АППАРАТ ДЛЯ ГИДРОЛИЗА ГЕКСАФТОРИДА УРАНА Российский патент 2015 года по МПК C01G43/06 

Изобретение относится к области химического аффинажа в цикле производства ядерного топлива и может найти применение в области получения чистых солей и окислов из гексафторида урана (ГФУ).

В предложенном аппарате проведение процесса гидролиза газообразного гексафторида урана (ГФУ) осуществляют с использованием раствора азотнокислого алюминия Аl(NO₃)₃.

Наиболее близким к предложенному аппарату является аппарат для гидролиза гексафторида урана, содержащий корпус, в верхней части которого имеются патрубки для подачи ГФУ и раствора HF и патрубок для отвода образующихся газов (HF). В нижней части корпуса имеется патрубок выгрузки продуктов реакции (RU 2465208 С1, опубликован 10.10.2011). В рабочей зоне корпуса для равномерного перемешивания исходных реагентов установлена якорная мешалка с дополнительной парой направленных вверх лопастей и рыхлитель, выполненный в виде П-образной пластины, установленной неподвижно на кольцевом выступе вала мешалки ответно просветам между лопастями якорной мешалки.

Недостатком ближайшего аналога является сложность конструкции аппарата и, как следствие, большая его материалоемкость, а также наличие большого количества вращающихся частей.

Кроме того, при гидролизе гексафторида урана раствором азотнокислого алюминия возможны следующие нежелательные последствия.

Раствор азотнокислого алюминия в таком процессе используется для связывания образующихся ионов фтора (F^-) в прочные катионные комплексы [АlF]⁺² или [AlF₂]⁺¹, что обеспечивается строгим соблюдением молярного соотношения между подаваемым в процесс алюминием и фтором величиной не более 1:2 (на практике 1:1,5 или 1:1,8).

Несоблюдение такого соотношения приводит к появлению в растворе таких соединений, как твердая фаза АlF₃, которая забивает систему орошения осадком, или высших анионных комплексов алюминия [AlF₄]^-1, [AlF₅]^-2 и [AlF⁶]^-3, которые при распаде выделяют ион фтора (F^-), разрушающий технологическое оборудование. Кроме того, все продукты перефторирования, находясь в рабочем растворе, оказывают сильное влияние на течение технологического процесса на последующих операциях, что приводит к получению бракованной продукции.

В приведенном выше известном аппарате (RU 2465208 С1) происходит реакция между ГФУ и потоком орошающего раствора - водного раствора HF - причем продуктом гидролиза является соединение UO₂F₂, которое может находиться как в твердом, так и в растворенном состоянии, поэтому пересыщение рабочего раствора в этом процессе (как общее, так и локальное) по взаимодействующим компонентам и продуктам реакции значения не имеет. Газы, отходящие от аппарата, содержат фтористоводородную кислоту, которая находится в газообразном состоянии и не образует твердых соединений.

При проведении процесса гидролиза ГФУ раствором азотнокислого алюминия пересыщение раствора по соединениям фтора, сопровождающееся образованием твердой фазы АlF₃ или высших фторидов алюминия, недопустимо, а в указанном известном аппарате локальное пересыщение в верхней части аппарата неизбежно. Кроме того, через вентиляционный трубопровод выходят остатки не прореагировавшего ГФУ, которые его забивают, образовывая твердые соединения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание простой конструкции аппарата для гидролиза гексафторида урана, не содержащей вращающихся частей и обеспечивающей надежную работу, при которой исключается возможность локального перефторирования орошающего раствора и забивания аппарата и вентиляционного патрубка продуктами гидролиза ГФУ.

Техническим результатом изобретения является обеспечение взаимодействия всего потока ГФУ с орошающим раствором без использования подвижных перемешивающих устройств при одновременном исключении перефторирования орошающего раствора.

