Выпарной аппарат
EVAPORATOR

Изобретение относится к конструкциям выпарных аппаратов и может быть использовано для концентрирования радиоактивных растворов.
Из уровня техники известен лабораторный циркуляционный выпарной аппарат [Гофман Ф.Э., Гофман Р.Д., Зильберман Б.Я. и др. Лабораторный выпарной стенд с автоматизированной системой управления // Химическая технология. 2012. Т. 13. №9. С. 565-570], содержащий вынесенную греющую камеру с рубашкой, сепаратор с теплоизоляцией, циркуляционную трубу. Вход раствора осуществляется через патрубок в нижнюю часть циркуляционной трубы, выход раствора - через вывод кубового раствора в верхней части циркуляционной трубы. Соединения внутренней полости сепаратора с импульсными линиями, выполнены с помощью отверстий на боковой поверхности сепаратора. Управление выпарным аппаратом автоматическое.
Недостатками выпарного аппарата являются:
- использование пара для осуществления процесса нагрева продукта;
- нельзя использовать для выпаривания радиоактивных сред;
- невозможность быстрого охлаждения и прекращения процесса выпаривания.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенного технического решения
является выпарной аппарат [патент РФ №2116103, МПК B01D 1/00, опубл. 27.07.1998], содержащий, вынесенную греющую камеру, сепаратор с брызгоуловителем, циркуляционную трубу, нижнюю растворную камеру, камеру кипения, установленную на трубной решетке греющей камеры. Верхняя часть камеры кипения плавно изогнута под углом 90° и соединена с сепаратором через патрубок, имеющий продолжение внутри сепаратора в виде направляющей потока раствора вниз. Вход раствора осуществляется через патрубок в нижнюю часть камеры кипения, выход раствора - через трубопроводы отвода раствора из сепаратора и нижней растворной камеры, соединенные между собой внизу в один отвод.
Недостатками выпарного аппарата являются:
- непосредственный контакт греющего пара с выпариваемым веществом;
- аппарат нельзя использовать для выпаривания радиоактивных сред;
- невозможность быстрого охлаждения и прекращения процесса выпаривания.
Задачей является разработка конструкции выпарного аппарата для концентрирования радиоактивных растворов, который повышает скорость циркуляции раствора при обеспечении ядерной безопасности и увеличении ресурса его работы.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости циркуляции раствора при обеспечении ядерной безопасности и увеличении ресурса работы выпарного аппарата.
Технический результат достигается в выпарном аппарате, содержащем вынесенную греющую камеру, сепаратор с брызгоуловителем, нижнюю питающую камеру, циркуляционную трубу, соединяющую нижнюю питающую камеру с сепаратором, верхнюю часть циркуляционной трубы, плавно изогнутую под углом 90° и соединеную с сепаратором через патрубок, имеющий продолжение внутри сепаратора в виде направляющей потока раствора вниз, причем греющая камера снабжена плотно облегающей теплопередающей обоймой с местом для установки датчика температуры, вход раствора в питающую камеру выполнен патрубком, расположенным тангенциально касательной к направляющей изгиба питающей камеры в месте ввода патрубком, при этом проходное сечение патрубка равно половине проходного сечения питающей камеры, а выходное отверстие патрубка выполнено со срезом под углом, а выход упаренного раствора происходит через трубу в нижней части питающей камеры, сепаратор в верхней части имеет теплоизолирующую рубашку, кабель обогрева и выхлопной патрубок, а на боковой поверхности сепаратора расположены патрубки для контроля нижнего, рабочего и верхнего уровней раствора, при этом расстояние между нижним, рабочим и верхним патрубками в сепараторе зависит от требований ядерной безопасности, физико-химических характеристик исходного и выпаренного продуктов, геометрических размеров аппарата и определяется эмпирической зависимостью:
где h - расстояние между нижним и рабочим патрубками, мм;
Н - расстояние между рабочим и верхним патрубками, мм;
d - диаметр циркуляционной трубы, мм;
D - диаметр сепаратора, мм;
- удельная теплоемкость исходного вещества, Дж/(кг⋅°К);
- удельная теплоемкость выпаренного раствора, Дж/(кг⋅°К);
- концентрация выпаренного продукта, г/л;
- концентрация исходного продукта выпаренного продукта, г/л;
Т - температура рабочего процесса, °С;
t - температура исходного продукта, °С.
