РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИИ РАДИОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Полезная модель относится к области технологического оборудования и может быть использована для проведения каталитически активируемых окислительно-восстановительных процессов на поверхности твердофазного катализатора в многофазных системах (водная фаза/газовая фаза; органическая фаза/водная фаза/газовая фаза; водная фаза/газовая фаза/твердая фаза, предполагает использование реагентов на входе в газообразном и жидком виде (органическая фаза, водная фаза), выделение продуктов на выходе в газообразном, жидком (органическая фаза, водная фаза), твердом виде).
Полезная модель предполагает многоцелевое использование в качестве универсального устройства и может применяться в комплексных технологических схемах на различных переделах радиохимического производства (операциях переработки ОЯТ, требующих дистанционного обслуживания) и обеспечивает реализацию: каталитически активируемого процесса окислительной деструкции органических компонентов потока технологических сдувок; каталитически активируемого процесса окислительной деструкции органических компонентов технологических растворов; каталитически активируемого процесса восстановительной регенерации азотной кислоты из парогазовой фазы аппаратов термохимической переработки ОЯТ; каталитически активируемого процесса денитрации технологических растворов; каталитически активируемого массообменного процесса из потока органической фазы; каталитически активируемого процесса восстановления актиноидов в потоке водной фазы; каталитически активируемого процесса отделения неорганических компонентов потока водной фазы на твердой фазе катализатора. Многофункциональность устройства при проведении каталитически активируемых процессов определяется необходимостью использования в различных процессах радиохимического производства однотипных аппаратов, тенденцией к упрощению процесса дистанционного обслуживания, необходимостью разработки унифицированных модулей и узлов, обеспечивающих простоту выполнения операции при использовании манипуляторных технологий.
Использование пористой зернистой насадки с развитой площадью поверхности является часто используемым в конструкции аппаратов колонного типа для проведения массообменных процессов в многофазных системах. Из существующего уровня техники известен способ проведения массообмена в системе двух несмешивающихся жидкостей и устройство для его осуществления [RU 2454270 C1, опубл. 27.06.2012], предназначенное для проведения массообмена в системе двух несмешивающихся жидкостей, проведения массообмена представляет собой колонну, заполненную зернистой насадкой, образованной монолитными (не пористыми) сферическими частицами инертного материала (металл, стекло) с крупностью зерна 0,25÷1,2 мм. Недостатками указанного устройства являются: область использования устройства ограничивается системой водной и органической фаз, предполагающей проведение только процессов экстракции-реэкстракции; отсутствие каталитической активации проводимых массообменных процессов; конструкция аппарата не предусматривает ядерно-безопасного исполнения; обслуживание устройства не предполагает возможность организации дистанционной эксплуатации в условиях ионизирующего излучения.
Реализуемая в полезной модели при проведении каталитически активируемых процессов окислительной деструкции органических компонентов конструкция зона разделения с использованием источника УФ-излучения может рассматриваться как отдельный фотохимический реактор. Из существующего уровня техники известно устройство для очистки жидких радиоактивных отходов, содержащее фотохимический реактор в виде герметичного корпуса с входным и выходным отверстиями с установленным в нем электроразрядным источником ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы и блок питания, подключенный к импульсной газоразрядной лампе, с накопительным конденсатором, зарядным устройством на основе преобразователя «напряжение - ток» и системой инициирования разряда в виде генератора высоковольтных импульсов [Патент на полезную модель №127507, G21F 9/04, опубл. 27.04.2013].
