Аппарат для смешивания гетерогенных сред, преимущественно жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками

Использование - в химической, строительной, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, но преимущественное использование - в радиохимии для обработки материалов с радиоактивным заражением путем фиксации их в устойчивой твердой среде - цементе с необходимыми для затвердевания добавками.

Сущность полезной модели: Аппарат для смешивания гетерогенных сред, преимущественно, жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками, содержащий вертикальный корпус с расположенной в нем вставкой в виде обратного усеченного конуса, патрубок для тангенциального ввода в корпус жидких радиоактивных отходов и патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками.

Аппарат отличается тем, что корпус снабжен коническим отражателем, размещенным под вставкой и жестко соединенным с внутренней стенкой корпуса, патрубком для отвода газа, расположенным в верхней части корпуса, при этом патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками установлен тангенциально к стенке корпуса и расположен выше вставки, а патрубок для ввода жидких радиоактивных отходов расположен ниже конического отражателя. 1 н.з.п. формулы, 4 фиг.

Полезная модель относится к технике смешивания жидкостей с твердыми веществами и может быть использована в химической, строительной, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, но преимущественное использование ее предполагается в атомной промышленности для обработки жидких материалов с радиоактивным заражением путем фиксации их в устойчивой твердой среде - цементе с необходимыми для затвердевания добавками.

Эксплуатация атомных электростанций, атомных научных центров и радиохимических предприятий приводит к образованию большого количества жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Предварительная обработка этих отходов путем ионообменной очистки или выпаривания позволяет вернуть часть очищенной воды в оборот. Однако концентраты, полученные при этой обработке и являющиеся радиоактивными, необходимо включать в твердую устойчивую матрицу - битум, стекло, цемент и другой продукт, пригодный для надежного хранения и предотвращения заражения окружающей среды радиоизотопами.

Исследования последних трех десятилетий показали возможность включения достаточно значительного количества отходов в цементную матрицу (до 30 масс.% в пересчете на сухой остаток отходов). В этом случае технология цементирования ЖРО способна конкурировать с другими, например, битумированием, при этом цементная матрица в отличие от битумной не является горючей, что весьма важно при транспортировании и долгосрочном хранении зафиксированных радиоактивных отходов. Во многих странах ведутся исследования по совершенствованию технологии цементирования и оборудования для ее осуществления.

Одним из определяющих переделов в технологии цементирования является процесс смешивания сухих цементирующих компонентов с ЖРО, а значит важно и конструкционное решение аппарата для реализации этого процесса. Цементирование будет успешным с точки зрения достижения экологической безопасности получаемого продукта - готовой смеси цемента с добавками и ЖРО, если произойдет полное перемешивание сухого и жидкого компонентов, равномерное распределение последнего по всему объему цемента с добавками для 100%-ного смачивания цемента с добавками и будет получена однородная смесь. То есть в готовом продукте не должно быть агрегатированного цемента (комков), присутствие которых может вызвать, так называемое «козлообразование», из-за чего возможна остановка аппарата и необходимость его замены. Эти обстоятельства приводят к снижению производительности аппарата и к увеличению эксплуатационных затрат. Поэтому перед разработчиками аппарата стояла задача повысить эффективность процесса смешивания гетерогенных сред для получения однородной по составу смеси жидкой и твердой сред.

С этой точки зрения рассмотрим известные из уровня техники решения, аналогичные заявляемому, и проанализируем их возможности для решения указанной выше задачи.

Известен аппарат для перемешивания жидкости с порошкообразным или зернистым материалом (см. заявку Франции 2432336, кл. B01F 3/12, 1980), содержащий вертикальный корпус (в аналоге - вертикальная почти цилиндрическая емкость 10), патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками (в аналоге - впускное отверстие 13), патрубок ввода в корпус жидких радиоактивных отходов (в аналоге - сопла 30-34), конический отражатель (в аналоге - распределительное устройство в форме колпака 21), расположенный в верхней части корпуса, при этом корпус имеет коническое днище 12 с выпускным отверстием 14. В данном аппарате может быть реализован процесс для смешивания гетерогенных сред, которыми могут быть жидкие радиоактивные отходы и цемент с добавками.

Однако работа данного устройства может быть неэффективной для этих целей, так как при смешивании цемента с ЖРО будет происходить агрегатирование (образование комков), что нежелательно. Получаемая смесь должна быть однородной.

Недостатком в конструкции известного аппарата является то, что в конструкции присутствует несколько патрубков для подачи жидкой среды, расположенных на определенном расстоянии друг от друга в нескольких местах корпуса аппарата. В связи с этим происходит интенсивное образование смеси только вблизи патрубков ввода жидких радиоактивных отходов, что может сопровождаться образованием комков.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому аппарату является устройство для смешивания сыпучего материала с жидкостью, предназначенного для осуществления способа смешения по авт. свид. СССР 1171079, кл. B01F 3/12, 1983. Данное устройство принято в качестве прототипа.

