Противоточная газовая центрифуга
Изобретение относится к разделению газовых смесей, в частности к противоточным центрифугам, предназначенным преимущественно для разделения изотопов урана в газообразном состоянии. Сущность: центрифуга содержит герметичный корпус, установленный внутри него вертикальный цилиндрический ротор с торцевыми крышками, снабженный средствами отбора разделенных фракций, расположенными у противоположных крышек ротора. Через верхнюю крышку внутрь ротора введена неподвижная трубка для подвода исходной смеси газов, выходное отверстие которой ориентировано в сторону средства отбора легкой фракции. Осевое расстояние от отборника тяжелой фракции до выходного отверстия трубки питания определяется по формуле, выражающей зависимость этого расстояния от конструктивных и рабочих параметров центрифуги при ее работе в составе каскадной установки. Центрифуга, у которой осевое положение отверстия выхода в ротор исходной смеси газов определено по предлагаемой формуле, имеет на 3 - 6% выше производительность, чем у известной центрифуги. 4 ил.
Изобретение относится к разделению газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана.
С точки зрения производительности предпочтительным типом газовой центрифуги для разделения изотопов является противоточная центрифуга, отбор разделенных фракций (легкой и тяжелой) в которой производится в областях, прилегающих к противоположным торцам цилиндрического вертикального ротора, а ввод в ротор исходной газовой смеси между этими областями. Известна противоточная газовая центрифуга, содержащая расположенный в герметичном корпусе вертикальный цилиндрический ротор с торцовыми крышками, через верхнюю из которых внутрь ротора введен неподвижный коллектор с тремя изолированными каналами для прохода газа: два канала для вывода из ротора разделенных фракций и канал ввода в полость ротора исходной смеси газов, выходные отверстия которого ориентированы радиально и расположены в середине длины ротора, при этом отбор легкой фракции осуществляется неподвижным отборным средством, расположенным в камере, образованной закрепленной на стенке ротора диафрагмой, боковой стенкой и нижней торцовой крышкой ротора, а отборное средство тяжелой фракции расположено у верхнего торца ротора [1] 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, содержащая вертикальный цилиндрический ротор, жестко связанный с вращающимся валом, в котором с одного конца выполнен осевой канал для подачи в ротор смеси газов, выход которого расположен на одинаковом расстоянии от торцовых крышек ротора и ориентирован в направлении средства отбора легкой фракции, а средства отбора разделенных фракций выполнены в виде отверстий в торцовых крышках ротора [2] Такая ориентация выхода канала подачи исходной смеси газов уменьшает возмущения потока вертикальной циркуляции, однако выполнение этого канала вращающимся усложняет конструкцию центрифуги и ограничивает частоту вращения ротора. Наиболее близким техническим решением к предлагаемой центрифуге является противоточная газовая центрифуга, содержащая расположенный в герметичном корпусе вертикальный цилиндрический ротор с торцовыми крышками, через верхнюю из которых внутрь ротора введена трубка для подачи исходной смеси газов (трубка питания) с выходными отверстиями, распределенными по длине ротора и ориентированными в сторону расположения средства отбора легкой фракции, размещенного у нижней крышки ротора, а у противоположной крышки расположено средство отбора тяжелой фракции [3] Недостатком данной центрифуги является распределение выходных отверстий на трубке питания по длине ротора, приводящее к тому, что исходная смесь газов с постоянной концентрацией целевой компоненты на выходе из отверстий будет смешиваться с циркулирующим в роторе газом, концентрационный состав которого непрерывно меняется по длине ротора. Вследствие этого на части длины ротора неизбежно произойдет смешивание потоков с разной концентрацией целевой компоненты, что снижает разделительную способность газовой центрифуги. Общим недостатком известных из уровня техники противоточных газовых центрифуг является уменьшение их производительности при работе в составе каскадной установки для разделения газовой смеси из-за несоответствия концентрации целевой компоненты в исходной смеси, подаваемой в ротор, концентрационному составу циркуляционного потока газа в роторе в месте ввода исходной смеси в полость ротора. Задача изобретения состояла в повышении разделительной способности противоточной газовой центрифуги путем конструктивного выбора места ввода в ротор исходной смеси газов, оптимального с точки зрения работы центрифуги в составе каскадной установки в режиме получения максимальной производительности. Выбор конструктивных размеров узлов газовой центрифуги с учетом ее работы в составе установки в практике неизвестен. Поставленная задача решена благодаря тому, что в противоточной газовой центрифуге, содержащей