ВЫПАРНОЙ АППАРАТ ДЛЯ РАДИОАКТИВНЫХ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к выпарному оборудованию, применяемому для глубокого упаривания растворов, в частности, к выпарным аппаратам для концентрирования радиоактивных стоков, подлежащих захоронению, на атомных энергетических установках.
В производствах по переработке, радиоактивных материалов все основное технологическое оборудование располагается в бетонных камерах или боксах, оснащенных соответствующей защитой, доступ в которые осуществляется сверху через минимальное число проемов, закрываемых плитами. Для обеспечения радиационной безопасности обслуживающего персонала время обслуживания аппаратов должно быть предельно минимальным, а основные работы по ремонту и очистке узлов аппаратов должны выполняться вне камеры в специально отведенных для этого местах. Это обстоятельство предъявляет особые требования к конструкции аппаратов: возможность и удобство демонтажа узлов, подлежащих периодическому обслуживанию. Для выпарных аппаратов, кроме того, необходимо полное опорожнение от перерабатываемого раствора (отсутствие застойных зон), хорошая промывка всех внутренних поверхностей, обеспечение условий для полной механической очистки внутренних поверхностей от отложений, возникающих при эксплуатации.
В химической и других отраслях промышленности для глубокого концентрирования растворов широко и успешно используется выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора (Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств. М; «Машиностроение»,1975, стр.205, рис.57). Аппарат содержит греющую камеру с теплообменными трубками, сепаратор и циркуляционный насос. Выпариваемый раствор с большой скоростью прокачивается через теплообменные трубки насосом, что в значительной степени снижает образование накипи и инкрустаций на теплообменной и других внутренних поверхностях, а также увеличивает интенсивность теплопередачи и производительность аппарата по выпариваемой воде. Основные недостатки этого аппарата заключаются в том, что циркуляционный насос находится ниже уровня раствора в аппарате, и вал насоса имеет уплотнительное устройство, препятствующее протечке раствора по валу, которое требует постоянные контроль и обслуживание. Насос и греющая камера установлены стационарно и не могут извлекаться в специальное место для проведения обслуживания и чистки. Указанные недостатки свидетельствуют о том,
что аппарат не приспособлен для работы с радиоактивными растворами и практически не пригоден для радиохимических производств.
Известен выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, предназначенный для выпаривания радиоактивных стоков ядерных энергетических установок (см. патент США №3933576, МПК В 01 D 1/26, 1976 г.). Описание изобретения включает три варианта исполнения аппарата, изображенные на фигурах 3, 5 и 6. Все варианты содержат основные узлы: греющую камеру с теплообменными трубками, испаритель (корпус сепаратора) с растворной камерой и размещенной над ней паровой камерой, а также с нижним днищем и с верхней съемной крышкой, циркуляционную трубу и вертикальный циркуляционный насос. В первом варианте исполнения аппарата, представленном на фигуре 3 патента США, все основные узлы размещены раздельно и соединены между собой трубами с разъемными элементами. Греющая камера содержит пучок теплообменных труб, закрепленных в трубных решетках и заключенных в кожух со съемной крышкой, на которой размещены патрубки для подвода пара, отвода конденсата и неконденсирующихся газов, проходящие сквозь верхнюю трубную решетку и скрепленные с ней. Это позволяет вместе с крышкой извлекать из аппарата весь трубный пучок в сборе для осмотра и, при необходимости, для чистки и ремонта трубок. Электродвигатель и редуктор вертикального насоса закреплены на верхней съемной крышке насосной цилиндрической растворной камеры с зауженной нижней частью, в которой размещено рабочее колесо (пропеллер), укрепленное на нижнем конце вертикального вала насоса. Верхний конец вала закреплен в редукторе. Между кожухом греющей камеры и насосной камерой расположен корпус выпарного аппарата (сепаратор или испаритель), нижнюю часть которого занимает растворная камера, а верхнюю - паровая камера. Растворная камера соединена с верхней частью греющей камеры. Верхняя крышка корпуса испарителя выполнена съемной и служит местом крепления каплеуловителя. Напорный патрубок циркуляционного насоса сообщен с нижней растворной частью греющей камеры циркуляционной трубой с разъемным элементом. На съемной крышке корпуса испарителя установлен патрубок для вывода вторичного пара, а в растворной камере ниже рабочего уровня раствора - один или несколько патрубков для подвода исходного раствора. В донной части греющей камеры предусмотрен патрубок для вывода упаренного раствора и дренажа.
