РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ
RECTIFICATION PLANT FOR SEPARATION OF ISOTOPES

10
11
15
Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для разделения изотопов методами ректификации, а более конкретно к многоканальным ректификационным колоннам разделения изотопов. Изобретение может быть использовано в технологических процессах разделения изотопов, в том числе изотопов водорода, кислорода, бора (В и В) и азота (N). С помощью изобретения могут быть решены актуальные технологические задачи по использованию и переработке ядерного топлива, к числу которых относится детритизация отвальных и оборотных вод, производимых на заводах переработки ядерного топлива.
Изотопы легких элементов обычно получают с помощью ректификационных насадочных колонн. Технические особенности таких колонн связаны с малой величиной коэффициента обогащения ε, являющегося характеристикой используемых рабочих тел. Как правило, значения коэффициента обогащения составляют: ε~0,01 или ε<0,01. Известно, что вследствие малой величины коэффициента ε насадочные колонны разделения изотопов весьма чувствительны к эффектам поперечной неоднородности потоков в рабочих каналах.
Для подавления указанных эффектов используются одноканальные колонны с физически тонкими каналами. Поскольку такие колонны имеют малую производительность, для наработки изотопов (в требуемом количестве) методом ректификации используют батареи одноканальных независимых колонн (патент RU 2309788 C2, дата публикации: 10.06.2007, патентная заявка JPH0347518A, дата публикации: 28.02.1991). Получаемые с помощью таких устройств изотопы имеют высокую стоимость из-за сложности и размеров технологического оборудования, что в большинстве случаев исключает промышленное применение ректификационных установок.
2
2
2
2
Наряду с ректификацией используются и другие методы разделения изотопов. Например, применяются технологии детритизации воды, основанные на каталитической реакции изотопного обмена водяной пар-водород. В патенте US4395386 (дата публикации: 26.07.1983) описана каскадная многоступенчатая установка, предназначенная для детритизации тяжелой воды, циркулирующей в контурах охлаждения реакторов CANDU. Каждая ступень каскада состоит из соединенных между собой с последовательным чередованием ультразвуковых генераторов мелкодисперсных капель воды и реакционных колонн, содержащих слой гидрофобного катализатора. Полученный с помощью генератора капель туман (взвесь мелкодисперсных капель воды в парогазовой фазе) подается в реакционные колонны совместно с газообразным дейтерием D или водородом Н. В реакционных колоннах на гидрофобном слое катализатора проходит реакция изотопного обмена вода - водород. Тритий извлекается из воды, переводится в молекулярную форму DT или НТ и выводится из колонны вместе с газообразным дейтерием D или водородом Н.
2
Известная установка обладает достаточной эффективностью, но имеет сложную конструкцию и работает при высоком давлении, Последнее условие определяет недостатки установки, связанные с присутствием в установке дейтерия D и трития в молекулярной форме DT. В этом случае требуются повышенные меры безопасности. Кроме того, при эксплуатации установки необходим постоянный контроль состояния катализатора в реакционных камерах и периодическая замена или регенерация катализатора.
Ректификационные установки для разделения изотопов остаются востребованными в настоящее время, поскольку для их реализации используется простое технологическое оборудование и, как правило, они не требуют дополнительных мер безопасности. Для повышения эффективности ректификационных установок необходимо использовать устройства с большой единичной производительностью. Данные требования реализуются в так называемой колонне Кюна.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является ректификационная установка для разделения изотопов на основе колонны Кюна (Baertschi P., Kuhn W. Final Concentration of Heavy Water by Rectification // Proceeding of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy. Geneva, 8-20 August 1955 / United Nations, New York, 1956, Vol. 8, P. 411-413). Такие установки выполняются в виде трубчатой многоканальной колонны с физически тонкими рабочими каналами, заполненными мелкой насыпной насадкой. Колонны данного типа могут иметь большое проходное сечение, большую единичную производительность и малую высоту. Известные колонны могут работать по схеме ректификации с тепловым насосом, что обеспечивает их автономность и высокую экономичность.
2
Колонна Кюна была первоначально разработана для разделения изотопов водорода, финишной очистки тяжелой воды и получения чистого оксида дейтерия DO с концентрацией до 99,8%. На практике эта задача была решена с помощью колонн общего назначения, а модель колонны Кюна практически не использовалась в промышленных установках.
Технологический процесс разделения изотопов, осуществляемый в известном устройстве, организован следующим образом. Рабочее тело в жидком состоянии подается из конденсатора в дозирующее устройство, расположенное в верхней части колонны, и по раздаточным трубкам поступает в рабочие каналы, состоящие из нижних и верхних участков и расположенных между ними срединных камер. Нисходящие потоки жидкости проходят каналы и поступают в отдельные (индивидуальные) испарители рабочих каналов, размещенные в нижней части рабочих каналов. Образующийся в испарителях пар проходит каналы снизу вверх и отводится из верхней части колонны в общий конденсатор. Далее жидкий конденсат возвращается в дозирующее устройство, замыкая циркуляцию рабочего тела в колонне.
Участок питания колонны включает испаритель, буфер пара и калиброванные капиллярные каналы, соединяющие буфер и срединные камеры рабочих каналов колонны, расположенные между верхними и нижними участками каналов. Капилляры необходимо постоянно подогревать для исключения конденсации в них пара. Насыщенный протием раствор тяжелой воды (отвал) выводится из колонны, например, путем отбора пара из потока, направляемого в конденсатор. Отбор целевого продукта (концентрированной тяжелой воды) осуществляется из нижней части колонны. Тяжелая вода выводится в виде пара из камер индивидуальных испарителей каналов по калиброванным капиллярам в нижний буфер. Здесь пар (оксид дейтерия) конденсируется в холодильнике и в жидком виде выводится из установки как финишный продукт. Установка работает в автоматическом режиме и не требует дополнительных управляющих воздействий при расчетных значениях расхода пара и жидкости в каналах колонны.
