УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМЫВА ОСАДКОВ И ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
DEPOSIT WASHING-OUT AND MIXING DEVICE

Изобретение относится к атомной промышленности в части переработки радиоактивных отходов, а именно к устройствам для размыва струями жидкости и растворения пульп и осадков, скопившихся на дне емкостей-хранилищ жидких радиоактивных отходов высокого уровня активности, перевода нерастворимой твердой фазы в суспензию и поддержания ее во взвешенном состоянии перемешиванием с целью дальнейшего извлечения на переработку. Кроме того, устройство может быть использовано в других отраслях промышленности для перемешивания и усреднения концентрации реагентов в емкостях.
Для освобождения емкостей - хранилищ от радиоактивных отходов высокого уровня активности используется послойный метод их размыва, суспензирования и растворения при подаче окислительных или восстановительных реагентов, обеспечивающий минимальное образование вторичных радиоактивных отходов за счет использования оборотной жидкости в освобождаемой емкости. Суть этого метода заключается в том, что сначала в осадке устройствами для размыва создается впадина, которая заполняется рабочей жидкостью. В качестве рабочей жидкости используются или декантат, под слоем которого хранится осадок, или, при растворении осадка непосредственно в освобождаемой емкости, реагенты, растворяющие осадок. В дальнейшем рабочая жидкость из впадины используется для размыва осадка и его растворения затопленными и незатопленными струями с образованием суспензии, содержащей растворенный осадок и нерастворимую твердую фазу. После достижения суспензией во впадине необходимой концентрации, она выдается откачивающим насосом на переработку, причем во время выдачи суспензии с быстроотстаивающейся твердой фазой необходимо постоянно поддерживать твердую фазу в суспензии во взвешенном состоянии активным перемешиванием. Для эффективного растворения осадка также необходимо интенсивное перемешивание рабочей жидкости в емкости.
Известно устройство для размыва осадка, содержащее электропривод, вал, патрубок ввода рабочей жидкости, корпус, рабочую камеру и моечную головку с соплом, содержащую приспособление для внедрения в осадок и его измельчения. Приспособление для внедрения в осадок и его измельчения представляет собой смонтированный на штуцере фланец с установленными на нем режущими ребрами, которое управляется электроприводом. Устройство снабжено системой управления, включающей персональный компьютер, микроконтроллер, модемы связи и программное обеспечение (см. патент РФ №2316834, Кл. G21F 9/34).
При работе известного устройства происходит постоянное заглубление в осадок режущих ребер под действием силы тяжести устройства, что помогает не только механически воздействовать и измельчать трудно растворимый осадок, но и дополнительно создавать точку опоры и предотвращать раскачивание устройства под действием реактивной силы струи рабочей жидкости.
К недостаткам известного устройства относится то, что для использования оборотной рабочей жидкости из впадины в осадке освобождаемой емкости необходимо насосом вывести оборотную рабочую жидкость с радиоактивными взвесями за пределы емкости, что снижает радиационную безопасность при эксплуатации известного устройства.
Кроме того, при работе известного устройства в подвижной пульпе приспособление для внедрения в осадок и его измельчения не препятствует отклонению вала с соплом под действием реактивной силы струи, вытекающей из сопла.
Известно устройство для размыва осадка, содержащее электропривод, вал, патрубок ввода рабочей жидкости, корпус, рабочую камеру и моечную головку с соплом, содержащую приспособление для внедрения в осадок и его измельчения. Моечная головка снабжена штуцером, который размещен внутри рабочей камеры и соосно смонтирован там с валом электропривода. Вал установлен с возможностью вертикального перемещения внутри зубчатого колеса, присоединенного к полому валу подшипниковой опоры и находящегося в зацеплении с шестерней на валу электропривода. На валу выше зубчатого колеса установлен фиксатор, а между соплом и приспособлением для внедрения в осадок и его измельчения установлен шнек с размещенным внутри его грузом. Вал в нижней части, расположенной в емкости-хранилище, установлен внутри подшипников скольжения, закрепленных на патрубке ввода рабочей жидкости. В качестве электропривода используется мотор-редуктор с регулируемым числом оборотов (см. патент РФ №2392676, Кл. G21F 9/34, 2008).
