[go: up one dir, main page]

RU2652248C1 - Rectification unit for isotope separation - Google Patents

Rectification unit for isotope separation Download PDF

Info

Publication number
RU2652248C1
RU2652248C1 RU2017124927A RU2017124927A RU2652248C1 RU 2652248 C1 RU2652248 C1 RU 2652248C1 RU 2017124927 A RU2017124927 A RU 2017124927A RU 2017124927 A RU2017124927 A RU 2017124927A RU 2652248 C1 RU2652248 C1 RU 2652248C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
module
working channels
column
tubes
recesses
Prior art date
Application number
RU2017124927A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леонид Александрович Большов
Александр Анатольевич Солодов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН)
Priority to RU2017124927A priority Critical patent/RU2652248C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2652248C1 publication Critical patent/RU2652248C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/08—Separating gaseous impurities from gases or gaseous mixtures or from liquefied gases or liquefied gaseous mixtures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/32—Other features of fractionating columns ; Constructional details of fractionating columns not provided for in groups B01D3/16 - B01D3/30
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/02—Separation by phase transition
    • B01D59/04—Separation by phase transition by distillation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/28—Separation by chemical exchange
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/02—Processes or apparatus using separation by rectification in a single pressure main column system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/90—Details relating to column internals, e.g. structured packing, gas or liquid distribution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/42—Nitrogen or special cases, e.g. multiple or low purity N2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2220/00—Processes or apparatus involving steps for the removal of impurities
    • F25J2220/90—Separating isotopes of a component, e.g. H2, O2

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to distillation unit for separating boron or nitrogen isotopes by rectification methods. Rectification installation comprises multi-channel column, lower flow reversal node including lower buffer and evaporator, upper flow reversing assembly including upper buffer, condenser and dispenser with dispensing tubes. In multichannel column housing, in vertical direction, modules containing horizontal dividing wall are installed in series, and in parallel to tubes forming working channels and discharge tubes arranged in each module with alternating alternation in horizontal plane, number of working channels in each module is equal to number of discharge pipes, and internal diameter of drain pipes is smaller than diameter of working channels. Dividing wall of each module is made with recesses, openings forming inlet parts of discharge tubes made in bottom of recesses, and openings forming nozzle-free input parts of working channels located outside recesses.
EFFECT: invention provides simplification of installation design, reduction in laboriousness of manufacturing and adjusting its elements, increase in reliability and resistance to changes in performance during operation.
4 cl, 3 dwg

Description

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 бора 10В и 11В или изотопа азота 15N.The invention relates to technological equipment for the separation of isotopes by distillation methods, and more particularly to multi-channel distillation columns. The invention can be used in the production of boron isotopes 10 V and 11 V or nitrogen isotope 15 N.

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.Isotopes of light elements, as a rule, are obtained using packed distillation columns. The design features of columns of this type depend on the value of the enrichment coefficient ε, which characterizes the working fluids used. In the favorable case, ε ~ 1, but usually the coefficient is ε <1. Due to the small value of ε, packed isotope separation columns are very sensitive to the effects of transverse flow inhomogeneity in the working channels. To attenuate these effects, it is necessary to use a column with a physically thin channel. In practice, such columns are currently being implemented, as a rule, in the form of single-channel columns with a working channel diameter of 25 to 70 mm.

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).To produce large amounts of isotopes, batteries of single-channel columns with an integrated layout are usually used. These settings are described, for example, in patent RU 2309788 C2 (published on June 10, 2007) and in patent application JPH 0347518 A (published on February 28, 1991). However, when using single-channel small-sized columns, the cost of the resulting isotopes is quite high. Theoretically, the cost of isotopes can be reduced by using rectification with a heat pump. In this case, a multichannel distillation column of large dimension with a physically thin channel (Kuhn column) is used as an isotope exchange apparatus.

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.In the patent RU 2280219 C2 (published on July 20, 2006), an apparatus for gas separation with a packed multi-channel assembly is described. With the help of the installation, gases, for example, air components, are separated by deep cooling with double rectification. The installation contains a lower distillation column, a condenser and an upper distillation column. The contact parts of the lower and upper columns are parallel to the tube, filled with a bulk nozzle. The columns are equipped with distribution plates, which are located above the contact parts designed to supply fluid to the tubes. In the cube of the lower column, a gas flow distributor is installed to supply gas to the tubes of the lower column. Distribution plates contain dosing (distribution) devices, the number of which corresponds to the number of tubes of the contact part of the column. Each metering device contains a tube with several pipes perpendicular to it.

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.Due to the use of the nozzle in the contact parts of the parallelly arranged tubes and distribution plates, a high efficiency of air separation is achieved. The design of the column allows to reduce the overall dimensions of the installation. However, despite the structural improvements, the effect of the transverse heterogeneity of the reflux and steam flows in the working channels is not eliminated in the well-known multichannel installation.

