RU2159659C1

RU2159659C1 - Sublimation apparatus

Info

Publication number: RU2159659C1
Application number: RU99123255A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Володин; А.А. Гущин; А.М. Кораблев; О.В. Красько; В.В. Лазарчук
Original assignee: Сибирский химический комбинат
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: processing of sublimable materials; sublimation-desublimation of uranium hexafluoride enriched with uranium-235. SUBSTANCE: proposed apparatus includes heat-insulated housing having sublimation chamber, heat-transfer agent chamber, coolant evaporator, ejector communicated with evaporator by means of ejecting gas manifold, heater, process gas and heat-transfer agent inlet and outlet branch pipes. Apparatus is equipped with at least two heat-exchanger tubes mounted in evaporator and at least two double-pipe heat exchangers arranged in sublimation chamber. Outlets if ejectors are communicated with respective heat-exchanger tubes connected in their turn with respective inner pipes of double-pipe heat exchangers whose outlets are communicated with cavity formed by housing and evaporator and connected with heat-transfer agent chamber by means of circulating pipes. Heater is mounted on sublimation chamber and ejecting gas collector is formed by cover of apparatus and transversal partition mounted in it. EFFECT: enhanced nuclear safety; enhanced economical efficiency. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для переработки сублимирующихся материалов и предназначено для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном-235. The invention relates to equipment for the processing of sublimable materials and is intended for the process of sublimation-desublimation of uranium hexafluoride enriched in uranium-235.

Известен сублимационный вакуумный аппарат (SU, N 1818130 A1, кл. B 01 D 7/00, опубликован 30.05.93), содержащий теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, охватывающая ее камера для теплоносителя, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя. Сублимационная камера содержит нагреватель со съемными тарелями с загруженным на них исходным продуктом. Камера для теплоносителя выполнена в виде рубашки, а тарели установлены с зазором относительно внутренней стенки рубашки. Known sublimation vacuum apparatus (SU, N 1818130 A1, class B 01 D 7/00, published 05/30/93), containing a thermally insulated housing in which a sublimation chamber is located, covering its chamber for the coolant, a heater, process gas inlet and outlet pipes and coolant. The sublimation chamber contains a heater with removable plates loaded with the original product. The camera for the coolant is made in the form of a shirt, and the plates are installed with a gap relative to the inner wall of the shirt.

Сублимация материала осуществляется при нагревании исходного продукта нагревателем, а десублимация - при захолаживании материала с помощью рубашки. Аппарат не может быть использован для проведения процесса сублимации-десублимации гексафторида урана, обогащенного ураном-235, из-за возможного проникновения влаги в продукт в случае нарушения целостности внутренней стенки рубашки, что делает аппарат ядерноопасным. Sublimation of the material is carried out by heating the initial product with a heater, and desublimation is performed by cooling the material with a shirt. The device cannot be used for the process of sublimation-desublimation of uranium hexafluoride enriched in uranium-235, due to the possible penetration of moisture into the product in case of violation of the integrity of the inner wall of the shirt, which makes the device nuclear hazardous.

Известен сублимационный аппарат (SU N 2106890, кл. B 01 D 7/00, 7/02, опубликован 20.03.98), принятый за прототип. Аппарат содержит теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, охватывающая ее камера для теплоносителя, испаритель хладагента с размещенным на нем нагревателем, эжектор, сообщенный коллектором для эжектирующего газа с испарителем, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя. Аппарат снабжен центральной поглощающей нейтроны вставкой, обеспечивающей ядерную безопасность. Процесс десублимации гексафторида урана осуществляют при захолаживании аппарата парами жидкого азота, поступающими из испарителя, а процесс сублимации - при нагревании аппарата с помощью нагревателя, установленного на испарителе. Равномерность температурного режима в аппарате обеспечивается за счет перемешивания теплоносителя промышленным воздухом, подаваемым через эжектор. Known sublimation apparatus (SU N 2106890, class B 01 D 7/00, 7/02, published 03/20/98), adopted as a prototype. The apparatus contains a thermally insulated body, in which a sublimation chamber is placed, covering its chamber for the coolant, a refrigerant evaporator with a heater placed on it, an ejector communicated by a collector for ejection gas with an evaporator, inlet and outlet pipes for the process gas and coolant. The device is equipped with a central neutron-absorbing insert that provides nuclear safety. The process of desublimation of uranium hexafluoride is carried out when the apparatus is cooled down with liquid nitrogen vapors coming from the evaporator, and the sublimation process is carried out when the apparatus is heated using a heater mounted on the evaporator. The uniformity of temperature in the apparatus is ensured by mixing the coolant with industrial air supplied through the ejector.

