СПОСОБ КОНВЕРСИИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА В ТЕТРАФТОРИД УРАНА И БЕЗВОДНЫЙ ФТОРИСТЫЙ ВОДОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C01G43/06 

Изобретение относится к технологии получения тетрафторида урана и безводного фтористого водорода и может быть использовано, в частности, для переработки обедненного гексафторида урана.

Известен способ получения тетрафторида урана и безводного фтористого водорода из гексафторида урана (патент Великобритании 2184106). По данному способу конверсию гексафторида урана осуществляют в "кипящем" слое порошка тетрафторида урана при температуре слоя 500-600^oС с использованием в качестве восстановителя водорода, являющегося и ожижителем "кипящего" слоя.

Известен способ конверсии гексафторида урана в тетрафторид и безводный фтористый водород и устройство для его осуществления (патент Великобритании 842500 - прототип). Согласно способу конверсию гексафторида урана в тетрафторид и фтористый водород осуществляют во фторводородном пламени при мольном соотношении UF₆:F₂:Н₂=1:0,37-0,93:2,6-6,0 и при подогреве каждого реагента до 80-230^oС. Полученный порошок тетрафторида урана накапливается в сборнике, расположенном под реактором, а непрореагировавший водород и фтористый водород непрерывно удаляют из реакционного пространства.

Известное устройство представляет собой реактор, выполненный в виде вертикальной трубы, в верхней части которой расположено горелочное устройство, через которое в реактор подают гексафторид урана, фтор и водород. В нижней части реактора расположен сборник порошка тетрафторида урана. Сбоку к аппарату через патрубок подсоединен корпус фильтров с металлокерамическими фильтрующими элементами.

Недостатками известного способа и устройства являются:
- большой удельный расход фтора и водорода;
- необходимость предварительного подогрева исходных компонентов;
- низкое содержание фтористого водорода в образующихся технологических газах (15-40 об.%);
- малая производительность (до 11 кг/ч по гексафториду урана);
- периодичность процесса.

Предложен способ конверсии гексафторида урана в тетрафторид и фтористый водород, включающий взаимодействие гексафторида урана с восстановителем водородом во фторводородном пламени, охлаждение продуктов реакции, отделение образующегося тетрафторида урана от газовой фазы, причем процесс ведут при мольном соотношении UF₆: F₂:H₂=1:(0,12-0,36):(1,5-3) и давлении в реакторе 540-720 мм рт.ст.

Исходные компоненты подают в реактор при комнатной температуре.

В качестве восстановителя используют катодный газ.

Температуру стенок реактора поддерживают около 480^oС.

Зажигание фторводородного пламени производят при давлении 540-100 мм рт. ст., а процесс ведут при давлении 540-720 мм рт.ст.

Охлаждение продуктов реакции осуществляют путем охлаждения стенок реактора.

Конденсацию фтористого водорода осуществляют при температуре (-35) - (-40)^oС и при (-70) - (-80)^oС.

Дополнительное извлечение фтористого водорода ведут фторидом натрия при температурах 70-80^oС и 20-30^oС, а десорбцию фтористого водорода ведут при температуре 350-375^oС.

Установка для осуществления способа конверсии включает реактор с горелочным устройством, фильтрующее устройство, приемный контейнер, причем корпус реактора и корпус фильтров расположены на общем транспортирующем шнеке.

Корпус реактора имеет каплеобразную форму, а корпус транспортирующего шнека выполнен в виде вертикального овала.

Выбор предлагаемых мольных соотношений исходных реагентов, подаваемых в реактор, обусловлен следующими соображениями:
- при расходе фтора менее 0,12 молей на 1 моль гексафторида урана выделяющегося тепла в факеле будет недостаточно для обеспечения высокой степени восстановления до тетрафторида урана, возможно вследствие этого образование промежуточных фторидов типа U₂F₉, U₄F₁₇, что нежелательно;
- при расходе фтора более 0,36 молей на моль гексафторида урана доля его затрат в стоимости получаемого безводного фтористого водорода будет уже весьма существенной, а следовательно, весь процесс более дорогим.

Катодный газ, применяемый в способе, представляет собой побочный продукт фторного производства и содержит 94 об.% H₂, 5 об.% HF и 1 об.% N₂ (Н.П. Галкин, А. А. Майорова и др. Химия и технология фтористых соединений урана. Госатомиздат, 1961, стр. 270, 283).

На фиг. 1 изображена принципиальная схема установки для конверсии гексафторида урана в тетрафторид и безводный фтористый водород.

