DE3833923A1 - Anordnung zum durchfuehren eines extraktionsverfahrens in fluessiger phase - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Durch­ führen eines Extraktionsverfahrens in flüssiger Phase mittels wenigstens einer Extraktionszentrifuge.

Wie allgemein bekannt, handelt es sich bei Extraktions­ zentrifugen um Vorrichtungen für die Durchführung von Extraktionsverfahren in flüssiger Phase zur Rückgewinnung von nuklearem Material (U, Th, Pu) aus radioaktiven Lösungen bei der Wiederaufbereitung von verstrahlten Kern- Brennelementen, für die Rückgewinnung von in niedrigster Konzentration in großen Flüssigkeitsmengen enthaltenen Edelmetallen oder für die Abscheidung von Schwermetallen aus industriellen Abwässern. Im Vergleich zu anderen zur Durchführung von chemischen Extraktionsverfahren in flüssiger Phase verwendeten Vorrichtungen, z. B. sogenannten "mixer-settlers", Extraktionstürmen und dergl., bieten Extraktionszentrifugen wenigstens zwei wesentliche Vorteile:

• a) Die Kontaktzeit zwischen den Flüssigkeiten ist äußerst kurz. Dies ist eine unerläßliche Bedingung, wenn die Gefahr einer Degradation des Lösungs­ mittels und/oder des Extraktionsmittels besteht, wie dies bei nuklearen Anwendungen der Fall ist;
• b) größere Leistungsfähigkeit bei vergleichbaren Abmessungen der Vorrichtungen.

Bekannte Extraktionszentrifugen sind jedoch aus den nach­ stehend genannten hauptsächlichen Ursachen nur bedingt verwendungsfähig:

• a) Bei Verstopung einer oder mehrerer Extraktions­ zentrifugen einer mehrstufigen Anlage durch Absetzen von Salzen oder in den zugeführten Lösungen enthaltenen Fest­ stoffteilchen oder auch beim Stillstand einer oder mehrerer Extraktionszentrifugen aufgrund von Störungen in der Antriebsübertragung muß die gesamte mehrstufige Anlage stillgesetzt werden;
• b) der Austausch einer oder mehrerer außer Betrieb befindlicher Extraktionszentrifugen durch fern- oder direkt gesteuerte Fernbetätigung ist ohne Lösen der Verbindungen der einzelnen Extraktionszentrifugen mit dem Leitungsnetz der Anlage und ohne das dazu erforderliche Stillsetzen der Anlage mit den sich daraus ergebenden langen Still­ standszeiten nicht möglich.
• c) Es besteht die Gefahr der Beschädigung der den Läufer tragenden Lager durch Kontakt mit den zugeführten korrosiven Flüssigkeiten im Falle eines Überlaufens der Anlage oder, unter normalen Betriebsbedingungen, durch Kontakt mit dem sich in den Sammelbehältern für die getrennten Phasen bildenden Aerosol, welches über die Verbindung zwischen dem Läufer und dem feststehenden Teil bis zu den Lagern vordringen kann.
• d) Komplizierter und wenig betriebssicherer Aufbau wegen des Vorhandenseins zahlreicher Verbindungen, welche sich bei den hohen Drehzahlen von ca. 2000 bis ca. 6000 U/min lösen können und damit den Betrieb der Zentrifuge beeinträchtigen.

Gewisse zum Zweck der Beseitigung der vorstehend beschrie­ benen Mängel in die Konstruktion bekannter Extraktions­ zentrifugen eingebrachte Verbesserungen konnten die genannten Schwierigkeiten nicht beheben und sind zum Teil selbst Ursache für weitere Schwierigkeiten. So hat beispielsweise die Anbringung eines Ablaufs etwa seitlich unterhalb der Trommel, koaxial mit der Läuferwelle oder an anderer geeigneter Stelle dazu geführt, daß die Lösung in der das Gemisch der beiden Phasen bei einem Stillstand der Anlage oder bei bedeutsamen Änderungen der Betriebs­ bedingungen abgelassen und damit dem Extraktionsprozeß entzogen werden.

