EA046062B1 - SYSTEM AND METHOD FOR REGULATING THE SIZE OF METAL OXIDE GEL PARTICLES - Google Patents
SYSTEM AND METHOD FOR REGULATING THE SIZE OF METAL OXIDE GEL PARTICLES Download PDFInfo
- Publication number
- EA046062B1 EA046062B1 EA202290456 EA046062B1 EA 046062 B1 EA046062 B1 EA 046062B1 EA 202290456 EA202290456 EA 202290456 EA 046062 B1 EA046062 B1 EA 046062B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- metal oxide
- flow rate
- size
- sensor
- gel particles
- Prior art date
Links
- 239000007863 gel particle Substances 0.000 title claims description 122
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 title claims description 68
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 title claims description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 22
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 title description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 75
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 73
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 claims description 39
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 31
- VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N hexamethylenetetramine Chemical compound C1N(C2)CN3CN1CN2C3 VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000001879 gelation Methods 0.000 claims description 11
- 239000004312 hexamethylene tetramine Substances 0.000 claims description 9
- 235000010299 hexamethylene tetramine Nutrition 0.000 claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 6
- 229910001960 metal nitrate Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000012527 feed solution Substances 0.000 claims description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 9
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 9
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 8
- WZECUPJJEIXUKY-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[U+6] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[U+6] WZECUPJJEIXUKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- -1 rare earth salt Chemical class 0.000 description 7
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 7
- 229910000439 uranium oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 6
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 229910002007 uranyl nitrate Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 4
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 4
- ZSLUVFAKFWKJRC-IGMARMGPSA-N 232Th Chemical compound [232Th] ZSLUVFAKFWKJRC-IGMARMGPSA-N 0.000 description 3
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052778 Plutonium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 2
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 2
- OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N plutonium atom Chemical compound [Pu] OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 2
- 238000001248 thermal gelation Methods 0.000 description 2
- DNYWZCXLKNTFFI-UHFFFAOYSA-N uranium Chemical compound [U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U] DNYWZCXLKNTFFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000003672 ureas Chemical class 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XOQIPTFXWRJKPQ-UHFFFAOYSA-N [Pu+4].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O Chemical class [Pu+4].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XOQIPTFXWRJKPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce] ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000007771 core particle Substances 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003671 uranium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000005289 uranyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910021510 uranyl hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012224 working solution Substances 0.000 description 1
Description
Уровень техникиState of the art
1. Область техники, к которой относится изобретение1. Field of technology to which the invention relates
Это изобретение относится, в общем, к приготовлению гелевых частиц оксида металла, имеющих регулируемый размер частиц.This invention relates generally to the preparation of metal oxide gel particles having a controlled particle size.
2. Описание предшествующего уровня техники2. Description of the prior art
Гелевые частицы оксида металла могут быть приготовлены посредством рассеивания капель раствора соли металла в неводных текучих средах и вынуждения соли металла в каплях подвергаться внутреннему гелеобразованию, чтобы формировать гелевую фазу в форме гелевых частиц оксида металла.Metal oxide gel particles can be prepared by dispersing droplets of a metal salt solution in non-aqueous fluids and causing the metal salt in the droplets to undergo internal gelation to form a gel phase in the form of metal oxide gel particles.
Гелевые частицы оксида металла могут быть приготовлены с помощью сопла для двух текучих сред, из растворов множества солей металла или солей оксида металла, включающих в себя нитраты урана, тория, плутония и редкоземельных металлов, таких как церий. Раствор соли содержит гексаметилтетрамин (HMTA) и мочевину и протекает из первого сопла с первым расходом, в поток неводной рабочей текучей среды во втором сопле. Неводная рабочая текучая среда нагревается до температуры, достаточной, чтобы вызывать HMTA-разложение.Metal oxide gel particles can be prepared using a dual fluid nozzle from solutions of a variety of metal salts or metal oxide salts, including nitrates of uranium, thorium, plutonium and rare earth metals such as cerium. The salt solution contains hexamethyltetramine (HMTA) and urea and flows from the first nozzle at the first flow rate into the non-aqueous working fluid stream at the second nozzle. The non-aqueous working fluid is heated to a temperature sufficient to cause HMTA decomposition.
В случае раствора нитрата уранила, прежде чем раствор соли контактирует с рабочей текучей средой, комплексы ионов металла с мочевиной из формулы UO2((NH2)2CO)2 +2 формируются, когда мочевина может помогать смягчать преждевременное гелеобразование. Когда комплексы ионов металла с мочевиной нагреваются посредством рабочей текучей среды, они могут разлагаться, чтобы формировать UO2 +2 или аналогичные разновидности окиси урана. Одновременно, HMTA разлагается, чтобы формировать гидроксид аммония. Разложение HMTA имеет место в два этапа, как в реакциях (1) и (2):In the case of uranyl nitrate solution, before the salt solution contacts the working fluid, metal ion complexes with urea of the formula UO 2 ((NH 2 ) 2 CO) 2 +2 are formed where the urea can help mitigate premature gelation. When the metal ion urea complexes are heated by the process fluid, they can decompose to form UO 2 +2 or similar uranium oxide species. Simultaneously, HMTA decomposes to form ammonium hydroxide. The decomposition of HMTA takes place in two stages, as in reactions (1) and (2):
(CH2)6N4+H- ((CH2)6N4)H- (1) (CH2)6N4H+ 9Н2О -> 6HCHO+NH4- +3 NH4OH (2)(CH 2 ) 6 N 4 +H- ((CH 2 )6N 4 )H- (1) (CH 2 ) 6 N 4 H+ 9H 2 O -> 6HCHO+NH 4 - +3 NH 4 OH (2)
Ионы металла дополнительно подвергаются гидролизу и конденсируются как в реакциях (3) и (4): (UO2)+2(aq)+2H2O —* (UO2(OH)2)(aq) +2Н+ (3) 2(UO2(OH)2)(0q) —* 21тОз-2Н2О (4)Metal ions are additionally hydrolyzed and condensed as in reactions (3) and (4): (UO 2 ) +2 (aq) + 2H2O -* (UO2(OH)2)(aq) + 2H + (3) 2(UO2 (OH) 2 )( 0 q) —* 21 t Oz-2H 2 O (4)
Гидроксид аммония, сформированный во время реакции (2), увеличивает pH раствора, способствуя гидролизу и конденсации (3), приводя в результате к формированию частиц иона металла 2UO3-2H2O как сферических гелевых частиц. Гелевые сферы оксида урана собираются и спекаются, чтобы формировать керамические частицы, полезные в качестве сердцевин для гранул ядерного топлива.Ammonium hydroxide formed during reaction (2) increases the pH of the solution, promoting hydrolysis and condensation (3), resulting in the formation of metal ion particles 2UO 3 -2H2O as spherical gel particles. Uranium oxide gel spheres are collected and sintered to form ceramic particles useful as cores for nuclear fuel pellets.