К недостаткам известного устройства относится то, что для организации одновременных выдачи откачивающим насосом суспензии из впадины на переработку и перемешивания во время выдачи быстроотстаивающихся суспензий известным устройством, необходимо иметь дополнительный насос для подачи на известное устройство оборотной жидкости из впадины или задействовать откачивающий насос для этой цели. В последнем случае выдаваемый откачивающим насосом объем оборотной жидкости необходимо разделить на два потока, один в трубопровод выдачи, второй на известное устройство. Такое разделение потока приводит к снижению скорости движения суспензии в трубопроводе выдачи, в результате которого может произойти его закупорка за счет оседания твердой фазы из суспензии в трубопроводе. При этом также уменьшается и скорость истечения оборотной жидкости из сопла, что снижает эффективность размыва осадка и перемешивания суспензии. Кроме того, даже временный вывод оборотной жидкости с радиоактивными взвесями за пределы емкости снижает радиационную безопасность при эксплуатации известного устройства.
Известно устройство для размыва осадка и дезактивации, включающее привод поворота, корпус, камеру подачи рабочей жидкости, размещенную внутри корпуса и сообщающуюся с воздухораспределительным блоком при помощи пульсопровода и гибкого трубопровода, впускной клапан, две моечные головки с соплами, размещенные выше и ниже впускного клапана и соединенные с камерой при помощи нагнетательных труб. Нагнетательная труба верхней моечной головки дополнительно снабжена обратным клапаном, а торцы нагнетательных труб размещены в камере соосно с зазором, в котором установлена заслонка с присоединенной к ней тягой, которая размещена внутри пульсопровода. В верхней части пульсопровод соединен с оголовком, на котором размещен сильфонный узел и шпиндель последнего соединен с тягой, а сам оголовок помещен внутрь подшипниковой опоры, смонтированной на фланце совместно с приводом поворота и воздухораспределителем. На оголовке установлен опирающийся на подшипниковую опору зажим, сообщающийся с приводом поворота посредством водила.
Кроме того, гибкий трубопровод выполнен в форме спирали, а в качестве привода поворота применен механизм с возвратно-поступательным движением штока. Привод поворота снабжен пультом управления, который при подаче сжатого воздуха в камеру устройства обеспечивает включение привода поворота и его останов в течение заданного времени в заданном положении (см. патент РФ №2197028, 7 G21F 9/28, 9/34). Данное устройство выбрано заявителем в качестве прототипа.
Указанное устройство обеспечивает размыв осадка и перемешивание суспензии во впадине без вывода оборотной рабочей жидкости за пределы емкости и не требует установки дополнительного насоса.
Исходя из опыта эксплуатации известного устройства, к его недостаткам относится то, что при размыве осадков, образующих суспензии с включениями крупных твердых частиц, последние попадают в обратный клапан. В результате при подаче разрежения в камеру воздух поступает в камеру через верхние сопла, снижая разрежение в камере при ее заполнении жидкостью и увеличивая соответственно продолжительность заполнения камеры жидкостью, снижая, тем самым, частоту пульсаций и, следовательно, и интенсивность размыва осадка.
Попадание крупных твердых частиц во впускной клапан приводит при подаче давления в камеру к вытеснению части жидкости через него, минуя сопла, что снижает динамическое воздействие струй на осадок и интенсивность размыва осадка.
Размыв осадка наиболее эффективен при максимально возможном приближении сопел к осадку, что данное устройство обеспечить не может. При приближении нижней моечной головки к осадку высока вероятность вхождения сопел в осадок и их закупорки. Возвратно-поворотное движение устройства при вхождении нижней моечной головки в осадок может привести к деформациям нижней нагнетательной трубы и выходу устройства из строя. Воздействие же струй на осадок через слой жидкости снижает эффективность размыва.
Кроме того, при остановах известного устройства возникают закупорки нижней моечной головки и впускного клапана оседающей твердой фазой из суспензии, оставшейся в камере. Ликвидация закупорок, особенно нижней моечной головки и ее сопел, вызывает большие затруднения, вплоть до вывода устройства из эксплуатации.
