Лекция №1. Классификация РАО

Лекция №1. Классификация РАО

К ТРО относят материалы, которые отвечают следующим критериям:

- по альфа-загрязняющим нуклидам – активность;

- по бета-излучающим нуклидам –;

- по гамма-излучающим нуклидам –.

К ЖРО относят растворы, объемная активность которых превышает определенную величину, установленную нормативными документами (НРБ-99 и ОСПОРБ-99). Согласно ним, каждый радионуклид характеризуется индивидуальной величиной, называемой уровнем вмешательства (УВ^вода) для питьевой воды. Вода не относится к ЖРО и сброс ее в открытую гидросеть без согласования с экологическими органами разрешен, если для нее сумма уровней вмешательства по всем радионуклидам менее 1: Σ(А_удⁱ / УВ_i^вода) < 1.

Если данная величина лежит в пределах от 1 до 10, то вода не относится к ЖРО, но сброс разрешен после согласования. Если величина больше 10, то раствор относится к ЖРО и его в открытую гидросеть запрещен.

Значения УВ^вода для ряда радионуклидов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения УВ^вода некоторых радионуклидов(РН)

РН	137Cs	134Cs	60Co	90Sr	90Y	241Am	238Pu	239Pu	226Ra	232Th	235U	238U
УВвода, Бк/кг	11,0	7,3	41,0	5,0	51,0	0,69	0,6	0,56	0,5	0,6	3,0	3,1

Классификация РАО осуществляется по следующим основным признакам:

- по агрегатному состоянию;

- по уровню активности.

По агрегатному состоянию различают:

1) Газообразные РАО; 2) жидкие РАО (ЖРО); 3) твердые РАО (ТРО).

Газообразные РАО подразделяют на молекулярные радиоактивные газы и аэрозольные выбросы. Они имеют различную физическую природу, характеризуются различным поведением, что обуславливает различия в методах очистки.

ЖРО по составу можно разделить по следующим признакам:

- гомогенности (растворы и пульпы);

- типу растворенных компонентов (неорганические либо органические);

- степени засоленности (низкосолевые, высокосолевые).

ТРО различают по способу обращения с ними:

- сжимаемые и несжимаемые;

- горючие и негорючие.

По уровню активности различают высокоактивные (ВАО), среднеактивные (САО) и низкоактивные (НАО) отходы. В основном эта классификация применяется для ЖРО и ТРО в соответствии с величиной удельной активности и типом радионуклида. Классификация представлена в таблице 2 [1].

Таблица 2 – Классификация жидких и твердых радиоактивных отходов по уровню активности

Категория отходов	Удельная активность, Бк/кг
β-излучающие радионуклиды	α-излучающие радионуклиды (исключая трансурановые)	трансурановые радионуклиды
Низкоактивные	менее 106	менее 105	менее 104
Среднеактивные	от 106 до 1010	от 105 до 109	от 104 до 108
Высокоактивные	более 1010	более 109	более 108

 

Очистка высокотемпературных газов (ВТГ)

ПАВ – пенный аппарат волокнистый – очистка ВТГ после прокалки диураната аммония с улавливанием U₃O₈. Внешний вид и принцип действия показан на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1. – внешний вид и принцип действия аппарата ПАВ

Барботер- холодильник (на плутониевой цепочке) – охлаждение газа, конденсация паров воды и кислоты, улавливание твердых частиц. На плутониевой цепочке – безопасного объема, на остекловывании – большого объема. Жидкий абсорбент – разбавленная азотная кислота. Охлаждение водяной рубашкой.

 

Удаление изотопов иода

Изотопы иода, как и РБГ, образуются в результате реакций деления урана и плутония.

Стабильный изотоп – ¹²⁷I, образующиеся в реакциях деления - ^{129,131,132,133}I.

Иод характеризуется высокой миграционной способностью. Токсическое действие ¹³¹I – нарушение функции щитовидной железы, снижение функциональной активности, образование опухолей. Периоды полураспада: ¹²⁹I – 1,5·10⁷ лет, ¹³¹I – 8,05 суток.

