JP2672108B2 - 濃縮蒸発缶 - Google Patents

濃縮蒸発缶

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JP2672108B2 JP63073523A JP7352388A JP2672108B2 JP 2672108 B2 JP2672108 B2 JP 2672108B2 JP 63073523 A JP63073523 A JP 63073523A JP 7352388 A JP7352388 A JP 7352388A JP 2672108 B2 JP2672108 B2 JP 2672108B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は濃縮蒸発缶の係り、例えば核燃料再処理プラ
ントで発生する多量の放射性物質を含有する硝酸廃液の
濃縮蒸発に好適な濃縮蒸発缶に関する。
[従来の技術] 従来の核燃料再処理プラントで生ずる高放射能レベル
硝酸廃液を対象とする硝酸濃縮蒸発缶は、BNFL版“ハイ
リー アクティブ リキッド ウェイスト、エバポレー
ション アンド ストーリッチ”(Highly active ligu
id waste,Evavoration and storege)に記載されてお
り、それは次のようなものである。
硝酸濃縮蒸発缶の目的は硝酸廃液の濃縮、硝酸の回収
にあり、この目的を達するために、タンク周部の加熱用
ジャケットとタンク中の加熱用コイル内に高温の水蒸気
を流してこれらを加熱することによって、タンク内の硝
酸溶液を蒸発・濃縮させるようになっている。高濃度の
硝酸を扱うので、腐食条件を軽減するために温度を低下
させるべくタンク内の圧力を50mmHg〜70mmHg程度として
いる。
ここでタンク内の加熱用コイルについて考えてみる。
このコイルにはタンク内の液に直接漬かって液を蒸発さ
せるのに有効な部分と気相域に露出していて、液の加熱
に関与しない部分とがある。この気相域に露出している
コイル部分の表面の温度はコイル内を流れる水蒸気の温
度に近い130℃近くまで上がり、硝酸の沸点に見合った
せいぜい60℃程度の温度にしかならない液相域内のコイ
ル部分に比べて、その腐食条件はかなり厳しく、蒸発缶
の寿命を決める重大な要因の一つとなている。すなわ
ち、腐食も化学反応の一種であるから温度の上昇によっ
てその速度が増加するものであって、核分裂生成物を多
量に含む硝酸溶液では温度上昇に伴う腐食速度の増加は
第3図に示すように特に著しく、このために、上記加熱
コイルのうち、上記の気相域に露出して液相域内のコイ
ル部分よりも温度が高くなっているコイルの部分は特に
腐食を受け易い条件にある。
特開昭60−4898号「単胴式廃液濃縮器」においては、
濃縮を終えた液を排出させた後、備え付けのスプレーで
蒸発缶内面の付着した腐食成分を洗浄する構成となし
て、部材の腐食を防止しその寿命を長くするようにして
いる。
しかし、この方法は稼働中は使えず、又、温度が高い
事による加熱コイル露出部の腐食については防止効果は
ないという欠点がある。
[発明が解決しようとする課題] 前記のように従来技術の硝酸濃縮蒸発缶においては、
硝酸上部の気相域に露出する加熱コイルはその表面温度
が高くなるため腐食環境が厳しいという問題があり、ま
た、特開昭60−4898号記載の内面付着物の洗浄法におい
ては、上記加熱コイルの露出部分の腐食を稼働中に軽減
することができないという問題点がある。
本発明は、上記した従来技術の濃縮蒸発缶を発明の適
用対象として、該濃縮蒸発缶の稼働中であっても、濃縮
蒸発缶内の液面上の腐食条件の厳しい気相域中に在る加
熱コイルの腐食を大幅に低減することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 上記目的は、濃縮蒸発缶内のプロセス溶液の液面の上
部及び下部にわたって、内部に加熱用の水蒸気が流れる
チューブ状の加熱コイルを配設してなる該濃縮蒸発缶内
