СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОСАДКОВ И ВЗВЕСЕЙ ИЗ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2004 года по МПК B04B1/00 B04B11/04 B04B15/12 G21C19/42 

Изобретение относится к процессам разделения веществ осадительными или сорбционными методами, а также к способам очистки различных жидкостей (например, расплавленных солей, водных растворов, масел) от твердых осадков и взвесей и может быть использовано, в частности, в атомной энергетике при переработке ядерного топлива пирохимическим осадительным методом в расплавленных солях.

Известны способы извлечения твердых осадков из жидких сред, включающие операции отстоя и последующей декантации или отсоса осветленной жидкости [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – Москва, 1971, - с.189-190].

Недостатками способов являются большая длительность процесса осаждения и низкая эффективность разделения твердой и жидкой фаз.

Известен также способ извлечения твердых осадков и взвесей из жидких сред методом фильтрования [там же, с. 194-196].

Недостатком этого способа является также низкая производительность, особенно когда твердые осадки представляют собой тонкие порошки, которые забивают фильтр.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, реализуемый с помощью центрифуги, которая содержит привод, подшипниковый узел, опорную плиту, шнековый насос, погружаемый в объем суспензии, ротор, закрепленный на валу, и расположенный вне реактора, и соединенный с насосом посредством трубопровода с многоходовым краном. [Киряков С.И, Шевелин Б.М., Абдульманов В.А. и др. Создание специальных центрифуг и сепараторов. //Труды Свердловского научно-исследовательского института химического машиностроения. - Москва, 1993, - с.52-54]. Способ заключается в том, что суспензию из реактора шнековым насосом по трубопроводу прокачивают через внутреннюю полость вращающегося ротора, где частицы твердой фазы осаждаются, а осветленная жидкость возвращается снова в реактор, затем осветленную жидкость посредством отсосной трубки отводят из реактора, а осадок из ротора сбрасывают снова в реактор путем быстрого торможения, затем осадок из реактора перегружают в другую центрифугу, в которой производят отделение (отжим) осадка от жидкости, осуществляют сушку с помощью нагревателя и выгрузку осадка из центрифуги путем среза его ножом.

Недостатками известного способа являются сложность конструкции используемого оборудования, длительность процесса и низкая эффективность очистки продукта от примесей.

Указанные недостатки обусловлены необходимостью проведения длительных операций, таких как отвод жидкости из реактора, перегрузка продукта в другой аппарат-центрифугу для освобождения от захваченной жидкости, что снижает производительность и создает значительные сложности при их реализации в условиях дистанционного управления процессом.

Сложность конструкции оборудования обусловлена наличием большого количества исполнительных органов, таких как шнековый насос, ротор, расположенный вне реактора, передающие суспензию трубопроводы с многоходовым краном. Для реализации способа необходимо иметь минимум как две центрифуги, а также устройства для перегрузки продукта. Дополнительные сложности возникают при извлечении осадков и взвесей из расплавленных солей в условиях дистанционного обслуживания, например при переработке облученного ядерного топлива пирохимическим осадительным методом в защитных камерах. В этом случае требуются дополнительные устройства для обеспечения нагрева ротора, расположенного вне реактора, и передающих расплав трубопроводов до температуры плавления солей (до 1000°С) для исключения замораживания солевого расплава.

Кроме того, отсутствие операции отмывки приводит к загрязнению извлекаемого осадка примесями.

Целью изобретения является упрощение способа и устройства при сокращении длительности процесса и повышении эффективности очистки извлеченного осадка от примесей.

Для достижения поставленной цели предлагается способ, включающий осаждение твердой фазы во внутренней полости ротора при его вращении, при этом ротор погружают в объем осветляемой жидкости, причем располагают его в непосредственной близости от осадков и при вращении ротора создают интенсивную циркуляцию жидкости через него в направлении снизу вверх. Осадки и взвеси всасывают потоком жидкости во внутреннюю полость ротора и под действием центробежных сил осуществляют осаждение твердой фазы на стенке внутри ротора, затем ротор с осадком во вращающемся состоянии поднимают над поверхностью жидкости и производят отжим осадка от захваченной жидкости, после чего устройство с осадком извлекают из реактора.

