АППАРАТ ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И ЦЕМЕНТА С ДОБАВКАМИ

Полезная модель относится к технике смешивания жидкостей с твердыми веществами и может быть использована в химической, строительной, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, но преимущественное использование ее предполагается в атомной промышленности для обработки жидких материалов с радиоактивным заражением путем фиксации их в устойчивой твердой среде - цементе с необходимыми для затвердевания добавками.
Эксплуатация атомных электростанций, атомных научных центров и радиохимических предприятий приводит к образованию большого количества жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Предварительная обработка этих отходов путем ионообменной очистки или выпаривания позволяет вернуть часть очищенной воды в оборот. Однако концентраты, полученные при этой обработке и являющиеся радиоактивными, необходимо включать в твердую устойчивую матрицу - битум, стекло, цемент и другой продукт, пригодный для надежного хранения и предотвращения заражения окружающей среды радиоизотопами.
В настоящее время цементирование ЖРО низкого и среднего уровня активности получило широкое применение. Исследования последних двух десятилетий показали возможность включения достаточно значительного количества отходов в цементную матрицу (до 30 масс.% в пересчете на сухой остаток отходов). В этом случае технология цементирования ЖРО способна конкурировать с другими, например битумированием, при этом цементная матрица в отличие от битумной не является горючей, что весьма важно при транспортировании и долгосрочном хранении зафиксированных радиоактивных отходов. Во многих странах ведутся исследования по совершенствованию технологии цементирования и оборудования для ее осуществления.
Одним из определяющих переделов в технологии цементирования является процесс смешивания сухих цементирующих компонентов с ЖРО, а значит важно и конструкторское решение аппарата для реализации этого процесса. Цементирование будет успешным с точки зрения достижения экологической безопасности получаемого продукта - цементного компаунда, если произойдет полное перемешивание сухого и жидкого компонентов, равномерное распределение последнего по всему объему цемента с добавками для 100%-ного смачивания цемента с добавками и будет получена однородная
смесь. При этом необходимо достижение минимального остатка цементного компаунда на поверхностях деталей, узлов применяемого аппарата для смешивания -и в образующихся карманах стыкующихся узлов и деталей, а также исключение скопления сухого цемента, неперемешанного с ЖРО, так как это может привести к возможному растрескиванию затвердевшего блока при его хранении и, как следствие, к радиоактивному заражению окружающей среды.
Рассмотрим известные из уровня техники решения, аналогичные заявляемому, и проанализируем их возможности для решения указанных выше задач.
Известен смеситель порошкообразных материалов с жидкими добавками (см. патент РФ №2159147, кл. В 01 F 7/26, 12.11.1998), который содержит смесительную камеру (в аналоге - вертикальный цилиндрический корпус) с патрубками подвода сыпучих и жидких компонентов, вертикальный вал, связанный с приводом вращения (в аналоге - приводной вал с роторами), причем на свободном конце вала расположен плоский диск-распылитель, закрепленный на верхнем роторе, ножи, закрепленные на нижнем роторе и расположенные парами один против другого, а на внутренней поверхности корпуса ниже диска-распылителя установлен отражатель кольцеобразной формы, который образует зазор между своим внутренним краем и краем диска-распылителя, концы, по крайней мере, одной пары ножей расположены над отражателем, загнуты параллельно его образующим, повторяя форму отражателя, затем вверх параллельно образующим цилиндрического корпуса, с длиной несколько выше плоскости вращения диска-распылителя, концы, по крайней мере, одной другой пары ножей загнуты вниз в зоне радиального зазора.
Данный смеситель, по утверждению авторов, обеспечивает расширение номенклатуры перерабатываемых порошкообразных сыпучих материалов в сторону «плохосыпучих» и высоковязких, например, сухого молока и высоковязкого жиро-фосфатидного концентрата, крахмала, сахара и сокового экстракта и др.
