Способ разделения газовых смесей и изотопов и устройство для его осуществления

 

Ю. С. Куснер, С. С. Кутателадэе, В. Г. Прухс}дько, А, К. Ребров, С. Ф. Чекмарев и Г. Ф. Николаев

/

Институт теплофизики Сибирского отделения АН -СССР - . - "- / (72) Авторы изобретения (7l ) Заявитель (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ И ИЗОТОПОВ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области разделения газовых смесей и изотопов и может быть использовано в атомной, газоперерабатываюшей, металлургической и химической промышленностях.

Известен способ разделения газовых с.месей и изотопов инжектированием смеси газов или изотопов, подлежащих разделению, в поток газа-:носителя с последующим пропусканием газовой смеси через одно или несколько сопел, которые служат для ускорения потока, и выделением обогащенной нужным компонентом части потока скиммером fl ), Устройство для осуществления зтого способа содержит вакуумную камеру, канал для ввода газа-носителя, размещенные на его кромке симметрично под острым углом к его оси каналы-сопла для ин20 жекции разделяемой смеси и устройство для отбора отделенного компонентасккммер, размещенный напротив канала для ввода газа-носителя.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности н достигаемому результату является способ разделения газовой смеси и изотопов инжектированием смеси газов или изотопов, подлежащих разделению, в поток газа-носителя с последующим пропусканием ra эовой смеси через сопло, ускоряющее поток до сверхзвуковых скоростей, и выделением обогащенной нужным компонен том части потока скиммером 5 2 3 .

Недостатком указанных способов яв ляется необходимость применения миниатюрных, хорошо профилированных сопел,. а также высокие требования к юстировке положения сопел и скиммеров.

Uemь изобретения — упрощение аппаратурного оформления процесса.

Бель достигают инжектированием смеси газов или изотопов, подлежащих разделению, в поток газа-носителя в последующим свободным расширением газового потока в вакуум с созданием сверхзвуковой струи и отбором необходимого компо»

3 86910 нента с помощью скиммера. При отборе обогащенной необходимым компонентом части потока из свободной сверхзвуковой струи, где линии тока радиально расходятся, увеличивается масштаб пространств- 3 венного разделения смеси, что упрощает установку заборника смеси скиммера.

Таким образом, отличие предлагаемого способа от известных заключается в пространственном разделении и отборе необ- 16 ходимого комонента в поле свободной сверхзвуковой струи легкого газа-носителя, и следовательно, не требует использова ния сопла.

Отличие устройства, осуществляющего 13 предлагаемый способ состоит в том, что каналы для инжекции разделяемой смеси расположены перпендикулярно каналу для ввода газа-носителя, при этом

3id rnid nã — > o Х ) 5Э, П1 20 где 2 — диаметр канала ввода газа-носитеящ

d — диаметр канала инжекции разделяемой смеси;

n - плотность разделяемой смеси, Р,- — плотность газа-носителя;А1 масса молекулы газа носителя

М вЂ” средняя масса молекул разде« ляемой смеси;

36 — расстояние скиммера от канала ввода газа-носителя.

На фиг. 1 представлено устройство для осуществления способа разделения газовых смесей и изотопов; на фиг. 2 - за- 3$ висимость достигаемого коэффициента разделения воздуха от поперечной координаты, на фиг. 3 - зависимость достигаемого коэффициента разделения изотопов серы от поперечной координаты.

Устройство содержит центральный канал 1 для ввода газа-носителя, перпендикулярные ему каналы 2 для жпкекции разделяемой смеси, скиммер 3, помещенный в вакуумную камеру 4.

В газодинамический источник через центральный канал 1 подают газ-носитель (водород или гелий), а через боковые тациты 2 - разделяемую смесь. При расширении потока разделяемой смеси и За газа-носителя в вакуум образуется свободная струя. В сверхзвуковой ее части устанавливают скиммер 3, который может. перемешаться.

