专利名称：在低压下自动生产块状固体二氧化碳的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及固化二氧化碳(CO2)的装置和方法，尤其是低压下自动生产密度等于1.1-1.50g/cm3或更大的块状固体二氧化碳的方法和装置。
从液态CO2固化生产固体CO2(通常称作干冰)的方法是众所周知的，干冰被用于运输和储存药物、冷冻或新鲜的食物，人工降雨、灭火、金属收缩等。
通常生产固体CO2的方法包括首先在接近常压下形成CO2雪状物(smow)，然后压缩此雪状物质到一定的形状和比重。通常生产标准立方固体CO2(25.4cm×25.4cm×25.4cm)的设备平均产量为1立方体/5-6分钟或更多。该设备基本上由下列部分组成a)维持热形成二氧化碳雪状物条件的封闭室;b)气体回收装置;c)液压系统;d)供气体返回用的CO2储存罐和e)冷凝系统。
该设备的操作主要是将液体CO2膨胀到5kg/cm2压力左右，产生二氧化碳雪状物并通过压缩装置从雪状物中抽出气体，从而使压力接近大气压力，然后用液压系统在一模子中以125kg/cm2的压力压缩此雪状物质，最后将压缩成的干冰脱出，此时其最大密度值为1.55g/cc3。因为压缩二氧化碳雪状物以形成较高密度的块状固体要求较高的压力，所以设备的建造和运行费用都很高。
其它与上述已有技术不同的，且已付诸使用的方法在许多专利中有所揭示，大多是以CO2的热力学性能为基础。
下面给出的供参考用的美国专利中，揭示了已知方法和设备的构思和细节1，925，041;1，925，619;1，870，691;1，950，180;1，795，772;2，738，658;4，033，736;3，817，045和4，780，119。
Auerbach的美国专利1，925，041描述了一两步方法，首先在模子底部形成一固体CO2层作为密封层和载体，其密度大得足以阻止CO2气体的通过，然后在20个大气压(21.9kg/cm2)高压下注入液态CO2，此液态CO2慢慢蒸发，形成比重大于1.4的较密的块状CO2。
另外，Zumbra的美国专利2925619涉及的方法是在常压下把CO2雪状物充入一圆柱室，然后把液态CO2注入雪状物中以在高压下(三相点以上)如5.47kg/cm2产生被冷的液态CO2所饱和的雪状物，在此状态下把-77.2℃的CO2雪状物充入一环形围绕着的室中，用来冷冻雪状物而使之固化。
Rust等人的美国专利1，870，691揭示了生产固体CO2的经修改的挤压装置，它运用了一个中间区域，在该区域中CO2雪状物在21.9kg/cm2下被液态CO2所饱和，并让它缓慢蒸发。总体上，Rust等人的美国专利中的设备与上述Auerbach的美国专利1，925，041所揭示的相似。
Jones等人的美国专利1，950，180揭示了生产具有基本均匀的高于1.5g/cm3密度的块状固体CO2的几种装置。它揭示了下面的构思在常压附近把雪状物充入一室中，然后以一三相点以上的压力把液态CO2充满该室，使雪状物饱和并将其浸没在液态CO2中，然后在非常接近于三相点的压力下缓慢蒸发该液体，从而产生较大的CO2晶体，然后该晶体被压缩以形成高密度固体CO2。
Goosman的美国专利1，795，772主要涉及一种压缩和挤压的方法，Bronson的美国专利2，738，658揭示了供通常干冰生产压力需要的雪状物的生产。
Cann的美国专利4，033，736涉及一种方法和设备，它用一压缩/挤压室和顶着弹簧压力施加旋转力的方法来生产杆状或球状干冰。
从上述专利所揭示的内容可以明显看出，已有技术中有些方法是通过压缩来生产密度为1.4-1.5g/cm3的立方体固态CO2的，而有些设备则是生产平均低于0.6-0.8g/cm3密度的立方体固态CO2的。较低密度的二氧化碳不能符合工业生产对干冰的需要，它们的应用只限于低要求的场合。
从前面讨论的专利中，我们感到美国专利1，925，041是与我们特别有关的所揭示的，因为它是一个不需压缩的方法，该方法工作于液态CO2的三相点以上的压力，液态CO2迅速进入一室中，形成用于封闭目的的雪状物层，然后该室用液态CO2充入。该专利的方法中液态CO2的引入是在比本发明的方法高得多的压力下进行的。由于该专利在固化时没有有效地从模子中排出CO2气体，所以CO2的固化速率是很慢的。该专利不包括如本发明的方法和设备中所述的CO2气体回收系统或两步引入液态CO2的构思。
