ГИДРОЦИКЛОН
HYDROCYCLONE

Изобретение относится к оборудованию в области обращения с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО). При эксплуатации ядерных энергетических установок (ЯЭУ) в хранилищах накапливаются ЖРО, имеющие повышенные загрязнения по продуктам коррозии, поверхностно-активным веществам (ПАВ), шламам и илам, на которых собираются радионуклиды, причем их концентрация часто в десятки раз превышает содержание в водной фазе.
7
60
54
137
90
В емкостях хранения ЖРО происходит накопление рыхлых, практически не растворимых, шламовых осадков с содержанием сухого остатка 500-600 г/л. Осадки, в основном, состоят из фосфатов и карбонатов. В значительных количествах присутствуют продукты коррозии. Удельная активность составляет в среднем 10 Бк/л. В активность твердой фазы основной вклад вносят Со и Mn, а активность жидкой фазы определяется Cs и Sr.
3
9
7
К шламам относятся пульпы ионитов и перлита. При эксплуатации блока реактора большой мощности ежегодно образуются до 40 м пульпы ионитов и перлита удельной активностью от 2,2⋅10 Бк/л до 7,4⋅10 Бк/л. Перлиты перекачиваются в емкости хранения. В настоящее время эти отходы не перерабатываются. Технологий и технологических средств полной раскачки этих емкостей и извлечения шламов из них пока нет.
При очистке хранилищ ЖРО иловые взвеси могут содержать до 10-20 масс % твердой фазы. Взвеси илов представляют собой коллоидные растворы, осаждаются крайне медленно, поэтому при отстаивании практически не удается обеспечить очистку водной фазы.
В настоящее время установки для очистки ЖРО не оснащены устройствами, способными проводить очистку ЖРО повышенной загрязненности со шламом и илами в виде суспензий сравнительно высокой вязкости. Эту проблему можно решить, проводя предварительную очистку таких ЖРО на центрифугах или гидроциклонах. Однако указанное оборудование создавалось для работы на горно-обогатительных комбинатах, предприятиях химической и пищевой промышленности и не предназначено к очистке ЖРО с радиоактивными и вязкими суспензиями. Кроме этого центрифуги имеют сравнительно большие массогабаритные характеристики, а их конструктивные элементы не предназначены к эффективной дезактивации, что затрудняет их адаптацию на существующих установках очистки ЖРО. Центрифуги сложны в эксплуатации и являются дорогостоящим оборудованием.
Гидроциклон - устройство, которое можно использовать для дешламизации и отделения илов и нефтепродуктов при очистке ЖРО в жидкой среде в виде суспензии сравнительно высокой вязкости. Процесс предварительной очистки ЖРО происходит в полости гидроциклона вследствие действий центробежной и гравитационной сил. В гидроциклоне нет вращающихся частей. Вращение потока достигается благодаря тангенциальному вводу в гидроциклон суспензии со скоростью 5…25 м/с в цилиндрическую полость.
Использование гидроциклона на операции предварительной очистки ЖРО от илов, шламов и нефтепродуктов обосновано рядом преимуществ по сравнению с другими устройствами подобного назначения:
- полное отсутствие движущихся частей;
- простая эксплуатация;
- сравнительно низкая стоимость;
- сравнительно низкая трудоемкость дезактивации;
- компактность и оптимальная адаптация к существующим установкам для очистки ЖРО.
Известны гидроциклоны фирмы ООО ПО «Основа - Гарант», которые имеют корпус, состоящий из цилиндрической части - питательной камеры и конусной части. На цилиндрической части корпуса смонтированы тангенциальный приток и сливная насадка, а на конусной части - песковая насадка.
Процесс разделения притока суспензии происходит вследствие действия силы гравитации и центробежной силы внутри циклона. Эти силы возникают от давления притока суспензии, подаваемой в питательную камеру тангенциально.
Давление притока суспензии должно быть:
- устойчивым в фиксированной непрерывной подаче;
- величина операционного диапазона давления должна зависеть от технологических параметров процесса сепарации (обычно от 50 до 100 кПа);
- измерение давления подачи суспензии отразится на процессе ее разделения, чем выше давление подачи суспензии, тем тоньше ее разделение.
Недостатки известных гидроциклонов:
- не приспособлены к работе по очистке и разделению радиоактивной суспензии со сравнительно высокой вязкостью;
- высокая трудоемкость и большие дозовые нагрузки на персонал при дезактивации таких циклонов;
- нестабильная работа циклонов по разделению суспензии при скачках давления под влиянием неоднородности состава подаваемой суспензии по вязкости.
