Файл: Томск 2019 Отделение ядернотопливного цикла Составитель И. В. Петлин.ppt
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 124
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Далее по схеме инерционно-электростатический фильтр, который состоит из прямоугольного корпуса и пакета пластин, подвешенных внутри корпуса на тефлоновых изоляторах.
Газ очищается от крупных частиц проходя через отверстия пластин в разных направлениях. Мелкая пыль заряжается в электрическом поле и оседает на пластинах. На пластины подано отрицательное относительно корпуса напряжение. На корпусе установлен вибратор для стряхивания пыли в нижнюю часть электрофильтра. Пыль выгружается шнеком в обогреваемый контейнер. На корпусе установлен паровой змеевик, корпус теплоизолирован.
57
Составитель: Петлин И.В.
Производительность электрофильтра до 600 м3/час. Степень очистки 95 – 98 %. Гидравлическое сопротивление до 80 мм.рт.ст.
Далее в технологической линии располагаются два конденсатора (десублиматора) с тепловым сбросом. Предназначены они для конденсации гексафторида урана из газовой фазы и непрерывной выгрузки его в кристаллическом состоянии в емкость. Диаметр 1000 мм, высота 4565 мм пучок труб разделен на 9 секций . Хладагент – пром. вода, теплоноситель – пар. Площадь теплообмена 36 м2. Переходники и задвижки снабжены индукционным обогревом.
Сначала протекает сублимация гексафторида урана, потом в трубки подается пар – пограничный слой UF6 возгоняется, остальное осыпается в узел выгрузки. Данный технологический процесс возможен за счет высокой теплоемкости и низкой теплопроводности гексафторида уран.
Толщина слоя гексафторида урана, образующегося за одну конденсацию, около 1,5 мм.
Далее третий, контрольный конденсатор. Хладагент – рассол (минус 30 – 20 °С), теплоноситель теплый рассол (не менее 60 °С).
АКТ (аппарат комбинированного типа). Предназначен для улавливания гексафторида урана, фтора и фтористого водорода из технического газа на закиси-окиси урана.
58
Составитель: Петлин И.В.
Нижняя часть АКТ – горизонтальный никелевый или монелевый аппарат длиной 3000 мм, диаметром 500 мм. Она также имеет водяную рубашку, внутри имеется стальная полая мешалка с монелевыми лопастями, внутрь неё для охлаждения подается вода.
Средняя часть аппарата – вертикальная труба длиной 6750 мм и диаметром 680 мм. Материал 12Х18Н10Т или никелевый сплав.
Для уменьшения пылеуноса в верхней части трубы имеется сепарационная зона в виде усеченного конуса.
Вертикальная труба условно разделена на три зоны. Первая (снизу) зона охлаждается водой, а вторая и третья зоны снабжены электронагревателями.
Технологический газ после третей ступени конденсации поступает в нижнюю часть аппарата АКТ, сырье с помощью шнека загрузки поступает в верхнюю часть аппарата, компоненты газовой смеси улавливаются на закиси-окиси урана. Полученный в результате реакции полупродукт выгружается из АКТ, а «хвостовые газы» поступают на пылеулавливание.
Технологические газы после АКТ содержат до 0,05 % об. гексафторида урана, до 1,5 % об. фтора и до 5 % об. фтористого водорода.
Температура стенок АКТ: 1 зона (охл. водой) 60 - 100 °С; 2 и 3 зоны (эл. нагрев) 200 – 350 °С, Узел выгрузки (охл. водой) 60 – 90 °С, в зоне реакции 350 – 500 °С, температура газа на выходе не более 350 °С.
Технологические трубопроводы – Ст3. Снабжены индукционным обогревом, температура не менее 65 °С.
59
Составитель: Петлин И.В.
Основной процесс фторирования осуществляется в пламенном реакторе. На выходе из реактора идёт смесь гексафторида урана, непрореагировавшего фтора, азота, кислорода и фтороводорода. Большая часть гексафторида и фтороводорода конденсируется - десублимируется в десублиматоре.
