DE2215958C2

DE2215958C2 - Im Deckel eines Reaktors angeordnete Düse

Info

Publication number: DE2215958C2
Application number: DE2215958A
Authority: DE
Inventors: Abdul Gaffar San Jose Calif. Dada
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-04-06
Filing date: 1972-04-01
Publication date: 1982-03-25
Also published as: FR2136221A5; JPS5615944B1; GB1361533A; NL7204629A; SE394857B; ES401291A1; IT950974B; DE2215958A1; BE781679A; CH577339A5; US3814327A

Description

Die Erfindung betrifft eine im Deckel eines Reaktors angeordnete Düse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der in der DE-PS 9 48 415 beschriebenen Düse der vorgenannten Art reichen alle Rohre der Düse gleich weit in den Reaktor hinein. Auch werden die miteinander umzusetzenden Gase bzw. Reaktanten entweder direkt im gleichen oder in benachbarten Rohren in den Reaktor eingeleitet.

Es wurde in der vorliegenden Erfindung erkannt, daß dies zur sicheren Vermeidung der Verstopfung der Düse nicht in allen Fällen ausreicht.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die Düse der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ihre Verstopfung sicher vermieden wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Inneren des Rohreinlasses eine rohrförmige Kammer mit dem Bündel an Rohren angeordnet ist, wobei sich der Rohreinlaß mit einem Abstand weiter in den Reaktor hinein erstreckt als die Rohre und daß quer im unteren Teil des Rohres im Abstand /oberhalb des offenen Endes der Rohre eine Platte vorgesehen ist, wobei in der Platte koaxial eine ringförmige Öffnung um jedes Rohr vorhanden ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Düse finden sich in den Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Düse ist für die Umwandlung von Uranhexafluorid in Urandioxid in einer Form, die leicht zu Formkörpern mit geringem Fluoridgehalt verarbeitet werden kann. Dieses Verfahren ist Gegenstand eines älteren Vorschlages (DE-OS 21 47 705). Bei diesem Verfahren wird des Uranhexafluorid in einer Reduktions-Hydrolyse-Reaktion in einer aktiven Flamme mit einem reduzierenden Gas und einem sauerstoffhaltigen Trägergas zur Umsetzung gebracht, um eine an Urandioxid reiche Zusammensetzung zu erhalten. Zwar wird auch bei dem älteren Verfahren in einer Ausführungsform eine Düse benutzt, deren Rohre sich verschieden weit in den Reaktor erstrecken, doch sind bei dieser Düse keine quer angeordnete Platte und auch keine ringförmigen Öffnungen koaxial um jedes Rohr vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Düse gestattet eine solche Einführung der vorzugsweise gasförmigen Reaktanten in den Reaktor, daß sie durch ein abschirmendes, vorzugsweise gasförmiges Mittel getrennt sind und daß zeitweilig eine erhebliche Durchmischung und Reaktion ίο der Reaktanten so lange verhindert wird, bis diese Reaktanien von der Düse zumindest etwas entfernt sind.

Weiter erzeugt die mit Öffnungen versehene Platte der erfindungsgemäßen Düse einen gleichgerichteten Strom des abschirmenden Strömungsmittels um die H Rohre herum, durch die ein Reaktant in den Reaktor eingeführt wird und unterstützt auf diese Weise die zeitweilige Trennung der Reaktanten voneinander, bis in einen Abstand von der Düse eine Querdiffusion der Reaktanten auftritt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 bzw. 2 eine Draufsicht im Teilschnitt bzw. eine Seitenatisicht im Teilschnitt des oberen Teils eines Reaktors mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse,

F i g. 3 bzw. 4 eine Draufsicht im Teilschnitt bzw. eine Seitenansicht im Teilschnitt des oberen Teils eines Reaktors mit einer anderen Ausführungsform der erfinaungsgemäßen Düse,

J« F i g. 5 bzw. 6 die Draufsicht bzw. eine Seitenansicht im Schnitt des unteren Teils einer Düse, welche oberhalb der Platte abgeschnitten sind,