Разъемная теплопередающая обойма, состоящая из двух полуобойм с керамическим нагревателем, плотно обхватывающая циркуляционную трубу, выполнена с кольцевыми пазами сверху и снизу, соединенными между собой вертикальными циркуляционными отверстиями, кольцевые пазы имеют штуцера входа и выхода охлаждающей среды.
На фиг. 1 изображен общий вид выпарного аппарата, фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1
Выпарной аппарат содержит вынесенную греющую камеру 1 (см. фиг. 1), сепаратор 2 с брызгоуловителем 3, нижнюю питающую камеру 4, а также циркуляционную трубу 5, соединяющую нижнюю питающую камеру 4 с сепаратором 2. Верхняя часть 6 циркуляционной трубы 5 плавно изогнута под углом 90° и соединена с сепаратором 2 через патрубок 7, имеющий продолжение внутри сепаратора в виде направляющей потока раствора вниз. Греющая камера 1 снабжена плотно облегающей теплопередающей обоймой 8 с местом 9 (см. фиг. 2) для установки датчика температуры. Вход раствора в питающую камеру 4 (см. фиг. 1) выполнен патрубком 10, расположенным тангенциально касательной к направляющей изгиба питающей камеры в месте ввода патрубка 10, при этом проходное сечение патрубка 10 равно половине проходного сечения питающей камеры 4. Выходное отверстие патрубка 10 выполнено со срезом под углом. Выход упаренного раствора происходит через трубу 11 в нижней части питающей камеры. На боковой поверхности сепаратора расположены патрубки 12, 13 и 14 для контроля нижнего, рабочего и верхнего уровней раствора. При этом расстояние между нижним 12, рабочим 13 и верхним 14 патрубками в сепараторе 2 зависит от требований ядерной безопасности, физико-химических характеристик исходного и выпаренного продуктов, геометрических размеров аппарата и определяется эмпирической зависимостью:
где h - расстояние между нижним и рабочим патрубками, мм;
Н - расстояние между рабочим и верхним патрубками, мм;
d - диаметр циркуляционной трубы, мм;
D - диаметр сепаратора, мм;
- удельная теплоемкость исходного вещества, Дж/(кг⋅°К);
- удельная теплоемкость выпаренного раствора, Дж/(кг⋅°К);
- концентрация выпаренного продукта, г/л;
- концентрация исходного продукта выпаренного продукта, г/л;
Т - температура рабочего процесса, °С;
t - температура исходного продукта,°С.
где h - расстояние между нижним 12 и рабочим 13 патрубками, мм;
Н - расстояние между рабочим 13 и верхним 14 патрубками, мм;
d - диаметр циркуляционной трубы 5, мм;
D - диаметр сепаратора 2, мм;
- удельная теплоемкость исходного вещества, Дж/(кг⋅°К);
- удельная теплоемкость выпаренного раствора, Дж/(кг⋅°К);
- концентрация выпаренного продукта, г/л;
- концентрация исходного продукта выпаренного продукта, г/л;
Т - температура рабочего процесса, °С;
t - температура исходного продукта, °С.
Разъемная теплопередающая обойма 8, состоящая из двух полуобойм 15 и 16 (см. фиг. 2) с керамическим нагревателем 17 (см. фиг. 1), плотно обхватывающая циркуляционную трубу 5, выполнена с кольцевыми пазами 18 сверху и снизу, соединенными между собой вертикальными циркуляционными отверстиями 19, кольцевые пазы 18 имеют штуцера входа 20 и выхода 21 охлаждающей среды. Сепаратор 2 в верхней части имеет теплоизолирующую рубашку 22, кабель обогрева 23 и выхлопной патрубок 24.
Устройство работает следующим образом.
