ВИХРЕВОЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА ОТ ПАРОВ ПРИМЕСЕЙ
SWIRL HEAT EXCHANGE SEPARATOR FOR CLEANING GAS FROM VAPOURS OF ADMIXTURES

Изобретение относится к производству гексафторида низкообогащенного урана и может быть использовано для очистки газовой фазы гексафторида урана от примесей в виде паров фторуглеродов.
Химическая чистота гексафторида урана (ГФУ), используемого в качестве сырья в производстве обогащенного урана, должна обеспечить нормальную эксплуатацию газовых центрифуг очень чувствительных к присутствию посторонних примесей и ядерную чистоту диоксида урана, получаемого из гексафторида низкообогащенного урана и направляемого на приготовление таблетированного ядерного топлива.
n
2n-14
n
2n-20
n
2n-8
n
2n+2
Присутствие фторуглеродов (ФУ) в технологических потоках ГФУ изотопно-разделительных производств обусловлено как их поступлением с сублиматных заводов в сырьевом ГФУ, так и использованием в качестве смазки в элементах оборудования (например, подшипниках подкачивающих компрессоров). Фторуглеродная смазка является продуктом последовательного фторирования и вакуумной перегонки углеродного масла [Максимов Б.Н. и др. Промышленные фторорганические продукты. Справочник / Л.: Химия, 1990. - 464 с.]. Масс-спектр фторуглеродных смазок начинается в районе 500÷550 а.е.м. (соединения типа CF, …, CF) и продолжается до ~1300 а.е.м. (соединения типа CF, …, CF), причем гомологи имеют примерно одинаковую летучесть. Температура начала кипения гомологической смеси фторуглеродной смазки составляет ~ 130°С (при давлении 1,33 кПа). Для справки: температура десублимации ГФУ при давлении 101,3 кПа - 56,4°С.
Низкотемпературная очистка газовой фазы ГФУ от паров ФУ осложнена тем, что переохлажденный гексафторид урана легко десублимируется в виде кристаллов и имеется опасность перекрытия машинных трубопроводов технологического оборудования. Это ограничивает выбор конструкции аппаратов, работа которых связана с низкотемпературной сепарацией и низкотемпературным газоразделением. Кроме того, геометрические размеры аппаратов ограничены требованиями ядерной безопасности.
Для очистки газа от паров примесей известно устройство [DE №2316570, МПК B01D 5/00, 1973] (аналог), состоящее из рабочей камеры, работающей под давлением, имеющей газовпуск и газовыпуск. Очищаемый газ подается в камеру тангенциально. Газовыпуск снабжен нагревателем. В камеру тангенциально введены дюзы для подачи инертного газа (азота) в жидкофазном состоянии.
Известна также установка [RU №2298424 С1, МПК B01D 5/00. Опубл. 05.10.2007] (аналог), предназначенная для очистки газов от паров растворителей, содержащая герметичную камеру с газовыпускным патрубком в верхней ее части и сливным патрубком в нижнем днище, газовпуск и впускной патрубок, снабженный завихрителем с радиальным выходом. Соосно с впускным патрубком прикреплен кольцевой коллектор для криогенной жидкости с входным патрубком. В состав установки входят также контактный теплообменник и кольцевой фильтр, размещенные на верхней части камеры. Греющий теплообменник и донный фильтр размещены в нижней части камеры. Установка позволяет с увеличением концентрации паров растворителя в очищаемом газе увеличить как расход криогенной жидкости, так и проходное сечение для отвода образующегося аэрозоля, а при снижении концентрации уменьшить расход криогенной жидкости.
К недостаткам аналогов относится использование для перевода паров примесей в конденсат дополнительной криогенной жидкости, расходуемой на охлаждение газа, конденсацию паров растворителей и охлаждение обогреваемых стенок камеры.
Известны аппараты газодинамической сепарации из очищаемого газа водных и/или углеводородных компонентов [RU №2291736 С2, МПК B01D 45/12. Опубл. 20.01.2007] (аналог), в которых для конденсации примесей используется закрученная подача потока высоконапорного многокомпонентного углеводородного газа в сопло, изоэнтальпийное расширение газа с охлаждением при истечении с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью в цилиндрическую холодильную камеру, конденсация компонентов в расширенном и охлажденном вращающемся потоке, осаждение конденсата из вращающегося охлажденного потока газа на твердую поверхность холодильной камеры с образованием на ней жидкой пленки и удаление последней через щелевое коаксиальное отверстие в зону с пониженным давлением, которую создают рециркуляционным эжектированием из нее газовой фазы исходным газом, повышение давления очищенного газового потока торможением в диффузоре и дальнейшую его подачу потребителю.
