CN107281993A - 反应器及包括其的反应系统和运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应器及包括其的反应系统和运行方法。所述反应器包括反应器主体和套设于所述反应器主体外侧的换热夹套，且所述反应器主体的内壁面覆设有在运行时可自动修复的凝固熔盐内衬，还包括通气装置及加热装置。所述反应系统包括上述反应器、熔盐转运容器、冷却介质及气压控制单元。本发明实现了高温熔盐化学批次处理工艺的安全稳定生产，有效解决了高温熔盐化学过程中化学腐蚀及高温热腐蚀对反应器的影响，保证内衬和反应器本体的长期安全运行，还能对工艺气进行预热，提高反应效率，防止产物气冷凝，且进气装置与加热装置整体更换方便。

Description

反应器及包括其的反应系统和运行方法

技术领域

本发明涉及一种附有自修复保护内衬的反应器及包括其的反应系统和运行方法。

背景技术

熔盐反应堆是国际上推荐的六种先进四代堆中唯一的液态燃料反应堆。熔盐堆中氟化物燃料均匀溶解在同为氟化物的冷却剂中，构成燃料盐，并在反应堆的第一回路内循环流动，可以在不影响反应堆运行的情况下对燃料盐进行处理，因氟化物熔盐本身是良好的溶剂，干法后处理技术成为熔盐堆燃料处理的天热选择。干法后处理技术是在高温、无水状态下处理辐照核燃料的分离工艺过程，由于高温氟盐的腐蚀性，对工艺设备长期稳定运行带来了挑战，尤其是在以气液反应为主的氟化挥发工艺中，其利用氟气与乏燃料盐中的UF₄反应生成易挥发的UF₆实现U的分离，反应过程中强氧化性氟气和高温氟盐共存，对材料的腐蚀更为严重。美国橡树岭国家实验室曾经采用氟化挥发法回收MSRE(Molten Salt Reactor Experiment，熔盐反应堆实验)燃料盐过程中，由于F₂和熔融的燃料盐双重作用，燃料处理罐的腐蚀速率达到了2.54μm/h。另外由于乏燃料具有放射性，如果设备腐蚀泄漏还会带来安全性问题。由此可见，在以干法后处理为代表的高温熔盐化学工艺过程中，容器的腐蚀是一个亟待解决的问题。

中国专利CN 103143308B公开了一种具备保护内衬的反应器及系统，但其适用于连续化反应系统，其通过热源连续流动并从外壁冷却以获得内衬，依靠连续流动维持中心热源。而在很多采用间歇反应的实际工艺中，需将熔盐物料保持在反应器中进行批次处理。如想要使熔盐维持在反应器中，有两种可能方式：(1)在熔盐入口处增加用于高温熔盐的阀门，熔盐充满反应器后关闭阀门，但能够用于大多数高温熔盐的耐高温耐腐蚀阀门目前技术上还存在困难；(2)利用熔盐泵功率调节实现悬停，但这样对泵的性能提出了很高的要求，技术上及实际应用上均存在困难；故对于如何实现高温熔盐的批次处理工艺，以及如何在批次处理工艺中有效及持续性地保护容器及减少腐蚀的问题仍然有待解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服批次处理工艺难以适用于高温熔盐反应过程，以及该反应过程中反应容器易受到强烈的化学腐蚀及热腐蚀而严重影响反应容器的长期安全运行，并且腐蚀产物严重污染工艺介质的缺陷，提供一种反应器及包括其的反应系统和运行方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种反应器，包括反应器主体和套设于所述反应器主体外侧的换热夹套，所述换热夹套的内壁面与所述反应器主体的外壁面之间为冷却介质通道，且所述反应器主体的内壁面覆设有内衬，所述反应器还包括：

通气装置，所述通气装置的顶部可拆卸连接于所述反应器主体的顶部，所述通气装置的底部位于所述反应器主体的内腔内，且所述通气装置用于向所述反应器主体的内腔内通入气体；

加热装置，所述加热装置设置于所述通气装置内部，且所述加热装置的中心部分位于所述反应器主体的内腔内；通气装置与加热装置复合有几个有益效果：(1)提供中心热源，用于补充熔盐热量以维持热平衡，弥补批次反应相比连续化系统缺少中心热源带来的影响；(2)对工艺气进行预热，提高反应效率；(3)对反应器顶部接管有一定加热保温作用，可防止产物气冷凝；(4)整体更换方便。

