CN112044361B

CN112044361B - 一种氮氧化物发生系统

Info

Publication number: CN112044361B
Application number: CN202010766490.1A
Authority: CN
Inventors: 李高亮; 唐洪彬; 兰天; 刘金平; 常尚文; 李斌; 何辉; 叶国安
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2040-08-03
Also published as: CN112044361A

Abstract

本发明属于核燃料后处理技术领域，涉及一种氮氧化物发生系统。所述的发生系统包括硝酸储液罐、亚硝酸钠储液罐、第一泵、第二泵、氮氧化物发生器、压缩空气系统、氮氧化物气体缓冲罐、硝酸钠溶液收集罐以及各流通管路。利用本发明的氮氧化物发生系统，能够连续平稳的制备一定浓度(1‑99v/v％)的氮氧化物气体。

Description

一种氮氧化物发生系统

技术领域

本发明属于核燃料后处理技术领域，涉及一种氮氧化物发生系统。

背景技术

目前，氮氧化物的制备方法主要有以下两种：

(1)液体N₂O₄法

即采用液体N₂O₄作为原料，经加热气化转化成氮氧化物气体。该方法的优点是试剂获得简单，仅需要通过加热气化空气载带即可使用；缺点是液体N₂O₄供应存在不确定性，且其储存、运输相关程序较为复杂，运输需要专门运输槽车，全国仅一台。

(2)浓硝酸热解法

将浓硝酸加热到400-600℃使其分解得到氮氧化物气体。该方法的优点是工艺简单、试剂简单，缺点是热解温度较高，设备材料易腐蚀，相关部件需要经常更换。

针对乏燃料后处理工艺流程中Pu(Ⅲ)的氧化调价过程中氮氧化物的制备，在中国专利申请“一种用于含钚料液调价的系统及方法”中公开的氮氧化物制备方法主要是采用浓硝酸热解产生氮氧化物。此方法优点是采用浓硝酸即可直接分解产生氮氧化物，不需要额外的试剂；缺点是浓硝酸高温分解时对装置及管路腐蚀非常严重，装置难以长时间稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮氧化物发生系统，以能够连续平稳的制备一定浓度(1-99v/v％)的氮氧化物气体。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，所述的发生系统包括硝酸储液罐、亚硝酸钠储液罐、第一泵、第二泵、氮氧化物发生器、压缩空气系统、氮氧化物气体缓冲罐、硝酸钠溶液收集罐以及各流通管路，

所述的硝酸储液罐与所述的亚硝酸钠储液罐中储存的硝酸溶液与亚硝酸钠溶液分别在所述的第一泵与所述的第二泵的作用下经各自的流通管路进入所述的氮氧化物发生器中发生反应生成氮氧化物和硝酸钠；

所述的压缩空气系统经流通管路注入所述的氮氧化物发生器的空气用于载带反应生成的氮氧化物；

反应生成的含氮氧化物的混合气体排出所述的氮氧化物发生器后经流通管路被收集在所述的氮氧化物气体缓冲罐中；

反应生成的含硝酸钠的溶液排出所述的氮氧化物发生器后经流通管路被收集在所述的硝酸钠溶液收集罐中。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的发生系统还包括在连接所述的硝酸储液罐与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的第一流量计，在连接所述的亚硝酸钠储液罐与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的第二流量计，在连接所述的压缩空气系统与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的第三流量计。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的发生系统还包括用于监测所述的氮氧化物发生器中的温度的温度传感器。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的发生系统还包括用于监测所述的氮氧化物发生器中的压力的压力传感器。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的氮氧化物发生器包括第一原料液入口、第二原料液入口、支架、各阶依次连接处分别设置有挡板的多阶连接的反应槽、空气吹脱组件、混合气体排出口、硝酸钠排出口，

硝酸溶液与亚硝酸钠溶液分别经所述的氮氧化物发生器侧面的所述的第一原料液入口与所述的第二原料液入口进入所述的氮氧化物发生器，在所述的支架支撑的所述的多阶连接的反应槽表面流过，反应生成氮氧化物和硝酸钠，反应生成的氮氧化物被垂直设置在所述的多阶连接的反应槽上方的多个所述的空气吹脱组件注入的空气载带(空气除了载带氮氧化物气体外，还可将反应产生的一氧化氮氧化为所需要的二氧化氮，二氧化氮浓度可通过空气通入量进行调节)；

