Горизонтальный пульсационный колонный реактор для осуществления химических и физических процессов в жидких средах

Горизонтальный колонный пульсационный реактор для осуществления химических и физических процессов в жидких средах, в частности для процесса соосаждения гидроксидов урана и плутония в производстве смешанного (МОХ) топлива для энергетических реакторов. Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности реактора за счет увеличения интенсивности пульсационного перемешивания при сохранении горизонтального расположения корпуса, предотвращение забивания реактора осадком за счет исключения его секционирования перегородками и возможность обеспечения разной интенсивности перемешивания на разных участках по длине реактора. Для решения поставленной задачи горизонтальный пульсационный колонный реактор для осуществления физических и химических процессов в жидких средах содержит корпус, выполненный в виде горизонтальной трубы, снабженной штуцерами ввода реагентов и их вывода через гидрозатвор со штуцером сдувки, обеспечивающий заполнения реактора реагентами до рабочего уровня, причем корпус реактора выполнен полым и снабжен размещенными по длине реактора вертикальными сосудами, площадь сечения которых не более площади сечения корпуса реактора, и которые в верхней части снабжены штуцерами для присоединения к пульсационной системе, а в нижней части тангенциально присоединены к корпусу реактора патрубками, диаметром не более половины диаметра корпуса, причем перед присоединением патрубки имеют прямой участок - сопло, длина которого не менее его диаметра.

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для проведения химических и физических процессов в жидкой среде, например для процессов осаждения, кристаллизации и т.п., в частности для процесса соосаждения гидроксидов урана и плутония в производстве смешанного топлива для энергетических реакторов, например по способу, описанному в патенте США [1].

Аналогом полезной модели является колонный реактор, описанный в работе [2], состоящий из вертикальной трубы с насосом для пульсации в нижней части и многоярусной механической мешалкой по оси трубы.

К недостатком аналога следует отнести в первую очередь наличие многоярусной механической мешалки, что существенно снижает надежность аппарата, особенно с учетом назначения, связанного с переработкой радиоактивных, делящихся материалов. Кроме того, вертикальное расположение реактора плохо вписывается в существующие камеры для радиохимических производств, где предпочтительной является горизонтальная компоновка оборудования.

Прототипом данной полезной модели может служить горизонтальный пульсационный колонный реактор Торнтона [3], состоящий из горизонтального секционированного перегородками трубчатого корпуса с вертикальными сосудами-отстойниками на концах, один из которых в верхней части присоединяется к пульсатору. Для обеспечения заполнения реактора реагентами до рабочего уровня, вывод водной фазы из реактора осуществлен через гидрозатвор со сдувкой.

Недостатками прототипа при использовании его в качестве реактора для массообменных процессов, в том числе и для процесса соосаждения гидроксидов урана и плутония является относительно низкая интенсивность пульсационного перемешивания, связанная с малой высотой налива, которая определяется горизонтальным расположением трубчатой реакционной зоны, и наличие в ней секционирующих перегородок, склонных к забиванию осадком, получаемых гидроксидов или другой, присутствующей в процессе, твердой фазой. Кроме того, интенсивность перемешивания в таком аппарате остается неизменной по длине аппарата, в то время как для ряда процессов требуется разная интенсивность перемешивания на разных участках по длине (на разных стадиях процесса).

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности реактора за счет увеличения интенсивности пульсационного перемешивания при сохранении горизонтального расположения корпуса, предотвращение забивания реактора

осадком за счет исключения его секционирования перегородками и возможность обеспечения разной интенсивности перемешивания на разных участках по длине реактора.

Для решения поставленной задачи горизонтальный пульсационный колонный реактор для осуществления физических и химических процессов в жидких средах содержит корпус, выполненный в виде горизонтальной трубы, снабженной штуцерами ввода реагентов и их вывода через гидрозатвор со штуцером сдувки, обеспечивающий заполнения реактора реагентами до рабочего уровня, причем корпус реактора выполнен полым и снабжен размещенными по длине реактора вертикальными сосудами, площадь сечения которых не более площади сечения корпуса реактора, и которые в верхней части снабжены штуцерами для присоединения к пульсационной системе, а в нижней части тангенциально присоединены к корпусу реактора патрубками, диаметром не более половины диаметра корпуса, причем перед присоединением патрубки имеют прямой участок -сопло, длина которого не менее его диаметра.