Технический результат достигается тем, что аппарат для гидролиза гексафторида урана содержит корпус, в верхней части которого расположены средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора, в котором расположены средства для перемешивания гексафторида урана и орошающего раствора и который имеет в нижней части отверстие для слива полученного раствора. При этом средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора включают расширительную воронку, установленную в верхней части корпуса с возможностью подачи газообразного гексафторида урана через ее внутреннюю часть, а орошающего раствора - по ее внешней поверхности, при этом корпус выполнен в виде колонны, а устройство для перемешивания гексафторида урана и орошающего раствора представляет собой неподвижное завихрительное устройство, выполненное в виде лопастей, размещенных ярусами в периферийной зоне колонны и изогнутых таким образом, что верхняя вогнутая поверхность каждой лопасти обращена к нижней выпуклой поверхности соседней лопасти, а длина лопастей в радиальном направлении увеличивается от яруса к ярусу в направлении сверху вниз.

В частных случаях реализации изобретения возможны следующие варианты его выполнения:

- в нижней части колонны расположен вентиляционный патрубок, выполненный в виде полочного скруббера для улавливания остатков гексафторида урана;

- вокруг верхней части расширительной воронки образована распределительная чаша для орошающего раствора с отверстием в дне, образующем с расширительной воронкой кольцевой зазор для подачи орошающего раствора на ее внешнюю поверхность.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется с помощью чертежей.

На фиг. 1 изображено продольное сечение предложенного аппарата.

На фиг. 2 - ярус завихрительного устройства, вид сверху.

На фиг. 3 - сечение по А-А на фиг. 2.

На фиг. 4 - фрагмент сечения по Б-Б на фиг. 2.

Аппарат для гидролиза гексафторида урана выполнен в виде колонны 1, в верхней части которой расположены средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора, включающие патрубки 2 и 3, соответственно, а в нижней части - отверстие 4 для слива водного раствора азотнокислого уранила, полученного в результате перемешивания и реакции указанных выше компонентов. Средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора также включают установленную в верхней части колонны 1 расширительную воронку 5 в форме усеченного конуса, расширяющегося в сторону нижней части колонны 1. Внутренняя часть воронки 5 соединена с патрубком 2 для подачи газообразного ГФУ, а вокруг верхней части расширительной воронки 5 образована распределительная чаша 6, соединенная с патрубком 3 для подачи орошающего раствора, при этом в дне такой чаши 6 выполнено отверстие, образующее с расширительной воронкой 5 кольцевой зазор 7, через который орошающий раствор поступает на внешнюю поверхность воронки 5.

По высоте колонны 1 установлено устройство для перемешивания гексафторида урана и орошающего раствора в виде неподвижного завихрительного устройства 8, выполненного с возможностью формирования направленного вниз конуса 9 потока орошающего раствора, перемешивающегося с ГФУ.

Завихрительное устройство 8 представляет собой установленную в колонне 1 шестиярусную кассету, каждый ярус которой примыкает к стенке колонны 1 и выполнен в виде цилиндрической обечайки 10, на которой закреплены несколько лопастей 11 (на фиг. 2 - шесть), так что они расположены в периферийной зоне колонны 1. Каждая лопасть 11 эллиптически изогнута в вертикальном сечении (проходящем через хорду поперечного сечения колонны 1) таким образом, что ее верхний край расположен ближе к колонне 1, а нижний - ближе к ее центральной оси. При этом верхняя вогнутая поверхность каждой лопасти 11 обращена к нижней выпуклой поверхности соседней лопасти. Длина лопастей 11 в радиальном направлении увеличивается от яруса к ярусу в направлении сверху вниз таким образом, что размеры свободного пространства между лопастями 11 в центральной части колонны 1 уменьшаются в направлении сверху вниз, что обеспечивает обратный конус потока орошающего раствора.

Каждая лопасть 11 снабжена отбойником 12, препятствующим срыву струи орошающего раствора к центру обечайки 10, и разделительными выступами 13, разделяющими орошающий раствор на отдельные струи для того, чтобы увеличить площадь массобмена. Отбойник 12 образован отгибом вверх края лопасти 11, обращенного к центральной оси колонны 1, под углом 90 градусов. Разделительные выступы 13 образованы с боковой стороны каждой лопасти 11 также отгибом вверх под углом 90 градусов. Таким образом, поток орошающего раствора завихряется, перемещаясь по верхним поверхностям лопастей 11, а увеличение длины лопастей 11 по высоте колонны 1 образует уменьшающееся сверху вниз свободное пространство в центре колонны 1, обеспечивая формирование обратного конуса потока орошающего раствора в объеме колонны 1.