Выход изотопов ¹³¹I и ¹²⁹I в реакторах: для ¹³¹I – 130 ГБк/ГВт·сут (ВВЭР), 360 ГБк/ГВт·сут (РБМК); для ¹²⁹I – в тысячи раз меньше.

Виды соединений иода в газовых выбросах:

1) Молекулярный иод – I₂. Он адсорбируется на аэрозолях.

2) Иодорганические соединения – например, CH₃I. Наиболее трудноудаляемые соединения.

Удаление молекулярного иода из газовых выбросов осуществляется двумя способами: барботированием газа через раствор щелочи (окислительно-восстановительная реакция) и пропусканием через колонны с адсорбентом, насыщенным AgI или AgNO₃ (реакция изотопного обмена либо просто обменная реакция с образованием менее растворимого соединения).

Удаление иодорганических соединений осуществляется за счет адсорбции их активированными углями.

Принципиальная схема очистки газов от иода на участке растворения ОЯТ представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема очистки газов от иода на установке растворения ОЯТ

1 – аппарат-реактор;

2 – дефлегматор (обратный холодильник) – представляет собой теплообменник (холодильник), при его прохождении пары конденсируются и возвращаются в аппарат-растворитель;

3 – щелочные барботеры (с охлаждением);

4 – кислый барботер (HNO₃, 3÷5 моль/л) – служит для удаления капель щелочи;

5 – аэрозольный фильтр;

6 – «серебряные» фильтры (колонны адсорбционные, в которых насадка – алюмогель – насыщена AgI или AgNO₃). Поток газа идет таким образом: либо 6₁ – 6₃, либо 6₂ – 6₃, при этом в отсеченной колонне ¹³¹I распадается (в течение ~3 месяцев), так называемая «вечная колонна», после чего они меняются. Рабочая температура 210÷300ºС. Срок службы сорбента определяется износом сорбента и загрязнением его посторонними веществами, после чего сорбент перерабатывают и локализуют.

7 – угольные колонны – активные угли СКТ и АГ-3. Рабочая температура 50÷60ºС. Колонны пожароопасны, работают попеременно. Нагреваются до рабочей температуры газом, который нагревают предварительно в теплообменнике. После угольных колонн воздух сбрасывается в вентиляционную систему.

Иногда при высоком содержании примесей на участке 1-2 газ омывают поглощающими реагентами.

Удаление трития

Удаление трития основано на поглощении его малым объемом воды (по реакции изотопного обмена) с дальнейшей адсорбцией этой воды поглотителем (силикагелем) и локализацией.

Лекция №3 Обращение с ЖРО

Существует три подхода к обращению с ЖРО:

- разбавление и сброс в окружающую среду;

- долговременное контролируемое хранение (САО, ВАО);

- переработка.

Первые два подхода были широко распространены на заре атомной отрасли и в ряде случаев привели к существенному загрязнению ОС. Однако в силу ряда нетехнологических причин (экономическая затратность) данные подходы распространены до сих пор.

Первый подход реализуется тремя путями:

- сброс в водоемы при условии, что в нем происходит необходимое разбавление, а также реализуются естественные процессы связывания загрязнителей, предотвращающие их накопление в воде и живых организмах выше допустимых норм (Англия, Селлафильд, Франция, мыс Аг – в Атлантический океан);

- создание гидротехнических сооружений, полностью или частично изолирующих водоем, в который ведется сброс ЖРО, от открытой гидросистемы, что позволяет регулировать поступление и миграцию радионуклидов в ОС (Россия, ПО «Маяк» - в оз.Карачай, ТКВ);

- применение гидрогеологических методов, в частности, закачивание таких вод в глубокие подземные пласты, надежно изолированные водонепронецаемыми пластами от водоносных слоев. Закачивание ЖРО в глубокие подземные пласты связано с предварительной подготовкой их для предотвращения кольматации водопоглощающих пород (Россия, Красноярский ГХК).

Долговременное контролируемое хранение ЖРО (ВАО и САО) осуществляется в герметичных емкостях (бетонных, облицованных нержавейкой) с охлаждением либо без, в зависимости от уровня активности отходов. Данный подход является временным.