При изоэнтальпийном расширении газа в сопле с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью истечения (300÷360 м/с и выше) потенциальная энергия - давление газа - переходит в кинетическую энергию, при этом газ охлаждается и приобретает статическую температуру около минус 50÷100°С (при исходной температуре газа +10°С).
Аналог предусматривает газодинамическую сепарацию с изоэнтальпийным расширением высоконапорных потоков газа, истекающих из сопла с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью. Это невозможно для технологических потоков гексафторида урана. Использование аппаратов подобной конструкции проблематично также из-за вероятной десублимации ГФУ при интенсивном охлаждении газового потока.
Для очистки и осушки природного газа методом низкотемпературной сепарации известен аппарат [SU №516409, B01D 45/06. Опубл. 05.06.1976. Бюл. №21] (аналог), содержащий корпус с входными и выходными штуцерами для газа высокого и низкого давлений, и установленные в нем сепараторы высокого и низкого давлений со сборниками жидкости, кожухотрубный теплообменник с U-образными трубами, сообщающимися с распределительной камерой. Сепарационные устройства с целью снижения сопротивлению газа выполнены в виде батареи прямоточных циклонных элементов, причем сепаратор низкого давления размещен в кожухе теплообменника.
Интенсификация теплообмена достигается установкой в трубах теплообменника со стороны входа газа высокого давления завихрительных элементов. U-образные трубы теплообменника необходимы для охлаждения газа высокого давления встречным потоком холодного газа низкого давления. Выводимый из камеры высокого давления газ направляется на дросселирование для дополнительного охлаждения и затем поступает в камеру низкого давления на окончательную очистку.
В очищенном, осушенном и подогретом виде газ направляется в магистральный газопровод.
Таким образом, комбинирование процессов теплообмена и сепарации позволяет более эффективно осуществлять разделение потока на составляющие фазы при условии предотвращения гидратообразования в аппаратах с прямоточно-центробежными сепарационными элементами и завихрителями. Для исключения осаждения кристаллогидратов примесных компонентов при захолаживании газа в аппарате в камере высокого давления дополнительно распыляется ингибитор гидратообразования.
Недостатки аналога: необходимость использования антигидратных ингибиторов на стадиях охлаждения и сепарации газа.
В качестве ближайшего аналога к заявляемому аппарату по технической сущности можно отнести вихревой кожухотрубчатый теплообменник [SU №281490, F28D 7/00. Опубл. 14.09.1970. Бюл. №29] (прототип) для охлаждения и очистки выбросных газов от паров примесей с укрепленным в решетках трубчатым пучком и вихревыми энергоразделителями потока охлаждаемого газа, установленными на входе в трубы и выполненными в виде помещенных в трубы втулок с конической поверхностью на участке их контакта с трубами, снабженном винтовой нарезкой, образующей с трубами каналы для ввода газа.
Газ (паровоздушная смесь или газоконденсатная смесь) под избыточным давлением подается через штуцер в газоразделительную полость теплообменника и затем через винтовые сопла втулок поступает внутрь труб теплообменника. В соплах газовому потоку сообщается вращательное движение. В результате температурного разделения потока внутри труб происходит интенсивная конденсация паров. Образовавшийся конденсат стекает по стенкам труб в донную часть и выводится из теплообменника. В межтрубном пространстве циркулирует хладагент. Из донной части теплообменника газовый поток движется в верхний ресивер по переточным трубам, в которых происходит дополнительное его охлаждение и конденсация влаги. Охлажденный и очищенный от конденсата газ выводится из аппарата через штуцер в верхней части теплообменника.
Однако при эксплуатации вихревого кожухотрубчатого теплообменника в качестве сепаратора нарушаются гидродинамические режимы из-за обмерзания отверстий втулок энергоразделителя. По этой причине использование известного аппарата для очистки легко десублимируемого гексафторида урана от паров примесей практически невозможно. Кроме того, предложенную конструкцию вихревого кожухотрубчатого теплообменника по геометрическим размерам невозможно адаптировать к требованиям ядерной безопасности.