Недостатками указанного устройства являются: непосредственный контакт стенок УФ-лампы с рабочей средой снижает ресурс использования лампы реактора, не позволяет производить оперативную замену лампы без разгерметизации аппарата, снижает уровень безопасности; способ уплотнения лампы при вертикальном расположении реактора не обеспечивает герметичность аппарата, регламентируемую в условиях радиохимического производства; резьбовые соединения, используемые при уплотнении фланцев, не позволяют производить дистанционное обслуживание аппарата; внутренние элементы аппарата (шпильки, дефлекторы) экранируют часть потока ультрафиолетового излучения; гидродинамический режим работы аппарата, обусловленный использованием дефлекторов, не позволяет получить равномерное облучение элементарного объема турбулентного потока среды; значительная толщина облучаемого слоя не позволяет эффективно использовать УФ-экспонирование жидких сред, содержащих ультратонкие дисперсии и коллоидные взвеси.
Известна конструкция кожухотрубного реактора для проведения экзотермических и эндотермических реакций, содержащего корпус, трубные решетки, пучки труб, внутри которых размещен катализатор, технологические патрубки для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя и распределительные устройства в виде трубок с крышками, установленные внутри каждой трубы у нижнего торца [Патент на полезную модель №88287, B01J 8/00, опубл. 2009]. К недостаткам указанной конструкции стоит отнести занижение сечения на входе в каталитическую колонну путем организации кольцевого зазора, которое вызывает изменение гидродинамического режима процесса и приводит к преждевременному механическому истиранию гранул катализатора в турбулентном потоке среды; расположение нескольких каталитических колонн в общем пространстве теплоносителя не позволяет оперативно производить разгрузку каждой колонны отдельно; организация общего потока питания для всех колонн не позволяет стабилизировать гидродинамический режим каталитических элементов, поскольку скорость потока в отдельно взятой колонне определена гидродинамическим сопротивлением остальных колонн; значительный объем теплоносителя, находящегося в межколонном пространстве не позволяет получать высокую кратность обмена теплоносителя и проводить оперативное изменение температурного режима аппарата.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленной конструкции является реактор для химических реакций в трехфазной системе, включающий корпус с размещенным в нем катализатором, устройство ввода газа, устройство ввода жидкости и устройство вывода компонентов реакционной смеси (принят за прототип) [Патент на полезную модель №69770, B01J 8/22, опубл. 10.01.2008]. Недостатками указанного реактора являются: конструкция аппарата не предусматривает ядерно-безопасного исполнения; конструкция аппарата не является дистанционно-обслуживаемой в условиях радиохимического производства, т.е. не предполагает замену узлов аппарата и каталитических элементов при помощи манипулятора; многофазная система, используемая в аппарате, исключает проведение катализируемых окислительно-восстановительных массообменных процессов с участием органической фазы, например экстракционных, сепарационных, хроматографических; использование тонкой фильтрующей перегородки в качестве твердофазного катализатора неэффективно по причине незначительной активной поверхности и короткого времени контакта, что подтверждается дополнительным пользованием слоя твердофазного либо суспензированого катализатора; использование металлокерамической перегородки в качестве эффективного твердофазного катализатора предполагает увеличение ее толщины, что повышает гидродинамическое сопротивление системы и требует создание существенного давления среды на входе в реактор; дополнительно используемый слой твердофазного катализатора имеет соотношение высота/диаметр не более 1:1 и не обеспечивает интенсивности контакта с активной поверхностью катализатора при высоких расходах, технологически необходимых для минимизации времени контакта отдельных радиохимических процессов.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание реактора универсального применения для проведения различных каталитических процессов в переделах радиохимического производства, требующих соблюдения условий ядерной безопасности и дистанционного обслуживания, функционирующего в многофазных системах восходящих потоков водной фазы, газовой фазы, органической фазы в присутствии твердофазного катализатора.
Данная задача решается за счет того, что реактор для проведения гетерогенно-каталитических процессов в технологии радиохимического производства, функционирующий в многофазных системах восходящих потоков фаз через зернистый слой твердофазного катализатора, содержит зону смешения, зону ламинаризации потока, зону катализа, зону разделения фаз, технологические патрубки ввода и вывода компонентов реакционной смеси, элементы крепления и узлы герметизации.
