УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ СВЕРХВЫСОКИМИ ЧАСТОТАМИ ОТРАБОТАННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ
DEVICE FOR DRYING SPENT RADIOACTIVE ION-EXCHANGE RESINS WITH ULTRAHIGH FREQUENCIES

Изобретение относится к оборудованию для обращения с жидкими радиоактивными отходами, в частности с отработанными ионообменными смолами (ИОС), и может применяться для сушки сыпучих продуктов химической промышленности.
Отработанные ионообменные смолы относятся к жидким радиоактивным отходам (РАО), а содержание свободной влаги в объеме кондиционированного продукта (битумный компаунд) и содержание жидкости в упаковке отходов, отправляемых на хранение, не должно превышать 3% (НП-019-2000, НП-020-2000).
Целью переработки РАО является сокращение их исходного объема, перевод их в устойчивую форму, при этом среднеактивные и высокосолевые жидкие РАО должны перерабатываться упариванием (СП 2.6.6.1168-02).
Известно СВЧ-устройство для термообработки гранулированных материалов, содержащее камеру нагрева, СВЧ-генератор, волноводный тракт и средства транспортирования обрабатываемых материалов (патент RU 2204221, кл. Н05В 6/64, Н05В 6/78, опубл. 10.05.2003). Недостатками известного устройства являются: наличие в камере нагрева диэлектрических пластин, усложняющих конструкцию камеры и уменьшающих ее полезный объем, ограниченное время пребывания гранул в камере (20÷90) с, отсутствует герметичность камеры нагрева, что не позволяет осуществлять сушку ИОС, а тем более жидких РАО. Данные об устройстве для загрузки материала, источнике питания генератора СВЧ-энергии, устройствах управления и стабилизации мощности в объеме нагревательного устройства, аппаратуре управления и технологического контроля отсутствуют.
Известно устройство для термической переработки радиоактивных ионообменных смол, содержащее защитную камеру с узлом загрузки, патрубком для подвода газообразного окислителя, инициирующим устройством, узлом выгрузки, газоотводной магистралью и опорным кольцом, а также термореактор, состоящий из направляющей камеры термореактора и съемного контейнера, систему газоочистки, газовытяжное устройство и газосбросной узел (патент RU 2168227, кл. G21F 9/32, опубл. 27.05.2001). Недостатками известного устройства являются: применение токсичных пожароопасных реагентов (нитрат натрия, алюминиево-магниевого сплава и т.п.), влияющих на безопасность персонала и окружающую среду, в процессе работы устройства образуется значительное количество летучих и токсичных веществ, в т.ч. термического разложения ИОС, что приводит к необходимости сложного аппаратурного оформления системы газоочистки (металлические перфорированные пластины, керамический фильтр, система газоочистки, газовытяжное устройство, газосбросной узел), устройство не предназначено и конструктивно не может применяться для обращения с жидкими РАО.
Известна СВЧ-установка для сушки сыпучих материалов, содержащая корпус, сушильную камеру, СВЧ-генератор, излучатель в виде двух меандровых линий, установленный с возможностью вращения вокруг оси, крышку, согласователи, привод, цилиндрический экран с отверстиями и блок для подачи воздуха, соединенный с полостью между корпусом и экраном (патент RU 2255434, кл. Н05В 6/64, опубл. 27.06.2005), расположенный в сушильной камере излучатель в виде двух меандровых линий уменьшает полезный объем камеры, сложность доступа к внутренней поверхности камеры и наружным поверхностям меандровых линий не позволяет проводить общепринятыми способами полную дезактивацию поверхностей, а отсутствие системы газоочистки - использовать установку при обращении с радиоактивными ИОС, устройство первоначально не предназначено для обращения с РАО, а отсутствие устройств и механизмов, обеспечивающих герметичность камеры установки при наличии системы циркуляции воздуха через обрабатываемый материал, не позволяет, в принципе, использовать устройство для обращения с жидкими РАО. Данные об источнике питания генератора СВЧ-энергии, устройствах управления и стабилизации мощности в объеме нагревательного устройства, и технологического контроля отсутствуют.
