СУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ВЕЩЕСТВ
SUBLIMATION APPARATUS FOR FINE PURIFICATION OF SUBSTANCES

Изобретение предназначено для получения веществ высокой степени чистоты и может быть использовано в химической промышленности для получения цветных, редких и рассеянных элементов, в том числе циркония и гафния.
Известен сублимационный вакуумный аппарат для глубокой очистки веществ [SU №1818130, МПК5 В01D 7/00. Опубл. 30.05.1993, бюл. №20], который содержит корпус с охлаждающей рубашкой, сублиматор, выполненный в виде нагревателя со съемными тарелями, десублиматор, расположенный коаксиально сублиматору, крышку и днище. Десублиматор выполнен в виде полого цилиндра, верхний торец которого закреплен на крышке аппарата. Теплоизолирующий слой размещен снаружи корпуса на уровне сублиматора. Охлаждающая рубашка расположена ниже теплоизолирующего слоя на уровне нижней части десублиматора. Днище выполнено съемным и имеет приемник готового продукта.
Недостатком этого аппарата является то, что для получения высокочистого продукта в одном аппарате требуется многократная (например, для получения тетрафторида циркония ядерной чистоты не менее восьми раз) сублимация сырья или использовать восемь одинаковых аппаратов, установленных последовательно. Аппарат имеет периодический режим работы, требует много ручного труда при загрузке исходного сырья и выгрузке готового продукта между сублимациями.
Известен десублимационный аппарат [RU №2336112, МПК B01D 7/00, C01G 43/06. Опубл. 20.10.2008, бюл. №29], принятый за прототип. Аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая камера для теплоносителей и соосная с ней кольцевая сублимационная камера, снабженная нагревателями обеих стенок и кольцевыми перегородками с отбортовкой, размещенными с зазором относительно обогреваемой стенки, патрубки ввода и вывода технологических газов, ввода и вывода теплоносителей. Камера для теплоносителей выполнена из отдельных кольцевых элементов, установленных между кольцевыми перегородками и сообщающихся между собой отверстиями в кольцевых перегородках, отверстия в двух соседних кольцевых перегородках расположены диаметрально друг напротив друга. Перегородки установлены с зазорами относительно обогреваемых стенок с шагом, убывающим в направлении от патрубка для ввода технологического газа к патрубку для вывода технологического газа. С помощью этих перегородок сублимационная камера разделена на ряд последовательно расположенных сублимационных ячеек, объем которых последовательно уменьшается по ходу парогазовой смеси.
Недостатком этого десублимационного аппарата является то, что в нем нельзя проводить процесс с использованием многократной сублимации исходного сырья.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сублимационного аппарата для глубокой очистки веществ с использованием многократной сублимации исходного сырья без применения ручного труда.
Поставленная задача решается тем, что сублимационный аппарат для глубокой очистки веществ содержит теплоизолированную обогреваемую крышку, обогреваемый корпус, сублимационную камеру, десублимационную камеру, разделенную на ячейки параллельными перегородками, размещенными с зазором относительно крышки, камеру для теплоносителей, патрубок ввода исходного сырья, патрубок вывода технологических газов, патрубки ввода и вывода теплоносителей, причем нагреватель корпуса выполнен из автономных блоков, расположенных в каждой ячейке корпуса, камера для теплоносителя выполнена из секций, каждая из которых расположена в ячейке, патрубки ввода теплоносителя имеют обратный клапан, а автономный блок представляет собой генератор высокой частоты.
На фиг.1 изображено сечение В-В аппарата, на фиг.2 - сечение А-А, на фиг.3 - сечение Б-Б, на фиг.4 - вид Г.
1
2
3
4
1
2
3
1
2
3
Сублимационный аппарат для глубокой очистки веществ содержит корпус 1 из неметаллического материала (керамика, полимер и т.п.) в форме прямоугольного параллелепипеда с металлической крышкой 2. Крышка имеет обогреватель 3 и теплоизоляцию 4. Внутренняя полость корпуса разделена неметаллическими параллельными перегородками 5 на ряд ячейки 6, 6,6, 6 и т.д. Перегородки установлены на днище 7 корпуса с зазорами 8, 8, 8 и т.д. относительно крышки 2. Ячейка 6 является сублимационной камерой 9, где происходит сублимация исходного продукта 10, поступающего через патрубок 11 на вибролоток 12, обогреваемый нагревателем 13. Вибролоток поддерживается шарнирами 14 и соединен с вибратором 15. Патрубок 16 предназначен для выгрузки несублимирующихся остатков. Ячейки 6, 6 и т.д. образуют десублимационную камеру 17. В каждой из ячеек расположена теплообменная секция 18, причем ее корпус 19 выполнен из неметаллического материала, а теплообменные элементы 20 - из металлического материала. Секции 18 объединены в камеру для хладагента 21 посредством патрубков 22 подачи хладагента, раздаточного коллектора 23 подачи хладагента, патрубков 24 выдачи хладагента и сборного коллектора 25 выдачи хладагента. На патрубках 22 установлены управляемые клапаны 26. Днище 7 корпуса имеет обогреватель 27, представляющий собой блоки 28 генератора высокой частоты (ГВЧ), установленные под каждой теплообменной секцией 18 и работающие автономно друг от друга. Патрубок 29 предназначен для вывода очищенного парообразного продукта из десублимационного аппарата, а патрубок 30 - для вывода парообразных примесей.
Сублимационный аппарат для глубокой очистки веществ работает следующим образом.
