Ректификационная установка для разделения изотопов - RU2652248C1
Код документа: RU2652248C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для разделения изотопов методами ректификации, а более конкретно к многоканальным ректификационным колоннам. Изобретение может быть использовано в процессе производства изотопов бора10В и11В или изотопа азота15N.
Изотопы легких элементов, как правило, получают с помощью насадочных ректификационных колонн. Конструктивные особенности колонн данного типа зависят от величины коэффициента обогащения ε, характеризующего используемые рабочие тела. В благоприятном случае ε~1, однако обычно величина коэффициента составляет ε<1. Вследствие малой величины ε насадочные колонны разделения изотопов весьма чувствительны к эффектам поперечной неоднородности потоков в рабочих каналах. Чтобы ослабить эти эффекты, необходимо использовать колонну с физически тонким каналом. На практике такие колонны выполняются в настоящее время, как правило, в виде одноканальных колонн с диаметром рабочего канала от 25 до 70 мм.
Для наработки больших количеств изотопов обычно применяют батареи одноканальных колонн с интегральной компоновкой. Данные установки описаны, например, в патенте RU 2309788 C2 (опубликован 10.06.2007) и в патентной заявке JPH 0347518 A (опубликована 28.02.1991). Однако при использовании одноканальных малоразмерных колонн стоимость получаемых изотопов достаточно велика. Теоретически стоимость изотопов можно снизить, используя ректификацию с тепловым насосом. В этом случае в качестве аппарата изотопного обмена применяется многоканальная ректификационная колонна большой размерности с физически тонким каналом (колонна Кюна).
В патенте RU 2280219 С2 (опубликован 20.07.2006) описана установка для разделения газов с насадочным многоканальным узлом. С помощью установки осуществляется разделение газов, например компонентов воздуха, методом глубокого охлаждения при двукратной ректификации. Установка содержит нижнюю ректификационную колонну, конденсатор и верхнюю ректификационную колонну. Контактные части нижней и верхней колонн представляют собой параллельно расположенные трубки, заполненные насыпной насадкой. Колонны снабжены распределительными тарелками, которые расположены над контактными частями, предназначенными для подачи жидкости в трубки. В кубе нижней колонны установлен распределитель газового потока для подачи газа в трубки нижней колонны. Распределительные тарелки содержат дозирующие (распределительные) устройства, количество которых соответствует количеству трубок контактной части колонны. Каждое дозирующее устройство содержит трубку с несколькими перпендикулярными ей патрубками.
За счет использования насадки в контактных частях параллельно расположенных трубок и распределительных тарелок достигается высокая эффективность разделения воздуха. Конструкция колонны позволяет уменьшить габаритные размеры установки. Вместе с тем, несмотря на конструктивные усовершенствования, в известной многоканальной установке не устранен эффект поперечной неоднородности потоков флегмы и пара в рабочих каналах.
Многоканальная секционированная насадочная колонна, описанная в авторском свидетельстве SU 1042780 A (опубликовано 23.09.1983), содержит вертикально установленные пакеты насадки, ограниченные с двух боковых сторон газопроницаемыми стенками, и горизонтальные перегородки с отверстиями для распределения жидкости в пакетах насадки. Пакеты соединены между собой с образованием вертикальных каналов с поперечным сечением в форме многоугольников. Дополнительные горизонтальные перегородки перекрывают поперечное сечение колонны и снабжены патрубками для прохождения газа, которые расположены в шахматном порядке вдоль каждой перегородки и в вертикальном направлении на смежных перегородках. Данное конструктивное выполнение колонны позволяет повысить производительность колонны за счет рационального использования рабочего объема колонны. Однако, как и в других установках-аналогах, в известной многоканальной установке не устранен эффект поперечной неоднородности потоков флегмы и пара в пакетах, заполненных насадкой (рабочих каналах).
