RU2362607C1 - Desublimation device - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention is related to equipment for performance of uranium hexafluoride desublimation-sublimation processes to clean it from light admixtures and may be used in separating production runs of nuclear industry. Device comprises annular desublimation chamber created by external surface of cylindrical desublimator installed in body with fixed horizontal annular partitions. In internal cavity of desublimator there is an annular evaporator, in external wall of which there is an evaporating spiral-like cavity, which makes a closed refrigerating system together with pipelines of refrigerant supply and drain and compressor-condenser unit. Cylindrical heater is installed in internal cavity of evaporator. Desublimation chamber consists of two sections - upper one and lower one. Partitions in upper section are arranged with smaller pitch compared to lower section.

EFFECT: increased extent of uranium hexafluoride treatment from light admixtures, reduced operational expenses.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для проведения процессов десублимации-сублимации гексафторида урана (ГФУ) с целью его очистки от легких примесей и может быть использовано на разделительных производствах атомной промышленности.The invention relates to equipment for carrying out processes of desublimation-sublimation of uranium hexafluoride (HFC) in order to clean it from light impurities and can be used in separation plants of the nuclear industry.

Наиболее близким по технической сущности является сублимационный аппарат Сибирского химического комбината, патент RU №2143940, опубликованный 21.01.2000, принятый за прототип. Сублимационный аппарат содержит цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены центральная поглощающая нейтроны вставка и соосные с ней кольцевая камера для теплоносителей и кольцевая сублимационная камера, снабженная нагревателем стенки и кольцевыми перегородками, размещенными с зазором относительно обогреваемой стенки, патрубки ввода и вывода технологического газа, ввода и вывода теплоносителей.The closest in technical essence is the sublimation apparatus of the Siberian Chemical Combine, patent RU No. 2143940, published January 21, 2000, adopted as a prototype. The sublimation apparatus contains a cylindrical thermally insulated body in which there is a central neutron-absorbing insert and an annular chamber for coolants coaxial with it and an annular sublimation chamber equipped with a wall heater and annular partitions placed with a gap relative to the heated wall, process gas inlet and outlet pipes, inlet and heat carrier outlet.

Сублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. При работе в режиме десублимации хладоноситель (пары жидкого азота) направляется в теплообменник и охлаждает сублимационную камеру, в которую подают технологический газ, представляющий собой смесь ГФУ и легких примесей (воздух, фтористый водород). Процесс десублимации проводят при включенном нагревателе стенки сублимационной камеры. ГФУ десублимируется на холодных поверхностях сублимационной камеры, а легкие примеси отводятся через патрубок вывода технологического газа. Степень очистки ГФУ при десублимации характеризуется количеством отводимых из аппарата легких примесей. Для перевода аппарата в режим сублимации подача хладоносителя и технологического газа прекращается. Нагревателем стенки сублимационной камеры доводят температуру в аппарате до температуры сублимации ГФУ. Сублимированный ГФУ отводится из сублимационной камеры через патрубок вывода технологического газа. Для ускорения процесса сублимации в теплообменник подается теплый воздух.The sublimation apparatus of periodic action operates in two modes: desublimation and sublimation of HFCs. When operating in desublimation mode, the coolant (liquid nitrogen vapor) is sent to the heat exchanger and cools the sublimation chamber, into which the process gas is supplied, which is a mixture of HFCs and light impurities (air, hydrogen fluoride). The process of sublimation is carried out with the heater on the wall of the sublimation chamber. HFCs are desublimated on the cold surfaces of the sublimation chamber, and light impurities are discharged through the process gas outlet pipe. The degree of purification of HFCs during desublimation is characterized by the amount of light impurities removed from the apparatus. To transfer the device to the sublimation mode, the flow of refrigerant and process gas is stopped. The wall heater of the sublimation chamber adjusts the temperature in the apparatus to the sublimation temperature of HFCs. Sublimated HFCs are discharged from the sublimation chamber through a process gas outlet pipe. To speed up the process of sublimation, warm air is supplied to the heat exchanger.

