УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ
ISOTOPE SEPARATOR PLANT

15
Изобретение относится к средствам и методам разделения изотопов с помощью ректификационных колонн. В частности, изобретение может быть использовано в процессе производства изотопа азота N методом дистилляции жидкой двуокиси азота.
15
15
15
Производство изотопа N необходимо для работы быстрых энергетических ядерных реакторов с нитридным топливом (U,Pu)N. Для улучшения рабочих и экологических характеристик нитридного топлива требуется замена входящего в состав топлива природного азота на изотоп азота N. В период введения в эксплуатацию парка быстрых энергетических ядерных реакторов потребность в изотопе N может достигать ~1000 кг/год. При этом существенным фактором для производства изотопа азота является его низкая стоимость.
Для получения изотопов бора, углерода, азота и кислорода наиболее эффективен по стоимости производимой изотопной продукции метод фракционной перегонки с тепловым обращением потоков (метод дистилляции). Данный метод реализуется с помощью ректификационных колонн. Колонны содержат цилиндрический корпус, внутри которого размещаются контактные устройства, предназначенные для создания оптимальных условий массопереноса изотопов из одной фазы в другую через межфазную поверхность. В качестве таких колонн традиционно используются насадочные и тарельчатые ректификационные колонны.
Основные проблемы применения ректификационных колонн для разделения изотопов связаны с эффектами поперечной неравномерности потоков газообразного и жидкого рабочего тела по сечению колонны. Существенное влияние на массообмен оказывает поперечная неравномерность распределения газовой составляющей рабочего тела между рабочими каналами колонны. Из-за поперечной неравномерности распределения часть потоков рабочего тела не участвует в процессе массообмена в рабочих каналах контактных устройств. Вследствие этого существенно снижается производительность установки разделения изотопов. При малой величине коэффициента обогащения изотопами данный негативный эффект может быть частично подавлен за счет ограничения диаметра рабочих каналов колонны.
На практике дистилляционные колонны разделения изотопов обычно выполняются в виде одноканальных колонн с малым диаметром рабочего канала (см., например, A.M. Розен. Теория разделения изотопов в колоннах. М., 1960, с.83-84, табл.2.10). Такие колонны имеют небольшую размерность и обладают малой производительностью. Для наработки больших количеств изотопов используют батареи одноканальных колонн с интегральной компоновкой. Однако ограничение размера единичной колонны разделения изотопов приводит к увеличению стоимости производимых изотопов.
15
Другой проблемой, возникающей при эксплуатации колонны разделения изотопов с интегральной компоновкой, является невозможность обеспечения точной дозировки при подаче флегмы (жидкого рабочего тела) и пара в рабочие каналы колонны. Для эффективной работы одноканальной колонны разделения изотопов необходимо обеспечить совпадение расходов жидкой фазы и пара в канале колонны с относительной точностью не хуже величины коэффициента обогащения s по целевому изотопу для используемых рабочих тел. В многоканальной колонне указанное условие должно соблюдаться в каждом рабочем канале. Вследствие этого к устройствам распределения (дозирования) рабочего тела, которые используются для работы многоканальных колонн разделения изотопов, предъявляются высокие требования по точности дозирования расходов жидкой фазы и пара в каждом канале колонны. Например, для системы "жидкая двуокись азота - равновесные пары" коэффициент ε обогащения жидкой фазы по изотопу N при температуре нормального кипения 21°C имеет следующее значение: ε=0,0038. В данном случае при использовании в качестве рабочего тела двуокиси азота требуемая точность дозирования расходов жидкой фазы и пара достигает прецизионного уровня, который невозможно достигнуть с помощью известных многоканальных колонн.
Проблемы, связанные с точностью дозирования расходов жидкой фазы и пара в каждом канале колонны, вызваны поперечной неоднородностью потоков флегмы и пара в рабочих каналах. Для исключения поперечной неоднородности потоков флегмы и пара рабочий канал колонны должен быть "физически тонким". Данное условие достигается за счет ограничения диаметра рабочего канала колонны. Однако ограничение поперечного размера рабочих каналов приводит в целом к снижению производительности установки.
Следует отметить, что дисперсия расхода жидкой фазы в рабочих каналах колонны существенно меньше аналогичной дисперсии расхода пара, поэтому наибольшее влияние на снижение разделительной способности ступеней колонны оказывает дисперсия расхода паровой фазы рабочего вещества в отдельных рабочих каналах. В связи с этим важное значение приобретает задача, связанная с равномерной подачей паровой фазы рабочего тела во все рабочие каналы каждого из ряда последовательно расположенных контактных устройств, образующих ступени ректификационной колонны. Конструкция высокопроизводительной колонны разделения изотопов должна обеспечивать решение следующих задач: равномерное распределение парообразного и жидкого рабочего тела по поперечному сечению колонны и сокращение пути перемешивания фаз в контактных устройствах.
18
17
15
18
17
15
Известна установка для осуществления способа обогащения оксида азота изотопами O, O, N, которая описана в патенте RU 2309788 (опубликован 10.06.2007). Данная установка обеспечивает производство изотопов O, O, N при различных скоростях реакций химического изотопного обмена на фоне основного дистилляционного процесса разделения изотопов. Установка представляет собой каскад из четырех соединенных между собой дистилляционных колонн. Колонны заполняют оксидом азота с изотопным составом, близким к природному содержанию, и создают противоточные жидкостные и газовые циркуляционные потоки оксида азота.