のプロセス溶液の液面の上部の気相域に位置する加熱コ
イルをシールドチューブで包囲し、両者間の空間を真空
にすること、又は、該缶内プロセス溶液から蒸発した蒸
気の凝縮液を上記気相域に位置する加熱コイルの表面に
注ぐこと、又は、これらの組合わせによって達成され
る。
[作用] 本発明によれば、濃縮蒸発缶内の腐食条件の厳しい気
相域における加熱コイル露出表面の温度上昇は低減さ
れ、加熱コイルの腐食を大幅に軽減し得る。またセラミ
ックス被覆はそれ自体耐食作用を奏する。
[実 施 例] 核分裂生成物イオン特にルテニウム、セリウム、クロ
ムを含む硝酸溶液を濃縮する場合、硝酸濃縮蒸発缶の加
熱コイルの腐食環境は温度に極めて鋭敏なものとなる。
これは、ルテニウム、セリウム、クロムは硝酸溶液中
で、より高価数の四塩化ルテニウム、4価セリウム、6
価クロムに酸化され易く、これはまた材料を腐食するか
らである。第4図に四酸化ルテニウムの生成割合を60℃
を基準として示したが、温度上昇の影響が極めて大き
く、60℃から100℃に上昇すると、その生成量は200倍と
なり、腐食速度は10倍以上となることが見出された。4
価セリウム、6価クロムの生成量も数倍になることが確
認された。減圧された硝酸濃縮蒸発缶内においては、硝
酸溶液の温度は60℃一定のため、該液中の加熱コイル部
分の腐食問題はないが、該液面より上の気相域に在る加
熱コイル部分の外面は100℃程度の温度となり、その外
面に缶内の液が突沸若しくは飛沫として付着し、そこで
上記の高価数イオンが生成する。それ故に、該気相域内
の加熱コイル部分の腐食速度は液内の加熱コイル部分と
比較して数10倍となり、その腐食による破損がきわめて
重大な問題となる。
この問題への抜本的な対策としては、腐食条件の厳し
い気相域内に加熱コイルがない構造にするのが最適であ
り、その構造としては加熱コイルを缶側面から直接缶内
の液に入るようにするのが良いが、しかし、そのような
構造にするには、多量の核分裂生成物を含む高放射能レ
ベル濃縮廃液と直接接触する部分にて缶と加熱コイルと
の溶接部分を設けることが必要になり、装置の信頼性の
面から極めて問題が多い。
よって本発明は、簡単な構造で且つ装置に重大な危険
性を与えない方式により、缶内の腐食条件の厳しい気相
域中に存在する加熱コイル表面の温度を低下させ、該加
熱コイル表面温度を缶内の液の温度と略同じにして、そ
の腐食を大幅に軽減しようとするものである。
以下、本発明の第1の実施例を第1図および第2図に
よって説明する 本実施例の濃縮蒸発缶は、第1図に示されるように、
チューブ状の加熱コイル1、気相域における加熱コイル
シールドチューブ2、蒸発缶本体(タンク)3、その周
囲の加熱ジャケット4、加熱コイル蒸気入口ノズル5、
加熱コイル蒸気出口ノズル6、加熱ジャケット蒸気入口
ノズル7、加熱ジャケット蒸気出口ノズル8から構成さ
れ、タンク3内にプロセス溶液(硝酸廃液)9が供給さ
れている。加熱コイル1の一部分はタンク3内のプロセ
ス溶液9に漬かり、他の部分はプロセス溶液9の上の気
相域にある。
加熱コイル1と加熱コイルシールドチューブ2は上記
の気相域で第2図のような構造になっており、すなわ
ち、チューブ状の加熱コイル1の外側に加熱コイルシー
ルドチューブ2が被せられており、その間に空間11が存
在する。また加熱コイル1の内部10には加熱用水蒸気が
流れるようになっている。加熱コイル1と加熱コイルシ
ールドチューブ2はプロセス溶液9内の個所と蒸発缶本
体3の外の個所とで互いにシールされて、これにより、
両者間の空間11が密閉されている。空間11内は真空にな
っている。
次に動作について説明する。まず、蒸発缶本体3の中
にプロセス溶液9(この実施例では硝酸溶液)が供給さ
れる。これ以後蒸発缶本体3の中は50mmHg程度の減圧下
で操業される。加熱コイル1と加熱コイルシールドチュ
ーブ2の間の空間11は真空になっている。ここで、加熱
コイル蒸気入口ノズル5及び加熱ジャケット蒸気入口ノ