Теплопередача от ГФУ к газообразному теплоносителю (азот, воздух) и от нагревателя стенки сублимационной камеры к ГФУ с использованием конвективного теплообмена малоэффективна. Это значительно ухудшает удельные массогабаритные и энергетические показатели аппарата, снижает степень очистки ГФУ и усложняет выполнение требований по обеспечению ядерной безопасности.Heat transfer from HFCs to a gaseous coolant (nitrogen, air) and from the wall heater of the sublimation chamber to HFCs using convective heat transfer is ineffective. This significantly worsens the specific weight and size and energy indicators of the apparatus, reduces the degree of purification of HFCs and complicates the implementation of nuclear safety requirements.

Использование нагревателя стенки сублимационной камеры для предотвращения закупоривания проходного сечения десублимированным ГФУ в процессе десублимации увеличивает удельные энергозатраты на очистку ГФУ.The use of a wall heater of a sublimation chamber to prevent clogging of the passage through a section with desublimated HFCs during the desublimation process increases the specific energy consumption for cleaning HFCs.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке экономичного, компактного десублимационного аппарата с высокой степенью очистки ГФУ от легких примесей, удовлетворяющего требованиям ядерной безопасности.The problem to which the invention is directed is to develop an economical, compact desublimation apparatus with a high degree of purification of HFCs from light impurities that meets the requirements of nuclear safety.

Для решения этой задачи предлагается десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая десублимационная камера с размещенными в ней горизонтальными кольцевыми перегородками, патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладона, нагреватель, причем кольцевая десублимационная камера образована наружной поверхностью установленного в корпусе цилиндрического десублиматора с закрепленными на нем горизонтальными кольцевыми перегородками, на периферии которых равномерно по окружности выполнены пазы, и защитным экраном, установленным между кольцевыми перегородками и корпусом с зазором относительно стенки корпуса; во внутренней полости десублиматора размещен кольцевой испаритель, в наружной стенке которого выполнена испарительная спиралевидная полость, составляющая с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему, во внутренней полости испарителя размещен цилиндрический нагреватель; кольцевая десублимационная камера состоит из двух секций - основной (нижней) и доулавливающей (верхней), при этом перегородки в доулавливающей секции выполнены с меньшим, чем в основной секции, шагом; над десублимационной камерой расположена камера распределения технологических газов, в днище которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки, установленные в пазах кольцевых перегородок по всей высоте десублимационной камеры, состоящие из внутренней трубки с отверстиями и внешней трубки-экрана, расположенной с зазором относительно внутренней трубки, с отверстиями, соосными отверстиям внутренней трубки, но имеющими больший диаметр, причем перфорация на трубках выполнена только в основной - нижней секции десублимационной камеры; корпус аппарата установлен на весоизмерительные датчики; испаритель в доулавливающей секции может иметь самостоятельную испарительную спиралевидную полость, составляющую со своими трубопроводами подвода-отвода хладагента и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом вторую замкнутую холодильную систему.To solve this problem, a desublimation apparatus is proposed, comprising a cylindrical thermally insulated body, in which an annular desublimation chamber with horizontal annular partitions located in it, nozzles for supplying and discharging process gas, pipelines for supplying and discharging refrigerant, a heater, and the annular desublimation chamber is formed by the outer surface of the installed in the case of a cylindrical desublimator with horizontal ring partitions fixed to it, on the periphery of which the grooves are evenly spaced around the circumference, and a protective screen installed between the annular partitions and the housing with a gap relative to the housing wall; in the inner cavity of the desublimator there is an annular evaporator, in the outer wall of which an evaporative spiral cavity is made, comprising a closed refrigeration system with pipelines for supplying and discharging refrigerant and a condensing unit; a cylindrical heater is placed in the inner cavity of the evaporator; the annular desublimation chamber consists of two sections - the main (lower) and the collecting (upper), while the partitions in the collecting section are made with a smaller step than in the main section; above the desublimation chamber there is a process gas distribution chamber, in the bottom of which vertical perforated gas distribution tubes are fixed, installed in the grooves of the annular partitions along the entire height of the desublimation chamber, consisting of an inner tube with holes and an outer screen tube located with a gap relative to the inner tube, with holes coaxial holes of the inner tube, but having a larger diameter, and the perforation on the tubes is made only in the main - lower section desublimatsionnoy chamber; the body of the apparatus is mounted on load cells; the evaporator in the catching section may have an independent evaporative spiral cavity, comprising, with its refrigerant supply and removal pipelines and a second compressor-condensing unit, a second closed refrigeration system.