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).The multichannel sectioned packing column described in the copyright certificate SU 1042780 A (published on 09/23/1983) contains vertically mounted nozzle packages limited on two sides by gas permeable walls and horizontal partitions with holes for distributing liquid in the nozzle packages. The packages are interconnected to form vertical channels with a cross section in the form of polygons. Additional horizontal partitions overlap the cross-section of the column and are equipped with nozzles for the passage of gas, which are staggered along each partition and in the vertical direction on adjacent partitions. This structural design of the column allows to increase the performance of the column due to the rational use of the working volume of the column. However, as in other similar installations, the known multichannel installation does not eliminate the effect of transverse heterogeneity of the reflux and steam flows in packets filled with a nozzle (working channels).

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.In industrial multichannel columns, the accuracy of the dosing of reflux and steam along the working channels is not sufficient for the separation of isotopes when the enrichment coefficient is ε≤1%. Because of this, conventional multichannel packed columns cannot be used to separate isotopes.

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.When developing a multi-channel distillation column for isotope separation, it is necessary to ensure that the flow rates of the liquid phase (reflux) and steam coincide with relative accuracy no worse than the enrichment coefficient ε. However, even if this requirement is satisfied after the manufacture and debugging of the column during its operation, a drift of nozzle parameters occurs. As a result, the steam is unevenly redistributed between the working channels, which leads to disruption of the performance of the column.

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.The closest analogue of the invention is a distillation unit for the separation of isotopes described in patent RU 2543877 C1 (published on 03/10/2015). The installation comprises a multichannel column, in the case of which tubes are installed in a vertical direction, forming working channels partially filled with a nozzle, and thin drain tubes. The inner diameter of the drain pipes is less than the diameter of the working channels. The lower flow reversal unit includes a lower vapor buffer and an evaporator. The upper flow reversal assembly comprises an upper vapor buffer, a condenser, and a metering device with dispensing tubes.

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.The multi-channel column is made according to the traditionally used multi-stage plate-column scheme. Each stage of the column is a short multi-channel packed column (module). The working channels are made in the form of tubes filled with a nozzle. Between the modules (steps) auxiliary gas mixers of a homogeneous type are installed. Vertically mounted coaxial working channels of adjacent modules are interconnected by drain pipes passing through the mixers. Channels and tubes form a composite channel in which the upper and lower ends of the working channels of the module have corresponding outputs and inputs (in pairs) to gas mixers adjacent to the top and bottom.

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.In the working channels, steam and phlegm move in countercurrent. Between the modules, at the level of the steam mixers, liquid and steam are separated: phlegm flows in the drain pipes, and the steam flows from the working channels into a common gas mixer, where the steam is mixed before entering the channels of the next overlying module. In the mixer, the steam composition is aligned over the cross section of the column. To dose the phlegm flow rate in the channels, a metering (distribution) device is used, with the help of which the phlegm flow rate in the working channels coincides with a given accuracy.

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.The installation has a rather complicated structure, which includes various components and elements: short multi-channel columns with tubes forming working channels, steam mixers and drain pipes. To ensure the specified (calculated) values of the hydraulic resistances of the working channels along the steam flow, it is necessary to carry out laborious debugging and tuning of each module of the multichannel column to achieve the required standard value of hydraulic resistance for all working channels. Such a procedure includes adding or removing nozzles from working channels and control measurements of hydraulic resistance after changing the number of nozzles in each channel.

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.The invention is aimed at solving a technical problem associated with a decrease in the number and types of nodes and structural elements of a column (nomenclature), which affect the decrease in the accuracy of tuning the operating characteristics of a multichannel column. The solution to this problem ensures the achievement of technical results, consisting in simplifying the design of the distillation unit, reducing the complexity of manufacturing and adjusting the distillation unit and increasing its reliability due to the stability (stability of performance) to changes in operating conditions during operation, caused, for example, by drift of nozzle parameters, filling working channels.

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.The above technical results are achieved using a distillation unit for isotope separation, which includes a multichannel column, in the casing of which in the vertical direction there are tubes forming working channels, partially filled with a nozzle, and drain pipes whose inner diameter is less than the diameter of the working channels. The installation also contains a lower flow reversal unit, including a lower buffer and an evaporator, an upper flow reversal unit, including an upper buffer, a condenser, and a metering device with transfer tubes.

