ДЕСУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ
DESUBLIMATOR

Заявляемое техническое решение относится к оборудованию для проведения процессов десублимации-сублимации гексафторида урана (ГФУ) для очистки от примесных газов и может быть использовано на разделительных и сублиматных производствах атомной промышленности.
Известна конструкция сублимационного аппарата по патенту РФ на изобретение №2143940 (класс МПК B01D 7/00, дата приоритета 10 января 1999 г.). 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. Это является следствием низкой эффективности 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 к заявляемому техническому решению является десублимационный аппарат по патенту РФ №2 383 379 (класс МПК В01D 7/00, с приоритетом от 04.12.2007), принятый за прототип. Десублимационный аппарат содержит 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. 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, причем защитный экран размещен с зазором относительно газораспределительного устройства. Нагреватель смонтирован на наружной стенке корпуса, а 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; а 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, а корпус аппарата установлен на весоизмерительные датчики.
Десублимационный аппарат работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. При работе в режиме десублимации хладоноситель (фреон в виде парожидкостной смеси) направляется в теплообменник и охлаждает сублимационную камеру, в которую подают технологический газ, представляющий собой смесь ГФУ и примесных газов. Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе стенки сублимационной камеры. ГФУ десублимируется на холодных поверхностях сублимационной камеры, а примесные газы отводятся через патрубок отвода технологического газа. Эффективность улавливания ГФУ при десублимации характеризуется количеством ГФУ, уносимого с примесными газами. Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладоносителя и технологического газа прекращается. Нагревателями теплообменного элемента и наружной стенки сублимационной камеры доводят температуру в аппарате до температуры сублимации ГФУ. Сублимированный ГФУ отводится из сублимационной камеры через патрубок отвода технологического газа. В процессе сублимации твердый ГФУ постоянно соприкасается с винтовой поверхностью перегородок основной секции. Нелетучие соединения урана вместе с ГФУ соскальзывают по винтовой поверхности перегородок и накапливаются в нижней части десублимационной камеры.
Недостатками данной конструкции, в случае использования аппарата при технологических режимах с отсутствием образования на перегородках нелетучих соединений урана, являются:
1. система электрического нагрева стенок корпуса, снижающая КПД аппарата при проведении процессов десублимации;
2. высокая сложность изготовления каналов подачи ГФУ газораспределительного устройства.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в разработке экономичного и технологичного в изготовлении десублимационного аппарата с повышенным КПД.
Для решения этой задачи предлагается десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, в котором расположены патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладагента, цилиндрический десублиматор с закрепленными на его наружной поверхности перегородками; 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 цилиндрический нагреватель; кольцевая десублимационная камера образована наружной поверхностью десублиматора с перегородками и защитным экраном; содержит две секции - основную и доулавливающую, перегородки основной секции выполнены в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида. Согласно заявляемого технического решения, нижняя часть корпуса выполнена с диаметром большим, чем у верхней части корпуса; отверстия для подачи технологического газа выполнены в нижней части защитного экрана; нижнюю часть основной секции охватывает кольцевая камера распределения технологического газа, образованная защитным экраном и внутренней стенкой нижней части цилиндрического корпуса, в нижней части корпуса выполнен патрубок слива раствора при промывке; корпус аппарата установлен на весоизмерительные датчики.
На фигуре изображен заявляемый десублимационный аппарат.
Десублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус (1), состоящий из верхней (2) и нижней (3) частей. Верхняя часть (2) цилиндрического корпуса (1) заключена в теплоизолирующий кожух (4) и снабжена патрубком отвода примесных газов (5). Нижняя часть цилиндрического корпуса (3) снабжена патрубком (6) для подвода-отвода технологического газа. Внутри цилиндрического корпуса (1) соосно размещены цилиндрический десублиматор (7) и защитный экран (8). Во внутренней полости цилиндрического десублиматора (7) установлен теплообменник (9), состоящий из корпуса теплообменника (10) и кольцевого испарителя (11), во внутренней полости которого установлен цилиндрический нагреватель (12). Спиралевидная испарительная полость (13), образованная внутренней стеной корпуса теплообменника (10) и кольцевым испарителем (11), составляет с трубопроводами подвода (14) и отвода (15) хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом (16) замкнутую холодильную систему. Наружная поверхность цилиндрического десублиматора (7), снабженная перегородками (17, 18, 19) в совокупности с защитным экраном (8) образуют десублимационную камеру. Десублимационная камера состоит из двух секций - основной (20), предназначенной для десублимации основной массы ГФУ, и доулавливающей (21), предназначенной для доулавливания ГФУ из газовой смеси, поступающей из основной секции десублимационной камеры (20). Перегородки цилиндрического десублиматора (18) основной секции десублимационной камеры (20) выполнены в виде многозаходного винта на основе кольцевого винтового коноида. Перегородки цилиндрического десублиматора (19) доулавливающей секции десублимационной камеры (21) выполнены в виде горизонтальных колец. В нижней части (3) цилиндрического корпуса (1) расположена кольцевая камера (22) для распределения технологического газа, образованная защитным экраном (8) и внутренней стенкой нижней части (3) цилиндрического корпуса (1). Для обеспечения необходимого объема кольцевой камеры распределения технологического газа (22) нижняя часть (3) цилиндрического корпуса (1) выполнена большего диаметра, чем его верхняя часть (2). В нижней части защитного экрана (8) выполнены отверстия (23) для подачи технологического газа в основную секцию десублимационной камеры (20). Защитный экран (8) размещен с технологическим зазором А относительно внутренних стенок верхней части (2) цилиндрического корпуса (1). В нижней части (3) цилиндрического корпуса (1) выполнен патрубок (24) для слива раствора при периодической промывке внутренней полости десублимационного аппарата. Цилиндрический корпус (1) установлен на весоизмерительные датчики (25).
Десублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. В режиме десублимации в работу включен компрессорно-конденсаторный агрегат (16), который обеспечивает циркуляцию хладагента, например, хладона через спиралевидную испарительную полость (13). Парожидкостная смесь хладона через трубопровод подвода хладагента (14) подается в верхнюю часть кольцевого испарителя (11), в котором по мере прохождения хладона по спиралевидной испарительной полости (13) происходит испарение жидкостной составляющей хладона при низких температурах, в результате чего охлаждается цилиндрический десублиматор (7) с перегородками (17, 18 и 19). Пары хладона откачиваются из нижней части спиралевидной испарительной полости (13) через трубопровод отвода хладагента (15) компрессорно-конденсаторным агрегатом (16). Технологический газ через патрубок подвода-отвода технологического газа (ГФУ) (6) попадает в кольцевую камеру распределения технологического газа (22), откуда через отверстия для подачи технологического газа (23) в нижней части защитного экрана (8) поступает в основную секцию (20) десублимационной камеры, где на охлажденных поверхностях перегородок (17 и 18) происходит десублимация основной массы ГФУ. Далее примесные газы с небольшим количеством ГФУ попадают в доулавливающую секцию десублимационной камеры (21), где за счет более развитой поверхности и большей продолжительности контакта газа с охлажденной поверхностью перегородок цилиндрического десублиматора (19) десублимируются остатки ГФУ, а примесные газы выводятся из аппарата через патрубок отвода примесных газов (5).
После заполнения заявляемого десублимационного аппарата ГФУ в режиме десублимации, что может контролироваться при помощи весоизмерительных датчиков (25), десублимационный аппарат переводится в режим сублимации. Для перевода десублимационного аппарата в режим сублимации компрессорно-конденсаторный агрегат (16) выключают из работы, и при помощи цилиндрического нагревателя (12) осуществляется нагрев цилиндрического десублиматора (7) с перегородками (17, 18, 19) до температуры сублимации ГФУ. ГФУ сублимируется с поверхности перегородок (17, 18, 19) и выводится из аппарата через патрубок подвода-отвода технологического газа (6).
Для решения поставленных технических задач в предлагаемом десублимационном аппарате организована кольцевая камера распределения ГФУ, позволяющая отказаться от системы электрического нагрева стенок корпуса и существенно упрощающая конструкцию аппарата по сравнению с прототипом.
Отказ от системы электрического нагрева повышает КПД аппарата, поскольку исключаются энергозатраты на нагрев и потери холодильной системы при проведении процесса десублимации ГФУ; кроме того, существенно удешевляется изготовление десублимационного аппарата за счет более простой и технологичной конструкции.
Источники информации
1. Патент РФ №2143940 «Сублимационный аппарат» (класс МПК B01D 7/00, дата приоритета 10 января 1999 г.).
2. Патент РФ №2383379 «Десублимационный аппарат» (класс МПК В01D 7/00, с приоритетом от 04.12.2007).