СУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2000 года по МПК B01D7/00 B01D7/02 

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

Известен сублимационный вакуумный аппарат (SU, N 1818130 A1, кл. B 01 D 7/00, опубликован 30.05.93), содержащий теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, охватывающая ее камера для теплоносителя, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя. Сублимационная камера содержит нагреватель со съемными тарелями с загруженным на них исходным продуктом. Камера для теплоносителя выполнена в виде рубашки, а тарели установлены с зазором относительно внутренней стенки рубашки.

Сублимация материала осуществляется при нагревании исходного продукта нагревателем, а десублимация - при захолаживании материала с помощью рубашки. Аппарат не может быть использован для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном-235, из-за возможного проникновения влаги в продукт в случае нарушения целостности внутренней стенки рубашки, что делает аппарат ядерноопасным.

Известен сублимационный аппарат (SU N 2106890, кл. B 01 D 7/00, 7/02, опубликован 20.03.98), принятый за прототип. Аппарат содержит теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, охватывающая ее камера для теплоносителя, испаритель хладагента с размещенным на нем нагревателем, эжектор, сообщенный коллектором для эжектирующего газа с испарителем, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя. Аппарат снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, обеспечивающей ядерную безопасность. Процесс десублимации гексафторида урана осуществляют при захолаживании аппарата парами жидкого азота, поступающими из испарителя, а процесс сублимации - при нагревании аппарата с помощью нагревателя, установленного на испарителе. Равномерность температурного режима в аппарате обеспечивается за счет перемешивания теплоносителя промышленным воздухом, подаваемым через эжектор.

Аппарат недостаточно экономичен и малоэффективен, т.к. для обеспечения ядерной безопаности аппарата необходимы затраты на осушку промышленного воздуха, содержащего влагу, и установка поглощающей нейтроны вставки, увеличивающей габариты аппарата, при которых он имеет относительно низкую тепло- и массообменную поверхность.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании экономичного ядернобезопасного сублимационного аппарата, позволяющего интенсифицировать процесс тепло- и массообмена.

Поставленная задача решается тем, что сублимационный аппарат, включающий теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, охватывающая ее камера для теплоносителя, испаритель хладагента, эжектор, сообщенный с испарителем коллектором для эжектирующего газа, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя, снабжен по крайней мере двумя теплообменными трубами, установленными в испарителе, и по крайней мере двумя двухтрубными теплообменниками, размещенными в сублимационной камере, при этом выходы эжектора сообщены с соответствующими им теплообменными трубами, соединенными с соответствующими им внутренними трубами двухтрубных теплообменников, выходы последних сообщены с полостью, образованной корпусом и испарителем, которая соединена циркуляционными трубами с камерой для теплоносителя, нагреватель установлен на сублимационной камере, а коллектор для эжектирующего газа образован крышкой аппарата и установленной в нем поперечной перегородкой.

На фиг. 1 изображен разрез аппарата с четырьмя теплообменными трубами; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - узел 1 на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 3.

Аппарат содержит теплоизолированный цилиндрический корпус 1 ядернобезопасной геометрии с крышкой 2 и днищем 3. Корпус разделен трубной доской 4 на верхнюю 5 и нижнюю 6 секции. В верхней секции 5 размещены кольцевой испаритель хладагента 7, в котором установлены четыре теплообменных трубы 8 с открытыми концами, четыре эжектора 9, сообщенные своими выходами с соответствующими им теплообменными трубами 8, и поперечная перегородка 10, образующая с крышкой 2 коллектор 11 для эжектирующего газа (хладагента), который сообщен с одной стороны трубчатым элементом 12 с испарителем 7, с другой стороны - отверстиями 13 с входами эжекторов 9 (фиг. 4). Испаритель 7 размещен с образованием в верхней секции 5 полости 14 для обеспечения циркуляции хладагента. В нижней секции 6 размещена сублимационная камера 15, в которой установлены четыре двухтрубных теплообменника 16. Их наружные трубы 17 закреплены в трубной доске 4 и имеют заглушки 18 со стороны днища 3, а внутренние трубы 19 опираются на заглушки 18 и имеют на нижних концах отверстия 20 для прохода паров хладагента в наружные трубы 17. В верхние открытые концы труб 19 опущены соответствующие им теплообменные трубы 8. В нижней секции 6 размещена камера для теплоносителя 21, охватывающая сублимационную камеру 15, на которой установлен кабельный нагреватель 22. Камера 21 соединена циркуляционными трубами 23 с полостью 14 верхней секции 5. Аппарат снабжен трубой 24 для ввода хладагента в испаритель (фиг. 1, 5), патрубком 26 для ввода технологического газа с размещенным в нем нагревателем 27, трубой 28 для вывода несконденсированных газов или возгонов.