ズル7より約130℃の加熱用水蒸気を加熱コイル1と加
熱ジャケット4に導入る。この水蒸気によって、蒸発缶
本体3の中のプロセス溶液9を加熱し、目的の濃度まで
蒸発・濃縮する。この蒸発・濃縮の際、気相域に在る加
熱コイル1の部分は、加熱コイルシールドチューブ2に
よって、腐食性流体蒸気の存在する腐食性雰囲気より遮
蔽されている。加熱用水蒸気は、加熱コイル1及び加熱
ジャケット4を通った後、加熱コイル蒸気出口ノズル6
と加熱ジャケット蒸気出口ノズル8より出ていく。工程
を終えるまで加熱用水蒸気は加熱コイル1および加熱ジ
ャケット4内に流し続けられる。
以上の構成により、次のような効果が得られる。ま
ず、第一の効果として、従来、露出していた気相域の加
熱コイル1を加熱コイルシールドチューブ2で覆うこと
により、加熱コイル1を腐食雰囲気から遮蔽することが
できる。第二に、加熱コイルと加熱コイルシールドチュ
ーブ2の間の空間を真空にすることによって加熱コイル
1と加熱コイルシールドチューブ2の間の断熱効果が大
きくなり、この断熱効果によって、加熱コイル1の表面
温度よりも加熱コイルシールドチューブ2の表面温度は
かなり低くなり、加熱コイルシールドチューブ2の表面
の腐食条件は、従来の加熱コイル表面のそれよりも、か
なり緩和されることになる。
下記に表面温度の計算例を示す。条件は、(1)加熱
コイル1の内径19mm、外形25mm、加熱コイルシールドチ
ューブなしの場合(従来の場合)、及び(2)加熱コイ
ル1の内径19mm、外径25mm、加熱コイルシールドチュー
ブ2の内径44mm、外径50mmの場合(本実施例の場合)と
した。いずれの場合も加熱コイル1内には130℃の水蒸
気が流れており、又、(2)の場合においては加熱コイ
ル1と加熱コイルシールドチューブ2の間は真空である
とした。また、加熱コイル1および加熱コイルシールド
チューブ2の材質はSUS304とした。水蒸気から加熱管1
への熱伝達率h1、コイルから硝酸蒸気への熱伝達率h2
コイル内の熱伝導率λは、それぞれ次のようになる。
h1=11.63w/m2・k h2=11.63w/m2・k λ=16.5w/m・k また、真空部での伝熱は輻射のみとする。
計算結果を下記に示す。
(1)の場合:加熱コイルの表面温度は126.9℃ (2)の場合:加熱コイルシールドチューブの表面温度
は60.4℃ 第3図によれば、(2)の場合は(1)の場合に比べ
て平均減肉速度は約1/100となる。
前記二つの効果によって、濃縮蒸発缶の長寿命化を図
る上で大きな律速条件の一つであった、液相域よりも気
相域の加熱コイル表面での腐食が大きいという問題は、
大きく緩和され、濃縮蒸発缶の長寿命化を図ることがで
きる。
なお、加熱コイルシールドチューブ2の内面に輻射線
を反射する層を設ければ、より効果的である。
本発明の第2の実施例を第5図に従って説明する。本
実施例は、濃縮蒸発缶から蒸発した蒸気の凝縮液を集中
的に加熱コイル露出部分に接触させることによって、該
露出部分を冷却するものである。第5図は、硝酸濃縮蒸
発缶を示している。構成は、蒸発缶12内に硝酸溶液9を
入れ、これを加熱用水蒸気の流れる加熱ジャケット4お
よび加熱コイル13により加熱蒸発させることによって、
硝酸溶液を蒸発濃縮する。加熱源としての水蒸気(130
℃)は加熱蒸気入口15より加熱コイル13に入り、加熱蒸
気出口16から出る。硝酸溶液9は、加熱により蒸気化
し、凝縮液戻し板14内のガス通過孔17を通り、ミストセ
パレータ18を通って、蒸発ガス出口19から出て次のプロ
セスに移る。蒸発ガス出口19は同時に減圧装置と結ばれ
ており、蒸発缶12内は、50〜200torrの圧力に維持され
る。硝酸溶液からの蒸発ガスの一部はミストセパレータ
18で冷却され、凝縮液となって蒸発缶12内に戻るが、こ
のとき、本実施例では、この凝縮液を凝縮液戻し板14に
より一旦捕捉し、缶12内の液面より上部の気相域内の加
熱コイル13上に落下接触させる。これによって、該気相