Третий подход (переработка ЖРО) направлен на решение двух главных задач: очистки основной массы отходов и концентрирования последних в минимальном объеме. Для этого используют следующие методы:

1) Механические – основаны на действии гравитационного и/или инерционного поля на примеси, - приводят к механическому разделению примеси и воды. Примеси не изменяют свою структуру и химический состав. К ним относят: процеживание, отстаивание, фильтрование на медленных и безнапорных фильтрах, центрифугирование, сепарацию в гидроциклонах.

2) Физико-химические и физические – основаны на действии внешних физико-химических и физических сил на СВ (Р, tº, акустическое, электромагнитное, электростатичес-кое, тепловое поле) или внутренних сил (поверхностных, межмолекулярных). К ним относят: коагуляцию и флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, мембранные методы, электродиализ, электро- и гальванокоагуляцию, термические методы (дистилляцию и вымораживание), отгонку и отдувку летучих компонентов, магнитную сепарацию, УФ- и γ-облучение.

3) Химические – основаны на действии сил ионного или ионно-молекулярного уровня, вызывающие структурно-химические изменения примесей. Подразделяются на методы:

- нейтрализации;

- окисления и восстановления;

- осаждения;

- комплексообразования.

Основными являются три группы методов: термические, сорбционные+осадительные+экстракционные, мембранные. Остальные методы являются применяются в технологических схемах очистки ЖРО в качестве дополнительных.

Усреднение

Усреднители применяются для регулирования состава и расхода ЖРО, поступающих на очистку. Поддержание постоянного расхода и усредненной концентрации загрязнений повышает эффективность и надежность работы устройств механической и физико-химической очистки.

Усреднители представляют собой прямоугольные резервуары из железобетона. Перемешивание СВ осуществляется двумя способами: 1) дифференцированием потока; 2) принудительно (мешалками, насосами, барботажом сжатого воздуха).

Схема усреднителя с дифференцированием потока представлена на рисунке 1.

Эффективность усреднения по концентрации достигается за счет разного времени добегания отдельных порций СВ к сборному лотку. Типовой усреднитель состоит из 4-6 параллельно расположенных коридоров.

Кроме того, применяют радиальные отстойники-усреднители, в которых совмещены процессы отстаивания и усреднения производственной СВ по концентрации загрязнений.

Механические методы очистки ЖРО

Механическая очистка – обязательная стадия очистки в начале схемы, возможно также применение в конечной части схемы (например, после осадительной стадии). Служит для выделения нерастворимых органических и минеральных примесей.

В зависимости от требований к качеству очищенной СВ применяют следующие методы очистки:

- процеживание через решетки и сетки (фракция > 16 мм);

- отстаивание в песколовках (фракция > 200 мкм) и отстойниках;

- фильтрация через фильтры с различной загрузкой (зернистой, плавающей, сетчатые фильтры, микрофильтры);

- гидроциклоны;

- центрифуги.

Для надежной работы схема должна иметь не менее двух параллельно работающих аппарата на каждой стадии.

Процеживание через решетки – осуществляется путем пропускания СВ через решетки или сита для извлечения крупных примесей, которые могут засорить трубы. Решетки представляют собой металлические стержни, параллельно установленные на расстоянии 16 мм друг от друга вертикально либо под углом 60-70 градусов. Очистка решеток от загрязнений производится механически. Снятые загрязнения измельчаются и либо сбрасываются в поток СВ за решеткой, либо утилизируются. В последнее время используют совмещенные решетки-дробилки, позволяющие не извлекать крупные примеси из СВ. Обычно чем меньше скорость потока СВ, тем больше загрязнений задерживается при процеживании.

Отстаивание в песколовках и отстойниках – основано на особенностях процесса осаждения твердых частиц в жидкости. При этом может иметь место:

1 – свободное осаждение не слипающихся частиц, которые сохраняют свою форму и размеры;

2 – осаждение частиц, склонных к коагулированию, изменяющих при этом свою форму и размеры.

Процесс осаждения можно проводить периодически и непрерывно. В ходе периодического осаждения распределение концентрации твердых частиц в объеме изменяется во времени. В случае же организации непрерывного процесса данная картина остается неизменной во времени.

Коэффициент осаждения (Р) определяется по формуле:

Р = (С_исх – С_осв)/ С_исх, (1)

где С_исх и С_осв – концентрация взвешенных частиц в исходном и осветленном растворах, соответственно.

