Установка для сушки радиоактивных ионообменных смол
APPARATUS FOR DRYING RADIOACTIVE ION-EXCHANGE RESINS

Заявленное изобретение относится к устройствам обращения с жидкими радиоактивными отходами, в частности, с радиоактивными ионообменными смолами с получением продукта, пригодного для долговременного хранения.
Известно устройство для термической переработки радиоактивной ионообменной смолы (Патент на полезную модель 121396 РФ МПК G21F9/28 (2006.01). Устройство для термической переработки радиоактивной ионообменной смолы [Текст] / Бабкин Д.Н., Демин А.В., Ирошников В.В, Прохоров Н.А., Сорокин В.Т.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Восточно-Европейский головной науч.-исслед. и проектн. ин-т энергетических технологий» (ОАО «Головной институт «ВНИПИЭТ»). - №012122290/07; заявл. 29.05.2012; опубл. 20.10.2012, Бюл. №29), включающий в себя термореактор, включающий в себя цилиндрическую емкость и герметично закрывающуюся крышку, нагреватель, расположенный на наружной поверхности термореактора, конденсатор паров воды, соединенный магистралью с термореактором, конденсатоприемник, соединенный магистралью с конденсатором паров воды, вакуумный насос, вход которого соединен с конденсатоприемником, а выход - с магистралью для отвода воздуха.
Недостатком прототипа является его низкая энергоэфективность при выполнении сушки радиоактивных ионообменных смол.
Эта конструкция наиболее близка к заявляемому техническому решению, поэтому принята в качестве прототипа.
Суть заявляемого технического решения заключается в том, что в известной установке для сушки радиоактивных ионообменных смол, включающей в себя термореактор, состоящий из цилиндрической емкости и герметично закрывающейся крышки, нагреватель, расположенный на наружной поверхности термореактора, конденсатор паров воды, соединенный магистралью с термореактором, конденсатоприемник, соединенный магистралью с конденсатором паров воды, насос, вход которого соединен с конденсатоприемником, а выход - с магистралью для отвода воздуха, термореактор включает в себя также мешалку, снабженную побудителем вращения, и вакуумный насос, установленные на герметично закрывающейся крышке внутри термореактора, цилиндрическая емкость термореактора выполнена съемной, а нагреватель выполнен с возможностью разделения на две части и включает в себя нагревательный контур циркуляции хладагента, включающий в себя теплообменник, соединенный с источником тепла, компрессор, конденсатор, редукционный клапан и инфракрасные нагреватели, причем конденсатор выполнен таким образом, что в собранном положении нагревателя он охватывает боковую поверхность цилиндрической емкости термореактора.
Таким образом, заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что термореактор включает в себя также мешалку, снабженную побудителем вращения, и вакуумный насос, установленные на герметично закрывающейся крышке внутри термореактора, цилиндрическая емкость термореактора выполнена съемной, а нагреватель выполнен с возможностью разделения на две части и включает в себя нагревательный контур циркуляции хладагента, включающий в себя теплообменник, соединенный с источником тепла, компрессор, конденсатор, редукционный клапан и инфракрасные нагреватели, причем конденсатор выполнен таким образом, что в собранном положении нагревателя он охватывает боковую поверхность цилиндрической емкости термореактора.
Сравнительный анализ данного технического решения с другими показал, что только использование установки, которая включает в себя мешалку, снабженную побудителем вращения, и вакуумный насос, установленные на герметично закрывающейся крышке внутри термореактора, съемной цилиндрической емкости термореактора, нагревателя, выполненного с возможностью разделения на две части, в составе которого имеется нагревательный контур циркуляции хладагента, включающий в себя теплообменник, соединенный с источником тепла, компрессор и конденсатор, выполненный таким образом, что в собранном положении нагревателя охватывает цилиндрическую емкость термореактора, редукционный клапан и инфракрасные нагреватели, позволит достигнуть повышения энергоэфективности.
Нагреватель, выполненный с возможностью разделения на две части позволит использовать съемную цилиндрическую емкость, что исключит дополнительные операции по выгрузке радиоактивных ионообменных смол из промежуточной передаточной емкости и загрузке их в установку. Совместное использование контура циркуляции хладагента и инфракрасных нагревателей позволит сократить объем потребляемой электроэнергии за счет возможности выпаривания основной части содержащейся в радиоактивных ионообменных смолах воды при помощи помощью контура циркуляции хладагента с низким энергопотреблением, и последующего досушивания радиоактивных ионообменных смол до требуемого по действующим нормативным документам влагосодержания с помощью инфракрасных нагревателей.
Применение мешалки, установленной на герметично закрывающейся крышке внутри термореактора и снабженной побудителем вращения, позволит обеспечить равномерность прогрева всего объема радиоактивных ионообменных смол, находящихся в цилиндрической емкости, оптимизируя, таким образом, процесс их нагрева. Применение конденсатора, выполненного таким образом, что в собранном положении нагревателя он охватывает цилиндрическую емкость термореактора, позволит обеспечить равномерный нагрев боковой поверхности цилиндрической емкости, что сократит время сушки. Применение вакуумного насоса позволит интенсифицировать процесс сушки радиоактивных ионообменных смол за счет снижения температуры кипения радиоактивных ионообменных смол в условиях создаваемого им разрежения.
На фиг. 1 изображена схема установки для сушки радиоактивных ионообменных смол.
На фиг. 2 изображена установка для сушки радиоактивных ионообменных смол, вид сверху.
На фиг. 3 изображена внутренняя часть нагревателя, с установленным конденсатором и инфракрасными нагревателями.
