ДЕСУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2010 года по МПК B01D7/00 

Изобретение относится к оборудованию для проведения процессов десублимации-сублимации гексафторида урана (ГФУ) с целью его выделения из газовой смеси при его производстве и может быть использовано на сублиматных производствах атомной промышленности.

Наиболее близким по технической сущности является сублимационный аппарат Сибирского химического комбината, патент RU №2143940, опубликованный 21.01.2000, принятый за прототип. Сублимационный аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены центральная поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей и кольцевая сублимационная камера, снабженная нагревателем стенки и кольцевыми перегородками, размещенными с зазором относительно обогреваемой стенки, патрубки ввода и вывода технологического газа, ввода и вывода теплоносителей.

Сублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. При работе в режиме десублимации хладоноситель (пары жидкого азота) направляется в теплообменник и охлаждает сублимационную камеру, в которую подают технологический газ, представляющий собой смесь ГФУ и реакционных газов (продукты реакции фторирования урансодержащего сырья). Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе стенки сублимационной камеры. ГФУ десублимируется на холодных поверхностях сублимационной камеры, а реакционные газы отводятся через патрубок вывода технологического газа. Эффективность улавливания ГФУ при десублимации характеризуется количеством ГФУ, уносимого с реакционными газами. Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладоносителя и технологического газа прекращается. Нагревателем стенки сублимационной камеры доводят температуру в аппарате до температуры сублимации ГФУ. Сублимированный ГФУ отводится из сублимационной камеры через патрубок вывода технологического газа. Для ускорения процесса сублимации в теплообменник подается теплый воздух.

Теплопередача от ГФУ к газообразному теплоносителю (азот, воздух) и от нагревателя стенки сублимационной камеры к ГФУ с использованием конвективного теплообмена малоэффективна. Это значительно ухудшает удельные массогабаритные и энергетические показатели аппарата, снижает эффективность улавливания ГФУ и усложняет выполнение требований по обеспечению ядерной безопасности.

Локальная подача технологического газа на входе в сублимационную камеру может привести к неравномерному распределению десублимированного ГФУ по объему сублимационной камеры, что снизит вместимость аппарата по ГФУ.

Затруднена периодическая промывка внутренней полости аппарата от нелетучих соединений урана в случае их накопления на перегородках, что создает дополнительное термическое сопротивление теплоотдачи от ГФУ к перегородкам.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке экономичного, компактного десублимационного аппарата с высокой эффективностью улавливания ГФУ, удовлетворяющего требованиям ядерной безопасности.

Для решения этой задачи предлагается десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая десублимационная камера с размещенными в ней перегородками, патрубки ввода и вывода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладагента, нагреватель; в корпусе соосно расположены цилиндрический десублиматор с закрепленными на его наружной поверхности перегородками, защитный экран с отверстиями для подачи технологического газа и кольцевое газораспределительное устройство с горизонтальными и вертикальными каналами и отверстиями, соосными с отверстиями в защитном экране; защитный экран размещен с зазором относительно газораспределительного устройства; нагреватель смонтирован на наружной стенке корпуса; во внутренней полости десублиматора установлен теплообменник, содержащий корпус и кольцевой испаритель с выполненной на его наружной поверхности спиралевидной испарительной полостью, составляющей с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему; во внутренней полости испарителя размещен второй цилиндрический нагреватель; соприкасающиеся поверхности десублиматора и теплообменника выполнены конусными с возможностью разъема; кольцевая десублимационная камера образована наружной поверхностью десублиматора с перегородками и защитным экраном и состоит из двух секций - основной нижней и доулавливающей верхней, при этом отверстия для подачи технологического газа и соответственно каналы и отверстия газораспределительного устройства в защитном экране выполнены только в основной секции; верхняя часть перегородок основной секции выполнена в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида с углом наклона внешней винтовой линии, превышающим угол трения нелетучих соединений урана по поверхности перегородок, нижняя часть выполнена с обратным направлением вращения винта, перегородки доулавливающей секции выполнены в виде многозаходного винта с шагом, меньшим, чем в основной секции, либо горизонтальными кольцевыми; в днище корпуса выполнен патрубок слива раствора при промывке; корпус аппарата установлен на весоизмерительные датчики.

