Выпарной аппарат
EVAPORATION APPARATUS

Изобретение относится к массообменным процессам кондиционирования растворов от радиохимической переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ), в частности растворов, содержащих азотнокислые соли урана, плутония и нептуния.
Выпаривание - это процесс, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении. При этом растворитель испаряется во всем объеме кипящего раствора, что значительно интенсифицирует процесс удаления растворителя из раствора [Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов: в 2-х кн. Ч. 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты / Ю.И. Дытнерский. - 2-е изд. - М.: Химия, 1995. - 400 с.].
В технологиях переработки ОЯТ для кондиционирования растворов зачастую применяют метод непрерывного упаривания - кондиционирование жидких отходов, концентрирование целевых продуктов. Поэтому обеспечение эффективного непрерывного режима цепи технологических переделов будет зависеть от работы выпарного оборудования. Существенным отличием выпарного аппарата для концентрирования растворов от переработки ОЯТ является малый объем вследствие относительно небольшого масштаба производства в защитном исполнении и обеспечения ядерной безопасности [Козин К.А., Ефремов Е.В., Грачев М.И. Математическая модель выпарного аппарата для создания системы автоматического управления выпарным оборудованием в технологиях переработки отработанного ядерного топлива // Молодой ученый. - 2015. - №10. - С. 223-228].
Известна конструкция выпарного аппарата для глубокого концентрирования радиоактивных растворов [Пат. 2317127 Российская Федерация, «Выпарной аппарат для радиоактивных растворов», опубл. 20.02.2008], который состоит из растворной камеры, патрубка для ввода исходного раствора, патрубка для вывода упаренного раствора, греющей камеры и трубопровод для отвода вторичного пара.
Недостатком данного способа концентрирования радиоактивных растворов является то, что геометрия аппарата и использование в качестве теплоносителя греющий пар не отвечают условиям ядерной безопасности при концентрировании U-Pu-Np растворов.
Известна конструкция выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора, с вынесенной поверхностью нагрева и электрическим обогревом [Ефремов Е.В. Система автоматизированного контроля и управления выпарными аппаратами аффинажного стенда АО «Сибирский химический комбинат»: диссертация канд. техн. наук: 05.13.06 – Томск., 2017. С. 17-18], предназначенного для выпарки реэкстракта U-Pu-Np-лигатуры до заданной плотности. Выпарной аппарат содержит вынесенную греющую камеру с электрическим нагревателем, сепаратор с брызгоуловителем и патрубком для отвода пара, соединённый через верхнюю циркуляционную трубу с греющей камерой, нижнюю циркуляционную трубу, соединяющую греющую камеру с сепаратором, и снабженную штуцером ввода упариваемого раствора и сливным штуцером.
Отличием данной конструкции выпарного аппарата от подобных промышленных аппаратов является его малые габаритные размеры и обеспечение ядерной безопасности в процессе концентрирования U-Pu-Np растворов за счет омического обогрева. Конструкция данного выпарного аппарата взята за прототип.
Недостатком конструкции выпарного аппарата по прототипу является капельный унос значительного количества ядерного материала с отводимым паром.
Кроме того, при концентрировании растворов от радиохимической переработки ОЯТ возможно попадание растворенных органических соединений вместе с азотнокислым раствором U-Pu-Np в выпарной аппарат. В процессе концентрирования таких растворов происходит выделение растворенных органических соединений в отдельную фазу и её последующему накоплению в аппарате. В свою очередь, накопленная органическая фаза может вступать в реакцию нитрования с азотной кислотой, поступающей в аппарат с ядерным материалом. Реакция нитрования органических веществ является одним из основных способов получения взрывчатых веществ. В данном случае атомы углерода и водорода органического вещества будут окисляться кислородом, а нитрогруппа будет выполнять роль источника кислорода для детонации, сопровождающейся взрывом [Колевич Т.А. Органическая химия: пособие для учащихся: изд. - Igor Waraxe, 2014. - 592 с.]. Таким образом, для безопасного ведения процесса необходимо предусмотреть вывод накопленной органической фазы из сепаратора выпарного аппарата.
Технической задачей изобретения является предотвращение капельного уноса ядерного материала с выводимым паром и вывод накопленной органической фазы из выпарного аппарата.
Поставленная задача решается тем, что в выпарном аппарате, включающем вынесенную греющую камеру с электрическим нагревателем, сепаратор с брызгоуловителем и патрубком для отвода пара, соединённый через верхнюю циркуляционную трубу с греющей камерой, нижнюю циркуляционную трубу, соединяющую греющую камеру с сепаратором, и снабженную штуцером ввода упариваемого раствора и сливным штуцером, между греющей камерой и верхней циркуляционной трубой установлен дополнительный сепаратор, который соединен с основным сепаратором при помощи переливной трубы, расположенной параллельно верхней циркуляционной трубе, причем диаметр дополнительного сепаратора и переливной трубы больше, чем диаметр верхней циркуляционной трубы, дополнительный сепаратор оборудован брызгоуловителем, основной сепаратор снабжен штуцером для вывода упаренного раствора или органической фазы с зеркала раствора, а сливной штуцер используют только для опорожнения аппарата.
