СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ДИОКСИДА УРАНА ИЗ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCTION OF URANIUM DIOXIDE POWDER FROM URANIUM HEXAFLUORIDE, AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Предложенная группа изобретений относится к области металлургии, а именно к получению порошка диоксида урана методом пирогидролиза.
Процессы пирогидролиза гексафторида урана перегретым водяным паром до уранилфторида и обесфторивания и восстановления пароводородной смесью уранилфторида до диоксида урана хорошо изучены и широко применяются в промышленности. Для осуществления данных реакций предложено большое количество реакторов, реакторов с псевдоожиженным слоем, реакторов с трубчатыми вращающимися печами (US 3547598, МПК C01G 43/02, опубликован 15.12.1970, FR 2060242, МПК C01G 43/00/G21, опубликован 18.06.1971, US 3765844, МПК C01G 43/02, опубликован 16.10.1973, GB 1548300, МПК C01G 43/02, F27B 7/06, опубликован 11.07.1979, ЕР 0148707, МПК C01G 43/025, опубликован 17.07.85, ЕР 0230087, МПК C01G/025, опубликован 29.07.1987, US 5757087, МПК C01G 43/00, опубликован 26.05.1998, RU 2162058, МПК C01G 43/025, опубликован 10.06.1999).
Общим недостатком данных решений является разделение химической реакции получения диоксида урана на несколько этапов, осуществляемых в разных узлах. Также в отдельных случаях могут возникать сложности с тем, что получаемый порошок диоксида урана является очень мелким, плохо текучим, имеет неудовлетворительные керамические свойства. Кроме того, в некоторых случаях использование сложных комплексов реакторов и трубчатых вращающихся печей приводит к затруднениям в контроле параметров процессов пирогидролиза и обесфторивания и обуславливает повышенные эксплуатационные затраты.
Наиболее близким по технической сущности является способ и установка для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, предложенные в патенте (RU 2381993, МПК С43/025, C01G 43/06, опубликован 20.02.2010). Данный способ включает подачу в предварительно разогретую первую реакционную зону реакционной камеры гексафторида урана и водяного пара, подачу во вторую реакционную зону реакционной камеры смеси водяного пара и водорода с созданием в этой зоне псевдоожиженного слоя для восстановления в ней полученного в первой реакционной зоне уранил-фторида до диоксида урана, выгрузку порошка из реакционной камеры и подачу его в печь, в которую вводят смесь водяного пара и водорода для обеспечения довосстановления непрореагировавшего уранилфторида, при этом полученный порошок охлаждают и стабилизируют смесью воздуха и азота, после чего измельчают порошок в помольном устройстве и через магнитный сепаратор загружают в бункер-влагомер, в котором измеряют влажность порошка по количеству проскоков нейтронов от излучателя к приемнику с последующей отбраковкой готового порошка с влажностью более 1%. Известная установка для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана содержит по меньшей мере одну обогреваемую реакционную камеру, имеющую фильтровальную зону, первую реакционную зону для превращения гексафторида в уранилфторид и вторую реакционную зону с газораспределительной решеткой для создания псевдоожиженного слоя для восстановления уранилфторида до диоксида урана, средства выгрузки и транспортировки полученного порошка диоксида урана и печь для довосстановления непрореагировавшего уранилфторида, и снабжена, по меньшей мере, одним соединенным с выходом печи стабилизатором-охладителем, с которым соединен бункер-влагомер с источником и детектором нейтронов, соединенный со средством подачи порошка в контейнер для кондиционного порошка и в контейнер для некондиционного порошка.
