Специальное центробежное оборудование

Задачи по очистке жидких сред от твердой фазы возникают во всех сферах жизнедеятельности человека: в быту, в коммунальном и сельском хозяйстве, в промышленном производстве. Наиболее эффективно они решаются с применением центробежного оборудования, для которого характерны большая движущаяся сила процесса, компактность, относительно невысокие материальные и энергетические затраты на его создание, эксплуатацию и автоматизацию технологических процессов. С помощью центрифугирования достигается качественное и в то же время быстрое разделение самых разнообразных жидких неоднородных систем, таких как каменноугольная пульпа, буровые растворы, суспензии оксидов, гидроксидов и солей металлов, смазочные масла, пищевые суспензии, производственные и бытовые стоки.

Процессы центрифугирования, объединяемые лишь силовым полем, в котором они протекают, многообразны и подчиняются разным закономерностям. При этом к аппаратурному оформлению центрифугирования в различных отраслях экономики предъявляются самые разнообразные требования. Невозможно создание универсальных центробежных машин, удовлетворяющих всему комплексу этих требований и учитывающих различия в свойствах суспензий и эмульсий. Поэтому перед разработчиками центробежного разделительного оборудования встают задачи создания машин специальных конструкций. На решение таких задач в атомной отрасли направлены работы, проводимые в течение нескольких десятилетий в СвердНИИхиммаше. В результате в институте создано и постоянно развиваются несколько видов специального центробежного разделительного оборудования и направлений его исследования.

Начало развития центрифугостроения в институте относится к 1958-1959 гг., когда для проведения исследований была разработана и изготовлена опытная установка аффинажа плутония с применением вертикальной осадительной центрифуги периодического действия. Испытания этой установки показали высокую эффективность процессов центробежного разделения ряда радиохимических суспензий, в том числе и труднофильтруемых. 

Большой объем опытно-конструкторских работ, проведенных в последующие годы в СвердНИИхиммаше, по аппаратурному оформлению этих процессов применительно к химико-металлургическому производству плутония позволил создать несколько поколений агрегатированных центрифуг периодического действия типа ЦРПТ и ЦСО. Конструкция этих машин позволяет провести в автоматизированном режиме в одном аппарате несколько технологических операций при соблюдении герметичности и ядерной безопасности, обеспечивает возможность качественной дезактивации оборудования и его ремонтопригодность в условиях химико-металлургических производств.

Наиболее совершенные модификации центрифуг типа ЦРПТ и ЦСО исключают непосредственный контакт технического персонала с поверхностью деталей и узлов на всех фазах эксплуатации оборудования: в рабочем режиме, при дезактивации, ремонте, пусконаладке после ремонта.

Центрифуга ЦРПТ предназначена для проведения процессов массообмена в жидких средах (химического осаждения, растворения, экстракции) и последующего центробежного осветления жидкостей. Первый из этих процессов осуществляется в режиме перемешивания в реакторе, снабженном рубашкой, второй – в роторе с пакетом сепарирующих тарелок.  Центрифуга ЦСО– осадительная машина с устройством сушки осадка  и ножевым съемом его со стенок ротора. В результате совместного применения центрифуг ЦРПТ и ЦСО осуществляется несколько технологических операций с получением жидкости высокой степени осветления и сухого осадка.

С развитием атомной энергетики на рубеже 60-70 годы прошлого века встала задача создания высокоэффективного оборудования для производства и регенерации ядерного топлива. В области разделения суспензий и пульп она была решена с внедрением в производство центрифуг со шнековой выгрузкой осадка Н-220 и Н-300.

Шнековые центрифуги, обладающие целым рядом достоинств, являются наиболее динамично развивающимся типом разделительного оборудования. Они нашли свое применение во многих отраслях экономики. Однако опыта применения их до 1970-х годов в атомной промышленности не было. Для адаптации конструкции центрифуг к условиям производства и регенерации ядерного топлива потребовалось решение нескольких сложных технических задач: компоновка узлов центрифуги в ядерно-безопасной геометрии, создание надежных уплотнений быстровращающихся валов большого диаметра, совмещение в одной машине принципов обезвоживающей и осветляющей центрифуг, повышение динамической устойчивости конструкции.