Во время формирования гелевой частицы капли раствора оксида металла рассеиваются в рабочей текучей среде с высокой скоростью и подвергаются быстрому гелеобразованию от разложения HMTA. Размер этих гелевых частиц является критичным, с точки зрения спецификаций ядерного топлива. В частности, размер спекшихся керамических частиц для использования в гранулах ядерного топлива регулируется по размеру гелевых частиц. При спекании гелевые частицы теряют около 35% своей массы, в то время как радиус частиц сокращается примерно на 65%. Во время формирования гелевых частиц посредством внутреннего гелеобразования размер сформировавшихся гелевых частиц является неизвестным до тех пор, пока гелеобразование не закончится и частицы не будут восстановлены. При определении характеристик гелевых частиц может быть обнаружено, что частицы являются слишком большими для приготовления желаемого продукта, такого как ядерное топливо. Альтернативно, частицы могут быть небольшими для желаемого применения или иметь нежелательно широкое распределение размера частиц.During the formation of the gel particle, droplets of the metal oxide solution are dispersed into the working fluid at high speed and undergo rapid gelation from the decomposition of HMTA. The size of these gel particles is critical in terms of nuclear fuel specifications. In particular, the size of sintered ceramic particles for use in nuclear fuel pellets is controlled by the size of the gel particles. During sintering, the gel particles lose about 35% of their mass, while the radius of the particles is reduced by about 65%. During the formation of gel particles by internal gelation, the size of the formed gel particles is unknown until the gelation is complete and the particles are reconstituted. When characterizing the gel particles, it may be discovered that the particles are too large to prepare the desired product, such as nuclear fuel. Alternatively, the particles may be small for the desired application or have an undesirably wide particle size distribution.
Настоящее изобретение направлено на способы получения гелевых частиц оксида металла с регулируемым размером частиц, которые предоставляют возможность регулирования размера частиц во время формирования частиц.The present invention is directed to methods for producing metal oxide gel particles with controlled particle size, which provide the ability to control the particle size during particle formation.
Предмет изобретения является иллюстрацией преимуществ, которые могут быть достигнуты посредством различных вариантов осуществления, раскрытых в данном документе, и не предназначается быть исчерпывающим или ограничивающим возможные преимущества, которые могут быть реализованы. Дополнительные преимущества различных вариантов осуществления, раскрытых в данном документе, будут очевидны из описания в данном документе или могут быть узнаны из применения на практике различных вариантов осуществления, раскрытых в данном документе, или которые модифицированы с учетом какого-либо изменения, которое может быть очевидно специалистам в области техники. Соответственно, настоящее изобретение заключается в новых способах, компоновках, сочетаниях и улучшениях в данном документе, показанных и описанных в различных вариантах осуществления.The subject matter of the invention is an illustration of the benefits that can be achieved through the various embodiments disclosed herein and is not intended to be exhaustive or limiting of the possible benefits that can be realized. Additional advantages of the various embodiments disclosed herein will be apparent from the description herein or may be learned from practice of the various embodiments disclosed herein or as modified by any change that may be apparent to those skilled in the art. in the field of technology. Accordingly, the present invention lies in the new methods, arrangements, combinations and improvements herein shown and described in various embodiments.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Различные варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к оптическим датчикам, которые предоставляют возможность анализа в реальном времени размера гелевых частиц, сформированных в сопле для двух текучих сред, также как расхода гелевых частиц в сопле.Various embodiments described herein relate to optical sensors that provide the ability to analyze in real time the size of gel particles formed in a dual fluid nozzle, as well as the flow rate of gel particles in the nozzle.
Различные варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу оптимизации размера гелевых частиц оксида металла, включающему в себя приготовление низкотемпературного водного раствора нитрата металла, содержащего гексаметилентетрамин в качестве исходного раствоVarious embodiments disclosed herein relate to a method for optimizing the size of metal oxide gel particles, comprising preparing a low temperature aqueous solution of a metal nitrate containing hexamethylenetetramine as a starting solution
- 1 046062 ра; обеспечение протекания исходного раствора через первое сопло и его выхода из первого сопла в качестве первого потока с первым расходом; и обеспечение протекания высокотемпературной неводной рабочей текучей среды через второе сопло в качестве второго потока со вторым расходом, где второй поток контактирует с первым потоком. В различных вариантах осуществления сдвигающее усилие/сдвигающее взаимодействие между первым потоком и вторым потоком разбивает первый поток на капли раствора нитрата металла, и термическое разложение гексаметилентетрамина посредством высокотемпературной рабочей текучей среды преобразует капли раствора нитрата металла в гелевые частицы оксида металла. Гелевые частицы переносятся во втором потоке рабочей текучей среды. В различных вариантах осуществления средний размер частиц для гелевых частиц оксида металла или средний расход гелевых частиц оксида металла в рабочей текучей среде измеряется оптическим способом, с помощью детектирующего устройства, направленного на поток гелевых частиц оксида металла в потоке рабочей текучей среды.- 1 046062 ra; causing the feed solution to flow through the first nozzle and exit the first nozzle as a first stream at a first rate; and causing the high temperature non-aqueous working fluid to flow through the second nozzle as a second stream at a second rate, wherein the second stream contacts the first stream. In various embodiments, the shear force/shear interaction between the first stream and the second stream breaks the first stream into metal nitrate solution droplets, and thermal decomposition of the hexamethylenetetramine by the high temperature process fluid converts the metal nitrate solution droplets into metal oxide gel particles. The gel particles are carried in the second working fluid stream. In various embodiments, the average particle size of the metal oxide gel particles or the average flow rate of the metal oxide gel particles in the working fluid is measured optically using a detection device directed to the flow of the metal oxide gel particles in the working fluid stream.
В различных вариантах осуществления детектирующее устройство измеряет передачу света, поглощенного либо гелевыми частицами оксида металла, либо рабочей текучей средой, так что передача света через рабочую текучую среду изменяется в течение периода времени, когда гелевая частица оксида металла проходит через детектирующее устройство. Зависимое от времени изменение в передаче света может быть использовано для измерения среднего размера частиц или объемного расхода частиц. В различных вариантах осуществления, если измеренный размер частиц или объемный расход не равен приблизительно желаемому размеру капли или расходу, регулируют упомянутый размер капли или расход посредством регулирования отношения первого расхода к суммарному расходу, где суммарный расход является суммой первого и второго расходов.In various embodiments, the detection device measures the transmission of light absorbed by either the metal oxide gel particles or the working fluid such that the transmission of light through the working fluid changes during the period of time that the metal oxide gel particle passes through the detection device. The time-dependent change in light transmission can be used to measure average particle size or particle volumetric flow rate. In various embodiments, if the measured particle size or volume flow rate does not approximately equal the desired droplet size or flow rate, said droplet size or flow rate is adjusted by adjusting the ratio of the first flow rate to the total flow rate, where the total flow rate is the sum of the first and second flow rates.