В промышленных многоканальных колоннах точность дозирования флегмы и пара по рабочим каналам не достаточна для разделения изотопов, когда величина коэффициента обогащения составляет ε≤1%. Из-за этого обычные многоканальные насадочные колонны не могут использоваться для разделения изотопов.
При разработке многоканальной ректификационной колонны для разделения изотопов необходимо обеспечить совпадение расходов жидкой фазы (флегмы) и пара с относительной точностью не хуже величины коэффициента обогащения ε. Однако даже в случае удовлетворения данного требования после изготовления и отладки колонны в процессе ее работы возникает дрейф параметров насадки. Вследствие этого пар неравномерно перераспределяется между рабочими каналами, что приводит к нарушению работоспособности колонны.
Наиболее близким аналогом изобретения является ректификационная установка для разделения изотопов, описанная в патенте RU 2543877 C1 (опубликован 10.03.2015). Установка содержит многоканальную колонну, в корпусе которой в вертикальном направлении установлены трубки, образующие рабочие каналы, частично заполненные насадкой, и тонкие сливные трубки. Внутренний диаметр сливных трубок меньше диаметра рабочих каналов. Нижний узел обращения потоков включает в свой состав нижний буфер пара и испаритель. Верхний узел обращения потоков содержит верхний буфер пара, конденсатор и дозирующее устройство с раздаточными трубками.
Многоканальная колонна выполнена по традиционно используемой многоступенчатой схеме тарельчатой колонны. Каждая ступень колонны представляет собою короткую многоканальную насадочную колонну (модуль). Рабочие каналы выполнены в виде трубок, заполненных насадкой. Между модулями (ступенями) установлены вспомогательные газовые смесители гомогенного типа. Вертикально установленные соосные рабочие каналы соседних модулей соединены между собой сливными трубками, проходящими через смесители. Каналы и трубки образуют составной канал, в котором верхние и нижние концы рабочих каналов модуля имеют соответствующие выходы и входы (по пару) в соседний сверху и соседний снизу газовые смесители.
В рабочих каналах пар и флегма движутся в противотоке. Между модулями, на уровне смесителей пара, жидкость и пар разделены: флегма стекает в сливных трубках, а потоки пара выходят из рабочих каналов в общий газовый смеситель, где происходит перемешивание пара перед входом в каналы следующего вышележащего модуля. В смесителе состав пара выравнивается по поперечному сечению колонны. Для дозировки расхода флегмы в каналах используется дозирующее (распределительное) устройство, с помощью которого обеспечивается совпадение расходов флегмы в рабочих каналах с заданной точностью.
Установка имеет достаточно сложную конструкцию, включающую в свой состав различные узлы и элементы: короткие многоканальные колонны с трубками, образующими рабочие каналы, смесители пара и сливные трубки. Для обеспечения заданных (расчетных) значений гидравлических сопротивлений рабочих каналов по потоку пара необходимо выполнить трудоемкую отладку и настройку каждого модуля многоканальной колонны, чтобы добиться требуемого стандартного значения гидравлического сопротивления для всех рабочих каналов. Такая процедура включает добавление или удаление насадки из рабочих каналов и контрольные измерения гидравлического сопротивления после изменения количества насадки в каждом канале.
Изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной с уменьшением количества и видов узлов и элементов конструкции колонны (номенклатуры), которые влияют на снижение точности настройки рабочих характеристик многоканальной колонны. Решение данной проблемы обеспечивает достижение технических результатов, заключающихся в упрощении конструкции ректификационной установки, снижении трудоемкости изготовления и настройки ректификационной установки и повышении ее надежности за счет устойчивости (стабильности рабочих характеристик) к изменению рабочих условий в процессе эксплуатации, вызванных, например, дрейфом параметров насадки, заполняющей рабочие каналы.
