CN106730941B - 一种铀转化生产过程中hf的蒸发供料装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铀转化生产中的氢氟化生产工艺，具体涉及该工艺中氢氟化流化床的一种HF蒸发供料装置。通过在铀转化氢氟化生产生产线中的应用，本发明被认为是一种高效可靠的HF蒸发供料装置及方法。该装置切换、检修较为方便，通过该装置实现了对罐温、罐压的平稳控制，从而保证了气态氟化氢稳定的供料压力，对两级串联逆流流化床的稳定运行提供了保障。

Description

一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置
技术领域
本发明涉及铀转化生产中的氢氟化生产工艺，具体涉及该工艺中氢氟化流化床的一种HF蒸发供料装置。
背景技术
UF6是一种既稳定而又具高度挥发性的铀化合物，一直被用于铀同位素分离厂的供料。在铀转化生产中，通常通过氟化UF4制取挥发性UF6。而UF4的生产一般分为“湿法”和“干法”两种生产工艺。由于干法生产有诸多优点，如①实现铀化合物的直接固相转化，大大提高了金属的直接收率；②废液量仅为湿法的十分之一；③简化了工艺过程，降低了基建投资。因此“干法”在铀转化生产中得到广泛应用。采用“干法”生产工艺，即在高温下，立式流化床氢氟化反应器内无水氟化氢与二氧化铀相互作用，直接获取UF4产品。
氢氟化生产工艺通常以液态无水HF为原料，通过对HF蒸发供料装置加热，使其中的液态HF汽化，气态HF从二级流化床底部进入与二氧化铀反应，未反应完全的氟化氢气体经过滤后进入一级流化床继续和二氧化铀反应。在一级流化床中约有65％～75％的二氧化铀反应转化为四氟化铀，混合物料经螺旋输送器输送至二级流化床中再完成二氧化铀深度转化。
由于氢氟化生产是一个连续运行的过程，为保证生产线的稳定运行，其主要工艺设备——两级串联逆流流化床对HF气体的连续稳定供给有严格的要求，为满足连续稳定供料的要求，特研制一种新型的HF蒸发供料装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为保障氢氟化生产线的连续稳定运行，发明一种能向UO2氢氟化设备——两级串联逆流流化床连续稳定供料的无水HF蒸发供料装置。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置，其中：
(一)基本结构
蒸发供料装置的主体结构是蒸发罐，在蒸发罐的罐体顶部设置液态AHF入口、温度计接口、气态AHF出口、压缩空气入口、液位计接口、人孔、压力表接口和放空口；其中AHF表示无水HF；
在蒸发罐的罐体底部设置两个对称分布的弧形水夹套，定义其分别为左夹套和右夹套，其中左夹套位于鞍座一和鞍座二之间，右夹套位于鞍座二和鞍座三之间；
在左夹套和右夹套的底部各设置一个排水口，上部对称设置热水的进口和出口，并在左夹套和右夹套上分别设置温度计接口；
(二)两个弧形水夹套的换热面积
循环热水从每个夹套的一侧进入，测量该侧位置处循环热水的温度，为T1；
循环热水从每个夹套的另一侧流出，测量该侧位置处循环热水的温度，为T2；
将气态AHF出口处氟化氢气体离开时温度设定为T3；罐底位置处HF温度为T4；
△t1＝T1-T3，△t2＝T2-T4；
平均温度差
对于铀转化氢氟化生产线，所需的热量：
Q＝qmr+qmcp△t＝qm×(r+cp△t)
式中，qm—氟化氢的质量流量，kg/h；
r—氟化氢汽化潜热，kJ/kg；
cp—氟化氢气体的比热容，kJ/(kg·℃)；
△t—罐温与HF的气液相变温度之间的温差，℃.
按照蒸发罐热损失按X％计算，两个弧形水夹套的总换热面积
S＝Q(1+X％)/K△tm；
K表示HF换热装置的总传热系数，属于HF换热装置的自身属性；
(三)弧形水夹套的弧长
在生产运行过程中，将蒸发罐中液态无水HF的液位控制在蒸发罐直径d的1/3至2/3之间；
为保证充分换热，弧形水夹套的高度不超过蒸发罐直径d的1/3；
由此确定弧形水夹套所对应的弧长L与蒸发罐直径d的关系，具体如下：
根据扇形面积则
进一步的，如上所述的一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置，弧形水夹套的高度对应蒸发罐直径d的1/3时，弧长L所对应的中心角n≈141°，弧长与直径的关系L＝1.23d。
进一步的，如上所述的一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置，蒸发罐直径d＝2.5m，弧形水夹套的弧长L＝3.075m。
通过在铀转化氢氟化生产生产线中的应用，本发明被认为是一种高效可靠的HF蒸发供料装置及方法。该装置切换、检修较为方便，通过该装置实现了对罐温、罐压的平稳控制，从而保证了气态氟化氢稳定的供料压力，对两级串联逆流流化床的稳定运行提供了保障。
附图说明
图1为HF蒸发罐截面示意图；
图2为HF蒸发罐外形结构示意图。
图中：1-液态AHF入口；2-温度计接口；3-气态AHF出口；4-压缩空气入口；5-液位计接口；6-人孔；7-压力表接口；8-放空口；9--左夹套温度计接口；14-右夹套温度计接口；10-左夹套热水出口；13-右夹套热水出口；11-左夹套热水进口；12--右夹套热水进口；15鞍座一、17鞍座二、19-鞍座三；16-左夹套排水口、18---右夹套排水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置，蒸发供料装置的主体结构是蒸发罐，在蒸发罐的罐体顶部设置液态AHF入口、温度计接口、气态AHF出口、压缩空气入口、液位计接口、人孔、压力表接口和放空口；其中AHF表示无水HF；
在蒸发罐的罐体底部设置两个对称分布的弧形水夹套，定义其分别为左夹套和右夹套，其中左夹套位于鞍座一和鞍座二之间，右夹套位于鞍座二和鞍座三之间；
在左夹套和右夹套的底部各设置一个排水口，上部对称设置热水的进口和出口，并在左夹套和右夹套上分别设置温度计接口；
生产初期，对罐内的液态无水HF通过循环热水将其逐步加热至50℃，控制罐温维持在50℃左右，通过夹套中的循环热水将热量通过容器传递至罐内的无水HF，受热后液态无水HF不断从液面溢出，变为气态HF，经出口管道向氢氟化流化床供料；因此，当罐内的液态无水HF达到50℃后，忽略容器表面热损失，且HF的蒸发量较罐内HF的量小很多的情况下，整个传热过程可视为一个稳态传热的过程，蒸发的HF发生相比以及温度升至50℃所需的热量与循环热水所释放出的热量相等；
由于循环热水从夹套的一侧进入，从另一侧离开，在局部可视为逆流换热过程；
循环热水从每个夹套的一侧进入，测量该侧位置处循环热水的温度，为T1；
循环热水从每个夹套的另一侧流出，测量该侧位置处循环热水的温度，为T2；
将气态AHF出口处氟化氢气体离开时温度设定为T3；罐底位置处HF温度为T4；
△t1＝T1-T3，△t2＝T2-T4；
平均温度差
对于铀转化氢氟化生产线，所需的热量：
Q＝qmr+qmcp△t＝qm×(r+cp△t)
式中，qm—氟化氢的质量流量，kg/h；
r—氟化氢汽化潜热，kJ/kg；
cp—氟化氢气体的比热容，kJ/(kg·℃)；
△t—罐温与HF的气液相变温度之间的温差，℃.
按照蒸发罐热损失按X％计算，两个弧形水夹套的总换热面积
S＝Q(1+X％)/K△tm；
K表示HF换热装置的总传热系数，属于HF换热装置的自身属性；
在生产运行过程中，将蒸发罐中液态无水HF的液位控制在蒸发罐直径d的1/3至2/3之间；
为保证充分换热，弧形水夹套的高度不超过蒸发罐直径d的1/3；
由此确定弧形水夹套所对应的弧长L与蒸发罐直径d的关系，具体如下：
根据扇形面积则
弧形水夹套的高度对应蒸发罐直径d的1/3时，弧长L所对应的中心角n≈141°，弧长与直径的关系L＝1.23d。蒸发罐直径d＝2.5m，弧形水夹套的弧长L＝3.075m。
通过工况验证，循环热水加热式HF蒸发罐，在液位控制在高度的1/3～2/3，夹套温度控制在70～90℃，罐温控制在40～65℃，罐压控制在0.2～0.3MPa时，能够满足对两级串联逆流流化床的连续稳定供料。运行过程中，根据流化床的进料情况及无水HF的液位的高低，通过及时调整蒸汽的流量，使罐温、罐压保持稳定，保证向流化床连续稳定供给气态HF。

