RU2545286C1

RU2545286C1 - Method of separating gaseous mixtures into fractions with different specific weight and gas centrifuge for its realisation

Info

Publication number: RU2545286C1
Application number: RU2013153367/05A
Authority: RU
Inventors: Дамир Салихзянович Гинятуллин
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-03-27

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: gas centrifuge contains a hermetic immovable case in the form of a vertical cylinder, a gyrating rotor, coaxially placed in the case, made in the form of a shaft and equipped with a blade rigidly fixed on it with a projecting element, selection tubes of separated fractions, channels for the output of the separated fractions, brought outside through the rotor shaft and having placed on different height horizontal sections with radially distant from the case longitudinal axis input openings, with horizontal sections of the selection tubes being placed inside each blade, with input openings of the selection tubes being placed on the projecting element of each blade in different zones of turbulence, and an input opening, placed at the bottom of the case, for the supply of an initial gaseous mixture. A method of separation of gaseous mixtures includes the rotation and acceleration of the gaseous mixture by means of the centrifuge, mixing the mixture in a radial direction, formation of a turbulent flow near an external edge of the centrifuge and collection of light and heavy fractions in different zones of the turbulent flow.

EFFECT: increase of the separating ability of the centrifuge and simplification of its construction.

2 cl, 8 dwg

Description

Изобретения относятся к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана, мало различимых между собой по молекулярному весу.The invention relates to the separation of isotopic and gas mixtures, mainly gaseous compounds of uranium isotopes, hardly distinguishable by molecular weight.

Известны различные способы для разделения или обогащения газообразных смесей, в особенности смесей изотопов.Various methods are known for separating or enriching gaseous mixtures, in particular mixtures of isotopes.

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.To enrich U ₂₃₅ in some countries (USA and France), the diffusion method is primarily used in practice. Isotopes are also separated by centrifugation of the gas mixture (the main method in Russia) and the separation method using the separation nozzle is used. In all three methods, due to the low separation effect or low throughput, it becomes necessary to sequentially turn on a large number of stages in order to obtain the required enrichment. Another disadvantage of these known methods is the high energy consumption and high investment costs.

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.A known method of separation or enrichment of gaseous mixtures of isotopes, the fractions of which have different densities, mainly in the enrichment of hexafluorides U ₂₃₈ and U ₂₃₅ . The gaseous mixture is accelerated using a centrifuge, moved in the radial direction and in the outlet part at the edge of the centrifuge is divided into two fractions. In the outlet part at the outer edge of the centrifuge, a turbulent movement of the gaseous mixture is created in the boundary layer. The heavy fraction of the gas mixture under the influence of centrifugal forces created by the rotation of the centrifuge and the appearance of vortices on the turbulent formations diffuses from the boundary layer to the outside (DE patent No. 2857721, IPC3 B01D 59/20, published on 09.29.1983). This method is selected as a prototype for the proposed method.

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.Known gas centrifuge for the separation of isotopic and gas mixtures, mainly for the separation of gases with low molecular weight (patent RU No. 2394652, IPC B04B 5/08, B01D 59/20 (2006.01), publ. 27.032.2010), containing a sealed housing installed it contains a cylindrical rotor with upper and lower end caps, a gas distribution manifold equipped with selected tubes, and a molecular pump in the form of an axial and mechanical seal located inside the rotor. A fixed mechanical seal disk with spiral grooves is located on the gas distribution manifold between the top cover of the rotor and its upper selector tube and is equipped with an additional part, rigidly fixed on its flat surface, in the form of a cylindrical sleeve with spiral grooves facing the upper surface of the rotor, and in the space between the stationary a disk mounted on the side of its spiral grooves and the upper selected rotor tube is fixed with an external shoulder on the inner surface of the rotor discs rotating flat disc.

В данной центрифуге радиальный выход в ротор из канала исходной смеси газов нарушает структуру осевого циркуляционного потока газа внутри ротора, что уменьшает производительность центрифуги.In this centrifuge, the radial exit to the rotor from the channel of the initial gas mixture violates the structure of the axial circulating gas flow inside the rotor, which reduces the performance of the centrifuge.

