Способ получения безводного тетрафторида урана

Способ получения безводного тетрафторида урана

Реферат

Изобретение относится к получению безводного тетрафторида урана UF₄ - важного промежуточного продукта при производстве гексафторида урана, а также металлического урана.

Перед использованием требуется практически полное обезвоживание влажного кристаллогидрата тетрафторида урана, получаемого по гидрометаллургической технологии. Обычно обезвоживание достигается термообработкой, причем получаемый безводный продукт теряет свойство гигроскопичности.

Однако дегидратация тетрафторида урана осложняется тем, что при повышенной температуре происходит его гидролиз с образованием двуокиси урана UO₂, а в присутствии кислорода - с образованием оксифторида UO₂F₂. Значительное количество этих примесей резко ухудшает качество продукта и является неприемлемым. Поэтому с целью предотвращения образования побочных соединений термическую дегидратацию проводят под вакуумом или в нереакционноспособной (химически неактивной) атмосфере.

Известен способ термической дегидратации влажного кристаллогидрата тетрафторида урана в две стадии: основную массу воды удаляют при температуре нагрева продукта до 250° С (процесс сушки), а окончательное обезвоживание и удаление кристаллогидратной воды ведут при 500-600° С (процесс прокалки) в токе водорода (Галкин Н.П. и др. Химия и технология фтористых соединений урана. М., Госатомиздат, 1961, с.66-68).

Однако применение водорода делает процесс взрывоопасным и удорожает его.

Известен также способ дегидратации соли, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что порцию гидратированной соли нагревают в нереакционноспособной атмосфере до первой температуры, превышающей температуру кипения воды, чтобы удалить из обрабатываемого продукта свободную влагу, затем нагревают материал до второй температуры, превышающей первую, также в нереакционноспособной атмосфере для удаления кристаллогидратной воды и окончательно нагревают в инертной атмосфере до третьей еще более высокой температуры для того, чтобы сделать соль негигроскопичной (Europen patent, заявка №0404626 А1, МПК⁵ C 01 G 43/06, публикация 90.12.27).

Недостатками способа-прототипа является то, что для создания нереакционноспособной атмосферы требуется или постоянная подача инертного газа, или создание и поддержание вакуума. И то и другое требует использования специального оборудования, а также расхода газа, что усложняет и удорожает процесс. То, что при нагреве выше 250° С происходит гидролиз и окисление тетрафторида урана, в большей мере проявляется в статических условиях нагрева. Поскольку в технологии нагрев продукта чаще всего производят во вращающихся трубчатых печах, в которых создаются специфические динамические условия, представляется целесообразным попытаться подобрать режимы термообработки для получения кондиционной продукции без использования какого-либо инертного газа или создание вакуума.

Наиболее предпочтительной является термообработка в потоке воздуха, подаваемого в определенном количестве в печь и выносящего удаляемую воду. При этом необходимо, чтобы продолжительность нагрева продукта и поверхность контактирования обезвоживаемого продукта с воздухом были как можно меньше.

Этого можно достигнуть в электронагреваемых трубчатых печах, где за счет вращения наклонной реторты к зоне выгрузки формируется интенсивно перемешиваемая масса продукта ("подушка"), что минимизирует перегрев материала от стенок реторты и обеспечивает постоянное обновление контактирующей с воздухом поверхности продукта.

К тому же над поверхностью продукта образуется объемный слой собственных газов, выполняющих защитную функцию, а сами печи представляют собой герметичную систему, исключающую неконтролируемый подсос воздуха. Все это уменьшает окисление и гидролиз продукта.

Задачей изобретения является создание сравнительно простого и дешевого способа получения полностью дегидратированного тетрафторида урана, удовлетворяющего требованиям нормативной документации (технических условий) и не обладающего заметной гигроскопичностью.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от известного способа, включающего сушку влажного кристаллогидрата тетрафторида урана при температуре 200-240° С в нереакционноспособной атмосфере и последующую прокалку при температуре более 500° С в нереакционноспособной атмосфере, по заявленному способу прокалку ведут при подаче противотоком подогретого воздуха с расходом 2-8 м³/час, а сушку ведут при подаче противотоком образующейся при прокалке газовоздушной смеси с дополнительной подачей подогретого воздуха с расходом 100-250 м³/час.

