Brevet FR2577820A1 — publié le 19860829

Installation de retraitement de combustibles nucléaire irradiés. L'invention concerne une colonne à plateaux perfo- rés ou à tamis pour l'extraction liquide-liquide à contre- courant, de deux phases possédant des densités différen- tes et non solubles l'une dans l'autre, et comportant un dispositif mélangeur disposé entre deux plateaux perforés. Pour l'extraction liquideliquide à contre-courant on utilise des colonnes d'extraction comportant une en- ceinte cylindrique, dans laquelle des plateaux perforés sont répartis axialement et sont fixés rigidement. La phase la plus légère est envoyée à partir du bas, tandis que le dosage de la phase la plus lourde s'effectue par le haut. La sortie de la phase lourde s'effectue au pied de la colonne et la sortie de la phase légère s'effec- tue dans l'espace de tête de la colonne. La colonne d'extraction permettant de réaliser l'extraction liquideliquide à contre courant doit être adaptée, grâce à la prise de dispositions particulières du point de vue construction, aux exigences spécifiques du processus d'extraction, afin d'accélérer le transfert de matière entre les phases et d'accroître la sécurité de fonctionnement, la disponibilité ainsi que le rendement. Il est connu de disposer dans l'enceinte cylindri- que de la colonne d'extraction, des plateaux perforés ou à tamis, de manière qu'ils soient répartis axialement et 2- fixés rigidement. Ces plateaux perforés doivent four- nir une qualité suffisante d'extraction par le fait qu'ils contribuent à former des gouttelettes de liquide d'une phase lors du passage de cette dernière à tra- vers les trous des plateaux perforés. La formation des gouttelettes représente un accroissement de la surface de la phase. Mais le transfeitde matière est favorisé. Pour améliorer plus encore le rendement de la co- lonne à plateaux perforés, il est connu d'appliquer une pulsation au contenu liquide. Des colonnes pulsées à plateaux perforés peuvent posséder, pour un même ren- dement, une hauteur plus faible que des colonnes non pul- sées à plateaux perforés. Mais on a observé que l'on n'obtenait pas le rendement d'extraction théoriquement espéré. Etant donné qu'un bon transfert de matière dé- pend d'un bon mélange des deux phases, l'action insuf- fisante a été imputée jusqu'alors au mélange en retour des deux phases, qui peut apparaître par suite de la course de retour de la colonne de liquide. Cette hypo- thèse n'était pas une explication suffisante du rendement insuffisant, (conférence International Meeting Fuel Reprocessing and Waste Management, 26-29 Aout 1984, Jackson, Wyoming, USA, page 5). En outre,on a établi que la colonne à plateaux perforés est traversée verticalement par des canaux de phase qui se créent sous la forme de veines fluides. Ce phénomène est plus accusé lorsque le diamètre de la co- lonne augmente, de sorte qu'une longueur plus importante de la colonne est nécessaire pour une extraction. On a établi que cet écoulement en forme de canaux apparaissant doit être détruit pour obtenir un meil- leur transfert de substance. Ainsi, on tient compte du fait selon lequel la force et la vitesse d'entraînement lors du transfert de substance dans les colonnes d'ex- traction constituent le gradient de concentration entre la phase réceptrice et la phase donneuse. Ce gradient de concentration doit être aussi élevé que possible. Pour l'obtenir, il est important de détruire en per- manence les couches limites des phases afin de rappro- cher des particules de phase non chargées ou moins chargées, en particules de l'autre phase. Ceci peut être obtenu en créant en permanence un cheminement dé- vié des phases, lors de leur passage à travers la co- lonne, à partir des voies d'écoulement et en en réali- sant autant que possible un mélange radial. Le mélange radial entraîne une destruction de l'écoulement en for- me de canaux et fournit de ce fait un meilleur trans- fert de matière. On conna5t déjà une proposition (demande de brevet allemand mise à l'Inspection Publique sous le N 17 69 005) qui décrit un appareil à colonne qui comporte, entre les plateaux perforés, des dispositifs mélangeurs ro- tatifs permettant d'obtenir un mélange