Способ разделения газовых и газообразных изотопных смесей

 

Изобретение относится к разделению газовых и газообразных изотопных смесей и может быть использовано для создания разделительных аппаратов с коэффициентом обогащения, приближающимся к максимально возможному при инжекции разделяемого газа в газ-носитель. Цель изобретения - увеличение разделительной способности процесса. Газ-носитель наносят в виде конденсата на твердую охлаждаемую поверхность, разделяемый газ, истекающий из сопла с гиперзвуковой скоростью, направляют на поверхность конденсата и внедряют в него на разную глубину в соответствии с массой и размером молекул (атомов) компонентов смеси. Отбор производят последовательным послойным испарением конденсата газа-носителя с распределенными в слоях компонентами разделяемой смеси.

Изобретение относится к разделению газовых и газообразных изотопных смесей и может быть использовано при разработке аппаратов для разделения смесей компонентов, отличающихся массами или размерами молекул или атомов. Целью изобретения является увеличение разделительной способности элементарного процесса сепарации. Суть изобретения состоит в создании гиперзвукового моноэнергетического потока молекул или атомов разделяемой смеси и инжектировании их в газ-носитель, предварительно конденсированный на охлажденной поверхности. Молекулы (атомы) разделяемой смеси внедряются в конденсат и вследствие разности масс или размеров проникают в него на разную глубину и располагаются в нем слоями, состоящими преимущественно из частиц одного сорта. Отбор осуществляют последовательным испарением отдельных слоев конденсата вместе с содержащимися в них компонентами разделяемой смеси. Разделительную способность устройства, в котором реализуют элементарный эффект разделения, определяют по формуле δ U = 1/2 L Θ (1 - Θ) E². (1) где L - общий поток вещества; Θ - коэффициент деления потока на обогащенную и обедненную по целевому компоненту фракции: Е - коэффициент обогащения, задаваемый при инжекции тяжелой смеси в плоскопараллельный поток легкого газа соотношением Е = f (Θ) E = f(Θ) (1 - exp( -K₁))·(1- exp(-K₂))(1- exp(-K₃)), (1 - exp (-K₁)) x x (1 - exp (-K₂)) (1 - exp (-K₃)), (2) где m_т - приведенная масса молекул разделяемой смеси; m_н - масса молекул газа-носителя; Δ m - разность масс молекул компонентов разделяемой смеси; К₁, К₂ - отношение скорости инжектируемого газа соответственно к скорости газа- носителя и к тепловой скорости инжектируемого газа; отношение скорости потока газа-носителя к его тепловой скорости в процессе отбора; f (Θ) - функциональная зависимость коэффициента обогащения от коэффициента деления потока, определяемая характером течений обогащаемой и обедняемой целевым компонентом фракций. При значениях К₁ >> 1 коэффициент обогащения достигает максимальной величины
E_макс= f(Θ) (3) Для обеспечения условий, при которых все К_i >> 1, необходимо осуществлять инжекцию разделяемой смеси в виде моноэнергетического гиперзвукового потока в газ-носитель, имеющий температуру, при которой не происходит его испарения в процессе инжекции. Такие условия создают в соответствии со схемой процесса разделения, представленной на фиг. 1 и 2. Схема включает камеру 1 конденсации газа-носителя на плоскую поверхность 2, камеру 3 инжекции разделяемой смеси из источника 4, камеру 5 отбора легкой фракции и камеру 6 отбора тяжелой фракции. Источник 4, являющийся каналом ввода потока разделяемой смеси, и все необходимые приспособления в секторных камерах (секторах) 1,3,5 и 6 неподвижны. Конденсирующая поверхность вращается по направлению его от камеры 1 к камере 6 с заданной угловой скоростью, величину которой определяют с учетом параметров источника, масс молекул разделяемой смеси и газа-носителя и толщины слоя сконденсированного газа-носителя. Послойное испарение конденсата с расслоенными в нем компонентами разделяемой смеси осуществляют импульсным лучистым потоком, обеспечивающим за время импульса испарение слоя заданной толщины. В качестве источника изучения целесообразно использовать импульсный