Решению задачи способствует и то, что сушку и прокалку ведут в герметичной агрегированной системе, включающей вращающуюся печь для сушки, вращающуюся печь для прокалки, систему вентиляции, шнек-холодильник и контейнер.

Решению задачи способствует и то, что воздух подогревают до температуры 300-400° С.

Решению задачи способствует и то, что прокаленный тетрафторид охлаждают до температуры 180° С или ниже.

Кроме того решению задачи способствует и то, что охлажденный тетрафторид урана выгружают в герметичный контейнер.

Технический результат от использования изобретения заключается в следующем.

Печи изолированы от прямого воздействия окружающей среды, т.е. исключается неконтролируемый подсос воздуха, поэтому в прокалочной печи, где происходит удаление кристаллизационной воды, создается в основном защитная атмосфера собственных газов, состоящих из смеси водяного пара и фтористого водорода, способствующих снижению содержания кислорода над поверхностью продукта. Эта атмосфера постоянно обновляется за счет дозированной подачи воздуха и вентиляции.

В сушильной печи, где происходит удаление гигроскопической воды, в формировании атмосферы дополнительно участвует и газовоздушная смесь с низким содержанием паров воды и кислорода, поступающая со стадии прокалки.

Такая организация термообработки, в особенности прокалки, создает своеобразное сочетание режима вакуума и инертной атмосферы, причем создающаяся атмосфера циркулирует над поверхностью перемещающегося продукта и служит защитным слоем, который препятствует реакции тетрафторида с кислородом воздуха, к тому же количество последнего поддерживается на минимально возможном уровне, а подогрев его способствует обезвоживанию продукта. Газовоздушная смесь, подаваемая по газоходу из прокалочной печи в сушильную, способствует снижению количества подаваемого в эту печь свежего воздуха, разбавляет его и таким образом снижает возможность образования на операции сушки первоначальных окисных соединений.

Косвенным подтверждением полезного влияния постоянного перемешивания "подушки" на качество продукта является тот факт, что при вынужденных достаточно длительных остановках печей с оставленным в них продуктом обычно получается некондиционный продукт с повышенным содержанием кислородных соединений за счет интенсификации перегрева продукта в контакте со стенкой реторты.

Охлаждение и затаривание в герметичный контейнер исключает возможность значительного ухудшения качества продукта за счет окисления и гигроскопичности. Охлаждение до 180° С и ниже приводит к тому, что тетрафторид урана не обладает заметной гигроскопичностью, а в сочетании с затариванием в герметичный контейнер практически исключает ее.

При анализе научно-технической и патентной литературы технических решений, обладающих совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено.

Предлагаемый способ осуществляли следующим образом.

Отфильтрованный исходный продукт, представляющий собой влажный кристаллогидрат UF₄·1,33H₂O с содержанием влаги 16-20%, непрерывно подавали шнеком в трубчатую вращающуюся сушильную печь, где получали продукт, представляющий собой смесь UF₄·0,3Н₂О и безводную UF₄, далее продукт направляли во вращающуюся печь на прокалку, где получали полностью безводный UF₄, и через шнек-холодильник охлажденный продукт выгружали в герметичный контейнер.

Все оборудование системы подсоединено к вентиляции. Воздух, подаваемый в противоточном режиме, подогревали в калорифере и вводили по отдельным трубам на операции сушки и прокалки. Газовоздушную смесь с прокалки направляли противотоком через газоход в сушильную печь.

Для получения кондиционного товарного продукта подбирали и контролировали следующие параметры: расход и температуру подаваемого в печи воздуха, температуру продукта на выгрузке из печей.

Контроль качества тетрафторида урана после термообработки проводили по содержанию общей влаги в продукте, а также по содержанию оксифторида и двуокиси урана в высушенном и прокаленном продукте.

Полученные результаты сравнивали с требованиями технических условий на тетрафторид урана (ТУ 95.1713-88), согласно которым допускается содержание влаги ≤ 0,15%, а суммы оксифторидов и двуокиси ≤ 6,0%.

Необходимое качество продукции, соответствующее ТУ, достигалось оптимальным температурным режимом сушки и прокалки. Параметры термообработки аналогичны прототипу и выбраны такими, чтобы температура продукта на выходе из сушильной печи составила 200-240° С, а после прокалки - несколько превышала 500° С. Указанные температуры достигались за счет равномерного возрастания нагрева по зонам печи.

