Способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом и газовая центрифуга для его осуществления

Изобретение относится к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, вращающийся ротор, соосно размещенный в корпусе, выполненный в виде вала и снабженный жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, отборные трубки разделенных фракций, каналы вывода разделенных фракций, выведенные наружу через вал ротора и имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, при этом горизонтальные участки отборных трубок размещены внутри каждой лопатки, а входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, и впускное отверстие, размещенное внизу корпуса, для подвода исходной газовой смеси. Способ разделения газообразных смесей включает вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги и отбор легкой и тяжелой фракций в разных зонах турбулентного потока. Изобретение обеспечивает повышение разделительной способности центрифуги и упрощение ее конструкции. 2 н. п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретения относятся к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана, мало различимых между собой по молекулярному весу.

Известны различные способы для разделения или обогащения газообразных смесей, в особенности смесей изотопов.

Для обогащения U235 в некоторых странах (США и Франция) на практике в первую очередь применяют диффузионный способ. Также осуществляют разделение изотопов методом центрифугирования газовой смеси (основной способ в России) и используют способ разделения с помощью разделительного сопла. Во всех трех способах из-за низкого эффекта разделения или малой пропускной способности возникает необходимость последовательно включать большое количество ступеней, чтобы получить требуемое обогащение. Другим недостатком этих известных способов является высокое энергопотребление и большие инвестиционные затраты.

Известен способ разделения или обогащения газообразных смесей изотопов, фракции которых имеют различную плотность, преимущественно при обогащении гексафторидов U238 и U235. Газообразную смесь ускоряют с помощью центрифуги, перемещают в радиальном направлении и в выпускной части у края центрифуги разделяют на две фракции. В выпускной части у внешнего края центрифуги создают в пограничном слое турбулентное движение газообразной смеси. Тяжелая фракция газовой смеси при воздействии центробежных сил, создаваемых вращением центрифуги и возникновением вихрей на турбулентных образованиях, диффундирует из пограничного слоя наружу (патент DE №2857721, МПК3 B01D 59/20, опубл. 29.09.1983). Данный способ выбран в качестве прототипа для заявляемого способа.

Известна газовая центрифуга для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом (патент RU №2394652, МПК B04B 5/08, B01D 59/20 (2006.01), опубл. 27.032.2010), содержащая герметичный корпус, установленный в него цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор, снабженный отборными трубками, молекулярный насос в виде осевого и торцевого уплотнения, размещенного внутри ротора. Неподвижный диск торцевого уплотнения со спиральными канавками расположен на газораспределительном коллекторе между верхней крышкой ротора и его верхней отборной трубкой и снабжен дополнительной жестко закрепленной на его плоской поверхности деталью в форме цилиндрической втулки со спиральными канавками, обращенными в сторону верхней поверхности ротора, а в пространстве между неподвижным диском со стороны его спиральных канавок и верхней отборной трубкой ротора установлен закрепленный внешним буртом на внутренней поверхности стенки ротора вращающийся плоский диск.

В данной центрифуге радиальный выход в ротор из канала исходной смеси газов нарушает структуру осевого циркуляционного потока газа внутри ротора, что уменьшает производительность центрифуги.

Известна также газовая центрифуга (патент RU №2445169, МПК B04B 5/08 (2006/01), опубл. 20.03.2012), содержащая герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками и молекулярный насос, состоящий из осевого уплотнения и торцевого уплотнения, содержащего неподвижный диск со спиральными канавками и верхнюю крышу ротора. Торцевое уплотнение размещено внутри ротора на газораспределительном коллекторе, при этом его неподвижный диск со спиральными канавками с одной стороны и плоской поверхностью с другой стороны размещен между верхней крышкой ротора и его верхней отборной трубкой и снабжен не менее чем одной вертикальной перегородкой, установленной на плоской поверхности неподвижного диска и направленной от газораспределительного коллектора к периферии ротора, при этом в пространстве между неподвижным диском со стороны его спиральных канавок и верхней отборной трубкой ротора установлен закрепленный внешним буртом на внутренней поверхности стенки ротора вращающийся плоский диск.