Схематично выпарной аппарат для концентрирования U-Pu-Np растворов представлен на фиг. 1.
Выпарной аппарат содержит греющую камеру 1 с электрическим нагревателем, основной сепаратор 2, соединенный с греющей камерой 1 нижней циркуляционной трубой 3 напрямую, а верхней циркуляционной трубой 4 и переливной трубой 5, через дополнительный сепаратор 6.
Нижняя циркуляционная труба 3 снабжена штуцером ввода упариваемого раствора 7, расположенным тангенциально касательной к направляющей изгиба в месте врезки штуцера 7, и сливным штуцером 8.
Основной сепаратор 2 оборудован брызгоуловителем 9, патрубком для отвода пара 10 и штуцером для вывода упаренного раствора или органической фазы с зеркала раствора 11.
Дополнительный сепаратор 6 снабжен брызгоуловителем 12.
Переливная труба 5, расположена параллельно верхней циркуляционной трубе 4, причем диаметр переливной трубы 5 и дополнительного сепаратора 6 больше, чем диаметр верхней циркуляционной трубы 4.
Предлагаемый выпарной аппарат работает следующим образом.
Упариваемый раствор подают через штуцер 7 в нижнюю циркуляционную трубу 3, который увлекается движущимся раствором по направлению к греющей камере 1. Под действием электрического нагревателя греющей камеры 1 раствор U-Pu-Np нагревают. Затем происходит первичное разделение пара и жидкости в дополнительном сепараторе 6 на брызгоуловителе 12. После первого этапа сепарации парогазовая фаза поступает через верхнюю циркуляционную трубу 4 в основной сепаратор 2, а отделенная на дополнительном сепараторе 6 жидкость поступает в основной сепаратор 2 через переливную трубу 5, где поддерживают постоянный уровень жидкости. В основном сепараторе 2 происходит второй этап отделения жидкости от пара на брызгоуловителе 9. Вывод упаренного раствора или накопленной органической фазы осуществляют через штуцер 11, который расположен таким образом, чтобы выдача раствора осуществлялась с зеркала раствора. Отвод пара осуществляют через патрубок для отвода пара 10. В случае необходимости, полное опорожнение аппарата осуществляют через штуцер 8.
В таблице 1 приведены результаты проверки эффективности новой конструкции выпарного аппарата в сравнении с прототипом. В экспериментах использовались уран-плутониевые растворы с аффинажного экстракционно-кристаллизационного стенда (АЭКС) с содержанием плутония и урана в интервале (1,8-41,7) и (27,1-198,1) г/л соответственно.
Таблица 1 - Результаты испытаний новой конструкции выпарного аппарата в сравнении с прототипом
№ эксперимента
К<sub>упаривания</sub>
Температура греющей камеры, °С
Состав конденсата по прототипу
Состав конденсата по заявляемому способу
[Pu], г/л
[U], г/л
[HNO<sub>3</sub>], г/л
[Pu], г/л
[U], г/л
[HNO<sub>3</sub>], г/л
1
5
160
0,039
0,12
28,1
0,0027
0,004
81,12
2
5
160
0,046
0,13
33,1
0,0014
0,019
19,6
3
5
160
0,033
0,11
19,2
0,0031
0,034
30,2
4
5
160
0,041
0,09
27,5
0,0048
0,028
18,4
5
5
160
0,029
0,13
29,3
0,0039
0,031
13,4
6
5
190
0,11
0,31
24,1
0,032
0,13
16,1
7
5
190
0,13
0,29
19,5
0,037
0,28
17,3
8
5
190
0,112
0,23
11,8
0,035
0,32
16,5
9
5
190
0,101
0,33
19,3
0,048
0,24
13,1
10
5
190
0,115
0,29
24,9
0,043
0,31
6,8
Из таблицы 1 видно, что упаривание уран-плутониевых растворов с АЭКС по заявляемому способу позволяет снизить содержание плутония и урана в отводимом конденсате в сравнении с прототипом в среднем в 3,5 и 1,5 раза соответственно.
Таким образом, предложенное устройство позволяет значительно снизить потери ядерного материала с выходящим из аппарата паром. Кроме того, предложенный в устройстве способ вывода упаренного раствора или накопленной органической фазы позволяет избежать процесса нитрования органических соединений, тем самым обеспечивая соответствие процесса требованиям взрыво-пожаробезопасности.