Сублимационный аппарат

 

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующих метариалов и предназначено для проведения процесса сублимации-десублимации U F₆, обогащенного U²³⁵. Сублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус с размещенным в нем теплообменным элементом и камерой для теплоносителя, охватывающей теплообменный элемент, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя, нагреватель. Аппарат снабжен трубчатым испарителем хладагента, сообщенным с ним эжектором и центральной поглощающей нейтроны вставкой. Тепловой элемент выполнен в виде кольцевой камеры, а охватывающая ее камера для теплоносителя установлена с зазором по отношению к корпусу и центральной поглощающей вставке. Кроме того, в зоне входа технологического газа в корпус установлен электронагреватель, а в зоне выхода технологического газа установлена фильтрующая вставка. Аппарат надежен в работе, экономичен и ядернобезопасен. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующих материалов и предназначено для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном 235.

Известен десублиматор [1] для отделения гексафторидов урана и плутония от неконденсируемых технологических газов. Он содержит корпус, в котором размещены теплообменные элементы в виде труб, прикрепленных к трубным доскам с образованием камер для хладагента и неконденсирующихся газов, а также полостей для десублимации гексафторида урана. В корпусе установлена перегородка, разделяющая межтрубное пространство на входную и выходную полости, позволяющие более полно использовать хладагент. Корпус снабжен бункером для сублимата с обогревателем, а также патрубками ввода и вывода технологических газов и хладагента. Гексафторид урана осаждается на наружных поверхностях теплообменных элементов. Для предотвращения излишнего накопления десублимата его обрушают в бункер, из которого продукт удаляется возгонкой.

Известен десублиматор [2]-прототип, используемый в области переработки сублимирующих материалов при переработке топлива ядерных реакторов, в том числе для сублимационной сушки. Он содержит цилиндрический корпус с размещенными в нем теплообменным элементом и камерой для хладагента, охватывающей теплообменный элемент, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологических газов и хладагента (теплоносителя). Теплообменный элемент выполнен в виде труб, закрепленных в трубных досках с образованием камер ввода и вывода технологических газов.

Известные аппараты [1, 2] не могут быть использованы для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном 235.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании экономичного сублимационного аппарата большой емкости с высокими тепло- и массообменными характеристиками и обеспечивающего выполнение требований ядерной безопасности при проведении процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном 235.

Для решения этой задачи сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем теплообменным элементом и камерой для теплоносителей, охватывающей теплообменный элемент, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителей, снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, теплообменный элемент выполнен в виде кольцевой камеры, а охватывающая его камера для теплоносителей установлена с зазором по отношению к корпусу и центральной поглощающей вставке с образованием полости для рециркуляции теплоносителей (хладагента и сжатого воздуха). Кроме того, сублимационный аппарат снабжен трубчатым испарителем хладагента и сообщенным с ним эжектором, выход которого соединен с камерой для теплоносителей, а вход - с полостью для рециркуляции теплоносителей, в кольцевой камере теплообменного элемента в зоне выхода технологического газа размещена фильтрующая вставка, а в зоне входа технологического газа в кольцевую камеру размещен нагревательный элемент, на выходе теплоносителей из эжектора установлены винтовые направляющие, а на входе теплоносителей в один из эжекторов установлен регулирующий клапан.

На фиг. 1 представлен сублимационный аппарат в разрезе; на фиг.2 - вид A на крышку кольцевой камеры теплообменного элемента; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг.3, регулирующий клапан в разрезе; на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг.2, нагревательный элемент в разрезе; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.1, вид на винтовые направляющие; на фиг. 7 - схема подвода в эжектор теплоносителей (нагретого воздуха и хладагента из испарителя).

Сублимационный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 из обечаек 2, 3, кольцевое пространство между которыми заполнено теплоизоляционным материалом, например аэрогелем кремниевой кислоты, корпус закрыт крышкой 4 с одного конца и фланцем 5 - с другого. Внутри корпуса 1 размещен теплообменный элемент, выполненный в виде кольцевой камеры с крышкой 7 и днищем 8. В центральной части корпуса между крышкой корпуса 4 и крышкой 7 кольцевой камеры 6 размещена центральная поглощающая нейтроны вставка 9, заполненная насыпным поглотителем 10, например карбидом бора. Кольцевая камера 6 теплообменного элемента размещена в кольцевой камере 11 для теплоносителей с зазорами 12 и 13, а камера 11 для теплоносителей размещена с зазором 14 относительно вставки 9 и с зазором 15 относительно обечайки 3 и имеет с одного торца крышку 16, а другой торец камеры для теплоносителей открыт в полости 17. Кольцевая камера 6 теплообменного элемента снабжена фильтрующей вставкой 18, например, из колец Рашига и патрубками 19 и 20 для входа и выхода технологического газа соответственно. Технологический газ, прошедший через фильтрующую вставку 18, отбирается из зоны 21 через отверстие 22 патрубка 20. В непосредственной близости к патрубку 19 вмонтирован электронагревательный элемент 23 в кольцевую камеру 6 (фиг.2, 5). Между крышкой 4 корпуса 1 и крышкой 16 камеры 11 для теплоносителей размещен трубчатый испаритель хладагента 24 (фиг.1, 3) и эжекторы 25 и 26 (фиг.3, 4, 7). В аппарате предусмотрены патрубки для ввода жидкого азота (хладагента) 27, воздуха 28 и вывода из аппарата теплоносителей 29 (фиг.1). Испаритель 24 жидкого азота содержит основной коллектор 30 (фиг.1, 3, 7), два распределительных коллектора 31 и 32, сообщенных с основным коллектором 30 трубками 33. На испарителе 24 размещен кабельный нагреватель 34 (фиг.1, 7). Каждый эжектор 25, 26 содержит приемную камеру 35, камеру 36 смещения и сопло 37, имеющее два сопловых канала 38 и 39 со сменными втулками, через которые хладагент из испарителя или нагретый воздух из патрубка 28 поступает в камеру 11 для теплоносителей. На выходных концах камер 36 смещения эжекторов 25, 26 установлены винтовые направляющие 40 (фиг.6). Эжекторы 25 и 26 закреплены на крышке 4 корпуса 1 аппарата. Эжектор 25 снабжен регулирующим клапаном 41, а эжектор 26 установлен без регулирующего клапана. Аппарат установлен на опоры 42, 43, в которые встроены тензометрические весы (не показаны).