На фиг.1, 2 представлены разрезы предлагаемого десублимационного аппарата, на фиг.3 - выносной элемент, на фиг.4 представлен вариант исполнения десублимационного аппарата.In Fig.1, 2 presents sections of the proposed desublimation apparatus, Fig.3 is an external element, Fig.4 shows a variant of the desublimation apparatus.

Десублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус 1, заключенный в теплоизолирующий кожух 2. Корпус 1 снабжен патрубком 3 для подвода и патрубком 4 для отвода технологического газа. Внутри корпуса 1 установлен цилиндрический десублиматор 5, в котором закреплены горизонтальные кольцевые перегородки 6 и 7, ограниченные защитным экраном 8, установленным с зазором 9 относительно стенки 10 корпуса 1. Во внутренней полости десублиматора 5 размещен кольцевой испаритель 11, в наружной стенке которого выполнена испарительная спиралевидная полость12, составляющая с трубопроводами подачи хладагента 13 и отвода хладагента 14 с компрессорно-конденсаторным агрегатом 15 замкнутую холодильную систему. Во внутренней полости испарителя 11 размещен цилиндрический нагреватель 16. Наружная поверхность десублиматора 5, снабженная перегородками 6 и 7, в совокупности с защитным экраном 8 образует кольцевую десублимационную камеру 17, состоящую из двух секций - основной 18 (нижней) и доулавливающей 19 (верхней). Перегородки 7 доулавливающей секции 19 выполнены с меньшим шагом по сравнению с перегородками 6 основной секции 18. Над десублимационной камерой 18 расположена камера распределения технологического газа 20, в днище 21 которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки 22, проходящие в пазах 23, выполненных равномерно по окружности на периферии перегородок 6 и 7, по всей высоте десублимационной камеры 17. Перфорация на трубках 22 выполнена только в основной секции 18, которая предназначена для десублимации основной массы ГФУ. Доулавливающая секция 19 предназначена для доулавливания ГФУ из газовой смеси, поступающей из основной секции 18. Газораспределительные трубки 22 состоят из внутренней трубки 24 с отверстиями 25 для подачи технологического газа и внешней трубки-экрана 26, установленной с зазором 27 относительно трубки 24. В трубке-экране 26 выполнены отверстия 28, соосные с отверстиями 25, но большего по сравнению с отверстиями 25 диаметра. Корпус 1 установлен на весоизмерительные датчики 29.The desublimation apparatus comprises a cylindrical body 1 enclosed in a heat-insulating casing 2. The housing 1 is equipped with a pipe 3 for supply and a pipe 4 for removal of the process gas. Inside the housing 1, a cylindrical desublimator 5 is installed, in which horizontal annular partitions 6 and 7 are fixed, limited by a protective shield 8 installed with a gap 9 relative to the wall 10 of the housing 1. An annular evaporator 11 is placed in the inner cavity of the desublimator 5, in the outer wall of which an spiral-shaped evaporator cavity 12, which constitutes a closed refrigeration system with pipelines for supplying refrigerant 13 and removal of refrigerant 14 with a condensing unit 15. A cylindrical heater 16 is placed in the inner cavity of the evaporator 11. The outer surface of the desublimator 5, equipped with partitions 6 and 7, together with the protective screen 8 forms an annular desublimation chamber 17, consisting of two sections - the main 18 (lower) and catching 19 (upper). Partitions 7 of the catching section 19 are made with a smaller step compared to partitions 6 of the main section 18. Above the desublimation chamber 18 is a process gas distribution chamber 20, in the bottom 21 of which vertical perforated gas distribution tubes 22 are fixed, passing in grooves 23 made uniformly around the circumference of the periphery of the partitions 6 and 7, along the entire height of the desublimation chamber 17. Perforation on the tubes 22 is performed only in the main section 18, which is intended for desublimation of the bulk HFCs. The catching section 19 is designed to capture HFCs from the gas mixture coming from the main section 18. Gas distribution tubes 22 consist of an inner tube 24 with holes 25 for supplying process gas and an outer tube screen 26 installed with a gap 27 relative to the tube 24. In the tube - the screen 26 is made holes 28, coaxial with the holes 25, but larger in comparison with the holes 25 of the diameter. Housing 1 is mounted on load cells 29.

