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

 

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

Сущность полезной модели:

Аппарат для смешивания гетерогенных сред содержит смесительную камеру, вертикальный вал, связанный с приводом и охваченный снаружи кожухом, причем в смесительной камере на свободном конце вала закреплены два диска и крестовина с вертикальными стержнями на периферии ее лопастей, при этом первый диск закреплен на валу посредством полого усеченного конуса с ворошителями на его боковой поверхности, патрубок подачи жидких радиоактивных в смесительную камеру, сообщенный с полостью кожуха патрубок подачи цемента с добавками и периферийно расположенный в днище смесительной камеры патрубок выдачи цементного компаунда.

Аппарат отличается тем, что второй диск закреплен на валу над крестовиной, центральная часть днища смесительной камеры расположена выше его периферийной части и соединена с ней цилиндрической перегородкой, а в зазоре между крестовиной и центральной частью днища смесительной камеры расположены соединенные с лопастями ребра, причем поверхности ребер и центральной части днища смесительной камеры, обращенные друг к другу, выполнены коническими.

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 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.

В настоящее время цементирование ЖРО низкого и среднего уровня активности получило широкое применение. Исследования последних двух десятилетий показали возможность 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 с 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 конструкторское решение аппарата для реализации процесса. Цементирование будет успешным с точки зрения достижения экологической безопасности получаемого продукта - цементного компаунда, если произойдет полное перемешивание сухого и жидкого компонентов, равномерное распределение последнего по всему объему цемента с добавками для 100%-ного смачивания цемента с добавками жидкими радиоактивными отходами и будет получена однородная смесь. При этом необходимо достижение минимального остатка цементного компаунда на поверхностях деталей, узлов применяемого аппарата для смешивания и в образующихся «карманах» стыкующихся узлов и деталей. Последние обстоятельства могут привести к аварийному останову работы аппарата в связи с тем, что остатки цементного компаунда в аппарате обусловливают образование монолитных цементных камней, являющихся помехой в работе узлов и деталей аппарата.

Рассмотрим известные из уровня техники решения, аналогичные заявляемому, и проанализируем, как решается в них задача достижения минимального остатка в аппарате цементного компаунда.

Аналогом заявляемого аппарата является гипсомешалка (см. Сапожников М.Я., Дроздов Н.Е. «Справочник по оборудованию заводов строительных материалов», изательство литературы по строительству», Москва, 1970, с.255-256; Сапожников М.Я. «Машины промышленности строительных материалов». Атлас конструкций. Машгиз, 1961, с.72 (лист 65). Она содержит смесительную камеру, вертикальный полый вал, связанный с приводом вращения и охваченный снаружи кожухом, причем в смесительной камере на свободном конце вала закреплены диск посредством усеченного конуса и крестовина с пальцами, сообщенный с полостью кожуха патрубок подачи порошкообразного твердого компонента, соединенный с полым валом, патрубок подачи жидкого компонента в смесительную камеру через отверстия, выполненные в стенке свободного конца полого вала, и периферийно установленный в днище смесительной камеры патрубок готовой смеси.

Порошкообразный твердый материал подают в кожух вертикального полого вала, откуда он попадает на диск, который распыляет твердый материал на мелкие частицы, поступающие в периферийную зону смесительной камеры и приобретающие в ней движение с высокой линейной скоростью.

Жидкий компонент подают в полость вертикального вала, откуда он вылетает в виде струй через отверстия в стенке полого вала, расположенные как под разбрасывающим диском, так и под крестовиной. Капли жидкого компонента летят в периферийную зону смесительной камеры и так же, как и частицы твердого компонента приобретают вращательное движение с наибольшей линейной скоростью в периферийной зоне смесительной камеры. При этом капли жидкого компонента смачивают частицы твердого компонента, образуется подвижная (текучая) смесь, которую через установленный в днище смесительной камеры патрубок выдачи удаляют в емкость для дальнейшего схватывания и затвердевания.

Однако известная гипсомешалка имеет недостатки, обусловленные некоторыми конструктивными элементами ее, которые могут негативно сказаться при использовании рассматриваемого известного устройства для смешивания ЖРО и цемента с добавками. Предусмотренные для распыления жидкости отверстия в стенке полого вертикального вала ограничат количество жидкости, поступающей в периферийную зону смесительной камеры. При этом не все количество жидкого компонента попадет в периферийную зону, так как от удара с пальцами крестовины часть капель вернется в центральную зону смесительной камеры. Кроме того, при непрерывной подаче порошкообразного «сухого замеса» в кожух вертикального вала неизбежно зависание и сводообразование его в силу его характерной особенности - слеживаемости цемента. В конструкции гипсомешалки отсутствуют какие-либо устройства для предотвращения указанных явлений, то есть исключения скопления твердого компонента в кожухе, что не позволит обеспечить постоянное и в полном объеме поступление его на диск. Указанные явления предопределяют снижение производительности, из-за недостачи жидкого и твердого компонентов получаемый компаунд будет некондиционным, что может послужить нарушением технологического регламента при обезвреживании ЖРО.