Die wesentlichste Beschränkung für die Verwendung von bekannten Extraktionszentrifugen, insbesondere in einer eine Fernbedienung erfordernden Umgebung ergibt sich jedoch, im Vergleich zu anderen Vorrichtungen wie "mixer- settlers" oder Extraktionstürmen, in der Hauptsache aus der sehr häufig auftretenden Notwendigkeit, den Läufer und dazugehörige bewegliche Teile wegen mechanischer Störungen oder Verstopfung auszuwechseln.

Solange es nicht möglich ist, schadhafte Teile schnell und ohne Stillsetzen der Anlage auszuwechseln, ergeben sich aus den vorstehend angeführten Mängeln übermäßig lange Stillstandszeiten derartiger Anlagen insbesondere bei deren Verwendung in der Nukleartechnik oder zur Behandlung von hoch giftigen Flüssigkeiten.

Eine weitere ernsthafte Schwierigkeit ergibt sich bei bekannten Extraktionszentrifugen aus der inhärenten mangelhaften Flexibilität in bezug auf das zu realisierende chemische Flußdiagramm (flow-sheet). Hinsichtlich der damit verbundenen Schwierigkeiten sind bei den bekannten Extraktionszentrifugen zwei Arten zu unterscheiden:

• 1. mit Regelung des Zwischenphasenbereichs mittels automatischer pneumatischer Regelsysteme, welche selbst sehr starke Änderungen des chemischen Bezugsflußdiagramms ermöglichen. Dies birgt jedoch die Gefahr beträchtlicher Abweichungen aufgrund von Störungen im Regelsystem.
• 2. Ohne pneumatische Regelung des Zwischenphasenbereichs, wobei dann die Extraktionszentrifuge auf einen zwischen sehr starren Grenzen vorbestimmten Zwischenphasenbereich in Abhängigkeit vom chemischen Bezugsflußdiagramm fest­ gelegt ist. Daraus ergibt sich eine mangelhafte Flexibili­ tät der Anlage, welche es bei Änderungen des chemischen Flußdiagramms erfordert, die Extraktionszentrifuge oder sämtliche Extraktionszentrifugen einer Anlage abhängig von dem Zwischenphasenbereich der Dichte der beiden Lösungen oder nicht mischbaren Phasen auszuwechseln.

Die erfindungsgemäße Anordnung zum Durchführen eines Extraktionsverfahrens in flüssiger Phase im ein- oder mehrstufigen Betrieb ist frei von den vorstehend genannten Mängeln und weist im wesentlichen die folgenden wichtigen Merkmale auf:

• - Die Möglichkeit der Fernbedienung und der ferngesteu­ erten Auswechslung des Extraktorkörpers ohne Lösen der Verbindung mit dem Leitungsnetz und ohne Unter­ brechung des Betriebs der Anlage;
• - Beseitigung der Gefahr von Beschädigungen der tragen­ den Lager durch Kontakt mit den zu behandelnden korrosiven Flüssigkeiten und/oder Aerosolen derselben;
• - Beseitigung der Gefahr einer Überflutung der Anlage auch bei Stillstand einer oder mehrerer Zentrifugen;
• - optimaler Wirkungsgrad der Extraktion auch bei kleinen Durchflußmengen, z. B. während des Anlaufens der Anlage oder bei Betriebsstörungen der Speisepumpen.

Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung den ferngesteuerten bzw. fernbetätigten Austausch des Läufers und dazugehöriger beweglicher Teile einer Zentri­ fuge in kürzester Zeit und ohne Lösen der Verbindungen zwischen der betreffenden Extraktorzentrifuge und den diese mit anderen Zentrifugen der Anordnung verbindenden Leitungen und ohne Stillsetzen der gesamten Anlage, wobei auch während eines solchen Austauschs der normale Durch­ fluß durch die Anordnung insgesamt gewährleistet ist.