«Устройство состоит из кольцевой камеры, образованной внешним 1 и внутренним 2 конусами, причем к внутреннему конусу прикреплено кольцо 3, а к внешнему - цилиндр 4 и диффузор 5. В верхней части кольцевой камеры тангенциально конусу 1 расположен патрубок 6 для жидкости, подключенный к коллектору 7. Последний соединен через упругий элемент 8 тангенциально расположенным патрубком 9 с изогнутым патрубком 10, установленным коаксиально кольцевой камере. На конце патрубок 10 имеет направляющее сопло, выполненное в виде диффузора 11. Кроме того, патрубок 10 снабжен вибропобудителем 12».

Сравнительный анализ совокупностей признаков известного устройства и заявляемого аппарата выявил следующее: прототип также, как заявляемый аппарат, имеет вертикальный корпус (внешний конус 1 + цилиндр 4 + диффузор 5) с расположенной в нем вставкой (внутренний конус 2) в виде обратного усеченного конуса, патрубок для тангенциального ввода в корпус жидких радиоактивных отходов (патрубок 6 для тангенциального ввода жидкости), патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками (устройство, обозначенное штрих - пунктирной линией).

В известном устройстве «жидкость подается с определенным давлением, как правило, от насоса в коллектор 7, где происходит распределение ее между двумя патрубками 6 и 9. За счет тангенциального ввода потоков жидкости в кольцевую камеру, образованную конусами 1 и 2, а также в патрубок 10, происходит закрутка этих потоков в заданном направлении. На выходе из кольцевой камеры установлено кольцо 3, которое препятствует смачиванию выходящей жидкостью внутренней поверхности конуса 2 и исключает его постепенное зарастание сыпучим материалом, вводимым в кольцевую полость, образованную конусом 2 и патрубком 10. Диффузор 11 позволяет создать необходимый угол раскрытия выходящего закрученного потока жидкости из патрубка 10, что дает возможность последующего плавного пересечения потоков жидкости и сыпучего материала. Сыпучий материал, попадая на внешние поверхности потоков жидкости, вначале за счет их вращения равномерно распределяется по кольцевому сечению, одновременно частично смачиваясь, а затем попадает в область пересечения потоков жидкости и сыпучего материала, где происходит их интенсивное смешение. Это смешение происходит на всем протяжении цилиндра 4 и диффузора 5, после чего смесь выходит из устройства».

Следует признать, что данное устройство усовершенствовано по сравнению с конструкцией известного аппарата для перемешивания жидкости с порошкообразным материалом (заявка Франции 2432336).

В прототипе сделана попытка усовершенствования процесса смешивания жидких и сыпучих сред воздействием с двух сторон на сыпучую среду жидкостью. Об этом подробно описано в разделе настоящего описания, расположенном выше.

Однако известный аппарат не может обеспечить эффективность получения стопроцентной однородной смеси. Это предопределено установкой в верхней части корпуса патрубков 6 и 10 так, что жидкие среды, движущиеся с обеих сторон текущего в центре сыпучего материала, создают условия для проскока не смоченного сыпучего материала в центральной части потоков сред, поступивших в цилиндр 4. Жидкая среда движется быстрее, чем сыпучий материал, в связи с чем, последний будет застревать в самом узком сечении аппарата, а именно на границе внешнего конуса 1, цилиндра 4 и в нем самом.

Сведения о проскоке не смоченного материала подтверждаются авторами в представленной таблице результатами проведенных опытных испытаний. Опасения авторов известного технического решения по поводу застревания сыпучего материала в корпусе заставили их принять меры по снабжению патрубка 10 вибропобудителем 12 с целью создания вибраций, исключающих застревание. Но при этом авторам также пришлось побеспокоится о повышении надежности конструкции всего устройства и подводящих коммуникаций, которые тоже будут испытывать вибрации, установкой упругого элемента 8. Эти меры усложняют конструкцию аппарата, его обслуживание и увеличивают эксплуатационные и капитальные затраты.

Указанные выше недостатки отсутствуют в предлагаемом в качестве полезной модели техническом решении.

Этот аппарат, как и прототип, содержит вертикальный корпус с расположенной в нем вставкой в виде обратного усеченного конуса, патрубок для тангенциального ввода в корпус жидких радиоактивных отходов и патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками.