Для устойчивого поддержания концентраций получаемых изотопов требуется достаточно высокая точность поддержания расходов отбора газового потока оксида азота из нижних и верхних частей дистилляционных колонн. При этом подаваемые и отводимые из колонны потоки должны регулироваться в соответствии с условием поддержания равенства расходов потоков, подаваемых в каждую ступень колонны и отводимых из нее. При реализации используемой схемы процесса производства изотопов необходимо использовать сложное технологическое оборудование. Кроме того, известная установка не обеспечивает требуемый уровень чистоты получаемых изотопов.
15
17
В японской патентной заявке JPH 0347518 A (опубликована 28.02.1991) описаны метод и устройство для производства изотопов азота и кислорода. Установка состоит из двух каскадов дистилляционных колонн, соединенных между собой через очиститель оксида азота. Азотная кислота с постоянным расходом подается в верхнюю часть обменной колонны, в которой происходит разделение азотной кислоты и оксида азота. Установка содержит очиститель газов, с помощью которого достигается высокая концентрация газообразного оксида азота, подаваемого в следующую орошаемую колонну. При реализации процесса разделения изотопов в дистилляционной колонне достигается концентрированное содержание целевых изотопов N и O. Однако несмотря на повышение концентрации изотопов азота и кислорода, рассматриваемая установка не обеспечивает выполнение предъявляемых требований по высокой производительности и низкой стоимости производимых изотопов азота и кислорода.
Наиболее близким аналогом изобретения является установка для разделения газов с насадочным многоканальным узлом двукратной ректификации. Данная установка описана в патенте RU 2280219 (опубликован 20.07.2006). С помощью установки осуществляется разделение газов методом двукратной ректификации. Установка содержит нижнюю ректификационную колонну, конденсатор и верхнюю ректификационную колонну. Контактные части нижней и верхней колонн представляют собой параллельно расположенные трубки, заполненные насыпной высокоэффективной насадкой.
Колонны снабжены распределительными тарелками, которые расположены над контактными частями, предназначенными для подачи жидкости в трубки. В кубе нижней колонны установлен распределитель газового потока, предназначенный для подачи газа в трубки контактной части нижней колонны. Распределительные тарелки содержат дозирующие (распределительные) устройства, количество которых соответствует количеству трубок контактной части колонны. Каждое дозирующее устройство содержит трубку с несколькими перпендикулярными ей патрубками. Верхний патрубок служит в качестве перелива, а остальные нижние патрубки выполнены с калибровочными отверстиями для подачи жидкости.
За счет использования насадки в контактных частях параллельно расположенных трубок и распределительных тарелок в сечениях подачи жидкости в трубки контактной части достигается высокая чистота продуктов разделения воздуха. Применяемая конструкция колонны позволяет незначительно уменьшить габаритные размеры установки. Вместе с тем, несмотря на конструктивные усовершенствования, в данной многоканальной установке не устранен эффект поперечной неоднородности потоков флегмы и пара в рабочих каналах. Кроме того, при использовании последовательно соединенных многоканальных колонн, которые не разделены на секции (модули) по высоте, практически невозможно работать с рабочими телами, имеющими малое содержание целевого изотопа.
Изобретение направлено на устранение эффекта поперечной неоднородности потоков флегмы и пара, характерного для существующих многоканальных колонн разделения изотопов. Данный эффект обеспечивается за счет равномерного распределения и точной дозировки потоков рабочего тела, подаваемых в отдельные рабочие каналы многоканальной ректификационной колонны разделения изотопов. Изобретение направлено также на сокращение пути перемешивания парообразной и жидкой фазы рабочего тела за счет уменьшения размеров контактных устройств (секций) при использовании каскадной компоновки колонны. Решение перечисленных технических задач позволяет увеличить производительность процесса разделения изотопов до промышленного уровня при применении рабочих тел, имеющих низкие значения коэффициента обогащения. За счет повышения производительности установки разделения изотопов существенно снижается стоимость целевого продукта (изотопа).
Достижение указанных технических результатов обеспечивается при использовании установки, предназначенной для разделения изотопов методом фракционной перегонки жидкого рабочего тела. Установка включает в свой состав многоканальную ректификационную колонну с параллельно расположенными трубками, образующими рабочие каналы с насадкой. Установка содержит верхний и нижний буферы, конденсатор, испаритель и дозирующее устройство с раздаточными трубками, соединенными с рабочими каналами колонны. Согласно изобретению многоканальная ректификационная колонна выполнена в виде каскада последовательно расположенных модулей (контактных устройств) с параллельно расположенными трубками, образующими рабочие каналы с насадкой. Между выходными и входными отверстиями трубок близлежащих модулей установлены распределители потока пара с параллельно расположенными проходными трубками, соединяющими каналы близлежащих модулей.
Выходные части раздаточных трубок дозирующего устройства подачи рабочего тела сообщены с входными частями трубок верхнего модуля, расположенного под верхним буфером колонны. На верхней части каждого модуля установлена тарелка с углублениями, образующими входную часть рабочих каналов. Со стороны выходных отверстий рабочих каналов установлены чашеобразные улавливатели каплеобразной фракции рабочего тела. Выходные отверстия чашеобразных улавливателей соединены с входными отверстиями проходных трубок. Выходные части проходных трубок установлены во входных частях трубок модулей с образованием зазора между внешней поверхностью проходных трубок и внутренней поверхностью рабочих каналов. Выходные части раздаточных трубок расположены со стороны углублений, выполненных в тарелке верхнего модуля, с образованием зазора между внешней поверхностью раздаточных трубок и внутренней поверхностью рабочих каналов.