Известен гидроциклон по патенту US 4652363 «Гидроциклон с двойной подачей и способ отделения водной суспензии». Гидроциклон с двухсторонним питанием для разделения суспензии частиц на нижний поток, который содержит тяжелые (большие) частицы и верхний поток, который содержит легкие (мелкие) частицы. Водная суспензия подается через общий канал подачи и разделяется на два первоначально параллельных, горизонтально разнесенных потока. Первый поток поступает в цилиндрическую камеру гидроциклона через отверстие в боковой стенке вблизи его верхней части; второй поток подачи подается вокруг внешней поверхности цилиндрической камеры и вводится в цилиндрическую камеру через отверстие второй боковой стенки, удаленное от первого отверстия боковой стенки. Тяжелые (крупные) частицы суспензии опускаются рядом с внутренней стенкой гидроциклона по спиральным путям, которые отличаются друг от друга.
Недостатки данного изобретения:
- высокая трудоемкость и большие дозовые нагрузки на персонал при проведении дезактивации циклона;
- нестабильная работа циклона по разделению суспензии при скачках давления под влиянием неоднородности состава подаваемой суспензии из-за различной вязкости.
2
Известен гидроциклон по патенту RU 2588214 С «Гидроциклон с уменьшением содержания мелкозернистого материала в нижнем сливе циклона». Гидроциклон содержит область притока с тангенциальным входным отверстием для подаваемой пульпы, область разделения, которая примыкает к области притока и которая содержит насадку нижнего слива для выпуска крупнозернистых материалов или крупной фракции. В области тангенциального впускного отверстия предусмотрено, по меньшей мере, одно дополнительное впускное отверстие для подачи барьерной текучей среды. Указанный поток барьерной текучей среды и поток подаваемой пульпы отделены друг от друга посредством пластины, по меньшей мере, в верхней области гидроциклона. Дополнительная промывочная или разбавляющая вода, как вариант, вводится через трубку, расположенную по центру в насадке нижнего слива.
Недостатки указанного гидроциклона:
- высокая трудоёмкость и большие дозовые нагрузки на персонал при дезактивации циклона;
- нестабильная работа циклона по разделению суспензии при скачках давления под влиянием неоднородности состава по показателю вязкости;
- не регулируется эффективность процесса сепарации подаваемой суспензии.
Несмотря на указанные недостатки, конструкция этого гидроциклона принята за
прототип, как наиболее близкая к заявляемому гидроциклону.
Задачей заявленного изобретения является разработка надёжного и сравнительно недорогого гидроциклона с возможностью использования на операции предварительной очистки ЖРО от илов, шламов и нефтепродуктов в условиях радиоактивных облучений. Этот результат достигается за счёт:
- установки напорного бака выше цилиндрической части гидроциклона;
- установки гидравлического дефлектора, регулируемого по вертикали и имеющего внутренние каналы для подачи промывочной воды и воздуха;
- оснащения насадки верхнего слива диффузором;
- оснащения насадки нижнего слива направляющими потока суспензии;
- оснащение датчиками радиоактивности, установленными на конусной наружной части корпуса гидроциклона.
Указанный технический результат может быть получен при реализации предлагаемой конструкции гидроциклона, способного производить очистку ЖРО повышенной загрязнённости с илами, шламами и нефтепродуктами на операции предварительной очистки, имеющего тангенциальный приток для подаваемой суспензии, насадки верхнего и нижнего слива, канал для подачи разбавляющей воды, отличающийся тем, что перед тангенциальным притоком выше цилиндрической части гидроциклона установлен напорный бак, выходное отверстие которого через задвижку соединено с выходным отверстием тангенциального притока. Через резьбовое отверстие насадки нижнего слива, в конусном пространстве гидроциклона, установлен гидравлический дефлектор, регулируемый по вертикали и имеющий внутренние каналы для подачи промывочной воды и воздуха, причём центральный внутренний канал выполнен вдоль оси гидравлического дефлектора, а боковые внутренние каналы расположены перпендикулярно центральному каналу и имеют тангенциальные выходные отверстия, которые обращены в сторону основного вращательного движения подаваемой суспензии. Насадка верхнего слива оснащена диффузором, размещённым в конусной части гидроциклона соосно гидравлическому дефлектору, а насадка нижнего слива, в центре которой размещён канал для разбавляющей воды, установлена на фланце выходного отверстия конусной части гидроциклона и имеет в своей приемной камере направляющие потока суспензии, установленные под углом 25-30° к оси гидроциклона в сторону вращательного движения сепарированной суспензии, а также тангенциально установленный насадок для выхода упомянутой суспензии.