Объем изобретения не ограничивается описанной конструкцией завихрительного устройства. Оно может иметь и иное выполнение и расположение завихрителей, обеспечивающих сужение свободного пространства внутри колонны 1.

В нижней части колонны 1, где ГФУ в отходящих газах ничтожно мало, имеется вентиляционный патрубок в виде полочного скруббера 10, в которой подают незначительное количество орошающего раствора для улавливания остатков ГФУ. Таким образом, полностью улавливаются все остатки ГФУ в отходящих газах и предотвращается забивание трубопровода.

Аппарат работает следующим образом.

ГФУ подается в колонну 1 через внутреннюю часть расширительной воронки 5, а весь объем орошающего раствора поступает через кольцевой зазор из распределительной чаши 6 на внешнюю поверхность расширительной воронки 5 и далее на завихрительные устройства 8, создающие направленный вершиной вниз конус потока орошающего раствора, который постепенно и с постоянным перемешиванием поглощает расположенный внутри конуса поток ГФУ. Так как весь объем орошающего раствора вступает в реакцию с незначительным количеством ГФУ, локальное перефторирование его невозможно, что позволяет насытить раствор, ориентируясь на максимальную концентрацию насыщения по фтору. Такая концентрация фтора в растворе позволяет экономить до 20% алюминия.

Изобретение может быть использовано при получении чистых солей и окислов из гексафторида урана (ГФУ). Аппарат для гидролиза гексафторида урана содержит корпус, в верхней части которого установлены средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора. В корпусе расположено устройство для перемешивания гексафторида урана и орошающего раствора. В нижней части корпуса имеется отверстие 4 для слива полученного раствора. Средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора включают расширительную воронку 5, установленную в верхней части корпуса с возможностью подачи газообразного гексафторида урана через ее внутреннюю часть, а орошающего раствора - по ее внешней поверхности. Корпус выполнен в виде колонны 1. Устройство для перемешивания гексафторида урана и орошающего раствора представляет собой неподвижное завихрительное устройство 8, выполненное в виде лопастей, размещенных ярусами в периферийной зоне колонны. Лопасти изогнуты таким образом, что верхняя вогнутая поверхность каждой лопасти обращена к нижней выпуклой поверхности соседней лопасти. Длина лопастей в радиальном направлении увеличивается от яруса к ярусу в направлении сверху вниз. В аппарате процесс гидролиза газообразного гексафторида урана осуществляют с использованием раствора азотнокислого алюминия. Изобретение позволяет упростить конструкцию аппарата путем исключения вращающихся элементов, повысить надежность аппарата за счет исключения возможности локального перефторирования орошающего раствора и забивания аппарата и вентиляционного патрубка продуктами гидролиза ГФУ. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аппарат для гидролиза гексафторида урана, содержащий корпус, в верхней части которого расположены средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора, в котором расположено устройство для перемешивания гексафторида урана и орошающего раствора и который имеет в нижней части отверстие для слива полученного раствора, отличающийся тем, что средства для подачи гексафторида урана и орошающего раствора включают расширительную воронку, установленную в верхней части корпуса с возможностью подачи газообразного гексафторида урана через ее внутреннюю часть, а орошающего раствора - по ее внешней поверхности, при этом корпус выполнен в виде колонны, а устройство для перемешивания гексафторида урана и орошающего раствора представляет собой неподвижное завихрительное устройство, выполненное в виде лопастей, размещенных ярусами в периферийной зоне колонны и изогнутых таким образом, что верхняя вогнутая поверхность каждой лопасти обращена к нижней выпуклой поверхности соседней лопасти, а длина лопастей в радиальном направлении увеличивается от яруса к ярусу в направлении сверху вниз.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в нижней части колонны расположен вентиляционный патрубок, выполненный в виде полочного скруббера для улавливания остатков гексафторида урана.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что вокруг верхней части расширительной воронки образована распределительная чаша для орошающего раствора с отверстием в дне, образующим с расширительной воронкой кольцевой зазор для подачи орошающего раствора на ее внешнюю поверхность.