ДЕСУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ
DESUBLIMATOR

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующихся материалов, в частности для проведения процесса десублимации-сублимации тетрафторида кремния или гексафторида урана.
К аппаратам такого назначения предъявляются требования высокой степени улавливания при максимальном заполнении аппарата десублиматом.
Известен сублимационный аппарат [RU № 2244582, В01D 7/02, 59/08, опубл. 20.01.2003 г.]. Аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая камера для теплоносителей и соосная с ней кольцевая сублимационная камера, снабженная нагревателями стенок и кольцевыми перегородками, размещенными с зазором относительно обогреваемой стенки, патрубки ввода и вывода технологических газов, ввода и вывода теплоносителей. Камера для теплоносителей выполнена из труб, установленных хотя бы по одной окружности в сублимационной камере, при этом, нагреватель размещен на обеих стенках сублимационной камеры, а кольцевые перегородки установлены на трубах камеры для теплоносителей. Между трубами камеры для теплоносителей установлены пластинчатые перемычки, кольцевые перегородки имеют отбортовку, которая направлена по ходу технологического газа. Перегородки делят сублимационную камеру на кольцевые сублимационные ячейки.
3
3
Недостатком сублимационного аппарата является низкая наполняемость аппарата десублиматом. Это происходит из-за того, что пары продукта имеют большую удельную массу (например, пары тетрафторида кремния имеют плотность 4,64 кг/м, а гексафторид урана - 15 кг/м) и, поступая в корпус аппарата через патрубок для ввода технологического газа в верхней части корпуса, не успевают распределяться по кольцевым сублимационным ячейкам, а через зазоры между корпусом и отбортовкой кольцевых перегородок перемещаются ("стекают") под действием силы тяжести напрямую к патрубку для вывода технологического газа. Десублимация продукта происходит только в нескольких нижних кольцевых сублимационных ячейках.
Известен сублимационный аппарат [RU №2143940, В01D 7/00, опубл. 10.01.2000 г.], принятый за прототип. Аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей и кольцевая сублимационная камера, патрубки ввода и вывода технологических газов, патрубки ввода и вывода теплоносителей. Аппарат снабжен нагревателем одной из стенок сублимационной камеры и размещенными в камере кольцевыми перегородками, установленными с зазором относительно обогреваемой стенки. Камера для теплоносителей размещена со стороны стенки сублимационной камеры, противолежащей обогреваемой.
Недостатком сублимационного аппарата является низкая наполняемость аппарата десублиматом. Это происходит из-за того, что пары продукта имеют большую удельную массу и, поступая в корпус аппарата через патрубок для ввода технологического газа в верхней части корпуса, не успевают распределиться по кольцевым сублимационным камерам, а через зазоры между корпусом и кольцевыми перегородками перемещаются ("стекают") вдоль обогреваемой стенки под действием силы тяжести напрямую к патрубку для вывода технологического газа. Десублимация паров продукта происходит только в нескольких нижних кольцевых сублимационных ячейках. При этом нарушается принцип противоточного движения потоков технологического газа и теплоносителя, тем самым ухудшая условия теплопередачи между этими потоками.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в наиболее полном использовании поверхности для десублимации продукта и улучшение условий теплопередачи за счет организации противотока технологического газа и теплоносителя.
Для решения этой задачи предлагается десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены соосные с ним кольцевая камера для теплоносителей и кольцевая десублимационная камера, снабженная нагревателем на одной из стенок и кольцевыми перегородками с зазором относительно обогреваемой стенки, причем обогреваемая стенка имеет перегородки высотой не менее ширины зазора между кольцевой перегородкой и обогреваемой стенкой, расположенные внутрь десублимационной камеры. Перегородки выполнены в виде спирали или в виде колец с прорезями, у которых прорези в двух соседних перегородках расположены диаметрально друг напротив друга.
На фиг.1 изображен продольный разрез аппарата, на фиг.2 - выносной элемент А, на фиг.3 - выносной элемент Б, как вариант выполнения аппарата с кольцами, на фиг.4 - сечение В-В с выносного элемента Б.
Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. Соосно с корпусом расположены кольцевая десублимационная камера 3 и камера 4 для теплоносителей. Десублимационная камера имеет внутреннюю стенку 5 и наружную стенку 6, обогреваемую нагревателем 7. Камера 4 содержит патрубок 8 для входа теплоносителя, испаритель 9, камеру испарения 10, торцевую камеру 11, кольцевую камеру 12 и патрубок 13 для выхода теплоносителя. Испаритель 9 снабжен патрубками 14 и 15 для входа и выхода теплоносителя. Торцевая камера состоит из двух выпуклых элементов 16, обращенных выпуклой частью друг от друга и между которыми поддерживается вакуум посредством патрубка 17. Кольцевая камера 12 образована внутренней поверхностью внутренней стенки 5 десублимационной камеры и вытеснителем 18, внутри которого поддерживается вакуум посредством патрубка 17 и ряда отверстий 19 в нем.