В различных вариантах осуществления, если измеренный размер частицы больше желаемого размера частицы, измеренный размер частицы может быть уменьшен посредством увеличения расхода рабочей текучей среды; уменьшения расхода исходного раствора, или того и другого. Если измеренный размер частиц меньше желаемого размера частиц, измеренный размер частиц может быть увеличен посредством уменьшения расхода рабочей текучей среды; увеличения первого расхода исходного раствора, или того и другого.In various embodiments, if the measured particle size is larger than the desired particle size, the measured particle size can be reduced by increasing the flow rate of the working fluid; reducing the consumption of the initial solution, or both. If the measured particle size is less than the desired particle size, the measured particle size can be increased by decreasing the flow rate of the working fluid; increasing the first flow rate of the initial solution, or both.
В различных вариантах осуществления детектирующее устройство включает в себя первый оптический датчик и второй оптический датчик, разнесенные друг от друга вдоль потока рабочей текучей среды на первое расстояние; и каждый из первого и второго датчиков включает в себя первое и второе оптические волокна на противоположных сторонах потока рабочей текучей среды. Первое оптическое волокно в каждом датчике отправляет сигнал через рабочую текучую среду, а второе оптическое волокно принимает сигнал. В различных вариантах осуществления сигнал, отправленный посредством первого оптического волокна в каждом датчике, является оптическим сигналом с длиной волны, которая не поглощается рабочей текучей средой, но поглощается гелевыми частицами оксида металла. В каждом датчике первое и второе оптические волокна отделяются расстоянием, которое, по меньшей мере, равно диаметру трубы, переносящей рабочую текучую среду, и которое является достаточно небольшим, чтобы предотвращать затухание сигнала, движущегося через рабочую текучую среду.In various embodiments, the detection device includes a first optical sensor and a second optical sensor spaced apart from each other along the flow of the working fluid by a first distance; and each of the first and second sensors includes first and second optical fibers on opposite sides of the working fluid flow. The first optical fiber in each sensor sends a signal through the operating fluid, and the second optical fiber receives the signal. In various embodiments, the signal sent through the first optical fiber in each sensor is an optical signal at a wavelength that is not absorbed by the process fluid, but is absorbed by the metal oxide gel particles. In each sensor, the first and second optical fibers are separated by a distance that is at least equal to the diameter of the pipe carrying the working fluid, and which is small enough to prevent attenuation of the signal traveling through the working fluid.
В различных вариантах осуществления первый датчик и второй датчик разнесены друг от друга вдоль второго потока рабочей текучей среды на первое расстояние. Первое расстояние между датчиками меньше среднего диаметра гелевых частиц, где средний диаметр гелевых частиц может быть между 0,8 мм и 3,2 мм, между 1 и 2,5 мм, между 1 и 2 мм, между 1 и 1,5 мм или между 1,5 и 2 мм. В различных вариантах осуществления интервал между датчиками от 0,1 до 1 мм, от 0,2 до 0,9 мм, от 0,3 до 0,8 или от 0,5 до 0,7 мм меньше желаемого целевого диаметра гелевых частиц.In various embodiments, the first sensor and the second sensor are spaced apart from each other along the second flow of the working fluid by a first distance. The first distance between the sensors is less than the average diameter of the gel particles, where the average diameter of the gel particles can be between 0.8 mm and 3.2 mm, between 1 and 2.5 mm, between 1 and 2 mm, between 1 and 1.5 mm, or between 1.5 and 2 mm. In various embodiments, the sensor spacing is 0.1 to 1 mm, 0.2 to 0.9 mm, 0.3 to 0.8, or 0.5 to 0.7 mm less than the desired target diameter of the gel particles.
В различных вариантах осуществления средний размер частиц может быть рассчитан посредством первого вычисления скорости гелевой частицы оксида металла, проходящей первый оптический и/или второй оптический датчик. В различных вариантах осуществления два датчика разнесены вдоль пути протекания на известное расстояние, и скорость гелевой частицы вычисляется на основе времени, за которое передний конец или задний конец гелевой частицы проходит это известное расстояние. После того как скорость гелевых частиц определена, расход рабочей текучей среды, переносящей гелевые частицы мимо датчиков, вычисляется. После того как расход вычислен, доля потока, заполненного гелевыми частицами (объем гелевых частиц), затем вычисляется посредством деления первого интервала времени, за которое одна гелевая частица проходит мимо одного оптического датчика, на второй интервал времени, за который две последовательные гелевые капли достигают одного оптического датчика.In various embodiments, the average particle size may be calculated by first calculating the velocity of the metal oxide gel particle passing the first optical and/or second optical sensor. In various embodiments, two sensors are spaced along the flow path by a known distance, and the speed of the gel particle is calculated based on the time it takes the leading end or trailing end of the gel particle to travel that known distance. Once the velocity of the gel particles is determined, the flow rate of the working fluid carrying the gel particles past the sensors is calculated. Once the flow rate has been calculated, the fraction of the flow filled with gel particles (gel particle volume) is then calculated by dividing the first time interval in which one gel particle passes one optical sensor by the second time interval in which two successive gel drops reach one optical sensor.
В различных вариантах осуществления устройство для создания гелевых частиц оксида металла с регулируемым размером частиц включает в себя систему для формирования глевых частиц оксида металла, содержащую:In various embodiments, an apparatus for creating metal oxide gel particles with controlled particle size includes a system for forming metal oxide gel particles, comprising:
сопло для рабочей текучей среды, формирующее путь протекания, сопло для рабочей текучей среды выполнено с возможностью перемещения рабочего потока рабочей текучей среды с первым расходом по пути протекания;a working fluid nozzle forming a flow path, the working fluid nozzle configured to move a working fluid flow at a first flow rate along the flow path;
сопло для раствора соли металла, имеющее выход, сопло для соли металла выполнено с возможностью перемещения первого потока низкотемпературного водного раствора соли металла, содержащегоa nozzle for a metal salt solution having an outlet, the metal salt nozzle configured to move a first stream of a low-temperature aqueous metal salt solution containing
- 2 046062 гексаметилентетрамин, в путь протекания со вторым расходом; и необязательно нагреватель, выполненный с возможностью поддержания температуры рабочей текучей среды на уровне, достаточном для обеспечения гелеобразования соли металла в растворе соли металла посредством гексаметилентетрамина.- 2 046062 hexamethylenetetramine, in the flow path with the second flow rate; and optionally a heater configured to maintain the temperature of the working fluid at a level sufficient to cause gelation of the metal salt in the metal salt solution by hexamethylenetetramine.