Около 5% этих газов сконденсировать не удаётся. Фтор, азот и кислород вообще не конденсируются.
Таким образом, из конденсатора после пламенного реактора выходит смесь реакционных газов. Этими газами производят предварительное фторирование закиси-окиси урана.
60
61
Составитель: Петлин И.В.
62
Десублимация гексафторида урана
Значительную роль в атомной промышленности занимает сублиматное производство. Сублимация - процесс перехода вещества из газообразного состояние в твёрдое, минуя жидкую фазу. Обратный процесс - переход из твёрдого вещества в газ соответственно называется десублимацией. Гексафторид урана при температуре ниже 56оС при атмосферном давлении из газообразного состояния переходит в твёрдое. После производства гексафторида урана его необходимо десублимировать. Вместе с процессом десублимации происходит очистка гексафторида от примесей. Обычно из аппарата фторирования выходит смесь газов UF6, HF, F2, N2, O2. Все они имеют разную температуру фазового перехода. Фазовый переход - изменение агрегатного состояния вещества газ-житкость-твёрдое. Из газа в жидкость фтороводород превращается при +19 оС, а фтор при температуре -188 оС. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией, а переход из жидкого в газообразное - испарением.
Для каждого вещества существует диаграмма состояния, по ней определяются условия при которых это вещество находится в том или ином агрегатном состоянии , т.е. в виде газа, жидкости или твёрдого тела. Факторами, влияющими на состояние вещества, являются давление и температура. Обычно химические процессы ведутся при постоянном давлении (1 атм или 760 мм.рт.ст. или 0,1 МПа), тогда единственным влияющим на процесс фактором является температура, меняя которую можно перевести вещество из твердого состояния в жидкость или газ.
63
Составитель: Петлин И.В.
Изменение агрегатного состояния вещества т.е. конденсацию или десублимацию в промышленности производят в теплообменных аппаратах конденсаторах - десублиматорах.
Как и для всех физико-химических процессов, расчёт фазового перехода состоит из двух частей:
1) термодинамической - т.е. определение потенциальной возможности протекания процесса и его глубину. Это величина выражается степенью конденсации (десублимации);
2) кинетической - т.е. если процесс, в принципе возможен, то необходимо узнать с какой скоростью он протекает, какие факторы влияют на его скорость. Для теплообменных процессов (как и для любых гетерогенных) скорость зависит от площади поверхности теплообмена.
Таким образом, при расчёте конденсаторов-десублиматоров необходимо узнать степень конденсации и площадь поверхности теплообмена.
Расчёт степени конденсации
Степень конденсации - есть отношение количества вещества в твёрдой фазе к общему количеству этого вещества.
64
Составитель: Петлин И.В.
Степень конденсации зависит от общего давления смеси газов в системе, парциального давления (количества) конкретного вещества и температуры. Зависимость парциального давления от температуры выражается логарифмическим уравнением. Вид уравнения может быть различным в зависимости от методики вывода, например:
Коэффициенты уравнения для каждого вещества индивидуальны и берутся из справочника [«Основные свойства неорганических фторидов» под ред . Галкина Н.П].
Ввиду большой сложности явлений конденсации и десублимации расчёт степени конденскации ведут по приближенной методике Муррея (1929 год).
Расчёт ведётся при следующих допущениях:
1) конденсирующиеся компоненты подчиняются законам Рауля и Дальтона.
2) между твёрдой, жидкой и газовой фазой установилось состояние равновесия.
Закон Дальтона – давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.
65
Закон Рауля – давление пара вещества над раствором смеси нескольких веществ пропорционально его концентрации в этой смеси.
Путём ряда преобразований из законов Рауля и Дальтона получаем выражение, представляющее математическую модель процесса:
66
Составитель: Петлин И.В.
Система устанавливает зависимость между количеством вещества в жидкой фазе Nl и общем количеством вещества N , которое зависит от общего давления в системе Р, упругостью пара над чистым компонентом PN и количеством оставшейся после конденсации жидкости L.
