ЭЛЕКТРОЛИЗЕР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РАСПЛАВЛЕННЫХ СОЛЕЙ

Устройство относится к металлургической, химической и радиохимической промышленности и предназначено для проведения электрохимических и химических процессов в солевых расплавах, в основном для переработки и получения различных электропроводных веществ (металлов, оксидов и др.) электролизом расплавленных солей, например, для получения кристаллического диоксида урана или МОКС -топлива, электрохимической регенерации отработавшего ядерного топлива.
Известен электролизер для получения кристаллического диоксида урана из расплавов хлоридных солей (А.V.Bychkov, S.К.Vavilov, О.V.Skiba at al., Pyroelectrochemical Reprocessing of Irradiated FBR MOX Fuel. III. Experiment on High Burn-up Fuel of the BOR-60 Reactor, GLOBAL'97), включающий обогреваемый электрическим нагревателем металлический корпус с ванной (тиглем), содержащей электролит и служащей анодом, охлаждаемую крышку с патрубками для выхода газов, цилиндрический катод и трубы подачи газа-реагента в расплав. Для приготовления электролита на место катода устанавливается труба перемешивающего пульсирующего устройства. Все детали электролизера, контактирующие с расплавом (ванна, катод, трубы) выполнены из пироуглерода.
Электролизер работает следующим образом. Сначала в ванну через отверстие в крышке загружают необходимое количество солей, перерабатываемых оксидов урана и, включив нагреватель, переводят соли в жидкое состояние (расплавляют). В крышку электролизера устанавливают перемешивающее устройство, через газоподводящую трубу в расплав подают газ-реагент хлор и приводят в действие перемешивающее устройство. После хлорирования (растворения) оксидов урана в расплаве из электролизера извлекают перемешивающее устройство, на его место устанавливают катод и включают ток электролиза. На катоде выделяется осадок кристаллического диоксида урана, а анодный газ хлор выходит из расплава и удаляется через патрубок в крышке. По окончании процесса электролиза катод с осадком диоксида урана извлекают и снимают осадок. После загрузки следующей порции оксидов урана и дозагрузки солей процесс хлорирования и электролиза повторяют. По окончании переработки партии продукта электролизер охлаждают, снимают крышку и извлекают застывший электролит.
Основными недостатками описанного электролизера являются:
- периодичность работы (процессы растворения исходных веществ и электролиза выполняются последовательно);
- необходимость проведения операций установки и удаления перемешивающего устройства, установки катода, извлечения катода и съема осадка и связанные с этим затраты времени;
- разгерметизация электролизера при выполнении этих операций, влекущая выход в атмосферу горячих газов и паров электролита и попадание в электролизер кислорода воздуха, приводящее к окислению его углеграфитовых частей;
- получаемый массивный катодный осадок далее требуется дробить.
Известен «Электролизер для получения металлов из расплавленных солей» (А.С. №387031, БИ №27, 1973). Он состоит из обогреваемой ванны, содержащей расплавленный солевой электролит, крышки с патрубками и размещенных в ванне анода, горизонтально расположенного над анодом полого барабанного катода с отверстиями на торцах, закрепленного на полом валу, имеющего привод для вращения. Внутри одной полости вала размещен толкатель для загрузки перерабатываемого вещества в полость катода, а в другой полости вала - трубка ввода газа в расплав, находящийся внутри барабанного катода. К наружной поверхности барабанного катода прижимается устройство (нож) для съема осажденного продукта в приемник.
В отличие от аналога в данном электролизере ведутся одновременно и непрерывно процессы химического растворения в расплаве исходных перерабатываемых веществ и электролиза с образованием катодного осадка, а также операции загрузки исходных веществ, съема катодного осадка с катода без его извлечения из электролизера и, соответственно, без разгерметизации электролизера.