1
Обогревателем 3 нагревают крышку 2 не ниже температуры сублимации целевого продукта. Патрубок 30 для вывода парообразных примесей закрыт. Через патрубок 11 в вибролоток 12 загружают исходный продукт в виде зернистого порошка, например тетрафторид циркония (ТФЦ), содержащий примеси. Загрузку производят в периодическом режиме. Включают нагреватель 13 и вибратор 15, который генерирует продольные колебания вибролотка 12 в направлении от патрубка 11 к патрубку 16. За счет вибрации происходит перемещение исходного продукта вдоль вибролотка, а нагрев его сопровождается интенсивной сублимацией исходного продукта. Режимы загрузки, вибрации и нагрева исходного продукта выбирают так, чтобы через патрубок 16 выгружались только несублимируемые остатки. Образующиеся в сублимационной камере 9 пары продукта содержат летучие примеси, например для ТФЦ таковыми являются гафний, алюминий, никель, кислород, хром, железо, кремний, которые надо удалить. Эта парообразная смесь продукта и примесей через зазор 8 поступает в десублимационную камеру 17. Крышка 2 предварительно нагрета, поэтому десублимации продукта на ней не происходит.
2
3
2
3
1
Одновременно с началом сублимации в раздаточный коллектор 25 подают хладагент, например пары жидкого азота. При этом клапаны 26 на патрубках 22 открыты только для секций 18, расположенных в ячейках 6 и 6, остальные клапаны закрыты. Выходит отработанный хладагент из секций 18 через патрубки 24 и сборный коллектор 25. Основная масса парообразной смеси из сублимационной камеры 9 десублимируется на поверхности теплообменных элементов 20 в ячейке 6, а ячейка 6 является контрольной для доулавливания «проскочивших» паров продукта. Направленное движение паров продукта к охлаждаемой поверхности теплообменного элемента 20 обеспечивается разностью парциальных давлений паров в зазоре 8 и на поверхности элемента.
2
4
2
2
2
2
2
3
4
2
3
5
3
2
3
Таким образом, после полного испарения исходного продукта в вибролотке 12 частично очищенный продукт перемещается в ячейку 6 в виде десублимата. Затем открывают клапан 26 в ячейке 6, а клапан в ячейке 6 закрывают и включают блок 28 ГВЧ у ячейки 6. Благодаря тому, что корпус 1 аппарата, перегородки 5 и корпус 19 теплообменной секции 18 выполнены из неметаллического материала, а теплообменные элементы 20 металлические, под действием токов высокой частоты быстро и интенсивно греется только теплообменный элемент 20 в ячейке 6. Десублимат на поверхности теплообменного элемента 20 начинает повторно сублимироваться, частично оставляя примеси в ячейке 6. Образующиеся пары продукта через зазор 8, в основной массе, переходят в ячейку 6 на охлаждаемый теплообменный элемент 20. В это время ячейка 6 является контрольной. После полной сублимации паров продукта из ячейки 6 блок 28 ГВЧ отключают. Затем повторяют все предыдущие переключения клапанов 26 применительно к ячейкам 6 и 6 с включением блока 28 ГВЧ у ячейки 6. Такие переключения клапанов 26 и блоков 28 повторяют последовательно для каждой последующей ячейки вдоль корпуса аппарата. Количество ячеек 6, следовательно и количество пересублимаций, зависит от свойств исходного продукта и требований к степени его очистки, например для получения ядерно-чистого ТФЦ требуется не менее восьми операций по пересублимации. Сублимация продукта в каждой из ячеек 6 сопровождается частичной очисткой от примесей, оставляя примеси в ячейках, и из последней ячейки выходят пары продукта с заданным содержанием примесей. Очищенные пары через патрубок 29 поступают в десублиматор (не показан) для конечного продукта. С целью увеличения производительности аппарата загрузку следующей порции исходного продукта в вибролоток 12 можно производить сразу после освобождения ячеек 6 и 6.
2
3
4
2
После сублимации в вибролотке 12 нескольких порций исходного продукта в ячейках 6, 6, 6 и т.д. происходит постепенное накопление примесей с максимальной концентрацией в ячейке 6. По мере сублимациии новых порций исходного продукта этот максимум перемещается в сторону последней ячейки, что приводит к увеличению количества примесей в целевом продукте выше требуемого. Для восстановления нормальной работы сублимационного аппарата необходимо накопленные примеси из него удалить. Для этого прекращают загрузку вибролотка 12, закрывают все клапаны 26, перекрывают патрубок 29, открывают патрубок 30 и включают блоки 28 ГВЧ у всех ячеек 6. За счет прогрева теплообменных элементов 20 из ячеек 6 накопленные примеси удаляются в виде их паров. Образующиеся пары через патрубок 30 выводятся из сублимационного аппарата в десублиматор (не показан) для конденсации примесей.
Сублимационную очистку можно проводить в вакууме при атмосферном давлении и в направленном потоке инертного газа.
Предлагаемый сублимационный аппарат для глубокой очистки веществ позволяет производить очистку исходного продукта от примесей с использованием многократного сублимационно-десублимационного процесса без применения ручного труда, связанного с многоразовой загрузкой и выгрузкой продукта. Низкая теплопроводность корпуса аппарата, выполненного из неметаллических материалов, отсутствие периодического нагрева и охлаждения аппарата для каждой сублимационно-десублимационной операции и отсутствие ручного труда значительно сокращает энергозатраты, время на обслуживание сублимационного аппарата и удельную стоимость очищенного продукта. Сублимационный аппарат имеет большую удельную производительность.