EP0035650B1 - Kontinuierlich arbeitende Verdampferanlage für kontaminierte Flüssigkeiten - Google Patents
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- EP0035650B1 EP0035650B1 EP81100830A EP81100830A EP0035650B1 EP 0035650 B1 EP0035650 B1 EP 0035650B1 EP 81100830 A EP81100830 A EP 81100830A EP 81100830 A EP81100830 A EP 81100830A EP 0035650 B1 EP0035650 B1 EP 0035650B1
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- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
- G21F9/04—Treating liquids
- G21F9/06—Processing
- G21F9/08—Processing by evaporation; by distillation
Definitions
- the present invention relates to a continuously operating evaporator system for contaminated liquids, which consists of several individual evaporator columns and condensers for the distillates formed. With the help of such a system can in a vaporizable liquid such. B. water contained impurities, the z. B. can be radioactive in nature, be separated from this.
- a vaporizable liquid such. B. water contained impurities
- the z. B. can be radioactive in nature, be separated from this.
- An overview of the state of the art in this field is given in an article from the journal "Kerntechnik", 16th year, (1974), No. 4, pages 170-177. From this it can be seen that the feed solution is normally evaporated in one stage and the steam distillate is collected and the brewing batch in the evaporator is thickened until a sufficiently high concentration - compression approx. 1: 1000 - is reached. The rest of the broth was then drained off and the plant started up again. So it is a discontinuous operation
- an evaporator system in which a plurality of evaporator columns are switched on one after the other in the flow path of the liquid to be decontaminated, in which the condensed distillates from the evaporators downstream of the first evaporator are returned to the upstream evaporator and a brewing process from each upstream evaporator is provided on the respective downstream evaporator and the condensed distillate of the first evaporator is available for further use or forwarding as practically contamination-free waste.
- a full drying system for the brew which is already highly enriched in contaminants, can be connected to the last evaporator column.
- the indices relate to the evaporator column 1 or 3.
- the brewing process of the evaporator 1 is equal to the inlet to the inlet A 2 of the evaporator 2, etc.
- the evaporator column is designated V, the inlet A i , whose concentration is a l . He will be like this long fed into the column V until the desired brewing volume S is reached, which is now brought to a boil using the heater H.
- the amount of steam B i with the concentration b1 reaches the condenser K 1 and leaves it as the distillate D 1 .
- This distillate has only a low level of contamination and may have to be fed to another evaporator stage of this type so that the final distillate can either be processed further or added to normal wastewater.
- the evaporation of the column content S is driven until the residual brew A 2 with a relatively high concentration a 2 of the contaminating substances can be discharged and safely stored as waste.
- the evaporator system shown in Fig. 2 consists of three stages I, II and III, in which the brewing volumes Si 1 S 2 and S 3 are connected in series and are continuously flowed through.
- the evaporator columns 2 and 3 are significantly smaller than those of stage I, since the brew volume decreases sharply due to the evaporation process in the previous stages.
- the first stage I corresponds first to the device according to FIG. 1 with the difference that the brewing process is led to the evaporator column V 2 .
- the resulting distillate in this stage 2 D 2 the quantity of the evaporated amount of B 2 corresponds to come as reflux into the column V i is thus supplied to a re-evaporation.
- the distillate D 3 from stage III or the evaporator column V 3 is returned to the brewing volume S 2 of stage 2. Only in the step III (or even a higher level) given to impurities highly enriched Restsudvolumen S 3, passes as waste concentrate A from the concentration of a starting to an after-dryer N. There, it is completely dried, the contaminants can then securely Repository can be supplied in a conventional manner.
- the time-dependent brew concentration is determined from the differential equation below
- the time-dependent concentration in the brew S is determined with the concentration a 2 . and the ratio of brewing concentration to feed concentration
- the mean concentration in the distillate is thus and by integration within the limits of 0 to t one obtains the mean value for the concrylication of the distillate
- a decontamination system according to the invention can of course also be constructed from a higher number of evaporator stages, the next one always being kept smaller than the previous one and thus also requiring lower heating powers.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontinuierlich arbeitende Verdampferanlage für kontaminierte Flüssigkeiten, die aus mehreren Einzelverdampferkolonnen und Kondensatoren für die gebildeten Destillate besteht. Mit Hilfe einer derartigen Anlage können die in einer verdampfbaren Flüssigkeit, wie z. B. Wasser enthaltenen Verunreinigungen, die z. B. radioaktiver Natur sein können, von dieser getrennt werden. Eine Übersicht über den auf diesem Gebiet vorliegenden Stand der Technik gibt einen Aufsatz aus der Zeitschrift »Kerntechnik«, 16. Jahrg., (1974), Nr. 4, Seiten 170-177. Hieraus ist zu entnehmen, daß die Zulauflösung (»feed«) normalerweise einstufig verdampft wird und das Dampfdestillat gesammelt sowie der im Verdampfer befindliche Sudansatz so lange eingedickt wird, bis eine hinreichend hohe Konzentration - Verdichtung ca. 1 : 1000 - erreicht ist. Anschließend wurde der restliche Sud abgeschlämmt und die Anlage erneut angefahren. Es handelt sich also um einen diskontinuierlichen Betrieb, die Anlage wird »batchweise« gefahren.