К недостаткам данного способа относится то, что реализуемый в данном способе и устройстве метод псевдооожижения эффективно используется лишь для относительно крупных порошков, имеющих средний медианный размер не менее 30-40 мкм. В случае же конверсии гексафторида урана в диоксид урана по вышеприведенному способу, средний медианный размер смеси порошков диоксида урана и уранилфторида не превышает 10-15 мкм. Данное обстоятельство приводит к тому, что используемые в первой реакционной зоне фильтрующие устройства, периодически регенерируемые импульсной продувкой сжатым азотом, требуют частой регенерации и не позволяют непосредственно возвращать уловленную тонкодисперсную часть порошка в нижнюю часть второй реакционной зоны, где происходит процесс восстановления уранилфторида до диоксида урана пароводородной смесью, агрегация и консолидация мелких частиц в более крупные частицы. Кроме того, накопление мелкодисперсных частиц на поверхностях фильтрующих устройств в течение периода между регенерациями и импульсная подача регенерирующего сжатого азота приводят к нестабильности гидравлического сопротивления фильтра, и, как следствие, к нестабильности гидродинамических параметров в рабочем объеме устройства. Интенсивная и многократная регенерация фильтров сжатым азотом приводит к частой замене применяемых в данной технологии дорогостоящих металлокерамических фильтров, что обуславливает повышенные эксплуатационные затраты. Кроме того, малые критические концентрации частиц, присущие методу псевдоожижения, определяют малое значение времени пребывания частиц уранилфторида в зоне реакции и, как следствие, малую степень превращения уранилфторида в диоксид урана в корпусе устройства, и ограниченную единичную производительность устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка технологического способа получения порошка диоксида урана с улучшенным качеством за счет более полной степени превращения уранилфторида в диоксид урана и повышение производительности установки за счет реализации процессов восстановления и довосстановления практически в подвижном плотном слое циркулирующей в рабочем объеме установки смеси порошков уранилфторида и диоксида урана.
Техническим результатом является повышение производительности установки и получение порошка диоксида урана с улучшенным качеством.
Технический результат достигается в способе получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, включающем подачу в предварительно разогретую первую реакционную зону реакционной камеры гексафторида урана и водяного пара, подачу во вторую реакционную зону реакционной камеры смеси водяного пара и водорода для восстановления в ней полученного в первой реакционной зоне уранилфторида до диоксида урана, довосстановление непрореагировавшего уранилфторида и выгрузку полученного порошка диоксида урана, при этом смесь водяного пара и водорода подают через по меньшей мере три сопла, расположенных в конической части второй реакционной зоны, в вертикальные трубы, расположенные соосно соплам, для создания восходящих прямоточных двухфазных потоков, представляющих собой смесь газообразной фазы из водяного пара, водорода, образовавшегося фтороводорода, с твердой из порошков диоксида урана и непрореагировавшего уранилфторида, поступающих в расположенные в сепарационной зоне дефлекторы, преобразующие восходящие прямолинейные двухфазные потоки в криволинейные для предварительного разделения твердой и газообразной фаз и непрерывной циркуляции смеси порошков диоксида урана и уранилфторида во второй реакционной зоне, с непрерывным отводом очищаемой газообразной фазы в систему разделения для окончательного отделения газообразной фазы от твердой с последующим возвратом твердой фазы в коническую часть реакционной камеры, а довосстановление непрореагировавшего уранилфторида проводят после получения определенного объема порошков диоксида урана и уранилфторида, не превышающего верхний уровень вертикальных труб, путем прекращения подачи гексафторида урана и водяного пара в первую реакционную зону и замены смеси водяного пара и водорода, подаваемых во вторую реакционную зону, на водород.