Конструкция первых шнековых центрифуг разработки СвердНИИхиммаша была настолько удачной, что позволила создать на ее основе целое семейство вертикальных и горизонтальных машин типа Н-220, Н-300, Н-350, НГ-350, НГ-400, НГ-500, НГ-630. В настоящее время эти центрифуги эксплуатируются как на предприятиях атомного комплекса, так и в других отраслях народного хозяйства на операциях очистки буровых и травильных растворов, гальваностоков, разделения спиртовой барды, суспензий бериллия, гидроксида циркония, азотнокислого алюминия и т. д.

Создание специальных шнековых центрифуг является основным направлением центрифугостроения, получившим развитие в институте. О высоком его уровне говорит факт продажи швейцарской фирме «Хематек» лицензии на производство центрифуг для разделения суспензии пенициллина, многочисленные патенты и авторские свидетельства на изобретения.

Среди многочисленных модификаций центрифуг со шнековой выгрузкой осадка конструкции СвердНИИхиммаша особо следует выделить разработки последних лет.

Для нефтегазодобывающего комплекса спроектирована и изготовлена центрифуга НГ-350Е для очистки бурового раствора, которая по своим механическим и технологическим показателям не уступают лучшим мировым образцам.

Центрифуга отличается рядом новых технических решений. Наиболее удачным из них является конструкция наиболее нагруженной подшипниковой опоры ротора, которая снабжена пружинным демпфером для поглощения энергии вибраций. Применение демпфера позволяет на порядок увеличить ресурс работы подшипников и существенно снизить динамические нагрузки на несущие конструкции. Последнее обстоятельство особенно важно, так как в составе буровой установки центрифуга монтируется не на фундаменте, а на баках для бурового раствора.

Другая интересная разработка последних лет – опытно-промышленная горизонтальная осадительно-фильтрующая шнековая центрифуга НГ-320Ф.

Отличительной особенностью этой центрифуги является наличие фильтрующей секции, установленной в зоне обезвоживания осадка. Это позволяет совместить в одной машине преимущества осадительной и фильтрующей центрифуг – обрабатывать суспензии с высокодисперсной твердой фазой при высокой степени очистки фугата и получать при этом осадок с низкой влажностью. Процесс очистки жидкой фазы в этой центрифуге протекает по закономерностям осадительного центрифугирования, а обезвоживание осадка подчиняется в основном законам центробежной фильтрации.

Первой отечественной разработкой центробежного оборудования для АЭС является центрифуга Н-350И для обезвоживания жидких радиоактивных отходов. Она разработана и изготовлена в рамках программы ТАСИС по контракту с французской фирмой SGN и поставлена на площадку Ленинградской АЭС.

До настоящего времени при утилизации жидких радиоактивных отходов обезвоживание их перед цементированием осуществляется отстаиванием. При этом общепризнано, что центрифугирование имеет по сравнению с отстаиванием очевидные преимущества: компактность оборудования, высокая эффективность процесса, возможность полной автоматизации и т. д.

Совмещение в одной машине принципов действия шнековых центрифуг и сопловых сепараторов позволило создать оригинальный тип центробежных машин – сепараторы типа «НВ» с гидродинамической выгрузкой осадка. В отличие от центрифуг они могут эффективно обрабатывать суспензии с гидроокисной твердой фазой. При этом обеспечивается высокая степень сгущения осадка и предотвращается забивка сопел.

На базе сепараторов «НВ» впервые создана безреагентная установка для сгущения активного ила при обработке сточных вод, состоящая из фильтра грубой очистки и трех сепараторов НВ-600. Установка обеспечивает почти десятикратное сгущение ила при невысоком содержании твердой фазы в фугате.

Комплексный подход к решению задач аппаратурного оформления различных производств позволил создать сотрудникам института ряд технологических установок на основе центрифуг.

Первой из них по времени своего создания является система центрифуг ЦРПТ и ЦСО.