- Bei nicht ausreichendem Dekontaminationsgrad mußte das Destillat erneut verdampft werden, der erreichbare mittlere Dekontaminationsgrad war jedoch bei radioaktiven Abwässern immer noch so schlecht, daß die Destillate nur kontrolliert über Vorfluter den normalen Abwässern beigemischt werden konnten. Ausreichend niedrige Dekontaminationsfaktoren lassen sich demnach nur mit Hilfe einer Reihenschaltung verhältnismäßig großer Verdampferkolonnen erreichen, was einen hohen apparativen Aufwand bedeutet, die dafür benötigte Energie ist außerdem nicht unerheblich.
- Auch ist es aus der Patentschrift DE-A-2 632 910 bekannt, radioaktive Abwässer in wenigstens einer der ersten Stufe einer mehrstufigen Eindampfanlage folgenden Stufe einzudampfen und das Brüdenkondensat dieser Stufe in einer vorangehenden Stufe zur Erziehung der erforderlichen Reinheit einzudampfen bzw. nochmals zu destillieren.
- Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Konzeption für Verdampferanlagen zu finden, die von der Anlagenseite, aber auch von der Energieseite her wesentlich günstiger zu stehen kommt, bei gleichzeitiger Erreichung eines ausreichend hohen Dekontaminationsgrades.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verdampferanlage gelöst, bei der mehrere Verdampferkolonnen nacheinander in den Strömungsweg der zu dekontaminierenden Flüssigkeit eingeschaltet sind, in dem eine Rückführung jener kondensierten Destillate aus den dem ersten Verdampfer nachgeschalteten Verdampfern in den jeweils vorgeschalteten Verdampfer und ein Sudablauf aus jedem vorgeschalteten Verdampfer an den jeweils nachgeschalteten Verdampfer vorgesehen ist und das kondensierte Destillat des ersten Verdampfers einer weiteren Nutzung bzw. einer Weiterleitung als praktisch kontaminationsfreier Abfall zur Verfügung steht. An die letzte Verdampferkolonne kann dabei eine Volltrocknungsanlage für den an Kontaminationsstoffen bereits stark angereicherten Sud nachgeschaltet werden.
- Die Vorteile dieser neuen Verdampferanlage gegenüber einer solchen nach dem alten Prinzip sind insbesondere dann, wenn aus Gründen der Destillatqualität eine Doppelverdampfung des Destillats stattfinden muß, folgende:
- Geringere Investitionskosten, da die Folgeverdampfer nur sehr klein sind.
- Kleinere spezifische Heizleistung, niedrigere Sudkonzentration in den ersten großen Stufen.
- Insgesamt kleinere Apparate gegenüber einer Doppelverdampferanlage in Destillatreihenschaltung (siehe F i g. 4 der genannten Literaturstelle) mit entsprechenden Einsparungen bei den Investierungskosten und in den Bauvolumina.
- Gleichbleibende Qualität des Endproduktes durch Vermeidung des batchbetriebes.
- Zur weiteren Veranschaulichung dieser neuen Verdampferanlage wird auf die Fig. 1 und 2 verwiesen. Die Fig. 1 stellt eine Verdampferanlage des bekannten Prinzips dar, die Fig. 2 dagegen eine Verdampferanlage nach dem Prinzip dieser Erfindung. Entsprechende Bauteile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. So bedeuten:
- A = Zulaufmenge, z. B. des kontaminierten Wassers
- a = Zulaufkonzentration
- B = Dampf- bzw. Destillatmenge
- b = Destillatkonzentration
- DK = Dekontaminationsfaktor
- S = Sudvolumen = Volumen der im Verdampfer erhitzten Flüssigkeitsmenge
- D = Destillat
- Die Indizes beziehen sich auf die Verdampferkolonne 1, bzw. 3.
- Logischerweise ist der Sudablauf des Verdampfers 1 gleich der Zulauf dem Zulauf A2 des Verdampfers 2 usw.