На фиг.1 и 2 представлен предлагаемый десублимационный аппарат, на фиг.3 изображен выносной элемент десублимационного аппарата.

Десублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. Корпус 1 снабжен патрубком 3 для подвода и патрубком 4 для отвода технологического газа. На наружной поверхности стенки 5 корпуса 1 под кожухом 2 размещен электрический нагреватель 6. Внутри корпуса 1 соосно размещены цилиндрический десублиматор 7, защитный экран 8 и газораспределительное устройство 9. Во внутренней полости десублиматора 7 соосно установлен теплообменник 10, состоящий из корпуса 11 и кольцевого испарителя 12, во внутренней полости которого установлен второй цилиндрический нагреватель 13. В наружной стенке испарителя выполнена спиралевидная испарительная полость 14, составляющая с трубопроводами подвода 15 и отвода 16 хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом 17 замкнутую холодильную систему. Наружная поверхность десублиматора 7, снабженная перегородками 18, 19 и 20, в совокупности с защитным экраном 8 образует десублимационную камеру 21. Десублимационная камера 21 выполнена в виде двух секций - основной 22 (нижней) и доулавливающей 23 (верхней). Перегородки 18, 19 основной секции 22 выполнены в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида с углом наклона внешней винтовой линии, превышающим угол трения нелетучих соединений урана по поверхности перегородок, при этом перегородки 18 выполнены с обратным направлением вращения винта относительно перегородок 19, что в совокупности обеспечивает постоянный контакт ГФУ с перегородками 18, 19 при его сублимации. Перегородки 20 доулавливающей секции 23 выполнены с меньшим по сравнению с перегородками 18 и 19 основной секции 22 шагом и могут быть выполнены как кольцевыми горизонтальными, так и в виде многозаходного винта. Защитный экран 8 снабжен отверстиями 24 для подачи технологического газа из газораспределительного устройства 9. Отверстия в защитном экране выполнены только в основной секции 22, предназначенной для десублимации основной массы ГФУ. Доулавливающая секция 23 предназначена для доулавливания ГФУ из газовой смеси, поступающей из основной секции 22. Защитный экран 8 размещен с зазором 25 относительно газораспределительного устройства 9. Газораспределительное устройство 9 снабжено кольцевыми горизонтальными 26 и вертикальными 27 каналами и отверстиями 28 для подачи технологического газа в основную секцию 22, поступающего через патрубок 3 корпуса 1. Отверстия 28 газораспределительного устройства выполнены соосно с отверстиями в защитном экране, но большего размера. В днище 29 корпуса 1 выполнен патрубок 30 для слива раствора при периодической промывке внутренней полости аппарата. Соприкасающиеся поверхности «К» десублиматора 7 и теплообменника 10 выполнены конусными с возможностью разъема. Корпус 1 установлен на весоизмерительные датчики 31.

Десублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. В режиме десублимации в работу включен компрессорно-конденсаторный агрегат 17, который обеспечивает циркуляцию хладагента (хладона) через испаритель 12. Парожидкостная смесь хладона через трубопровод 15 подается в верхнюю часть испарителя 12, в котором по мере прохождения хладона по спиралевидной полости 14 происходит испарение жидкостной составляющей хладона при низких температурах, в результате чего охлаждается десублиматор 7 с перегородками 18, 19 и 20. Пары хладона откачиваются из нижней части испарителя 12 через трубопровод 16 компрессором агрегата 17. Технологический газ через патрубок 3, по каналам 26, 27, через отверстия 28 газораспределительного устройства 9 и отверстия 24 в защитном экране 8 поступает в основную секцию 22 десублимационной камеры 21, где на охлажденных поверхностях перегородок 18 и 19 происходит десублимация основной массы ГФУ. Далее реакционные газы с небольшим количеством ГФУ попадают в доулавливающую секцию 23, где за счет более развитой поверхности и более длительной продолжительности контакта газа с охлажденной поверхностью перегородок 20 десублимируются остатки ГФУ, а реакционные газы выводятся из аппарата через патрубок 4. Для предотвращения десублимации ГФУ в каналах 26, 27 и отверстиях 28 процесс десублимации ведется с включенным нагревателем 6. Для снижения энергетических потерь в результате теплопередачи от нагревателя 6 через слой десублимированного ГФУ к хладону предусмотрен защитный экран 8, установленный с зазором 25 относительно нагретого нагревателем 6 газораспределительного устройства 9.

После заполнения аппарата ГФУ в режиме десублимации, что контролируется при помощи весоизмерительных датчиков 31, аппарат переводится в режим сублимации. Для перевода аппарата в режим сублимации компрессорно-конденсаторный агрегат 17 и нагреватель 6 выключают из работы, и при помощи нагревателя 13 осуществляется нагрев десублиматора 7 с перегородками 18, 19 и 20 до температуры сублимации ГФУ. ГФУ сублимируется с поверхности перегородок 18, 19 и 20 и выводится из аппарата через патрубок 4, при этом перегородки 18 предотвращают сползание ГФУ с перегородок 19 на днище 29.

В процессе сублимации твердый ГФУ постоянно соприкасается с наклонной винтовой поверхностью перегородок 18 и 19. Нелетучие соединения урана вместе с ГФУ соскальзывают по винтовой поверхности перегородок 18 и 19 на днище 29 и не накапливаются на их поверхности, тем самым не создают дополнительного термического сопротивления теплоотдачи от ГФУ к поверхности перегородок 18 и 19. При накоплении значительного количества нелетучих соединений урана в аппарате производится промывка внутренней полости аппарата. Для этого патрубки 3 и 4 отсоединяются от технологических трубопроводов, десублиматор 7 отсоединяется от теплообменника 10 по конусному разъему «К» без разъединения холодильной системы и аппарат отправляется на промывку. Раствор при промывке сливается через патрубок 30. Конусный разъем «К» обеспечивает необходимую теплопередачу между десублиматором 7 и теплообменником 10 и позволяет при необходимости отсоединить десублиматор 7 от теплообменника 10 без нарушения целостности холодильной системы и внутренней полости аппарата.

В предлагаемом десублимационном аппарате теплопередача от ГФУ к хладагенту в процессе десублимации существенно интенсифицирована за счет низкого термического сопротивления теплоотдачи при кипении хладагента, использование непосредственного нагрева ГФУ при помощи нагревателя через контактирующие с ГФУ поверхности существенно интенсифицирует процесс сублимации, что в совокупности позволяет выполнить компактный, энергетически экономичный аппарат, удовлетворяющий требованиям ядерной безопасности.

Использование замкнутой холодильной системы на базе компрессорно-конденсаторного агрегата делает аппарат автономным в части охлаждения, что повышает удобство в эксплуатации и снижает эксплуатационные затраты.

Выполнение десублимационной камеры двухсекционной и осуществление подачи технологического газа через газораспределительное устройство равномерно по всему объему основной секции десублимационной камеры позволяет обеспечить высокую эффективность улавливания ГФУ и необходимую вместимость аппарата по ГФУ за счет равномерного распределения десублимированного ГФУ по объему основной секции десублимационной камеры.

Установка корпуса аппарата на весоизмерительных датчиках позволяет контролировать массу ГФУ в режиме реального времени и автоматизировать систему управления работой аппарата.

