Способ проведения непрерывного противоточного сорбционного процесса

 

Изобретение относится к радиохимии, а именно к очистке жидких радиоактивных отходов. Предложен способ проведения непрерывного противоточного сорбционного процесса с разделением твердой и жидкой фаз в каскаде одноступенчатых центробежных сорберов, установленных горизонтально, причем с одной стороны каскада подают суспензию сорбента, а с другой стороны каскад-раствор, подлежащий обработке. Для увеличения скорости сорбции и как следствие производительности сорбера осуществляют интенсивное принудительное перемешивание. Изобретением достигается интенсификация перемешивания, повышение скорости разделения фаз, обеспечение возможности использования тонкоизмельченного сорбента и улучшение радиационной безопасности. 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к способам осуществления сорбционных процессов, в частности, к числу способов реализации непрерывного противоточного процесса с использованием твердого сорбента для извлечения из растворов микроколичеств тяжелых металлов, радионуклидов, нефтепродуктов или других примесей. Изобретение может быть использовано в радиохимической и гидрометаллургической, пищевой и других отраслях промышленности, а также при решении экологических проблем очистки жидких промышленных отходов.

Известны различные способы проведения сорбционных процессов: полунепрерывные процессы с неподвижным слоем сорбента; непрерывные, противоточные процессы с подвижным слоем сорбента с использованием колонн и смесительно-отстойных сорберов (Галкин, Тихомиров. Основные процессы и аппараты технологии урана. М., Атомиздат, 1981. С.М.Корпачева, Е. И.Захаров. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов, М. , Атомиздат, 1990. Е.И.Захаров, Б.Е. Рябчиков, В.С.Дьяков. Ионообменное оборудование атомной промышленности, М. Энергоатомиздат, 1987 г., с.92).

Известен противоточный процесс с использованием смесительно-отстойных сорберов (Авт. св. N 258898, 1970 г., Разработка и применение пульсационной аппаратуры, под редакцией С.М. Карпачевой, Атомиздат 1974 г., с. 161.).

Основными недостатками колонн и смесительно-отстойных сорберов являются: - низкая скорость разделения фаз под действием гравитационных сил и необходимость загрузки больших объемов сорбционных материалов; - слабое перемешивание фаз при пульсации; - необходимость использования крупных гранул сорбента в промышленных аппаратах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, представляющий собой непрерывный, противоточный сорбционный процесс с разделением жидкой и твердой фаз в каскаде одноступенчатых сорбционных аппаратов, установленных горизонтально, путем подачи с одной стороны каскада суспензии сорбента, а с другой - раствора, подлежащего обработке (RU 2034056 C1, 1995, 4 л.) Однако при работе с радиоактивными растворами на сорбенте накапливаются значительные количества радиоактивных материалов, которые могут представлять радиационную и ядерную опасность. При уменьшении объема сорбционных колонн резко снижается производительность.

Задачей настоящего изобретения является создание высокопроизводительного непрерывного противоточного процесса с твердофазным сорбентом для использования в радиохимической, гидрометаллургической, пищевой и других отраслях промышленности для извлечения ценных продуктов, находящихся в малых концентрациях, а также при решении экологических проблем очистки жидких отходов, содержащих тяжелые металлы, радионуклиды, нефтепродукты и другие загрязнения. Изобретение также направлено на повышение ядерной и радиационной безопасности при работе с радиоактивными материалами.

Поставленная задача решается описываемым способом проведения непрерывного сорбционного противоточного процесса с разделением жидкой и твердой фаз в каскаде сорбционных аппаратов, установленных горизонтально, при подаче с одной стороны каскада суспензии сорбента, а с другой стороны каскада обрабатываемого им раствора, при этом каждый из аппаратов снабжен смесительной и разделительной камерами, и в каждом из аппаратов вначале производят смешение фаз, а затем их разделение с помощью центробежных сил.

Предпочтительно, при смешении фаз производят принудительное перемешивание.

Предпочтительно, использование в способе сорбента с размером частиц менее 1 мм.

Для реализации заявленного способа можно использовать известные типы центробежных аппаратов, например типа ЭЦТ (Химическая промышленность N 2, 1996 г. , с. 63). Центробежный аппарат состоит из корпуса и ротора с приводом. В корпусе расположена камера смешения и коллекторы для сбора потоков, выходящих из ротора. В камеру смешения подается суспензия сорбента и очищаемый раствор, где оба раствора смешиваются мешалкой, закрепленной на роторе. Полученная суспензия поступает в ротор и после разделения под действием центробежных сил на суспензию сорбента и очищенный раствор выводится из ротора.

