CN85108482A - 多室型流化床反应设备 - Google Patents

Abstract

一种多室型的流化床反应设备，它包括由隔墙分隔流化床部分与风箱部分所形成的许多分室。每一分室供应有反应气体，气体的组成、流量与温度可任意选择，并得以在控制微粒的形成、气体一微粒的分应以及室与室之间输送之微粒量的条件下，于每一分室中形成一流化床、移动床或固定床，结果是提高了效率并简化了设备。

Description

本发明涉及到这样一种多室型流化床反应设备，通过以下方式可以提高其效率并简化其结构，即将流化床部分与风箱部分分成两个以上的室，向每一分隔开的室供应反应气体，而此种气体的组成、流量与温度则是可以任意选择的，同时与每一分室中，在控制各室中的反应条件下，形成一流化床、移动床或固定床，并在室与室之中输送着微粒。

气体固体系统流化床反应设备，通过流化的固体微粒与一种流化的气体而形成一流化床，同时通过使这种已流化的微粒与反应气体接触而实现气体固体反应，这样的反应设备是一般工业领域所广泛采用的。然而，当应用上述设备来连续地进行几种不同的反应时，就要求放大这一设备。为了扩大该项设备，存在着两种系统，一种是包括有多于两种独立设备的多塔系统，另一种是使单一设备内部扩大的多室系统。后者的目的之一在于通过扩大同一的反应，使微粒干燥和冷却，以提高系统的效率（阿兰尼穆斯：《化学工程》，1956年，63卷，116页），但由于它不具备控制微粒的反应和输送微粒的功能，因而不能实行不同的反应。另一方面，多塔系统则通常是用来通过放大而实现不同之反应的〔C、D哈灵顿等：《铀的生产工艺学》，D·范罗斯特兰德有限公司出版，500-501页（1959）〕。但是，由于在此种多塔系统中的流化床反应设备被扩大了，在塔与塔之间输送微粒的机遇也增多了，从而就要求有许多管道来输送微粒，同时要有输送用的泵和输送系统。这样，设备与操作系统的配置不仅变得复杂，也使设备的设计、微粒的制造与设备的操作来得复杂，而且也增大了此种多塔系统的成本。

本发明人等则转而注意到这样的事实，就前述的多室系统而论，即会是进行一些等同的反应，这些反应的效果也是可以改进的，本发明人等已研究过来提供一种多室型的流化床反应设备，此种设备能实现不同的反应，克服了常规之多室系统的上述缺点，使设备的效率提高并简化了操作系统。

最后，本发明人等已经发现，通过可靠的解决微粒反应与微粒输送量二者的控制条件，就能获得上述多室型流化床反应设备，由此而实现了本项发明。

本发明的一个目的在于提供一种能改进设备效率的多室型流化床反应设备。本发明之另一个目的在于提供一种能简化设备结构，继而简化操作系统的多室型流化床反应设备。

根据本发明，给出了这样一种多室型的流化床反应设备，它包含有两个以上由隔墙分隔所说的流化床部分与风箱部分而成的室，每个这样的分室都接附有气体一微粒分离器，并供应有一种反应气体和（或）一种惰性气体，气体的组成、流量和温度都能随意择定，通过调节微粒的形成、气体一微粒的反应与室同室之间输送微粒的数量，可以使上述的每一个分室成为一流化床、移动床或固定床。

在本项发明中，对上述的结构还可添加一道使反应气体实现气密封的工序。

为上所述，本发明通过分隔开流化床部分与风箱部分，向该多室系统供应一种流化的气体，并使每个室中的操作系统（反应气体量，气体温度等）任意选择，然后通过适当的选择隔墙的高度，使在各室中能形成一流化床、移动床或固定床，再通过控制供给的气体流量而得以调节微粒的反应，同时易于输运微粒，最后经由接附到每个室中的气体一微粒分离器便可有效地回收形成的微粒。