В различных вариантах осуществления устройство дополнительно включает в себя систему для регулирования среднего размера гелевых частиц оксида металла, расположенную ниже по потоку от системы для формирования гелевых частиц оксида металла. Система для регулирования размера гелевых частиц включает в себя детектирующее устройство, включающее в себя:In various embodiments, the apparatus further includes a system for controlling the average size of the metal oxide gel particles located downstream of the system for forming the metal oxide gel particles. The system for controlling the size of the gel particles includes a detection device including:
первый датчик и второй датчик, разнесенные друг от друга по пути протекания на первое расстояние, первый и второй датчики выполнены с возможностью измерения среднего размера гелевых частиц и расхода частиц; и систему управления для регулирования среднего размера гелевых частиц оксида металла на основе входного сигнала от детектирующего устройства.the first sensor and the second sensor, spaced apart from each other along the flow path by a first distance, the first and second sensors are configured to measure the average size of the gel particles and the flow rate of the particles; and a control system for adjusting the average size of the metal oxide gel particles based on an input signal from the detection device.
В различных вариантах осуществления система для регулирования среднего размера гелевых частиц выполнена с возможностью вычисления объемного расхода из первого времени прохождения, за которое гелевая частица оксида металла проходит расстояние между первым датчиком и вторым датчиком.In various embodiments, the system for controlling the average size of the gel particles is configured to calculate a volumetric flow rate from the first travel time at which the metal oxide gel particle travels the distance between the first sensor and the second sensor.
В различных вариантах осуществления, если вычисленный размер гелевой частицы отличается от желаемого размера гелевой частицы, система для регулирования среднего размера конфигурируется, чтобы регулировать средний размер гелевых частиц посредством регулирования отношения первого расхода рабочей текучей среды к суммарному расходу, где суммарный расход является суммой первого расхода и второго расхода раствора соли металла.In various embodiments, if the calculated gel particle size differs from the desired gel particle size, the average size control system is configured to adjust the average gel particle size by adjusting the ratio of the first flow rate of the working fluid to the total flow rate, where the total flow rate is the sum of the first flow rate and second flow of metal salt solution.
В свете текущей потребности в улучшенных способа приготовления гелевых частиц оксида металла с прогнозируемым размером, краткое изложение различных вариантов осуществления представляется. Некоторые упрощения и опущения могут быть выполнены в последующем кратком изложении, которое предназначается, чтобы выделить и ввести некоторые аспекты различных примерных вариантов осуществления, но не ограничивать рамки изобретения. Подробные описания предпочтительного примерного варианта осуществления, достаточные, чтобы предоставлять возможность обычным специалистам в области техники создавать и использовать идеи изобретения, последуют в дальнейших разделах.In light of the current need for improved methods for preparing predictable size metal oxide gel particles, a summary of various embodiments is presented. Certain simplifications and omissions may be made in the following summary, which is intended to highlight and introduce certain aspects of the various exemplary embodiments, but not to limit the scope of the invention. Detailed descriptions of a preferred exemplary embodiment sufficient to enable those of ordinary skill in the art to make and use the inventive concepts will follow in subsequent sections.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Для того, чтобы лучше понимать различные примерные варианты осуществления, ссылка выполняется на сопровождающие чертежи, на которых:In order to better understand the various exemplary embodiments, reference is made to the accompanying drawings, in which:
фиг. 1 показывает устройство для наблюдения за размером гелевых частиц оксида металла, сформированных в сопле для двух текучих сред;fig. 1 shows an apparatus for monitoring the size of metal oxide gel particles formed in a dual fluid nozzle;
фиг. 2 и 3 показывают выходные сигналы, создаваемые датчиками в устройстве на фиг. 1, когда гелевая частица оксида металла обнаруживается посредством датчиков; и фиг. 4 показывает блок-схему последовательности операций, показывающую процессы для регулирования размера гелевых частиц оксида металла, сформированных в сопле для двух текучих сред;fig. 2 and 3 show the output signals produced by the sensors in the device of FIG. 1, when the metal oxide gel particle is detected by the sensors; and figs. 4 is a flowchart showing processes for controlling the size of metal oxide gel particles formed in a dual fluid nozzle;
фиг. 5 показывает устройство на фиг. 1, совместно с CPU и насосами, управляемыми посредством CPU;fig. 5 shows the device of FIG. 1, together with a CPU and pumps controlled by the CPU;
фиг. 6 показывает:fig. 6 shows:
диаметр сердцевины спекшихся частиц оксида металла, приготовленных из гелевых частиц, как функцию времени;core diameter of sintered metal oxide particles prepared from gel particles as a function of time;
расход раствора бульона оксида металла как функцию времени; и суммарный расход как функцию времени; и фиг. 7 показывает график, на который нанесен диаметр сердцевины как функция отношения расхода раствора бульона оксида металла к суммарному расходу.consumption of metal oxide broth solution as a function of time; and total consumption as a function of time; and figs. 7 shows a graph plotting the core diameter as a function of the ratio of the metal oxide broth solution flow rate to the total flow rate.
Вследствие большого числа точек данных, использованных для формирования данных, представленных на фиг. 6 и 7, данные были представлены как облако, представляющее перекрывающиеся точки данных, вместо нанесения на график отдельных точек данных.Due to the large number of data points used to generate the data presented in FIG. 6 and 7, the data were plotted as a cloud representing overlapping data points, rather than plotting individual data points.
Подробное описание изобретенияDetailed Description of the Invention
Когда используется в данном документе, термин около может быть интерпретирован как означающий в пределах 10% от сформулированного значения, в пределах 5% от сформулированного значения или в пределах 3% от сформулированного значения. Все числа, сформулированные без квалификатора, могут быть интерпретированы в понятиях значащих цифр.When used herein, the term about can be interpreted to mean within 10% of the stated value, within 5% of the stated value, or within 3% of the stated value. All numbers stated without a qualifier can be interpreted in terms of significant figures.
Когда используется в данном документе, формулировка сконфигурирован, чтобы, когда применяется к устройству или его части, означает, что перечисленное устройство или элемент предназначается или конструируется, чтобы выполнять перечисленную функцию.When used herein, the language is configured to, when applied to a device or part thereof, mean that the listed device or item is intended or designed to perform the listed function.
