Способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом и газовая центрифуга для его осуществления

Изобретение относится к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, вращающийся ротор, соосно размещенный в корпусе, выполненный в виде вала и снабженный жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, отборные трубки разделенных фракций, каналы вывода разделенных фракций, выведенные наружу через вал ротора и имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, при этом горизонтальные участки отборных трубок размещены внутри каждой лопатки, а входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, и впускное отверстие, размещенное внизу корпуса, для подвода исходной газовой смеси. Способ разделения газообразных смесей включает вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги и отбор легкой и тяжелой фракций в разных зонах турбулентного потока. Изобретение обеспечивает повышение разделительной способности центрифуги и упрощение ее конструкции. 2 н. п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретения относятся к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана, мало различимых между собой по молекулярному весу.

Известны различные способы для разделения или обогащения газообразных смесей, в особенности смесей изотопов.

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.

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.

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.

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 (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.

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.

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.

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.

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.

Изобретения направлены на решение задачи повышения разделительной способности газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.

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.

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.

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.

Выполнение всей совокупности признаков способа позволяет повысить разделительную способность газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.

Изобретения поясняются чертежами.

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.

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.

Заявляемый способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом осуществляется при работе заявляемой газовой центрифуги следующим образом.

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.

Таким образом, обеспечивается повышение разделительной способности газовой центрифуги при одновременном упрощении конструкции устройства.

1. Газовая центрифуга, содержащая 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, отличающаяся тем, что 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.

2. Способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом, включающий 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, отличающийся тем, что разделение газообразных смесей на фракции с различным удельным весом производят с помощью газовой центрифуги по п. 1, при этом отбор легкой и тяжелой фракций осуществляют в разных зонах турбулентного потока.