УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА НА ПЕРЕРАБОТКУ

Полезная модель относится к ядерной промышленности, а именно к способам и устройствам для подачи газообразного гексафторида урана (ГФУ) на технологические переработки испарением (возгонкой) из емкостей (баллонов).
В транспортных емкостях гексафторид урана (ГФУ) при температуре ≤55°С и при давлении ниже атмосферного находится в твердой фазе. Для испарения (возгонки) ГФУ, для подачи на переработку в технологический процесс необходим подвод тепловой энергии или тепла к поверхности емкости, через которую ведется нагрев ГФУ. Нагрев поверхности емкости может осуществляться различными способами: конвекционный нагрев от нагревателей сопротивления, обогрев, нагретым газом или воздухом, индукционный нагрев. При использовании конвекционного нагрева от нагревателей сопротивления и обогрева нагретым газом или воздухом можно повысить интенсивность теплопередачи к наружной стенки емкости за счет принудительной циркуляции теплоносителя вентиляторами.
ГФУ внутри емкости находится в виде твердого материала и частично в виде газа. При этом внутри емкости принудительная циркуляция отсутствует. На интенсивность теплопередачи от обогреваемой стенки емкости к ГФУ существенно влияет теплопроводность ГФУ. Твердый ГФУ имеет сравнительно низкую теплопроводность, и для того чтобы увеличить интенсивность испарения, необходимо увеличивать температуру нагрева стенки емкости. Поскольку испарение протекает в первую очередь по поверхности контакта ГФУ со стенкой, а в процессе испарения образуется газовый зазор между стенкой и твердым ГФУ, для интенсификации испарения требуется еще дополнительно увеличивать подаваемое количества тепла. По мере завершения испарения в емкости остается такое количество ГФУ, которое при использовании существующих мощностей не обеспечивает подачу необходимого количества газообразного ГФУ на переработку в технологический процесс, в результате снижается производительность.
Из уровня техники известно устройство подачи ГФУ на переработку (см. например, RU 2301464 С2, 20.06.2007), в котором скорость испарения увеличивают путем повышения температуры обогреваемых стенок емкости. При этом увеличиваются температура и давление в зоне испарения, а при температуре ≥64°С ГФУ переходит в жидкое состояние и испарение осуществляется кипением жидкой фазы. Жидкость постоянно находится в контакте со стенкой емкости, а теплопроводность жидкого ГФУ значительно выше, чем у твердого и газообразного, за счет этого процесс теплопередачи протекает более интенсивно, чем обеспечивается более высокая производительность испарения.
Однако абсолютное давление в емкости при этом становится выше 1,5 бар, и любое нарушение герметичности емкости или трубопроводов может привести к выбросу агрессивного газа ГФУ в рабочие помещения. Повышенное давление и температура снижают стойкость конструкционных и уплотняющих материалов, увеличивая степень риска. Большие объемы разогретой жидкости создают угрозу значительных выбросов. Постановка емкости на время испарения в прочный герметичный автоклав и использование трубопроводов снижает вероятность аварии, однако полностью ее не исключает. Кроме того, оборудование (емкость, автоклав, трубы) должны находиться в ведении Ростехнадзора (Котлонадзора). Стоимость оборудования и обслуживания при использовании такого способа резко возрастают, что не исключает риск выброса ГФУ.
Из уровня техники известно устройство подачи ГФУ на переработку (см., например, RU 2203225 С2, 27.04.2003), в котором для повышения интенсивности испарения используют подкачивающие компрессоры. Для обеспечения полного освобождения емкости компрессоры включают, когда в емкости остается ~150 кг жидкого ГФУ. При использовании компрессоров для повышения интенсивности процесса испарения при заданном давлении на выходе в зоне испарения компрессор создает пониженное давление, а следовательно и температуру. Температурный напор и скорость испарения возрастают и, по мере освобождения емкости и затруднения подвода теплоты на испарение, глубину откачки приходится увеличивать. В таблице 1 для примера, приведены параметры, необходимые для обеспечения подачи из емкости в реактор, 35 г/с ГФУ при разной температуре поверхности испарения. Мощность теплопритока в зону испарения при такой производительности должна быть ~5 кВт. Величины давления на входе в реактор (2,25 бара) и температуры горловины емкости (80°С) при расчете приняты постоянными.