Устройство включает в себя съемную цилиндрическую емкость 1, установленную на донном основании 2 и нагреватель 3, выполненный с возможностью разделения на две части, которые фиксируются между собой замком 4. Нагреватель 3 закреплен на стойке 5, при помощи, например, шарнирных соединений 6. В герметично закрывающейся крышке 7 размещена мешалка 8, которая приводится в движение побудителем вращения 9.
На каждой части нагревателя 3 с внутренней стороны размещены инфракрасные нагреватели 10, расположенные в шахматном порядке, и проложен конденсатор 11, выполненный таким образом, что в собранном положении нагревателя он охватывает цилиндрическую емкость 1, входящий в состав контура циркуляции хладагента. На одной из частей нагревателя 3 установлен пирометрический термометр 12. На герметично закрывающейся крышке 7 установлен вакуумный насос 13.
К герметично закрывающейся крышке 7 подведена магистраль, на которой установлен конденсатоотводчик 14, отводящий в процессе сушки влажный пар из съемной цилиндрической емкости 1. Конденсатоотводчик 14 соединен с насосом 15 и фильтром для очистки от радиоактивных аэрозолей 16. Насос 15 соединен со специальной емкостью для сбора жидких радиоактивных отходов 17
Контур циркуляции хладагента состоит из теплообменника 18, соединенного с источником тепла (на схеме не показан), компрессора 19, конденсатора 11, выполненного таким образом, что в собранном положении нагревателя охватывает цилиндрическую емкость термореактора, редукционного клапана 20.
Заявляемая установка работает следующим образом. Для выполнения сушки радиоактивные ионообменные смолы загружаются в съемную цилиндрическую емкость 1, в качестве которой может быть использована, например, стандартная бочка типа Б31А-216,5. Съемную цилиндрической емкость 1 устанавливают на донное основание 2 так, чтобы обе части нагревателя 3 охватывали боковые стенки съемной цилиндрической емкости, затем части нагревателя 3 фиксируют между собой замком 4. Со съемной цилиндрической емкости 1 снимают стационарную крышку, если она есть, и закрывают герметично закрывающейся крышкой 7.
В начале процесса сушки радиоактивных ионообменных смол в теплообменник 18 поступает низкопотенциальное тепло, например, удаляемый из помещения вентиляционный воздух, подводимый при помощи компрессора. Теплообменник 18 заполнен хладагентом, например марки R114, который находится в жидком состоянии и имеет низкое давление.
Хладагент, проходя через теплообменник 18, нагревается до температуры кипения, которая, например, для хладагента R114 составляет + 3,6°С, переходит из жидкого состояния в газообразное, далее нагревается до температуры теплоносителя, в данном случае до + 6°С.
Далее хладагент в газообразном состоянии поступает в компрессор 19, где происходит сжатие хладагента, за счет резкого увеличения давления происходит повышение температуры хладагента температуры, требуемой для начала парообразования радиоактивных ионообменных смол (50 - 60°С).
После хладагент в виде горячего газа поступает в конденсатор 11, где хладагент отдает свое тепло стенке съемной цилиндрической емкости 1 и переходит из газообразного состояния в жидкое.
При проходе охлажденным хладагентом редукционного клапана 20, его давление понижается, хладагент расширяется, вследствие чего его температура падает. Хладагент охлаждается до первоначальной температуры и в жидком состоянии поступает в теплообменник 18.
В съемной цилиндрической емкости 1, стенки которой нагреты до температуры, требуемой для выпаривания воды из радиоактивных ионообменных смол (50 - 60°С) происходит сушка радиоактивных ионообменных смол, с одновременным вращением мешалки 8, например рамочного типа, для равномерного нагрева радиоактивных ионообменных смол по всему внутреннему объему съемной цилиндрической емкости 1. Одновременно с этим вакуумный насос 5 создает разряжение внутри съемной цилиндрической емкости 1.
Влажный пар из бочки 1 отводится конденсатоотводчиком 14. Конденсат собирается с помощью насоса 15 в специальную емкость для сбора жидких радиоактивных отходов 17, а газообразная фаза проходит через фильтр для очистки от низкоактивных аэрозолей 16 и выбрасывается в атмосферу.
Данный процесс сушки выполняется до тех пор, пока идет парообразование.
Затем проводится проба влагосодержания радиоактивных ионообменных смол, находящихся в съемной цилиндрической емкости 1. Если влагосодержание радиоактивных ионообменных смол выше 3%, допустимых по нормативу НП-093-14 (Критерии приемлемости радиоактивных отходов для захоронения: НП-093-14: утв. Фед. службой по экологическому, технологическому и атомному надзору 15.12.2014: ввод в действие с 12.04.2015// СПС КонсультантПлюс), то проводится досушивание ионообменных смол до требуемого влагосодержания при помощи инфракрасных нагревателей, после чего проба проводится повторно.
Если проба для определения влагосодержания показала влагосодержание радиоактивных ионообменных смол равное 3% или ниже, то со съемной цилиндрической емкости 1 снимается герметично закрывающаяся крышка 7 вместе с мешалкой 8, далее съемная цилиндрическая емкость 1 закрывается стационарной крышкой и герметично запечатывается.
Запечатанная съемная цилиндрическая емкость 1 передается на хранение в специализированную организацию.
Заявляемое изобретение позволит проводить сушку радиоактивных ионообменных смол с большей энергоэфективностью за счет снижения затрат на электроэнергию, за счет снижения трудоемкости и за счет интенсификации процесса сушки радиоактивных ионообменных смол.