МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
MASS-TRANSFER APPARATUS

Область техники
Массообменный аппарат относится к энергетическому машиностроению и может быть использован в энергетических установках с жидкометаллическим теплоносителем, содержащим свинец.
Уровень техники
Наиболее близким к заявленному техническому решению является массообменный аппарат по патенту на изобретение РФ №2246561, C23F 11/00, 20.02.2005], содержащий корпус и размещенную в нем проточную реакционную камеру, заполненную твердофазным гранулированным средством окисления, электрический нагреватель, расположенный в реакционной камере, перфорированную решетку для вывода обогащенного жидкометаллического теплоносителя, расположенную над реакционной камерой, служащую для вывода обогащенного кислородом жидкометаллического теплоносителя, перфорированную решетку для подвода жидкометаллического теплоносителя в реакционную камеру. Линия возврата выполнена в виде кольцевого канала. Корпус размещен внутри имеющей отверстия для прохода теплоносителя цилиндрической обечайки и образует с ней кольцевой канал, нижний торец цилиндрической обечайки заглушен, а ее верхний торец частично перекрыт, в плане, кольцевым козырьком-отбойником.
Недостатком известного устройства является ограниченное время работы, определяемое запасом твердофазного средства окисления. Увеличение ресурса за счет увеличения объема и загрузки реакционной камеры приведет к увеличению потребления электроэнергии, так как одновременно с увеличением объема реакционной камеры необходимо увеличить размеры и мощность нагревателя. Кроме того, имеются проблемы в обслуживании массообменного аппарата, так как при извлечении аппарата для перезарядки реакционной камеры одновременно извлекают и жидкометаллический теплоноситель, заполняющий аппарат и цилиндрическую обечайку.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание массообменного аппарата, обеспечивающего существенное повышение ресурса работы при однократной загрузке твердофазного гранулированного средства окисления без увеличения расхода электроэнергии при работе в режиме обогащения жидкометаллического теплоносителя. Еще одной задачей изобретения является создание массообменного аппарата, при извлечении которого извлекается минимальное количество жидкометаллического теплоносителя. Для решения поставленной задачи предлагается описанный ниже массообменный аппарат.
Технический результат состоит в увеличении ресурса работы и срока службы массообменного аппарата, снижении потребления электроэнергии, обеспечении возможности его размещения в условиях ограниченного пространства, обеспечении автоматической подачи свежего средства окисления и обеспечении удаления жидкометаллического теплоносителя из аппарата при его извлечении.
На указанные технические результаты оказывают влияние следующие существенные признаки массообменного аппарата.
Массообменный аппарат содержит корпус и размещенную в нем проточную реакционную камеру, заполненную средством окисления, снабженную регулируемой системой обогрева, и системы входа и выхода окисляемого материала, при этом корпус аппарата оснащен хранилищем запасного средства окисления.
При этом в массообменном аппарате в качестве регулируемой системы обогрева использован электронагреватель, в частности стержневого типа, а в электронагревателе в качестве нагревательного элемента используется проволока высокого сопротивления из нихрома или фехраля.
При этом хранилище запасного средства окисления состоит из днища и боковой стенки, образованной нижней частью корпуса, а в верхней части боковой стенки хранилища запасного средства окисления, примыкающей к реакционной камере, выполнены отверстия. Кроме этого, в нижней части боковой стенки хранилища запасного средства окисления выполнены отверстия.
При этом хранилище запасного средства окисления расположено ниже реакционной камеры и ниже нижнего торца электрического нагревателя. Кроме этого, в исходном состоянии объем хранилища запасного средства окисления заполнен средством окисления.
При этом проточная реакционная камера образована средней частью корпуса, ограниченной снизу верхней частью хранилища запасного средства окисления и сверху - ограничивающей решеткой, а в ограничивающей решетке выполнены отверстия.
При этом система входа окисляемого материала образована верхней частью боковой стенки хранилища запасного средства окисления.
При этом система выхода окисляемого материала образована ограничивающей решеткой реакционной камеры и отверстиями в стенке корпуса массообменного аппарата и расположена выше реакционной камерой.
При этом средство окисления выполнено твердофазным и состоящим из отдельных частиц. Кроме этого, в качестве твердофазного средства окисления используется гранулированный оксид свинца.