从下面的详细描述中并对照所附的图阅读所述的内容，将能更全面地理解本发明之上述的与其他方面的目的与特征。

图1是本发明的多室型流化床反应设备之一优选实施例的示意性正视图，在该设备中，氧化铀转化为UF₆。

图2是与图1中之设备相当的通常之多塔型设备的示意性正视图。

图3（a）是这样的一个流化床反应设备的示意性正视图，其中装配有与流化床底表面相接触的隔墙。

图3（b）是这样的一个流化床反应设备的示意性正视图，其中装配有在流化床底表面上方有一段间隔的隔墙。

图3（c）是本发明的这样一种流化床反应设备的示意性正视图，其中兼设有图3（a）的隔墙与图3（b）的隔墙。

图4是本发明的另一实施例之示意性正视图，其中，考虑到难以将反应设备联成一整体系统，而连通管道连接着流化床的反应设备。

图5（a）、（b）、（c）与（d）全为此类设备配置的示意性平面图，说明了本发明之设备在配置中有很高的灵活性。

图6是一种块状型流化床反应设备的示意性平面图，它可以在水平与垂直的两个方向上延伸。

图7是一个表明一种循环型流化床反应设备的示意性平面图，这样的反应设备用来使微粒再循环。

下面来详细地阐述本发明。作为一个实施例，在将氧化铀转换为UF₆的情形，比较了本发明的多室型设备与通常的多塔式系统;而作为本发明反应设备的实施例，则选择了一种块状型多室设备。

在图1中，室1～14组成了多室型流化床部分（在某些情形，其中的一部分变为移动床或固定床）;1a-14a为风箱部分，分别与上述室1～14对应，供给流化气;而1b～14b则为给室1-14供应流化气的对应喷嘴。在室1～14中，室1～2具有将V308或VO₃还原为VO₂的功能;而室3-6具有冷却和贮存微粒、气密封以及调节微粒之输送的功能。室7-8具有将VO₂转换为UF₄的功能;而室9-12分别具有冷却和贮存微粒、气密封和调节微粒输送的功能。室13-14则是有转化UF₄成UF₆的功能。原料V₃O₈成VO₃经由原料供应管道15供给室1，其中的V₃O₈或VO₃，以通过喷嘴16和风箱1a供给之流化气中所含的氢气还原为VO₂。在室1中，由于形成流化床的VO₂微粒根据所供给的铀化合物原料的数量使此流化床的高度增加，因而这种微粒从室1输送到室2，主要是在流化床的压力下经由隔墙之下方空隙的。

在室2中，室1内所余剩的处于未反应状态的V₃O₈或VO₃则几乎完全地借氢气还原为VO₂。此种还原用的氢气是包含在经由风箱3a和喷嘴3b所供应的流化气中，而其他的流化气则驱逐出VO₂微粒中余剩的氢气，并在同时阻止了氢气进入下一个具有气密封的室中。室4与室5具有冷却和贮存此种微粒的功能，而氮气则是经由喷嘴4b、风箱4a与风箱5a，以及喷嘴5b供给的。在室4中，形成有流化床;而在室5中，形成有流化床或移动床。室5和室6都还具备调节微粒之输送的功能。将一定量的气体供给室5与室6，可以实现对微粒输送量的控制。