Кроме того, заявляются следующие особенности конструкции:

- вертикальные сосуды размещаются по обе стороны корпуса реактора, а направления тангенциального подвода сопел к корпусу реактора выполнены по часовой и/или против часовой стрелки;

- направление тангенциального подвода сопел к корпусу выполнены с чередованием по часовой и против часовой стрелке;

- гидрозатвор может быть выполнен в виде присоединенной к корпусу на его конце вертикальной трубы, снабженной в верхней части штуцерами вывода реагентов и сдувки;

- внутри корпуса реактора коаксиально может быть расположена труба, полость которой изолирована от полости корпуса реактора;

- сопла расположены таким образом, что их проекции осей на горизонтальную плоскость образует с осью корпуса угол 90°±, причем а меньше или равен 45°;

- расстояние между осями соседних по длине реактора сопел в месте их присоединения к корпусу не превышает 40 диаметров сопел. Конструкция пульсационного реактора иллюстрируется рисунками фиг.1-4. На фиг.1 изображен горизонтальный пульсационный колонный реактор, имеющий полый корпус 1, выполненный в виде горизонтальной трубы со штуцерами ввода реагентов 2 и их вывода 3 через гидрозатвор 4 со сдувкой 5, высота которого определяет уровень 6 заполнения реактора. Корпус 1 при необходимости может быть снабжен по оси трубой 7, диаметр которой не более половины диаметра корпуса реактора и полость которой изолирована от полости корпуса. По этой трубе может циркулировать теплоноситель для поддержания необходимой температуры процесса в реакторе. Реактор снабжен вертикальными сосудами 8, распределенными по длине горизонтального трубчатого корпуса. Каждый вертикальный сосуд имеет в верхней части

штуцер 9 для присоединения к пульсационной системе 10, а в нижней части патрубком 11 тангенциально подсоединеный к корпусу 1.

Патрубки 11 в месте присоединения к корпусу имеют прямой участок - сопло 12 длиной не менее диаметра сопла - d _c. Вертикальные сосуды 8 могут располагаться как по одну сторону от корпуса, так и по обе стороны. При этом направление тангенциального подвода сопел 12 к корпусу 1 может быть выполнено как в одном направлении для всех сопел (например, против часовой стрелки), так и для части сопел в противоположном направлении (по часовой стрелке). Возможен вариант с чередованием направления тангенциального подвода сопел соседних по длине корпуса реактора.

На фиг.2 показаны варианты выполнения сечения А-А через вертикальный сосуд 8, патрубок 11, сопло 12 и корпус реактора 1. Они иллюстрируют как различные варианты взаиморасположения корпуса 1 и вертикальных сосудов 8 с патрубками 11, которые заканчиваются соплами 12, так и направление тангенциального подвода сопел по и против часовой стрелки.

На фиг.3 (вид сверху) проиллюстрированы варианты тангенциального подвода сопла 12 в проекции на горизонтальную плоскость по отношению к оси корпуса реактора 1 - перпендикулярно, либо с разворотом на угол а меньше или равный 45°.

На фиг.4 показан вариант конструкции реактора с выводом реагентов через вертикальную трубу 13 со штуцерами вывода реагентов 3 и сдувки 5 в верхней части, которая играет роль гидрозатвора.

Полезная модель работает следующим образом.

Реактор заполняют жидкими реагентами до рабочего уровня 6. По штуцерам ввода реагентов 2 их непрерывно подают в корпус реактора 1 и выводятся через штуцер 3 гидрозатвора 4 со сдувкой 5 на противоположном конце корпуса 1. В случае снабжения реактора трубой 13 со сдувкой 5, которая играет роль гидрозатвора, реагенты выводят через штуцер 3 в верхней части трубы 13 (фиг.4). По коаксиальной трубе 7 включают циркуляцию теплоносителя.

Включают пульсационную систему 10, которая создает переменное давление через штуцера 9 над уровнем 6 в вертикальных сосудах 8 в результате чего уровень жидкости в сосудах приходит в возвратно-поступательное движение. При опускании уровня 6 в вертикальном сосуде 8 жидкость по патрубку 11 через сопло 12 поступает в корпус реактора 1. Благодаря тангенциальному подводу сопла 12 жидкость в реакторе приобретает вращение вокруг оси корпуса, а вследствие отклонения проекции оси сопла на горизонтальную плоскость от перпендикуляра к оси корпуса на угол в пределах ±45° может приобретать спиральное движение (фиг.3). При возвращении уровня 6 в вертикальном сосуде 8 в первоначальное положение

жидкость из корпуса реактора 1 заполняет вертикальный сосуд. Затем цикл повторяется.

В результате в корпусе реактора 1 возникает интенсивное вихревое спиральное движение реагентов, как показано на фиг.1-4, которое и обеспечивает их перемешивание. Расстояние между осями соседних сопел по длине корпуса реактора в месте их присоединения к корпусу L выбирается из условия, чтобы L не превышало 40 диаметров сопла. Этим предотвращается затухание вихревого спирального движения на участке между соседними соплами.