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.According to the invention, at least two modules are installed in series in the vertical direction in the housing of the multi-channel column. Each module contains a horizontal dividing wall installed in the upper part of the module and overlapping the cross section of the column cavity, and vertical parallel pipes that form the working channels (contact elements), and vertical drain pipes. The number of working channels in each module is equal to the number of drain pipes. The working channels and drain pipes in each module are arranged alternately in the horizontal plane at the nodes of the cells of the square geometric lattice (staggered). The diameter of each working channel, the type of nozzle used, the steam and liquid loads correspond to the parameters of the working channels used in single-channel packed isotope separation columns.

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.The dividing wall of each module is made with recesses, the number of which is equal to the number of drain pipes in each module, and holes, the number of which is equal to the total number of working channels and drain pipes of the module. The holes forming the input parts of the drain pipes are made in the bottom of the recesses. The holes forming the inlet parts of the working channels free from the nozzle are located outside the recesses. The lower parts of the drain tubes of each module, with the exception of the module located above the lower buffer of the column, are in communication with the input parts of the working channels of the nearby lower module. The lower parts of the working channels of each module, with the exception of the module located above the lower buffer of the column, are connected with the cavities of the recesses in the dividing walls and through a water seal with the inlet parts of the drain pipes of the nearby lower module.

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.The dispensing tubes of the metering device are in communication with the inlet parts of the working channels, with the cavities of the recesses in the dividing partitions and through a water lock with the inlet parts of the drain pipes of the module located under the upper buffer of the column.

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).With this design of a multichannel column, which is part of a distillation unit for isotope separation, a hydrodynamic mode of operation of each contact element (working channel) is provided with a ratio of reflux and steam consumption through each working channel equal to 1/2. The specified ratio of costs is achieved due to the fact that the working channels and drain pipes alternately alternate in the horizontal plane and in the vertical direction in a checkerboard pattern (working channels and drain cuttings are located in the nodes of the cells of the square geometric lattice).

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).The fluid flow (phlegmy) entering the upper mass transfer module to irrigate the nozzle is divided into two equal parts. The first part of the stream, divided into equal partial streams, passes through the working channels (contact elements) of the upper module, and the second part of the stream, also divided into equal partial streams, passes through the drain tubes in communication with the inlets of the working channels of the downstream module. In the module following in the direction of reflux, the first and second parts of the flow pass through the channels of the module in the reverse order: the first part of the stream passes through the drain pipes, and the second part of the stream passes through the working channels. In the modules following the direction of the fluid flow, in a similar manner, the periodic flow of partial fluid flows between the working channels (contact elements) and the drain pipes (bypasses) occurs.

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.The total flow rates of reflux and steam through all working channels and the drain pipes of the multichannel column are equal to each other: m 0 ≅ М 0 , where m 0 is the total reflux flow rate through the multichannel column, M 0 is the total flow rate of steam through the multichannel column. Under this condition, the coincidence of the flow rates of the liquid phase (reflux) and steam in the entire multichannel column is achieved with relative accuracy no worse than the value of the enrichment coefficient ε for the target isotope.

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.Each module contains an equal number of working channels and drain pipes (bypasses): P = P K = P T , where P K is the number of working channels (contact elements) in the module, P T is the number of drain pipes in the module. Separation of the reflux stream into 2P equal to the partial flow rate is carried out using a metering device connected via transfer tubes to the working channels and drain pipes of the upper column module.

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.Given the location of the working channels and drain pipes in the modules (vertical sections) of the multichannel distillation column, the stability of the isotope separation process and the stability of the operating characteristics during the lifetime of the installation are ensured. This effect can be described as follows.

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:

Figure 00000001
, где Λ - длина релаксации и
Figure 00000002
- расстояние от верхнего конца рабочего канала до выбранного сечения.Due to the selected column structure, the ratio of reflux to steam consumption in each of the working channels is early 1/2. The concentration head Δx “phlegm-steam” decreases in height from each working channel in the direction from top to bottom according to the exponential law:
Figure 00000001
where Λ is the relaxation length and
Figure 00000002
- the distance from the upper end of the working channel to the selected section.

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.The relaxation length Λ is estimated as twice the height of the transport unit (EEP). For the nozzles used in the isotope separation distillation columns, the EEP is approximately 25 mm and, accordingly, the relaxation length is Λ ~ 50 mm. When choosing a channel height from 3Λ to 5Λ, the drift of the nozzle parameters and Λ practically do not affect the concentration head in the lower part of the channels and the channel’s operating characteristics. As a result, when the ratio of reflux and steam costs in the working channels is 1/2, the reliability of the distillation unit is increased, the technology of its manufacture and the process of preparing the unit for operation are simplified.