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.Also known is a gas centrifuge (patent RU No. 2445169, IPC B04B 5/08 (2006/01), publ. 03/20/2012) containing a sealed housing, a vertical cylindrical rotor with upper and lower end caps installed in it, a gas distribution manifold with selected tubes and a molecular pump consisting of an axial seal and a mechanical seal comprising a fixed disk with spiral grooves and an upper rotor roof. The mechanical seal is located inside the rotor on the gas distribution manifold, while its fixed disk with spiral grooves on one side and a flat surface on the other hand is placed between the upper cover of the rotor and its upper selective tube and is equipped with at least one vertical partition mounted on the flat surface of the fixed the disk and directed from the gas distribution manifold to the periphery of the rotor, while in the space between the stationary disk from the side of its spiral grooves and the upper selective tube mounted rotor mounted external shoulder on the inner wall surface of the rotor rotating flat disc.

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.The design of both devices reduces the efficiency of fraction separation due to the formation of spurious zones in which the already separated fractions of the gas mixture are diluted with the initial composition, and therefore the overall performance of these devices is extremely low, which does not allow them to be used even in experimental production.

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.The closest technical solution to the inventive centrifuge is "Device for the separation or enrichment of gaseous mixtures" (patent DE No. 2857721, IPC3 B01D 59/20, publ. 09/29/1983). This device is selected as a prototype for the inventive centrifuge. The specified gas centrifuge contains a sealed stationary body in the form of a vertical cylinder, a disk located on a shaft (rotor) coaxially placed therein rotating at high speed. The centrifuge disk has channels radially extending inside it, which can pass in several planes and in the middle part are connected to the feed channel of the initial separable mixture. The gas mixture supplied through the inlet located at the bottom of the housing into the supply channel is compressed in the disk and accelerated in the radial direction. When gas leaves the disk in the immediate region of the disk edge in the boundary layer, vortices are formed on the basis of the sudden expansion of the outgoing compressed gas and on the basis of the rotation of the disk. Since these vortices rotate at high speed, the heavy fraction diffuses outward, so that through the exhaust lines having horizontal sections located at different heights with inlet openings radially remote from the longitudinal axis of the housing, a targeted extraction of the light fraction in the immediate region of the boundary layer becomes possible.

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.In this device, in the outlet part at the outer edge of the centrifuge, the gas mixture moves into a turbulent flow inside the boundary layer, and the heavy fraction of the gas mixture due to the “alignment” of the centrifugal forces created by the rotation of the centrifuge with the centrifugal forces affecting the turbulent moths due to the formation of eddies diffuses from the boundary layer to the outside, and the light fraction of the gas mixture is discharged from the boundary layer enriched in the light fraction.

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.The disadvantages of this device include the extreme complexity of the design and due to this the need for filigree adjustment, high operational energy intensity, as well as the constant mixing of the already separated fraction with the initial composition of the gas mixture and, therefore, the installation capacity cannot be high.

Изобретения направлены на решение задачи повышения разделительной способности газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.The invention is aimed at solving the problem of increasing the separation ability of a gas centrifuge while simplifying the design of the device.

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.This object is achieved by the fact that in the inventive gas centrifuge containing a sealed stationary body in the form of a vertical cylinder, a rotary rotor coaxially placed in it, selected tubes of divided fractions connected to channels for their output, having horizontal sections located at different heights with radially remote from the inlet longitudinal axis of the housing, inlet located at the bottom of the housing for supplying the original gas mixture, in contrast to the prototype, the rotor is made in the form of a shaft, equipped with of at least one blade fixed on it with a protruding element, the horizontal sections of the selected tubes of light and heavy fractions are placed inside each of the blades, while the inlet openings of the selected tubes are located on the protruding element of each blade in different zones of turbulence, and the output channels of the separated fractions are led out out through the rotor shaft.

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.The execution of the rotor in the form of a shaft equipped with at least one blade rigidly fixed on it with a protruding element, the placement of horizontal sections of selected tubes of light and heavy fractions inside each blade, and the input holes of the selected tubes on the protruding element of each blade in different turbulence zones allows you to create a rotating protruding element of the blade the turbulent flow at the outer edge of the protruding element of the blade, in which numerous turbulent zones with different physical gas parameters (pressure, temperature, speed, etc.). In these turbulent zones, due to a significant pressure and temperature difference, different contents of the gas mixture are formed, which allows separation of uranium isotopes into fractions of the gas mixture.

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.The problem is also achieved by the fact that in the inventive method of separating gaseous mixtures into fractions with different specific gravities, including rotation and acceleration of the gaseous mixture using a centrifuge, moving the mixture in the radial direction, the formation of a turbulent flow at the outer edge of the centrifuge, the selection of the heavy fraction from the turbulent flow , unlike the prototype, the separation of gaseous mixtures into fractions with different specific gravities is carried out using the gas centrifuge stated above, while the selection of light and heavy eloy fractions is carried out in different zones of turbulent flow.

