МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ С ДИСКРЕТНОЙ ПОДАЧЕЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
MASS EXCHANGER WITH DISCRETE FEED OF GAS

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в исследовательских и энергетических установках с жидкометаллическим свинецсодержащим теплоносителем.
Известно устройство для поддержания заданной концентрации растворенного кислорода в стальном циркуляционном контуре со свинецсодержащим теплоносителем [патент РФ на изобретение №2246561. «Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем и устройство для его реализации (варианты)». МПК C23F 11/00. Опубл. 20.02.2005].
Известное устройство по п.7 формулы указанного патента включает прямоточный участок, установленный в разъеме стального циркуляционного контура, эжектор, расположенный в прямоточном участке, реакционную емкость со средством окисления, установленную в разъеме линии возврата. Входная и выходная части линии возврата соединены соответственно с выходной частью прямоточного участка и с сужением эжектора.
Недостатком известного массообменного аппарата является относительно ограниченная область применения, т.к. его можно использовать только в петлевых контурах установок.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для поддержания заданной концентрации растворенного кислорода в стальном циркуляционном контуре со свинецсодержащим теплоносителем [патент РФ на изобретение №2246561. «Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем и устройство для его реализации (варианты)». МПК C23F 11/00. Опубл. 20.02.2005].
Известное устройство по п.10 формулы указанного патента включает реакционную емкость, содержащую средство окисления и снабженную регулируемой системой обогрева, линию возврата части окисленного теплоносителя с выхода из реакционной емкости на вход в нее. Реакционная емкость выполнена открытой с торцов для прохода теплоносителя и вертикально размещена в подключенной к контуру емкости.
К недостаткам известного массообменного аппарата можно отнести:
- наличие устройства системы обогрева, которое находится под уровнем теплоносителя и может выйти из строя, что приведет к необходимости его замены, а следовательно, к остановке и разгерметизации установки;
- наличие линии возврата части окисленного теплоносителя с выхода из реакционной емкости на вход в нее уменьшает полезный объем массообменного аппарата для размещения твердофазного средства окисления.
Предложенное техническое решение позволяет исключить указанные недостатки, а именно исключить необходимость размещения каких-либо устройств под уровнем теплоносителя, которые могут выйти из строя в процессе эксплуатации, исключить линию возврата части окисленного теплоносителя с выхода из реакционной емкости на вход в нее.
Для исключения указанных недостатков в массообменном аппарате с дискретной подачей газовой среды, включающем емкость, образованную корпусом, днищем, кольцевой крышкой, внутри емкости размещены нижняя решетка, расположенная под уровнем теплоносителя, твердофазное средство окисления, помещенное над нижней решеткой, предлагается:
- использовать камеру смешения, образованную нижней частью корпуса, днищем и нижней решеткой, канал, соединяющий камеру смешения и объем с теплоносителем, верхний торец которого расположен выше камеры смешения, газовый контур, состоящий из побудителя расхода газа, трубопровода для подачи газовой среды,
- одну часть газового контура соединить с газовой полостью объема с теплоносителем и входной частью побудителя расхода газа, а другую часть сообщить с выходной частью побудителя расхода газа через кольцевую крышку и с полостью емкости;
- использовать клапан, подсоединенный к трубопроводу соответственно перед входной и после выходной частями побудителя расхода газа.
В частных случаях реализации массообменного аппарата предлагается:
- массообменный аппарат дополнительно снабдить верхней решеткой, расположенной внутри емкости над твердофазным средством окисления под уровнем теплоносителя;
- массообменный аппарат дополнительно снабдить двумя вентилями, один из которых расположить в части трубопровода, соединяющего газовую полость объема с теплоносителем с входной частью побудителя расхода газа, а другой разместить в части трубопровода, сообщающего выходную часть побудителя расхода газа через кольцевую крышку с полостью емкости;
- массообменный аппарат дополнительно снабдить фильтром для очистки газовой среды, размещенным в трубопроводе перед входной частью побудителя расхода газа;
- массообменный аппарат дополнительно снабдить датчиком давления, подключенным соответственно перед входной и после выходной частями побудителя расхода газа;
- в массообменном аппарате в качестве твердофазного средства окисления использовать оксид свинца в виде засыпки из гранул.
Схема варианта исполнения массообменного аппарата с дискретной подачей газовой среды представлена на чертеже, на котором приняты следующие обозначения: 1 - вентиль; 2 - газовая полость; 3 - днище; 4 - датчик давления; 5 - канал; 6 - клапан электромагнитный; 7 - побудитель расхода газа; 8 - корпус; 9 - крышка кольцевая; 10 - объем с теплоносителем; 11 - решетка нижняя; 12 - решетка верхняя; 13 - твердофазное средство окисления; 14 - теплоноситель, 15 - трубопровод для подачи газовой среды; 16 - фильтр.
Массообменный аппарат с дискретной подачей газовой среды состоит из емкости, камеры смешения, канала 5, газового контура, в состав которого входит побудитель расхода газа 7, трубопровод для подачи газовой среды 15 и клапан 6.