Установка в совокупности перечисленных выше признаков позволяет разделять с высокой производительностью изотопы с низким значением коэффициента обогащения исходного вещества за счет равномерной подачи (дозировки) флегмы и пара в рабочие каналы модулей многоканальной колонны. Данный эффект достигается за счет конструкции многоканальной ректификационной колонны, имеющей интегральную компоновку. Основным условием для эффективного разделения изотопов при использовании рабочего тела с низкой величиной коэффициента обогащения ε является равенство расходов флегмы и пара с точностью не хуже величины ε. Для решения данной задачи, с одной стороны, требуется обеспечить точную дозировку при подаче флегмы в отдельные каналы колонны, что достигается за счет предварительной калибровки системы подачи жидкого рабочего тела, а с другой стороны, необходимо организовать равномерную подачу паровой фазы на участках ввода пара в рабочие каналы модулей колонны. Для устранения эффекта поперечной неоднородности расходы рабочего тела в каждом рабочем канале колонны также должны совпадать с точностью не хуже величины ε.
Основной причиной неравномерного распределения потока пара между рабочими каналами многоканальной колонны является трудноустранимый разброс гидродинамических сопротивлений рабочих каналов потоку пара. Решение задачи, связанной с исключением отклонения действительных рабочих характеристик многоканальной колонны от номинальных значений, обеспечивается за счет снижения неравномерности распределения потока пара по отдельным рабочим каналам путем усовершенствования конструкции колонны.
Функцию выравнивания концентрации потока пара по поперечному сечению многоканальной колонны выполняют распределители потока пара, установленные между рабочими модулями многоканальной колонны. На выходе из распределителя пара концентрация целевого изотопа выравнивается вдоль поперечного сечения колонны и на вход в следующую ступень колонны поступает однородный по концентрации изотопа поток пара.
Для предварительной калибровки рабочих каналов многоканальной колонны в трубках модулей используется насыпная насадка, регулирующая гидродинамическое сопротивление рабочих каналов. Насадка может быть выполнена в виде набора пружин, имеющих различное поперечное сечение.
Для решения поставленной задачи могут использоваться распределители потока пара различной конструкции. Предпочтительно распределители выполняются в виде двух плоских рассекателей потока, между которыми устанавливаются смесительные элементы. Параллельно расположенные проходные трубки проходят через рассекатели потока и смесительные элементы. Рассекатели потока могут быть выполнены в виде перфорированных пластин.
В качестве смесительных элементов может использоваться нерегулярная насадка.
В предпочтительном варианте конструкции установки смесительные элементы выполняются в виде блоков пакетной насадки. Блоки пакетной насадки содержат параллельно установленные в вертикальном направлении плоские рассекатели потока. Между близлежащими рассекателями, образующими рабочие каналы, устанавливаются дистанцирующие элементы и направляющие элементы. Направляющие элементы преимущественно выполняются в виде наклонных лопаток.
Для эффективного использования смесительных элементов, с целью равномерного распределения потока пара по всем рабочим каналам рассекатели близлежащих блоков пакетной насадки, расположенных вдоль вертикальной оси многоканальной колонны, ориентируются в горизонтальной плоскости во взаимно перпендикулярных направлениях.
С целью повышения точности дозировки жидкого рабочего тела в рабочих каналах многоканальной колонны для подачи рабочего тела применяется дозирующее устройство, содержащее распределительный узел и приемный узел с раздаточными трубками. Полости указанных узлов соединены между собой через U-образные трубки с дозирующими каналами. Количество U-образных трубок равно количеству раздаточных трубок.
Для предварительной калибровки гидродинамического сопротивления каналов устройства в выходной вертикальной части каждой U-образной трубки, соединенной с полостью приемного узла, устанавливается патрон, заполненный насыпной насадкой. В качестве насадки могут использоваться металлические шарики.
С целью обеспечения точной дозировки жидкого рабочего тела, подаваемого через раздаточные трубки в рабочие каналы многоканальной колонны, в распределительном узле устанавливается, по меньшей мере, один рассекатель потока жидкости. Рассекатель разделяет внутреннюю полость распределительного узла на входную камеру, соединенную с трубкой подвода жидкого рабочего тела, и распределительную камеру, в днище которой выполнены отверстия, соединенные с входными отверстиями U-образных трубок. Приемный узел разделен на ячейки, образованные углублениями, выполненными в днище приемного узла, каждая ячейка приемного узла соединена с входным отверстием соответствующей раздаточной трубки. Выходные вертикальные патрубки U-образных трубок расположены в ячейках приемного узла над его днищем.
Рассекатель потока жидкости может быть образован, по меньшей мере, двумя проницаемыми перегородками, пространство между которыми заполняется насадкой. В качестве насадки преимущественно используются шарообразные гранулы инертного материала.
В другом варианте конструкции углубления в днище приемного узла могут быть образованы стенками решетчатых разделительных элементов, установленных в полости приемного узла.
Для предварительной дозировки жидкого рабочего тела в качестве дозирующего канала в каждой U-образной трубке используется отверстие калибровочной трубки. Данная трубка соосно устанавливается в полости входной вертикальной части канала U-образной трубки со стороны распределительного узла.
15
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации установки для разделения изотопов. Описываемая установка предназначена для производства изотопа азота N методом фракционной перегонки жидкой двуокиси азота.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - схема установки для разделения изотопов методом фракционной перегонки жидкой двуокиси азота;
на фиг.2 - схема верхней ступени многоканальной колонны (ступень колонны содержит рабочий модуль и распределитель потока пара);
на фиг.3 - вид сверху на верхний блок пакетной насадки распределителя потока пара;
на фиг.4 - вид сверху на нижний блок пакетной насадки распределителя потока пара;
на фиг.5 - продольный разрез наклонных лопаток в блоке пакетной насадки;
на фиг.6 - схема дозирующего устройства.