较佳地，所述换热夹套的侧壁上沿圆周方向间隔设置有冷却介质进口和冷却介质出口，所述冷却介质进口、所述冷却介质出口和所述反应器主体的外壁面中分别设有测温热电偶，从而根据热流量及导热规律判断熔盐凝固层的厚度。

较佳地，所述反应器主体的外壁面设有间隔设置的若干强化导热元件，每一所述强化导热元件均位于所述冷却介质通道内，且每一所述强化导热元件较佳地为散热翅片，以加强换热夹套中的换热过程。

较佳地，所述反应器主体包括上端接口、主体部分、下端接口，所述上端接口和下端接口分别连接于所述主体部分的顶端和底端，所述上端接口的侧壁上设有上部出气口，气体产物由该上部出气口排出；

所述通气装置包括中心探底管和设于所述中心探底管的顶端的法兰，所述法兰可拆卸连接于所述上端接口的顶端，所述中心探底管的顶端设有进气口，所述进气口贯穿于所述法兰，所述中心探底管的底端设有位于所述主体部分内的气体分布器，所述中心探底管穿过所述上端接口并设置于所述主体部分的中央，所述中心探底管的内部设有所述加热装置。

较佳地，所述中心探底管由金属、石墨或碳化硅中的一种或多种制成，以保证在高温熔盐化学工艺过程中中心探底管结构不受热损坏；

和/或，所述加热装置采用电加热棒；

和/或，所述换热夹套内通入的冷却介质为水、导热油或惰性气体中的一种；在所述反应主体的换热夹套内的换热介质与高温熔盐进行热交换，使得所述换热介质吸收熔盐的一部分热量，降低所述反应主体的壁面的温度，让靠近内壁的熔盐凝固并开始形成内衬，随着热交换的不断进行，所述内衬的厚度不断增加，形成的所述内衬作为器壁保护层。在高温熔盐化学工艺过程中，该内衬可避免气体或液体介质与器壁的直接接触，减少腐蚀延长所述反应器的使用寿命。

本发明还提供了一种反应系统，其包括如上所述的反应器。

较佳地，所述反应系统还包括一熔盐转运容器、一气压控制单元和一冷却换热单元；所述熔盐转运容器与所述反应器主体的下端相连接并形成封闭系统，所述气压控制单元与所述熔盐转运容器和所述反应器的气路相连接，所述冷却换热单元与所述换热夹套相连接并与所述冷却介质通道相连通。

较佳地，所述气压控制单元与所述熔盐转运容器和所述反应器的气路相连接并形成闭合的气压控制回路，以防止反应物或产物泄漏；所述冷却换热单元与所述换热夹套相连接并形成冷却循环回路，以达到节能的效果。

较佳地，所述熔盐转运容器的顶部设置有间隔设置的探底接管、气体进口和气体出口，所述探底接管的中心部分延伸至所述熔盐转运容器内部，且所述探底接管的顶部可拆卸连接于所述反应器主体的底部，所述反应器主体的内腔通过所述探底接管与所述熔盐转运容器的内部相连通，形成一封闭环境，熔盐通过由气体进口进入的气体被压送通入反应器；

所述气压控制单元包括压力传感器、程序控制器及气体调节阀，所述压力传感器、气体调节阀均与所述程序控制器电连接，所述压力传感器用于检测所述熔盐转运容器的气体进口处的气体压力和所述反应器主体的上部出气口处的气体压力。

本发明还提供了一种如上所述的反应系统的运行方法，所述运行方法包括以下步骤：

S₁、将所述熔盐转运容器装有空白熔盐，加热熔融的所述空白熔盐并将其从所述熔盐转运容器通过气体压送至所述反应器主体的内腔内；

S₂、将加热熔融的所述空白熔盐在所述反应器主体内通过在所述冷却介质通道内通入冷却介质进行冷却并静置，从而对贴设在所述反应器主体的内壁上的内衬进行修复，之后将剩余的所述空白熔盐排放至所述熔盐转运容器；