На фиг.2 представлен разрез транспортирующего шнека.

Установка включает реактор 1 каплевидной формы, в верхней части которого установлено горелочное устройство 2 с коаксиально расположенными каналами 3 и 4. Центральный канал 3 служит для подачи смеси гексафторида урана и фтора, а наружный канал 4 - водорода. Реактор 1 снабжен двумя рубашками 5 для охлаждения его воздухом (при необходимости увлажненным) и установлен на разгрузочном устройстве 6 со шнеком выгрузки 7 и приемным контейнером 8. Фильтрующие элементы 9 расположены в общем корпусе 10, который расположен на разгрузочном устройстве 6. Установка снабжена также контрольным фильтром 11 с приемным устройством 12. Контрольный фильтр 11 соединен с последовательно расположенными трубчатыми теплообменниками 13-15. Теплообменники 14 и 15 соединены с приемной емкостью 16 для сбора жидкого безводного фтористого водорода. Теплообменник 15 соединен с сорбционными колоннами 17 и 18, а колонна 18 соединена с поглотительной колонной 19.

Установка работает следующим образом. В реактор 1 при давлении в нем 40-100 мм рт. ст. (в момент зажигания факела) через центральный канал 3 горелочного устройства 2 подают гексафторид урана и фтор, а через наружный канал 4 - водород. Реактор 1 выполнен каплевидным (по форме факела), чтобы исключить застойные зоны. При этом условии происходит надежное самовоспламенение смеси водород - фтор. Процесс конверсии ведут при давлении 540-720 мм рт. ст. Высокое давление в аппарате во время процесса необходимо для получения порошка тетрафторида урана с более высокой насыпной плотностью, необходимой для более компактного его хранения. Давление в аппарате ниже атмосферного предотвращает возможность выброса вредных веществ в окружающую среду. Корпус реактора охлаждают увлажненным воздухом, поступающим в рубашки охлаждения 5, до температуры 480^oС с тем, чтобы в случае неполного превращения гексафторида урана в тетрафторид и образования промежуточных фторидов урана, например U₄F₁₇, они не налипали на стенки аппарата, а разлагались. При температуре стенок реактора выше 480^oС возможно взаимодействие с ними фтористых соединений и загрязнение порошка тетрафторида урана продуктами коррозии.

Образующийся в процессе порошок тетрафторида урана частично с пылегазовым потоком, а большей частью шнеком-питателем 7 разгрузочного устройства 6 перемещается в приемник готового продукта 8. Корпус разгрузочного устройства 6 выполнен в виде вертикального овала с тем, чтобы над шнеком 7 свободно проходил пылегазовый поток. Осевшую часть порошка на фильтрах 9 и 11 периодически сдувают с них сжатым газообразным азотом, и весь порошок тетрафторида урана шнеком 7 перегружается в приемный контейнер 8, который заменяют по мере заполнения.

Отходящие технологические газы, содержащие фтористый водород, водород и азот, проходят контрольную фильтрацию на фильтрах 11 и поступают на охлаждение и конденсацию фтористого водорода в трубчатые теплообменники 13, 14, 15. В теплообменнике 13 с целью экономии затрат холода газы охлаждают водой до температуры 20-30^oС, а затем конденсируют в двух последующих теплообменниках: в теплообменнике 14, охлаждаемом рассолом хлорида кальция, при температуре (-35) - (-40)^oС и в теплообменнике 15, охлаждаемом фреоном, при температуре (-70) - (-80)^oС.

Сконденсированный фтористый водород стекает в емкость 16, откуда разливается в транспортные емкости.

После конденсации в теплообменниках газы могут содержать некоторое остаточное количество фтористого водорода. Для его улавливания их направляют в сорбционные колонны 17 и 18, заполненные гранулированным пористым фторидом натрия. А затем в колонну 19, заполненную ХПИ.

Применение высокопористого гранулированного фторида натрия, устойчивого в многократных циклах сорбция - десорбция фтористого водорода, обеспечивает дополнительное извлечение фтористого водорода из технологических газов, доводя его общее извлечение в товарную продукцию до 99,5-99,6%.

Температура сорбции в колонне 17 70-80^oС, что не приводит к разрушению сорбента, а в колонне 18 20-30^oС, что позволяет максимально извлечь фтористый водород.

Десорбцию фтористого водорода производят нагреванием сорбента до температуры 350-375^oС. Десорбируемый фтористый водород конденсируют.

Колонна 19, заполненная ХПИ, является контрольной. Она обеспечивает полное обезвреживание сбросных технологических газов.

