Восстановление триоксида урана водородом до диоксида

В промышленных условиях восстановление триоксида урана осуществляют в основном непрерывным методом. На рис. 1.2.12 приведены технологические схемы производства диоксида урана из триоксида. По одной из них водород получают термической диссоциацией аммиака; избыток восстановителя сжигаются на выходе из печи. По другой – используют электролитический водород, избыток реагента после конденсации паров воды возвращают в процесс.

Для непрерывного процесса восстановления триоксида урана применяют три типа реакторов:

– реактор с перемешиваемым слоем;

– виброреактор;

– реактор кипящего слоя.

Процесс с перемешиваемым слоем основан на механическом перемещении триоксида винтовым шнеком через нагретую трубу, в которую подают водород по принципу прямотока или противотока. Трубу реактора изготавливают из нержавеющей стали (примерные размеры одного из таких реакторов: длина 6700 мм, диаметр 410 мм) толщиной 6 мм. Внутри трубы вращается ленточный шнек со скоростью от 1 до 10 об/мин. Шнек изготавливают из четырех кусков ленты размером 6,3 40 мм, скрученных вокруг вала так, что плоская часть ленты перпендикулярна диаметру. Для перемещения порошка в шнеке предусмотрены небольшие лопатки. Вал мешалки изготавливают из трубы диаметром 150 мм, выполненной из нержавеющей стали или инконель-металла. Часть трубы реактора (5,45 м) находится в электрической печи сопротивления с четырьмя зонами нагрева, температура которых контролируется термопарами; спай каждой термопары находится под центром реактора на внешней поверхности трубы.

В качестве восстановителя используют водород или аммиак, подаваемые параллельно или противотоком движению триоксида урана. Однако ни та, ни другая система движения газа не имеет преимуществ. Избыток водорода сжигают на выходе из реактора. Продукты сгорания проходят через пылеуловитель. В поток газа, поступающий после горелки в пылеуловитель, вводят дополнительно такое количество воздуха, при котором, если пламя горелки погаснет, газовая смесь с водородом не была бы взрывоопасной. Порошок диоксида урана, выходящий из реактора, падает через дозатор в герметичный бункер.

Рис. 1.2.12 Варианты технологических схем восстановления триоксида урана до диоксида водородом

Триоксид урана в барабанах емкостью 210 л или в бункерах емкостью до 5 т поступает на восстановление. Барабаны автоматически подаются к бункеру для разгрузки. Высыпанный из барабана триоксид проходит через сито, задерживающее посторонние предметы, а затем попадает в бункер. Из него материал при помощи шнекового питателя направляется в конусную дробилку. Из дробилки триоксид падает прямо на конвейерную систему (типа диск в трубе), которая распределяет материал по бункерным весам, питающим каждый отдельный реактор.

Для процесса восстановления триоксида в рассматриваемом типе аппаратов важное значение имеют температура восстановления, скорость подачи триоксида и скорость потока водорода. Температура определяет скорость реакции восстановления и химическую активность диоксида урана при последующем ее гидрофторировании фтороводородом. Если температура ниже оптимальной, скорость реакции падает. В результате снижается производительность и происходит неполное восстановление. Если температура выше оптимальной, частицы спекаются, что мешает восстановлению и последующему гидрофторированию.

Активность (реакционная способность) исходного триоксида урана также влияет на выбор температуры восстановления. Если триоксид активен, скорость восстановления при определенной температуре будет высокой; это приведет за счет экзотермичности процесса восстановления к значительному тепловыделению. Из-за того, что теплопередача в аппаратах со шнековым перемешиванием сравнительно малоинтенсивна, температура частиц резко повысится, что в конечном итоге приведет к спеканию материала. Поэтому температурный режим процесса выбирают с учетом всех этих факторов.

Диоксид урана, предназначенный для синтеза тетрафторида, получают при температуре восстановления 650 °С во всех четырех зонах реактора. Если диоксид предназначается для упаковки и хранения, то в процессе его синтеза обычно поддерживают температуру восстановления около 800 °С, чтобы получить менее активный продукт. Скорость подачи триоксида составляет 250 кг/чпри 650 °С, что соответствует пребыванию порошка в реакторе 1,5 ч. Оптимальная скорость вращения винтового ленточного шнека – около 4 об/мин. Расход водорода в 1,5 раза больше, чем это необходимо по стехиометрии.