Наиболее близким по технической сущности является устройство периодического действия для СВЧ-обработки жидких диэлектрических продуктов (заявка на полезную модель RU 2013129475/07 от 28.06.2013), содержащая цилиндрический корпус, закрытый герметичной крышкой с размещенными на крышке вводом системы подачи растворов солей и газоходом вытяжной системы, механизм обработки выпариваемой ионообменной смолы, выполненный в виде диска, установленный под крышкой корпуса и имеющий радиально закрепленные лопатки-ножи, в теле которых выполнены отверстия, а по краям торцевые и радиальные режущие кромки, установленный герметично в стенке корпуса волновод СВЧ-энергии, в котором на входе размещена заглушка из фторопласта, а в стенке корпуса у этого входа вмонтирован обратный клапан. Рабочая камера в корпусе данного устройства образована двумя поперечно установленными шиберами. Для сбора образующегося продукта устройство имеет контейнер.
Недостатками известного устройства являются: отсутствие дозирующего устройства, обеспечивающего оптимальную технологичность загрузки рабочей камеры обрабатываемым материалом, отсутствие систем блокировок, обеспечивающих безопасность технологического цикла, отсутствие аппаратурного контроля основных технологических параметров процесса - веса и остаточной влажности обрабатываемого продукта и, как следствие, прилипание (в процессе выпаривания) к внутренней поверхности рабочей камеры обрабатываемого материала, что требует применения специальных лопаток-ножей, отсутствие системы кондиционирования образующегося радиоактивного пара не обеспечивает должную радиационную безопасность персонала и окружающей среды. Данные об источнике питания генератора СВЧ-энергии, устройствах управления и стабилизации мощности в объеме нагревательного устройства, аппаратуре управления отсутствуют. То есть технологический контроль за параметрами процесса СВЧ-сушки отработанных ИОС не оптимизирован.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение безопасности персонала при обращении с РАО и СВЧ-энергией, оптимизация технологического контроля за параметрами процесса СВЧ-сушки отработанных ИОС, повышение технологичности и автоматизации процесса обращения с РАО.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для сушки сверхвысокими частотами отработанных радиоактивных ионообменных смол, содержащем основание, емкость загрузочную, кран шаровой, дозатор, камеру загрузочную с патрубками и ротором, реактор с прямоугольным волноводом, патрубком и съемным вкладышем - обечайкой, переходник, шиберы, подъемник, приводы, емкость для сбора обработанного материала, термоскоп, влагомер, вакуумный насос, конденсатор пара, тензометрические датчики веса, генератор ЭМП СВЧ диапазона, волноводный ферритовый вентиль, источник тока, стойку управления с аппаратурой управления и контроля, устройство снабжено вертикальным поршневым дозатором для дозированной подачи обрабатываемого материала, состоящим из корпуса, штока, поршня, клапана впускного, фланца клапана впускного, пружины клапана впускного, выпускного клапана, пружины выпускного клапана, привода подачи поршня, выводным патрубком загрузочной камеры с влагомером, выводным патрубком загрузочной камеры с термоскопом, выводным патрубком реактора с вакуумным насосом, конденсатором пара, соединенным с вакуумным насосом, установленным внутри реактора съемным вкладышем-обечайкой из неметаллического радиопрозрачного материала с низкими адгезивными свойствами, не менее тремя тензометрическими датчиками веса, расположенными между основанием и переходником на равноудаленном друг от друга расстоянии, переходником, нижний фланец которого имеет внутреннюю кольцевую конусную проточку, обеспечивающую центровку и фиксацию емкости для сбора сухого остатка обработанного материала, системой блокировки привода пиноли ротора для исключения перемещения пиноли ротора вниз при закрытой заслонке шибера верхнего, системой блокировки привода заслонки шибера верхнего для исключения перемещения заслонки при положении ротора внизу и источником тока, размещенным в стойке управления.
На чертеже показан эскиз устройства для СВЧ-сушки отработанных радиоактивных ионообменных смол.
Заявляемое устройство состоит из основания 1, емкости загрузочной 2, крана шарового 3, дозатора 4 с корпусом 5, штоком 6, поршнем 7, клапаном 8, фланцем 9, пружины 10, клапана 11, пружины 12, привода поршня 13, камеры загрузочной 14 с патрубком 15 для установки термоскопа 16, патрубком 17 для установки влагомера 18 и патрубком 19 для загрузки обрабатываемого материала, ротора 20 с радиальными пластинами 21, пиноли ротора 22, привода ротора 23, привода пиноли ротора 24, реактора 25 с патрубком 26 для установки вакуумного насоса (не показан) и прямоугольным волноводом 27, вкладышем-обечайкой 28, верхнего шибера 29, заслонки верхнего шибера 30, привода заслонки верхнего шибера 31, нижнего шибера 32, заслонки нижнего шибера 33, привода заслонки нижнего шибера 34, переходника 35, тензометрических датчиков веса (не показаны), генератора ЭМП СВЧ диапазона 36, волноводного ферритового вентиля 37, стойки управления 38 с аппаратурой контроля и управления 39, и источником тока 40, подъемника 41 с рамой (не показана), платформой (не показана), рычажным механизмом подъема-опускания (не показан), приводом подъема платформы (не показан), конденсатора пара (не показан), емкости для сбора обработанного материала 42.