Указанные выше технические результаты достигаются с помощью ректификационной установки для разделения изотопов, включающей в свой состав многоканальную колонну, в корпусе которой в вертикальном направлении установлены трубки, образующие рабочие каналы, частично заполненные насадкой, и сливные трубки, внутренний диаметр которых меньше диаметра рабочих каналов. Установка содержит также нижний узел обращения потоков, включающий нижний буфер и испаритель, верхний узел обращения потоков, включающий верхний буфер, конденсатор и дозирующее устройство с раздаточными трубками.
Согласно изобретению, в корпусе многоканальной колонны последовательно в вертикальном направлении установлены по меньшей мере два модуля. Каждый модуль содержит горизонтальную разделительную перегородку, установленную в верхней части модуля и перекрывающую поперечное сечение полости колонны, и вертикальные параллельно расположенные трубки, образующие рабочие каналы (контактные элементы), и вертикальные сливные трубки. Количество рабочих каналов в каждом модуле равно количеству сливных трубок. Рабочие каналы и сливные трубки в каждом модуле расположены с попеременным чередованием в горизонтальной плоскости в узлах ячеек квадратной геометрической решетки (в шахматном порядке). Диаметр каждого рабочего канала, тип используемой насадки, нагрузка по пару и жидкости соответствуют параметрам рабочих каналов, используемых в одноканальных насадочных колоннах разделения изотопов.
Разделительная перегородка каждого модуля выполнена с углублениями, количество которых равно количеству сливных трубок в каждом модуле, и отверстиями, количество которых равно общему количеству рабочих каналов и сливных трубок модуля. Отверстия, образующие входные части сливных трубок, выполнены в донной части углублений. Отверстия, образующие свободные от насадки входные части рабочих каналов расположены вне углублений. Нижние части сливных трубок каждого модуля, за исключением модуля, расположенного над нижним буфером колонны, сообщены с входными частями рабочих каналов близлежащего нижнего модуля. Нижние части рабочих каналов каждого модуля, за исключением модуля, расположенного над нижним буфером колонны, сообщены с полостями углублений в разделительных перегородках и через гидрозатвор с входными частями сливных трубок близлежащего нижнего модуля.
Раздаточные трубки дозирующего устройства сообщены с входными частями рабочих каналов, с полостями углублений в разделительных перегородках и через гидрозатвор с входными частями сливных трубок модуля, расположенного под верхним буфером колонны.
При данной конструкции многоканальной колонны, входящей в состав ректификационной установки для разделения изотопов, обеспечивается гидродинамический режим работы каждого контактного элемента (рабочего канала) с соотношения расходов флегмы и пара через каждый рабочий канал, равным 1/2. Указанное соотношение расходов достигается за счет того, что рабочие каналы и сливные трубки попеременно чередуются в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении в шахматном порядке (рабочие каналы и сливные рубки расположены в узлах ячеек квадратной геометрической решетки).
Поток жидкости (флегмы), поступающий в верхний модуль массообмена для орошения насадки, разделяется на две равные части. Первая часть потока, разделенная на равные парциальные потоки, проходит через рабочие каналы (контактные элементы) верхнего модуля, а вторая часть потока, также разделенная на равные парциальные потоки, проходит через сливные трубки, сообщенные с входными отверстиями рабочих каналов нижерасположенного модуля. В следующем по направлению течения флегмы модуле первая и вторая части потока проходят каналы модуля в обратном порядке: первая часть потока проходит через сливные трубки, а вторая часть потока - через рабочие каналы. В следующих по направлению течения жидкости модулях аналогичным образом происходит периодическое чередование течения парциальных потоков жидкости между рабочими каналами (контактными элементами) и сливными трубками (байпасами).
Полные расходы флегмы и пара через все рабочие каналы и сливные трубки многоканальной колонны равны между собой: m0≅М0, где m0 - полный расход флегмы через многоканальную колонну, М0 - полный расход пара через многоканальную колонну. При данном условии достигается совпадение расходов жидкой фазы (флегмы) и пара во всей многоканальной колонне с относительной точностью не хуже величины коэффициента обогащения ε по целевому изотопу.