Выполнение всей совокупности признаков способа позволяет повысить разделительную способность газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.The implementation of the totality of the features of the method improves the separation ability of a gas centrifuge while simplifying the design of the device.

Изобретения поясняются чертежами.The invention is illustrated by drawings.

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. In FIG. 1-3 schematically shows a gas centrifuge in three forms, FIG. 4-6 show the construction of a gas centrifuge rotor; FIG. 7 is an isometric sectional view of a centrifuge; FIG. 8 shows a layout of selected tubes in a turbulent flow.

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.The gas centrifuge contains a sealed stationary housing 1 in the form of a vertical cylinder, a rotating rotor 2 coaxially mounted in it, selective tubes 3 of separated fractions connected to channels 4 for their output, brought out through the rotor shaft, having horizontal sections located at different heights with radially remote from the longitudinal axis of the casing with inlet openings 5. At the bottom of the casing 1, an inlet 6 is placed for supplying the initial gas mixture to the inner cavity 7 of the centrifuge. The rotor 2 is made in the form of a shaft equipped with at least one blade 8 rigidly fixed to it with a protruding element 9. Inside each blade 8 there are horizontal sections of selector tubes 3, while the inlet holes 5 of the selector tubes 3 are located on the protruding element 9 of each blade 8 in different zones of turbulence. The rotor is rotated by an engine 10 located in the lower part of the centrifuge.

Заявляемый способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом осуществляется при работе заявляемой газовой центрифуги следующим образом.The inventive method of separating gaseous mixtures into fractions with different specific gravity is carried out during operation of the inventive gas centrifuge as follows.

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.The initial mixture of gases is fed through the inlet 6 into an airtight cavity 7, in which the rotor 2 is rotated at a sufficiently high speed. In this embodiment, four vanes 6 with a protruding element 9 are installed symmetrically (in the form of a cross) on the shaft of the centrifuge, which when moving in the cavity 7, filled with the gas mixture, rotate and accelerate the gaseous mixture, move it in the radial direction and create a turbulent flow at the outer edge of the centrifuge (see Fig. 2), in which numerous zones of turbulence with different physical parameters of the gas (pressure, temperature, speed, etc.). In these turbulence zones, due to a significant pressure and temperature difference, a different composition of the gas mixture is formed, as a result, a different gas mixture is obtained at the inlet of each selected tube 3. The selection tubes 3 are placed in such a way that the inlet 5 of one of them is located on the protruding element 9 in the zone of reduced pressure of the turbulent flow, and the inlet 5 of the other is in the higher pressure zone. The placement of the inlet holes 5 of the selected tubes 3 in different zones allows the separation of the gas mixture of uranium isotopes into fractions. Moreover, the adjustment of the position of the tubes inside the turbulence zone allows to increase the selection of the enriched mixture to 15% or more in comparison with the initial composition of the gas mixture.

Таким образом, обеспечивается повышение разделительной способности газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.Thus, an increase in the separation ability of the gas centrifuge is ensured while simplifying the design of the device.

Claims

1. A gas centrifuge containing a sealed stationary housing in the form of a vertical cylinder, a rotating rotor coaxially placed therein, selected tubes of separated fractions connected to channels for their output, having horizontal sections located at different heights with inlet openings radially remote from the longitudinal axis of the housing, an inlet located at the bottom of the housing for supplying an initial gas mixture, characterized in that the rotor is made in the form of a shaft provided with at least one rigidly fixed to it, a blade with a protruding element, the horizontal sections of the sampling tubes of light and heavy fractions are placed inside each blade, while the inlet openings of the sampling tubes are located on the protruding element of each blade in different zones of turbulence, and the output channels of the separated fractions are brought out through the rotor shaft.

2. The method of separation of gaseous mixtures into fractions with different specific gravity, including rotation and acceleration of the gaseous mixture using a centrifuge, moving the mixture in the radial direction, the formation of a turbulent flow at the outer edge of the centrifuge, the selection of the heavy fraction from the turbulent stream, characterized in that the separation of gaseous mixtures for fractions with different specific gravities are produced using a gas centrifuge according to claim 1, while the selection of light and heavy fractions is carried out in different zones of the turbulent flow.