DE2117083A1

DE2117083A1 - Verfahren zur Reinigung von Uranhexafluorid durch Destillation

Info

Publication number: DE2117083A1
Application number: DE19712117083
Authority: DE
Inventors: Maurice; Fra Jacky; Pierrelatte Carles (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-04-08
Filing date: 1971-04-07
Publication date: 1971-10-21
Also published as: FR2091897A1; BE764449A; GB1340903A; NL7104651A; FR2091897B1; US3806579A; LU62875A1

Description

B.3599.3 HM München, 7- April 1971

■ Dr.M./Ma

CP 377/946

Commissariat a l¹Energie Atomique in Paris, Prankreich Verfahren zur Reinigung von Uranhexafluorid durch Destillation

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Uranhexafluoriä, welches Verunreinigungen, vie Molyodän- und Volfraiihexafluorid enthält, durch Destillation.

uranhexafluorid vird durch Einwirkung von Fluor auf Urantetrafluorid hergestellt, welches selbst durch Umsetzung von Urandioxid «it wasserfreier Fluorwasserstoffsäure erhalten wird. Das erhaltene Uranhexafluorid enthält Verunreinigungen (MoFg, WP^ usw ), welche abgetrennt werden müssen, da sie insbesondere bei der Weiterverarbeitung des Uranhexafluorids in Anreicherungsanlagen stören.

Uranhexafluorid kann entweder durch Destillation oder durch Lösungsmittelextraktion gereinigt werden . Beim erstgenannten Verfahren wird das gasförmige Gemisch Uranhexafluorid- Malybdänhexafluorid oder uranhexafluorid- Wolframhexafluorid direkt destilliert und das reine Uranhexafluorid am unteren Ende der Kolonne abgezogen. Das Molybdänhexafluorid und/oder tfolfrarahexafluorid werden am iopf der Kolonne in Form eines in der Hauptsache (zu etwa 95%) aus Uranhexafluorifl bestehenden Gemische abgezogen.

Beim aweiten Verfahren wird das Uranhexafluorid in Uranylnitrat umgewandelt und anschließend das Uran mittels Tributylphosphat extrahiert. Die Verunreinigungen bleiben in der wässrigen Phase.

Beide bekannten Methoden weisen Nachteile auf. Bei der ersten Methode muß man wegen der im Vergleich mit der Flüchtigkeit des Uranhexafluorids geringen Flüchtigkeit des Molybdän- und Wolframhexafluorids bei der Destillation eine Kolonne mit einer großen Zahl Böden benutzen, um das Uranhexafluorid von seinen Verunreinigungen trennen zu können. Man kann dabei auf zvei Arten verfahren: Entweder will man 100% Molybdänhexafluorid oder tfolframhexafluorid am Kopf der Kolonne und 100% Uranhexafluorid am unteren Kolonnenende gewinnen, oder

es soll das Uranhexafluorid rein am unteren finde der Kolonne gewonnen werden, während am Kopf der Kolonne nur einige Prozent Molybdänhexafluorid oder «folframhexafluorid abgezogen werden. Im ersten der genannten Fälle benötigt man eine Destillationskolonne mit einer großen Bodenzahl, um die Trennung zu gewährleisten. Es ist erdorderlich, Molybdänhexcif luorid oder v/olframhexaf luorid zuzusetzen , um die Kolonne auf ihren Nennzustand einzustellen, falls man nicht die allmähliche Ansammlung der Verunreinigungen am Kopf der Kolonne abwarten will.

Im zweiten Fall muß das am Kopf der Kolonne mit den Verunreinigungen abgezogene Uraahexafluorid zurückgewonnen werden. Die Auslegung der Anlage und VerfahrensfUhrung ist schwierig,Alas Profil der Konzentrationen in der Destillationskolonne wegen des sehr geringen Temperaturabstandes zwischen dem Kolonnenkopf und dem unteren Ende der Kolonne nur aus Analysen bekannt ist (das untere Ende bzw. der Innenraum des Erhitzers befinden sich bei der Siedetemperatur des UF₆ beim jeweiligen Druck, während der Kolonnenkopf sich bei einer

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Temperatur nahe dem Siedepunkt des UF^ befindet, da die am Kopf der Kolonne austretenden Gase im wesentlichen aus UFg bestehen).

