СИСТЕМЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ФТОРА И СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ФТОРА Российский патент 2014 года по МПК C01B7/20 C01G43/01 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее раскрытие в основном относится к системам выделения фтора и соответствующим способам.

Известный уровень техники

Фтор является самым электроотрицательным химическим элементом из всех химических элементов. Из-за этой особенности у фтора много уникальных применений. Например, фтор был использован в плазменном травлении полупроводниковых пластин для производства процессоров, запоминающих устройств и/или других приборов микроэлектроники. В другом примере соединения фтора (например, фторполимеры, фторид калия, и криолит) были использованы в противоотражающих покрытиях и дихроичных зеркалах из-за их необычно низкого показателя преломления.

Промышленные способы производства фтора обычно включают электролиз фтористого водорода (HF) в присутствии фторида калия (KF). Фтористый водород, необходимый для электролиза, обычно получают из фосфатсодержащих минералов с существенным содержанием фторида кальция (например, кальциевый флюорит, CaF₂). После обработки серной кислотой (H₂SO₄) фосфат-содержащие минералы выделяют фтористый водород по следующей схеме:

CaF₂+H₂SO₄→2HF+CaSO₄

Однако этот способ производства фтора может быть энергоемким, потому что для проведения электролиза требуется большое количество энергии. Кроме того, у таких способов могут быть высокие эксплуатационные расходы из-за постоянной необходимости выделения минералов.

Фтор также может быть получен в качестве побочного продукта способа обогащения урана. В природе уран существует с содержанием около 99,284% ²³⁸U, около 0,711% ²³⁵U и около 0,0058% ²³⁴U. В то время как ²³⁵U может быть использован как топливо для ядерного деления, другие изотопы, ²³⁸U и ²³⁴U, не могут быть использованы. В связи с этим содержащие уран минералы сначала должны быть обогащены для получения концентрации ²³⁵U достаточной для поддержания ядерного деления. Обычный побочный продукт способа обогащения урана включает гексафторид обедненного урана (²³⁸U₆/²³⁴U₆), который является радиоактивным и опасным соединением, обычно дорогостоящим при хранении. Соответственно, может быть необходимым использовать этот источник фтора для эффективного и рентабельного производства фтора в промышленном масштабе.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является схематической диаграммой системы выделения фтора в соответствии с осуществлениями изобретения.

Фиг.2 представляет собой реакционный сосуд, подходящий для системы выделения фтора фиг.1 в соответствии с осуществлениями изобретения.

Раскрытие изобретения

Ниже раскрыты различные осуществления систем выделения фтора и соответствующие способы. Термин "окислитель" обычно относится к соединению, способному к восстановлению при соединении по меньшей мере с одним атомом фтора. В определенных осуществлениях окислитель может находиться в элементарной форме. Например, окислитель может включать кремний (Si) в элементарной форме. В других осуществлениях окислитель может находиться в форме соединения. Например, окислитель может включать оксид германия (GeO), диоксид германия (GeO₂), диоксид кремния (SiO₂), триоксид мышьяка (As₂O₃), оксид титана (Ti), триоксид бора (B₂O₃), и/или другие соединения, которые могут соединяться по меньшей мере с одним атомом фтора. Специалисту в данной области техники также очевидно, что изобретение может иметь другие осуществления, и что оно может быть осуществлено без ряда деталей, описанных ниже со ссылкой на фиг.1 и 2.

Фиг.1 является схематической диаграммой системы 100 выделения фтора в соответствии с осуществлениями изобретения. Как показано на фиг.1, система 100 выделения фтора может включать резервуар 102 для хранения газа носителя, реактор 104 и сепаратор 106 продукта, соединенные последовательно друг с другом. При необходимости система 100 выделения фтора также может включать резервуар 105 для хранения кислорода, соединенный с реактором 104 через распределительный клапан 107. Хотя на фиг.1 представлены только определенные компоненты системы 100 выделения фтора в других осуществлениях, система 100 выделения фтора также может включать клапаны, приводы, компрессоры и/или другие подходящие устройства.

Реактор 104 может включать реакционную камеру 108, реакционный сосуд ПО, помещенный в реакционную камеру 108, и нагреватель 112 по меньшей мере вблизи от реакционной камеры 108. Реакционная камера 108 может включать ввод 114, расположенный на расстоянии от вывода 116 и корпус 118 реактора между вводом 114 и выводом 116. Реакционная камера 108 может быть выполнена по существу из твердого материала (например, нержавеющей стали 316L), покрытого по меньшей мере с одной стороны никелем, фторполимерами и/или другими подходящими материалами, стойкими к фтору. В представленном осуществлении корпус 118 реактора показан имеющим цилиндрическую форму между вводом 114 и выводом 116. В других осуществлениях корпус 118 реактора также может иметь другую подходящую форму и конфигурацию.