Еще одним недостатком прототипа является его предназначение для очистки высоконапорных газов, в то время как давление газовой фазы ГФУ в технологических потоках не превышает 5,3 кПа при температуре до 40°С. При таких напорах гексафторида урана на входе в теплообменные трубы, как показали исследования, закрутка теряет свою интенсивность на расстояниях порядка 7÷9 внутреннего диаметра трубы и далее становится не эффективной для интенсификации теплообмена газового потока со стенками канала.
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, - повышение эффективности газодинамической сепарации и стабилизация гидродинамического режима теплообменного сепаратора при очистке газов от паров примесей, имеющих близкие температуры кипения/сублимации, например, при очистке газовой фазы гексафторида урана от паров фторуглеродов.
Дополнительной технической задачей является упрощение технологии изготовления вихревого теплообменного сепаратора.
Эти технические задачи решаются за счет того, что в вихревом теплообменном сепараторе для очистки газа от паров примесей, содержащем кожух с пучком теплообменных труб, укрепленным в трубных решетках, переточные трубы, подводящий и отводящий штуцера, а также штуцер для слива конденсата, переточные трубы установлены коаксиально внутри теплообменных труб и имеют свободным конец со стороны нижнего торца последних, при этом зазор между свободным концом переточной трубы и нижним торцом теплообменной трубы составляет не менее 1,2 и не более 1,5÷1,7 внутреннего диаметра теплообменной трубы.
Технические задачи дополнительно решаются за счет того, что вихревой теплообменный сепаратор содержит по четыре теплообменных и переточных трубы, что подводящий штуцер дополнительно снабжен раздающим коллектором, обеспечивающим тангенциальный ввод газа в теплообменные трубы.
На фиг.1 изображен общий вид описываемого вихревого теплообменного сепаратора в составе четырех теплообменных и переточных труб; на фиг.2 - поперечное сечение сепаратора в зоне подводящего штуцера.
Вихревой теплообменный сепаратор содержит кожух 1, четыре теплообменные трубы 2, укрепленные в трубных решетках 3 и 4. Внутри каждой теплообменной трубы 2 соосно установлена переточная труба 5, с расстоянием от свободного конца до нижнего торца теплообменной трубы не менее 1,2 и не более 1,5÷1,7 внутреннего диаметра последней. Трубопроводы 6, образующие раздающий коллектор, соединяют теплообменные трубы 2 с подводящим штуцером 7 и обеспечивают тангенциальный ввод газа в кольцевые зазоры, образующиеся между стенками теплообменных 2 и переточных 5 труб. В верхней части сепаратора переточные трубы 5 через втулки 8 соединены с отводящим штуцером 9. Нижние торцы теплообменных труб 2 снабжены штуцерами 10 для слива конденсата фторуглеродной смазки. Межтрубное пространство сепаратора охлаждается водой, которая подводится по штуцерам 11 и отводиться через штуцера 12, что обеспечивает равномерное распределение хладагента по сечению межтрубного пространства с отсутствием застойных зон.
Кроме того, в межтрубном зазоре на участке ввода газа в теплообменные трубы могут быть дополнительно установлены завихрители для придания газу устойчивого вращательного движения.
Вихревой теплообменный сепаратор работает следующим образом.
Поток гексафторида урана, содержащий пары фторуглеродов, из машинного трубопровода (на фиг. не показан) поступает в подводящий штуцер 7, а затем по трубопроводам 6 в кольцевой зазор, образованный теплообменными 2 и переточными 5 трубами. За счет тангенциального ввода газ в межтрубном кольцевом зазоре приобретает вращательное движение. В кольцевом зазоре ГФУ охлаждается за счет теплообмена с одной стороны с водоохлаждаемой стенкой внешней трубы 2 и с другой стороны с более холодной стенкой переточной трубы 5, по которой встречно движется поток ГФУ, имеющий более низкую температуру. Охлаждение ГФУ в кольцевом зазоре сопровождается конденсацией паров фторуглеродов на стенках теплообменной трубы 2, которые в виде пленки жидкости через штуцер 10 стекают в маслоприемник (на фиг. не показан), расположенный под сепаратором. Аэродинамическая сепарация пленки фторуглеродов от газового потока происходит при смене направления движения газа на 180° в нижней части теплообменных труб 2. На данном участке теплообменной трубы за счет разворота газ дополнительно захолаживается, поскольку разворот потока сопровождается скачкообразным изменением (уменьшением) статического давления газа.
