СУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2005 года по МПК B01D7/02 B01D59/08 

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

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

Известен сублимационный аппарат [SU №2106890, В 01 D 7/00, 7/02, опубл. 20.03.98 г.], содержащий 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 ставкой. Кроме того, в зоне входа технологического газа в корпус установлен электронагреватель, а в зоне выхода технологического газа установлена фильтрующая вставка. 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 эффективен, т.к. фильтрующая ставка может забиваться аэрозолями десублимата, образующимися в результате объемной десублимации продукта, а фильтрующая вставка из колец Рашига (открывается по описанию патента) не может предотвратить унос десублимата в виде аэрозоли из аппарата.

Известен сублимационный аппарат [SU №2143940, В 01 D 7/00, опубл. 10.01.2000 г.], принятый за прототип. 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 теплоносителей. Аппарат 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.

Сублимационный аппарат работает в двух режимах: десублимации и сублимации. Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе, обогревающем стенку сублимационной камеры. Технологический газ проходит через зазор между кольцевой перегородкой и обогреваемой стенкой и последовательно поступает в ячейки между кольцевыми перегородками, где гексафторид урана десублимируется на охлаждаемых хладагентом поверхностях ячеек сублимационной камеры и за счет объемной конденсации образует аэрозоли, которые испаряются при контакте с теплой стенкой сублимационной камеры при прохождении по зазору технологического газа. Наличие теплой стенки в сублимационной камере препятствует закупориванию проходного сечения десублиматом, обеспечивая свободное прохождение технологического газа. При режиме сублимации подача хладагента и технологического газа прекращается. Имеющимся нагревателям доводят температуру в аппарате до температуры сублимации гексафторида урана, и он выводится из сублимационной камеры. Для ускорения процесса сублимации в камеру для теплоносителей подают теплый воздух.

Недостатком аппарата является недостаточно полное использование хладагента непосредственно для десублимации гексафторида урана. Это является следствием того, что при режиме десублимации в теплообменную камеру подают хладагент, которым охлаждают не только стенку сублимационной камеры, но и вставку, поглощающую нейтроны, представляющую собой сборочный элемент с большой теплоемкостью. При следующем режиме работы (сублимации) в эту же теплообменную камеру подают теплый воздух, которым нагревают и сублимационную камеру, и вставку, поглощающую нейтроны. Таким образом, при каждом режиме десублимации часть хладагента используется на охлаждение вставки, нагретой в предыдущем режиме работы. Кроме того, в сублимационном аппарате организован прямоток между хладагентом и технологическим газом, что также снижает эффективность теплообмена.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сублимационного аппарата, в котором исключается унос из аппарата десублимата в виде аэрозоли и осуществлено наиболее полное и рациональное применение хладагента при максимальном использовании его теплообменных свойств.

Для решения этой задачи предлагается сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая камера для теплоносителей и соосная с ней кольцевая сублимационная камера, снабженная нагревателем стенки и кольцевыми перегородками, размещенными с зазором относительно обогреваемой стенки, патрубки ввода и вывода технологических газов, ввода и вывода теплоносителей, при этом камера для теплоносителей выполнена из труб, установленных по одной окружности в сублимационной камере, а нагреватель размещен на обеих стенках сублимационной камеры, и кольцевые перегородки установлены на трубах камеры для теплоносителей.

Трубы камеры для теплоносителей снабжены пластинчатыми перемычками.

Кольцевые перегородки имеют отбортовку, направленную по ходу технологического газа.

Аппарат может быть снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, соосной с корпусом.

На фиг.1 показан продольный разрез сублимационного аппарата, на фиг.2 - поперечное сечение А-А, на фиг.3 - выносной элемент Б.

Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. Соосно со вставкой расположены кольцевая сублимационная камера 3 и камера 4 для теплоносителей. Сублимационная камера имеет внутреннюю стенку 5 и наружную стенку 6, обогреваемые нагревателем 7. Камера для теплоносителей содержит кольцевой коллектор 8 с патрубком 9 для ввода теплоносителя, теплообменные трубки 10, кольцевой сборный коллектор 11, трубки 12 для отвода теплоносителя и кольцевой коллектор 13 с патрубком 14 для вывода теплоносителя из камеры. Трубки 10 и 12 установлены по окружности в сублимационной камере, а коллекторы 8 и 13 расположены вне этой камеры. На трубках 10 и 12 установлены кольцевые перегородки 15 с отбортовкой 16 (см. фиг.3), направленной по ходу технологического газа. Перегородки 15 установлены с зазорами 17 и 18 (см. фиг.3) относительно обогреваемых стенок 5 и 6 и с шагом, убывающим в направлении от патрубка 19 для ввода технологического газа к патрубку 20 для вывода технологического газа. С помощью перегородок 15 сублимационная камера 3 разделена на ряд последовательно расположенных кольцевых сублимационных ячеек 21, объем которых уменьшается по мере уменьшения шага установки перегородок. Трубки 10 и 12 снабжены перемычками 22, выполненными из листовой стали. Патрубок 23 предназначен для ввода десублимата из сублимационной камеры. В аппарате осуществляется противоток хладагента и технологического газа и регулирование нагрева стенок 5 и 6 сублимационной камеры.

Сублимационный аппарат может быть снабжен при необходимости центральной поглощающей нейтроны вставкой 24, размещенной в корпусе 1 и заполненной поглотителем нейтронов, например карбидом бора.

Сублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации. При работе в режиме десублимации хладагент (пары жидкого азота, хладона или рассол) через патрубок 9 подают в кольцевой коллектор 8, где он распределяется по теплообменным трубкам 10. Отработанный хладагент посредством сборного коллектора 11, отводящих трубок 12 и кольцевого коллектора 13 через патрубок 14 выводят из камеры 4. Расход хладагента регулируют в зависимости от разности температур хладагента на входе и выходе из камеры 4. Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе 7, обогревающем стенки 5 и 6 сублимационной камеры до температуры, не допускающей десублимацию гексафторида урана (ГФУ). Технологический газ, представляющий собой смесь паров ГФУ и инертных газов, поступает через патрубок 19, распределяется по кольцевому пространству в верхней части сублимационной камеры 3, проходит через зазоры 17, 18 и последовательно поступает в кольцевые ячейки 21. Гексафторид урана, десублимируясь, осаждается на поверхности трубок 10 и с двух сторон на перемычках 22. Часть паров ГФУ за счет объемной десублимации образует аэрозоли, которые сублимируются вторично при контакте с обогреваемыми стенками 5 и 6 при прохождении технологического газа в зазорах 17 и 18. Отбортовка 16 на перегородках 15 увеличивает время контакта аэрозолей с обогреваемыми стенкам, что позволяет гарантированно сублимировать аэрозоли, предотвращая их унос из сублимационной камеры, увеличивая тем самым степень десублимации ГФУ из технологического газа. Перемычки 22 увеличивают поверхность десублимации аппарата. При последовательном прохождении технологического газа из ячейки в ячейку концентрация гексафторида урана снижается и становится ниже критического значения, поэтому десублимация его в нижней части сублимационной камеры происходит только на охлаждаемой поверхности. Наличие обогреваемых стенок сублимационной камеры препятствует закупориванию зазоров 17 и 18 десублиматом, обеспечивая свободное прохождение технологического газа вдоль всей сублимационной камеры, а наличие двух этих зазоров уменьшает сопротивление прохождению технологического газа.

Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладагента и технологического газа прекращается. Нагревателем 7 доводят температуру в аппарате до температуры возгонки ГФУ. Возгоны выводятся из сублимационной камеры через патрубок 23. Для ускорения процесса сублимации в камеру 3 подают теплый сухой воздух через патрубок 9, а отработанный воздух удаляется из камеры через патрубок 14. Возгонка ГФУ начинается со стороны патрубка 23 вывода десублимата, что способствует минимизации сопротивления для отходящих паров возгона.

Для увеличения массы десублимата в аппарате можно увеличить расстояние между стенками 5 и 6, но при этом по правилам ядерной безопасности необходимо предусмотреть в аппарате наличие центральной поглощающей нейтроны вставки 24, заполненной поглотителем нейтронов, например карбидом бора.

Сублимационный аппарат предложенной конструкции надежен в работе, более экономичен, позволяет повысить степень улавливания гексафторида урана. Это достигается за счет более полного использования хладагента на десублимацию гексафторида урана без охлаждения вспомогательных узлов аппарата, организации противотока между технологическим газом и хладагентом, более полного и равномерного заполнения сублимационной камеры улавливаемым веществом, снижения степени объемной десублимации и беспрепятственного прохождения ГФУ по всей высоте аппарата.

Изобретение может быть использовано при обогащении изотопов урана. Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. В центре аппарата установлена вставка 24, заполненная поглотителем нейтронов, например карбидом бора. Соосно с вставкой 24 расположены кольцевая сублимационная камера 3 и камера для теплоносителей 4. Аппарат работает в режимах десублимации и сублимации. При работе в режиме десублимации через патрубок 9 в кольцевой коллектор 8 подают хладагент, распределяющийся по теплообменным трубкам 10 камеры для теплоносителей 4. Отработанный хладагент выводят из камеры 4 посредством сборного коллектора 11, отводящих трубок 12, кольцевого коллектора 13 и патрубка 14. Стенки 5 и 6 сублимационной камеры 3 нагревают нагревателем 7. Смесь паров гексафторида урана и инертных газов подают через патрубок 19, распределяют по кольцевому пространству верхней части камеры 3, подают в кольцевые ячейки 21. Десублимация гексафторида урана осуществляется на поверхности теплообменных трубок 10 и на перемычках 22. Аэрозоли сублимируются при контакте с обогреваемыми стенками 5 и 6. При помощи отбортовки 16 на перегородках 15 время контакта аэрозолей со стенками 5 и 6 увеличивается. За счет этого повышается степень десублимации гексафторида урана. Поверхность десублимации увеличена за счет перемычек 22. При работе в режиме сублимации прекращают подачу хладагента и смеси паров гексафторида урана с инертным газом. При помощи нагревателя 7 увеличивают температуру в аппарате до температуры возгонки гексафторида урана. Продукты возгонки отводят через патрубок 23. Аппарат надежен, экономичен, позволяет повысить степень улавливания гексафторида урана. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая камера для теплоносителей и соосная с ней кольцевая сублимационная камера, снабженная нагревателем стенки и кольцевыми перегородками, размещенными с зазором относительно обогреваемой стенки, патрубки ввода и вывода технологических газов, ввода и вывода теплоносителей, отличающийся тем, что камера для теплоносителей выполнена из труб, установленных по одной окружности в сублимационной камере, при этом нагреватель размещен на обеих стенках сублимационной камеры, а кольцевые перегородки установлены на трубах камеры для теплоносителей.2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что трубы камеры для теплоносителей снабжены пластинчатыми перемычками.3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что кольцевые перегородки имеют отбортовку, направленную по ходу технологического газа.4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, соосной с корпусом.