устройство для разделения изотопов

Формула изобретения

1. Устройство для разделения изотопов, включающее секционированную колонну с узлами обращения потоков фаз, выполненными в виде последовательно расположенных контактных секций, трубопроводы для ввода и вывода реагентов, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено единым запорно-распределительным узлом, включающим пробочный кран или две цилиндрические пластины, расположенные соосно одна над другой, одна из которых установлена с возможностью вращения относительно оси, причем в теле запорно-распределительного узла выполнены сквозные каналы для сообщения внутренних поверхностей запорно-распределительного узла с контактными секциями и трубопроводами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутренней поверхности элемента запорно-распределительного узла, сообщенного с трубопроводами ввода и вывода реагентов, выполнены проточки для сообщения выхода предыдущей контактной секции с входом следующей, причем число проточек определяется из условия

X Y-N-1,

где X -число проточек;

Y число контактных секций;

N число контактных секций в зонах обращения потоков фаз.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что проточки для сообщения выхода предыдущей контактной секции с входом следующей выполнены в теле указанного элемента и сообщены с его внутренней поверхностью дополнительными каналами.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутренних поверхностях элементов пробочного крана выполнены сегментные проточки в плоскостях, расположенных параллельно одна другой и перпендикулярно оси вращения, причем сегментные проточки, расположенные в одной плоскости, сообщены с входами контактных секций, сегментные проточки в другой плоскости сообщены с выходами указанных секций и длина указанных проточек пропорциональна диаметру соответствующей окружности.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутренних поверхностях цилиндрических пластин выполнены сегментные проточки по двум концентрическим окружностям, причем сегментные проточки, расположенные на окружности одного диаметра, сообщены с входами контактных секций, а сегментные проточки, расположенные на окружности другого диаметра, сообщены с выходами указанных секций, и длина указанных проточек пропорциональна диаметру соответствующей окружности.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что число сегментных проточек на поверхности элемента запорно-распределительного узла, сообщенного с контактными секциями, равно числу последних, а число сегментных проточек в другом элементе, сообщенном с трубопроводами ввода и вывода реагентов, определяется из условия X Y-1, причем одни из них сообщены через сквозные каналы в теле элемента с трубопроводами ввода и вывода реагентов, а другие, рядом расположенные по одной окружности сегментные проточки, число которых определяется из условия X Y-N-1, сообщены с проточками на другой окружности посредством дополнительных проточек.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что дополнительные проточки выполнены по поверхности элемента запорно-распределительного узла и по кратчайшему расстоянию между проточками на двух окружностях.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что дополнительные проточки выполнены в теле элемента запорно-распределительного узла и сообщены с его внутренней поверхностью дополнительными каналами для соединения входа и выхода рядом расположенных контактных секций.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области устройств для разделения веществ, в частности к устройствам для разделения изотопов.

Известна установка для разделения изотопов, включающая адсорберы, нагреватели, трубопроводы, соединяющие адсорберы и вентиль ввода разделяемой смеси (см. Авторское свидетельство СССР N 540535, кл. В 01 D 59/00, 1976, непубликуемое).

Недостаток установки заключается в том, что относительный противоток участвующих в процессе разделения фаз достигается за счет периодического перемещения нагревателей от адсорбера к десорберу вручную.

Известно также устройство для разделения изотопов, включающее санкционированную колонну, нагреватель, трубопроводы, соединяющие секционированную колонну и вентиль ввода смеси, в котором каждая контактная секция снабжена двумя запорными кранами и шлифовальными разъемами для соединения контактных секций между собой (Журнал физической химии, 1982, т. 56, N 2, с. 349 352, прототип).

Основным недостатком этого устройства является недостаточно высокие степень разделения и производительность (отбор продукта производится периодически один раз в течение нескольких полных циклов после полного заполнения адсорбера продуктом).

Задачей, положенной в основу изобретения, является создание аппаратуры для разделения изотопов, позволяющей обеспечить высокую степень разделения, высокую производительность, а также компактность оборудования и возможность его работы в автоматическом режиме.