Das Verfahren der Reinigung des Uranhexafluorids durch chemische Abtrennung ist lang ärierig. Es umfaßt die Herstellung eines Niederschlags von /inü-oniu'-adiuranat durch Einleiten des üranhexaf luorids in ATf,aioiiiak, das Auflösen des gebildeten Ammoniumdiuranats mit Schwefelsäure, die Extraktion des üranylnitrats mit Tributylphosphat, wobei die Verunreinigungen in der wässrigen Phase bleiben, die Kückextraktion des Dranylnitrats in eine Salpetersäurelösung, die Einwirkung von Ammoniak auf das üranylnitrat zur Gewinnung von Ammoniiimuranat, das Glühen des Ammoniumdiuranats, um UO, zu erhaltan, die Reduktion des UO~ durch Wasserstoff zu UO₂, die Umwandlung von UO₂ zu UF₄ durch wasserfreie Fluorwasserstoffsäure und die Umwandlung von UF₄ zu UF₆ durch-Fluor. Dieses Verfahren umfaßt also eine erhebliche Zahl von Stufen und erfordert groöe Mengen reiner Reagensien·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Reinigung von Uranhexafluorid durch Destillation zu schaffen« Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß das Uranhexafluorid in Gegenwart von Chlortrifluorid destilliert wird, welches mit den aus dem Uranhexafluorid zu entfernenden Verunreinigungen ein Azeotrop bildet, wobei die Verunreinigungen am Kopf der Kolonne und das reine Uranhexafluorid am unteren Ende der Kolonne abgezogen werden.

Das erfindungsgemäß? Verfahren ist anwendbar für die Beseitigung aller im Uranhexafluorid enthaltenen Verunreinigungen, welche mit dem Chlortrifluorid ein Azeotrop bilden, vorausgesetzt, daß sie

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mischbar und chemisch verträglich sind.

Das Gemisch Uranhexafluorid - Chlortrifluorid ist im ganzen Konseatrat ionsbereich vollkommen mischbar, vorausgesetzt, daß der
Gesamtdpuck größer als etwa 2500 iab ist. Unterhalb dieses Wertes trifft die Gleichgewichtskurve Flüssigkeit - Dampf auf einen Bereich vo zwei Phasen vorhanden sind» wovon die eine eine gesättigte Lösung von Chlortrifluorid im üranhexafluorid und die andere Kristalle von üranhexafluorid ist, was den ge\/ünschten Ablauf der Destillation ausschließt.

Fig. 1 zeigt das Gleichgewichtsdiagramm der Phasen des Gemisches Molybdänhexafluorid - Chlortrifluorid. Wie ersichtlich existiert ein Azeotrop, welches bei einem Druck von 3450 mb bei 44,2° C
siedet und 12% Molybdänhexafluorid enthält.

Fig. 2 zeigt das Gleichgewichtsdiagramm der Phasen des Gemisches v/olfrarahexafluorid - Chlortrifluorid. Wie ersichtlich existiert ein Azeotrop, welches bei einem Druck von 3450 mb bei 39,2° C
siedet und 37,5$ Wolframhexafluorid enthält.

Fig. 3 zeigt die Temperaturverteilung längs der Destillationsko-Io ne für das Gemisch UF_g - ClF₃ und den Gleichgewichtszustand.

Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt die Destillationskolonne für die Durchführung des Verfahrens.

Das zu reinigende Gas (UF₆) und Chlortrifluorid werden in die Füllkörper enthaltende Kolonne an einem mittleren Punkt G eingeführt. Das Chlortrifluorid kann jedoch auch unabhängig von dem zu reini-

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genden Gas in die Kolonne eingeführt werden.

Die Destillationskolonne weist an ihrem unteren Ende einen Erhitzer R und am Kopf einen Kühler C auf, der einen Rückfluß des UF^ gewährleistet. Am unteren Ende der Kolonne wird gereinigtes UP₆ und am Kopf der Kolonne das Chlortrifluorid samt den Verunreinigungen abgezogen»

Der erheblich»Temperaturunterschied «wischen dem Kopf und dem unteren Ende der Kolonne ermöglicht eine einfache Abtrennung der Verunreinigungen vom üranhexafluorid. Wie aus Pig.3 ersichtlich, beträgt der Temperaturunterschied etwa 5O°C, da die Temperatur am unteren Ende der Kolonne der Siedetemperatur des UP^ beim angewandten Druck (3450 inb) und die Temperatur am Kopf der Kolonne der Siedetemperatur des Azeotrops entspricht. Die Konzentrationen. längs der Kolonne sind genau definiert, was eine dauernde analytische Kontrolle der Reinheit des am unteren Ende abgezogenen Produkts, des reisten UF₆, überflüssig macht.

Das am Kopf der Kolonne abgezogene Chlortri fluor id kann entweder periodisch oder kontinuierlich zurückgewonnen werden.