Ядерная безопасность в ходе эксплуатации реактора обеспечивается геометрической формой реактора (а именно соблюдением критического диаметра реактора при работе с делящимися материалами). Дистанционное обслуживание реактора осуществляется копирующими или силовыми манипуляторами (типа Wälischmiller А-200, А-100, А-1000), определяя при этом пригодность реактора к эксплуатации в условиях повышенного ионизирующего излучения в условиях горячих камер и каньонов и исключая возможность облучения персонала и загрязнения производственных помещений. Диспергирование газовой фазы в восходящем водном потоке осуществляется при прохождении через мембранную перегородку, а применение ультразвукового диспергатора позволяет интенсифицировать смешение газового и водного потоков. При проведении каталитических процессов отношение «диаметр/высота» насыпного слоя катализатора в реакторе составляет 1:3÷1:30, что позволяет добиться максимальной эффективности работы катализатора. Перемешивание раствора в поровом пространстве насыпного слоя катализатора производится посредством интенсивного самопроизвольного газовыделения, что позволяет отказаться от использования специального перемешивающего устройства, тем самым, упростив конструкцию реактора. Конструкция реактора также обеспечивает возможность проведения гетерогенного каталитического процесса при одновременном содержании в исходном потоке и водной и органической фаз. Реактор дополнительно оборудован рубашкой обогрева для интенсификации протекающих каталитических процессов, а также, в частном случае, может содержать источник УФ-излучения, повышающий эффективность процессов окислительной каталитической деструкции.
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей реактора при проведении гетерогенных каталитических процессов с делящимися материалами, возможность дистанционного обслуживания при эксплуатации реактора в условиях радиохимического производства, интенсификация каталитических химико-технологических процессов радиохимической технологии.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - общий вид реактора;
На фиг. 2 - камера разделения, оборудованная источником УФ-излучения;
На фиг. 3 - схема крепления реактора в дистанционно-обслуживаемой зоне;
На фиг. 4 - схема разборки отдельных модулей реактора в дистанционно-обслуживаемой зоне.
Реактор состоит из основных частей, обеспечивающих функциональные возможности аппарата для различных процессов: зоны смешения (1), зоны ламинаризации потока (2), зоны катализа (3), зоны разделения фаз (4). Каждая из зон аппарата является отдельным конструкционным элементом, может извлекаться и заменяться в процессе работы, содержит уплотнительные узлы фланцевого соединения, рубашку обогрева (5). Зона смешения содержит питающие патрубки потоков органической (6), водной (7) и газовой фаз (8), с расположением, обеспечивающим грубое смешение фаз, пористую перегородку (9), выполненную из проницаемого материала, ультразвуковой диспергатор (10), интенсифицирующий режим смешения. Максимальная полнота смешения потоков достигается вертикальным расположением волновода ультразвукового диспергатора на расстоянии 30-100 мм от пористой перегородки. Зона катализа содержит разъемные сетчатые перегородки (11), между которыми находится неподвижный уплотненный слой катализатора (12). Конструкция зоны катализа позволяет производить дистанционную перегрузку и заданную степень уплотнения катализатора. Зона разделения содержит патрубки для отвода потоков органической (13), водной (14) и газовой фаз (15), с расположением, обеспечивающим полное разделение фаз.
Зона разделения фаз при реализации процессов окислительной каталитической деструкции органических (комплексо- и коллоидообразующих) компонентов жидких радиоактивных отходов (ЖРО) имеет кольцевую конструкцию, содержит уплотненный кварцевый контейнер (16), в котором располагается источник УФ-излучения (17). Кольцевая форма зоны разделения обеспечивает достаточную для получения результата экспозицию элементарного объема за счет однородного движения потоков в зазоре 3-20 мм между внутренней стенкой аппарата и внешней стенкой кварцевого контейнера. Увеличение качественных характеристик процесса достигается проведением в заявляемом аппарате УФ-облучения после каталитической обработки потока, основывается на синергетическом эффекте от воздействия УФ-излучения на каталитически генерированные окислительные радикалы. Геометрические размеры каждой зоны зависят от специфики реализуемого процесса и приведены в таблице 1-6.
