Пульсационное перемешивающее устройство кольцевого аппарата

Изобретение относится к радиохимии, а именно к перемешиванию обогащенных по урану и плутонию растворов в кольцевых аппаратах ядерно-безопасной геометрии, в частности при переработке отработавшего ядерного топлива. Пульсационное перемешивающее устройство включает сопловой аппарат, распределительную полость, пульсационную камеру с пульсопроводом и воздухораспределитель. Пульсационная камера состоит из установленных в кольцевом пространстве аппарата двух перегородок, в нижней части которых выполнены отверстия, соединенные с введенными в кольцевое пространство аппарата распределительными полостями. Отверстия в перегородках присоединены к распределительным полостям, выполненным в виде U-образных козырьков, примыкающих основаниями к дну аппарата с зазором или к распределительным полостям, выполненным в виде радиусных труб с соплами, направленными под углом к дну аппарата. Нижний патрубок пульсопровода в пульсационной камере может иметь заглушенный торец и отверстия по боковым стенкам. Технический результат - повышение интенсивности перемешивания, исключение образования осадка на дне кольцевого аппарата и снижение уноса радиоактивных аэрозолей с отработанным сжатым воздухом. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности радиохимической, а именно к перемешиванию обогащенных по урану и плутонию растворов в кольцевых аппаратах ядерно-безопасной геометрии, в частности при переработке отработавшего ядерного топлива.

На практике перемешивание растворов в кольцевых аппаратах осуществляется барботажным воздухом, для чего по периметру на дне кольцевого аппарата устанавливается перфорированное барботажное устройство, представляющее собой трубу с отверстиями, установленную в кольцевом пространстве вблизи дна.

При подаче сжатого воздуха в барботажное устройство выходящие из отверстий воздушные пузырьки обеспечивают перемешивание раствора над барботажным устройством. Основным недостатком перемешивания барботажным устройством является значительный унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым воздухом (0,1-0,5 см³/м³ барботажного воздуха), низкая эффективность перемешивания и отстаивание осадка под барботажным устройством, вызывающее затруднения при дезактивации.

Известно устройство для размыва осадка и дезактивации, которое может использоваться и для перемешивания, включающее электропривод, камеру подачи рабочей жидкости, цилиндрический корпус, моечную головку с соплами, причем камера подачи рабочей жидкости снабжена впускным клапаном и размещена внутри цилиндрического корпуса, и сообщается с распределительным блоком при помощи пульсопровода, а также гибкого трубопровода и с моечной головкой посредством нагнетательных труб (см. патент РФ №2138870, Кл. G21F 9/34, 1999).

Известное устройство работает в пульсационном режиме. При подаче разрежения в камеру она заполняется через впускной клапан жидкостью из емкости, а при подаче распределительным блоком в камеру сжатого воздуха жидкость из камеры вытесняется через сопла, осуществляя размыв осадка и перемешивание. Для размыва осадка и перемешивания по всему периметру емкости электроприводом осуществляется возвратно-поворотное движение камеры с соплами.

К недостаткам известного устройства относится то, что его четыре сопла, установленных через 90°, не смогут обеспечить движение жидкости по всему объему кольцевого пространства в кольцевом аппарате и обеспечить требуемую интенсивность перемешивания.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пульсационное перемешивающее устройство, включающее в себя сопловой аппарат, пульсационную камеру и распределительную полость (см. С.М.Карпачева и Б.Е.Рябчиков «Пульсационная аппаратура в химической технологии», М., Химия, 1983, стр.32-35).

Сопловой аппарат представляет собой неподвижную систему определенным образом ориентированных сопел, служащую для образования пульсирующих струй в реакционном объеме.

Пульсационная камера и распределительная полость расположены коаксиально внутри реакционного объема аппарата.

При работе пульсационного перемешивающего устройства возвратно-поступательное движение жидкости в пульсационной камере преобразуется соплами в пульсацию струй жидкости. Благодаря тангенциальной ориентации сопел, вся масса жидкости в аппарате пронизывается струями и приводится во вращение. Жидкость попеременно то выбрасывается из сопел, то засасывается через них в пульсационную камеру, так что весь объем многократно проходит через пульсационную камеру, интенсивность перемешивания в которой очень велика.

Поскольку перепад высот в пульсационной камере пульсационного перемешивающего устройства и в аппарате, где оно установлено, обычно невелик, скорость возврата жидкости в пульсационную камеру из объема реактора незначительна. Поэтому для аппаратов такого типа используется пульсация пилообразной формы с отношением продолжительностей вытеснения жидкости из пульсационной камеры и ее заполнения 1:3-1:5.

