СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ ГАЗОВ И ИЗОТОПОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01D59/18 

Изобретение относится к разделению газовых смесей и изотопов и может быть использовано в атомной, газонефтеперерабатывающей, металлургической и химической промышленности.

Известен способ разделения смесей газов и изотопов в струйной мембране [1] при котором разделяемая смесь диффундирует в струю паров носителя из пространства, окружающего струю. Смесь, обогащенная легким компонентом, отбирается вверх по потоку в центре струи, а смесь, обогащенная тяжелым компонентом, выделяется после конденсации пара-носителя у холодных поверхностей.

Недостатками этой схемы являются малый отбор смеси, обогащенной легким компонентом, снижение эффекта разделения вследствие распределенной по поверхности струи диффузии разделяемой смеси газов, а также большие затраты мощности на перекачку выделенной смеси после конденсации пара-носителя.

Наиболее близким к изобретению является способ разделения смеси газов и изотопов, включающий смешение разделяемой смеси с газом-носителем и последующее пропускание тройной смеси через криволинейное сопло, ускоряющее поток до сверхзвуковых скоростей, и выделение обогащенной нужным компонентом части потока скиммером [2]
Недостатками этого способа и устройства являются необходимость применения миниатюрных, хорошо профилированных каналов сопел и высокие требования к юстировке положения сопел и скиммеров, снижение эффекта разделения вследствие использования только одного фактора разделения центробежного, а также большие затраты на отделение разделенных смесей от газа-носителя.

В основу изобретения положена задача упрощения аппаратурного оформления, обеспечения высокоэффективного разделения при оптимальном отборе и снижения затрат на отделение смесей от пара-носителя.

Задача решается тем, что в известном способе разделения смесей газов и изотопов в потоке пара-носителя в криволинейном сверхзвуковом сопле с последующим отделением обогащенной и обедненной целевым изотопом смесей, согласно изобретению, разделяемую смесь газов и изотопов подают локализованно в поток пара-носителя в сверхзвуковую область сопла и отделение обогащенной и обедненной смесей производят в сверхзвуковой струе с помощью охлаждаемого скиммера, после чего происходит конденсация пара-носителя и сжатие отделенных смесей.

Задача решается также тем, что устройство для разделения смесей газов и изотопов, содержащее корпус, криволинейное сверхзвуковое сопло и скиммер, согласно изобретению, дополнительно снабжено каналом для подачи разделяемой смеси в сверхзвуковую область сопла, а скиммер выполнен в виде охлаждаемого ножа и размещен между криволинейной стенкой сопла и охлаждаемой стенкой корпуса параллельно направлению движения разделяемой смеси.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа разделения газовых смесей и изотопов.

Устройство содержит корпус 1 с испарителем 2, канал 3 для подвода пара-носителя к криволинейному сверхзвуковому соплу 4, канал 5 щелевого подвода инжектируемой смеси, подлежащей разделению, либо к криволинейной стенке 6 сопла 4, либо к короткой стенке 7 сопла 4. Охлаждаемый нож 8 размещен между криволинейной стенкой 6 сопла 4 и охлаждаемой стенкой 9 корпуса параллельно направлению движения разделяемой смеси таким образом, что образуются две полости соответственно 10 и 11. Через охлаждаемую стенку 9 корпуса проходят патрубки 12 и 13 вывода отделенных смесей из устройства. Для слива конденсата между стенкой испарителя и стенкой 9 корпуса имеется щелевая полость 14.

Устройство работает следующим образом.

В испарителе 2 корпуса 1 происходит нагрев и испарение жидкости. Пары проходят по каналу 3 к соплу 4, за которым сверхзвуковая струя пара свободно расширяется. Одновременно смесь газов и изотопов подводится по каналу 5 к щели в сопле 4, в котором начинается разделение.

Сверхзвуковая струя пара-носителя со смесью газов и изотопов при встрече с охлаждаемым ножом 8 разделяется на два потока, поступающих в полости 10 и 11. На охлаждаемых поверхностях ножа 8 и стенки 9 происходит конденсация пара-носителя, при этом отделенные смеси тормозятся, сжимаются в полостях 10 и 11 и под повышенным давлением направляются через патрубки 12 и 13 на дальнейшую обработку.

В зависимости от расходов пара и инжектируемой смеси знак разделения может меняться, т.е. разделяемая смесь может обогащаться одной из компонент либо слева, либо справа от ножа.

Приведенное на чертеже устройство имеет плоское сопло.

Рассматриваемый способ разделения смесей газов и изотопов подтверждается примером его осуществления с помощью устройства с осесимметричным соплом, принципиальная схема которого не отличается от рассмотренного устройства с плоским соплом. Эксперименты были проведены с устройством, в котором происходило разделение изотопов аргона с массой 36-40 в струе паров вакуумной жидкости Алкарен с молекулярной массой 450. В разделительном элементе с диаметром критического сечения сопла 150 мм с расходом разделяемой природной смеси аргона 0,05 см³/с при нормальных условиях при изменении мощности от 250 до 400 Вт получен эффект разделения, превышающий свободно молекулярный при предельно низкой и предельно высокой мощности, соответственно с разным знаком. Фактор обогащения ε = α-1, где α коэффициент обогащения, составлял в периферийном потоке (у охлаждаемой стенки устройства):
0,093 по легкому компоненту при отборе ≈ 0,5 и мощности устройства 400 Вт;
0,094 по тяжелому компоненту при отборе ≈ 0,5 и мощности 250 Вт.

Численное моделирование экспериментально реализованного устройства, основанное на расчете потока пара в рамках решения уравнения Навье-Стокса и расчете молекулярного потока разделяемой смеси прямым статистическим моделированием методом Монте-Карло, подтвердило тенденции разделения и уровень фактора обогащения легкой компонентой при большой мощности. Расчеты проведены для двух моделей молекул: твердых сфер и максвелловских молекул.

Использование: разделение смесей газов и изотопов в атомной, газонефтеперерабатывающей, металлургической и химической промышленности. Сущность изобретения: в испарителе 2 корпуса 1 нагревают и испаряют жидкость, пары по каналу 3 проходят к криволинейному сверхзвуковому соплу 4. Одновременно смесь газов и изотопов подают по каналу 5 к щели в сопле 4, где начинается разделение. При встрече с охлаждаемым ножом 8 сверхзвуковая струя разделяется на два потока в полостях 10 и 11. На охлаждаемых стенках ножа 8 и на стенке 9 корпуса происходит конденсация пара-носителя, а отделенные смеси после сжатия направляются через патрубки 12 и 13 на дальнейшую обработку. Фактор обогащения 0,093 по легкому компоненту при отборе ≈ 0,5 и мощности 400 Вт, 0,094 по тяжелому компоненту при отборе ≈ 0,5 и мощности 250 Вт. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения смесей газов и изотопов в потоке пара-носителя в криволинейном сверхзвуковом сопле с последующим отделением обогащенной и обедненной целевым изотопом смесей, отличающийся тем, что разделяемую смесь локализованно подают в поток пара-носителя в сверхзвуковую область сопла, а отделение обогащенной и обедненной целевым изотопом смесей ведут в сверхзвуковой струе полученной парогазовой смеси с использованием охлаждаемого скиммера. 2. Устройство для разделения смесей газов и изотопов в потоке пара-носителя, содержащее корпус, криволинейное сверхзвуковое сопло и скиммер, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено каналом для подачи разделяемой смеси в сверхзвуковую область сопла, а скиммер выполнен в виде охлаждаемого ножа и размещен между криволинейной стенкой сопла и охлаждаемой стенкой корпуса параллельно направлению движения разделяемой смеси.