СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА Российский патент 2010 года по МПК C01G43/06 

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.

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.

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.