Из этих же соображений максимально возможная частота пульсации невелика.

Унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым отработанным воздухом из пульсационного перемешивающего устройства значительно ниже, чем с барботажным воздухом вследствие значительно меньшей площади контакта жидкости со сжатым воздухом.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для перемешивания в кольцевом аппарате, относится то, что размещение известной пульсационной камеры внутри кольцевого пространства затруднительно, а интенсивность перемешивания вследствие низкой частоты пульсаций недостаточна.

Технический результат - повышение интенсивности перемешивания, в том числе и за счет повышения частоты пульсаций, исключение образования осадка на дне кольцевого аппарата и снижение уноса радиоактивных аэрозолей с отработанным сжатым воздухом.

Указанный технический результат достигается тем, что в пульсационном перемешивающем устройстве, включающем сопловой аппарат, распределительную полость, пульсационную камеру с пульсопроводом и воздухораспределитель, пульсационная камера состоит из установленных в кольцевом пространстве аппарата двух перегородок, в нижней части которых выполнены отверстия, соединенные с введенными в кольцевое пространство аппарата распределительными полостями, выполненными в виде U-образных козырьков, примыкающих основаниями к дну аппарата с зазором, или в виде радиусных труб с соплами, направленными под углом к дну аппарата.

Учитывая особые условия эксплуатации, нижний патрубок пульсопровода в пульсационной камере выполнен с заглушенным торцом и отверстиями по боковым стенкам.

Кроме того, пульсационная камера соединена пульсопроводом с воздухораспределителем, содержащим два клапана, выходные патрубки которых соединены с трубопроводом, соединяющим воздухораспределитель с пульсопроводом, а входные патрубки соответственно с трубопроводами подачи сжатого воздуха и подачи разрежения в камеру, в качестве источника разрежения используется эжектор, а для управления клапанами воздухораспределителя используется электронный блок управления, содержащий программируемый микроконтроллер, панель оператора и программное обеспечение.

Учитывая особые условия эксплуатации, в пульсационной камере установлен сигнализатор верхнего уровня жидкости, подключенный к электронному блоку управления.

Образование пульсационной камеры установкой в кольцевом пространстве аппарата двух перегородок, в нижней части которых выполнены отверстия, соединенные с введенными в кольцевое пространство аппарата распределительными полостями, позволяют использовать в качестве пульсационной камеры часть кольцевого пространства аппарата, осуществлять заполнение пульсационной камеры жидкостью из кольцевого пространства через распределительные полости, а затем ее вытеснение из пульсационной камеры в кольцевое пространство аппарата и тем самым осуществлять интенсивное перемешивание как при заполнении пульсационной камеры, так и при вытеснении жидкости из нее в кольцевое пространство за счет получения двух направленных друг к другу потоков жидкости, а также снизить унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым отработанным воздухом.

Выполнение распределительных полостей в виде U-образных козырьков или в виде радиусных труб позволяет достигать середины кольцевого пространства обеими струями, вытекающими из распределительных полостей, при их встрече получать восходящий поток жидкости в кольцевом пространстве и, тем самым, осуществить интенсивное перемешивание по всему объему кольцевого пространства для аппаратов различных диаметров и перемешиваемых жидкостей с различной плотностью и вязкостью.

Кроме того, выполнение распределительных полостей в виде U-образных козырьков, примыкающих основаниями к дну аппарата с зазором, позволяет сформировать струи жидкости, вытекающие из пульсационной камеры для достижения ими середины кольцевого пространства, получить над козырьками нисходящий поток жидкости, а в середине кольцевого пространства - восходящий поток жидкости, и тем самым повысить интенсивность перемешивания.

Примыкание U-образных козырьков основаниями к дну аппарата с зазором позволяет отводить часть вытесняемой из пульсационной камеры жидкости через зазор и исключить накопление осадка между козырьками и обечайками аппарата.

Выполнение распределительных полостей в виде радиусных труб с соплами, направленными под углом к дну аппарата, позволяет также достигать середины кольцевого пространства обеими струями, вытекающими из распределительных полостей, при их встрече получать восходящий поток жидкости в кольцевом пространстве и тем самым осуществить интенсивное перемешивание по всему объему кольцевого пространства. Установка на радиусных трубах сопел, направленных под углом к дну аппарата, позволяет предотвратить накопление осадка под трубами и получить потоки жидкости, направленные под трубами также к середине кольцевого пространства.

