Способ управления процессом насыщения экстрагента в экстракционной пульсационной колонне ядерно-безопасного исполнения
METHOD FOR CONTROLLING THE PROCESS OF SATURATION OF EXTRACTANT IN EXTRACTION PULSATION COLUMN OF NUCLEAR-SAFE DESIGN

Изобретение относится к способам автоматического управления и регулирования процессов в экстракционных ядерно-безопасных пульсационных колоннах и может быть использовано при аффинажной экстракционной переработке отработанного смешанного нитридного уран-плутониевого ядерного топлива.
В радиохимических производствах для разделения ценных компонентов U-Pu (урана и плутония) и очистки их от продуктов распада традиционно применяются пульсационные экстракционные колонны [Е.Н. Семенов, А.И. Карелин «Математическая модель неравновесного экстракционного процесса в колонном аппарате», Журнал прикладной химии, 1997, т. 70. Вып. 9]. Экстракционная колонна - вертикальный трубчатый аппарат, в котором поступающие реагенты движутся в вертикальном направлении противотоком под воздействием силы тяжести. В противоточных колоннах наряду с переносом вещества движущейся жидкостью наблюдается переход вещества из одной фазы в другую. При этом каждая фаза движется в противоположном направлении по отношению к другой фазе. Колонна состоит из реакционной зоны, верхней отстойной зоны и нижней отстойной зоны. Реакционная зона имеет форму цилиндра, в котором коаксиально в центре располагается центральный стержень, на котором установлены плоские насадки с профилированными отверстиями. Выше и ниже насадочной части расположены, соответственно, верхняя и нижняя отстойные зоны.
Для повышения эффективности массопередачи с одной фазы в другую (повышения производительности), в колонну подается пульсационная энергия, за счет возвратно поступательных движений жидкости, передаваемых в реакционную зону. Эти пульсирующие движения разбивают струйки воды, при прохождении профилирующих отверстий, на мелкие капли.
Для организации пульсации, нижняя часть реакционной зоны гидравлически соединена с пульсационной камерой. В пульсационную камеру через пневмораспределитель подается сжатый воздух.
На колонне проводится экстракция U-Pu из исходного водного раствора (водной фазы) в экстрагент (органическую фазу). В процессе экстракции поток экстрагента движется по колонне снизу-вверх, насыщается металлами U-Pu и насыщенный экстрагент выдается с верхней части колонны (насыщенный металлами экстрагент называется экстракт). Поток исходного раствора соответственно движется в колонне сверху-вниз, переходит за счет действия пульсационной энергии в дисперсную фазу, «отдает» металлы U-Pu в экстрагент, концентрируется из дисперсной фазы в раствор и обедненный выводится с нижней части колонны (обедненный водный раствор называется рафинат). Величина насыщения экстрагента, по высоте реакционной зоны колонны, неравномерна, максимальна вверху, минимальна внизу. В середине реакционной зоны, в месте, где градиент изменения концентрации U-Pu в экстрагенте максимален, происходят основные процессы массопереноса. Положение максимального градиента концентрации (далее по тексту - МГК) металлов в экстрагенте необходимо стабилизировать в средней части реакционной зоны колонны. Необходимость стабилизации положения МГК металлов в экстрагенте в средней части реакционной зоны обусловлена требованиями обеспечения заданного качества разделения и очистки. При перемещении МГК в верхнюю часть реакционной зоны уменьшается насыщение экстракта металлами U-Pu, ухудшается степень очистки за счет включения в экстрагент на выходе колонны (экстракт) продуктов распада. При перемещении МГК в нижнюю часть реакционной зоны происходит ухудшение степени разделения за счет попадания металлов U-Pu в водный раствор (рафинат) на выходе колонны.
Таким образом, для обеспечения максимальной производительности и заданного качества очистки и разделения необходимо управлять процессом насыщения экстрагента, преимущественно изменяя величину расхода водной фазы с целью стабилизировать положение МГК металлов в экстрагенте в средней части реакционной зоны [Карелин А.И., Семенов Е.Н. «Особенности экстракционных процессов, реализуемых в колонном аппарате», Журнал прикладной химии, 1997, т. 70. Вып. 11, Кондаков В.М., Семенов Е.Н., Матюха В.А., Козырев А.С., Рябов А.С., Носков А.Д., Истомин А.Д. «Математическое моделирование переходных процессов в каскаде экстракционных колонн», Известия Томского политехнического университета, 2002, т. 305, №4].