transversal des phases. L'inconvénient de ces dispositifs mélangeurs rotatifs réside dans l'entretien des paliers et leur construction complexe. Dans le cas de l'utilisation de la colonne à plateaux perforés dans la technique de re- traitement nucléaire, la présence de pièces mobiles dans la colonne à plateaux perforés est indésirable. On connaît une autre colonne à plateaux perforés (Chemical Engineering Progr. N 13, vol. 50 (1954), page 14-17), qui ne requiert aucun élément rotatif ou mobile du dispositif mélangeur. Ce dspositif mélangeur est constitué par une plaque de répartition disposée entre les plaques perforées et à partir du plan de laquelle s'étendent des éléments de plaque repliés, in- clinés sous un angle d'environ 30 . Les éléments de plaque repliés, sont formés par pliage à partir du plateau de répartition de sorte qu'il existe au-des- sous des éléments de plaque repliés, des perçages qui sont masqués par les éléments de plaque repliés. Par suite de cette constitution, un mouvement de rota- tion est appliqué au liquide lors de chaque impul- sion. Cette plaque de répartition permet d'obtenir un bon mélange transversal et par conséquent un meil- leur transfert de matière entre les phases. L'utilisation de ce fond de répartition aboutit à une meilleure uniformisation de la concentration de matière sur la section transversale respective de la colonne à pla- teaux perforés, ce qui a également un effet avantageux sur le transfert de matière entre les phases. Mais avec ce plateau de répartition on ne peut pas empêcher de façon complète ou suffisante l'apparition d'hété- rogénéitésdu mélange transversal (conférence Internatio- nal Meeting Fuel Reprocessing and WasteManagement, 26-29 Aout 1984, Jackson, Wyoming, USA, page 8). Afin d'obtenir l'effet d'entraînement en rota- tion, il faut que la surface libre du plateau de répar- tition soit inférieure à la surface libre du plateau perforé. C'est en cela qu'il faut voir un inconvé- nient important du plateau de répartition, car ce dernier réduit fortement la section transversale libre de passage de la colonne à plateaux perforés. Les plateaux perforés à buses, utilisés dans la technique de retraitement nucléaire, possèdent habituellement une section transversale de passage d'environ 23 % (conférence International MeetingFuel Reprocessing and WasteManagement, 26-29 Aout 1984, Jackson, Wyoming, USA, page 5). Le plateau de répartition possède seule- ment une section transversale de passage d'environ 14 % (Conférence International Meeting Fuel Reproces- sing and WasteManagement, 26-29 Aout 1984, Jackson, Wyoming, USA, page 8). Si la section transversale de passage diminue dans la colonne à plateaux perforés, on obtient une réduction de débit indésirable. Un autre inconvénient doit être vu dans le fait que la zone d'opération d'une colonne à plateaux perforés équipée du plateau de répartition, est ré- trécie. La surface libre réduite du plateau de réparti- tion peut également conduire à une accumulation du li- quide sur le plateau, ce qui peut éventuellement condui- re à des dépôts sur le plateau de répartition. L'invention a pour but d'agencer une colonne à plateaux perforés décrite plus haut de manière à ob- tenir un bon mélange transversal des phases pour un débit aussi élevé que possible. En outre la colonne doit 8tre agencée sans nécessité d'utiliser des élé- ments mobiles compliquant 1"entretien. La colonne à plateaux perforés doit également convenir pour son utilisation dans la technique de retraitement nucléai- re. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait qu'entre deux plateaux perforés se trouve disposé un élément mélangeur statique qui possède, sur l'ensemble de la section transversale, une multiplicité de canaux disposés obliquement par rapport à la direc- tion d'écoulement et dont les ouvertures supérieures et les ouvertures inférieures sont de ce fait décalées radialement entre elles. De tels éléments mélangeurs ou assemblages mélan- geurs sont constitués par exemple par des lamelles. Ces lamelles sont superposées en couches de manière à former des canaux ouverts se croisant. On connait également des éléments mélangeurs statiques comportant des sur- faces de