозначен объем камеры VS, занимаемый твердым СО2.
Настоящее изобретение также относится к системе получения гранулированного СО2, включающей: по меньшей мере одно устройство 1 получения гранулированного СО2, и устройство приведения в действие прессующего элемента, сообщающееся с устройством 1 получения гранулированного СО2 и выполненное с возможностью подачи текучей среды под давлением к прессующему элементу. В случае, когда в системе представлены более одного устройства 1 получения гранулированного СО2, то устройства 1 могут быть подключены к устройству приведения в действие прессующего элемента параллельно или последовательно. По меньшей мере одно устройство 1 сообщается с устройством приведения в действие прессующего элемента через исполнительный элемент, который в свою очередь функционально соединен с прессующим элементом 5. Дистальное и проксимальное перемещение прессующего элемента обеспечивается за счет подачи текучей среды, например, сжатого газа, такого как сжатый воздух, или жидкости, такой как масло/вода, на исполнительный элемент, например, такой как пневмоцилиндр или гидравлический цилиндр, посредством любых известных в уровне техники средств, обеспечивающих сообщение по текучей среде, например, шлангов, труб, патрубков. Устройство приведения в действие прессующего элемента может представлять собой любое устройство, выполненное с возможности подачи текучей среды, например, сжатого газа или жидкости под давлением к устройству получения гранулированного СО2. Предпочтительно, с точки зрения производительности устройство приведения в действие прессующего элемента представляет собой компрессор.
Устройство получения гранулированного СО2 и устройство приведения в действие прессующего элемента пространственно разнесены. Подобное пространственное разнесения предотвращает возможность притока тепла от устройства приведения в действие прессующего элемента вовнутрь устройства получения гранулированного СО2, в частности, в камеру VS для формирования твердого СО2. Приток тепла может негативным образом сказаться на эффективности процесса, так как будет происходить нежелательный нагрев жидкого СО2, твердого СО2, ввиду чего, пространственное разнесение устройства получения гранулированного СО2 и устройство приведения в действие прессующего элемента может дополнительным образом влиять улучшение эффективности процесса.
Рядовому специалисту в данной области будет понятно, что варианты осуществления, охваченные настоящим описанием, не ограничены конкретными иллюстративными вариантами осуществления, описанными выше. В связи с этим, хотя были показаны и описаны иллюстративные варианты осуществления, в вышеизложенном описании предполагается большой диапазон модификаций, изменений, комбинаций и замен. Должно быть понятно, что такие варианты можно сделать без выхода из объема настоящего изобретения. Соответственно, целесообразно широкое толкование приложенной формулы изобретения и образом, согласующимся c настоящим описанием.
1. Устройство получения гранулированного СО2, содержащее
- корпус, имеющий камеру для твердого СО2, выполненную с возможностью формирования в ней твердого СО2,
- прессующий элемент, выполненный с возможностью прессования твердого СО2 в камере для твердого СО2 с обеспечением перехода по меньшей мере части твердого СО2 в состояние высоковязкого текучего СО2, причем указанная часть твердого СО2, подвергшаяся переходу в состояние высоковязкого текучего СО2, расположена смежно внутренней поверхности стенки корпуса,
- кожух, формирующий камеру для жидкого СО2, выполненную с возможностью приема жидкого СО2,
причем камера для жидкого СО2 выполнена с возможностью обеспечения контакта жидкого СО2 с областями стенки корпуса, смежно с которыми сформирован высоковязкий текучий СО2.
2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее
- средство обеспечения перемещения жидкого СО2 в камере для жидкого СО2, выполненное с возможностью циклической и/или непрерывной подачи жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2,
причем средство обеспечения перемещения жидкого СО2 выполнено с возможностью подачи жидкого СО2 так, что жидкий СО2 находится в контакте с областями стенки корпуса, смежно с которыми сформирован высоковязкий текучий СО2, причем области стенки корпуса представляют собой области внешней поверхности стенки корпуса,
причем средство обеспечения перемещения жидкого СО2, выполненное с возможностью непрерывной и/или циклической подачи жидкого СО2, представляет собой насос, или
средство обеспечения перемещения жидкого СО2, выполненное с возможностью циклической подачи жидкого СО2, представляет собой клапан впрыска жидкого СО2 в камеру для твердого СО2 корпуса.
3. Устройство по п. 1, в котором корпус содержит множество фильтрующих сборок с множеством отверстий корпуса, выполненных с возможностью обеспечения втекания в них СО2, находящегося в состоянии высоковязкого текучего СО2, с образованием отростков в виде выступов, причем прессующий элемент выполнен с возможностью срезания отростков в виде выступов с обеспечением видимых областей срезания отростков на поверхности гранулированного СО2.
