способ получения гексафторида урана
Классы МПК: | C01G43/06 фториды |
Автор(ы): | Варфоломеев Лев Иванович (RU), Дудкин Владимир Владимирович (RU), Кузнецов Евгений Владимирович (RU), Масейцев Матвей Валерьевич (RU), Мозолов Александр Олегович (RU), Пинхусович Вадим Рудольфович (RU), Рабинович Ростислав Леонидович (RU), Роспусков Дмитрий Николаевич (RU), Струшляк Анатолий Иванович (RU), Юрочкин Виктор Михайлович (RU) |
Патентообладатель(и): | ОАО "Ангарский электролизный химический комбинат" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-04-08 публикация патента:
27.09.2010 |
Изобретение может быть использовано в атомной энергетике. Гексафторид урана получают путем обработки фтором урансодержащих соединений в пламенном реакторе. Охлаждение технологического газа, выходящего из реактора, осуществляют в теплообменнике путем поочередно-периодической подачи хладоносителей в секции трубчатого теплообменника таким образом, чтобы часть секций работала в режиме десублимации на ее стенках гексафторида урана с последующей возгонкой, а остальные секции - в режиме, исключающем десублимацию гексафторида урана. Подачу хладоносителя с температурой 5-20°С в секции трубчатки, работающие в режиме десублимации, осуществляют в течение 5-15 минут, после этого подачу хладоносителя прекращают. При достижении температуры хладоносителя в секциях 60-65°С открывают подачу хладоносителя с температурой 65-75°С, переводя эти секции в режим, исключающий десублимацию гексафторида урана. Технический результат - повышение производительности пламенного реактора, повышение срока службы фильтрующих элементов и теплообменника, повышение качества гексафторида урана и улучшение условий труда для обслуживающего персонала. 2 табл.
Формула изобретения
Способ получения гексафторида урана путем обработки фтором урансодержащих соединений в пламенном реакторе, охлаждения реакционного газа пламенного реактора в теплообменнике, представляющем собой корпус с рубашкой охлаждения, очистки охлажденного газа от пыли на металлокерамическом фильтре и десублимации гексафторида урана из газового потока в конденсаторе, отличающийся тем, что в теплообменнике вертикально размещены теплообменные трубки, по которым подается хладоноситель с автоматическим регулированием подачи хладоносителя, охлаждение реакционного газа пламенного реактора в теплообменнике осуществляют путем поочередно периодической подачи хладоносителя в секции трубчатого теплообменника таким образом, чтобы часть секций работала в режиме десублимации на ее стенках гексафторида урана с последующей возгонкой, а остальные секции - в режиме, исключающем десублимацию гексафторида урана, при этом подачу хладоносителя с температурой 5-20°С в секции трубчатки, работающие в режиме десублимации, осуществляют в течение 5-15 мин, после чего подачу хладоносителя прекращают и при достижении температуры хладоносителя в секциях 60-65°С открывают подачу хладоносителя с температурой 65-75°С, переводя эти секции в режим, исключающий десублимацию гексафторида урана, при этом в режим десублимации гексафторида урана с последующей возгонкой переводят следующие за ними секции теплообменника.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к химической технологии, конкретно - к технологии получения гексафторида урана (далее ГФУ) путем обработки соединений урана (окислы, тетрафторид урана и др.) элементным фтором. ГФУ используется в атомной энергетике для обогащения различной степени по урану 235 диффузией или центрифугированием.
Известен способ переработки газов, полученных после фторирования тетрафторида урана газообразным фтором (пат. 2070860, РФ, 1996 г.) - их охлаждают до температуры минус 75-81°С, а конденсат фильтруют с отделением осадка твердого ГФУ от безводного HF.
Известен также способ получения ГФУ путем обработки в 10% избытке фтора тетрафторида урана или окислов урана в пламенном реакторе - далее ПР (см. Н.П.Галкин, Б.Н.Судариков и др. «Технология урана», Атомиздат, 1964 г.) - прототип 1. По этому способу технологический газ из пламенного реактора с температурой 450-600°С (зависит от производительности реактора) охлаждают до 150°С в трубе, снабженной паровой рубашкой, и пропускают через металлокерамические никелевые фильтры (далее МКФ). Затем газы поступают в охлаждаемый конденсатор, где ГФУ конденсируется в виде твердого порошка. Отходящие газы пропускают через установку частичного фторирования исходного урансодержащего сырья. После фторирования твердые продукты направляют в пламенный реактор (далее ПР), отходящие газы проходят через низкотемпературные конденсаторы, неконденсирующиеся газы сбрасываются в атмосферу через вытяжную трубу.
В указанных способах охлаждение реакционных газов осуществляется в поверхностном теплообменнике за счет конвекции.
В промышленном производстве ГФУ используется также охлаждение газов ПР за счет конденсационно-испарительного теплообмена, когда на внешней поверхности трубчатки теплообменника сначала конденсируется слой кристаллического ГФУ, затем подачу хладоносителя в трубчатку теплообменника прекращают, отвод тепла происходит за счет теплоты сублимации кристаллического ГФУ (авторское свидетельство № 315311) - прототип 2. Конденсационно-испарительный теплообмен (в дальнейшем КИТ) позволяет увеличить производительность пламенного реактора относительно конвективного теплообмена.