F i g. 7 eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der Düse mit 10 symmetrisch auf einem Kreis angeordneten Rohren und

Fig. 8 eine Draufsicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Düse mit 4 symmetrisch auf einem Kreis angeordneten Rohren.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Reaktor mit einer

•»ο allgemein mit der Ziffer 10 bezeichneten Düse. Diese ist im Deckel 11 des Reaktors angeordnet, der lösbar einen luftdichten Abschluß herstellt, und der Reaktor 12 bildet eine eingeschlossene Reaktionszone 9. Der erste Rohreinlaß wird von zwei Rohren 13 gebildet, die auf entgegengesetzten Seiten des Rohres 18 in dem Decke!

11 abgedichtet gehaltert sind. Der Reaktor 12 hat einen nach außen herausragenden Ansatz 14, in dem ein Zündbrenner 15 enthalten ist, der Gas aufnehmen und eine Zündflamme zur Auslösung einer Umsetzung in

so einer Flamme in Gang halten kann.

Die Düse 10 hat weiter einen zweiten Rohreinlaß in Form des Rohres 18 mit zwei rohrförmigen Eingängen 19 zur Einführung insbesondere eines abschirmenden Strömungsmittels. Das Rohr 18 ist vorzugsweise in einer 5¹S mittleren Öffnung im Deckel 11 angeordnet und durch Dichtungen 17 luftdicht abgedichtet. Das Rohr 18 hat einen Deckel 20 mit einer Öffnung für einen rohrförmigen Eingang 21 zur Einführung eines Strömungsmittels und insbesondere eines zweiten fließfähif> o gen Reaktanien. Ein dritter Rohreinlaß ist im Inneren des Rohrs 18 in Form einer rohrförmigen Kammer 23 angeordnet und begrenzt ein Volumen 22 zur Aufnahme des Strömungsmittels vom Eingang 21. Die Kammer 23 hat im Boden 24 acht Öffnungen, deren Größe jeweils gleich dem Außendurchmesser der acht Rohre 25 im, die mit der Kammer 23 durch Sehweißen oder Einschrauben so verbunden sind, daß das Gasgemisch der Kammer 23 in die Rohre 25 eintritt. Das Rohr 18

erstreckt sich um einen allgemein mit »d« bezeichneten Abstand weiter in die Reaktionszone 9 hinein als die Rohre 25. Eine Platte 26 ist in einem Abstand von etwa 2,5 cm oberhalb des offenen Endes der Rohre 25 quer in dem unteren Teil des Rohres 18 vorgesehen und diese Platte ist mit Öffnungen ausgestattet, durch welche sich die Rohre 25 erstrecken. Die Platte 26 bildet koaxial eine ringförmige Öffnung 53 um jedes Rohr 25. Die Platte 26 erzwingt ein Durchströmen des abschirmenden Mittels durch die ringförmige Öffnung 53 und dann in die Reaktionszone 9 in einer Weise, in der es die Strahlen der Reaktanten aus den Rohren 25 umgibt. Die Beziehung zwischen der Größe der Löcher in der Platte 26 und der Dicke der Platte 26 wird so gewählt, daß das abschirmende Strömungsmittel zwischen der Platte 26 und den Rohren 25 in etwa gleichgerichtetem Strom auf die Reaktionszone 9 zuströmt. Das Symbol »1« wird verwendet, um den Abstand zwischen den offenen Enden der Rohre 25 und der Platte 26 zu bezeichnen.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Düse erfolgt bei der Umwandlung von Uranhexafluorid in eine urandioxidreiche Zusammensetzung. Während der ganzen Umsetzung wird ein kontinuierlicher Strom eines Reaktanten aus einem reduzierenden Gas, nämlich Wasserstoff, dissoziierter Ammoniak oder ein Gemisch beider, durch die Rohre 13 in Richtung der Pfeile geführt, so daß in der Reaktionszone 9 eine stark reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird. Ein abschirmendes Gas wird über die Eingänge 19 und das Rohr 18 in Richtung der Pfeile in die Reaktionszone 9 eingeführt. Das abschirmende Gas kann ein nicht-reaktives Gas sein, wie Stickstoff, Argon, Helium, Neon, Krypton, Xenon und ein Gemisch dieser Gase, oder es kann ein reaktives Gas sein, wie Sauerstoff, Luft oder ein Gemisch beider oder ein Gemisch von Sauerstoff und Luft mit irgendeinem der vorgenannten nicht-reaktiven Gase. Ein zweiter Reaktant umfaßt ein Gemisch aus Uranhexafluorid und einem saucrstoffhaltigen Trägergas und wird in Richtung des Pfeils im Eingang 21 über den Eingang 21, die Kammer 23 und die Rohre 25 in die Reaktionszone 9 eingeführt. Das sauerstoffhaltige Trägergas kann Sauerstoff, Luft und ein Gemisch beider sein. Die Ströme der Gase in den Rohren 18 und 25 werden so geführt, daß das abschirmende Gas im Rohr 18 die Strahlen der gasförmigen Reaktanten, die aus den Rohren 25 kommen, beim Eintritt dieser Gase in die Reaktionszone 9 umgibt. Das abschirmende Gas schirmt soweit das Gemisch aus Uranhexafluond und dem sauerstoffhaltigen Trägergas von dem reduzierenden Gas während einer hinreichend langen Zeit ab, so daß die Grenzschicht der Zündung der Reaktionsflamme 28 in der Reaktionszone 9 von der Berührung mit dem Rohr 18 weggeführt ist, und diese wird als eine »abgehobene Flamme« bezeichnet. Die Umsetzung erfolgt mit einer hellen orangefarbenen Flamme.