S₃、将所述熔盐转运容器内的空白熔盐移除，并在所述熔盐转运容器内装有待处理物料，并通过气体将所述待处理物料压送进入所述反应器主体的内腔内；

S₄、将所述待处理物料在所述反应器主体内静置，由所述通气装置通入工艺反应气进行气液反应，通过所述气液反应获得的气体产物由所述反应器主体的上部出气口排出；根据测温热电偶温度反映的热流量变化，调节电加热功率及冷却介质温度流量，以维持内衬厚度稳定；

S₅、反应结束后，停止通入所述工艺反应气，所述冷却介质通道内停止通入冷却介质，提高加热功率，将内衬熔融后随剩余的所述待处理物料排放至所述熔盐转运容器。

其中，较佳地在所述压送的过程中对所述探底接管和所述下端接口进行预热并保温，使得熔盐流经这些部件时不会因该些部件的温度低而导致凝固结晶，进而避免堵塞。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

(1)本发明在反应器内外壁制造温度梯度，使靠近内壁的高温熔盐凝固形成保护内衬，有效解决高温熔盐化学过程中化学腐蚀及高温热腐蚀对反应器的影响，防止液态介质、工艺气体与器壁的直接接触，起到保护反应器的效果，避免了腐蚀产物对工艺介质的污染，并在化学反应中控制反应器内外传热维持内衬稳定及实现自修复，保证内衬和反应器本体的长期安全运行；

(2)本发明将进气装置与加热装置进行复合，不仅提供批次处理工艺所需的中心热源，还能对工艺气进行预热，提高反应效率，防止产物气冷凝，且整体更换方便；

(3)本发明使用气压压送方式以保持高温熔盐在反应器中，克服了现有耐高温耐腐蚀阀门及熔盐泵技术上的困难，结合本发明的其他效果实现了高温熔盐化学批次处理工艺的安全稳定生产。

附图说明

图1为本发明较佳实施例反应器的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例通气装置和加热装置的结构示意图。

图3为本发明较佳实施例反应系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示，一种反应器1，包括反应器主体100和套设于所述反应器主体100外侧的换热夹套102，所述换热夹套102的内壁面与所述反应器主体100的外壁面之间为冷却介质通道，且所述反应器主体的内壁面覆设有内衬101，内衬101是在每次生产运行时通过熔盐在反应器1内静置并经换热夹套102冷却而形成于反应器1的内壁上；

所述换热夹套102的侧壁上沿圆周方向间隔设置有冷却介质进口106和冷却介质出口107，所述冷却介质进口106、所述冷却介质出口107和所述反应器主体100的外壁面中分别设有测温热电偶108。换热夹套102内换热介质为导热油、惰性气体或水。

所述反应器主体100的外壁面设有间隔设置的若干强化导热元件109，每一所述强化导热元件109均位于所述冷却介质通道内，且每一所述强化导热元件109较佳地为散热翅片。

所述反应器主体100包括上端接口104、主体部分、下端接口103，所述上端接口104和下端接口103分别连接于所述主体部分的顶端和底端，所述上端接口104的侧壁上设有上部出气口105；

如图2所示，所述反应器1还包括：

通气装置2，所述通气装置2的顶部可拆卸连接于所述反应器主体100的顶部，所述通气装置2的底部位于所述反应器主体100的内腔内，且所述通气装置2用于向所述反应器主体的内腔内通入气体；

加热装置201，所述加热装置201设置于所述通气装置2内部，且所述加热装置201的中心部分位于所述反应器主体100的内腔内。

所述通气装置2包括中心探底管200和设于所述中心探底管200的顶端的法兰204，所述法兰204可拆卸连接于所述上端接口104的顶端，所述中心探底管200的顶端设有进气口202，所述进气口202贯穿于所述法兰204，所述中心探底管200的底端设有位于所述主体部分内的气体分布器203，所述中心探底管200穿过所述上端接口104并设置于所述主体部分的中央，所述中心探底管200的内部设有所述加热装置201。所述中心探底管200由金属、石墨或碳化硅中的一种或多种制成；所述加热装置201采用电加热棒。

如图3所示，一种反应系统，其包括如上所述的反应器1；所述反应系统还包括一熔盐转运容器4、一气压控制单元3和一冷却换热单元5；所述熔盐转运容器4与所述反应器主体100的下端相连接并形成封闭系统，所述气压控制单元3与所述熔盐转运容器4和所述反应器1的气路相连接，所述冷却换热单元5与所述换热夹套102相连接并与所述冷却介质通道相连通。