Технический результат также достигается за счет того, что установка для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана, содержащая по меньшей мере одну обогреваемую реакционную камеру, имеющую первую реакционную зону с коаксиальными соплами подачи в нее компонентов реакции для превращения гексафторида урана в уранилфторид и вторую реакционную зону для восстановления уранилфторида до диоксида урана, средство выгрузки, причем в коническая часть второй реакционной зоны снабжена по меньшей мере тремя соплами подачи смеси водяного пара и водорода в соответствующие вертикальные трубы, расположенные соосно соплам, при этом установка снабжена дефлекторами, расположенными в сепарационной зоне реакционной камеры и установленными соосно с каждой вертикальной трубой на выходе двухфазных потоков, представляющих собой смесь газообразной фазы из водяного пара, водорода, образовавшегося фтороводорода, с твердой из порошков диоксида урана и непрореагировавшего уранилфторида, и системой разделения для окончательного отделения газообразной фазы от твердой, состоящей из по меньшей мере одного пылеотделяющего устройства, расположенного в верхней части реакционной камеры, соединенного с входным патрубком выносного пылеотделяющего устройства.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что установка снабжена пылеотделяющим устройством, включающим циклон с пылеприемным бункером, коническая часть которого соединена со стояком, внутри которого с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения установлен шток, к нижней части которого прикреплен насадок конического типа, а к верхней, в месте перехода конической части пылеприемного бункера в стояк, - насадок биконического типа и очистные элементы в виде прутков, причем один из прутков расположен внутри рабочего объема циклона параллельно образующей конической части циклона, а второй закреплен и расположен параллельно образующей конической части пылеприемного бункера.
Выносное пылеотделяющее устройство расположено на уровне конической части второй реакционной зоны реакционной камеры и включает циклон с патрубком вывода отработавшего газа, пылеприемный бункер, соединенный со струйным эжектором, имеющим осевой патрубок подачи эжектирующего водорода, смешивающегося с частицами порошка диоксида урана и уранилфторида, поступающими из пылеприемного бункера, и их последующей подачи через выходной осевой патрубок эжектора в коническую часть второй реакционной зоны в пространство над верхним срезом сопла подачи водяного пара и водорода, соосного центральной вертикальной трубе.
На фиг. 1 показана схема установки для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана.
На фиг. 2 показано пылеотделяющее устройство, расположенное в верхней части реакционной камеры.
Установка для получения порошка диоксида урана из ГФУ состоит из обогреваемой реакционной камеры 1 с первой реакционной зоной 2 для превращения ГФУ в уранилфторид, со второй реакционной зоной 3 для восстановления уранилфторида до диоксида урана и с сепарационной зоной 4 для предварительного разделения твердой фазы, представляющей собой смесь порошков диоксида урана и уранилфторида, от газообразных водорода, водяного пара и образовавшегося фтороводорода, а также из системы разделения для окончательного отделения газообразной фазы от твердой фазы.
В первой реакционной зоне 2 в сопле подачи 5 водяного пара коаксиально расположено сопло подачи 6 ГФУ.
Вторая реакционная зона 3 имеет коническую часть 7, соединенную со средством выгрузки 8 полученного порошка диоксида урана из реакционной камеры 1. В конической части 7 второй реакционной зоны 3 расположены, по крайней мере три сопла подачи 9 смеси водяного пара и водорода для восстановленя уранилфторида, полученного в первой реакционной зоне 2 до диоксида урана, либо подачи водорода для довосстановления непрореагировавшего уранилфторида, полученного после накопления определенного объема смеси порошков диоксида урана и уранилфторида, не превышающего верхний уровень вертикальных труб 10, расположенных соосно соплам подачи 9.
В сепарационной зоне 4 расположены дефлекторы 11, установленные соосно с каждой вертикальной трубой 10 на выходе двухфазных потоков из них.
Система разделения для окончательного отделения газообразной фазы от твердой фазы состоит из пылеотделяющего устройства 12, расположенного в верхней части реакционной камеры 1, соединенного посредством обогреваемого трубопровода 13 с выносным пылеотделяющим устройством 14, расположенным на уровне конической части 7 второй реакционной зоны 3.