Расходы жидкого рабочего тела и пара в каналах колонны Кюна необходимо дозировать с высокой точностью. Например, в колоннах, содержащих 200-400 теоретических ступеней и используемых в установках депротизации тяжелой воды или детритизации легкой воды, необходимо обеспечить в каждом из каналов воспроизведение номинальных расходов орошающей воды и пара с точностью ~0,1%.
В известном устройстве эта задача не была решена по следующим причинам. Во-первых, в процессе работы проходит старение и неравномерная усадка насыпной насадки. Этот эффект вызывает дрейф гидродинамических сопротивлений каналов потоку пара и, соответственно, разброс давлений в срединных камерах и в камерах испарителей рабочих каналов. Из-за этого снижается точность операций по вводу-выводу пара, осуществляемых с помощью калиброванных паровых капилляров.
Во-вторых, возможна коррозия дозирующих капилляров с изменением их внутренних диаметров и рабочих характеристик. Вследствие этого производительность колонн быстро снижалась и существенно ограничивался ресурс устройства - прототипа.
Сложная конструкция, низкая производительность, неремонтопригодность (в первую очередь, из-за невозможности замены дозирующих паровых капилляров без демонтажа колонны), а также нестабильные рабочие характеристики колонн Кюна препятствуют использованию устройства - прототипа в промышленных ректификационных установках для разделения изотопов.
Изобретение направлено на устранение технических проблем, связанных с использованием в конструкции установки калиброванных капиллярных паровых каналов (прецизионных элементов), выполняющих функцию рабочих элементов системы дозирования на участках ввода рабочего тела, отбора целевого продукта и вывода отвала.
Устранение перечисленных технических проблем обеспечивает достижение технических результатов, заключающихся в повышении производительности, упрощении конструкции ректификационной установки для разделения изотопов, упрощении технологии изготовления и эксплуатации установки, повышении надежности и стабильности рабочих характеристик, увеличении ресурса установки. Данные технические результаты отражают комплексный набор технических требований, при выполнении которых обеспечивается эффективное разделение изотопов в процессе работы ректификационной установки.
Указанные выше технические результаты достигаются с помощью ректификационной установки для разделения изотопов, включающей в свой состав по меньшей мере одну секцию изотопного обмена (рабочую секцию), выполненную в виде многоканальной колонны. В корпусе колонны вертикально установлены трубки, образующие рабочие каналы, заполненные насадкой. Верхний узел обращения потоков включает в свой состав верхний буфер и конденсатор. Нижний узел обращения потоков содержит нижний буфер, испарители с трубками подачи рабочего тела и камеру нагрева испарителей. В состав установки входят дозаторы рабочего тела с раздаточными трубками, сообщенными с рабочими каналами, трубопроводы подачи рабочего тела (сырьевого продукта), трубопроводы вывода отвального продукта и целевого продукта.
Согласно изобретению установка содержит верхний дозатор жидкого рабочего тела с раздаточными трубками, входящий в состав верхнего узла обращения потоков, и нижний дозатор жидкого рабочего тела с раздаточными трубками, входящий в состав нижнего узла обращения потоков. В состав установки включены сепараторы рабочего тела, количество которых равно количеству рабочих каналов, и проточная камера, расположенная в полости нижнего буфера. Количество испарителей равно количеству рабочих каналов.
Каждый сепаратор включает в свой состав входную камеру, расположенную в полости нижнего буфера, и гидравлический затвор, через который входная камера сепаратора сообщена с проточной камерой. Верхняя часть входной камеры соединена с нижней частью рабочего канала. Нижняя часть входной камеры сообщена с выходом испарителя. Раздаточные трубки нижнего дозатора соединены через гидравлические затворы с испарителями. Раздаточные трубки верхнего дозатора соединены с верхними частями рабочих каналов. Вход проточной камеры соединен с трубопроводом подачи питающего потока жидкого рабочего тела, а выход проточной камеры - с входом в полость нижнего дозатора.
В конкретном варианте реализации изобретения гидравлический затвор, через который каждая входная камера сепаратора сообщена с проточной камерой, может быть выполнен в виде трех коаксиально установленных цилиндрических оболочек, расположенных с зазорами друг относительно друга. Коаксиальные цилиндрические оболочки образуют изогнутый канал гидравлического затвора U-образной формы.
Гидравлические затворы, через которые раздаточные трубки нижнего дозатора соединяются с испарителями, могут быть выполнены в виде трубок изогнутой U-образной формы.
Для разделения жидкой и парообразной фаз рабочего тела целесообразно использовать вариант конструкции сепаратора с использованием крышки - отражателя установленной в полости входной камеры между выходной частью испарителя и нижней частью рабочего канала. Крышка-отражатель может быть установлена (закреплена) на торцевой части камеры нагрева испарителей.
С целью выравнивания давления в газовых полостях проточной камеры и нижнего дозатора в качестве простого технического средства может быть использован трубопровод, соединяющий указанные газовые полости.
Камера нагрева испарителей может быть выполнена в виде проточного теплообменника, через который прокачивается предварительно нагретый жидкий теплоноситель или технологический пар.
При расположении нижнего дозатора выше уровня жидкости в проточной камере нижнего буфера выход проточной камеры соединяется с входом в полость нижнего дозатора через трубопровод с нагнетательным насосом. В случае расположения нижнего дозатора ниже уровня жидкости в проточной камере нижнего буфера подача жидкого рабочего тела из проточной камеры в полость нижнего дозатора осуществляется под действием гидростатического давления.
