СУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2000 года по МПК B01D7/00 

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующихся материалов, в частности для проведения процессов десублимации-сублимации гексафторида урана, обогащенного изотопом уран-235.

К аппаратам такого назначения предъявляются требования высокой степени улавливания гексафторида урана и ядерной безопасности.

Известен десублимационный аппарат (GB N 1446784, кл. B 01 D 7/00, 1976), для выделения гексафторида урана из смеси с инертным газом, содержащий корпус с патрубками ввода и вывода технологического газа и хладагента (теплоносителя), трубчатый теплообменный элемент с пластинами, центральный нагревательный элемент. Твердая фаза осаждается на трубчатом теплообменном элементе и пластинах. Для освобождения аппарата включают центральный нагревательный элемент, гексафторид урана ожижают и сливают.

Аппарат не может быть использован для выделения гексафторида урана, обогащенного ураном-235 из-за недостаточной эффективности десублимации и ядерной опасности аппарата.

Известен сублимационный аппарат (патент RU N 2106890, кл. B 01 D 7/00, 1998), содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором размещены центральная поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей и кольцевая сублимационная камера, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя. В зоне входа технологического газа установлен нагреватель, а в зоне выхода технологического газа размещена фильтрующая вставка. Аппарат снабжен испарителем хладагента, сообщенным с инжектором. При работе аппарата в режиме десублимации охлаждение технологического газа осуществляют парами жидкого азота, поступающими из испарителя. При работе аппарата в режиме сублимации нагрев твердой фазы гексафторида урана осуществляют воздухом, нагретом до температуры возгонки гексафторида урана и транспортируемым с помощью инжектора.

Аппарат обладает следующими недостатками:
1. Десублимация гексафторида урана происходит сразу на всей поверхности, и по мере роста слоя десублимата, который является хорошим теплоизолятором, температура поверхности десублимации растет, а эффективность извлечения гексафторида урана снижается.

2. При температурах, необходимых для достаточно полного улавливания гексафторида урана и определяемых равновесным давлением его паров, в сублимационной камере создаются условия, благоприятные для пересыщения парогазовой смеси и объемной десублимации гексафторида урана в виде твердых частиц тумана, которые не осаждаются на поверхности сублимационной камеры и легко проходят фильтрующую вставку. Эти обстоятельства снижают эффективность извлечения гексафторида урана.

3. За счет локального неравномерного намораживания гексафторида урана внутри сублимационной камеры происходит закупоривание поперечного сечения. Наличие электронагревателя в непосредственной близости от патрубка входа технологического газа не устраняет закупоривания камеры во всех ее сечениях.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке конструкции сублимационного аппарата, обеспечивающего повышение эффективности улавливания гексафторида урана путем доулавливаиия гексафторида урана, уходящего из зоны десублимации в виде тумана, и путем ликвидации закупоривания твердой фазой гексафторида урана поперечного сечения зоны десублимации.

Для решения этой задачи сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены центральная поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей и кольцевая сублимационная камера, патрубки ввода и вывода технологических газов, ввода и вывода теплоносителей, снабжен нагревателем одной из стенок сублимационной камеры и размещенными в камере кольцевыми перегородками, установленными с зазором относительно обогреваемой стенки, а камера для теплоносителей размещена со стороны стенки сублимационной камеры, противолежащей обогреваемой. Кроме того перегородки установлены с шагом, убывающим в направлении к патрубку вывода технологических газов, а нагреватель выполнен секционным.

На фиг. 1 представлен сублимационный аппарат с обогревом наружной стенки сублимационной камеры; на фиг. 2 изображен фрагмент сублимационной камеры с обогревом внутренней стенки.

Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. В корпусе 1 размещена центральная поглощающая нейтроны вставка 3, заполненная поглотителем нейтронов, например карбидом бора. Соосно со вставкой расположены кольцевая камера 4 для теплоносителей с теплообменным элементом 5 и кольцевая сублимационная камера 6, имеющая наружную стенку 7 и внутреннюю стенку 8. Для обогрева сублимационной камеры 6 предусмотрен трубчатый нагреватель 9, состоящий из секций 10, 11. Количество секций определяют из условия экономии электроэнергии и обеспечения беспрепятственного прихода технологического газа в процессе сублимации. Нагреватель установлен со стороны одной из стенок 7 или 8 сублимационной камеры, в которой размещены кольцевые перегородки 12 с задором 13 относительно обогреваемой стенки. Кольцевые перегородки установлены с шагом, убивающим в направлении от патрубка 14 для ввода технологического газа к патрубку 15 для вывода технологического газа. С помощью перегородок 12 сублимационная камера 6 разделена на ряд последовательно расположенных кольцевых сублимационных ячеек 16, объем которых уменьшается в соответствии с уменьшением шага установки перегородок. В зависимости от того, какая стенка сублимационной камеры принята в качестве обогреваемой камера 4 для теплоносителей размещается со стороны, противолежащей обогреваемой стенке камеры 6.