Пылеотделяющее устройство 12 включает входной патрубок 15, выхлопной патрубок 16, циклон 17, пылеприемный бункер 18, коническая часть которого соединена со стояком 19, внутри которого находится подвижный шток 20, с укрепленными на нем насадком 21 конического типа, расположенным во второй реакционной зоне 3, и насадком 22 биконического типа. Также к верхней части штока 20 прикреплены очистные элементы 23 и 24 (см. фиг. 2) в виде прутков, причем очистной элемент 23 расположен внутри рабочего объема циклона 17 параллельно образующей конической части циклона 17, а очистной элемент 24 расположен параллельно образующей конической части пылеприемного бункера 18. Шток 20 приводят во вращение и перемещают в вертикальном направлении при помощи реверсивного электродвигателя 25, управляемого микропроцессором (на фиг. 1 и фиг. 2 не показан) через штревельный механизм 26.
Выносное пылеотделяющее устройство 14 включает входной патрубок 27, патрубок вывода отработавшего газа 28, циклон 29, пылеприемный бункер 30, соединенный со струйным эжектором 31 с входным осевым патрубком 32 подачи эжектирующего водорода, смешивающегося с частицами порошка диоксида урана и уранилфторида, поступающих из пылеприемного бункера 30, и их последующей подачи через выходной осевой патрубок 33 в коническую часть 7 второй реакционной зоны 3 в пространство над верхним срезом сопла подачи 9, которое расположено соосно центральной вертикальной трубе 10.
Способ получения порошка диоксида урана осуществляют следующим образом.
В предварительно разогретую первую реакционную зону 2 через сопло подачи 6 ГФУ и через сопло подачи 5 водяного пара подают гексафторид урана и водяной пар соответственно. Одновременно осуществляют струйную подачу смеси водяного пара и водорода через по меньшей мере три сопла подачи 9, расположенных в конической части 7 второй реакционной зоны 3 обогреваемой реакционной камеры 1. Полученные в процессе реакции ГФУ и водяного пара частицы уранилфторида оседают под действием силы тяжести во вторую реакционную зону 3, где начинает протекать процесс восстановления уранилфторида до диоксида урана смесью водяного пара и водорода, агрегация и консолидация мелких частиц в более крупные частицы. Попадая в область струйной подачи смеси водяного пара и водорода через сопла подачи 9, частицы порошков уранилфторида и полученного порошка диоксида урана, смешиваясь с газообразной фазой, состоящей из водяного пара, водорода и образовавшегося фтороводорода, образуют восходящий двухфазный поток, который поднимается через вертикальные трубы 10 в сепарационную зону 4. При выходе из каждой из вертикальных труб 10 двухфазный поток взаимодействует с криволинейной поверхностью дефлекторов 11, расположенных в сепарационной зоне 4, что приводит к преобразованию восходящих прямолинейных двухфазных потоков в криволинейные, в которых возникают центробежные силы, способствующие отделению большей части твердой фазы от газообразной фазы.
Отделенные в сепарационной зоне 4 частицы оседают во вторую реакционную зону 3 реакционной камеры 1, образуя подвижный плотный слой медленно циркулирующего порошка, состоящего из частиц уранилфторида и диоксида урана. Достигая в процессе нисходящего движения области струйной подачи водяного пара и водорода через сопла подачи 9, частицы порошка снова контактируют со смесью водяного пара и водорода. Осуществляется дополнительное реагирование частиц непрореагировавшего уранилфторида и вынос их вместе с частицами диоксида урана в сепарационную зону 4 реакционной камеры 1.
Таким образом, осуществляют непрерывную циркуляцию и постепенное накопление определенного объема смеси порошков диоксида урана и уранилфторида, во второй реакционной зоне 3 реакционной камеры 1. Процесс накопления продолжают до тех пор, пока верхняя свободная поверхность смеси порошков диоксида урана и уранилфторида не приблизится к верхнему срезу вертикальных труб 10. После этого процесс подачи водяного пара и гексафторида урана через коаксиальные сопла подачи 5 и 6 прекращают, а через сопла подачи 9 вместо смеси водяного пара и водорода начинают подавать водород.