Для питания ректификационной установки жидким рабочим телом (сырьевым продуктом) может применяться питающее устройство, входящее в состав ректификационной установки. В качестве такого устройства целесообразно использовать резервуар-накопитель, выход которого соединен с проточной камерой через трубопровод подачи жидкого рабочего тела. Резервуар-накопитель содержит патрубок ввода рабочего тела и сливной патрубок.
Ректификационная установка, выполненная согласно изобретению, позволяет осуществлять процесс разделения изотопов при достаточных для промышленного применения расходах рабочего тела без использования калиброванных с высокой точностью элементов системы питания (прецизионных капиллярных каналов). При отсутствии ограничений, связанных с необходимостью использования в процессе разделения изотопов прецизионных элементов системы питания, технологические операции дозирования могут проводиться с необходимыми для промышленного производства расходами рабочего тела при точном дозировании рабочего тела как в жидком, так и в парообразном состоянии.
Данный результат достигается за счет использования сепараторов с гидравлическими затворами и применения гидравлических затворов на раздаточных трубках, соединяющих полость нижнего дозатора с испарителями. В этом случае заполненные насадкой рабочие каналы, в которых встречно движутся потоки рабочего тела в жидком и парообразном состоянии, сообщены с системой дозирования рабочего тела через гидравлические затворы, что предотвращает перетекание пара между рабочими каналами и полостью нижнего буфера. Вследствие этого исключается неконтролируемое изменение расхода пара в рабочих каналах и обеспечивается стабильность рабочих характеристик ректификационной установки при требуемом для промышленного применения уровне расхода рабочего тела.
i
i
i
Расход жидкого рабочего тела в каждом рабочем канале колонны воспроизводится с требуемой точностью Z, соответствующей точности воспроизведения расхода жидкости в раздаточных трубках верхнего дозатора. Точность Z воспроизведения расхода пара в каждом рабочем канале соответствует точности воспроизведения расхода жидкости в раздаточных трубках нижнего дозатора. В этом случае точность воспроизведения Z расходов парообразного и жидкого рабочего тела в рабочих каналах зависит только от точности дозировании жидкого рабочего тела, которая определяется конструкцией используемых дозаторов. При этом верхний и нижний дозаторы могут быть идентичными по конструкции.
При работе установки давления пара в верхних сечениях рабочих каналов совпадают, поскольку верхние части рабочих каналов сообщены между собой через общую полость верхнего буфера. Давление пара в нижних частях рабочих каналов отличается от давления пара в верхнем буфере на величину, пропорциональную произведению расхода пара через рабочий канал на гидродинамическое сопротивление рабочего канала потоку пара. Из-за отклонений от номинального значения гидродинамических сопротивлений каналов в процессе работы установки возникает разброс давлений пара во входных камерах сепараторов, однако такие изменения не влияют на точность устройств дозирования пара.
В результате изменения давления во входных камерах сепараторов происходит изменение уровней жидкости в каналах гидравлических затворов, соединяющих входные камеры с проточной камерой нижнего буфера, и в каналах гидравлических затворов, установленных на раздаточных трубках нижнего дозатора, соединенных с трубками испарителей, которые сообщены с входными камерами сепараторов. Автоматическое изменение уровня жидкости в гидравлических затворах происходит без перераспределения пара между рабочими каналами и, следовательно, без нарушения расчетного режима работы многоканальной колонны и установки в целом.
При использовании изобретения неточное дозирование пара и жидкости в рабочих каналах и изменение гидродинамического сопротивления рабочих каналов, происходящее в процессе эксплуатации установки, автоматически компенсируется за счет изменения уровня жидкости в гидравлических затворах сепараторов и раздаточных трубок нижнего дозатора. Исключение из состава установки калиброванных паровых капилляров позволяет выбрать оптимальную конструкцию дозирующего устройства исходя из технических требований по эксплуатации установки. В этом случае отсутствуют ограничения, включая ограничения по величине расхода, обуславливающие необходимость использования для дозирования рабочего тела прецизионных трубок с калиброванными каналами.
В результате исключения из состава установки калиброванных паровых капилляров обеспечивается упрощение конструкции ректификационной установки, упрощение технологии изготовления и эксплуатации установки, повышение надежности и стабильности рабочих характеристик, увеличение ресурса и производительности установки.
Достигаемые результаты связаны с выполнением нижнего узла обращения потоков установки. Дозированная подача пара в рабочие каналы осуществляется путем предварительного формирования дозированных потоков жидкого рабочего тела и последующего испарения дозированных потоков жидкости в индивидуальных испарителях, сообщенных с рабочими каналами.
Нисходящий поток жидкого рабочего тела поступает из каждого рабочего канала в соответствующий сепаратор и через канал гидравлического затвора выводится в проточную камеру нижнего буфера. Общий (суммарный) поток жидкого рабочего тела подается в полость нижнего дозатора. Дозированные потоки жидкого рабочего тела по раздаточным трубкам направляются в трубки испарителей, из которых дозированные потоки пара поступают через газовый канал во входные камеры сепараторов и далее в нижние части рабочих каналов. Часть сепаратора выполняет функцию ловушки жидкости, которая выводится из входной камеры через канал гидравлического затвора в проточную камеру.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров осуществления ректификационной установки для разделения изотопов. На прилагаемом чертеже изображена схема установки, выполненной согласно изобретению.
