Концентрирование растворов уранилнитрата и денитрация

На операцию концентрирования поступают растворы уранилнитрата с содержанием от 90 до 280 г урана на 1 л. При этом содержание свободной кислоты может изменяться от нуля до 0,05 н. Для упаривания растворов используют вертикальные трубчатые выпарные аппараты, обогреваемые внутренними паровыми змеевиками. Работу каждого аппарата постоянно контролируют по температуре кипения раствора такой концентрации уранилнитрата, которая необходима для операции денитрации. Эта температура колеблется от 120 до 143 °С. При 120 °С кипит раствор, в котором содержание урана примерно 1175 г/л, при 143 °С – раствор, с концентрацией урана около 1500 г/л.

Температура начала кристаллизации менее концентрированного раствора около 60 °С, более концентрированного – около 116 °С. Поэтому вся система подвода таких растворов во избежание затвердевания обогревается паром. Все трубопроводы монтируют наклонными, чтобы при необходимости был обеспечен слив раствора и промывка их сильной струей воды.

Перед подачей на денитрацию такие концентрированные растворы уранилнитрата хранят в обогреваемых емкостях. Аппараты концентрирова-ния изготавливают из нержавеющей стали.

Отходящие пары и газы конденсируют; если в конденсате обнаруживается некоторое количество урана, растворы возвращают на упаривание. При достаточно высоком содержании азотной кислоты конденсат возвращают в процесс; конденсат, не содержащий урана и азотной кислоты, используют в качестве деминерализованной воды для проведения процесса реэкстракции урана из трибутилфосфата.

1 – трубопровод отходящих газов; 2 – слой порошка триоксида урана; 3 – трубопроводы, подводящие гексагидрат уранилнитрата; 4 – привод мешалки; 5 – разгрузка порошка; 6 – бункер для порошка триоксида урана; 7 – лопасти мешалки; 8 – электрические нагревательные элементы Рис. 1.2.9 Реактор для непрерывного прокаливания гексагидрата уранилнитрата до триоксида урана

Процесс непрерывной денитрации проводят в реакторе, изготовленном в виде желоба с круглым днищем (рис. 1.2.9). Желоб обогревается электрической печью сопротивления. Слой порошка внутри желоба тщательно перемешивается горизонтальной вращающейся мешалкой, представляющей собой вал из нержавеющей стали со скребками Т-образной формы. Скребки, вращаясь, очищают желоб, оставляя корку толщиной не более 3,2 мм.

Желоб изготавливают из нержавеющей стали толщиной 25 мм; общая длина желоба достигает 3660 мм. Обогревается только центральный участок длиной 3360 мм. Вал мешалки имеет диаметр 203 мм, количество скребков достигает 12. Мешалка вращается двигателем мощностью 150 л. с.со скоростью 60 об/мин.

Раствор уранилнитрата поступает в реактор по трем питающим трубам, каждая из которых снабжена отдельным ротаметром. Питающие трубы проходят вертикально через крышку желоба внутрь на глубину около 76мм от дна. Снаружи эти трубопроводы по всей длине обогреваются паром. Полученный в желобе триоксид урана высыпается через трубу в сборный бункер, расположенный ниже реактора. Под трубами питающего раствора в нижней части слоя триоксида расположены термопары. На каждом питающем трубопроводе имеются контрольные вентили, включающиеся и выключающиеся в соответствии с показаниями термопар. Если температура в точке питания падает ниже установленной, контрольный питающий вентиль уменьшает подачу уранилнитрата в эту точку, и наоборот. Работа нагревательных элементов электропечи регулируется термопарами, помещенными через определенные интервалы в оболочке желоба.

Триоксид урана, попадающий в сборный бункер, пневматически транспортируется в молотковую мельницу для измельчения. Содержание нитрат иона в полученном триоксиде урана в значительной степени зависит от температуры слоя в аппарате и колеблется от 1,1 % при 242 °С до 0,02 % при 454 °С; содержание воды при тех же температурах составляет 2,6 и 0,1 %. При рабочей температуре примерно 300 °С в продукте содержится около 0,2 % нитрат иона и около 1,0 % воды.