На внешней поверхности внутренней стенки 5 установлены кольцевые перегородки 20 с отбортовкой 21 (см. фиг.2), направленной по ходу технологического газа. Перегородки 20 установлена с зазором 22 относительно обогреваемой стенки 6 и с шагом, убывающим в направлении от патрубка 23 для ввода технологического газа к патрубку 24 для вывода технологического газа и выхода десублимата. Кольцевые перегородки установлены только до камеры испарения 10. Перегородки 20 делят десублимационную камеру 3 на ряд последовательно расположенных кольцевых десублимационных ячеек 25, объем которых уменьшается по мере уменьшения расстояния между перегородками. Ниже последней перегородки 20 в десублимационной камере 3 расположена камера доулавливания 26, заканчивающаяся на нижнем уровне торцевой камеры 11.
На обогреваемой стенке 6 расположены перегородки 27, направленные внутрь десублимационной камеры, в виде спирали (см. фиг.1) или в виде колец с прорезями (см. фиг.4). Кольца могут иметь одну или несколько прорезей, но прорези в двух соседних перегородках расположены диаметрально друг напротив друга.
В аппарате осуществляется противоток технологического газа и хладагента и регулирование нагрева стенки 6 десублимационной камеры. Уровень жидкого хладагента контролируется датчиком 28.
Десублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации. При работе в режиме десублимации хладагент, например, в виде жидкого азота подают через патрубок 8 в камеру испарения 10. Испарение хладагента интенсифицируют с помощью испарителя 9 путем подачи в него теплого воздуха. Пары хладагента поступают в кольцевую камеру 12 и выводят через патрубок 13. Расход жидкого хладагента регулируют по датчику 28, установленному в камере испарения. Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе 7, который обогревает стенку 6 десублимационной камеры до температуры, не допускающей десублимацию целевого продукта, например тетрафторида кремния (ТФК). Технологический газ, представляющий собой смесь паров ТФК и инертных газов, поступает через патрубок 23 и посредством верхних одной-двух перегородок 27, частично перекрывающих зазор 22, распределяется по всему кольцевому пространству верхних кольцевых десублимационных ячеек 25, не проваливаясь вдоль обогреваемой стенки 6. При дальнейшем движении часть технологического газа переходит через зазор 22 в ячейку 25, расположенную ниже, а другая его часть задерживается в вышерасположенной ячейке 25 благодаря тому, что часть зазора перекрыта перегородками. Так как свободные проходы в зазоре 22 чередуются в диаметральном и осевом направлениях, то технологический газ с задержками на каждой кольцевой перегородке 20 проходит последовательно все кольцевые десублимационные ячейки 25. Такая задержка позволяет организовать направление потока технологического газа сверху вниз, увеличить время контакта его с охлаждаемой поверхностью стенки 5 и повысить тем самым степень десублимации продукта. Тетрафторид кремния, десублимируясь, осаждается на внешней поверхности внутренней стенки 5. Часть паров ТФК за счет объемной десублимации образует аэрозоли, которые сублимируются вторично при контакте с обогреваемой стенкой 6 в узком зазоре 22. Отбортовка 21 на перегородках 20 увеличивает время контакта аэрозолей с обогреваемой стенкой, что позволяет гарантированно сублимировать аэрозоли, предотвращая их унос из десублимационной камеры. При последовательном прохождении технологического газа из ячейки в ячейку концентрация тетрафторида кремния в парогазовой смеси снижается и становится ниже критического значения, поэтому десублимация его в нижней части десублимационной камеры 3 происходит только на охлаждаемой поверхности, а не в объеме. Для полного улавливания этих паров после самой нижней тарелки 20 предназначена камера доулавливания 26. Благодаря кипению жидкого азота в камере испарения температура внутренней стенки 5 на участке в камере доулавливания имеет предельно низкую температуру. Эта низкая температура создает условия для полного улавливания паров ТФК. Торцевая камера 11 ограничивает камеру доулавливания 26 за счет низкой теплопроводности вакуума, находящегося в ней, и предназначена, чтобы десублимат не накапливался напротив патрубка 24 для вывода технологического газа и не создавал условий закупорки этого патрубка.
Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладагента и технологического газа прекращается. Нагревателем 7 доводят температуру в аппарате до температуры сублимации ТФК. Продукт в виде паров или в жидком виде (в зависимости от давления в аппарате) выводится из десублимационной камеры через патрубок 24. Для ускорения процесса сублимации в камеру 4 можно подавать теплый сухой воздух через патрубок 8, а отработанный воздух выходит из камеры через патрубок 13. Сублимация ТФК начинается со стороны патрубка 24 выхода десублимата, что способствует минимизации сопротивления при выходе продукта.
Десублимационный аппарат предложенной конструкции позволяет обеспечить максимальное заполнение аппарата десублиматом за счет оптимизации движения потока технологического газа в десублимационной камере при высокой степени улавливания паров продукта из парогазовой смеси за счет предотвращения уноса продукта из аппарата в виде аэрозолей.