CC BY
41
УДК 66.G21.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СТРУЙНЫМ МЕТОДОМ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЕМКОСТЯХ
А.В. Балясников, Л.Ф. Зарипова, В.П. Пищулин, А.Я. Сваровский
Северский технологический институт НИЯУ «МИФИ»
E-mail: [email protected]
Рассмотрен процесс перемешивания жидких радиоактивных отходов в цилиндрических емкостях при тангенциальном расположении сопел. На основе теории подобия проведено моделирование процесса. Определены конструктивные характеристики перемешивающих устройств; скоростные характеристики раствора при истечении из перемешивающих устройств; условия взвешивания частиц в слабосолевых растворах с целью определения времени перемешивания струйным методом.
Ключевые слова:
Емкостное оборудование, перемешивающее устройство, сопла, моделирование. Key words:
Reservoirs equipment, mixing devices, nozzles, modeling.
Метод струйного перемешивания с подачей растворов под высоким давлением в виде компактной струи является одним из эффективных способов в период подготовки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) к переработке. Метод основан на перемешивании ЖРО с использованием погружных сопел, который сопровождается созданием турбулентных потоков перемешиваемой жидкости. В данном случае турбулентность определяется как совокупность разномасштабных вихрей, на которых из-за расстояния создается непрерывное ра-спред ел ение пульсаций скорости в потоке. Организация процесса перемешивания потоков жидкости исходным раствором через погружные сопла и насос позволяет выполнить эксплуатационные требования к оборудованию со сроком службы до 20 лет при изменяющемся уровне раствора в емкости в период подготовки ЖРО к переработке
[1-3].
При проектировании перемешивающих устройств (рис. 1) для цилиндрических емкостей, предназначенных для сбора и последующей и переработки ЖРО объемом 1000...1500 м3 (таблица), необходимо определить влияние скоростных характеристик взаимодействующих затопленных струй жидкости, вытекающих из сопел, на время перемешивания т и выявить основные физические и конструктивные параметры при подъеме осевших на дне частиц [4, 5].
Определение времени перемешивания т осложняется тем, что перемешивание ЖРО осуществляется с заданным расходом раствора на перемешивание и изменяющимся уровнем раствора в процессе его переработки. Эти вопросы можно разрешить только путем моделирования процесса на основе теории подобия гидродинамических явлений, для которых требуется соблюдение геометрического подобия размеров емкостей, физического подобия жидкостей, а также динамического подобия вытекания жидкости из сопел равенством критериев Рейнольдса при циркуляции через сопла.
Рис. 1. Устройство для перемешивания струйным методом: 1) емкость; 2) центральный коллектор; 3) периферийный коллектор; 4) тангенциальные сопла (10 шт.); 5) насос
В совокупности емкость и циркуляционная система (сопла, насосы) определяются следующими параметрами: р, л, й0, и0, т, т. е. время перемешивания т жидкости в емкости зависит от плотности жидкости р, вязкости л, диаметра сопла (10, определяющего факел струи и скорость струи и0 на срезе сопла, величина которой влияет как на способность струи перемешивать данный объем при растекании ее, так и на время т.
Таблица. Характеристика промышленной цилиндрической емкости и перемешивающего устройства
Параметры Значения
Объем раствора, м3 1500
Высота уровня раствора (тах) Н, м 5,5
Расход раствора на перемешивание 0, м3/ч 180
Количество сопел (расчетное), п 10
Диаметр сопел (расчетный) с10, мм 100
Скорость струи на срезе сопла и0, м/с 0,46
Величина критерия Рейнольдса Ше) 37000
Угол расширения струи от сопла 14°20'
Исходя из критериальных условий подобия, рассчитывая масштабный коэффициент скорости жидкости а0 в сопле, при этом, задаваясь масштабом 0=0,1 (геометрического подобия емкостей натурного и модельного аппарата 1н>1м в 10 раз), ар=1, ал=1, можно записать следующее:
Яе =
и0 р
- = 1,
Ь р
- = 10.
Таким образом, уменьшая размеры емкости и сопла в 10 раз (я£=0,1) из условия геометрического подобия, скорость потока жидкости из сопла на модели необходимо увеличить в 10 раз, тогда и0 будет равна 4,6 м/с. Для этой скорости определены экспериментально скоростные характеристики совокупности растекающихся струй на модельном аппарате объемом 1,5 м3 (0=1,8 м и Н=0,7 м).
Так как время т зависит от среднеарифметической скорости потоков иср и интенсивности турбулентности I, то скорость и в любой точке турбулентного потока можно выразить как:
и = иср + Аи
где А и - мгновенная пульсационная скорость.
Величиной, характеризующей меру рассеивания истинных скоростей и относительно средней скорости иср, является среднеквадратичное отклонение т:
а
= 45 =
ния перемешивающих устройств выше указанной емкости под ЖРО.
Для описания процесса перемешивания, отрыва твердых частиц от дна и их переноса недостаточно знания одних только средних характеристик скорости потока. Дальнейший перенос твердых частиц осуществляется благодаря наличию в турбулентном потоке пульсаций вертикальной составляющей скорости, и требуются данные о пульса-ционных характеристиках полей скоростей по всему объему и значений интенсивности турбулентности в потоке жидкости.