Основание 1 представляет собой раму, сваренную из прямоугольных труб, на которых располагаются основные узлы установки. Загрузочная емкость 2 предназначена для загрузки обрабатываемого материала и представляет собой вертикально установленную емкость без крышки, дно которой имеет выводной патрубок и выполнено в форме осеченного конуса. Дозатор 4 предназначен для дозированной подачи высушиваемого (обрабатываемого) материала в реактор 25 через загрузочную камеру 14. Объем одноразовой подачи материала - 5 литров. Камера загрузочная 14 предназначена для загрузки через нее обрабатываемого материала в реактор 25. Камера загрузочная 14 имеет выводной патрубок 15 для установки термоскопа 16, выводной патрубок 17 для установки влагомера 18, патрубок загрузки материала 19 из дозатора 4, ротор 20 с приводом 23, обеспечивающий механическое перемешивание обрабатываемого материала и сброс сухого остатка из реактора 25 в емкость для сбора обработанного материала 42 с помощью разрыхляющих пластин 21, радиально расположенных на роторе 20. Реактор 25 предназначен для создания рабочего объема и получения сухого остатка заданной остаточной влажности обрабатываемого материала и имеет цилиндрическую форму, через стенку реактора 25 проходит прямоугольный волновод 27, обеспечивающий передачу ЭМП СВЧ диапазона от генератора ЭМП СВЧ диапазона 36 на обрабатываемый продукт, размещенный в реакторе 25.
В реакторе 25 установлен съемный вкладыш-обечайка 28, предотвращающий прилипание продуктов сушки к внутренней поверхности реактора 25 и попадание обрабатываемого материала в волновод 27. Удаление образующегося пара из реактора 25 и его конденсация осуществляется через выводной патрубок 26 с помощью вакуумного насоса и конденсатор пара. Шибер верхний 29 предназначен для разделения камеры загрузочной 14 и реактора 25, шибер нижний 32 предназначен для перекрытия и уплотнения реактора 25 внизу со стороны емкости для сбора обработанного материала 42. Перемещение заслонок 30, 33 верхнего 29 и нижнего 32 шиберов осуществляется с помощью механизмов электрических прямоходных. Переходник 35 предназначен для центровки и фиксации емкости для сбора сухого остатка обработанного материала 42. Внутренняя кольцевая конусная проточка в нижнем фланце переходника 35 обеспечивает центровку и фиксацию емкости 42. Подъемник 41 предназначен для установки на нем емкости для сбора обработанного материала 42, стыковки ее с переходником 35, обеспечивает подъем, фиксацию в переходнике 35 и опускание емкости 42. Емкость для сбора обработанного материала 42 представляет собой бак с полезным объемом 200 или 100 литров. Тензометрические датчики веса, размещенные между основанием 1 и переходником 35, предназначены для технологического контроля веса обрабатываемого материала. Процесс СВЧ-сушки обрабатываемого материала обеспечивается генератором ЭМП 36 мощностью 5 кВт, с рабочей частотой (2450±50) МГц. Ферритовый вентиль 37 обеспечивает поглощение отраженных волн в линии передачи. Напряжение на генератор ЭМП 36 подается от источника тока 40, размещенного в стойке управления 38. Стойка управления 38 предназначена для аппаратурного контроля и управления процессом СВЧ-сушки и работой установки.