所有其它描述生产固体CO2的各式各样方法的专利与本发明的方法和设备几乎没有什么联系。
本发明涉及生产块状高密度二氧化碳的方法和装置，根据本发明，首先在低压下的一段时间内，然后在中等压力下的第二段时间内把液态CO2引入模子。
提供一调节器把在9.8kg/cm2-10.9kg/cm2范围的中等压力(实为压强，下同)、-40℃数量级的降低的温度下将液态CO2供入模子，在约kg/cm2压力下引入低压CO2的第一阶段，模子被CO2雪状物部分地填充，在第二阶段时间里，中等压力的CO2使雪状物饱和并部分蒸发，造成液态CO2连续冷冻以形成高密度块状CO2。
本发明还提供了从调节器和模子回收CO2蒸气的方法和装置，以及把蒸气再循环到用于压缩和再循环回收CO2蒸气的压缩器的方法。
因此，本发明的一个目的是提供在低压下自动生产密度1.1-1.5gm/cm3或此密度以上的块状固体CO2的改进的两步法和按标准设计的设备。
本发明的另一目的是提供生产高密度固体CO2块的改进方法和装置，该装置可以通过CO2气体的回收和压缩系统，回收约90%的排出的CO2蒸气。
本发明的再一目的是提供低压生产固体CO2块的改进的低成本设备，该设备具有约1立方英尺/12-14分钟的标称生产能力，以满足市场上生产小批量的固体CO2立方体的要求。
下面的描述将使本发明的这些及其它目的更为清楚。
图1是根据本发明在低压下自动生产固体CO2块的装置的示意图;
图2是本发明装置中的模楔的透视图;
图3是图1的装置中的模子的透视图;
图4是具体图示主塞子的局部剖视图，该塞子为图2中模楔的一个截面。
如图1所示，本发明涉及低压下生产块状固体二氧化碳的装置11。该装置包括一对模子13和15，轮流工作生产块状固体CO2，在所制作的一个实施例中，立方体每边长24.5cm。显然，该装置也可以只配备一个模子，但使用两个模子可得到较高的效率，这是因为在一个模子出料时，另一模子可以继续生产，该装置还包括一CO2供给系统17和一CO2蒸气回收系统19。
由于模子13和15的结构是相同的，所以只联系图2-图4对模子13作了具体的描述。模子13包括由低温铝合金组成的顶壁21，互相间隔开的边壁23和前、后壁25，壁厚38.1mm，焊在一起形成面朝下的贮器或容器27。面向下的开口用一可移动的底壁29封住，该壁由其上涂覆高分子量聚乙烯的碳钢组成，并如图3中所示安装得可在开启位置与关闭位置之间滑动。底壁29通常是楔形的，通过装在边板33上的导轨31来支持它的滑动，在横向移动的同时，壁29同时向下移动，从而利于壁9与已形成的块状固体CO2底部分离。
如图1所示，模子13和15的底壁29被由CO2气体驱动的活塞35控制，使底壁29在开启位置与关闭位置之间移动。在生产每块固体CO2的循环末尾，模子13和15将会自动打开，这将在下面更具体地加以说明。
CO2供给系统17示于图1，它包括一液态CO2源37，典型的液态源包括装压力的21.0kg/cm2、温度为-17.7℃液态CO2的罐，该源37用导管39与CO2调节器41相连。该调节器41最好是用真空套绝热以把液态CO2与环境隔离的不锈钢压力容器，它还包括一液位控制器43和管道39中的流量控制器45，该控制器45包括一电磁阀，用来通过电磁阀或通过一旁路装置自动选择种种流速。调节器41被用来使来自源37的液态CO2第一次膨胀，使压力降到9.5kg/cm2-12.4kg/cm2之间的中等水平。
为了从调节器41排出CO2蒸气，在调节器41和脉动罐49之间连接一导管47。设置了一CO2源51，它一般是在罐37液态CO2上部的气体，通过导管53与压力控制器57相连以提供操作阀门所必需的压力。一压力控制阀55设在导管53中，压力控制器57控制从导管47到脉动罐49的流量，从而调节调节器41中的压力。在调节器41中高压液体CO2膨胀到中等压力时，液体与气体的比率约为8∶2。在膨胀中产生的CO2气体是一个不小的量，它通过导管47循环脉动罐49而被完全回收。