Далее при необходимости отмывки осадка от захваченных примесей (например, солей) ротор с содержащимся в нем осадком перемещают в растворитель примесей и вращением ротора создают циркуляцию растворителя через ротор с осадком. После растворения примесей ротор поднимают над поверхностью растворителя и производят отжим осадка от растворителя.

Для выгрузки осадка ротор перемещают в контейнер, который снабжен нагревателем и заполнен небольшим количеством легко летучей жидкости, и путем одного или нескольких циклов пуска и остановки ротора осадок выгружают (смывают) в контейнер, а ротор в неподвижном состоянии извлекают из контейнера, после чего, нагревая контейнер, отгоняют жидкость и сушат осадок.

Таким образом, способ позволяет извлечь осадок из жидкости без проведения операций отвода жидкости из реактора, перезагрузки продукта в другую центрифугу, обеспечивает возможность отмывки осадка от примесей и значительно сокращает время простоя реактора. Для реализации способа используют только одно простое по конструкции устройство, ротор которого выполняет одновременно функции насоса, центрифуги и транспортного межоперационного средства.

При необходимости глубокой очистки жидкости от очень тонких взвесей, или когда твердая и жидкая фазы имеют незначительную разность плотностей, в жидкость добавляют порошок не растворимого в ней материала, имеющего большую плотность по сравнению с жидкостью, который всасывается в ротор и образует внутри него пористый осадок, служащий фильтром при циркуляции жидкости, и таким образом улавливают тонкие и легкие взвеси.

Устройство для реализации способа, содержащее привод, подшипниковый узел, ротор, закрепленный на валу, и опорную плиту, обладает существенным отличием, заключающимся в том, что ротор, погружаемый в объем осветляемой жидкости, имеет форму полого цилиндра с окнами в верхней части, а нижняя часть ротора имеет сужение в виде усеченного конуса с центральным отверстием. Кроме того, снаружи коаксиально с ротором установлен неподвижный цилиндр, закрепленный на опорной плите, нижняя часть которого имеет также сужение в виде усеченного конуса, причем на боковой поверхности неподвижного цилиндра выполнены отверстия для перетока жидкости, а внутри него выше отверстий может быть установлена кольцевая перегородка, препятствующая подъему жидкости при вращении.

С целью увеличения эффективности расслаивания фаз внутри ротора могут быть установлены радиальные перегородки, наличие которых препятствует отставанию жидкости, увеличивая тем самым ее угловую скорость вращения, что значительно повышает фактор разделения фаз.

С целью предотвращения уноса твердой фазы с потоком жидкости из ротора, внутри него ниже окон может быть установлена горизонтальная кольцевая перегородка.

Для более эффективного отжима осадка от захваченной жидкости внутренняя стенка цилиндрической части ротора может быть выполнена в виде расширяющегося к верху конуса с углом до 10°.

Окна в роторе могут быть выполнены не на боковой поверхности цилиндра, а на верхнем торце на расстоянии от оси вращения большем, чем радиус нижнего центрального отверстия.

Новые существенные признаки заявляемого изобретения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенные решения не следуют явным образом из уровня техники, а совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

На фиг.1 схематично представлено устройство для извлечения твердых осадков и взвесей из жидких сред, а также показаны реактор с крышкой и направления потоков жидкости во время работы.

На фиг.2 показан ротор с радиальными и горизонтальной кольцевой перегородками.

Устройство состоит из привода 1, подшипникового узла 2, опорной плиты 3, вала 4, ротора 5, закрепленного консольно на валу, и неподвижного цилиндра 6, закрепленного на опорной плите.

Ротор 5 имеет форму цилиндра с заглушенным верхним торцом и имеющим в верхней цилиндрической части боковые окна 7, а нижняя часть выполнена в виде усеченного конуса 8 с центральным отверстием 9.

Неподвижный цилиндр 6 установлен коаксиально с ротором 5, образуя зазор 10, нижняя часть цилиндра выполнена также в виде усеченного конуса 11, причем цилиндр имеет отверстия 12 и внутреннюю кольцевую перегородку 13, установленную выше отверстий.