反应生成的含氮氧化物的混合气体经位于所述的氮氧化物发生器侧面的所述的混合气体排出口排出所述的氮氧化物发生器，反应生成的含硝酸钠的溶液经位于所述的氮氧化物发生器侧面的所述的硝酸钠排出口排出所述的氮氧化物发生器。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的多阶连接的反应槽以一定的角度水平向下倾斜。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的发生系统还包括在连接所述的氮氧化物气体缓冲罐与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的气液分离滤器，用于对所述的含氮氧化物的混合气体进行气液分离。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的气液分离滤器在进行气液分离后得到的液体被流通管路输送回所述的氮氧化物发生器。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的发生系统还包括在连接所述的气液分离滤器与所述的氮氧化物气体缓冲罐的流通管路上设置的止回阀与增压泵，所述的增压泵用于将所述的氮氧化物发生器排出的气体输送至所述的氮氧化物气体缓冲罐。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种氮氧化物发生系统，其中所述的氮氧化物气体缓冲罐为耐腐蚀材质，其出口处设置减压阀和第四流量计，可稳定准确的提供气体压力和流量。

本发明的有益效果在于，利用本发明的氮氧化物发生系统，能够连续平稳的制备一定浓度(1-99v/v％)的氮氧化物气体。

本发明的氮氧化物发生系统可用于核燃料后处理工艺流程中钚粗产品液(1BP)到钚纯化循环原料液(2AF)调料，钚产品液(2BP)进行草酸盐沉淀之前调料，或其它工段所用氧化剂氮氧化物的发生。

本发明的有益效果具体体现在：

1)氮氧化物发生器采用多级反应发生器，可实现氮氧化物发生工艺连续稳定操作，有利于充分利用原料、减少废物产生。且氮氧化物发生器中的多阶反应槽以一定的角度倾斜固定于支架上，这样反应料液可依靠重力从入口处开始混合，一边反应一边自流至反应后的残液储罐。

2)反应器发生工艺与控制的互锁，确保工艺安全稳定运行。硝酸与亚硝酸钠料液进入氮氧化物发生器后，反应产生的氮氧化物气体流出时先经过气液分离滤器，使气体中携带的水分回流至氮氧化物发生器，氮氧化物气体则采用变频增压泵输送至氮氧化物气体缓冲罐。增压泵的工作能力与氮氧化物发生器内的压力相关联，当压力大于0.1MPa时，增压泵工作能力逐渐增大；当压力小于0.1MPa时，增压泵工作能力逐渐减小，从而确保氮氧化物发生器中的压力始终维持在0.1MPa左右。

3)氮氧化物气体缓冲罐选择耐腐蚀的压力容器，原料进料与缓冲罐压力控制的互锁，可按要求连续稳定的提供氮氧化物气体，安全性高。缓冲罐的体积和最大压力可根据使用要求计算确定，储罐压力与进入氮氧化物发生器的压缩空气、两股料液泵的开关关联，当储罐内气体多至压力达到设定值后，停止压缩空气、两股料液的进料；反之，当气体储罐内压力小于设定值时，重新开启压缩空气、两股料液的进料制备氮氧化物气体。

4)氮氧化物气体从缓冲罐出口处设计减压阀和流量计，可稳定准确的提供气体压力和流量。

5)反应后的残液储罐(硝酸钠溶液收集罐)设置于较低位置，使得反应后的残液流至残液储罐靠液体重力自流方式，管路口径根据气体产生能力适当放大，使得残液可顺利流至储罐。

6)整套设备台架式设计，集成了氮氧化物发生器、亚硝酸钠料液罐、硝酸料液罐、亚硝酸钠料液泵、硝酸料液泵、压缩空气系统、氮氧化物气体缓冲罐、增压泵、流量计、减压阀、反应后料液储罐、气液分离装置、尾气处理系统、监控系统和相关管路等，运输、使用更为灵活。

附图说明

图1为示例性的本发明的氮氧化物发生系统的原理及组成图。

图2为图1中氮氧化物发生器的组成结构图。

具体实施方式

示例性的本发明的氮氧化物发生系统的组成结构如图1、图2所示，包括硝酸储液罐1、亚硝酸钠储液罐2、第一泵3、第二泵4、第一流量计5、第二流量计6、氮氧化物发生器7、温度传感器8、气液分离滤器9、止回阀10、增压泵(图中未示出)、氮氧化物气体缓冲罐11、压缩空气系统12、第三流量计13、硝酸钠溶液收集罐14、压力传感器15以及各流通管路。

硝酸储液罐1与亚硝酸钠储液罐2中储存的硝酸溶液与亚硝酸钠溶液分别在第一泵3与第二泵4的作用下经各自的流通管路进入氮氧化物发生器7中发生反应生成氮氧化物和硝酸钠。压缩空气系统12经流通管路注入氮氧化物发生器7的空气用于载带反应生成的氮氧化物。在连接硝酸储液罐1与氮氧化物发生器7的流通管路上设置第一流量计5，在连接亚硝酸钠储液罐2与氮氧化物发生器7的流通管路上设置第二流量计6，在连接压缩空气系统12与氮氧化物发生器7的流通管路上设置第三流量计13。

