ДЕСУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ
DESUBLIMATION DEVICE

Изобретение относится к оборудованию для проведения процессов десублимации-сублимации гексафторида урана (ГФУ) с целью его очистки от легких примесей и может быть использовано на разделительных производствах атомной промышленности.
Наиболее близким по технической сущности является сублимационный аппарат Сибирского химического комбината, патент RU №2143940, опубликованный 21.01.2000, принятый за прототип. 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.
Сублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. При работе в режиме десублимации хладоноситель (пары жидкого азота) направляется в теплообменник и охлаждает сублимационную камеру, в которую подают технологический газ, представляющий собой смесь ГФУ и легких примесей (воздух, фтористый водород). Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе стенки сублимационной камеры. ГФУ десублимируется на холодных поверхностях сублимационной камеры, а легкие примеси отводятся через патрубок вывода технологического газа. Степень очистки ГФУ при десублимации характеризуется количеством отводимых из аппарата легких примесей. Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладоносителя и технологического газа прекращается. Нагревателем стенки сублимационной камеры доводят температуру в аппарате до температуры сублимации ГФУ. Сублимированный ГФУ отводится из сублимационной камеры через патрубок вывода технологического газа. Для ускорения процесса сублимации в теплообменник подается теплый воздух.
Теплопередача от ГФУ к газообразному теплоносителю (азот, воздух) и от нагревателя стенки сублимационной камеры к ГФУ с использованием конвективного теплообмена малоэффективна. Это значительно ухудшает удельные массогабаритные и энергетические показатели аппарата, снижает степень очистки ГФУ и усложняет выполнение требований по обеспечению ядерной безопасности.
Использование нагревателя стенки сублимационной камеры для предотвращения закупоривания проходного сечения десублимированным ГФУ в процессе десублимации увеличивает удельные энергозатраты на очистку ГФУ.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке экономичного, компактного десублимационного аппарата с высокой степенью очистки ГФУ от легких примесей, удовлетворяющего требованиям ядерной безопасности.
Для решения этой задачи предлагается десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая десублимационная камера с размещенными в ней горизонтальными кольцевыми перегородками, патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладона, нагреватель, причем кольцевая десублимационная камера образована наружной поверхностью установленного в корпусе цилиндрического десублиматора с закрепленными на нем горизонтальными кольцевыми перегородками, на периферии которых равномерно по окружности выполнены пазы, и защитным экраном, установленным между кольцевыми перегородками и корпусом с зазором относительно стенки корпуса; во внутренней полости десублиматора размещен кольцевой испаритель, в наружной стенке которого выполнена испарительная спиралевидная полость, составляющая с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему, во внутренней полости испарителя размещен цилиндрический нагреватель; кольцевая десублимационная камера состоит из двух секций - основной (нижней) и доулавливающей (верхней), при этом перегородки в доулавливающей секции выполнены с меньшим, чем в основной секции, шагом; над десублимационной камерой расположена камера распределения технологических газов, в днище которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки, установленные в пазах кольцевых перегородок по всей высоте десублимационной камеры, состоящие из внутренней трубки с отверстиями и внешней трубки-экрана, расположенной с зазором относительно внутренней трубки, с отверстиями, соосными отверстиям внутренней трубки, но имеющими больший диаметр, причем перфорация на трубках выполнена только в основной - нижней секции десублимационной камеры; корпус аппарата установлен на весоизмерительные датчики; испаритель в доулавливающей секции может иметь самостоятельную испарительную спиралевидную полость, составляющую со своими трубопроводами подвода-отвода хладагента и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом вторую замкнутую холодильную систему.
На фиг.1, 2 представлены разрезы предлагаемого десублимационного аппарата, на фиг.3 - выносной элемент, на фиг.4 представлен вариант исполнения десублимационного аппарата.
Десублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. Корпус 1 снабжен патрубком 3 для подвода и патрубком 4 для отвода технологического газа. Внутри корпуса 1 установлен цилиндрический десублиматор 5, в котором закреплены горизонтальные кольцевые перегородки 6 и 7, ограниченные защитным экраном 8, установленным с зазором 9 относительно стенки 10 корпуса 1. Во внутренней полости десублиматора 5 размещен кольцевой испаритель 11, в наружной стенке которого выполнена испарительная спиралевидная полость12, составляющая с трубопроводами подачи хладагента 13 и отвода хладагента 14 с компрессорно-конденсаторным агрегатом 15 замкнутую холодильную систему. Во внутренней полости испарителя 11 размещен цилиндрический нагреватель 16. Наружная поверхность десублиматора 5, снабженная перегородками 6 и 7, в совокупности с защитным экраном 8 образует кольцевую десублимационную камеру 17, состоящую из двух секций - основной 18 (нижней) и доулавливающей 19 (верхней). Перегородки 7 доулавливающей секции 19 выполнены с меньшим шагом по сравнению с перегородками 6 основной секции 18. Над десублимационной камерой 18 расположена камера распределения технологического газа 20, в днище 21 которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки 22, проходящие в пазах 23, выполненных равномерно по окружности на периферии перегородок 6 и 7, по всей высоте десублимационной камеры 17. Перфорация на трубках 22 выполнена только в основной секции 18, которая предназначена для десублимации основной массы ГФУ. Доулавливающая секция 19 предназначена для доулавливания ГФУ из газовой смеси, поступающей из основной секции 18. Газораспределительные трубки 22 состоят из внутренней трубки 24 с отверстиями 25 для подачи технологического газа и внешней трубки-экрана 26, установленной с зазором 27 относительно трубки 24. В трубке-экране 26 выполнены отверстия 28, соосные с отверстиями 25, но большего по сравнению с отверстиями 25 диаметра. Корпус 1 установлен на весоизмерительные датчики 29.