调节供给室6的氮气量，可以改变室6中流化床的高度，同时改变溢流与室7A中的微粒量。从室5输入到室6的微粒量，决定于室5中流化床的高度与供给室5的氮气量以及供给室6的氮气量之间的关系。除此，当使供给室6的氮气量减少到一定限定的流量值（开始流化时的速度）之下时，这时的流化过程将被中止从而在室6中形成一固定床，同时停止向室7A输送微粒。结果，使室5与室6具有贮存微粒的功能，而室6则有气密封的功能。当于室7中采用了HF气体时，供给室6的氮气就能阻止HF气体进入相邻的一些室内。在室7A、7B、7C与室8中，UO₂由HF气体转换为UF₄。供给的气体是作为一部分流化气体通过7Ab、7Aa与8b、8a的。UO₂完全反应成UF₄稍许慢一些，因而要求细致地监控操作条件;业已知道，根据初始阶段与其后阶段的反应，使反应条件改变确能有效地提高上述反应进程。根据这一观点，在此反应区内使流化床部分分构成多个级，以在每个级中依次改变操作条件，并将这个室分成7A、7B、7C与8，使各个室中的温度、供应之HF气体的组成得以任意选择。室9至室12具有与室3至室6类似的功能;而在室9中，微粒中残余的HF气体被驱出，并由于气密封的缘故被阻止进入室1以及室1之后。室10与室11具有冷却与贮存微粒的功能，并在同时可调节微粒的输送。室12具有反抗室13与室14所用之HF气体渗入的气密封功能，同时可与室11联合以调节微粒的输送。在室11中，形成了流化床、移动床或固定床;而在室12中，则形成了流化床或固定床。

室13与14具有将UF₄反应成UF₆的功能，这时所供给的F₂气体是作为一种流化气体通过13b、13a与14a。在UF₆的转化过程中，尽可能地提高昂贵的F₂气体的有效利用率是很重要的，因为它直接关联到降低制造成本。为此目的，要求控制供给该反应室的UF₄与F₂气体之间的定量关系，这样，定量地调节微粒输送的功能就具有极其重要的意义。

在室13与14中，采用的氧化铝或CaF₂微粒为流化介质。供给室13的UF₄微粒与流化的F₂气体起反应，同流化介质一起形成UF₆，而未反应的UF₄微粒则进入室14。在室14中，上述未反应的UF₄微粒再次与F₂气体反应而形成UF₆，但部分未反应的UF₄则留在这里待返回室13。这样，在室13与室14之间，UF₄微粒与流化介质一起循环，通过定量地改变通过13b、13a供给的F气体与通过14b、14a供给的F气体，就能比采用单一流化床的情形，提高了F气体的利用程度。

16～22是气体一微粒的分离部分，在这里，将伴随有来自流化床的气体的微粒与该气体分离，而这一分离部分则据微粒与气体的种类分隔开，每一个分隔的分离部分别装配有气体一微粒分离过滤器。气体一微粒分离部分16与17在废气管道上是共通的，但在室1与2中，它们是分立的，以免将室1与室2的微粒混合。气体一微粒的分离部分18则是独立的，这是由于大部分气体是氮气。

在气体一微粒分离部分19A、19B与20中，主要的气体成份是HF气体与蒸汽，但由于反应条件的差别，特别是由于每个室中HF气体浓度的差别，这种气体一微粒的分离部分隔成三个部分，而使之可以分别地进行后处理。气体一微粒分离部分21类似于分离部分18。引入到气体一微粒分离部分18的气体，乃是UF₆气体、残留之F₂气体与氮气的一种混合气体。此种混合气体在气体分离部分22中分离，然后输送至一回收UF的冷，以及一净化反应器的管道内以提高剩余F₂气体的利用率。

下面，将本发明设备的构成部件与图2中常规设备的构成部件作一比较，来阐明本发明的设备。

图2中的30是一台将UO₆或UO₃还原为UO₂的流化床反应设备，38与41中之每一个则是将UO₂转变为UF₄的流化床反应设备，而48则是使UF₄形成为UF₆的流化床反应设备。33～36中的每一个具有冷却与贮存微粒的功能，气密封以及借气流输送微粒的功能。37为供给一定量微粒的设备。39和40中的每一个具有气密封以及供给一定量微粒的功能，而43～46则具有冷却与贮存微粒的功能，气密封以及借气体流输送微粒的功能。47是用来供给一定量的UF₄的设备。30b、38b、41a、48b则是流化床反应设备的固体一气体分离过滤器。常规设备中的这些构成部体与本发明之设备中的那些构成部件的对应关系如下：