Известен способ автоматического управления процессом жидкостной экстракции в вибрационной колонне [Патент РФ №2481142, опубл. 2013], который включает в себя регулирование расходов исходного водного раствора и экстрагента, образующих дисперсию в колонне, регулирование границы раздела фаз, оценку задержки дисперсной фазы в колонне путем измерения перепада давления и регулирование интенсивности вибрации насадки колонны путем изменения частоты вибрации. При этом дополнительно измеряют средний диаметр капель дисперсной фазы, сопоставляют его с заданным значением и используют возникшее рассогласование для изменения интенсивности вибрации насадки путем регулирования частоты и амплитуды ее вибрации. Регулирование границы раздела фаз производят путем отвода сплошной фазы из нижней части колонны.
Недостатком данного способа является то, что способ автоматического управления процессом жидкостной экстракции решает задачу обеспечения заданного значения градиента концентрации за счет регулирования поверхности массообмена, но не решает задачу стабилизации его местоположения в колонне для обеспечения максимальной производительности при требуемом качестве разделения и очистки. При смещении местоположения максимума заданного градиента концентрации в нижнюю часть колонны ухудшается степень разделения из-за попадания металлов U-Pu в рафинат, соответственно, при смещении местоположения максимума заданного градиента концентрации в верхнюю часть колонны ухудшается степень очистки за счет попадания осколков деления в экстракт.
Наиболее близкой является способ управления экстракционной колонной [УДК 621.039.59: 621.039.7 А.Г. Горюнов, Ю.А. Чурсин, К.В. Турецкое «Система управления экстракционной колонной», Известия вузов. Ядерная энергетика, №1, 2009] включающий подачу в колонну органической и водной фазы, регулирование положения МГК металлов в экстрагенте в колонне путем изменения величины расхода водной фазы при заданном расходе органической фазы, настройку начального режима работы по результатам химического анализа продукта на выходе колонны, определение положения МГК металлов в экстрагенте в реакционной зоне по значениям уровней жидкости в сообщающихся с колонной сосудах и значению концентрации металла, измеряемому с использованием гамма-абсорбциометра, установленного внутри центральной части реакционной зоны колонны.
Недостатком является то, что указанный способ стабилизации положения МГК металлов в экстрагенте практически невозможно реализовать в случае пульсационной колонны ядерно-безопасного исполнения, так как измерение концентрации металлов с использованием гамма-абсорбциометра установленного внутри реакционной зоны ядерно-безопасной колонны невозможно из-за ее ограниченного размера (диаметр реакционной зоны из условий ядерной безопасности не превышает 50 мм). К тому же, гамма-фон от продуктов распада является резко ограничивающим фактором для работы гамма-абсорбциометра. Также фактором, ограничивающим использование предложенного способа, является то, что при внедрении внутрь экстракционной колонны ядерно-безопасного исполнения дополнительных конструкций для измерения плотности продукта, уменьшается производительность колонны и ухудшаются ее технические характеристики из-за уменьшения полезного сечения колонны.
Задачей изобретения является разработка способа управления процессом насыщения экстрагента в колонне для обеспечения стабилизации положения МГК металлов в экстрагенте экстракционной колонны ядерно-безопасного исполнения с обеспечением максимальной производительности колонны и требуемом качестве очистки и разделения.
Технический результат - повышение производительности колонны при высоком качестве продукции, а также надежности системы автоматического управления технологическим процессом.
Технический результат достигается в способе управления процессом насыщения экстрагента в экстракционной пульсационной колонне ядерно-безопасного исполнения, включающем регулирование расходов исходного водного раствора, экстрагента и положения максимального градиента концентрации металлов в экстрагенте, причем настройку положения максимального градиента концентрации металлов в экстрагенте в средней части реакционной зоны проводят по результатам химического анализа проб экстракта и рафината путем регулирования расхода исходного водного раствора при фиксированном заданном расходе экстрагента, затем осуществляют стабилизацию положения максимального градиента концентрации металлов в экстрагенте в средней части реакционной зоны колонны посредством регулирования расхода исходного водного раствора по среднему значению давления воздуха в пульсационной камере при одновременном автоматическом поддержании уровня экстрагента в пульсационной камере с помощью регулирования расхода подаваемого в нее сжатого воздуха.
Предложенный способ основан на эффекте изменения полного веса столба смеси экстрагента и водного раствора в экстракционной колонне возникающего вследствие изменения общего количества металлов U-Pu в смеси экстрагента и водного раствора при изменении положения МГК.
Повышение производительности колонны достигается с помощью стабилизации положения максимального градиента концентрации металлов в экстрагенте в средней части реакционной зоны колонны посредством регулирования расхода исходного водного раствора по среднему значению давления воздуха, подаваемого в пульсационную камеру при одновременном автоматическом поддержании уровня экстрагента в пульсационной камере посредством регулирования расхода сжатого воздуха.