Чем выше температура слоя, тем менее химически активен образующийся триоксид урана. Для получения реакционноспособного триокида, более удобного для переработки на последующих стадиях, к исходному ура-нилнитрату добавляют некоторое количество серной кислоты из такого расчета, чтобы содержание серы в готовом продукте составляло по отношению к урану 0,15-0,20 %.

В настоящее время разрабатывается еще более эффективный аппарат – денитратор кипящего слоя (рис. 1.2.10). В этом варианте аппаратурного оформления процесса обеспечивается лучшая теплопередача. Денитрацию проводят в вертикальной трубе, выполненной из нержавеющей стали. Раствор уранилнитрата, упаренный до содержания 70-100 % гексагидрата, подают в аппарат под давлением и распыляют при помощи форсунки. Кипящий слой предварительно создается из частиц триоксида урана; по мере термического разложения уранилнитрата вновь образующийся триоксид урана постепенно заменяет первоначально загруженный.

Таким образом, порошок триоксида урана необходим лишь для пуска установки.

Находящийся в реакторе слой триоксида урана переводят во взвешенное состояние при помощи воздуха, который подают под давлением через пористую перегородку, расположенную на дне аппарата. Готовый продукт удаляется непрерывно (с постоянной скоростью) через дно аппарата. Газообразные продукты реакции отводятся через ряд пористых металлических фильтров, расположенных в верхней части реактора.

В другом типе реактора кипящего слоя, изображенном на рис. 1.2.11, триоксид разгружают из верхней части аппарата через спускную трубу, а для очистки отходящих газов вместо пористых металлокерамических фильтров используют циклоны.

Остаточное содержание нитрат иона и воды в триоксиде урана зависит от температуры кипящего слоя; так как длительность пребывания материала в аппарате очень невелика и измеряется минутами, содержание этих компонентов несколько выше, чем в триоксиде, полученном в желобчатом денитраторе при той же температуре.

1 – пористая перегородка из нержавеющей стали; 2 – линия для измерения давления; 3 – распылитель; 4 – кипящий слой триоксида урана; 5 – загрузочный бункер; 6 – предохранительный клапан для сброса давления; 7 – дистанционный измеритель уровня кипящего слоя; 8 – пористые фильтры; 9 – разделительная перегородка; 10, 13 – гнезда для термопар; 11 – реакционная камера; 12 – нагреватели; 14 – сборная емкость; 15 – пробоотборник; 16 – сборник продукта Рис. 1.2.10 Денитратор кипящего слоя

Гранулометрический состав триоксида урана определяется температурой кипящего слоя и концентрацией уранилиитрата в питающем растворе. В начале работы установки частицы триоксида урана укрупняются либо за счет цементации их каплями питания в агрегаты, либо за счет укрупнения отдельных частиц при разложении на их поверхности уранилнитрата. В дальнейшем гранулометрический состав триоксида урана стабилизируется; при этом скорости укрупнения и измельчения частиц становятся одинаковыми.

1 – подогреватель воздуха; 2 – трубопровод для подачи раствора уравилнитрата; 3 – бак для уранилнитрата; 4 – трубопроводы к соплам; 5 – воздухораспределительная решетка; 6 – смотровое окно; 7 – бункер для улавливания порошка; 8 – труба для возврата улавливаемого порошка; 9 – гнезда для термопар; 10 – внешние нагреватели; 11 – распылительные сопла; 12 – линия вывода триоксида урана; 13 – внутренние нагреватели; 14 – сборник продукта Рис. 1.2.11 Денитратор кипящего слоя

Максимальный размер частиц наблюдается при наиболее концентрированном питании, минимальный – при сравнительно разбавленном. Уменьшение температуры кипящего слоя приводит к некоторому измельчению частиц триоксида, что объясняется проникновением воды в поры агрегатов и последующим их разрывом; при более высокой температуре разложение протекает лишь на поверхности твердого вещества. Благодаря этому обстоятельству (разложение уранилнитрата на поверхности или в порах триоксида урана) процесс в кипящем слое выгодно отличается от любого другого аппаратурного решения значительно меньшей коррозией аппарата в ходе процесса и, следовательно, меньшим загрязнением готового продукта.

В табл. 1.2.11 приводятся данные, характеризующие образцы триоксида урана, полученные различными способами.

Таблица 1.2.11

Состав триоксида урана