УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
DEVICE FOR PROCESSING LIQUID RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области переработки химических отходов и может быть использовано преимущественно для переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащих ядерные делящиеся материалы (ЯДМ) высокого обогащения по урану-235 и поверхностно-активные вещества (ПАВ), в твердый продукт путем их выпаривания.
Известна установка глубокого выпаривания радиоактивных солевых растворов (РФ пат. №2129314 от 27.10.1993, кл. G21F 9/08, B01D 1/02), содержащая четыре прямоточных U-образных испарителя, соединенных параллельно по исходному раствору и пару и работающих на общий циклон-сепаратор. После отделения пара в циклоне упаренный солевой раствор сливается в контейнер и застывает с образованием твердого солевого продукта. Недостатком этой установки является то, что:
- при переработке растворов, содержащих ПАВ, необходимо снижать ее производительность из-за вспенивания раствора при кипении, повышенного уноса брызг и загрязнения конденсата нелетучими компонентами, входящими в состав ЖРО. Добавление в раствор гасителей пены к существенному снижению пенообразования не приводит;
- при переработке растворов, содержащих ЯДМ высокого обогащения по урану-235, требуется постоянный контроль накопления ЯДМ в установке, что усложняет ее обслуживание, увеличивает стоимость, однако не гарантирует 100% ядерной безопасности.
Известна также установка для обработки радиоактивных отходов (США пат. №4432894 от 30.03.1981, кл. G21F 9/08), содержащая емкость для ЖРО, резервуар с порошкообразным или гранулированным активированным углем, смеситель, парогенератор, цилиндрический роторно-пленочный испаритель с рубашкой и со штуцерами ввода отходов, отвода концентрата и вторичного пара, ротор с закрепленными по всей его длине щетками, установленными с равномерным зазором относительно смачиваемой поверхности испарителя и соединенный с приводом, гранулятор, барабан и конденсатор. Недостаток данной установки заключается в том, что она не пригодна для переработки ЖРО, содержащих ядерные делящиеся материалы высокого обогащения по урану-235 и поверхностно-активные вещества.
Известна также установка для переработки жидких радиоактивных отходов (США пат. №4526713 от 02.07.1985, кл. G21F 9/08), содержащая узел их нейтрализации, соединенный со сборной емкостью, парогенератор, цилиндрический роторно-пленочный испаритель с рубашкой и со штуцерами ввода отходов, отвода концентрата и вторичного пара, с ротором с закрепленными по всей его длине лопатками, распределяющими отходы тонким слоем по обогреваемой поверхности испарителя, линию слива конденсата первичного пара, сепаратор и конденсатор. Недостаток данной установки заключается в том, что она менее производительна, надежна, компактна, а также ядерно не безопасна и потому не пригодна для переработки ЖРО, содержащих ядерные делящиеся материалы высокого обогащения по урану-235 и поверхностно-активные вещества.
Эта установка по количеству совпадающих признаков принята за прототип предлагаемого изобретения.
Задача изобретения - обеспечение возможности переработки ЖРО, содержащих ЯДМ высокого обогащения по урану-235 и поверхностно-активные вещества, при значительной интенсификации процесса выпаривания.
Технический результат - повышение производительности установки, компактность, простота ее конструкции, автоматизация процесса и надежность в эксплуатации.
Указанный технический результат достигается использованием предлагаемой установки для переработки ЖРО, содержащей узел их нейтрализации, соединенный со сборной емкостью, парогенератор, цилиндрический роторно-пленочный испаритель с рубашкой и со штуцерами ввода ЖРО, отвода концентрата и вторичного пара, с расположенным внутри него ротором с закрепленными по всей его длине лопатками, распределяющими жидкие радиоактивные отходы по обогреваемой поверхности испарителя в виде тонкой пленки, линию слива конденсата первичного пара, сепаратор и конденсатор, при этом испаритель выполнен с соотношением внутреннего диаметра обогреваемой части и ее высоты, равным 1:(20-26), и штуцер отвода концентрата и вторичного пара расположен в нижней части испарителя, расстояние от верхнего края первой сверху лопатки до рубашки составляет 1,1-1,4 внутреннего диаметра испарителя, а с целью начального сброса воздуха при запуске установки линия слива конденсата первичного пара снабжена воздухосборником с пристеночным контактным термометром для контроля наличия воздуха в линии подачи первичного пара. Кроме того, сборная емкость снабжена датчиком предельного нижнего уровня отходов и входным штуцером, расположенным ниже датчика на величину, равную 0,4-0,6 внутреннего диаметра сборной емкости.