Преимуществом данного варианта исполнения аппарата является возможность разборки и извлечения из защитной камеры или бокса каждого из основных узлов аппарата независимо от других узлов. Недостатки этой известной конструкции заключаются в
необходимости значительной площади защитной камеры для размещения и наличие большого числа разъемов, требующих обслуживания.
Более совершенен и компактен другой вариант выполнения выпарного аппарата по патенту США №3933576, МПК B 01 D 1/26, 1976 г., изображенный на фиг.6 описания изобретения к патенту. Эта конструкция является наиболее близкой к заявляемой и принята в качестве прототипа.
В выпарном аппарате-прототипе греющая камера и циркуляционный насос размещены непосредственно в корпусе испарителя (сепаратора). При этом корпус трубчатой греющей камеры заведен через нижнее днище корпуса испарителя в растворную камеру последнего ниже рабочего уровня раствора в ней. Мотор и редуктор циркуляционного насоса закреплены на съемной верхней крышке испарителя так, что рабочее колесо (пропеллер), установленное на нижнем конце вертикального вала, размещено в напорном патрубке, встроенном в нижнее днище испарителя. Пучок теплообменных трубок, закрепленных в верхней и нижней трубных решетках и заключенных в кожух, посредством труб для подвода в греющую камеру пара, отвода конденсата и неконденсирующихся газов, прикреплен к съемной верхней крышке с помощью фланцевого разъема. Это позволяет легко извлекать греющую камеру из корпуса испарителя. Трубы для подвода пара, отвода конденсата и газов заканчиваются над верхней крышкой горизонтально расположенными фланцами для присоединения к трубам внешних коммуникаций. В верхней крышке корпуса испарителя размещен и патрубок для вывода вторичного пара. Напорный патрубок циркуляционного насоса с помощью циркуляционной трубы с разъемом соединен с дном греющей камеры. Патрубок для подачи исходного раствора расположен на стенке корпуса испарителя ниже рабочего уровня раствора, а патрубок для вывода упаренного раствора и опорожнения размещен в нижней части циркуляционной трубы.
Хотя аппарат-прототип компактнее других известных конструкций, тем не менее по компактности и по другим важным параметрам выпарного оборудования для радиоактивных растворов он далек от совершенства и требует для размещения значительного объема защитной камеры, а также времени и затрат на обслуживание и ремонт. Основные недостатки прототипа следующие.
Поверхность теплопередачи в греющей камере, выполненная из теплообменных трубок, неудобна для производимых периодически механической чистки и промывки даже при проведении этих операций вне защитной камеры или бокса. Чистящий элемент (щетку) приходится последовательно вводить в каждую трубку, что требует иного времени для осуществления чистки. При этом трудно контролировать качество очистки.
В процессе глубокого выпаривания в растворе неизбежно образуются взвешенные твердые частицы (в частности - кристаллы растворенных веществ, частицы накипи), которые отлагаются на горизонтальных и наклонных поверхностях внутри аппарата и на циркуляционных трубах. При опорожнении отложения остаются на днищах испарителя и греющей камеры, на циркуляционных трубопроводах, на верхней трубной решетке. Требуется дополнительная очистка и промывка аппарата для удаления этих отложений. Патрубок для вывода упаренного раствора и для дренажа в процессе эксплуатации аппарата, особенно при его периодической работе, будет заполняться и закупориться взвесями твердых веществ, обусловливая нестабильную работу и частые неплановые остановки аппарата. В связи с предрасположенностью к забивке дренажных коммуникаций, предусмотренное в прототипе удаление раствора при остановках путем свободного слива не обеспечит надежного и оперативного опорожнения аппарата.