Реактор также содержит конструкционные элементы крепления (опоры (18) и (19)), узлы герметизации, позволяющие дистанционно производить монтаж/демонтаж аппарата, замену отдельных узлов, технологические операции по загрузке и извлечению катализатора.
Герметичность аппарата достигается сжатием уплотнительных колец из радиационно-стойкой резины во фланцевых соединениях, стягиваемых струбцинными упорами (20) посредством вращения редукторных групп (21). Вращательное движение от редукторной группы передается через шарнирное соединение карданного типа (22) на ось, которая с помощью резьбового соединения сопряжена со струбцинным упором. Поочередное вращение редукторных групп узла герметизации обеспечивает фиксацию конструкционных элементов в вертикальной плоскости. Шарнирное соединение оси с валом редукторной группы, позволяет устанавливать и отсоединять струбцинные упоры от фланца, обеспечивая максимальную подвижность узла. Форма и расположение струбцинного упора позволяет равномерно распределять усилие по всей площади фланца. Использование паза во фланце обеспечивает фиксацию струбцинного упора в заданном положении при стягивании. Узел герметизации может быть организован для одновременного соединения одного или более фланцев. Узел герметизации может содержать две и более редукторные группы. Редукторные группы узла герметизации могут иметь как верхнее, так и нижнее расположение. Вращение редукторных групп может производиться с помощью манипулятора, так и с помощью внешнего привода, соединенного с редукторной группой гибким валом. Организация узла герметизации является отличительным признаком заявляемого аппарата и позволяет производить с помощью манипулятора сборку двух и более конструкционных элементов.
Реактор (колонна) устанавливается с помощью грузоподъемного механизма и манипулятора посредством быстроразъемных соединений на основание, установленное на полу, либо консольно закрепленное на стене при помощи кронштейнов. Опоры аппарата устанавливаются в пазы основания, фиксируются зажимами, либо другими известными дистанционно обслуживаемыми способами. Конструкционный элемент, являющийся общим для зоны ламинаризации потока и зоны смешения, жестко прикреплен к опорам и является стационарными. Конструкционные элементы зоны катализа и зоны разделения фаз являются мобильными, крепятся к консольно-закрепленным шарнирным поворотным штангам и могут перемещаться в горизонтальной плоскости на угол до 180°, в вертикальной плоскости - на угол 2-5°, дистанционно отсоединяться от штанг. При монтаже конструкционный элемент зоны катализа помещается манипулятором в быстроразъемный суппорт поворотной штанги, передвижением штанги устанавливается совмещением репера на ответный фланец конструкционного элемента зоны ламинаризации потока, фиксируется в горизонтальной плоскости положением штанги. Аналогичным образом устанавливается конструкционный элемент зоны разделения фаз.
Режим работы аппарата зависит от технологических особенностей реализуемого процесса и предполагает варьирование геометрических параметров отдельных зон аппарата и изменение их функционального назначения в соответствии с требованиями к отдельным стадиям.
