Способ переработки раствора уранилнитрата на оксид урана и раствор азотной кислоты и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2599670:
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)
Изобретение относится к технологии и аппаратурному оформлению процесса конверсии отхода ядерного производства уранилнитрата. Способ переработки раствора уранилнитрата на оксид урана и раствор азотной кислоты включает генерирование потока воздушной плазмы с помощью электродуговых плазмотронов плазменного реактора, введение раствора уранилнитрата и в зону смешения плазменного реактора, разложение дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке воздушной плазмы на триуран-октаоксид и газовую фазу, обжатие нисходящего потока продуктов тангенциальным потоком воздуха, охлаждение потока в водоохлаждаемом газодинамическом сопле до температуры 150-200°С, разделение двухфазного потока с получением оксидов урана и газовой фазы в последовательно установленных центробежном сепараторе и металлокерамическом фильтре из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности, выгрузку дисперсных оксидов урана, конденсацию оксидов азота и водяного пара из газовой фазы с одновременной рекомбинацией азотной кислоты с помощью конденсатора и абсорбера и концентрирование раствора азотной кислоты в выпарном аппарате. Изобретение обеспечивает эффективное и экологичное получение монодисперсного триуран-октаоксида высокой чистоты и азотной кислоты в одностадийном процессе. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 3 пр.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к одной из стадий ядерного топливного цикла (ЯТЦ) - к технологии и аппаратурному оформлению крупномасштабного процесса переработки аффинированного уранилнитрата - продукта экстракционно-реэкстракционной переработки облученного ядерного топлива на регенерационных радиохимических заводах. Облученное ядерное топливо АЭС поставляют на регенерационный завод после т.н. "охлаждения" - выдержки в хранилищах АЭС, в результате которой резко снижается уровень радиоактивности. На регенерационном заводе отделяют с помощью экстракции продукты деления урана и изотопы плутония и на конечной стадии этого передела выделяют уранилнитрат. Этот уранилнитрат и является сырьем для последующего передела - выделения из него триуран-октаоксида (U3O8), который далее подвергают фторированию (производство гексафторида урана, UF6) и направляют далее синтезированный UF6 на завод по разделению изотопов урана, где производят дообогащение урана по изотопу U-235.
Проблемой является не просто производство из уранилнитрата триуран-октаоксида (U3O8), но продукта, соответствующего по химическому и гранулометрическому составу техническим условиям на производство гексафторида урана, UF6. Этот продукт - триуран-октаоксид должен быть тонкодисперсным, его требуемые технологические свойства приведены в таблице ниже.
Фторирование сырья с более крупными частицами сопровождается образованием огарков (1-2%). Удельная поверхность оксидов урана должна находиться в интервале 3.6-10 м2/г. Когда удельная поверхность менее 3.6 м2/г, увеличивается количество огарков и вероятность осаждения налета на стенки пламенного реактора; когда удельная поверхность более 10 м2/г, наблюдается «подгорание» верхней части пламенного реактора. Уровень примесей должен соответствовать техническим условиям, т.е. содержание лимитируемых примесей должно соответствовать ОСТ 95 10117-2003: ОСТ 95 10117-2003 ОСТ 95 10554-2000, в соответствии с которыми выход конструкционых материалов из электродов (медь, вольфрам) не должен превышать 10-4 вес.%, выход железа из конструкционной стали - не выше 3·10-4 вес.%.
Уровень техники
Существующая технология конверсии уранилнитрата, полученного при экстракционно-реэкстракционной переработке облученного ядерного топлива на регенерационных заводах РФ, заключается в следующем. Раствор уранилнитрата обрабатывают гидроксидом аммония, при этом осаждаются полиуранаты, в частности диуранат аммония; при этом возникает маточный раствор нитрата аммония:
aq - водный раствор, с - конденсат.
Далее осадок диураната аммония отделяют фильтрацией от маточного раствора нитрата аммония, осадок промывают, затем сушат и прокаливают до выделения триуран-октаоксида:
Это производство - т.н. "химическая денитрация" - существует на регенерационных заводах РФ. Маточный раствор нитрата аммония (NH4NO3(aq)) является отходом производства, для утилизации его необходимо чистить от остаточного урана, что является дорогой и убыточной операцией. Многократно разбавленный до предельно допустимой концентрации по урану маточный раствор сливали в проточный водоем, в настоящее время эти растворы закачивают в глубинные пласты (т.н. "глубинное захоронение"), что только лишь видоизменяет форму, размер и сроки проявления экологического ущерба.