Размещение патрубка вывода вторичного пара на крышке корпуса испарителя усложняет съем крышки для одновременного извлечения греющей камеры и циркуляционного насоса, так как приходится освобождать фланцевый разъем не только на крышке, но и фланцевый разъем этого патрубка, а также демонтировать примыкающий к нему участок трубы внешней коммуникации вывода вторичного пара. Аналогично усложняется операция извлечения трубного пучка греющей камеры из-за необходимости освобождения от болтов фланцев разъемов труб у аппарата и демонтировать примыкающие к этим фланцам и нависающие сверху участки труб внешних коммуникаций. Практика показывает, что при работе пропеллерных насосов, у которых пропеллер крепится на конце длинного вала, перекачивающих вязкую жидкость или раствор с большим содержанием взвешенной твердой фазы, имеют место радиальные колебания вала. В выпарном аппарате-прототипе вследствие флуктуаций плотности перекачиваемого раствора будет наблюдаться это явление. При этом рабочее колесо краями лопастей будет задевать стенки аппарата, вследствие чего возможно разрушение лопастей рабочего колеса.
Недостатком аппарата-прототипа является также размещение патрубка подачи исходного раствора на корпусе испарителя ниже рабочего уровня раствора. При прекращении по какой-либо причине подачи исходного раствора в аппарат (выход из строя подающего насоса, нарушение герметичности подводящих внешних коммуникаций и др.) произойдет самопроизвольное опорожнение аппарата через подводящую линию, что может привести к аварийной ситуации.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение перечисленных недостатков. Изучение особенностей радиохимических производств, закономерностей
глубокого концентрирования выпариванием радиоактивных сточных вод, опыта эксплуатации и порядка обслуживания аналогичного оборудования позволило авторам реализовать цель полезной модели - создать высокоэффективный выпарной аппарат новой конструкции: более компактный, простой и надежный, а также высокопроизводительный за счет уменьшения числа разъемов и сокращения тем самым времени останова и чистки аппарата, увеличения межпромывочного периода и предотвращения ситуаций, требующих незапланированных остановок. Новый аппарат можно быстро смонтировать, легко запустить в работу, оперативно извлечь отдельные узлы и устранить неполадки в комфортных условиях, уменьшив продолжительность останова.
Заявляемый выпарной аппарат, как и прототип, содержит корпус с растворной камерой и размещенной над ней паровой камерой, а также с нижним днищем и верхней съемной крышкой, греющую камеру, помещенную в растворную камеру с кольцевым зазором и закрепленную на крышке, циркуляционную трубу, установленный на крышке корпуса циркуляционный насос с рабочим колесом на нижнем конце вала, патрубки для подвода пара и отвода конденсата, установленные на крышке корпуса и сообщенные с греющей камерой трубами, патрубки для подачи исходного раствора и отвода вторичного пара, упаренного раствора и опорожнения.
Новый технический результат достигается за счет того, что греющая камера установлена с зазором к нижнему днищу, выполнена кольцевой и охватывающей закрепленную на крышке циркуляционную трубу, в которой размещено рабочее колесо насоса.
Кроме того, заявляемый аппарат отличается от прототипа тем, что греющая камера и циркуляционная труба могут быть закреплены на крышке посредством установочной трубы, в которой выполнено по меньшей мере одно отверстие. Растворная камера может быть снабжена паровой рубашкой с патрубками подвода пара и отвода конденсата. Вал насоса снабжен дополнительным подшипником, закрепленным на стенке циркуляционной трубы и защищенным кожухом. Патрубок для отвода вторичного пара размещен на стенке паровой камеры под съемной крышкой. Патрубок для отвода упаренного раствора размещен в стенке корпуса над греющей камерой.
Патрубок для опорожнения размещен на стенке корпуса выше патрубка для отвода упаренного раствора и снабжен трубой, нижний скошенный конец которой опущен в углубление, выполненное в нижнем днище корпуса. Патрубки для подвода пара и отвода конденсата выполнены каждый в виде колена с фланцем, присоединительная поверхность которого размещена в одной вертикальной плоскости с
краем корпуса аппарата. Нижний конец трубы для отвода конденсата из греющей камеры скошен и опущен до дна греющей камеры. Паровая камера снабжена патрубком для подвода сжатого воздуха или пара. Патрубок для подачи исходного раствора расположен выше патрубка для отвода упаренного раствора.
Заявляемая полезная модель соответствует критериям патентоспособности.
Она обладает новизной, так как из уровня техники заявителями не выявлено техническое решение, характеризуемое такой же совокупностью существенных признаков.
