СОРБЦИОННАЯ КОЛОНКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОРБЕНТОВ

Заявленное техническое решение относится к радиохимической промышленности (неводные технологии регенерации отработавшего ядерного топлива, ОЯТ). Колонка предназначена для проведения в условиях перчаточного бокса или дистанционного обслуживания (в защитной камере) процессов испытаний неорганических сорбентов сорбцией на них летучих радиоактивных парогазовых смесей, образующихся при обработке ОЯТ газами (газообразные гексафториды урана, плутония и некоторых продуктов деления (ПД), избыточный фтор, кислород и др. газы) при повышенной температуре. Полезная модель может быть использована в любых случаях, когда необходимо определить свойства сорбентов.
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым техническим решением по наибольшему количеству существенных признаков, является устройство, адсорбер периодического действия с неподвижным слоем поглотителя [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1971, стр. 605, 606.], включающий корпус в виде цилиндрической емкости с размещенными внутри гранулами сорбента, патрубок для входа парогазовой смеси, патрубок для выхода обработанного газа, патрубки для загрузки и выгрузки сорбента. Устройство позволяет при поступлении через входной патрубок сорбируемых летучих радиоактивных парогазовых смесей, индивидуальных или в смеси, собирать и накапливать их в слоях гранул сорбента. Устройство может служить и для испытания сорбентов для определения их технологических и других параметров. При этом гранулы, расположенные в первых по очереди контакта слоях обычно накапливают больше сорбируемых компонентов, так как взаимодействуют с более насыщенными по летучим ПД газами. Неравномерность может быть и в радиальном направлении сорбционной колонки, а также эта закономерность распределения может по разному проявляться для каждого из улавливаемых компонентов. Ввиду такой неопределенности для анализа берут целиком каждый слой сорбента испытательной сорбционной колонки. Обычно момент завершения накапливания сорбента определяют началом проскока сорбирующихся компонентов - заканчивают процесс перед тем как из колонки начнется проход неуловленных компонентов. Отбор проб гранул сорбентов по интересующим слоям производят после завершения накапливания. По результатам анализа отобранных проб определяют эффективность работы сорбента.
Недостатком прототипа является то, что устройство не позволяет производить достаточно точный отбор проб по каждому четко разграниченному по длине колонки слою, который давал бы адекватную характеристику сорбционных качеств сорбента.
Указанный недостаток обусловлен тем, что происходит перемешивание слоев при попытке послойного высыпании материала отработавшего сорбента из колонки. Распиливание данной колонки по линии слоев после завершения сорбции оказывается сложной и трудоемкой операцией, а решение проблемы за счет увеличения длины колонки (и, соответственно, количества взятого для испытания сорбента) также приводит к усложнению из-за вынужденного возрастания радиоактивности, и, в конечном счете, приводит к удорожанию испытаний.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение качественного испытания сорбента при одновременном снижении трудозатрат путем минимизации количества сорбента, взятого для испытаний.
Для этого сорбционная колонка периодического действия с неподвижным слоем поглотителя, включающая цилиндрический корпус для размещения сорбента, входной патрубок для подачи обрабатываемой парогазовой смеси, выходной патрубок для отвода обработанного газа и патрубки для загрузки и выгрузки сорбента, выполнена так, что корпус колонки имеет форму трубы, при этом патрубки загрузки-выгрузки снабжены во входной части небольшим воронкообразным уширением, а далее в остальной части патрубки загрузки-выгрузки имеют тот же внутренний рабочий диаметр и направление по оси, что и канал трубы корпуса, в котором располагается сорбент, размещенный, по меньшей мере, в двух патронах, помещенных последовательно один за другим в канале трубы колонки. Патроны выполнены состоящими из гильзы и вставляемого туда внутрь съемного тарельчатого перфорированного либо пористого донышка. Гильза и тарельчатое донышко выполнены упруго прилегающими к внутренним сопрягаемым поверхностям, дающими возможность плавного перемещения патрона вдоль оси колонки и фиксации его в нужном месте. Гильза снабжена сверху и снизу радиальными консольными выступами, из которых нижние выступы служат в качестве несущей опоры для донышка с грузом сорбента и опоры с соседним нижним патроном, а верхние выступы служат опорой для верхнего патрона, при этом дополнительно эти выступы используются при засылке и извлечении патрона из канала сорбционной колонки.
Наличие нескольких патронов в сорбционной колонке позволяет устранить недостаток прототипа - смешивание изучаемых слоев сорбента при их извлечении. Каждый патрон содержит то выделенное дифференцированное количество испытуемого сорбента по толщине, которое необходимо для изучения данного слоя и, таким образом, позволяет с лучшим качеством определить рабочие свойства этого слоя и в целом всего сорбента, т.к. избегается смешивания слоев сорбента по длине колонки при извлечении изучаемого сорбента из колонки.