Применение в качестве привода поворота механизма с возвратно-поступательным движением штока делает возможным поворот устройства только на 90°, что приводит к необходимости установки на моечную головку четырех сопел для охвата струями всего периметра емкости-хранилища. Разделение объема вытесняемой из камеры рабочей жидкости на четыре сопла снижает дальность действия и динамическое воздействие струй на осадок, по сравнению с меньшим количеством сопел. Кроме того, перемешивание суспензии во впадине при работе известного устройства осуществляется по окружности постоянно на одном уровне, который изменяется периодически только переустановкой зажима, что снижает интенсивность перемешивания.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей и повышении интенсивности перемешивания для растворения и размыва осадка за счет повышения частоты пульсаций.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для размыва осадка и дезактивации, включающем привод поворота, камеру, сообщающуюся с воздухораспределительным блоком при помощи пульсопровода и гибкого трубопровода, пульсопровод, соединенный с оголовком, помещенным внутри подшипниковой опоры, смонтированной на фланце совместно с приводом поворота и установленный на оголовке зажим,
особенностью является то, что камера снабжена двумя соплами, присоединенными непосредственно к днищу, направленными в противоположные стороны под углом к горизонтальной плоскости и выполненными с одинаковым по их длине сечением, приспособление для внедрения в осадок и его измельчения выполнено в виде пластины с режущими кромками, установленной между соплами, а оголовок присоединен через подшипниковый узел к приводу с возвратно-поступательным движением штока.
Кроме того, на нижней поверхности каждого из сопел выполнены отверстия, расположенные на центральной оси днища камеры, в качестве привода поворота используется пневматический поворотный привод с углом поворота его выходного вала 180°, а привода с возвратно-поступательным движением штока - пневматический цилиндр.
Снабжение камеры двумя соплами, присоединенными непосредственно к днищу и их выполнение с одинаковым по длине сечением, позволяет за счет уменьшения местных гидравлических сопротивлений осуществить при подаче в камеру разрежения быстрое заполнение ее через сопла оборотной рабочей жидкостью, а при подаче давления в камеру вытеснить через сопла всю жидкость из нее без потерь, что, в свою очередь, сокращает продолжительности заполнения и вытеснения и, тем самым, за счет увеличения частоты пульсаций позволяет повысить интенсивность перемешивания и эффективность размыва осадка. Кроме того, в случае отстаивания твердой фазы на днище камеры и в соплах при останове устройства, ее удаление из сопел с одинаковым по длине сечением осуществляется подачей в камеру промывной жидкости под давлением. Выдача отстоявшейся твердой фазы по гладким внутренним поверхностям сопел не вызывает затруднений.
Направление сопел в противоположные стороны позволяет исключить раскачивание устройства за счет компенсации реактивных сил струй.
Направление сопел под углом к горизонтальной плоскости позволяет направить струи практически по нормали к размываемому осадку, повышая их динамическое воздействие на осадок при его размыве.
При перемешивании суспензии такое направление сопел позволяет получить на периферии впадины в осадке восходящие потоки суспензии, отраженные от осадка, а в центре впадины - нисходящий поток суспензии и, тем самым, повысить интенсивность перемешивания, делая более эффективным растворение осадка во впадине.
Выполнение приспособления для внедрения в осадок и его измельчения в виде пластины с режущими кромками, установленной между соплами, позволяет осуществлять внедрение в осадок и его измельчение под камерой, что позволяет приблизить сопла к размываемому осадку и расширяет функциональные возможности устройства.
Выполнение на нижней поверхности каждого из сопел отверстий, расположенных по центральной оси днища камеры, позволяет отвести часть оборотной рабочей жидкости, вытекающей из сопел, на измельчаемый режущими кромками пластины осадок и смыть его во впадину.
Присоединение оголовка через подшипниковый узел к приводу с возвратно-поступательным движением штока позволяет изменять в процессе работы предлагаемого устройства уровень погружения сопел в жидкости и осуществлять перемешивание в различных слоях ее по глубине, повысив, тем самым, интенсивность перемешивания при растворении осадка и суспензирования нерастворимой твердой фазы.
Использование в качестве привода поворота в предлагаемом устройстве пневматического поворотного привода с углом поворота его выходного вала на 180° позволяет осуществить возвратно-поворотное движение устройства вокруг его оси вращения на 180° и обеспечить размыв осадка и перемешивание по всему периметру впадины двумя противоположно направленными соплами, повышая, тем самым, динамическое воздействие струй на осадок.