герметичный неподвижный корпус, установленный внутри него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцовыми крышками, снабженный средствами отбора легкой и тяжелой фракций, размещенными у противоположных крышек ротора, через верхнюю из которых внутрь ротора введена неподвижная трубка для подвода исходной смеси газов, выходное отверстие которой ориентировано в сторону средства отбора легкой фракции, выходное отверстие указанной трубки расположено от средства отбора тяжелой фракции на расстоянии по оси ротора, определяемом по формуле (1-0,5+0)A+B +D() где L осевое расстояние от выходного отверстия трубки подвода в ротор смеси газов до средства отбора тяжелой фракции, м; L длина ротора, м; Rо радиальная координата выходного отверстия трубки, м; Rр внутренний радиус цилиндрической боковой стенки ротора, м; o+ коэффициент обогащения целевой компоненты газовой смеси в отбираемом потоке легкой фракции по отношению к ее концентрации в потоке исходной газовой смеси;угол между вектором, направленным по оси вращения ротора в сторону средства отбора легкой фракции, и вектором проекции направления оси выходного отверстия трубки на плоскость, проходящую через ось вращения ротора и центр выходного отверстия этой трубки, град. (0o90о);
А, В, D () коэффициенты, характеризующие влияние радиальной координаты Rо и угла
A=6,08(10,20);
В=-0,27(10,20);
D()=-5,41(10,20)+
+0,0501(10,20). Положение выходного отверстия трубки подвода в ротор исходной смеси газов относительно средств отбора разделенных фракций, определенное согласно упомянутой выше формуле, связывающей конструктивные и рабочие параметры, обеспечивает максимальную производительность центрифуги при ее работе в составе каскадной установки. На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез центрифуги. Противоточная газовая центрифуга содержит герметичный корпус 1, внутри которого установлен вертикальный полый цилиндрический ротор 2 с верхней и нижней торцовыми крышками 3 и 4. Через отверстие в центральной части верхней крышки 3 внутрь ротора проходит неподвижный коллектор 5, включающий в себя каналы 6 и 7 для вывода из ротора разделенных фракций и канал 8 для подачи в ротор исходной газовой смеси. Каналы 6, 7 и 8 могут представлять собой неподвижные вертикально расположенные коаксиальные трубки, как показано в примере выполнения изобретения на фиг. 1. Концы трубок 6 и 7 снабжены средствами 9 и 10 отбора легкой и тяжелой фракций (отборниками), расположенными у противоположных торцов ротора и выполненными в виде горизонтальных участков трубок 6 и 7 с входными отверстиями, ориентированными против направления вращения ротора. Отборник 9 размещен в камере отбора легкой фракции, образованной крышкой 4 ротора, его боковой стенкой и диафрагмой 11 с отверстиями для сообщения с разделительной камерой 12. Отборник 10 тяжелой фракции размещен в камере, образованной крышкой 3, боковой стенкой ротора и диафрагмой 13 с отверстиями на периферии и в центральной зоне для сообщения с разделительной камерой 12. Канал 8 подачи в ротор исходной смеси газов (трубка питания) снабжен одним или несколькими выходными отверстиями 14, расположенными от оси вращения ротора на некотором радиусе Rо. Оси отверстий 14 ориентированы в направлении средства 9 отбора легкой фракции и расположены под углом к оси вращения ротора. Проекция упомянутого угла отдельного отверстия 14 на вертикальную плоскость, проходящую через ось ротора и центр отверстия, (угол на фиг. 1), может принимать значения от 0 до 90 градусов. Радиальные координаты Rо и углы для всех выходных отверстий 14 предпочтительно должны быть одинаковы. Осевое расстояние L, выходных отверстий 14 от средства 10 отбора тяжелой фракции выбрано по приведенной выше формуле, связывающей конструктивные и рабочие параметры центрифуги. Схема осевого движения газовой смеси внутри ротора имеет вид замкнутой циркуляционной петли 15 (на фиг. 1 показана схема "прямой" циркуляции). Центрифуга работает следующим образом. Исходная смесь газов подается во вращающийся ротор 2 через канал 8 с выходом через отверстия 14 в разделительную камеру 12, в которой под действием центробежного поля смесь газов разделяется так, что концентрация более тяжелых компонент и средняя молекулярная масса газовой смеси, находящиеся у периферии ротора, становятся выше, чем в области, прилегающей к оси ротора. Эффект изменения концентрации целевой компоненты смеси газов, называемой первичным эффектом обогащения, увеличивается в 5-10 раз и более за счет возникновения противоточного циркуляционного течения в роторе, при котором в направлении отборника 10 тяжелой фракции вдоль стенки ротора движется газовая смесь, обогащенная более тяжелыми компонентами, а встречно ей в зоне более близкой к оси ротора движется смесь, обогащенная легкими компонентами. Часть внутренней ветви циркуляционного потока через отверстия в диафрагме 11 проходит в камеру отбора легкой фракции и через отборник 9 и канал 