Поставленная задача решается устройством для разделения изотопов, включающим секционированную колонну с узлами обращения потоков фаз, выполненных в виде последовательно расположенных контактных секций, а также трубопроводы для ввода и вывода реагентов. Устройство дополнительно оборудовано единым запорно-распределительным узлом, включающим пробочный кран или две цилиндрических пластины, расположенные соосно одна над другой, одна из которых установлена с возможностью вращения относительно оси, причем в теле элементов запорно-распределительного узла выполнены сквозные каналы для сообщения внутренних поверхностей указанного узла с подсоединенными к нему контактными секциями и трубопроводами.

На внутренней поверхности элемента запорно-распределительного узла, сообщающегося с трубопроводами ввода и вывода реагентов, выполнены проточки для сообщения выхода предыдущей контактной секции с входом следующей, причем число указанных проточек определяется из условия XY N 1, где Х - число проточек, Y число контактных секций, N число секций в зонах обращения потоков фаз. Проточка по поверхности могут быть заменены проточками в теле запорно-распределительного элемента, которые сообщены с его внутренней поверхностью дополнительными каналами.

На внутренних поверхностях элементов рабочего крана выполнены сегментные проточки в плоскостях, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно оси вращения, причем проточки, расположенные в одной плоскости, сообщаются со входами контактных секций, а проточки в другой плоскости сообщаются с выходами указанных секций, и длина указанных проточек пропорциональна диаметру соответствующей окружности.

На внутренних поверхностях цилиндрических пластин выполнены сегментные проточки по концентрическим окружностям с двумя диаметрами, причем проточки, расположенные на окружности одного диаметра, сообщаются с входами контактных секций, а проточки, расположенные на окружности другого диаметра, сообщаются с выходами указанных секций, и длина указанных проточек пропорциональна диаметру соответствующей окружности.

Число сегментных проточек на поверхности элемента запорно-распределительного узла, сообщенного с контактными секциями, равно числу подсоединенных к нему контактных секций, а число проточек в другом элементе, сообщенном с трубопроводами ввода и вывода реагентов, определяется из условия Х Y 1, и одни из них соединены через сквозные каналы в теле элемента с трубопроводами ввода и вывода реагентов, а другие, рядом расположенные по одной окружности проточки, число которых определяется из условия X Y N 1, соединены с проточками на другой окружности. Проточки, соединяющие проточки на двух окружностях, выполнены по поверхности или в теле элемента запорно-распределительного узла и по кратчайшему расстоянию. Проточки, выполненные в теле, имеют выходы на внутреннюю поверхность запорно-распределительного узла через дополнительные каналы, соединяющие вход и выход рядом расположенных секций.

Преимуществом предлагаемого изобретения является обеспечение выходной степени разделения и высокой производительности при компактном устройстве для разделения изотопов и возможности его работы в автоматическом режиме.

Конструктивной особенностью заявленного устройства является наличие единого для всех контактных секций запорно-распpеделительного узла, который позволяет проводить распределение непрерывно и в автоматическом режиме.

Устройство для разделения изотопов являются компактными, имеет низкое энергетическое потребление м большой ресурс непрерывной работы. Устройство может быть создано на основе отдельных блоков и позволяет останавливать, прерывать и вновь начинать процесс разделения без использования дополнительного оборудования.

Возможность реализации изобретения подтверждается следующими конкретными вариантами его использования.

На фиг. 1 3 представлен общий вид устройства для разделения изотопов, возможные варианты расположения проточек на внутренних поверхностях запорно-распределительного узла и схема устройства для пояснения принципа его работы.

На фиг. 4 7 представлены общий вид устройства для разделения изотопов, в котором запорно-распределительный узел выполнен в виде пластин, и сечения А-А, Б-Б и В-В, поясняющие принцип его работы.

Пример 1.

На фиг. 1 3 изображены общий установки, возможные варианты расположения проточек на внутренней поверхности муфты и схема устройства для пояснения принципа его работы.

На фиг. 1 показан общий вид установки. Она состоит из запорно-распределительного узла в виде пробочного крана, имеющего неподвижную муфту 1, в которой на внутренней поверхности выполнены проточки 2, подвижную пробку 3 с каналами 4, к которой жестко подсоединены контактные секции.