In der Praxis kann eine Anlage mit mehreren Extraktions­ zentrifugen gemäß der Erfindung auch dann weiterarbeiten, wenn eine oder mehrere Extraktionszentrifugen verstopft sind oder stehen bleiben, da die derart gestörten Zentri­ fugen in diesem Falle als "Bypass" wirksam sind und die ihnen zugeführten Flüssigkeiten zu den jeweils nächsten ordnungsgemäß arbeitenden Zentrifugen weiterleiten, und somit ein hoher Wirkungsgrad der Extraktion gewährleistet ist, bis die durch die Redundanz der Zentrifugen gesetzte Grenze der Anlage erreicht ist. Dies ist im Grundsatz dadurch ermöglicht, daß jede Extraktionszentrifuge aus zwei Hauptteilen zusammengesetzt ist, nämlich einem feststehenden Teil, dem Behälterteil, und einem abnehm­ baren Teil, mit dem Läufer und dazugehörigen beweglichen Teilen.

Hinsichtlich des Problems der Beschädigungen der den Läufer tragenden Lager durch Kontakt mit den behandelten korrosiven Flüssigkeiten und/oder Aerosolen derselben, wie sie bei bekannten Extraktionszentrifugen jeder Art auftreten, ist bei den Extraktionszentrifugen gemäß der Erfindung jeder Kontakt der Lager mit den korrosiven Flüssigkeiten ausgeschlossen, da der jeweilige Antrieb im oberen Teil der Zentrifugen angeordnet ist und die Flüs­ sigkeiten auch im Stillstand der Zentrifuge über die am unteren Teil angeschlossenen Abflußleitungen abfließen. Zur Vorbeugung gegen einen Kontakt von Aerosolen der Flüssigkeiten mit den Lagern ist eine mit Flügeln besetzte Schleuderscheibe vorgesehen, welche entstehende Aerosole aus der Zentrifugentrommel auswärts abweist, während solche Aerosole bei bekannten Extraktionszentrifugen zwischen dem feststehenden Teil und dem beweglichen Teil hindurch bis zu den tragenden Lagern vordringen und diese beschädigen können.

Da bei in einer mehrstufigen Anordnung zusammengefaßten bekannten Extraktionszentrifugen jeweils eine der vonein­ ander zu trennenden flüssigen Phasen mit einer gewissen Zwangsläufigkeit aus der Zentrifugentrommel ausgetragen werden muß, sind zu diesem Zweck bewegliche mechanische Einrichtungen vorgesehen, welche selbst Anlaß zu Störungen geben können und zur Entstehung von Aerosolen beitragen. Demgegenüber sind bei der Anordnung gemäß der Erfindung keine mechanischen Einrichtungen für den zwangsläufigen Austrag vorgesehen, es wird hier vielmehr von einer Durchwirbelung der über der flüssigen Phase anstehenden Luft Gebrauch gemacht, um die entsprechende flüssige Phase in die ein geeignetes Profil aufweisende Abflußsammelrinne zu überführen.

Abgesehen von den vorstehend erläuterten Einzelheiten wird die Bildung von Aerosolen mit den sich daraus ergebenden abträglichen Folgen auch dadurch auf ein Mindestmaß herabgesetzt, daß sich die voneinander getrenn­ ten flüssigen Phasen bei der erfindungsgemäßen Extrak­ tionszentrifuge in nicht rotierenden und ein besonders ausgebildetes Profil aufweisenden Abflußrinnen sammeln.