Емкость образована корпусом 8, днищем 3, кольцевой крышкой 9. Внутри емкости размещены нижняя решетка 11, расположенная под уровнем теплоносителя, твердофазное средство окисления 13, помещенное над нижней решеткой 11.
Нижняя решетка 11 предназначена для ограничения перемещения твердофазного средства окисления.
Камера смешения образована нижней частью корпуса 8, днищем 3 и нижней решеткой 11.
Канал 5 соединяет камеру смешения и объем с теплоносителем 10. Верхний торец канала расположен выше камеры смешения.
Через канал 5 осуществляется вход и выход теплоносителя.
Одна часть трубопровода для подачи газовой среды соединяет газовую полость 2 объема с теплоносителем и входную часть побудителя расхода газа 7, а его другая часть сообщает выходную часть побудителя расхода газа 7 через кольцевую крышку 9 с полостью емкости.
Клапан 6 подсоединен к трубопроводу соответственно перед входной и после выходной частями побудителя расхода газа 7. Клапан 6 предназначен для возврата газовой среды из массообменного аппарата в газовую полость 2.
Частные случаи реализации массообменного аппарата
Массообменный аппарат дополнительно снабжен, во-первых, верхней решеткой 12, расположенной внутри емкости над твердофазным средством окисления 13 под уровнем теплоносителя; во-вторых, двумя вентилями 1, один из которых расположен в части трубопровода 15, соединяющего газовую полость 2 объема с теплоносителем с входной частью побудителя расхода газа 7, а другой размещен в части трубопровода 15, сообщающего выходную часть побудителя расхода газа через кольцевую крышку с полостью емкости; в-третьих, фильтром для очистки газовой среды, размещенным в трубопроводе перед входной частью побудителя расхода газа, в-четвертых, датчиком давления, подключенным соответственно перед входной и после выходной частями побудителя расхода газа.
Кроме того, в частном случае выполнения массообменного аппарата в качестве твердофазного средства окисления используют оксид свинца в виде засыпки из гранул.
Твердофазное средство окисления 13 при взаимодействии с теплоносителем растворяется, обогащая теплоноситель кислородом.
Камера смешения необходима для исключения образования на поверхности твердофазного средства окисления соединений на основе присутствующих в теплоносителе примесей компонентов конструкционных материалов (Fe и в меньшей степени Cr), значительно замедляющих процесс растворения.
В камере смешения теплоноситель, прежде чем пройти через реакционную емкость, будет смешиваться с уже окисленным теплоносителем. Таким образом, в камере смешения производится "выжигание" отравляющих примесей, то есть перевод их в химически пассивную форму.
Работа предлагаемого массообменного аппарата основана на принципе газового поршня и заключается в следующем. С помощью побудителя расхода газа 7 газовая среда через трубопровод 15 из газовой полости 2 объема с теплоносителем, в котором расположен массообменный аппарат, нагнетается в полость емкости аппарата сверху и через канал 5 вытесняет дозу (порцию) теплоносителя, обогащенного кислородом, из массообменного аппарата в основной объем теплоносителя 14. При включении побудителя расхода газа клапан 6 закрывается. После подачи порции теплоносителя, обогащенного кислородом, побудитель расхода газа 7 отключается, клапан 6 открывается, газовая среда через клапан 6 возвращается в газовую полость 2, а теплоноситель из основного объема через канал 5 возвращается в полость емкости аппарата, проходя через камеру смешения, в которой он смешивается с уже окисленным теплоносителем. Через заданное время вышеописанный процесс повторяется.
Пример конкретного исполнения массообменного аппарата с дискретной подачей газовой среды
Конструктивные характеристики массообменного аппарата, используемые материалы и оборудование:
корпус 8: внутренний диаметр - 80 мм, высота - 305 мм; материал - нержавеющая сталь 12Х18Н10Т;
решетки 11, 12: размер щелей - 2 мм, материал - нержавеющая рталь 12Х18Н1 ОТ, расстояние между решетками - 260 мм;
высота камеры смешения - 15 мм;
твердофазное средство окисления 13: шаровая засыпка из гранул диаметром 8-9 мм, материал - оксид свинца (PbO) марки «Ч», ТУ 6-09-5382-88;
газовый контур:
трубопровод газового контура 15 - труба 8×2 мм, материал - нержавеющая сталь 12Х18Н10Т;
побудитель расхода газа 7 - компрессор Microwood M41BX А.С. в герметичном корпусе;
клапан 6 - электромагнитный ВФ 1/2Н-4;
вентиль 1 - ручной, Dy8;
датчик давления 4 - САПФИР-22МП-2450-02У2-(-30+50)-0.25-1,6 МПа/16-42-Н1.
Газовая среда: аргон.
Жидкометаллический теплоноситель: сплав Pb-Bi; температура - 400°С.
Производительность по кислороду (при 400°С) - до 0,2 г/ч.