Имеется и косвенный экономический ущерб от проведения химической денитрации: азотная кислота, затраченная на производство уранилнитрата, необратимо теряется при захоронении маточного раствора, т.е. в процессе этой операции уничтожается один из основных продуктов химической промышленности - азотная кислота.
В процессах сушки и прокалки возникают газовые выхлопы, которые необходимо чистить от технологической урановой пыли.
Известен способ получения тонкодисперсных оксидов металлов (А.С. СССР №452177 от 07.08.1974. Ю.Н. Туманов, Н.П. Галкин, Ю.П. Бутылкин, В.П. Коробцев, В.А. Хохлов, Г.А. Батарев), по которому дезинтегрированный нитратный раствор металла - уранилнитрат смешивали в плазменном реакторе с потоком химически совместимой с ним воздушной или азотной плазмы, в результате чего раствор распадался на дисперсные оксиды металлов, оксиды азота и водяной пар. Процесс разложения нитратного раствора применительно к урану схематически описывается в общем виде брутто-уравнением:
Капли дезинтегрированного раствора выдерживали в плазменном реакторе в течение 10-3-10-1 с при размере капель 5·10-3-1·10-4 см. Потоки плазмы направляли под углом 60° к оси реактора. На выходе из плазменного реактора дисперсные оксиды металлов отделяли от газовой фазы при температуре, превышающей температуру устойчивости исходного нитрата.
Этот способ реализован в применительно к получению оксида урана - триуран-октаоксида (U3O8) при разложении уранилнитрата на уровне пилотного завода с плазменным реактором мощностью 300 кВт и производительностью 10-30 кгU/ч (в зависимости от концентрации раствора по урану (Ю.Н. Туманов. "Плазменные, высокочастотные, микроволновые и лазерные технологии в химико-металлургических процессах ", М: Физматлит, 2010, с. 240-253 прототип).
Основные аппаратурные элементы пилотного завода.
1. Источник электропитания плазмотрона (выпрямитель с системой автоматического регулирования тока, высокочастотный или микроволновый генератор и т.п.).
2. Электродуговой плазмотрон, в котором поток химически совместимого с раствором газа (в случае разложения нитратов воздух или его компоненты - азот, кислород, в зависимости от требуемой валентности выделяемого металла) превращается в поток низкотемпературной плазмы.
3. Охлаждаемый плазменный реактор, где перемешиваются потоки плазмы и раствора, и происходит разложение раствора по уравнению (3). Плазменный реактор снабжен, как правило, несколькими плазматронами и одним или несколькими дезинтеграторами раствора. При использовании нескольких плазматронов и дезинтеграторов интенсифицируется процесс смешения и процессы тепло- и массообмена при взаимодействии капель раствора с высокотемпературной средой.
4. Сепаратор и металлокерамический фильтр (МКФ), в котором проводится разделение дисперсной и газовой фаз, после чего возникают два материальных потока: поток дисперсного оксидного материала, являющегося целевым продуктом, и поток газовой фазы, содержащей, как видно из уравнения (3), оксиды азота, водяной пар, азот и кислород.
5. Конденсатор-абсорбер. В конденсаторе производится принудительная конденсация водяного пара и частичная абсорбция оксидов азота, а в абсорбере производится рекомбинация и поглощение азотной кислоты. В результате из установки выходит поток раствора азотной кислоты, который затем концентрировали в выпарном аппарате и возвращали на стадию ре-экстракции уранилнитрата.
Химический состав оксидного материала, его физические свойства, степень регенерации азотной кислоты и прочие параметры определяются, в первую очередь, режимом обработки раствора в плазме и, во вторую очередь, - режимом разделения дисперсной и газовой фаз.
При испытаниях выявлены технологические и аппаратурные следующие недостатки.
1. Оксиды урана конденсируются на охлаждаемую стенку плазменного реактора, что сопровождается образованием отложений, которые могут, в конечном итоге, привести к забивке реактора, изменению теплопроводности стенки и ее температурного режима.
2. В процессе свободного движения продуктов реакции по технологическому маршруту происходит неконтролируемая коалесценция частиц оксидов урана и их укрупнение, вследствие чего могут образовываться крупнодисперсные порошки оксидов урана с высокой насыпной массой и низкой удельной поверхностью.
3. Часть азота оставалась в дисперсной фазе - триуран-октаоксиде (U3O8) по преимуществу в виде оксидов азота рекомбинационной природы. Рекомбинация происходит, в основном, на стадии разделения дисперсных оксидов урана и газовой фазы.