Для увеличения эффективности расслаивания твердой и жидкой фаз внутри ротора 5 могут быть установлены радиальные 14 и кольцевая горизонтальная 15 перегородки.

Способ реализуется в устройстве следующим образом.

Через отверстие в крышке реактора ротор 5 и нижний конец неподвижного цилиндра 6 погружают в жидкость, содержащую осадки и взвеси. Устройство фиксируют на крышке реактора с помощью опорной плиты 3. При этом располагают ротор в непосредственной близости от осадков на расстоянии не более 10-15 мм. При вращении ротора жидкость, находящаяся внутри него, под действием центробежных сил непрерывно выбрасывается через окна 7 в зазор 10. Внутри ротора образуется разрежение, благодаря которому в ротор через нижнее отверстие 9 также непрерывно всасывается жидкость из нижней части реактора, захватывая с собой донные осадки и взвеси. Таким образом осуществляют непрерывную интенсивную циркуляцию жидкости через внутреннюю полость ротора в направлении снизу вверх. Под действием центробежных сил внутри ротора осуществляют расслоение твердой и жидкой фаз и осаждение на стенках твердой фазы. Выбрасываемая из окон 7, осветленная жидкость разделяется далее на два потока, один из которых устремляется вниз по зазору 10 и взмучивает донный осадок, облегчая его всасывание в ротор. Второй поток жидкости через окна 12 устремляется в объем жидкости в реакторе, обеспечивая циркуляцию всего объема жидкости через ротор, что позволяет улавливать витающие взвеси и исключает появление застойных зон.

После сбора твердой фазы устройство при вращающемся роторе поднимают над поверхностью жидкости. В этом положении жидкость из реактора перестает поступать в ротор, а оставшаяся жидкость под действием центробежных сил выбрасывается из ротора через окно 7. Таким образом осуществляют отжим осадка от захваченной жидкости, которая стекает снова в реактор.

После этого устройство извлекают из реактора и перемещают в емкость с растворителем для удаления растворимых примесей, где повторяют все операции.

Затем устройство перемещают в контейнер с небольшим количеством легко летучей жидкости и путем одного или нескольких циклов пуска и остановки осадок полностью разгружается (смывается) из ротора в контейнер. Затем устройство с неподвижным ротором извлекают из контейнера. Далее, нагревая контейнер, отгоняют жидкость и сушат осадок.

Реализация предлагаемого способа и устройства была осуществлена в известной пироэлектрохимической технологии переработки облученного ядерного смешанного оксидного уран-плутониевого топлива быстрых реакторов с использованием в качестве растворителя расплавленных солей (хлоридов щелочных металлов).

Технология переработки заключается в том, что после освобождения твэлов от оболочки топливо растворяют путем хлорирования в солевом расплаве. Затем путем обработки расплава кислородом осаждают диоксид плутония. Получившийся осадок извлекают из расплава заявляемым способом и устройством и промывают от захваченных солей и примесей. Далее из солевого расплава методом электрохимического осаждения на катоде извлекают диоксид урана. После извлечения диоксидов урана и плутония в расплаве остаются хлориды радиоактивных продуктов деления, которые осаждают в виде фосфатов и извлекают из расплава.

В процессе экспериментальной проверки предлагаемого способа и устройства было установлено, что за 20 мин работы устройства количество извлеченного диоксида плутония из расплавленных солей составило 99,9% от исходного. После отмывки в растворителе, в качестве которого использовали воду, содержание солей на поверхности зерен диоксида плутония не обнаружено. Фосфаты продуктов деления были извлечены на 99,7% в компактном виде, удобным для захоронения. В качестве легко летучей жидкости при выгрузке продуктов в контейнер использовали спирт. В эксперименте использовали расплавленные соли с плотностью 1,6 г/см³. Объем расплава составлял 20 литров. Плотность осадка диоксида плутония составляла ~10 г/см³. Рабочая температура во время процесса была равна 700°С. Ротор размещали на высоте 15 мм от осадка. При этом окна на роторе были выполнены на расстоянии 250 мм от нижнего торца, число оборотов ротора 900 об/мин, зазор между ротором и неподвижным цилиндром составлял 10 мм. Несмотря на значительную разность плотностей осадка и расплава осадок был собран практически полностью. Каких-либо затруднений при извлечении осадков данным способом в условиях дистанционного управления процессом не было.

