Файл: Томск 2019 Отделение ядернотопливного цикла Составитель И. В. Петлин.ppt
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 128
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
в интервале температур 298-1000ºК константы равновесия реакции
UF4 +F2 UF6 весьма велики и лежат в пределах 3,16·1051-2,34·1014.
Это указывает на то, что равновесие реакции полностью смещено в сторону образования гексафторида урана и поэтому реакция является необратимой. Следует отметить высокую экзотермичность процесса:
во всем температурном интервале имеет высокое отрицательное значение и весьма слабую зависимость от температуры.
Таким образом, полнота процесса превращения UF4 в UF6 не лимитируется состоянием равновесия и будет определяться только ее кинетикой.
Реакция образования UF6 из UF4 сопровождается выделением большого количества тепла. За счет этого частица разогревается и ее температуру можно определить из соотношения:
21
Составитель: Петлин И.В.
22
;
;
23
Составитель: Петлин И.В.
24
Составитель: Петлин И.В.
25
Составитель: Петлин И.В.
26
Составитель: Петлин И.В.
27
Составитель: Петлин И.В.
28
Составитель: Петлин И.В.
29
Составитель: Петлин И.В.
30
Составитель: Петлин И.В.
31
Составитель: Петлин И.В.
32
Составитель: Петлин И.В.
33
Составитель: Петлин И.В.
34
35
Составитель: Петлин И.В.
36
Составитель: Петлин И.В.
37
Составитель: Петлин И.В.
38
Составитель: Петлин И.В.
39
Составитель: Петлин И.В.
40
Составитель: Петлин И.В.
41
Составитель: Петлин И.В.
42
Составитель: Петлин И.В.
43
Таким образом, факел представляет собой стационарное пламя правильной формы, возникающее в струе горючей смеси (механизм образования не имеет значения)
Форма пламени зависит от следующих факторов:
типа (формы и устройства) горелки;
степени смешения горючего и окислителя;
характера потока горючей смеси;
Фронт воспламенения - это граница между ядром и зоной воспламенения.
Ядро - это область в которой сохраняются основные параметры воспламенения.
Форма и размер определяются интенсивностью смешения горючего с окислителем. Рис.1. Простейшая схема факела.
Внешне воспринимается как совокупность темного конуса и светящейся эллипсоидальной области.
LВ - зона воспламенения (до фронта воспламенения), ядро факела , форма ее конус;
d - фронт воспламенения, его толщина много меньше LВ и LФ
(в случае турбулентного горения толщина ее значительна)
LД - зона догорания, имеет эллипсоидальную форму,
LФ – длина факела в целом , имеет эллипсоидальную форму.
Эффективность горения определяет LФ
44
Составитель: Петлин И.В.
45
Составитель: Петлин И.В.
Рассчитано, что для полного фторирования при расходе 7 т/сут тетрафторида урана высота пламенного реактора должна быть 1,5 метра. Реакторы конструируют высотой 3 метра – с двойным запасом.
После первого реактора выходит смесь гексафторида
урана (75%), фтора (10%) и азота (15%) – эту смесь направляют на разделение. Разделение происходит в десублиматоре. Десублиматор охлаждается рассолом до –20 оС и из смеси выпадает твёрдый гексафторид, фтор и азот не конденсируются. На выходе из второго реактора также ставится десублиматор и колонка химпоглотителя.
Преимущества пламенных реакторов:
- большая производительность
- максимальная степень реагирования
Недостатки:
- большие требования к чистоте сырья;
- необходимость строго контроля за параметрами процесса.
Пламенные реакторы используют для производства ядерно-чистого урана, идущего в последствие на разделение изотопов.
Технический UF4 содержит примеси щелочных и щелочноземельных металлов, которые образуют легкоплавкие эвтектические смеси UF4·NaF. Образование таких смесей засоряет пламенный реактор и его эксплуатация становится невозможной.
Для фторирования технического UF4 используют реакторы кипящего слоя. В реакторах кипящего слоя обеспечивается высокая теплопроводность газовзвеси, что позволяет легко регулировать температуру.
46
47
Составитель: Петлин И.В.
48
Составитель: Петлин И.В.
49
Составитель: Петлин И.В.
Все реакции идут с уменьшением мольного количества вещества в газовой фазе, т.е. с уменьшением давления в системе.
Первая реакция идёт по окислительно-восстановительному механизму. Фтор окисляется, кислород восстанавливается. Вторая реакция идёт с сохранением степени окисления всех компонентов. Если считать, что молекула U3O8 представляет собой механическую смесь 2UO3·UO2, то триоксид урана переходит в уранил фторид UO3UO2F2, а диоксид урана переходит в тетрафторид UO2UF4. Третья реакция также протекает с сохранением степени окисления всех компонентов.
Термодинамические расчеты ΔG, Kp и равновесных выходов показали, что F2 и UF6 на оксидах урана могут быть полностью уловлены, что же касается HF, то с повышением температуры его равновесная концентрация растет (это обратимая реакция) и достигает 4,77% при температуре 600°К. Этот фактор является лимитирующим и будет определять температурный режим (не выше 600°К) процесса совместного улавливания газовых компонентов, а полнота протекания будет зависеть только от кинетических факторов.
50
Составитель: Петлин И.В.
В результате многолетних исследований сотрудниками Кафедры 43 ФТФ ТПУ (Курин Н.П., Андреев Г.Г., Дядик В.Ф., Маслов А.А. и др.) были разработаны и внедрены в производство аппараты с противоточной газовзвесью, так называемые аппараты комбинированного типа (АКТ), которые эксплуатируются в настоящие время.