Задачей изобретения является создание экологического производства монодисперсного триуран-октаоксида высокой чистоты и раствора азотной кислоты при конверсии отхода ядерного производства - уранилнитрата.
Технический результат, на который направлено изобретение.
1. Устранить полностью условия для конденсации оксидов урана на стенку плазменного реактора и, следовательно, отложения на ней, которые могут привести к забивке реактора и ухудшению температурного режима.
2. Устранить условия коалесценции оксидов урана и укрупнение частиц, вследствие чего образуются крупнодисперсные порошки оксидов урана с высокой насыпной массой и низкой удельной поверхностью.
3. Устранить условия рекомбинации оксидов азота в дисперсной фазе.
Для достижения указанного результата предложен способ переработки раствора уранилнитрата на оксид урана и раствор азотной кислоты, содержащий введение раствора уранилнитрата и потока воздушной плазмы в зону смешения охлаждаемого плазменного реактора, разложение дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке воздушной плазмы плазменного реактора на триуран-октаоксид и газовую фазу, разделение оксидов урана и газовой фазы в последовательно установленных центробежном сепараторе и металлокерамическом фильтре из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности, выгрузку дисперсных оксидов урана, конденсацию оксидов азота и водяного пара из газовой фазы с одновременной рекомбинацией азотной кислоты и концентрирование раствора азотной кислоты, при этом подают тангенциальный поток сжатого воздуха в верхнюю часть корпуса плазменного реактора за зоной смешения, а по завершении разложения дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке воздушной плазмы плазменного реактора на триуран-октаоксид U3O8 и газовую фазу, охлаждают полученный вертикально направленный двухфазный поток в водоохлаждаемом газодинамическом сопле до температуры 150-200°С.
Кроме того:
- потоки воздушной плазмы вводят в плазменный реактор под углом 30-40° к вертикальной оси реактора,
- инжектируют дезинтегрированный раствор уранилнитрата, в поток кислородной плазмы с углом распыления не более 45°,
- поддерживают температуру в объеме плазменного реактора не менее 1200-1500°С,
- на внутренней стенке корпуса плазменного реактора поддерживают температуру 300-400°С,
- начальная скорость тангенциального потока сжатого воздуха составляет не менее 50 м/с, расход потока воздуха составляет не менее 0.4 кг/с·м2, а произведение этих величин составляет не менее 2 кг/м·с,
- скорость охлаждения потока продуктов реакции в газодинамическом сопле составляет 105-106 К/с.
Также для достижения технического результата предложено устройство для переработки раствора уранилнитрата на оксид урана и раствор азотной кислоты, содержащее плазменный реактор с двойной водовоздушной охлаждающей рубашкой, с установленными в его верхней части электродуговыми плазмотронами для генерирования потока воздушной плазмы с источниками электропитания, средства для подачи раствора уранилнитрата и сжатого воздуха в плазменный реактор, и установленные по ходу технологического процесса за плазменным реактором центробежный сепаратор и металлокерамический фильтр из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности для разделение компонентов двухфазного потока - дисперсного триуран-октаоксида урана U3O8 и газовых компонентов раствора азотной кислоты, средство выгрузки оксида урана, конденсатор для конденсации оксидов азота и водяного пара, абсорбер для улавливания азотной кислоты и выпарной аппарат для концентрирования азотной кислоты, при этом плазменный реактор выполнен в виде цилиндрического корпуса и крышки в виде усеченного конуса, на конической поверхности которой установлены электродуговые плазмотроны, оси которых направлены вниз под углом 20-22.5° к оси плазменного реактора, средство для подачи раствора уранилнитрата установлено вертикально по центру горизонтальной поверхности крышки плазменного реактора, в верхней части корпуса плазменного реактора установлены сопла для тангенциальной подачи сжатого воздуха, а нижняя часть корпуса плазменного реактора соединена с водоохлаждаемым газодинамическим соплом, соединенного с центробежным сепаратором.
Кроме того:
- электродуговые плазмотроны расположены симметрично по отношению друг к другу по окружности горизонтального сечения конической поверхности крышки плазменного реактора,
- оси электродуговых плазмотронов расположены под углом 30-40° к вертикальной оси реактора,
- устройство содержит не менее трех электродуговых плазмотронов,
- сопла для тангенциального ввода потоков сжатого воздуха расположены под углом 5-10° к плоскости горизонтального сечения корпуса плазменного реактора,
- средство для подачи раствора уранилнитрата выполнено в виде пневмоцентробежной форсунки.