域内に在る加熱用コイル13の部分は、常時60℃前後の凝
縮液と接触することになり、その表面温度も凝縮液とほ
ぼ同一となり、腐食環境を大幅に緩和することが可能と
なる。
以上二つの実施例を述べたが、これら実施例は濃縮蒸
発するプロセス溶液が硝酸である場合に限られず、塩
酸、硫酸、リン酸、その他の水溶液である場合にも適用
できる。
なお、以上の各実施例の思想を組合せた実施例も可能
である。例えば、第5図において加熱コイル13を第1実
施例で述べるようなシールドチューブ付きの加熱コイル
とし、そのシールドチューブ表面に凝縮液を注ぐように
してもよい。
[発明の効果] 本発明によれば、廃液濃縮蒸発缶内の腐食条件の厳し
い気相域に在る加熱コイル部分の腐食を大幅に軽減し耐
久性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の濃縮蒸発缶の第1実施例の全体構成
図、第2図は第1図における加熱コイルと加熱コイルシ
ールドチューブによる二重管構造を斜視断面図として示
した図、第3図は硝酸蒸気雰囲気下での温度によるSUS
の平均減肉速度比のグラフ、第4図は四酸化ルテニウム
の生成量比と温度との関係図、第5図は本発明の第2実
施例による硝酸濃縮蒸発管の断面図である。 1……加熱コイル 2……加熱コイルシールドチューブ 3……蒸発缶本体、4……加熱ジャケット 5……加熱コイル蒸気入口ノズル 6……加熱コイル蒸気出口ノズル 7……加熱ジャケット蒸気入口ノズル 8……加熱ジャケット蒸気出口ノズル 9……プロセス溶液、10……加熱用水蒸気通過部 11……真空空間、12……硝酸蒸発缶本体 13……加熱コイル、14……凝縮液戻し板 15……加熱蒸気入口、16……加熱蒸気出口 17……ガス通過孔、18……ミストセパレータ 19……蒸発ガス出口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 真人 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 斉藤 正之 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 渡辺 真一 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭63−62590(JP,A) 特開 昭57−128897(JP,A) 特開 昭61−120999(JP,A) 特開 昭55−39229(JP,A) 特開 平1−121663(JP,A) 特開 昭57−105279(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】濃縮蒸発缶内のプロセス溶液の液面より上
    方の領域及び下方の領域にわたって、内部に加熱用の水
    蒸気が流れるチューブ状の加熱コイルを配設し、該濃縮
    蒸発缶内のプロセス溶液の液面より上方の領域の気相域
    に位置する上記加熱コイルをシールドチューブで包囲
    し、両者間の空間を真空にしたことを特徴とする濃縮蒸
    発缶。
  2. 【請求項2】濃縮蒸発缶内のプロセス溶液の液面より上
    方の領域及び下方の領域にわたって、内部に加熱用の水
    蒸気が流れるチューブ状の加熱コイルを配設し、該濃縮
    蒸発缶内のプロセス溶液から蒸発した蒸気の濃縮液を捕
    捉する手段と、該缶内のプロセス溶液の液面より上方の
    領域の気相域に位置する上記加熱コイルの表面に上記濃
    縮液を注ぐ手段とを備えたことを特徴とする濃縮蒸発
    缶。
  3. 【請求項3】請求項1において、濃縮蒸発缶内のプロセ
    ス溶液から蒸発した蒸気の凝縮液を捕捉する手段と、該
    凝縮液を前記シールドチューブの表面に注ぐ手段とを具
    えたことを特徴とする濃縮蒸発缶。
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