ДЕСУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2013 года по МПК B01D7/00 

Заявляемое техническое решение относится к оборудованию для проведения процессов десублимации-сублимации гексафторида урана (ГФУ) с целью его очистки от легких примесей и может быть использовано на разделительных производствах атомной промышленности.

Известна конструкция сублимационного аппарата по патенту РФ на изобретение №2143940 (класс МПК B01D 7/00, дата приоритета 10 января 1999 г.) [1]. 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.

Недостатком аппарата являются большие удельные массогабаритные и энергетические показатели. Причина этого - низкая эффективность теплопередачи от ГФУ к газообразному теплоносителю (азот, воздух) и от нагревателя стенки сублимационной камеры к ГФУ с использованием конвективного теплообмена.

Наиболее близким по технической сущности и потому принятым за прототип, является десублимационный аппарат, конструкция которого описана в патенте РФ №2362607 (класс МПК B01D 7/00, дата приоритета 4 декабря 2007 г.) [2]. Десублимационный аппарат включает кольцевую десублимационную камеру, образованную наружной поверхностью установленного в корпусе цилиндрического десублиматора с закрепленными на нем горизонтальными кольцевыми перегородками. Во внутренней полости цилиндрического десублиматора размещен кольцевой испаритель, в наружной стенке которого выполнена испарительная спиралевидная полость, составляющая с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему. Во внутренней полости испарителя размещен цилиндрический нагреватель. Над кольцевой десублимационной камерой расположена камера распределения технологического газа, в днище которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки, установленные в пазах кольцевых перегородок по всей высоте кольцевой десублимационной камеры.

Десублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах десублимации и сублимации ГФУ. В режиме десублимации в работу включен компрессорно-конденсаторный агрегат, который обеспечивает циркуляцию хладагента через кольцевой испаритель, где происходит испарение жидкостной составляющей хладагента при низких температурах, в результате чего охлаждается цилиндрический десублиматор с горизонтальными кольцевыми перегородками. Технологический газ поступает через вертикальные перфорированные газораспределительные трубки в кольцевую десублимационную камеру, где происходит десублимация ГФУ, а легкие примеси выводятся из десублимационного аппарата. Для перевода десублимационного аппарата в режим сублимации компрессорно-конденсаторный агрегат выключают из работы и при помощи цилиндрического нагревателя осуществляют нагрев ГФУ до температуры сублимации. ГФУ сублимируется с поверхности горизонтальных кольцевых перегородок и выводится из десублимационного аппарата.

Недостаток данного десублимационного аппарата - снижение средней производительности при сублимации ГФУ в случае повышения рабочего давления. Это является следствием вторичной десублимации ГФУ при его нагреве до температуры сублимации, соответствующей требуемому рабочему давлению, с поверхности горизонтальных кольцевых перегородок на поверхности стенки корпуса.

Задача, на решение которой направлена конструкция заявляемого десублимационного аппарата, заключается в разработке десублимационного аппарата с увеличенной средней производительностью при сублимации ГФУ для работы при повышенных рабочих давлениях, снижения его массогабаритных характеристик и повышения эффективности улавливания ГФУ в процессе работы.

Для решения этой задачи предлагается десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены цилиндрический десублиматор с закрепленными на нем перегородками, установленный между перегородками и цилиндрическим теплоизолированным корпусом защитный экран, образованную наружной поверхностью цилиндрического десублиматора и защитным экраном кольцевую десублимационную камеру, состоящую из двух секций - основной (нижней) и доулавливающей (верхней), патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладагента.

Во внутренней полости цилиндрического десублиматора размещен кольцевой испаритель, в наружной стенке которого в основной секции выполнена испарительная спиралевидная полость, составляющая с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему. В доулавливающей секции выполнена самостоятельная испарительная спиралевидная полость, составляющая со своими трубопроводами подвода-отвода хладагента и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом вторую замкнутую холодильную систему. Во внутренней полости кольцевого испарителя размещен цилиндрический нагреватель.