Для этого сначала в ванну загружают и расплавляют соли, расплав поступает в полость катода через отверстия в торцах, а загружаемые туда через полый вал катода исходные вещества растворяют газообразным реагентом, вводимым через изогнутую трубку с другой стороны полого вала вращающегося катода. Образующийся электролит перетекает из катода в ванну и обратно. Включают ток электролиза. Выделяющиеся при электролизе на цилиндрической поверхности вращающегося катода кристаллический продукт снимается прижимаемым к катоду ножом и выгружается в приемник ссыпанием, при этом в полость катода периодически или непрерывно подгружают исходные вещества и продолжают подавать газ для их растворения. Выделяющийся при электролизе анодный газ и избыточная часть газа, используемого для растворения перерабатываемого материала первоначально и в течение электролиза, отводятся через патрубок в крышке электролизера.
Недостатками электролизера являются:
- сложность конструкции;
- осуществляется только химическое растворение перерабатываемого вещества;
- возможность попадания нерастворившихся частиц исходного перерабатываемого вещества, загружаемого в полость катода, в катодный осадок (продукт), осаждаемый на наружной поверхности катода-барабана;
- размещение катода над анодом приводит к «обмыванию» его анодным газом и уменьшению катодного выхода продукта;
- не исключается осаждение катодного продукта на торцах барабанного катода, съем которого не предусмотрен.
Конструкция рассматриваемого электролизера очень сложная. Это полый барабанный катод, установленный на полом валу, а также размещение в одной полости вала устройства-толкателя загружаемых материалов, а в другой изогнутой трубы подачи газа-реагента. Эти детали необходимо изготавливать из трудно обрабатываемых углеграфитовых композиций, керамики и специальных сплавов, коррозионностойких при высоких температурах к агрессивным расплавленным электролитам (например, хлоридными солями) и газам (хлору, кислороду и др.). Сложны уплотнения для герметизации неподвижных и вращающихся частей электролизера.
Недостатком электролизера является также то, что постоянное химическое растворение перерабатываемых веществ в расплаве с помощью газа-реагента в течение всего процесса обычно требует большой его избыток, и имеются трудности согласования скоростей растворения веществ и катодного выделения продукта.
Задачей данного технического решения является упрощение конструкции электролизера, позволяющего непрерывно и одновременно вести процессы электрохимического и химического растворения перерабатываемого вещества в расплавленных солях, катодного осаждения из расплава кристаллического продукта,
Поставленная задача решается тем, что электролизер непрерывного действия для расплавленных солей, содержащий обогреваемую ванну с крышкой, устройство для загрузки перерабатываемого вещества, трубу подачи в расплав газа-реагента, устройство для съема катодного осадка и извлечения его из электролизера, размещенные в ванне анод и цилиндрический катод на горизонтальном валу с приводом для вращения, перемешивающее устройство, снабжен перегородкой, проницаемой для расплава, разделяющей электролизер на катодную и анодную части, причем устройство для загрузки перерабатываемого вещества, труба подачи в расплав газа-реагента, перемешивающее устройство размещены в анодной части ванны а катод снабжен торцевыми изоляторами.
Электролизер дополнительно снабжен трубой для подачи газа в катодную его часть для корректировки состава расплава.
При использовании для изготовления ванны электропроводного материала анодом является сама ванна, при этом ее катодная часть экранирована изолирующим материалом.
Избыточную часть газа-реагента и выделяющийся анодный газ с помощью компрессора возвращают в электролизер.
Предлагаемый электролизер изображен в разрезе на фиг.1., на фиг.2. показан вид на электролизер сверху с частичным разрезом по оси катода.