Заявляемый аппарат для смешивания отличается от прототипа тем, что корпус снабжен коническим отражателем, размещенным под вставкой и жестко соединенным с внутренней стенкой корпуса и патрубком для отвода газа, расположенным в верхней части корпуса, при этом патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками установлен тангенциально к стенке корпуса и расположен выше вставки, а патрубок для ввода жидких радиоактивных отходов расположен ниже конического отражателя.

Заявленная полезная модель «Аппарат для смешивания гетерогенных сред, преимущественно жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками» соответствует условиям патентоспособности.

Заявляемая полезная модель обладает новизной, так как совокупность ее существенных признаков неизвестна из уровня техники, как показали проведенные заявителем патентные исследования и представленный выше анализ аналогичных заявляемому технических решений.

Полезная модель промышленно применима, так как она может быть использована в любой отрасли промышленности, особенно в радиохимическом производстве. И вся совокупность существенных признаков и каждый признак в отдельности воспроизводимы и не противоречат достижению желаемого технического результата.

Для подтверждения указанного выше представляем описание конкретного конструктивного выполнения заявляемого аппарата и его работы.

Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид аппарата в разрезе; на фиг.2 - сечение А-А, на фиг.3 - сечение Б-Б, на фиг.4 - сечение В-В.

Аппарат для смешивания содержит вертикальный корпус 1 с расположенной в нем вставкой 2 в виде обратного усеченного конуса, патрубок 3 для тангенциального ввода в корпус жидких радиоактивных отходов и патрубок 4 для загрузки в корпус аппарата цемента с добавками.

Корпус аппарата 1 снабжен коническим отражателем 5, размещенным под вставкой и жестко соединенным с внутренней стенкой корпуса 1 и патрубком 6 для отвода газа, расположенным в верхней части корпуса 1. Патрубок 4 для загрузки в корпус цемента с добавками введен тангенциально в корпус аппарата 1 и расположен выше вставки 2, при этом патрубок 3 для ввода жидких радиоактивных отходов расположен ниже конического отражателя 5.

Конический отражатель 5 жестко соединен с внутренней стенкой корпуса аппарата 1 с помощью кронштейнов 7 (см. фиг.3). Коническая вставка 2 имеет отверстие 8 для выхода цемента с добавками на конический отражатель 5. Коническое днище 9 имеет выходной патрубок 10 для выгрузки из корпуса аппарата 1 готовой смеси.

Заявленный аппарат работает следующим образом.

Через тангенциальный патрубок 4 в корпус 1 аппарата с помощью транспортирующего газа загружают цемент с добавками. Происходит распыление твердого материала цемента с добавками, что исключает возможность образования комков. Поток транспортирующего газа обеспечивает закручивание частиц цемента с добавками от воздуха и происходит равномерное осаждение на поверхность вставки 2. В силу физических свойств газ удаляется через патрубок 6 из корпуса 1 аппарата и поступает в систему пылегазоочистки. Следует отметить, при выходе цемента с добавками из отверстия 8 конической вставки 2 происходит внезапное расширение потока твердого материала и при попадании на конический отражатель 5 твердый материал распределяется по объему корпуса 1. В то же время жидкие радиоактивные отходы, подаваемые насосом, поступают в объем аппарата в виде закрученного тангенциальным патрубком 3 потока. При этом встречаются с твердыми частицами, в результате чего происходит смачивание и интенсивное смешение жидких радиоактивных отходов с твердыми частицами. Далее готовая смесь выгружается через патрубок 10 конического днища 9. Процесс смешивания жидких радиоактивных отходов со смесью цемента с добавками может осуществляться непрерывно либо периодически.

Использование в промышленных условиях заявленного аппарата обеспечит следующие преимущества.

1. Исключается агрегатирование частиц цемента, несмоченных жидкой средой.

2. Отсутствует налипание комков цемента на стенках корпуса аппарата, а также скопление неперемешанных компонентов.

3. Упрощение конструкции.

4. За счет равномерного смачивания цемента с добавками с жидкими радиоактивными отходами получается однородная смесь, т.е. отсутствуют комки из сухого цемента, благодаря чему предотвращается растрескивание готового затвердевшего монолитного блока, в котором зафиксированы радиоактивные отходы.

Аппарат для смешивания гетерогенных сред, преимущественно жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками, содержащий вертикальный корпус с расположенной в нем вставкой в виде обратного усеченного конуса, патрубок для тангенциального ввода в корпус жидких радиоактивных отходов и патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками, отличающийся тем, что корпус снабжен коническим отражателем, размещенным под вставкой и жестко соединенным с внутренней стенкой корпуса, патрубком для отвода газа, расположенным в верхней части корпуса, при этом патрубок для загрузки в корпус цемента с добавками установлен тангенциально к стенке корпуса и расположен выше вставки, а патрубок для ввода жидких радиоактивных отходов расположен ниже конического отражателя.