Установка для очистки галогенидных солей
APPARATUS FOR PURIFYING HALIDE SALTS

Изобретение относится к области химической технологий и может быть использовано для получения особо чистых галогенидных солей методом зонной перекристаллизации, применяемых, в частности, при пирохимической переработке ядерного топлива, химическом и электрохимическом синтезе элементов и соединении в получаемых солях.
Очистка галогенидных солей методом зонной перекристаллизации основана на различии температуры кристаллизации компонентов в расплаве галогенидных солей - целевых компонентов (например, LiCl, KCl, LiCl-KCl) и примесей, в частности, кислород-содержащих. Последние образуют с основными компонентами более легкоплавкие эвтектики и в жидком состоянии за счет создаваемого градиента температур перемещаются в конец слитка. Далее фракция перекристаллизованной соли механически разделяется на очищенную фракцию и фракцию с повышенной концентрацией примесей.
Оборудование для реализации этого процесса известно. По составу оборудования в качестве прототипа взята установка (Б.Д. Степин, Методы получения особо чистых неорганических веществ, 1969). Установка содержит узел зонной перекристаллизации соли, а также оборудование для вспомогательных операций с очищаемой. солью, таких как дробление, взвешивание, хранение очищаемой соли, а также засыпание ее в тигли для проведения исследований и др. Узел, зонной перекристаллизации соли содержит контейнер с очищаемой солью, помещенный в кварцевую трубу, торцевые крышки из вакуумной резины или фторопласта, которыми закрывают кварцевую трубу, нагреватель, выполненный с возможностью перемещения вдоль кварцевой трубы.
Кварцевую трубу располагают на специальных подставках под углом около 1° к горизонту во избежание вытекания расплавленной соли из контейнера, закрывают торцевыми крышками, вакуумируют и заполняют очищенным от примесей инертным газом. Перекристаллизация происходит при передвижении нагревателя вдоль кварцевой трубы. При достижении нагревателем крайнего положения контейнера, нагрев отключают, и нагреватель перемещают с исходное положение для повторной перекристаллизации. После однократной или многократной перекристаллизации контейнер с очищенной солью извлекают из кварцевой трубы и перемещают в бокс с инертным газом для выполнения дальнейших операций с солью, таких как дробление, взвешивание, хранение, засыпание в тигли для проведения исследований.
При этом, как известно, все вспомогательные операции с очищаемой солью осуществляются либо на воздухе, либо в боксе с инертным газом, что предотвращает контакт с атмосферой азота или влажного воздуха при проведении этих операций. Однако загрузка исходной соли в контейнер с очищаемой солью и выгрузка очищенной соли производится в условиях ее контакта с атмосферой азота или влажного воздуха, что существенно снижает эффективность процесса очистки соли, что в свою очередь приводит к необходимости многократного повторения процесса зонной перекристаллизации.
Задача настоящего изобретения заключается в повышении эффективности и сокращении длительности процесса очистки соли за счет минимизации контакта соли с атмосферой азота или влажного воздуха и снижения циклов перекристаллизации соли.
Предложена установка для очистки галогенидной соли, которая, как и установка - прототип содержит узел зонной перекристаллизации соли, систему подачи инертного газа, а также помещенное в перчаточный бокс с инертным газом оборудование для осуществления вспомогательных действий с очищаемой солью, при этом узел зонной перекристаллизации соли содержит контейнер с очищаемой солью, помещенный в кварцевую трубу, торцевые крышки для герметизации контейнера, нагреватель, выполненный с возможностью перемещения вдоль кварцевой  трубы.
В отличие от прототипа, перчаточный бокс оснащен шлюзом, перчаточный бокс и шлюз выполнены с возможностью размещения в каждом из них узла перекристаллизации и соединены между собой, а также с системой подачи инертного газа таким образом, что имеют единое газовое пространство, позволяющее осуществлять все операции, начиная с исходной, то есть вскрытия заводской упаковки, и заканчивая операциями с очищенной солью, в едином газовом пространстве. Это существенно повышает эффективность процесса очистки соли за счет минимизации контакта исходной и очищенной соли с атмосферой азота или влажного воздуха и исключения многократного повторения процесса зонной перекристаллизации.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в минимизации контакта очищаемой соли с отличной от инертного газа атмосферой для всех операций очистки галогенидной соли, включая загрузку исходной соли в контейнер с очищаемой солью и выгрузку очищенной соли.
Изобретение иллюстрируется рисунком, где изображен общий вид заявляемой установки.