Электролизер содержит корпус 1 с ванной 2 из непроводящего материала, обогреваемый нагревателем 3. Внутри ванны размещена проницаемая для расплава (пористая) перегородка 4, анод 5, токоподвод к нему 6, цилиндрический катод 7 с торцевыми изоляторами 8, закрепленные гайками 9 на валу 10, который снабжен скользящим токоподводом 11, приводом вращения 12 и опирается на подшипники 13 из изолирующего материала, снабженные уплотнениями («сальниками») 14. Корпус 1 с помощью прокладки 15 герметично закрыт крышкой 16, имеющей рубашку охлаждения 17. Крышка снабжена патрубком для выхода газов 18, двумя патрубками 19 для датчиков контроля состава электролита в катодном и анодном частях расплава, патрубком для трубы 20 подачи корректируещего газа в катодную часть расплава. На анодной части крышки имеются патрубки для установки: - устройства загрузки солей и перерабатываемых веществ 21, - трубы 22 подачи в расплав газа-реагента и газа для корректировки состава расплава, - перемешивающего устройства 23, - токоподвода 6 к аноду 5. К цилиндрическому катоду 7 прижимается нож 24, изолированный от крышки 16 и состыкованный с коробчатым лотком 25, прикрепленным к крышке 16, к нижней части лотка герметично присоединен контейнер-сборник 26. Все патрубки с устройствами герметизированы уплотнениями.
При изготовлении ванны из электропроводных, например, углеграфитовых материалов Катодную часть ванны 2экранируют изолирующим материалом 27.
Электролизер работает следующим образом. Сначала в ванну 2 с помощью загрузочного устройства 21 загружают необходимое количество соли и, включив нагреватель 3, ее переводят в жидкое состояние (расплавляют). Затем тем же загрузочным устройством 21 в расплав 28 на анод 5 загружают перерабатываемое вещество, через трубу 22 подают газ-реагент и включают перемешивающее устройство 21, в основном пульсирующего типа. Производится химическое растворение перерабатываемого вещества в расплаве солей - приготовление электролита. При достижении необходимого состава электролита за проницаемой перегородкой 4, в катодной части ванны, включают ток электролиза через токоподводы 6 (к аноду 5) и 11 к валу 10 катода 7. Проницаемая перегородка 4 препятствует механическому попаданию частиц перерабатываемого вещества и анодного газа к катоду 7. Катод 7 вращают валом 10 с помощью привода 12 непрерывно или периодически, в зависимости от того, какого вида катодный осадок надо получать, который также при вращении катода снимают ножом 24 и по лотку 25 он попадает в контейнер-сборник 26.
При электролизе, в зависимости от тока, на аноде 5 происходит анодное электрохимическое растворение перерабатываемого вещества, или одновременное анодное растворение и выделение анодного газа, который также принимает участие в процессе растворения как газ-реагент. Эти анодные процессы значительно, примерно на 80-90%, позволяют сократить внешнюю подачу газа-реагента, оставить только то его количество, которое необходимо для компенсации анодных потерь.
По мере необходимости в электролизер с помощью загрузочного устройства 21 загружают перерабатываемое вещество, а также соли для компенсации потерь электролита, захватываемого катодным осадком продукта.
Режимы вращения цилиндрического катода 7 - непрерывный с разной скоростью или периодический с разной частотой - позволяют получать осадки продукта широкого спектра по толщине и размерам кристаллов.
Торцевые изоляторы 8 катода 7 препятствуют осаждению не извлекаемого продукта, а изолирующий экран 27 - выделению анодного газа на части ванны, изготовленной из электропроводного (углеграфитового) материала, и окружающей катод.
Контроль катодного и анодного состава расплава электролита осуществляют датчиками или отбором проб через патрубки 19, корректировка их составов производят подачей в расплав соответствующих газов через трубы 20 и 22, что позволяет лучше управлять процессом переработки или автоматизировать его.
Герметичность конструкции позволяет выходящие из электролизера через патрубок 18 газы возвращать как на стадии первичного растворения вещества, так и при электролизе, что еще способствует сокращению расхода газа-реагента.
По окончании кампании по переработке партии вещества расплав из электролизера удаляют с помощью вакуум - ковша, всасывающую трубу которого опускают, например, через патрубок перемешивающего устройства 23.