Однако такой смеситель не обеспечит эффективного смешивания ЖРО и порошкообразного «сухого замеса», состоящего из цемента и бентонитовой глины. Причиной этого недостатка является конструктивное решение подачи исходных гетерогенных сред, а именно, расположение патрубков подвода сыпучих и жидких компонентов. Оба патрубка расположены по центру смесителя над диском-распылителем и ориентированы так, что в центр диска подаются и сыпучий, и жидкий компоненты одновременно. В случае подачи через эти патрубки на диск-распылитель ЖРО и цемента с бентонитовой глиной произойдет следующее. Цемент, как тяжелый порошок, не успев распылиться на периферию смесительной камеры незамедлительно начнет взаимодействовать с ЖРО непосредственно на диске-распылителе, что может привести к такому агрегатированию цемента, когда агрегат смочен только снаружи, а в центре его находится несмоченный цемент. А так как цементу свойственна высокая степень схватывания и твердения, то прямо на диске
может начаться процесс «козлообразования», а в лучшем случае - на периферию смесительной камеры поступит агрегатированный цемент, то есть неоднородная масса, что недопустимо при переработке ЖРО. Таким образом, в известном смесителе не осуществить такой процесс, когда цемент должен быть сначала распылен на периферию смесительной камеры, где высоки линейные скорости движения распыленных частиц цемента. Жидкий компонент также должен быть распылен и направлен на периферию смесительной камеры, где будет достигнуто полное перемешивание цемента и жидких радиоактивных отходов (ЖРО) за счет равномерного распределения жидкого компонента по всему объему цемента и 100%-ного смачивания его, в результате чего будет получена однородная смесь, а радиоактивные вещества зафиксированы в устойчивой твердой среде.
Кроме того, образование комков из цемента обусловит налипание их на поверхностях всех деталей и узлов, а также скопление цемента в карманах стыкующихся деталей и узлов, что затрудняет дальнейшую дезактивацию этих мест.
Наиболее близким устройством к заявляемому по технической сущности является гипсомешалка (см. Сапожников М.Я., Дроздов Н.Е. «Справочник по оборудованию заводов строительных материалов». Издательство литературы по строительству. Москва, 1970, с.255-256; Сапожников М.Я. «Машины промышленности строительных материалов». Атлас конструкций. Машгиз, 1961, с.72 (лист 65), принятая в качестве прототипа. Она содержит смесительную камеру,' вертикальный полый вал, связанный с приводом вращения и охваченный снаружи кожухом, причем на свободном конце вала поочередно закреплены разбрасывающий диск посредством полого усеченного конуса и крестовина с пальцами, при этом диск и крестовина расположены в смесительной камере, сообщенный с полостью кожуха патрубок подачи порошкообразного твердого компонента, соединенный с полым валом патрубок подачи жидкого компонента в смесительную камеру через отверстия, выполненные в стенке свободного конца полого вала, и периферийно установленный в днище смесительной камеры патрубок выдачи готовой смеси.
Конструкция известной гипсомешалки исключает многие недостатки описанного ранее смесителя. Порошкообразный твердый материал подают в кожух вертикального полого вала, откуда он попадает на разбрасывающий диск, который распыляет твердый материал на мелкие частицы, поступающие в периферийную зону смесительной камеры и приобретающие в ней вращательное движение с высокой линейной скоростью. Жидкий компонент подают в полость вертикального вала, откуда он вылетает в виде струй через отверстия в стенке вала, расположенные как под разбрасывающим диском, так и под крестовиной. Капли жидкого компонента летят в периферийную зону смесительной камеры и так же, как и частицы твердого компонента приобретают вращательное движение с наибольшей линейной скоростью в периферийной зоне смесительной камеры. При этом капли жидкого компонента смачивают частицы цемента, образуется подвижная
(текучая)смесь, которую через установленный в днище смесительной камеры патрубок выдачи удаляют в емкость для дальнейшего схватывания и затвердевания.