Испаритель 11 в доулавливающей секции 19 (фиг.4) может иметь самостоятельную спиралевидную полость 30, отдельную от спиралевидной полости в основной секции 18, составляющую со своими трубопроводами подвода 31 и отвода 32 хладона и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом 33 вторую замкнутую холодильную систему.The evaporator 11 in the collecting section 19 (Fig. 4) may have an independent spiral cavity 30, separate from the spiral cavity in the main section 18, comprising with its pipelines the supply 31 and the discharge 32 of the refrigerant and the second condensing unit 33 a second closed refrigeration system.

Десублимационный аппарат периодического действия работает в двух режимах: десублимации и сублимации ГФУ. В режиме десублимации в работу включен компрессорно-конденсаторный агрегат 15, который обеспечивает циркуляцию хладона через испаритель 11. Парожидкостная смесь хладона через трубопровод 13 подается в верхнюю часть испарителя 11, в которой по мере прохождения хладона по испарительной спиралевидной полости 12 происходит испарение жидкостной составляющей хладона при низких температурах, в результате чего охлаждается десублиматор 5 с перегородками 6 и 7. Пары хладона откачиваются из нижней части испарителя 11 через трубопровод 14 компрессором агрегата 15. Технологический газ через патрубок 3, камеру распределения 20 и перфорированные газораспределительные трубки 22 поступает в основную секцию 18 десублимационной камеры 17, где на охлажденных поверхностях перегородок 6 происходит десублимация основной массы ГФУ. Далее легкие примеси с небольшим количеством ГФУ проходят через пазы 23 перегородок 6 и попадают в доулавливающую секцию 19, где за счет более развитой поверхности и более длительной продолжительности контакта газа с охлажденной поверхностью перегородок 7 десублимируются остатки ГФУ, а легкие примеси через пазы 23 перегородок 7 выводятся из аппарата через патрубок 4. Для предотвращения десублимации ГФУ в трубках 24 и отверстиях 25 трубки 24 экранированы от охлажденных поверхностей при помощи трубки-экрана 26 с отверстиями 28.The periodic sublimation apparatus operates in two modes: desublimation and sublimation of HFCs. In the desublimation mode, a compressor-condenser unit 15 is included in the operation, which ensures the circulation of the freon through the evaporator 11. The vapor-liquid mixture of freon through the pipe 13 is fed to the upper part of the evaporator 11, in which, as the freon passes through the evaporating spiral cavity 12, the liquid component of the freon evaporates when low temperatures, as a result of which the desublimator 5 with partitions 6 and 7 is cooled. The refrigerant vapor is pumped out from the bottom of the evaporator 11 through the pipe 14 with a compressor gregata 15. The process gas through the pipe 3, the distribution chamber 20 and the perforated gas distributing tube 22 enters into the main section 18 desublimatsionnoy chamber 17, where the cooled surfaces of baffles 6 occurs desublimation bulk HFCs. Further, light impurities with a small amount of HFCs pass through the grooves 23 of the partitions 6 and enter the recovery section 19, where due to a more developed surface and a longer duration of gas contact with the cooled surface of the partitions 7, HFC residues are sublimated, and light impurities are discharged through the grooves 23 of the partitions 7 from the apparatus through the nozzle 4. To prevent the desublimation of HFCs in the tubes 24 and the holes 25 of the tube 24 are shielded from the cooled surfaces using the screen tube 26 with holes 28.

