СУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1998 года по МПК B01D7/00 B01D7/02 

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующих материалов и предназначено для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном 235.

Известен десублиматор [1] для отделения гексафторидов урана и плутония от неконденсируемых технологических газов. Он содержит корпус, в котором размещены теплообменные элементы в виде труб, прикрепленных к трубным доскам с образованием камер для хладагента и неконденсирующихся газов, а также полостей для десублимации гексафторида урана. В корпусе установлена перегородка, разделяющая межтрубное пространство на входную и выходную полости, позволяющие более полно использовать хладагент. Корпус снабжен бункером для сублимата с обогревателем, а также патрубками ввода и вывода технологических газов и хладагента. Гексафторид урана осаждается на наружных поверхностях теплообменных элементов. Для предотвращения излишнего накопления десублимата его обрушают в бункер, из которого продукт удаляется возгонкой.

Известен десублиматор [2]-прототип, используемый в области переработки сублимирующих материалов при переработке топлива ядерных реакторов, в том числе для сублимационной сушки. Он содержит цилиндрический корпус с размещенными в нем теплообменным элементом и камерой для хладагента, охватывающей теплообменный элемент, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологических газов и хладагента (теплоносителя). Теплообменный элемент выполнен в виде труб, закрепленных в трубных досках с образованием камер ввода и вывода технологических газов.

Известные аппараты [1, 2] не могут быть использованы для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном 235.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании экономичного сублимационного аппарата большой емкости с высокими тепло- и массообменными характеристиками и обеспечивающего выполнение требований ядерной безопасности при проведении процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном 235.

Для решения этой задачи сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем теплообменным элементом и камерой для теплоносителей, охватывающей теплообменный элемент, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителей, снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, теплообменный элемент выполнен в виде кольцевой камеры, а охватывающая его камера для теплоносителей установлена с зазором по отношению к корпусу и центральной поглощающей вставке с образованием полости для рециркуляции теплоносителей (хладагента и сжатого воздуха). Кроме того, сублимационный аппарат снабжен трубчатым испарителем хладагента и сообщенным с ним эжектором, выход которого соединен с камерой для теплоносителей, а вход - с полостью для рециркуляции теплоносителей, в кольцевой камере теплообменного элемента в зоне выхода технологического газа размещена фильтрующая вставка, а в зоне входа технологического газа в кольцевую камеру размещен нагревательный элемент, на выходе теплоносителей из эжектора установлены винтовые направляющие, а на входе теплоносителей в один из эжекторов установлен регулирующий клапан.

На фиг. 1 представлен сублимационный аппарат в разрезе; на фиг.2 - вид A на крышку кольцевой камеры теплообменного элемента; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг.3, регулирующий клапан в разрезе; на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг.2, нагревательный элемент в разрезе; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.1, вид на винтовые направляющие; на фиг. 7 - схема подвода в эжектор теплоносителей (нагретого воздуха и хладагента из испарителя).

Сублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 из обечаек 2, 3, кольцевое пространство между которыми заполнено теплоизоляционным материалом, например аэрогелем кремниевой кислоты, корпус закрыт крышкой 4 с одного конца и фланцем 5 - с другого. Внутри корпуса 1 размещен теплообменный элемент, выполненный в виде кольцевой камеры с крышкой 7 и днищем 8. В центральной части корпуса между крышкой корпуса 4 и крышкой 7 кольцевой камеры 6 размещена центральная поглощающая нейтроны вставка 9, заполненная насыпным поглотителем 10, например карбидом бора. Кольцевая камера 6 теплообменного элемента размещена в кольцевой камере 11 для теплоносителей с зазорами 12 и 13, а камера 11 для теплоносителей размещена с зазором 14 относительно вставки 9 и с зазором 15 относительно обечайки 3 и имеет с одного торца крышку 16, а другой торец камеры для теплоносителей открыт в полости 17. Кольцевая камера 6 теплообменного элемента снабжена фильтрующей вставкой 18, например, из колец Рашига и патрубками 19 и 20 для входа и выхода технологического газа соответственно. Технологический газ, прошедший через фильтрующую вставку 18, отбирается из зоны 21 через отверстие 22 патрубка 20. В непосредственной близости к патрубку 19 вмонтирован электронагревательный элемент 23 в кольцевую камеру 6 (фиг.2, 5). Между крышкой 4 корпуса 1 и крышкой 16 камеры 11 для теплоносителей размещен трубчатый испаритель хладагента 24 (фиг.1, 3) и эжекторы 25 и 26 (фиг.3, 4, 7). В аппарате предусмотрены патрубки для ввода жидкого азота (хладагента) 27, воздуха 28 и вывода из аппарата теплоносителей 29 (фиг.1). Испаритель 24 жидкого азота содержит основной коллектор 30 (фиг.1, 3, 7), два распределительных коллектора 31 и 32, сообщенных с основным коллектором 30 трубками 33. На испарителе 24 размещен кабельный нагреватель 34 (фиг.1, 7). Каждый эжектор 25, 26 содержит приемную камеру 35, камеру 36 смещения и сопло 37, имеющее два сопловых канала 38 и 39 со сменными втулками, через которые хладагент из испарителя или нагретый воздух из патрубка 28 поступает в камеру 11 для теплоносителей. На выходных концах камер 36 смещения эжекторов 25, 26 установлены винтовые направляющие 40 (фиг.6). Эжекторы 25 и 26 закреплены на крышке 4 корпуса 1 аппарата. Эжектор 25 снабжен регулирующим клапаном 41, а эжектор 26 установлен без регулирующего клапана. Аппарат установлен на опоры 42, 43, в которые встроены тензометрические весы (не показаны).

