Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения гексафторида урана

Изобретение относится к производствам атомной промышленности, в частности к процессу выделения UF₆ из газов после фторирования урансодержащих соединений на сублиматных заводах.

Гексафторид урана получают путем фторирования элементным фтором различных урансодержащих соединений, например тетрафторида, оксифторида или оксидов урана. В результате образуется газовая смесь, содержащая UF₆ и избыточный фтор. Из этой смеси необходимо селективно извлечь UF₆ с целью передачи на последующий передел атомного промышленного комплекса, в частности, для обогащения по изотопу ²³⁵U на заводе разделения изотопов.

В доступных источниках информации описываются, как правило, конструкции десублиматоров различных неорганических и органических веществ, в которых приводятся иногда режимы процесса, имеющие целью увеличения поверхности теплообмена.

Так, в авт. свид. СССР №714128 (БИ №5, 1980) описан режим процесса десублимации льда, имеющий целью улучшение использования внутреннего объема десублиматора, за счет разбивки холодильных элементов на секции. Все секции включают в работу одновременно, а отключают поочередно, начиная с первой по ходу парогазовой смеси. Намораживание льда осуществляют до тех пор, пока все секции не будут нагружены слоем льда определенной толщины. После этого все секции подвергают тепловому сбросу. По другому варианту через заданный промежуток времени работы отключают все секции из режима охлаждения, кроме последней по ходу газа, намораживают в этой секции слой льда до заданной толщины и затем последовательно включают секции, начиная с предпоследней. После достижения в каждой секции слоя десублимата заданной толщины сброс продукта также осуществляют одновременно со всех секций. Процесс является периодическим (авт. свид. СССР №985648, БИ №48, 1982).

По авт. свид. СССР №606085, 1978 г., МКИ F28B 1/02 описан десублиматор, оснащенный полыми трубками. В качестве хладагента используют артезианскую воду, а в качестве теплоносителя - перегретый водяной пар. На внешней поверхности трубок в период охлаждения конденсируют слой толщиной 1-2 мм. Этот продукт при тепловом сбросе направляют в приемную емкость, в которой образуется слой десублимата. Внешняя поверхность трубок тем самым освобождается от продукта. Цикл охлаждения и обогрева повторяют. Процесс, таким образом, является непрерывным. Каждая трубка из пучка трубчатки охлаждается в течение определенного периода времени, равного 10 мин, а тепловой сброс десублимата осуществляют в течение 1,5 мин.

Наиболее близким является способ получения гексафторида урана (патент №2400430 МПК C01G 43/06), в котором часть секции трубчатого теплообменника работает в режиме десублимации на ее стенках гексафторида урана с последующей возгонкой, а остальные секции - в режиме, исключающем десублимацию гексафторида урана. Подачу хладоносителя с температурой 5-20°C в секции трубчатки, работающие в режиме десублимации, осуществляют в течение 5-15 мин, после чего подачу хладоносителя прекращают.

Основным недостатком процесса десублимации по способу-прототипу является одинаковая продолжительность периода охлаждения труб трубчатки. В этих условиях продукт в приемной емкости характеризуется определенным размером конгломератных частиц. Геометрическая упаковка частиц одинакового размера не отвечает критерию плотнейшей упаковки. Продукт получается со сравнительно небольшой насыпной плотностью, равной 2,60-2,70 т/м³. Степень заполнения приемной емкости составляет не более 80% от максимально допустимой. Эти факторы приводят к увеличению количества транспортных емкостей для перевозки одной и той же массы продукта. Кроме того, для более интенсивного испарения UF₆ на разделительном делительном заводе требуется иметь продукт с максимально возможной плотностью.

Технический результат предлагаемого способа десублимации UP₆ заключается в повышении плотности продукта в транспортных емкостях и увеличении степени их заполнения за счет изменения размера конгломератных частиц десублимата посредством увеличения толщины и плотности слоя десублимата, формирующегося на внешней поверхности труб.

