核级离心萃取器布置方案探讨

＊王兴旺 牟勇胜

(中国核电工程有限公司 北京 100180）

离心萃取器是一种利用离心力使密度不同且又不互溶的两种液体进行充分混合，实现分相的快速、高效的萃取设备。按每台所包含的级数可分为单台单级式和单台多级式。离心萃取的优点是两相滞留量小，传质性能好，适应的流比范围宽，停留时间短，在相同处理能力下，所需设备的几何尺寸小，因而能简化核临界安全设计，所占厂房面积比混合澄清槽小，所占厂房高度比萃取柱低，这样可以使设备室和厂房的建造费用下降，通风运行费用也相应减小，缺点是结构复杂，维修不方便，并且不适应处理含固体料液，这些缺点使得离心萃取器在核燃料后处理工业生产领域应用较少。进入20世纪90年代来，世界各国对萃取设备进行了评估，一致认为离心萃取器在核燃料后处理中具有很大的优势，尤其是对处理能力较大的工厂及今后的快堆核燃料后处理有特殊意义[1]。

1.工作原理

对于单台单级离心萃取器，其主要由混合室、转筒、轴和外壳组成，最大的特点是澄清段与混合室组成一个整体的结构，即在转筒底部装有一个混合室，混合室内有搅拌和混合挡板。搅拌桨和转筒都固定在同一轴上，由上部电机带动一起转动，内部结构示意图如图1[3]。

图1 环隙式离心萃取器结构示意图

当密度不同且互不相溶的两相分别从两个进料口进入环隙后，高速旋转的转筒带动混合液在环隙间转动并混合，产生泰勒涡流[4]。转动的混合液遇到底部固定叶片后产生一定的静压能，通过转筒的混合相入口进入转筒，在离心力作用下进行分相。重相被甩到外缘，经重相堰流入重相收集室，从重相出口流出；轻相流入轻相收集室，从轻相出口流出。单台单级的缺点是每台设备只有一级，对于需要多级萃取的工艺流程需要多台离心萃取器串联，每级之间通过管道连接，无需额外料液输送，级间连接方式见图2。

图2 离心萃取器级间接管方式

对于单台多级离心萃取器，其相对于单台单级离心萃取器的主要变化是单台设备包含多级萃取级，主要包括转筒、轴以及外壳等，每一个转筒包含若干级，每一级由一个混合室和一个澄清室组成，内部结构示意图如图3[1]。离心萃取器运行时，重相由最下面的一级混合室进入，轻相由最上面一级的混合室进入，两相逆流接触传质，两相液体在混合室内充分混合后进入澄清室，在离心力的作用下，重相被甩向转筒的外缘，轻相被挤向中心部位，分离后的两相再分别流向下一级和上一级，最终实现了设备内部两相液体的逆流流动。

图3 单台多级离心萃取器结构示意图

放射性料液萃取分离流程简图如图4所示，轻相料液由供料槽经过二级空气提升，通过离心萃取器的轻相入口进入，重相在试剂间配置完成后经计量泵由离心萃取器的重相入口进入。当萃取流程完成后，从离心萃取器出来的水相或有机相需要贮槽进行接收，然后再通过计量泵或其他免维修的空气提升等料液输送方式输送到下一个流程单元。

图4 高放废液分离萃取流程示意图

对于多级萃取流程，因为离心萃取器数量过多，导致需要很大的布置空间。此外，由于离心萃取器之间都是依靠单级的抽吸力，没有其他动力来源，这就要求离心萃取器的布置方案尽量紧凑，从而避免级间增加额外的料液输送。由于萃取流程是高放废液分离的关键部分，其布置方案对厂房整体布置方案有很大影响，下面结合离心萃取器的设备特点，对离心萃取器的厂房布置方案进行讨论分析。

2.厂房布置方案设计

核燃料后处理厂房通常分为四区：白区—非放射性工作区、绿区—放射性工作区、橙区—维修区、红区—放射性设备管道区[5]，四区一般遵循“洋葱式”的分层布置原则，即最中间为红区，向外依次是橙区、绿区、白区。综合考虑工艺流程以及离心萃取器的检修要求，结合分区布置原则，对于放射性料液分离流程中的离心萃取器可采用热室布置方案或设备室布置方案，具体如下：

(1)热室布置方案

热室方案中主要包括热室、操作区、维修区、检修大厅以及试剂间等，如图5所示，其中热室属于红区（R），热室内需要分层布置，在热室上层主要布置离心萃取器、计量泵等设备及相关管道，在热室下方需布置料液接收贮槽，主要用于离心萃取器的水相级有机相出料接收，整个布置方案不考虑贮槽的整体吊出，在热室隔层顶部设盖板；维修区和检修大厅属于橙区（A），主要进行设备的维修，同时在这两个区域布置有通风管路及试剂管道等，正常情况下只对该区域进行巡检；操作区和试剂间属于绿区（G），人员可以在操作区通过机械手对热室内的设备进行操作，在试剂配制间可以进行试剂配制及流量控制等操作。

