Способ испарения гексафторида урана из баллона
Владельцы патента RU 2264987:
ОАО "Машиностроительный завод" (ОАО "МСЗ") (RU)
ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии" (ФГУП "ВНИИХТ") (RU)
ГНЦ РФ ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара (ГНЦ РФ ВНИИНМ) (RU)
Изобретение относится к переработке гексафторида урана и может быть использовано для извлечения гексафторида урана из баллонов различной вместимости. Способ испарения гексафторида урана из баллонов включает подачу газа-носителя и нагрев. В качестве газа-носителя используют азот, который подают в баллон при давлении, превышающем давление газов в баллоне на 15±5 кПа. Подачу азота осуществляют в импульсном режиме при температуре стенки баллона 60-150°С и давлении образующейся газовой смеси 50-150 кПа. Нагрев баллона с гексафторидом урана осуществляют с помощью бокового двухсекционного индуктора. В конце процесса баллон вакуумируют. Время импульса подачи азота составляет 3-5 мин, а время между импульсами 15-60 мин. Импульсную подачу азота ведут с расходом азота 2-6 кг/ч. Вакуумирование баллона ведут до давления 50 кПа с одновременной подачей азота в течение 10-15 мин с расходом 3-4 кг/ч. Удельный расход азота составляет 0,08-6,5·10-3 кг на кг гексафторида урана. Результат изобретения: интенсификация процесса испарения, снижение массы остатка продукта в баллоне, обеспечение безопасности процесса. 4 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к области переработки гексафторида урана и может быть использовано для извлечения гексафторида урана из баллонов различной вместимости.
Известен способ очистки веществ методом сублимации-десублимации (А.Г.Горелин, А.В.Амитин. Десублимация в химической промышленности. - "Химия", 1986 г., с.15). Способ заключается в том, что сублимируемое вещество нагревают в сублиматоре, оно возгоняется. Одновременно осуществляют подачу инертного газа-носителя в замкнутом циркулирующем контуре. Парогазовую смесь, выходящую из сублиматора, направляют далее в охлаждаемый десублиматор, где пары вещества десублимируются, а газ-носитель заворачивают вновь в сублиматор.
Описанный способ преследует исключительно цель очистки сублимируемых веществ, в качестве которых выступают, например, бензойная кислота, антрахинон, хлорид алюминия и др.
Известен способ испарения гексафторида урана из баллона путем нагрева (GB 1341380, опубликован 19.12.1973).
Недостаток способа - ограниченная скорость испарения гексафторида урана из баллона.
Технический результат предлагаемого способа заключается в интенсификации процесса испарения, снижении массы остатка продукта в баллоне, обеспечении безопасности процесса.
Предложен способ испарения гексафторида урана из баллонов путем нагрева, причем в баллон подают азот при давлении, превышающем давление газов в баллоне на 15±5 кПа, подачу азота осуществляют в импульсном режиме при температуре стенки баллона 60-150°С и давлении образующейся газовой смеси 50-150 кПа, нагрев баллона с гексафторидом урана осуществляют с помощью бокового двухсекционного индуктора, в конце процесса баллон вакуумируют.
Время импульса подачи азота оставляет 3-5 мин, а время между импульсами 15-60 мин.
Импульсную подачу азота ведут с расходом азота 2-6 кг/ч.
Вакуумирование баллона ведут до давления 50 кПа с одновременной подачей азота в течение 10-15 мин с расходом 3-4 кг/ч.
Удельный расход азота составляет 0,08-6,5·10-3 кг на кг гексафторида урана.
Подача азота внутрь баллона приводит к турбулизации образующейся парогазовой смеси, увеличивает скорость газового потока, омывающего сублимируемый продукт, и тем самым повышает коэффициент конвективного теплообмена, а следовательно, и скорость испарения газа.
Находящийся в баллоне твердый гексафторид урана (ГФУ) при температуре рабочего помещения 30°С имеет парциальное давление около 180 мм рт.ст., и с повышением температуры оно значительно возрастает. Подаваемый азот, в котором парциальное давление гексафторида урана равно нулю, будет "снимать" газообразный гексафторид урана с пограничного слоя и транспортировать его в коллектор.
