ДЕСУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ
DESUBLIMATOR

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующихся материалов, в частности для проведения процесса десублимации-сублимации тетрафторида кремния или гексафторида урана.
К аппаратам такого назначения предъявляются требования высокой степени улавливания при максимальном заполнении аппарата десублиматом.
Известен сублимационный аппарат [RU №2143940, B01D 7/00, опубл. 10.01.2000]. Аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены центральная поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей с теплообменным элементом и кольцевая сублимационная камера, патрубки ввода и вывода теплоносителей. Аппарат снабжен нагревателем одной из стенок сублимационной камеры и размещенными в камере кольцевыми перегородками, установленными с зазором относительно обогреваемой стенки. Камера для теплоносителей размещена со стороны стенки сублимационной камеры, противолежащей обогреваемой. Перегородки установлены с шагом, убывающим в направлении к патрубку вывода технологических газов. Нагреватель выполнен секционным.
Недостатком сублимационного аппарата является низкая эффективность использования теплофизических свойств хладагента из-за невозможности применения жидкого азота и, следовательно, невозможности использования теплоты испарения жидкого азота для получения максимально низкой температуры захолаживания сублимационной камеры с целью более полного ее заполнения.
Известен сублимационный аппарат [RU №2159659, B01D 7/00, 7/02, опубл. 27.11.2000], принятый за прототип. Аппарат содержит теплоизолированный корпус, разделенный трубной доской на верхнюю и нижнюю секции. В верхней секции размещены кольцевой испаритель хладагента, в нижней секции размещена камера для теплоносителя, охватывающая сублимационную камеру. Аппарат снабжен, по крайней мере, двумя теплообменными трубами, установленными в испарителе, и, по крайней мере, двумя двухтрубными теплообменниками, размещенными в сублимационной камере. Выходы эжекторов сообщены с соответствующими им теплообменными трубами, соединенными с соответствующими им внутренними трубами двухтрубных теплообменников, выходы последних сообщены с полостью, образованной корпусом и испарителем, которая соединена циркуляционными трубами с камерой для теплоносителя. Нагреватель установлен на сублимационной камере, а коллектор для эжектирующего газа образован крышкой аппарата и установленной в нем поперечной перегородкой.
Недостатком сублимационного аппарата является низкая эффективность использования теплофизических свойств хладагента из-за невозможности применения жидкого азота и, следовательно, невозможности использования теплоты испарения жидкого азота для получения максимально низкой температуры захолаживания сублимационной камеры с целью более полного ее заполнения. Кроме того, в сублимационной камере с двухтрубными теплообменниками процесс десублимации будет происходит как на наружной поверхности теплообменников с образованием твердого десублимата, так и в объеме камеры с образованием мелкодисперсной аэрозоли. Аэрозоли будут выводиться из аппарата с несконденсировавшимися газами, вызывая тем самым потери целевого продукта. Испарительная камера с инжектором и циркуляционными трубами дополнительно усложняют конструкцию аппарата.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сублимационного аппарата с высокой степенью улавливания паров продукта из парогазовой смеси при максимальном заполнении аппарата десублиматом путем наиболее полного и рационального использования теплофизических свойств хладагента, а именно низкой температуры его кипения.
Для решения этой задачи предлагается десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, кольцевую десублимационную камеру с кольцевыми перегородками, охватывающую камеру для теплоносителя, испаритель хладагента и патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя, отличающийся тем, что испаритель имеет торцевую камеру, а десублимационная камера содержит камеру доулавливания, расположенную между камерой испарения и торцевой камерой, причем торцевая камера выполнена в виде элементов, расположенных выпуклой частью друг от друга.
На фиг.1 изображен продольный разрез аппарата, на фиг.2 - выносной элемент А.
Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. Соосно с корпусом расположены кольцевая десублимационная камера 3 и камера 4 для теплоносителей. Десублимационная камера имеет внутреннюю стенку 5 и наружную стенку 6, обогреваемую нагревателем 7. Камера 4 содержит патрубок 8 для входа теплоносителя, испаритель 9, камеру испарения 10, торцевую камеру 11, кольцевую камеру 12 и патрубок 13 для выхода теплоносителя. Испаритель 9 снабжен патрубками 14 и 15 для входа и выхода теплоносителя. Торцевая камера состоит из двух выпуклых элементов 16, обращенных выпуклой частью друг от друга и между которыми поддерживается вакуум посредством патрубка 17. Кольцевая камера 12 образована внутренней поверхностью внутренней стенки 5 десублимационной камеры и вытеснителем 18, внутри которого поддерживается вакуум посредством патрубка 17 и отверстий 19 в нем.