На фиг. 1 изображена схема устройства для реализации предложенного способа управления процессом насыщения экстрагента в экстракционной пульсационной колонне ядерно-безопасного исполнения.
Устройство (см. фиг. 1) содержит экстракционную пульсационную колонну 1 состоящую из реакционной зоны 3, верхней отстойной зоны 2 соединенной с атмосферой и нижней отстойной зоны 4. В нижнюю часть экстракционной пульсационной колонны 1 через регулирующий вентиль 5 подается экстрагент, в верхнюю часть через регулирующий вентиль 6 -исходный водный раствор. С нижней отстойной зоной 4 гидравлически соединена пульсационная камера 10, в которую через регулирующий вентиль 7 из ресивера 14 через пневмораспределитель 13 подается сжатый воздух. Пневмораспределитель 13 периодически (с частотой ориентировочно 100 раз в минуту) направляет воздух вначале в пульсационную камеру 10, затем из пульсационной камеры 10 в сдувочную магистраль 15. В пульсационной камере 10 установлен уровнемер 9, выходной сигнал которого поступает на вход блока управления (БУ) 12. Выходной сигнал БУ 12 поступает на управляющий вход регулирующего вентиля 7 подачи воздуха в пульсационную камеру 10. В пульсационной камере 10 также установлен датчик давления 8 воздуха, выходной сигнал которого поступает на вход БУ 11. Сигнал с выхода БУ 11 поступает на управляющий вход регулирующего вентиля 6 подачи исходного водного раствора.
Способ осуществляется следующим образом.
При начальной настройке работы колонны ее полностью заполняют экстрагентом затем подают пульсационную энергию сжатым воздухом, при этом вентиль 7 устанавливают в начальном частично открытом положении для обеспечения заданного уровня экстрагента в пульсационной камере 10 по выходному сигналу уровнемера 9, далее с использованием результатов химического анализа проб экстракта и рафината добиваются положения МГК металлов в экстрагенте в средней части реакционной зоны 3 путем настройки степени открытия вентиля 5 для установления фиксируемого расхода экстрагента с целью обеспечения требуемой производительности колонны, начальной степени открытия вентиля 6 для установления расхода исходного водного раствора. Уровнемер 9 измеряет уровень экстрагента, сигнал с выхода уровнемера 9 поступает на вход БУ 12, где происходит вычисление его среднего значения за период 15-30 сек. При заданном уровне экстрагента в пульсационной камере 10 с выхода БУ 12 на регулирующий вход вентиля 7 поступает условно нулевой сигнал и не изменяет его начально установленное состояние. Выходной сигнал с датчика давления 8 поступает на вход БУ 11 где происходит вычисление его среднего значения за период времени равный 3…5 мин. С выхода БУ 11 на управляющий вход регулирующего вентиля 6 поступает условно нулевой сигнал и не изменяет его начально установленное состояние. Колонна переходит в стационарный режим работы.
При смещении положения МГК металлов в экстрагенте из средней в верхнюю часть реакционной зоны 3, вследствие изменения параметров технологической схемы, происходит меньшее насыщение экстрагента металлами U-Pu и, следовательно, происходит уменьшение полного веса столба смеси экстрагента и водного раствора в колонне, что приводит к «передавливанию» сжатым воздухом данной смеси в колонне и понижению уровня экстрагента в пульсационной камере 10. При этом сигнал с уровнемера 9 поступает на вход БУ 12 где происходит вычисление его среднего значения за период 15-30 с, в результате на выходе БУ 12 формируется условно отрицательный сигнал, который поступает на вход регулирующего вентиля 7, что приводит к его призакрыванию. При этом уменьшается расход и давление сжатого воздуха в пульсационной камере 10, что приводит к повышению уровня экстрагента в ней до заданного значения. Одновременно сигнал с датчика давления 8 воздуха поступает на вход БУ 11 где происходит вычисление его среднего значения за период 3-5 мин. При понижении давления воздуха в пульсационной камере 10 на выходе БУ 11 формируется условно положительный сигнал, поступающий на вход регулирующего вентиля 6 что, приводит к его приоткрыванию. Вентиль 6 приоткрывается, увеличивая подачу исходного водного раствора и, следовательно, постепенно увеличивается насыщение экстрагента металлами U-Pu, происходит постепенное перемещение МГК металлов в экстрагенте с верхней в среднюю часть реакционной зоны 3. При этом происходит обратное увеличение полного веса столба смеси экстрагента и водного раствора в колонне за счет увеличения насыщения экстрагента металлами и увеличению уровня экстрагента в пульсационной камере 10. Теперь реализуется процесс обратный вышеописанному (повышение уровня и давления в пульсационной камере, приоткрывание вентиля 7, призакрывание вентиля 6) до момента возвращения МГК металлов в экстрагенте в среднюю часть реакционной зоны колонны.