Реакционный сосуд ПО может быть помещен в реакционную камеру 108 со свободным пространством 120 над реакционным сосудом 110. Реакционный сосуд 110 может включать контейнер, приспособленный для хранения реагента или смеси реагентов в твердом и/или жидком виде. В определенных осуществлениях реакционный сосуд 110 включает контейнер со сплошным основанием 111 с проемом 113, обращенным в сторону свободного пространства 120, как описано более подробно далее со ссылкой на фиг.2. В других осуществлениях реакционный сосуд 110 может иметь другие подходящие конфигурации. В представленном осуществлении, реакционный сосуд 110 установлен непосредственно на корпусе 118 реактора реакционной камеры 108. В других осуществлениях реакционный сосуд 110 также может включать опоры, планки и/или другие подходящие структурные компоненты для фиксации реакционного сосуда ПО внутри реакционной камеры 108.

Нагреватель 112 может включать электрическую печь, микроволновый излучатель и/или другие подходящие типы нагревателей для подачи тепловой энергии в реакционную камеру 108. В представленном осуществлении нагреватель 112 показан расположенным вне реакционной камеры 108. В других осуществлениях нагреватель 112 может по меньшей мере частично окружать реакционную камеру 108. В дополнительных осуществлениях нагреватель 112 может быть интегрирован с реакционной камерой 108.

Сепаратор 106 продукта может быть выполнен для сбора газообразного продукта с требуемой точкой кипения или требуемым интервалом точек кипения. Как показано на фиг.1, сепаратор 106 продукта может включать сборную емкость 121 по меньшей мере частично погруженную в охлаждающую ванну 128. Сборная емкость 121 может включать ввод 122 сборника, вывод 124 сборника, и погружную трубу 126, соединенную с вводом 122 сборника. В представленном осуществлении охлаждающая ванна 128 включает ванну 130 охлаждения, выполненную так, чтобы содержать хладагент 132 (например, сухой лед, вода, лед, жидкий азот и/или другой хладагент с требуемой температурой охлаждения). В других осуществлениях ванна 130 охлаждения может быть исключена, и сборная емкость 121 может охлаждаться воздухом. В дальнейших осуществлениях сепаратор 106 продукта может включать ректификационную колонну, колонну осушки газов и/или другие подходящие компоненты разделения вместо или в дополнение к компонентам, показанным на фиг.1.

Фиг.2 представляет реакционный сосуд ПО подходящий для системы 100 выделения фтора фиг.1 в соответствии с осуществлениями раскрытия. Как показано на фиг.2, реакционный сосуд 110 включает секцию 117 корпуса, приваренную, приклеенную, закрепленную и/или иначе присоединенную к торцевой заглушке 119 (указанные отдельно как первая торцевая заглушка 119a и вторая торцевая заглушка 119b). В представленном осуществлении секция 117 корпуса включает желоб с полукруглым поперечным сечением, проходящий вдоль продольной оси R, и торцевые заглушки 119 включают полукруглые пластины. По меньшей мере внутренняя часть секции 117 корпуса и торцевые заглушки 119 могут быть покрыты пленкой никеля. В других осуществлениях секция 117 корпуса также может иметь прямоугольную, овальную, трапециевидную и/или другую подходящую форму поперечного сечения и другие компоновки. Секция 117 корпуса и/или торцевые заглушки 119 могут быть выполнены из нержавеющей стали (например, 316L), никеля и/или других подходящих материалов.

Принимая во внимание обе фиг.1 и 2, определенные осуществления системы 100 выделения фтора могут быть использованы для получения нерадиоактивных фтор-содержащих соединений взаимодействием по меньшей мере одного фторида урана с окислителем. При работе оператор может сначала загрузить реагент и/или смесь реагентов 115 в реакционный сосуд 110. В определенных осуществлениях смесь реагентов 115 может включать по меньшей мере один фторид урана и окислитель в стехиометрических и/или других подходящих соотношениях. Фторид урана может включать тетрафторид урана (UF₄), гексафторид урана (UF₆), оксифторид урана (UO₂F₂) и/или другие подходящие фториды урана. Окислитель может включать оксид германия, (GeO), диоксид германия (GeO₂), кремний (Si), диоксид кремния (SiO₂), оксиды мышьяка (например, As₂O₃ или As₂O₅), оксиды сурьмы (например, Sb₂O₃, Sb₂O₄, и Sb₂O₅), оксиды титана (например, TiO, TiO₂, Ti₂O₃, Ti₃O₅, и Ti₄O₇), оксиды бора (например, B₂O₃, B₂O, и B₆O) и/или другие подходящие оксиды металлов. В других осуществлениях смесь реагентов 115 также может включать дополнительные и/или иные соединения.