Скорость стесненного осаждения (W_ос, м/с), определяемого не только замедлением частиц жидкой фазой, но и взаимодействием с другими частицами, зависит от диаметра частиц (d, мм), коэффициента свободного падения (g, 9,8 м/с²), плотности жидкой среды (ρ_ж, кг/м³) и частиц (ρ_ч, кг/м³) и в ламинарной области, согласно уравнению Стокса, определяется как:

W_ос = d²·g·(ρ_ч - ρ_ж)·ε/18·μ_c, (2)

где μ_c – динамическая вязкость СВ, ε – объемная доля жидкой фазы, определяется как:

ε = V_ж/(V_ж + V_ч). (3)

 

Песколовки используют для отделения от СВ минеральных частиц крупностью более 200 мкм при пропускной способности станции очистки СВ более 100 м³/сут. Основные типы песколовок следующие: горизонтальные песколовки с круговым и прямолинейным движением СВ, аэрируемые песколовки, тангенциальные песколовки со шнековым пескопромывателем.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический резервуар с коническим дном. СВ подводят по центральной трубе. В емкости СВ движется снизу вверх, при этом происходит осаждение примесей.

Горизонтальные отстойники – это прямоугольные резервуары, в которых СВ движется от одного конца к другому. Глубина Н = 1,5-4 м, длина (8-12)Н, ширина коридора 3-6 м, эффективность отстаивания ~ 60 %.

Для повышения эффективности отстаивание следует проводить в тонком слое жидкости, что позволяет сократить время процесса и, следовательно, уменьшить размеры отстойников. Этот принцип реализуется в трубчатых и пластинчатых отстойниках.

В трубчатых аппаратах рабочие элементы (трубки диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м) устанавливают либо под малым (до 5º), либо под большим (45-60º) наклоном. В первом случае аппарат работает периодически, т.к. необходима промывка трубок от осадка. Во втором случае осадок сам постоянно сползает в шламонакопитель, и процесс идет непрерывно. Эффективность отстаивания достигает ~ 85 %.

Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельных наклонных пластин. Применяются для осветления высококонцентрированных СВ.

Для интенсификации процессов осаждения применяют различные коагулянты и флокулянты.

Для создания центробежного поля при очистке жидкости используются аппараты двух типов: неподвижные, в которых вращается поток жидкости, и вращающиеся, в которых жидкость движется вместе с ротором аппарата. Аппараты первого типа носят название гидроциклонов, а второго – центрифуг.

Гидроциклоны – их действие основано на выделении твердых частиц из вращающегося потока воды в неподвижном корпусе цилиндрической, цилиндро-конической или конической формы под действием центробежной силы. Существуют открытые и напорные гидроциклоны.

Открытые гидроциклоны используют для выделения всплывающих и оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью более 0,2 мм/с и скоагулированных взвешенных веществ.

Типы открытых гидроциклонов:

- без внутренних устройств для выделения;

- с конической диафрагмой и с внутренним цилиндром для выделения оседающих и всплывающих мелкодисперсных взвешенных веществ;

- многоярусные.

Также гидроциклоны подразделяют по схеме движения жидкости на прямоточные, в которых поток жидкости сохраняет первоначальное направление, и противоточные, в которых направление потока изменяется на 180º. Первые отличаются меньшим гидравлическим сопротивлением и меньшей степенью очистки.

В зависимости от способа подвода жидкости и конструкции устройства, закручивающего поток, можно разделить гидроциклоны на аппараты с боковыми патрубками (тангенциальными и спиральными) и аксиальные (с лопаточными завихрителями в виде винта или розетки). В противоточном гидроциклоне скорость вращения жидкости по мере достижения нижней части конуса возрастает и в нижней его точке спиральный поток поворачивает в противоположную сторону и вверх. При этом происходит выделение взвесей из потока в нижнюю часть гидроциклона. Недостатками противоточных гидроциклонов являются снижение эффективности сепарации при увеличении диаметра и значительное гидравлическое сопротивление. Основной причиной больших гидравлических потерь в противоточном гидроциклоне является изменение направления потока жидкости на 180º.