После заполнения аппарата ГФУ в режиме десублимации, что контролируется при помощи весоизмерительных датчиков 29, аппарат переводится в режим сублимации. Для перевода аппарата в режим сублимации компрессорно-конденсаторный агрегат 15 выключают из работы, и при помощи нагревателя 16 осуществляют нагрев десублиматора 5 с перегородками 6 и 7 до температуры сублимации ГФУ. ГФУ сублимируется с поверхности перегородок 6 и 7 и выводится из аппарата через патрубок 3.After filling the HFC apparatus in desublimation mode, which is controlled by means of weight sensors 29, the apparatus is transferred to the sublimation mode. To transfer the apparatus to the sublimation mode, the compressor-condenser unit 15 is turned off from operation, and using the heater 16, the desublimator 5 with partitions 6 and 7 is heated to the sublimation temperature of the HFC. HFCs are sublimated from the surface of the partitions 6 and 7 and removed from the apparatus through the pipe 3.

С целью увеличения степени очистки ГФУ от легких примесей испаритель может иметь исполнение с двумя испарительными спиралевидными полостями. При этом парожидкостная смесь хладагента через трубопровод 31 подается в верхнюю часть испарителя 11 доулавливающей секции 19, в которой по мере прохождения хладагента по второй испарительной спиралевидной полости 30 происходит испарение хладагента, в результате чего десублиматор 5 с перегородками 7 в доулавливающей секции охлаждается до температур более низких, чем температура десублиматора 5 с перегородками 6 в основной секции 18. Пары хладагента откачиваются через трубопровод 32 компрессором агрегата 33.In order to increase the degree of purification of HFCs from light impurities, the evaporator can have a design with two evaporative spiral cavities. In this case, the vapor-liquid mixture of the refrigerant through the pipe 31 is supplied to the upper part of the evaporator 11 of the collecting section 19, in which, as the refrigerant passes through the second evaporating spiral cavity 30, the refrigerant evaporates, as a result of which the desublimator 5 with partitions 7 in the collecting section is cooled to lower temperatures than the temperature of the desublimator 5 with partitions 6 in the main section 18. The refrigerant vapor is pumped out through the pipe 32 by the compressor of the unit 33.

В предлагаемом десублимационном аппарате теплопередача от ГФУ к хладагенту в процессе десублимации существенно интенсифицирована за счет низкого термического сопротивления теплоотдачи при кипении хладагента, использование непосредственного нагрева ГФУ при помощи нагревателя через контактирующие с ГФУ поверхности существенно интенсифицирует процесс сублимации, что в совокупности позволяет выполнить компактный, энергетически экономичный аппарат, удовлетворяющий требованиям ядерной безопасности.In the proposed desublimation apparatus, the heat transfer from HFCs to the refrigerant during the desublimation process is significantly intensified due to the low thermal resistance of heat transfer during boiling of the refrigerant, the use of direct heating of HFCs using a heater through surfaces in contact with HFCs significantly intensifies the sublimation process, which together allows for a compact, energy-efficient nuclear safety device.

Использование замкнутой холодильной системы на базе компрессорно-конденсаторного агрегата делает аппарат автономным в части охлаждения, что повышает удобство в эксплуатации и снижает эксплуатационные затраты.Using a closed refrigeration system based on a condensing unit makes the device autonomous in terms of cooling, which increases ease of use and reduces operating costs.

Выполнение десублимационной камеры двухсекционной и осуществление подачи технологического газа через перфорированные газораспределительные трубки равномерно по всему объему основной секции десублимационной камеры позволяет обеспечить высокую эффективность улавливания ГФУ и необходимую вместимость аппарата по ГФУ за счет равномерного распределения десублимированного ГФУ по объему основной секции десублимационной камеры.The implementation of a two-section desublimation chamber and the supply of process gas through perforated gas distribution tubes uniformly throughout the volume of the main section of the desublimation chamber makes it possible to ensure high efficiency of HFC capture and the required capacity of the apparatus in HFCs due to the uniform distribution of desublimated HFCs throughout the volume of the main section of the sublimation chamber.

Установка корпуса аппарата на весоизмерительных датчиках позволяет контролировать массу ГФУ в режиме реального времени и автоматизировать систему управления работой аппарата.The installation of the apparatus on weight sensors allows you to control the mass of HFCs in real time and to automate the control system of the apparatus.

