ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА С ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ ТРАССЫ ТЯЖЕЛОЙ ФРАКЦИИ

Полезная модель относится к оборудованию для разделения смесей газов в поле центробежных сил и касается конструкции газовой центрифуги, у которой для отбора разделенных газовых фракций внутри ротора размещены неподвижные, трубки с входными отверстиями на концевых участках, расположенных во вращающемся со сверхзвуковой скоростью потоке газа.
Известна газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе полый ротор, внутри которого размещена неподвижная отборная трубка с входным отверстием на конце, расположенном на некотором расстоянии от оси вращения ротора и ориентированном против направления вращения ротора (Патент DE №1132500, Кл. В04В 5/08, 1963).
Известна газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе вертикальный ротор и размещенную в нем неподвижную трубку с входным отверстием на конце ее горизонтального участка, ориентированным против направления вращения ротора, причем трубка имеет различную изгибную жесткость по двум взаимно перпендикулярным направлениям (патент JP №54-4786, Кл. В01D 59/20,1979).
Наиболее близкой к полезной модели является газовая центрифуга, содержащая расположенный в корпусе вертикальный ротор и размещенную в нем неподвижную отборную трубку с входным отверстием на концевом участке, ориентированном против направления вращения ротора, причем на концевом участке трубки выполнен срез, образующий два клиновидных выступа, вершины которых расположены на разных радиусах от оси ротора (RU 2059446 С1, Кл. 6 В04В 5/08, B01D 59/20, 1996).
В данных центрифугах происходит непрерывный процесс разделения газовой смеси веществ, подаваемой в ротор на легкую и тяжелую фракции. Отборные трубки разных фракций расположены в разных концах ротора. На входных отверстиях отборных трубок происходит преобразование скоростного напора вращающегося газа в статическое давление, под действием которого осуществляется отбор фракций из ротора. Свободный конец отборной трубки тяжелой фракции должен находиться вблизи стенки ротора, где концентрация тяжелой фракции больше, чем в исходной газовой смеси, подаваемой в ротор. Расположение свободного конца отборной трубки тяжелой фракции должно выбираться таким образом, чтобы на нем происходило оптимальное по интенсивности уменьшение скорости вращения потока газовой смеси, при котором в полости ротора возбуждается оптимальный по величине осевой циркуляционный поток газовой смеси. Производительность центрифуги зависит от величины осевого циркуляционного потока газовой смеси и может быть повышена за счет увеличения радиуса расположения свободного конца отборной трубки тяжелой фракции. Однако при увеличении радиуса расположения свободного конца отборной трубки тяжелой фракции давление тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги увеличивается и превышает максимально-допустимое значение, при котором, в зависимости от температуры окружающего воздуха, может происходить изменение фазового состояния по крайней мере одного из разделяемых веществ и нарушаться непрерывный технологический процесс дальнейшего их разделения в газовой фазе. Кроме того, давление тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги должно находиться в диапазоне давлений, который поддерживается средствами регулирования непрерывного технологического процесса. Поскольку на всем протяжении трассы тяжелой фракции минимальным диаметром проходного сечения является диаметр входного отверстия отборной трубки тяжелой фракции, то для оптимизации проводимости трассы тяжелой фракции необходимо изменять именно этот параметр.
Задача полезной модели состоит в увеличении производительности газовой центрифуги и обеспечении желаемого давления тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги для непрерывного процесса разделения смеси веществ в газовой фазе. Технический результат, обеспечиваемый использованием полезной модели, заключается в увеличении осевого циркуляционного потока газовой смеси без увеличения давления тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги, что достигается оптимальным соотношением параметров отборной трубки тяжелой фракции и радиуса ротора.
В полом роторе высокооборотной газовой центрифуги создается большой градиент давления газовой смеси, при котором давление на оси ротора и давление вблизи стенки ротора различаются на несколько порядков. При расположении отборной трубки в горизонтальном положении с входным отверстием навстречу вращающемуся газу, давление тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги пропорционально радиусу расположения свободного конца трубки. При фиксированной форме свободного конца трубки интенсивность торможения газовой смеси об отборную трубку тяжелой фракции также пропорциональна радиусу расположения свободного конца этой трубки, а кроме того, диаметру ее входного канала. Следовательно, одинаковая интенсивность торможения газовой смеси может быть обеспечена как при расположении свободного конца отборной трубки тяжелой фракции с малым диаметром входного отверстия на большем радиусе, так и при расположении свободного конца отборной трубки тяжелой фракции с большим диаметром входного отверстия на меньшем радиусе. Но в последнем случае давление тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги будет меньше, чем в первом.