Наиболее близким по технической сущности устройством к заявляемому аппарату является аппарат для смешивания гетерогенных сред, преимущественно, жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками (см. патент РФ на полезную модель 46604, кл. G21F 9/16, В01F 7/26, 2005). Данный аппарат принят в качестве прототипа. Аппарат содержит смесительную камеру, вертикальный вал, связанный с приводом вращения и охваченный снаружи кожухом, причем на свободном конце вала поочередно закреплены диск посредством полого усеченного конуса и крестовина с вертикальными стержнями на ее лопастях, причем диск и крестовина расположены в смесительной камере, патрубок подачи жидких радиоактивных отходов в смесительную камеру, сообщенный с полостью кожуха патрубок подачи цемента с добавками и периферийно установленный в днище смесительной камеры. При этом смесительная камера снабжена дополнительным диском, расположенным под валом и закрепленным на ближайших к нему вертикальных стержнях, на каждом вертикальном стержне выполнен сегментный срез, а на боковой поверхности полого усеченного конуса установлены ворошители.

В данном аппарате отсутствуют все те недостатки аналога-гипсомешалки, которые были указаны на с.3 настоящего описания. Они были устранены благодаря наличию отличительных признаков в совокупности признаков полезной модели по патенту РФ 46604.

При использовании полезной модели - прототипа исключаются:

- агрегатирование частиц цемента, несмоченных каплями жидкого компонента, так как процесс перемешивания осуществляется в основном в периферийной зоне смесительной камеры, где полноценному перемешиванию жидкого и твердого компонентов не мешает ни один конструктивный признак;

- скопление неперемешанных компонентов в «карманах», образованных стыкующимися деталями аппарата для смешивания.

Однако и аппарат-прототип, оказалось, не без недостатков. Были проведены испытания этого аппарата, изготовленного в соответствии с формулой полезной, модели на опытном стенде с использованием цемента с добавками и воды (имитатора жидких отходов). Результаты испытаний подтвердили, что при смешивании твердого и жидкого компонентов получается однородный, хорошо перемешанный цементный компаунд, который после необходимой выдержки превращался в плотный и высокопрочный цементный камень.

Однако при последующей разборке и обследовании аппарата обнаружилось, что на центральной части днища смесительной камеры образовалось скопление цементного компаунда, превратившийся после выдержки в каменный монолит.Многократные промывки аппарата не позволили ликвидировать нарост компаунда. Приходилось разбирать аппарат и механически удалять нарост компаунда. Происходящие в аппарате-прототипе нежелательные явления отрицательно скажутся на работе аппарата, а именно, снизится производительность аппарата, так как в аппарате остается невыгруженный готовый продукт, а, в крайнем случае, при дальнейшем проведении процесса и образовании новых наростов, может образоваться «козел», в результате чего аппарат перестанет работать. Тогда аппарат необходимо демонтировать, дезактивировать и захоронить, то есть аппарат, еще не отработавший свой технологический ресурс, должен пойти на свалку. Это недопустимая роскошь, так как аппарат изготовлен из дорогостоящих химически и механически стойких материалов. Потребуются затраты на демонтаж аппарата и дезактивацию всех частей его от радиоактивного содержимого.

Для исключения всех этих недостатков специалистами ОАО «Сверд-НИИхиммаш» был усовершенствован известный аппарат. Его испытания показали, что вышеописанные недостатки исчезли, и аппарат при проведении испытаний ни разу не был остановлен из-за образования наростов из цементного компаунда и их накопления.

Этот аппарат, как и прототип, содержит смесительную камеру, вертикальный вал, связан с приводом и охваченный снаружи кожухом, причем в смесительной камере на свободном конце вала закреплены два диска и крестовина с вертикальными стержнями на периферии ее лопастей, при этом первый диск закреплен на валу посредством полого усеченного конуса с ворошителями на его боковой поверхности, патрубок подачи жидких радиоактивных отходов в смесительную камеру, сообщенный с полостью кожуха патрубок подачи цемента с добавками и периферийно расположенный в днище смесительной камеры патрубок выдачи цементного компаунда.

Заявляемый аппарат отличается от прототипа тем, что второй диск закреплен на валу над крестовиной, центральная часть днища смесительной камеры расположена выше его периферийной части и соединена с ней цилиндрической перегородкой, а в зазоре между крестовиной и центральной частью днища смесительной камеры расположены соединенные с лопастями крестовины ребра, причем поверхности ребер и центральной части днища смесительной камеры, обращенные друг к другу, выполнены коническими.

Перечисленные выше отличительные признаки свидетельствуют о том, что заявляемая полезная модель является новой, так как совокупность ее существенных признаков неизвестна, как показали проведенные заявителем патентные исследования и представленный выше анализ аналогичных заявляемому технических решений.

Заявляемая 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.

Подтверждением заявленного выше является описание конкретного конструкторского исполнения аппарата и его работы.

Представленные чертежи являются иллюстрацией конструкции заявляемой полезной модели. На фиг.1 изображен общий вид аппарата для смешивания в разрезе, на фиг.2 - сечение А-А.