Отличием предлагаемой установки от прототипа является то, что испаритель выполнен с соотношением внутреннего диаметра обогреваемой части и ее высоты, равным 1:(20-26), при этом штуцер отвода концентрата и вторичного пара расположен в нижней части испарителя и расстояние от верхнего края первой сверху лопатки до обогревающей рубашки составляет 1,1-1,4 внутреннего диаметра обогреваемой части испарителя, а с целью начального сброса воздуха при запуске установки линия слива конденсата первичного пара снабжена воздухосборником с пристеночным контактным термометром для контроля наличия воздуха в линии подачи первичного пара. Кроме того, сборная емкость снабжена датчиком предельного нижнего уровня отходов и входным штуцером, расположенным ниже датчика на величину, равную 0,4-0,6 внутреннего диаметра сборной емкости.
Из научно-технической литературы авторам не известна установка для переработки ЖРО, содержащих ЯДМ высокого обогащения по урану-235 и ПАВ, включающая совокупность заявляемых признаков.
На фигуре приведена схема предлагаемой установки для переработки ЖРО, где
1 - узел нейтрализации ЖРО;
2 - приемная емкость для трапных вод;
3 - сборная емкость;
4 - узел отделения твердой фазы;
5 - роторно-пленочный испаритель;
6 - сепаратор;
7 - контрольный уловитель брызг;
8 - конденсатор;
9 - сборник конденсата;
10 - электрический парогенератор;
11 - воздухосборник;
12 - контактный термометр;
13 - датчик предельного нижнего уровня отходов;
14 - штуцер ввода отходов;
15 - рубашка испарителя;
16 - ротор;
17 - лопатки;
18 - штуцер отвода концентрата и вторичного пара;
19 - линия слива конденсата первичного пара;
20 - входной штуцер сборной емкости.
Установка работает следующим образом. Из сборной емкости (3) ЖРО подают в узел отделения твердой фазы (4) и направляют через штуцер ввода отходов (14) в верхнюю часть роторно-пленочного испарителя (РПИ) (5). В РПИ раствор размазывается лопатками (17) по его внутренней поверхности и стекает вниз в виде тонкой пленки. По мере продвижения пленки жидкости вниз она прогревается и выпаривается. Образующиеся концентрат и вторичный пар движутся в РПИ сверху вниз и через штуцер отвода концентрата и вторичного пара (18) поступают в сепаратор (6) для отделения вторичного пара от концентрата. Концентрат из сепаратора направляют на химический передел для извлечения ЯДМ. Выходящий из сепаратора вторичный водяной пар через контрольный уловитель брызг (7), где отделяются остатки капельной влаги, подают в конденсатор (8), охлаждаемый оборотной водой. Конденсат вторичного пара из конденсатора попадает в сборник конденсата (9), откуда небольшая его часть может быть использована для подпитки электрического парогенератора (10), а основная часть возвращается на технологические нужды. Осадок, накапливающийся в узле отделения твердой фазы (4), направляют на химический передел для извлечения ЯДМ. Обогрев рубашки (15) РПИ осуществляют первичным водяным паром, образующимся в электрическом парогенераторе (10), который заполнен конденсатом (или дистиллированной водой). Первичный водяной пар из парогенератора (10) подают в верхнюю часть рубашки (15) РПИ (5), где, конденсируясь, он отдает тепло поверхности теплообмена. Конденсат стекает в нижнюю часть рубашки РПИ (5) и, далее, самотеком возвращается в парогенератор (10).
Совокупное использование роторно-пленочного испарителя с отношением внутреннего диаметра обогреваемой части к ее высоте 1:(20-26) и штуцера отвода концентрата и вторичного пара, расположенного в нижней части испарителя и обеспечивающего движение пленки ЖРО и вторичного пара вниз в одном направлении, позволяет производить переработку ЖРО, содержащих ЯДМ высокого обогащения по урану-235 и ПАВ, в концентрат путем их упаривания с наибольшей производительностью при небольшом (ядерно-безопасном) диаметре, оптимальных затратах, достаточной компактности, при этом не усложняя конструкцию крепления ротора с лопатками.