Установка для разделения изотопов методом фракционной перегонки жидкой двуокиси азота, изображенная на фиг.1, включает в свой состав многоканальную ректификационную колонну 1, которая выполнена в виде каскада последовательно расположенных в вертикальном направлении модулей (контактных устройств) с параллельно расположенными тонкостенными трубками 2. Каналы трубок 2 служат рабочими каналами модулей. Длина (вертикальный размер) трубок 2 составляет 1 м. Диаметр рабочих каналов (внутренний диаметр трубок 2) равен 50 мм.
Колонна содержит верхний буфер 3 и нижний буфер 4. В полости верхнего буфера 3 установлено дозирующее устройство 5 с раздаточными трубками 6. Устройство 5 предназначено для дозированной подачи жидкой двуокиси азота в рабочие каналы колонны. Выходные части раздаточных трубок 6 сообщены с входными частями трубок 2 верхнего модуля, расположенного под верхним буфером 3.
В состав установки входят также конденсатор 7, испаритель 8 и конвертер 9. Вход конденсатора сообщен с газовой полостью верхнего буфера 3, а выход - с трубопроводом подачи жидкой двуокиси азота в дозирующее устройство 5. С нижним буфером 4 соединен испаритель 8. Вход испарителя 8 соединен с патрубком вывода жидкой фазы из нижнего буфера 4. Первый выход испарителя сообщен через трубопровод подачи пара с полостью нижнего буфера 4. Второй вспомогательный выход испарителя 8 соединен через трубопровод подачи азотной кислоты с конвертером 9, обеспечивающим преобразование азотной кислоты в пары двуокиси азота.
2
2
Конвертер 9 представляет собой реактор переработки кубового остатка и снабжен узлом подачи двуокиси серы для восстановления кубового остатка до суммы окислов NO и NO. Полученная окись азота NO окисляется в конвертере 9 до NO. Выход конвертера 9 соединен через парогазовую магистраль с нижним буфером 4. Конвертер 9 содержит узел вывода серной кислоты, являющейся побочным продуктом реакции восстановления двуокиси азота.
15
В нижней части колонны 1 над нижним буфером 4 размещен узел 10 вывода целевого продукта (концентрата изотопа N). В корпусе колонны 1 установлен каскад последовательно соединенных в вертикальном направлении рабочих модулей 11 (контактных устройств). В рассматриваемом примере используется двенадцать рабочих модулей. Трубки 2 заполнены насыпной насадкой 12 с высокой удельной поверхностью. С помощью насадки 12 обеспечивается требуемая площадь контакта фаз, через которую осуществляется межфазный перенос изотопов. За счет изменения количества насыпной насадки 12 регулируется гидродинамическое сопротивление рабочих каналов.
В качестве насыпной насадки 12 используются круглые пружинки. Укладка насадки 12 в рабочие каналы производится после сборки рабочих модулей 11. После укладки насадки 12 в рабочие каналы проводятся стендовые измерения гидродинамических сопротивлений рабочих каналов газовому потоку, имитирующему поток пара. Калибровка сопротивлений каналов осуществляется путем соответствующего добора или отбора насадки в каждом канале до достижения требуемого уровня точности совпадения сопротивлений каналов (допустимая точность составляет 5%).
Нижний буфер 4, испаритель 8 и соответствующие трубопроводы подачи жидкости и газа и образуют нижний узел обращения потоков многоканальной колонны. Верхний буфер 3, конденсатор 7, соответствующие трубопроводы подачи жидкости и газа и дозирующее устройство 5 с раздаточными трубками 6 образуют верхний узел обращения потоков многоканальной колонны.
Между всеми модулями и перед нижним модулем колонны установлены распределители 13 потока пара, через которые проходят параллельно расположенные проходные трубки 14, соединяющие рабочие каналы близлежащих модулей. Выходные части проходных трубок 14 установлены во входных частях трубок 2 модулей с образованием зазора между внешней поверхностью походных трубок и внутренней поверхностью рабочих каналов. Со стороны выходных отверстий рабочих каналов 2 установлены чашеобразные улавливатели 15 каплеобразной фракции рабочего тела. Выходные отверстия улавливателей 15 сообщены с входными отверстиями проходных трубок 14. Улавливатели 15 вместе с выходными частями трубок 2 образуют прямоточные смесительные элементы гомогенного типа.
На верхней части каждого модуля 11 установлена тарелка 16 с углублениями, образующими входную часть рабочих каналов. Выходные части раздаточных трубок 6 расположены со стороны углублений, выполненных в тарелке 16 верхнего модуля, с образованием зазора между внешней поверхностью раздаточных трубок и внутренней поверхностью рабочих каналов. Углубления в тарелках 16 вместе с выходными частями раздаточных трубок 6 и проходных трубок 14 образуют прямоточные смесительные элементы гомогенного типа.
Каждый модуль 11 и установленный под ним распределитель 13 потока пара образуют ступень многоканальной колонны. Колонна содержит двенадцать ступеней. Высота каждой ступени, включающей модуль 11, распределитель 13 потока пара и прямоточные смесительные элементы, не превышает 1,5 м. Диаметр корпуса колонны составляет ~2 м.
Конструкция модулей 11 и распределителей 13 потока пара со смесительными элементами изображена на фиг.2 чертежей. В рассматриваемом варианте конструкции распределители 13 потока пара содержат плоские рассекатели потока пара в виде двух перфорированных пластин 17 и 18, между которыми установлены смесительные элементы 19 и 20.