- Die Fig. 1 zeigt nun eine einstufige Verdampferanlage nach dem bekannten Prinzip. Die Verdampferkolonne ist mit V bezeichnet, der Zulauf mit Ai, dessen Konzentration beträgt al. Er wird so lange in die Kolonne V eingespeist, bis das gewünschte Sudvolumen S erreicht ist, das nun mit Hilfe der Heizung H zum Kochen gebracht wird. Die Dampfmenge Bi mit der Konzentration b1 gelangt zum Kondensator K1 und verläßt diesen als Destillat D1. Dieses Destillat hat nur noch eine geringe Kontamination und muß evtl. noch einer weiteren derartigen Verdampferstufe zugeführt werden, damit das Enddestillat entweder weiterverarbeitet oder zum normalen Abwasser gegeben werden kann. Die Verdampfung des Kolonneninhalts S wird dabei so weit getrieben, bis der Restsud A2 mit relativ hoher Konzentration a2 der verunreinigenden Stoffe abgelassen und als Abfall gesichert gelagert werden kann.
- Die in Fig. 2 dargestellte Verdampferanlage nach dieser Erfindung besteht aus drei Stufen I, II und III, bei denen die Sudvolumina Si1 S2 und S3 hintereinander geschaltet sind und kontinuierlich durchströmt werden. Die Verdampferkolonnen 2 und 3 sind wesentlich kleiner als jene der Stufe I, da das Sudvolumen durch den Verdampfungsvorgang in den vorhergehenden Stufen jeweils stark abnimmt.
- Die erste Stufe I entspricht zunächst der Einrichtung nach Fig. 1 mit dem Unterschied, daß der Sudablauf zur Verdampferkolonne V2 geführt wird. Das in diese Stufe 2 entstehende Destillat D2, das mengenmäßig der verdampften Menge B2 entspricht, gelangt als Rücklauf in die Kolonne Vi, wird also einer erneuten Verdampfung zugeführt. Desgleichen wird das Destillat D3 aus der Stufe III bzw. der Verdampferkolonne V3 wieder dem Sudvolumen S2 der Stufe 2 zugeführt. Erst das in der Stufe III (oder auch einer höheren Stufe) enthaltene, an Verunreinigungen hoch angereicherte Restsudvolumen S3, gelangt als Abfallkonzentrat Aab mit der Konzentration aab zu einem Nachtrockner N. Dort wird es vollkommen getrocknet, die Kontaminationsstoffe können dann einer sicheren Endlagerung in an sich bekannter Weise zugeführt werden.
- Die eingangs geschilderten Vorteile einer Verdampferanlage nach Fig. 2 gegenüber dem Bekannten nach Fig. 1 ergeben sich aus folgenden theoretischen Betrachtungen.
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- Damit kann für die Verdampferanlage nach altem Prinzip die zeitabhängige Sudkonzentration sowie der Mittelwert der Konzentration im Destillat bestimmt werden (siehe das spätere Zahlenbeispiel).
- Im Gegensatz zu dieser Verdampferanlage arbeitet jene nach Fig. 2 kontinuierlich. Daher sind nur die Gleichgewichtszustände zu betrachten, so daß diese Kaskadenschaltung durch folgende Gleichungen beschrieben wird:
- Verdampferanlage I
- Verdampferanlage II
- Verdampferanlage III
- Für eine numerische Auswertung dieser Gleichungen für eine Verdampferanlage nach Fig. 1 bzw. 2 werden folgende Annahmen gemacht, die durch entsprechende Einhaltung der Destillations- bzw. Durchlaufzeiten durch die einzelnen Kolonnen erreicht werden:
- A1 3500 [kg/h]
- a1 10-3[1/kg]
- a2 am Ende des diskontinuierlichen Betriebes 1 [1/kg]
- DK 10-5
- S 1000 [kg]
- A2 350[kg/h]
- Aab 3,5 [kg/h]
- Unter Anwendung dieser Zahlenwerte ergeben sich als Gleichgewichtskonzentrationen bzw. Mittelkonzentrationen der Verunreinigungen im Destillat folgende Werte:
- Verdampferanlage nach Fig. 1 (alte Konzeption):
- Verdampferanlage nach Fig. 2 (neue Konzeption):
- Dies bedeutet, daß eine Verdampferanlage, die nach dem Vorschlag dieser Erfindung aufgebaut ist, einen um etwa 50fach höheren Dekontaminationsgrad erbringt als eine Anlage aus dem erwähnten Stand der Technik.
- Abschließend sei erwähnt, daß eine erfindungsgemäße Dekontaminationsanlage selbstverständlich auch aus einel höheren Anzahl von Verdampferstufen aufgebaut sein kann, wobei die nächstfolgende stets kleiner als die vorhergehende gehalten ist und somit auch geringere Heizleistungen benötigt.
- Dies außerdem auch deswegen, weil die Zulaufmenge sich praktisch bereits auf Siedetemperatur befindet und von der jeweiligen Heizeinrichtung nur noch die Verdampfungswärme geliefert werden muß.
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