способ конверсии тетрафторида урана

Формула изобретения

1. СПОСОБ КОНВЕРСИИ ТЕТРАФТОРИДА УРАНА с получением оксидов урана и фторида водорода, включающий пирогидролиз тетрафторида урана пароводяной газовой смесью, отличающийся тем, что пароводяную газовую смесь получают сжиганием углеводородов или водорода в кислороде при начальной температуре 450 - 550^oС, а тетрафторид урана подвергают диспергированию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пароводяную газовую смесь и тетрафторид урана подают противотоком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии переработки фторидов урана, в частности к способам получения фторида водорода и оксидов урана.

Известен способ пирогидролиза уранилфторида или тетрафторида в псевдоожиженном слое смесью водорода и водяного пара при 600 - 790^оС до получения диоксидов урана керамического сорта.

Указанный выше способ пирогидролиза принят в качестве прототипа.

Основными недостатками прототипа являются:

1. Сложность организации псевдоожижения тетрафторида урана в процессе пирогидролиза, многостадийность и относительно низкая эффективность обесфторирования.

2. Сильное разбавление получающегося в процессе пирогидролиза фторида водорода за счет псевдоожижающего агента, что негативно сказывается на стадии выделения фторида водорода.

В предлагаемом способе конверсии тетрафторида урана пирогидролизом пароводяную газовую смесь получают сжиганием углеводородов или водорода в кислороде при начальной 450 - 550^оС, а тетрафторид урана подвергают диспергированию. Кроме того, пароводяную смесь и тетрафторид урана подают противотоком.

Процесс пирогидролиза тетрафторида в кислородно-ацетиленовом пламени описывается следующим суммарным уравнением:

2C₂H₂ + 5 O₂ + 1/3 O₂ + UF₄ ->> ->>1/3 U₃O₈ + 4 CO₂ + 4 HF ( 1)

Для исключения разбавления фторида водорода (в предыдущем случае углекислым газом) можно осуществить пирогидролиз тетрафторида урана водой, образующейся в кислородно-водородном пламени, согласно следующему суммарному уравнению:

2 H₂ + O₂ + UF₄ ->> UO₂ + 4HF (2)

Для безопасного сжигания водорода в кислороде смесь должна содержать не менее 67 об. % водорода [Г. Реми. Курс неорганической химии, ИИЛ, М., 1963, с. 62].

Таким образом на один моль тетрафторида урана при пирогидролизе необходимо получить в результате горения водорода, ацетилена (другого углеводорода) не менее двух молей воды.

Отличие предлагаемого способа заключается в том, что пароводяная газовая смесь образуется в результате сгорания водорода, ацетилена (другого углеводорода) в кислороде при стехиометрическом соотношении, причем одновременно осуществляется нагрев твердых частиц за счет тепла экзотермической реакции горения и достигается высокая степень диспергирования при противоточной организации твердой и парогазовой фаз в реакционном аппарате.

Таким образом, использование при пирогидролизе воды и дополнительного количества тепла в результате сгорания ацетилена, водорода (других углеводородов) в кислороде соответствует критерию "новизна".

На чертеже представлена технологическая схема лабораторной установки для пирогидролиза тетрафторида урана.

П р и м е р 1. Установка включает вертикальный цилиндрический реактор 1 пирогидролиза с камерой 2 сгорания, снабженной двумя газовыми горелками Г₁ и Г₂, дозатор - механический диспергатор тетрафторида урана 3, расположенный в верхней части аппарата пирогидролиза, конденсатор 4 фтористоводородной кислоты, сборник 5 и контрольную колонну 6 со щелочью. Расходы газов на горелки контролируются сужающими устройствами в комплекте с ДП-5. Были проведены опыты при следующих технологических параметрах:

Начальная температура стенки реактора, ^оС 450 Расход тетрафторида урана, г/мин 5-5,5 Расход ацетилена на горелку, л/мин 0,7 Расход кислорода на горелку, л/мин 1,8 Расход воздуха на диспергирование тетрафторида урана, л/мин 1 Диаметр реактора, мм 60 Высота реактора, мм 700 Объемный расход газовой смеси, л/с 0,385 Линейная скорость газового потока через свободное сечение аппарата, м/с 0,14 Время пребывания газовой фазы, с 5

Расчет скорости осаждения частиц тетрафторида урана для конкретного случая представляет собой сложную задачу, так как невозможно в реальных условиях пирогидролиза оценить совокупность следующих факторов: фракционный состав твердой фазы, поступающий в реактор после диспергатора, состав газовой фазы и концентрацию твердой фазы по высоте и сечению, реальную траекторию движения твердых частиц в аппарате пирогидролиза, температурный градиент нагрева частиц тетрафторида в реакционной зоне.

При указанных технологических параметрах проведена серия опытов по пирогидролизу тетрафторида урана парогазовой смесью, образующейся при сгорании ацетилена в кислороде, в результате получена фтористоводородная кислота с концентрацией 80 - 90 мас. % и закись-окись урана с остаточным содержанием фтора 0,5 - 0,07 мас. %. Контролируемая максимальная температура в реакционной зоне составляла 1200^оС.

П р и м е р 2. В качестве горючего газа, образующего при полном сгорании воду, использовали пропан. Расчет проводили исходя из суммарного уравнения:

1/2 C₃H₈ + 5/2 O₂ + 1/3 O₂ + UF₄ ->> ->>1/3 U₃O₈ + 4 HF + 3/2 CO₂ (3)

Получены аналогичные предыдущему примеру результаты по обесфториванию тетрафторида. Начальная температура стенки реактора была увеличена до 550^оС.

Исходя из уравнений (1) для ацетилена и (3) для пропана, видно, что количество балласта в виде СО₂ во фториде водорода в последнем случае в 2,6 раза меньше.

П р и м е р 3. Процесс пирогидролиза тетрафторида проводили в кислородно-водородном пламени, условия и методика были аналогичны примеру 1.

Расход водорода на горелку составил 1,1 л/мин, расход кислорода на горелку 0,5 л/мин.

Таким образом, была создана восстановительная атмосфера. Получен оксид урана (коричневый порошок); кислородный коэффициент близок к двум.

Остаточное содержание в двуокиси урана составило 0,15 мас. %, концентрация фтористого водорода 85 - 90 мас. %.

Пирогидролиз тетрафторида в кислородно-водородном пламени, в отличие от вышеприведенных примеров 1 и 2, является безбалластным.

Представленные примеры показывают, что при оптимальной организации процесса пирогидролиза тетрафторида урана в пламени ацетилен (пропан)-кислород, водород-кислород может быть получен фторид водорода с концентрацией более 90 мас. %.

Изобретение может быть использовано в технологии утилизации фтора из фторидов урана.

Преимущества заявляемого способа:

1. Возможность получения высокой степени диспергирования воды в реакционном объеме за счет организации ее выделения в процессе горения ацетилена, пропана, водорода в кислороде при противоточной организации контакта твердой и газовой фаз в аппарате пирогидролиза тетрафторида урана.

2. Осуществление прямого нагрева твердых частиц тетрафторида урана в реакционном объеме аппарата за счет выделяемого в результате горения тепла.

3. Простота дозировки необходимого количества образующейся воды регулировкой газовых потоков (ацетилен, пропан-кислород, водород-кислород).

4. Возможность получения более высоких концентраций фторида водорода и низких содержаний фтора в получаемых оксидах.