В рассматриваемом примере конструкции смесительные элементы выполнены в виде блоков пакетной насадки. Каждый блок содержит параллельно установленные в вертикальном направлении плоские рассекатели потока пара, выполненные в виде пластин 21 (см. фиг.3, 4 и 5). Торцевые пластины служат несущими пластинами 22 блоков пакетной насадки. Между близлежащими пластинами установлены дистанцирующие элементы 23 и направляющие элементы в виде наклонных лопаток 24. Рабочие каналы 25, служащие для перераспределения потока пара по поперечному сечению колонны, образованы противолежащими поверхностями пластин 21 и 22 и направляющими поверхностями лопаток 24 (см. фиг.5).
Для организации движения потока пара в горизонтальном направлении смесительные элементы 19 и 20 (блоки пакетной насадки) расположены в два ряда вдоль вертикальной оси многоканальной колонны 1. В двух близлежащих в вертикальном направлении смесительных элементах 19 и 20 пластины 21 и 22 ориентированы в горизонтальной плоскости во взаимно перпендикулярных направлениях (см. фиг.3 и 4). В других вариантах конструкции смесительные элементы могут быть выполнены, например, в виде нерегулярной насадки.
Дозированная подача жидкой двуокиси азота в рабочие каналы колонны осуществляется через раздаточные трубки 6 с помощью дозирующего устройства 5, конструкция которого изображена на фиг.6 чертежей. Дозирующее устройство содержит распределительный узел 26 и приемный узел 27. Полости распределительного узла 26 и приемного узла 27 соединены между собой через U-образные трубки 28. Количество трубок 28 равно количеству рабочих каналов в модуле 11 многоканальной колонны.
В выходной вертикальной части каждой трубки 28 размещен патрон 29, заполненный насыпной насадкой 30. В качестве насадки 30 в рассматриваемом примере используются шарики, изготовленные из высокохромистого сплава. Во входной вертикальной части каждой трубки 28 установлена калибровочная трубка 31, внутренний цилиндрический канал которой служит дозирующим каналом устройства. Крепление калибровочной трубки 31 в полости входной части трубки 28 производится с помощью установочных втулок 32 и 33.
Распределительный узел 26 содержит разъемный корпус, съемная крышка которого снабжена сапуном. Внутренняя полость распределительного узла 26 разделена рассекателем потока жидкости на две камеры: входную и распределительную. Входная камера 34 соединена с трубкой 35 подвода жидкой двуокиси азота. Распределительная камера 36 сообщена через выполненные в ее днище отверстия с входными отверстиями трубок 28. Рассекатель потока жидкого рабочего тела выполнен в виде двух проницаемых перегородок 37, пространство между которыми заполнено насадкой 38. В качестве проницаемых перегородок 37 используются перфорированные пластины или сетчатые стенки, а в качестве насадки 38 - шарообразные гранулы из инертного материала.
Приемный узел 27 содержит разъемный корпус, съемная крышка которого снабжена сапуном. Узел 27 разделен на ячейки 39, образованные углублениями, выполненными в днище корпуса. В других вариантах конструкции углубления могут быть образованы стенками решетчатых разделительных элементов, которые устанавливаются в полости приемного узла.
Каждая ячейка 39 соединена с входным отверстием раздаточной трубки 6. Выходные вертикальные патрубки 40 U-образных трубок 28 установлены в ячейках приемного узла 27 над днищем его корпуса. Распределительный узел 26 и приемный узел 27 вместе с трубками 28 закрепляются с помощью опор 41 и 42 на общей опорной раме 43.
Установка может также включать в свой состав ряд стандартных блоков, узлов и элементов конструкции, используемых в ректификационных колоннах. Так, например, установка может содержать блок очистки питающего рабочего тела перед его подачей в колонну (не показан).
15
Работа установки для разделения изотопов, изображенной на фиг.1-6, осуществляется следующим образом. При описании работы установки рассматривается процесс производства изотопа азота N методом фракционной перегонки жидкой двуокиси азота.
Установка для разделения изотопов, размещенная в цехе азотнокислого производства, подключается к вспомогательной колонне (не показана), предназначенной для очистки рабочего тела (двуокиси азота). Верхняя часть вспомогательной колонны работает в режиме скруббера. Во вспомогательной колонне из потока рабочего тела выводятся примеси, в том числе пары воды и азотной кислоты. Содержание воды и азотной кислоты в очищенном рабочем теле составляет ~0,01%.
Питание ректификационной колонны 1 осуществляется по проходной схеме путем прокачки очищенного потока паров двуокиси азота, подаваемого из вспомогательной колонны, через верхний буфер 3. Подаваемый из вспомогательной колонны поток двуокиси азота по изотопному составу близок к природному содержанию изотопов азота. В колонне 1 создают и поддерживают непрерывное во времени замкнутое противоточное течение жидкой и газообразной двуокиси азота. За счет непрерывного циркуляционного движения встречных потоков жидкой и газообразной фаз двуокиси азота через контактные устройства обеспечивается многократное увеличение элементарного межфазного эффекта разделения изотопов. Межфазный перенос изотопов осуществляется в рабочих каналах модулей 11. Жидкая двуокись азота, поступающая во входную часть трубок 2 из раздаточных трубок 6 и проходных трубок 14 и осаждаемая в прямоточных смесительных элементах в виде мелкодисперсной фракции из паровой фазы, стекает в рабочих каналах вниз по поверхности элементов насадки 12. В результате на элементах насадки образуется тонкая пленка, поверхность которой служит поверхностью межфазного переноса изотопов при постоянном контакте фаз рабочего тела.