Аппарат работает в двух режимах: сублимации и десублимации гексафторида урана. Для обеспечения режима десублимации гексафторида урана сначала аппарат захолаживают. Для этого жидкий азот подают в испаритель 7 через трубу 24. Пары жидкого азота через трубчатый элемент 12 поступают в коллектор 11, а из него через отверстия 13 (фиг. 4) на входы эжекторов 9. При этом пары жидкого азота выполняют функцию эжектирующего газа (потока), создавая на входе теплообменных труб 8 разрежение. Далее пары жидкого азота направляются эжектором 9 в соответствующие им теплообменные трубы 8. При движении через зону испарителя с жидким азотом его пары дополнительно охлаждаются и поступают во внутренние трубы 19 двухтрубных теплообменников 16, соответствующих теплообменным трубам 8. Из внутренних труб 19 через отверстия 20 пары жидкого азота поступают в наружные трубы 17 двухтрубных теплообменников 16 и далее в полость 14, откуда часть паров жидкого азота направляется в теплообменные трубы 8 за счет разрежения, создаваемого эжекторами 9, часть - через рециркуляционные трубы 23, камеру для теплоносителя 21 и патрубок 25 выводится из аппарата. Таким образом сублимационная камера 15 захолаживается парами жидкого азота через поверхности двухтрубных теплообменников 16 и через поверхность камеры для теплоносителя 21, примыкающего к сублимационной камере 15. При этом пары жидкого азота циркулируют в аппарате по нескольким теплообменным контурам. По достижении в аппарате температуры, соответствующей температуре десублимации гексафторида урана, подают технологический газ через патрубок 26. Гексафторид урана конденсируется на поверхностях наружных труб 17 двухтрубных теплообменников 16 и на поверхности камеры для теплоносителя, примыкающей к сублимационной камере 15. Несконденсировавшиеся газы выводятся из аппарата через трубу 28 из верхней зоны сублимационной камеры 15. Для исключения забивок в патрубке 26 периодически включают нагреватель 27.

Для обеспечения режима сублимации гексафторида урана включают нагреватели 22 и 27 и осуществляют нагрев сублимационной камеры 15 до температуры возгонки гексафторида урана. Возгоны удаляются из аппарата через трубу 28.

Сублимационный аппарат предложенного конструктивного выполнения экономичен и эффективен за счет уменьшения затрат для обеспечения ядерной безопасности аппарата за счет интенсификации процесса тепло- и массообмена. Это достигается конструктивным выполнением испарителя, сублимационной камеры, камеры для теплоносителя и их связей, позволивших исключить использование в качестве теплоносителя промышленного воздуха, содержащего влагу, и обеспечить ядерную безопасность аппарата без поглощающей нейтроны вставки, уменьшить габариты аппарата, увеличить тепло- и массобменную поверхность на 15% при наличии двух двухтрубных теплообменников и на 50% - при четырех двухтрубных теплообменниках, создать несколько контуров циркуляции хладагента.

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующихся материалов и предназначено для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном-235. Аппарат содержит теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, камера для теплоносителя, испаритель хладагента, эжектор, сообщенный с испарителем коллектором для эжектирующего газа, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя. Аппарат снабжен по крайней мере двумя теплообменными трубами, установленными в испарителе, и по крайней мере двумя двухтрубными теплообменниками, размещенными в сублимационной камере. Выходы эжекторов сообщены с соответствующими им теплообменными трубами, соединенными с соответствующими им внутренними трубами двухтрубных теплообменников, выходы последних сообщены с полостью, образованной корпусом и испарителем, которая соединена циркуляционными трубами с камерой для теплоносителя. Нагреватель установлен на сублимационной камере, а коллектор для эжектирующего газа образован крышкой аппарата и установленной в нем поперечной перегородкой. Аппарат ядерно безопасен, экономичен и эффективен. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сублимационный аппарат, включающий теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, охватывающая ее камера для теплоносителя, испаритель хладагента, эжектор, сообщенный с испарителем коллектором для эжектирующего газа, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере двумя теплообменными трубами, установленными в испарителе, и по крайней мере двумя двухтрубными теплообменниками, размещенными в сублимационной камере, при этом выходы эжекторов сообщены с соответствующими им теплообменными трубами, соединенными с соответствующими им внутренними трубами двухтрубных теплообменников, выходы последних сообщены с полостью, образованной корпусом и испарителем, которая соединена циркуляционными трубами с камерой для теплоносителя, а нагреватель установлен на сублимационной камере. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что коллектор для эжектирующего газа образован крышкой аппарата и установленной в нем поперечной перегородкой.