Достоинствами гидроциклонов являются компактность, простота обслуживания, отсутствие вращающихся частей. Однако скорость движения частиц в них гораздо меньше, чем в центрифугах, поэтому при очень малых размерах частиц эффективность очистки невысока.

Для повышения эффективности очистки используются многоярусные гидроциклоны, в конструкции которых совмещены принципы работы открытого гидроциклона и тонкослойного отстойника.

Напорные гидроциклоны используют для очистки СВ от грубодисперсных примесей (в основном, минерального состава). Конструкция напорного гидроциклона представлена на рисунке 5.

Указанные устройства могут быть единичными и батарейными (мультициклоны). Диаметр цилиндрической части гидроциклонов достигает 500 мм. Эффективность очистки достигает 70-80 %. Размер удаляемых частиц более 0,1-0,15 мм.

При равном расходе жидкости с уменьшением диаметра гидроциклона скорость движения жидкости увеличивается, при этом возрастает сила инерции, а следовательно, и степень очистки. Однако растет и гидравлическое сопротивление системы.

Центрифуги – используются для удаления мелкодисперсных осадков из СВ, а также для обезвоживания осадков. Центрифуга представляет собой в простейшем виде цилиндрический ротор со сплошными или перфорированными боковыми стенками. Ротор укрепляется на валу, который приводится во вращение электродвигателем, и помещается в соосный цилиндрический неподвижный кожух. На внутренней поверхности ротора с перфорированными стенками закреплена фильтровальная ткань или тонкая металлическая сетка. Осадок после отделения от жидкости остается на роторе, а жидкая фаза (фугат) удаляется из него.

В отстойных центрифугах стенка сплошная, разделение по принципу отстаивания; в фильтрующих – стенки проницаемые, разделение по принципу фильтрования. Вместо разницы давлений – центробежная сила.

Для повышения тонкости очистки применяются тонкослойные центрифуги, в которых ротор при помощи различного рода вставок (цилиндрических, конических, спиральных и т.д.) разделен на несколько камер, высота которых, а следовательно и путь частиц значительно меньше, чем при толстослойном центрифугировании. Повышение эффективности очистки в таких конструкциях обусловлено также уменьшением проскальзывания ротора, наблюдаемого в толстослойных центрифугах.

Центрифуги позволяют достигнуть довольно высокой степени очистки при малом гидравлическом сопротивлении и постоянной пропускной способности, которые не изменяются в процессе работы, что является их преимуществом по сравнению с фильтрами. Однако по конструкции центрифуги значительно сложнее фильтров, больше по габаритам и массе, трудоемки в изготовлении, сложнее в эксплуатации, нуждаются в постороннем источнике энергии, а наличие вращающихся частей требует создания специальных сооружений (фундаментов и т.п.) и является источником повышенной опасности для обслуживающего персонала. Существенным недостатком центрифуг является их сравнительно малая пропускная способность, поэтому при очистке больших количеств жидкости их не используют.

Фильтрование

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий и эмульсий с использованием пористых и сетчатых перегородок или зернистых слоев, которые задерживают диспергированную фазу и пропускают жидкость. В практике очистки СВ используют следующие процессы фильтрования: фильтрование через фильтрующие перегородки, зернистые слои, микрофильтрация, фильтрование эмульгированных веществ.

Сетчатые барабанные фильтры

В системе очистки СВ применяют как периодически действующие фильтры (нутч-фильтры, листовые и фильтр-прессы), так и фильтры непрерывного действия (барабанные, дисковые и ленточные).

Барабанные фильтры условно подразделяются на барабанные сетки (оснащены фильтрующей сеткой с крупными ячейками с размером 0,3-0,5 мм) и микрофильтры (размер ячеек, каналов от 0,1 до 40 мкм). Зачастую микрофильтры выделяют в отдельный класс фильтрующих элементов.

Барабанные сетки задерживают грубодисперсные примеси и снижают содержание взвесей на 25-40 %. При этом в СВ должны отсутствовать вязкие вещества. Производительность барабанных сеток обычно составляет 0,3-2,5 тыс.м³/ч. Чаще всего их устанавливают перед зернистыми фильтрами.

