Способ получения тетрафторида кремния и диоксида урана из тетрафторида урана



Способ получения тетрафторида кремния и диоксида урана из тетрафторида урана

 


Владельцы патента RU 2538700:

Открытое Акционерное Общество "Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии" (ОАО "ВНИИХТ") (RU)

Изобретение относится к области технологии ядерных материалов и может быть использовано при конверсии тетрафторида урана. Производят получение тетрафторида кремния и диоксида урана из тетрафторида урана. Берут диоксид кремния и подвергают его механоактивации. Затем осуществляют его гомогенизацию с тетрафторидом урана в стехиометрическом соотношении. Гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при температуре 250-300°C и подвергают термообработке в среде сухого инертного газа. Изобретение позволяет проводить конверсию тетрафторида урана с высоким выходом высокочистого тетрафторида кремния, не загрязненного летучими соединениями урана, при температуре не выше 600°C. 1 ил., 1 табл., 7 пр.

 

Изобретение относится к области технологии ядерных материалов и может быть использовано, при конверсии тетрафторида урана, в том числе обедненного, в диоксид урана с получением ценного прекурсора поликристаллического кремния - тетрафторида кремния

UF 4(тв) + SiO 2(тв)    UO 2(тв) + SiF 4(гaз)  (1)

Наиболее близким к предлагаемому способу получения (прототипом) тетрафторида кремния и диоксида урана из тетрафторида урана является способ, включающий механообработку в дезинтеграторе при относительной скорости 5÷15 тыс.об/мин в течение 7-20 мин смеси тетрафторида урана и диоксида кремния в мольном соотношении (1,05-1,10):1, термообработку смеси при 600-650°C в трубчатой печи (без перемешивания фаз) в воздушной среде в течение 1-2 ч и последующее обесфторивание твердого продукта водяным паром при 500-550°C в течение 1 ч при перемешивании твердой фазы (Патент РФ 2412908 C1, МПК C01G 43/01, C01B 33/107).

Недостатками прототипа являются:

- возможность загрязнения тетрафторида кремния ураном за счет окисления UF4 в кислородсодержащей среде до UF6;

- использование нестехиометрического соотношения реагентов, что приводит к загрязнению получаемого оксида урана фтором (~1,3% F- в виде фторида уранила), что обусловливает необходимость проведения высокотемпературной операции обесфторивания твердого продукта;

- невысокий выход SiF4 при использовании кристаллических форм диоксида кремния (кварц, кристобалит, тридимит и др.), особенно при осуществлении процесса конверсии в условиях отсутствия перемешивания смеси реагентов (лодочка, тигель) при температуре ниже 600°C;

- высокие температуры проведения процесса, при которых в качестве конструкционного материала аппарата необходимо использование дорогостоящих сплавов на основе никеля.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода высокочистого, не загрязненного летучими соединениями урана, тетрафторида кремния при стехиометрическом соотношении UF4:SiO2 (1:1), снижение температуры процесса, позволяющее использовать более дешевые конструкционные материалы для аппаратурного оформления процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе получения тетрафторида кремния и диоксида урана тетрафторид урана смешивают с диоксидом кремния с последующей термообработкой, причем диоксид кремния предварительно подвергают механоактивации, гомогенизируют с тетрафторидом урана в стехиометрическом соотношении, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при температуре 250-300°C, термообработку гранул проводят в среде сухого инертного газа в течение 1-2 ч при температуре не выше 600°C.

Изобретение реализуется следующим образом (Фиг.1). Механическую активацию диоксида кремния с целью увеличения его удельной поверхности и повышения его реакционной способности проводят в аппарате-измельчителе (аттриторе, планетарной, вибрационной, шаровой мельнице или других аппаратах). Длительность и условия механической активации диоксида кремния определяются типом аппарата-измельчителя и формой диоксида кремния (кристаллический или рентгеноаморфный SiO2). Далее в течение заданного времени осуществляется операция гомогенизации смеси реагентов в любом подходящем устройстве (смеситель типа «турбула», дезинтегратор и т.п.), затем - гранулирование (размер гранул ~1 мм) гомогенизированной смеси (шихты) любым известным способом для улучшения контакта между частицами реагентов и уменьшения пылеуноса. После гранулирования материал поступает в аппарат для сушки, которую проводят в токе сухого инертного газа (азота, аргона, гелия) или в вакууме при температуре 250-300°C, либо любым другим известным способом. Сушка гранул позволяет минимизировать содержание воды в системе, и тем самым снизить вероятность протекания побочных реакций, в частности, с образованием фтороводорода. После сушки гранулы направляют на стадию конверсии, которую можно проводить как в аппарате с отсутствием перемешивания материала (например, тигель), так и с перемешиванием (например, вращающаяся трубчатая печь). Процесс конверсии тетрафторида урана в октаоксид триурана осуществляется в токе осушенного инертного газа (азота, аргона, гелия) при температуре ниже 600°C в течение 1-2 часов. Выделяющийся высокочистый газообразный тетрафторид кремния выводится из реактора с продувочным газом и улавливается путем криоконденсации, или сорбции (поглощения) на фториде натрия (калия), или иным известным способом.