Изобретение может быть использовано на сублиматных производствах атомной промышленности. Парожидкостную смесь хладона через трубопровод 15 подают в верхнюю часть кольцевого испарителя 12, в котором по мере прохождения хладона по спиралевидной испарительной полости 14 происходит испарение жидкостной составляющей хладона, в результате чего охлаждается десублиматор 7. Технологический газ через патрубок 3 по каналам через отверстия газораспределительного устройства 9 и отверстия в защитном экране 8 подают в основную секцию десублимационной камеры, где на охлажденных поверхностях перегородок происходит десублимация основной массы. Изобретение позволяет разработать экономичный и компактный десублимационный аппарат, удовлетворяющий требованиям ядерной безопасности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая десублимационная камера с размещенными в ней перегородками, патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладагента, нагреватель, отличающийся тем, что в корпусе соосно расположены цилиндрический десублиматор с закрепленными на его наружной поверхности перегородками, защитный экран с отверстиями для подачи технологического газа и кольцевое газораспределительное устройство с горизонтальными и вертикальными каналами и отверстиями, соосными с отверстиями в защитном экране, защитный экран размещен с зазором относительно газораспределительного устройства, нагреватель установлен на наружной стенке корпуса, во внутренней полости десублиматора размещен теплообменник, содержащий корпус и кольцевой испаритель с выполненной на его наружной стенке спиралевидной испарительной полостью, составляющей с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему, а во внутренней полости испарителя размещен второй цилиндрический нагреватель, соприкасающиеся поверхности десублиматора и теплообменника выполнены конусными с возможностью разъема, кольцевая десублимационная камера образована наружной поверхностью десублиматора с перегородками и защитным экраном и состоит из двух секций - основной нижней и доулавливающей верхней, при этом отверстия для подачи технологического газа в защитном экране и, соответственно, каналы и отверстия газораспределительного устройства выполнены только в основной секции, верхняя часть перегородок основной секции выполнена в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида с углом наклона внешней винтовой линии, превышающим угол трения нелетучих соединений урана по поверхности перегородок, нижняя часть выполнена с обратным направлением вращения винта, перегородки доулавливающей секции выполнены в виде многозаходного винта с шагом, меньшим, чем в основной секции.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в днище корпуса выполнен патрубок слива раствора при промывке.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что корпус аппарата установлен на весоизмерительных датчиках.

4. Десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая десублимационная камера с размещенными в ней перегородками, патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладагента, нагреватель, отличающийся тем, что в корпусе соосно расположены цилиндрический десублиматор с закрепленными на его наружной поверхности перегородками, защитный экран с отверстиями для подачи технологического газа и кольцевое газораспределительное устройство с горизонтальными и вертикальными каналами и отверстиями, соосными с отверстиями в защитном экране, защитный экран размещен с зазором относительно газораспределительного устройства, нагреватель установлен на наружной стенке корпуса, во внутренней полости десублиматора размещен теплообменник, содержащий корпус и кольцевой испаритель с выполненной на его наружной стенке спиралевидной испарительной полостью, составляющей с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему, а во внутренней полости испарителя размещен второй цилиндрический нагреватель, соприкасающиеся поверхности десублиматора и теплообменника выполнены конусными с возможностью разъема, кольцевая десублимационная камера образована наружной поверхностью десублиматора с перегородками и защитным экраном и состоит из двух секций - основной нижней и доулавливающей верхней, при этом отверстия для подачи технологического газа в защитном экране и, соответственно, каналы и отверстия газораспределительного устройства выполнены только в основной секции, верхняя часть перегородок основной секции выполнена в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида с углом наклона внешней винтовой линии, превышающим угол трения нелетучих соединений урана по поверхности перегородок, нижняя часть выполнена с обратным направлением вращения винта, перегородки доулавливающей секции выполнены кольцевыми горизонтальными.

5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в днище корпуса выполнен патрубок слива раствора при промывке.

6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что корпус аппарата установлен на весоизмерительных датчиках.