Изображенная на чертеже ректификационная установка для разделения изотопов включает в свой состав секцию изотопного обмена в виде многоканальной колонны (на чертеже изображена одна рабочая секция). В корпусе колонны вертикально установлены рабочие трубки 1 колонны, образующие рабочие каналы, заполненные насыпной насадкой. В качестве насадки, заполняющей рабочие каналы, используется проволочная спиральная насадка Левина (авторское свидетельство СССР SU 75115, дата публикации: 30.09.1949). В других примерах реализации изобретения в качестве насадки может использоваться спирально-призматическая насадка или кольца Диксона.
Каждый рабочий канал снабжен сепаратором 2 рабочего тела. Сепаратор 2 включает в свой состав крышку - отражатель 3, входную камеру 4 и часть выходного канала испарителя 5 с трубкой 6 подачи рабочего тела.
Верхний узел обращения потоков колонны содержит верхний буфер 7, образованный корпусом с плоским днищем, конденсатор 8, верхний дозатор 9 жидкого рабочего тела с раздаточными трубками 10, сообщенными с верхними частями рабочих трубок 1. В отдельном отсеке дозатора 9 размещен узел вывода целевого продукта из полости дозатора. Данный узел представляет собой дополнительный дозатор (на чертеже изображен схематично) с трубкой 11 вывода целевого продукта. В плоском днище корпуса буфера 7 выполнены отверстия, через которые полость буфера 7 сообщена с верхними частями трубок 1.
В качестве дозатора используется стандартное дозирующее устройство, в частности дозирующее устройство, описанное в патенте RU 2543877 C1 (дата публикации: 10.03.2015, фиг. 6 чертежей). В других примерах реализации изобретения может использоваться дозирующее устройство, аналогичное применяемому в установке-прототипе, либо иные известные дозирующие устройства, обладающие требуемой (для конкретных условий) точностью воспроизведения номинальных значений расхода жидкого рабочего тела в раздаточных трубках.
Нижний узел обращения потоков колонны сдержит нижний буфер 12, образованный корпусом с плоским днищем, в полости которого размещены сепараторы 2 жидкого рабочего тела, камеру 13 нагрева испарителей 5 и узел дозирования рабочего тела. В крышке буфера 12 выполнены отверстия, с которыми совмещены нижние части рабочих трубок 1. В соосных отверстиях днища буфера 12 установлены испарители 5. Нижние торцевые части испарителей 5 установлены в отверстиях, выполненных в днище камеры 13.
Каждый сепаратор 2 образован тремя коаксиальными цилиндрическими оболочками (цилиндрическими стаканами): внешней, промежуточной и внутренней оболочкой. Цилиндрические оболочки установлены с зазором относительно друг друга и образуют изогнутый канал U-образной формы. Внутренняя и внешняя цилиндрические оболочки сепаратора 2 устанавливаются на днище буфера 12, а промежуточная цилиндрическая оболочка - на крышке буфера 12. Между стенками близлежащих цилиндрических оболочек образован изогнутый канал U-образной формы, соединяющий полость входной камеры 4 с внутренней полостью буфера 12. Канал, образованный цилиндрическими оболочками (цилиндрическими стаканами), заполняется жидким рабочим телом при работе ректификационной установки. Данный канал выполняет функцию гидравлического затвора (гидрозатвора), работающего по принципу трубного (двухоборотного) сифона (ГОСТ 23289-94. Межгосударственный стандарт. Арматура санитарно-техническая водосливная. Технические условия)
Высота внешней цилиндрической оболочки превышает уровень рабочего тела в проточной камере при работе ректификационной установки. Высота внутренней цилиндрической оболочки не менее чем в два раза превышает высоту внешней оболочки. Нижняя торцевая часть промежуточной оболочки расположена ниже верхней торцевой части внешней оболочки. Между нижней торцевой частью промежуточной цилиндрической оболочки и днищем буфера 12 образован зазор, через который осуществляется перетекание жидкого рабочего тела при работе ректификационной установки по изогнутому каналу U-образной формы между входной камерой 4 и полостью буфера 12.
Крышка - отражатель 3 установлена во входной камере 4 с зазором над торцевой частью испарителя 5 и над верхней торцевой частью внутренней цилиндрической оболочки сепаратора 2. Диаметр крышки - отражателя 3 превышает внешний диаметр торцевой части корпуса испарителя 5.
Каждый испаритель 5 содержит цилиндрический корпус, в полости которого коаксиально установлена трубка 6 подачи рабочего тела. Корпус испарителя 5 установлен в отверстии, выполненном в днище буфера 12. Верхняя часть испарителя 5 расположена в полости буфера 12, при этом верхняя часть корпуса испарителя 5 с крышкой-отражателем 3 размещена выше торцевой части внутренней цилиндрической оболочки сепаратора 2. В данном варианте выполнения конструкции корпус испарителя 5 соединен кольцевой шайбой с торцевой частью внутренней цилиндрической оболочки (цилиндрического стакана) сепаратора 2.
Элементы конструкции сепаратора 2 и испарителя 5 образуют газовый канал сепарации жидкой и парогазовой фаз рабочего тела и ловушку жидкой фазы рабочего тела. Внутренняя полость сепаратора 2, ограниченная поверхностью крышки -отражателя 3, боковой поверхностью промежуточной цилиндрической оболочки и нижней торцевой частью рабочей трубки 1, образует выходной участок газового канала во входной камере 4.
Функцию входного (восходящего) участка газового канала выполняет участок парогазовой полости корпуса испарителя 5, размещенный в буфере 12. Входной участок газового канала сообщен с выходным участком газового канала через промежуточный (нисходящий) участок газового канала сепаратора, который образован зазорами между крышкой - отражателем 3 и близлежащими поверхностями корпуса испарителя 5 и цилиндрических оболочек (цилиндрических стаканов).