模子13和15通过导管59和61分别连于调节器41，以分别把液态CO2从调节器41运送到模子13和15。设置一定时器和循环控制器63来定时地或在某些情况下响应压力来开、关装置11中的阀。导管59和61各设置有两条流道65和67以分别分为两模子提供低压或中压液态CO2。流道65和67上都装有电磁阀，流道65上装有针阀，以在一段时间里提供3.6-5.1kg/cm2压力的低流量液态CO2，把CO2雪状物分别填充入两模子中同时从导管72和74排出CO2蒸气，导管72、74设置于模子13、15与蒸气回收系统19之间。导管中背压为3.7kg/cm2数量级，由回收系统19提供。
在循环的低压部分完成后，模子中就有了低密度CO2雪状物，此低压循环约需3分钟时间，接着控制器63关闭低流道65，而打开高流道67的电磁阀，在-40℃温度，9.8-10.9kg/cm2的中间压力下高流道67把液态CO2运到两个模子中。由于该压力大于三相点，所以进入模子的CO2流含有液体和气体。液态CO2开始冷冻，液态CO2的冷冻或冷却是由一部分液态CO2的蒸发提供的。
两模子13和15的底壁29上有一出气口73，该出气口73通过高分子量聚乙烯的表面29a，低温铝部分29b和钢楔部分29c。在层29a和部分29b之间，设置一羊毛滤器75，用来阻止液态CO2从出气口73流到分别与模子13和15的底部相连的蒸气出口72和74。在循环开始的低压部分，雪状物在模子和开口中形成。当液态CO2在中间压力部分进入模子时，液态CO2固化形成塞子75，阻止液态CO2从模子13和15底部出去。
在该循环的第二即中等压力部分中，液态CO2继续固化直到模子中充满高密度CO2的块状固体。为使液态CO2的固化具有一定的速度以满足商品化的需要，模子13和15需设置能排出大量CO2蒸气的装置。CO2液体的固化必须通过对液态CO2的冷却或冷冻来实现。为了把设备成本降至最小，本发明利用液态CO2蒸发或气化来冷却CO2使CO2固化，该CO2进入模子时的温度为-40℃。在蒸发过程中，约需1公斤的液态CO2来产生1/2公斤的固态CO2和1/2公斤的CO2蒸气。由于在此过程中产生大量CO2气体，对CO2气体的回收和重新加以利用是很重要的。
CO2蒸气的回收是通过分别与模子13和15的顶部相连的导管69和71进行的，这些导管延伸到蒸气回收系统19，最后回收的蒸气被输送至脉动罐49，这在下面将进一步阐述。虽然导管69和71仅输送回收的CO2蒸气，但以最佳速率填充模子13和15使所有液态CO2都在进入模子时固化，不用复杂的仪器是不可能的，而采用复杂仪器则从经济角度上看是不合算的。因而在循环的中间压力部分，有可能CO2液体将上升到模子顶部而随被回收的CO2蒸气一起排出，上述情况之所以发生，部分是由于不与脉动罐49直接相连的导管69和71中存在液压CO2。为了在导管69和77中蒸发液态CO2，导管与热交换器83和85相连，热交换器的功能将在下面更完整地阐明。
循环的第二部分可以根据定时的时间也可以根据块状固体充满模子时模子中压力的下降来结束。当压力下降被测出时，分别在模子13和15顶部的压力开关77和79连到控制器63以断液态CO2向模子13和15中的流入。
然后，模子通过线路70排气，底壁29由一个圆柱体35移开以取出块状CO2。须注意，来自供应源51的CO2蒸气通过导管93与具有适当电磁阀的两个圆柱体35相连，在控制器63的控制下，把气体供到适当一侧的圆柱体35，以使两模子中的一个开或关。
为增加装置11的效率，设置了包括CO2蒸气回收系统19的设备来把CO2蒸气损失降至最小。通过这样增加效率后，液态CO2的用量减少从而使通过装置11来生产块状固体CO2的生产费用得以较低。如上所述，导管47，69，71，72和74从调节器4和模子13和15来回收CO2蒸气，并使蒸气循环到蒸气回收系统19中的脉动罐49中。另外，导管78把CO2蒸气源51与脉动罐49相连。
脉动罐49包括一碳钢罐49a和一振动屏蔽49b，压缩器81通过导管80与脉动罐49相连，来自压缩器81的压缩蒸气通过导管82被循环到热交换器83和85，该热交换器为管壳式热交换器。导管69和71把模子13和15与热交换器83和85连在一起，使所有从模子13和15回收的液态CO2可以蒸发并通过导管87和89循环到脉动罐49。热交换器83和85较好的工作方式是让炽热的压缩CO2气体从压缩器81流过热交换的管子，液态CO2和低温CO2气体则在热交换器的壳体部分中。在经过热交换器83和85后，来自压缩器81的压缩气体通过导管91循环回到CO2气体源51。该源或罐37中包括冷冻盘管37a，用来冷凝再循环的CO2蒸气，此冷冻盘管可由常用的冷冻设备提供(未画出)。脉动罐49对平衡压缩器81的负载和保持压缩器吸气侧恒压的CO2具有重要的作用。在模子13和15运行循环中的某些阶段，只有很少的CO2蒸气通过蒸气回收导管47、69、71、72和74传到脉动罐49。在这些阶段中，来自蒸气供应源51的CO2蒸气通过导管78不断地由脉动罐49流到压缩器81，因而提供一受控的压力CO2气体，就不必要在这些阶段中关闭压缩器81。