Однако известная гипсомешалка имеет недостатки, обусловленные некоторыми конструктивными элементами ее, которые могут негативно сказаться при использовании рассматриваемого известного устройства для смешивания жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и цемента с добавками. Предусмотренные для распыления жидкости отверстия в стенке полого вертикального вала в некоторой степени ограничат количество жидкости, поступающей в периферийную зону смесительной камеры. При этом не все количество ЖРО попадет в периферийную зону, так как от удара с пальцами крестовины часть капель ЖРО вернется в центральную зону смесительной камеры. Кроме того, при непрерывной подаче порошкообразного «сухого замеса» в кожух вертикального вала неизбежно зависание и сводообразование его в силу слеживаемости цемента. В конструкции гипсомешалки отсутствуют какие-либо устройства для предотвращения указанных явлений, а значит исключения скопления цемента в кожухе, что не позволит обеспечить постоянное и в полном объеме поступление его на разбрасывающий диск. Указанные явления предопределяют снижение производительности смешивания, недостачу жидкости и твердого вещества в получаемом компаунде, что может послужить нарушением технологического регламента при обезвреживании жидких радиоактивных отходов.
Указанные выше недостатки отсутствуют в предлагаемом в качестве полезной модели техническом решении.
Оно, как и прототип, содержит смесительную камеру, вертикальный вал, связанный с приводом вращения и охваченный снаружи кожухом, причем на свободном конце вала поочередно закреплены диск посредством полого усеченного конуса и крестовина с вертикальными стержнями на ее лопастях, при этом диск и крестовина расположены в смесительной камере, патрубок подачи жидких радиоактивных отходов в смесительную камеру, сообщенный с полостью кожуха патрубок подачи цемента с добавками и периферийно установленный в днище смесительной камеры патрубок выдачи цементного компаунда.
Заявляемый аппарат для смешивания отличается от прототипа тем, что смесительная камера снабжена дополнительным диском, расположенным под валом и закрепленным на ближайших к нему вертикальных стержнях, кроме того, на каждом вертикальном стержне выполнен сегментный срез, а на боковой поверхности полого усеченного конуса установлены ворошители.
В соответствии с дополнительными пунктами формулы предложенная полезная модель отличается и тем, что патрубок подачи жидких радиоактивных отходов может быть соединен с выполненным полым вертикальным валом, или установлен соосно с зазором в выполненных в дополнительном диске и в днище смесительной камеры центральных отверстиях, или установлен в зазоре между вертикальным валом и полым
усеченным конусом, а основной диск соединен по периферии с лопастями крестовины, например, перемычками.
Заявленная полезная модель «Аппарат для смешивания гетерогенных сред, преимущественно жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками» соответствует условиям патентоспособности.
Перечисленные выше отличительные признаки аппарата свидетельствуют о новизне заявленного аппарата. Проведенные заявителем патентные исследования выявили достаточное количество устройств того же назначения, что и заявляемый аппарат, при этом подходящими в качестве ближайших по технической сущности аналогов приняты описанные выше смеситель и гипсомешалка. Однако в уровне техники не оказалось известного средства того же назначения, что и заявленная полезная модель, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы полезной модели существенные признаки, включая характеристику назначения,
Полезная модель является промышленно применимой, так как она может быть использована в промышленности. Каждый признак и вся совокупность признаков воспроизводимы, не противоречат использованию заявленного аппарата в промышленных условиях и направлены на реализацию его назначения.
Для подтверждения сказанного представляем описание конкретного выполнения аппарата для смешивания и его работы.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид аппарата в разрезе; на фиг.2 - сечение А-А, на фиг.3 и 4 - конструкция аппарата в соответствии с пп.3, 4 формулы полезной модели.
Аппарат для смешивания содержит смесительную камеру 1, вертикальный вал 2, связанный с приводом вращения 3 и охваченный снаружи кожухом 4, причем на свободном конце вала 2 поочередно закреплены диск 5 посредством полого усеченного конуса 6 и крестовина 7 с вертикальными стержнями 8 на ее лопастях, при этом диск 5 и крестовина 7 расположены в смесительной камере 1, Камера 1 снабжена дополнительным диском 9, расположенным под валом 2 и закрепленным на ближайших к нему стержнях 8 (см. фиг.2). На каждом стержне 8 крестовины 7 выполнен сегментный срез «а». На боковой поверхности полого усеченного конуса 6 установлены ворошители 10.