Выполнение нижнего патрубка пульсопровода в пульсационной камере с заглушенным торцом и отверстиями по боковым стенкам позволяет подавать сжатый воздух в пульсационную камеру без образования брызг жидкости от воздействия струи сжатого воздуха на поверхность жидкости и тем самым уменьшить унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым воздухом при последующем заполнении пульсационной камеры.

Соединение пульсационной камеры пульсопроводом с воздухораспределителем, содержащим два клапана, выходные патрубки которых соединены с трубопроводом, соединяющим воздухораспределитель с пульсопроводом, а входные патрубки соответственно с трубопроводами подачи сжатого воздуха и подачи разрежения в камеру, а для управления клапанным воздухораспределителем использование электронного блока управления, содержащего программируемый микроконтроллер, панель оператора и программное обеспечение, позволяют обеспечить работу заявляемого устройства в автоматическом режиме, регулировать в широких пределах, причем независимо друг от друга, продолжительность подачи сжатого воздуха в пульсационную камеру, сброса отработанного воздуха и возврата жидкости в пульсационную камеру из объема кольцевого аппарата и тем самым повысить интенсивность перемешивания за счет выбора наиболее оптимальной частоты пульсаций предлагаемого устройства.

Использование при возврате жидкости в пульсационную камеру источника разрежения, в частности эжектора, позволяет увеличить скорость возврата жидкости в пульсационную камеру из объема кольцевого аппарата и тем самым повысить частоту пульсаций, а следовательно, и интенсивность перемешивания.

Установка в пульсационной камере сигнализатора верхнего уровня, подключенного к электронному блоку управления, позволяет иметь дополнительную блокировку от переполнения пульсационной камеры и исключить выход раствора из пульсационной камеры при применении разрежения для более быстрого ее заполнения.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 показано пульсационное перемешивающее устройство с распределительными полостями, выполненными в виде радиусных труб с соплами, на фиг.2 - распределительные полости, выполненные в виде U-образных козырьков.

Предлагаемое устройство содержит (см. фиг.1) пульсационную камеру 1, образованную двумя перегородками 2 и 3, установленными в кольцевом пространстве 4, и соединенную пульсопроводом 5 с воздухораспределителем 6. В нижней части перегородок 2 и 3 выполнены отверстия 7, соединенные с введенными в кольцевое пространство 4 распределительными полостями 9. Воздухораспределитель 6 состоит из двух клапанов 11 и 12, выходные патрубки которых соединены с трубопроводом 13, соединяющим воздухораспределитель 6 с пульсопроводом 5, а входные патрубки с трубопроводами 14 и 15 подачи сжатого воздуха и подачи разрежения в пульсационную камеру 1 соответственно. Трубопровод 15 присоединен к всасывающему патрубку эжектора 16. В верхней части пульсационной камеры 1 установлен сигнализатор верхнего уровня 17, подключенный к электронному блоку управления. Нижний патрубок 18 пульсопровода 5 выполнен с заглушенным торцом и отверстиями 19 по боковым стенкам.

При выполнении распределительных полостей 9 в виде радиусных труб 20 и 21 на них устанавливаются сопла 22, направленные под углом к дну 23 кольцевого аппарата.

При выполнении распределительных полостей 10 в виде U-образных козырьков 24 и 25 (см. фиг.2) они устанавливаются с примыканием их оснований к дну 23 аппарата с зазором 26.

Выбор исполнения распределительных полостей 9 или 10 зависит от диаметра кольцевого аппарата и эффективного радиуса действия струй, вытекающих из распределительных полостей 9 или 10, зависящего, в свою очередь, от свойств жидкости в аппарате (плотности и вязкости) и содержания в ней твердой фазы. Эффективный радиус действия струй определяется экспериментально на имитаторах перемешиваемых жидкостей.

Дистанционное управление работой заявляемого устройства осуществляется электронным блоком управления (на чертеже не показан), содержащим программируемый микроконтроллер, панель оператора и программное обеспечение.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Электронный блок управления обеспечивает поочередное открытие - закрытие клапанов 11 и 12, а также позволяет устанавливать наиболее оптимальные продолжительности их нахождения в открытом положении.

