ЭЛЕКТРОЛИЗЕР С ОКСИДНО-УГОЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Полезная модель электролизера с оксидно-угольным электродом (анодом) применяется для получения металлов и их оксидов из расплава хлоридов в потенциометрическом режиме электролиза.
В качестве оксидно-угольного электрода (исходный материал) используется механическая смесь оксидов металлов с каменноугольным пеком, доведенная до пастообразного состояния, програнулированная и термически обработанная при температурах на 50°C выше температуры плавления расплава хлоридов.
На ряде технологических переделов в атомной промышленности (производство урансодержащих порошков, таблеток ядерного топлива) по разным причинам возникает брак материалов, а также аварийные просыпи, урансодержащие отложения и ТРО. В цветной металлургии также имеет место производство оксидов циркония, гафния, бериллия, РЗЭ, отходы этих производств в виде оксидов, которые необходимо утилизировать.
Практически широкий диапазон технологических переделов с оксидами поливалентных металлов свидетельствует о существенной значимости, целесообразности в настоящее время использования полезной модели электролизера для ликвидации брака оксидов, ТРО и особенно оксидов урана, обогащенных по изотопу урана-235.
Известно устройство для дезактивации радиоактивно загрязненных графитовых деталей уран-графитовых ядерных реакторов [Патент РФ №86343, приор, от 20.04.2009, опубл. 27.08.2009, МПК G21C 9/00], содержащее заполненную высокотемпературным электролитическим расплавом хлоридов щелочных металлов ванну с герметизирующей крышкой. Катод и анод, соединены верхними токоподводами с источником питания, причем катод выполнен пластинчатым, а анод - в виде корзины из перфорированного графита для размещения в ней радиоактивно загрязненных графитовых изделий.
Использование такой конструкции устройства предполагает осуществление с помощью средств механизации множества операций по загрузке-выгрузке, вводу-выводу анода-корзины, что усложняет процесс эксплуатации, а также способствует загрязнению электролита остатками анодной массы. Кроме того, в процессе электролиза объем анодной массы уменьшается и возникает возможность дозагрузки анода-корзины, что при использовании известного устройства осуществимо только в случае прерывания всего процесса.
Целью полезной модели является оптимизация процесса эксплуатации устройства, в том числе обеспечение возможности дозагрузки анода-корзины в процессе электролиза, без осуществления дополнительных операций при одновременном повышении чистоты конечного продукта.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемая конструкция электролизера содержит корпус с ванной, заполненной электролитом, и герметизирующую крышку, пластинчатый катод с токоподводом, анод-корзину с токоподводом.
От прототипа устройство отличается тем, что:
- анод-корзина стационарно закреплена на дне ванны, и предпочтительно имеет нижний токоподвод,
- содержит дозатор-питатель, установленный на одной вертикальной оси с анод-корзиной, причем геометрическая (теоретическая) плоскость, проходящая через вертикальную ось дозатора-питателя и анод-корзины и вертикальную ось катода делит поверхность дна ванны на две равные части,
- усеченный конус, определяющий направление движения загружаемой анодной массы.
- содержит перегородку, герметично разделяющую газовые объемы анодной части ванны от катодной и, установленную параллельно торцевым сторонам ванны,
- катод и анод-корзина заглублены так, что их верх выше низа перегородки.
Кроме того, устройство может содержать штуцеры для сдувки паров и газов, а также заслонку, герметизирующую проем ввода вакуум-ковша.
Предпочтительно устройство выполнено из термокоррозионностойкого материала и облицовано нержавеющей сталью.
Заявляемая конструкция позволяет оптимизировать процесс эксплуатации устройства за счет уменьшения количества механических операций и обеспечения возможности дозагрузки анода-корзины в процессе работы устройства. При этом благодаря минимизации операций по вводу-выводу элементов (например, анод-корзина с загрязненным материалом) из ванны, а также введению в конструкцию устройства перегородки достигается высокая чистота конечного продукта.
Конструкция поясняется фигурой, где изображен общий вид устройства, в соответствии с которой полезная модель содержит теплоизолированный нагреваемый корпус с ванной 2, заполненной расплавом 11 электролита, преимущественно расплавом хлоридов, герметизирующую крышку 3, пластинчатый катод 10 с верхним токоподводом 9 и анод-корзину 1 с токоподводом, причем анод-корзина 1 выполнена из перфорированного графита и имеет цилиндрическую форму с сетчатыми ячеистыми стенками.