15
Из нижней части колонны 1 с помощью узла 10 вывода целевого продукта отбирается поток газообразного оксида азота, обогащенный целевым изотопным компонентом - изотопом N. Значения подаваемых и отводимых из колонны 1 потоков устанавливаются на основании условия поддержания равенства расходов подаваемого в колонну потока газообразного оксида азота сумме расходов отбираемых из колонны потоков жидкости и газа.
В процессе разделения изотопов азота образуется разубоженное на 10-20% рабочее тело, которое выводится из верхнего буфера 3 и направляется на участок производства сырья (двуокиси азота). Восходящий поток пара поступает из верхнего буфера 3 в конденсатор 7, в котором образуется флегма (жидкая двуокись азота). Далее флегма подается из конденсатора 7 в дозирующее устройство 5, в котором происходит разделение потока флегмы на равные парциальные потоки, поступающие через раздаточные трубки 6 в рабочие каналы верхнего модуля 11 колонны.
Работа дозирующего устройства, изображенного на фиг.6, осуществляется следующим образом. Через трубку 35 жидкая двуокись азота поступает во входную камеру 34, которая отделена от распределительной камеры 36 рассекателем потока, состоящим из двух проницаемых перегородок 37, полость между которыми заполнена насадкой 38. С помощью рассекателя потока обеспечивается равномерное распределение потока флегмы в распределительной камере 36 вдоль ряда отверстий, выполненных в днище камеры, которые соединены с U-образными трубками 28.
Из распределительной камеры 36 флегма перетекает через трубки 28 в камеру приемного узла 27. Перетекание флегмы из распределительного узла 26 в приемный узел 27 происходит под действием гидростатического давления за счет разности высот установки Δh торцевых частей трубок 28. Дозировка флегмы в каждой трубке 28 производится с помощью дозирующих элементов, в качестве которых используются калибровочные трубки 31 и патроны 29, заполненные насыпной насадкой 30.
В камеру приемного узла 27 флегма стекает через срез выходных патрубков 40. Флегма, вытекающая из каждого патрубка 40, попадает в соответствующую ячейку 39, образованную углублением в днище корпуса приемного узла 27. Количество ячеек 39 равно количеству раздаточных трубок 6 и соответственно количеству трубок 28. Ячейки 39 изолированы друг от друга при номинальном (расчетном) уровне заполняющей их флегмы боковыми стенками, образованными углублениями в днище приемного узла 27. Отверстия, выполненные в днищах ячеек 39, независимо соединены с раздаточными трубками 6.
Конструкция дозирующего устройства позволяет провести предварительную калибровку дозирующих элементов, установленных в трубках 28. Для этого проводятся испытания с применением имитатора рабочего тела (флегмы). По результатам измерений расходов жидкости через раздаточные трубки 6 производят добор либо отбор насадки 30 в патронах 29 до достижения требуемой точности совпадения расходов жидкости через все раздаточные трубки 6. В процессе проведения предварительных испытаний возможна замена калибровочных трубок 31 для точной регулировки расхода рабочего тела. Посредством регулировки дозирующих элементов обеспечивается точность совпадения расходов флегмы в раздаточных трубках 6 на уровне ~1%.
Потоки флегмы с фиксированным расходом подаются из дозирующего устройства 5 по раздаточным трубкам 6 через углубления в тарелках 16 в трубки 2 верхнего рабочего модуля 11, который расположен непосредственно под верхним буфером 3. После прохождения через рабочие каналы модуля 11 и эффективного массообмена между фазами рабочего тела флегма стекает в чашеобразные улавливатели 15, выходные отверстия которых соединены с входными отверстиями проходных трубок 14. Стекая вниз по проходным трубкам 14, флегма из верхнего модуля поступает в углубления тарелок 16 расположенного ниже модуля 11.
Из углублений в тарелках 16 флегма поступает в рабочие каналы следующего модуля. Поток пара, проходящий через распределитель пара 13, и поток флегмы, протекающий через трубки 2 и 14, разведены по разным каналам, поэтому они не препятствуют взаимно противоположному движению потоков вне рабочих каналов контактного устройства. В этом случае не создается дополнительное гидродинамическое сопротивление при циркуляционном противоточном движении потоков пара и флегмы.
Осаждение мелкодисперсной каплеобразной фракции из восходящего потока пара и включение ее в общий поток флегмы осуществляется с помощью прямоточных смесительных элементов, образованных выходными частями трубок 2 и чашеобразными улавливателями 15, а также выходными частями раздаточных трубок 6 и проходных трубок 14 и углублениями тарелок 16. Смесительные элементы обеспечивают улавливание и направление в рабочие каналы контактного устройства мелкодисперсной фракции паровой фазы. Данные элементы способствуют также выравниванию концентрации целевого изотопа по сечению потока пара перед его подачей в рабочие каналы.
Отработавшая в колонне флегма стекает в нижний буфер 4, из которого она поступает в испаритель 8. После преобразования в испарителе 8 жидкой флегмы в пар рабочее тело в парообразном состоянии возвращается в нижний буфер 4, из которого восходящий поток пара проходит через каскад рабочих каналов модулей и распределители 13 потока пара. После прохождения через все ступени многоканальной колонны поток пара попадает в конденсатор 7.
15
За счет использования распределителей потока пара, дозирующего устройства и прямоточных смесительных элементов происходит выравнивание расходов флегмы и пара в параллельно расположенных рабочих каналах по поперечному сечению колонны. Частичное подавление эффектов поперечной неоднородности распределения флегмы и пара в рабочих каналах достигается за счет ограничения диаметра рабочих каналов в соответствии с величиной коэффициента ε обогащения целевым изотопом. В рассматриваемом примере на основании ранее проведенных исследований для величины коэффициента ε обогащения жидкой фазы по изотопу N ε=0,0038 (при температуре нормального кипения 21°C) диаметр трубок выбран равным 50 мм.