guidage disposées obliquement par rapport à la direction d'écoulement. Dans l'élément mélangeur statique, il existe une multiplicité de canaux d'écoulement au moyen desquels on obtient un décalage radial des veines fluides se formant. Le déroulement du processus de mélange trans- versal est strictement géométrique. Il n'existe aucun élément mobile. Les plateaux perforés assurent une formation ré- pétée de gouttes et l'élément mélangeur statique assure un mélange transversal homogène sur le trajet le plus court, sans aucun élément mobile. On obtient un décala- ge radial des veines de fluide. L'écoulement sous forme de canaux est supprimé. La disposition conforme à l'invention de l'élément mélangeur statique entraîne une déviation des phases par rapport à leur direction d'écoulement verticale en forme de canaux et fournit par conséquent un mélange transversal des phases. L'élément mélangeur statique n'entraîneiaucun rétrécissement de la zone de fonctionnement de la colonne à plateaux perforés. La surface de passage de l'élément mélangeur statique est nettement plus importante que la surface de passage du plateau perforé. Selon une forme de réalisation avantageuse de l'in- vention, un élément mélangeur statique est disposé respec- tivement à la partie supérieure de la colonne à plateaux perforés, dans les espaces intercalaires de quatre plateaux perforés successifs. On a pu établir de façon étonnante que, avec un tel agencement, on obtient un très bon transfert de matière. Après leur sortie d'un élément mélan- geur statique, les phases sont dirigées à travers un plateau perforé et la formation de gouttes est à nou- veau déclenchée. Ceci se répète. Cet agencement empêche une coalescence des phases. Selon une variante de réalisation, les éléments mélangeurs statiques sont disposés dans le premier tiers, considéré dans la direction d'introduction de la phase de l'élément donneur, de la colonne à plateaux perforés. Selon une autre variante de l'invention, l'ensemble de la colonne à plateaux perforés est munie, au niveau de tous les espaces intercalaires, de deux plateaux perforés respectifs comportant un élément mélangeur statique. Les dispositions correspondant à cette dernière forme de réalisation conduisent à une alternance per- manente entre le mélange transversal et la formation de gouttelettes de la phase s'écoulant. Si l'on utilise la colonne à plateaux filtrants possédant le dispositif mélangeur conforme à l'inven- tion, pour réaliser une extraction combinée avec une électrolyse simultanée, comme cela est possible par exemple dans le cas de la séparation uranium-plutonium dans la technique de retraitement nucléaire, selon une variante de réalisation avantageuse de la colonne conforme à l'invention l'élément mélangeur statique est réalisé sous la forme d'une électrode. Alors l'élément mélangeur est agencé de façon appropriée à la maniè- re d'une anode. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément mélangeur statique est constitué en un maté- riau permettant de réaliser l'absorption des neutrons. On peut imaginer que cet empoisonnement par des neu- trons, qui est recherché, est suffisant pour la colon- ne à plateaux perforés dans le cas de la disposition de plusieurs éléments mélangeurs statiques conformes à l'invention. Comme matériau on peut choisir par exemple du hafnium ou du bore. Selon une forme de réalisation avantageuse de l'in- vention, l'élément mélangeur statique est disposé en appui,de façon stable et auto-portante,sur un fond perforé, et ce sans moyens de fixation. Ainsijles élé- ments mélangeurs statiques sont en soi stables et auto- portants et peuvent par conséquent reposer librement sur les plateaux perforés. Ceci fournit avantageusement une possibilité aisée de manipulation, ce qui est parti- culièrement important en rapport avec la télémanipula- tion nécessaire dans le domaine de la technique nucléai- re. Etant donné qu'aucune structure particulière de fixation n'est requise, aucune opération séparée de démontage n'est nécessaire lors du remplacement d'un élément mélangeur statique. Selon une autre forme de réalisation avantageuse, de l'invention, les éléments mélangeurs statiques suc- cessifs sont décalés