РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНОЙ ИОНООБМЕННОЙ СМОЛЫ КОНДУКТИВНОЙ СУШКОЙ ПОД ВАКУУМОМ

Полезная модель относится к области переработки радиоактивных ионообменных смол (РИОС) с получением продукта, пригодного для долгосрочного безопасного хранения.
Долгосрочное безопасное хранение отработанных РИОС в герметичном невозвратном защитном контейнере (НЗК) возможно при условии остаточной влажности «воздушно» сухой смолы не более 3 массовых %. Данный предел обусловлен возможным радиолизом остаточной влаги при хранении/захоронении НЗК.
Переработка РИОС сушкой должна производиться при температуре, исключающей ее термическое разложение с последующим газовыделением.
Рассматривается периодическая кондуктивная сушка смол при температуре до 90°С под вакуумом 95% (давление 6 кПа или 40 мм рт.ст) [1. Н.А. Прохоров и др. Установка термовакуумной сушки отработавших ионообменных смол. АО «Атомпроект», Санкт-Петербург]. Этот режим рекомендуется учитывать при разработке реакторов для термической переработки (сушки) РИОС, так как он исключает их термическое разложение и позволяет избежать сложной системы газоочистки.
Отличительным признаком разрабатываемой технологии является отсутствие фильтров, удерживающих продукты термического разложения РИОС.
Известен реактор, работающий в составе установки для термической переработки радиоактивной ионообменной смолы (РИОС), заключающейся в ее обезвоживании [2. Патент на полезную модель №121396 G21F 9/28, 2002]. Он представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд из нержавеющей стали с коническим днищем. В верхней части сосуда имеется герметичная крышка с загрузочным узлом. В коническом днище сосуда расположен выгрузочный узел. В коническом днище также имеется штуцер для выхода воды и пара в систему конденсации и создания вакуума. Реактор снабжен электрическим нагревателем, расположенным на его наружной поверхности. Также на наружной стенке реактора установлены термоэлектрические преобразователи для контроля температуры и ее регулирования изменением электрической мощности нагревателя. Недостатком реактора можно считать то, что передача тепла к осушаемому продукту осуществляется только от стенки реактора, что при относительно малой теплопроводности РИОС замедляет процесс их сушки.
Известен реактор, работающий в составе опытной установки периодического действия для отработки технологии переработки РИОС АЭС, описанной в [1]. По производительности (порция перерабатываемой смолы 100 кг) он соответствовал промышленным требованиям.
3
Реактор выполнен в виде вертикального цилиндрического сосуда вместимостью 100 дм с коническим днищем, закрытым герметичной крышкой. В крышке установлены электронагреватели для подвода тепла в слой загруженной смолы, а также имеется штуцер для загрузки смолы и выхода парогазового потока. В коническом днище реактора имеется дренажное устройство с решеткой для фильтрации свободной воды после загрузки влажной смолы, а также штуцер с задвижкой для выгрузки высушенной смолы. На наружной стенке реактора, под слоем изоляции, установлены электронагреватели и датчики температуры для ее регулирования с помощью изменения мощности электронагревателей (установленная мощность - 10 кВт).
При испытании реактора по сушке 100 кг смолы с влагосодержанием 60 массовых %, за 8 часов остаточное влагосодержание смолы в среднем составило 13 массовых %. При этом температура в слое смолы была не более 100°С, а давление в паровом пространстве реактора составляло 6 кПа.
Описанный реактор наиболее близок к заявляемому и принят в качестве прототипа.
3
Испытания опытного реактора промышленного масштаба с неподвижным слоем смолы в режиме сушки (температура 90°С, давление 6 кПа), показало следующее: за 8 часов сушки в рекомендуемом режиме было удалено 100% свободной и 68% связанной воды. Средняя интенсивность испарения составила 7 кг/ч (70 кг/ч с 1 м объема аппарата). То есть интенсивность сушки была очень низкая.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Задачей полезной модели является достижение требуемого значения (1-5%) остаточной влажности продукта, обеспечивающее его безопасное долговременное хранение в герметичном НЗК.
Техническим результатом настоящей полезной модели является интенсификация процесса сушки.
Технический результат достигается за счет того, что реактор для переработки радиоактивной ионообменной смолы кондуктивной сушкой под вакуумом содержит вертикальный цилиндрический корпус, крышку, а также реактор снабжен рубашкой паровой, внутрь корпуса установлена теплообменная трубка Фильда, имеющая оребрение, а также реактор имеет пружину опорную и вибровозбудитель с толкателем. Трубка Фильда жестко соединена с опорной плитой, а также на входе в реактор имеет уплотнение, например сильфонное.