То, что внутренняя поверхность корпуса сорбционной колонки, выполнена в виде трубы, и при этом патрубки загрузки-выгрузки снабжены во входной части небольшим воронкообразным уширением, а далее в остальной части патрубки загрузки-выгрузки имеют тот же внутренний рабочий диаметр и направление по оси, что и канал трубы корпуса, позволяет осуществить загрузку патронов с сорбентом в колонку. При отсутствии данных признаков цель полезной модели не достигается.
Гильза и края тарельчатого донышка выполнены упруго прилегающими к внутренним сопрягаемым поверхностям: гильза - к поверхности канала, а края тарелки - соответственно к поверхности гильзы, что дает возможность плавного перемещения патрона вдоль оси колонки и фиксации его в нужном месте. Такая конструкция обеспечивает то, что весь поток изучаемой парогазовой смеси проходит через сорбент. При отсутствии упругого прилегания часть газов проходит через щели мимо сорбента, что ухудшает результаты испытания.
Само наличие съемного тарельчатого перфорированного или пористого донышка необходимо для удержания сорбента в патроне, т.к. обычно сорбент используют в виде гранул, диаметр которых в 8-20 раз меньше диаметра канала сорбционной колонки, а диаметр перфорации выбирают таким, чтобы гранулы не проваливались через них, но пропускали газ.
Донышко патрона, выполненное съемным, вставленным внутрь гильзы с возможностью его небольшого радиального смещения, также необходимо для достижения цели. Учитывают то, что сорбент, а также стенки канала колонки при взаимодействии с парогазовыми смесями могут изменять свои механические свойства, что может привести к застреванию патронов при их извлечении, что приведет к потере ценного материала. Устранение жесткого контакта патрона со стенками колонки путем придания упругой тарельчатой формы боковой поверхности донышка необходимо для достижения цели.
Гильза снабжена сверху и снизу радиальными консольными выступами, верхние из которых служат для опоры с соседним патроном, а нижние - для опоры донышка и опоры с соседним нижним патроном. При наличии радиальных выступов патроны можно сталкивать вплотную друг к другу в единую стопку и передвигать их вдоль канала колонки. При отсутствии радиальных выступов сверху и снизу донышко проваливается, а патроны могут налезать друг на друга, вызывая их порчу.
Новыми существенными признаками позволяющими решить поставленную задачу обеспечения качественного испытания сорбента при одновременном снижении трудозатрат путем минимизации количества сорбента, взятого для испытаний является то, что корпус колонки выполнен в виде трубы, при этом патрубки загрузки-выгрузки снабжены во входной части небольшим воронкообразным уширением, а далее в остальной части патрубки загрузки-выгрузки имеют тот же рабочий диаметр и направление по оси, что и канал трубы корпуса, в котором располагается сорбент, размещенный, по меньшей мере, в двух патронах, помещенных последовательно один за другим в канале колонки; патроны выполнены состоящими из гильзы и вставляемого туда внутрь съемного тарельчатого перфорированного либо пористого донышка, при этом гильза и тарельчатое донышко выполнены упруго прилегающими к внутренним сопрягаемым поверхностям, дающими возможность плавного перемещения патрона вдоль оси колонки, фиксации его в нужном месте, гильза снабжена сверху и снизу радиальными консольными выступами, из которых нижние выступы служат в качестве несущей опоры для донышка с грузом сорбента и опоры с соседним нижним патроном, а верхние выступы служат опорой для верхнего патрона, при этом дополнительно эти выступы используются при засылке и извлечении патрона из канала сорбционной колонки.
В технической и патентной литературе встречаются устройства, включающие патрон или ампулу - синоним слова патрон при определенных случаях. Например, патрон (ампулу), содержащую исследуемый материал засылают в облучательный канал реактора, при этом материал может удерживаться в корпусе цилиндрической формы и иметь фиксирующие приспособления, упоры, элементы, позволяющие извлечь патрон после облучения и т.п., но такая ампула со своими закрытыми для контакта с парогазовыми смесями конструктивными элементами не может обеспечить работу для испытания сорбентов в технологии ОЯТ.
В данном случае они проявляют новые, не описанные в патентной и технической литературе свойства. А именно: необходимость двух и больших количеств патронов. Обычно для получения достоверных результатов необходимо иметь не менее пяти экспериментальных точек, т.е. пять патронов. Возможность получения положительного результата и пути достижения цели неочевидны. Необходимо проработать ряд технических решений, а именно: конструктивная форма сорбционной колонки и патрона с учетом возможности их простой по доступности практической реализации, выбор материалов, совместимых с парогазовой средой и имеющих нужные механические свойства. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое решение обладает новизной.
Сущность предлагаемого устройства поясняется прилагаемым чертежом сорбционной колонки периодического действия с неподвижным слоем поглотителя, где:
1. корпус сорбционной колонки;
2. входной патрубок;
3. выходной патрубок;
4. накидная гайка;
5. патрон;
6. разрез на гильзе со скосами примыкающих кромок;
7. съемное перфорированное донышко патрона тарельчатого типа;
8. сорбент;
9. радиальный консольный выступ;
Высота сорбционной колонки (без накидных гаек) 300 мм, внешний диаметр по корпусу - 11 мм, внутренний диаметр - 9 мм.
