СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА
URANIUM HEXAFLUORIDE OBTAINING METHOD

Изобретение относится к химической технологии, конкретно - к технологии получения гексафторида урана (далее ГФУ) путем обработки соединений урана (окислы, тетрафторид урана и др.) элементным фтором. ГФУ используется в атомной энергетике для обогащения различной степени по урану 235 диффузией или центрифугированием.
Известен способ переработки газов, полученных после фторирования тетрафторида урана газообразным фтором (пат. 2070860, РФ, 1996 г.) - их охлаждают до температуры минус 75-81°С, а конденсат фильтруют с отделением осадка твердого ГФУ от безводного HF.
Известен также способ получения ГФУ путем обработки в 10% избытке фтора тетрафторида урана или окислов урана в пламенном реакторе - далее ПР (см. Н.П.Галкин, Б.Н.Судариков и др. «Технология урана», Атомиздат, 1964 г.) - прототип 1. По этому способу технологический газ из пламенного реактора с температурой 450-600°С (зависит от производительности реактора) охлаждают до 150°С в трубе, снабженной паровой рубашкой, и пропускают через металлокерамические никелевые фильтры (далее МКФ). Затем газы поступают в охлаждаемый конденсатор, где ГФУ конденсируется в виде твердого порошка. Отходящие газы пропускают через установку частичного фторирования исходного урансодержащего сырья. После фторирования твердые продукты направляют в пламенный реактор (далее ПР), отходящие газы проходят через низкотемпературные конденсаторы, неконденсирующиеся газы сбрасываются в атмосферу через вытяжную трубу.
В указанных способах охлаждение реакционных газов осуществляется в поверхностном теплообменнике за счет конвекции.
В промышленном производстве ГФУ используется также охлаждение газов ПР за счет конденсационно-испарительного теплообмена, когда на внешней поверхности трубчатки теплообменника сначала конденсируется слой кристаллического ГФУ, затем подачу хладоносителя в трубчатку теплообменника прекращают, отвод тепла происходит за счет теплоты сублимации кристаллического ГФУ (авторское свидетельство №315311) - прототип 2. Конденсационно-испарительный теплообмен (в дальнейшем КИТ) позволяет увеличить производительность пламенного реактора относительно конвективного теплообмена.
Способ получения ГФУ по прототипу осуществляется следующим образом. В ПР подают порошкообразные урансодержащие соединения и технический фтор с избытком относительно стехиометрии к урану (как правило, 6-8 %). В реакторе при небольшом избыточным давлении относительно атмосферного и при температуре до 1200°С происходит образование ГФУ. Реакционные газы из ПР направляются в теплообменник, трубчатка которого состоит из 7 секций, каждая из них подключена к системе подачи хладоносителя. В зависимости от производительности ПР используются режимы охлаждения либо конвективный, либо конденсационно-испарительный, в обоих случаях температура газов, выходящих из теплообменника, во избежание разрушения металлокерамического фильтра, не должна превышать 180°С.
В конвективном режиме во все секции теплообменника подается вода из смесителя с температурой 65÷75°С.
субл.
В режиме КИТ (используемом при более высокой производительности ПР) находятся все 7 секций теплообменника. Процесс теплообмена осуществляется следующим образом: через секцию поступает вода с температурой 5-20°С в течение 15 минут. Затем подача воды прекращается. При этом на наружной поверхности секции происходит десублимация гексафторида урана, вода, находящаяся в секции, за счет отходящих газов разогревается, одновременно происходит разогрев кристаллического ГФУ с его сублимацией (t 56,54°С при Р 101,3 кПа). При достижении температуры воды в секции 65-75°С через секцию вновь поступает вода с температурой 5-20°С.
Указанные способы обеспечивают промышленную наработку ГФУ, но обладают следующими недостатками.
