Способ переработки отходов щелочных металлов

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()990840 (6!) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 210881 (21) 3 331747/22-02 (51) М. Ка. с присоединеиием заявки Нов

С 22 В 7/00

С 22 В 26/10

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 230183. Бюллетень Мо 3

Дата опубликования описания 23.0183 (53) УДК 669 ° 88. . 002 . 68 (088. 8 ) Т. П. Глущенко, Г.М. Грязнов, В. Б.Дав дов, «Ъ.В.Д ов, A.È.Ïàíòåëååâ, В.И.Сербин, Н.Г.Ха й;А.M.Øåëåíêîâ

« г " Г.

1 ,4

i (72) Авторы изобретения (73) Заявитель (54 ) СПОСОБ HEPEPASOTEH ОТХОДОВ ЩЕЛОЧНЫХ

МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к технике, использующей щелочные металлы, в частности к химической, металлургической промышленности, ядерной энергетике, где их используют в качестве теплоносителя или рабочего тела.

Под отходами щелочных металлов подразумеваются щелочные металлы или их смеси, содержащие, преимущественно, в виде примесей окисные, гидроокисные или другие соединения и не подлежащие повторному использованию.

При этом щелочные металлы или их примеси могут быть радиоактивными.

Известен способ дезактивации отходов щелочных металлов, по которому их обрабатывают ненообразователем ПО-1, состоящим из 5-8 вес.ч.

50в-ного водного раствора очищенного керосинового контакта, 3-5 вес.ч.

28%-ного водного раствора столярного клея и 1 вес.ч. спирта j17. . Наиболее близким к предлагаемому является способ переработки отходов щелочных металлов в емкости, включающий вакуумирование емкости и обработку отходов растворяющим реагентом в присутствии инертного газа.

Перед растворением отходов щелочных металлов водой в рабочем объеме, содержащем отхоцы, оборудования создают бескислородную среду вакуумированием или заполнением инертного5 газа (2 .

Недостатками известных способов является неконтролируемость процесса растворения отходов, возможное выделение взрывоопасного водорода, загрязнение окружающей среды углеводородами и аэрозолями гидроокисей щелочных металлов иэ-за возможных местных перегревов.

Целью изобретения является повышение качества переработки отходов, контролируемое безопасное проведение процесса и предотвращение загрязнения окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу переработки отходов щелочных металлов в емкости; предусматривающему вакуумирование емкости и обработку отходов растворяющим реагентом в присутствии инертного газа, емкость заполняют отхо25 дами не более чем на ЗОЪ объема, газовую полость емкости вакуумируют до давления P (0,1-0,5 ) 10 Па, и слой отходов барботируют смесью, содержащей 25-35 об.Ъ двуокиси угле рода, 1,0-10 об.Ъ водяного пара и

990840

10"60 об.% инертного газа под давлением P = {1,1-1,? )hing.+ P где h - высота слоя отходов в емкости м

ПЛОТНОСТЬ ОТХОДОВ КГ/М р

g - ускорение свободного падения м /с

Ро — давление в газовой полости, Па.

Подачу газовой смеси предпочтительно осуществлять циклами, барботи-10 руя в течение 1-3 ч, затем прекращая подачу газовой смеси и вакуумируя газовую полость до Р «1 Па в течение 10-20 мин, после чего цикл повторяют. 15

Перед подачей газовой смеси емкость целесообразно отнакуумировать до Рс, « 1 Па, а отходы разогреть до расплавления, Соотношение газовых компонентов выбрано из следующих соображений.

Барботаж одного углекислого газа через слой отходов щелочных металлов, как определено экспериментально, приводит к сильным разогревам емкости ,свыше 600 С, образованию чистого углерода, коксованию продуктов реакции, что ведет к неполному прохождению реакции. Возможно образование карбонилов из металлов в соответствии с реакциями

2Ме + 2СО Ме СО + С

"ь 7300

2Ме + 2СОд — — Ме СО + СО ме + СО Ь2.Ы@(ммСО)„

Ме + СΠ— Ме СО + (МеСО)„

Добавление йнертного газа позволяет снизить температуру реакции до 2000С и взаимодействие щелочного металла с двуокисью углерода идет по следую- 40 щей реакции: 2Me + 2СО -э М СО + CO.

Добавление водяного пара приводит к увеличению наблюдаемой скорости реакции за счет того, что он является химически активным веществом по 45 отношению к щелочному металлу,к прэисходит более активнее перемешивание отходов щелочных металлов за счет выделяемого водорода..Взаимодействие идет по следующей схеме

2Ме + Наопор Me 0 + H>

Ме10 + СО Ме СО

2Ме + 2СΠ— т Ме СО + СО а

Ме + 3/4СО, + 1/4Н, О- 1/2Ме СО +

+ 1/4СО 55

Соотношение водяного пара к углекислому газу, как видно иэ уравнения реакции, не должно превышать 1г3.

В противном случае образуются гидроокиси щелочных металлов типа 60

МеОН Н О и кристаллогидратыМе СО пН О

Я ъ 2 су Р1.

Таким образом, при предлагаемом компонентном составе газовой смеси 65 получаются твердые, хорошо растворимые в воде, не обладающие защитными . свойствами, карбонаты щелочных металлов (.Ч на со = 0 i 884 < =

0,624 Чсвсо = 0 437). Выбор уровня давления Р обусловлен тем, что при этих условиях исключается образование карбонильных соединений,При коэффициенте (1, 1-1, 2 ), выбранном экспериментально, не происходит разбрызгивания отходов в емкости.