图2中的流化床反应设备30对应于图1中的室1与2，而33～37则具有与室3至室6的相同功能。流化床反应设备38与41对应于室7与室8，而43～47则具有与室9～室12相同的功能。流化床反应设备48对应于室13和室14，至于固一气分离过滤器，则分别有：30b对应于16和17，35b对应于18，38b对应于19，41a对应于20，45b对应于21，以及48b对应于22。常规的流化床反应设备都是圆柱形。在图2中，由供料管道31供给的U₃O₈或UO₃与通过32供给的H₂气体在设备30中反应成UO₂。当已形成的UO经接收料斗33所接收之后，它即通过供料斗34输送，且是由34a所供给的氮气流输送过固体一气体分离漏斗，最后到达流化床反应设备38的供料漏斗36。由37所供给的一定量之UO₂在设备38中与废气41中所含的HF反应，部分地反应成UF₄。相续地，此种微粒再为接收料斗39所接收，并由定量供料装置40送至流化床反应设备41，在这里，未反应的微粒再与HF反应生成UF₄，43～47具有与33～37类似的功能，用来将微粒料供给于流化床反应设备48。在48中，UF₄同49供给的F₂气体反应生成UF₆，而UF₆则被输送到一系统48a，此系统包含有用来回收UF₆并用来提高剩余F₂气体之利用率的冷。

如前所述，在常规的设备中，由于每个塔是独立的，它们之间的微粒输送是通过功率降来实现，因而塔身在系统配置中需用较大的高度，也就占据了较大的空间。结果使容纳这些设备的厂房之高度与面积也相应地加高和增大，因而对于那种核反应堆所特有的通风量而言，也要加大。为了减低此种高度，存在一种为图2所示的本发明之设备，借气流将微粒输送主高处位置的方法，但此种借气流来输送微粒的设备系统变得很复杂，而且所占据的面积也增大，此外还使安装与操作也繁杂起来。

在这样的基础上，增加塔数不是个最好的方案，通过放大来改进反应效率也就成为难题。

另一方面，在本发明的设备中，由于微粒是以大致成水平的方向输送，设备的高度可以较低，且不需要任何专门设备来输送微粒。于是，这样的设备可以极端的简单化。这时，有效地改进流化床反应设备的效率所需之放大就易于通过增加室数来达到，此外，由于各室中的操作条件是任意选择的，也就易于通过细致地变更操作条件而改进反应效率。

在本发明的设备中，UO

转化为U

的区域中进行按比例放大，就是这类情形的一个良好例子。

除此，本发明的设备主要是体现流化床反应过程，但是为上述所描述的，除了这种流化床外，改变供气量就容易实现一移动床和固定床，结果就能获得如下的优点，例如，将流化床反应过程与移动床反应过程相结合，就能立即用到希望提高反应效率的一种方法上。

为了在每个室中装配隔墙，存在两种方法;一种方法是使隔墙与流化床的底表面接触;另一种方法是使隔墙装配到与此流化床底表面水平有一段间隔。

在常规的多室型流化床反应设备中，如图3a与图3b所示，作为它的隔墙，只装配了上述两种隔墙的一种。

在图3（a）的系统中，装配的隔墙是与流化床的底表面相接触，当有粗颗粒混入微粒中时，它们保留在流化床的底层中而不会溢流过隔墙，因而会发生有流化床形成于粗颗粒之上的问题。在图3（b）的系统中，隔墙设备在离开流化床基底表面一段空隙的上方，这就不会产生图3（a）系统中所遇到的那种问题，但是微粒输送中的短路几率就会高到反应所不希望有的程度。

与此相反，当把这两种系统联合起来，以上问题就能解决，并在微粒流趋近于一种单向活塞式流的同时，如图3（c）所示，获得较高的反应效率。此外，以上两种系统的结合，也就可使流化床与移动床组合在一起，而这在常规系统中是不可能的。