В частном случае подвод воздуха к каналам гидравлического дефлектора осуществлен от воздушной сети, по гибкому шлангу через редуктор давления, имеющий регулируемый клапан и манометр, и соединен с атмосферным воздухом через резьбовую пробку.
В другом частном случае на наружной конусной части гидроциклона установлены детекторы бета- и гамма-излучения.
Для получения удовлетворительных результатов по разделению подаваемой суспензии в гидроциклон важно, чтобы давление в тангенциальном притоке на входе поддерживалось на постоянном уровне. Всякие колебания давления вызывают ухудшение эффективности разделения суспензии, особенно за счет изменения вязкости в подаваемом составе суспензии. Постоянство давления может быть обеспечено за счет равномерного питания (подачи суспензии) в циклон, без резких колебаний объема суспензии за счет установки напорного бака выше цилиндрической части циклона. Бак соединен через задвижку с входным отверстием тангенциального притока циклона, а через трубопровод подачи суспензии с пульповым насосом (на Фиг. не показан).
Через резьбовое отверстие насадки нижнего слива установлен гидравлический дефлектор, регулируемый по вертикали и имеющий внутренние каналы для подачи промывочной воды и воздуха, а насадка верхнего слива оснащена диффузором, размещенным соосно гидравлическому дефлектору. Такая конструкция позволяет регулировать скорость течения жидкости в насадке верхнего слива за счет эффекта Бернулли: чем больше скорость потока при изменении поперечного сечения канала, тем меньше давление в этом сечении. Гидравлический дефлектор в сочетании с диффузором позволяют изменять скорость течения жидкости в насадке верхнего слива при настройке оптимального режима сепарации суспензии.
Гидравлический дефлектор имеет внутренние каналы для подачи воды и воздуха во внутреннюю полость циклона. Периодическая подача воды обеспечивает дезактивацию внутренней полости циклона. Проведение этой операции необходимо, так как суммарное накопление радионуклидов на внутренней полости гидроциклона во время работы делает гидроциклон радиационноопасным для персонала и окружающей среды и, следовательно, не пригодным для дальнейшей работы. Кроме указанной операции, по необходимости, эту систему подачи воды можно использовать для корректировки показателя вязкости разделяемой суспензии, обеспечивающего стабильную работу гидроциклона.
По системе каналов гидравлического дефлектора обеспечивается также дискретная подача сжатого воздуха, используемого на операции дезактивации полости циклона для внутреннего барботажа подаваемой воды, который обеспечивает качественную дезактивацию внутренних поверхностей за более короткое время и экономию расхода промывочной воды.
При настройке оптимального режима работы гидроциклона, постоянство вакуума в центральной части полости циклона достигается путем регулирования резьбовой пробкой, соединяющей каналы гидравлического дефлектора с атмосферным воздухом.
На конусной части снаружи циклона установлены детекторы бета- и гамма- излучений, которые контролируют активность осажденных на внутренних конусных стенках радионуклидов.
Направление тангенциальных отверстий гидравлического детектора, кроме центрального отверстия сориентированы на направление основного вращательного движения подаваемой суспензии для уменьшения внутренних гидравлических сопротивлений, а, следовательно, увеличения надежности работы гидроциклона.
Введение направляющих потока суспензии в приемной камере насадки нижнего слива, установленных с уклоном, сориентированным на усиление основного вращательного движения подаваемой суспензии, способствует надежному выводу сепарированной суспензии из тангенциального оттока насадки нижнего слива.
Сущность изобретения подтверждается следующими чертежами:
Фиг. 1 - Общий вид гидроциклона;
Фиг. 2 - Вид А. Установка насадки нижнего слива с гидравлическим дефлектором;
Фиг. 3-Вид Б. Расположение каналов гидравлического дефлектора и направляющих потока суспензии в приемной камере насадки нижнего слива;
Фиг. 4 - Вид В. Расположение тангенциального оттока насадки нижнего слива;
Фиг. 5 - Сечение Г-Г. Установка направляющих потока суспензии в приемной камере насадки нижнего слива относительно оси циклона;
Фиг. 6 - Принципиальная гидравлическая схема подвода промывочной воды от водопроводной системы к каналам гидравлического дефлектора;
Фиг. 7 - Принципиальная мнемосхема подвода сжатого воздуха к каналам гидравлического дефлектора.