Аппарат работает в двух режимах: сублимации и десублимации. Для работы аппарата в режиме десублимации сначала его захолаживают до температуры десублимации технологического газа (гексафторида урана). Для этого жидкий азот подают через патрубок 27 в испаритель 24 в его основной коллектор 30 (фиг. 7), откуда хладагент распределяется в коллекторы 31 и 32 и по трубкам 33 через сопловые каналы 38 эжекторов 25 и 26 направляется в камеру 11 для теплоносителей и движется в ней по спирали за счет винтовых направляющих 40 (фиг. 6) по зазорам 12 и 13 (фиг.1), обеспечивая охлаждение кольцевой камеры 6 теплообменного элемента.

Далее газообразный азот (хладагент) выходит из камеры 11 через открытый торец в полости 17 и по зазорам 14, 15 за счет разрежения, создаваемого эжекторами, возвращается в приемные камеры 35 эжекторов, где смешивается со свежей порцией газообразного хладагента, поступающего из испарителя 24. Часть отработавшего хладагента выводится из аппарата через патрубок 29. По достижении в кольцевой камере 6 температуры, соответствующей режиму десублимации технологического газа (гексафторида урана), его подают в кольцевую камеру 6 через патрубок 19 (фиг.1). На этом этапе объем подаваемого хладагента регулируют клапаном 41 (фиг.4). Сублимируемая часть технологического газа осаждается на внутренней поверхности кольцевой камеры 6. Механические примеси оседают в фильтрующей вставке 18, а несублимируемая газовая часть технологического газа выводится из аппарата через патрубок 20. Для предотвращения зарастания кольцевой камеры 6 на входе в нее технологического газа его подогревают с помощью электронагревателя 23 (фиг.5).

Сублимацию гексафторида урана осуществляют в две стадии. Сначала нагревают кольцевую камеру 6 до температуры 20^oC воздухом, подаваемым в эжекторы 25, 26 через патрубок 28 из атмосферы. Затем включают кабельный нагреватель 34 (фиг.1, 7) и доводят температуру в аппарате до температуры возгонки гексафторида урана. Возгоны технологического газа выводят из аппарата через патрубок 20. А воздух (теплоноситель), поступающий в сопловые каналы 39 эжекторов 25, 26, направляется через приемные камеры 35 и камеры смещения 36 в кольцевую камеру 11 для теплоносителя и по зазорам 12, 13, 14, 15 возвращается в приемные камеры 35 эжекторов 25, 26. Часть воздуха выводится из аппарата через патрубок 29.

Наличие центральной поглощающей нейтроны вставки, а также геометрическая форма рабочего пространства аппарата (кольцевая камера шириной 40 мм) позволяет выполнить требования ядерной безопасности при значительной емкости аппарата. Выполнение теплообменного элемента в виде кольцевой камеры, размещенной в кольцевой камере для теплоносителя с образованием рециркуляционной полости, позволяет получить развитую поверхность тепло-массообмена и сделать аппарат экономичным. Повышение экономичности способствуют наличие испарителя хладагента и эжекторов с регулятором расхода хладагента, а также их размещение в рабочем пространстве. За счет этих средств обеспечивается оптимальный расход теплоносителей. Кроме того возгоны, выходящие из аппарата, отличаются более высокой чистотой от механических примесей.

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующих метариалов и предназначено для проведения процесса сублимации-десублимации U F₆, обогащенного U^2 3 5. Сублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус с размещенным в нем теплообменным элементом и камерой для теплоносителя, охватывающей теплообменный элемент, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя, нагреватель. Аппарат снабжен трубчатым испарителем хладагента, сообщенным с ним эжектором и центральной поглощающей нейтроны вставкой. Тепловой элемент выполнен в виде кольцевой камеры, а охватывающая ее камера для теплоносителя установлена с зазором по отношению к корпусу и центральной поглощающей вставке. Кроме того, в зоне входа технологического газа в корпус установлен электронагреватель, а в зоне выхода технологического газа установлена фильтрующая вставка. Аппарат надежен в работе, экономичен и ядернобезопасен. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем теплообменным элементом и камерой для теплоносителей, охватывающей теплообменный элемент, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителей, нагреватель, отличающийся тем, что он снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, теплообменный элемент выполнен в виде кольцевой камеры и охватывающая ее камера для теплоносителей установлена с зазором по отношению к корпусу и центральной вставке с образованием полости для рециркуляции теплоносителей. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен трубчатым испарителем хладагента и сообщенным с ним эжектором, выход которого соединен с камерой для теплоносителей, а вход - с полостью для рециркуляции теплоносителей. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в кольцевой камере в зоне выхода технологического газа размещена фильтрующая вставка, а в зоне входа - нагревательный элемент. 4. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на выходе теплоносителей из эжектора установлены винтовые направляющие, а на входе в один из эжекторов - регулирующий клапан. 5. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель размещен на трубчатом испарителе хладагента.