Часть полости входной камеры 4, расположенная между поверхностью промежуточной цилиндрической оболочки и верхней частью корпуса испарителя 5 (выше торцевой части внутренней цилиндрической оболочки), выполняет функцию ловушки жидкой фазы рабочего тела.
Питание нижнего узла обращения потоков колонны осуществляется с помощью узла дозирования парообразного рабочего тела, частью которого является проточная камера 14, расположенная в нижней части нижнего буфера 12, ограниченной днищем, в котором выполнено выходное отверстие с выходным патрубком 15. В состав узла дозирования парообразного рабочего тела входит также нижний дозатор 16 жидкого рабочего тела с раздаточными трубками 17. Каждая трубка 17 включает изогнутей участок U-образной формы, образующий гидравлический затвор 18 в раздаточной трубке.
Внутренняя полость дозатора 16 сообщена с выходным патрубком 15 проточной камеры 14 через трубопровод 19 с нагнетательным насосом 20. Газовые полости буфера 12 и дозатора 16 сообщены между собой через соединительную трубку 21.
Дозатор 16 установлен выше уровня расположения крышки нижнего буфера 12 для обеспечения перетекания жидкого рабочего тела из дозатора по раздаточным трубкам 17 в трубки 6 подачи рабочего тела испарителей 5 под действием гидростатического давления. Для автоматического контроля уровня жидкого рабочего тела в полости дозатора 16 используется сливная трубка 22 с гидравлическим затвором, выполненным аналогично раздаточным трубкам 17. Трубка 22 соединяет полость дозатора 16 с полостью буфера 12.
Дозатор 16 содержит также трубку 23 вывода отвального продукта. Через выходной патрубок дозатора и трубку 23 жидкий отвальный продукт выводится из отдельного отсека внутренней полости дозатора и направляется в накопительную емкость внешней системы подачи питающего потока рабочего тела (на чертеже не показана).
В качестве дозатора 16 используется дозирующее устройство, описанное в патенте RU 2543877 C1 (дата публикации: 10.03.2015, фиг. 6 чертежей). В других вариантах реализации изобретения могут применяться дозаторы различных конструкций, в том числе дозатор, используемый в установке-прототипе.
Система подачи исходного (сырьевого) рабочего тела в ректификационную установку включает резервуар-накопитель 24. Выход резервуара-накопителя 24 сообщен с проточной камерой 14 нижнего буфера 12 через дозатор 25 и трубопровод 26 подачи жидкого рабочего тела. Трубопровод 26 содержит изогнутый участок U-образной формы, выполняющий функцию гидравлического затвора. Вход резервуара-накопителя 24 соединен через патрубок ввода рабочего тела с емкостью внешней системы подачи питающего потока жидкого рабочего тела (на чертеже не показана). Резервуар-накопитель 24 снабжен сливным патрубком и трубкой 27 слива жидкого рабочего тела для удаления избыточного жидкого рабочего тела и возврата его в емкость внешней системы подачи питающего потока жидкого рабочего тела.
Для поддержания заданного температурного режима в резервуаре-накопителе 24 и нижнем дозаторе 16 используется система термостатирования, включающая теплоизолирующие корпуса, средства прокачки теплоносителя, теплообменники и средства контроля температуры и управления подачей теплоносителя (на чертеже не показаны).
Работа ректификационной установки для разделения изотопов, схема которой изображена чертеже, осуществляется следующим образом. При описании работы установки в качестве примера далее рассматривается технологический процесс детритизации легкой воды, используемой в качестве рабочего тела.
Жидкое рабочее тело поступает во входные отверстия рабочих трубок 1 по раздаточным трубкам 10 из верхнего дозатора 9, расположенного в верхнем буфере 7. Полость дозатора 9 заполняется жидким рабочим телом, поступающим из конденсатора 8. Жидкое рабочее тело подается по раздаточным трубкам 10 в виде дозированных парциальных потоков в заполненные насадкой рабочие каналы трубок 1. В каждом рабочем канале колонны нисходящий поток жидкого рабочего тела проходит через орошаемый участок, заполненный насадкой, и поступает во входную камеру 4. Стекая по крышке-отражателю 3, жидкое рабочее тело попадает в U-образный цилиндрический канал сепаратора 2, через который жидкость перетекает в полость нижнего буфера 12 и заполняет проточную камеру 14.
Часть полости входной камеры 4, расположенная между поверхностью промежуточной цилиндрической оболочки и верхней частью корпуса испарителя 5, и входной (со стороны камеры 4) участок U-образного цилиндрического канала сепаратора 2 выполняют функцию ловушки жидкой фазы рабочего тела,
i
U-образный цилиндрический канал сепаратора 2 выполняет функцию гидравлического затвора, препятствующего перетеканию парообразного рабочего тела между входной камерой 4 и полостью нижнего буфера 12. Поскольку номинальные расходы пара в рабочих каналах трубок 1 воспроизводятся с некоторой конечной точностью Z, а также возникает дрейф гидродинамических сопротивлений рабочих каналов в процессе работы установки, наблюдается разброс действительных значений давления пара во входных камерах 4, сообщенных с рабочими каналами.
Любое отклонение давления пара в камере 4 от номинального значения вызывает снижение или подъем уровня жидкости во входном участке U-образного канала гидравлического затвора. При соответствующем подборе размеров цилиндрических оболочек, образующих U-образный канал предотвращается прорыв парообразного рабочего тела из входной камеры 4 в полость буфера 12 и, вследствие этого, исключается изменение расхода парообразного рабочего тела в рабочих каналах. В рассматриваемом примере конструкции установки соотношение высот (от днища камеры 14) внутренней и внешней цилиндрических оболочек камер 4 выбирается равным 2:1. Высота внешней оболочки гидравлического затвора устанавливается в соответствии с максимальными изменениями действительных давлений в камерах 4 относительно расчетной величины давления.