Заявляемые отличительные особенности конструкции и соотношения размеров обеспечивают получение оптимальных гидродинамических характеристик реактора исходя из опыта конструирования и испытаний пульсационных реакторов различных конструкций [4].

Так соотношения площадей сечений корпуса реактора, вертикальных сосудов и сопел обеспечивает необходимые скорости истечения струй из сопел в полость корпуса и соответственно скорости вихревых потоков.

Изменяя с помощью пульсационной системы 10 параметры пульсации (частоту и амплитуду колебаний уровня в вертикальных сосудах) на различных участках по длине корпуса реактора, можно получить на этих участках различную интенсивность перемешивания.

Были изготовлены и испытаны опытные образцы полезной модели с диаметром корпуса 50 мм и 120 мм. В ходе испытаний были получены средние

скорости истечения струй 0,5-2 м/с. При этом в корпусе реактора возникало устойчивое вихревое движение реагентов со скоростями на периферии (у стенок корпуса) до 2 м/с. Было проведено исследование методом вымывания структуры потоков в опытном образце. Исследования показали, что полезная модель по структуре потоков эквивалентна аппарату вытеснения с продольным промешиванием. Коэффициент продольного перемешивания составил 3-5 см²/с, т.е. находится на уровне лучших образцов вертикальных пульсационных колонн примерно того же диаметра (100-200 мм) [5].

В опытном образце реактора диаметром 120 мм был осуществлен процесс осаждения гидроксида урана из азотнокислого раствора уранилнитрата раствором аммиака с производительностью 6 кг/ч по урану. Из гидроксида были получены малопылящие порошки, качество которых позволило получить таблетки двуокиси урана, отвечающие необходимым требованиям к реакторному топливу.

Ранее предпринятые попытки реализовать процесс осаждения гидроксида урана в аппарате типа реактора Торнтона с распределительной насадкой оказались безуспешными вследствие забивания аппарата гидроксидами.

Источники информации

1. Патент США 4.255.393 кл. 423/15, 423/253 (МКИ C 01 G 1/100, C 01 G 56/00) Mar. 10,1981.

2. Громов Б.В. и др. Химическая технология облученного ядерного топлива. М. Энергоатомиздат. 1983, с.204-205.

3. Карпачева С.М. и др. Пульсирующие экстракторы. М. Атомиздат. 1964, с.108-111.

4. Карпачева С.М. и др. Основы теории и расчета горизонтальных пульсационных аппаратов и пульсаторов. М. Атомиздат. 1981, с.21-26, 175-180.

5. Карпачева С.М. и др. Основы теории расчета пульсационных колонных реакторов. М. Атомиздат. 1980, с.102-109.

1. Горизонтальный пульсационный колонный реактор для осуществления физических и химических процессов в жидких средах, содержащий корпус, выполненный в виде горизонтальной трубы, снабженный штуцерами ввода реагентов и их вывода через гидрозатвор со штуцером сдувки, обеспечивающий заполнение реактора реагентами до рабочего уровня, отличающийся тем, что корпус реактора выполнен полым и снабжен размещенными по длине реактора вертикальными сосудами, площадь сечения каждого из которых не более площади сечения корпуса реактора, вертикальные сосуды в верхней части снабжены штуцерами для присоединения к пульсационной системе, а в нижней части тангенциально присоединены к корпусу реактора патрубками, диаметром не более половины диаметра корпуса реактора, причем перед присоединением патрубки имеют прямой участок - сопло, длина которого не менее его диаметра.

2. Горизонтальный пульсационный реактор по п.1, отличающийся тем, что вертикальные сосуды размещены по обе стороны корпуса реактора, а направления тангенциального подвода сопел к корпусу реактора выполнены по часовой и/или против часовой стрелки.

3. Горизонтальный пульсационный реактор по п.1, отличающийся тем, что направление тангенциального подвода сопел к корпусу реактора выполнено с чередованием по часовой и против часовой стрелки.

4. Горизонтальный пульсационный реактор по п.1, отличающийся тем, что гидрозатвор выполнен в виде присоединенной к корпусу реактора на его конце вертикальной трубы, снабженной в верхней части штуцерами вывода реагентов и сдувки.

5. Горизонтальный пульсационный реактор по п.1, отличающийся тем, что внутри корпуса коаксиально расположена труба, полость которой изолирована от полости корпуса.

6. Горизонтальный пульсационный реактор по п.1, отличающийся тем, что сопла расположены таким образом, что проекции их оси на горизонтальную плоскость образуют с осью корпуса угол 90°±, причем меньше или равен 45°, а расстояние между осями соседних по длине реактора сопел в месте их присоединения к корпусу не превышает 40 диаметров сопла.