核級離心萃取器布置方案探討

＊王興旺 牟勇勝

(中國核電工程有限公司 北京 100180）

離心萃取器是一種利用離心力使密度不同且又不互溶的兩種液體進行充分混合，實現(xiàn)分相的快速、高效的萃取設(shè)備。按每臺所包含的級數(shù)可分為單臺單級式和單臺多級式。離心萃取的優(yōu)點是兩相滯留量小，傳質(zhì)性能好，適應(yīng)的流比范圍寬，停留時間短，在相同處理能力下，所需設(shè)備的幾何尺寸小，因而能簡化核臨界安全設(shè)計，所占廠房面積比混合澄清槽小，所占廠房高度比萃取柱低，這樣可以使設(shè)備室和廠房的建造費用下降，通風運行費用也相應(yīng)減小，缺點是結(jié)構(gòu)復雜，維修不方便，并且不適應(yīng)處理含固體料液，這些缺點使得離心萃取器在核燃料后處理工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較少。進入20世紀90年代來，世界各國對萃取設(shè)備進行了評估，一致認為離心萃取器在核燃料后處理中具有很大的優(yōu)勢，尤其是對處理能力較大的工廠及今后的快堆核燃料后處理有特殊意義[1]。

1.工作原理

對于單臺單級離心萃取器，其主要由混合室、轉(zhuǎn)筒、軸和外殼組成，最大的特點是澄清段與混合室組成一個整體的結(jié)構(gòu)，即在轉(zhuǎn)筒底部裝有一個混合室，混合室內(nèi)有攪拌和混合擋板。攪拌槳和轉(zhuǎn)筒都固定在同一軸上，由上部電機帶動一起轉(zhuǎn)動，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1[3]。

圖1 環(huán)隙式離心萃取器結(jié)構(gòu)示意圖

當密度不同且互不相溶的兩相分別從兩個進料口進入環(huán)隙后，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒帶動混合液在環(huán)隙間轉(zhuǎn)動并混合，產(chǎn)生泰勒渦流[4]。轉(zhuǎn)動的混合液遇到底部固定葉片后產(chǎn)生一定的靜壓能，通過轉(zhuǎn)筒的混合相入口進入轉(zhuǎn)筒，在離心力作用下進行分相。重相被甩到外緣，經(jīng)重相堰流入重相收集室，從重相出口流出；輕相流入輕相收集室，從輕相出口流出。單臺單級的缺點是每臺設(shè)備只有一級，對于需要多級萃取的工藝流程需要多臺離心萃取器串聯(lián)，每級之間通過管道連接，無需額外料液輸送，級間連接方式見圖2。

圖2 離心萃取器級間接管方式

對于單臺多級離心萃取器，其相對于單臺單級離心萃取器的主要變化是單臺設(shè)備包含多級萃取級，主要包括轉(zhuǎn)筒、軸以及外殼等，每一個轉(zhuǎn)筒包含若干級，每一級由一個混合室和一個澄清室組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3[1]。離心萃取器運行時，重相由最下面的一級混合室進入，輕相由最上面一級的混合室進入，兩相逆流接觸傳質(zhì)，兩相液體在混合室內(nèi)充分混合后進入澄清室，在離心力的作用下，重相被甩向轉(zhuǎn)筒的外緣，輕相被擠向中心部位，分離后的兩相再分別流向下一級和上一級，最終實現(xiàn)了設(shè)備內(nèi)部兩相液體的逆流流動。

圖3 單臺多級離心萃取器結(jié)構(gòu)示意圖

放射性料液萃取分離流程簡圖如圖4所示，輕相料液由供料槽經(jīng)過二級空氣提升，通過離心萃取器的輕相入口進入，重相在試劑間配置完成后經(jīng)計量泵由離心萃取器的重相入口進入。當萃取流程完成后，從離心萃取器出來的水相或有機相需要貯槽進行接收，然后再通過計量泵或其他免維修的空氣提升等料液輸送方式輸送到下一個流程單元。