氮氧化物发生器7包括第一原料液入口701、第二原料液入口702、支架、各阶依次连接处分别设置有挡板的多阶连接的反应槽705、空气吹脱组件704、混合气体排出口703、硝酸钠排出口706。

硝酸溶液与亚硝酸钠溶液分别经氮氧化物发生器7侧面的第一原料液入口701与第二原料液入口702进入氮氧化物发生器7，在支架支撑的多阶连接的反应槽705表面流过(多阶连接的反应槽705以一定的角度水平向下倾斜)，反应生成氮氧化物和硝酸钠，反应生成的氮氧化物被垂直设置在多阶连接的反应槽705上方的多个空气吹脱组件704注入的空气载带(空气除了载带氮氧化物气体外，还可将反应产生的一氧化氮氧化为所需要的二氧化氮，二氧化氮浓度可通过空气通入量进行调节)。

反应生成的含氮氧化物的混合气体经位于氮氧化物发生器7侧面的混合气体排出口703排出氮氧化物发生器7，反应生成的含硝酸钠的溶液经位于氮氧化物发生器7侧面的硝酸钠排出口706排出氮氧化物发生器7。

温度传感器8用于监测氮氧化物发生器7中的温度，压力传感器15用于监测氮氧化物发生器7中的压力。

反应生成的含氮氧化物的混合气体排出氮氧化物发生器7后经流通管路，先后经气液分离滤器9、增压泵(增压泵用于将氮氧化物发生器7排出的气体输送至氮氧化物气体缓冲罐11)、止回阀10被收集在氮氧化物气体缓冲罐11中。气液分离滤器9用于对含氮氧化物的混合气体进行气液分离，气液分离滤器9在进行气液分离后得到的液体被流通管路输送回氮氧化物发生器7。氮氧化物气体缓冲罐11为耐腐蚀材质，其出口处设置减压阀和第四流量计，可稳定准确的提供气体压力和流量(后续使用时氮氧化物气体从氮氧化物气体缓冲罐11气体出口经减压阀和单向阀后进入调料系统)。

反应生成的含硝酸钠的溶液排出氮氧化物发生器7后经流通管路被收集在硝酸钠溶液收集罐14中。

上述示例性的本发明的氮氧化物发生系统的示例性的操作原理如下：

预先配制好一定浓度的硝酸和亚硝酸钠溶液作为反应液，置于各自储罐中。将两股料液和氮氧化物发生器7加热至指定温度，然后将两股料液通过泵输送至氮氧化物反应器7中。两股料液进入氮氧化物反应器7后反应产生氮氧化物气体，反应后的料液沿多阶连接的反应槽705底部向下流动，流至挡板处料液开始堆积。随着反应料液进入液位升高，料液最终越过档板流向多阶连接的反应槽705的下一级，依次类推。料液在各级挡板处均有阻挡，增加了反应料液的混合效果，有利于氮氧化物生成。另外，在各级档板处，设置进气管进行吹扫，使产生的氮氧化物迅速进入气相，载带产生的氮氧化物从混合气体排出口703排出，进入气体冷凝装置，冷凝后的液体回流至氮氧化物反应器7。氮氧化物气体经增压泵输送收集至氮氧化物气体缓冲罐11。反应后的残液沿着反应器底部和管路，靠重力流至硝酸钠溶液收集罐14。氮氧化物反应器7可设置加热，加热有利于反应产生氮氧化物，提高氮氧化物的利用效率。

上述示例性的本发明的氮氧化物发生系统的应用举例如下。

实施例1：

建立如图1、图2所示的氮氧化物发生系统，其中氮氧化物发生器7直径200mm，长度1450mm，共有7级档板，外部设计电加热带，料液进口和出口用法兰连接，每级均有空气鼓入管。

基于建立的氮氧化物发生系统进行了氮氧化物制备实验，产生的氮氧化物采用氮氧化物浓度分析系统进行分析，制备的氮氧化物最终用氢氧化钠饱和溶液吸收处理。

该氮氧化物发生系统运行工艺条件：

硝酸浓度10mo/L，亚硝酸钠浓度4mol/L，空气流量4.2m³/h，运行时间4h。

首先将硝酸、亚硝酸钠溶液和氮氧化物发生器加热至70℃，然后同时开启两股料液以及压缩空气进料。反应后的料液流至硝酸钠溶液收集罐14，产生的氮氧化物气体经增压泵增压后储存至氮氧化物气体缓冲罐11。缓冲罐压力逐渐升高，当缓冲罐压力增大至0.16MPa(该值可以自行设定)时，开始打开氮氧化物出口阀门，使氮氧化物气体排出，排出的氮氧化物气体经缓冲桶、氢氧化钠溶液吸收后排出。当氮氧化物气体缓冲罐11压力增大至0.18MPa(该值可以自行设定)时，设备供料系统自动停止，使设备氮氧化物的产生暂时中断；当氮氧化物气体缓冲罐11压力减小至0.16MPa时，供料系统重新启动。