Изобретение относится к процессам разделения веществ осадительными или сорбционными методами, а также к способам очистки различных жидкостей (например, расплавленных солей, водных растворов, масел) от твердых осадков и взвесей и может быть использовано, в частности, в атомной энергетике при переработке ядерного топлива пирохимическим осадительным методом в расплавленных солях. Устройство согласно изобретению содержит ротор, который выполнен в виде полого цилиндра с заглушенным верхним торцом, с окнами в верхней части и с сужением в нижней части и окружен неподвижным цилиндром с отверстиями в боковой поверхности. Устройство погружают непосредственно в осветляемую жидкость и путем вращения ротора осуществляют циркуляцию жидкости через внутреннюю его полость, всасывая при этом осадки и взвеси и осаждая таким образом твердую фазу внутри ротора. Затем ротор поднимают над поверхностью жидкости и производят отжим осадка от захваченной жидкости. После этого ротор с осадком перемещают в промывную жидкость для отмывки осадка от примесей и далее для выгрузки продукта перемещают ротор в легко летучую жидкость и смывают осадок из ротора. Изобретение позволяет повысить производительность процесса при упрощении способа и оборудования, а также обеспечить возможность очистки осадка от примесей. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ извлечения твердых осадков и взвесей из жидких сред, включающий осаждение твердой фазы во внутренней полости ротора при его вращении, отличающийся тем, что ротор погружают в объем осветляемой жидкости, причем располагают его в непосредственной близости от осадков, при вращении ротора создают интенсивную циркуляцию жидкости через него в направлении снизу вверх, при этом потоком жидкости осадки и взвеси всасывают во внутреннюю полость ротора, где с помощью центробежных сил осуществляют осаждение твердой фазы на стенке внутри ротора, затем ротор с осадком во вращающемся состоянии поднимают над поверхностью жидкости и производят отжим осадка от захваченной жидкости.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для очистки осадка от твердых примесей, ротор с собранным осадком погружают в растворитель примесей и вращением ротора создают циркуляцию растворителя через него, после растворения примесей ротор поднимают над поверхностью жидкости и производят отжим осадка от растворителя.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для извлечения собранного осадка из ротора ротор переносят в контейнер с легко летучей жидкостью и путем одного или нескольких циклов пуска и остановки ротора осадок смывают в контейнер, а ротор в неподвижном состоянии извлекают из контейнера, после чего отгоняют жидкость и сушат осадок.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения глубокой очистки жидкости от тонких взвесей или при незначительной разности плотностей твердой и жидкой фаз в жидкость добавляют порошок нерастворимого в ней материала, плотность которого больше плотности жидкости.5. Устройство для извлечения твердых осадков и взвесей из жидких сред, содержащее привод, подшипниковый узел, ротор, закрепленный на валу, и опорную плиту, отличающееся тем, что ротор имеет форму полого цилиндра с окнами в верхней части, а нижняя часть ротора имеет сужение в виде усеченного конуса с центральным отверстием, кроме того, снаружи коаксиально с ротором установлен неподвижный цилиндр, закрепленный на опорной плите, нижняя часть которого имеет также сужение в виде усеченного конуса, причем на боковой поверхности неподвижного цилиндра выполнены отверстия для перетока жидкости.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на внутренней боковой поверхности ротора установлены радиальные перегородки.7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что внутри ротора ниже окон установлена горизонтальная кольцевая перегородка.8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что внутренняя стенка цилиндрической части ротора выполнена в виде конуса, расширяющегося кверху с углом до 10°.9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что окна на роторе выполнены на верхнем торце на расстоянии от оси вращения большем, чем радиус нижнего центрального отверстия.10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что внутри неподвижного цилиндра выше отверстий установлена кольцевая перегородка.