所述气压控制单元3与所述熔盐转运容器4和所述反应器1的气路相连接并形成闭合的气压控制回路；所述冷却换热单元5与所述换热夹套102相连接并形成冷却循环回路。

所述熔盐转运容器4的顶部设置有间隔设置的探底接管401、气体进口402和气体出口403，所述探底接管401的中心部分延伸至所述熔盐转运容器4内部，且所述探底接管401的顶部可拆卸连接于所述反应器主体100的底部，所述反应器主体100的内腔通过所述探底接管401与所述熔盐转运容器4的内部相连通；

所述气压控制单元3包括压力传感器301、程序控制器302及气体调节阀303，所述压力传感器301、气体调节阀303均与所述程序控制器302电连接，所述压力传感器301用于检测所述熔盐转运容器4的气体进口402处的气体压力和所述反应器主体100的上部出气口105处的气体压力。

本发明运行时，反应器1内壁上形成及修复的内衬101利用该反应系统实现，通过该反应系统中的气压控制单元3，将熔盐输送至反应器1内，熔盐与换热夹套102中的换热介质进行热交换，使得靠壁面的熔盐温度逐渐下降至熔点以下，并在反应器1的内壁上形成一定厚度的内衬103。然后将剩余熔盐排放至转运容器，更换待处理的物料盐进入已有内衬保护的反应器1内进行反应，并且在运行过程中通过控制冷却换热量实现内衬的稳定及自修复。

下面具体的列举出一种使用FLiNaK熔盐运行本发明的实施例，包括以下步骤：

S₁、将所述熔盐转运容器装入空白熔盐，所述空白熔盐为46.5-11.5-42mol％的LiF-NaF-KF，质量50kg，将其加热至550℃熔融并保温；之后对探底接管和下端接口进行预热至适当温度并保温，再将空白熔盐从所述熔盐转运容器通过气体压送至所述反应器主体的内腔内；

S₂、将加热熔融的所述空白熔盐在所述反应器主体内通过在所述冷却介质通道内通入冷却介质进行冷却并静置，高度维持在反应器上弧顶处，此时换热夹套壁面温度为500℃；在所述换热夹套中通入冷却介质空气进行冷却，空气入口温度20℃，空气流量100m³/h，空气出口温度约为300℃；随着冷却换热进行，空气出口温度及换热夹套壁面温度均逐渐降低，当壁面温度为280℃，空气出口温度为200℃时，通过热流量推算内衬厚度为10mm；对贴设在所述反应器主体的内壁上的内衬的修复完成后，之后将剩余的所述空白熔盐排放至所述熔盐转运容器；

S₃、将所述熔盐转运容器内的空白熔盐移除，并在所述熔盐转运容器内装有待处理物料，所述待处理物料为含有1mol％UF4(贫铀)的LiF-NaF-KF熔盐；对探底接管和下端接口预热至适当温度并保温，再通过气体将所述待处理物料压送进入所述反应器主体的内腔内；

S₄、将所述待处理物料在所述反应器主体内静置，由所述通气装置通入工艺反应气F₂进行气液反应，通过所述气液反应获得的气体产物UF₆由所述反应器主体的上部出气口排出；根据测温热电偶温度反映的热流量变化，调节电加热功率及冷却介质温度流量，以维持内衬厚度稳定；

S₅、反应结束后，停止通入所述工艺反应气F₂，所述冷却介质通道内停止通入冷却介质空气，提高加热功率，将内衬熔融后随剩余的所述待处理物料排放至所述熔盐转运容器，结束此次运行。

待所述反应系统冷却后，打开反应器1的盖子，可观察到金属内壁完好如初，并未发现腐蚀现象。对处理完的熔盐进行元素分析，其中已基本不含有U，可能的腐蚀产物元素如Cr、Ni、Fe的含量没有明显增加。表明凝固的熔盐内衬有效的保护了反应器，并且避免了腐蚀产物对工艺介质的污染。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反应器，包括反应器主体和套设于所述反应器主体外侧的换热夹套，所述换热夹套的内壁面与所述反应器主体的外壁面之间为冷却介质通道，且所述反应器主体的内壁面覆设有内衬，其特征在于，所述反应器还包括：