Аппарат для смешивания содержит смесительную камеру 1 с днищем 2, вертикальный вал 3, связанный с приводом 4 и охваченный снаружи кожухом 5, причем в смесительной камере 1 на свободном конце вала 3 закреплены два диска 6 и 7 и крестовина 8 с вертикальными стержнями 9 на периферии ее лопастей 10. При этом первый диск 6 закреплен на валу 3 посредством полого усеченного конуса 11 с ворошителями 12 на его боковой поверхности, а второй диск 7 закреплен на валу 3 над крестовиной 8. Центральная часть 13 днища 2 смесительной камеры 1 расположена выше его периферийной части и соединена с ней цилиндрической перегородкой 14, а в зазоре между крестовиной 8 и центральной частью 13 днища 2 смесительной камеры 1 расположены соединенные с лопастями 10 крестовины 8 ребра 15, причем поверхности ребер 15 и центральной части 13 днища 2 смесительной камеры 1, обращенные друг к другу, выполнены коническими.

Аппарат оснащен технологическими патрубками. Для подачи в смесительную камеру 1 цемента с добавками в стенке кожуха 5 установлен патрубок 16, для подачи ЖРО в смесительную камеру 1 предназначен патрубок 17. Для выдачи из аппарата готовой смеси - цементного компаунда в днище 2 смесительной камеры 1 периферийно установлен патрубок 18.

Заявляемый аппарат для смешивания гетерогенных сред работает следующим образом.

Включают привод вращения 4, вертикальный вал 3 начинает вращаться, приводя во вращение диск 6, 7 и крестовину 8 с расположенными на периферии лопастей 10 стержнями 9. ЖРО в виде концентрированной пульпы или концентрированного шлама с заданным расходом подают через патрубок 17 и полый конус 11 в смесительную камеру 1. Выходящие из патрубка 17 ЖРО попадают на поверхность вращающегося диска 7 и распыляются им в периферийную зону смесителя 1, где находятся вертикальные стержни 9. Одновременно с подачей ЖРО осуществляют и подачу с заданным расходом «сухого замеса» - смеси цемента и бентонитовай глины (добавки к цементу) через патрубок 16 в кожух 5. Из него с помощью ворошителей 12 и наклонной поверхности полого усеченного конуса 11 «сухой замес» транспортируется на поверхность вращающегося диска 6, благодаря которому происходит распыление «сухого замеса» в периферийную зону смесительной камеры 1. Твердые частицы и капли жидкого компонента попадают в периферийную зону смесительной камеры 1, где преобладают высокие линейные скорости вращения твердых и жидких частиц и где происходит наиболее эффективное перемешивание компонентов и смачивание частиц «сухого замеса» каплями ЖРО. Кроме того, капли и частицы испытывают в периферийной зоне и определенное ударное воздействие от стержней, в результате чего происходит дополнительное диспергирование их, а значит и повышается эффективность процесса и смешивания и смачивания частиц компонентов. В периферийной зоне образуется текучая смесь - цементный компаунд, По мере готовности кондиционный цементный компаунд удаляют из аппарата для смешивания через патрубок 18 в металлическую бочку или непосредственно в хранилище для фиксированных в устойчивой твердой среде жидких радиоактивных отходов.

Благодаря тому, что второй диск 7 установлен над крестовиной 9 и перекрывает ее центральную часть исключается или сводится к минимуму попадание распыленных частиц ЖРО и «сухого замеса» в центр смесительной камеры. Расположение центральной части 13 днища 2 смесительной камеры 1 выше периферийной часть днища 2 и соединение их между собой цилиндрической перегородкой 14, предотвращает перетекание цементного компаунда из периферийной зоны смесительной камеры 1 в центральную, накопление его там, и, особенно, образование там неудаляемого цементного камня. Расположение в зазоре между крестовиной 8 и центральной частью 13 днища 2 соединенных с лопастями 10 крестовины 8 ребер 15, а также выполнение коническими поверхностей ребер 15 и центральной части 13 днища 2, обращенных друг к другу, позволяют удалять попавшие в указанный зазор распыленные компоненты и цементный компаунд.

Все эти достоинства, присущие заявляемому аппарату, обеспечивают бесперебойную и надежную работу его при смешивании гетерогенных сред.

Аппарат для смешивания гетерогенных сред, преимущественно жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками, содержащий смесительную камеру, вертикальный вал, связанный с приводом и охваченный снаружи кожухом, причем в смесительной камере на свободном конце вала закреплены два диска и крестовина с вертикальными стержнями на периферии ее лопастей, при этом первый диск закреплен на валу посредством полого усеченного конуса с ворошителями на его боковой поверхности, патрубок подачи жидких радиоактивных отходов в смесительную камеру, сообщенный с полостью кожуха патрубок подачи цемента с добавками и периферийно расположенный в днище смесительной камеры патрубок выдачи цементного компаунда, отличающийся тем, что второй диск закреплен на валу над крестовиной, центральная часть днища смесительной камеры расположена выше его периферийной части и соединена с ней цилиндрической перегородкой, а в зазоре между крестовиной и центральной частью днища смесительной камеры расположены соединенные с лопастями крестовины ребра, причем поверхности ребер и центральной части днища смесительной камеры, обращенные друг к другу, выполнены коническими.



 

Наверх