Микрофильтры в зависимости от размера ячеек (каналов) могут задерживать широкий круг загрязняющих компонентов: от грубодисперсных частиц до мельчайших взвесей. В последнее время микрофильтрацию относят к мембранным методам очистки, поэтому подробнее рассмотрим данный метод позднее.

Термические методы

Термические методы в общем случае предполагают использование для очистки ЖРО процесс фазового перехода воды, в ходе которого происходит перераспределение компонентов системы между фазами. Такими процессами являются испарение (дистилляция) и кристаллизация (вымораживание). Во втором случае перераспределение реализуется в меньшей степени, кроме того, технологическое оформление его более проблематично. Поэтому он слабо распространен. Хотя в ряде случаев процесс вымораживания, например при обработке гидроокисных пульп, приводит к уплотнению загрязненного осадка вместе с депонированными на нем радионуклидами. Подобный способ уменьшения объема низкосолевых гидроокисных пульп (по крайней мере, ГОЖ) может быть более эффективен, нежели упаривание или сушка.

Кроме того, к термическим методам относится и сушка, используемая обычно для подготовки (обезвоживания) концентратов радиоактивных отходов к отверждению. Данный метод рассматривается в другой главе.

Дистилляция (упаривание) — широко распространенный метод переработки жидких отходов. В том случае, когда решается проблема очистки и получения кондиционного конденсата, он называется дистилляцией, а когда в задачу его входит концентрирование — упариванием. Различается характером парообразования (кипение в объеме или испарение с поверхности), видом теплоносителя (пар, горячие газы, электричество, органические продукты) и способом подвода тепла (непосредственный контакт с теплоносителем или передача тепла через стенку аппарата).

В практике обезвреживания отходов наиболее широко применяют дистилляцию парообразованием при кипении с подводом тепла водяным паром через стенку выпарного аппарата. Такая организация процесса обеспечивает достаточно хорошую теплопередачу при отсутствии контакта чистого теплоносителя с радиоактивным упариваемым раствором.

Характерная особенность дистилляции как метода переработки жидких отходов — высокая степень очистки конденсата от радионуклидов: К_оч = 10⁴ - 10⁶.

Загрязнение паров и соответственно конденсата радионуклидами, которое определяет степень их очистки, происходит вследствие молеку­лярного (летучесть, растворимость в паре), капельного (аэрозольного) и пенного уноса.

Обычно основная часть содержащихся в отходах радионуклидов находится в условиях дистилляции в нелетучей форме. Поэтому молекулярный унос не лимитирует К_оч. Склонностью к молекулярному уносу в условиях упаривания обладают два радионуклида: рутений в виде четырехокиси и иод в молекулярной форме или в виде соединений с органическими веществами (например, метилиодид).

Однако, чтобы рутений перешел в форму четырехокиси, необходима сильноокислительная среда, которая отсутствует в условиях переработ­ки отходов АЭС. Такие условия могут возникнуть, например, при упа­ривании азотнокислых рафинатов высокого уровня активности от экс­тракционной переработки облученного ядерного топлива, когда кон­центрация азотной кислоты в кубе выпарного аппарата превышает 8 М. Молекулярный иод также не образуется в условиях переработки отходов АЭС рН = 10-11. В такой среде иод находится в нелетучей ионной форме.

Капельный (аэрозольный) унос наблюдается в результате разрыва оболочек пузырьков пара при выходе его из кипящей жидкости (при малой скорости пара) и дробления жидкости (при высокой скорости).

Очистка пара от капельного уноса начинается в сепараторе выпар­ного аппарата. После подъема на определенную высоту (не более 1 м), крупные капли падают обратно на поверхность жидкости (седиментационный эффект). Для очистки пара от такого вида уноса используют сепараторы, высота которых должна быть больше высоты подъема капель. Седиментационный эффект позволяет уменьшить содержание нелетучих компонентов в паре по сравнению с жидкостью в выпарном аппарате на 3-4 порядка. Более мелкие капли, скорость осаж­дения которых равна или меньше скорости пара, выносятся им из сепарационного пространства (так называемый транспортный унос).