Исполнение испарителя с двумя испарительными полостями позволяет десублиматору с перегородками в доулавливающей секции охлаждаться до более низкой, чем в основной секции, температуры, что в свою очередь позволяет повысить степень очистки ГФУ от легких примесей.The design of the evaporator with two evaporation cavities allows the desublimator with partitions in the collecting section to cool to a lower temperature than in the main section, which in turn allows to increase the degree of purification of HFCs from light impurities.

Claims (3)

1. Десублимационный аппарат, содержащий цилиндрический теплоизолированный корпус, в котором расположены кольцевая десублимационная камера с размещенными в ней горизонтальными кольцевыми перегородками, патрубки подвода и отвода технологического газа, трубопроводы подвода-отвода хладагента, нагреватель, отличающийся тем, что кольцевая десублимационная камера образована наружной поверхностью установленного в корпусе цилиндрического десублиматора с закрепленными на нем горизонтальными кольцевыми перегородками, на периферии которых равномерно по окружности выполнены пазы, и защитным экраном, установленным между кольцевыми перегородками и корпусом с зазором относительно стенки корпуса, во внутренней полости десублиматора размещен кольцевой испаритель, на наружной стенке которого выполнена испарительная спиралевидная полость, составляющая с трубопроводами подвода-отвода хладагента и компрессорно-конденсаторным агрегатом замкнутую холодильную систему, во внутренней полости испарителя размещен цилиндрический нагреватель, кольцевая десублимационная камера состоит из двух секций - основной (нижней) и доулавливающей (верхней), при этом перегородки доулавливающей секции выполнены с меньшим, чем в основной секции, шагом, над десублимационной камерой расположена камера распределения технологических газов, в днище которой закреплены вертикальные перфорированные газораспределительные трубки, установленные в пазах кольцевых перегородок по всей высоте десублимационной камеры, состоящие из внутренней трубки с отверстиями и внешней трубки-экрана, расположенной с зазором относительно внутренней трубки, с отверстиями, соосными отверстиям внутренней трубки, но имеющими больший диаметр, причем перфорация на трубках выполнена только в основной - нижней секции десублимационной камеры.1. A desublimation apparatus comprising a cylindrical heat-insulated housing in which an annular desublimation chamber with horizontal annular partitions located in it, nozzles for supplying and discharging process gas, pipelines for supplying and discharging refrigerant, a heater, characterized in that the annular desublimation chamber is formed by the outer surface of the installed in the case of a cylindrical desublimator with horizontal annular partitions fixed to it, on the periphery of which grooves are made uniformly around the circumference, and a protective screen installed between the annular partitions and the housing with a gap relative to the housing wall, an annular evaporator is placed in the inner cavity of the desublimator, on the outer wall of which an evaporative spiral cavity is made, which is composed of refrigerant inlet and outlet pipelines and compressor-condenser the unit has a closed refrigeration system, a cylindrical heater, an annular desublimation chamber with It consists of two sections - the main (lower) and recovery (upper), while the partitions of the recovery section are made with a smaller step than in the main section, a process gas distribution chamber is located above the desublimation chamber, in the bottom of which vertical perforated gas distribution tubes are fixed, installed in the grooves of the annular partitions along the entire height of the desublimation chamber, consisting of an inner tube with holes and an outer tube-screen located with a gap relative to the inner tube barrels, with holes coaxial with the holes of the inner tube, but having a larger diameter, and the perforation on the tubes is performed only in the main - lower section of the desublimation chamber. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что испаритель в доулавливающей секции имеет самостоятельную спиралевидную полость, составляющую со своими трубопроводами подвода-отвода хладагента и вторым компрессорно-конденсаторным агрегатом вторую замкнутую холодильную систему.2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the evaporator in the collecting section has an independent spiral cavity, comprising, with its refrigerant supply and removal pipelines and a second condensing unit, a second closed refrigeration system. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что корпус аппарата установлен на весоизмерительных датчиках. 3. The apparatus according to claims 1 and 2, characterized in that the apparatus housing is mounted on load cells.

Images