Для сдувки паров и газов в устройстве выполнены штуцеры 7. В герметизирующей крышке 3 выполнена заслонка 6 для ввода вакуум-ковша (на рисунке не указан), с помощью которого из объема анод-корзины 1 могут быть извлечены механически взвешенные коллоидные частицы в качестве «вторичного» РАО.
Кроме того, в устройстве выполнена перегородка 8, установленная между анодной и катодной частью ванны параллельно ее торцевым сторонам и заглубленная под зеркало расплава И электролита, которая герметично разделяет газовые объемы анодной части от катодной и позволяет предотвратить турбулизацию потоков расплава 11 электролита. Катод 10 заглублен в расплаве 11 электролита таким образом, что его верх расположен выше низа перегородки 8.
Анод-корзина 1 предпочтительно имеет нижний токоподвод и стационарно закреплена на дне ванны так, что верх анод-корзины 1 находится выше низа перегородки 8. Такое исполнение анод-корзины 1 позволяет избежать необходимости дополнительного использования механизмов ее подъема и опускания и соответственно использования разъемного контактного узла.
В устройстве на одной вертикальной оси с анод-корзиной 1 установлен дозатор-питатель 5 исходного материала, поток загружаемого материала из которого направляется в анод-корзину 1 через усеченный конус 4, причем геометрическая (теоретическая) плоскость, проходящая через вертикальную ось дозатора-питателя 5 и анод-корзины 1 и вертикальную ось катода 10 делит поверхность дна ванны 2 на две равные части.
Электролизер выполнен из термокоррозионностойкого материала и облицован нержавеющей сталью. Герметичность и высокая степень теплоизоляции устройства минимизируют удельные показатели по энергопотреблению и материалоемкости.
Устройство работает следующим образом.
В ванну 2 загружаются исходные соли в заданной определенной пропорции и расплавляются. С помощью средств механизации катод 10 погружается под зеркало расплава 11 электролита.
Дозатор-питатель 5 выдает определенную порцию анодной массы, которая проходит потоком через усеченный конус 4, который направляет этот поток в центр анода-корзины 1, заполняя ее анодной массой до 95% от объема анод-корзины 1. После этого замыкается цепь постоянного тока и начинается электролиз в потенциометрическом режиме.
По мере анодного растворения ценного продукта из анодной массы, оставшаяся часть уменьшается в объеме, поэтому с помощью питателя-дозатора 5 не прерывая процесс электролиза может быть осуществлена дозагрузка исходной анодной массы, при условии, что верх загружаемого материала будет ниже верха анод-корзины 1.
По окончании процесса электролиза отключается цепь постоянного тока. С помощью вакуум-ковша (на фиг. не изображен) отбирается из объема анод-корзины 1 оставшаяся там масса («вторичное» РАО) и передается на последующую технологическую переработку.
Катод 10 с электроосажденным на нем ценным продуктом извлекается из ванны 2 и передается на последующую технологическую переработку.
Новый, подготовленный к работе катод 10 погружается в расплав 11 электролита.
Дозатор-питатель 5 снова выдает определенную порцию анодной массы в ванну 2. Замыкается электрическая цепь электролиза и очередной цикл электролиза начинается.
Таким образом, при использовании полезной модели достигается оптимизация процесса эксплуатации устройства за счет уменьшения количества операций по вводу-выводу элементов устройства и обеспечения возможности дозагрузки анодной массы в процессе электролиза. Кроме того, уменьшение количества таких операций ввода-вывода элементов через электролит в совокупности с использованием перегородки 8 позволяет повысить чистоту получаемого конечного продукта.
Одновременно следует указать, что при использовании оксидно-угольных электродов, содержащих оксиды Zr, Hf редкоземельные элементы и др. можно получать чистые цирконий, гафний, редкоземельные элементы при конструктивном оформлении данной полезной модели электролизера в потенциометрическом режиме.
Устройство ремонтнопригодно для дистанционных средств обслуживания, а его радиационная защита обеспечивает экологическую безопасность на рабочих местах.
Универсальность работы устройства заключается в том, что при потенциометрическом режиме эксплуатации аффинажа получается чистый металл из оксидов урана с разной степенью валентности, в том числе оксидов поливалентных металлов.