Каждый модуль содержит равное количество рабочих каналов и сливных трубок (байпасов): Р=РК=РТ, где РК - количество рабочих каналов (контактных элементов) в модуле, РТ - количество сливных трубок в модуле. Разделение потока флегмы на 2Р равных по расходу парциальных потока осуществляется с помощью дозирующего устройства, соединенного через раздаточные трубки с рабочими каналами и сливными трубками верхнего модуля колонны.
При указанном расположении рабочих каналов и сливных трубок в модулях (вертикальных секциях) многоканальной ректификационной колонны обеспечивается устойчивость рабочего процесса разделения изотопов и стабильность рабочих характеристик в течение срока эксплуатации установки. Данный эффект можно описать следующим образом.
Вследствие выбранной структуры колонны соотношение расходов флегмы и пара в каждом из рабочих каналов рано 1/2. Концентрационный напор Δx «флегма-пар» убывает по высоте каждого рабочего канала в направлении сверху вниз по экспоненциальному закону:
Длина релаксации Λ оценивается как удвоенная высота единицы переноса (ВЕП). Для насадок, используемых в дистилляционных колоннах разделения изотопов, ВЕП составляет примерно 25 мм и, соответственно, длина релаксации Λ~50 мм. При выборе высоты канала от 3Λ до 5Λ дрейф параметров насадки и величины Λ практически не сказывается на величине концентрационных напоров в нижней части каналов и на рабочих характеристиках канала. В результате при соотношении расходов флегмы и пара в рабочих каналах, равном 1/2, повышается надежность ректификационной установки, упрощается технология ее изготовления и технологический процесс подготовки установки к эксплуатации.
По сравнению с установкой-аналогом в каждом модуле колонны в два раза меньше контактных элементов (рабочих каналов), требующих точной предварительной настройки. Кроме того, из конструкции колонны исключены блоки смесителей с рассекателями потока пара, служащие для выравнивания в установке-аналоге состава пара по поперечному сечению колонны. Функцию средства, обеспечивающего равномерное перемешивание потока пара и выравнивание состава пара по сечению колонны на входе в рабочие каналы, выполняет замкнутое пространство, ограниченное горизонтальными разделительными перегородками (тарелками) соседних вертикально расположенных модулей колонны, при расположении рабочих каналов в близлежащих модулях в шахматном порядке. Вследствие этого повышается надежность ректификационной установки, упрощается технология изготовления и процедура подготовки установки к эксплуатации.
Углубления, выполненные в разделительной перегородке каждого модуля, в предпочтительном варианте выполнения имеют осесимметричную чашеобразную форму, при этом отверстие, выполненное в донной части углубления, располагается соосно оси симметрии углубления. Целесообразно также, чтобы углубления, выполненные в разделительных перегородках, имели равные размеры.
Входная часть каждой сливной трубки снабжается гидрозатвором, который может быть выполнен в виде куполообразного колпачка. Колпачок образует гидрозатвор с входной частью сливной трубки в полости углубления, выполненного в разделительной перегородке. В данном варианте выполнения колпачок закрепляется на сливной трубке с образованием зазоров между поверхностью колпачка и противолежащими поверхностями сливной трубки и углубления.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера осуществления ректификационной установки для разделения изотопов. На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг. 1 - схема ректификационной установки для разделения изотопов;
на фиг. 2 - схематичное изображение поперечного сечения модуля многоканальной колонны, иллюстрирующее расположение рабочих каналов и сливных трубок в горизонтальной плоскости.
на фиг. 3 - продольный разрез многоканальной колонны ректификационной установки.