Eine weitere Ausführungsform der allgemein mit der Bezugsziffer 30 bezeichneten Düse ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt und sie umfaßt zwei konzentrische äußere Rohre 33 und 38. Die Düse 30 ist durch Dichtungen 37 in dem Deckel 31 abgedichtet eingesetzt und gehaltert, und dieser lösbare Deckel schließt den Reaktor 32 luftdicht ab und b''det die Reaktionszone 29. Der Reaktor 32 hat ei'ien nach außen herausragenden Ansatz 34, in dem sii'h ein Zündbrenner 35 befindet, der eine Zündflamme 36 -tür Auslösung einer Flammenreaktion aufrechterhält.

Die Düse 30 weis' einen ersten Rohreinlaß in Form des Rohres 33 mit rohrförmigen Eingängen 47 zur Einführung eines Stromungsmittel-Reaktanien und einen zweiten Rohreinlaß in Form des Rohrs 38 mit zwei rohrförmigen Eingängen 39 zur Einführung eines weiteren Strömungsmittels auf. Das Rohr 38 hat weiter einen Deckel 40 mit einer Öffnung für einen rohrförmigen Eingang 41 zur Einführung eines Strömungsmittels. Ein dritter Rohreinlaß ist in dem Rohr 38 in Form einer rohrförmigen Kammer 43 angeordnet, welche ein Volumen 42 zur Aufnahme des Strömungs-

Kt mittels vom Eingang 41 definiert. Die Kammer 43 hat acht Öffnungen in dem Boden 44, deren Größe jeweils gleich dem Außendurchrnesser der Rohre 45 ist, welche durch Schweißen oder Einschrauben so mit der Kammer 43 verbunden sind, daß das Strömungsmittel von der Kammer 43 in diese Rohre 45 gelangt. Die Rohre 33 und 38 erstrecken sich um eine aligemein mit der Bezugsziffer »d« bezeichnete Entfernung weiter in die Reaktionszone 29 hinein als die Rohre 45. Eine Platte 46 ist an dem unteren Teil des Rohres 38 in einem