Использование пневматического цилиндра в качестве привода с возвратно-поступательным движением штока позволяет унифицировать управление им посредством компьютерной системы управления.
На фиг.1 изображено устройство для размыва осадков и пульп, установленное в освобождаемую емкость; на фиг.2 - нижняя часть устройства; на фиг.3 - верхняя часть устройства.
Предлагаемое устройство (см. фиг.1) содержит камеру 1, пульсопровод 2, проходящий через фланец 3, установленный на фланце проходки 4 в емкость 5. Пульсопровод 2 соединен с оголовком 6, который своим верхним торцом установлен в подшипниковом узле 7, закрепленном на штоке пневматического цилиндра 8. Боковой патрубок 9 пульсопровода 2 соединен гибким рукавом 10, размещенным в защитном боксе 11, и соединенным с воздухораспределительным блоком 12, состоящим из клапанов 13 и 14. Клапан 13 соединен с источником давления (на чертеже не показан), а клапан 14 с источником разрежения, в качестве которого используется эжектор 15. К днищу 16 камеры 1 (см. фиг.2) непосредственно присоединены два сопла 17 с одинаковым по их длине сечением и между ними пластина 18 с режущими кромками. На нижних стенках сопел 17 выполнены отверстия 19. Фланец 3 содержит уплотнительный узел 20, через который в емкость 5 введен пульсопровод 2.
В проходке 21 защитного бокса 11 (см. фиг.3) установлен монтажный фланец 22 с подшипниковой опорой 23, к полому валу 24 которой присоединено зубчатое колесо 25, находящееся в зацеплении с шестерней 26 пневматического поворотного привода 27. На оголовок 6, проходящий внутри полого вала 24, установлен зажим 28. Для передачи вращающего момента от пневматического поворотного привода 27 к оголовку 6 и соединенной с ним пульсопроводом 2 камере 1, зажим 28 снабжен шипами 29, входящими в пазы 30 зубчатого колеса 25. Пневматический цилиндра 8 установлен на подвижной плите 31, которая фиксируется на стойках 32 штифтами 33.
Управление работой клапанов 13 и 14 воздухораспределительного блока 12, пневматических поворотного привода 27 и цилиндра 8 осуществляется дистанционно компьютерной системой управления (на чертеже не показана).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Камера 1 устройства устанавливается через проходку 4 в емкость 5 таким образом, чтобы сопла 17 камеры 1 находились как можно ближе к осадку, вплоть до упора пластины 18 в осадок, и были погружены в рабочую жидкость в емкости 5. Камера 1 находится в подвешенном состоянии на штоке пневматического цилиндра 8, закрепленного на подвижной пластине 31, зафиксированной в вертикальном положении штифтами 33, введенными в отверстия стоек 32. При этом шипы 29 зажима 28 входят в пазы 30 зубчатого колеса 25, что позволяет передать крутящий момент от пневматического поворотного привода 27 при любом положении штока пневматического цилиндра 8. Работа устройства основывается на попеременной подаче в камеру 1 разрежения и давления. Система управления обеспечивает поочередное открытие-закрытие клапанов 13 и 14, а также продолжительности их нахождения в открытом положении. При открытии клапана 14 в камеру 1 по гибкому рукаву 10 и пульсопроводу 2 подается разрежение от эжектора 15 и камера 1 через сопла 17 заполняется рабочей жидкостью. По истечении заданной продолжительности заполнения камеры 1, клапан 14 закрывается, открывается клапан 13, и сжатый воздух от источника давления по гибкому рукаву 10 и пульсопроводу 2 поступает в камеру 1, вытесняя из нее рабочую жидкость через сопла 17 обратно в емкость. Вытекающие из сопел 17 струи направлены под углом к горизонтали, что не только повышает их динамическое воздействие на размываемый осадок, но и способствует более интенсивному перемешиванию за счет образования на периферии впадины в осадке восходящих потоков рабочей жидкости, отраженных от осадка, а в центре впадины - нисходящего потока. Интенсивное перемешивание способствует растворению осадка рабочей жидкостью, а также поддерживает твердую фазу в образовавшейся суспензии во взвешенном состоянии и позволяет одновременно выдавать ее из емкости насосом на переработку.