Когда используется в данном документе, термин диаметр, упоминаемый в данном документе как m1, ссылается на длину частицы, когда она движется по трубе мимо оптического датчика. В некоторых вариантах осуществления диаметр трубы может быть меньше длины частицы, вынуждая частицу вытягиваться по длине трубы. В других случаях, диаметр трубы может быть больше или приблизительно равен длине частицы, вынуждая частицу быть практически сферической. В любом случае, расстояние поWhen used herein, the term diameter, referred to herein as m1, refers to the length of the particle as it moves through the pipe past the optical sensor. In some embodiments, the diameter of the pipe may be smaller than the length of the particle, causing the particle to extend along the length of the pipe. In other cases, the diameter of the tube may be greater than or approximately equal to the length of the particle, forcing the particle to be essentially spherical. In any case, the distance
- 3 046062 длине частицы должно называться ее диаметром ml.- 3 046062 the length of a particle should be called its diameter ml.
Обращаясь теперь к чертежам, на которых аналогичные номера ссылаются на аналогичные компоненты или этапы, раскрываются широкие аспекты различных примерных вариантов осуществления.Turning now to the drawings, in which like numerals refer to like components or steps, broad aspects of the various exemplary embodiments are disclosed.
Фиг. 1 является видом системы для измерения размера гелевых частиц оксида металла. Система включает в себя сопло 1, сконфигурированное, чтобы переносить неводную рабочую текучую среду (сопло для рабочей текучей среды), где рабочая текучая среда переносится в сопле 1 по пути протекания, помеченному стрелкой A, с первым расходом. Гелевые частицы 3, имеющие диаметр m1 (показан как равный длине вытянутой частицы на фиг. 1), движутся по трубе 1 в направлении стрелки A мимо первого датчика 4 и второго датчика 5, каждый соединен с CPU 10. Датчик 4 имеет два оптических волокна 6 и 7, разделенных трубой 1. Оптический сигнал с выбранной длиной волны передается от волокна 6 волокну 7, в направлении стрелки B. Рабочая текучая среда является прозрачной для выбранной длины волны, в то время как гелевые частицы 3 являются полупрозрачными или непрозрачными для выбранной длины волны. Сигнал, соответствующий зависимому от времени изменению в интенсивности света между светом, передаваемым из волокна 6, и светом, принимаемым волокном 7, передается в CPU 10. Выходной сигнал от датчиков 4 и 5 передается по кабелям 13 и 14 в CPU 10, где вычисляется размер частицы.Fig. 1 is a kind of system for measuring the size of metal oxide gel particles. The system includes a nozzle 1 configured to carry a non-aqueous working fluid (working fluid nozzle), wherein the working fluid is carried in the nozzle 1 along a flow path marked by arrow A at a first flow rate. Gel particles 3 having a diameter m1 (shown as equal to the length of the elongated particle in Fig. 1) move along the pipe 1 in the direction of arrow A past the first sensor 4 and the second sensor 5, each connected to the CPU 10. The sensor 4 has two optical fibers 6 and 7, separated by pipe 1. An optical signal of the selected wavelength is transmitted from fiber 6 to fiber 7, in the direction of arrow B. The working fluid is transparent at the selected wavelength, while the gel particles 3 are translucent or opaque at the selected wavelength . A signal corresponding to a time-dependent change in light intensity between light transmitted from fiber 6 and light received by fiber 7 is transmitted to CPU 10. The output signal from sensors 4 and 5 is transmitted via cables 13 and 14 to CPU 10, where the size is calculated particles.
Фиг. 2 показывает зависимое от времени изменение в интенсивности света как последовательность гелевых частиц, проходящих мимо датчика 4. Если изменение в интенсивности света между светом, передаваемым из волокна 6, и светом, принимаемым волокном 7, меньше предварительно определенного фонового значения, CPU выводит значение, равное нулю. Если изменение в интенсивности света превышает предварительно определенное фоновое значение вследствие присутствия гелевой частицы 3 между волокнами 6 и 7, CPU выводит значение, равное единице, приводящее в результате к зависимому от времени сигналу в форме последовательности прямоугольных импульсов 11. Каждый прямоугольный импульс 11 имеет передний фронт 11a и задний фронт 11b. Длина каждого прямоугольного импульса соответствует периоду времени для того, чтобы одна гелевая частица прошла датчик 4 (период P). Время между передними фронтами 11a (или задними фронтами 11b) соседних прямоугольных импульсов представляет частоту F, с которой гелевые частицы проходят датчик 6. Если все частицы 3 имеют аналогичные размеры, период и частота могут быть определены из двух соседних прямоугольных импульсов. Если частицы 3 имеют различные размеры, усредненное или среднее значение периода и частоты может быть определено из последовательности прямоугольных импульсов 11.Fig. 2 shows the time-dependent change in light intensity as a sequence of gel particles passing by the sensor 4. If the change in light intensity between the light transmitted from the fiber 6 and the light received by the fiber 7 is less than a predetermined background value, the CPU outputs a value equal to zero. If the change in light intensity exceeds a predetermined background value due to the presence of the gel particle 3 between the fibers 6 and 7, the CPU outputs a value of one, resulting in a time-dependent signal in the form of a train of rectangular pulses 11. Each rectangular pulse 11 has a leading edge 11a and trailing edge 11b. The length of each rectangular pulse corresponds to the time period for one gel particle to pass the sensor 4 (period P). The time between the leading edges 11a (or trailing edges 11b) of adjacent rectangular pulses represents the frequency F with which the gel particles pass the sensor 6. If all particles 3 are of similar sizes, the period and frequency can be determined from the two adjacent rectangular pulses. If the particles 3 have different sizes, the average or average value of the period and frequency can be determined from the sequence of rectangular pulses 11.
Как показано на фиг. 1, датчик 5 имеет два оптических волокна 8 и 9, разделенных трубой 1. Оптический сигнал с выбранной длиной волны передается от волокна 8 волокну 9. Сигнал, соответствующий зависимому от времени изменению в интенсивности света между светом, передаваемым из волокна 6, и светом, принимаемым волокном 7, передается в CPU 10. Фиг. 3 показывает зависимое от времени изменение в интенсивности света, когда последовательность гелевых частиц проходит мимо датчика 4, и когда последовательность гелевых частиц проходит мимо датчика 5. Датчики 4 и 5 размещаются так, что размер x1 между волокнами 6 и 7 меньше желаемого диаметра m1 гелевой частицы.As shown in FIG. 1, the sensor 5 has two optical fibers 8 and 9 separated by a tube 1. An optical signal of a selected wavelength is transmitted from the fiber 8 to the fiber 9. A signal corresponding to a time-dependent change in light intensity between the light transmitted from the fiber 6 and the light received fiber 7 is transmitted to CPU 10. FIG. 3 shows the time-dependent change in light intensity as a sequence of gel particles passes by sensor 4 and as a sequence of gel particles passes by sensor 5. Sensors 4 and 5 are placed such that the dimension x1 between fibers 6 and 7 is less than the desired diameter m1 of the gel particle .