Нисходящий поток жидкого рабочего тела, стекающий из рабочих каналов трубок 1 во входные камеры 4, перетекает через гидравлические затворы сепараторов 2 в полость нижнего буфера 12, заполняя проточную камеру 14. Восходящий поток пара, поступающий из испарителя 5 в газовый канал сепарации жидкой и парогазовой фаз рабочего тела в полости входной камеры 4, направляется далее из сепаратора 2 в нижнюю часть рабочего канала колонны и поднимается через заполненный насадкой рабочий канал в верхний буфер 7.
При использовании гидравлических затворов в сепараторах 2 расходы жидкого рабочего тела и пара в рабочих трубках 1 воспроизводятся с заданной точностью, определяемой точностью дозирования верхнего и нижнего дозаторов 9 и 16. При данных условиях обеспечивается рабочий режим работы ректификационной установки с расчетными (номинальными) значениями нагрузок по парообразному и жидкому рабочему телу в рабочих каналах колонны. С помощью гидравлических затворов сепаратора 2 обеспечивается независимость теплового режима работы испарителей 5 и гидродинамического режима работы рабочих каналов колонны. Вследствие этого создаются условия для устойчивого (стабильного) рабочего процесса ректификационной установки с расчетными значениями действительного кпд.
В проточную камеру 14 поступает также жидкое рабочее тело из системы подачи исходного (сырьевого) рабочего тела в ректификационную установку. Жидкость подается в полость буфера 12 под действием гидростатического давления из резервуара-накопителя 24, расположенного выше уровня жидкости в проточной камере 14, через дозатор 25 и трубопровод 26 с изогнутым участком U-образной формы, выполняющим функцию гидравлических затворов. Резервуар-накопитель 24 заполняется жидкостью из внешней системы подачи исходного (сырьевого) рабочего тела в ректификационную установку (на чертеже не показана). Для обеспечения заданного режима работы резервуар-накопитель 24 термостатируется при рабочей температуре нижнего буфера 12. Слив рабочего тела, с целью удаления избыточного жидкого рабочего тела и возврата его в емкость внешней системы подачи питающего потока жидкого рабочего тела, осуществляется через сливной патрубок резервуара-накопителя 24 и трубку 27 слива жидкого рабочего тела.
Поток парообразного рабочего тела, поступающего из испарителя 5, проходит через кольцевой зазор, образованный между крышкой-отражателем 3 и верхней торцевой частью корпуса испарителя 5, и движется в радиальном направлении между кромкой крышки-отражателя 3 и внутренней стенкой входной камеры 4. В рассматриваемом примере внутренней стенкой камеры 4 служит промежуточная цилиндрическая оболочка, образующая гидравлический затвор сепаратора 2. При данной конструкции устройства предотвращается попадание капель жидкого рабочего тела из входной камеры 4 во внутреннюю полость испарителя 5.
Потоки жидкого рабочего тела из сепараторов 2 поступают в общую проточную камеру 14. Из камеры 14 жидкость подается через выходной патрубок 15 и трубопровод 19 с помощью нагнетательного насоса 20 в полость нижнего дозатора 16, который расположен выше уровня жидкости в нижнем буфере 12. Из дозатора 16 жидкость дозированными потоками под действием гидростатического давления поступает через выходные патрубки в раздаточные трубки 17 и через участки изогнутой U-образной формы, образующие гидравлический затворы 18, - в трубки 6 подачи рабочего тела испарителей 5. Отвальный продукт выводится из отдельного отсека дозатора 16 через выходной патрубок и трубку 23 вывода отвального продукта в накопительную емкость (на чертеже не показана).
Гидравлические затворы 18 раздаточных трубок 17 выполняют функцию, аналогичную функции, выполняемой гидравлическими затворами сепараторов 2. Отклонение давления пара в камере 4 от расчетного значения приводит к изменению уровня жидкости в ближнем к дозатору 16 участке U-образного канала гидравлического затвора 18. Однако такое изменение не приводит к нарушению расчетного режима подачи жидкого рабочего тела из дозатора 16 в испаритель 5. За счет использования гидравлических затворов 18 подавляются колебательные процессы в раздаточных трубках 17. Следует отметить, что изменение уровней жидкости во входных участках каналов гидравлических затворов сепараторов 2 и гидравлических затворов 18 раздаточных трубок 17 не оказывают влияния на расчетную точность воспроизведения расходов жидкого и парообразного рабочего тела в рабочих каналах колонны. Гидравлические затворы 18, аналогично функциям гидравлических затворов сепараторов 2, обеспечивают независимость теплового режима работы испарителей 5 и гидродинамического режима работы рабочих каналов колонны, создавая за счет этого условия для устойчивого (стабильного) рабочего процесса ректификационной установки с расчетными значениями действительного кпд.
Автоматический контроль уровня жидкого рабочего тела в полости дозатора 16 осуществляется с помощью сливной трубки 22, соединяющей полость дозатора 16 с газовой полостью буфера 12. Для обеспечения равного давления в газовых полостях дозатора 16 и буфера 12 используется соединительная трубка 21, сообщающая указанные газовые полости.