Раскрытие изобретения
На Фиг. 1 показана принципиальная схема реализации изобретения, где:
1 - управляемые тиристорные выпрямители
2 - первичная электрическая сеть
3 - фидеры
4 - электродуговые плазмотроны
5 - потоки воздуха
6 - пневмоцентробежная форсунка
7 - раствор уранилнитрата
8 - крышка плазменного реактора
9 - корпус плазменного реактора
10 - нижний фланец корпуса плазменного реактора
11 - водоохлаждаемое газодинамическое сопло
12 - продуктопровод
13 - поток продуктов реакции
14 - центробежный сепаратор
15 - поток дисперсных частиц триуран-октаоксида
16 - разгрузочный шнек
17 - поток газовой фазы
18 - металлокерамический фильтр
19 - тонкодисперсный порошок триуран-октаоксида
20 - выгрузка оксидов урана в транспортную емкость
21 - поток газовой фазы, состоящей из оксидов азота и водяного пара
22 - конденсатор
23 - поток газовой фазы, состоящей из оксидов азота и остаточного водяного пара
24 - абсорбер
25 - выхлоп газовой фазы N2, О2
26 - поток раствора азотной кислоты
27 - выпарной аппарат
28 - концентрированный раствор азотной кислоты
На Фиг. 2 показана общая схема плазменного реактора, где:
4 - электродуговые плазмотроны
5 - потоки воздуха
6 - пневмоцентробежная форсунка
7 - раствор уранилнитрата
8 - крышка плазменного реактора
9 - корпус плазменного реактора
10 - нижний фланец корпуса плазменного реактора
13 - поток продуктов реакции
29 - штуцер ввода воздуха
30 - штуцер ввода воды
31 - штуцер вывода воды
32 - штуцер вывода воздуха
33 - сопла для ввода тангенциального потока воздуха
34 - воздушная плазма
35 - дезинтегрированный поток уранилнитрата
Таким образом, реализация предложенного способа включает следующие стадии:
- установление на стенке плазменного реактора требуемого температурного режима (300-400°С), при котором в пристеночной зоне затрудняется конденсация оксида урана;
- генерирование потока воздушной плазмы с помощью нескольких электродуговых плазмотронов, расположенных симметрично на крышке плазменного реактора под углом 30-40° к оси реактора;
- дезинтегрирование раствора уранилнитрата в потоки воздушной плазмы таким образом, чтобы факел распыления накрывал поверхность плазменной воронки, образующейся при встрече потоков плазмы на входе в цилиндрический корпус плазменного реактора, что достигается тем, что конус дезинтегрированного потока раствора уранилнитрата, инжектированного в поток плазмы, не превышает 45°;
- смешение потоков дезинтегрированного потока раствора уранилнитрата и воздушной плазмы, одновременную конверсию сырья в триуран-октаоксид и газовую фазу, включающую оксиды азота, водяной пар, азот и кислород;
- одновременное обжатие нисходящего потока вышеперечисленных продуктов тангенциальным потоком сжатого воздуха;
- охлаждение продуктов реакции в вертикально расположенном газодинамическом сопле, предотвращение коалесценции частиц и охлаждение их до температуры 150-200°С;
- разделение дисперсных оксидов урана и газовой фазы в центробежном сепараторе;
- тонкая очистка газовой фазы от субмикронных частиц оксидов урана в металлокерамическом фильтре из двухслойной анизотропной металлокерамики, снабженном импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности;
- выгрузку дисперсного продукта из всех разгрузочных элементов оборудования и направление его на дальнейшую обработку и последующую утилизацию;
- ре-синтез азотной кислоты в последовательно установленных конденсаторе и абсорбере;
- концентрирование раствора азотной кислоты в выпарном аппарате.
Плазменный реактор выполнен в виде цилиндрического корпуса 9 с установленной на его верхнем фланце через термостойкую герметизирующую прокладку крышку 8.
Корпус плазменного реактора снабжен двойной охлаждающей рубашкой: рубашкой водяного охлаждения - снаружи и воздушного охлаждения - внутри. Охлаждение корпуса подается через штуцер ввода воды - 30 и штуцер ввода воздуха - 29, и отводится через штуцер вывода воды - 31 и штуцер вывода воздуха - 32. Крышка 8 также снабжена двойной охлаждающей рубашкой и выполнена в виде усеченного конуса.