Твердый продукт - диоксид урана собирают в любые подходящие емкости.

Соблюдение стехиометрического соотношения реагентов при полноте протекания реакции исключает необходимость дополнительного высокотемпературного обесфторивания твердого продукта (UO2). Проведение процесса в инертной среде исключает образование летучего UF6 и тем самым гарантирует незагрязнение SiF4 ураном.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (по прототипу). Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (98,5% SiO2) массой 9,0 г смешивают с 46,3 г тетрафторида урана в дезинтеграторе в течение 15 минут (10000 об/мин). Полученную смесь помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают осушенный инертный газ. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 650°C и выдерживают смесь в течение 2 ч. Выход по SiF4 составляет 40%.

Пример 2. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (98,5% SiO2) массой 20,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 60 мин, после чего его смешивают с 103,1 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту сушат в токе инертного газа при 250°C в течение 2 ч и помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают осушенный инертный газ. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 575°C и выдерживают смесь в течение 2 ч. Выход по SiF4 составляет 85%.

Пример 3. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (98,5% SiO2) массой 30,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 60 мин, после чего его смешивают с 154,7 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат в токе инертного газа при 250°C в течение 2 ч, после чего помещают в аппарат без перемешивания (тигель, трубчатая печь), через который продувают осушенный инертный газ. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 575°C и выдерживают смесь в течение 2 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 4 (по прототипу). Диоксид кремния в форме рентгеноаморфного SiO2 (89%) массой 30,5 г смешивают с 142,2 г тетрафторида урана в дезинтеграторе в течение 10 минут (8000 об/мин), после чего помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают осушенный инертный газ. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь в течение 1 ч. Выход по SiF4 составляет 75%.

Пример 5. Диоксид кремния в форме рентгеноаморфного SiO2 (89%) массой 31,3 г подвергают механической активации в вибрационной мельнице в течение 15 мин, после чего его смешивают с 145,6 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту сушат в течение 3 ч при 270°C в вакууме, после чего помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают осушенный инертный газ. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 500°C и выдерживают в течение 1 ч. Выход по SiF4 составляет 92%.

Пример 6. Диоксид кремния в форме рентгеноаморфного SiO2 (89%) массой 80,0 г подвергают механической активации в вибрационной мельнице в течение 15 мин, после чего его смешивают с 372,6 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат в вакууме при 270°C в течение 3 ч, после чего помещают в аппарат без перемешивания (тигель, трубчатая печь), реактор, через который продувают осушенный инертный газ. Реактор нагревают со скоростью 15°C/мин до 500°C и выдерживают 1 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 7. Диоксид кремния в форме кристобалита (99,5% SiO2) массой 40,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 30 мин, после чего его смешивают с 208,3 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат в токе инертного газа при 300°C в течение 1 ч, после чего помещают в аппарат без перемешивания (тигель, трубчатая печь), через который продувают осушенный инертный газ. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 575°C и выдерживают 1 ч. Выход по SiF4 составляет 100%).

Условия проведения процесса и выход SiF4 сведены в таблицу 1.

Таблица 1
№ примера SiO2* Условия механической активации Условия подготовки смеси Температура и длительность процесса Выход по SiF4.
%
1 (прототип) Кварц Без МА 15 мин, 10000 об/мин 650°C, 2 ч 40
2 Кварц ЦПМ, 60 мин 250°C, 2 ч 575°C, 2 ч 70
3 Кварц ЦПМ, 60 мин 250°C, 2 ч, гранулирование 575°C, 2 ч 95
4 (прототип) Рентгено-аморфный Без МА 10 мин, 8000 об/мин 600°C, 1 ч 75
5 Рентгено-аморфный ВМ, 15 мин 270°C, 3 ч 500°C, 1 ч 92
6 Рентгено-аморфный ВМ, 15 мин 270°C, 3 ч, гранулирование 500°C, 1 ч 100
7 Кристобалит ЦПМ, 30 мин 300°C, 1 ч, гранулирование 575°C, 1 ч 100
* основные примеси в диоксиде кремния: Al, Fe, Ca, Mg, Ti, К, Na, Mn, Sr, Cr, Ni, Zn, Cu.
ЦПМ - планетарная мельница; BM - вибрационная мельница.