После загрузки смеси реагентов 115 в реакционный сосуд 110 и корректировки слоя D на основе необходимого выхода реакции, оператор может поместить реакционный сосуд 110 в реакционную камеру 108. Затем оператор может вакуумировать свободное пространство 120 (например, вакуумным насосом) и продуть реакционную камеру 108 газом носителем (например, аргон, азот, гелий, и т.д.) из резервуара 102 для хранения газа носителя. После достижения требуемой атмосферы в реакционной камере 108, оператор может включить нагреватель 112, для подачи энергии в смесь реагентов 115 в реакционном сосуде 110 до достижения требуемой температуры.

Без ограничения какой-либо теорией полагают, что смесь реагентов 115 из фторидов урана и окислителя может реагировать с образованием по меньшей мере одного оксида урана и нерадиоактивного фтор-содержащего соединения. Например, в одном осуществлении смесь реагентов 115, содержащая тетрафторид урана (UF4) и диоксид германия (GeO₂) может реагировать следующим образом:

3UF₄+3GeO₂+O₂→U₃O₈+3GeF₄

В другом примере смесь реагентов 115, содержащая оксифторид урана (UO₂F₂) и диоксид германия (GeO₂) может реагировать следующим образом:

2UO₂F₂+GeO₂→2UO₂+GeF₄

В еще одном примере смесь реагентов 115, содержащая тетрафторид уран (UF4) и диоксид кремния (SiO₂) может реагировать следующим образом:

3UF₄+SiO₂+O₂→U₃O₈+3SiF₄

В других дополнительных примерах смесь реагентов 115, содержащая фторид урана, может реагировать с другими подходящими окислителями для получения по меньшей мере одного оксида урана и нерадиоактивного фтор-содержащего соединения.

Необязательно в ходе реакции оператор может ввести кислород (O₂) в реакционную камеру 108 из резервуара 105 для хранения кислорода. Кислород подают через поверхность смеси в реакционном сосуде в направлении по существу параллельном поверхности смеси. Изобретатели установили, что, в дополнение к толщине слоя D смеси реагентов 105, расход введенного кислорода может влиять на скорость реакции и/или выход реакции. Таким образом, в определенных осуществлениях оператор может управлять расходом кислорода в реакционной камере 108 на основе требуемого выхода реакции, регулировкой распределительного клапана 107. В других осуществлениях оператор также может контролировать поток кислорода на основе других параметров с использованием расходомерной диафрагмы, расходомера и/или других подходящих регуляторов потока жидкости.

Затем газообразный продукт, содержащий газ-носитель, необязательно введенный кислород и газообразное нерадиоактивное фтор-содержащее соединение, прокачивают в сепаратор 106 продукта из реактора 104. Затем в сепараторе 106 продукта может быть собрано нерадиоактивное фтор-содержащее соединение, например, конденсацией его в виде конденсата в сборнике 121. В других осуществлениях могут быть использованы несколько сборников (не показаны) для фракционирования газообразного продукта на различные потоки.

Как показано на фиг.2, слой смеси реагентов 115 может иметь толщину D в реакционном сосуде относительно сплошного основания 111 реакционного сосуда ПО, Изобретатели установили, что толщину слоя D смеси реагентов 115 в реакционном сосуде 110 можно регулировать для воздействия на необходимый выход реакции между реагентами. В частности, неожиданно было установлено, что уменьшением толщины слоя D смеси реагентов до определенного диапазона величин (например, около 6,35 м (0,25 дюйма)), неожиданно может быть получено значительное улучшение эффективности, как обсуждено более подробно далее. В результате оператор может регулировать толщину слоя D смеси реагентов 115 загрузкой смеси в реакционный сосуд ПО на основе необходимого выхода реакции.