В испарителях 5 происходит нагрев жидкого рабочего тела за счет теплообмена с теплоносителем в камере 13 нагрева испарителей. При нагреве жидкости в каждом испарителе 5 образуется пар, дозированный поток которого поступает чрез кольцевой зазор между крышкой - отражателем 3 и торцевой частью корпуса испарителя в полость входной камеры 4 и в нижнюю часть рабочих каналов трубок 1. Дозированные потоки парообразного рабочего тела проходят через отдельные рабочие каналы снизу вверх и смешиваются в полости верхнего буфера 7. Общий поток парообразного рабочего тела направляется в конденсатор 8, где он преобразуется в жидкость (конденсат).
Жидкое рабочее тело из конденсатора 8 поступает по трубопроводу в полость верхнего дозатора 9, из которого дозированные потоки жидкости направляются через раздаточные трубки 10 в верхние части трубок 1, орошая насадку, заполняющую рабочие каналы. Вывод целевого продукта из отдельного отсека верхнего дозатора 9 осуществляется через трубку 11 в накопительную емкость (на чертеже не показана). Далее жидкое рабочее тело поступает через рабочие каналы и сепараторы в нижний буфер 12. Данная операция замыкает процесс циркуляции рабочего тела в ректификационной установке для разделения изотопов.
Возможность исключения из состава системы подачи рабочего тела прецизионных элементов (калиброванных паровых капилляров) позволяет упростить конструкцию ректификационной установки, технологию ее изготовления, обслуживание (эксплуатацию) установки, а также повысить ее надежность, производительность и ресурс.
Дозирование расходов жидкости и пара в рабочих каналах колонны осуществляется с помощью двух дозаторов жидкого рабочего тела (верхнего и нижнего), которые могут иметь идентичную конструкцию. Реализуемый с помощью ректификационной установки технологический процесс, включающий предварительное формирование дозированных потоков жидкого рабочего тела, последующее испарение жидкости в отдельных испарителях и организация встречной циркуляции жидкости и пара через заполненные насадкой рабочие каналы позволяет обеспечить рабочий процесс разделения изотопов в промышленных масштабах с устойчивыми (стабильными) рабочими характеристиками. Возможность использования двух идентичных по конструкции дозаторов жидкого рабочего тела обеспечивает ремонтопригодность установки и повышение ее ресурса.
Далее приводятся результаты расчетов, проведенных для различных вариантов реализации ректификационной установки для разделения изотопов, которые подтверждают возможность достижения технических результатов.
2
2
3
Пример №1. Многоканальная установка используется для детритизации легкой воды и выполнена на базе одноканальной колонны ПИЯФ, содержащей 400 теоретических ступеней (Full - scale experimental studies of the various type mass exchange packings by water distillation / Trenin V.D. [et. al.] // Fusion Technology. 1995. V. 28, P. 1578-1583. URL: http://nrd.pnpi.spb.ru/lriv/av1_img.PDF). Колонна содержит 200 каналов диаметром 80 мм и имеет проходное сечение 1 м. Колонна работает в обычном для колонн детритизации воды режиме, а именно: рабочая температура 60°С; удельная нагрузка по пару/жидкости ~ 600 г/(м⋅с). Расход орошающей воды в индивидуальных каналах равен 3 см/с.
-3
4
Верхний и нижний дозаторы 9 и 16 имеют точность дозирования жидкого рабочего тела Z=10. В данном варианте кпд многоканальной колонны η составляет 0,95. Коэффициент q разделения колонны (отношение концентраций трития в нижнем и верхнем буфере колонны) достигает максимальной величины q=10.
3
3
Колонна работает при подаче исходной тритированнной воды в нижний буфер со скоростью 15 см/с.Отбор целевого продукта (очищенная по тритию вода при 100 кратном снижении содержании трития) проводится в жидком виде из верхнего дозатора с расходом 13,5 см/с.
3
Отбор отвала (вода с десятикратной относительно исходной концентрацией трития) проводится в жидком виде в нижнем дозаторе со скоростью 1,5 см/с.Согласно результатам расчетов расходы жидкого рабочего тела на участках ввода исходной третированной воды, а также отбора целевого продукта и вывода отвала соответствуют требованиям промышленного применения ректификационной установки для разделения изотопов.
2
Пример №2. Многоканальная колонна, описанная в примере 1, используется для детритизации тяжелой воды, при этом возможен выбор между точностью дозаторов 9 и 16 на уровне Z=0.001 и Z=0.01. Колонна работает при рабочей температуре 60°С и нагрузке по пару/жидкости ~ 600 г/(м⋅с). Расход воды в рабочих каналах равен 3 см/с.
-3
3
3
Дозаторы 9 и 16 имеют точность дозирования 10, что обеспечивает расчетный кпд многоканальной колонны η≅0,95. Коэффициент q разделения колонны (отношение концентраций трития в нижнем и верхнем буфере колонны) имеет оценочные значения от 5 до 6. Колонна работает при подаче исходной тритированнной воды в нижний буфер со скоростью 3 см/с.Отбор целевого продукта (очищенная по тритию тяжелая вода при 2-х кратном снижении содержания трития относительно исходного) проводится в жидком виде из верхнего дозатора со скоростью 1,5 см/с.
3
Отбор отвала (тяжелая вода с 2-х кратной относительно исходной концентрацией трития) проводится в нижнем дозаторе со скоростью 1,5 см/с. Расходы жидкого рабочего тела на участках ввода третированной воды, а также отбора целевого продукта и вывода отвала достаточно велики, соответствуя требованиям промышленной ректификационной установки для разделения изотопов. Операции ввода-вывода рабочего тела можно организовать с помощью простейших дозаторов жидкости с использованием калиброванных трубок в качестве рабочих элементов.