Как видно из приведенных примеров, заявленный способ получения высокочистого тетрафторида кремния и диоксида урана из тетрафторида урана:

- обеспечивает высокий (до 100%) выход высокочистого тетрафторида кремния, не загрязненного летучими соединениями урана, при температуре не выше 600°C даже в аппарате без перемешивания при использовании как рентгеноаморфных, так и кристаллических форм диоксида кремния;

- не требует дополнительных операций по высокотемпературному обесфториванию твердого продукта реакции, поскольку процесс проводится при стехиометрическом соотношении реагентов;

- позволяет использовать более дешевые, по сравнению с никелевыми сплавами, конструкционные материалы.

Способ получения тетрафторида кремния и диоксида урана из тетрафторида урана путем его смешения с диоксидом кремния с последующей термообработкой, отличающийся тем, что диоксид кремния предварительно подвергают механоактивации, гомогенизируют с тетрафторидом урана в стехиометрическом соотношении, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при температуре 250-300°C, причем термообработку гранул проводят в среде сухого инертного газа в течение 1-2 часов при температуре не выше 600°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ выделения фтора включает загрузку смеси, содержащей фторид урана и окислитель, в реакционный сосуд со сплошным основанием и проемом, обращенным в сторону от основания, нагрев этой смеси в реакционном сосуде и образование по меньшей мере одного оксида урана и нерадиоактивного газообразного продукта из нагретой смеси.
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано при переработке обедненного гексафторида урана. .
Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к металлургии урана и производству его соединений, и может быть использовано в химической и ядерной технологиях.

Изобретение относится к области разработки экономически рентабельной и экологически безопасной технологии конверсии тетрафторида обедненного урана, полученного тем или иным способом, в частности, в окислы урана, предназначенные для длительного хранения или использования в реакторах на быстрых нейтронах, и алкилфториды, используемые в дальнейшем в качестве озонобезопасных хладоагентов, растворителей, пожаротушащих веществ или средств травления полупроводниковых плат.

Изобретение относится к области разработки экономически рентабельной технологии конверсии обедненного тетрафторида урана с получением окислов урана для длительного хранения или использования в быстрых реакторах, а также с попутным получением ценных фторсодержащих веществ.

Изобретение относится к области технологии ядерных материалов, в частности к производству ядерного топлива с определенным содержанием изотопа 235U. .
Изобретение относится к области неорганической химии, в частности металлургии урана и производству соединений урана, и может быть использовано в химической и ядерной промышленности, например, для изготовления топливных сердечников ТВЭЛов ядерных реакторов.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в производстве ядерного топлива. .

Изобретение относится к области металлургии. .

Изобретение относится к способу переработки радиоактивных отходов топливных композиций, содержащих диоксид урана и полиэтилен, с получением товарной закиси-окиси урана, используемой для воспроизводства ядерного топлива.

Изобретение относится к способам переработки отходов процесса синтеза хлорсиланов и алкилхлорсиланов. Предложен способ твердофазной нейтрализации жидких и твердых отходов синтеза хлорсиланов и алкилхлорсиланов, заключающийся в том, что жидкие и твердые отходы любого состава и в любом соотношении обрабатывают твердым реагентом, выбранным из карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов и их природных смесей нестехиометрического состава в массовом соотношении не менее чем 1,0:1,2 в расчете на сумму всех отходов в размольном оборудовании до получения твердого нейтрализованного продукта.

Изобретение относится к способу получения трихлорсилана. Производят взаимодействия кремния с газообразным HCl при температуре между 250°С и 1100°С и абсолютном давлении 0,5-30 атм.

Изобретение может быть использовано для уменьшения содержания бора и алюминия в галогенсиланах технической чистоты. Способ уменьшения содержания бора и/или алюминия в галогенсиланах технической чистоты включает стадии примешивания галогенсиланов к трифенилметилхлориду в аппарате (2) для образования труднорастворимых комплексов, перевода комплексов в узел разделения (3), включающий узел декантирования, узел центрифугирования, узел фильтрования и узел дистилляции, в котором происходит отделение комплексов посредством механического воздействия и выделение очищенных галогенсиланов.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности для получения высокочистого кремния. Способ включает этапы: получения трихлорсилана, получения моносилана посредством диспропорционирования трихлорсилана и термического разложения моносилана.