Расходы пара в рабочих каналах могут отклоняться от расчетных величин из-за неравномерного распределения потока пара между рабочими каналами, вызванного, например, несовершенством газового тракта колонны или неоднородным течением жидкости через насадочные элементы рабочих каналов. Неоднородности распределения потока пара между рабочими каналами приводят в свою очередь к снижению разделительной способности установки.
Существенное снижение влияния дисперсии расхода пара между рабочими каналами обеспечивается с помощью распределителей 13 потока пара, которые устанавливаются между модулями (контактными устройствами колонны) и под нижним модулем колонны. Изолированное течение жидкой фазы рабочего тела через распределители 13 потока пара организовано по параллельно расположенным проходным трубкам 14, соединяющим рабочие каналы близлежащих модулей.
Распределители 13 обеспечивают перераспределение потока пара по поперечному сечению колонны. Паровая фаза рабочего тела перемешивается в распределителях 13, и концентрация целевого изотопа в паровой фазе выравнивается по всей площади поперечного сечения колонны. Вследствие этого в каждый рабочий канал равномерно поступает паровая фаза рабочего тела с равной концентрацией целевого изотопа.
Выравнивание состава пара рабочего тела по площади поперечного сечения колонны осуществляется с помощью распределителей 13 потока пара, состоящих из двух плоских рассекателей потока (перфорированных пластин 17 и 18), между которыми в два ряда установлены смесительные элементы 19 и 20 (см. фиг.2). В качестве смесительных элементов применяются блоки пакетной насадки с плоскими рассекателями пара, выполненными в виде пластин 21 и 22, и наклонными лопатками 24. Применение в рассматриваемом примере конструкции установки блоков пакетной насадки в качестве смесителей пара обусловлено низким гидродинамическим сопротивлением рабочих каналов данного типа смесителей.
Выравнивание поля скоростей потока пара на входе в смесительные элементы 20 и на выходе из смесительных элементов 19 осуществляется с помощью рассекателей потока пара в виде перфорированных пластин 17 и 18. Пластины 21 и 22 смесительных элементов ориентированы вертикально, т.е. вдоль направления движения восходящего потока пара рабочего тела. В вертикальном направлении ориентированы также и рабочие каналы 25, образованные пластинами 21 и 22 и наклонными лопатками 24. В процессе движения восходящего потока пара через смесительные элементы 20 и 19 происходит разделение потока пара в рабочих каналах 25 на отдельные элементарные потоки, которые начинают перемещаться в азимутальном направлении (в горизонтальных сечениях колонны между перфорированными пластинами 17 и 18).
Упорядоченное движение и перемешивание пара происходит за счет горизонтального смещения отдельных потоков при обтекании наклонных лопаток 24 и изменения направления движения потоков пара на 90° в горизонтальном направлении при переходе из рабочих каналов смесительных элементов 20 нижнего ряда в рабочие каналы смесительных элементов 19 верхнего ряда. Изменение направления движения отдельных потоков пара в горизонтальном направлении обеспечивается за счет того, что рассекатели (пластины 21 и 22) близлежащих блоков пакетной насадки, расположенных вдоль вертикальной оси многоканальной колонны, ориентированы в горизонтальной плоскости во взаимно перпендикулярных направлениях.
Снижение дисперсии концентраций целевого продукта в восходящем потоке пара при его прохождении через последовательно расположенные блоки пакетной насадки (смесительные элементы 20 и 19) можно объяснить следующим образом.
i
i
i
Потоки пара, поступающие в рабочие каналы 25 смесительных элементов 20, имеют концентрации N±ΔN, где i - номер рабочего канала, ΔN - случайное отклонение от номинального значения концентрации N в i-ом рабочем канале. При смещении отдельных потоков пара в горизонтальной плоскости происходит перемешивание элементарных потоков и усреднении случайных величин ΔN по всей площади поперечного сечения колонны. Вследствие этого снижается дисперсия концентраций элементарных потоков на выходе из рабочих каналов 25 распределителя потока пара. При использовании двухступенчатого размещения смесительных элементов 19 и 20, выполненных в виде блоков пакетной насадки, достигается семикратное снижение дисперсии концентрации целевого изотопа в поперечном сечении потока пара.
При использовании распределителей 13, установленных перед рабочими модулями 11 вдоль восходящего потока пара, обеспечивается равномерное распределение концентрации целевого продукта по поперечному сечению многоканальной колонны. В этом случае существенно снижается случайное отклонение величины концентрации целевого продукта в рабочих каналах колонны. В результате повышается производительность процесса разделения изотопов при применении рабочих тел, имеющих низкие значения коэффициента обогащения.
Процесс работы колонны в целом включает следующие этапы. Поток жидкого рабочего тела разделяется с помощью дозирующего устройства 5 на равные парциальные потоки по количеству рабочих каналов колонны. Каждый из выделенных парциальных потоков проходит через индивидуальный каскад последовательно соединенных рабочих каналов. Каплеобразная фракция восходящего потока пара поступает в рабочие каналы контактного устройства через зазоры, образованные между трубками 2 и 14.
В изотопном обмене «пар - флегма» участвует поток флегмы, стекающий в вертикальном направлении из верхнего буфера 3 в нижний буфер 4, и восходящий поток пара, перемещающийся в направлении из нижнего буфера 4 в верхний буфер 3. Перед прохождением через каждый модуль 11 концентрация потока пара, прошедшего через расположенный ниже модуль, выравнивается вдоль поперечного сечения колонны в распределителях 13. Равномерное распределение концентрации пара обеспечивается путем разделения потока пара на отдельные потоки и их перемешивания. Вывод целевого продукта после многократной фракционной перегонки двуокиси азота осуществляется через узел 10 вывода целевого продукта.