Аппарат оснащен технологическими патрубками. Для подачи в смесительную камеру 1 цемента с добавками с полостью кожуха 4 сообщен патрубок 11. Для выдачи из аппарата готовой смеси - цементного компаунда в днище 12 смесительной камеры 1 периферийно установлен патрубок 13. Размещение патрубка 14 подачи ЖРО в смесительную камеру предусмотрено зависимыми пунктами формулы полезной модели. Он может быть соединен с полым вертикальным валом 2 (см. фиг 1), или может быть установлен соосно с зазором в центральных отверстиях, выполненных, соответственно, в днище 12 смесительной камеры 1 и в дополнительном диске 9 (см. фиг.3), или может установлен в зазоре 15 между
вертикальным валом 2 и полым усеченным конусом 6, а основной диск соединен с лопастями крестовины, например, перемычками 16 (см. фиг.4).
Заявленный аппарат работает следующим образом. Включают привод вращения 3, вертикальный вал 2 начинает вращаться, приводя во вращение диск 5, крестовину 6 с вертикальными стержнями 8 и диск 9. ЖРО в виде концентрированных пульпы или шлама с заданным расходом подают через патрубок 14 в смесительную камеру 1. В случае заполнения цементным компаундом металлических бочек патрубок 14 подачи ЖРО установлен в аппарате в соответствии с пп.1-2 формулы полезной модели, а если цементным компаундом заполняют непосредственно хранилище большого объема (когда долговременное хранение в бочках нецелесообразно), то патрубок 14 устанавливают в аппарате в соответствии с пп.1,3 формулы полезной модели, но в любом случае ЖРО при подаче поступают из патрубка 14 на поверхность вращающегося диска 9. Одновременно с подачей ЖРО осуществляют подачу с заданным расходом «сухого замеса» - смеси цемента и бентонитовой глины через патрубок 11 в кожух 4. Из него с помощью ворошителей 10 и наклонной поверхности полого усеченного конуса 6 «сухой замес» транспортируется на поверхность вращающегося диска 5. На дисках 5 и 9 происходит распыление, соответственно, «сухого замеса» и ЖРО, в результате чего твердые частицы и капли ЖРО направляются в периферийную зону смесительной камеры 1, где преобладают высокие линейные скорости вращения жидких и твердых частиц и где происходит наиболее эффективное перемешивание компонентов и смачивание частиц «сухого замеса» каплями ЖРО. В периферийной зоне образуется текучая смесь-цементный компаунд, заполняющий нижнюю часть смесительной камеры 1, где, благодаря присутствию вертикальных стержней 8 и сегментных срезов «а» на них, осуществляются дополнительное диспергирование твердых частиц «сухого замеса» и капель ЖРО, перемешивание и смачивание цемента жидкими радиоактивными отходами. Затем происходит выдача жидкого цементного компаунда из смесительной камеры 1 через патрубок 13 в металлическую бочку или непосредственно в хранилище для фиксированных в устойчивой твердой среде жидких радиоактивных отходов. Процесс смешивания жидких радиоактивных отходов со смесью цемента с добавками может осуществляться непрерывно либо периодически.
Использование заявленного аппарата обеспечит при использовании аппарата для обработки жидких материалов с радиоактивным заражением путем фиксации их в устойчивой твердой среде следующие преимущества. 1.Исключается агрегатирование частиц цемента, несмоченных каплями ЖРО, так как процесс перемешивания осуществляется в основном в периферийной зоне смесительной камеры 1, где этому процессу не мешает ни один конструктивный признак аппарата в отличие от рассмотренных ранее известных технических решений. На твердые частицы и капли ЖРО действуют только силы, а значит и линейные скорости вращения. 2.Отсутствует налипание комков цемента на поверхностях деталей и узлов аппарата, а также скопление неперемешанных компонентов в карманах,
образованных стыкующимися деталями, а значит облегчается дальнейшая дезактивация аппарата.
3. За счет 100%-ного смачивания цемента жидкостью получается однородная смесь, т.е. отсутствуют комки из сухого цемента, благодаря чему предотвращается растрескивание готового затвердевшего монолитного блока, в котором зафиксированы радиоактивные отходы.