При открытии клапана 12 по трубопроводам 15 и 13 и пульсопроводу 3 в пульсационную камеру 1 подается разрежение от эжектора 16, в результате чего камера 1 через распределительные полости 9 и 10 заполняется жидкостью из кольцевого пространства 4. При сбое в работе воздухораспределителя 6 и поднятии уровня жидкости выше значения, определяемого продолжительностью нахождения клапана 12 в открытом положении, сигнализатор верхнего уровня 17 обеспечивает выдачу сигнала на прекращение подачи разрежения в пульсационную камеру 1 от эжектора 16. По истечении заданной на электронном блоке управления продолжительности заполнения пульсационной камеры 1, клапан 12 закрывается, открывается клапан 11 и сжатый воздух из трубопровода 14 по трубопроводу 13 и пульсопроводу 5 поступает через отверстия 19, выполненные в боковых стенках патрубка 18, в пульсационную камеру 1, вытесняя из нее жидкость через отверстия 7 в перегородках 2 и 3 в распределительные полости 9 или 10. Так как подача сжатого воздуха осуществляется в пульсационную камеру 1 без воздействия струи сжатого воздуха на поверхность жидкости, уменьшается унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым воздухом при последующем заполнении пульсационной камеры 1.

В зависимости от исполнения распределительных полостей 9 или 10 жидкость при вытеснении из пульсационной камеры 1 поступает в кольцевое пространство 4 аппарата или по радиусным трубам 20 и 21 с соплами 22, или через U-образные козырьки 24 и 25. В обоих случаях направленные навстречу друг к другу струи жидкости в районе истечения из распределительных полостей 9 или 10 создают над ними нисходящие потоки жидкости в кольцевом пространстве 4, а встречаясь в его середине, создают восходящий поток жидкости, обеспечивая интенсивное перемешивание в кольцевом пространстве 4 аппарата.

При исполнении распределительных полостей 9 в виде радиусных труб 20 и 21, жидкость по ним дополнительно поступает в кольцевое пространство 4 и через сопла 22, направленные под углом к дну 23, предотвращая накопление осадка под радиусными трубами 20 и 21.

При выполнении распределительных полостей 10 в виде U-образных козырьков 24 и 25 жидкость дополнительно поступает через зазоры 26, предотвращая накопление осадка между козырьками 24 и 25 и дном 23.

По истечении заданной продолжительности вытеснения клапан 11 снова закрывается, открывается клапан 12, через который сначала сбрасывается отработанный воздух из пульсационной камеры 1 по пульсопроводу 5 и трубопроводам 13 и 15 через эжектор 16, а затем в пульсационной камере 1 набирается разрежение от эжектора 16. Процесс заполнения пульсационной камеры 1 жидкостью из кольцевого пространства 4 и вытеснения ее из пульсационной камеры 1 в кольцевое пространство 4 многократно повторяется, в результате чего перемешивание жидкости происходит как в пульсационной камере 1, так и в кольцевом пространстве 4, что повышает интенсивность перемешивания.

1. Пульсационное перемешивающее устройство кольцевого аппарата, включающее сопловой аппарат, распределительную полость, пульсационную камеру с пульсопроводом и воздухораспределитель, отличающееся тем, что пульсационная камера состоит из установленных в кольцевом пространстве аппарата двух перегородок, в нижней части которых выполнены отверстия, соединенные с введенными в кольцевое пространство аппарата распределительными полостями, выполненными в виде U-образных козырьков, примыкающих основаниями к дну аппарата с зазором, или в виде радиусных труб с соплами, направленными под углом к дну аппарата.

2. Пульсационное перемешивающее устройство кольцевого аппарата по п.1, отличающееся тем, что нижний патрубок пульсопровода в пульсационной камере выполнен с заглушенным торцом и отверстиями по боковым стенкам.

3. Пульсационное перемешивающее устройство кольцевого аппарата по п.1, отличающееся тем, что пульсационная камера соединена пульсопроводом с воздухораспределителем, содержащим два клапана, выходные патрубки которых соединены с трубопроводом, соединяющим воздухораспределитель с пульсопроводом, а входные патрубки - соответственно с трубопроводами подачи сжатого воздуха и подачи разрежения в камеру, в качестве источника разрежения используется эжектор, а для управления клапанным воздухораспределителем используется электронный блок управления, содержащий программируемый микроконтроллер, панель оператора и программное обеспечение.

4. Пульсационное перемешивающее устройство кольцевого аппарата по п.1, отличающееся тем, что в пульсационной камере установлен сигнализатор верхнего уровня, подключенный к электронному блоку управления.