实验共运行4h，整个实验过程运行平稳，实验过程中随时间取反应后料液瞬时样，分析其中的硝酸和亚硝酸浓度、氮氧化物组成，具体数据见下表1。由分析结果可知：设备运行30min后可达到平衡；氮氧化物发生器7流出液中亚硝酸浓度均小于100mmol/L。经计算，亚硝酸钠的利用率为97％，生成的氮氧化物浓度为41％(v/v)，达到了设计要求。

表1

实施例2：

氮氧化物发生系统同实施例1。

该氮氧化物发生系统运行工艺条件：

硝酸浓度12mo/L，亚硝酸钠浓度6mol/L，空气流量4.2m³/h，运行时间4h。

首先将硝酸、亚硝酸钠溶液和氮氧化物发生器加热至70℃，然后同时开启两股料液以及压缩空气进料，反应后的料液流至硝酸钠溶液收集罐14，产生的氮氧化物气体经增压泵增压后储存至氮氧化物气体缓冲罐11。缓冲罐压力逐渐升高，当缓冲罐压力增大至0.15MPa(该值可以自行设定)时，开始打开氮氧化物出口阀门，使氮氧化物气体排出，排出的氮氧化物气体经缓冲桶、氢氧化钠溶液吸收后排出。当氮氧化物气体缓冲罐11压力增大至0.20MPa(该值可以自行设定)时，设备供料系统自动停止，使设备氮氧化物的产生暂时中断；当氮氧化物气体缓冲罐11压力减小至0.15MPa时，供料系统重新启动。

实验共运行4h，整个实验过程运行平稳，实验过程中随时间取反应后料液瞬时样，分析其中的硝酸和亚硝酸浓度、氮氧化物组成。由分析结果可知：设备运行30min后可达到平衡；氮氧化物发生器7流出液中亚硝酸浓度均小于100mmol/L。经计算，亚硝酸钠的利用率为98％，生成的氮氧化物浓度43％(v/v)，达到了设计要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims

1.一种氮氧化物发生系统，其特征在于：所述的发生系统包括硝酸储液罐、亚硝酸钠储液罐、第一泵、第二泵、氮氧化物发生器、压缩空气系统、氮氧化物气体缓冲罐、硝酸钠溶液收集罐以及各流通管路，

反应生成的含硝酸钠的溶液排出所述的氮氧化物发生器后经流通管路被收集在所述的硝酸钠溶液收集罐中，

所述的氮氧化物发生器包括第一原料液入口、第二原料液入口、支架、各阶依次连接处分别设置有挡板的多阶连接的反应槽、空气吹脱组件、混合气体排出口、硝酸钠排出口，

硝酸溶液与亚硝酸钠溶液分别经所述的氮氧化物发生器侧面的所述的第一原料液入口与所述的第二原料液入口进入所述的氮氧化物发生器，在所述的支架支撑的所述的多阶连接的反应槽表面流过，反应生成氮氧化物和硝酸钠，反应生成的氮氧化物被垂直设置在所述的多阶连接的反应槽上方的多个所述的空气吹脱组件注入的空气载带；

2.根据权利要求1所述的发生系统，其特征在于：所述的发生系统还包括在连接所述的硝酸储液罐与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的第一流量计，在连接所述的亚硝酸钠储液罐与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的第二流量计，在连接所述的压缩空气系统与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的第三流量计。

3.根据权利要求1所述的发生系统，其特征在于：所述的发生系统还包括用于监测所述的氮氧化物发生器中的温度的温度传感器。

4.根据权利要求1所述的发生系统，其特征在于：所述的发生系统还包括用于监测所述的氮氧化物发生器中的压力的压力传感器。

5.根据权利要求1所述的发生系统，其特征在于：所述的多阶连接的反应槽以一定的角度水平向下倾斜。

6.根据权利要求1所述的发生系统，其特征在于：所述的发生系统还包括在连接所述的氮氧化物气体缓冲罐与所述的氮氧化物发生器的流通管路上设置的气液分离滤器，用于对所述的含氮氧化物的混合气体进行气液分离。

7.根据权利要求6所述的发生系统，其特征在于：所述的气液分离滤器在进行气液分离后得到的液体被流通管路输送回所述的氮氧化物发生器。

8.根据权利要求6所述的发生系统，其特征在于：所述的发生系统还包括在连接所述的气液分离滤器与所述的氮氧化物气体缓冲罐的流通管路上设置的止回阀与增压泵。

9.根据权利要求1所述的发生系统，其特征在于：所述的氮氧化物气体缓冲罐为耐腐蚀材质，其出口处设置减压阀和第四流量计，可稳定准确的提供气体压力和流量。