Пример.

На стендовой установке, состоящей из баллона со фтором (V=40 л, Р=6 ати), емкости с гексафторидом урана (V=1 л), вертикального обогреваемого реактора восстановления, металлокерамического фильтра, трех последовательно расположенных конденсаторов, охлаждаемых водой (t=20-35^oС), рассолом хлорида кальция (t= (-15) - (-20)^oС), фреоном (t=(-35) - (-40)^oС), двух последовательно установленных сорбционных колонок (t=70-80^oС и 20-30^oС соответственно), поглотительной колонки с ХПИ и вакуумного насоса, были проведены испытания процесса.

Процесс восстановления проводили при различном мольном соотношении исходных реагентов. Результаты опытов приведены в табл. 1.

Из приведенных данных видно, что выбранные мольные соотношения (опыт 3 и 4) позволяют достичь высокой степени превращения гексафторида урана в тетрафторид урана (более 99%).

Пример 2.

С целью установления оптимального давления в реакторе были проведены опыты, результаты которых приведены в табл. 2. При этом мольное соотношение исходных реагентов составляло UF₆: F₂:Н₂=1:0,24:3,0, а температура стенок реактора 450-480^oС.

Таким образом, использование способа и установки для осуществления конверсии гексафторида урана в тетрафторид и фтористый водород позволяет:
сократить удельный расход фтора и водорода, т.е. снизить эксплуатационные затраты;
получить порошок тетрафторида урана с высокой (3,3 г/куб.см, а при более высокой производительности до 4 г/куб.см) насыпной плотностью;
обеспечить степень превращения гексафторида урана в тетрафторид урана до 99,5%;
обеспечить степень извлечения фтористого водорода в товарную продукцию до 99,6%.

исключить выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Изобретение может быть использовано для переработки обедненного гексафторида урана. Способ заключается во взаимодействии гексафторида урана с водородом во фторводородном пламени. Процесс ведут в реакторе при давлении в нем 540-720 мм рт. ст. Мольное соотношение компонентов UF₆:F₂:Н₂=1:(0,12-0,36): (1,5-3). В качестве восстановителя может быть использован катодный газ. Температуру стенок реактора поддерживают около 480^oС. Охлаждение продуктов реакции осуществляют путем охлаждения стенок реактора. Порошок тетрафторида урана шнеком-питателем разгрузочного устройства перемещается в приемник готового продукта. Корпус разгрузочного устройства выполнен в виде вертикального овала. Фтористый водород из технологических газов конденсируют при температуре (-35) - (-40)^oС и при (-70) - (-80)^oС. Дополнительно извлекают HF фторидом натрия при температурах 70-80^oС и 20-30^oС. Десорбцию фтористого водорода ведут при температуре 350-375^oС. Результат изобретения: степень превращения гексафторида урана в тетрафторид урана до 99,5%. Степень извлечения фтористого водорода до 99,6%. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ конверсии гексафторида урана в тетрафторид урана и фтористый водород, включающий взаимодействие гексафторида урана с восстановителем водородом во фторводородном пламени, охлаждение продуктов реакции, отделение тетрафторида от газовой фазы, отличающийся тем, что процесс конверсии ведут при мольном соотношении UF₆: F₂: H₂= 1: (0,12-0,36): (1,5-3) и давлении в реакторе 540-720 мм рт. ст. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходные фтор и водород подают в реактор при комнатной температуре. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют катодный газ. 4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температуру стенок реактора поддерживают около 480^oС. 5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что зажигание фторводородного пламени в реакторе производят при давлении 40-100 мм рт. ст. 6. Способ по любому из пп. 1,2,4,5 отличающийся тем, что охлаждение продуктов реакции осуществляют путем охлаждения стенок реактора. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конденсацию фтористого водорода осуществляют в две стадии: при температуре (-35) - (-40)^oС и при (-70) - (-80)^oС. 8. Способ по п. 1 или 7, отличающийся тем, что дополнительное извлечение фтористого водорода ведут фторидом натрия при температурах 70-80^oС и при 20-30^oС, а десорбцию фтористого водорода при температуре 350-375^oС. 9. Устройство для осуществления способа конверсии гексафторида урана в тетрафторид урана и фтористый водород, содержащее реактор, горелочное устройство, разгрузочное устройство, фильтры, приемный контейнер, отличающееся тем, что реактор и корпус фильтров расположены раздельно на общем разгрузочном устройстве. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что реактор имеет каплеобразную форму. 11. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что корпус разгрузочного устройства выполнен в виде вертикального овала.