Ректификационная установка для разделения изотопов, изображенная на фиг. 1, включает в свой состав многоканальную колонну 1, в корпусе которой последовательно в вертикальном направлении установлены модули 2. Каждый модуль содержит горизонтальную разделительную перегородку 3, установленную в верхней части модуля и перекрывающую поперечное сечение полости колонны 2. В каждом модуле в вертикальном направлении установлены трубки, образующие рабочие каналы 4, частично заполненные насадкой, и сливные трубки 5. В качестве насадки, образующей насадочные элементы в полости рабочих каналов 4, может использоваться проволочная спиральная насадка Левина, описанная в авторском свидетельстве SU 75115 (дата публикации: 30.09.1949).
Внутренний диаметр трубки, образующей рабочие каналы 4, выбирается в диапазоне от 25 до 50 мм. Диаметр сливных трубок 5, меньший диаметра рабочих каналов 4, выбирается минимальным для удобства монтажа. В рассматриваемом примере диаметр сливных трубок равен 5 мм. Количество РК рабочих каналов 4 в каждом модуле 2 равно количеству PТ сливных трубок 5 (Р=РК=РТ). Общее количество рабочих каналов и сливных трубок в каждом модуле равно 2Р.
Рабочие каналы 4 и сливные трубки 5 в каждом модуле расположены в узлах ячеек квадратной геометрической решетки с попеременным чередованием в горизонтальной плоскости (в шахматном порядке). Расположение рабочих каналов 4 и сливных трубок 5 в горизонтальной плоскости поперечного сечения модуля 2 многоканальной колонны согласно указанному выше условию изображено на фиг. 2. Рабочие каналы 4 и сливные трубки 5 размещены в узлах ячеек решетки по группам. Каждая группа содержит два рабочих канала 4 и две сливные трубки 5.
В состав ректификационной установки входит нижний узел обращения потоков, включающий нижний буфер 6 и испаритель 7. Верхний узел обращения потоков ректификационной установки включает в свой состав верхний буфер 8, конденсатор 9 и дозирующее устройство 10 с раздаточными трубками 11. Верхний буфер 8 выполнен с патрубком 12 ввода сырья и патрубком 13 вывода отвального продукта. В нижней части колонны 1 над нижним буфером 6 расположен патрубок 14 вывода целевого продукта (концентрата изотопа).
Многоканальная колонна 1, изображенная на фиг. 3, выполнена в виде каскада вертикально установленных и последовательно соединенных между собой модулей 2. Модули отделены друг от друга разделительными перегородками 3. В перегородках 3 выполнены углубления 15, количество которых равно количеству РТ сливных трубок 5 в модуле, и отверстия, количество которых равно общему количеству (2Р) рабочих каналов 4 и сливных трубок 5 модуля. Отверстия, образующие входные части сливных трубок 5, выполнены в донной части углублений 15. В рассматриваемом примере углубления 15, выполненные в перегородках 3, имеют осесимметричную чашеобразную форму и равные размеры. Отверстия, выполненные в донной части углублений, расположены соосно углублениям.
Отверстия, образующие свободные от насадки входные части рабочих каналов 4, расположены вне углублений 15. Нижние части сливных трубок 5 каждого модуля, за исключением модуля, расположенного над нижним буфером 6, сообщены с входными частями рабочих каналов 4 близлежащего нижнего модуля. Нижние части рабочих каналов 4 каждого модуля, за исключением модуля, расположенного над нижним буфером 6, соединены с полостями углублений 15 и через гидрозатворы 16 с входными частями сливных трубок 5 близлежащего нижнего модуля. Раздаточные трубки 11 дозирующего устройства 10 сообщены с входными частями рабочих каналов 4, с полостями углублений 15 и через гидрозатворы 16 с входными частями сливных трубок 5 верхнего модуля, расположенного под верхним буфером 8.
Каждый гидрозатвор 16 образован куполообразным колпачком, установленным над входной частью сливной трубки 5 в полости углубления 15. Колпачок закреплен на сливной трубке 5 с образованием зазоров между поверхностью колпачка и противолежащими поверхностями сливной трубки 5 и углубления 15.