лазер. П р и м е р. Осуществлено разделение изотопов урана с использованием воды как газа-носителя. Разделение производится в секторных отсеках вакуумной камеры. Вакуумная камера выполнена в виде цилиндра, разделенного на четыре сектора вертикальными стенками и накрытого крышкой, вращающейся против часовой стрелки (по виду сверху). Внутренняя поверхность крышки находится при температуре жидкого азота, для чего крышка снабжена теплообменником. В секторе 1 камеры для нанесения конденсата на поверхность крышки установлен источник паров воды, а в секторе 3 источник паров урана, представляющий собой нагреваемую внешним подводом тепла камеру с гиперзвуковым соплом. В секторе 5 установлен источник лазерного излучения для импульсного испарения слоев конденсата в процессе осуществления отбора. Диаметр критического сечения сопла источника из технологических соображений принят равным 2 мм. Для обеспечения гиперзвукового потока смеси изотопа из соплового источника необходимо число Рейнольдса R_eкр ≥ 200. Расчетным путем получено, что для такого числа Рейнольдса давление паров урана должно составлять 15 мм рт.ст., а температура не меньше 3150 К. При этом расход паров урана составлял 0,14 г/с, а скорость атомов урана, налетающих на поверхность конденсата газа-носителя, около 720 м/с. Толщина слоя конденсата воды (газа-носителя) определена из условия потери импульса внедряемых атомов в процессе их столкновения с молекулами газа-носителя и составляла 200 монослоев. Принимая для системы уран - вода мольную концентрацию 1:10, получают число монослоев урана 20. В соответствии с размерами атомов 20 монослоев урана могут быть уложены на площади 0,16 м². Радиус основания цилиндрической камеры принят равным 0,25 м, а площадь камеры 3 - 1/6 площади основания. При этих условиях угловая скорость основания составляет примерно 0,81 с^-1. Температура конденсата 215 К, а площадь камеры 3 - 1/6 площади основания. При этих условиях угловая скорость, основания составляет примерно менее 10^-2 мм рт.ст. Подводимая мощность для создания потока паров урана с расходом 0,14 г/с составляла около 900 Вт, а для испарения воды - 400 Вт. При вращающейся крышке и включенном газодинамическом источнике 4 в секторе 1 на поверхность крышки наносят слой конденсата паров воды. В секторе 3 через поверхность конденсата инжектируют и вмораживают атомы урана, которые располагаются в слоях в соответствии с изотопными массами - тяжелые изотопы в более глубоких слоях. Послойное испарение конденсата с расслоенными в нем изотопами урана осуществляют в секторах 5 и 6 импульсным лазерным излучением с экспозицией лучистого потока примерно в 1 мкс. Проведение процесса разделения при указанных условиях позволяет достигнуть следующие значения коэффициентов: К₁ ≈ 800, К₂ ≈ 4. Коэффициент К₃ теоретически стремится к бесконечности вследствие отсутствия диффузии урана в конденсате и мгновенного отбора компонентов по площади. При указанных значениях коэффициентов К₂ произведение экспоненциальных сомножителей в формуле (2) превышает значение 0,97. Таким образом, коэффициент обогащения приближается к максимальной теоретической величине и превосходит его значение для способа-прототипа более чем в 6 раз. При этом разделительная способность устройства возрастает примерно в 10 раз по отношению к этой характеристике прототипа при одинаковых общих потоках вещества и коэффициентах деления потока.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ИЗОТОПНЫХ СМЕСЕЙ, заключающийся в создании и осуществлении взаимодействия потоков разделяемой смеси и газа-носителя с последующим отбором разделяемых компонентов, отличающийся тем, что, с целью увеличения разделительной способности процесса, газ-носитель предварительно конденсируют на охлажденную поверхность, поток разделяемой смеси направляют на конденсат газа-носителя для послойного внедрения тяжелых и легких молекул, а отбор осуществляют последовательным испарением слоев конденсата, обогащенных легкими и тяжелыми компонентами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---