Просто водоохлаждаемая стенка плазменного реактора, в принципе, инициирует прилипание вязких капель и образование на ней отложений. Температура стенки - TW является очень важным параметром процесса. В идеале величина TW должна быть близка к температуре продукционной смеси, что обеспечивает изотермичность процесса, уменьшает вероятность прилипания частиц конденсированной фазы к стенкам плазменного реактора. Технически это можно было бы сделать с применением высокотемпературной жаропрочной керамической футеровки металлических стенок плазменного реактора, однако выполнить это очень сложно из-за нестойкости керамики к термическим ударам и растрескиванию, что имеет следствием ухудшение химического и гранулометрического состава продукта. Поэтому отказались от футеровок металлической стенки и использовали комбинированное водовоздушное охлаждение, при котором внутренняя охлаждающая рубашка охлаждается воздухом, внешняя - водой, так что стенка плазменного реактора с внешней стороны - действительно холодная, а внутренняя, в зависимости от интенсивности охлаждения, поддерживается при температуре 300-400°С, т.е. является сравнительно "горячей". "Горячая" стенка снижает тепловой напор на стенки плазменного реактора, снижает потенциал конденсации оксидной продукции на стенки плазменного реактора. В данном изобретении предложено выполнение всех конструкционных материалов из нержавеющей стали X18 Н10Т.
Три-четыре электродуговых плазмотрона 4 (на Фиг. 1, 2 показаны два из них) введены в плазменный реактор через коническую поверхность крышки 8 таким образом, чтобы оси плазмотронов и плазменного реактора пересекались под углом 30-40° друг к другу. Плазмотроны расположены осесимметрично на крышке реактора 8 (три плазмотрона - под углом 120° друг к другу, четыре - под углом 90°). В выбранной схеме электропитания использованы управляемые тиристорные выпрямители 1, преобразующие ток промышленной частоты из первичной электрической сети 2 в постоянный ток и соединенные с плазмотронами 4 фидером 3. В каждый из плазмотронов 4 тангенциально вводят потоки сжатого воздуха 5, в результате чего в верхней части плазменного реактора образуется воздушная плазма 34. При использовании медных и вольфрамовых электродов электродугового плазмотрона в продукте могут потенциально содержаться примеси в большем количестве, чем разрешено ныне действующими техническими условиями. Для того чтобы снизить на порядок износ электродов, медные электроды (катоды и аноды) электродуговых плазмотронов легированы цирконием (1.8% циркония) методами порошковой металлургии. Для снижения на порядок эрозии вольфрамовых катодов последние легировали танталом в лазерном реакторе (1.9% тантала), например, по патенту №2455110 «Способ изготовлений электродуговых плазматронов».
Поток уранилнитрата 7 проходит через средство для подачи раствора, например, пневмоцентробежную форсунку 6, расположенную по центру горизонтальной поверхности крышки 8. Использование пневмоцентробежной форсунки позволяет регулировать размер капель раствора в широком интервале. Дезинтегрированный поток уранилнитрата 35 перемешивается с плазмой и одновременно разлагается по уравнению (3). Смешение раствора уранилнитрата с потоками плазмы оптимально, когда конус дезинтегрированного потока раствора уранилнитрата, инжектированного в поток воздушной плазмы не превышает 45°.
Геометрия выполнения плазменного реактора - форма крышки, расположение форсунки, плазмотронов, углы наклона - позволяет обеспечить движения потоков плазмы и раствора уранилнитрата при их смешении по наименьшей траектории, что снижает вероятность отложений на стенку корпуса реактора.
Дополнительной гарантией снижения отложений является обжатие потока реагирующей смеси и продуктов процесса тангенциальным потоком газообразного воздуха подаваемого через сопла 33, установленных в верхней части корпуса реактора 9. На 1 м2 внутренней поверхности стенок реактора должно быть подано не менее 0.04 кг/с защитного газа со скоростью не менее 50 м/с. Произведение этих величин должно составлять не менее 2 кг/м·с2. Сопла 33 расположены тангенциально к поверхности корпуса реактора 9 и направленны вниз под небольшим углом к горизонтали (5-10°). Фактически следует защищать от конденсации оксидов урана первые 0.1 м корпуса реактора 9.
Далее поток продуктов реакции 13 движется сверху вниз, не касаясь стенок корпуса плазменного реактора 9 до входа в водоохлаждаемое вертикально расположенное газодинамическое сопло 11, закрепленное на нижнем фланце плазменного реактора 10 и на продуктопроводе 12 посредством верхнего и нижнего фланцев. В сопле 11 происходит интенсивное охлаждение потока продуктов реакции (3), происходит конденсация оксидов урана и поток 13 становится двухфазным. В процессе охлаждения продуктов реакции замедляется физическая и химическая сорбция оксидов азота на частицах оксидов урана, т.е., в конечном итоге, понижается содержание азота в оксидах урана.