В цилиндрическом теплоизолированном корпусе десублимационного аппарата также расположена камера распределения технологических газов, в днище которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки, установленные в пазах выполненных равномерно по окружности на периферии горизонтальных кольцевых перегородок и состоящие из внутренней трубки с отверстиями и внешней трубки-экрана, расположенной с зазором относительно внутренней трубки, с отверстиями, соосными с отверстиями внутренней трубки, но имеющими больший диаметр.

Согласно заявляемого технического решения цилиндрический теплоизолированный корпус десублимационного аппарата оснащен нагревателем стенки. Защитный экран выполнен только в доулавливающей секции кольцевой десублимационной камеры. Горизонтальные кольцевые перегородки с пазами размещены только в основной секции кольцевой десублимационной камеры. Камера распределения технологических газов расположена над основной секцией кольцевой десублимационной камеры, причем выполнена кольцевой и охватывает доулавливающую секцию. Закрепленные на наружной поверхности цилиндрического десублиматора перегородки в доулавливающей секции кольцевой десублимационной камеры выполнены в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида с меньшим, чем у горизонтальных кольцевых перегородок в основной секции, наружным диаметром. Защитный экран установлен с зазором относительно внутренней стенки камеры распределения технологических газов.

Кроме того, цилиндрический теплоизолированный корпус десублимационного аппарата может быть установлен на весоизмерительные датчики.

На фиг.1 представлен продольный разрез заявляемого десублимационного аппарата с замкнутой холодильной системой для основной секции кольцевой десублимационной камеры. На фиг.2 представлен поперечный разрез десублимационного аппарата. На фиг.3 представлен увеличенный фрагмент поперечного разреза фигуры 2. На фиг.4 представлен продольный разрез десублимационного аппарата с второй замкнутой холодильной системой для доулавливающей секции кольцевой десублимационной камеры.

Как показано на фиг.1, десублимационный аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус (1), оснащенный нагревателем стенки (2). Цилиндрический теплоизолированный корпус (1) снабжен патрубком подвода технологического газа (3) и патрубком отвода технологического газа (4). Внутри цилиндрического теплоизолированного корпуса (1) установлен цилиндрический десублиматор (5), в котором закреплены горизонтальные кольцевые перегородки (6) и перегородки (7).

Наружная поверхность цилиндрического десублиматора (5), снабженная горизонтальными кольцевыми перегородками (6), в совокупности со стенкой цилиндрического теплоизолированного корпуса (1) образует основную секцию (8) кольцевой десублимационной камеры (9). Над основной секцией (8) расположены доулавливающая секция (10) и охватывающая доулавливающую секцию (10) камера распределения технологических газов (11), выполненная кольцевой. Доулавливающая секция (10) образована наружной поверхностью цилиндрического десублиматора (5), снабженной перегородками (7) с меньшим, чем у горизонтальных кольцевых перегородок (6) в основной секции (8) наружным диаметром и выполненными в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида, и защитным экраном (12), установленным между перегородками (7) и внутренней стенкой (13) камеры распределения технологических газов (11) с зазором относительно внутренней стенки (13). В днище (14) камеры распределения технологических газов (11) закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки (15). Во внутренней полости цилиндрического десублиматора (5) размещен кольцевой испаритель (16), в наружной стенке которого в основной секции (8) выполнена испарительная спиралевидная полость (17), составляющая с трубопроводами подвода (18) и отвода хладагента (19) и компрессорно-конденсаторным агрегатом (20) замкнутую холодильную систему. Во внутренней полости кольцевого испарителя (16) размещен цилиндрический нагреватель (21).

Цилиндрический теплоизолированный корпус (1) может быть установлен на весоизмерительные датчики (22).

Как показано на фиг.2, вертикальные перфорированные газораспределительные трубки (15) проходят в пазах (23), выполненных равномерно по окружности на периферии горизонтальных кольцевых перегородок (6), по всей высоте основной секции (8).