Для очистки пара от транспортируемых капель (аэрозолей) необходимо использовать более эффективный инерционный механизм, ко­торый успешно реализуется жалюзийными отбойниками. В оптималь­ных условиях (скорость пара 5-6 м/с при атмосферном давлении) эти отбойники обеспечивают дополнительную очистку более чем на поря­док.

Однако часто такая очистка паров недостаточна, и тогда дополни­тельно используют барботажные устройства в виде насадочных или тарельчатых колонн, применяемых обычно при ректификации. В таких колоннах очистка паров происходит в результате как инерционного, так и диффузионного эффектов. Причем отмечено, что на нижних 2-3 тарелках колонны, куда еще поступают сравнительно крупные тран­спортируемые («витающие») капли, коэффициент очистки на каждой из них равен 5-10, в то время как на последующих тарелках он уменьшается, стабилизируется и составляет 1,5-2.

Рис. 1. Схема очистки от капельного уноса при упаривании:

а — конденсат греющего пара; б — греющий пар; в — вторичный пар; г — исходный раствор

 

Рассмотренная система очистки паров от капельного уноса (рис.1) обеспечивает стабильные и высокие значения K_оч (до 10⁶) и широко применяется в отечественной практике.

Однако степень очистки при дистилляции может быть существенно увеличена переупариванием конденсата, полученного на первой ступени. На первый взгляд такое решение кажется нецелесообразным, так как энергетически оно не выгодно. В то же время если для переупаривания исполь­зовать тепло паров с первой ступени дистилляции, полностью аккумулируемое в конденсате с последующим самоиспарением его при более низком давлении (ситуация, аналогичная многократному использованию тепла в многокор­пусной выпарной установке), то энергетические затраты практически не увеличиваются, а суммарный коэффициент очистки возрастает примерно до 10⁸.

Для устранения пенного уноса существует несколько способов: термический (перегрев пены в сепараторе), механический, химический (применение пеногасителей), гидродинамический и др. На отечественных АЭС наиболее широко применяют достаточно эффективный и универсальный гидродинамический способ разрушения пены (рис. 2). Суть спосо­ба в том, что в выпарном аппарате создают такие гидродинамические условия, при которых пена не мо­жет существовать и разрушается: высокая скорость пены: 50-100 м/с и минимальное содержание в ней жидкости (50-70% по массе). В случае применения наиболее широко распространенного выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой это достигается дросселированием шайбами парожидкостного потока перед входом его в сепаратор из греющей камеры и потока жидкости в опускной (циркуляционной) трубе (рис. 2, а).

Рис. 2. Три варианта способа гидродинамического разрушения пены:

а — конденсат греющего пара; б — греющий пар; в — вторичный пар; г — исходный раствор

 

При упаривании отходов до концентраций, близких к насыщению по солям (доупаривание), дросселирование жидкости в опускной трубе за счет резкого сокращения кратности циркуляции создает условия для инкрустации солями греющей поверхности выпарного аппарата. Для предотвращения инкрустации гидродинамическое разрушение пены переносится за пределы циркуляционного контура выпарного аппарата и осуществляется дросселированием на выходе из сепаратора обезвоженной там под действием силы тяжести парожидкостной смеси (пены). Разделение фаз после разрушения пены происходит в дополнительном сепараторе (ловушке), откуда жидкая фаза дренируется обратно в выпарной аппарат (рис. 2, б и в).

Следует учитывать, что при реализации гидродинамического способа разрушения пены несколько увеличивается аэрозольный унос вследствие разрушения пены и дробления жидкости при высокой скорости пара.

Пенообразование, вызываемое детергентами, уменьшается в случае высокой концентрации солей в кубе выпарного аппарата (~200 г/л и выше), наблюдается так называемый солевой эффект. Особенно заметен этот эффект при упаривании растворов, содержащих неионогенные детергенты. В этом случае вспенивание устраняется полностью. Такое явление наблюдается, например, при упаривании прачечных вод.

Сочетание гидродинамического и солевого эффектов при двухступенчатом упаривании позволит для некоторых видов отходов более рационально решить вопрос борьбы с пеной: на первой ступени, где мала концентрация солей, удобнее применить гидродинамический эффект, а на второй — при высоком солесодержании — солевой.