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.Compared to the analogue installation, each column module has two times less contact elements (working channels) that require precise preliminary adjustment. In addition, mixer blocks with steam flow dividers, which serve to equalize the composition of the vapor in the cross-section of the column in the analog installation, are excluded from the column design. The function of the means providing uniform mixing of the steam flow and alignment of the vapor composition along the cross section of the column at the entrance to the working channels is performed by a closed space limited by horizontal dividing walls (plates) of adjacent vertically located column modules, when the working channels are located in nearby modules in a staggered manner. As a result, the reliability of the distillation plant is increased, the manufacturing technology and the procedure for preparing the plant for operation are simplified.

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.The recesses made in the dividing wall of each module, in the preferred embodiment, have an axisymmetric cup-shaped shape, with the hole made in the bottom of the recess located coaxially with the axis of symmetry of the recess. It is also advisable that the recesses made in the dividing walls have equal dimensions.

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.The inlet of each drain pipe is equipped with a water lock, which can be made in the form of a domed cap. The cap forms a water seal with the inlet of the drain pipe in the cavity of the recess, made in the dividing wall. In this embodiment, the cap is fixed to the drain pipe with the formation of gaps between the surface of the cap and the opposite surfaces of the drain pipe and the recess.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера осуществления ректификационной установки для разделения изотопов. На прилагаемых чертежах изображено следующее:The invention is further explained in the description of a specific example of the implementation of a distillation plant for the separation of isotopes. The accompanying drawings show the following:

на фиг. 1 - схема ректификационной установки для разделения изотопов;in FIG. 1 is a diagram of a distillation unit for isotope separation;

на фиг. 2 - схематичное изображение поперечного сечения модуля многоканальной колонны, иллюстрирующее расположение рабочих каналов и сливных трубок в горизонтальной плоскости.in FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a multi-channel column module illustrating the arrangement of working channels and drain pipes in a horizontal plane.

на фиг. 3 - продольный разрез многоканальной колонны ректификационной установки.in FIG. 3 is a longitudinal section through a multi-channel column of a distillation unit.

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).The distillation apparatus for isotope separation shown in FIG. 1, includes a multi-channel column 1, in the housing of which modules 2 are installed successively in a vertical direction. Each module contains a horizontal dividing wall 3 installed in the upper part of the module and overlapping the cross section of the column cavity 2. In each module, tubes are installed in the vertical direction forming the working channels 4, partially filled with a nozzle, and drain pipes 5. As a nozzle forming nozzle elements in the cavity of the working channels 4, a wire can be used Levin’s full-time spiral nozzle described in the copyright certificate SU 75115 (publication date: 09/30/1949).

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.The inner diameter of the tube forming the working channels 4 is selected in the range from 25 to 50 mm. The diameter of the drain pipes 5, smaller than the diameter of the working channels 4, is selected to be minimal for ease of installation. In this example, the diameter of the drain pipes is 5 mm. The number P K of working channels 4 in each module 2 is equal to the number P T of drain pipes 5 (P = P K = P T ). The total number of working channels and drain pipes in each module is 2P.

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.The working channels 4 and drain pipes 5 in each module are located in the nodes of the cells of a square geometric lattice with alternating alternation in the horizontal plane (staggered). The arrangement of the working channels 4 and drain pipes 5 in the horizontal plane of the cross section of the module 2 of the multi-channel column according to the above condition is shown in FIG. 2. Working channels 4 and drain pipes 5 are placed in the nodes of the lattice cells in groups. Each group contains two working channels 4 and two drain pipes 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).The distillation unit includes a lower flow circulation unit, including a lower buffer 6 and an evaporator 7. The upper flow circulation unit of a distillation installation includes an upper buffer 8, a condenser 9, and a metering device 10 with transfer tubes 11. The upper buffer 8 is made with a pipe 12 input raw materials and pipe 13 output dump product. In the lower part of the column 1 above the lower buffer 6 is a pipe 14 output of the target product (isotope concentrate).

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.The multi-channel column 1 shown in FIG. 3, is made in the form of a cascade of vertically mounted and connected in series with each other modules 2. The modules are separated from each other by dividing partitions 3. In the partitions 3 are made recesses 15, the number of which is equal to the number Р T of drain pipes 5 in the module, and holes, the number of which is equal the total number (2P) of working channels 4 and drain pipes 5 of the module. The holes forming the inlet parts of the drain pipes 5 are made in the bottom of the recesses 15. In this example, the recesses 15, made in the partitions 3, have an axisymmetric cup-shaped shape and equal sizes. The holes made in the bottom of the recesses are aligned with the recesses.