Расчет иср и I для цилиндрической модельной емкости проводился по радиусу г на разных уровнях от дна емкости и при разных уровнях заполнения.
Характерные эпюры скоростей иср и интенсивности турбулентности Iпоказаны на рис. 2.
где р - вероятность появления скорости иср; 0 -дисперсия.
Отношение среднеквадратичного отклонения т к скорости иср характеризуется интенсивностью турбулентности I и является мерой пульсаций в точке потока:
I = —100%.
и
Определение иср и т проводилось на модельной емкости, на различных высотах от дна емкости и в характерных плоскостях, а также определялись линии тока вихревых потоков перемешиваемой жидкости. Эти данные необходимы для конструирова-
Рис. 2. Распределение скоростей истечения жидкости из сопла в зависимости от радиуса цилиндрической емкости: 1) одновременная работа всех сопел; 2) работа сопел центрального коллектора; 3) интенсивность турбулентности; 4) работа сопел периферийного коллектора
Экспериментальные данные полей средних скоростей и интенсивности турбулентности, линий тока и взаимодействие растекающихся струй в модельных аппаратах, определяющих структуру вихревых течений, режим процесса и время гомогенизации при перемешивании растворов струйным методом для цилиндрических емкостей с перемешивающим устройством (центральным и периферийным коллекторами), выявили наиболее выгодный режим работы сопел обоих коллекторов при Ке=3,7-104 насрезе сопла, обеспечивающий вихревой характер потоков перемешиваемой жидкости с максимальной интенсивностью турбулентности (1=50.60 %), необходимые величины средних пульсационных скоростей для подъема осадков и перемешивания до суспензии [6].
Экспериментально полученная зависимость времени перемешивания т от критерия Яе показана на рис. 3.
С увеличением критерия Рейнольдса время т уменьшается при всех измерениях. Высота столба жидкости Н в емкости и расположение сопел от дна емкости к оказывают существенное влияние на перемешивание, особенно при малых числах Яе, начиная от 0,7-104 и ниже. В этих режимах жид-
л
и
кость выше сопел перемешивается недостаточно. С увеличением к время т несколько сокращается, но этот фактор требует конкретного рассмотрения с учетом необходимых скоростей струй у дна емкости при подъеме частиц осадков.
Рис. 3. Зависимость времени перемешивания от числа Рейнольдса
Основываясь на известности фактических величин, участвующих в процессе перемешивания, путем сопоставления этих величин установлен характер функциональной зависимости для т методом наименьших квадратов из экспериментальных данных для т=ДЯе,к^) и методом анализа размерностей для т=Ду,Д£). Это вызвано тем, что при проведении экспериментов величины V, Л, g оставались постоянными. Найденные уравнения для т приведены в методике расчета перемешивающих устройств.
Методика расчета перемешивающих устройств струйного типа:
1. Диаметр сопла й0 определяется из соотношения: Л/й?0<180.
2. Длина насадки сопла принимается в пределах /=(3...5)й?0; форма насадки влияет на параметры струи и выбирается по назначению.
3. Для цилиндрических емкостей перемешивающее устройство рекомендуется выполнять из центрального и периферийного коллекторов с расстоянием тангенциальных сопел от дна емкости равным 8ё0, с диаметром окружности сопел центрального коллектора 60й?0 и размещением периферийного коллектора у стенки емкости с установкой осей тангенциальных сопел под углом 7° к горизонту.
4. Определение расхода через одно сопло 01, и0, Яе:
01 = Я / п, и0 = 40 / п^2, Яе = и0^р / /л.
5. Время перемешивания т рассчитывается по следующей зависимости:
т = 0,3641 — 1 И
н06 я1
,0,86 0,06
g0,06 Яе'
0,6
Уравнение справедливо для следующих условий: 0,5<ДХ0<1; 0,4<Я/Л<1; Л/й<125\ 0,7-104<Яе<(3,1...3,б)-104.
При уточнении влияния кинематической вязкости V перемешиваемой жидкости в пределах (0,66...1,36)-10-6м2/с при 7=(283...315) К зависимость для т принимает вид:
т = 11,71 —
1 И
Л 0,33
н06 я12
6 g°,°6 Яе0
Оптимальная погрешность трачч и тжсп составляет 10%.
6. По диффузионной теории подъем частиц осадков со дна емкости осуществляется под действием пульсаций скорости и давления, возникающих в турбулентном потоке жидкости. Чем больше отношение средней пульсационной скорости Ж к скорости осаждения частиц —ос, тем больше вероятность уноса частиц с днища. Величина средней пульсационной скорости определяется следующим образом [7]:
^ 0,63 и
Ж =
н
0,22
Задаваясь ранее а£=0,1; ар=1; а=1, получим а,=10.
Для известных значений исрн, Нн
штабный коэффициент а- равен:
исрм, Нм мас-
0,63 и,,ин
0,22
0,22
при аиср=10 и _ая=0,1 получим а-=16,6.