Сопло снабжено водоохлаждаемой рубашкой. Параметры сопла рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить скорость охлаждения потока продуктов 13 со скоростью 105-106 град. К/с. На входе в указанное сопло поток продуктов, в основном, газовый, на выходе из сопла поток продуктов двухфазный, т.е. состоит из частиц оксидов урана и газовой фазы. Температура двухфазного потока составляет 150-200°С, при которых коалесценция и прилипание к стенке частиц уже не происходит. Интенсивное охлаждение двухфазного потока продуктов реакции с заданной скоростью предотвращает коалесценцию частиц триуран-октаоксида и позволяет регулировать гранулометрический состав продукта.
Охлажденную до 150-200°С продукционную смесь направляют в центробежный сепаратор 14 (например, циклон или вихревой пылеуловитель), в котором происходит сепарация дисперсных оксидов урана и газовой фазы. За центробежным сепаратором 14 расположен металлокерамический фильтр из двухслойной анизотропной металлокерамики, снабженном импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности 18 для улавливания дисперсного продукта диоксида урана.
Осиды урана 15 выгружают на средство для выгрузки, например, на разгрузочный шнек 16. Поток газовой фазы 17, содержащий, кислород, остаточное количество водяного пара, оксиды азота и азот поступает в металлокерамический фильтр 18, из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности, в этом фильтре полностью улавливают дисперсную фазу оставшихся субмикронных частиц оксидов урана (около 5% исходной массы продукта); дисперсный порошок оксидов урана 19 из металлокерамического фильтра 18 направляют на шнек 16.
Оксиды урана выгружают шнеком 16 в транспортную емкость 20.
Поток газовых продуктов 21, очищенных от дисперсного порошка, выводят из металлокерамического фильтра 18 и направляют в конденсатор 22, где конденсируют водяной пар и частично поглощают оксиды азота, далее поток 23 направляют в абсорбер 24, где поглощают растворимые оксиды азота. Газовый поток (N2, O2) 25 направляют при необходимости в спецвентилляцию, снабженную озоновой очисткой газового выхлопа (сюда же направляют газовый выхлоп 27 из выпарного аппарата 27, а раствор азотной кислоты 26 перекачивают в выпарной аппарат 27, откуда концентрированный раствор азотной кислоты 28 направляют на стадию реэкстрации уранилнитрата.
На фигурах не показаны запорно-регулирующая аппаратура, средства подачи компонентов технологического процесса и система управления.
Примеры осуществления изобретения
По предложенному способу перерабатывали сырье радиохимического завода - реэкстракт уранилнитрата конверсией в воздушной плазме электродугового разряда на триуран-октаоксид и нитрозные газы, которые рекомбинируют с водяным паром в азотную кислоту. Исходный раствор (реэкстрат UO2(NO)3)2) имел следующие характеристики:
| концентрация реэкстракта, кг U/л | 0.1-0.50 |
| содержание HNO3, кг/л | 0.1-0.2 |
Параметры процесса и аппарата, представленного схематически на Фиг. 1-3 и предназначенного для переработки раствора уранилнитрата по предложенному способу, приведены ниже:
Технические характеристики пилотного завода следующие:
| - суммарная электрическая мощность трех плазмотронов ЭДП-109, кВт | до 300 |
| - плазмообразующий газ - | воздух |
| - суммарный расход воздуха в плазматронах, нм3/ч | до 50 |
| - среднемассовая температура воздушной плазмы, К | 3000-3500 |
| - производительность по раствору уранилнитрата, л/ч | 20-60 |
| - концентрация урана в растворе уранилнитрата, г/л | 100-500 |
| - дисперсность уранилнитрата, мкм | 100-150 |
| - давление в реакторе, кПа | 100-150 |
| - объемный расход воздуха на обдув стенок реактора, нм3/ч | 3.5 |
| - скорость обдувающего воздуха при входе в реактор, м/с | 52.4 |
| - весовой расход воздуха на обдув стенок реактора, кг/ч (кг/с) | 4.5 (0.0013); |
| - температура стенки корпуса реактора, С - | до 500 |
| - степень очистки газа от твердых частиц на входе в металлокерамический фильтр, % | 95 |
| - степень улавливания порошка в центробежном сепараторе и в МКФ, % | 99.999 |
Конструкционные материалы: везде использована нержавеющая сталь X18 Н10Т.