Bei Verwendung von bekannten Extraktionszentrifugen jeder Art in einer mehrstufigen Anlage führt ein durch eine Betriebsstörung hervorgerufener Stillstand einer Zentrifuge zu einer Überflutung der beiderseits der Betroffenen angeordneten Zentrifugen, so daß die gesamte Anlage stillgesetzt werden muß. Demgegenüber bewirkt bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein Stillstand einer oder mehrerer Extraktionszentrifugen keine Überflutung der Anlage, da die Flüssigkeiten den anderen Stufen der Anlage weiterhin ordnungsgemäß zufließen, der Betrieb also nicht unterbrochen zu werden braucht, solange die Anzahl der von Störungen betroffenen Zentrifugen nicht die Grenze der beim Entwurf der Anlage einkalkulierten Redundanz erreicht hat.

In der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Anpassungs­ fähigkeit der Extraktionszentrifugen an Flüssigkeiten von verschiedener Dichte - absolut und relativ zueinander - nicht durch pneumatische Steuereinrichtungen für die Regelung des Zwischenphasenbereichs erreicht, da hiermit erhebliche Schwierigkeiten im Betrieb verbunden sind, sondern dadurch, daß die Auslässe an gegenüberliegenden Seiten der Zentrifugentrommel angeordnet sind, mit der Möglichkeit, den Austritt der voneinander zu trennenden Phasen umzukehren, z. B. Austritt der organischen Phase oben und der der wäßrigen Phase unten, um den Betrieb der Zentrifuge derart im Hinblick auf das Mengenverhältnis der beiden Phasen optimieren zu können. Auf diese Weise ist es möglich, eine hohe Anpassungsfähigkeit im Hinblick auf die Dichte der jeweiligen Lösungen ohne zusätzlichen Eingriff von außen zu gewährleisten.

Der hohe Extraktionswirkungsgrad auch bei kleineren Durchflußmengen der zu behandelnden Lösungen ist bei der erfindungsgemäßen Extraktionszentrifuge auch dadurch gewährleistet, daß die im unteren Teil derselben angeord­ nete Mischkammer stets mit den Lösungen gefüllt ist und die darin entstehende Emulsion vom oberen Ende der Misch­ kammer in die eigentliche Zentrifuge übertritt, so daß also die zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads der Extraktion notwendige Kontaktzeit gewährleistet ist.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte, schema­ tisierte Seitenansicht einer Extraktionszentrifuge in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung dreier in einer größeren Anlage miteinander verbundener Extraktions­ zentrifugen im ausgebauten Zustand der beweglichen Teile der mittleren Zentrifuge.

Eine fernsteuer- bzw. fernbedienbare Extraktionszentrifuge setzt sich im wesentlichen aus zwei Hauptteilen zusammen, namentlich einem feststehenden Teil oder Behälter 1 und einem abnehmbaren Teil 2.

Das feststehende Teil 1 hat eine Mischkammer 3 mit zwei Anschlüssen 4 und 5 für die Zufuhr der miteinander zu mischenden Flüssigkeiten. Ferner enthält das feststehende Teil 1 zwei Sammelrinnen 6 und 7 für die voneinander getrennten Phasen mit zwei diesen zugeordneten Auslässen 8 bzw. 9.

Am Rand des feststehenden Teils 1 ist ein Flansch 10 für die Befestigung des abnehmbaren Teils 2 ausgebildet. Das abnehmbare Teil 2 setzt sich seinerseits aus einem auf dem Flansch 10 zu befestigenden, nicht drehbaren Deckel oder Gehäuse 11 und einem drehbaren Läufer 12 zusammen. Ein am Deckel 11 angebrachter Diffusorring 13 dient der Ableitung einer der voneinander zu trennenden Phasen in die Sammelrinne 6.

Der Deckel 11 hat einen zylindrischen Aufsatz mit in diesen eingesetzten Lagern 14. Der Läufer 12 hat eine Welle 15. Diese trägt am unteren Ende eine Anzahl von Mischflügeln 16, darüber eine Zentrifugentrommel 17 und über dieser eine mit Flügeln besetzte Schleuderscheibe 18, welche dazu dient, sich bildende Aerosole von den Lagern 14 fernzuhalten.