Как показано на фиг.3, вертикальные перфорированные газораспределительные трубки (15) состоят из внутренней трубки (24) с отверстиями (25) и внешней трубки-экрана (26), установленной с зазором относительно внутренней трубки (24). Во внешней трубке-экране (26) выполнены отверстия (27), соосные с отверстиями (25) внутренней трубки (24), но большего по сравнению с отверстиями (25) диаметра.

На фиг.4 показана самостоятельная испарительная спиралевидная полость (28) в доулавливающей секции (10), составляющая со своими трубопроводами подвода (29) и отвода (30) хладагента и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом (31) вторую замкнутую холодильную систему.

ПРИМЕР. Заявляемый десублимационный аппарат может работать в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. В режиме десублимации в работу включены компрессорно-конденсаторный агрегат (20), второй компрессорно-конденсаторный агрегат (31), которые обеспечивают циркуляцию хладагента через кольцевой испаритель (16). Парожидкостная смесь хладагента через трубопровод подвода хладагента (18) подается в кольцевой испаритель (16), в котором по мере прохождения хладагента по испарительной спиралевидной полости (17) происходит испарение жидкостной составляющей хладагента при низких температурах, в результате чего охлаждается цилиндрический десублиматор (5) с горизонтальными кольцевыми перегородками 6. Пары хладагента откачиваются из кольцевого испарителя (16) через трубопровод отвода хладагента (19) компрессором компрессорно-конденсаторного агрегата (20). Аналогично парожидкостная смесь хладагента через трубопровод подвода хладагента (29) подается в кольцевой испаритель (16), в котором по мере прохождения хладагента по самостоятельной испарительной спиралевидной полости (28) происходит испарение жидкостной составляющей хладагента при температурах ниже, чем в испарительной спиралевидной полости (17), в результате чего охлаждается цилиндрический десублиматор (5) с перегородками (7). Пары хладагента откачиваются из кольцевого испарителя (16) через трубопровод отвода хладагента (30) компрессором второго компрессорно-конденсаторного агрегата (31). Технологический газ через патрубок подвода технологического газа (3), камеру распределения технологических газов (11) и вертикальные перфорированные газораспределительные трубки (15) поступает в основную секцию (8) кольцевой десублимационной камеры (9), где на охлажденных поверхностях горизонтальных кольцевых перегородок (6) происходит десублимация основной массы ГФУ. Далее легкие примеси с небольшим количеством ГФУ проходят через пазы (23) горизонтальных кольцевых перегородок (6) и попадают в доулавливающую секцию (10), где за счет развитой поверхности и контакта газа с охлажденной до более низкой температуры поверхностью перегородок (7) десублимируются остатки ГФУ, а легкие примеси выводятся из десублимационного аппарата через патрубок отвода технологического газа (4). Для предотвращения десублимации ГФУ во внутренних трубках (24) и отверстиях (25) каждая внутренняя трубка (24) экранирована от охлажденных поверхностей при помощи внешней трубки-экрана (26) с отверстиями (27).

После заполнения десублимационного аппарата ГФУ в режиме десублимации, что может контролироваться, например, при помощи весоизмерительных датчиков (22), десублимационный аппарат переводится в режим сублимации. Для перевода десублимационного аппарата в режим сублимации компрессорно-конденсаторный агрегат (20) и второй компрессорно-конденсаторный агрегат (31) выключают из работы, и при помощи цилиндрического нагревателя (21) осуществляется нагрев цилиндрического десублиматора (5) с горизонтальными кольцевыми перегородками (6) и перегородками (7) до температуры сублимации ГФУ. Для предотвращения вторичной десублимации ГФУ при нагреве с поверхности горизонтальных кольцевых перегородок (6) и перегородок (7) на поверхность стенки цилиндрического теплоизолированного корпуса (1) осуществляется нагрев стенки при помощи нагревателя стенки (2). ГФУ сублимируется с поверхности горизонтальных кольцевых перегородок (6) и перегородок (7) и выводится из десублимационного аппарата через патрубок подвода технологического газа (3) или через патрубок отвода технологического газа (4).