6 выводится из ротора. Вертикальный поток, движущийся вдоль стенки ротора, проходит через периферийные отверстия диафрагмы 13 в камеру отбора тяжелой фракции, где часть его через отборник 10 и канал 7 выводится из ротора, а остальная часть потока возвращается в разделительную камеру 12, замыкая циркуляционную петлю 15. Типичные распределения концентрации целевой компоненты газовой смеси по длине ротора представлены на графиках фиг. 2 и 3 на примере концентрации U-235 для смеси изотопов U-235 и U-238 (газ шестифтористый уран). На графиках обозначено: Со235, Ср235иСW235- массовые концентрации U-235 в потоке питания и в потоках отбора легкой и тяжелой фракций соответственно. Коэффициенты обогащения o+иo определяются по известным соотношениям
+0 и 0= и характеризуют разделительную способность газовой центрифуги (ее производительность). Они определяются не только концентрациями и параметрами центрифуги, но и соотношениями величин потоков отбора легкой и тяжелой фракций, задаваемых извне. Указанные соотношения характеризуются значением коэффициента деления потока питания равным отношению потока отбора легкой фракции к потоку питания. На графике фиг. 3 показаны примерные зависимости распределения концентрации целевой компоменты по длине ротора для одной и той же центрифуги при различных
Для получения максимальной производительности центрифуги необходимо, чтобы поток питания поступал в разделительную камеру 12 ротора в точке (по оси ротора), в которой концентрация целевой компоненты в потоке питания совпадает с концентрацией целевой компоненты в потоке циркуляции. Поскольку концентрация Сw235 в потоке отбора тяжелой фракции всегда меньше концентрации Со235, а концентрация Ср235 всегда больше Со235, то такая точка всегда существует для любого выбранного значения и всегда расположена в разделительной камере ротора. При изменении значения точка оптимального ввода потока питания также смещается по оси ротора. Из теоретических и экспериментальных исследований известно, что при компоновке любых разделительных устройств в промышленные установки для обогащения целевой компоненты газовой смеси (в противоточные каскады), существует оптимальное значение коэффициента деления потоков 1 единичных разделительных устройств, при котором установка имеет максимальную производительность. Значение 1 зависит от величины коэффициента обогащения o+ и при его значениях, близких к нулю,10,5. Для газовых центрифуг характерны значения o+ в десятки процентов и 10,5(1-0,5o+). Газовая центрифуга, у которой устройство ввода в полость ротора исходной смеси газов выполнено в соответствии с настоящим изобретением, в частности, осевое положение выходных отверстий трубки питания выбрано согласно предложенной формуле, обеспечивает максимальную производительность в режиме оптимальной работы каскадной установки. Как видно из графиков фиг. 4, где представлены зависимости относительных производительностей ( U) известной и предлагаемой центрифуг от коэффициента при работе предлагаемой центрифуги в составе установки повышение производительности отдельной машины и каскада в целом составляет 3-6% по сравнению с известной центрифугой, у которой ввод исходной смеси газов выполнен в середине длины ротора.
Формула изобретения
где L осевое расстояние от выходного отверстия трубки подвода в ротор смеси газов до средства отбора тяжелой фракции, м;
L длина ротора, м;
Rо радиальная координата выходного отверстия трубки, м;
Rр внутренний радиус цилиндрической боковой стенки ротора, м;
+o коэффициент обогащения целевой компоненты газовой смеси в отбираемом потоке легкой фракции по отношению к ее концентрации в потоке исходной смеси газов;
угол между вектором, направленным по оси вращения ротора в сторону средства отбора легкой фракции, и вектором проекции направления оси выходного отверстия трубки на плоскость, проходящую через ось вращения ротора и центр выходного отверстия трубки, град;
A,B,D() коэффициенты, характеризующие влияние радиальной координаты Rо и угла :
A 6,08(10,20);
B 0,27(10,20);
D() = 5,41(1 0,20)+0,0501(1 0,20).
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4TK4A Поправки к публикациям сведений об изобретениях в бюллетенях "Изобретения (заявки и патенты)" и "Изобретения. Полезные модели"
Напечатано: (57) ...B = 0,27(1±0,20), D() = 5,41(1 ±0,20)+ ...
Следует читать: (57) ...B = -0,27(1±0,20), D() = -5,41(1 ±0,20)+ ...
Номер и год публикации бюллетеня: 10-1995
Код раздела: FG4A
Извещение опубликовано: 10.08.2008 БИ: 22/2008
QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения
Лицензиар(ы): Открытое акционерное общество "Производственное объединение "Электрохимический завод"
Вид лицензии*: НИЛ
Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество "Владимирское производственное объединение "Точмаш"
Договор № РД0071934 зарегистрирован 01.11.2010
Извещение опубликовано: 20.12.2010 БИ: 35/2010
* ИЛ - исключительная лицензия НИЛ - неисключительная лицензия