| Температура потока воздушной плазмы до смешения с уранилнитратом | 3000-4000°С |
| Температура в плазменном реакторе после смешения плазмы с уранилнитратом | 1200-5000 |
| Внутренний диаметр корпуса плазменного реактора, м | 0.30 |
| Линейная скорость реагирующей среды в плазменном реакторе, м/с | 5.28 |
| Длина плазменного реактора от горизонтальной поверхности крышки до нижнего фланца в, м | 2.5 |
| Степень конверсии уранилнитрата в триуран-октаоксид, % | 99.999 |
| Температура на внутренней поверхности стенки корпуса плазменного реактор | 330°С |
| Температура на внешней поверхности стенки корпуса плазменного реактора | 25°С |
Концентрация азотной кислоты суммируется из количества оксидов азота из разложившегося нитрата уранила и количества оксидов азота, синтезированных в электрической дуге в плазмотроне.
Пример 1
| 1. Производительность по ре-экстракту, л/ч | 31 |
| 2. Концентрация ре-экстракта, кгU/л | 0.35 |
| 3. Производительность по урану, кг/ч | 10.85 |
| 3. Производительность по оксидам урана, кг/ч | 12.79 |
| 4. Суммарный расход воздуха в плазматронах, нм3/ч | 50 |
| 7. Об'ем газов, выходящих из плазмохимического реактора, нм3 /ч | 109.4 |
| 8. Концентрация раствора азотной кислоты на выходе из абсорбера | 4.3% |
| 9. Скорость охлаждения потока продуктов реакции в газодинамическом сопле | 105 град. К/с |
| Средний размер частиц U3O8, мм | 0.43 |
| Чистота продукта по Fe, Cu, W, Cr и прочим примесям - 0.6 ppm | 6·10-5%вес |
| Расход электроэнергии | 6.7 кВт·ч/кг U |
| Содержание остаточного азота, % | 0.09 |
Конечная продукция - оксид урана содержит 84.89 мас.%, из них 25.46% U+4. Влажность полученных партий оксидов урана составляла 0.1%; насыпная масса с утряской - 2.7 г/см3; удельная поверхность - 2.5 м2/г.
Концентрирование азотной кислоты производили в стандартном выпарном аппарате.
Пример 2
| 1. Производительность по реэкстракту, л/ч | 31 |
| 2. Концентрация реэкстракта, кгU/л | 0.39 |
| 3. Производительность по урану, кг/ч | 12.09 |
| 3. Производительность по оксидам урана, кг/ч | 14.3 |
| 4. Суммарный расход воздуха в плазматронах, нм3/ч | 50 |
| 7. Об'ем газов, выходящих из плазмохимического реактора, нм3/ч | 95.0 |
| 8. Концентрация раствора азотной кислоты,% | 5.6 |
| 9. Скорость охлаждения потока продуктов реакции в газодинамическом сопле | 8·104 К/с |
| Средний размер частиц U3O8, мм | 0.47 |
| Чистота продукта по Fe, Cu, Cr и прочим примесям - 0.65 ppm | 6.5·10-5% вес |
| Расход электроэнергии | 6.3 кВт·ч/кг U |
| Содержание остаточного азота, % | 0.09 |
Конечная продукция - оксид урана содержит 84.89 мас.%, из них 25.46% U+4. Влажность полученных партий оксидов урана составляла 0.1%; насыпная масса с утряской - 2.75 г/см3; удельная поверхность - 2.7 м2/г.
Пример 3
| 1. Производительность по реэкстракту, л/ч | 31 |
| 2. Концентрация реэкстракта, кгU/л | 0.48 |
| 3. Производительность по урану, кг/ч | 14.88 |
| 3. Производительность по оксидам урана, кг/ч | 17.56 |
| 4. Суммарный расход воздуха в плазматронах, нм3/ч | 50 |
| 7. Об'ем газов, выходящих из плазмохимического реактора нм3/ч | 96.0 |
| 8. Концентрация раствора азотной кислоты | 7.8% |
| 9. Скорость охлаждения потока продуктов реакции в газодинамическом сопле | 9·104, К/с |
| Средний размер частиц U3O8, мм | 0.51 |
| Чистота продукта по Fe, Cu, Cr и прочим примесям - 0.43 ppm | 4.3·10-5% ,вес |
| Расход электроэнергии | 5.9 кВт·ч/кг, U |
| Содержание остаточного азота, % | 0.087 |
Конечная продукция - оксид урана содержит 84.89 мас.%, из них 25.46% U+4
Влажность полученных партий оксидов урана составляла 0.08%; насыпная масса с утряской - 2.5 г/см3.