Изобретение может быть использовано для уменьшения содержания бора и алюминия в галогенсиланах технической чистоты. Способ непрерывного получения высокочистых галогенсиланов включает получение галогенсиланов технической чистоты, содержащих бор и алюминий, из металлургического кремния, смешивание полученных галогенсиланов с трифенилметилхлоридом в устройстве (2) для образования труднорастворимых комплексов и получение высокочистых галогенсиланов дистилляционным выделением комплексов в колонне (3).

Способ получения галогенированного полисилана как чистого соединения или смеси соединений с, по меньшей мере, одной прямой связью Si-Si, заместители которого состоят из галогена или из галогена и водорода, с атомным соотношением заместитель:кремний, по меньшей мере, 1:1, и почти не содержащего разветвленных цепей и циклов, включает реакцию галогенсилана с водородом в условиях образования плазменного разряда с плотностью энергии менее 10 Вт/см3.

Изобретение относится к способу крекинга высококипящих полимеров для увеличения выхода и минимизации отходов в процессе получения трихлорсилана. Предложен способ крекинга полихлорсилана и/или полихлорсилоксана, включающий стадии а) получения смеси, содержащей полихлорсилан и/или полихлорсилоксан; б) удаления твердых частиц из этой смеси с получением чистой смеси; и в) рециркуляции полученной чистой смеси в дистилляционный аппарат, и крекинг полихлорсилана и/или полихлорсилоксана в дистилляционном аппарате с получением трихлорсилана, тетрахлорсилана или их комбинации.

Изобретение относится к области химии. Устройство 1 для производства трихлорсилана включает в себя печь 2 разложения, нагревательный элемент 8, нагревающий внутреннюю часть печи 2 разложения, трубу 3 подачи полихлорсилана и хлористого водорода во внутреннюю нижнюю часть печи 2 разложения, трубу 4 для отведения реакционного газа из верхней части реакционной камеры 13, расположенной между наружной периферийной поверхностью трубы 3 подачи сырья и внутренней периферийной поверхностью печи 2 разложения, ребро 14, которое направляет текучую смесь полихлорсилана и хлористого водорода к нижнему концу отверстия трубы 3 подачи сырья для перемешивания и подачи сырья вверх реакционной камеры.

Изобретение относится к области катализа. Описан катализатор дисмутирования содержащих водород и галоген соединений кремния, содержащий в качестве носителя диоксид кремния и/или цеолит и по меньшей мере один линейный, циклический, разветвленный и/или сшитый аминоалкилфункциональный силоксан и/или силанол, который в идеализированной форме соответствует общей формуле (II) (R 2 )[ − O − (R 4 )Si(A)] a R 3 ⋅ (HW) w     (II) в которой A означает аминоалкильный остаток -(CH2)3-N(R1)2 с одинаковыми или разными R1, означающими изобутил, н-бутил, трет-бутил и/или циклогексил, R2 независимо друг от друга означают водород, метил, этил, н-пропил, изопропил и/или Y, R3 и R4 независимо друг от друга означают гидрокси, метокси, этокси, н-пропокси, изопропокси, метил, этил, н-пропил, изопропил и/или -OY, причем Y означает материал носителя, HW означает кислоту, причем W означает галогенид, остаток кремниевой кислоты, сульфат и/или карбоксилат, с a≥1 в случае силанола, a≥2 в случае силоксана и w≥0.

Изобретение может быть использовано для утилизации продуктов переработки отвального гексафторида урана и получения особо чистого кремния. Реакционную смесь, содержащую тетрафторид урана и двуокись кремния в мольном соотношении (1,007-1,015):1, соответственно, подвергают механохимической активации в дезинтеграторе до содержания в реакционной смеси фракции частиц 7-15 мкм в пределах 34-45%. Не позднее чем через 30 мин после окончания процесса активации реакционную смесь термообрабатывают при 600-750°C. В результате твердофазного взаимодействия между тетрафторидом урана и двуокисью кремния получают свободную от кремния закись-окись урана с содержанием фтора 0,2 - 0,26% и тетрафторид кремния. 1 ил., 5 пр.
Наверх