3.Мембранные методы

Из мембранных методов для переработки ЖРО наибольший интерес представляют обратный осмос, электродиализ и ультрафильтрация. Эти методы заимствованы из практики опреснения засоленных вод, где основная задача сводится к разделению воды и соли. Такое разделение достигается избирательным прохождением через мембраны ионов (электродиализ) или воды (обратный осмос) под воздействием соответственно разности электрических потенциалов или перепада давления.

Ультрафильтрация отличается от обратного осмоса использованием мембран с более крупными порами, требующих для фильтрования меньших перепадов давления (обычно до 1 МПа). При этом через мембрану проходят воды и соли, а коллоиды и крупные органические молекулы размерами от 2 до 10 000 нм задерживаются.

Основой любого мембранного процесса являются полупроницаемые мембраны. В зависимости от движущей силы они разделяются на баромембранные и электромембранные. Разделение происходит на молекулярном и ионном уровнях из гомогенных растворов, поэтому мембранные процессы только условно можно поставить в один ряд с обычным фильтрованием. Если основным аргументом для проявления разделяющей способности в баромембранных процессах является размер частиц, то в электромембранных – это знак и величина заряда иона. Соответственно для баромембранных процессов материалом для мембран может стать любое вещество, в котором могут быть сформированы пористые структуры, а для электромембранных процессов мембранный материал должен обладать ионообменными свойствами.

По сути дела, баромембранные процессы – это молекулярная фильтрация под действием давления, а электромембранные – это ионный обмен с постоянной регенерацией ионитов под действием электрического поля. Баромембранные процессы разделения жидких смесей условно выстроены в ряд по размерам задерживаемых мембраной частиц. Обратный осмос позволяет выделить из растворов самые маленькие частицы – ионы, поэтому он получил широкое применение в обессоливании воды. С помощью ультрафильтрации воду очищают от средне- и высокомолекулярных соединений, микрофильтрация эффективна для удаления частиц коллоидного размера. Относительно применимости к переработке ЖРО отметим следующие важные обстоятельства:

- мембранные процессы безреагентны;

- мембранные процессы обладают селективностью, то есть выборочностью действия по отношению к разным веществам;

---

- мембранные процессы протекают без фазовых превращений, то есть без переходов из жидкого в паровое состояние и обратно.

- утилизация мембран пришедших в негодность, намного проще, чем ионитов, т.к. количество их в десятки раз меньше.

Из-за разнообразия радиоактивных и нерадиоактивных загрязнителей, в том числе из-за наличия аммиака, масел, ни один из упомянутых методов очистки отдельно не обеспечивает очистки ЖРО до необходимой степени, поэтому система очистки ЖРО – сложная цепочка операций, на выходе из которой получают высокоактивный концентрат, поступающий на отверждение и захоронение. Концентраты, полученные в результате очистки ЖРО, представляет собой шламы после фильтрации и химической обработки, отработавшие ионообменные смолы, кубовые остатки после упаривания. Эти концентраты обычно отверждают методами битумирования, цементирования, полимеризации и др.

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ УСТАНОВКИ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ НА ПРЕДПРИЯТИИ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ
3.1 Расчёт ионообменного фильтра с кипящем слоем ионита
Исходные данные:

1. Общий объём очищаемых ЖРО – V = 1500 м³

2. Используемый ионит: «Фолиокс», ДОЕ = 8,9 кг-экв/м³

3.Удельная производительность – q = 10 м³/м² ∙ час

4. Максимальная производительность - Q = 48 м³/час

5. Степень использования ионообменной емкости – 50 % (k_c = 0,5)

6. Солесодержание [CoCl₃], С = 3 кг/м³

7. Объемная активность по Со⁶⁰: А = 3,7 ∙ 10^-5 Ки/дм³

8. Насыпная масса сорбента – М_H = 0,75 т/м³

9. Коэффициент набухаемости – k_H =1,13.
Решение:

Исходя из исходных и справочных данных:

1.Определяем количество выделяемого радионуклида в ЖРО (радионуклид выделяется прямо пропорционально количеству его стабильного изотопа, поэтому расчеты ведут по его стабильному нуклиду):
m = C·V,
где m- масса стабильного нуклида;

C-концентрация стабильного нуклида в ЖРО (солесодержание);

V- общий объем очищаемой ЖРО.
m = C·V = 3 кг/м³·1500 м³ = 4500 кг (4,5 т.)
2. По рассчитанной массе (m) радионуклида определим объем сорбента для очистки:
V_m =

---

,
где Vm – объем сорбента для очистки ЖРО;

m – масса сорбента;

ДОЕ – динамическая емкость сорбента по извлекаемому радионуклиду.

Масса m(кг) переводится (кг-экв):

Мв_Co = 60 г/моль; Мв_Cl = 35 г/моль

М (CoCl₃) = 60+35= 95 г/моль

1 кг-экв (CoCl₃) = =142,5 кг-экв

1 кг-экв содержится в 142,5 кг CoCl₃

Х содержится в 4500 кг CoCl₃, следовательно:


3. Определяем необходимый объем сорбента с учетом степени использования обменной емкости сорбента:
V_H = ,
где V_Н– необходимый объем сорбента;

V_m – объем сорбента;

k_c – степень использования обменной емкости.

4. Определяем эффективную площадь фильтрования фильтра:


где S – площадь фильтрования фильтра, м²;

Q – максимальная производительность фильтра;

q – удельная производительность.

5. Определяем диаметр фильтра:

где d- диаметр фильтра, м;

S – площадь фильтрования фильтра;

π = 3,14.

