Способ получения тетрафторида кремния и октаоксида триурана из тетрафторида урана



Способ получения тетрафторида кремния и октаоксида триурана из тетрафторида урана
Способ получения тетрафторида кремния и октаоксида триурана из тетрафторида урана

 


Владельцы патента RU 2549415:

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, в том числе обедненного, в октаоксид триурана с получением ценного прекурсора поликристаллического кремния - тетрафторида кремния. Способ получения тетрафторида кремния и октаоксида триурана из тетрафторида урана заключается в том, что смешивают тетрафторид урана с диоксидом кремния, который предварительно подвергают механоактивации в присутствии фторида натрия 0,5-3% масс., гомогенизируют смесь в стехиометрическом соотношении, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при температуре 250-300°C и проводят термообработку гранул в среде сухого воздуха в течение 1-2 ч при температуре не выше 600°C. Изобретение обеспечивает высокий выход высокочистого тетрафторида кремния, не загрязненного летучими соединениями урана, а также снижение температуры процесса, что позволяет использовать более дешевые конструкционные материалы. 1 ил., 1 табл., 16 пр.

 

Изобретение относится к области технологии ядерных материалов и может быть использовано при конверсии тетрафторида урана, в том числе обедненного, в U3O8 с получением ценного прекурсора поликристаллического кремния - тетрафторида кремния:

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°С в течение 1 ч при перемешивании твердой фазы (Патент РФ 2412908 С1, МПК C01G 43/01, С01В 33/107).

Недостатками прототипа являются:

- нестехиометрическое соотношение реагентов, в результате которого получаемый U3O8 загрязняется 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 октаоксида триурана тетрафторид урана смешивают с диоксидом кремния с последующей термообработкой в воздушной среде, причем диоксид кремния предварительно подвергают механоактивации в присутствии фторида натрия (0,5-3% масс.), гомогенизируют с тетрафторидом урана в стехиометрическом соотношении, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при температуре 250-300°C, а термообработку гранул проводят в среде сухого воздуха 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). В случае использования кристаллических форм SiO2 механическую активацию диоксида кремния проводят в присутствии добавки NaF (0,5-3% масс.). 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 воздуха 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 воздуха 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 - октаоксид триурана собирают в любые подходящие емкости. По результатам химического анализа U3O8 содержание в нем Na не превышает 5-10-2%, что не требует дополнительной очистки U3O8.

Соблюдение стехиометрического соотношения реагентов при полноте протекании реакции исключает необходимость дополнительного высокотемпературного обесфторивания твердого продукта (U3O8), а низкое содержание натрия исключает необходимость очистки от этой примеси.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (по прототипу). Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 10,0 г смешивают с 52,3 г тетрафторида урана в дезинтеграторе в течение 10 минут (9000 об/мин). Полученную смесь помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 650°C и выдерживают смесь в течение 2 ч. Выход по SiF4 составляет 35%.

Пример 2. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту сушат при 250°C в вакууме в течение 2 ч и помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 650°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 65%.

Пример 3. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в присутствии 1% NaF (0,3 г) в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту сушат при 250°C в вакууме в течение 2 ч и помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 90%.

Пример 4. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в присутствии 1% NaF (0,3 г) в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 250°C в вакууме в течение 2 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 5. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г в присутствии 3,0% NaF (1,2 г) подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 250°С в вакууме в течение 2 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 6 (по прототипу). Рентгеноаморфный диоксид кремния (SiO2 89%) массой 40,0 г смешивают в дезинтеграторе в течение 10 минут (8000 об/мин) с 186,3 г тетрафторида урана. Полученную смесь помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают воздух. Аппарат нагревают со скоростью 10°С/мин до 600°C и выдерживают смесь в течение 1 ч. Выход по SiF4 составляет 65%.

Пример 7. Рентгеноаморфный диоксид кремния (SiO2 89%) массой 35,0 г подвергают механической активации в вибрационной мельнице в течение 15 мин, смешивают его с 163,0 г тетрафторида урана, гомогенизированную смесь сушат при 270°C в вакууме в течение 3 ч, после чего помещают в аппарат без перемешивания (лодочка, трубчатая печь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 500°C и выдерживают смесь при этой температуре 1 ч. Выход по SiF4 составляет 90%.

Пример 8. Рентгеноаморфный диоксид кремния (SiO2 89%) массой 100,0 г подвергают механической активации в вибрационной мельнице в течение 15 мин, смешивают его с 465,7 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 270°C в вакууме в течение 3 ч, после чего помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 500°C и выдерживают материал при этой температуре 1 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 9. Диоксид кремния в форме кристобалита (99% SiO2) массой 30,0 г в присутствии 0,5% NaF (0,15 г) подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 45 мин, после чего его смешивают с 155,43 г тетрафторида урана, гомогенизированную смесь гранулируют, сушат при 300 в токе воздуха в течение 1 ч, после чего помещают шихту в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 575°C и выдерживают 2 ч. Выход по S1F4 составляет 100%.