Использование в предлагаемом десублимационом аппарате нагревателя стенки цииндрического теплоизолированного корпуса в режиме сублимации ГФУ при повышенных рабочих давлениях предотвращает вторичную десублимацию ГФУ с поверхности горизонтальных кольцевых перегородок основной секции и перегородок доулавливающей секции на поверхности стенки цилиндрического теплоизолированного корпуса, что позволяет увеличить среднюю производительность при сублимации ГФУ.

Выполнение камеры распределения технологических газов кольцевой и схватывание камерой распределения технологических газов доулавливающей секции позволяет уменьшить высоту цилиндрического теплоизолированного корпуса десублимационного аппарата при сохранении вместимости по ГФУ.

Выполнение перегородок доулавливающей секции в виде многозаходного винта с меньшим, чем у горизонтальных кольцевых перегородок в основной секции, наружным диаметром позволяет повысить эффективность доулавливания ГФУ за счет снижения радиального перепада температуры на перегородках и развитой поверхности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ на изобретение №2143940 «Сублимационный аппарат» (класс МПК B01D 7/00, дата приоритета 10 января 1999 г.).

2. Патент РФ №2362607 «Десублимационный аппарат» (класс МПК B01D 7/00, дата приоритета 4 декабря 2007 г.).

Изобретение относится к оборудованию для проведения процессов десублимации-сублимации гексафторида урана с целью его очистки от легких примесей и может быть использовано на разделительных производствах атомной промышленности. Десублимационный аппарат содержит оснащенный нагревателем стенки цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены цилиндрический десублиматор с закрепленными на нем перегородками, кольцевую десублимационную камеру, состоящую из двух секций - основной (нижней) с горизонтальными кольцевыми перегородками и доулавливающей (верхней) с перегородками в виде многозаходного винта с меньшим, чем у горизонтальных кольцевых перегородок в основной секции, наружным диаметром, охватывающую доулавливающую секцию камеру распределения технологических газов, выполненную кольцевой. Технический результат - увеличение средней производительности при сублимации гексафторида урана в случае работы на повышенных давлениях, снижение габаритов, повышение эффективности улавливания гексафторида урана. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены цилиндрический десублиматор с закрепленными на нем перегородками, установленный между перегородками и корпусом защитный экран, образованную наружной поверхностью цилиндрического десублиматора и защитным экраном кольцевую десублимационную камеру, состоящую из двух секций - основной (нижней) и доулавливающей (верхней), патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладагента, размещенный во внутренней полости цилиндрического десублиматора кольцевой испаритель, в наружной стенке которого в основной секции выполнена испарительная спиралевидная полость, составляющая с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему, и в доулавливающей секции выполнена самостоятельная испарительная спиралевидная полость, составляющая со своими трубопроводами подвода-отвода хладагента и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом вторую замкнутую холодильную систему, размещенный во внутренней полости кольцевого испарителя цилиндрический нагреватель, камера распределения технологических газов, в днище которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки, установленные в пазах, выполненных равномерно по окружности на периферии горизонтальных кольцевых перегородок, и состоящие из внутренней трубки с отверстиями и внешней трубки-экрана, расположенной с зазором относительно внутренней трубки, с отверстиями, соосными с отверстиями внутренней трубки, но имеющими больший диаметр, отличающийся тем, что цилиндрический теплоизолированный корпус оснащен нагревателем стенки, защитный экран выполнен только в доулавливающей секции кольцевой десублимационной камеры, горизонтальные кольцевые перегородки с пазами размещены только в основной секции кольцевой десублимационной камеры, камера распределения технологических газов расположена над основной секцией десублимационной камеры, причем выполнена кольцевой и охватывает доулавливающую секцию, закрепленные на наружной поверхности цилиндрического десублиматора перегородки в доулавливающей секции выполнены в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида с меньшим, чем у горизонтальных кольцевых перегородок в основной секции, наружным диаметром, защитный экран установлен с зазором относительно внутренней стенки камеры распределения технологических газов.

2. Десублимационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический теплоизолированный корпус установлен на весоизмерительных датчиках.