Перспективной для использования в различных отраслях промышленности представляется установка «Рецепт», первоначально созданная для завода по регенерации ядерного топлива. Она предназначена для непрерывного осаждения из растворов солей металлов, обезвоживания, сушки и прокалки их с превращением в гидроксиды. В состав установки входит  вертикальная осадительная шнековая центрифуга.

Для осаждения и обезвоживания аммиачных солей урана при производстве и регенерации твэлов создана непрерывнодействующая установка, состоящая из каскада реакторов с механическим перемешиванием и центрифуги со шнековой выгрузкой осадка.

Кроме перечисленного оборудования внедрен в производство или находится в разработке еще целый ряд комплексных технологических установок с использованием центрифуг: установка для обезмасливания прокатной окалины, циркуляционная установка бурового раствора, установка регенерации моторных масел и др.

Многолетняя практика создания и внедрения в производство специальных центрифуг и сепараторов позволила выработать ряд принципов, используемых при их конструировании.

1) Центрифуги и сепараторы в течение всего срока эксплуатации должны обеспечивать стабильность технологических показателей, высокую механическую работоспособность, динамическую устойчивость и надежность.

2) Конструкция центробежного оборудования должна предусматривать возможность автоматизации технологических процессов, управления машинами дистанционно.

3) Оборудование должно быть ремонтопригодным в условиях химико-металлургических производств. При ремонте должен быть предусмотрен поузловой метод замены вышедших из строя узлов и деталей.

4) Подшипниковые узлы и технологические полости центрифуг и сепараторов должны быть герметизированы, последние, как правило, двойными торцовыми уплотнениями.

5) Конструкционные материалы должны выбираться с учетом коррозионного и эрозионного воздействия перерабатываемых сред.

6) Качество обработки поверхностей деталей машин должна предусматривать возможность очистки их от загрязнений и дезактивации.

Базой для создания эффективно работающего специального центробежного оборудования является большой комплекс научно-исследовательских работ, проводимых в СвердНИИхиммаше в течение нескольких десятилетий по изучению гидродинамики внутрироторных потоков.

Многие закономерности гидродинамики внутрироторных потоков были выявлены в ходе проведенных научно-исследовательских работ впервые в мировой практике.

На увеличение надежности и ресурса работы центробежного оборудования направлены исследования СвердНИИхиммаша, посвященные вопросам динамики и прочности вращающихся систем центрифуг и сепараторов.

Многообразие конструктивных особенностей различных типов центрифуг, разнохарактерность действующих нагрузок, специфические условия работы отдельных узлов и деталей, а также другие факторы делают необходимым расширение исследований как по отдельным задачам, так и по совокупности проблем, возникающих при создании центробежных машин.

Перспектива новых разработок центробежного оборудования в СвердНИИхиммаше связана прежде всего с целевыми программами, намеченными в Росатоме. Центрифугирование является универсальным процессом, востребованным практически на всех производствах, использующих в технологических процессах жидкие среды. Поэтому несомненно, что со строительством новых и модернизацией действующих производств ядерной энергетики потребуется создание новых центробежных машин для разделения жидких неоднородных систем.

Первоочередной задачей в этом плане является создание центрифуги для осветления растворов отработанного ядерного топлива. Очистка этих растворов от взвесей является сложной технической задачей, что обусловлено небольшой разницей плотностей жидкой и твердой фаз, склонностью к вспениванию раствора, наличием в нем плавающей фракции. В России до сих пор при переработки ядерного топлива использовалось только фильтрование, которое наряду с достоинствами имеет и ряд существенных недостатков. Попытки создать для этих целей центрифугу предпринимались неоднократно, но каждый раз заканчивались неудачно, прежде всего, из-за недостатка финансирования. При этом определенные подходы к созданию центрифуги выработались. Учитывая имеющийся опыт разработчиков центрифуги, значительные средства, отпускаемые на ее создание, участие в проекте нескольких научно-технических организаций, можно надеяться, что задача создания эффективного центробежного оборудования для осветления растворов отработанного ядерного топлива будет в ближайшие годы решена.