Аппарат работает в двух режимах: сублимации и десублимации. Для работы аппарата в режиме десублимации сначала его захолаживают до температуры десублимации технологического газа (гексафторида урана). Для этого жидкий азот подают через патрубок 27 в испаритель 24 в его основной коллектор 30 (фиг. 7), откуда хладагент распределяется в коллекторы 31 и 32 и по трубкам 33 через сопловые каналы 38 эжекторов 25 и 26 направляется в камеру 11 для теплоносителей и движется в ней по спирали за счет винтовых направляющих 40 (фиг. 6) по зазорам 12 и 13 (фиг.1), обеспечивая охлаждение кольцевой камеры 6 теплообменного элемента.

Далее газообразный азот (хладагент) выходит из камеры 11 через открытый торец в полости 17 и по зазорам 14, 15 за счет разрежения, создаваемого эжекторами, возвращается в приемные камеры 35 эжекторов, где смешивается со свежей порцией газообразного хладагента, поступающего из испарителя 24. Часть отработавшего хладагента выводится из аппарата через патрубок 29. По достижении в кольцевой камере 6 температуры, соответствующей режиму десублимации технологического газа (гексафторида урана), его подают в кольцевую камеру 6 через патрубок 19 (фиг.1). На этом этапе объем подаваемого хладагента регулируют клапаном 41 (фиг.4). Сублимируемая часть технологического газа осаждается на внутренней поверхности кольцевой камеры 6. Механические примеси оседают в фильтрующей вставке 18, а несублимируемая газовая часть технологического газа выводится из аппарата через патрубок 20. Для предотвращения зарастания кольцевой камеры 6 на входе в нее технологического газа его подогревают с помощью электронагревателя 23 (фиг.5).

Сублимацию гексафторида урана осуществляют в две стадии. Сначала нагревают кольцевую камеру 6 до температуры 20^oC воздухом, подаваемым в эжекторы 25, 26 через патрубок 28 из атмосферы. Затем включают кабельный нагреватель 34 (фиг.1, 7) и доводят температуру в аппарате до температуры возгонки гексафторида урана. Возгоны технологического газа выводят из аппарата через патрубок 20. А воздух (теплоноситель), поступающий в сопловые каналы 39 эжекторов 25, 26, направляется через приемные камеры 35 и камеры смещения 36 в кольцевую камеру 11 для теплоносителя и по зазорам 12, 13, 14, 15 возвращается в приемные камеры 35 эжекторов 25, 26. Часть воздуха выводится из аппарата через патрубок 29.

Наличие центральной поглощающей нейтроны вставки, а также геометрическая форма рабочего пространства аппарата (кольцевая камера шириной 40 мм) позволяет выполнить требования ядерной безопасности при значительной емкости аппарата. Выполнение теплообменного элемента в виде кольцевой камеры, размещенной в кольцевой камере для теплоносителя с образованием рециркуляционной полости, позволяет получить развитую поверхность тепло-массообмена и сделать аппарат экономичным. Повышение экономичности способствуют наличие испарителя хладагента и эжекторов с регулятором расхода хладагента, а также их размещение в рабочем пространстве. За счет этих средств обеспечивается оптимальный расход теплоносителей. Кроме того возгоны, выходящие из аппарата, отличаются более высокой чистотой от механических примесей.

Формула изобретения

1. Сублимационный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем теплообменным элементом и камерой для теплоносителей, охватывающей теплообменный элемент, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителей, нагреватель, отличающийся тем, что он снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, теплообменный элемент выполнен в виде кольцевой камеры и охватывающая ее камера для теплоносителей установлена с зазором по отношению к корпусу и центральной вставке с образованием полости для рециркуляции теплоносителей.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен трубчатым испарителем хладагента и сообщенным с ним эжектором, выход которого соединен с камерой для теплоносителей, а вход - с полостью для рециркуляции теплоносителей.

3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в кольцевой камере в зоне выхода технологического газа размещена фильтрующая вставка, а в зоне входа - нагревательный элемент.

4. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на выходе теплоносителей из эжектора установлены винтовые направляющие, а на входе в один из эжекторов - регулирующий клапан.

5. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель размещен на трубчатом испарителе хладагента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7