在上述情形的例子中，将块状型流化床反应设备作为一个联合的系统给出。但对于用到了多种原料而要把这些原料成形为统一的系统有困难或不合理时;以及由于极端不同的操作温度所涉及的热膨胀差而不能均一地控制操作条件，从而难以实现联合统一的系统时，在不改变本发明之精神的前提下，由连通管道将若干台反应设备连接，就能解决上述问题。

图4是这种情形的一个实施例。在图4中，50～52是分隔开的反应设备，而53与54则是连接这几台设备的连通管道，当需要松弛那种热膨胀时，它们还具有伸缩功能。尤其是本发明的设备具有这样的优点：该设备排列中的自由度是极大的。

图5（a）、（b）、（c）与（d）分别表示本发明块状型流化床反应设备。如图6所示，若进一步采用一种在垂直向与水平方向将一块状型流化床扩展的系统，则通过它的水平扩展可以实现一系列的操作方法，而通过它的垂直扩展则可以提高该设备的处理能力。这样，此种块状型流化床反应设备就能克服常规的流化床反应设备的缺陷，而后者是不易按比例放大的。如图7所示，当室80～83紧邻地配置就绪后，本发明的设备就能用作为一种单一型式之流化床反应设备。

采取了上述结构，本发明即能达到以下效果：

（1）在本发明的设备中，由于微粒是大致沿水平方向传输，因而设备的高度可以降低，而且还由于毋需专门的装置来传输微粒，因而可以简化结构。

（2）在本发明的设备中，能使其放大成多于两个室的系统，而每个室的操作系统可自由选择，因而分别仔细的调节此种操作系统，就可提高设备的效率。

（3）对反应气体进行了气密封，得以避免它的不利影响，同时也提高了微粒的产率。

（4）如图5所示，设备配给的自由度是极大的。

（5）当使每个室的配置与图7中的相似，该设备也可用作使微粒再循环的那种循环型流化床反应设备。

（6）对于块状型的流化床反应设备，通过将设备沿水平方向延伸，可以实现一系列的处理方法;而将此设备依垂直方向扩展，则能按批例地提高此设备的处理容量。

（7）本发明的设备包括有两个室，当UF₄转化为UF₆，则供给到这两个室中的F₂气体量可以分别调节，从而与只有一个室的流化床反应设备相比，能提高F气体的利用率。

Claims (5)

1、一种多室型的流化床反应设备，其中，包含有由隔墙将所说之流化床部分与风箱部分分隔开后形成的两个以上的室，每一个分室接附有气体一微粒分离器，并供给有一种反应气体和(或)一种惰性气体，这类气体的组成、流量与温度都可以任意选择，而在所说的每一分室中，于控制微粒的形成、气体一微粒的反应以及室与室之间的微粒输送量之条件下，可以形成一流化床、移动床或固定床。

2、一种多室型的流化床反应设备，其中，包含有由隔墙将所说之流化床部分与风箱部分分隔开形成的两个以上的室，每一个这样的室供给有一种反应气体和（或）一种惰性气体，这类气体的组成、流量和温度都可以任意选择，而在上述的每一分室中，于控制微粒的形成、气体一微粒的反应以及室与室之间的微粒输送量的条件下，可以形成一流风床、移动床或固定床。

3、符合权利要求1或2中之规定的一种多室型流化床反应设备，其中，提及的隔墙装配时与此流化床的底部接触，或装配到与此流化床基底水平隔开一段间隙的上方。

4、符合权利要求1、2或3中之规定的一种多室型流化床反应设备，其中，述及的移动床至少是包含在已说到的这些分室中的一个室中。

5、符合权利要求1、2、3或4之规定的一种多室型流化床反应设备，其中，提及的多室型流化床反应设备是块状型流化床反应设备。

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