Estimation of the effect of noncondensable gases on the process of hydrogen fluoride desublimation.pdf В производстве по разделению гексафторида урана принята трехступенчатая схема фракционной разгонки газовой смеси. Основными компонентами смеси, подлежащими фракционной разгонке, являются гексафторид урана (ГФУ), фтористый водород (HF) и неконденсируемые газы. Процесс фракционной разгонки организован при давлениях и температурах, исключающих образование жидкой фазы у веществ. HF является основной примесью, подлежащей удалению из состава газовой смеси. Для десублимации HF применяются специальные ёмкости - осадители (ОС). ОС охлаждаются жидким азотом с температурой 77 К. При обращении с жидким азотом помимо неудобств, связанных с большой долей ручного труда (операции по заливке жидкого азота в сосуды Дьюара производится вручную), присутствуют вредные и опасные производственные факторы: низкая температура, способность N2 к вытеснению кислорода, возможность повышения давления в ограниченном объёме и другие. Применение жидкого азота в качестве холодоносителя экономически затратно, а необходимость хранить запас жидкого азота влечёт дополнительные эксплуатационные расходы. Рассмотрению возможности исключения применения жидкого азота в технологии фракционной разгонки газовой смеси посвящена настоящая статья. В публикациях [1-5] рассматривались перспективы использования холодного воздуха в качестве холодоносителя при необходимости организовывать технологический процесс при низких температурах. При этом возникает вопрос о величине температурного уровня ведения процесса десублимации HF, удовлетворяющего технологическим требованиям. В [1] на основе разработанной математической модели представлены результаты расчетов процесса десублимации HF в ОС при температурах 77 К (охлаждение жидким азотом) и 113 К (охлаждение воздухом). Из расчетов установлено, что концентрация HF вследствие вымораживания быстро уменьшается до величины, соответствующей давлению насыщенного пара HF при температуре стенок ОС. Остаточная концентрация паров HF при охлаждении воздухом с температурой 113 К составляет 1.04-10-6 кмоль/м3, при охлаждении жидким азотом с температурой 77 К - 1.5-10-10 кмоль/м3 [1]. Расчеты [1, 2] показывают, что температура HF по ходу движения во внутреннем пространстве ОС в случае охлаждения жидким азотом и холодным воздухом достигает температуры стенки в первой трети ОС. В [4] приводятся оценки величин проскоков HF и отмечается, что применение жидкого азота в качестве хладагента обеспечивает степень очистки газовой смеси от HF в пределах 70-90 %. В [4] также упоминается, что при охлаждении холодным воздухом с температурой 103 К величина проскока HF будет составлять 30-40 % общего расхода газовой смеси. С целью определения величин проскоков HF в существующих ОС проведены экспериментальные работы осаждения HF из газовой смеси при температуре 136 К. Экспериментальные работы проводились на экспериментальной установке [3, 6] с конструкционными изменениями. Установка (рис. 1) состоит из перевернутого вверх днищем ОС (2), помещённого в специально разработанный отсек охлаждения (4), покрытый слоем низкотемпературной теплоизоляции ArmaFlex. Отсек охлаждения имеет два патрубка: нижний для подачи охлажденного воздуха от воздушной холодильной машины (ВХМ) и верхний для отбора отепленного воздуха из отсека в ВХМ. Для организации равномерного течения холодного воздуха вдоль стенки отсека охлаждения изготовлена напайка из стальной ленты в виде серпантина. ОС (2) имеет два патрубка. К напускному патрубку посредством коллектора подсоединяется емкость V = 6 л с безводным фтористым водородом (1) и напускное устройство (3). К отсосному патрубку посредством коллектора подключены приборы измерения давления: мановакууметр (5); оптический манометр ОМ-6-50 (6); оптический манометр ОМ-7-1 (7); вакуумметр Televac MP4A (8). К отсосному патрубку подключена система откачки, соединенная металлическим трубопроводом и включающая ОС (9), помещенный в отсек охлаждения (14); узел защиты вакуумного насоса, состоящий из колонки с химическим поглотителем известковым (ХПИ) (10); вакуумный насос ВН-1 (11). Методика проведения опытных работ заключалась в имитации технологического процесса десублимации HF. В напускной патрубок экспериментальной установки через коллектор подавалась газовая смесь HF и воздуха (в соотношении 90 % HF и 10 % воздуха) с расходом, близким к величине существующего технологического процесса. Расход HF поддерживался с помощью критической шайбы (12), а расход воздуха с помощью напускного устройства (3), отрегулированного на расход воздуха G = 0.1 кг/сут. Для проведения опытов использовали безводный фтористый водород марки «А», удовлетворяющий требованиям ГОСТ 14022-88, что соответствует содержанию основного вещества 99.9 мас.