Удельная поверхность - 2.5 м2/г
Таким образом, совокупность операций и конструктивное выполнение устройства для их осуществления позволит достичь технического результата, а именно получать в едином цикле переработки отхода ядерной промышленности - раствора уранилнитрата-дисперсный оксид урана в виде триуран-октаоксида с высокой монодисперсностью для дальнейшего использования на стадиях ядерного топливного цикла (ЯТЦ) и раствор азотной кислоты, который является ценным продуктом химической промышленности, а также может быть возвращен в технологический цикл.
1. Способ переработки раствора уранилнитрата на оксид урана и раствор азотной кислоты, содержащий введение раствора уранилнитрата и потока воздушной плазмы в зону смешения охлаждаемого плазменного реактора, разложение дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке воздушной плазмы плазменного реактора на триуран-октаоксид и газовую фазу, разделение оксидов урана и газовой фазы в последовательно установленных центробежном сепараторе и металлокерамическом фильтре из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности, выгрузку дисперсных оксидов урана, конденсацию оксидов азота и водяного пара из газовой фазы с одновременной рекомбинацией азотной кислоты и концентрирование раствора азотной кислоты, отличающийся тем, что подают тангенциальный поток сжатого воздуха в верхнюю часть корпуса плазменного реактора за зоной смешения, а по завершении разложения дезинтегрированного раствора уранилнитрата в потоке воздушной плазмы плазменного реактора на триуран-октаоксид U3O8 и газовую фазу охлаждают полученный вертикально направленный двухфазный поток в водоохлаждаемом газодинамическом сопле до температуры 150-200°С.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что потоки воздушной плазмы вводят в плазменный реактор под углом 30-40° к вертикальной оси реактора.
3. Способ по п. 1, 2, отличающийся тем, что инжектируют дезинтегрированный раствор уранилнитрата в поток кислородной плазмы с углом распыления не более 45°.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в объеме плазменного реактора температуру поддерживают не менее 1200-1500°С.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней стенке корпуса плазменного реактора поддерживают температуру 300-400°С.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что начальная скорость тангенциального потока сжатого воздуха составляет не менее 50 м/с, расход потока воздуха составляет не менее 0.4 кг/с·м2, а произведение этих величин должно составлять не менее 2 кг/м·с
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость охлаждения потока продуктов реакции в газодинамическом сопле составляет 105-106 град. К/с.
8. Устройство для переработки раствора уранилнитрата на оксид урана и раствор азотной кислоты, содержащее плазменный реактор с двойной водовоздушной охлаждающей рубашкой, с установленными в его верхней части электродуговыми плазмотронами для генерирования потока воздушной плазмы с источниками электропитания, средства для подачи раствора уранилнитрата и сжатого воздуха в плазменный реактор, и установленные по ходу технологического процесса за плазменным реактором центробежный сепаратор и металлокерамический фильтр из двухслойной анизотропной металлокерамики с импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности для разделения компонентов двухфазного потока - дисперсного триуран-октаоксида урана и газовых компонентов раствора азотной кислоты, средство выгрузки оксида урана, конденсатор для конденсации оксидов азота и водяного пара, абсорбер для улавливания азотной кислоты и выпарной аппарат для концентрирования азотной кислоты, отличающийся тем, что плазменный реактор выполнен в виде цилиндрического корпуса и крышки в виде усеченного конуса, на конической поверхности которой установлены электродуговые плазмотроны, оси которых направленны вниз под углом 20-22.5° к оси плазменного реактора, средство для подачи раствора уранилнитрата установлено вертикально по центру горизонтальной поверхности крышки плазменного реактора, в верхней части корпуса плазменного реактора установлены сопла для тангенциальной подачи сжатого воздуха, а нижняя часть корпуса плазменного реактора соединена с водоохлаждаемым газодинамическим соплом, соединенного с центробежным сепаратором.
9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что электродуговые плазмотроны расположены симметрично по отношению друг к другу по окружности горизонтального сечения конической поверхности крышки плазменного реактора.
10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что оси электродуговых плазмотронов расположены под углом 30-40° к вертикальной оси реактора.
11. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что оно содержит не менее трех электродуговых плазмотронов.
12. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что сопла для тангенциального ввода потоков сжатого воздуха расположены под углом 5-10° к плоскости горизонтального сечения корпуса плазменного реактора.
13. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что средство для подачи раствора уранилнитрата выполнено в виде пневмоцентробежной форсунки.
