DE2262881A1

DE2262881A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung von chlorierungsreaktionen

Info

Publication number: DE2262881A1
Application number: DE19722262881
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Bohnenstingl; Helmut Gebhard; Manfred Dr Laser; Guenter Dipl Ing Dr Lossmann
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-12-22
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1974-07-25
Also published as: FR2211283A1; FR2211283B1; DE2262881C3; DE2262881B2

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Vorrichtung zur Durchführung von Chlorierungsreaktionen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Chlorierungsreaktionen bei der Gewinnung von Metallen wie Titan, Zirkon oder dergleichen, bei der Gewinnung von Uran und Thorium bei der Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren sowie bei der Reinigung von Kohle und Graphit, bestehend aus einem im direkten Stromdurchgang beheizten, aus Graphit gebildeten, koaxial von einem Mantel umgebenen, über einen Ansatzstutzen mit einem nachgeschaltetem Kondensator aus Graphit in Verbindung stehenden Schachtofen.

Es ist zwar bereits ein Chlorierungsreaktor bekannt, dessen Hauptbestandteil ein beheiztes Graphitrohr ist. Dieses Graphitrohr ist bei dem bekannten Reaktor von einem Keramikrohr als Ummantelung umgeben und weist einen seitlichen Ansatzstutzen auf, über den das das eigentliche Reaktionsgefäß bildende Graphitrohr mit einem Kondensator für die sich bei der Chlorierung verflüchtigenden Stoffe starr und gasdicht verbunden ist (OS 2 OHO 686). Wird - wie dies in der Praxis

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geschieht - als keramischer Werkstoff für die Ummantelung Quarzgut verwendet, das beispielsweise unter dem Handelsnamen Rotosil bekannt ist, so wird dadurch zwar die für die Verarbeitung hochradioaktiver Stoffe notwendige Gasdichtigkeit erzielt. Vorteilhaft ist auch, daß die durch Temperaturänderungen hervorgerufene Längenausdehnung von Quarzgut nur gering ist und daß bei einer Temperatur oberhalb 1000⁰C die Plastizität des Quarzgutes so ist, daß in dem Verbindungsstück zwischen Ofen und Kondensator infolge Aufheizen und Abkühlungen keine oder praktisch nicht in Erscheinung tretende Spannungen auftreten. Es hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, daß die Wandstärke des als Verbindungsstück verwendeten Ansatzstutzens nur verhältnismäßig gering sein darf, um eine für die gasdichte Verbindung erforderliche saubere Schmelzstelle beim Anschmelzen an den Kondensator zu erhalten. Durch die verschiedenartigen mechanischen Beanspruchungen ist daher ein Bruch nicht gänzlich auszuschließen. Eine Reparatur ist jedoch dann besonders schwierig, wenn radioaktive Stoffe der vorgesehenen Reaktion unterworfen werden und dadurch die Vorrichtung selbst hochradioaktiv ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Chlorierungsvorrichtungen besteht darin, daß wegen der Verwendung eines Keramikrohres die obere Begrenzung des Schutzmanteldurchmessers bei etwa HO cm liegen muß. Dadurch wird auch der Durchsatz begrenzt. Dies ist zwar für die Aufarbeitung von Brennelementen ohne Belang, da das Reaktionsgefäß aus Gründen der Kritikalität keinen größeren Durchmesser besitzen darf. Soll jedoch

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die Vorrichtung auch für andere Chlorierungsreaktionen verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung von Reaktorgraphiten durch Chlorieren oder auch zur Gewinnung von nicht spaltbaren flüchtigen Chloriden wie Titanchlorid, Zirkoniumchlorid oder dergleichen aus den entsprechenden Erzen oder aus TiefSeesedimenten, sind Vorrichtungen zum Chlorieren mit größeren Abmessungen erforderlich. Das gilt auch für die Reinigung von pulverförmigem Graphit durch Entfernen der Verunreinigungen als flüchtige gasförmige Chloride.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Durchführung von Chlorierungsreaktionen zu schaffen, die einen größeren Durchsatz und damit eine wirtschaftlichere Arbeitsweise erlaubt und die außerdem nicht störanfällig ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß der Mantel des Schachtofens und der den Schachtofen und den Kondensator verbindende Ansatzstutzen aus Graphit bestehen, wobei der Mantel des Schachtofens, der Kondensator und der Mantel und Kondensator verbindende Ansatzstutzen innerhalb einer gasdicht ausgebildeten Umhüllung aus Stahl angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, daß dadurch eine hohe Temperaturbeständigkeit erzielt wird und daß, wenn der Mantel aus Graphitringen oder Graphitsteinen gebildet wurde, zugleich eine hohe Lebensdauer erzielt wurde. Die Temperaturbeständigkeit kann noch dadurch erhöht werden, daß die Umhüllung aus Stahl den Mantel