图5 热室布置方案标准剖面图

按这种布置方案，料液可以通过空气提升直接进入热室，供料方便，同时离心萃取分离过程产生的废液以及废有机相也可通过自流的方式进入贮槽，管道布置方便。离心萃取器以及计量泵等均需在热室内进行检修，主要是驱动电机以及轴承等易损件，所以采用此种布置方案时，离心萃取器需要重点考虑方便检修，设备尽量采用模块化设计，其在检修时可通过热室内的动力手借助电动扳手将螺栓进行拆除，然后将上部电机模块拆除，最后将转鼓模块取出进行整体替换。取出的转鼓在热室内进行清洗去污后通过废物出口由热室的废物转运出口转出。由于单台单级离心萃取器体积较小，一般工程中设置数量较多，对于检修的需求更加突出，所以采用热室的布置方案。

(2)设备室布置方案

设备室布置方案的标准剖面如图6所示，由于考虑到离心萃取器的进料以及顶部检修问题，需要采用高低设备室的布置方案，离心萃取器布置低设备室侧，上部对应相应的安装检修大厅，在高设备室侧主要布置供料槽以及相关空气提升的气液分离罐，料液通过空气提升进入离心萃取设备室。设备室相邻布置，在两排设备室上方分别布置有两个检修大厅，可以实现两排设备室的分别检修，尽量避免交叉污染的风险。

图6 设备室布置方案标准剖面图

在低厅上面布置有量槽管道廊，试剂管道可以分别经过两个检修厅，沿墙体向下通过弧形管道进入两排设备室。由于从量槽管道廊进入低设备室的试剂、压空、蒸汽以及水等管道无法直接穿过低厅进入设备室，需绕经高厅，造成了高厅一侧墙上的管道及阀门太多，操作检修困难，此种布置方案对于设备室内试剂、压空、蒸汽以及水使用点较少时更有优势。该布置方案，人流物料比较顺畅，不会出现拥挤及交叉污染等问题，同时实现了对空间的充分利用，不会出现过多的结构空间。

对于设备室布置方案，考虑到离心萃取器的检修，只能布置在设备室顶板上，由于辐射防护要求，楼板厚度比较厚，如果离心萃取盖板与检修大厅地面平齐，会导致离心萃取器的传动轴长度过长，对于此种情况可以通过降低盖板标高解决。这样在满足设备室内管道焊接的前提下，可以尽量将传动轴做短。

此种布置方案相对热室布置方案减少了热室、机械手等，在建造费用上要优于热室布置方案，但是需要设置专门的检修容器进行检修，由于检修容器需要考虑屏蔽，再加上检修容器自身的尺寸，所以离心萃取器布置时还需要考虑相应的检修空间，离心萃取器的间距无法像热室方案中那样紧凑，当萃取流程级数较多时，会导致设备室尺寸很大，对于单台单级离心萃取而言，此种布置方式需要较大的设备室面积，在保证上部检修容器检修的前提下，建议单台单级离心萃取器进行多排串联布置，这样可以尽量减少设备室的长度，从而减少红区排风风量。而对于单台多级离心萃取器，由于单个设备具有多个离心萃取级，即单台设备可以完成多级萃取流程，采用单台多级离心萃取器可以大大减少设备的数量，进一步减少设备占用的设备室面积。

3.结论

综上所述，由于离心萃取器的自身尺寸及布置要求，热室与设备室的厂房布置方案中均需采用高低位布置，这样离心萃取器的料液输送路径更加通畅，同时可以避免大量结构空间的出现，节约了建筑面积；试剂间布置在低厅上方，试剂管道布置更加符合工艺流程操作要求；各自使用单独检修厅，可尽量避免交叉污染风险。通过对比两种布置方案，在设备室方案中，对离心萃取器的限制主要是传动轴的长度，为了避免传动轴过长，可通过调整盖板布置方案解决，而在热室的布置方案中，离心萃取需尽量模块化以方便检修，同时在热室方案中还需要设置热室、动力手以及机械手等设备，从建造费用以及检修操作便利性的角度出发，当萃取流程级数较少或采用单台多级离心萃取器数量较少时，设备布置可优先考虑设备室布置方案。当萃取级数较多或设置离心萃取器数量较多时，设备布置优先考虑热室布置方案。