В другом расчетном варианте точность дозаторов принималась на уровне Z=0.01. При указанной точности дозаторов кпд колонны снижается до уровня 0.8, а коэффициент q разделения колонны убывает до q=4. В реальных условиях при данном уровне значений коэффициента q для детритизации тяжелой воды используют каскад многоканальных колонн - секций изотопного обмена. Для рассматриваемого расчетного варианта ректификационная установка должна содержать от 3 до 5 секций изотопного обмена (многоканальных колонн).
Наряду с описанным выше примером осуществления изобретения возможны и другие варианты ректификационной установки, конструкция которой зависит от реализуемого технологического процесса, решаемой задачи и выбора конкретного рабочего тела, содержащего разделяемые изотопы.
3
3
3
10
11
15
В качестве рабочего тела может использоваться BF или азеотроп BF-CHF для производства изотопов бора В и В, двуокись азота или азеотроп аммиак-диметиловый эфир для производства изотопа азота N. В конкретных условиях выбираются рабочие характеристики установки, а также дополнительные узлы и блоки, обеспечивающие работу установки. В зависимости от рабочих параметров установки выбираются виды и размеры насадок, наполняющих рабочие каналы, конструкция дозирующих устройств.
В составе ректификационной установки могут применяться, наряду с описанными выше, иные известные конструкции гидравлических затворов, с помощью которых предотвращается проникновение парогазовой смеси из одного участка трубопровода или полости в смежный участок или полость. Применение гидравлических затворов в ректификационной установке для разделения изотопов позволяет предотвратить перетекание парообразного рабочего тела из входных камер 4 в полости нижнего буфера 12 и дозатора 16, а также из полости нижнего буфера 12 в полости дозатора 16 и резервуара-накопителя 24.
При относительно малых размерах поперечного сечения рабочих каналов могут быть реализованы варианты конструкции установки с использованием сепараторов 2, выполненных в виде трубного (двухоборотного) сифона. В зависимости от формы и конструктивных особенностей проточной камеры 14 для соединения с трубопроводами 26 и 19 могут использоваться различные по форме выполнения и расположению на корпусе камеры входные и выходные патрубки.
Необходимость использования нагнетательного насоса 20 для подачи рабочего тела из проточной камеры 14 в дозатор 16 определяется взаимным расположением (по высоте установки) проточной камеры и дозатора. При расположении 16 дозатора ниже уровня жидкого рабочего тела в проточной камере 14 перетекание рабочего тела из буфера 12 в дозатор 16 происходит под действием гидростатического давления. В этом случае камера
13 нагрева испарителей располагается ниже уровня жидкости в дозаторе 16, при этом подача пара во входные камеры 4, расположенные на первоначальном уровне, осуществляется за счет увеличения высоты корпусов испарителей 5. При такой компоновке блоков нижнего узла обращения потоков насос 20 исключается из состава ректификационной установки.
Резервуар-накопитель 24 со вспомогательными элементами (25, 26, 27) не является обязательным автономным узлом системы питания ректификационной установки. Возможно включение данного узла в состав нижнего дозатора 16 или верхнего дозатора 9. В зависимости от условий применения ректификационной установки могут использоваться дозирующие устройства различной конструкции. Так, например, в ректификационных установках малой размерности в узлах подачи рабочего тела, отбора целевого продукта и вывода отвального продукта могут применяться дозирующие устройства, используемые в составе ректификационной установке - прототипе (колонне Кюна), которые работают по принципу испарителя или конденсатора заданной мощности.
Выполненная согласно изобретению ректификационная установка может использоваться для разделения изотопических компонентов воды в промышленных масштабах, в том числе для удаления трития из оборотных вод заводов переработки ядерных топлив или для кондиционирования теплоносителя тяжеловодных реакторов CANDU.
17
18
15
3
3
3
Установка может также применяться для наработки изотопов кислорода О и О методом дистилляции воды. Возможно использование установки для наработки дефицитных легких изотопов, включая промышленное производство изотопов бора методом дистилляции BF или азеотропа BF-CHF, промышленное производство изотопа азота N методом дистилляции жидкой двуокиси азота или азеотропа аммиак-диметиловый эфир. Ректификационная установка может найти применение при реализации различных технологических процессов, в том числе при тонкой очистке веществ ректификацией, когда применение больших аппаратов дает выигрыш по стоимости продукции за счет упрощения организации технологического процесса.
Далее приводится перечень изображенных на чертеже цифровых обозначений узлов и элементов ректификационной установки для разделения изотопов:
1 - рабочая трубка колонны;
2 - сепаратор рабочего тела;
3 - крышка-отражатель;
4 - входная камера;
5 - испаритель;
6 - трубка подачи рабочего тела испарителя;
7 - верхний буфер;
8 - конденсатор;
9 - верхний дозатор жидкого рабочего тела;
10 - раздаточная трубка верхнего дозатора;
11 - трубка вывода целевого продукта;
12 - нижний буфер;
13 - камера нагрева испарителей;
14 - проточная камера нижнего буфера;
15 - выходной патрубок проточной камеры;
16 - нижний дозатор жидкого рабочего тела;
17 - раздаточная трубка нижнего дозатора;
18 - гидравлический затвор раздаточной трубки нижнего дозатора;
19 - трубопровод подачи жидкого рабочего тела в нижний дозатор;
20 - нагнетательный насос;
21 - соединительная трубка;
22 - сливная трубка нижнего дозатора;
23 - трубка вывода отвального продукта из нижнего дозатора;
24 - резервуар-накопитель;
25 - дозатор резервуара-накопителя;
26 - трубопровод подачи жидкого рабочего тела из резервуара-накопителя;
27 -трубка слива жидкого рабочего тела из резервуара-накопителя.