Как видно на фиг. 3, датчики 4 и 5, каждый, предоставляют зависимое от времени изменение в интенсивности света как последовательность прямоугольных импульсов 11, сдвинутых на период ΔΤ времени. Период P и частота F может быть вычислена либо из выходного сигнала от датчика 4, либо выходного сигнала от датчика 5 или как средние значения, полученные от датчика 4 и датчика 5.As can be seen in FIG. 3, sensors 4 and 5 each provide a time-dependent change in light intensity as a train of rectangular pulses 11 shifted by a time period ΔΤ. The period P and frequency F can be calculated either from the output from sensor 4 or the output from sensor 5, or as the average of the values obtained from sensor 4 and sensor 5.
После того как период P, частота F и смещение ΔΤ были определены, скорости частиц, расходы и объем частиц могут быть определены. Сначала, скорость частицы может быть определена из смещения по времени ΔΤ, соответствующего интервалу времени, которое занимает прохождение передним концом или задним концом расстояния x1 между датчиком 4 и датчиком 5. Скорость V может быть вычислена следующим образом:Once the period P, frequency F and displacement ΔΤ have been determined, particle velocities, flow rates and particle volume can be determined. First, the velocity of the particle can be determined from the time displacement ΔΤ corresponding to the time interval it takes for the front end or the rear end to travel the distance x1 between sensor 4 and sensor 5. The speed V can be calculated as follows:
V=xl/AT (5)V=xl/AT (5)
Суммарный объемный расход, Flow, раствора ионов металла и рабочей текучей среды по трубе 1 может быть вычислен из скорости v и внутреннего диаметра d1 трубы 1 следующим образом:The total volumetric flow rate, Flow, of the metal ion solution and the working fluid through pipe 1 can be calculated from the velocity v and the internal diameter d1 of pipe 1 as follows:
Flow=[V(dl)2/4]rc (6)Flow=[V(dl) 2 /4]rc (6)
Расход раствора ионов металла, FlowM, может быть вычислен следующим образом:The flow rate of the metal ion solution, FlowM, can be calculated as follows:
F1owm=(P/F) * Flow (7)F1ow m =(P/F) * Flow (7)
Это может быть переставлено следующим образом:This can be rearranged as follows:
FlowM/Flow=P/F (7)Flow M /Flow=P/F (7)
Когда отношение FlowM/Flow наносится на график как функция диаметра частиц для сердцевин, полученных посредством спекания гелевых частиц, диаметр частицы показывает линейную зависимость с FlowM/Flow, по меньшей мере, когда 0,4 < FlowM/Flow < 0,8. Таким образом, посредством манипулирования этим соотношением потоков расход частицы может регулироваться.When the FlowM/Flow ratio is plotted as a function of particle diameter for cores produced by sintering gel particles, the particle diameter shows a linear relationship with FlowM/Flow, at least when 0.4 < FlowM/Flow < 0.8. Thus, by manipulating this flow ratio, the particle flow rate can be adjusted.
Объем гелевой частицы может быть оценен, рассчитан посредством умножения периода P на расход Flow:The volume of the gel particle can be estimated, calculated by multiplying the period P by the flow rate Flow:
Объем частицы=Р * Flow=P[V(dl)2/4]K (8)Particle volume=P * Flow=P[V(dl) 2 /4]K (8)
- 4 046062- 4 046062
Возвращаясь к фиг. 1, раствор, несущий раствор соли оксида металла, проходит по трубе 12 и пересекает трубу 1, несущую рабочую текучую среду по пути протекания, обозначенному стрелкой A, с первым расходом. Труба 12 переносит низкотемпературный водный раствор соли металла (раствор соли) по пути протекания, обозначенному стрелкой C, со вторым расходом. Выход трубы 12 находится на пути протекания рабочей текучей среды в трубе 1. Соль оксида металла может быть солью редкоземельного металла, плутония, урана или тория. Соль оксида металла может также быть любой солью, которая подвергается гелеобразованию при реагировании с аммиаком или гидроксидом аммония.Returning to FIG. 1, the solution carrying the metal oxide salt solution passes through the pipe 12 and intersects the pipe 1 carrying the working fluid along the flow path indicated by arrow A at the first flow rate. The pipe 12 carries the low-temperature aqueous metal salt solution (salt solution) along the flow path indicated by arrow C at a second flow rate. The outlet of pipe 12 is in the path of the working fluid in pipe 1. The metal oxide salt may be a rare earth salt, plutonium, uranium or thorium. The metal oxide salt may also be any salt that undergoes gelation upon reaction with ammonia or ammonium hydroxide.
Когда раствор соли выходит из трубы 12, срезающее усилие между потоком раствора соли и потоком рабочей текучей среды разрывает поток раствора соли на частицы раствора соли, рассеянные в рабочей текучей среде. В различных вариантах осуществления раствор соли содержит гексаметилентетрамин (HMTA), и рабочая текучая среда нагревается до температуры, достаточной, чтобы вынуждать HMTA разлагаться на аммиак и формальдегид. Аммиак затем вынуждает частицы раствора соли загустевать в сферические гелевые частицы 3 оксида металла. Частицы 3 переносятся вдоль сопла 1 потоком рабочей текучей среды в направлении стрелки A.As the brine solution exits pipe 12, the shear force between the brine stream and the process fluid stream breaks the brine stream into salt solution particles dispersed in the process fluid. In various embodiments, the salt solution contains hexamethylenetetramine (HMTA), and the working fluid is heated to a temperature sufficient to cause the HMTA to decompose into ammonia and formaldehyde. The ammonia then causes the salt solution particles to thicken into spherical metal oxide gel particles. Particles 3 are transferred along the nozzle 1 by the flow of the working fluid in the direction of arrow A.
Хотя фиг. 1 показывает трубу 12 для переноса раствора оксида металла как пересекающую трубу 1 под прямым углом, это не является обязательным признаком устройства на фиг. 1. В некоторых вариантах осуществления труба 1 и труба 12 могут быть соосными, при этом труба 12 находится внутри трубы 1. Альтернативно, трубы 1 и 12 могут пересекаться и формировать единую общую трубу. Все, что требуется, это чтобы раствор соли в трубе 12 протекал внутрь протекающей рабочей текучей среды, переносимой по трубе 1.Although fig. 1 shows the metal oxide solution transfer pipe 12 as intersecting the pipe 1 at right angles, this is not a necessary feature of the device in FIG. 1. In some embodiments, pipe 1 and pipe 12 may be coaxial, with pipe 12 located within pipe 1. Alternatively, pipes 1 and 12 may intersect and form a single common pipe. All that is required is for the salt solution in pipe 12 to flow into the flowing working fluid carried through pipe 1.