Характерными конструктивными параметрами новой полезной модели являются:
- расстояние между стенкой ротора и свободным концом отборной трубки тяжелой фракции от 2 до 7 мм;
- диаметр входного отверстия отборной трубки тяжелой фракции от 1 до 3 мм.
Предлагаемая полезная модель конструкции газовой центрифуги имеет оптимальную проводимость трассы тяжелой фракции, обеспечивает максимум производительности при давлении тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги, которое может поддерживаться существующими средствами регулирования давления, и характеризуется новой совокупностью конструктивных параметров, а именно оптимальным соотношением между параметрами отборной трубки тяжелой фракции и радиусом ротора:
2≤(Rрот-Rт.ф.)/dт.ф.≤3
где: Rрот - внутренний радиус ротора;
Rт.ф. - радиус расположения свободного конца отборной трубки тяжелой фракции;
dт.ф. - диаметр входного отверстия отборной трубки тяжелой фракции.
С увеличением скорости вращения ротора соотношение (Rрот - Rт.ф.) / dт.ф. имеет тенденцию к уменьшению.
Указанная конструкция газовой центрифуги позволяет обеспечить оптимальную интенсивность торможения газовой смеси об отборную трубку, оптимальный по величине осевой циркуляционный поток газовой смеси, максимальную производительность газовой центрифуги. При этом давление тяжелой фракции на выходе из центрифуги находится в диапазоне давлений, поддерживаемом в ступени центрифуг средствами регулирования непрерывного технологического процесса и в котором исключена возможность изменения фазового состояния разделяемых веществ.
На чертеже пояснено устройство предлагаемой полезной модели.
Газовая центрифуга содержит корпус (1) с крышкой (2), установленный в нем тонкостенный цилиндрический ротор (3), снабженный верхней крышкой (4) и размещенным в его полости газовым коллектором (5), содержащим концентрично расположенные с зазорами неподвижные трубки подачи газовой смеси и отборные трубки (6, 7) тяжелой и легкой фракции, нижнюю опору (8) ротора и его верхнюю магнитную опору (9). Ротор приводится во вращение электродвигателем (10).
Газовая центрифуга работает следующим образом.
Подаваемая в полость ротора (3) через коллектор (5) исходная газовая смесь вовлекается во вращательное движение. Под действием центробежных сил газовая смесь разделяется на легкую и тяжелую фракции. Легкая фракция газовой смеси концентрируется на нижнем конце ротора ближе к его оси, отбирается трубкой легкой фракции (7) и выводится из центрифуги. Тяжелая фракция концентрируется вблизи боковой стенки на верхнем конце ротора. При своем вращении часть тяжелой фракции попадает в область отборной трубки тяжелой фракции (6). В зоне расположения концевого участка отборной трубки линейная скорость вращающегося газа превышает скорость звука в нем. При обтекании торцевой части неподвижной трубки с входным отверстием сверхзвуковым потоком газа происходит его притормаживание и изменение направлений его движения. При этом лишь небольшая часть тяжелой фракции попадает во входное отверстие отборной трубки тяжелой фракции (6). Эта часть тяжелой фракции тормозится в наибольшей степени и движется по внутренней полости отборной трубки с дозвуковой скоростью под действием перепада давления на выход из газовой центрифуги. Другая часть газа движется снаружи трубки, выходя из зоны отбора в циркуляционный поток. Направление осевого циркуляционного потока газа внутри ротора обозначено стрелками. При уменьшении расстояния между свободным концом отборной трубки и стенкой ротора происходит увеличение торможения газа и увеличение давления тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги. Независимо от радиуса расположения свободного конца отборной трубки увеличение диаметра входного отверстия также приводит к увеличению торможения газа. В итоге, сочетание радиуса расположения свободного конца отборной трубки и диаметра входного отверстия оказывает существенное влияние на такие важные параметры процесса разделения газовых смесей, как производительность центрифуги и давление тяжелой фракции на выходе из газовой центрифуги.
Установлено, что в промышленных газовых центрифугах для разделения газовых смесей тяжелых изотопов максимум производительности при оптимальном для непрерывного технологического процесса и поддерживаемом существующими средствами регулирования давлении тяжелой фракции достигается только в том случае, если расстояние между стенкой ротора и свободным концом отборной трубки тяжелой фракции примерно в два с половиной раза превышает диаметр входного отверстия этой трубки. Экспериментально подтверждено, что две новые модели центрифуг, имеющие разные габариты и скорости вращения ротора, но одинаковую совокупность конструктивных параметров, указанных в формуле данной полезной модели, имеют оптимальную проводимость трассы тяжелой фракции и являются промышленно применимыми.