Полезная модель промышленно применима, так как выпарной аппарат и все его признаки выполнимы и воспроизводимы; ничто в предлагаемом техническом решении не противоречит и не мешает использованию их в промышленном производстве с достижением ожидаемого технического результата.
Доказательство тому - нижеприведенное описание конструкции выпарного аппарата и его работы.
На прилагаемом к описанию изобретения рисунке представлен вариант выполнения заявляемого технического решения.
Выпарной аппарат для радиоактивных растворов содержит корпус 1 с растворной камерой 2 и размещенной над ней паровой камерой 3, а также с нижним эллиптическим днищем 4 и с верхней съемной крышкой 5. Диаметр растворной камеры 2 может быть меньше диаметра паровой камеры 3. Крышка 5 может быть выполнена плоской и установлена с помощью фланцевого разъема на корпусе 1. Для этого на верхнем торце корпуса 1 приварено присоединительное кольцо. Внутри растворной камеры 2 с кольцевым зазором 7 к ее стенке и с зазором к нижнему днищу 4 размещена кольцевая греющая камера 6. Она может быть изготовлена, например, из двух коаксиально расположенных тонкостенных цилиндров (обечаек или труб). Наружный цилиндр герметично прикреплен к внутреннему кольцевыми донышками. При этом внутренний цилиндр (обечайка или труба) может быть несколько выше наружного, выступает над верхним донышком и образует циркуляционную трубу 8.
Таким образом, кольцевая греющая камера 6 размещена вокруг циркуляционной трубы 8, охватывая ее. Циркуляционная труба 8 может быть установлена по центру (по оси) корпуса 1. Греющая камера 6 закреплена на крышке 5, с помощью, например, установочной (опорной) трубы 9, являющейся продолжением циркуляционной трубы 8 и жестко соединенной верхним краем с крышкой 5. В этом случае циркуляционная труба 8 и установочная труба 9 представляют собой единое целое. При этом в стенке этой целой трубы выполняют отверстия 10. Выполнение крепления циркуляционной трубы 8 может
быть и другим. Например, вместо установочной трубы 9 могут быть применены прутки, прокатные профили и т.п.
На крышке 5 установлен циркуляционный насос, содержащий электродвигатель 11, вертикальный вал 12, на нижнем конце которого закреплено рабочее колесо (пропеллер) 13, помещенное в циркуляционную трубу 8. Положение нижнего конца вала 12 зафиксировано подшипником 14, укрепленным на внутренней стенке циркуляционной трубы 8. Подшипник 14 и вал 12 насоса защищены трубой - кожухом 15. Циркуляционный насос при помощи опорного кольца 16 посредством фланцевого разъема закреплен на крышке 5.
Растворная камера 2 может быть снабжена паровой рубашкой 17 с патрубками 18 для подвода пара и 19 для отвода конденсата. На боковой стенке корпуса 1 над греющей камерой 6 на уровне верхнего края циркуляционной трубы 8 расположен патрубок 20 для вывода упаренного раствора. Отверстия 10 в стенке установочной трубы 9 выполняют на уровне патрубка 20. Для подачи в греющую камеру 6 греющего пара предусмотрен патрубок 21, размещенный на крышке 5, и труба 22, пропущенная герметично сквозь верхнее кольцевое донышко греющей камеры 6 и съемную крышку 5. Для отвода конденсата из греющей камеры 6 служит патрубок 23, установленный на крышке 5, и труба 24, пропущенная сквозь крышку 5 и верхнее кольцевое донышко камеры 6. Нижний конец трубы 24 опущен до дна греющей камеры 6 и скошен под углом к дну. Патрубки 21 и 23 выполнены каждый в виде колена с фланцем, присоединительная поверхность которого размещена в одной вертикальной плоскости с краем корпуса аппарата. Целесообразно размещение труб 22 и 24 диаметрально противоположно.
На стенке корпуса 1 под крышкой 5 предусмотрены патрубки 25 для вывода вторичного пара, 26 для подвода сжатого воздуха или пара, 27 для подвода исходного раствора. Также на боковой стенке корпуса 1 выше патрубка 20 для вывода упаренного раствора расположен патрубок 28 для опорожнения аппарата. Патрубок 28 снабжен трубой 29, нижний конец которой опущен до днища 4. В днище 4 предусмотрено углубление 30. Если конец трубы 29 выполнить скошенным под углом и опустить в углубление 30, то опорожнение аппарата будет более полным.