Je nach den verbrauchten Mengen an Chlortrifluorid kann man es entweder teilweise durch Azeotrope Destillation des Gemisches ClF₁₃ - Azeotrop ClF₃ZHoF₃ oderClF₃ - Azeotrop ClFyVF₆, oder vollständig durch Abfangen des Molybdänhexafluorids oder Wolframhexafluorids mit Natriumfluorid, mit dem das Chlortrifluorid nicht reagiert, gewinnen und zurückführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einer Destillationskolonne mit den folgenden Merkmalen durchgeführt:

Die Destillationskolonne war vollständig aus der Nickellegierung "Monel Metall" hergestellt und wies fünf Abschnitte auf, nämlich

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zwei Abschnitte von 1,683 m und drei Abschnitte von 0,678 m Länge; die Kolonne war gefüllt mit dicht gewickelten Spirarlfedern mit einem rechteckigen Querschnitt von 5 mm; der Durchmesser der Kolonne betrug 70 mra und die Wärmebilanz 2250 Watt.

Man führte bekannte Mengen von MoFg und WF^ ein und maß- die Konzentrationen dieser Produkte längs der Kolonne. Im Übrigen wurden folgende Mengen Atagangsstoffe eingesetzt:

An Chlortrifluorid: in der Füllung 2,4 kg flüssiges Chlortrifluorid; An Uranhexafluorid: in der Füllung 0,8 kg flüssiges Oranhexafluorid.

Die Temperaturverteilung längs der Destillationskolonne ist in Fig. 3 wiedergegeben'* Das UFg ψ*τό praktisch quantitativ vom ClF₃ getrennt, was analytisch bestätigt wird. Der üF_g - Gehalt am Kopf der Kolonne liegt unter 30 vpra (Volumenteile pro Million), der ClF,, - Gehalt am unteren Ende der Kolonne unter 50 vpra.

An MoFc wurden nacheinander und als kumulierte Werte angegeben folgende Mengen eingeführt:
3g - 10g - 14g - 20g - 100g - 220g - 45Og.

Nach jeder Zugabe wurde analytisch das Profil der längs der Kolonne auftretenden Konzentrationen vom Kopf derselben an bestimmt (vergleiche Fig.4). Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Sie zeig&n die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Abtrennung des Molybdänhexafluorids bei einer geringen Zahl von Böden.

Da die relative Flüchtigkeit von tfolframhexafluorid gegenüber Chlor trifluorid größer als die des Molybdänhexafluorids ist, konnten die Versuche mit tfolfrarahexafluorid rascher durchgeführt werden. Nach

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Einführung von 656 g wolfranskexafluorid ergaben sich folgende Konzentrationen dieses Produkts:

Am Maßpuakt Is(Kopf der Kolonne): 10 620 vpra (Volumenteile pro Million)

Am Meßpunkt 2: < 0,465 vpm

Daraus ergibt sich, daß man mit 1,683 m Füllhöhe an "helipack" (e.Wz.) - Füllkörpern von 10620 vpm WFg auf veniger als 0,465 vpm gelangt.

Schließlich wurden zum Nachweis, daß tfolframhexafluorid und Molybdänhexafluorid sich nicht gegenseitig beeinflussen, WFg und MoFg gleichzeitig eingeführt. Die erhaltenen Ergebnisse waren praktisch identisch mit den bei getrennter Zugabe jedes der Stoffe erhaltenen.

	1	Tabelle 1	an MoFg in vpm pro Million)
Menge MoFg	154	Konzentrat i on (Volumenteile am Meßpunkt	4 5 6
	220	2 3
5	321 431 802	^ 0,88 -CO, 88
10	1898	3,5 <O,88	Konzentrat ionswerte unterhalb der ana lytischen Nachweis- grenaen
14 20 40	4317	1,5 <O,88 £1,33 3,5 <O,88
100.	8240	3,08 <1,32
220	12,95 0,23
450	21,13 <O,88

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Reinigung von üranhexafluorid durch Destillation zur Abtrennung von Verunreinigungen wie Molybdänhexafluorid und V/olframhexafluoridi dadurch gekennzeichnet, daß das verunreinigte Üranhexafluorid aus der flüssigen Phase in Gegenwart von Chlortrifluorid, welches mit den zu entfernenden Verunreinigungen ein Azeotrop bildet, destilliert, die Verunreinigungen am Kopf der Destillationskolonne und das gereinigte üranhexafluorid am unteren Ende des Destillationskolonne abgezogen werden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Destillation bei einem Druck oberhalb 2500 mb durchgeführt wird.

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