圖4 高放廢液分離萃取流程示意圖

對于多級萃取流程，因為離心萃取器數(shù)量過多，導致需要很大的布置空間。此外，由于離心萃取器之間都是依靠單級的抽吸力，沒有其他動力來源，這就要求離心萃取器的布置方案盡量緊湊，從而避免級間增加額外的料液輸送。由于萃取流程是高放廢液分離的關(guān)鍵部分，其布置方案對廠房整體布置方案有很大影響，下面結(jié)合離心萃取器的設(shè)備特點，對離心萃取器的廠房布置方案進行討論分析。

2.廠房布置方案設(shè)計

核燃料后處理廠房通常分為四區(qū)：白區(qū)—非放射性工作區(qū)、綠區(qū)—放射性工作區(qū)、橙區(qū)—維修區(qū)、紅區(qū)—放射性設(shè)備管道區(qū)[5]，四區(qū)一般遵循“洋蔥式”的分層布置原則，即最中間為紅區(qū)，向外依次是橙區(qū)、綠區(qū)、白區(qū)。綜合考慮工藝流程以及離心萃取器的檢修要求，結(jié)合分區(qū)布置原則，對于放射性料液分離流程中的離心萃取器可采用熱室布置方案或設(shè)備室布置方案，具體如下：

(1)熱室布置方案

熱室方案中主要包括熱室、操作區(qū)、維修區(qū)、檢修大廳以及試劑間等，如圖5所示，其中熱室屬于紅區(qū)（R），熱室內(nèi)需要分層布置，在熱室上層主要布置離心萃取器、計量泵等設(shè)備及相關(guān)管道，在熱室下方需布置料液接收貯槽，主要用于離心萃取器的水相級有機相出料接收，整個布置方案不考慮貯槽的整體吊出，在熱室隔層頂部設(shè)蓋板；維修區(qū)和檢修大廳屬于橙區(qū)（A），主要進行設(shè)備的維修，同時在這兩個區(qū)域布置有通風管路及試劑管道等，正常情況下只對該區(qū)域進行巡檢；操作區(qū)和試劑間屬于綠區(qū)（G），人員可以在操作區(qū)通過機械手對熱室內(nèi)的設(shè)備進行操作，在試劑配制間可以進行試劑配制及流量控制等操作。

圖5 熱室布置方案標準剖面圖

按這種布置方案，料液可以通過空氣提升直接進入熱室，供料方便，同時離心萃取分離過程產(chǎn)生的廢液以及廢有機相也可通過自流的方式進入貯槽，管道布置方便。離心萃取器以及計量泵等均需在熱室內(nèi)進行檢修，主要是驅(qū)動電機以及軸承等易損件，所以采用此種布置方案時，離心萃取器需要重點考慮方便檢修，設(shè)備盡量采用模塊化設(shè)計，其在檢修時可通過熱室內(nèi)的動力手借助電動扳手將螺栓進行拆除，然后將上部電機模塊拆除，最后將轉(zhuǎn)鼓模塊取出進行整體替換。取出的轉(zhuǎn)鼓在熱室內(nèi)進行清洗去污后通過廢物出口由熱室的廢物轉(zhuǎn)運出口轉(zhuǎn)出。由于單臺單級離心萃取器體積較小，一般工程中設(shè)置數(shù)量較多，對于檢修的需求更加突出，所以采用熱室的布置方案。

(2)設(shè)備室布置方案

設(shè)備室布置方案的標準剖面如圖6所示，由于考慮到離心萃取器的進料以及頂部檢修問題，需要采用高低設(shè)備室的布置方案，離心萃取器布置低設(shè)備室側(cè)，上部對應(yīng)相應(yīng)的安裝檢修大廳，在高設(shè)備室側(cè)主要布置供料槽以及相關(guān)空氣提升的氣液分離罐，料液通過空氣提升進入離心萃取設(shè)備室。設(shè)備室相鄰布置，在兩排設(shè)備室上方分別布置有兩個檢修大廳，可以實現(xiàn)兩排設(shè)備室的分別檢修，盡量避免交叉污染的風險。