Заявляемый выпарной аппарат работает следующим образом.
Через патрубок 27 растворную камеру 2 заполняют исходным раствором до рабочего уровня, определяемого патрубком 20 для вывода упаренного раствора, и включают циркуляционный насос. Через патрубок 21 в греющую камеру 6 подают греющий пар и создают в ней рабочее давление. На внешних коммуникациях открывают запорные устройства: на трубопроводе отвода конденсата из греющей камеры 6, подсоединенной к
патрубку 23, а также на трубопроводе отвода вторичного пара, сообщенном с патрубком 25. По мере снижения уровня раствора в камере 2 добавляют исходный раствор. Под воздействием вращающегося рабочего колеса 13 циркуляционного насоса выпариваемый раствор из циркуляционной трубы 8 нагнетается вниз под греющую камеру 6, откуда раствор движется вверх в кольцевом зазоре 7 между обогреваемыми стенками греющей 6 и растворной 2 камер. Двигаясь вверх, раствор нагревается и несколько перегревается теплом пара, конденсирующегося в греющей камере 6 и в паровой рубашке 17. Выходя из зазора 7, перегретый раствор вскипает. Образующийся при этом пар поднимается вверх в паровую камеру 3 и через патрубок 25 выводится из аппарата, а прокипевший раствор через отверстия 10 перетекает в циркуляционную трубу 8, где также нагревается паром греющей камеры 6, охватывающей трубу 8. Затем раствор вновь нагнетается насосом в кольцевой зазор 7. При достижении заданной концентрации растворенных веществ в выпариваемом растворе подачу исходного раствора регулируют таким образом, чтобы часть упаренного раствора отводилась из аппарата через патрубок 20. Греющий пар конденсируется на наружной и внутренней стенках греющей камеры 6, конденсат стекает вниз и по трубе 24 через патрубок 23 отводится из аппарата. По этой же трубе вместе с конденсатом из греющей камеры выводятся неконденсирующиеся газы.
Отличительные признаки заявляемого технического решения обеспечивают выпарному аппарату существенные преимущества по сравнению с известными, в том числе с аппаратом-прототипом.
В кольцевой греющей камере 6 типа «труба в трубе» меньше гидравлическое сопротивление движению выпариваемого раствора, создаваемому циркуляционным насосом. Поэтому при прочих равных условиях скорость движения раствора вдоль теплопередающей поверхности в заявляемом аппарате больше, чем в трубных теплообменниках, что обеспечивает более высокую интенсивность теплопередачи и уменьшает скорость образования накипи. Кроме того, такая форма поверхности значительно удобнее для механической чистки от накипи. Наличие паровой рубашки 17 увеличивает поверхность теплопередачи и способствует повышению производительности и эффективности работы аппарата. Снабжение аппарата установочной трубой 9 повышает устойчивость положения греющей камеры 6 и циркуляционного насоса, так как прочно объединяет их в единый агрегат, в котором длинный вертикальный вал 12 с вращающимся рабочим колесом 13 на конце зафиксирован в нижней точке. Это предотвращает радиальные биения вала 12 при работе насоса. Закрепление греющей камеры 6 и циркуляционного насоса совместно на съемной крышке 5 позволяет быстро, разъединив лишь одно фланцевое соединение крышки 5, извлекать из аппарата оба узла
одновременно единым агрегатом и осуществлять при необходимости последующую их разборку за пределами защитной камеры в приспособленном для этого месте. Это ускоряет демонтаж и сокращает простои аппарата.
