Газовые смеси, компоненты которых различаются по молекулярной или атомной массе, например смесь изотопов, можно разделить на составляющие, компоненты в соответствии с молекулярной или атомной массой, если на смесь воздействует центробежная сила, приложенная к конусообразному вихрк^ с наибольшим диа-
6* 163
|
|
Метром в месте ввода смеси 0,005 м. Этот метод сепарации и конструкции для его реализации запатентованы [Пат. 4070171 (США), пат. 1506877 (Англия)]. При рассмотрении разделения многокомпонентных газовых смесей использованы материалы, содержащиеся в этих патентах.
При истечении газовой смеси из тангенциальных сопловых вводов в (рис. 63) в камере 1 создается интенсивное вихревое движение. Под действием центробежных сил! компоненты смеси с большими молекулярными массами перемещаются к стенке камеры, обогащая периферийный поток, который движется в осевом направлении в сторону меньшего диаметра камеры. При — осевой NOTOKj обогащаясь компонентами с меньшими молекулярными или атомными массами, движется в противоположном направлении. Таким образом, поток, вводимый в сепаратор газовой смеси, разделяется на два потока, обогащенных тяжелыми и легкими компонентами, первый из которых выводится из сепаратора через отверстие а камеры, а второй — через отверстие б.
Камера может быть различной формы: конической, цилиндрической,J конической с начальным цилиндрическим участком и др. Важно, чтобы диаметр D отверстия для выхода тяжелых компонентов был меньше диаметра Do камеры в сечении ввода смеси. Высокая эффективность сепарации может быть достигнута в конических камерах, которые могут иметь прямолинейные или криволинейные боковые стороны, а их диаметр может уменьшаться непрерывно или ступенчато. Вообще возможно большое разнообразие форм, которое определяется конкретными условиями сепарации. Рациональность той или иной формы камеры разделения устанавливают экспериментально применительно к заданным условиям работы. ‘
Наибольший диаметр камеры не должен превышать 0,005 м; предпочтительнее Doc0,001 м. Нижнее предельное значение диаметра определяется только технологическими возможностями изготовления сепаратора, практически нижнее предельное значение D0=0,0001 м. Длина камеры определяет ее объем и, следовательно, время пребывания в ней газа, которое должно быть достаточно для достижения заданной эффективности сепарации. Предпочтительное отношение длины к диаметРу L=10. Угол раскрытия конуса может изменяться в пределах от 0 до 90°, лучше — от 3 до 30°. Оптимальное отношение! диаметров отверстий для вывода разделенных фракций D0 и D к диаметру камеры D0 составляет 0,28—0,77. Разделяемая смесь подается в камеру через сопла, число которых может колебаться от 2 до 6. Скорость газа на выходе из сопловых вводов может быть равна или меньше скорости звука, что зависит от рода смеси, формы, числа и расположения сопловых вводов. Значение выходной скорости определяют экспериментально.
Наибольший эффект сепарации достигается при давлении исходного газа 666 Па—0,133 МПа и степени расширения е= 1,5…10,0 (предпочтительнее е = 2…6). Процесс можно вести при любой температуре. Важно, чтобы1 все разделяемые компоненты находились в сепараторной камере в газовой фазе. В некоторых случаях целесообразно вести процесс при относительно высоких или относительно низких температурах, поэтому диапазон рабочих температур, может составлять 223—773 К (лучше 253—573 К).
Эффект сепарации можно повысить, если в разделяемую смесь добавить инертный по отношению к смеси газ с более низкой молекулярной массой. Содержание инертного газа должно превышать 60% общего объема смеси. В качестве инертного выбирают газ с как можно меньшей молекулярной массой (например, водород или гелий). Можно использовать также азот, метан, этан, окись углерода, двуокись углерода и воду. При использовании инертного газа процесс может происходить при давлении исходной смеси выше 0,133 МПа (практически до 50 МПа). В этом случае верхним пределом является давление сжижения1 при рабочей тем-
|
Таблица З Параметры выделения двуокиси углерода из воздуха
|
Пературе. Диапазон изменения степени расширения также может быть расширен до 1,5.