Суть конструктивного метода расчета АКТ и его основных размеров – диаметра и высоты реакционной зоны заключается в расчёте скорости витания одиночной частицы (υв) преобладающих фракций, принимая ее равной для всей массы частиц в исходном сырье или UF4, либо в оксидах урана. Далее определяем скорость падения твердой частицы (υт) в восходящем потоке газа (υг) равной ⅔ от υв и тогда υт = υв - υг. Зная расход «хвостовых» технологических газов и υг вычисляем диаметр реакционной зоны, а её выcота будет задавать время пребывания (τт), как основного кинетического фактора в процессе реагирования газообразных фторсодержащих компонентов с оксидами урана (τт = H/υт). На следующем рисунке приведен эскиз промышленного АКТ на производительность 120 нм3/ч по не«хвостовым» газам и рассчитанного на частицы оксидов урана с эквивалентным диаметром 50 мкм. Диаметр реакционной зоны составил 580 мм.
52
Составитель: Петлин И.В.
Эскиз аппарата комбинированного типа:
1 – бункер для сырья,
2 – шнековый дозатор,
3 – диспергатор,
4 – конусная часть реактора,
5 – вертикальная часть реактора,
6 – шнековая часть реактора,
7 – дозатор выгрузки,
8 – бункер твёрдых продуктов,
9 – теплоэлектрические нагреватели,
10 – водяная рубашка охлаждения
51
Составитель: Петлин И.В.
В верхней части аппарата располагается более широкая сепарационная зона для предотвращения выноса из зоны реагирования наиболее тонких фракций, нижняя часть, в виде стандартного горизонтального цилиндрического аппарата с мешалкой выполняет роль узла разгрузки продуктов улавливания.
Степени улавливания, полученные в результате испытаний составили для фтора и UF6 – 100 %, для HF – 95÷97 % об. при минимальном гидравлическом сопротивлении не превышающим 20 мм. вод. ст.
Для поддерживания оптимального технологического режима АКТ оборудован рубашкой охлаждения в его нижней части, где улавливается основная масса фтора, и электропечами, где улавливаются UF6 и HF.
Стадия улавливания применяется для очистки реакционных газов на выходе из конденсатора после пламенного реактора. Закись-окись частично фторируется до уранил фторида и промежуточных фторидов урана, затем уранил фторид и промежуточные фториды поступают на полное фторирование в пламенный реактор.
53
Составитель: Петлин И.В.
Пламенный реактор (аппарат с «холодной стенкой») предназначен для получения газообразного гексафторида урана.
Сужающаяся труба (реторта) с водоохлаждаемой рубашкой диаметром в нижней части 500 мм, в верхней 300 мм, высотой 7000 мм. Изготовлена из Ст3. В верхней части ПР состоит из бункера объемом 0,8 м3 со шнеком загрузки и головкой распределителем. В сальниковое уплотнение вала распылителя подается азот для предотвращения попадания фтора в зону сальника.
54
Составитель: Петлин И.В.
Мешалка распылителя может устанавливаться двух видов: «гранаты» или шнека. На бункерах загрузки ПР установлены циклоны обеспыливатели. Сырье в бункер может загружаться: а) методом импульсного пневмотранспорта, б) из контейнера.
В нижней части ПР имеется узел выгрузки огарков, представляющий собой горизонтальный цилиндр с полой водоохлаждаемой мешалкой. Снизу узел выгрузки имеет штуцер, к которому подсоединяется обогреваемый контейнер. Материал узла выгрузки Ст3. Лопасти мешалки выполнены из монель-металла.
В бункере загрузки установлен ворошитель – валы с пальцами, скорость вращения 4 об/мин.
55
Составитель: Петлин И.В.
В верхней части узла выгрузки установлен штуцер выхода газа, который соединен с расширительной камерой – цилиндр диаметром 1500 мм и высотой 1300 мм с конусом в нижней части, высота конуса 1200 мм. Камера служит для уменьшения скорости потока газа и грубой очистки его от твердых частиц.
Головка ПР, реторта, узел выгрузки, крышки и штуцер узла выгрузки имеют водяные рубашки для охлаждения.
Реакция фторирования сопровождается большим выделением энергии. Температура в факеле достигает 1100 °С. Основная масса сырья реагирует во 2 и 3 зонах реторты. В конце 4 зоны реакции температура «падает» до 720 °С. Время пребывания твердой фазы в зоне реакции около 3 секунд.
При нарушении регламента образуется пентафторид урана с температурой плавления 400 °С, который залипает на стенках реактора.
Технологический газ после фторирования тетрафторида урана:
UF6 до 80 %, фтор 5 – 15 %, инерты, фторофодород до 8 %.
Технологический газ после фторирования оксидов урана:
UF6 до 45 %, фтор до 15 %, инерты, фторофодород до 15 %, кислород до 40 %.
56
Составитель: Петлин И.В.
Далее теплообменник с подвесным трубным пучком, предназначенный для охлаждения технического газа после ПР. Поверхность теплообмена 30 м2, высота 4280 мм, диаметр 1000 мм. Он представляет собой стальной цилиндр, снизу штуцер. К штуцеру подсоединяется обогреваемый контейнер. Внутри корпуса трубный пучок, снизу трубки наглухо заварены. Внутри помещены трубки меньшего диаметра с открытым нижним концом. Трубки выведены и объединены в коллекторы для подачи и отвода хладагента. Хладагент – вода. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит трубное пространство, захолаживается и через верхний штуцер выходит на дальнейшую очистку. Твердые частицы сбрасываются в контейнер.