Аппарат недостаточно экономичен и малоэффективен, т.к. для обеспечения ядерной безопаности аппарата необходимы затраты на осушку промышленного воздуха, содержащего влагу, и установка поглощающей нейтроны вставки, увеличивающей габариты аппарата, при которых он имеет относительно низкую тепло- и массообменную поверхность. The device is not economical and inefficient, because To ensure nuclear safety of the apparatus, the costs of drying industrial air containing moisture and installing a neutron-absorbing insert, increasing the dimensions of the apparatus, at which it has a relatively low heat and mass transfer surface, are required.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании экономичного ядернобезопасного сублимационного аппарата, позволяющего интенсифицировать процесс тепло- и массообмена. The problem to which the invention is directed, is to create an economical nuclear-free sublimation apparatus, which allows to intensify the process of heat and mass transfer.

Поставленная задача решается тем, что сублимационный аппарат, включающий теплоизолированный корпус, в котором размещены сублимационная камера, охватывающая ее камера для теплоносителя, испаритель хладагента, эжектор, сообщенный с испарителем коллектором для эжектирующего газа, нагреватель, патрубки ввода и вывода технологического газа и теплоносителя, снабжен по крайней мере двумя теплообменными трубами, установленными в испарителе, и по крайней мере двумя двухтрубными теплообменниками, размещенными в сублимационной камере, при этом выходы эжектора сообщены с соответствующими им теплообменными трубами, соединенными с соответствующими им внутренними трубами двухтрубных теплообменников, выходы последних сообщены с полостью, образованной корпусом и испарителем, которая соединена циркуляционными трубами с камерой для теплоносителя, нагреватель установлен на сублимационной камере, а коллектор для эжектирующего газа образован крышкой аппарата и установленной в нем поперечной перегородкой. The problem is solved in that the sublimation apparatus, including a thermally insulated body, in which a sublimation chamber is located, covering its chamber for a heat carrier, a refrigerant evaporator, an ejector connected to an evaporator by a collector for ejecting gas, a heater, and pipes for the input and output of process gas and heat carrier are provided at least two heat exchanger tubes installed in the evaporator, and at least two two-tube heat exchangers located in the sublimation chamber, while the ejector outputs are communicated with their respective heat transfer tubes connected to their respective inner pipes of the two-pipe heat exchangers, the outputs of the ejector are connected with a cavity formed by the housing and the evaporator, which is connected by circulation pipes to the coolant chamber, the heater is mounted on a sublimation chamber, and the collector for the ejection gas is formed the device cover and the transverse partition installed in it.

На фиг. 1 изображен разрез аппарата с четырьмя теплообменными трубами; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - узел 1 на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 3. In FIG. 1 shows a section through an apparatus with four heat exchange tubes; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 - section BB in FIG. 1; in FIG. 4 - node 1 in FIG. 1; in FIG. 5 is a section BB of FIG. 3.