虽然，在此不作详细描述，但应该理解，控制器63可与装置中的种种阀相连，以保持由源37到调节器41的流动，在调节器41中保持约-40℃温度、9.51kg/cm2到12.4kg/cm2之间所希望的中等压力，并保持脉动罐中的适当压力及模子13和15的背压。为了更好理解本发明的方法和装置，给出下表说明以图1所示方式制作的本发明的一个实施例在典型运行时的物料平衡情况。
表1
<p>上面结合一个较佳实施例所揭示的本发明的方法和设备可以在12-14分钟内生产具有1.3g/cm3数量级密度的24.5cm立方体固态CO2。该装置制造成本较低，因为它不需高的压缩力来得到高密度的干冰。较高的液态CO2的固化速度通过有效的排气系统来实现，该系统从模子13和15接收和回收利用CO2蒸气。本发明所涉及的两步方法的第二步在中等压力和降低的温度下运用CO2液体是有新意的，对此，现有技术均未提及。
虽然本发明的方法和装置结合一较佳实施例作了描述，但应该理解在不背离本发明广义的实质范围并在本发明权利要求书保护范围内，作出各种变化和改进完全是可能的。
权利要求
1.一种在低压下生产块状高密度固体CO2的方法，其特征在于包括下列步骤提供9.5kg/cm2-12.4kg/cm2中等压力、-40℃数量级的降低的温度下的调节液态CO2源，在一段时间内、低压下把液态CO2引入模子中并在一流动速率下用CO2雪状物部分地填充模子，在中等压力、降低的温度下以一流速向所述的模子引入来自所述源的液态CO2，使液态CO2在所述模子中饱和所述的CO2雪状物，并且在液态CO2引入过程中通过液态CO2的蒸发连续冷冻其余的液态CO2以形成高密度块状固体CO2，并且在把中等压力的液压CO2引入所述模子时，由冷却和固化一部分所述液态CO2蒸发产生的蒸气被连续地从所述的模子中排出。
2.如权利要求1所述的生产块状高密度固体CO2的方法，其特征在于向所述模子引入所述液态CO2的所述中等压力为9.8kg/cm2-10.9kg/cm2，温度在-40℃数量级。
3.如权利要求2所述的生产块状高密度固体CO2的方法，其特征在于包括提供21kg/cm2数量级高压和-17.7℃数量级温度的液态CO2源;把所述的高质液态CO2通过压力降低装置循环到所述的调节液态CO2源，提供压缩机装置以回收及压缩来自模子的CO2气体，并把压缩装置压缩的CO2循环到所述的高压液态CO2源，在此再冷凝为液体。
4.如权利要求1所述的生产块状高密度固体CO2的方法，还进一步包括当所述块状CO2已充满模子时自动终止引入中等压力液体CO2的步骤。
5.一种在压力下自动生产块状固体CO2的方法，其特征在于包括把21.9kg/cm2、-17.7℃的液态CO2喷射到一密闭式容器中进行第一次膨胀，使其压力降至9.5kg/cm2-12.4kg/cm2，在至少一个封闭模子中用两步使膨胀后所得到的液态CO2作第二次膨胀，第一步在约3.6-5.1kg/cm2压力下进行一段时间，第二步在约9.8kg-10.9kg/cm2范围进行一段时间，以便在此模子中形成CO2雪状物塞子，通过这两步将形成约1.28-1.5g/cm3密度的干冰，并把第一和第二次膨胀产生的CO2气体加以压缩使之再循环至所述的CO2喷射流，和/或用它作动力来使此方法的步骤自动化。
6.一种低压生产高密度固体CO2的装置，其特征在于包括一包括一个液体进口和一个蒸气出口的密闭模子，所述的模子含有一个能从中取出块状固体CO2的室，一个向所述模子供给中等压力，降低温度的液态CO2的液态CO2调节系统，一个在一段时间内从所述的调节系统向所述液体入口提供低压液态CO2的第一流动控制装置，用来为所述模子提供CO2雪状物，和一个在一定速率下从所述的调节系统向所述入口提供中压液态CO2的第二流动控制装置，用来使所述的CO2雪状物饱和，并通过液态CO2的蒸发连续冷冻液态CO2以形成高密度固体CO2。