Каталитически активируемый процесс восстановительной регенерации азотной кислоты из парогазовой фазы аппаратов термохимической переработки ОЯТ, основан на увеличении скорости и полноте восстановления азотной кислоты на поверхности твердофазного катализатора, реализуется в предлагаемом аппарате посредством: стадии абсорбции водным потоком компонентов парогазовой фазы; стадии каталитического восстановления отделяемых из парогазовой фазы соединений (с целью увеличения растворимости в водном потоке); стадии каталитического восстановления азотной кислоты с выделением в очищенную газовую фазу оксида азота; стадии концентрирования в циркулирующем водном потоке отделяемых из парогазовой фазы компонентов. Процесс осуществляют следующим образом: из поступающего через питающий патрубок восходящего парогазового потока (8) в зону смешения (1), производится диспергирование газовой фазы в восходящем водном потоке при прохождении через мембранную перегородку (9) с размером пор 20-200 мкм. Дополнительное смешение газового и водного потоков может производиться посредством ультразвукового диспергатора (10), установленного в зоне смешения. В зоне ламинаризации (2) потока массоперенос компонентов газового потока из парогазовой фазы в водную фазу обусловлен абсорбционными процессами. В зоне катализа (3) массоперенос компонентов обусловлен сепарационным смешением на зернистом слое однонаправленных потоков. Полнота отделения из горячей парогазовой фазы микровзвесей, аэрозолей, водорастворимых газов, подлежащих улавливанию, воды достигается конструкцией зоны смешения, зоны ламинаризации потока и зоны катализа, способом диспергирования, скоростью потоков, длительностью контакта, температурным режимом. При этом обеспечивается полное поглощение водной фазой диоксида азота и азотной кислоты. Каталитическое восстановление азотной кислоты обеспечивается при прохождении через зернистый слой катализатора водного потока, содержащего восстановитель, и сопровождается выделением оксида азота в газовую фазу. Полнота восстановления обеспечивается конструкцией и геометрическими размерами зоны катализа, гранулометрическими характеристиками, каталитической активностью зернистого слоя, длительностью контакта, температурным режимом процесса, активностью восстановительной системы и концентрационным профилем водного потока. Гидродинамический режим в зоне катализа достигается путем взаимного перемешивания в неподвижном уплотненном зернистом слое катализатора (12) однонаправлено движущихся потоков газовой и водной фаз. Водная фаза циркулирует восходящим потоком по контуру с подачей через питающий патрубок в зоне смешения (4) и выходом через отводящий патрубок в зоне разделения (14). Уровень концентрации восстановителя в контуре водного потока поддерживается корректировкой раствора перед подачей в колонну. Очистка водного потока производится известными способами, как постоянно в режиме циркуляции, так и периодически путем выведения из оборота после достижения насыщения водного потока по абсорбированным из газового потока компонентам. Газовая фаза, содержащая оксид азота и газообразные продукты восстановления, отделяется от водного потока в зоне разделения и удаляется через отводящий патрубок (15). Отсутствие капельного уноса газовым потоком обеспечивается конструкцией зоны разделения и расположением отводящих патрубков. Окисление оксида азота, отделение побочных газообразных продуктов реакции, и синтез азотной кислоты производятся из отделенной газовой фазы известными способами.
Каталитически активируемый процесс окислительной деструкции органических компонентов потока технологических сдувок основан на увеличении скорости и полноты окисления органических веществ на поверхности неподвижного твердофазного катализатора и реализуется в предлагаемом аппарате посредством: стадии абсорбции водным потоком компонентов газовой фазы; стадии каталитической окислительной деструкции органических компонентов; отделяемых из газовой фазы; стадии разделения газового и водного потоков; стадии концентрирования продуктов деструкции в водном потоке. Процесс осуществляют следующим образом: из поступающего через питающий патрубок восходящего парогазового потока (8) в зону смешения (1), производится диспергирование газовой фазы в восходящем водном потоке при прохождении через мембранную перегородку (9) с размером пор 20-200 мкм. В зоне ламинаризации потока (2) массоперенос компонентов газового потока из парогазовой фазы в водную фазу обусловлен абсорбционными процессами. В зоне катализа (3) массоперенос компонентов обусловлен смешением на зернистом слое однонаправленных потоков. Водный поток содержит окислительную систему, содержащую один компонент или более. Каталитическое окисление органических компонентов абсорбированных в