Аппарат содержит теплоизолированный цилиндрический корпус 1 ядернобезопасной геометрии с крышкой 2 и днищем 3. Корпус разделен трубной доской 4 на верхнюю 5 и нижнюю 6 секции. В верхней секции 5 размещены кольцевой испаритель хладагента 7, в котором установлены четыре теплообменных трубы 8 с открытыми концами, четыре эжектора 9, сообщенные своими выходами с соответствующими им теплообменными трубами 8, и поперечная перегородка 10, образующая с крышкой 2 коллектор 11 для эжектирующего газа (хладагента), который сообщен с одной стороны трубчатым элементом 12 с испарителем 7, с другой стороны - отверстиями 13 с входами эжекторов 9 (фиг. 4). Испаритель 7 размещен с образованием в верхней секции 5 полости 14 для обеспечения циркуляции хладагента. В нижней секции 6 размещена сублимационная камера 15, в которой установлены четыре двухтрубных теплообменника 16. Их наружные трубы 17 закреплены в трубной доске 4 и имеют заглушки 18 со стороны днища 3, а внутренние трубы 19 опираются на заглушки 18 и имеют на нижних концах отверстия 20 для прохода паров хладагента в наружные трубы 17. В верхние открытые концы труб 19 опущены соответствующие им теплообменные трубы 8. В нижней секции 6 размещена камера для теплоносителя 21, охватывающая сублимационную камеру 15, на которой установлен кабельный нагреватель 22. Камера 21 соединена циркуляционными трубами 23 с полостью 14 верхней секции 5. Аппарат снабжен трубой 24 для ввода хладагента в испаритель (фиг. 1, 5), патрубком 26 для ввода технологического газа с размещенным в нем нагревателем 27, трубой 28 для вывода несконденсированных газов или возгонов. The apparatus comprises a thermally insulated cylindrical body 1 of nuclear safety geometry with a cover 2 and a bottom 3. The body is divided by a tube plate 4 into the upper 5 and lower 6 sections. In the upper section 5, there is an annular evaporator of refrigerant 7, in which four heat exchange tubes 8 with open ends are installed, four ejectors 9 connected by their exits with their corresponding heat exchange tubes 8, and a transverse partition 10, which forms a collector 11 for ejector gas with a cover 2 ( refrigerant), which is communicated on the one hand by the tubular element 12 with the evaporator 7, on the other hand, by the openings 13 with the inlets of the ejectors 9 (Fig. 4). The evaporator 7 is placed with the formation in the upper section 5 of the cavity 14 to ensure circulation of the refrigerant. In the lower section 6 there is a sublimation chamber 15 in which four two-pipe heat exchangers are installed 16. Their outer pipes 17 are fixed in the tube plate 4 and have plugs 18 from the bottom 3, and the inner pipes 19 are supported by plugs 18 and have openings 20 at the lower ends for the passage of refrigerant vapor into the outer pipes 17. The corresponding heat exchange pipes 8 are lowered into the upper open ends of the pipes 19. In the lower section 6 there is a chamber for a coolant 21, covering a sublimation chamber 15 on which a cable heater is installed x 22. The chamber 21 is connected by circulation pipes 23 to the cavity 14 of the upper section 5. The apparatus is equipped with a pipe 24 for introducing refrigerant into the evaporator (Fig. 1, 5), a pipe 26 for introducing the process gas with a heater 27 located in it, and a pipe 28 for outputting non-condensing gases or sublimates.

Аппарат работает в двух режимах: сублимации и десублимации гексафторида урана. Для обеспечения режима десублимации гексафторида урана сначала аппарат захолаживают. Для этого жидкий азот подают в испаритель 7 через трубу 24. Пары жидкого азота через трубчатый элемент 12 поступают в коллектор 11, а из него через отверстия 13 (фиг. 4) на входы эжекторов 9. При этом пары жидкого азота выполняют функцию эжектирующего газа (потока), создавая на входе теплообменных труб 8 разрежение. Далее пары жидкого азота направляются эжектором 9 в соответствующие им теплообменные трубы 8. При движении через зону испарителя с жидким азотом его пары дополнительно охлаждаются и поступают во внутренние трубы 19 двухтрубных теплообменников 16, соответствующих теплообменным трубам 8. Из внутренних труб 19 через отверстия 20 пары жидкого азота поступают в наружные трубы 17 двухтрубных теплообменников 16 и далее в полость 14, откуда часть паров жидкого азота направляется в теплообменные трубы 8 за счет разрежения, создаваемого эжекторами 9, часть - через рециркуляционные трубы 23, камеру для теплоносителя 21 и патрубок 25 выводится из аппарата. Таким образом сублимационная камера 15 захолаживается парами жидкого азота через поверхности двухтрубных теплообменников 16 и через поверхность камеры для теплоносителя 21, примыкающего к сублимационной камере 15. При этом пары жидкого азота циркулируют в аппарате по нескольким теплообменным контурам. По достижении в аппарате температуры, соответствующей температуре десублимации гексафторида урана, подают технологический газ через патрубок 26. Гексафторид урана конденсируется на поверхностях наружных труб 17 двухтрубных теплообменников 16 и на поверхности камеры для теплоносителя, примыкающей к сублимационной камере 15. Несконденсировавшиеся газы выводятся из аппарата через трубу 28 из верхней зоны сублимационной камеры 15. Для исключения забивок в патрубке 26 периодически включают нагреватель 27. The device operates in two modes: sublimation and desublimation of uranium hexafluoride. To ensure the mode of desublimation of uranium hexafluoride, the apparatus is first chilled. For this, liquid nitrogen is supplied to the evaporator 7 through the pipe 24. Vapors of liquid nitrogen through the tubular element 12 enter the collector 11, and from it through the openings 13 (Fig. 4) to the inputs of the ejectors 9. In this case, the vapors of liquid nitrogen perform the function of an ejection gas ( flow), creating a vacuum at the inlet of the heat exchange pipes 8. Next, the liquid nitrogen vapors are directed by the ejector 9 to the heat exchange tubes 8 corresponding to them. When moving through the zone of the evaporator with liquid nitrogen, its vapors are additionally cooled and supplied to the inner tubes 19 of the two-tube heat exchangers 16 corresponding to the heat exchange tubes 8. From the inner tubes 19, through the openings 20, the liquid vapors nitrogen enter the outer pipes 17 of the two-pipe heat exchangers 16 and then into the cavity 14, from where part of the liquid nitrogen vapor is sent to the heat exchange pipes 8 due to the vacuum created by the ejectors 9, often b - through the recirculation pipes 23, the chamber for the coolant 21 and the pipe 25 is removed from the apparatus. Thus, the sublimation chamber 15 is cooled by liquid nitrogen vapors through the surfaces of the two-pipe heat exchangers 16 and through the surface of the chamber for the coolant 21 adjacent to the sublimation chamber 15. In this case, the vapor of liquid nitrogen circulate in the apparatus through several heat exchange circuits. When the apparatus reaches a temperature corresponding to the desublimation temperature of uranium hexafluoride, process gas is supplied through the pipe 26. Uranium hexafluoride condenses on the surfaces of the outer pipes 17 of the two-pipe heat exchangers 16 and on the surface of the coolant chamber adjacent to the sublimation chamber 15. Non-condensable gases are removed from the apparatus through the pipe 28 from the upper zone of the sublimation chamber 15. To exclude clogging in the pipe 26, the heater 27 is periodically turned on.