Кроме того, в канале переточной трубы 5 в результате разворота потока возникают сильные пульсации статического давления и продольной составляющей скорости газа. На входе в переточную трубу в потоке появляется пульсирующая радиальная составляющая скорости. В результате аэрозоль фторуглеродов, который может быть занесен газом в переточную трубу с участка разворота потока, коагулирует и в виде капельной жидкости отбрасывается на стенку, а затем в виде пленки стекает к свободному концу переточной трубы.
Зазор между свободным концом переточной трубы 5 и нижним торцом теплообменной трубы 2 выбран не менее 1,2 внутреннего диаметра теплообменной трубы для:
- предупреждения образования при меньшем зазоре вихревого течения газа вблизи нижнего торца теплообменной трубы 2. При образовании вихревого потока будет происходить срыв жидкой пленки со стенки и заброс аэрозоля фторуглеродов в канал переточной трубы 5;
- реализации безотрывного дозвукового перетока ГФУ из нижней части теплообменной трубы в канал переточной трубы, исключающего переохлаждение газа с десублимацией ГФУ при развороте;
- увеличения времени адсорбционной конденсации фторуглеродов на стенках канала при минимальной температуре газового потока в нижней части теплообменной трубы;
- обеспечения минимального гидравлического сопротивления зоны разворота.
Одновременно зазор между свободным концом переточной трубы и нижним торцом теплообменной трубы составляет не более 1,5÷1,7 внутреннего диаметра теплообменной трубы, поскольку больший зазор приведет к возникновению в окрестности нижнего торца теплообменной трубы застойной зоны, которая уменьшит интенсивность отвода конденсата фторуглеродной смазки к маслоприемнику.
При движении в переточной трубе 5 газ подогревается встречным потоком ГФУ, чем исключается образование десублимата на стенках отводящего штуцера 9. Очищенный и подогретый гексафторид урана, прошедший сепаратор, через отводящий штуцер 9 снова направляется в межмашинные трубопроводы уранового завода.
На основании проведенных исследований установлено, что условиям наибольшего теплосъема, наименьшего гидравлического сопротивления, при соблюдении ограничений на диаметр сепаратора (~0,4 м) по требованиям ядерной безопасности, отвечает конструкция сепаратора с четырьмя теплообменными и переточными трубами.
Опытно-промышленные испытания конструкции вихревого теплообменного сепаратора показали, что при начальном давлении газовой фазы ГФУ на входе в сепаратор ~4680 Па давление на выходе составляет ~2290 Па, при этом падение давления газовой фазы ГФУ на развороте потока достигает ~2150 Па, падение давления на прямолинейных участках кольцевого зазора и переточной трубы ~150 Па и ~90 Па соответственно. Скорость потока ГФУ на входе в кольцевой зазор составляла ~15 м/с. После разворота скорость потока увеличилась до ~30 м/с. Температура газовой фазы ГФУ после прохождения кольцевого зазора уменьшалась на 5÷6°C, при прохождении разворота за счет расширения газа температура дополнительно уменьшалась на ~1÷2°С.
В качестве хладагента в сепараторе для охлаждения стенок теплообменных труб при испытаниях использовалась промышленная вода с температурой 2÷27°С.
Длина теплообменных и переточных труб (соответственно площадь поверхности теплообмена) определяется массовым расходом ГФУ, подлежащим очистке, и давлением газа на входе/выходе сепаратора. При практической реализации вихревого теплообменного сепаратора отношение длины теплообменной трубы к ее внутреннему диаметру составляла более 10.
Опытным путем установлено, что наличие в конструкции вихревого теплообменного сепаратора раздающего коллектора с трубопроводами 6 для тангенциального ввода газа в межтрубный зазор теплообменных 2 и переточных 5 труб увеличивает эффективность сепаратора примерно на 25%.
Результаты опытно-промышленных испытаний показали, что конструкция вихревого теплообменного сепаратора обладает стабильными эксплуатационными характеристиками, проста по технологии изготовления и обеспечивает эффективную очистку газовой фазы гексафторида урана от паров фторуглеродов. Конструкция обеспечивает температурный режим сепаратора, исключающий переохлаждение газа, способное вызвать десублимацию гексафторида урана.