Пример 1. Размеры каналов источника; центрального 0,8 мм, боковых

0„2 мм. Высота mens источника и щели клиновидного скиммера 3 см, ширина

9 4 щели скиммера 0,24 мм. Расстояние от скиммера до источника 7 мм. Источник помешают в вакуумную камеру объемом

10 м3, откачиваемую со скоростью

2 10 4 л/c . Начальный вакуум 2 х 10 мм рт. ст. Объем за скиммером откачивают высоковакуумным агрегатом со скоростью-1,5 10 л/с до начального вакуума, 2 ° 10 мм рт. ст. В центральный канал источника подают водород при давлении 1000 мм вод. ст., в боковые каналы - воздух при давлении

600 мм вод. ст.

Пример 2. Опыт проведен в условиях примера 1, но в центральный канал источника подают гелий при давлении

1000 мм вод. ст., а в боковые каналысоединение 5 F 6, содержащее изотопы серы 5 и 5 при давлении

500 мм вод. ст.

Ширина канала, через который подают струю разделяемой газовой смеси, должна быть значительно меньше ширины канала для подачи газа-носителя, что обеспечивает отсутствие столкновения молекул разделяемых тяжелых молекул между собой и, одновременно, минимальное воздействие тяжелых молекул на струю легкого газа, что обеспечивает отсутствие газодинамического возмущения (Нагрева струи ).

Это обеспечивается при соблюдении условия

ВЯ и./п„, г где 0 - диаметр канала для ввода газа-носителя, d — диаметр канала инжекции разделяемой смеси, ос — плотность разделяемой смеси, — плотность газа-носителя, — масса молекулы газа-носителя, М - средняя масса молекул разделяемой смеси, поскольку M m en.

Максимальное разделение получается при наличии газодинамического охлаждения в поле свободной струи. Из газодинамики известно, что отношение Т(х)/Т© для данной смеси газов есть функция расстояния х = х! Э, где То, T (х) температура газа в камере сопла и на расстоянии X от щели соответственно.

Для плоской струи при х > 55, как известно из газовой динамики свободной струи, течение становится гиперзвуковым.

При То 400 K Т 4 50 К идалее лишь слабо убывает. Эксперименты пор -

S 869109 d твердили, что при неизменных усложях мер для отбора отделенного компонента, в источнике коэффициент разделения для о т л и ч а ю щ е е с я тем, что канаданного отбора перестает увеличивать лы для инжекции разделяемой смеси рас при увеличении расстояния от канала положены перпендикулярно каналу для ввода газа-носителя до скиммера больших,у ввода газа-носителя, при этом чем 5 Х».

И "с I + !

Формула изобретения

1Е

1. Способ разделения газовых смесей и изтопов инжектированием смеси газов или изотопов, подлежащих .разделению, в поток газа-носителя с последующим созданием сверхзвуковой струи и отбо- 1$ ром необходимого компонента, о т л и - ч а ю шийся тем, что, с целью упро щения аппаратурного оформления процесса, пространственное разделение и отбор необходимого компонента проводят в 2е

-струе, образующейся при свободном расширении потока в вакуум.

2. Устройство для осуществления способа разделения газовых смесей и изото пов, содержащее вакуумную камеру, ка- 25 нал для ввода газа-носителя, размещенные на его кромке симметрично каналы дця инжекции разделяемой смеси и скимгде D - диаметр канала ввода газаносителя, д - диаметр канала инжекции разделяемой смеси, пс - плотность разделяемой,смеси, nr - 1Ulcn%toeT! газа-носитешЧ

m - масса молекулы газа-носитеJISM

И - средняя масса молекул разде- ляемой смеси; х - расстояние сккммера от кана-, ла ввода газа-носителя..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании 34 1468844, кл. В 01 D 59/18, 30.03.77.

2. Патент США % 3788038, кл. В 01 Р 59/ОО, 29.01.74 (прототип).

8691 09

,Риг. 2

-2 О

Фиг.З

ЯWf

Заказ 8423/3. Тираж 734 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель М. Розенкевич

Редактор А. Камышникова Техред О. Неце Корректор Г. Огар