Гидроциклон (Фиг. 1) состоит из двух корпусных конструкций - напорного бака 1 и циклона 2, соединенных через задвижку 3 и изготовленных из коррозионностойких сталей. Напорный бак 1 цилиндрической формы имеет входной патрубок 4, подсоединяемый к пультовому насосу (на Фиг. не показан), и тангенциально расположенный выходной патрубок 5. На выходном патрубке 5 установлен манометр 6. Напорный бак 1 должен быть расположен выше цилиндрической части циклона 2. Циклон 2 имеет тангенциально расположенный патрубок 7 (тангенциальный приток подаваемой суспензии) и насадки верхнего слива 8 и нижнего слива 9. На насадке верхнего слива 8 установлен манометр 10, а на насадке нижнего слива 9 установлен манометр 11.
Через резьбовое отверстие 12 насадки нижнего слива 9 в конусное пространство циклона 2 установлен гидравлический дефлектор 13 (Фиг. 2), имеющий внутренние каналы 14, при этом, центральный канал 15 выполнен вдоль оси гидравлического дефлектора 13, а боковые каналы 16 расположены перпендикулярно центральному каналу 15 и имеют тангенциально расположенные выходные отверстия 17 (Фиг. 3). Каналы 14 закрыты обтекателем 18 (Фиг. 2, 3).
Насадка верхнего слива 8 оснащена диффузором 19 (Фиг. 1). Диффузор 19 размещен в верхней конусной части циклона 2 соосно гидравлическому дефлектору 13.
Насадка нижнего слива 9 (Фиг. 1, 2) смонтирована на фланце 20 выходного отверстия конусной части циклона 2 и имеет в своей приемной камере 21 (Фиг. 3, 5) направляющие потока суспензии 22 каплевидной формы, установленные под углом 25-30° к оси циклона 2, а также тангенциально расположенный выходной патрубок 23 для сепарированной суспензии.
Подвод промывочной воды к каналам 14 гидравлического дефлектора 13 от водопроводной системы осуществляется через клапан, регулируемый 24, манометр 25, гибкий шланг 26, быстроразъемное соединение 27 (Фиг. 6).
Подвод воздуха к каналам 14 гидравлического дефлектора 13 от воздушной сети осуществляют через редуктор давления 28, регулируемый клапан 29, манометр 30, гибкий шланг 31, быстроразъемное соединение 27 (Фиг. 7).
Соединение каналов 14 и гидравлического дефлектора 13 с атмосферным воздухом производится через резьбовую пробку 32 (Фиг. 6, 7).
На конусной части снаружи циклона 2 установлены детекторы бета- и гамма- излучений 33, например, МКГ-01-10/10, которые могут работать как индивидуальные датчики, так и в системе с компьютером на удаленном доступе.
Все уплотнения 34 выполнены из радиационностойкого и кислотостойкого материала.
Предлагаемая конструкция гидроциклона обеспечивает отсутствие движущихся внутренних и внешних частей, сравнительно низкую стоимость изготовления, обеспечивает безопасную работу в условиях радиоактивных излучений. Компактность гидроциклона обеспечивает простую адаптацию к существующим установкам для очистки ЖРО.
Работа гидроциклона осуществляется следующим образом. Гидроциклон включается в гидравлическую схему установки для очистки ЖРО. Входной патрубок 4 напорного бака 1 подключают к пульповому насосу. Насадку верхнего слива 8 циклона 2 подключают к соответствующему трубопроводу для отвода легкой фракции суспензии. Насадку нижнего слива 9 циклона 2 подключают к соответствующему трубопроводу для отвода сепарированной (тяжелой фракции) суспензии в сборник-накопитель для отверждения за счет включения, например, в портландцемент (на фигуре не показан).
При включении пульпового насоса происходит наполнение суспензией ЖРО напорного бака 1. В это время задвижка 3 закрыта. Достигнув давления 50÷100 кПа, открывают задвижку 3 и суспензия поступает через выходной патрубок 5 в цилиндрическую часть циклона 2 через тангенциально расположенный патрубок 7. Контроль давления суспензии осуществляется на выходе и входе через манометры 6 и 36 (Фиг. 1).