На внешней поверхности внутренней стенки 5 установлены кольцевые перегородки 20 с отбортовкой 21 (см. фиг.2), направленной по ходу технологического газа. Перегородки 20 установлены с зазором 22 относительно обогреваемой стенки 6 и с шагом, убывающим в направлении от патрубка 23 для ввода технологического газа к патрубку 24 для вывода технологического газа и выхода десублимата. Перегородки установлены только до камеры испарения 10. С помощью перегородок 20 десублимационная камера 3 разделена на ряд последовательно расположенных кольцевых ячеек 25, объем которых уменьшается по мере уменьшения расстояния между перегородками. Ниже последней перегородки 20 в десублимационной камере 3 расположена камера доулавливания 26, заканчивающаяся на уровне торцевой камеры 11. В аппарате осуществляется противоток технологического газа и хладагента и регулирование нагрева стенки 6 десублимационной камеры. Уровень жидкого хладагента контролируется датчиком 27.
Десублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации. При работе в режиме десублимации хладагент, например, в виде жидкого азота подают через патрубок 8 в камеру испарения 10. Испарение хладагента интенсифицируют с помощью испарителя 9 путем подачи в него теплого воздуха. Пары хладагента поступают в кольцевую камеру 12 и выводятся через патрубок 13. Расход жидкого хладагента регулируют по датчику 27, установленному в камере испарения. Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе, обогревающим стенку 6 десублимационной камеры до температуры, не допускающей десублимацию целевого продукта, например тетрафторида кремния (ТФК). Технологический газ, представляющий собой смесь паров ТФК и инертных газов, поступает через патрубок 23, распределяется по кольцевому пространству в верхней части десублимационной камеры 3, проходит через зазоры 22 и последовательно поступает в кольцевые ячейки 25. Тетрафторид кремния, десублимируясь, осаждается на внешней поверхности внутренней стенки 5. Часть паров ТФК за счет объемной десублимации образует аэрозоли, которые сублимируются вторично при контакте с обогреваемой стенкой 6 при прохождении технологического газа в зазоре 22. Отбортовка 21 на перегородках 20 увеличивает время контакта аэрозолей с обогреваемой стенкой, что позволяет гарантированно сублимировать аэрозоли, предотвращая их унос из десублимационной камеры. При последовательном прохождении технологического газа из ячейки в ячейку концентрация тетрафторида кремния снижается и становится ниже критического значения, поэтому десублимация его в нижней части десублимационной камеры 3 происходит только на охлаждаемой поверхности. Для полного улавливания этих паров после самой нижней перегородки 20 предназначена камера доулавливания 26. Благодаря кипению жидкого азота в камере испарения температура внутренней стенки 5 на участке в камере доулавливания имеет предельно низкую температуру. Эта низкая температура создает условия для полного улавливания паров ТФК. Торцевая камера 11 ограничивает камеру доулавливания 26 за счет низкой теплопроводности вакуума, находящегося в ней, и предназначена для того, чтобы десублимат не скапливался напротив патрубка 24 для вывода технологического газа и не создавал ситуации закупорки этого патрубка.
Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладагента и технологического газа прекращается. Нагревателем 7 доводят температуру в аппарате до температуры возгонки ТФК. Возгоны выводятся из десублимационной камеры через патрубок 24. Для ускорения процесса сублимации в камеру 4 подают теплый сухой воздух через патрубок 8, а отработанный воздух выходит из камеры через патрубок 13. Возгонка ТФК начинается со стороны патрубка 24 выхода десублимата, что способствует минимизации сопротивления для отходящих паров возгона.
Десублимационный аппарат предложенной конструкции имеет высокую степень улавливания паров продукта из парогазовой смеси за счет существенного уменьшения уноса продукта в виде аэрозолей и доулавливания продукта на выходе из аппарата при максимальном заполнении аппарата десублиматом за счет наиболее полного и рационального использования теплофизических свойств хладагента, а именно низкой температуры его кипения.