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des Schachtofens mit Abstand so umgibt, daß dadurch ein ringförmiger Zwischenraum gebildet wird, wobei in dem Zwischenraum Graphitwolle enthalten ist.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß der Ansatzstutzen als Kragträger ausgebildet ist, an dessen freiem Ende der Kondensator angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß zwischen den Bauteilen keine Störungen hervorrufende Spannungen auftreten können. Es kann jedoch der Kondensator auch durch unterhalb eines an seinem unteren Ende angeordneten Sammelbehälters angeordnete Federelemente abgestützt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß in dem Ansatzstutzen korrosionsbeständige Heizelemente enthaltende Bohrungen vorgesehen sind. Dadurch ist erreichbar, daß auch der Ansatzstutzen auf die in der Reaktionszone des Ofens herrschende Temperatur erhitzt werden kann. Dadurch wird eine Desublimation der Chloride im Ansatzstutzen vermieden. Zweckmäßig ist es, wenn die Heizelemente aus Graphit bestehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch, teilweise im Längsschnitt dargestellt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist das den Reaktionsraum bildende und aus Graphit bestehende Rohr 1 in der Widerstandszone 2 durch Widerstandsheizung aufheizbar. Die dabei erzielbare Temperatur beträgt etwa 1700 C.

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Das Graphitrohr 1 ist von einem aus Graphitringen oder Graphitsteinen gebildeten Mantel 3 umgeben. Zur thermischen Isolation ist in dem von dem Mantel 3 und der gasdicht den Mantel 3 umschließenden Stahlhülle 5 gebildeten Zwischenräum eine Schicht von Graphitwolle vorgesehen. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der zur Verbindung mit dem Kondensator 7 an einer Seite des Mantels 3 vorgesehene Ansatzstutzen so ausgelegt, daß er als Kragträger ausgebildet ist und an dessen freiem Ende der Kondensator 7 angeordnet ist. Doch können aus Sicherheitsgründen unterhalb des Kondensators zum Abstützen Federelemente 8 vorgesehen sein.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der Ansatzstutzen

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mxttels Hexzelementen, zu deren Aufnahme xn dem Stutzen Bohrungen - von denen in der Zeichnung vißr dargestellt sind - vorgesehen sind, aufheizbar. Die Heizelemente bestehen vorzugsweise aus Graphit. Sie sind im Bedarfsfalle leicht auswechselbar. Unterhalb des Kondensators ist ein Filterelement 10 angeordnet, das als Hohlzylinder aus porösem Graphit ausgebildetest. Dabei ist es zweckmäßig, das Filterelement 10 so auszubilden, daß sein innerer Durchmesser dem inneren Durchmesser des Kondensators entweder entspricht oder größer ist als dieser. Über das Filterelement 10 wird das bei der Reaktion entstehende Abgas abgezogen. Dabei scheiden sich pulverförmige Chloride als lockerer Belag ab, der in der Regel in einen am unteren Ende des Kondensators angeordneten Sammelbehälter 11 fällt.

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Selbstverständlich können die Chloride auch durch Rückblasen entfernt werden. Um unterschiedliche Ausdehnungen des Reaktionsgefäßes und des Kondensators aufzunehmen, sind außerdem - wie der Zeichnung zu entnehmen ist - Kompensatoren 12 und 13 vorgesehen. Die Beschickung mit dem zu chlorierenden Gut erfolgt mittels einer mit dem Reaktionsgefäß 1 in Verbindung stehenden Dosiervorrichtung 14.