Перемещение контактных секций относительно теплонагревающего элемента 5 и охлаждающего элемента (ванны) 6 с термостатирующей жидкостью происходит путем поворота пробки на угол, равный 360 /Y, где Y число секций колонны. Перед началом поворота пробки платформа 7 с теплонагревающим элементом 5 и охлаждающим элементом 6 опускается, а после завершения поворота поднимается. Таким образом, через теплонагревающий элемент и охлаждающий элемент последовательно проходят все секции 8 колонны.

Возможные варианты проточек на внутренней поверхности муфты показаны на фиг. 2.

Схема установки изображена на фиг.3. В зоне десорбции контактная секция 19 с сорбентом находится в нагревающем элементе (поз. 5 на фиг. 1) при температуре, достаточной для полной десорбции, газа и сорбента. Газ, выделившийся из сорбента, удаляется по трубопроводу 20. При выходе контактной секции из зоны десорбции находящийся в ней сорбент свободен от газа. После поступления этой контактной секции в зону сорбции (поз. 6 на фиг. 1), находящуюся при рабочей температуре, начинается заполнение сорбента газом, выходящим из контактной секции 9 в зоне разделения.

Питающий поток газа по трубопроводу 21 подается в контактные секции 18 - 9, находящиеся в зоне разделения также при рабочей температуре, а затем, выходя из контактной секции 9, по трубопроводам 22, 23 подается в контактную секцию 8 зоны сорбции.

Рабочие температуры поддерживаются термостатирующей жидкостью, циркулирующей в охлаждающем элементе 6. Секции последовательно проходят зоны сорбции, разделения, десорбции. При этом питающий поток подается по трубопроводу 21, а потоки обогащенного и обедненного целевым продуктом газа выводится по трубопроводам 22, 20 и 24 практически непрерывно, т. к. длительность поворота пробки на угол 360^o/Y много меньше времени покоя пробки между двумя поворотами.

Описанный режим работы с сорбционным (верхним) узлом обращения потоков соответствует режиму работы устройства, выбранного в качестве прототипа. Кроме того, предлагаемое устройство без каких-либо принципиальных изменений может работать в режимах с десорбционным (нажимным) и с двумя (верхним и нижним) узлами обращения потоков.

В режиме с десорбционным узлом обращения потоков исходный газ по трубопроводам 25, 23 поступает в контактную секцию 8 зоны сорбции. При работе устройства эта контактная секция последовательно проходит через позиции 18 9 зоны разделения и попадает в зону десорбции 19. При температуре десорбции газ десорбируется из секции 19, по трубопроводу 21 направляется в контактную секцию 18 зоны разделения и проходит по системе проточек 2 и каналов 4 (на фиг. 1) через все контактные секции 18 9 находящиеся в зоне разделения, противоположном по отношению к перемещению сорбента в контактных секциях колонны, после чего газ, обедненный целевым изотопом, удаляется по трубопроводу 22, 24.

Контактная секция 19, свободная от газа, из зоны десорбции попадает в зону сорбции 8 и насыщается исходным газом.

Отбор продукта осуществляется из зоны десорбции по трубопроводу 20.

Режим с двумя узлами обращения потоков реализуется при работе без отбора продукта. Перед работой в безотборном режиме сорбент в контактных секциях 8, 9 18 насыщается исходным газом из баллона 26 по трубопроводам 21, 24, 23. После насыщения сорбента начинается работа устройства в безотборном режиме. С поворотом пробки на угол 360^o/Y организуется противоток газа из сорбента, как описано выше; при этом контактные секции проходят последовательно зоны сорбции, разделения, десорбции, а газ, выходящий из зоны десорбции, по трубопроводам 20 и 21 попадает в секцию 18, проходит через контактные секции 18 9 и по трубопроводам 22, 23 направляется в зону сорбции 8, где насыщает сорбент, свободный от газа.

Проточки согласно изобретению могут быть выполнены, например, в варианте, представленном на фиг. 2.

Пример 2.