Во время процесса взаимодействия в порах продуктов реакции и на поверхности отходов щелочных металлов адсорбируется газообразные продукты реакции — окись углерода и водород, которые препятствуют доступу углекислого газа к поверхности отходов щелочного металла, и, тем самым, снижается наблюдаемая скорость реакции.

Для полного удаления газообразных продуктов реакции необходимо периоди чески снижать давление в емкости.

В связи с тем, что плотность получаемых продУктов реакции в 2-3 раза меньше, чем плотность исходных продуктов из-эа большой пористости, емкость следует заполнить не более чем на ЗОВ.

Контроль процесса взаимодействия осуществляется по составу газовой смеси, выходящей из емкости. Наличие окиси углерода и водорода указывают на то, что процесс взаимодействия не окончен.

Пример. Проверку способа переработки отходов щелочных металлов проводят в специально изготовленных реакторах цилиндрической формы (Д=

20-40 мм) и прямоугольной (100х100 ) формы высотой 200 мм. Днище реакторов выполнено из пористого материала марки ПНС-35, Х18Н15-ПМ и толщиной 1 мм для организации равномерной подачи газоной смеси по сечению реактора. После загру3ки отходов щелочных металлов реактор вакуумируют до

Р < 1, 0 Па и затем осуществляют постоянную подачу газовой смеси заданного состава, об.ч.: углекислый гаэ 30; водяной пар до 10; аргон 1060; устанавливают и поддерживают в течение примерно одного часа давление 0,5 10 Па. Затем подачу газовой смеси прекращают и реактор вакуумируют до давления P < 1,0 Па в течение 10-15 мин, после чего цикл повторяется.

В результате химического взаимодействия газовой смеси с отходами щелочного металла образуются карбонаты. Изменяя количество аргона в смеси, производят регулирование наблюдаемой скорости химической реакции, а следовательно, и температуры в зоне реакции. Максимальный разогрев,в зоне реакции достигает 150 С, 990840 ляет упростить проблему нейтрализации и утилизации радиоактивных щелочных отходов, принципиально не имеет ограничений по количеству уничтожае5 мого щелочного металла и не требует очистных сооружений и систем от аэрозолей щелочных металлов.

Формула изобретения

Источники информации принятые во внимание при экспертизе @ 1. Авторское свидетельство СССР

Р 475402, .кл. С 22 В 26/10, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 377456, кл. С 23 5/00. 1967.

Составитель В.Бадовский

ТехредТ.Иаточка Корректор О.Билак

Редактор Н.Рогулич

Заказ 62/38 Тираж 625 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул,Проектная, 4 средняя температура — 60-80 С. При обработке используют следующие щелочные металлы: цезий и натрий— калиевая эвтектика. Цезий предварительно разогревают до 30-35 С для перевода в жидкое. состояние. Толщина слоя щелочного металла в реакторе достигает 40 мм. Анализ газового состава отходящих газов с целью контроля окончания процесса взаимодействия осуществляют газовым анализато- 10 ром типа ВТИ-2. Идентификацию твердых продуктов реакции осуществляют титраметрическим методом и на дифрактометре ДРОН-2. Результаты .анализов совпадают и показывают, что образо- !5 вались карбонаты щелочных металлов.

Таким образом, организация процесса по предлагаемому способу повьааает качество переработки отходов щелочных металлов вследствие полного взаи- щ модействия их с газовой смесью. Безопасность проведения процесса обеспечена тем, что реакция идет при низком давлении и исключена возможность неконтролируемого повышения давления и последующего выброса отходов и продуктов реакции в атмосферу. Предлагаемым способом необходимо перерабатывать и радиоактивные щелочные металлы. Это позволит продукты реакции ;@ помещать в обычные хранилища для радиоактивных отходов, так как карбонаты щелочных металлов - взрыво- и .пожаробезопасные соединения, не оказывающие коррозионного воздействия на конструкционные материалы. Получаемые продукты реакции являются сырьем для получения чистого щелочного металла путем восстановления. Это особенно важно для производства цезия.

Известно, что цезий получают иэ мине- 40 ралов полуцита, запасы которого на

Земле ограничены. Поэтому вопрос многократного использования цезия и его . регенерации являются очень важным.

Предлагаемый способ утилизации 45 щелочных металлов упрощает решение вопросов охраны окружакщей средЫ при эксплуатации энергетических и- технологических установок, работающих на щелочных металлах, создает воэможность повторного использования щелочных металлов и сэкономить соот- еетствующие сырьевые ресурсы, поэво1. Способ переработки отходов щелочных металлов в емкости, включающий вакуумирование емкости и обработку отходов растворяющим реагентом,в присутствии инертного газа, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью контролируемого безопасного проведения процесса и предотвращения загрязнения окружакщей среды, емкость заполняют отходами не более чем на

ЗОЪ объема, газовую полость емкости вакуумируют до давления Р = (0,10,5);10 Па и слой отходов барбЬтируют смесью, содержащей 25-35 об..Ъ двуокиси углерода, 1,0-10 об,Ж водяного пара и 10-60 об.Ъ инертного vaза, под давлением Р = (1,1-1,2 )Ьу9+Рд где h - высота слоя отходов в емкости, м, плотность отходов, кг/м ;

g — ускорение свободного падения, м /с

Р - давление в газовой полости, Па.

2-. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что подачу газовой смеси осуществляют циклами, барботируя в течение 1-3 ч, затем прекращая подачу газовой смеси и вакуумируя газовую полость до Р 1 Па в течение

10-20 мнн, после чего цикл повторяют.

3. Способ по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что перед подачей газовой смеси емкость вакуумируют до Ро 1, 0 Па, а отходы разогревают до плавления.