Соответственно, при смещении положения МГК металлов в экстрагенте в нижнюю часть реакционной зоны, вследствие изменения параметров технологической схемы, происходит большее насыщение экстрагента металлами U-Pu и, следовательно, происходит увеличение полного веса столба смеси экстрагента и водного раствора в колонне, что приводит к увеличению уровня экстрагента в пульсационной камере 10. При этом сигнал с уровнемера 9 поступает на вход БУ 12 где происходит вычисление его среднего значения за период 15-30 с, в результате на выходе БУ 12 формируется условно положительный сигнал, который поступает на вход регулирующего вентиля 7, что приводит к его приоткрыванию. При этом увеличивается расход и давление сжатого воздуха в пульсационной камере 10, что приводит к понижению уровня жидкости в ней до заданного значения. Одновременно сигнал с датчика давления 8 воздуха поступает на вход БУ 11 где происходит вычисление его среднего значения за период 3-5 мин. При повышении давления воздуха в пульсационной камере 10 на выходе БУ 11 формируется условно отрицательный сигнал, поступающий на вход регулирующего вентиля 6, что приводит к его призакрыванию. Вентиль 6 призакрывается, уменьшая подачу исходного водного раствора и, следовательно, постепенно уменьшается насыщение экстрагента металлами U-Pu, происходит постепенное перемещение МГК металлов в экстрагенте с нижней в среднюю часть реакционной зоны 3. При этом происходит обратное уменьшение полного веса столба смеси экстрагента и водного раствора в колонне за счет уменьшения общего количества металлов в экстрагенте, что приводит к уменьшению уровня экстрагента в пульсационной камере 10. Теперь реализуется процесс обратный вышеописанному (понижение уровня и давления в пульсационной камере, призакрывание вентиля 7, приоткрывание вентиля 6) до момента возвращения МГК металлов в экстрагенте в среднюю часть реакционной зоны колонны.
При работе колонны вследствие подачи пульсационной энергии и случайных изменений пневматических режимов работы или иных достаточно быстропротекающих воздействий на гидравлические процессы уровень экстрагента в пульсационной камере 10 может достаточно быстро изменяться относительно среднего уровня. При этом сигнал с выхода уровнемера 9 поступает на вход БУ 12, а на выходе БУ 12 формируется соответствующий сигнал, поступающий на управляющий вход регулирующего вентиля 7 который изменяет степень своего открытия и регулирует расход и давление воздуха в пульсационной камере 10 для стабилизации уровня экстрагента. На выходе датчика давления 8 формируется изменяющийся сигнал, который поступает на вход БУ 11 где вычисляется его среднее значение за период 3-5 мин (много больше периода быстропротекающих случайных изменений). В результате вычисления среднего значения за период 3-5 мин на выходе БУ 11 продолжает формироваться постоянный сигнал, поступающий на вход регулирующего вентиля 6 подачи водной фазы, который не изменяет его заданное частично открытое состояние и расход исходного водного раствора не изменяется, обеспечивая при этом стабильное положение МГК металлов в экстрагенте в средней части реакционной зоны.
Таким образом, при реализации описываемого способа управления процессом насыщения экстрагента путем стабилизации положения МГК металлов в экстрагенте в пульсационной колонне проводят посредством регулирования расхода водной фазы по значению среднего давления воздуха в пульсационной камере с одновременным автоматическим поддержанием уровень экстрагента в пульсационной камере с помощью регулирования расхода сжатого воздуха.
Функции БУ 12 и БУ 11 реализованы в промышленном контроллере радиохимического производства в виде совокупности алгоритмов программного обеспечения и технических средств промышленного контроллера (центральный процессор, модули ввода-вывода, элементы систем автоматического управления).
По сравнению с прототипом данный способ имеет преимущества в виде увеличения производительности колонны за счет увеличения полезного сечения колонны при высоком качестве разделения и очистки.
Предложенный способ управления процессом насыщения экстрагента путем стабилизации положения максимального градиента концентрации металлов в экстрагенте в пульсационной колонне был апробирован на радиохимическом производстве АО «Сибирский химический комбинат» и показал достаточную высокую эффективность при управлении работой экстракционных колонн.