В различных вариантах осуществления соединение оксида металла, такое как UO3, U3O8, UO2(NO3)2, нитраты тория или плутония или нитраты редкоземельного металла, используется для формирования раствора соли оксида металла. Соединение оксида металла растворяется в водном растворе, чтобы формировать металлсодержащий раствор соли. В различных вариантах осуществления соединение оксида металла является соединением урана, таким как UO3, U3O8 или UO2(NO3)2. Раствор соли может также содержать мочевину и HMTA. В различных вариантах осуществления раствор соли может быть лишенным кислоты раствором нитрата уранила, содержащим воду, UO3 и либо HNO3, либо UO2(NO3)2. Мочевина реагирует с ионом металла при низких температурах, чтобы формировать комплексные соединения, которые противодействуют преждевременному гелеобразованию, такие как UO2(NH2CO)2 +2 In various embodiments, a metal oxide compound such as UO 3 , U 3 O8 , UO 2 (NO 3 ) 2 , thorium or plutonium nitrates, or rare earth nitrates is used to form the metal oxide salt solution. The metal oxide compound is dissolved in an aqueous solution to form a metal-containing salt solution. In various embodiments, the metal oxide compound is a uranium compound, such as UO 3 , U3O8 or UO 2 (NO 3 ) 2 . The salt solution may also contain urea and HMTA. In various embodiments, the salt solution may be an acid-free uranyl nitrate solution containing water, UO3 and either HNO3 or UO 2 (NO 3 ) 2 . Urea reacts with the metal ion at low temperatures to form complexes that counteract premature gelation, such as UO 2 (NH 2 CO) 2 +2
Неводная рабочая текучая среда может быть нагрета до температуры 50-90°C, 50-80°C, 55-75°C, 5570°C или примерно 60±5°C. В случае раствора нитрата уранила, когда раствор соли покидает трубу 12 и контактирует с рабочей текучей средой, комплексные соединения ионов металла с мочевиной могут распадаться, чтобы формировать UO2 +2 Одновременно, HMTA разлагается, чтобы формировать гидроксид аммония и формальдегид. Гидроксид аммония, сформированный посредством реакций разложения HMTA, нейтрализует частицы оксида урана и стимулирует формирование полимера ионов металла (UO2(OH))n+n в качестве сферических гелевых частиц 3 в сопле 1.The non-aqueous working fluid may be heated to a temperature of 50-90°C, 50-80°C, 55-75°C, 5570°C, or about 60±5°C. In the case of the uranyl nitrate solution, when the salt solution leaves the pipe 12 and contacts the process fluid, the metal ion urea complexes may decompose to form UO 2 +2 . Simultaneously, HMTA decomposes to form ammonium hydroxide and formaldehyde. Ammonium hydroxide formed through HMTA decomposition reactions neutralizes uranium oxide particles and promotes the formation of metal ion polymer (UO 2 (OH))n +n as spherical gel particles 3 in nozzle 1.
На основе входных сигналов от датчиков 4 и 5 по кабелям 13 и 14 CPU 10 управляет системой управления для регулирования среднего размера гелевых частиц оксида металла, как показано на фиг. 4. CPU принимает данные от датчиков 4 и 5, определяющие первое время переноса (ΔΤ) для того, чтобы гелевая частица прошла первое расстояние x1 между датчиками 4 и 5. Это время переноса ΔΤ преобразуется в объемный расход на этапе 15 на фиг. 4 посредством вычисления скорости частицы из времени ΔΤ для того, чтобы гелевая частица оксида металла прошла расстояние x1, с помощью уравнения (5) выше, и умножения скорости частицы на площадь поперечного сечения потока рабочей текучей среды согласно уравнению (6) выше, чтобы определять объемный расход.Based on input signals from sensors 4 and 5 via cables 13 and 14, CPU 10 controls a control system to regulate the average size of the metal oxide gel particles, as shown in FIG. 4. The CPU receives data from sensors 4 and 5 determining a first transfer time (ΔΤ) for the gel particle to travel a first distance x1 between sensors 4 and 5. This transfer time ΔΤ is converted into a volumetric flow rate in step 15 in FIG. 4 by calculating the particle speed from the time ΔΤ for the metal oxide gel particle to travel a distance x1 using Equation (5) above, and multiplying the particle speed by the cross-sectional area of the working fluid flow according to Equation (6) above to determine the volumetric consumption.
На этапе 16 на фиг. 4 размер m1 гелевой частицы оксида металла, как показано на фиг. 1, вычисляется посредством умножения объемного расхода, вычисленного на этапе 13, на период P, изображенный на фиг. 4, чтобы определять объем частицы.At step 16 in FIG. 4 size m1 of the metal oxide gel particle, as shown in FIG. 1 is calculated by multiplying the volumetric flow rate calculated in step 13 by the period P shown in FIG. 4 to determine the particle volume.
На этапе 17 на фиг. 4 вычисленный диаметр m1 частицы может быть сравнен с желаемым диаметром m2 частицы. Если m1=m2 (этап 18), тогда условия гелеобразования частиц в сопле 1 являются неизменными, и анализ заканчивается (этап 19). Если m1 > m2 (этап 20), тогда гелевые частицы являются слишком большими, и CPU регулирует относительный расход рабочей текучей среды в трубе 1 и раствор соли в трубе 12 на фиг. 1. Посредством уменьшения отношения расхода A раствора соли к сумме расхода A и расхода B рабочей текучей среды, например, посредством уменьшения расхода раствора соли (этап 20a) относительно расхода рабочей текучей среды, срезающее усилие между двумя растворами в сопле 1 на фиг. 1 увеличивается, уменьшая размер частиц раствора соли, рассеянных в рабочей текучей среде.At step 17 in FIG. 4, the calculated particle diameter m1 can be compared with the desired particle diameter m2. If m1= m2 (step 18), then the particle gelation conditions in nozzle 1 are unchanged and the analysis ends (step 19). If m1 > m2 (step 20), then the gel particles are too large and the CPU adjusts the relative flow of the working fluid in pipe 1 and the salt solution in pipe 12 in FIG. 1. By decreasing the ratio of the flow rate A of the salt solution to the sum of the flow rate A and the flow rate B of the working fluid, for example, by reducing the flow rate of the salt solution (step 20a) relative to the flow rate of the working fluid, the shear force between the two solutions in the nozzle 1 in FIG. 1 increases, reducing the size of the salt solution particles dispersed in the working fluid.