Эксперименты проводят в системе выделения фтора с конфигурацией и условиями функционирования в основном подобными системе 100 выделения фтора фиг.1. Смесь тетрафторида урана (UF₄) и диоксида германия (GeO₂) нагревают и приводят во взаимодействие в системе выделения фтора при около 1600°F с газом промывки, содержащим гелий (He) и кислород (O₂). Газообразный продукт реакции собирают в сборнике и в реакционном сосуде образуется твердый остаток. Анализ собранного газообразного продукта реакции и твердого остатка дает следующие данные по выходу реакции:

Толщина слоя Эффективность (выход реакции) Δэффективность/Δтолщина слоя 6,35·10^-3 м (0,25 дюйма) 91,5% 76,0% 1,27·10^-2 (0,50 дюйма) 72,5% 11,2% 1,905·10^-2 (0,75 дюйма) 69,7% -1,2% 3,81·10^-2 (1,50 дюйма) 70,6% -

В представленной выше таблице эффективность определена как фактический выход, полученный путем анализа, деленный на теоретический выход для 100% превращения. Параметр Δэффективность/Δтолщина слоя вычисляют как изменение в процентах на один дюйм изменения толщины слоя.

Как показано в представленной выше таблице, изменение эффективности с толщиной слоя остается относительно неизменным от 3,81·10^-2 м до около 1,27·10^-2 м (от 1,50 дюйма до около 0,50 дюйма). Однако при снижении толщины от 1,27·10^-2 м до 6,35·10^-3 м (0,50 дюйма до 0,25 дюйма), эффективность повышается примерно в 6,8 раза с изменением толщины слоя (как показывает Δэффективность/Δтолщина слоя). Без ограничения какой-либо теорией, заявитель полагает, что такое неожиданное повышение эффективности является результатом улучшения контакта между кислородом, проходящим через ввод 113 реакционного сосуда ПО и смесью реагентов 115 в реакционном сосуде ПО. Предполагают, что малая толщина слоя D смеси реагентов 115 может позволить кислороду глубже проникнуть в смесь реагентов 115 в реакционном сосуде ПО и в результате улучшить эффективность реакции между оксидом урана и окислителем.

Из вышеприведенного очевидно, что определенные осуществления описаны в изобретении в иллюстративных целях, и могут быть выполнены различные модификации без изменения объема притязаний изобретения. Например, многие из элементов одного осуществления могут быть объединены с другими осуществлениями в дополнение или вместо элементов других осуществлений. Соответственно раскрытие не ограничено ничем, кроме прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ выделения фтора включает загрузку смеси, содержащей фторид урана и окислитель, в реакционный сосуд со сплошным основанием и проемом, обращенным в сторону от основания, нагрев этой смеси в реакционном сосуде и образование по меньшей мере одного оксида урана и нерадиоактивного газообразного продукта из нагретой смеси. При этом осуществляют регулирование толщины слоя смеси в реакционном сосуде для достижения требуемого выхода реакции и/или требуемой скорости реакции получения нерадиоактивного газообразного продукта. Используемая смесь может содержать тетрафторид урана UF₄ и реагент для выделения фтора, выбранный из группы, включающей оксид германия GeO, диоксид германия GeO₂, кремний Si, триоксид бора B₂O₃ и диоксид кремния SiO₂. Изобретение позволяет повысить выход фтора. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ выделения фтора, включающий:
загрузку смеси, содержащей фторид урана и окислитель, в реакционный сосуд со сплошным основанием и проемом, обращенным в сторону от основания;
нагрев смеси, содержащей фторид урана и окислитель в реакционном сосуде;
образование по меньшей мере одного оксида урана и нерадиоактивного газообразного продукта из нагретой смеси; и
регулирование толщины слоя смеси в реакционном сосуде для достижения требуемого выхода реакции и/или требуемой скорости реакции получения нерадиоактивного газообразного продукта.

2. Способ выделения фтора по п.1, дополнительно включающий пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через ввод реакционного сосуда с загрузкой смеси, в котором
загрузка смеси, содержащей фторид урана и окислитель, включает загрузку смеси, содержащей тетрафторид урана (UF₄) и диоксид германия (GeO₂), в реакционный сосуд с полукруглым поперечным сечением;
нагрев смеси включает нагрев смеси, содержащей тетрафторид урана (UF₄) и диоксид германия (GeO₂), в реакционном сосуде при пропускании газа, содержащего кислород (O₂), через ввод реакционного сосуда для взаимодействия тетрафторида урана с диоксидом германия следующим образом:
3UF₄+3GeO₂+O₂→U₃O₈+3GeF₄
регулирование толщины слоя смеси в реакционном сосуде включает регулирование толщины слоя смеси в реакционном сосуде и скорости потока газа, содержащего кислород (O₂), для достижения выхода реакции, равного по меньшей мере 90%, толщиной не более около 6,35·10^-3 м (0,25 дюйма) от основания реакционного сосуда обычно полукруглого поперечного сечения.