Конструкция обоих устройств уменьшает эффективность разделения фракций за счет образования паразитных зон, в которых разбавляются начальным составом уже разделенные фракции газовой смеси, и поэтому общая производительность этих устройств крайне низкая, что не позволяет их использовать даже в экспериментальном производстве.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой центрифуге является «Устройство для разделения или обогащения газообразных смесей» (патент DE №2857721, МПК3 B01D 59/20, опубл. 29.09.1983). Данное устройство выбрано в качестве прототипа для заявляемой центрифуги. Указанная газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, соосно размещенный в нем вращающийся с большой скоростью диск, расположенный на вале (ротор). Диск центрифуги имеет радиально проходящие внутри него каналы, которые могут проходить в нескольких плоскостях и в средней части соединены с каналом подачи исходной разделяемой смеси. Газовая смесь, подаваемая через размещенное внизу корпуса впускное отверстие в канал подачи, сжимается в диске и ускоряется в радиальном направлении. При выходе газа из диска в непосредственной области кромки диска в пограничном слое на основе внезапного расширения выходящего сжатого газа и на основе вращения диска происходит образование завихрений. Так как эти завихрения вращаются с большой скоростью, то тяжелая фракция диффундирует наружу, так что через линии отвода, имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, становится возможной целенаправленная вытяжка легкой фракции в непосредственной области пограничного слоя.

В этом устройстве в выпускной части у внешнего края центрифуги газовая смесь перемещается в турбулентный поток внутри пограничного слоя, и тяжелая фракция газовой смеси вследствие «согласованности» центробежных сил, создаваемых вращением центрифуги, с центробежными силами, влияющими из-за образования завихрений на турбулентные моли, диффундирует из пограничного слоя наружу, а легкая фракция газовой смеси отводится из пограничного слоя, обогащенного легкой фракцией.

К недостаткам данного устройства можно отнести чрезвычайную сложность конструкции и в силу этого необходимость филигранной настройки, высокая эксплуатационная энергоемкость, а также постоянное смешивание уже разделенной фракции с первоначальным составом газовой смеси и в силу этого производительность установки не может быть высокой.

Изобретения направлены на решение задачи повышения разделительной способности газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемой газовой центрифуге, содержащей герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, соосно размещенный в нем вращающийся ротор, отборные трубки разделенных фракций, соединенные с каналами для их вывода, имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, размещенное внизу корпуса впускное отверстие для подвода исходной газовой смеси, в отличие от прототипа ротор выполнен в виде вала, снабженного по крайней мере одной жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, горизонтальные участки отборных трубок легкой и тяжелой фракций размещены внутри каждой лопатки, при этом входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, а каналы вывода разделенных фракций выведены наружу через вал ротора.

Выполнение ротора в виде вала, снабженного по крайней мере одной жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, размещение горизонтальных участков отборных трубок легкой и тяжелой фракций внутри каждой лопатки, а входных отверстий отборных трубок на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности позволяет создавать за вращающимся выступающим элементом лопатки турбулентный поток у внешнего края выступающего элемента лопатки, в котором образуются многочисленные турбулентные зоны с разными физическими параметрами газа (давление, температура, скорость и др.). В указанных турбулентных зонах в силу значительного перепада давления и температур образуется различное содержание газовой смеси, что позволяет производить разделение на фракции газовой смеси изотопов урана.

Поставленная задача достигается также тем, что в заявляемом способе разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом, включающем вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги, отбор тяжелой фракции из турбулентного потока, в отличие от прототипа разделение газообразных смесей на фракции с различным удельным весом производят с помощью заявляемой выше газовой центрифуги, при этом отбор легкой и тяжелой фракций осуществляют в разных зонах турбулентного потока.

Выполнение всей совокупности признаков способа позволяет повысить разделительную способность газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг. 1-3 схематично изображена газовая центрифуга в трех видах, на фиг. 4-6 изображена конструкция ротора газовой центрифуги, на фиг. 7 изображен изометрический разрез центрифуги, на фиг. 8 изображена схема расположения отборных трубок в турбулентном потоке.

Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус 1 в виде вертикального цилиндра, соосно установленный в нем вращающийся ротор 2, отборные трубки 3 разделенных фракций, соединенные с каналами 4 для их вывода, выведенными наружу через вал ротора, имеющие размещенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями 5. Внизу корпуса 1 размещено впускное отверстие 6 для подвода исходной газовой смеси во внутреннюю полость 7 центрифуги. Ротор 2 выполнен в виде вала, снабженного по крайней мере одной жестко закрепленной на нем лопаткой 8 с выступающим элементом 9. Внутри каждой лопатки 8 размещены горизонтальные участки отборников отборных трубок 3, при этом входные отверстия 5 отборных трубок 3 расположены на выступающем элементе 9 каждой лопатки 8 в разных зонах турбулентности. Ротор вращается двигателем 10, находящимся в нижней части центрифуги.

Заявляемый способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом осуществляется при работе заявляемой газовой центрифуги следующим образом.

Исходную смесь газов подают через впускное отверстие 6 в герметичную полость 7, в которой с достаточно большой скоростью вращают ротор 2. В данном примере выполнения на вале центрифуги симметрично (в виде крестовины) установлены четыре лопатки 6 с выступающим элементом 9, которые при движении в полости 7, наполненной газовой смесью, вращают и ускоряют газообразную смесь, перемещают ее в радиальном направлении и создают за собой турбулентный поток у внешнего края центрифуги (см. фиг. 2), в котором образуются многочисленные зоны турбулентности с разными физическими параметрами газа (давление, температура, скорость и др.). В указанных зонах турбулентности в силу значительного перепада давления и температур образуется различное содержанием газовой смеси по составу, в результате на входе каждой отборной трубки 3 получают различную по содержанию газовую смесь. Отборные трубки 3 размещены таким образом, что входное отверстие 5 одной из них размещено на выступающем элементе 9 в зоне пониженного давления турбулентного потока, а входное отверстие 5 другой - в более высокой зоне давления. Размещение входных отверстий 5 отборных трубок 3 в разных зонах позволяет производить разделение газовой смеси изотопов урана на фракции. При этом регулировка положения трубок внутри зоны турбулентности позволяет повысить отбор обогащенной смеси до 15% и более в сравнении с первоначальным составом газовой смеси.

Таким образом, обеспечивается повышение разделительной способности газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.

1. Газовая центрифуга, содержащая герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, соосно размещенный в нем вращающийся ротор, отборные трубки разделенных фракций, соединенные с каналами для их вывода, имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, размещенное внизу корпуса впускное отверстие для подвода исходной газовой смеси, отличающаяся тем, что ротор выполнен в виде вала, снабженного по крайней мере одной, жестко закрепленной на нем, лопаткой с выступающим элементом, горизонтальные участки отборных трубок легкой и тяжелой фракций размещены внутри каждой лопатки, при этом входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, а каналы вывода разделенных фракций выведены наружу через вал ротора.

2. Способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом, включающий вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги, отбор тяжелой фракции из турбулентного потока, отличающийся тем, что разделение газообразных смесей на фракции с различным удельным весом производят с помощью газовой центрифуги по п. 1, при этом отбор легкой и тяжелой фракций осуществляют в разных зонах турбулентного потока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к газовым центрифугам для обогащения урана. Центрифуга для обогащения урана содержит ротор центрифуги и электродвигатель.

Изобретение относится к сепаратору, предназначенному для очистки газообразной текучей среды. Способ сборки газоочистного сепаратора и сепаратор, собранный данным способом для разделения текучей смеси веществ различной плотности, таких как газ и жидкость, причем сепаратор содержит: кожух, содержащий первую и вторую отдельные части, причем первая часть кожуха имеет установочную поверхность, на которой устанавливается базовая поверхность второй части кожуха так, чтобы образовать внутреннее пространство кожуха и роторный узел, расположенный в указанном внутреннем пространстве и способный вращаться вокруг оси первой части кожуха относительно кожуха, причем роторный узел содержит вращающийся вал, установленный с возможностью вращения в первой части кожуха с помощью подшипникового узла и установленный с возможностью вращения во второй части кожуха, при этом способ сборки указанного сепаратора содержит этапы, на которых: устанавливают с возможностью вращения вращающийся вал во второй части кожуха в заданном положении относительно указанной базовой поверхности, причем указанное заданное положение совпадает с указанной осью, когда базовая поверхность второй части кожуха совмещается с установочной поверхностью первой части кожуха, располагают подшипниковый узел в зажимное приспособление, причем зажимное приспособление содержит базовую поверхность для совмещения с установочной поверхностью первой части кожуха, и средство приема указанного подшипникового узла в положение относительно базовой поверхности зажимного приспособления так, что подшипниковый узел принимается зажимным приспособлением в положении относительно базовой поверхности зажимного приспособления, которое совпадает с указанной осью, когда базовая поверхность зажимного приспособления совмещается с указанной установочной поверхностью первой части кожуха, совмещают базовую поверхность зажимного приспособления с указанной установочной поверхностью первой части кожуха и закрепляют подшипниковый узел на первой части кожуха.