Благодаря тангенциальной подаче суспензии и осевой разгрузке ее разделения в циклоне 2 создаются вращение суспензии и радиальное ее перемещение от стенок циклона 2 к разгрузочным отверстиям насадки верхнего слива 8 и насадки нижнего слива 9, поэтому в циклоне 2 возникают два основных, вращающихся в одну сторону потока: внешний, имеющий поступательное движение по спирали вниз, и внутренний двигающийся по спирали вверх к насадке верхнего слива 9. Внешний поток, подходя к нижней части конуса циклона 2 делится на две части: нижнюю, которая, не меняя направления поступательного движения, уходит из циклона 2 через насадку нижнего слива 9 и верхнюю, которая образует внутренний поток, изменяя направление поступательного движения продукта разделения суспензии. Между внешним и внутренним потоками на уровне ниже конца насадки верхнего слива 8 и на границе перехода цилиндрической поверхности полости циклона 2 в конусную образуется замкнутый кольцевой вихрь с вращением вокруг оси циклона 2, который передвигается с наружной стороны в направлении насадки нижнего слива 9, а с внутренней - в направлении к насадке верхнего слива 8.
Как показал опыт эксплуатации гидроциклонов, качество разделения суспензий в нижний 9 и верхний 8 сливы зависят от отношения диаметров насадок верхнего 8 и нижнего 9 сливов.
Однако, на качество разделения продуктов суспензии влияет совокупность ряда условий, которых учесть практически невозможно:
- характер перерабатываемой суспензии (гранулометрический состав, содержание твердого, вещественный состав, вязкость);
- производительность или давление на входе;
- циркулирующая нагрузка;
- форма разгрузки продуктов разделения;
- геометрические параметры и конструкции циклонов;
- ряд индивидуальных особенностей установки и работы циклонов.
Для настройки оптимального процесса сепарации продуктов суспензии ЖРО с учетом перечисленных условий, в предлагаемой конструкции используется гидравлический дефлектор 13 в совокупности с диффузором 19. Настройка процесса сепарации суспензии производится путем вращения рукоятки 35 и соответствующего перемещения гидравлического дефлектора 13 по вертикали в резьбовом отверстии 12 (Фиг. 2) насадки нижнего слива 9 относительно диффузора 19. Постоянство вакуума в центральной части полости циклона 2 достигается путем регулирования резьбовой пробкой 32 (Фиг. 2, 6, 7). Контроль настройки процесса сепарации суспензии производят манометрами 10, 11, 36.
После окончания работы по разделению суспензии ЖРО отключают пульповый насос и закрывают задвижку 3.
Проводят операцию по дезактивации циклона 2. Основная доля радиоактивности возникает на конусной части полости циклона 2, так как там откладываются наиболее тяжелые продукты разделения суспензии, на которых концентрация радионуклидов в десятки раз превышает их содержание по сравнению с легкими продуктами разделения и водной средой. Закрывают задвижку 3.
Через быстроразъемное соединение 27, гибкий шланг 26, производят соединение каналов 14 гидравлического дефлектора 13 с водопроводной системой подачи промывочной воды. Через регулирующий клапан 24 наполняют внутреннюю полость циклона 2, контролируя заполнение манометрами 25, 10, 11, 36, при этом, задвижка на трубопроводе для отвода сепарированной (тяжелой фракции) суспензии в сборник-накопитель должна быть закрыта (на Фиг. не показана). Закрывают регулирующий клапан 24. Производят разъем быстроразъемного соединения 27. Через быстроразъемное соединение 27 (БРС), гибкий шланг 31, регулирующий клапан 29, редуктор давления 28 производят соединение внутренней полости циклона 2 через каналы 14 гидравлического дефлектора 13 с системой сжатого воздуха. Регулирующим клапаном 29 производят дискретные, импульсные подачи сжатого воздуха в полость циклона 2. (барботаж ЖРО в соответствии с технологией дезактивации циклона). Контроль операции осуществляют манометрами 30, 10, 11, 36. Выпуск сжатого воздуха производят через воздушные фильтры, установленные в сборнике-накопителе от насадки верхнего слива 8. (на Фиг. не показаны).
Выпуск «грязной» воды производят через насадку нижнего слива 9, патрубок 23, задвижку трубопровода для отвода сепарированной суспензии в сборник-накопитель.
При достижении показаний детекторов 33 радиоактивности на поверхности циклона 2 значения 2 мЗв/час операция по дезактивации циклона прекращается, и все устройства гидроциклона приводятся в исходное положение.
Таким образом, предлагаемая конструкция гидроциклона обеспечивает отсутствие движущихся частей, сравнительно низкую стоимость изготовления, безопасную работу в условиях радиоактивных излучений и использование в уже существующих установках очисти ЖРО из-за компактности конструкции и простой адаптации.