Технический результат предлагаемого способа достигается тем, что в циклах охлаждения при накоплении гексафторида урана на внешней поверхности полых металлических цилиндров, охлаждаемых путем подачи хладагента внутрь цилиндров и последующим тепловым сбросом десублимата с внешней поверхности цилиндров при подаче теплоносителя внутрь цилиндров, охлаждение одной части цилиндров ведут до 11 минут, накапливая слой гексафторида урана на внешней стороне цилиндра толщиной 1-2 мм, а охлаждение другой части цилиндров ведут в течение 28-40 минут, накапливая слой гексафторида урана на внешней стороне цилиндра толщиной до 5 мм; при этом температуру хладагента в обоих случаях поддерживают в интервале 1-15°С, а нагревание цилиндров ведут в течение 1,25-2 минут при температуре теплоносителя в интервале 115-125°С.

Приведенные выше признаки обеспечивают реализацию заявленного изобретения и получение технического результата.

При наличии в продукте конгломератных частиц различного размера плотность упаковки в приемной емкости увеличивается за счет заполнения пустот между более крупными образованиями частицами меньшего размера. При поочередном ссыпании крупных и мелких фракций частиц в приемной емкости плотность продукта увеличивается на 10-15% по сравнению с их одновременным ссыпанием или поступлением частиц одинакового размера (Э.Э. Кольман-Иванов «Таблетирование в химической промышленности». - М.: Химия, 1976, сс. 35-36).

В нашем случае наблюдается именно подобное явление. После более продолжительного охлаждения при тепловом сбросе UF₆ образуются более крупные конгломераты десублимата, промежутки между которыми заполняются конгломератами меньшего размера с труб, охлаждаемых более короткое время.

При охлаждении труб до 11 мин и тепловым сбросом до 2 мин образуется продукт с минимальными размерами конгломератов. При охлаждении труб в течение 28-40 мин и тепловым сбросом продолжительностью до 2 мин образуется продукт с максимальными размерами частиц за счет более плотной упаковки в более толстом слое десублимата, равном до 5 мм.

При уменьшении продолжительности теплового сброса менее 1,25 мин весьма вероятно явление неполноты освобождения внешней поверхности цилиндров (трубок) десублиматора от твердого гексафторида урана. Увеличение теплового сброса более 2 мин приведет к перерасходу тепловой энергии и массы теплоносителя.

В качестве хладагента используют воду, как наиболее экономически выгодный реагент. Температура хладагента поддерживается в интервале от 1 до 15°C. При температуре воды ниже 1°C есть вероятность образования наледи, что может привести к нарушению работы десублиматора вплоть до его аварийной остановки. При температуре воды выше 15°C степень десублимации продукта на трубках существенно уменьшается вследствие физико-химических свойств UF₆. При превышении температуры выше предельной степень выноса гексафторида урана из аппарата резко увеличивается.

Температура теплоносителя поддерживается в интервале 115-125°C и обуславливается наиболее приемлемыми с экономической точки зрения параметрами его производства. При температуре менее 115°C будет увеличиваться время отпарки (нагревания) трубок, а при температуре свыше 125°C будет наблюдаться перерасход электроэнергии на нагрев теплоносителя.

Для специалистов основные отличительные признаки заявляемого способа не являются очевидными и поэтому отличительные признаки данного способа отвечают критериям «новизна» и «новое практическое применение».

Пример 1

Процесс десублимации гексафторида урана осуществляли в режиме охлаждения всех без исключения трубок (цилиндров) трубчатки в течение 10 мин водой с температурой 8°C с последующей отпаркой в течение 1,5 мин. Результаты приведены в табл. 1.

Как следует из данных табл. 1, продукт в транспортных емкостях имеет небольшую насыпную плотность и поэтому заполнение продуктом их не превышает 80%.

Пример 2

Процесс десублимации гексафторида урана осуществляли в режиме охлаждения, показанном в табл. 2, водой с температурой 10°C с последующей отпаркой. Результаты приведены в табл. 2.

Как следует из данных табл. 2, степень заполнения транспортных емкостей гексафторидом урана увеличилось более чем на 15%.

В табл. 3 приведены результаты испытаний головного десублиматора при следующих режимах охлаждения: секции труб 4, 5, 6-10 мин: секции труб 1, 2, 3, 7, 8, 9-30 мин. Продолжительность нагревания составляла 1,5 мин.

Таким образом, предлагаемые режимы десублимации гексафторида урана позволяют повысить плотность продукта в транспортных емкостях и увеличить степень их заполнения, что приведет к существенному уменьшению их количества для транспортировки одной и той же массы продукта потребителю.