réciproquement de 90 . Les éléments mélangeurs statiques disposés les uns derrière les autres en étant ainsi décalés de 90 fournissent une améliora- tion supplémentaire du mélange transversal. Un avantage de l'invention doit être vu dans le fait que le diamètre de la colonne peut être réduit. Le mélange transversal des phases, qui est amélioré gra- ce à cette forme de réalisation conforme à l'invention, permet de donner des dimensions plus importantes aux trous des plateaux perforés ou bien de prévoir un nom- bre plus important de trous pour chaque plateau perforé. Ceci accroit le débit qui permet à nouveau d'utiliser des colonnes possédant un diamètre plus petit, pour un même transfert de matière. Une réduction du diamètre des colonnes entraîne, en raison d'une réduction des dimensions géométriques, une sûreté-criticité dans le cas de l'utilisation des colonnes à plateaux perforés dans la technique nucléai- re. Cet avantage peut aboutir, en fonction des données du processus, à ce qu'aucune structure interne de criti- cité ne soit plus nécessaire. La configuration conforme à l'invention de la co- lonne à plateaux perforés accroît le débit. L'accroisse- ment du débit entraîne un accroissement des vitesses d'écoulement dans l'élément mélangeur statique de sorte qu'une subdivision d'une phase en gouttes peut également se produire dans ces canaux. La formation de gouttes d'une part et l'accrois- sement du mélange intime des phases d'autre part amé- liore fortement la puissance de séparation de la co- lonne à plateaux perforés, de sorte que les longueurs nécessaires d'extraction diminuent. Dans le cas de l'utilisation de 1' invention, au- cune possibilité de dépôt de produits de désintégration ou analogues n'est possible, comparativement au pla- 1 teau de répartition connu d'après l'état de la techni- que. En outre, les éléments mélangeurs statiques ne né- cessitent aucune fixation dans la colonne,étant donné qu'ils peuvent se maintenir par eux-même et être en ap- pui sur les plateaux perforés. Selon la nature du système de substances devant être traitées, on peut éventuellement se passer d'une pulsation de la colonne à plateaux perforés, grâce à l'utilisation du dispositif conforme à l'invention. Le meilleur mélange transversal obtenu grâce à l'invention et l'amélioration, obtenue de ce fait, du transfert de substance, conduisent à une réduction des temps de séjour et par conséquent à une réduction, à une valeur minimale des produits de désintégration, ce qui est important no- tamment dans le domaine technique nucléaire. L'invention permet d'obtenir un mélange intime per- fectionné des phases sans rétrécissement de la section transversale et sans éléments mobiles à l'intérieur de la colonne d'extraction. Si l'on utilise l'agencement conforme à l'invention dans le retraitement nucléaire, on obtient avantageusement une possibilité supérieure de manipulation, en rapport avec la télémanipulation néces- saire. Grâce à l'invention, on obtient des conditions plus uniformes de transfert de substance. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci- après prises en référence aux dessins annexés, sur lesquels on n'a pas représenté, afin d'en conserver la clarté, les dispositifs non nécessaires pour la com- préhension de l'invention, et sur lesquels: la figure 1 représente un plateau de répartition conforme à l'état de la technique et disposé entre deux plateaux perforés; la figure 2 représente une partie d'une colonne à plateaux perforés comportant trois éléments mélangeurs statiques insérés entre des plateaux perforés; les figures 3 et 4 montrent une représentation de principe simplifiée, à plus grande échelle, du diagram- me d'écoulement à l'intérieur des trois éléments mélan- geurs statiques représentés sur la figure 2, seules les conditions présentes dans la coupe de la figure 2 ayant été indiquées; la figure 5 représente une colonne à plateaux per- forés, comportant six éléments mélangeurs statiques dis- posés dans la partie supérieure entre des plateaux per- forés; et la figure 6 représente la zone de fonctionnement d'une colonne à plateaux perforés comportant un plateau de répartition et d'une colonne à plateaux perforés comportant le