Облегчению и ускорению демонтажа способствует также предлагаемая конструкция патрубков 21 для подвода пара в греющую камеру и 23 для отвода конденсата. Форма колена и размещение присоединительных поверхностей фланцев в одной вертикальной плоскости со стенкой корпуса аппарата позволяют разместить подводящие трубопроводы не сверху, а сбоку аппарата. После разъединения фланцевых соединений трубопроводы не препятствуют извлечению вверх съемной крышки 5 вместе с скрепленными с ней узлами. Отсутствие трубопроводов сверху позволяет извлечь из защитной камеры при необходимости весь корпус 1 аппарата. Этому же техническому результату способствует размещение патрубка 25 для отвода вторичного пара на стенке корпуса, а не на крышке, как в прототипе. При демонтаже крышки 5 нет необходимости освобождать фланцевый разъем патрубка 25, а при извлечении корпуса 1 необходимо разъединить лишь этот один фланцевый разъем. При этом отводящий трубопровод (на рисунке не показан) не помешает извлечению корпуса 1, что имело место в прототипе.
Размещение патрубка 20 для вывода упаренного раствора сбоку устраняет его быстрое зарастание оседающими взвесями, как это имело место в аппарате-прототипе. Упаренный раствор, удаляемый из предлагаемого аппарата, содержит лишь среднюю концентрацию взвешенных частиц, характерную для циркулирующего потока, а не для отстоявшегося. Это обеспечивает более продолжительную безостановочную работу аппарата.
Положение и конструкция патрубка 28 с трубой 29 также предупреждают закупоривание их осевшими взвесями. Дренажная труба 29 при работе аппарата заполняется лишь частично, соответственно рабочему уровню раствора, определяемому положением патрубка 20. Поэтому в нее не попадают взвеси из циркулирующего раствора. Поток, создаваемый циркуляционным насосом и направленный вниз, достигая днища 4, воздействует на его поверхность и на углубление 30 в нем, в которое опущен нижний конец трубы 29, предотвращая образование отложений на днище и непосредственно у открытого нижнего конца трубы 29. Скошенные под углом концы труб 29 и 24 позволяют полностью опорожнять растворную 2 и греющую 6 камеры.
По окончании рабочего цикла аппарат останавливают для осмотра. При необходимости очищают греющую поверхность и проводят другие виды обслуживания. Аппарат может быть остановлен в любое время для выполнения наладочных работ или при аварийных ситуациях. При остановке из аппарата удаляют раствор, производят промывку, а затем освобождают от болтов фланцевые соединения и извлекают внутренние узлы. При этом
крепление съемной крышки 5 и опорного кольца 16 обеспечивает возможность демонтажа греющей камеры 6 и насоса одновременно, или демонтаж одного циркуляционного насоса. Для остановки аппарата перекрывают подачу пара в греющую камеру 6, отключают циркуляционный насос и прекращают подачу исходного раствора. Перед демонтажем основных узлов производят опорожнение аппарата, для чего используют сжатый воздух или пар высокого давления. Закрыв запорные устройства на внешних коммуникациях (на рисунке не показаны), соединенных с патрубками 27 для подвода исходного раствора и 25 для вывода вторичного пара, а также открыв запорное устройство на трубе к патрубку 28, начинают подачу сжатого воздуха или пара через патрубок 26, создавая в корпусе 1 избыточное давление. Под действием перепада давлений в корпусе 1 и в трубе внешней коммуникации раствор выдавливается через трубу 29 и патрубок 28 до полного опорожнения днища 4. После этого закрывают запорное устройство к патрубоку 26 подачи сжатого воздуха, закрывают запорное устройство на трубопроводе опорожнения с патрубком 28 и открывают запорное устройство на трубопроводе к патрубку 25 для вывода вторичного пара. Аналогично опорожняют корпус 1 от промывных вод.
Размещение патрубка 27 для подвода исходного раствора выше уровня упариваемого раствора в аппарате имеет целью предотвратить попадание раствора из растворной камеры 2 во внешние коммуникации, баки и насос при внезапном останове подающего насоса или нарушении герметичности подводящих трубопроводов. Это позволит не усугубить создавшейся аварийной ситуации разливом горячего раствора из аппарата и предотвратить оголение обогреваемой поверхности греющей камеры 6, обычно сопровождающееся интенсивным нагарообразованием.
Из вышеизложенного следует, что заявляемый выпарной аппарат обладает существенными преимуществами перед известными аппаратами. Его преимущества заключаются в большей компактности размещения основных узлов, меньших габаритах, отсутствии застойных зон, возможности быстрого демонтажа для осмотра, чистки и ремонта, а также совершенной конструкции узлов и деталей, что обеспечивает продолжительную, надежную и удобную эксплуатацию аппарата.