способ получения тетрафторида урана

Формула изобретения

1. Способ получения тетрафторида урана гидрофторированием диоксида урана, включающий противоточное взаимодействие твердой фазы с фторидом водорода, находящимся в газовой фазе, при движении твердой фазы через низкотемпературную и высокотемпературную области при подаче в высокотемпературную область в зону выгрузки тетрафторида урана безводного фторида водорода, отличающийся тем, что в низкотемпературную область совместно с газовой фазой, выходящей из высокотемпературной области, подают переведенную в газообразное состояние плавиковую кислоту, имеющую концентрацию фторида водорода не менее 35 мас.%, при этом поддерживают суммарный расход плавиковой кислоты в пересчете на безводный фторид водорода, подаваемой в низкотемпературную область, и безводного фторида водорода, подаваемого в высокотемпературную область, равный стехиометрическому расходу фторида водорода в реакции гидрофторирования диоксида урана до тетрафторида урана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рамках суммарного расхода, равного стехиометрическому, массовое соотношение переведенной в газообразное состояние плавиковой кислоты, подаваемой в низкотемпературную область, в пересчете на HF, и безводного фторида водорода, подаваемого в высокотемпературную область, поддерживают равным (0,2-1,1):1.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что повышают температуру взаимодействия по ходу движения твердой фазы в низкотемпературной области от 150 до 350°С, а в высокотемпературной области - от 350 до 415°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения тетрафторида урана, а именно к способам получения тетрафторида урана на переделе гидрофторирования диоксида урана, и может быть использовано в производстве гексафторида урана или металлического урана.

Известно (Ч.Харрингтон, А.Рюэле. Технология производства урана. Госатомиздат, М. 1961, с.224) получение тетрафторида урана взаимодействием диоксида урана с газообразным фторидом водорода по реакции:

В источнике информации (В.Б.Шевченко, Б.Н.Судариков. Технология урана. Госатомиздат. М., 1961, сс. 264-266) описан способ гидрофторирования диоксида урана в шнековых аппаратах - прототип. Температура реакционного пространства на входе твердого поддерживается на уровне 290-340°С, на выходе 540-590°С. Безводный фторид водорода поступает на фторирование в зону выгрузки тетрафторида урана и движется противотоком твердой фазе; по мере продвижения газовой фазы к зоне загрузки диоксида урана она обогащается парами воды. Отходящие газы, содержащие пары воды, направляют на конденсацию. Избыток безводного фторида водорода в процессе превышает 200%. Содержание тетрафторида урана в полученном продукте (в пересчете на уран), т.е. выход тетрафторида урана, составляет 95-96%. Недостатком способа является большой избыток дорогостоящего безводного фторида водорода.

Задачей изобретения является расширение арсенала способов получения тетрафторида урана, снижение расхода безводного фторида водорода.

Дополнительной задачей является получение тетрафторида урана с выходом не менее 96%, т.к. тетрафторид именно такого качества обычно используют для получения гексафторида урана фторированием тетрафторида элементарным фтором.

Поставленную задачу решают тем, что в способе получения тетрафторида урана гидрофторированием диоксида урана, включающем противоточное взаимодействие твердой фазы с фторидом водорода, находящимся в газовой фазе, при движении твердой фазы через низкотемпературную и высокотемпературную области при подаче в высокотемпературную область в зону выгрузки тетрафторида урана безводного фторида водорода, в низкотемпературную область совместно с газовой фазой, выходящей из высокотемпературной области, подают переведенную в газообразное состояние (газифицированную) плавиковую кислоту, имеющую концентрацию фторида водорода не менее 35 мас.%, при этом поддерживают суммарный расход HF в высоко- и низкотемпературной областях, равный стехиометрическому расходу HF в реакции гидрофторирования диоксида урана до тетрафторида урана.

В рамках суммарного расхода HF, равного стехиометрическому, массовое соотношение газифицированной плавиковой кислоты, подаваемой в низкотемпературную область, в пересчете на HF и безводного фторида водорода, подаваемого в высокотемпературную область, поддерживают равным (0,2-1,1):1.