Работа предлагаемого устройства поясняется на схеме фиг.3. Перед началом работы устройства секции 9 18 и 8 из баллона 26 по трубопроводам 25, 21, 23 заполняются исходной смесью. При этом газ по трубопроводам подается к муфте 1 (на фиг. 1), в которой через каналы попадает в секции 8, 18. По системе проточек 2 и каналов 4 (на фиг.1) в пробке газ проходит через все секции 18

9 колонны, находящиеся в зоне разделения. После заполнения сорбента в секциях 9 18, 8 газом начинается работа устройства в режиме разделения изотопов.

Пpобка 3 (на фиг.1) поворачивается под углом 360^o/Y. В результате поворота секция 8, находившаяся в зоне сорбции, попадает в зону разделения, секция 18 из зоны разделения в зону десорбции, а секция 19 из зоны десорбции в зону сорбции.

Пример 3.

На фиг. 4 изображена схема работы устройства для разделения изотопов, включающего колонну из двух секций и два узла обращения потоков фаз, с запорно-распределительным узлом в виде пластин, на фиг. 5 конструкция устройства (сечение А А фиг. 7), на фиг. 6 верхняя неподвижная пластина (сечение Б Б фиг. 5), на фиг. 7 нижняя пластина (сечение В В фиг. 5).

Устройство для разделения изотопов включает массообменную колонну, состоящую из четырех последовательно соединенных секций 1а,б 4а,б (см. фиг. 4: пунктирной линией обозначены проточки и каналы во вращающейся пластине, направление вращения указано стрелкой, к которым подсоединены секции колонны 1а, б 4а,б). Цифрами с буквами обозначены входы и выходы секций (а вход, б выход). Непрерывной линией обозначены проточки и каналы в неподвижной пластине, а также проводимые к ней трубопроводы ввода и вывода потока газа. Каждая из четырех секций присоединяется к вращающейся пластине запорно-распределительного узла. В неподвижной верхней пластине сделаны каналы 5, 6, 7 для подвода внешних трубопроводов к секционированной колонне, а на внутренней поверхности пластины выполнены проточки 8, 9, 10, 11, 12, 13, которые в сочетании с проточками 14, 15, 16, 17, 18, 19 21 на нижней пластине позволяют соединять секции между собой и через каналы 5, 6, 7 с внешними трубопроводами ввода и вывода газа. Во вращающейся нижней пластине имеются каналы, которые соединяют проточки 14, 15, 16, 17, 18, 19 21 на внутренней поверхности пластины со входами и выходами секции колонны. В зависимости от режима работы секции разделение, десорбция, сорбция, она соединяется либо с соседней секцией через проточки 9 11 в верхней пластине, либо с внешним трубопроводом вывода газа 22 через канал 7 в верхней пластине, либо через канал 6 с трубопроводом 23, 24 подачи газа из секции 2, находящейся в режиме разделения, в секцию 3, находящуюся в режиме сорбции.

На схеме 4 секции 1, 2 находятся в режиме разделения изотопов, секция 3

в режиме сорбции, секция 4 в режиме десорбции газа. Трубопроводы 23 29 обеспечивают работу устройства в различных режимах, баллон 30 является источником водорода.

Перемещение секций колонны относительно нагревателя 31 и емкости с термостатирующей жидкостью 32 (см. фиг. 5) происходит путем непрерывного вращения нижней пластины вокруг своей оси. Перед переходом секции из режима разделения в режим десорбции и из режима сорбции в режим разделения нагреватель 31 и емкость 32 опускаются, а после окончания перехода поднимаются. Таким образом через нагреватель 31 и емкость 32 последовательно проходят все секции колонны.

Перед началом работы устройства секции 1 2 заполняются исходной смесью из баллона 30 по трубопроводам 25, 26 (фиг. 4). При этом газ по трубопроводам подается в верхней пластине, в которой через канал 5 попадает в проточку 8. Проходя проточку 8 и проточку 14 в нижней пластине, газ приходит на вход 1а секции 1. На выходе 16 секции 1 он попадает в проточку 15, из нее в проточки 9 11, 16 и поступает в секцию 2. После заполнения сорбента в секциях 1 2 газом начинается работа устройства в режиме разделения изотопов.