Способ получения ГФУ по прототипу осуществляется следующим образом. В ПР подают порошкообразные урансодержащие соединения и технический фтор с избытком относительно стехиометрии к урану (как правило, 6-8 %). В реакторе при небольшом избыточным давлении относительно атмосферного и при температуре до 1200°С происходит образование ГФУ. Реакционные газы из ПР направляются в теплообменник, трубчатка которого состоит из 7 секций, каждая из них подключена к системе подачи хладоносителя. В зависимости от производительности ПР используются режимы охлаждения либо конвективный, либо конденсационно-испарительный, в обоих случаях температура газов, выходящих из теплообменника, во избежание разрушения металлокерамического фильтра, не должна превышать 180°С.
В конвективном режиме во все секции теплообменника подается вода из смесителя с температурой 65÷75°С.
В режиме КИТ (используемом при более высокой производительности ПР) находятся все 7 секций теплообменника. Процесс теплообмена осуществляется следующим образом: через секцию поступает вода с температурой 5-20°С в течение 15 минут. Затем подача воды прекращается. При этом на наружной поверхности секции происходит десублимация гексафторида урана, вода, находящаяся в секции, за счет отходящих газов разогревается, одновременно происходит разогрев кристаллического ГФУ с его сублимацией (t субл. 56,54°С при Р 101,3 кПа). При достижении температуры воды в секции 65-75°С через секцию вновь поступает вода с температурой 5-20°С.
Указанные способы обеспечивают промышленную наработку ГФУ, но обладают следующими недостатками.
1. Работа теплообменника в конвективном режиме не позволяет интенсифицировать процесс фторирования при более высоких нагрузках по фтору (теплосъем не превышает 50%). Кроме того, через 30-40 суток эксплуатации эффективность охлаждения газа снижается. Это влечет за собой снижение производительности, необходимость держать в резерве громоздкое и дорогостоящее оборудование, увеличение эксплуатационных затрат. Температура газа на входе в фильтрующее устройство превышает допустимое значение, что влечет за собой повышенную коррозию фильтрующих элементов вплоть до их отказа в работе. Это происходит в результате отложений на поверхности труб плотного осадка нелетучих фторидов примесных соединений и урана. Для удаления осадка теплообменник выводится из технологической схемы и подвергается гидролизу при обработке водой. Такая операция, в свою очередь, вызывает коррозию материала теплообменника, продукты которой ухудшают теплообмен, снижают эффективность охлаждения технологического газа, ускоряют выход теплообменника из строя. Следует отметить также высокое содержание урана (до 68%) в пыли, отфильтрованной на МКФ из газового потока.
2. Работа теплообменника в режиме КИТ используется при повышенной подаче фтора в ПР (теплосъем составляет 62-64%). Недостаток данного режима заключается в высоких перепадах давления в теплообменнике, связанных с процессами десублимации-сублимации ГФУ. Существенным недостатком является постоянное присутствие на поверхности секций большой массы десублимированного ГФУ. В аварийных ситуациях или при кратковременных остановках производства это создает опасные ситуации, связанные с возможностью обрушения его в пламенный реактор, или требуется длительная операция постепенной сублимации ГФУ с секций теплообменника продувкой их горячим воздухом.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы теплообменника, снижение затрат на его эксплуатацию, увеличение производительности ПР и срока службы фильтрующих элементов, стабилизация технологических параметров процесса получения ГФУ и повышение его качества, исключение опасных ситуаций, связанных с неуправляемым количеством кристаллического ГФУ на трубчатке теплообменника.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения ГФУ, включающем операции: фторирования твердого урансодержащего сырья в пламенном реакторе; охлаждения технологического газа, выходящего из реактора, в теплообменнике, представляющем собой корпус с рубашкой охлаждения, в котором вертикально размещены петлеобразные трубки, по которым подается хладоноситель с автоматическим регулированием подачи хладоносителя; очистки охлажденного газа от пыли на МКФ; десублимации ГФУ из газового потока в конденсаторе; улавливания остаточных уранфторсодержащих компонентов на исходном урансодержащем сырье из газа, выходящего из десублиматора ГФУ, охлаждение реакционного газа ПР в теплообменнике осуществляют путем поочередно-периодической подачи хладоносителя в секции трубчатого теплообменника, таким образом, чтобы часть секций (обычно пять или шесть из семи) работала в режиме, исключающем десублимацию ГФУ, для чего в них подают воду с температурой 65-75°С, а остальные секции (обычно одна или две) - в режиме осаждения из газа на стенках ГФУ с последующей возгонкой, подачу хладоносителя в эти секции трубчатки осуществляют в течение 5-15 минут, после чего подачу хладоносителя прекращают, по достижении температуры хладоносителя в секции до 60-65°С открывают подачу хладоносителя при указанной температуре, одновременно подают хладоноситель при температуре 5-20°С в следующую секцию теплообменника. Предлагаемый способ имеет следующее обоснование.