1. Работа теплообменника в конвективном режиме не позволяет интенсифицировать процесс фторирования при более высоких нагрузках по фтору (теплосъем не превышает 50%). Кроме того, через 30-40 суток эксплуатации эффективность охлаждения газа снижается. Это влечет за собой снижение производительности, необходимость держать в резерве громоздкое и дорогостоящее оборудование, увеличение эксплуатационных затрат. Температура газа на входе в фильтрующее устройство превышает допустимое значение, что влечет за собой повышенную коррозию фильтрующих элементов вплоть до их отказа в работе. Это происходит в результате отложений на поверхности труб плотного осадка нелетучих фторидов примесных соединений и урана. Для удаления осадка теплообменник выводится из технологической схемы и подвергается гидролизу при обработке водой. Такая операция, в свою очередь, вызывает коррозию материала теплообменника, продукты которой ухудшают теплообмен, снижают эффективность охлаждения технологического газа, ускоряют выход теплообменника из строя. Следует отметить также высокое содержание урана (до 68%) в пыли, отфильтрованной на МКФ из газового потока.
2. Работа теплообменника в режиме КИТ используется при повышенной подаче фтора в ПР (теплосъем составляет 62-64%). Недостаток данного режима заключается в высоких перепадах давления в теплообменнике, связанных с процессами десублимации-сублимации ГФУ. Существенным недостатком является постоянное присутствие на поверхности секций большой массы десублимированного ГФУ. В аварийных ситуациях или при кратковременных остановках производства это создает опасные ситуации, связанные с возможностью обрушения его в пламенный реактор, или требуется длительная операция постепенной сублимации ГФУ с секций теплообменника продувкой их горячим воздухом.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы теплообменника, снижение затрат на его эксплуатацию, увеличение производительности ПР и срока службы фильтрующих элементов, стабилизация технологических параметров процесса получения ГФУ и повышение его качества, исключение опасных ситуаций, связанных с неуправляемым количеством кристаллического ГФУ на трубчатке теплообменника.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения ГФУ, включающем операции: фторирования твердого урансодержащего сырья в пламенном реакторе; охлаждения технологического газа, выходящего из реактора, в теплообменнике, представляющем собой корпус с рубашкой охлаждения, в котором вертикально размещены петлеобразные трубки, по которым подается хладоноситель с автоматическим регулированием подачи хладоносителя; очистки охлажденного газа от пыли на МКФ; десублимации ГФУ из газового потока в конденсаторе; улавливания остаточных уранфторсодержащих компонентов на исходном урансодержащем сырье из газа, выходящего из десублиматора ГФУ, охлаждение реакционного газа ПР в теплообменнике осуществляют путем поочередно-периодической подачи хладоносителя в секции трубчатого теплообменника, таким образом, чтобы часть секций (обычно пять или шесть из семи) работала в режиме, исключающем десублимацию ГФУ, для чего в них подают воду с температурой 65-75°С, а остальные секции (обычно одна или две) - в режиме осаждения из газа на стенках ГФУ с последующей возгонкой, подачу хладоносителя в эти секции трубчатки осуществляют в течение 5-15 минут, после чего подачу хладоносителя прекращают, по достижении температуры хладоносителя в секции до 60-65°С открывают подачу хладоносителя при указанной температуре, одновременно подают хладоноситель при температуре 5-20°С в следующую секцию теплообменника. Предлагаемый способ имеет следующее обоснование.
1. Комбинирование конвективного и конденсационно-испарительного теплообмена путем поочередно-периодической подачи хладоносителя в секции трубчатого теплообменника позволяет дополнительно к конвективному теплообмену использовать конденсационно-испарительный режим теплообмена за счет теплоты испарения ГФУ, что обеспечивает возможность повышения производительности реактора на 15-20%.
2. Одновременно обеспечивается поочередная очистка поверхности труб от осадков примесных соединений, которые далее выносятся потоком газа и отфильтровываются на керамическом фильтре. Срок безотказной работы трубчатки теплообменника по загрязнению ее поверхности увеличивается в 2 раза. Содержание лимитируемых примесей в пыли МКФ повышается, содержание урана понижается, что способствует улучшению качества основной продукции.