3. Способ выделения фтора по п.1, дополнительно включающий пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через ввод реакционного сосуда с загрузкой смеси.

4. Способ выделения фтора по п.1, дополнительно включающий пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через поверхность смеси в реакционном сосуде в направлении, по существу, параллельном поверхности смеси.

5. Способ выделения фтора по п.1, дополнительно включающий:
пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через поверхность смеси в реакционном сосуде; и
причем регулирование толщины слоя смеси включает регулирование толщины слоя смеси в реакционном сосуде и скорости потока газа, содержащего кислород (O₂), для достижения требуемого выхода реакции и/или требуемой скорости реакции получения нерадиоактивного газообразного продукта.

6. Способ выделения фтора по п.1, в котором регулирование толщины слоя смеси включает регулирование толщины слоя смеси для достижения требуемого выхода реакции, равного по меньшей мере 90% тетрафторида германия в нерадиоактивном газообразном продукте.

7. Способ выделения фтора по п.1, в котором регулирование толщины слоя смеси включает регулирование толщины слоя смеси для достижения требуемого выхода реакции, равного по меньшей мере 90% тетрафторида германия в нерадиоактивном газообразном продукте, с толщиной менее или равной около 6,35·10^-3 м (0,25 дюйма) от основания реакционного сосуда обычно полукруглого поперечного сечения.

8. Способ выделения фтора из фторида урана, включающий:
загрузку смеси, содержащей тетрафторид урана (UF₄) и реагент для выделения фтора, в реакционный сосуд, причем реагент для выделения фтора содержит по меньшей мере один из оксида германия (GeO), диоксида германия (GeO₂), кремния (Si), триоксида бора (B₂O₃) и диоксида кремния (SiO₂);
выделение фтора из тетрафторида урана (UF₄) в смеси с реагентом для выделения фтора с получением газообразного продукта из нагретой смеси, причем газообразный продукт не содержит соединений урана; и
выбор толщины слоя смеси в реакционном сосуде, на основе требуемого выхода реакции и/или требуемой скорости реакции получения газообразного продукта.

9. Способ выделения фтора по п.8, дополнительно включающий пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через открытую поверхность смеси, загруженной в реакционный сосуд.

10. Способ выделения фтора по п.8, дополнительно включающий пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через открытую поверхность смеси, загруженной в реакционный сосуд в направлении, по существу, параллельном открытой поверхности смеси.

11. Способ выделения фтора по п.8, дополнительно включающий:
пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через открытую поверхность смеси, загруженной в реакционный сосуд; и
регулирование скорости потока газа, содержащего кислород (O₂) для достижения требуемого выхода реакции газообразного продукта.

12. Способ выделения фтора по п.8, в котором выбор толщины слоя смеси включает выбор толщины слоя смеси менее или равной около 6,35·10^-3 м (0,25 дюйма) от основания реакционного сосуда в основном полукруглого поперечного сечения.

13. Способ выделения фтора из фторида урана, включающий:
загрузку смеси, содержащей по меньшей мере тетрафторид урана (UF₄) и/или тетрафторид урана (UF₄) и реагент для выделения фтора, в реакционный сосуд, причем реагент для выделения фтора содержит по меньшей мере один из оксида германия (GeO), диоксида германия (GeO₂), кремния (Si), триоксида бора (B₂O₃) и диоксида кремния (SiO₂);
пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через открытую поверхность смеси, загруженной в реакционный сосуд;
нагрев смеси для получения газообразного продукта при пропускании газа, содержащего кислород (O₂), через открытую поверхность смеси, причем газообразный продукт не содержит соединения урана; и
регулирование скорости потока газа, содержащего кислород (O₂), для достижения требуемого выхода и/или требуемой скорости реакции получения газообразного продукта.

14. Способ выделения фтора по п.8, дополнительно включающий проникновение газа, содержащего кислород (O₂), внутрь смеси в реакционном сосуде.

15. Способ выделения фтора по п.8, в котором пропускание газа, содержащего кислород (O₂), включает пропускание газа, содержащего кислород (O₂), через открытую поверхность смеси, загруженной в реакционный сосуд, в направлении по существу параллельном открытой поверхности смеси.

16. Способ выделения фтора по п.8, в котором нагрев смеси для получения газообразного продукта включает превращение тетрафторида урана (UF₄) по меньшей мере в один оксид урана.