Испаритель 11 в доулавливающей секции 19 (фиг.4) может иметь самостоятельную спиралевидную полость 30, отдельную от спиралевидной полости в основной секции 18, составляющую со своими трубопроводами подвода 31 и отвода 32 хладона и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом 33 вторую замкнутую холодильную систему.
Десублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. В режиме десублимации в работу включен компрессорно-конденсаторный агрегат 15, который обеспечивает циркуляцию хладона через испаритель 11. Парожидкостная смесь хладона через трубопровод 13 подается в верхнюю часть испарителя 11, в которой по мере прохождения хладона по испарительной спиралевидной полости 12 происходит испарение жидкостной составляющей хладона при низких температурах, в результате чего охлаждается десублиматор 5 с перегородками 6 и 7. Пары хладона откачиваются из нижней части испарителя 11 через трубопровод 14 компрессором агрегата 15. Технологический газ через патрубок 3, камеру распределения 20 и перфорированные газораспределительные трубки 22 поступает в основную секцию 18 десублимационной камеры 17, где на охлажденных поверхностях перегородок 6 происходит десублимация основной массы ГФУ. Далее легкие примеси с небольшим количеством ГФУ проходят через пазы 23 перегородок 6 и попадают в доулавливающую секцию 19, где за счет более развитой поверхности и более длительной продолжительности контакта газа с охлажденной поверхностью перегородок 7 десублимируются остатки ГФУ, а легкие примеси через пазы 23 перегородок 7 выводятся из аппарата через патрубок 4. Для предотвращения десублимации ГФУ в трубках 24 и отверстиях 25 трубки 24 экранированы от охлажденных поверхностей при помощи трубки-экрана 26 с отверстиями 28.
После заполнения аппарата ГФУ в режиме десублимации, что контролируется при помощи весоизмерительных датчиков 29, аппарат переводится в режим сублимации. Для перевода аппарата в режим сублимации компрессорно-конденсаторный агрегат 15 выключают из работы, и при помощи нагревателя 16 осуществляют нагрев десублиматора 5 с перегородками 6 и 7 до температуры сублимации ГФУ. ГФУ сублимируется с поверхности перегородок 6 и 7 и выводится из аппарата через патрубок 3.
С целью увеличения степени очистки ГФУ от легких примесей испаритель может иметь исполнение с двумя испарительными спиралевидными полостями. При этом парожидкостная смесь хладагента через трубопровод 31 подается в верхнюю часть испарителя 11 доулавливающей секции 19, в которой по мере прохождения хладагента по второй испарительной спиралевидной полости 30 происходит испарение хладагента, в результате чего десублиматор 5 с перегородками 7 в доулавливающей секции охлаждается до температур более низких, чем температура десублиматора 5 с перегородками 6 в основной секции 18. Пары хладагента откачиваются через трубопровод 32 компрессором агрегата 33.
В предлагаемом десублимационном аппарате теплопередача от ГФУ к хладагенту в процессе десублимации существенно интенсифицирована за счет низкого термического сопротивления теплоотдачи при кипении хладагента, использование непосредственного нагрева ГФУ при помощи нагревателя через контактирующие с ГФУ поверхности существенно интенсифицирует процесс сублимации, что в совокупности позволяет выполнить компактный, энергетически экономичный аппарат, удовлетворяющий требованиям ядерной безопасности.
Использование замкнутой холодильной системы на базе компрессорно-конденсаторного агрегата делает аппарат автономным в части охлаждения, что повышает удобство в эксплуатации и снижает эксплуатационные затраты.
Выполнение десублимационной камеры двухсекционной и осуществление подачи технологического газа через перфорированные газораспределительные трубки равномерно по всему объему основной секции десублимационной камеры позволяет обеспечить высокую эффективность улавливания ГФУ и необходимую вместимость аппарата по ГФУ за счет равномерного распределения десублимированного ГФУ по объему основной секции десублимационной камеры.
Установка корпуса аппарата на весоизмерительных датчиках позволяет контролировать массу ГФУ в режиме реального времени и автоматизировать систему управления работой аппарата.
Исполнение испарителя с двумя испарительными полостями позволяет десублиматору с перегородками в доулавливающей секции охлаждаться до более низкой, чем в основной секции, температуры, что в свою очередь позволяет повысить степень очистки ГФУ от легких примесей.