При этом все отверстия, кроме отверстий в стенке корпуса массообменного аппарата, образующих выход окисляемого материала, выполнены в виде системы щелей с шириной меньше размера частиц твердофазного средства окисления.
При этом массообменный аппарат размещается горизонтально в емкости окисляемого материала.
Оснащение массообменного аппарата хранилищем запасного твердофазного гранулированного средства окисления обеспечивает увеличение срока службы аппарата, так как обеспечивается подпитка реакционной камеры частицами средства окисления, предпочтительно гранулами, по мере израсходования частиц, загруженных в реакционную камеру. При этом расход электроэнергии не увеличивается, так как объем реакционной камеры и размер нагревателя не изменились.
Наличие отверстий в нижней части хранилища запасного средства окисления обеспечивает удаление окисляемого материала (жидкометаллического теплоносителя) из аппарата при его извлечении.
Для обогащения жидкометаллического теплоносителя кислородом возможно использование различных средств окисления (наполнителя) из кислородсодержащих материалов. В частности, возможно использовать соединения кислорода (оксиды) со свинцом, висмутом, оловом, цинком и другими элементами.
Предпочтительно использование средств окисления (наполнителя) из соединения с кислородом (оксида) такого элемента, который входит в состав жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора, где планируется применение массообменного аппарата, что исключает загрязнение жидкометаллического теплоносителя посторонними элементами.
Средство окисления может быть выполнено в виде гранул, порошка или в иной форме, обеспечивающей возможность заполнения таким средством окисления реакционной камеры и хранилища запасного средства окисления.
Для упрощения в настоящем описании в качестве примера указано средство окисления в виде гранулированного оксида свинца, который может применяться для жидкометаллического теплоносителя, содержащего свинец.
Оксид свинца имеет плотность меньшую, чем чистый свинец, и гранулы оксида свинца поступают в реакционную камеру под действием выталкивающей силу, что обеспечивает автоматическую подачу свежего средства окисления до полного израсходования гранул оксида свинца. Восстановившийся свинец уносится потоком жидкометаллического теплоносителя.
Краткое описание чертежей
Схема массообменного аппарата на рисунке (Фиг. 1).
Осуществление изобретения
На рисунке приняты следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - днище; 3 - крышка; 4 - перфорированная решетка; 5 - электрический нагреватель; 6 - твердофазное гранулированное средство окисления; 7 - выходные отверстия; 8 - входные отверстия; 9 - отверстия (дренажные); 10 - объем с теплоносителем; 11 - теплоноситель, 13 - проточная реакционная камера, 14 - нижняя часть хранилища запасного средства окисления (стакан); 15 - хранилище запасного твердофазного гранулированного средства окисления; 16 - карман для корпуса массообменного аппарата.
В состав массообменного аппарата входит емкость, образованная корпусом 1, ограниченная днищем 2 и кольцевой крышкой 3. В емкости размещены проточная реакционная камера 13, расположенная внутри емкости ниже уровня жидкометаллического теплоносителя и ограниченная сверху перфорированной решеткой 4. Ограничивающая решетка 4 предназначена для удерживания твердофазного гранулированного средства окисления 6 от всплытия под действием выталкивающей силы. Через ограничивающую решетку 4 и отверстия 7 в стенке корпуса 1, размещенные в верхней части стенки корпуса 1 над ограничивающей решеткой 4, обогащенный кислородом жидкометаллический теплоноситель выходит из массообменного аппарата и смешивается с теплоносителем основного контура установки.
Твердофазное средство окисления 6, помещенное под решеткой 4, при взаимодействии с жидкометаллическим теплоносителем растворяется, обогащая теплоноситель кислородом.
Нагреватель 5, расположенный в реакционной камере 13 и проходящий через перфорированную решетку 4, предназначен для подогрева теплоносителя в реакционной камере 13.
Входные отверстия 8 расположены в стенке корпуса 1 на уровне нижнего торца электрического нагревателя 5 для того, чтобы при работе массообменного аппарата жидкометаллический теплоноситель двигался в основном через слой твердофазного средства окисления, размещенный в реакционной камере 13 в зазоре между корпусом 1 и электрическим нагревателем 5.