Таблица 1
Давление над поверхностью испарения
бар
0,7
0,3
0,1
Температура испарения при этом давлении
°С
50
36
19
Степень сжатия компрессора по давлению
3,2
7,5
22,5
Температура сжатого газа после компрессора
°С
110
133
165
Объемная производительность компрессора
м<sup>3</sup>/час
15
35
105
Мощность, потребляемая компрессором (кпд 0,8)
кВт
0,4
0,7
1,1
Из таблицы 1 видно, что компрессоры работают в очень тяжелых условиях. При степени сжатия больше восьми возникает перегрев компрессора и повышается скорость коррозии материала роторов. Поэтому для нормальной эксплуатации необходимо организовывать работу двух или более компрессоров включенных последовательно с промежуточным охлаждением газа. В связи с этим значительно увеличиваются требования к объемной производительности и степени сжатия подкачивающих компрессоров. При этом невозможно обеспечить постоянную производительность.
Задачей заявленного устройства является обеспечение процесса испарения ГФУ и его подачи на переработку с высокой производительностью и безопасностью.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение интенсивности испарения ГФУ, увеличение производительности процесса подачи ГФУ на переработку, уменьшение энергетических затрат и повышение безопасности.
Технический результат в заявленном устройстве достигается за счет того, что оно содержит емкость для размещения ГФУ с системой ее подогрева, соединенный с емкостью трубопровод для вывода газообразного ГФУ, компрессор, соединенный своим входом с трубопроводом для вывода ГФУ, а выходом - с трубопроводом для отвода ГФУ в реактор и с соединенным с емкостью трубопроводом для подачи избыточного количества газообразного ГФУ обратно в емкость.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что
- компрессор выполнен с возможностью регулирования его производительности.
- устройство снабжено нагревателем, установленным на трубопроводе для подачи избыточного количества газообразного ГФУ в емкость.
Заявленное устройство схематично показано на фиг.1. Устройство содержит емкость 1 для размещения в ней ГФУ, систему 2 нагрева емкости (нагреватели) и компрессор 3 для откачки газообразного ГФУ из емкости 1 и подачи его на переработку в реактор (на чертеже не показан). При этом вход компрессора 3 соединен с трубопроводом 4 для вывода газа, а выход - с трубопроводом 5 для отвода газа на переработку и с трубопроводом 6 для подачи части газа обратно в емкость 1, подсоединенным к емкости 1 в ее верхней части. Для регулирования процесса испарения и подачи ГФУ в трубопроводах 4, 5, 6 предусмотрены вентили 7, 8, 9, 10, 11, а на выходе компрессора 3 установлен расходомер 12 и обратный клапан 13. На входе и выходе компрессора 3 установлены датчики 14 и 15 абсолютного давления, и датчики 16 и 17 температуры. Для повышения производительности на трубопроводе 6 может быть установлен дополнительный нагреватель (на чертеже не показан). В заявленном устройстве целесообразно использовать объемные винтовые компрессоры с регулируемой скоростью вращения роторов и более крутой по сравнению с лопаточными напор-расходной характеристикой. Выбор скорости вращения определяется из условия обеспечения постоянной заданной производительности.
Устройство работает следующим образом.
Твердый гексафторид урана размещенный в емкости 1, испаряют (возгоняют) посредством нагревателей 2, после чего включают компрессор 3 и по трубопроводам 4 и 5 для вывода газа и для отвода газа на переработку подается в реактор. При этом компрессор 3 работает с производительностью, большей, чем необходимо для подачи требуемого количества газообразного ГФУ в реактор, примерно в 3 раза. Заданная производительность подачи газа поддерживается изменением скорости вращения компрессора 3. Избыточное количество газообразного ГФУ по трубопроводу 6 подается обратно в емкость 1. Тем самым обеспечивается циркуляция части газа (газообразного ГФУ) по замкнутому контуру. При необходимости газообразный ГФУ, поступающий обратно в емкость 1 по трубопроводу 6, может подогреваться. Струя циркулирующего газа обеспечивает дополнительный теплоприток в количестве равном примерно половине требуемого на испарение.
Движение газа (газообразного ГФУ) вблизи поверхности испарения и перемешивание газа в объеме внутри емкости 1 улучшают теплопередачу от обогреваемых стенок в зону испарения. Затраты энергии на привод компрессора 3, вследствие увеличения его производительности, возрастают. Однако суммарная энергия на испарение и перекачку ГФУ несколько уменьшается, поскольку дополнительная энергия от компрессора 3 полностью превращается в теплоту и передается непосредственно внутрь емкости 1 без потерь в окружающее пространство, а температура обогрева емкости 1 снижается вследствие сокращения необходимого теплового потока в емкость снаружи и улучшения теплопередачи от обогреваемых стенок в зону испарения.
Таким образом, реализация предлагаемого решения позволит не только интенсифицировать процесс испарения ГФУ при давлении в емкости ниже атмосферного, но и сделать режимы работы компрессоров более равномерными, поскольку диапазоны изменения давления и скорости вращения сокращаются. Мощность компрессора позволяет не снижать производительность испарения практически до полного испарения ГФУ из емкости и не возникает проблем с эвакуацией остатков ГФУ.