dispositif mélangeur conforme à l'invention. Sur la figure 1, on a représenté en partie une co- lonne verticale à plateaux perforés 11, connue dans l'état de la technique. Cette colonne à plateaux perforés 11 possède des plateaux perforés 13 répartis axialement. La distance "x" entre deux plateaux perforés 13 est égale habituellement à 50 mm dans la technique de retraitement nucléaire. Au lieu d'un lateau perforé 13, on insère à demeure dans la colonne à plateaux perforés 11, un pla- teau de répartition 15 connu d'après l'état de la tech- nique. Le plateau de répartition 15 comporte des plaques repliées 17 s'étendant vers le bas en faisant un angle d'environ 30 à partir du plateau de répartition 15. Les plateaux repliés 17 ont été formés par découpage à partir du plateau de répartition 15 de sorte que des passages correspondants sont formés derrière les pla- teaux repliés 17. Si l'on applique une impulsion de pression au con- tenu liquide de cette colonne à plateaux perforés 11, il apparait pendant la course descendante de la colonne de liquide, un tourbillonnement 21 lors du passage du li- quide à travers les passages 19. Le tourbillonnement 21 applique au liquide un mouvement de rotation. Lors de la course ascendante de la colonne de liquide il apparalt un tourbillonnement 23 qui imprime également un mouvement de rotation au contenu liquide. Grâce à ce dispositif connu de l'état de la techni- que, le liquide circulant dans la colonne à plateaux per- forés 11 est dévié de la distance "y" à partir de la trajectoire d'écoulement. Après traversée des passages 25 du plateau filtrant 13, on obtient en permanence un nuage de gouttes d'une phase. La colonne à plateaux perforés 31 représentée sur la figure 2 comporte des plateaux perforés 33 qui sont répartis en étant disposés à l'écartement axial usuel et sont munis de trous de passage 35. Dans le cas d'une pulsation de la colonne de liquide, les trous de passage 35 des plateaux perforés 33 provoquent la for- mation de gouttes d'une phase. Un élément mélangeur sta- tique 36, occupant la distance totale "x" est disposé entre deux plateaux perforés 33. L'élément mélangeur statique 36 comporte des canaux ouverts croisés 37 qui s'écartent de droites parallèles à l'axe et s'étendent dans différentes directions en-faisant un angle X = 45 o On ne peut pas identifier cette allure d'écoulement sur la vue en coupe, représentée sous une forme simp!ifié, de l'élément mélangeur statique 36. Mais ce qui est essentiel c'est que les ouvertures supérieures 39 des canaux 37 soient décalées radialement par rapport aux ouvertures inférieures 41. Dans 1' espace intercalaire immédiatement suivant des deux plateaux perforés suivants 33 et dans l'espace intercalaire suivant se trouvent également disposés des éléments mélangeurs statiques respectifs 36, qui sont décalés les uns par rapport aux autres de 90 au- tour de l'axe central. Le liquide est dévié radialement par rapport à la verticale, lorsqu'il traverse les éléments mélangeurs statiques 36. Après chaque traversée d'un élément mé- langeur statique 36, le liquide est à nouveau guidé à travers un plateau perforé 33 et la formation de gouttes de l'une des phases est à nouveau déclenchée. Sur la figure 3 et sur la figure 4, qui est consi- dérée suivant une vue à'90 par rapport à la figure pré- cédente, on a essayé de donner une représentation sché- matique explicative, à plus grande échelle, des trajets d'écoulement à l'intérieur de la section en coupe des trois éléments; mélangeurs statiques représentés de la figure 2. On voit que des canaux d'écoulement se formant dans la colonne à plateaux perforés 31 sont interrompus de façon efficace et que l'on obtient le mélange trans- versal désiré. Sur la figure 5 on a représenté une colonne à pla- teaux perforés 51, dans laquelle six éléments mélangeurs statiques 53 sont disposés dans le tiers supérieur de la colonne. Ces éléments mélangeurs 53 sont disposés res- pectivement dans l'espace intercalaire de deux plateaux perforés 55 et leur hauteur correspond à la distance "x" entre deux plateaux perforés 55. La phase la plus dense est insérée par le haut dans la colonne à plateaux perforés 51, par l'intermédiaire de l'admission 