ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА Российский патент 1995 года по МПК B01D59/20 

Изобретение относится к центрифугам для разделения газовых смесей в поле центробежных сил и касается устройств ввода исходного газа в роторы противоточных центрифуг, предназначенных преимущественно для разделения изотопов уран-235 и уран-238 в состоянии шестифтористого урана.

Известна газовая центрифуга для разделения смесей из легкого и тяжелого газов, содержащая неподвижно расположенную внутри ротора по оси его вращения питающую трубку, состоящую из двух коаксиальных трубок с образованием кольцевого и центрального каналов. На нижнем конце внутренней трубки выполнены тангенциальные отверстия, сообщающие кольцевой канал с центральным, и торцовое выходное отверстие. Исходная смесь газов подается в кольцевой канал. Проходя затем через тангенциальные отверстия во внутреннюю трубку, газ закручивается по направлению вращения ротора и частично разделяется на тяжелую и легкую фракции. Тяжелый компонент отбирается через верхнюю часть внутренней трубки, а остальная часть газовой смеси через нижнее торцевое отверстие поступает вдоль центральной оси в ротор, где осуществляется вторая ступень разделения [1]
Благодаря дополнительному эффекту разделения в трубке питания повышается разделительная способность центрифуги. Однако ввод разделяемого газа в ротор по его оси отрицательно влияет на разделительную способность вследствие смешивания вводимого газа при второй ступени разделения с вертикальным циркуляционным потоком, имеющим различную по высоте ротора концентрацию составляющих компонентов.

Известна также газовая центрифуга, у которой нижний конец вертикальной трубки питания отогнут радиально, а выходное отверстие открыто в кольцевой желоб, прикрепленный к стенке ротора посредством перфорированной кольцевой перегородки, обеспечивающей вертикальную циркуляцию газа в роторе. Из желоба исходная смесь газов поступает в ротор через центральное отверстие в желобе [2]
Такая конструкция газа подачи газовой смеси уменьшает перемешивание разделенных фракций под действием вводимого газа, что обеспечивает повышение эффективности разделения исходной смеси. Однако кольцевой желоб увеличивает массу вращающегося ротора и вызывает дополнительные нагрузки (статические и динамические) на опоры ротора, что снижает надежность работы центрифуги.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является газовая центрифуга для разделения изотопов урана в состоянии шестифтористого урана, содержащая вращающийся цилиндрический ротор с торцевыми крышками, через одну из которых внутрь ротора по его оси проходят неподвижные отборная трубка и охватывающая ее с кольцевым зазором трубка питания исходным газом, имеющая в стенке радиальные выходные отверстия [3]
В данной центрифуге исходная газовая смесь подается в центральную часть ротора, т.е. на некотором расстоянии от границы вертикального циркуляционного потока, который по высоте имеет разную концентрацию составляющих компонентов. Смешивание потока питания с вертикальным потоком здесь происходит в значительной по высоте зоне, что заметно снижает эффективность разделения.

В газовых противоточных центрифугах, предназначенных для разделения изотопов тяжелых элементов, в частности, изотопов уран-235 и уран-238 в состоянии шестифтористого урана, под действием сильного центробежного поля основная масса циркулирующего газа сосредоточена вблизи стенки ротора, а в его центральной области образуется зона вакуума. Вследствие этого при подаче потока питания в центральную область ротора он до контакта с вертикально циркулирующим потоком, имеющим разную концентрацию компонентов по высоте ротора, успевает расшириться и смешивание потоков охватывает широкую по высоте зону, что снижает разделительную способность центрифуги.

Задача изобретения состояла в том, чтобы сузить зону, в которой поток питания вливается в циркуляционный поток и смешивается с ним, и тем самым повысить эффективность разделения исходной газовой смеси.

Для этого в газовой центрифуге, содержащей вертикальный цилиндрический ротор с торцевыми крышками и двумя горизонтальными перфорированными перегородками, образующими отборные камеры легкого и тяжелого компонентов, и газораспределительный коллектор, проходящий через одну из торцевых крышек внутрь ротора вдоль оси его вращения и включающий в себя трубки отбора легкого и тяжелого компонентов, заборные отверстия которых расположены в отборных камерах, и трубку питания с радиальными выпускными окнами, трубка питания снабжена двумя направляющими обечайками, выполненными в виде оболочек вращения и закрепленными на трубке коаксиально с ней выше и ниже выпускных окон с образованием кольцевой камеры, имеющей направленное в сторону отборной камеры легкого компонента выходное кольцевое отверстие, внутренний диаметр которого составляет не менее 0,4, а наружный диаметр не более 0,8 от внутреннего диаметра ротора.

Кроме того, выходное кольцевое отверстие расположено по высоте между серединой ротора и отборной камерой тяжелого компонента, а кольцевая камера на выходном участке снабжена направляющими элементами для закрутки потока питания по направлению вращения ротора. Направляющие элементы могут быть выполнены, например, в виде винтовых пазов на внутренних стенках выходного участка кольцевой камеры, а угол наклона к горизотальной плоскости указаных элементов составляет 10^о-45^о.

Такое выполнение питающей трубки газовой центрифуги позволяет приблизить выход потока питания из трубки к границе вертикального циркулирующего потока в роторе, т.е. к зоне разделения газовой смеси, осуществить плавный взаимный контакт указанных потоков и ощутимо сузить по высоте область их смешивания, что повышает разделительную способность центрифуги.

На фиг. 1 изображен разрез ротора центрифуги с отбором легкого компонента в нижней части; на фиг. 2 и 3 варианты выполнения кольцевой камеры на трубке питания.

