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装置サイズが異なる回転円筒型液液抽出装置の混合部における流動状態

Flow behavior in annular centrifugal extractors with different vessel sizes

三角 隆太*; 轟 慧*; 國井 佳奈子*; 仁志 和彦*; 上ノ山 周*; 佐野 雄一; 坂本 淳志; 竹内 正行

Misumi, Ryuta*; Todoroki, Kei*; Kunii, Kanako*; Nishi, Kazuhiko*; Kaminoyama, Meguru*; Sano, Yuichi; Sakamoto, Atsushi; Takeuchi, Masayuki

原子力分野の使用済核燃料再処理プロセスでは回転円筒型液液抽出装置の利用が注目されているが、抽出効率に大きく関連する装置内の流動状態に対する装置サイズの影響については十分な検討が行われていない。同装置は、円筒ロータ槽底近傍の固定羽根で撹拌される混合部と、ロータ内の分離部で構成される。本研究では、純水だけを用いたモデル実験により、装置サイズが異なる2つの遠心抽出器の混合部のビデオ撮影により流動状態と操作条件・装置サイズとの関係を整理し、混合部の流速分布をParticle Image Velocimetryにより計測し、操作条件との関係を整理した。その結果いずれの装置サイズにおいても、混合部の流動状態は、槽底からロータ下部までが液で満たされる流動状態A、液の存在領域が槽底近傍とロータ下部近傍に鉛直方向にわかれる流動状態B、その中間となる遷移状態に分類されることがわかった。ロータ回転数が遅く、供給流量が多いときに状態Aとなる傾向があり、装置サイズにかかわらず状態Aから遷移状態へ変化する操作条件は、装置サイズで正規化した供給流量とロータ内の気液界面形状にもとづいて推算したロータの液排出能力の関係で整理できることがわかった。さらに、混合部が液で充満される流動状態Aにおいては、液流速の大きさは装置サイズにかかわらずロータの回転周速度におおよそ比例することがわかった。

Annular centrifugal extractors have been anticipated for use as extractors in spent nuclear fuel recycling. The extraction rate and the liquid-liquid dispersion are related to the flow pattern in the vessel. However, no study has clarified flow patterns in vessels of various scales. For this study, flow pattern characteristics are quantified for extractors of two scales. An extractor has a mixing zone around the vessel bottom and a separation zone in the cylindrical rotor. For this experiment, distilled water was fed into the vessel. Flow behavior in the mixing zone was observed from a side view using a digital video camera at various rotor speeds and supply flow rates for extractors of two scales. In some cases, the liquid horizontal velocity vectors in the mixing zone were measured using particle image velocimetry. Results demonstrate that flow behaviors in the mixing zone in both scales of extractors are classifiable as three types, changing with operational conditions: Type A, Type B, and a Transition regime. For the Type A state, the mixing zone is fully filled with liquid from the vessel bottom up to the lower edge of the rotor. In the Type B state, the zone with existing liquid is vertically divisible into two regions. Lower rotor speeds and higher flow rates tend to produce Type A state flow behavior. The boundary operational condition between Type A and the Transition regime are correlated with the normalized supply flow rate and pumping capacity of the rotor, which is evaluated from liquid surface level in a rotor formed by centrifugal force. Furthermore, the fluid velocity in the mixing zone is roughly proportional to the rotor surface circumferential speed irrespective of the vessel scale.

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