Для нахождения решения системы необходимо ещё одно условие:
показывающее, что общее количество конденсата состоит из суммы конденсатов каждого компонента. Решение подобной задачи находится методом подстановки и очень упрощается с использованием численных методов и ЭВМ.
В результате вычисляется степень конденсации каждого вещества в смеси при различных температурах и давлениях.
67
Составитель: Петлин И.В.
Расчёт поверхности теплообмена
После определения оптимальных параметров для наибольшей степени конденсации, проводится расчёт площади поверхности теплообмена. Величина поверхности теплообмена определяет скорость процесса, и соответственно, производительность.
Площадь поверхности зависит от расхода вещества и температуры стенки по формуле:
где: F- площадь поверхности теплообмена;
Q – количество отводимого тепла;
AT – разность температур;
а – коэффициент теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи рассчитывается с использованием теории подобия (критерии Re, Cr, Ar … ) и зависит от теплопроводности стенки, газа и твердого десублимировавшегося вещества, от режима течения жидкости – ламинарный или турбулентный, от давления газов.
Аппаратурное оформление процессов конденсации.
Конденсацию-десублимацию ведут в теплообменных аппаратах. В качестве хладоагента может использоваться холодная вода 0…+10 оС, рассол (раствор CaCl2) -20 оС, Тосол -60 оС, жидкий азот -196 оС.
68
Составитель: Петлин И.В.
Охлаждение гексафторида и фтороводорода позволяет разделять смесь на составляющие части, поскольку гексафторид переходит в твёрдое состояние – десублимируется и намерзает на стенки аппарата, а фтороводород - конденсируется т.е. переходит в жидкость и стекает вниз.
Для сброса десублимата в теплообменник вместо хладоагента подают пар, происходит т.н. тепловой взрыв. Гексафторид начинает сублимироваться в газ, давление внутри закрытого аппарата повышается и
сублимат превращается в жидкий конденсат, который сливается в специально подготовленные баллоны. После сбора гексафторид более тщательно очищают на ректификационных колоннах.
В промышленности используют множество видов конденсаторов: вертикальные, горизонтальные, с паровым и электрическим обогревом. Особенно сложны аппараты для десублимации обогащённого гексафторида урана, поскольку возникает необходимость расчёта критических размеров.
На практике наиболее распространено выделение твердой фазы на внутренней охлаждаемой поверхности аппарата. При этом газообразные примеси, в основном, покидают аппарат вместе с аэрозолями целевого продукта, что ведет к потере продукта и дополнительным затратам по его улавливанию. Кроме того, отложение десублимата на охлаждаемых поверхностях снижает эффективность его выделения из парогазовой смеси, т.е. производительность аппарата падает. Для устранения или снижения влияния этого недостатка используются аппараты с обновляющейся или с развитой поверхностью.
69
Составитель: Петлин И.В.
70
Составитель: Петлин И.В.
71
Составитель: Петлин И.В.
72
Составитель: Петлин И.В.
73
Составитель: Петлин И.В.
74
75
Составитель: Петлин И.В.
76
Составитель: Петлин И.В.
В начальный момент десублимация происходит первой камере и отчасти в камере II Причём, в камере II слой формируется за счёт проскока аэрозолей и эта камера выполняет функции контрольной. По мере заполнения камеры I происходит увеличение слоя в камере II и одновременно появляется десублимат в камере III. Отмечено, что квазистационарный режим десублимации занимает одновременно не более трёх камер, при этом, за время полного заполнения камеры I, камера II заполнялась на 85-90 %, камера III – на 10-15 %, а остальные камеры оставались практически чистыми. Зона десублимации постепенно перемещается вдоль аппарата от камеры к камере, по мере заполнения начальных камер по току.
Особенностью такого типа конденсаторов является точный расчёт гидродинамического режима движения гексафторида в пространстве между нагреваемой и охлаждаемой поверхностью, при которой реализуется максимальная степень конденсации и минимизируется пылеунос в виде объёмноконденсируемых частиц гексафторида урана.
77
78
Составитель: Петлин И.В.
79
Составитель: Петлин И.В.
80
Составитель: Петлин И.В.