_'o Abstand »1« oberhalb der offenen Enden der Rohre 45 quer befestigt und diese Platte 46 ist mit Öffnungen ausgestattet, durch die sich die Rohre 45 erstrecken. Die Platte 46 bildet koaxial eine ringförmige Öffnung 53 um jedes Rohr 45. Die Platte 46 erzwingt einen solchen Durchgang des abschirmenden Strömungsmittels durch die ringförmigen Öffnungen 53 und dann in die Reaktionszone 29, bei der das abschirmende Strömungsmittel die Strahlen des Reaktanten aus den Rohren 45 umgibt. Die Beziehung zwischen der Größe

jo der Öffnungen in der Platte 46 und der Dicke der Platte 46 ist derart, daß das abschirmende Strömungsmittel zwischen der Platte 46 und den Rohren 45 in etwa gleichgerichteter Strömung auf die Reaktionszone 29 zu fließt. Das Symbol »I« wird benutzt, um den Abstand

j'i zwischen den offenen Enden der Rohre 45 und der Platte 46 zu bezeichnen.

Die bevorzugte Anwendung der vorbeschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse erfolgt für die Umwandlung von Uranhexafluorid in eine urandioxidreiche Zusammensetzung ähnlich wie im Zusammenhang mit den F i g. 1 und 2 beschrieben.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform der Platte innerhalb des Rohres 38, die hier mit der Ziffer 50 bezeichnet ist. Es ist lediglich der untere Teil der Düse und der 6 Rohre 45 gezeigt. Die Düse ist ähnlich den Düsen nach den F i g. 3 und 4. Die Platte 50 ist an der Innenseite des Rohres 38 an den Punkten 51 befestigt. Die Platte 50 weist eine Vielzahl von Öffnungen 52 auf, die dem abschirmenden Gas eine Strömung durch die Öffnungen 52 und auch durch die ringförmigen Öffnungen 53 um jedes der 6 Rohre 45 herum gestatten. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine doppelte Schicht abschirmenden Gases gebildet wird. Eine Schicht befindet sich dabei

Vj unmittelbar um jeden aus den Rohren 45 austretenden Strahl herum und eine Schicht umgibt allgemein alle aus den Rohren 45 austretenden Strahlen. Dies ergibt einen weiteren Schutz gegen das Aufbauen fester Reaktionsprodukte an den Enden der Rohre 38 und 33.

W) Vorstehend ist diese Ausführungsform der Platte 50 für die Düse nach den Fig. 3 und 4 beschrieben. Sie kann jedoch auch bei anderen Ausführungsformen der Düsen gemäß der Frfindung verwendet werden.

Oie F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der

b5 erfindungsgemäßen Düse und gibt lediglich eine Ansicht des unteren Teils der Düse wieder. 10 Rohre 60 sind symmetrisch auf einem Kreis im Innern des Rohres 63 angeordnet. Die Platte 61 hat kreisringförmige Öffnun-

gen 53 zum Durchgang des abschirmenden Strömungsmittels um die Rohre 60 herum durch die kreisförmigen Öffnungen 53 zur Reaktionszone.

Die F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse und gibt ebenfalls nur den unteren Teil der Düse wieder. Die 4 Rohre f>0 sind symmetrisch auf einem Kreis im Inneren des Rohres 62 angeordnet. Die Platte 61 hat Öffnungen 53 zum Durchgang des abschirmenden Strömungsmittels um die Rohre 60 herum zur Reaktionszone.

Der in der vorstehenden Beschreibung der Erfindung verwendete Ausdruck »Rohr« soll ohne Einschränkung jegliche Querschnittsform für diese Teile umfassen, beispielsweise kreisförmige, rechteckige, quadratische und dreieckförmige Querschnitte. Es wird ebenfalls bevorzugt, die Rohre für den zweiten Reaktanten symmetrisch in einer solchen Weise anzuordnen, daß die Mittelpunkte der Rohre bei ihrer Verbindung auf einem Kreis liegen. Die Erfindung umfaßt jedoch auch Anordnungen von Rohren, die nicht symmetrisch sind.