Пример 10. Диоксид кремния в форме кристобалита (99% SiO2) массой 30,0 г в присутствии 0,5% NaF (0,9 г) подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 45 мин, после чего его смешивают с 155,43 г тетрафторида урана, гомогенизированную смесь гранулируют, сушат при 300°C в токе воздуха в течение 1 ч, после чего помещают шихту в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 10°C/мин до 575°C и выдерживают 2 ч. Выход по SiF4 составляет 85%.

Пример 11. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в присутствии 3,5% NaF (1,05 г) в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 250°C в вакууме в течение 2 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 12. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в присутствии 1% NaF (0,3 г) в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 220°C в вакууме в течение 2 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 90%.

Пример 13. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в присутствии 1% NaF (0,3 г) в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 330°C в вакууме в течение 2 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 14. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г в присутствии 3,0% NaF (1,2 г) подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 250°C в вакууме в течение 0,5 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 85%.

Пример 15. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г в присутствии 3,0% NaF (1,2 г) подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 250°C в вакууме в течение 2,5 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 600°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Пример 16. Диоксид кремния в форме кварцевого концентрата (99,5% SiO2) массой 30,0 г в присутствии 3,0% NaF (1,2 г) подвергают механической активации в центробежной планетарной мельнице в течение 60 мин, после чего его смешивают с 156,2 г тетрафторида урана, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при 250°C в вакууме в течение 2,0 ч, помещают в аппарат без перемешивания (тигель, электропечь), через который продувают осушенный воздух. Аппарат нагревают со скоростью 15°C/мин до 650°C и выдерживают смесь при этой температуре 2 ч. Выход по SiF4 составляет 100%.

Условия проведения процесса и выход SiF4 сведены в таблицу 1.

Из приведенных примеров видно, что:

- присутствие NaF в количестве 0,3% снижает выход SiF4 на 15% за счет снижения удельной поверхности смеси SiO2 + NaF (опыт 10), а превышение содержания NaF в смеси до 3,5% не сказывается на выходе готового продукта, но повышает содержание натрия в октаоксиде триурана до 8·10-2% (опыт 11);

- уменьшение температуры сушки гранул до 220°C приводит к снижению выхода готового продукта до 90%, а повышение температуры сушки до 330°C никак не сказывается на выходе SiF4 (опыты 12-13);

- снижение времени термообработки гранул до 0,5 ч приводит к уменьшению выхода SiF4 до 85%, в то время как увеличение времени термообработки до 2,5 ч не сказывается на выходе SiF4 (опыты 14-15);

- повышение температуры термообработки гранул до 650°C (опыт 16) не сказывается на выходе готового продукта, но может привести к уменьшению коррозионной стойкости оборудования.

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

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

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

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

Способ получения тетрафторида кремния и октаоксида триурана из тетрафторида урана путем его смешения с диоксидом кремния с последующей термообработкой в воздушной среде, отличающийся тем, что диоксид кремния предварительно подвергают механоактивации в присутствии фторида натрия (0,5-3% масс.), гомогенизируют с тетрафторидом урана в стехиометрическом соотношении, гомогенизированную шихту гранулируют, сушат при температуре 250-300°C, причем термообработку гранул проводят в среде сухого воздуха в течение 1-2 ч при температуре не выше 600°C.



 

Похожие патенты:

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%.

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.

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. .

Описан способ получения трихлорсилана, в котором частицы кремния реагируют с тетрахлорсиланом, водородом и, необязательно, с хлористым водородом в реакторе (101) с кипящим слоем с получением потока содержащего трихлорсилан газообразного продукта, причем поток содержащего трихлорсилан газообразного продукта отводят из реактора (101) через выпускное отверстие (117), перед которым установлен по меньшей мере один сепаратор (118) частиц, который избирательно пропускает только частицы кремния, размер которых меньше определенного максимального размера, и в котором предпочтительно через равномерные промежутки времени или непрерывно через по меньшей мере еще одно выпускное отверстие (109; 112) без такого сепаратора частиц частицы кремния отводят из реактора (101).

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%.

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.

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 способам производства фторидных соединений и, в частности, к способам производства тетрафторида кремния кислотным гидролизом фторидных солей щелочных металлов или щелочноземельных металлов и алюминия. Способ производства тетрафторида кремния включает контакт исходного фторалюмината, включающего фторидные соли щелочных или щелочноземельных металлов, и алюминия, газообразной кислоты и источника кремния для получения тетрафторида кремния и, по меньшей мере, одного побочного продукта. Способ производства силана включает кислотный гидролиз побочных продуктов производства силана для получения тетрафторида кремния. Изобретение позволяет производить тетрафторид кремния, использовать отходы, образующиеся во время производства силана, и улучшить экономичность производства силана. 4 н. и 60 з.п. ф-лы, 1 табл.
Наверх