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.The holes forming the nozzle-free input parts of the working channels 4 are located outside the recesses 15. The lower parts of the drain pipes 5 of each module, with the exception of the module located above the lower buffer 6, are in communication with the input parts of the working channels 4 of the nearby lower module. The lower parts of the working channels 4 of each module, with the exception of the module located above the lower buffer 6, are connected to the cavities of the recesses 15 and through the hydraulic locks 16 with the inlet parts of the drain tubes 5 of the adjacent lower module. The dispensing tubes 11 of the metering device 10 are in communication with the input parts of the working channels 4, with the cavities of the recesses 15 and through the hydraulic locks 16 with the input parts of the drain pipes 5 of the upper module located under the upper buffer 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.Each hydraulic lock 16 is formed by a domed cap mounted above the inlet of the drain pipe 5 in the cavity of the recess 15. The cap is mounted on the drain pipe 5 with the formation of gaps between the surface of the cap and the opposite surfaces of the drain pipe 5 and the recess 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).The installation may also include a number of standard blocks, units and structural elements used in distillation columns. So, for example, the installation may contain a cleaning unit for the feeding working fluid before it is fed into the column (not shown in the drawings).

Работа ректификационной установки для разделения изотопов осуществляется следующим образом. При описании работы установки рассматривается процесс производства изотопа азота l5N методом фракционной перегонки жидкой двуокиси азота.The operation of the distillation unit for the separation of isotopes is as follows. When describing the operation of the installation, the process of production of the nitrogen isotope l5 N by the method of fractional distillation of liquid nitrogen dioxide is considered.

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.The multichannel column 1 is supplied with a feed-through circuit by pumping through the upper buffer 8 a stream of nitrogen dioxide vapor supplied from an auxiliary column (not shown in the drawing) through a nozzle 12. In the auxiliary column, the working substance is preliminarily purified from water vapor and nitric acid. The isotopic composition of the nitrogen dioxide feed stream is close to the natural nitrogen isotope content. In column 1, a continuous, continuous, countercurrent, continuous, countercurrent flow of liquid and gaseous phases of nitrogen dioxide is created and maintained. Due to the continuous circulation movement of the oncoming flows of the liquid and gaseous phases through the column modules, a multiple increase in the interfacial isotope separation effect is provided.

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.In the metering device 10, the reflux stream is divided into 2P equal partial flows, which are fed through the transfer tubes 11 to the flow elements of the upper module: into the working channels 4, partially filled with a nozzle, and into bowl-shaped recesses 15, the cavities of which are communicated through hydraulic locks 16 with drain pipes 5 The partial reflux streams received in the working channels 4 of the upper module, then pass the subsequent odd, in order of counting from top to bottom, modules through the working channels and even modules through the drain pipes. Partial reflux streams received through hydraulic locks 16 into the drain tubes 5 of the upper module, then the next odd, in order of counting from top to bottom, modules pass through the drain tubes and even modules through the working channels.

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.The liquid phase coming from the dispensing tubes 11 into the working channels 4 and into the drain pipes 5 of the upper module flows into the next module, in which the input parts of the drain pipes 5 are connected to the output parts of the working channels 4 of the upstream module 2, and the input parts of the working channels 4 are connected with the outlet parts of the drain tubes 5. Thus, the reflux stream is divided into 2P partial flows separately passing through the entire multi-channel column with a total flow rate of m 0 . The flow rate of m 0 phlegm through the column and the flow rate of m 01 phlegm through a separate working channel are interconnected by the ratio: m 01 = m 0 / 2P.

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.With the passage of the gaseous phase of nitrogen dioxide through the working channels 4 from bottom to top on the surface of the nozzle elements filling the working channels 4, a finely dispersed liquid fraction is deposited from the vapor phase, which flows down the surface of the nozzle. As a result, a thin film is formed on the packed elements, the surface of which serves as the interface between isotopes during the contact of two phases of the working fluid.

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 - изотопом 15N. 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.After repeated fractional distillation of nitrogen dioxide from the bottom of column 1 through the outlet pipe 14 of the target product, a stream of gaseous nitric oxide is selected, enriched in the target isotope component — the isotope 15 N. The flow rates of the flows supplied and withdrawn from column 1 are established from the condition that the flow rates to the column are maintained equal the flow of gaseous nitric oxide is the sum of the costs of liquid and gas flows taken from the column.

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.In the process of separation of nitrogen isotopes, a working fluid diluted by 10-20% is formed, which is removed from the upper buffer 8 through the outlet pipe 13 of the dump product and returned to the corresponding site for the production of working raw materials. Upward steam flows from the upper buffer 8 to the condenser 9, in which phlegm (liquid nitrogen dioxide) is formed. Phlegm is supplied from the condenser 9 to the metering device 10, in which the reflux stream is divided into equal partial streams entering through the transfer tubes 11 into the working channels 4 and through the hydraulic locks 16 into the drain tubes 5 of the upper column module. Next, phlegm comes from the outlet openings of the drain tubes 5 of the upper module to the input parts of the working channels 4 of the module located below. In the volumes of the working channels 4 filled with a nozzle, an isotopic exchange occurs between the liquid and vapor phases of the working fluid.