ПРИМЕР 1 Способ проведения многоступенчатого противоточного сорбционного процесса с использованием центробежных сорберов схематично представлен на фиг.1. Для осуществления процесса несколько центробежных сорберов соединяются последовательно в каскад. С одной стороны каскада в центробежный сорбер (1) подается раствор, например жидкие радиоактивные отходы, из которого необходимо извлечь радионуклиды или другие тяжелые металлы. С другой стороны каскада в центробежный сорбер (7) подается суспензия чистого сорбента. Сорберы соединены в каскад таким образом, чтобы обеспечить противоток твердой и жидкой фаз. Очищаемый раствор попадает в смесительную камеру первого сорбера, затем через ротор он подается в смесительную камеру второго сорбера и таким же образом в третий сорбер и т.д. Аналогичным образом суспензия сорбента подается в смесительную камеру последнего сорбера, с помощью ротора она отделяется от жидкой фазы и подается в смесительную камеру соседнего аппарата. В смесительной камере каждого сорбера осуществляется контакт сорбента с жидкой фазой, в результате чего происходит извлечение сорбентом радионуклидов и тяжелых металлов из раствора. В конечном итоге насыщенный сорбент выгружается из первого сорбера, а очищенный раствор из последнего аппарата.

При большой производительности центробежные сорберы имеют малые объемы смесительной камеры и камеры разделения. Поэтому в каскаде одновременно находится небольшой объем радиоактивной жидкости и малая масса сорбента. За счет этого резко снижается радиационная и ядерная опасность процессов извлечения радиоактивных материалов из водных растворов. Данные сравнительного анализа непрерывного сорбционного способа очистки жидких радиоактивных отходов, содержащих уран и плутоний на пульсирующих колоннах и центробежных сорберах, представлены в таблице.

Из таблицы следует, что по объему заполнения ЖРО центробежная система примерно в 20 раз меньше, чем эквивалентная, по производительности колонна. Поэтому при равной активности перерабатываемых ЖРО пульсирующая колонна в 4000 раз более опасна в радиационном и ядерном отношении и должна иметь мощную биологическую защиту персонала от гамма-излучения, в то время как система из центробежных аппаратов не будет представлять серьезной радиационной опасности.

На фиг. 2 изображена установка производительностью 400 л/ч, состоящая из 3-х последовательно-соединенных центробежных сорберов, установленных горизонтально.

Каждый из сорберов на фиг. 2 содержит: 1 - смесительную камеру, 2 - мешалку,
3 - транспортирующее устройство (шнек),
4 - камеру разделения (ротор).

На фиг.2 сплошной стрелкой обозначена подача суспензии сорбента, а прерывистой линией подача раствора, подлежащего обработке. Очищаемый раствор поступает в смесительную камеру первого сорбера, затем транспортирующим устройством (шнеком) он подается в ротор и далее в смесительную камеру второго сорбера и таким же образом он поступает в третий сорбер и т.д. Аналогичным образом суспензия сорбента подается в смесительную камеру последнего сорбера, с помощью ротора она отделяется от жидкой фазы и подается в смесительную камеру соседнего аппарата. В смесительной камере каждого сорбера осуществляется контакт сорбента с жидкой фазой, в результате чего происходит извлечение сорбентом радионуклидов и тяжелых металлов из раствора. В конечном итоге насыщенный сорбент выгружается из первого сорбера, а очищенный раствор - из последнего сорбера.

Пример 2.

Сорбция ¹³⁷Cs из жидких радиоактивных отходов (ЖРО) низкого уровня активности. Для дезактивации ЖРО с исходной активностью 2·10^-6 Ки/л (по Cs) используется установка производительностью 400 л/ч, состоящая из 3-х последовательных центробежных сорберов (фиг. 2). Отношение жидкой и твердой фаз Ж:Т= 1000: 1. Коэффициент распределения Цезия на сорбенте "Мокотон-Cs" равен 5·10³. Степень очистки от 137 цезия на трех ступенях равна 200. Активность ЖРО на выходе составит 1 · 10^-8 Ки/л. При этом объем ЖРО и масса сорбента, постоянно находящиеся в установке, составит 36 л и 36 г соответственно, а суммарная β,γ-активность суспензии, постоянно находящейся в установке, составит 7,2 · 10^-5 Ки. Для сравнения, в случае использования пульсационной колонны (сорбера) такой же производительности и эффективности объем ЖРО и масса сорбента в колонне составляют соответственно 200 л и 50 кг, а β,γ-активность колонны более 0,1 Ки.

Формула изобретения

1. Способ проведения непрерывного, противоточного, сорбционного процесса с разделением жидкой и твердой фаз в каскаде сорбционных аппаратов, установленных горизонтально, при подаче с одной стороны каскада суспензии сорбента, а с другой стороны - обрабатываемого им раствора, отличающийся тем, что каждый из сорбционных аппаратов снабжен смесительной и разделительной камерами, при этом в каждом из аппаратов вначале производят смешение фаз, а затем их разделение с помощью центробежных сил.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при смешении фаз производят принудительное перемешивание.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используется сорбент с размером частиц менее 1 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3