Разрез предлагаемого устройства с поперечными разрывами сверху и снизу, и продольным разрывом в месте нахождения патронов изображено на чертеже. Корпус колонки 1 выполнен в виде трубы, при этом патрубки загрузки-выгрузки 2 и 3 имеют тот же рабочий диаметр и направление по оси, что и канал трубы корпуса, при этом для засылки патронов входная часть обеих патрубков имеет небольшое (на один мм на торце) воронкообразное уширение на глубину 5 мм (примерно половина высоты патрона). Патрубки 2 и 3 служат как для загрузки и выгрузки патронов с сорбентом, так и для подачи и отвода парогазовой смеси, они снабжены накидными гайками 4, с помощью которых они соединяются с установкой, подающей парогазовую смесь. В сорбционной колонне размещают пять патронов 5 по высоте вплотную друг к другу, как обычно при испытаниях. Верхний, шестой патрон показан на рисунке для дополнительного пояснения пустым и стоящим отдельно. Гильза патрона выполнена сгибанием "в трубу" тонкого металлического листа (ширина и длина которого соответствуют высоте и длине окружности гильзы). Кромки коротких сторон сгибаемого листа скошены на фаску (срезаны по плоскости, параллельной образующей цилиндра) и примкнуты друг к другу плоскостями скоса, образующийся косой вертикальный разрез 6 остается на готовом изделии, дает возможность гильзе пружинить, зазор при этом закрыт. Причем требуемая степень упругости и другие необходимые свойства детали достигают как подбором материала, так и последующей обработкой. Таким образом достигается, что гильзы патронов прилегают к стенкам канала колонки.
Радиальные консольные выступы 7 на гильзе патрона выполняют путем Г-образных вырезов кромок заготовок описанного выше металлического листа (в пяти местах с каждой из длинных сторон) и их отгибания под прямым углом с небольшим радиусом.
Донышко 8 тарельчатой формы с перфорацией в средней части и с короткими радиальными вырезами по краю выполнено штамповкой из металлического листа. Радиальные вырезы по краю донышка дают возможность для его радиальных упругих смещений, предотвращающих заедание патрона при его извлечении из колонки. Донышко в патроне опирается на радиальные консольные выступы 7 в нижней части гильзы. Такие же по форме вырезы (см. 7) в верхней части гильзы служат для опоры с нижней частью соседнего патрона. Наличие радиальных выступов с обеих сторон гильзы дают возможность патронам находиться при сближении всегда в опорном положении по линии торца, т.к. между патронами всегда реализуется один из трех контактов: верхний край гильзы - нижний край гильзы, верхний выступ - нижний край гильзы, верхний край гильзы - нижний выступ.
Устройство работает следующим образом.
В патроны засыпают гранулы сорбента 9. Необходимое количество, как сорбента, так и патронов берут исходя из конкретной цели решаемой технической проблемы. Готовый для снаряжения колонки заполненный сорбентом патрон менее чем на 0,5 мм превышает диаметр канала колонки. Воронкообразное уширение во входной части патрубка дает возможность легко вставлять патроны в канал колонки, засылая их один за другим. С помощью шомпола - металлического прутка с наконечником, имеющим внешний диаметр, равный внутреннему диаметру колонки, проталкивают каждый из патронов в требуемое место по длине колонки. Касание патронов между собой при засылке не может вызвать их повреждения или других нарушений, т.к. конструктивно предусмотрено, что каждый вставляемый патрон может упираться в торцевой край гильзы предыдущего патрона, проталкивая его дальше. Наличие радиальных выступов с обеих сторон гильзы дает возможность патронам находиться при сближении всегда в опорном положении по линии торцов, т.к. между патронами всегда реализуется один из возможных трех контактов: торцевой край гильзы каждого последующего вставляемого патрона - торцевой край гильзы патрона предыдущего, радиальный выступ последующего вставляемого патрона - край гильзы предыдущего, край гильзы последующего - выступ предыдущего. Разрез 6 скошенной формы дает возможность гильзе пружинить, при этом грани разреза скользят по сопрягаемым поверхностям и гильза сохраняет цилиндрическую форму. Установку патронов можно производить как через верхний патрубок 2, так и через нижний патрубок 3.
Патроны в канале колонки удерживаются за счет силы трения при упругом контакте. При необходимости свободные промежутки в колонке можно заполнять пустыми гильзами, что позволяет надежнее фиксировать патроны. Снаряженную сорбционную колонку присоединяют с помощью накидных гаек 4 к испытательному узлу для продувки парогазовыми смесями и производят операцию сорбции летучих компонентов смеси на гранулах в снаряженных патронах.
После завершения процесса сорбции колонку снимают с узла испытаний и производят его разборку. Поочередно выталкивая шомполом, патроны извлекают из канала сорбционной колонки через верхний патрубок 2 или же через нижний патрубок 3 в обратной последовательности и отправляют их на анализ. Каждый извлеченный патрон содержит то количество испытуемого сорбента, которое необходимо и достаточно для послойного изучения и позволяет определить его свойства.