Замена подвода тепла от электронагревателя на паровой, обеспечивает равномерность распределения заданной температуры по всей тепловыделяющей поверхности (и позволяет избежать местных перегревов и термического разложения смолы). Использование трубки Фильда влияет на повышение интенсификации за счет увеличения греющей поверхности, тепло от которой передается зернам смолы, тем самым увеличивая толщину слоя, в котором тепло передается от зерна к зерну с высоким коэффициентом теплопередачи.
Применение подвижных (за счет опорной пружины и вибровозбудителя) оребренных внутренних поверхностей нагрева (трубка Фильда) обеспечивает подвижность прилегающего к ним слоя смолы и интенсификацию теплоотдачи за счет «перемешивания» зерен смолы, тем самым увеличивая общее количество зерен, которые непосредственно контактируют с греющей поверхностью, что увеличивает общий коэффициент теплопередачи.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, конструкция реактора схематично показана на фигуре 1.
Реактор для переработки радиоактивной ионообменной смолы кондуктивной сушкой под вакуумом содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с коническим днищем, крышку 2, установленную герметично, рубашку паровую 3, трубку Фильда 4 с оребрением, установленные внутрь сосуда через крышку 2, плиту опорную 5, пружину опорную 6, уплотнение сильфонное 7 крышки 2, вибровозбудитель 8 с толкателем, дренажную решетку 9 для отцеживания свободной воды, штуцер 10 для загрузки смолы, штуцер 11 для входа греющего пара, штуцер 12 для выхода парогазовой фазы к вакууму, штуцер 13 для слива свободной воды, штуцер 14 для выгрузки обезвоженной смолы, штуцер 15 для выхода конденсата греющего пара, задвижка 16 для слива свободной воды, задвижка 17 для выгрузки обезвоженной смолы, сигнализатор 18 уровня смолы, датчик 19 температуры стенки, датчик 20 температуры в слое смолы.
Теплообменная трубка Фильда 4 (термин, принятый в технике для обозначения теплообменника «труба в трубе», с заглушенной наружной трубой), установленная внутри реактора, оребрена для увеличения поверхности теплообмена и передачи механической энергии (движения) зернам смолы. Герметизация трубки Фильда при проходе через крышку 2 реактора осуществляется сильфоном 7, приваренным одним концом к крышке 2, а другим - к трубке Фильда 4. Плита опорная 5 обеспечивает пространственную ориентацию трубок Фильда 4 внутри реактора.
Приведем пример работы реактора, например, с двумя трубками Фильда 4.
РИОС подается в корпус 1 с одновременной фильтрацией транспортной воды через дренажную решетку 9, после заполнения реактора влажной смолой через штуцер 10 для загрузки смолы, контроль заполнения и управление процессом - по сигнализатору уровня смолы 18, подается греющий пар через штуцер 11 для входа греющего пара, в рубашку паровую 3 и трубки Фильда 4, и устанавливается его давление не более 0,2 МПа, чтобы не превысить температуру стенки реактора выше 120°С, контроль осуществляется по датчику 19 температуры стенки и датчику 20 температуры в слое смолы. Через штуцер 12 для выхода парогазовой фазы к вакууму реактор подключается к системе конденсации установки с вакуумом, и начинается процесс обезвоживания.
В верхней части трубка Фильда 4 жестко скреплена с плитой опорной 5, которая установлена на пружину опорную 6, опирающуюся на крышку 2. Пружина опорная 6 воспринимает силу веса от суммы масс трубки Фильда 4 и опорной плиты 5 при условии отсутствия деформации ее и сильфона 7. Вибровозбдитель 8 с приводом установлен на отдельной опоре с условием касания толкателя с опорной плитой 5. При работе толкатель с заданной частотой за счет деформации пружины опорной 6 и сильфона 7 перемещает трубку Фильда 4 вниз, которая своим оребрением воздействует на прилегающий слой зерен смолы. Обратный ход трубки Фильда 4 производится силой упругости пружины опорной 6. По мере высыхания смолы и увеличения подвижности зерен, энергия вибрации распространяется дальше на неподвижный слой. Привод вибровозбудителя 8 включается после удаления от 50 до 70% межзерновой воды, которое определяется по уменьшению скорости испарения. Подсоединение трубопроводов подачи греющего пара к реактору производится гибкими металлорукавами. За счет интенсификации процессов тепломассообмена в подвижном слое по сравнению с неподвижным слоем, процесс сушки смолы значительно ускоряется. Поэтому при одинаковой с реактором-прототипом длительности сушки и порции (массы) загруженной смолы будет достигнута более высокая степень обезвоживания смолы. Применение реактора позволяет значительно упростить систему контроля, управления и автоматизации процесса обезвоживания смолы.
Количество трубок Фильда может быть более одной, и их количество прямо пропорционально зависит от необходимости производительности аппарата.