Нижняя пластина начинает вращаться. Газ, подаваемый на разделение, проходит секции 1, 2 и затем через проточки 17, 12, канал 6, трубопроводы 23, 24, канал 23 и проточки 34, 18 поступает на вход 3а секции 3, где поглощается сорбентом. Во все время пока проточка 8, 14, а также 15, 9 и 11, 16 налагаются друг на друга, газ может проходить секции 1, 2 и собираться в секции 3. При дальнейшем вращении нижней пластины наступает момент, когда указанные проточки перестают налагаться друг на друга, и секции становятся разъединенными. После некоторого времени вращения нижней пластины приводит к тому, что начинают накладываться друг на друга проточки 15, 13, а также 16, 8 и 21, 34. При этом секция 1 переходит в режим десорбции: попадает в нагреватель и из нее по каналу 7 и трубопроводам 27, 29 откачивается газ. Секция 4 переходит в режим сорбции: она попадает в емкость с термостатирующим раствором и в нее по проточкам 20, 12 каналу 6, трубопроводам 23, 24, каналу 33 и проточке 34 начинает поступать газ из секции 3. А секция 3 переходит в режим разделения и в нее приходит газ из секции 2.

В режиме десорбции секция с сорбентом находится в нагревателе при температуре, достаточной для полной десорбции газа из сорбента.

С использованием устройств, описанных в примерах 1 3, осуществляют способ разделения изотопов следующим образом.

Пример 4.

Смесь изотопов Н₂ D₂ подают в устройство для разделения изотопов, контактные секции которого заполнены неподвижным слоем синтетического цеолита NaX. Устройство разделения изотопов работает в режиме концентрирования протия. Количество контактных секций в зоне разделения 3, в зоне сорбции 1, в зоне десорбции 1. Высота слоя сорбента в каждой контактной секции 1 см. Питающий поток газа подается в первую секцию зоны разделения. Обогащенный продукт отбирается из потока газа, идущего из зоны разделения в зону сорбции.

Температура контактных секций в зоне разделения и зоне сорбции - 196^oC, в зоне десорбции 20^oC.

Степень разделения в стационарном режиме работы разделительной колонны устройства составляет 1670.

Предлагаемое устройство используется для разделения изотопов как в газовых, так и жидких средах.

Пример 5.

Разделение изотопов в жидкой среде проводили путем химического изотопного обмена RNH₄ с NH₄OH (где R ионит) следующим образом. Пять контактных секций, заполненных ионитом КУ 2 х 8 в RH-форме, насыщали раствором NH₄OH содержащего разделяемые изотопы азота. В первую контактную секцию (нижняя часть разделительной колонны) непрерывно подавали поток ионов Na (в виде раствора NaOH), имеющих более высокое сродство к иониту. При этом ионы разделяемых изотопов вытеснялись в жидкую фазу в форме водного раствора NaOH. При полном насыщении секции ионами Na, с помощью устройства для распределения потоков жидкости производили переключение жидких потоков, за счет перемещения контактных секций на одну в направлении, противоположном движению жидкой фазы. Отработавшая контактная секция регенерируется соляной кислотой с переводом ионита в Н-форму; промывается водой и возвращается в начале цикла, где происходит насыщение твердой фазы разделяемыми ионами аммония (верхний узел обращения потоков фаз). Тяжелый изотоп (¹⁵N) концентрируется в твердой фазе, легкий (¹⁴N) в жидкой. Обогащенный по ¹⁵N продукт отбирали из нижней части колонны, объединенный из верхней. При общей высоте слоя ионита КУ 2 х 8 в разделительной части 35 см и при температуре 23^oC получена степень разделения 2,05 (при коэффициенте разделения 1,025).

При реализации изобретения обеспечиваются следующие преимущества: увеличение степени разделения; увеличение производительности за счет непрерывного отбора продуктов; уменьшение времени достижения стационарного состояния разделительной колонны и накопления изотопа в устройстве за счет уменьшения объема коммуникаций; компактность устройства; возможность остановки или прекращения процесса разделения при сохранении достигнутого эффекта разделения; простота автоматизации процесса разделения.