Выбор температуры подаваемого воздуха определялся необходимостью поддержания означенного температурного режима сушки-прокалки, т.е. исключения неравномерности нагрева, а также перегрева продукта. Оптимальной температурой, по результатам испытаний, оказалась температура в интервале 300-400° С.

Результаты испытаний по подбору расхода воздуха отражены в таблицах 1, 2. Каждый порядковый номер опыта в таблицах соответствует периоду стабильной работы при означенных параметрах в течение длительного времени (несколько суток).

Испытания, результаты которых представлены в таблице 1, проводили при среднем расходе воздуха на сушку, соответствующем 100-250 м³/час.

Испытания, результаты которых представлены в таблице 2, проводились при среднем расходе воздуха на прокалку, соответствующем 2-8 м³/час.

Исходя из данных таблицы 1, для получения кондиционной продукции необходимо выдерживать расход воздуха на прокалку в пределах 2-8 м³/час.

Исходя из данных таблицы 2, содержание суммы оксифторида и двуокиси урана в тетрафториде урана после печей сушки-прокалки при среднем расходе воздуха на сушку 200-450 м³/час, составило 3,96-5,53, а содержание влаги ≤ 0.15%. Однако пылеунос при расходе воздуха на сушку более 250 м³/час значительно увеличивается, что приводит к повышению затрат по утилизации. В связи с этим, а также учитывая значительные затраты на подачу и нагрев воздуха, нецелесообразно поддерживать расход воздуха свыше 250 м³/час.

Представленные данные по качеству продукта ниже предельных значений по техническим условиям, и таким образом решена поставленная задача по созданию простого и дешевого способа получения безводного тетрафторида урана требуемого качества.

Внедрение изобретения позволило снизить расход электроэнергии, материалов, а также уменьшить затраты на ремонт и обслуживание.

Таблица 1Результаты промышленных испытаний прокалки тетрафторида урана
№№ пп	Количество подогреваемого воздуха, м3/ час	Содержание влаги, %	Среднее содержание суммы оксифторидов и двуокиси урана, %
1	0	<0,15	6,7
2	0-2	<0,15	6,3
3	0-2	<0,15	6,5
4	2-4	<0,15	5,5
5	2-4	<0,15	5,2
6	4-6	<0,15	3,7
7	4-6	<0,15	3,9
8	6-8	<0,15	5,3
9	6-8	<0,15	5,1
10	8-10	<0,15	6,2
11	8-10	<0,15	6,3

Таблица 2Результаты промышленных испытаний сушки и прокалки тетрафторида урана
№№ пп	Расход воздуха на сушку, м3/час	Исходное содержание влаги, %	После сушки	После сушки-прокалки	Концентрация продукта в вентвыбросах, г/см3
содержание влаги, %	содержание оксифторида, %	содержание влаги, %	сумма оксифторида и двуокиси, %	содержание оксифторида, %
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	70-90	17-20	0,90-1,30	0,12-0,26	0,23-0,50			7
2	100-150	17-20	0,20-0,75	0,19-0,24	<0,15	4,49-5,05	2,38-2,74	10
3	150-250	17-20	0,83-1,03	0,59-1,54	<0,15	3,96-4,50	2,52-2,59	12
4	400-450	17-20	0,30-0,61	0,34-1,94	<0,15	4,71-5,53	3,96-4,63	33

1. Способ получения безводного тетрафторида урана путем сушки влажного кристаллогидрата тетрафторида урана при температуре 200-240°C в нереакционноспособной атмосфере и последующей прокалки при температуре более 500°C в нереакционноспособной атмосфере, отличающийся тем, что прокалку ведут при подаче противотоком подогретого воздуха с расходом 2-8 м³/ч, а сушку ведут при подаче противотоком образующейся при прокалке газовоздушной смеси с дополнительной подачей подогретого воздуха с расходом 100-250 м³/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку и прокалку ведут в герметичной агрегированной системе, включающей вращающиеся печи, систему вентиляции, шнек-холодильник и контейнер.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух подогревают до температуры 300-400°C.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокаленный тетрафторид урана охлаждают до температуры 180°С или ниже.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлажденный тетрафторид урана выгружают в герметичный контейнер.