По истечении заданной продолжительности вытеснения клапан 13 закрывается и вновь открывается клапан 14, через который сначала отработанный воздух из камеры 1 сбрасывается через эжектор 15 на газоочистку, а затем в камеру 1 эжектором 15 вновь подается разрежение.
Реверсивное возвратно-поворотное движение камеры 1 на угол 180 градусов и обратно осуществляется при помощи пневматического поворотного привода 27 за счет передачи крутящего момента от шестерни 26 зубчатому колесу 25 и через шипы 29 зажима 28, входящие в пазы 30 зубчатого колеса 25, последовательно к оголовку 6 и соединенных с ним пульсопроводу 2 и камере 1. Оголовок 6, установленный в подшипниковом узле 7, поворачивается без передачи крутящего момента на шток пневматического цилиндра 8, которым осуществляется периодическое возвратно-поступательное движение камеры 1, изменяющее ее глубину погружения в жидкость. Гибкий рукав 10 обеспечивает при этих движениях пульсопровода 2 и камеры 1 подачу в нее разрежения, сжатого воздуха и сброс отработанного воздуха. Струи, вытекающие из сопел 17, размывают осадок вокруг камеры 1, оставляя участок не размытого осадка непосредственно под ней. При упоре пластины 18 в осадок, она своими режущими кромками при возвратно-поворотном движении камеры 1 срезает и измельчает слой осадка, перемещая его вместе с поворотом камеры 1. При вытеснении рабочей жидкости из камеры 1 по соплам 17, через отверстия 19 в их нижней части отводится некоторая часть рабочей жидкости для смыва измельченного осадка с этого участка. Управление работой устройства осуществляется дистанционно компьютерной системой управления, которая позволяет устанавливать алгоритмы работы клапанов 13 и 14 воздухораспределительного блока 12, дискретные или непрерывные режимы работы пневматического поворотного привода 27 и пневматического цилиндра 8.
Как правило, при перемешивании устанавливается непрерывный режим работы приводов, а при размыве осадка - дискретный.
При непрерывном режиме работы с помощью пневматического поворотного привода 27 камера 1 совершает возвратно-поворотное движение на 180° только при подаче в нее давления, а сброс отработанного сжатого воздуха и подачу разрежения при останове в крайних положениях.
В результате струи, вытекающие из сопел 17 при подаче давления в камеру 1, действуют по всему периметру впадины. Затем пневматическим цилиндром 8 камера переводится на другой уровень в жидкости и при подаче давления в камеру 1 она возвращается в исходное положение. Этим достигается более полное перемешивание объема оборотной рабочей жидкости во впадине осадка. При размыве осадка необходимо более длительное воздействие струй на размываемый осадок, поэтому системой управления устанавливаются заданный дискретный угол поворота камеры 1 и продолжительность работы при останове устройства в этом положении до следующего поворота на заданный угол. Периодическое опускание предлагаемого устройства осуществляется переустановкой штифтов 33 в нижерасположенные отверстия стоек 32.
Ранее на предприятии первоначальное создание впадины в осадке и перемешивание суспензии осуществлялось известным устройством по патенту РФ №2197028 затопленными струями нижней моечной головки. При размыве осадка не затопленными струями вместо известного устройства используются устройства для размыва осадка и дезактивации (патент РФ №2249868 и патент на полезную модель №61928), которые имеют одно сопло с более мощной струей и которые размывают и растворяют осадок более эффективно, по сравнению с известным устройством при его работе верхней моечной головкой. Для выдачи суспензии из емкости или подачи рабочей жидкости на указанные устройства для размыва осадка применяется пульсационный клапанный погружной насос (патент РФ №2097605).
На предприятии проведены опытно-промышленные испытания заявляемого устройства, которые показали более высокую эффективность при размыве осадка и перемешивания при его растворении, а также высокую надежность в работе.
Дистанционное управление работой устройств для размыва осадка, пульсационного клапанного погружного насоса и заявляемого устройства осуществляются единой компьютерной системой управления, включающей персональный компьютер, микроконтроллер, модемы связи и программное обеспечение.