Ниже реакционной камеры корпус 1 выполнен в виде стакана 14 с днищем 2, в котором размещено хранилище 15 запасного твердофазного гранулированного средства окисления 6.
Дренажные отверстия 9, расположенные в нижней части емкости, предназначены для дренирования жидкометаллического теплоносителя при извлечении массообменного аппарата из установки.
Выходные отверстия 7, входные отверстия 8, дренажные отверстия 9 и перфорация в решетке 4 выполнены, предпочтительно, в виде узких щелей с размером меньше гранул твердофазного средства окисления.
В рабочем положении массообменный аппарат погружен в свинецсодержащий теплоноситель так, чтобы выходные отверстия 7 находились ниже уровня жидкометаллического теплоносителя. Массообменный аппарат размещается в емкости установки, через которую обеспечивается проток жидкометаллического теплоносителя. Если высота слоя жидкометаллического теплоносителя недостаточна для погружения в него корпуса массообменного аппарата, емкость оснащают карманом 16, в который утапливается корпус 1 массообменного аппарата. Проток жидкометаллического теплоносителя через карман 16 обеспечивается за счет конвективного течения жидкометаллического теплоносителя через реакционную камеру при работе электрического нагревателя 5
Массообменный аппарат работает следующим образом. При включении электрического нагревателя 5 за счет естественной конвекции создается расход жидкометаллического теплоносителя через гранулированное твердофазное средство окисления 6, размещенное в проточной реакционной камере 13 в зазоре между корпусом 1 и электрическим нагревателем 5. Жидкометаллический теплоноситель 11 из окружающего объема поступает в массообменный аппарат через входные отверстия 8 и движется снизу вверх через гранулированное твердофазное средство окисления 6, размещенное в реакционной камере 13. Гранулы твердофазного средства окисления при взаимодействии с теплоносителем растворяются в нем, обогащая жидкометаллический теплоноситель кислородом. Обогащенный кислородом жидкометаллический теплоноситель выходит из массообменного аппарата через выходные отверстия 7 и смешивается с жидкометаллическим теплоносителем основного контура установки. Величина производительности, то есть количество кислорода, поступающего из массообменного аппарата в единицу времени, регулируется путем изменения мощности электрического нагревателя. При работе массообменного аппарата практически отсутствует расход жидкометаллического теплоносителя через запас твердофазного средства окисления, расположенного в хранилище 15, находящемся в стакане 14 в нижней части корпуса между днищем 2 и реакционной камерой. В процессе эксплуатации сначала начинает срабатываться слой гранулированного твердофазного средства окисления, размещенный в реакционной камере 13 зазоре между корпусом 1 массообменного аппарата и электрическим нагревателем 5, через который обеспечивается расход теплоносителя. Причем данный слой находится при повышенной температуре, что способствует растворению твердофазного средства окисления. Поскольку плотность твердофазного средства окисления (оксида свинца) меньше плотности жидкометаллического теплоносителя, то по мере срабатывания вышеупомянутого слоя запас твердофазного средства окисления, расположенный в хранилище 15, всплывая, заполняет освободившееся пространство в реакционной камере 13 между корпусом массообменного аппарата и электрическим нагревателем.
Пример конкретного исполнения массообменного аппарата.
Конструктивные характеристики массообменного аппарата и используемые материалы:
корпус 1: внутренний диаметр - 64 мм, высота - 1500 мм, размер входных и дренажных отверстий - 2 мм, размер выходных отверстий - 10 мм, материал - нержавеющая сталь 12Х18Н10Т;
перфорированная решетка 4: размер перфорации - 2 мм, материал - нержавеющая сталь 12Х18Н10Т;
электрический нагреватель 5: тип - стержневой электронагреватель мощностью 7 кВт, высота греющей части - 820 мм, диаметр корпуса нагревателя - 25 мм, нагревательный элемент - нихромовая проволока (Х20Н80) диаметром 1,6 мм;
твердофазное средство окисления 6: шаровая засыпка из гранул диаметром 8-9 мм, материал - оксид свинца (PbO) марки «Ч», ТУ 6-09-5382-88.
Свинецсодержащий жидкометаллический теплоноситель: сплав свинец-висмут, температура - 340°С.
[O]
Производительность по кислороду (при температуре 340°С на входе): ~ 1 г/ч.