Солевой эффект можно использовать для предотвращения пенообразования при упаривании отходов в случае непрерывного проведения процесса, т.к. концентрация солей в кубовом остатке постоянно высока. Очевидное преимущество этого способа — отсутствие необходимости в использовании каких-либо дополнительных устройств или расхода реагентов (пеногасителей).

Для устранения пенного уноса при упаривании отходов за рубежом обычно используют пеногасители на основе силиконовых соеди­нений. Однако их применение зачастую малоэффективно. Также в целях уменьше­ния вспенивания упаривание отходов проводят в кислой среде (рН = 3,0-3,5). Однако такое решение вопроса носит частный характер, так как эффект от применения кислого упаривания наблюдается лишь в том случае, когда вспенивание вызывается наличием щелочной среды в выпарном аппарате. В отходах АЭС основной причиной вспенивания является присутствие детергентов. Способность их к образованию и стабилизации пены гораздо выше, чем у щелочи, а среда (рН) на эту способность детергентов практически не влияет.

Таким образом, в настоящее время имеются средства, позволяющие при упаривании отходов АЭС устранять как аэрозольный, так и пенный унос и благодаря этому получать на практике высокие коэффициенты очистки конденсата от радионуклидов и других загрязнений.

Дистилляция отходов обычно сопровождается таким отрицатель­ным явлением, как отложение на греющих поверхностях выпарного аппарата солей жесткости и взвесей, что приводит к падению его производительности. Как правило, накипеобразование наблюдается уже на начальной стадии дистилляции. Полностью устранить это нежелательное явление можно было бы предварительным удалением из отходов накипеобразователей коагуляцией.

В практике упаривания отходов АЭС такое решение не нашло применения из-за образования при этом большого количества вторичных отходов — гидроокисных пульп высокой (около 99 % по массе) влажности. Эти отходы требуют дополнительной переработки и увеличивают общее количество концентратов, подлежащих локализации. Поэтому обычно основную массу взвесей удаляют фильтрованием, а кальциевую жесткость выводят в виде неприкипающего карбонатного шлама в осадок в результате проведения дистилляции в щелочной среде (рН = 10-11). Кроме того, при смешении различных групп отходов происходит их самоумягчение: катионы жесткости выводятся из раствора в осадок вследствие образования нерастворимых соединений с присутствующими в отходах оксалат-, карбонат- и фосфат-ионами.

Однако мелкие взвеси и коллоиды, а также гидроокись магния, вы­падающая при рН = 10-11 в осадок, постепенно вызывают зарастание греющих поверхностей выпарных аппаратов. Поэтому для удале­ния накипи и восстановления производительности выпарного аппарата примерно раз в месяц в течение суток приходится проводить упаривание в кислом режиме (рН = 3). Такая промывка в ходе упаривания не вызывает каких-либо серьезных осложнений при эксплуатации выпарной установки. Образование накипи можно также уменьшить сокращением неорганизованных протечек технической воды из аппаратуры и коммуникаций — основного источника поступления солей жесткости в отходы.

Другой важный показатель упаривания — степень концентриро­вания. Обычно упаривание проводят до насыщения по солям. Дальнейшее концентрирование без применения специальных мер может привести к инкрустации греющих поверхностей солями, забивке кристаллами циркуляционного контура выпарного аппарата или коммуникаций.

Обычно в первую очередь упариваемые отходы насыщаются солями с ограниченной растворимостью (оксалаты, бораты, карбонаты и фосфаты натрия). Поэтому максимальная концентрация солей в кубовом остатке обычно составляет 200-400 г/л.

Степень упаривания можно увеличить двумя путями: химическим и гидродинамическим.

Химический путь состоит в проведении упаривания в кислой среде (рН ~ 3). При этом карбонат и оксалат натрия переходят в нитрат натрия, а освободившиеся щавелевая и угольная кислоты разрушаются, причем щавелевая кислота окисляется азотной с получением окислов азота и углекислого газа при каталитическом воздействии двухвалентного марганца, присутствующего в отходах. Фосфат натрия переходит в хорошо растворимую однозамещенную соль натрия (NaH₂PO₄), а из бората натрия вытесняется свободная борная кислота (HBO₃).

Таким образом, при упариван