Die aus den zwei Flüssigkeiten hergestellte Emulsion gelangt durch Bohrungen 19 in die Zentrifugentrommel 17. Der Innenraum der Trommel 17 ist in Sektoren unterteilt, um das "Kriechen" der voneinander zu trennenden Phasen zu verhindern.

Im Betrieb der Extraktionszentrifuge bewegt sich die schwerere Phase unter Einfluß der Fliehkraft radial aus­ wärts und gelangt über einen Durchlaß 20 aus der Trommel 17 in die Sammelrinne 6. Die leichtere Phase bewegt sich dagegen radial einwärts und gelangt über einen Durchlaß 21 in die Sammelrinne 7. Die in die Sammelrinnen 6 und 7 fließenden, voneinander getrennten Phasen werden von durch die Drehung der Trommel 17 hervorgerufenen Luft­ wirbeln beaufschlagt und dadurch über die Auslässe 8 bzw. 9 ausgetrieben, so daß sie den folgenden Stufen der Anlage zufließen.

Die Anordnung der Auslässe 20 und 21 an gegenüberliegenden Seiten der Trommel 17 ermöglicht die Verarbeitung von Flüssigkeiten mit in einem weiten Bereich, absolut und relativ zueinander, variierenden Dichten und gewährleistet dabei jeweils eine perfekte Trennung der zugeführten Flüssigkeiten voneinander.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform liegt die Sammelrinne 6′ für die schwerere Phase innen und ist über einen Durchlaß 20′ mit der Trommel 17′ verbunden, während die leichtere Phase über einen Durchlaß 21′ von der Trommel 17′ in die außen liegende Sammelrinne 7′ gelangt. Aus Fig. 3 ist das wichtigste Merkmal der Erfindung ersichtlich, welches darin besteht, daß das abnehmbare Teil 2 mit dem Läufer und zugeordneten beweglichen Teilen in kürzester Zeit unter Fernbetätigung und/oder Fern­ steuerung ausgetauscht werden kann, ohne die Verbindungen der betreffenden Zentrifuge mit den übrigen Teilen der Anlage zu diesem Zwecke zu lösen, und ohne die Notwendig­ keit, den Betrieb der Anlage zu unterbrechen, wobei auch während eines solchen Austauschs der normale Durch­ satz der Anlage aufrechterhalten bleibt. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer eine größere Anzahl von Extraktionszentrifugen umfassenden Anlage, mit drei Extraktionszentrifugen, von welchen an der mittleren eine Betriebsstörung aufgetreten sein mag. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß der Zufluß der eingespeisten Flüssigkeiten zu den benachbarten Einheiten auch während des Ausbaus und Austauschs des abnehmbaren Teils 2 der mittleren Zentrifuge gewährleistet ist, wobei das fest­ stehende Teil der ausgefallenen Zentrifuge als "Bypass" wirksam ist.

Die aus den der mittleren Zentrifuge beiderseits benach­ barten Zentrifugen zufließenden wäßrigen bzw. organischen Phasen fließen in dieser zusammen, ohne dabei miteinander vermischt und wieder voneinander getrennt zu werden, da ja der Läufer ausgebaut ist. Deshalb fließen die beiden Phasen entsprechend ihrer jeweiligen Dichte voneinander getrennt über die jeweils für sie vorgesehenen Leitungen den benachbarten Extraktionszentrifugen zu, ohne daß der Betrieb der Anlage insgesamt dadurch in irgendeiner Weise gestört wird. Diese Betriebsweise ist durch die in den Entwurf der Anlage eingebrachte Redundanz ermöglicht und gewährleistet die konstante Aufrechterhaltung des Solldurchsatzes.

Die Zentrifugen arbeiten mit Drehzahlen zwischen etwa 2000 und 10 000 U/min, wobei sich die Drehzahl im einzelnen jeweils nach der Art der zu verarbeitenden Emulsionen richtet.