7.如权利要求6所述的生产高密度固体CO2的装置，其特征在于包括CO2蒸气的回收装置，该装置包括在所述的模子上有一排气孔和一个压缩器用以把CO2蒸气从所述模子再循环到所述CO2调节系统中。
8.如权利要求6所述的生产高密度固体CO2的装置，其特征在于包括一个液态CO2源，它通过膨胀装置向所述液态CO2调节系统提供液态CO2;一压缩器，从所述模子和所述CO2调节系统回收CO2气体并压缩所述CO2气体;一与所述压缩器和所述液态CO2源相连的导管，从所述压缩器向所述液态CO2源提供压缩CO2气体。
9.如权利要求7所述的生产高密度固体CO2的装置，其特征在于，第一流动控制装置提供在3.6-5.1kg/cm2压力和约9.8kg/cm2-10.9kg/cm2压力以及约-40℃温度的液态CO2。
10.一种在低压下自动生产块状固体CO2的装置，其特征在于包括一与液态CO2调节系统相连的封闭模子，该系统在第一低压下和第二中压下分别提供液态CO2一段选定的时间，一个CO2气体回收系统，包括一从所述模子和所述调节系统接收液态CO2和蒸气的压缩器，和把CO2从所述压缩器循环到所述液态CO2调节系统的装置。
11.如权利要求10所述的在低压下自动生产块状固体CO2的装置，其特征在于包括与所述CO2气体回收系统和所述压缩器相连的热交换装置，从而使来自于所述压缩器的压缩CO2气化从所述模子中回收的液体CO2。
12.如权利要求11所述的低压下自动生产块状固体CO2的装置，其特征在于所述的CO2气体回收系统包括一设置于所述压缩器与调节系统和所述模子之间的脉动罐，从而使所有再循环至所述压缩器的CO2蒸气均通过所述脉动罐。
13.如权利要求10所述的在低压下自动生产块状固体CO2的装置，其特征在于所述的模子具有一立方体形，其一壁可在开的位置和闭的位置之间移动，开的位置用于取出固体CO2立方块，闭的位置用于接受所述液态CO2时形成一盒子，用以使液态CO2形成固体CO2立方块。所述的该壁上连有一个气动圆柱体，使所述壁在开启和关闭位置间移动，还有为所述圆柱体供给回收的CO2以操纵所述圆柱体的装置。
14.如权利要求10所述的低压下自动生产块状固体CO2的装置，其特征在于所述的第一低压供给的液态CO2使所述模子部分地充入CO2雪状物，而第二次中压供给的液态CO2使所述的CO2雪状物饱和并由于蒸发而连续固化。
15.如权利要求14所述的在低压下自动生产块状固体CO2的装置，其特征在于所述的中压液态CO2以9.8kg/cm2-10.9kg/cm2的压力、-40℃数量级的温度向所述模子提供。
16.一种在一定压力下自动生产块状固体CO2的装置，其特征在于包括至少一个与所述液态CO2调节系统相连的密闭模子，该系统作用是在第一低压下供给液体CO2使CO2雪状物部分地填充所述模子，在第二中等压力下，供给的液态CO2使所述雪状物饱和并蒸发而连续固化形成块状固态CO2;一个与所述模子和调节系统相连形成闭合回路的CO2气体回收系统和一个控制所述调节系统和所述压力使操作自动化的所述装置的自动控制器。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于所述的模子具有每边25.4cm的立方体形，并由壁厚为38.1mm的低温铝合金制成。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于所述的模子含有一可移动的壁，该壁包括一个与活塞相连的楔状基底，以能够侧向移动使所述立方体脱模。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于所述的模楔是由上覆高分子量聚乙烯层的碳钢构成，以保证模子不透空气。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于所述的可移动模楔包括一个堵住气体出口通道的羊毛滤器，以使主塞子形成，阻止液态CO2从模子13和15排出，该滤器被保持在高分子量聚乙烯层的下面。
全文摘要
低压自动生产块状固体CO
文档编号C01B31/22GK1074032SQ9211443
公开日1993年7月7日 申请日期1992年12月12日 优先权日1991年12月12日
发明者乔治·戴维·罗兹, 罗杰·费雷德里, 克·居格, J·M·A·A·伊斯奎罗, 埃米利奥·阿韦迪略·费尔南德斯 申请人:液态有限公司