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.The horizontal projections of the working channels of nearby modules are staggered. As a result, the steam flows coming from the individual working channels 4 into the volume bounded by dividing walls 3, the housing of the module 2 and the external surfaces of the drain pipes 5, are separated and mixed when flowing to the inlets of the overlying working channels 4. As a result of such mixing, when the steam flows between the modules, the composition of the steam is averaged over the cross section of the column.

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.It should be noted that for mixing partial steam flows and aligning the composition of the vapor along the cross section of the column, additional devices (mixers and steam distributors) used in the analog device are not required.

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.The reflux spent in the column flows into the lower buffer 6, from which it enters the evaporator 7. After converting the liquid phlegm into steam, the working fluid in a vaporous state returns to the lower buffer 6, from which an upward steam flow passes through a vertical cascade of modules with alternately alternating working channels 4 and drain pipes 5. In the steam-phlegm isotope exchange, a reflux stream, flowing in the vertical direction from the upper buffer 8 to the lower buffer 6, and an upward steam flow moving in the opposite direction are involved enii.

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.In the operating mode, the hydraulic locks 16 are filled with liquid (reflux), as a result, the steam supply is cut off through the drain pipes 5, and the steam is sent to the working channels 4. The upward steam flow in each module is divided into P partial flows passing through the working channels 4. Load (flow rate ) M 01 for a pair of separate working channel 4 and the flow rate of steam M 0 through the entire column are connected by the ratio: M 01 = M 0 / P. Considering the condition of equality of steam and phlegm flow rates through a multichannel column (m 0 ≅ М 0 ), the operating mode of the packed elements (working channels) of the column is characterized by the ratio of phlegm and steam loads: m 01 / M 01 = 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.The optimal height of the 11th part of the working channel 4 filled with a nozzle is determined in each case from the following condition: 4Λ 01 ≤h≤6Λ 01 , where Λ 01 is the height of the transfer unit for the working channel, the value of which is set by the hydrodynamic regime of the working channel (values m 01 and M 01 ). The choice of height h according to the above condition allows for high efficiency (efficiency) of the working channels. This dependence is due to the fact that the concentration head of the oncoming flows of reflux and steam in the working channel decreases in the direction from top to bottom. In the lower sections of the channel, the reflux and vapor flows can be approximately considered equilibrium. With the chosen optimal value of h, the efficiency η of the working channels approaches unity.

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.The stability of the multichannel column workflow is associated with the following processes. Phlegm during the passage of the working channel "remembers" information about the composition of the vapor in the lower section of the channel. The dispersion of vapor concentrations at the outlet of the working channels includes two components: information about the dispersion of the composition of the vapor in the lower section of the channel and information about the dispersion of the composition of the reflux entering the channel. When steam flows between the column modules as a result of mixing, information on the composition of the steam is effectively “erased” (leveled). In numerical values, the dispersion of the vapor composition when it flows into the overlying module decreases by 2 times.

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.Thus, the occurrence of inhomogeneities in individual working channels does not lead to the sequential accumulation of perturbations of the concentration field when the vapor flow moves from the bottom up. This phenomenon determines the stability of the working process in a multichannel column and the stability of the performance of the column.

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.When separating isotopes by distillation, three methods can be used: thermal distillation of the streams; chemical isotopic exchange in the liquid phase with thermal circulation of flows; chemical isotopic exchange in the liquid phase with chemical circulation of flows. A distillation unit for the separation of isotopes can be used in the implementation of all these methods, differing only in the set of additional technological equipment that is part of the upper and lower nodes of the circulation flows.

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.The large dimension of the multichannel column simplifies the organization of work processes. The installation can be used to produce boron isotopes by distillation with a heat pump and a stand-alone refrigeration unit. As the working fluid, the CH 3 F-BF 3 azeotrope can be used. The advantage in this case lies in the simplicity of the distillation process, while the VEP for distillation columns is much less than in chemical isotope exchange columns.

Возможны и другие варианты осуществления изобретения. Ректификационная установка для разделения изотопов может использоваться для производства изотопов бора 10В 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.Other embodiments of the invention are possible. A distillation unit for isotope separation can be used for the production of 10 V boron isotopes using the anisole method. When using this method, VEP is determined by the time of isotopic exchange in the liquid phase and the speed of phlegm movement. In the installation made according to the invention, the speed of reflux is reduced by about half compared with a standard single-channel column (with the same load of the working channel in pairs). In this case, the EEP will be approximately half the value of the EEP characteristic of a single-channel column in the separation of boron isotopes by the anisole method.