3. Обеспечивается стабильная работа реактора по давлению.
4. Обеспечиваются надежность и безопасность работы технологической схемы: системой управления с целью максимального увеличения теплосъема задается время конденсации в пределах 5-15 минут для наращивания оптимального слоя гексафторида урана на поверхности трубок секций, работающих в режиме десублимации гексафторида урана, что исключает несанкционированный сброс ГФУ с поверхности трубок, значительно упрощается подготовка теплообменника к остановке производства.
Новый способ осуществляют следующим образом. В ПР через дозирующее устройство подают порошкообразное урансодержащее соединение и технический фтор в заданном соотношении (с избытком фтора 6-8 %). Реакционный газ ПР направляют в теплообменник, состоящий из корпуса с рубашкой охлаждения и семи вертикально расположенных трубчатых секций, в которые подается хладоноситель. При этом шесть или пять секций выводят на конвективный режим (в трубчатку подают воду из смесителя с температурой 65-75°С), одну или две секции - в режим десублимации гексафторида урана с последующей возгонкой (подают воду с температурой 5-20°С в течение 5-15 минут, в зависимости от производительности). По истечении заданного времени подачу холодной воды прекращают, идет процесс разогрева секции и возгонки ГФУ с поверхности трубчатки за счет отходящих газов. Когда температура воды в секции достигает 60-65°С, она переводится в конвективный режим т.е. в нее поступает вода из смесителя с температурой 65-75°С. В этот момент в режим десублимации гексафторида урана переводят следующую секцию, остальные секции эксплуатируют в конвективном режиме. Охлажденный газ подают на МКФ, отфильтрованная пыль ссыпается в сборник пыли (пыль МКФ направляют на гидрометаллургический передел). Далее технологический газ направляют в десублиматоры, снабженные приемными контейнерами десублимированного ГФУ, и на установку улавливания уранфторсодержащих компонентов на исходном урансодержащем сырье. Продукты улавливания направляют в ПР, отходящие газы после нейтрализации сбрасывают в атмосферу.
Ниже приводятся результаты промышленных опытов (при переработке тетрафторида урана) по новому способу в сравнении с прототипами.
Влияние режима работы теплообменника на эффективность теплосъема представлено в таблице 1.
Таблица 1
Режим работы теплообменника
Подача фтора в ПР, м<sup>3</sup>/час
Температура газа на входе в т/о, °С
Температура газа на выходе из т/о, °С
Базовый, конв.
120
260
125
Базовый, КИТ
180
380
180
Базовый, КИТ
175
375
145
Новый
192
400
160
Новый
245
440
175
Из таблицы 1 следует, что новый способ позволяет значительно увеличить производительность ПР.
Содержание примесей в пыли МКФ представлено в таблице 2.
Таблица 2
Режим работы теплообменника
U, мас.%
Содержание примесей, мас.%
Мо
W
Cr
V
Ti
Базовый, конв.
39
0,00061
0,0002
0,63
0,0002
0,3
Базовый, конв.
50
0,00079
0,0002
0,6
0,0002
0,19
Базовый, конв.
68,7
-
-
0,0003
-
0,023
Базовый, КИТ
42,6
0,0002
0,0004
0,1
0,0002
-
Базовый, КИТ
55,9
0,0008
0,0004
0,1
0,0002
-
Новый
32,4
0,008
0,002
0,23
0,002
0,5
Новый
20,5
0,00057
0,0004
1,2
0,002
0,69
Новый
36,9
0,0013
0,001
0,72
0,001
0,21
Из таблицы 2 следует, что при работе по предлагаемому способу содержание урана в пыли МКФ ниже, а содержание примесей выше, чем в способе по прототипам, что способствует улучшению качества ГФУ.