[1]Предложенная группа изобретений относится к области металлургии, а именно к получению порошка диоксида урана методом пирогидролиза.
[2]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).
[3]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.
[4]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.
[5]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.
[6]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.
[7]Техническим результатом является повышение производительности установки и получение порошка диоксида урана с улучшенным качеством.
[8]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.
[9]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.
[10]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.
[11]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.
[12]На фиг. 1 показана схема установки для получения порошка диоксида урана из гексафторида урана.
[13]На фиг. 2 показано пылеотделяющее устройство, расположенное в верхней части реакционной камеры.
[14]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.
[15]В первой реакционной зоне 2 в сопле подачи 5 водяного пара коаксиально расположено сопло подачи 6 ГФУ.
[16]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.
[17]В сепарационной зоне 4 расположены дефлекторы 11, установленные соосно с каждой вертикальной трубой 10 на выходе двухфазных потоков из них.
[18]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.
[19]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.
[20]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.
[21]Способ получения порошка диоксида урана осуществляют следующим образом.
[22]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.
[23]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.
[24]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.
[25]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.
[26]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.
[27]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.
[28]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.
[29]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.
[30]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.