Коэффициент теплопроводности азота в 2,5 раза выше, чем у газообразного гексафторида урана, во столько же раз возрастает коэффициент конвективного теплообмена при использовании в данном процессе азота.
Динамическая вязкость азота более чем вдвое ниже, чем у газообразного гексафторида урана, и это также способствует лучшему теплообмену при испарении гексафторида урана.
Подача азота при вакуумировании баллона обеспечивает многократное разбавление оставшегося в баллоне гексафторида урана и, в конечном счете, практически полностью удаляет его из баллона.
Давление газообразного гексафторида урана в процессе испарения ограничивается пределами 50-150 кПа. Нижний предел давления обусловлен разрежением газовой смеси в баллоне за счет откачки рабочего объема баллона в реактор восстановления гексафторида урана при окончании процесса испарения. Верхний предел давления ограничен режимом работы реактора и условиями безопасности процесса испарения ГФУ из баллона. Давление азота при импульсной подаче его в баллоне, с одной стороны, должно превышать давление ГФУ в баллоне на 15±5 КПа, чтобы азот мог поступить в баллон, чтобы интенсифицировать процесс испарения ГФУ, с другой - суммарное давление поступившего азота и собственное давление газа в баллоне не должны превышать предел 150 КПа.
Продолжительность импульсной подачи обеспечивает возможность испарения ГФУ из баллона и не приводит к срабатыванию блокировок по давлению в баллоне.
Пример 1.
Баллон массой "нетто" 500 кг нагревали с помощью двухсекционного индуктора до температуры стенки 75°С. Подавали газообразный азот с расходом 3 кг/ч в импульсном режиме (время импульса 3 мин, между импульсами - 30 мин). Давление в баллоне поддерживали 100-120 кПа. По окончании процесса испарения (нет убыли веса по тензовесам) начинали вакуумирование баллона до давления 50 кПа с одновременной и непрерывной подачей азота с расходом 3-4 кг/ч в течение 10 мин. После этого подачу азота прекращали, баллон вакуумировали и закрывали. Остаток гексафторида в баллоне составил 1 кг.
В таблицах 1-4 приведены обобщенные данные по практической реализации предлагаемого способа в промышленных условиях.
| Таблица 1 Сравнительная характеристика скорости испарения и удельной скорости испарения гексафторида урана | |||||
| Режим испарения | Средняя скорость испарения, кг/ч | Средний неиспаренный остаток, кг | Удельный расход азота кг N2/кг UF6 | Примечание | |
| 1. | Без подачи азота | 18,0 | 12 | Масса "нетто" 500 кг | |
| 2. | С непрерывной подачей азота | 28,2 | 1,2 | 0,23 | Масса "нетто" 500 кг |
| 3. | С импульсной подачей азота: | Масса "нетто" 500 кг | |||
| 15 мин - клапан закрыт | |||||
| 3 мин - клапан открыт | |||||
| расход азота 5,76 кг/ч | 31,4 | 0,9 | 8,5·10-2 | ||
| 30 мин - клапан закрыт | |||||
| 3 мин - клапан открыт | |||||
| расход азота 5,1 кг/ч | 36,5 | 1,2 | 1,53·10-2 | ||
| 30 мин - клапан закрыт | |||||
| 5 мин - клапан открыт | |||||
| расход азота 3,0 кг/ч | 27,2 | 1,1 | 3,2·10-2 | ||
| 60 мин - клапан закрыт | |||||
| 3 мин - клапан открыт | |||||
| расход азота 6,5 кг/ч | 32,0 | 2,2 | 2,2·10-2 | ||
| 30 мин - клапан закрыт | |||||
| 5 мин - клапан открыт | |||||
| расход азота 5,3 кг/ч | 26,2 | 1.2 | 5,6·10-2 | ||
| 4. | 30 мин - клапан закрыт | 54 | 1,0 | 6,5·10-3 | масса "нетто" |
| 3 мин - клапан открыт | max 75 | max | ГФУ 2000 кг | ||
| расход азота 3,0 кг/ч |
| Таблица 2 Сравнительные данные по средней скорости испарения ГФУ из баллона 1 м3 | |||||
| № п/п | Давление в баллоне, КПА | Расход азота, кг/ч | Средняя скорость испарения ГФУ, кг/ч | Удельный расход азота, кг N2/кг UF6 | Неиспаренный остаток, кг |