Для обеспечения режима сублимации гексафторида урана включают нагреватели 22 и 27 и осуществляют нагрев сублимационной камеры 15 до температуры возгонки гексафторида урана. Возгоны удаляются из аппарата через трубу 28. To ensure the sublimation of uranium hexafluoride, heaters 22 and 27 are turned on and the sublimation chamber 15 is heated to the sublimation temperature of uranium hexafluoride. Sublimates are removed from the apparatus through the pipe 28.

Сублимационный аппарат предложенного конструктивного выполнения экономичен и эффективен за счет уменьшения затрат для обеспечения ядерной безопасности аппарата за счет интенсификации процесса тепло- и массообмена. Это достигается конструктивным выполнением испарителя, сублимационной камеры, камеры для теплоносителя и их связей, позволивших исключить использование в качестве теплоносителя промышленного воздуха, содержащего влагу, и обеспечить ядерную безопасность аппарата без поглощающей нейтроны вставки, уменьшить габариты аппарата, увеличить тепло- и массобменную поверхность на 15% при наличии двух двухтрубных теплообменников и на 50% - при четырех двухтрубных теплообменниках, создать несколько контуров циркуляции хладагента. The sublimation apparatus of the proposed structural embodiment is economical and efficient by reducing costs to ensure nuclear safety of the apparatus by intensifying the process of heat and mass transfer. This is achieved by constructive implementation of the evaporator, sublimation chamber, chamber for the coolant and their connections, which made it possible to exclude the use of industrial air containing moisture as a coolant and to ensure nuclear safety of the apparatus without the neutron-absorbing insert, reduce the dimensions of the apparatus, increase the heat and mass transfer surface by 15 % with two two-pipe heat exchangers and 50% with four two-pipe heat exchangers, create several refrigerant circuits.

Claims

1. The sublimation apparatus, comprising a thermally insulated body, in which a sublimation chamber is located, covering its chamber for a heat carrier, a refrigerant evaporator, an ejector connected to an evaporator by a collector for an ejection gas, a heater, process gas inlet and outlet pipes, and a heat carrier, characterized in that it equipped with at least two heat exchanger tubes installed in the evaporator, and at least two two-tube heat exchangers placed in a sublimation chamber, while the outputs are tori communicated with their respective heat exchange tubes connected to their corresponding internal double pipe heat exchanger tubes, exits the last communicated with the cavity formed by the housing and an evaporator, which is connected with the chamber circulation pipes for the coolant, and the heater is mounted on the freeze chamber.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the collector for the ejection gas is formed by the lid of the apparatus and the transverse partition installed therein.