Die Abmessungen der Platte sind so gewählt, daß sich ein Strom des abschirmenden Strömungsmittels in einer Richtung in den ringförmigen Öffnungen zwischen der Platte und den Rohren (d. h. 25, 45 usw.) ergibt, welche den zweiten Reaktanten führen. Insbesondere werden die Dicke der Platte und die Größe der Öffnungen in der Platte so in Beziehung miteinander gesetzt, daß der Strom des abschirmenden Strömungsmittels in einer Richtung in den kreisringförmigen öffnungen erfolgt. In der Praxis wird man bei einem Innendurchmesser des Rohres zur Führung des abschirmenden Strömungsmittels im Bereich von etwa 5 cm bis 15 cm und eines Außendurchmessers der Rohre zur Führung des /weiten Reaktanten von etwa 0.6 cm bis etwa 2.1 cm eine Dicke der Platte von etwa 0,15 mm bis etwa 19 mm und einen Durchmesser der Öffnungen in der Platte von etwa M,5 mm bis etwa 34 mm wählen, um einen Strom des abschirmenden Strömungsmittels in einer Richtung ■Ί durch die ringförmigen Öffnungen in der Platte zu erhalten. Es wird bevorzugt, daß der Abstand /(d. h. der Absland zwischen den Öffnungen der Rohre zur Leitung des /weiten Reaktanten und der Platte) im Bereich von etwa C.25 mm bis etwa 50 mm liegt. Auf

hi diese Weise ist die Platte nahe den offenen Enden der Rohre angeordnet, die den zweiten Reaktanten führen, so daß das abschirmende Strömungsmittel die Strahlen des zweiten Reaktanten bei ihrem Eintritt in die Reaktionszone eng umschließt.

Die Entfernung d, um die die Rohre zur Führung des zweiten Reaktanten im Innern des Rohres zur Führung des abschirmenden Strömungsmittels zurückgesetzt ist, kann entsprechend den Geschwindigkeiten des abschirmenden Strömungsmittels und des zweiten Reaktanten variieren. Im allgemeinen enden die kleineren Rohre zur Leitung des zweiten Reaktanten (d. h. die Rohre 25, 45 usw.) im Innern des Rohres für das abschirmende Strömungsmitiel (d. h. des Rohres 18, 38 usw.) in einer Entfernung von etwa mindestens 3 mm und vorzugswei-

2; se im Bereich von etwa 3 mm bis etwa 12 mm. Als allgemeine Regel ist die Entfernung d um so größer je größer der Durchmesser des Rohres für das abschirmende Strömungsmittel ist (d. h. des Rohres 18, 38 usw). Diese Zurücksetzung der Rohre zur Führung des

w zweiten Reaktanten erleichtert die Möglichkeit der Aufrechterhaltung einer abgehobenen Flamme mit geringeren Durchflußgeschwindigkeiten als sie ohne das Zurückverlegen der Rohre zur Leitung des zweiten fließfähigen Reaktanten erforderlich wäre.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Im Deckel eines Reaktors angeordnete Düse, mit einer Gruppe von drei Rohreinlässen für Gase, von denen ein Rohreinlaß aus einem Bündel von Rohren besteht, das von den anderen Rohreinlässen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Rohreinlasses (18) eine rohrförmige Kammer (23) mit dem Bündel an Rohren (25) angeordnet ist, wobei sich der Rohreinlaß (18) mit einem Abstand weiter in den Reaktor (12) hinein erstreckt als die Rohre (25) und daß quer im unteren Teil des Rohres (18) im Abstand / oberhalb des offenen Endes der Rohre (25) eine Platte (26) vorgesehen ist, wobei in der Platte (26) koaxial eine ringförmige Öffnung (53) um jedes Rohr (25) vorhanden ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Rohreinlaß (18) umgebende Rohreinlaß eine Vielzahl von Rohren (f3) darstellt, die im Deckel (11) entfernt vom Rohreinlaß (18) angeordnet sind.

3. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (26) weitere Öffnungen (52) in Form von Schlitzen benachbart zum Rohreinlaß (18) aufweist.