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.It should be noted that the use of reflux bypasses (drain pipes) allows you to create a multi-channel column of large dimension and ensure the stability of the work process. However, when using the invention, an increased consumption of the nozzle is assumed, therefore, the installation can be used in conditions where the material consumption of the installation and its cost is not a limiting factor.

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.The above-described embodiments of the invention are based on specific plant designs, however, other embodiments of the invention are possible depending on the choice of working fluid. In specific variants of the installation design, depending on the tasks to be solved and the type of working fluid, the operating characteristics of the installation are selected, as well as additional units and blocks ensuring the operation of the installation. Depending on the operating characteristics of the installation, the types and sizes of nozzles in the working channels and the design of the metering device are selected.

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.A distillation unit can be used for industrial production of isotopes by distillation methods, chemical isotope exchange in the liquid phase with thermal or chemical circulation of flows in cases where the cost of the used nozzle filling the working channels, or the plant as a whole is not a limiting factor for the production of isotopes.

Claims (4)

1. Ректификационная установка для разделения изотопов, содержащая многоканальную колонну, в корпусе которой в вертикальном направлении установлены трубки, образующие рабочие каналы, частично заполненные насадкой, и сливные трубки, нижний узел обращения потоков, включающий нижний буфер и испаритель, верхний узел обращения потоков, включающий верхний буфер, конденсатор и дозирующее устройство с раздаточными трубками, при этом внутренний диаметр сливных трубок меньше диаметра рабочих каналов, отличающаяся тем, что в корпусе многоканальной колонны последовательно в вертикальном направлении установлены по меньшей мере два модуля, каждый из которых содержит горизонтальную разделительную перегородку, установленную в верхней части модуля и перекрывающую поперечное сечение полости колонны, и параллельно расположенные трубки, образующие рабочие каналы, и сливные трубки, при этом 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, 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, причем 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 гидрозатворы с входными частями сливных трубок близлежащего нижнего модуля, при этом раздаточные трубки дозирующего устройства сообщены с входными частями рабочих каналов, с полостями углублений в разделительных перегородках и через гидрозатворы с входными частями сливных трубок модуля, расположенного под верхним буфером колонны.1. A distillation apparatus for separating isotopes, comprising a multi-channel column, in the housing of which are installed in a vertical direction tubes that form working channels partially filled with a nozzle, and drain tubes, a lower flow reversal assembly, including a lower buffer and an evaporator, an upper flow reversal assembly, including an upper buffer, a capacitor and a metering device with dispensing tubes, while the inner diameter of the drain tubes is less than the diameter of the working channels, characterized in that the housing is multi-channel of the column in series in the vertical direction, at least two modules are installed, each of which contains a horizontal dividing wall installed in the upper part of the module and overlapping the cross section of the column cavity, and in parallel located tubes forming the working channels and drain pipes, with the number of workers the channels in each module is equal to the number of drain pipes, the working channels and drain pipes in each module are arranged alternately in a horizontal plane in knots in the cells of the square geometric lattice, the dividing wall of each module is made with recesses, the number of which is equal to the number of drain pipes in each module, and holes, the number of which is equal to the total number of working channels and drain pipes of the module, and the holes forming the inlet parts of the drain pipes are made in the bottom part of the recesses, the holes forming the inlet parts of the working channels free from the nozzle are located outside the recesses, the lower parts of the drain tubes of each module, except for the muzzle located above the lower buffer of the column is communicated with the input parts of the working channels of the nearby lower module, the lower parts of the working channels of each module, with the exception of the module located above the lower buffer of the column, are communicated with cavities of recesses in the dividing walls and through hydraulic locks with the inlet parts of the drain pipes nearby lower module, while the dispensing tubes of the dosing device are in communication with the input parts of the working channels, with cavities of the recesses in the dividing walls and through drozatvory the input module parts drain tubes disposed beneath the upper column buffer. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что углубления, выполненные в разделительной перегородке каждого модуля, имеют осесимметричную чашеобразную форму, при этом отверстие, выполненное в донной части углубления, расположено соосно оси симметрии углубления.2. Installation according to claim 1, characterized in that the recesses made in the dividing wall of each module have an axisymmetric cup-shaped shape, while the hole made in the bottom of the recess is aligned with the axis of symmetry of the recess. 3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что углубления, выполненные в разделительных перегородках модулей, имеют равные размеры.3. Installation according to claim 2, characterized in that the recesses made in the dividing partitions of the modules are of equal size. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что входная часть каждой сливной трубки снабжена куполообразным колпачком, образующим гидрозатвор с входной частью сливной трубки в полости углубления, выполненного в разделительной перегородке, при этом колпачок закреплен на сливной трубке с образованием зазоров между поверхностью колпачка и противолежащими поверхностями сливной трубки и углубления.4. Installation according to claim 1, characterized in that the inlet of each drain pipe is provided with a domed cap forming a water seal with the inlet of the drain pipe in the cavity of the recess made in the dividing wall, while the cap is fixed to the drain pipe with the formation of gaps between the surface of the cap and opposite surfaces of the drain pipe and recess.
RU2017124927A 2017-07-13 2017-07-13 Rectification unit for isotope separation RU2652248C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017124927A RU2652248C1 (en) 2017-07-13 2017-07-13 Rectification unit for isotope separation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017124927A RU2652248C1 (en) 2017-07-13 2017-07-13 Rectification unit for isotope separation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2652248C1 true RU2652248C1 (en) 2018-04-25