В результате многочисленных экспериментов было выявлено, что если указанное соотношение больше чем 1:20, то производительность РПИ снижается из-за снижения поверхности теплообмена (увеличение разности температур приводит к пузырьковому кипению, пенообразованию и уносу пены потоком вторичного пара). Если соотношение меньше чем 1:26, то усложняется конструкция поддержки длинного ротора с лопатками (от возможных прогибов), при этом производительность РПИ не удается повысить, т.к. увеличение подачи ЖРО приводит к увеличению толщины стекающей пленки жидкости, что также приводит к ее вскипанию, повышенному образованию пены и уносу потоком вторичного пара. Для снижения пенообразования приходится снижать температуру первичного пара, чтобы избежать пузырькового кипения, а это ведет к снижению производительности.
Кроме того, в процессе испытания установки было обнаружено, что расстояние от верхнего края первой сверху лопатки до рубашки должно составлять 1,1-1,4 внутреннего диаметра (d) обогреваемой части испарителя. См. на схеме (1,1-1,4)d. Если это расстояние меньше 1,1 внутреннего диаметра обогреваемой части испарителя, то подаваемые ЖРО не успевают равномерно размазаться в тонкую пленку и вскипают на горячей поверхности. Если это расстояние больше 1,4 внутреннего диаметра обогреваемой части испарителя, то это не приводит к дополнительным положительным эффектам, а лишь увеличивает габаритные размеры испарителя и, соответственно, его стоимость.
Использование направления движения вторичного пара вниз также позволяет увеличить производительность роторно-пленочного испарителя. При движении пара вверх с большой скоростью происходит унос жидкости вверх, что приводит к "захлебыванию" испарителя.
Применение в линии слива конденсата первичного пара (19) (с целью начального сброса воздуха при запуске установки) воздухосборника (11) с пристеночным контактным термометром (12) для контроля наличия воздуха в этой линии позволяет:
- повысить эффективность работы испарителя, путем увеличения коэффициента теплоотдачи первичного пара и, соответственно, увеличения общего коэффициента теплопередачи;
- уменьшить потери первичного пара при сбросе воздуха из контура парогенератора при запуске установки в работу;
- автоматизировать процесс запуска установки и вывода ее на рабочий режим.
Наличие воздуха на линии слива конденсата первичного пара определяется следующим образом. Потоком первичного пара воздух оттесняется в теплоизолированный воздухосборник. При наличии воздуха коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности воздухосборника небольшой, и контактный термометр будет иметь температуру, существенно меньшую, чем температура, соответствующая давлению насыщенного первичного пара. При отсутствии воздуха в районе контактного термометра коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности воздухосборника возрастет, поэтому возрастет и температура на контактном термометре. Если температура контактного термометра меньше температуры насыщенного первичного пара (при поддерживаемом давлении) на величину не более 5°С, то считается, что воздуха на линии первичного пара нет.
Предлагаемая установка также содержит сборную емкость (3), которая снабжена датчиком предельного нижнего уровня отходов (13) и входным штуцером (20), расположенным ниже датчика на величину, равную 0,4-0,6 внутреннего диаметра этой емкости (D). См. на схеме (0,4-0,6)D. Экспериментально было доказано, что, если эта величина меньше 0,4 внутреннего диаметра сборной емкости, то подаваемые ЖРО, контактируя с воздухом, вспениваются. Образовавшаяся пена быстро достигает верха сборной емкости и сбрасывается через воздушник, расположенный в верхней части емкости (на схеме не изображен). Если эта величина больше 0,6 внутреннего диаметра сборной емкости, то дополнительного эффекта не достигается, но при этом снижается ее полезная вместимость.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая установка обеспечивает переработку ЖРО, содержащих ЯДМ высокого обогащения по урану-235 и ПАВ, при большей производительности, проста в аппаратурном оформлении, компактна и надежна в эксплуатации. Кроме того, установка ядерно безопасна и не требует периодического контроля за накоплением в ней ЯДМ.
Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на решение поставленной задачи, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.