Полагая Жм/Жссм=С и Жн/Жосн=С, получим
ЖмЖ
ЖЖ.
= 1.
При этом а-/а¥ос=1 и а-о=а-=16,6, т. е. скорость осаждения частиц при моделировании и принятых а£, ар, ал должна быть в 16,6 раза больше скорости осаждения на натурном аппарате.
Из формулы Стокса
18л Жос
Ар g
определяется размер частиц осадков модели:
18л 16,6 Жос АР g '
Условие взвешивания частиц осадка в потоке раствора зависит от величины отношения —/—^ или ЖП/ЖК^. В этом случае с увеличением соотношения увеличивается вероятность уноса частиц со дна емкости для слабосолевых ЖРО.
Скорость осаждения частиц рассчитывается по формуле Стокса, затем определяется критерий Рейнольдса:
ЖоХ р
Яе =
Л
При условии Яе>0,2 теоретическая скорость осаждения Ж" рассчитывается через критерий Архимеда:
Ч 1/1,4
Аг =
gdч (А -р2)
V22 р2
и Яе' =
Аг
139
иг - ^ У2
тотда определяется Woc — и сравнивается с
рассчитанными значениями по уравнению Стокса. Выводы
1. На основе теории подобия проведено моделирование процесса перемешивания струйным методом слабосолевых жидких радиоактивных отхо-
дов в цилиндрической емкости. Разработана методика расчета перемешивающего устройства.
2. По заданным характеристикам раствора и частиц осадка слабосолевых жидких радиоактивных отходов АЭС на модельной цилиндрической емкости определены размер частиц, скорость их осаждения, исследован режим перемешивания и подъема осадков по скоростям потоков жидкости в модели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Седов В. М. Технология переработки жидких радиоактивных отходов. - Л.: ЛТИ им. Ленсовета: 1978. - 55 с.
2. Копырин А.А. Технология производства и радиохимической переработки ядерного топлива. - М.: Атомэнергоиздат, 2006. -573с.
3. Громов Б.В. Химическая технология облученного ядерного топлива. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 352 с.
4. Балясников А.В., Пищулин В.П., Сваровский А.Я. Интенсификация процессов отмывки специального оборудования от радионуклидов в вихревых потоках // Технология и автоматизация атомной энергетики и промышленности: Матер.
отрасл. науч.-техн. конф. - Северск: СГТИ, 2005. -С. 163-166.
5. Зимон А.Д. Дезактивация. - М.: Атомиздат, 1975. - 280 с.
6. Хижняк А.Е., Балясников А.В., Пищулин В.П., Сваровский А.Я. Устройство для дезактивации поверхностей аппаратов // Технология и автоматизация атомной энергетики: Сб. статей отрасл. науч.-техн. конф. - Северск: СГТА, 2007. - С. 122-124.
7. Караушев А.В. Проблемы динамики естественных водных потоков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1960. - 392 с.
Поступила 24.11.2011 г.
УДК 544.653.22
ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА БИНАРНОГО ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОСАДКА ИНДИЙ-ПЛАТИНА
Э.М. Устинова, Э.В. Горчаков, Н.А. Колпакова
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Изучен состав бинарного электролитического осадка индий-платина и предложен способ расчета величины смещения потенциала электроотрицательного компонента (индия) из электролитического осадка с платиной. Сравнение расчетных данных, полученных при использовании уравнения Полинга, сданными эксперимента, полученными при электроокислении осадка, позволяет оценить фазовый состав образующихся на электроде интерметаллических соединений. Показано, что, при соотношении индия к платине от 5000:1 и выше, наблюдается образование пяти интерметаллических соединений. При соотношении индия к платине больше, чем 10000:1, наблюдается образование одного интерметаллического соединения.
Ключевые слова:
Индий, платина, интерметаллическое соединение, бинарный осадок, инверсионная вольтамперометрия.
Key words:
Indium, platinum, intermetallic compound, binary deposit, stripping voltammetry.
Введение
При определении платины методом инверсионной вольтамперометрии ионы Р1(ГУ) легко восстанавливаются до металла, но не окисляются в области рабочих потенциалов графитового электрода. Определение ионов Р1:(ГУ) [1, 2] осуществляют электроосаждением платины совместно с менее благородным металлом: медью, свинцом, ртутью и др. Обычно, электровосстановленные ионы Р1(ГУ) на поверхности электрода образуют одно или несколько интерметаллических соединений (ИМС) с электроотрицательным компонентом. Анодные пики, зависящие от концентрации ионов Р1(ГУ) в растворе, обусловлены селективным элек-
троокислением электроотрицательного компонента сплава.
Целью данной работы было изучить состав электролитического осадка индий-платина, получаемого на поверхности электрода за счет процесса его электроокисления.
Экспериментальная часть
В работе использовали вольтамперометриче-ский анализатор типа ТА-4 (НПП «Томьаналит», г Томск) с двухэлектродной системой, помещающейся в кварцевом стаканчике объемом 20 см3. Рабочий электрод (импрегнированный полиэтиленом графитовый электрод) готовили по методике