Установка содержит, последовательно размещенные на одном рабочем столе, установленный на опорах, узел зонной перекристаллизации 1, содержащий контейнер с очищаемой солью 2, помещенный в кварцевую трубу 3, торцы которой закрывают крышками 4, в качестве нагревателя кольцевую печь 5, оснащенную устройством ее перемещения 6 вдоль кварцевой трубы 3. Установка содержит помещенное в перчаточный бокс 7 с инертным газом оборудование для вспомогательных действий с очищаемой солью: измельчитель солей 8, весы аналитические 9, контейнер для хранения солей 10, выполняющий, в том числе, функцию кварцевого реактора для проведения необходимых исследований, ниша 11 в столешнице для хранения солей, реторту для сушки и переплавки солей 12. Бокс 7 снабжен шлюзом 13 и газоанализаторами, позволяющими контролировать и поддерживать состав газа внутри бокса 7 и шлюза 13. В результате узел зонной перекристаллизации и исходные соли в заводской упаковке могут быть перемещены в бокс 7 через шлюз 13. Снаружи бокса 7 располагаются система подачи инертного газа, включающая блок подачи и очистки инертного газа 14, форвакуумный насос 15 и стационарную печь перчаточного бокса 16. Эта система настолько объемная, что ее нецелесообразно размещать непосредственно в боксе 7. Тем не менее, она связана с боксом 7 шлангами либо трубами и, по сути, имеет единое газовое пространство, либо контур.
Герметизация шлюза и бокса осуществляется при помощи дверок 17. Установка содержит блок управления, печью 18 и портативный персональный компьютер 9.
На рисунке - положение узла зонной перекристаллизации в процессе очистки А, положение узла зонной перекристаллизации внутри шлюза перчаточного бокса в ходе перемещения между узлами Б, положение узла зонной перекристаллизации внутри перчаточного окса, в процессе загрузки-выгрузки, соли В.
Установка работает следующим образом. Исходную индивидуальную галогенидную соль, например, LiCl или KCl квалификации "Ч", "ХЧ", "ЧДА" или "ОСЧ" в таре производителя (банке, полиэтиленовом пакете) загружают через шлюз 13 в перчаточный бокс 7. Внутри бокса 7 соль предварительно сушат в тигле реторты, размещаемой в печи, путем вакуумирования и поэтапного нагревания. Для вакуумирования реторты используется форвакуумный насос 15, а нагревание соли осуществляют, в частности, по следующему режиму:
- нагрев до 150°С в течение 120 мин.;
- выдержка при 150°С в течение 60-600 мин.;.
- нагрев до 450°С в течение 100 мин.
После охлаждения тигля определенное количество высушенной соли дробят, загружают в контейнер 2 и размещают в кварцевой трубе 3 узла зонной перекристаллизации, расположенного в положении В. Кварцевую трубу с контейнером герметизируют в перчаточном боксе 7 с помощью торцевых крышек и извлекают из перчаточного бокса в шлюз 13 - положение Б, и далее из шлюза в положение А.
Процесс зонной перекристаллизации соли ведут, перемещая кольцевую печь 5 относительно контейнера с очищаемой солью 2, установленного в кварцевой трубе 3, со скоростью от 2 до 15 см/ч. Температура печи должна обеспечить плавление соли на участке контейнера длиной не более 60-80 мм и не более половины линейного размера (диаметра, ширины) сечения контейнера. Количество проходов кольцевой печи вдоль контейнера составляет преимущественно от 1 до 3, и зависит от чистоты соли и режимов процесса перекристаллизации, которые подбираются экспериментально.
В процессе зонной перекристаллизации кварцевую трубу продувают инертным газом (в частности, сухим аргоном) в направлении движения кольцевой печи со скоростью, необходимой для достижения требуемых показателей очистки солей, определяют экспериментально в процессе испытаний установки.
После остывания контейнера с очищенной солью кварцевую трубу 3 отключают от системы продувки газа и перемещают из положения А, через шлюз 13 в перчаточный бокс 7, где контейнер с очищаемой солью 2 извлекают и выгружают из него, соль в виде переплавленного слитка. От него отделяют участок, содержащий примеси (определяется экспериментально), а чистую соль загружают в контейнер для хранения солей 10 (кварцевый реактор) для проведения необходимых исследований, таких, например, как исследование пирохимической переработки ядерного топлива или исследование химического и электрохимического синтеза элементов и соединений в получаемых солях.
Полученные вышеописанным способом индивидуальные соли используют в дальнейшем для приготовления солевых смесей, например LiCl-KCl.
Состав газовой атмосферы в установке непрерывно может контролироваться и корректироваться при помощи газоанализаторов, системой газоочистки 14 и портативного персонального компьютера, предусмотренными в составе установки.
В частном исполнении работающий узел зонной перекристаллизации может быть расположен непосредственно в перчаточном боксе с газоанализаторами с вертикально или горизонтально расположенным шлюзом, при этом должна быть предусмотрена система охлаждения и вентилирования внутреннего пространства бокса, а также возможность замены элементов узла зонной перекристаллизации через шлюз.
Таким образом, предложенная установка может быть использована для получения особо чистых галогенидных солей методом зонной перекристаллизации с минимизацией контакта очищаемой соли с отличной от инертного газа атмосферой для всех операций очистки галогенидной соли, включая загрузку исходной соли в контейнер с очищаемой солью и выгрузку очищенной соли.