通气装置，所述通气装置的顶部可拆卸连接于所述反应器主体的顶部，所述通气装置的底部位于所述反应器主体的内腔内，且所述通气装置用于向所述反应器主体的内腔内通入气体；

加热装置，所述加热装置设置于所述通气装置内部，且所述加热装置的中心部分位于所述反应器主体的内腔内。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述换热夹套的侧壁上沿圆周方向间隔设置有冷却介质进口和冷却介质出口，所述冷却介质进口、所述冷却介质出口和所述反应器主体的外壁面中分别设有测温热电偶。

3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器主体的外壁面设有间隔设置的若干强化导热元件，每一所述强化导热元件均位于所述冷却介质通道内，且每一所述强化导热元件较佳地为散热翅片。

4.如权利要求2或3所述的反应器，其特征在于，所述反应器主体包括上端接口、主体部分、下端接口，所述上端接口和所述下端接口分别连接于所述主体部分的顶端和底端，所述上端接口的侧壁上设有上部出气口；

所述通气装置包括中心探底管和设于所述中心探底管的顶端的法兰，所述法兰可拆卸连接于所述上端接口的顶端，所述中心探底管的顶端设有进气口，所述进气口贯穿于所述法兰，所述中心探底管的底端设有位于所述主体部分内的气体分布器，所述中心探底管穿过所述上端接口并设置于所述主体部分的中央，所述中心探底管的内部设有所述加热装置。

5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述中心探底管由金属、石墨或碳化硅中的一种或多种制成；

和/或，所述加热装置采用电加热棒；

和/或，所述换热夹套内通入的冷却介质为水、导热油或惰性气体中的一种。

6.一种反应系统，其特征在于，其包括如权利要求5所述的反应器。

7.如权利要求6所述的反应系统，其特征在于，所述反应系统还包括一熔盐转运容器、一气压控制单元和一冷却换热单元；所述熔盐转运容器与所述反应器主体的下端相连接并形成封闭系统，所述气压控制单元与所述熔盐转运容器和所述反应器的气路相连接，所述冷却换热单元与所述换热夹套相连接并与所述冷却介质通道相连通。

8.如权利要求7所述的反应系统，其特征在于，所述气压控制单元与所述熔盐转运容器和所述反应器的气路相连接并形成闭合的气压控制回路；所述冷却换热单元与所述换热夹套相连接并形成冷却循环回路。

9.如权利要求8所述的反应系统，其特征在于，所述熔盐转运容器的顶部设置有间隔设置的探底接管、气体进口和气体出口，所述探底接管的中心部分延伸至所述熔盐转运容器内部，且所述探底接管的顶部可拆卸连接于所述反应器主体的底部，所述反应器主体的内腔通过所述探底接管与所述熔盐转运容器的内部相连通；

所述气压控制单元包括压力传感器、程序控制器及气体调节阀，所述压力传感器、气体调节阀均与所述程序控制器电连接，所述压力传感器用于检测所述熔盐转运容器的气体进口处的气体压力和所述反应器主体的上部出气口处的气体压力。

10.一种如权利要求9所述的反应系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括以下步骤：

S₁、将所述熔盐转运容器装有空白熔盐，加热熔融的所述空白熔盐并将其从所述熔盐转运容器通过气体压送至所述反应器主体的内腔内；

S₂、将加热熔融的所述空白熔盐在所述反应器主体内通过在所述冷却介质通道内通入冷却介质进行冷却并静置，从而对贴设在所述反应器主体的内壁上的内衬进行修复，之后将剩余的所述空白熔盐排放至所述熔盐转运容器；

S₃、将所述熔盐转运容器内的空白熔盐移除，并在所述熔盐转运容器内装有待处理物料，并通过气体将所述待处理物料压送进入所述反应器主体的内腔内；

S₄、将所述待处理物料在所述反应器主体内静置，由所述通气装置通入工艺反应气进行气液反应，通过所述气液反应获得的气体产物由所述反应器主体的上部出气口排出；根据测温热电偶温度反映的热流量变化，调节电加热功率及冷却介质温度流量，以维持内衬厚度稳定；

S₅、反应结束后，停止通入所述工艺反应气，所述冷却介质通道内停止通入冷却介质，提高加热功率，将内衬熔融后随剩余的所述待处理物料排放至所述熔盐转运容器；

其中，较佳地在所述压送的过程中对所述探底接管和所述下端接口进行预热并保温。