Изобретение относится к конструкции газовой центрифуги для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом.

Изобретение относится к машиностроению, касается конструкции верхней магнитной опоры вертикальных быстровращающихся роторов и может быть использовано в газовых центрифугах с центральным газовым коллектором.
Изобретение относится к разделению изотопов химических элементов, преимущественно изотопов урана, методом газового центрифугирования и может быть использовано для увеличения производительности каскадов газовых центрифуг.

Изобретение относится к конструкции газовой центрифуги для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом.

Изобретение относится к надкритическим центрифугам для разделения газов и изотопных смесей. .

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения смеси газов и изотопных смесей, и в частности к промышленным группам газовых центрифуг. .

Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения газовых смесей в поле центробежных сил, в частности к агрегатам центрифуг, используемых для компоновки из них разделительных каскадов, и касается особенностей конструкции и размещения запорных устройств в отдельном агрегате.

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к газовым центрифугам для обогащения урана. Центрифуга для обогащения урана содержит ротор центрифуги и электродвигатель.

Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов.

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, а именно к технологии получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана (ВОУ) в гексафторид низкообогащенного урана (НОУ).

Изобретение относится к способу разделения и обогащения изотопов с помощью процесса диффузии. .
Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов и может быть использовано в полупроводниковой технике. .

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования и может быть использовано для минимизации потерь разделительной мощности центрифужных каскадов изотопно-разделительных урановых заводов.

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, к технологии изотопного восстановления регенерированного урана и может быть использовано при производстве низкообогащенного урана (НОУ) для топлива атомных станций.

Изобретение относится к конструкции газовой центрифуги для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом.

Изобретение относится к надкритическим центрифугам для разделения газов и изотопных смесей. .

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, а именно к способам переработки на каскаде газовых центрифуг загрязненного вредными изотопами 232U, 234 U, 236U уранового сырья.

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования. Способ частичной экстренной эвакуации гексафторида урана из технологической секции каскада по разделению изотопов урана заключается в том, что осуществляют экстренную эвакуацию части газа из технологической секции по трубопроводу легкой фракции, при этом во время эксплуатации технологических секций каскада по разделению изотопов урана ручные клапаны на трубопроводах легкой фракции постоянно открыты, а ручные клапаны на трубопроводе тяжелой фракции и трубопроводе питания постоянно закрыты, а исполнительный элемент автоматически открывается при возникновении экстренной ситуации для удаления легких примесей и продуктов разрушения вместе с потоком гексафторида урана в дополнительную установку. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента разделительной мощности центрифужных каскадов, снижение времени исключения из эксплуатации технологической секции, быстрое и эффективное удаление легких примесей и продуктов разрушения газовых центрифуг из разделительного каскада при возникновении аварийной ситуации, а также максимальную автоматизацию процесса заполнения газовых центрифуг после экстренной эвакуации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, вращающийся ротор, соосно размещенный в корпусе, выполненный в виде вала и снабженный жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, отборные трубки разделенных фракций, каналы вывода разделенных фракций, выведенные наружу через вал ротора и имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, при этом горизонтальные участки отборных трубок размещены внутри каждой лопатки, а входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, и впускное отверстие, размещенное внизу корпуса, для подвода исходной газовой смеси. Способ разделения газообразных смесей включает вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги и отбор легкой и тяжелой фракций в разных зонах турбулентного потока. Изобретение обеспечивает повышение разделительной способности центрифуги и упрощение ее конструкции. 2 н. п. ф-лы, 8 ил.

Наверх