3.3.9. Термическое концентрирование рао

В основе термического концентрирования РАО лежит процесс дистилляции (от лат. distillatio - стекание каплями) - разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции с различной летучестью путем частичного испарения жидкости и последующей конденсации пара. Дистиллят обогащен низкокипящими компонентами, а кубовый остаток - менее летучими - высококипящими[46].

Этот способ переработки жидких радиоактивных сточных вод от­личается высокой степенью очистки стоков от радиоактивных ве­ществ, простотой и эффективностью. Коэффициент очистки достигает 10 000.

Различают простую и молекулярную дистилляцию. При простой дистилляции длина свободного пробега молекул во много раз меньше, чем расстояние между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. Температура процесса при этом определяется условиями фазового равновесия между жидкостью и паром. Распределение компонентов смеси между жидкостью и паром характеризуется коэффициентом относительной летучести:

,

3.28

где х_i и x_k, у_i и y_k - содержания компонентов i и k соответственно в жидкости и образующемся из нее паре.

Температура Т,°С	111	125	127	150	159	162
Коэффициент распределения бора КD	0,0004	0,004	0,004	0,009	0,011	0,016

Состав последнего определяется свойствами и межмолекулярным взаимодействием компонентов. При небольших давлениях, когда пар подчиняется законам идеальных газов, в состоянии равновесия

,

3.29

где p_i⁰ и p_k⁰ - давления паров чистых компонентов i и k при температуре кипения смеси, γ_i и γ_k - коэффициенты активности этих компонентов в жидкой фазе.

Взаимосвязь количества W⁰_и и расхода W_н исходной смеси, расхода отводимого в конденсатор пара G, количеств дистиллята W_д и кубового остатка W_к, а также содержаний произвольного i-го компонента в исходной смеси x_iи, дистилляте х_iд и кубовом остатке х_iк выражается уравнениями материального баланса. При постоянном W_н/G = Ψ

,

3.30

При непрерывной дистилляции расходы и составы исходной смеси и продуктов разделения связаны уравнениями:

, ,

3.31

При расчете дистилляции всегда бывают заданы расход исходной смеси, ее состав (W_д, x_iд и x_iк), а также условия, определяющие конечный результат процесса: расход кубового остатка, состав дистиллята x_iд (х_iк, W_д и W_к) либо кубового остатка x_iк ( W_д, W_к и x_iд). Неизвестные параметры рассчитывают совместным решением уравнений материального баланса с учетом зависимости между составами контактируемых пара (y_i) и жидкости (x_i). Эта зависимость определяется свойствами смесей, условиями процесса и его аппаратурным оформлением. Состав образующегося пара близок к равновесному и определяется по уравнению:

,

3.32

где n - число компонентов.

При расчете дистилляции n-компонентной смеси обычно задано распределение одного или нескольких целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком или относительным количеством отгоняемого дистиллята.

В общем случае имеется 2п - 1 неизвестных: п - 1 значений х_iд, п - 1 значений x_ik и W_к или W_д. Для их определения имеются п уравнений материального баланса (для всего процесса в целом и для п - 1 отдельных компонентов) и п - 1 уравнений (3), которые должны быть решены совместно с п - 1 уравнениями фазового равновесия (6). Следовательно, необходимо решить систему 2п - 1 уравнений, из которых п уравнений - алгебраические, а п - 1 - интегральные.

Решение задачи выполняется численными методами. Задаться относительным содержанием всех компонентов в одном из продуктов разделения (дистилляте или кубовом остатке). Наиболее простой метод - поинтервальный, который заключается в совместном решении уравнений, описывающих условия фазового равновесия, и уравнений материального баланса (3) и (4), записанных в конечных разностях. Для одного интервала ΔW/W принимается определенное значение относительного изменения количества дистиллируемой жидкости и последовательно вычисляется изменение ее состава, т. е. для каждого интервала находится изменение содержания всех компонентов Δx_i.

В первом приближении состав у_i рассчитывается по уравнениям (6) как равновесный с жидкостью, состав которой соответствует началу интервала. Расчет заканчивается при достижении заданного распределения целевых компонентов между дистиллятом и кубовым остатком. Критерием правильности расчета является совпадение среднего состава дистиллята с найденным по уравнениям материального баланса.

Применительно к процессу концентрирования раствора с выделением соли одноступенчатой выпарной установкой:

3.33

где С_исх- расход исходного раствора, G_к - количество сконцентрированного раствора, W_{в -} количество выпаренной воды, G_c-количество выделенной соли, W_кр,- количество кристаллизационной воды.

Тепловая нагрузка на одиночный аппарат составляет:

,

3.34

где r_вп и r_кр - теплоты образования вторичного пара и кристаллизации соли, с_исх и t_исх -концентрация и температура исходного раствора, t_кип - температура кипения парожидкостной смеси, θ_исх и θ_к - теплоты концентрирования в исходном и конечном растворах.

Расход греющего пара в одиночных выпарных аппаратах 1,20 - 1,25 кг на 1 кг выпариваемой воды.

Вопросы для самопроверки.

1. Цель и концепция обращения с радиоактивными отходами.

2. Принципы обращения с радиоактивными отходами.

3. Методы обращения с радиоактивными отходами на АЭС.

4. Стадии обращения с радиоактивными отходами.

5. Выбор технологий переработки РАО.

6. Очистка газообразных выбросов.

7. Задачи систем вентиляции и газоочистки.

8. Организация вентиляционной системы.

9. Обращение с жидкими радиоактивными отходами.

10. Стадии очистки жидких радиоактивных отходов.

11. Способы разделения и концентрирования ЖРО.

12. Отбор проб и експрес-анализ основных характеристик ЖРО.

13. Реагентное выделение и осаждение радионуклидов.

14. Сорбционные методы. Ионий обмен.

15. Фильтрация через мембраны.

16. Термическая концентрация ЖРАО.