57. La phase légère est envoyée par l'in- termédiaire de l'admission inférieure 59 à la colonne à plateaux perforés 51. La phase légère est prélevée au niveau de la sortie supérieure 61 et la phase dense est prélevée au niveau de la sortie inférieure 63. Les trois éléments mélangeurs statiques supérieurs 53 sont disposés conformément à h représentation de la figure 2. Ces éléments sont suivis, vers le bas, par trois es- paces intercalaires libres 65 situés entre les plateaux * perforés correspondants 55, à la suite de quoi le pre- mier de trois autres éléments mélangeurs statiques 53 se trouve disposé dans l'espace intercalaire suivant. Les deux espaces intercalaires suivants sont occupés par les deux autres éléments mélangeurs statiques 53 et sont décalés les uns par rapport aux autres. Sur la figure 6 on a représenté la courbe de varia- tion (désignée sous le terme de courbe de flux dans le langage technique) de la plage de fonctionnement d'une colonne à plateaux perforés comportant unplateau de ré- partition connu d'après l'état de la technique (courbe A) en fonction de l'amplitude des impulsions pour une fréquence de 1 Hz. Par rapport à cette courbe, la courbe B montre clairement la zone de fonctionnement d'une colonne à plateaux perforés comportant le dispositif mé- langeur conforme à l'invention, dans le cas de l'utili- sation d'un élément mélangeur statique. Il est visible (voir la droite de fonctionnement nominale "C") que la colonne à plateaux perforés munie d'Undispositif mélan- geur conforme à l'invention comporte une zone de fonc- tionnement nettement plus étendue et que l'intensité de la pulsation peut être choisie avec une largeur de bande supérieure. REVENDICATIONS 1. Colonne à plateaux perforés pour l'extraction liquide-liquide à contrecourant de deux phases denses non solubles entre elles, et dans laquelle un dispo- sitif mélangeur est disposé entre deux plateaux perforés, caractérisée par le fait qu'entre deux plateaux perforés (33) se trouve disposé un élément mélangeur statique (36,53) qui possède, sur l'ensemble de la section trans- versale, une multiplicité de canaux (37) disposés obli- quement par rapport à-la direction d'écoulement et dont les ouvertures supérieures (39) et les ouvertures infé- rieures (41) sont de ce fait décalées radialement entre elles. 2. Colonne à plateaux perforés suivant la revendi- cation 1, caractérisée par le fait que des éléments mé- langeurs statiques (36) respectifs sont disposés, dans la partie supérieure de la colonne à plateaux perforés (31), dans les espaces intercalaires situés entre quatre pla- teaux perforés (33) successifs. 3. Colonne à plateaux perforés suivant la revendi- cation 1, caractérisée par le fait que les éléments mé- langeurs statiques (53) sont disposés dans le premier tiers, considéré dans la direction d'introduction de la phase de l'élément donneur, de la colonne à plateaux perforés (51). 4. Colonne à plateaux perforés suivant la revendica- tion 1,' caractérisée par le fait que l'ensemble de la colonne à plateaux perforés (31; 51) est munie, au ni- veau de tous les espaces intercalaires, de deux pla- teaux perforés respectifs (33; 55) comportant un élé- ment mélangeur statique (36; 53). 5.Colonne à plateaux perforés suivant la revendi- cation 1, caractérisée par le fait que l'élément mélan- geur statique (36; 53) est réalisé sous la forme d'une électrode. 6. Colonne à plateaux perforés suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que l'élement mélangeur statique (36; 53) est constitué en un matériau réalisant une absorption des neutrons. 7. Colonne à plateaux perforés suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément mélangeur statique (36; 53) est disposé en ap- pui,de façon stable et auto-portante,sur un fond per- foré (33; 55), et ce sans moyens de fixation. 8. Colonne à plateaux perforés suivant l'une quel- conque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que des éléments mélangeurs statiques (36; 53) successifs sont décalés mutuellement de 90 . 9. Utilisation d'une colonne à plateaux perforés suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans une installation nucléaire pour le retraitement de com- bustibles irradiés.