% и осушенный воздух, с точкой росы -70 °С. Установка была отвакуумирована до давления не более 90 мкм. рт. ст. и проверена на плотность. Путем трёхкратного напуска и откачки безводного HF в установку была проведена пассивация внутренних поверхностей установки. Перед проведением работ проведено взвешивание ОС (9) и емкости с HF (1) на весах Metler-Toledo (погрешность 0.5 г). Предварительно ОС (9) был охлажден жидким азотом до температуры 77 К, ОС (2) охлажден воздухом, генерируемым ВХМ до температуры 136 К, ВН-1 включен в работу. Температура стенки ОС определялась как средняя температура между подачей и отбором воздуха ВХМ. Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки Fig 1. Basic scheme of the experimental setup После окончания подготовительных работ открывались вентили подачи воздуха (16) и HF (15), давление в напускном коллекторе до шайбы (12) поддерживалось равным 30 мм рт.ст., в откачном коллекторе давление соответствует технологическому процессу, и составляет 1 мм рт.ст. Напуск газовой смеси продолжался не менее 8 ч, во время которых периодически подливался жидкий азот в отсек охлаждения (14). После подачи газовой смеси, закрывались вентили подачи воздуха (16) и HF (15), установка откачивалась в ОС (9). Подача холодного воздуха в отсек охлаждения прекращалась. ОС (9) отсоединялась для отогрева. Далее ОС (9) и ёмкость с HF (1) взвешивались. Определялись количество HF в (1) и количество проскока HF в ОС (9). Проверка количества десублимированного HF в ОС (2) производилась следующим образом: после отогрева ОС (2) выполнялась переконденсация HF во вновь установленный ОС (9). ОС (9) предварительно взвешивался и охлаждался жидким азотом в отсеке охлаждения (14). Коммуникации откачной системы до вентиля (17) откачивались ВН-1 (11) до давления не более 1 мм рт.ст., после чего закрывался вентиль (18) на вновь установленном ОС (9) и открывался вентиль (17) для переконденсации HF из ОС (2). После переконденсации ОС (9) изымался из отсека охлаждения (14) и взвешивался. Затем подводился расчет массового баланса количества десублимированного HF. Результаты расчета представлены в таблице. Результаты подведения материального баланса десублимированного HF Показатели Номер опытной работы 1 2 3 Время напуска HF в установку, мин 485 480 480 Массовая скорость подачи HF в установку, г/мин 0.873 0.793 0.830 Количество напущенного HF, г 423.57 380.43 398.60 Изменение веса ОС (9) после переконденсации, г +420.00 +378.87 +396.23 Изменение веса ОС (9) после переконденсации HF из ОС (2) после окончания напуска HF, г -0.10 +1.30 +0.87 Материальный баланс HF, г / % от количества напущенного HF 3.67 / 0.87 % 0.26 / 0.07 % 1.50 / 0.38 % Из таблицы видно, что наличие неконденсируемых газов не оказывает влияния на процесс десублимации HF при охлаждении ОС воздухом с температурой 136 К. Величина не соответствия количества испарённого HF из емкости и десуб-лимируемого HF в ОС (проскок HF через осадительную емкость) составляет менее 1 %. Очевидно что при охлаждении ОС жидким азотом при температуре 77 К, проскок HF будет еще меньше. Для существующего технологического процесса проскок HF в размере 1 % допустим, так как газовая смесь проходит дальнейшую очистку на химпоглотительных установках. Сравнение затрат указывает на необходимость отказа от потребления жидкого азота. Так, разделительным производством в 2015 г. для ведения технологического процесса фракционной разгонки затраты на приобретение жидкого азота составили около 37 млн руб. (1 450 818 л жидкого азота за 2015 г.). В случае применения холодного воздуха годовые эксплуатационные затраты составят не более 13 млн руб. Таким образом, проведенная экспериментальная работа на демонстрационном стенде с имитацией процесса фракционной разгонки газовой смеси является доказательством возможности реализации процесса десублимации HF с использованием холодного воздуха. Такой способ является менее затратным для ведения процесса десублимации HF из-за значительного снижения эксплуатационных затрат. Выполненные опытные работы создают предпосылки для применения более перспективного способа охлаждения ОС.

Скачать электронную версию публикации