Die Betriebsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt sich aus dem nachstehend angeführten Ausführungsbeispiel :

Es wurde Feinpudergraphit, dessen Aschegehalt 3 % betrug und von dem 90 % eine Teilchengröße unterhalb 0,063 mm aufwies, kontinuierlich mittels einer Dosiervorrichtung aus dem Vorratsbehälter 14 über eine am Kopfe des Reaktionsgefäßes angeordnete Dosierschnecke in das Graphitrohr 1, das einen Durchmesser von 30 cm aufwies, eingespeist und durch eine am Fuß des Reaktionsgefäßes 1 angeordnete Zellradschleuse 16 wieder ausgetragen. Die Temperatur in der heißen Zone betrug 1700⁰C. Der Durchsatz betrug 15 kg Graphit/h. Da die heiße Zone 15 kg Graphit faßt, betrug die Verweilzeit in der heißen Zone 1 Stunde. Der Chlordurchsatz lag bei etwa 100 l/h. Das überschüssige Chlorgas wurde - wie in der Zeichnung nicht dargestellt ist durch eine Membranpumpe im Kreislauf geführt. Von Inertgasen und Kohlenmonoxid wurde das Chlorgas in

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an sich bekannter Weise durch Verflüssigung befreit. Der Äschegehalt des Feinpudergraphits sank infolge der Behandlung auf 0,1 %. Die Hauptverunreinigungen waren in der angegebenen Reihenfolge: Silicium, Aluminium, Calcium und Magnesium. Der Gehalt an Schwermetallen und Bor lag jeweils unterhalb von 1 ppm. Der Chlorgehalt betrug 1 %.

Zur Entfernung von adsorbiertem Chlor wurde der chlorierte Graphit mit Stickstoff als Inertgas gespült und anschließend pneumatisch in die Dosiervorrichtung einer Vorrichtung gefördert, die sich von der Vorrichtung gemäß der Erfindung nur dadurch unterscheidet, daß ihr kein Kondensator nachgeschaltet ist. Dabei durchlief der Graphit die heiße Zone, die eine Temperatur von 1000⁰C aufwies, innerhalb von 2 Stunden. Die Vorrichtung wurde sodann mit 100 l/h eines Gemisches aus 25 % Ammoniak und 75 % Stickstoff gespült. Wie festgestellt wurde, lag der Restchlorgehalt, der hauptsächlich auf Erdalkalichloride zurückzuführen ist, bei ca. 100 ppm. Er wurde durch Naßwäsche mit Wasser weiterhin reduziert.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Durchführung von Chlorierungsreaktionen bei der Gewinnung von Metallen wie Titan, Zirkon oder dergleichen, bei der Gewinnung von Uran und Thorium bei der Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brenn- und/ oder Brutelementen für Kernreaktoren sowie bei der Reinigung von Kohle und Graphit, bestehend aus einem . im direkten Stromdurchgang beheizten, aus Graphit gebildeten, koaxial von einem Mantel umgebenen, über einen Ansatzstutzen mit einem nachgeschalteten Kondensator aus Graphit in Verbindung stehenden Schachtofen, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (3) des Schachtofens (1) und der den Schachtofen (1) und den Kondensator (7) verbindende Ansatzstutzen (6) aus Graphit bestehen, wobei der Mantel (3) des Schachtofens (1), der Kondensator (7) und der Mantel (3) und Kondensator (7) verbindende Ansatzstutzen (6) innerhalb einer gasdicht ausgebildeten Umhüllung aus Stahl angeordnet sind.

2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge~ kennzeichnet , daß die Umhüllung aus Stahl (S) den Mantel (3) des Schachtofens (1) mit Abstand so umgibt, daß dadurch ein ringförmiger Zwischenraum gebildet wird, wobei in dem Zwischenraum Graphitwolle enthalten ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Ansatzstutzen (6) als Kragträger ausgebildet ist, an dessen freiem Ende der Kondensator (7) angeordnet ist.

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H. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Ansatzstutzen (6) korrosionsbeständige Heizelemente (9) enthaltende Bohrungen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizelemente (9) aus Graphit bestehen.

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Jo

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