водный поток из газовой фазы реализуется в зернистом слое катализатора (12) по ионообменному или адсорбционному механизму с полной десорбцией продуктов деструкции с поверхности катализатора. Полнота окислительной деструкции органических компонентов обеспечивается конструкцией и геометрическими размерами зоны катализа, гранулометрическими характеристиками, каталитической активностью зернистого слоя, длительностью контакта, температурным режимом процесса, активностью окислительной системы и концентрационным профилем водного потока. Гидродинамический режим в зоне катализа достигается путем взаимного перемешивания в неподвижном уплотненном зернистом слое катализатора однонаправлено движущихся потоков газовой и водной фаз. Водная фаза циркулирует восходящим потоком по контуру с подачей через питающий патрубок (7) в зоне смешения (1) и выходом через отводящий патрубок (14) в зоне разделения (4). Уровень концентрации компонентов окислительной системы в контуре водного потока поддерживается корректировкой раствора перед подачей в колонну. Очистка водного потока от растворимых продуктов окислительной деструкции производится известными способами, как постоянно в режиме циркуляции, так и периодически путем выведения из оборота после достижения насыщения водного потока продуктами окислительной деструкции. Интенсификация окислительной деструкции достигается введением источника УФ-излучения в кварцевый контейнер (16), вертикально расположенный в зоне разделения. Отсутствие капельного уноса газовым потоком обеспечивается конструкцией зоны разделения и расположением отводящих патрубков. Очищенная газовая фаза, содержащая простые газообразные продукты в сбросных концентрациях, через отводящий патрубок зоны разделения поступает в коммуникации газоотведения.
Каталитически активируемый массообменный процесс из потока органической фазы основан на эффекте вытеснения в водную фазу отделяемого элемента при изменении его степени окисления за счет снижения растворимости в органической фазе его восстановленных форм, получаемых при каталитической активации, реализуется в предлагаемом аппарате посредством: стадии грубого эмульгирования водной и органической фаз с целью получения устойчивого потока питания; стадии сепарационного эмульгирования на поверхности зернистого слоя катализатора с получением сплошной фазы; стадии каталитического восстановления соединений элемента на поверхности зернистого слоя из сплошной фазы, стадии насыщения водной фазы реэкстрагируемым элементом, стадии разделения фаз, стадии периодической активации катализатора. Процесс осуществляют следующим образом: поступающие в зону смешения (1) через питающие патрубки (7) и (8) водная фаза, содержащая восстановитель, и органическая фаза, представляющая собой экстракт извлекаемого элемента, смешиваются с образованием единого восходящего потока питания. Более глубокое эмульгирование фаз может производиться посредством ультразвукового диспергатора (10), установленного в зоне смешения. Преодолевая пористую перегородку (9) 20-200 мкм, смешанные фазы дополнительно усредняются, и в ламинарном режиме восходящим потоком поступают в зону катализа (3). Поступающий поток подвергается сепарационному смешению, обусловленному развитой поверхностью зернистого слоя. В результате процесса восстановления, катализируемого на поверхности зерна, восстановленные формы элемента реэкстрагируются в водную фазу. При движении сепарированного потока сплошной фазы через столб катализатора происходит насыщение водной фазы реэкстрагируемым элементом. Полнота выделения элемента в водную фазу обеспечивается экстракционной способностью органической фазы, гранулометрическими характеристиками, каталитической активностью зернистого слоя, температурным режимом. Уровень концентрации извлекаемого элемента в водной фазе обеспечивается конструкцией и геометрическими размерами зоны катализа, временем контакта, скоростью потока, концентрационным профилем исходных потоков. Гидродинамический режим в слое катализатора достигается перемешиванием путем выделения газовой фазы, образующейся в результате реакции восстановления. Поступающий в зону разделения поток сплошной фазы под действием гравитационных сил разделяется на два потока - на поток водной фазы и поток органической фазы, удаление которых из аппарата производится через отводящие патрубки (13) и (14). Полнота отделения фаз обеспечивается конструкцией и геометрией зоны разделения (4). Определение уровня границы раздела фаз производится по электропроводности среды, при помощи расположенных в зоне разделения контактных групп. Отведение газовой фазы производиться через соответствующий патрубок (15) в верхней точке зоны разделения. Периодичность и режимы активации колонны определяются технологическим процессом.