Повышают температуру взаимодействия по ходу движения твердой фазы в низкотемпературной области от 150 до 350°С, а в высокотемпературной области - от 350 до 415°С.

Способ осуществляют следующим образом.

Гидрофторирование диоксида урана провели в двух последовательно соединенных шнековых реакторах. Реакторы имеют электрический обогрев. В первый реактор (низкотемпературную область) поступает твердая фаза в виде диоксида урана и противотоком ей газообразная фаза, содержащая газифицированную плавиковую кислоту, объединенную с отходящими из второго реактора (высокотемпературной области) газами; во второй реактор поступает твердая фаза из первого реактора, содержащая оксиды, оксифториды и тетрафторид урана, и противотоком ей безводный фторид водорода, подаваемый в зону выгрузки продукта - тетрафторида урана.

Газифицированную плавиковую кислоту получают нагреванием до температуры кипения и полного испарения HF и H₂O.

В опытах 1-6 использовали плавиковую кислоту, содержащую 40% HF, а в опыте 7 - 35% HF. Стехиометрический расход 100%-ной HF составляет 0,296 кг на 1 кг UO₂. В рамках практически стехиометрического (0,29 кг) расхода HF меняли соотношения HF, поставляемого для процесса в виде безводного фторида водорода и в виде плавиковой кислоты.

Условия проведения опытов приведены в таблице 1, а результаты опытов - в таблице 2.

Таблица 1
№ оп.	Расход, кг, на 1 кг UO2, в пересчете на HF	Соотношение расходов безводного фторида водорода и плавиковой кислоты в пересчете на HF, кг/кг	Температура в реакторах, °С
безводного фторида водорода	плавиковой кислоты	сумма	первом реакторе	втором реакторе
вход	выход	вход	выход
1	0,24	0,05	0,29	1:0,2	173	352	353	407
2	0,21	0,08	0,29	1:0,4	163	348	349	410
3	0,16	0,13	0,29	1:0,8	158	351	353	408
4	0,14	0,15	0,29	1:1,1	153	350	353	409
5	0,12	0,17	0,29	1:1,4	151	353	355	411
6	0,10	0,19	0,29	1:2,0	142	349	352	417
7	0,17	0,12	0,29	1:0,7	157	354	356	412

Таблица 2
№ оп.	Состав целевого продукта, % в пересчете на U	Потери HF, мас.%
UF4	UO 2F2	UO2
1	98,00	1,10	0,90	0,30
2	97,40	1,30	1,30	0,41
3	96,50	2,10	1,40	0,89
4	96,05	2,40	1,55	1,20
5	95,30	2,90	1,80	1,40
6	93,80	3,90	2,30	2,40
7	96,20	2,30	1,50	0,92

Из данных таблиц 1 и 2 видно, что в процессе гидрофторирования часть газообразного безводного фторида водорода может быть заменена на газифицированную плавиковую кислоту при соблюдении суммарного стехиометрического расхода HF. При этом выход тетрафторида урана не менее 96% достигается в опытах 1-4 и 7, при соотношении (в пределах стехиометрии по HF) безводного фторида водорода и плавиковой кислоты в пересчете на HF 1:(0,2-1,1), при концентрации HF в плавиковой кислоте 35 и 40 мас.%. Как оказалось, дополнительная вода (вода, содержащаяся в плавиковой кислоте, дополнительная к той воде, которая образуется по реакции гидрофторирования) при заявляемых соотношениях плавиковой кислоты и безводного фторида водорода не препятствует получению продукта с выходом не менее 96% (таблица 2). При этом замена дорогого безводного фторида водорода более дешевой плавиковой кислотой способствует удешевлению процесса. При замене большего, чем вытекает из заявленного соотношения, количества безводного фторида водорода плавиковой кислотой (опыты 5 и 6) выход получаемого тетрафторида урана становится менее 96% (увеличивается содержание в продукте UO₂F₂ и UO₂).

Таким образом, при замещении до 52 мас.% безводного фторида водорода плавиковой кислотой (т.е. при использовании до 52 мас.% HF в виде плавиковой кислоты) на операции гидрофторирования диоксида урана получается кондиционный тетрафторид урана.