Виброреактор представляет собой трубу прямоугольного сечения с немного выпуклым верхом для придания трубе жесткости (примерные размеры аппарата: длина 4500 мм, сечение 150 600 мм). Труба смонтирована так, что она может периодически колебаться. Параллельно движению порошка или противотоком через реактор пропускают водород или аммиак. Реактор изготавливают из инконель металла толщиной 13 мм или нержавеющей стали. Обогрев осуществляют электрической печью сопротивления.

Электрическая печь сопротивления, в которую помещена труба, разделена на три нагревательные зоны. Температуру контролируют термопарой, помещенной в центре каждой зоны. На входе и выходе из трубы реактора устанавливают гибкие соединения. Триоксид урана загружают в реактор шнеком из небольшого запорного бункера. Образующийся диоксид поступает из трубы реактора в бункер, который установлен на весах. Из этого бункера диоксид урана направляется либо в аппараты для получения тетрафторида урана, либо на упаковку. Нормальный цикл работающего виброреактора 17 сек вибрации и 14 мин неподвижного состояния. Чтобы место входа триоксида урана не забивалось, шнековый питатель, подающий триоксид из бункера, работает только в течение первых 14 с периода вибрации.

Средняя продолжительность пребывания материала в трубе составляет примерно 1 ч. Однако это время может изменяться в зависимости от типа триоксида урана и требуемой производительности от 0,5 до 1,5 ч.

При восстановлении триоксида урана температуру стенок реактора поддерживают в пределах от 590 до 650 °С. Степень восстановления триоксида урана достигает 97 %. Весь продукт, получаемый в виброреакторах, обычно используют для получения тетрафторида урана, который поступает затем на получение гексафторида.

Восстановление триоксида протекает при большом избытке водорода, который после охлаждения и удаления образовавшейся в ходе реакции влаги возвращается в реактор. Непосредственно над приемным бункером диоксида урана расположены угольные фильтры для очистки сбросных газов от захваченных твердых частиц.

Реактор, работающий по принципу кипящего слоя, состоит из двух вертикальных, смонтированных рядом труб из нержавеющей стали. Порошок триоксида урана из бункера вводят сбоку в первую трубу шнековым питателем. Частично восстановленный продукт из первой трубы (первая ступень восстановления) выдувается во вторую, где реакция заканчивается. Восстановление в двух трубах гарантирует количественное протекание процесса.

В качестве восстановителя применяют аммиак, который подают параллельно в обе трубы (иногда его разбавляют азотом). Газ поступает из газопровода под давлением. Из второй трубы порошок диоксида урана подают в бункер, а оттуда на операцию получения тетрафторида. Отходящие газы из обеих труб реактора проходят циклон и затем сжигаются.

Каждая труба реактора имеет систему нагрева и охлаждения. Трубы обогревают электропечами сопротивления. Для охлаждения используют трубки, спирально навитые вокруг каждого реактора, через которые при необходимости пропускают холодный воздух или пар. Температуру восстановления поддерживают в пределах от 540 до 620 °С; скорость газа составляет 0,24-0,45 м/с. Скорость питания варьируют в широких пределах в зависимости от типа перерабатываемого триоксида урана.

Диоксид урана, пригодный для получения тетрафторида и далее гексафторида, получают восстановлением рудного концентрата (закиси-окиси) в кипящем слое. Исходный рудный концентрат обрабатывают до полной однородности по размеру частиц и плотности. Это достигается путем гранулирования, измельчения и классификации исходного материала.

В заключение сопоставим данные по производительности реакторов восстановления триоксида урана водородом до диоксида: а) шнековый реактор (длиной 6,7 м, диаметром 410 мм, объемом 0,84 м³) – производительность 90,6 кг/ч при 593 °С; б) виброреактор (длиной 4,5 м, высотой 152 мм,шириной 600 мм и объемом 0,44 м³) – производительность 136-227 кг/ч; в) реактор кипящего слоя (суммарная высота обеих труб 4 м, диаметр 355 мм, объем 0,49 м³) – производительность от 250 до 540 кг/ч и более.