Далее происходит многократная циркуляция смеси порошков уранилфторида и диоксида урана в среде водорода и происходит процесс довосстановления с высокой степенью превращения уранилфторида в диоксид урана.
После достижения заданной степени превращения уранилфторида в диоксид урана включается средство выгрузки 8 и происходит выгрузка товарного порошка диоксида урана. Для реализации непрерывного процесса получения диоксида урана необходимо предусмотреть установку двух или нескольких параллельно включенных в технологическую линию установок.
Во время накопления определенного объема смеси порошков диоксида урана и уранилфторида и последующего довосстановления данной смеси до диоксида урана непрерывно работает система разделения для окончательного отделения газообразной фазы от твердой фазы, которая состоит из пылеотделяющего устройства 12, соединенного с выносным пылеотделяющим устройством 14.
Функционирует пылеотделяющее устройство следующим образом. Отработавший газовый поток с остатками частиц порошка диоксида урана и уранилфторида поступает через входной патрубок 15 в циклон 17, где взвешенные частицы под действием аэродинамических и центробежных сил, реализуемых в закрученном газовом потоке, отделяются от газа и поступают в пылеприемный бункер 18, коническая часть которого соединена со стояком 19. Очищенный газ поступает через выхлопной патрубок 16 и трубопровод 13 в выносное пылеотделяющее устройство 14. В начальный период времени подвижный шток 20 находится в верхнем положении и стояк 19 перекрыт насадком конического типа 21, а пылеприемный бункер 18 соединен кольцевой щелью со стояком 19, образующейся при поднятом насадке биконического типа 22. Происходит процесс накопления порошка в рабочем объеме пылеприемного бункера 18 и стояка 19. В определенный момент времени на реверсивный электродвигатель 25 поступает сигнал от микропроцессора на опускание подвижного штока 20, идет процесс выгрузки уловленного порошка во вторую реакционную зону 3 реакционной камеры 1. В этот момент место сопряжения стояка 19 с конической частью пылеприемного бункера 18 перекрыто насадком биконического типа 22, а нижняя часть стояка 19 открыта для выгрузки порошка за счет кольцевого зазора между насадком конического типа 21 и нижним срезом стояка 19. Через наперед заданный промежуток времени, формируемый микропроцессором (не показан), включается реверсивный электродвигатель 25 и за счет штревельного механизма 26 происходит подъем подвижного штока 20 в верхнее положение с одновременным вращением подвижного штока 20 вокруг оси. При вращении штока вокруг своей оси происходит вращение закрепленных на нем очистных элементов 23 и 24, см. фиг.2, что препятствует образованию отложений смеси порошков уранилфторида и диоксида урана на стенках циклона 17 и конической части пылеприемного бункера 18.
Выносное пылеотделяющее устройство функционирует следующим образом. Очищенный газовый поток с остатками мелких частиц порошка диоксида урана и уранилфторида поступает по обогреваемому трубопроводу 13 через входной патрубок 27 в циклон 29, где взвешенные мелкие частицы под действием аэродинамических и центробежных сил, реализуемых в закрученном газовом потоке, отделяются от газа в пылеприемный бункер 30, соединенный со струйным эжектором 31, работающем на сжатом водороде. Создаваемое эжектором 31 разрежение позволяет организовать отсос части газа вместе с уловленными в пылеприемном бункере 30 частицами порошка и их подачу в коническую часть 7 второй реакционной зоны 3 в пространство над верхним срезом сопла подачи 9, которое расположено соосно центральной вертикальной трубе 10.
Таким образом, разработан технологический способ получения порошка диоксида урана с улучшенным качеством за счет более полной степени превращения уранилфторида в диоксид урана с повышенной производительностью установки за счет реализации процессов восстановления и довосстановления практически в подвижном плотном слое циркулирующей в рабочем объеме установки смеси порошков уранилфторида и диоксида урана.