Claims (3)

1.一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置，其特征在于：
(一)基本结构
蒸发供料装置的主体结构是蒸发罐，在蒸发罐的罐体顶部设置液态AHF入口、温度计接口、气态AHF出口、压缩空气入口、液位计接口、人孔、压力表接口和放空口；其中AHF表示无水HF；
在蒸发罐的罐体底部设置两个对称分布的弧形水夹套，定义其分别为左夹套和右夹套，其中左夹套位于鞍座一和鞍座二之间，右夹套位于鞍座二和鞍座三之间；
在左夹套和右夹套的底部各设置一个排水口，上部对称设置热水的进口和出口，并在左夹套和右夹套上分别设置温度计接口；
(二)两个弧形水夹套的换热面积
循环热水从每个夹套的一侧进入，测量该侧位置处循环热水的温度，为T1；
循环热水从每个夹套的另一侧流出，测量该侧位置处循环热水的温度，为T2；
将气态AHF出口处氟化氢气体离开时温度设定为T3；罐底位置处HF温度为T4；
△t1＝T1-T3，△t2＝T2-T4；
平均温度差
对于铀转化氢氟化生产线，所需的热量：
Q＝qmr+qmcp△t＝qm×(r+cp△t)
式中，qm—氟化氢的质量流量，kg/h；
r—氟化氢汽化潜热，kJ/kg；
cp—氟化氢气体的比热容，kJ/(kg·℃)；
△t—罐温与HF的气液相变温度之间的温差，℃；
按照蒸发罐热损失按X％计算，两个弧形水夹套的总换热面积
S＝Q(1+X％)/K△tm；
K表示HF换热装置的总传热系数，属于HF换热装置的自身属性；
(三)弧形水夹套的弧长
在生产运行过程中，将蒸发罐中液态无水HF的液位控制在蒸发罐直径d的1/3至2/3之间；
为保证充分换热，弧形水夹套的高度不超过蒸发罐直径d的1/3；
由此确定弧形水夹套所对应的弧长L与蒸发罐直径d的关系，具体如下：
根据扇形面积则
2.如权利要求1所述的一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置，其特征在于：弧形水夹套的高度对应蒸发罐直径d的1/3时，弧长L所对应的中心角n≈141°，弧长与直径的关系L＝1.23d。
3.如权利要求2所述的一种铀转化生产过程中HF的蒸发供料装置，其特征在于：蒸发罐直径d＝2.5m，弧形水夹套的弧长L＝3.075m。
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