В табл. 3 приведены некоторые данные по эффекту сепарации двуокиси углерода из ее смеси с воздухом при объемном содержании СОг 8,5%. Размеры сепаратора: £>о=0,002 м, Do = 0,00075 м, D=0,001 м. Сепаратор имел три равномерно расположенных сопловых ввода прямоугольного сечения (0,0006X0,0003 М). Расход смеси 0,5 л/мин, давление 12 кПа. В табл. 4 приведены дан-
|
Таблица 4 Параметры разделения СО и С02 в среде гелия
|
Ные по сепарации смеси; окиси и двуокиси углерода (25% СО и 75% СОг) при Є=5 в присутствии инертного газа — гелия. Давление разделяемой смеси рс = = 24 кПа. Размеры сепаратора: £>0 = 0,002 м, Do = 0,001 м, = 0,001 м, а = 5,7°. В табл. 3 и 4: в= (Хг—Хл)/[хлХ Х(1— *т)]—эффект сепарации (Хл, хт — молярная доля выделяемого компонента в легкой и тяжелой фракциях разделяемой/ смеси); £ = МТ/МС— коэффициент распределения потока (Мс, Мт — количество разделяемой смеси и выводимой тяжелой фракции).
64. Схема многоступенчатой сепарации газовой смеси
При разделении смесей, компоненты которых близки по молекулярной массе, процесс сепарации проводят в несколько ступеней, выделяя каждый раз тяжелую или легкую фракцию и затем повторяя процесс в следующей ступени сепарации. На рис. 64 приведена схема многоступенчатой сепарации с выделением тяжелых и легких компонентов, Газовая смесь компрессором І подается в базовый сепаратор 2, где разделяется на тяжелую и легкую фракции. Легкая фракция поступает в секцию обогащения легким компонентом, состоящую из компрессоров 1 и сепараторов За…7а. В каждый из сепараторов 4а…6а подается смесь, состоящая из тяжелой фракции, выделяемой в последующем сепараторе, и легкой фракции, полученной в предыдущем сепараторе. Легкий компонент выводится из сепаратора 7а, А обогащенная тяжелым компонентом фракция из сепаратора За поступает на смешение с исходным газом. Тяжелая фракция из базового сепаратора 2 подается в секцию обогащения тяжелым компонентом, состоящую из компрессоров 1 и сепараторов 36…76. В каждый из сепараторов 46…66 подается смесь тяжелой фракции, выделенной в предыдущем сепараторе, и легкой фракции, полученной в последующем. Тяжелый компонент выводится из сепаратора 76, а обогащенная легким компонентом фракция из сепаратора 36 поступает на смешение с исходным газом.
Зависимость, показанная на рис. 65, отражает эффект сепарации урана-235 от урана-238 в газообразном гек- сахлориде урана, смешанном с гелием в качестве инертного газа (92% Не и 8%UF6). Сепарация проведена по многоступенчатой схеме (см. рис 64), включающей 200 последовательных ступеней.
|
Рис. |
|
|
При проектировании необходимо учитывать основное отличие рабочего процесса сепаратора от рассмотренно
го в гл. 1 процесса энергетического разделения. В последнем турбулентные пульсации газа — один из основных механизмов процесса разделения. При сепарации турбулентные пульсации являются главной помехой для эффективного протекания процесса. Именно для уменьшения их влияния разделяемые компоненты разбавляют газом с малой молекулярной массой. В камере энергетического разделения, приосевой поток формируется на нагретом конце камеры из заторможенного периферийного потока. В сепараторе приосевой поток, насыщенный легким компонентом, формируется на участке камеры, на котором сохраняются высокие значения тангенциальной составляющей скорости. Длина этого участка зависит от соотношения геометрических размеров и свойств смеси.
Отсутствие данных по выбору оптимальных режимных и конструктивных параметров вихревого сепаратора в зависимости от свойств разделяемой смеси требует в каждом конкретном случае экспериментальной отработки конструкции аппарата. В первом приближении для расчета сепаратора можно использовать приведенные рекомендации.