4. Устройство по п. 3, в котором каждая фильтрующая сборка содержит решетчатый элемент с отверстиями, выполненный за одно целое с корпусом устройства получения гранулированного СО2, и причем решетчатый элемент выполнен с возможностью поглощения усилия, прикладываемого СО2, находящегося в состоянии высоковязкого текучего СО2, по направлению от центра корпуса устройства получения гранулированного СО2 к внутренней поверхности стенки корпуса устройства получения гранулированного СО2.
5. Устройство по п. 3, в котором фильтрующая сборка содержит фильтрующий элемент, причем конец фильтрующего элемента, направленный к центру корпуса устройства получения гранулированного СО2, выполнен с возможностью повторения геометрии внутренней поверхности стенки камеры для твердого СО2 с обеспечением беспрепятственного перемещения прессующего элемента в камере для твердого СО2.
6. Устройство по п. 4 или 5, в котором решетчатый элемент с отверстиями и/или указанный конец фильтрующего элемента выполнен с возможностью обеспечения втекания в него твердого СО2 в состоянии высоковязкого текучего СО2, причем корпус по меньшей мере одного фильтрующего элемента находится в контакте с жидким СО2.
7. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее втулку, расположенную поверх корпуса, причем сопряжение корпуса и втулки обеспечивает формирование канавки, проходящей по спирали по внешней поверхности стенки корпуса и выполненной с возможностью протекания по ней жидкого СО2, причем средство обеспечения перемещения жидкого СО2 выполнено с возможностью подачи жидкого СО2 так, что жидкий СО2 протекает вдоль по упомянутой канавке.
8. Способ получения гранулированного СО2 посредством устройства получения гранулированного СО2 по любому из пп. 1-7, включающий
a) формирование твердого СО2 в корпусе устройства получения гранулированного СО2,
b) прессование твердого СО2 в корпусе устройства с обеспечением перехода по меньшей мере части сформированного твердого СО2 в состояние высоковязкого текучего СО2, причем указанная часть твердого СО2, подвергшаяся переходу в состояние высоковязкого текучего СО2, расположена смежно внутренней поверхности стенки корпуса,
c) прекращение прессования с обеспечением перехода СО2, находящегося в состоянии высоковязкого текучего СО2, в твердый СО2 с получением гранулированного СО2.
9. Способ по п. 8, в котором камера для жидкого СО2 окружает корпус, причем жидкий СО2 циклически и/или непрерывно подают в камеру для жидкого СО2, причем подачу жидкого СО2 в камеру для жидкого СО2 регулируют так, что жидкий СО2 находится в контакте с областями стенки корпуса, смежно с которыми формируют высоковязкий текучий СО2.
10. Способ по п. 9, дополнительно включающий этап d) приложения усилия к гранулированному СО2 с обеспечением выхода гранулированного СО2 из корпуса устройства, причем корпус имеет камеру для формирования твердого СО2, причем этапы a)-с) осуществляют в камере для формирования твердого СО2.
11. Способ по п. 8, в котором корпус имеет внешнюю поверхность стенки, причем на внешней поверхности стенки обеспечена канавка, проходящая по спирали по внешней поверхности стенки и выполненная с возможностью протекания по ней жидкого СО2.
12. Способ по п. 8, в котором корпус содержит множество фильтрующих сборок с множеством отверстий корпуса, причем обеспечивают втекание СО2, находящегося в состоянии высоковязкого текучего СО2, в указанное множество отверстий с образованием отростков в виде выступов,
причем способ дополнительно включает этап d) приложения усилия к гранулированному СО2 с обеспечением выхода гранулированного СО2 из корпуса устройства, причем на этапе d) обеспечивают срезание отростков в виде выступов, причем гранулированный СО2 имеет видимые области срезания отростков на своей поверхности.
13. Способ по п. 12, в котором фильтрующие сборки содержат множество фильтрующих элементов, причем множество отверстий корпуса выполнены с возможностью размещения множества фильтрующих элементов, причем каждый из фильтрующих элементов имеет корпус фильтрующего элемента и усиливающий элемент, встроенный в корпус фильтрующего элемента.
14. Способ по п. 8, в котором на этапе b) обеспечивают переход всего твердого СО2, находящегося в корпусе устройства получения гранулированного СО2, в состояние высоковязкого текучего СО2, и/или
устройство получения гранулированного СО2 включает в себя прессующий элемент, причем на этапе b) прессование осуществляют посредством перемещения прессующего элемента в корпусе устройства получения гранулированного СО2, и причем этап c) включает остановку перемещения прессующего элемента в корпусе устройства получения гранулированного СО2.
15. Гранулированный СО2, полученный способом по любому из пп. 8-14, включающий видимые области срезания отростков и/или видимые области появления отростков на своей поверхности.