Установка может также включать в свой состав ряд стандартных блоков, узлов и элементов конструкции, используемых в ректификационных колоннах. Так, например, установка может содержать блок очистки питающего рабочего тела перед его подачей в колонну (на чертежах не показан).
Работа ректификационной установки для разделения изотопов осуществляется следующим образом. При описании работы установки рассматривается процесс производства изотопа азотаl5N методом фракционной перегонки жидкой двуокиси азота.
Питание многоканальной колонны 1 осуществляется по проходной схеме путем прокачки через верхний буфер 8 потока пара двуокиси азота, подаваемого из вспомогательной колонны (на чертеже не показана) через патрубок 12. Во вспомогательной колонне производится предварительная очистка рабочего вещества от паров воды и азотной кислоты. Подаваемый поток двуокиси азота по изотопному составу близок к природному содержанию изотопов азота. В колонне 1 создают и поддерживают непрерывное во времени замкнутое противоточное течение жидкой и газообразной фаз двуокиси азота. За счет непрерывного циркуляционного движения встречных потоков жидкой и газообразной фаз через модули колонны обеспечивается многократное увеличение межфазного эффекта разделения изотопов.
В дозирующем устройстве 10 поток флегмы разделяется на 2Р равных парциальных потока, которые по раздаточным трубкам 11 подаются в проточные элементы верхнего модуля: в рабочие каналы 4, частично заполненные насадкой, и в чашеобразные углубления 15, полости которых сообщены через гидрозатворы 16 со сливными трубками 5. Парциальные потоки флегмы, поступившие в рабочие каналы 4 верхнего модуля, далее проходят последующие нечетные, по порядку счета сверху вниз, модули через рабочие каналы и четные модули через сливные трубки. Парциальные потоки флегмы, поступившие через гидрозатворы 16 в сливные трубки 5 верхнего модуля, далее проходят последующие нечетные, по порядку счета сверху вниз, модули через сливные трубки и четные модули через рабочие каналы.
Жидкая фаза, поступающая из раздаточных трубок 11 в рабочие каналы 4 и в сливные трубки 5 верхнего модуля, стекает в следующий модуль, в котором входные части сливных трубок 5 соединены с выходными частями рабочих каналов 4 вышерасположенного модуля 2, а входные части рабочих каналов 4 соединены с выходными частями сливных трубок 5. Таким образом, поток флегмы разделяется на 2Р парциальных потока, раздельно проходящих через всю многоканальную колонну с суммарным расходом m0. При этом расход m0 флегмы через колонну и расход m01 флегмы через отдельный рабочий канал связаны между собой соотношением: m01=m0/2Р.
При прохождении газообразной фазы двуокиси азота через рабочие каналы 4 снизу вверх на поверхности насадочных элементов, заполняющих рабочие каналы 4, образуется мелкодисперсная жидкая фракция, осаждаемая из паровой фазы, которая стекает вниз по поверхности насадки. В результате на насадочных элементах образуется тонкая пленка, поверхность которой служит поверхностью межфазного переноса изотопов при контакте двух фаз рабочего тела.
Из нижней части колонны 1 через патрубок 14 вывода целевого продукта после многократной фракционной перегонки двуокиси азота отбирается поток газообразного оксида азота, обогащенный целевым изотопным компонентом - изотопом15N. Значения расходов подаваемых и отводимых из колонны 1 потоков устанавливаются из условия поддержания равенства расходов подаваемого в колонну потока газообразного оксида азота сумме расходов отбираемых из колонны потоков жидкости и газа.
В процессе разделения изотопов азота образуется разубоженное на 10-20% рабочее тело, которое выводится из верхнего буфера 8 через патрубок 13 вывода отвального продукта и возвращается на соответствующий участок производства рабочего сырья. Восходящий поток пара поступает из верхнего буфера 8 в конденсатор 9, в котором образуется флегма (жидкая двуокись азота). Флегма подается из конденсатора 9 в дозирующее устройство 10, в котором поток флегмы разделяется на равные парциальные потоки, поступающие через раздаточные трубки 11 в рабочие каналы 4 и через гидрозатворы 16 в сливные трубки 5 верхнего модуля колонны. Далее флегма поступает из выходных отверстий сливных трубок 5 верхнего модуля во входные части рабочих каналов 4 расположенного ниже модуля. В объемах рабочих каналов 4, заполненных насадкой, происходит изотопный обмен между жидкой и парообразной фазами рабочего тела.