Каталитически активируемый процесс окислительной деструкции органических компонентов технологических растворов и жидких радиоактивных отходов основан на увеличении скорости и полноты окисления органических веществ (комплексонов, поверхностно-активных веществ, высокомолекулярных соединений и др.) при прохождении потока через зернистый слой неподвижного твердофазного катализатора и может быть реализован в предлагаемом аппарате посредством: стадии термостатирования и ламинаризации потока; стадии каталитического окисления; стадии отделения образующейся газовой фазы; стадии периодической активации катализатора. Процесс осуществляют следующим образом: водный раствор, содержащий растворенные органические соединения и окислительную систему из одного или более окислителей, поступая через питающий патрубок (7) в зону смешения (1) и далее в зону ламинаризации потока (2), нагреваясь до заданной температуры, восходящим потоком проходит через зернистый слой катализатора (12). Каталитическое окисление органических компонентов раствора происходит в зернистом слое катализатора по ионообменному или адсорбционному механизму с полной десорбцией продуктов деструкции с поверхности катализатора. Полнота окислительной деструкции органических компонентов обеспечивается конструкцией и геометрическими размерами зоны катализа (3), гранулометрическими характеристиками, каталитической активностью зернистого слоя, длительностью контакта, температурным режимом процесса, активностью окислительной системы и концентрационным профилем потока. В результате протекающих реакций происходит выделение газовой фазы, которая, двигаясь по поровому пространству в вертикальном направлении с большей скоростью, чем водный поток, производит перемешивание восходящего водного потока и, отделяясь в зоне разделения от раствора, удаляется из аппарата через отводящий патрубок (15). Очищенный от органических компонентов водный поток удаляется из аппарата через отводящий патрубок в зоне разделения (14). Интенсификация окислительной деструкции может быть достигнута введением источника УФ-излучения в кварцевый контейнер (16), вертикально расположенный в зоне разделения (4). Необходимость периодической активации катализатора определяется технологическим процессом для увеличения каталитической активности зернистого слоя, производится восходящим потоком смеси сильных окислителей с целью очистки поверхности катализатора и порового пространства зернистого слоя, для доокисления продуктов реакции и их полной десорбции с поверхности катализатора. Эффективность стадии активации катализатора обеспечивается температурным режимом, длительностью контакта, скоростью потока и концентрационным профилем окислительной системы.
Каталитически активируемый процесс отделения неорганических компонентов потока водной фазы на поверхности твердофазного катализатора (путем восстановления на поверхности зернистого слоя) основан на концентрировании из раствора на поверхности катализатора микроколичеств восстановленных форм элементов с последующим извлечением отделяемых компонентов из зернистого слоя системами сильных окислителей и реализуется в предлагаемом аппарате посредством: стадии термостатирования и ламинаризации потока; стадии каталитического восстановления в зернистом слое; стадии отделения образующейся газовой фазы; стадии извлечения отделяемого компонента из зернистого слоя. Процесс осуществляют следующим образом: содержащий отделяемый компонент водный поток корректируется заданным количеством восстановителя и поступает в зону смешения (1), объединенную с зоной ламинаризации потока (2) через питающий патрубок (7), нагревается до заданной температуры, и восходящим потоком проходит через зернистый слой катализатора (12). Каталитическое восстановление микроколичеств извлекаемого элемента происходит по ионообменному или адсорбционному механизму без десорбции восстановленных форм с поверхности катализатора. Полнота восстановительного концентрирования микроколичеств извлекаемого элемента в зернистом слое катализатора обеспечивается каталитической активностью и емкостью по отделяемому элементу зернистого слоя, адсорбционными свойствами получаемых соединений, степенью уплотнения зернистого слоя (определяющей объем порового пространства), длительностью контакта, температурным режимом процесса, концентрационным профилем потока. Селективность извлечения обеспечивается свойствами восстановительной системы и параметрами процесса. Гидродинамический режим в слое катализатора поддерживается посредством барботажного перемешивания пузырьками газовой фазы, образующимся в результате реакции восстановления. Очищенный от отделяемого компонента водный поток поступает в зону разделения (4), где оделяется от газовой фазы и удаляется из аппарата через отводящий патрубок (14). Отведение газовой фазы производиться через соответствующий патрубок в верхней точке зоны разделения (15). Периодичность стадии извлечения с поверхности катализатора восстановленных форм отделяемого элемента, обусловленная емкостью и гидродинамическим сопротивлением зернистого слоя, определяется технологическим процессом. Извлечение производится восходящим водным потоком смеси окислителей с целью полного перевода в промывной раствор и получения концентрата отделяемого элемента, а также с целью очистки поверхности катализатора и порового пространства зернистого слоя. Эффективность стадии извлечения из зернистого слоя катализатора отделяемого компонента обеспечивается активностью и концентрационным профилем окислительной системы, температурным режимом, объемом промывного раствора, пропущенного через катализатор.