圖6 設(shè)備室布置方案標準剖面圖

在低廳上面布置有量槽管道廊，試劑管道可以分別經(jīng)過兩個檢修廳，沿墻體向下通過弧形管道進入兩排設(shè)備室。由于從量槽管道廊進入低設(shè)備室的試劑、壓空、蒸汽以及水等管道無法直接穿過低廳進入設(shè)備室，需繞經(jīng)高廳，造成了高廳一側(cè)墻上的管道及閥門太多，操作檢修困難，此種布置方案對于設(shè)備室內(nèi)試劑、壓空、蒸汽以及水使用點較少時更有優(yōu)勢。該布置方案，人流物料比較順暢，不會出現(xiàn)擁擠及交叉污染等問題，同時實現(xiàn)了對空間的充分利用，不會出現(xiàn)過多的結(jié)構(gòu)空間。

對于設(shè)備室布置方案，考慮到離心萃取器的檢修，只能布置在設(shè)備室頂板上，由于輻射防護要求，樓板厚度比較厚，如果離心萃取蓋板與檢修大廳地面平齊，會導致離心萃取器的傳動軸長度過長，對于此種情況可以通過降低蓋板標高解決。這樣在滿足設(shè)備室內(nèi)管道焊接的前提下，可以盡量將傳動軸做短。

此種布置方案相對熱室布置方案減少了熱室、機械手等，在建造費用上要優(yōu)于熱室布置方案，但是需要設(shè)置專門的檢修容器進行檢修，由于檢修容器需要考慮屏蔽，再加上檢修容器自身的尺寸，所以離心萃取器布置時還需要考慮相應(yīng)的檢修空間，離心萃取器的間距無法像熱室方案中那樣緊湊，當萃取流程級數(shù)較多時，會導致設(shè)備室尺寸很大，對于單臺單級離心萃取而言，此種布置方式需要較大的設(shè)備室面積，在保證上部檢修容器檢修的前提下，建議單臺單級離心萃取器進行多排串聯(lián)布置，這樣可以盡量減少設(shè)備室的長度，從而減少紅區(qū)排風風量。而對于單臺多級離心萃取器，由于單個設(shè)備具有多個離心萃取級，即單臺設(shè)備可以完成多級萃取流程，采用單臺多級離心萃取器可以大大減少設(shè)備的數(shù)量，進一步減少設(shè)備占用的設(shè)備室面積。

3.結(jié)論

綜上所述，由于離心萃取器的自身尺寸及布置要求，熱室與設(shè)備室的廠房布置方案中均需采用高低位布置，這樣離心萃取器的料液輸送路徑更加通暢，同時可以避免大量結(jié)構(gòu)空間的出現(xiàn)，節(jié)約了建筑面積；試劑間布置在低廳上方，試劑管道布置更加符合工藝流程操作要求；各自使用單獨檢修廳，可盡量避免交叉污染風險。通過對比兩種布置方案，在設(shè)備室方案中，對離心萃取器的限制主要是傳動軸的長度，為了避免傳動軸過長，可通過調(diào)整蓋板布置方案解決，而在熱室的布置方案中，離心萃取需盡量模塊化以方便檢修，同時在熱室方案中還需要設(shè)置熱室、動力手以及機械手等設(shè)備，從建造費用以及檢修操作便利性的角度出發(fā)，當萃取流程級數(shù)較少或采用單臺多級離心萃取器數(shù)量較少時，設(shè)備布置可優(yōu)先考慮設(shè)備室布置方案。當萃取級數(shù)較多或設(shè)置離心萃取器數(shù)量較多時，設(shè)備布置優(yōu)先考慮熱室布置方案。