Заявляемое устройство работает следующим образом: поршень 7 дозатора 4 находится в верхнем положении, заслонка 30 верхнего шибера 29 открыта, нижняя часть реактора 25 перекрыта заслонкой 33 нижнего шибера 32, кран шаровой 3 закрыт, емкость загрузочная 2 заполняется обрабатываемым материалом, емкость 42 устанавливается на платформу подъемника 41 под реактор 25, срабатывает переключатель ВК-10, включается привод подъемника, платформа с емкостью 42 поднимается вверх до прижатия к переходнику 35, срабатывает переключатель ВК-11, привод подъемника отключается, открывается шаровой кран 3, обрабатываемый материал по трубопроводу заполняет дозатор 4, включается привод 13 поршня 7, поршень 7 перемещается вниз, обрабатываемый материал через открывшийся клапан 11 по трубопроводу через патрубок 19 попадает в камеру загрузочную 14 и через открытую заслонку 30 верхнего шибера 29 попадает в реактор 25. Объем обрабатываемого материала, загружаемого в реактор, зависит от технологического режима обработки материала (5 литров, 10 литров, 15 литров). Соответственно и поршень 7 совершает кратное 5-ти литрам количество перемещений вверх-вниз. Далее вновь включается привод 13 поршня 7, шток 6 вместе с поршнем 7 перемещается вверх, срабатывает переключатель ВК-5. Клапан 11 под действием пружины 12 закрывается. Во время перемещения поршня 7 вверх фланец 9 клапана 8 отходит от поршня 7 обрабатываемый материал вновь заполняет дозатор 4. При этом клапан 11 закрыт. Включается источник тока 40, расположенный в стойке управления 38, подается напряжение на генератор ЭМП СВЧ диапазона 36 и через ферритовый вентиль 37, соединяющий генератор ЭМП СВЧ диапазона 36 и прямоугольный волновод 27 (проходящий через стенку реактора 25) с внутренним объемом реактора 25, в последний подается СВЧ-энергия для осуществления процесса СВЧ-сушки обрабатываемого материала. Через патрубок 26 из реактора 25 осуществляется откачка образовавшегося пара с помощью насоса вакуумного, к которому последовательно подсоединена система конденсации пара. Контроль температуры нагрева обрабатываемого материала производится с помощью термоскопа 16, установленного в патрубке 15 камеры загрузочной 14. Для измерения температуры и влажности обрабатываемого материала генератор ЭМП СВЧ диапазона 36 отключается, заслонка 30 верхнего шибера 29 открывается, производится измерение температуры и влажности. При достижении заданной влажности и веса обрабатываемого материала отключается подача напряжения на генератор ЭМП СВЧ диапазона 36, процесс СВЧ-сушки (обработки) завершается. Включается привод 31 заслонки 30 шибера верхнего 29, шибер 29 открывается, срабатывает переключатель ВК-2, привод 31 выключается. Далее включается привод 23 ротора 20 и привод 24 пиноли 22, ротор 20 опускается до срабатывания переключателя ВК-8, привод 24 выключается, ротор 20 в это время продолжает вращаться. Происходит перемешивание (разрыхление) сухой фракции обрабатываемого материала. Время перемешивания задается технологическим режимом. После этого включается привод 34 заслонки 33 шибера нижнего 32, шибер 32 открывается, срабатывает переключатель ВК-4, привод 34 выключается. Включается привод 24 пиноли 22 ротора 20, пиноль 22 с вращающимся ротором 20 опускается до срабатывания выключателя ВК-9. Привод 24 и привод 23 выключаются. Разрыхленный материал ссыпается в емкость 42. После наполнения емкости включается привод подъемника, платформа с емкостью опускается вниз. Срабатывает переключатель ВК-12, привод подъемника выключается. Емкость убирается из-под реактора с помощью манипулятора.
Включается привод 24 пиноли 22 ротора 20, пиноль 22 с ротором 20 поднимается вверх до срабатывания переключателя ВК-7, привод 24 выключается. Включается привод 34 заслонки 33 шибера нижнего 32, заслонка 33 перекрывает нижнюю часть реактора 25, срабатывает переключатель ВК-3, привод 34 выключается. Производится очередное заполнение реактора материалом подлежащего СВЧ-сушке (обработке). Процесс повторяется.
Время пребывания ИОС в рабочей камере зависит от исходных требований к остаточной влажности высушиваемого материала.
Устройство успешно прошло лабораторные испытания. Испытания показали, что в заявляемом устройстве мощностью 5 кВт, после воздействия ЭМП с рабочей частотой (2450±50) МГц исходная масса и объем ИОС уменьшаются в среднем в 2 раза, влажность обработанных ЭМП СВЧ диапазона ИОС составляет десятые и сотые доли процента, производительность устройства по выпариваемой воде составляет около 5 л/ч.