В роторе центрифуги, содержащем цилиндрическую боковую стенку 1, верхнюю 2 и нижнюю 3 торцовые крышки и перфорированные перегородки 4 и 5, неподвижно расположен газораспределительный коллектор 6, включающий в себя трубку 7 отбора легкого компонента с заборным отверстием 8, расположенным в отборной камере 9, трубку 10 отбора тяжелого компонента с заборным отверстием 11 в отборной камере 12 и трубку 13 питания исходной газовой смесью с радиальными выпускными окнами 14. Трубку 13 концентрично охватывают наружная 15 и внутренняя 16 направляющие обечайки, выполненные в виде оболочек вращения (цилиндрический стакан, усеченный конус, полусфера, кольцевой диск и тому подобное в различных сочетаниях), закрепленных на трубке 13 выше и ниже выпускных окон 14. Обечайки 15 и 16 образуют кольцевую камеру 17 с выходным кольцевым отверстием 18, направленным в сторону отборной камеры 9 легкого компонента. Выходное кольцевое отвестие 18 расположено по высоте ротора между его серединой и отборной камерой 12 тяжелого компонента и его оптимальное рабочее положение в этой зоне определяется экспериментально. Радиальные размеры выходного отверстия 18 зависят от положения зоны разделения по радиусу ротора, которое можно определить аналитически по параметрам разделяемого газа и центрифуги. Увеличивая наружный диаметр кольцевой камеры 17 (диаметр обечайки 15), можно приблизить место ввода потока питания к зоне разделения как угодно близко. Ограничивающим фактором при этом является отсутствие непосредственного воздействия неподвижной обечайки 15 на движение газа в зоне разделения, которое тормозит поток циркуляции и заметно увеличивает затраты энергии.

Испытания газовых центрифуг, предназначенных для разделения изотопов тяжелых элементов типа уран-235 и уран-238, показал, что при учете различия скоростей вращения ротора и его газонаполнений в существующих и перспективных центрифугах радиальные размеры выходного кольцевого отверстия 18 должны выбираться из условия, чтобы внутренний диаметр его составлял не менее 0,4, а наружный диаметр не более 0,8 от величины внутреннего диаметра ротора.

При работе центрифуги поток питания вводится в трубку 13 коллектора 6. Газовая смесь через выпускные окна 14 выходит в кольцевую камеру 17 и по каналу между направляющими обечайками 15 и 16 через выходное кольцевое отверстие 18 направляется в рабочую зону ротора. Разделенные в роторе легкий и тяжелый компоненты из отборных камер 9 и 12 через заборные отверстия 8 и 11 попадают в отборные трубки 7 и 10 и выводятся по ним из центрифуги. При наличии в выходном участке кольцевой камеры 17 направляющих элементов (на чертеже не показаны) поток питания на выходе закручивается по направлению вращения ротора (и циркулирующего в нем газа), что способствует уменьшению торможения циркулирующего потока при входе в него потока питания. Из опыта выявлено, что предпочтительные углы наклона направляющих элементов к горизонтальной плоскости должны составлять 10-45^о, при которых достигается наилучшее соотношение между окружной и осевой составляющими скорости потока питания на выходе из кольцевого отверстия 18, обеспечивающее наиболее благоприятные усоловия ввода в ротор исходной газовой смеси.

Приближение выхода из трубки 13 потока питания к зоне разделения путем размещения на трубке направляющих обечаек снижает неблагоприятное влияние взаимодействия вводимого в ротор потока питания и циркулирующего потока на разделительную способность газовой центрифуги. Испытания центрифуг с предлагаемым согласно заявляемому изобретению устройством ввода в ротор потока питания показали, что разделительная способность центрифуги повышается на 3-4%

Использование: для разделения изотопов уран-235 и уран-238 в состоянии шестифтористого урана. Сущность изобретения: центрифуга содержит ротор с торцевыми крышками, образующими с внутренними перегородками отборные камеры легкого и тяжелого компонентов, и газораспределительный коллектор, проходящий внутрь ротора вдоль оси его вращения и включающий в себя трубки отбора легкого и тяжелого компонентов и трубку питания с радикальными выходными отверстиями. На трубке питания коаксиально с ней выше и ниже указанных отверстий закреплены две направляющие обечайки, выполненные в виде оболочек вращения и образующие кольцевую камеру с направленным в сторону отборной камеры легкого компонента выходным кольцевым отверстием, внутренний диаметр которого составляет не менее 0,4, а наружный диаметр - не более 0,8 от внутреннего диаметра ротора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА, содержащая вертикальный цилиндрический ротор с торцевыми крышками и двумя горизонтальными перфорированными перегородками, образующими со стенками ротора отборные камеры легкого и тяжелого компонентов, и газораспределительный коллектор, проходящий через одну из торцевых крышек внутрь ротора вдоль оси его вращения и включающий в себя трубки отбора легкого и тяжелого компонентов, заборные отверстия которых расположены в отборных камерах, и трубку питания с радиально направленными выпускными окнами, отличающаяся тем, что трубка питания снабжена двумя выполненными в виде оболочек вращения направляющими обечайками, закрепленными на трубке питания коаксиально с ней выше и ниже выпускных окон с образованием кольцевой камеры, имеющей направленное в сторону отборной камеры легкого компонента выходное кольцевое отверстие, внутренний диаметр которого составляет не менее 0,4, а наружный диаметр не более 0,8 внутреннего диаметра ротора. 2. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что выходное кольцевое отверстие расположено по высоте между серединой ротора и отборной камерой тяжелого компонента. 3. Центрифуга по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая камера снабжена направляющими элементами для закрутки газового потока питания по направлению вращения ротора, выполненными, например, в виде винтовых пазов на стенках выходного участка кольцевой камеры. 4. Центрифуга по п.3, отличающаяся тем, что угол наклона направляющих элементов к горизонтальной плоскости составляет 10 45^o.