Die Kontaktzeit der Flüssigkeiten ist dabei von verschie­ denen Faktoren abhängig, z. B. von den Zulaufgeschwindig­ keiten der Flüssigkeiten, vom Fassungsvermögen der ein­ zelnen Extraktionszentrifugen usw.

Bei der dargestellten Anordnung ergeben sich Kontakt­ zeiten zwischen etwa 1 und 3 Sekunden.

Die dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsformen der Erfindung können im Rahmen des Erfindungs­ gedankens in verschiedener Weise verändert und abgewandelt werden.

Claims (8)

1. Anordnung zum Durchführen eines Extraktionsverfah­ rens in flüssiger Phase mit einer oder mehreren Extrak­ tionszentrifugen, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Extraktionszentrifuge ein feststehendes Teil (1) und ein abnehmbares Teil (2) aufweist, daß das feststehende Teil (1) eine Mischkammer (4) für wenig­ stens zwei zugeführte Flüssigkeiten sowie Sammelräume (6, 7) für die voneinander getrennten Flüssigkeiten mit diesen zugeordneten Auslässen (8 bzw. 9) aufweist, und daß das abnehmbare Teil (2) einen Läufer (12) mit einer Zentrifugentrommel (17) od. dergl. und diese mit den Sammelräumen (6, 7) verbindenden Durchlässen (20 bzw. 21) aufweist, wobei das abnehmbare Teil unter fern- oder direkt gesteuerter Fernbetätigung ohne Lösen der Verbin­ dungen mit übrigen Teilen der Anordnung und ohne Unter­ brechung des Betriebs der Anordnung abnehmbar und aus­ tauschbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das abnehmbare Teil (2) einen nicht drehbaren Diffusorring (13) aufweist, über welchen eine der voneinander getrennten Phasen unter Verringerung der Aerosolbildung auf ein Mindestmaß den dafür vorgesehenen Sammelraum (6) zuleitbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugentrommel (17) in bezug auf die Sammelräume (6, 7) derart angeord­ net ist, daß die in diesen gesammelten, voneinander getrennten flüssigen Phasen durch Beaufschlagung mit durch die Drehung der Trommel (17) erzeugten Luft-Wirbel­ strömen aus dem jeweiligen Auslaß (8 bzw. 9) austreibbar sind.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugen­ trommel (17) mit ihren Durchlässen (20, 21) so ausge­ bildet ist, daß der Austritt der schwereren Phase nach oben und der Austritt der leichteren Phase nach unten gerichtet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugen­ trommel (17′) mit ihren Durchlässen (20′, 21′) so aus­ gebildet ist, daß der Austritt der leichteren Phase nach oben und der Austritt der schwereren Phase nach unten gerichtet ist.

6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (20, 21) an einander gegenüberliegenden Seiten der Zentrifugentrommel (17) angeordnet sind, so daß Flüssig­ keiten mit in einem weiten Bereich variierenden Dichten voneinander trennbar sind.

7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (12) eine mit Flügeln besetzte Schleuderscheibe (18) zum Fernhalten von Aerosolen der verarbeiteten Flüssigkeiten von beschädigungsgefährdeten Teilen, z. B. den den Läufer tragenden Lagern (14) aufweist.

8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) im unteren Bereich des feststehenden Teils (1) der Extraktionszentrifuge angeordnet und somit stets mit Flüssigkeit gefüllt ist und daß die Verbindung für den Übertritt der durch das Mischen der zugeführten Flüssig­ keiten entstehenden Emulsion in die Zentrifugentrommel (17) im oberen Teil der Mischkammer (4) angeordnet ist, so daß eine zum Erzielen eines hohen Extraktions-Wirkungsgrads ausreichende Kontaktzeit der Flüssigkeiten sowie auch ein hoher Extraktions-Wirkungsgrad auch bei verringerten Zuflußmengen der zu behandelnden Flüssigkeiten gewähr­ leistet sind.