15
В процессе работы установки в испарителе 8 накапливается обогащенная изотопом N азотная кислота в виде кубового остатка. Накопление примеси в рабочем теле происходит за счет следовых остатков азотной кислоты, содержащихся в жидкой двуокиси азота, подаваемой в верхний буфер 3 из вспомогательной колонны. Кубовой остаток может выводиться из испарителя 8 в виде дополнительного целевого продукта.
2
2
Кубовой остаток, накапливаемый в испарителе 8, может быть восстановлен до двуокиси азота с помощью конвертера 9, входящего в состав нижнего узла обращения потоков. Кубовой остаток поступает из испарителя 8 в конвертер 9, в котором азотная кислота восстанавливается диоксидом серы до суммы окислов азота NO и NO. Полученная окись азота затем окисляется в конвертере 9 до двуокиси азота. Для обеспечения работы конвертера 9 на его вход подается диоксид серы. В качестве побочного продукта реакций из конвертера 9 выводится серная кислота. Восстановленное рабочее тело (NO) подается из конвертера 9 в парообразном состоянии в нижний буфер 4 колонны, куда поступает также парообразное рабочее тело из испарителя 8.
Достигаемый технический результат можно оценить на основании выбранных для рассматриваемого примера реализации изобретения параметров. Точность распределения флегмы по рабочим каналам: ~1%. Точность калибровки рабочих каналов по величине сопротивления газовому потоку: не хуже 5%. Скорость движения пара в рабочих каналах: ~0,75 м/с. Высота ступени колонны: ~1,5 м.
15
15
При указанных выше условиях в колонне, собранной из двенадцати секций, исходный продукт может быть обогащен по целевому изотопу в 2,5 раза. В случае использования в каждой секции колонны 100 рабочих каналов диаметром 50 мм годовая производительность установки по производству изотопа азота N достигнет 50 кг/год. Данное количество целевого продукта удовлетворяет требованиям промышленного производства целевого изотопа азота N.
Приведенные данные подтверждают возможность существенного повышения производительности процесса разделения изотопов при использовании рабочих тел, имеющих низкие значения коэффициента обогащения. Данный результат достигается за счет устранения эффекта поперечной неоднородности потоков флегмы и пара по поперечному сечению колонны.
15
15
Описанный выше пример осуществления изобретения основан на конкретной конструкции установки, предназначенной для производства изотопа азота N, однако возможны и другие варианты реализации изобретения в зависимости от выбранного целевого продукта и рабочего тела. Так, например, в качестве рабочего тела для производства изотопа азота N может использоваться окись азота (NO) либо жидкий азот.
10
3
Установка может применяться для производства других изотопов, например изотопа бора B методом дистилляции BF (коэффициент обогащения ε=0,007). Среди иных возможных областей применения установки для разделения изотопов можно отметить процесс выделения трития из тяжелой воды, используемой в качестве теплоносителя в первом контуре реакторов с тяжелой водой. Для решения данной задачи установка для разделения изотопов может содержать ~500 рабочих каналов в каждой из пяти ступеней колонны. Высота ступени колонны выбирается в диапазоне от 0,5 до 1 м.
В конкретных вариантах конструкции установки в зависимости от решаемых задач и вида рабочего тела выбираются определенные характеристики установки для разделения изотопов, а также дополнительные узлы и блоки, обеспечивающие работу установки. В частности, при использовании в качестве рабочего тела двуокиси азота для восстановления кубового остатка может применяться конвертер азотной кислоты (согласно представленному выше примеру реализации изобретения). В зависимости параметров установки выбираются виды и размеры насадок в рабочих каналах, конструкция распределителей потока пара и конструкция дозирующего устройства.
Изобретение может найти широкое применение в технологических процессах разделения различных изотопов методом фракционной перегонки жидкого рабочего тела, например, в атомной энергетике.
Перечень цифровых обозначений элементов конструкции установки для разделения изотопов, изображенных на фиг.1-6:
1 - многоканальная колонна;
2 - трубки модулей колонны;
3 - верхний буфер колонны;
4 - нижний буфер колонны;
5 - дозирующее устройство;
6 - раздаточные трубки;
7 - конденсатор;
8 - испаритель;
9 - конвертер;
10 - узел вывода целевого продукта;
11 - рабочий модуль;
12 - насадка в рабочих каналах;
13 - распределитель потока пара;
14 - проходные трубки;
15 - чашеобразные улавливатели;
16 - тарелки с углублениями;
17 и 18 - перфорированные пластины;
19 и 20 - смесительные элементы;
21 - пластины (рассекатели потока пара);
22 - несущие пластины;
23 - дистанцирующие элементы;
24 - наклонные лопатки;
25 - рабочие каналы смесительных элементов;
26 - распределительный узел;
27 - приемный узел;
28 - U-образные трубки;
29 - патрон U-образной трубки;
30 - насадка патрона U-образной трубки;
31 - калибровочная трубка;
32 и 33 - установочные втулки;
34 - входная камера;
35 - трубка подвода жидкой двуокиси азота;
36 - распределительная камера;
37 - проницаемые перегородки рассекателя потока;
38 - насадка рассекателя потока;
39 - ячейки в днище приемного узла;
40 - выходной патрубок U-образной трубки;
41 - опоры крепления распределительного узла;
42 - опоры крепления приемного узла;
43 - опорная рама.