На корпусе 1 аппарата размещена испарительная камера 17 с испарителем 18, соединенным с инжекторами 19, с помощью которых в теплообменный элемент 5 подают или пары жидкого азота, или воздух, или их смесь. Испарительная камера 17 заключена в теплоизолирующий кожух 20 и содержит патрубок 21 для ввода жидкого азота в испаритель, патрубок 22, 23 для ввода воздуха в инжектор, патрубок 24 для сдувки. В аппарате осуществляется противоток хладагента и технологического газа, и регулирование нагрева стенок 7, 8.

Сублимационной аппарат периодического действия работает в двух режимах: сублимации и десублимации. При работе в режиме десублимации жидкий азот подают в испаритель 18, из которого с помощью инжекторов 19 пары жидкого азота направляются в телообменный элемент 5 и далее в камеру 4 для теплоносителей для охлаждения сублимационной камеры 6, в которую подают технологический газ через патрубок 14. Избыток хладагента удаляется из аппарата через патрубок 24. Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе 9, обогревающем стенку 7 (8) сублимационной камеры. Технологический газ проходит через зазор 13 и последовательно поступает в ячейки 16, каждая из которых работает как модель полного смешения. Гексафторид урана, десублимируясь, осаждается на холодных поверхностях ячеек сублимационной камеры и за счет объемной конденсации образует аэрозоли, которые испаряются при контакте с теплой стенкой 7 (8) сублимационной камеры при прохождении по зазору 13 технологического газа. Концентрация гексафторида урана при последовательном перетекании его из ячейки в ячейку снижается в несколько раз, поэтому степень насыщения не достигает критического значения, и десублимация протекает только на поверхности. Степень улавливания гексафторида урана поддерживается на уровне термодинамически обусловленной величины вплоть, до заполнения аппарата гексафторидом урана. Наличие теплой стенки в сублимационной камере препятствует закупориванию проходного сечения десублиматом, обеспечивая свободное прохождение технологического газа. Эти данные подтверждены экспериментальным изучением процесса десублимации в аппарате предложенной конструкции.

Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладагента и технологического газа прекращается. Включают нагреватель 9 и доводят температуру в аппарате до температуры возгонки гексафторида урана. С целью уменьшения сопротивления слоя твердого вещества в зоне патрубка 15 для вывода технологического газа нагрев аппарата осуществляют последовательным подключением секций нагревателя 9, начиная от этого патрубка. Возгоны удаляются из аппарата через патрубок 15. Для ускорения процесса сублимации подают теплый воздух в камеру 4 для теплоносителей через патрубки 22, 23 с помощью инжекторов 19. Отработавший воздух удаляется из аппарата через патрубок 24 для сдувки.

Сублимационный аппарат предложенной конструкции надежен в работе, позволяет повысить эффективность улавливания гексафторида урана, качество десублимата и возгонов. Это достигается за счет более полного и равномерного заполнения аппарата улавливаемым веществом, более полного удаления аэрозолей и беспрепятственного прохождения гексафторида урана по всей высоте аппарата.

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующихся материалов, в частности для проведения десублимации-сублимации гексафторида урана, обогащенного изотопом урана 235. Аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены центральная поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей с теплообменным элементом и кольцевая сублимационная камера, патрубки ввода и вывода технологических газов, ввода и вывода теплоносителей. Аппарат снабжен нагревателем одной из стенок сублимационной камеры и размещенными в камере кольцевыми перегородками, установленными с зазором относительно обогреваемой стенки. Камера для теплоносителей размещена со стороны стенки сублимационной камеры, противолежащей обогреваемой. Перегородки установлены с шагом, убывающим в направлении к патрубку вывода технологических газов. Нагреватель выполнен секционным. Аппарат надежен в работе, позволяет повысить эффективность улавливания гексафторида урана и повысить качество десублимата и возгонов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены центральная поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей и кольцевая сублимационная камера, патрубки ввода и вывода технологических газов, ввода и вывода теплоносителей, отличающийся тем, что он снабжен нагревателем одной из стенок сублимационной камеры и размещенными в камере кольцевыми перегородками, установленными с зазором относительно обогреваемой стенки, а камера для теплоносителей размещена со стороны стенки сублимационной камеры противолежащей обогреваемой. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что перегородки установлены с шагом, убывающим в направлении к патрубку вывода технологических газов. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель выполнен секционным.