В режиме пуска выпарной аппарат заполняется через патрубок 10 исходным уран-плутониевым раствором до патрубка 14, отвечающего за контроль верхнего уровня раствора. При включении керамического нагревателя 17 исходный уран-плутониевый раствор в циркуляционной трубе 5 равномерно быстро нагревается и начинает циркулировать по плавно изогнутой под углом 90° верхней части 6 циркуляционной трубы 5, соединенной с сепаратором 2 через патрубок 7, имеющий продолжение внутри сепаратора в виде направляющей потока раствора вниз. Плотно облегающая теплопередающая обойма 8 с керамическим нагревателем 17 исключает непосредственный нагрев радиоактивной среды и прикипание слоев возле поверхности циркуляционной трубы, обеспечивает равномерный прогрев и увеличивает скорость циркуляции. Отсутствие паров воды и непосредственного нагрева уран-плутониевой радиоактивной среды предотвращает образование спонтанной цепной реакции, обеспечивая безопасность процесса выпаривания.
Середина среза патрубка 7 перпендикулярна оси патрубка 13, контролирующего рабочий уровень раствора и обращена от него, исключая забрызгивание отверстия, снижая гидравлическое сопротивление, тем самым повышая скорость циркуляции раствора. При попадании в сепаратор 2 пары кислоты, имеющие частицы уран-плутониевого раствора устремляются вверх, а упаренный раствор направляется патрубком 7 к трубе 11 в нижней части питающей камеры 4. Пары кислоты, пройдя через оптически плотную конструкцию брызгоуловителя 3, за счет изменения направления движения отделяются от случайно захваченных частиц уран-плутониевого раствора и направляются через выхлопной патрубок 24 на охладитель-конденсатор (не показан). Частицы уран-плутониевого раствора отбрасываются к стенкам, теряют скорость и возвращаются в процесс выпаривания. Наличие в верхней части сепаратора теплоизолирующей рубашки 22 и кабеля обогрева 23 исключает конденсацию кислоты и налипание твердых частиц из раствора на стенках сепаратора 2 и брызгоуловителя 3. Наличие паровой фазы кислоты и отсутствие жидкостной способствует снижению скорости коррозии верхней части сепаратора и повышению его ресурса работы. Для исключения сорбции радионуклидов теплоизоляция помещена в чехол из коррозионностойкой стали (позиция не показана).
При наборе необходимой плотности выпаренного раствора, контролируемой через патрубок 13 рабочего уровня, происходит слив упаренного раствора через трубу 11, при этом уровень раствора понижается от патрубка верхнего уровня 14 до патрубка 12 нижнего уровня. Остаток раствора ниже патрубка 12, имеющий повышенную плотность, продолжает циркуляцию. При этом через патрубок 10 в питающую камеру 4 подается новая порция раствора.
Вход раствора в питающую камеру 4, выполненный патрубком 10 тангенциально касательной к направляющей изгиба питающей камеры 4 в месте ввода трубы, с сечением равным половине проходного сечения питающей камеры со срезом под углом позволяет плавно, без пульсаций, вводить новые порции радиоактивного раствора для упаривания, выравнивая скорость подаваемого на упаривание раствора с циркулирующим, имеющим повышенную плотность.
Выявленная зависимость между нижним 12, рабочим 13 и верхним патрубками 14 в сепараторе 2 для контроля уровня раствора в сепараторе 2 позволяет получать выпаренный продукт требуемого качества, обеспечивая увеличение ресурса работы стенок выпарного аппарата и ядерную безопасность.
Процесс выпаривания продолжается.
По окончании процесса выпаривания и отключения керамического нагревателя 17 через штуцер входа 20 охлаждающей среды подается воздух от воздушных холодильников (не показаны), который, проходя через кольцевые пазы 18, вертикальные циркуляционные отверстия 19 и штуцер выхода 21, охлаждает раствор в циркуляционной трубе 5.
Циркуляционные отверстия 19 для охлаждения плотно облегающей обоймы 8, при прекращении процесса нагрева, способствуют быстрому охлаждению кристаллизующейся радиоактивной среды в циркуляционной трубе 5 и исключают образование накипи на стенках циркуляционной трубы 5.
Таким образом, предлагаемая конструкция выпарного аппарата с выявленной зависимостью позволяет повысить скорость циркуляции раствора при обеспечении ядерной безопасности и увеличении ресурса работы выпарного аппарата.