| 1 | 100-120 | - | 25 | - | 6,5 |
| 2 | 100-115 | 2,0 | 27 | 11·10-2 | 3,6 |
| 3 | 115-120 | 4,0 | 38 | 1,05·10-2 | 1,8 |
| 4 | 110-125 | 5,2 | 39 | 14,8·10-3 | 1,5 |
| 5 | 110-135 | 5,5 | 40,7 | 13·10-3 | 1,5 |
| 6 | 130-140 | 6,0 | 62 | 6,5·10-3 | 1,1 |
| Примечание: п.1 - существующий режим испарения, без подачи азота пп. 2-6 по предлагаемому способу |
Как следует из приведенных данных, увеличение расхода азота, подаваемого в импульсном режиме с 2,0 до 6,0 кг/ч, приводит к увеличению давления газовой смеси с 100 до 140 КПа и резко увеличивает среднюю скорость испарения. Одновременно происходит снижение неиспаренного остатка в баллоне с 6,5 до 1,0-2,0 кг.
С увеличением расхода азота величина удельного расхода азота на единицу испаряемого ГФУ снижается. Дальнейшее увеличение расхода азота отрицательно сказывается на качестве получаемого порошка диоксида урана и поэтому нецелесообразно.
| Таблица 3 Зависимость удельного расхода азота от температуры стенки баллона | ||||
| Средняя температура стенки баллона, °С | 60 | 68 | 81 | 110 |
| Удельный расход азота, кг N2/кг UF6 | 5,5·10-2 | 12·10-3 | 8·10-3 | 6,5·10-3 |
Из табл.3 видно, что с увеличением средней температуры стенки происходит снижение удельного расхода азота на единицу испаряемого сырья. При температуре стенки ниже 60°С скорость испарения очень низкая, так как только при 56,5°С упругость паров ГФУ достигает атмосферного давления.
| Таблица 4 Зависимость скорости испарения ГФУ от времени между импульсами | |||||
| Средняя скорость испарения UF6, кг/ч | 35 | 42 | 62 | 40 | 35 |
| Продолжительность между импульсами, мин | 10 | 20 | 30 | 40 | 60 |
Максимальная скорость испарения при интервале между импульсами 30 мин. При сокращении интервала между импульсами поверхностный слой, омываемый азотом, не успевает достичь достаточно высокой температуры. Увеличение интервала между импульсами тоже снижает среднюю скорость испарения.
Таким образом, предложенный способ имеет следующие преимущества:
- за счет импульсной подачи азота интенсивность испарения увеличивается, как минимум, вдвое;
- подача азота в баллон на стадии вакуумирования позволила в 8-10 раз снизить содержание летучего остатка в баллонах после их опорожнения;
- одновременно последняя из операций способствует улучшению условий труда обслуживающего персонала, поскольку при отсоединении пустого баллона от коллектора полностью устранена возможность газовыделения в рабочие помещения следовых количеств гексафторида урана и тем самым ликвидируется возможность постепенной забивки технологического коллектора влагой атмосферного воздуха.
1. Способ испарения гексафторида урана из баллона путем нагрева, отличающийся тем, что в баллон подают азот при давлении, превышающем давление газов в баллоне на 15±5 кПа, причем подачу азота осуществляют в импульсном режиме при температуре стенки баллона 60-150°С и давлении образующейся газовой смеси 50-150 кПа, нагрев баллона с гексафторидом урана осуществляют с помощью бокового двухсекционного индуктора, в конце процесса баллон вакуумируют.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время импульса подачи азота составляет 3-5 мин, а время между импульсами - 15-60 мин.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что импульсную подачу азота ведут с расходом азота 2-6 кг/ч.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумирование баллона ведут до давления 50 кПа с одновременной подачей азота в течение 10-15 мин с расходом 3-4 кг/ч.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что удельный расход азота составляет 0,08-6,5·10-3 кг на кг гексафторида урана.