6. Определяем высоту фильтра:

где Н_Ф– высота фильтра;

1,25- коэффициент загрузки;

V_H – необходимый объем сорбента;

S – площадь фильтрования фильтра.

7. Рассчитаем объем набухшего ионита:
V_C.Н.=V_H·k_H,

где V_C.Н. – объем набухшего сорбента;

V_H – необходимый объем сорбента;

k_H– коэффициент набухания.
V_C.H. = 7,2 м³·1,13 = 8,136 м³
8. Выбор промышленного фильтра из таблицы:

АФИ-2, 0-10, d=2,5 м, Q=50м³; Нф= 2 м

9. Определим массу загрузки ионита:
m_Ф = V_H ∙ М_H,
где m_Ф - масса загрузки ионита;

V_Н - необходимый объем сорбента;

М_Н- насыпная масса сорбента.
m_Ф = 7,2 м³ ∙ 0,75 т/м³= 5,4 т.
10. Определим количество промышленных фильтров, необходимых для очистки необходимого количество ЖРО:

---

где n – количество промышленных фильтров;

Vc.н. – объем набухшего ионита;

V_N – объем загрузки промышленного фильтра.

Объем загрузки промышленного фильтра:
V_N = dꞏh = 2,5 ∙ 1,875 = 4,69 м³
n = 8,136 м³/ 7,2 м³ = 1,13
(Количество фильтров принимается в количестве 2).

11. Определим время работы фильтров:


где Т- время работы фильтров;

V_H- необходимый объем сорбента;

ДОЕ- динамическая емкость сорбента по извлекаемому радионуклиду;

Q - максимальная производительность фильтра.

12. Графическое построение технологической схемы очистки ЖРО:

Высота рассчитанного фильтра (Н_Ф) составляет 1,875 м, диаметр рассчитанного фильтра(d) равен 2,5 м , а промышленный фильтр имеет загрузку шихты 2 м , и диаметр 2,5 м .Выбранные промышленные фильтры (2 шт.) собираются в технологическую схему из 2 параллельных ступеней (рисунок 1).


Рисунок 1 - Схема технологическая из трех ступеней
3.2 Расчёт двухкорпусной выпарной установки
Исходные данные:

1. Начальная концентрация раствора - b_н = 15 %

2. Конечная концентрация раствора - b_кон = 85 %

3. Производительность по сиропу - G_кон = 720 кг/ч (0,2 кг/с)

4. Давление греющего пара - Р₀ = 0,35 Мпа

5. Температура насыщения – t = 155 °C

6. Давление и температура вторичного пара во втором корпусе Р₂ = 0,07 Мпа, = 90 °С

7. Отбор вторичного пара из I корпуса = 0,13 кг/кг раств. (используется для подогрева раствора в подогревателе П1)

8. Коэффициенты теплопередачи: - в I корпусе К = 800 Вт/м²С, во II корпусе K₂ = 400 Вт/м²С.
Решение:

Исходя из исходных и справочных данных:

1. Определим количество раствора, поступающего в первый корпус:

2. Определим количество воды, подлежащее выпарке:
W = G_Н – G_К = 4080 – 720 = 3360 кг/ч = 0,93 кг/с
3. Определим количества выпаренной воды на 1 кг раствора начальной концентрации:
ω = W/G_H = 3360/4080 = 0,66 кг/ч раствора.
4. Примем в первом приближении, что количество воды, выпаренной во II корпусе, равно количеству поступающего в него вторичного пара из I корпуса:

ω₁ – ε₁ ≈ ω₂, а поскольку ω

---

₂ = ω - ω₁, то имеем ω₁ – ε₁= ω - ω₁ откуда находим:

2 ω₁ = ω + ε₁.

Отсюда следует, что: ω₁ = = 0,46 кг/кг

Определяем ω₂: ω₂ = ω – ω₁ = 0,82 - 0,46 = 0,36 кг/кг.

5. Концентрация раствора в корпусах:


6. Определим теплоемкости раствора:


где: C_C- теплоемкость сухого вещества,

С_B– теплоемкость воды.

Получаем следующие значения:



7. Определим температуры во всех корпусах:

7.1 Располагаемый температурный напор:
∆t_p = t₁'-t₂" = 155 – 90 = 65°С
7.2 Полезный температурный напор:

где – сумма температурных депрессий для i-го корпуса.

Для каждого корпуса депрессии определим по справочным данным в зависимости от концентрации раствора. Справочные данные приведены в таблице 3.1

Таблица 3.1 - Справочные данные

Название депрессии	I корпус	II корпус	Общая
Физико-химическая∆1	1	10	14,5
Гидравлическая ∆2	0,5	1	2,2
Гидростатическая ∆3	0,7	1,5	2,2
Суммарная	2,2 оС	13,5 оС	18,9 оС

Полезный температурный напор: ∆t = 65 - 18,9 = 46,1 °С

8. Распределение полезного температурного напора по корпусам: ∆t = ∆t₁ + ∆t₂ = 46,1 °С, при равных поверхностях справедлива формула: ∆t₂/∆t₁ = (Q₂/Q₁) ∙ (K₁/K₂).

Отношение тепловых мощностей: (Q₂/Q₁) ≈ (ω

---

Смотрите также файлы

• Российская Федерация в период с 2000 по 2014 Россия в 2000г.ppt

• Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования.docx

• Лабораторная работа Электролиз Выполнение работы.docx

• Введение в дисциплину Экология 3.docx

• Введение Сущность военнопатриотического воспитания.docx