Каталитически активируемый процесс восстановления актиноидов в потоке водной фазы основан на увеличении скорости восстановления на поверхности твердофазного катализатора ионных форм актиноидов, селективности восстановленного процесса, стабилизации в получаемом растворе восстановленных ионных форм избытком восстановителя и достигается путем реализации в предлагаемом аппарате: стадии термостатирования и ламинаризации потока; стадии каталитического восстановления в зернистом слое; стадии отделения образующейся газовой фазы; стадии периодической активации катализатора. Процесс осуществляют следующим образом: содержащий соединения актиноида водный поток корректируется заданным количеством восстановителя, поступает в зону смешения (1), объединенную с зоной ламинаризации потока (2) через питающий патрубок (7), нагревается до заданной температуры, и восходящим потоком проходит через зернистый слой катализатора (12). Протекающие на поверхности катализатора процессы происходят по адсорбционному или ионообменному механизму с полной десорбцией в раствор восстановленных ионных форм актиноида, поскольку сопровождаются интенсивным газовыделением, обеспечивающим перемешивание. Полнота восстановительного процесса обеспечивается каталитической активностью зернистого слоя, температурным режимом, концентрационным профилем водного потока, длительностью контакта. Селективность восстановительного процесса обеспечивается свойствами восстановительной системы, температурным режимом. Водный поток, содержащий восстановленную форму актиноида, поступает в зону разделения (4), где оделяется от газовой фазы и удаляется из аппарата через отводящий патрубок (14). Отведение газовой фазы производиться через соответствующий патрубок в верхней точке зоны разделения (15). Активация каталитических центров поверхности частиц зернистого слоя производится восходящим потоком как окислительными, так и восстановительными системами. Периодичность активации определяется необходимостью регенерации каталитических свойств зернистого слоя. Эффективность стадии активации катализатора обеспечивается температурным режимом, длительностью контакта, скоростью потока особенностями, концентрационным профилем окислительной или восстановительной системы.
Заявленная полезная модель имеет следующие преимущества перед прототипом: ядерно-безопасное исполнение реактора обеспечивает возможность проведения гетерогенных каталитических процессов с делящимися материалами; обеспечивает возможность дистанционного обслуживания при эксплуатации реактора в условиях радиохимического производства, позволяет исключить влияние ионизирующего излучения на персонал и загрязнения производственных помещений; конструкция реактора позволяет производить замену отдельных модулей устройства без проведения полного демонтажа устройства; конструкция зоны катализа позволяет интенсифицировать процесс при помощи изменения соотношения диаметр/высота насыпного слоя катализатора; обеспечивает возможность проведения каталитического процесса при одновременном поступлении водной и органической фаз в исходном восходящем потоке; обеспечивает возможность осуществления дополнительной УФ-обработки раствора в зоне разделения; обеспечивает интенсификацию смешения фаз посредством установленного в зоне смешения ультразвукового диспергатора.