Горизонтальные проекции рабочих каналов близлежащих модулей расположены в шахматном порядке. Вследствие этого потоки пара, поступающие из отдельных рабочих каналов 4 в объем, ограниченный разделительными перегородками 3, корпусом модуля 2 и внешними поверхностями сливных трубок 5, при течении к входам вышележащих рабочих каналов 4 разделяются и перемешиваются. В результате такого перемешивания при перетекании пара между модулями происходит усреднение состава пара по поперечному сечению колонны.
Следует отметить, что для перемешивания парциальных потоков пара и выравнивания состава пара по поперечному сечению колонны не требуются дополнительные устройства (смесители и распределители пара), используемые в устройстве-аналоге.
Отработавшая в колонне флегма стекает в нижний буфер 6, из которого она поступает в испаритель 7. После преобразования жидкой флегмы в пар рабочее тело в парообразном состоянии возвращается в нижний буфер 6, из которого восходящий поток пара проходит через вертикальный каскад модулей с попеременно чередующимися рабочими каналами 4 и сливными трубками 5. В изотопном обмене «пар - флегма» участвует поток флегмы, стекающий в вертикальном направлении из верхнего буфера 8 в нижний буфер 6, и восходящий поток пара, перемещающийся в обратном направлении.
В рабочем режиме гидрозатворы 16 заполнены жидкостью (флегмой), вследствие этого отсекается подача пара через сливные трубки 5, и пар направляется в рабочие каналы 4. Восходящий поток пара в каждом модуле разбит на Р парциальных потоков, проходящих через рабочие каналы 4. Нагрузка (расход) M01 по пару отдельного рабочего канала 4 и расход пара М0 через всю колонну связаны соотношением: M01=M0/P. Учитывая условие равенства расходов пара и флегмы через многоканальную колонну (m0≅М0), рабочий режим насадочных элементов (рабочих каналов) колонны характеризуется соотношением нагрузок по флегме и пару: m01/M01=1/2.
Оптимальная высота 11 части рабочего канала 4, заполненной насадкой, в каждом конкретном случае определяется из следующего условия: 4Λ01≤h≤6Λ01, где Λ01 - высота единицы переноса для рабочего канала, величина которой задается гидродинамическим режимом рабочего канала (значениями m01 и M01). Выбор высоты h согласно указанному выше условию позволяет обеспечить высокую эффективность (кпд) рабочих каналов. Данная зависимость связана с тем, что концентрационный напор встречных потоков флегмы и пара в рабочем канале убывает в направлении сверху вниз. В нижних сечениях канала потоки флегмы и пара приближенно можно считать равновесными. При выбранном оптимальном значении h кпд η рабочих каналов приближается к единице.
Устойчивость рабочего процесса многоканальной колонны связана с протеканием следующих процессов. Флегма при прохождении рабочего канала «запоминает» информацию о составе пара на нижнем участке канала. Дисперсия концентраций пара на выходе из рабочих каналов включает два компонента: информацию о дисперсии состава пара на нижнем участке канала и информацию о дисперсии состава флегмы, приходящей в канал. При перетекании пара между модулями колонны в результате его перемешивания информация о составе пара эффективно «стирается» (нивелируется). В численных значениях дисперсия состава пара при перетекании в вышележащий модуль убывает в 2 раза.
Таким образом, возникновение неоднородностей в отдельных рабочих каналах не приводит к последовательному накоплению возмущений концентрационного поля при движении потока пара снизу вверх. Данное явление определяет устойчивость рабочего процесса в многоканальной колонне и стабильность рабочих характеристик колонны.