Family

ID=62045683

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017124927A RU2652248C1 (en) 2017-07-13 2017-07-13 Rectification unit for isotope separation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2652248C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2723844C1 (en) * 2020-01-17 2020-06-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасности развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) Rectification plant for separation of isotopes
RU2723844C9 (en) * 2020-01-17 2025-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) Rectification plant for separation of isotopes

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4361469A (en) * 1981-02-17 1982-11-30 Trutna William R Process for using cocurrent contacting distillation columns
SU1042780A1 (en) * 1982-02-16 1983-09-23 Уфимский Нефтяной Институт Multichannel sectionialized packing column
RU2074227C1 (en) * 1994-03-29 1997-02-27 Георгий Маркелович Сидоров Method of separating hydrocarbon mixture
RU2280219C2 (en) * 2004-03-16 2006-07-20 Александр Михайлович Машанов Plant for separation of gases with a packed multichannel set of double rectification and a rectification column for it
RU2543877C1 (en) * 2013-11-21 2015-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук Isotope separator plant

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4361469A (en) * 1981-02-17 1982-11-30 Trutna William R Process for using cocurrent contacting distillation columns
SU1042780A1 (en) * 1982-02-16 1983-09-23 Уфимский Нефтяной Институт Multichannel sectionialized packing column
RU2074227C1 (en) * 1994-03-29 1997-02-27 Георгий Маркелович Сидоров Method of separating hydrocarbon mixture
RU2280219C2 (en) * 2004-03-16 2006-07-20 Александр Михайлович Машанов Plant for separation of gases with a packed multichannel set of double rectification and a rectification column for it
RU2543877C1 (en) * 2013-11-21 2015-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук Isotope separator plant

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2723844C1 (en) * 2020-01-17 2020-06-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасности развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) Rectification plant for separation of isotopes
RU2723844C9 (en) * 2020-01-17 2025-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) Rectification plant for separation of isotopes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8282831B2 (en) Method and apparatus for chromatographic component, separation with partial recirculation of mixture fractions
US20120106290A1 (en) Static mixer comprising a static mixing element, method of mixing a fluid in a conduit and a formula for designing such a static mixing element
JP4709381B2 (en) Fluid distribution and recovery system and method
US9446327B2 (en) Liquid distribution device
RU2674957C2 (en) Collector for mixing liquids and method of its application
Chen et al. Characteristics of batch, semicontinuous, and continuous equilibrium parametric pumps
BRPI0813843B1 (en) CONTACTOR
CN102430337B (en) A cryogenic rectification system for producing stable isotope 13C from CO
US9168467B1 (en) Assembly for separating gas mixtures in fractionating columns
JPS5949052B2 (en) Isotope separation device
CN102380315A (en) A low-temperature rectification cascade system for producing stable isotope 13C by rectifying CO
RU2416461C1 (en) Package vortex nozzle for heat-and-mass exchange column apparatuses
RU2652248C1 (en) Rectification unit for isotope separation
CN114053973A (en) Microchannel reaction structure and microchannel reactor
KR101097483B1 (en) Reactor for gas/liquid or gas/liquid/solid reactions
TW201741008A (en) Series connected simulated moving bed system
TW200424492A (en) Combined liquid collector and mixer for mass transfer column and method employing same
CN204051638U (en) A kind of fluid chemical field distribution apparatus
RU2543877C1 (en) Isotope separator plant
EP3819014A1 (en) Grid-like fractal distributor or collector element
CN103285779B (en) A kind of fluid chemical field distribution apparatus
CN104159663A (en) Method of operating microchannel reactor, and microchannel reactor
RU2667286C1 (en) Distillation column and method for purification of alcohol therewith
EP0005535B1 (en) Method and apparatus for exchange of mass and/or of heat by direct contact and for mixing of gaseous or vaporous and liquid or solid media
Thibodeaux et al. Mass transfer units in single and multiple stage packed bed, cross-flow devices