1. Комбинирование конвективного и конденсационно-испарительного теплообмена путем поочередно-периодической подачи хладоносителя в секции трубчатого теплообменника позволяет дополнительно к конвективному теплообмену использовать конденсационно-испарительный режим теплообмена за счет теплоты испарения ГФУ, что обеспечивает возможность повышения производительности реактора на 15-20%.
2. Одновременно обеспечивается поочередная очистка поверхности труб от осадков примесных соединений, которые далее выносятся потоком газа и отфильтровываются на керамическом фильтре. Срок безотказной работы трубчатки теплообменника по загрязнению ее поверхности увеличивается в 2 раза. Содержание лимитируемых примесей в пыли МКФ повышается, содержание урана понижается, что способствует улучшению качества основной продукции.
3. Обеспечивается стабильная работа реактора по давлению.
4. Обеспечиваются надежность и безопасность работы технологической схемы: системой управления с целью максимального увеличения теплосъема задается время конденсации в пределах 5-15 минут для наращивания оптимального слоя гексафторида урана на поверхности трубок секций, работающих в режиме десублимации гексафторида урана, что исключает несанкционированный сброс ГФУ с поверхности трубок, значительно упрощается подготовка теплообменника к остановке производства.
Новый способ осуществляют следующим образом. В ПР через дозирующее устройство подают порошкообразное урансодержащее соединение и технический фтор в заданном соотношении (с избытком фтора 6-8 %). Реакционный газ ПР направляют в теплообменник, состоящий из корпуса с рубашкой охлаждения и семи вертикально расположенных трубчатых секций, в которые подается хладоноситель. При этом шесть или пять секций выводят на конвективный режим (в трубчатку подают воду из смесителя с температурой 65-75°С), одну или две секции - в режим десублимации гексафторида урана с последующей возгонкой (подают воду с температурой 5-20°С в течение 5-15 минут, в зависимости от производительности). По истечении заданного времени подачу холодной воды прекращают, идет процесс разогрева секции и возгонки ГФУ с поверхности трубчатки за счет отходящих газов. Когда температура воды в секции достигает 60-65°С, она переводится в конвективный режим т.е. в нее поступает вода из смесителя с температурой 65-75°С. В этот момент в режим десублимации гексафторида урана переводят следующую секцию, остальные секции эксплуатируют в конвективном режиме. Охлажденный газ подают на МКФ, отфильтрованная пыль ссыпается в сборник пыли (пыль МКФ направляют на гидрометаллургический передел). Далее технологический газ направляют в десублиматоры, снабженные приемными контейнерами десублимированного ГФУ, и на установку улавливания уранфторсодержащих компонентов на исходном урансодержащем сырье. Продукты улавливания направляют в ПР, отходящие газы после нейтрализации сбрасывают в атмосферу.
Ниже приводятся результаты промышленных опытов (при переработке тетрафторида урана) по новому способу в сравнении с прототипами.
Влияние режима работы теплообменника на эффективность теплосъема представлено в таблице 1.
Таблица 1 | |||
Режим работы теплообменника | Подача фтора в ПР, м3/час | Температура газа на входе в т/о, °С | Температура газа на выходе из т/о, °С |
Базовый, конв. | 120 | 260 | 125 |
Базовый, КИТ | 180 | 380 | 180 |
Базовый, КИТ | 175 | 375 | 145 |
Новый | 192 | 400 | 160 |
Новый | 245 | 440 | 175 |
Из таблицы 1 следует, что новый способ позволяет значительно увеличить производительность ПР.
Содержание примесей в пыли МКФ представлено в таблице 2.
Таблица 2 | ||||||
Режим работы теплообменника | U, мас.% | Содержание примесей, мас.% | ||||
Мо | W | Cr | V | Ti | ||
Базовый, конв. | 39 | 0,00061 | 0,0002 | 0,63 | 0,0002 | 0,3 |
Базовый, конв. | 50 | 0,00079 | 0,0002 | 0,6 | 0,0002 | 0,19 |
Базовый, конв. | 68,7 | - | - | 0,0003 | - | 0,023 |
Базовый, КИТ | 42,6 | 0,0002 | 0,0004 | 0,1 | 0,0002 | - |
Базовый, КИТ | 55,9 | 0,0008 | 0,0004 | 0,1 | 0,0002 | - |
Новый | 32,4 | 0,008 | 0,002 | 0,23 | 0,002 | 0,5 |
Новый | 20,5 | 0,00057 | 0,0004 | 1,2 | 0,002 | 0,69 |
Новый | 36,9 | 0,0013 | 0,001 | 0,72 | 0,001 | 0,21 |
Из таблицы 2 следует, что при работе по предлагаемому способу содержание урана в пыли МКФ ниже, а содержание примесей выше, чем в способе по прототипам, что способствует улучшению качества ГФУ.