При разделении изотопов ректификацией могут использоваться три метода: дистилляция с тепловым обращением потоков; химический изотопный обмен в жидкой фазе с тепловым обращением потоков; химический изотопный обмен в жидкой фазе с химическим обращением потоков. Ректификационная установка для разделения изотопов может использоваться при реализации всех указанных методов, отличаясь только набором дополнительного технологического оборудования, входящего в состав верхнего и нижнего узлов обращения потоков.
Большая размерность многоканальной колонны упрощает организацию рабочих процессов. Установка может использоваться для получения изотопов бора дистилляцией с тепловым насосом и автономной холодильной установкой. В качестве рабочего тела может использоваться азеотроп CH3F-BF3. Преимущество в этом случае заключается в простоте дистилляционного процесса, при этом ВЕП для дистилляционных колонн значительно меньше, чем в колоннах химического изотопного обмена.
Возможны и другие варианты осуществления изобретения. Ректификационная установка для разделения изотопов может использоваться для производства изотопов бора10В анизольным методом. При использовании данного метода ВЕП определяется временем изотопного обмена в жидкой фазе и скоростью движения флегмы. В установке, выполненной согласно изобретению, скорость движения флегмы снижается примерно в два раза по сравнению со стандартной одноканальной колонной (при одинаковой нагрузке рабочего канала по пару). ВЕП в этом случае составит примерно половину значения ВЕП, характерного для одноканальной колонны при разделении изотопов бора анизольным методом.
Следует отметить, что применение байпасов флегмы (сливных трубок) позволяет создать многоканальную колонну большой размерности и обеспечить стабильность рабочего процесса. Вместе с тем при использовании изобретения предполагается повышенный расход насадки, поэтому установка может применяться в условиях, когда материалоемкость установки и ее стоимость не является ограничивающим фактором.
Описанные выше примеры осуществления изобретения основаны на конкретных конструкциях установки, однако возможны и другие варианты реализации изобретения в зависимости от выбора рабочего тела. В конкретных вариантах конструкции установки, в зависимости от решаемых задач и вида рабочего тела, выбираются рабочие характеристики установки, а также дополнительные узлы и блоки, обеспечивающие работу установки. В зависимости от рабочих характеристик установки выбираются виды и размеры насадок в рабочих каналах, конструкция дозирующего устройства.
Ректификационная установка может применяться для промышленного производства изотопов методами дистилляции, химического изотопного обмена в жидкой фазе с тепловым или химическим обращением потоков в случаях, когда стоимость используемой насадки, заполняющей рабочие каналы, или установки в целом не является ограничивающим фактором для производства изотопов.
Реферат
Изобретение относится к ректификационной установке, предназначенной для разделения изотопов бора или азота методами ректификации. Ректификационная установка содержит многоканальную колонну, нижний узел обращения потоков, включающий нижний буфер и испаритель, верхний узел обращения потоков, включающий верхний буфер, конденсатор и дозирующее устройство с раздаточными трубками. В корпусе многоканальной колонны в вертикальном направлении установлены последовательно модули, содержащие горизонтальную разделительную перегородку, и параллельно трубки, образующие рабочие каналы, и сливные трубки, расположенные в каждом модуле с попеременным чередованием в горизонтальной плоскости, причем количество рабочих каналов в каждом модуле равно количеству сливных трубок, а внутренний диаметр сливных трубок меньше диаметра рабочих каналов. Разделительная перегородка каждого модуля выполнена с углублениями, отверстиями, образующими входные части сливных трубок, выполненными в донной части углублений, и отверстиями, образующими свободные от насадки входные части рабочих каналов, расположенные вне углублений. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции установки, снижение трудоемкости изготовления и настройки ее элементов, повышение надежности и устойчивость к изменению рабочих характеристик в процессе эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