Если m1 < m2 (этап 21), тогда гелевые частицы являются слишком небольшими, и CPU увеличивает отношение расхода A раствора соли к сумме расхода A и расхода B рабочей текучей среды, например, посредством увеличения расхода раствора соли (этап 20a) относительно расхода рабочей текучей среды, для того, чтобы уменьшать размер частиц раствора соли, рассеянных в рабочей текучей среде.If m1 < m2 (step 21), then the gel particles are too small, and the CPU increases the ratio of the brine flow rate A to the sum of the flow rate A and the flow rate B of the working fluid, for example, by increasing the flow rate of the salt solution (step 20a) relative to the flow rate of the working fluid environment, in order to reduce the size of the salt solution particles dispersed in the working fluid.
Фиг. 5 показывает устройство на фиг. 1, вместе с CPU 10, как часть системы, которая предоставляет возможность пользователю регулировать размер гелевых частиц 3. Фиг. 5 показывает трубу 1, сконфигуFig. 5 shows the device of FIG. 1, together with the CPU 10, as part of a system that allows the user to adjust the size of the gel particles 3. FIG. 5 shows pipe 1, config
- 5 046062 рированную, чтобы переносить рабочую текучую среду по пути протекания, помеченному стрелкой A, с первым расходом; и трубу 12, сконфигурированную, чтобы переносить водный раствор соли металла по пути протекания, помеченному стрелкой B, со вторым расходом. Выход трубы 12 находится на пути протекания трубы 1 (отметим, что трубы 1 и 12 являются соосными в системе на фиг. 5, но перпендикулярными на фиг. 1). Рабочая текучая среда нагнетается в трубу 1 из трубы 1a насосом 22. Раствор соли нагнетается в трубу 12 из трубы 12a насосом 23. Данные от датчиков 4 и 5 передаются в CPU 10 по кабелям 13 и 14, где объемный расход потока в сопле 1, объем частицы и диаметр частицы могут быть вычислены, как видно на фиг. 4. Если вычисленный диаметр m1 гелевой частицы не равен приблизительно желаемому диаметру m2 частицы, CPU сигнализирует насосам 22 и 23 через кабели 24 и 25 изменять относительные скорости насосов 22 и 23. Если d1 > x1, тогда гелевые частицы являются слишком большими, и CPU изменяет относительный расход рабочей текучей среды в сопле 1 и раствора соли в сопле 2 на фиг. 1, увеличивая скорость насоса 22, уменьшая скорость насоса 21, или то и другое. Если d1 < x1, тогда гелевые частицы являются слишком маленькими, и CPU уменьшает относительный расход рабочей текучей среды и раствора соли, уменьшая скорость насоса 22, увеличивая скорость насоса 23, или то и другое. CPU, таким образом, манипулирует относительным расходом рабочей текучей среды и раствора соли, управляя степенью срезающего усилия между рабочей текучей средой и раствором соли, после того как раствор соли выходит из сопла 2 и касается рабочей текучей среды. Увеличенное срезающее усилие вынуждает раствор соли разрываться на более мелкие капли, в то время как уменьшенное срезающее усилие вынуждает раствор соли разрываться на более крупные капли.- 5 046062 regulated to carry the working fluid along the flow path marked with arrow A, with the first flow rate; and a pipe 12 configured to carry the aqueous metal salt solution along a flow path marked by arrow B at a second flow rate. The outlet of pipe 12 is in the flow path of pipe 1 (note that pipes 1 and 12 are coaxial in the system in Fig. 5, but perpendicular in Fig. 1). The working fluid is pumped into pipe 1 from pipe 1a by pump 22. The salt solution is pumped into pipe 12 from pipe 12a by pump 23. Data from sensors 4 and 5 are transmitted to CPU 10 via cables 13 and 14, where the volumetric flow rate in nozzle 1, volume particles and particle diameter can be calculated as seen in FIG. 4. If the calculated diameter m 1 of the gel particle is not approximately equal to the desired diameter m 2 of the particle, the CPU signals pumps 22 and 23 via cables 24 and 25 to change the relative speeds of pumps 22 and 23. If d1 > x1, then the gel particles are too large and the CPU changes the relative flow rate of the working fluid in nozzle 1 and the salt solution in nozzle 2 in FIG. 1, increasing the speed of pump 22, decreasing the speed of pump 21, or both. If d1 < x1, then the gel particles are too small, and the CPU reduces the relative flow rate of the working fluid and brine solution by decreasing the speed of pump 22, increasing the speed of pump 23, or both. The CPU thus manipulates the relative flow rate of the working fluid and the brine solution by controlling the degree of shear force between the working fluid and the brine solution after the brine solution exits the nozzle 2 and touches the working fluid. Increased shear force causes the salt solution to break into smaller droplets, while decreased shear force causes the salt solution to break into larger droplets.
Пример 1. Регулирование диаметра гелевой частицы посредством манипулирования расходами.Example 1: Controlling Gel Particle Diameter by Manipulating Flow Rates.
Лишенный кислоты раствор нитрата уранила с концентрацией 1,3 М на основе UO2(NO3)2 был приготовлен. Раствор содержал 1,7 М мочевины и 1,7 М HMTA и имел вязкость около 1,2 сП. Раствор соли был накачан в трубу 12 устройства согласно фиг. 1 при температуре 0-5°C. Раствор соли, или бульон, выходил из трубы 12 с расходом, в общем, в диапазоне между 0,5 мл/мин и 1,5 мл/мин, как видно на фиг. 6. Раствор соли затем вводится в трубу 1 для рабочей текучей среды.An acid-free solution of uranyl nitrate with a concentration of 1.3 M based on UO 2 (NO 3 ) 2 was prepared. The solution contained 1.7 M urea and 1.7 M HMTA and had a viscosity of approximately 1.2 cP. The salt solution was pumped into pipe 12 of the device according to FIG. 1 at 0-5°C. The salt solution, or broth, exited tube 12 at a flow rate generally ranging between 0.5 ml/min and 1.5 ml/min, as seen in FIG. 6. The salt solution is then introduced into the working fluid pipe 1.
Рабочая текучая среда была накачана в трубу 1 устройства на фиг. 1. Рабочая текучая среда была силиконовым маслом с вязкостью 100 сП, при первоначальной температуре 0-5°C. Расход рабочего раствора регулировался, чтобы поддерживать суммарный расход, в общем, изменяющийся в диапазоне между 1,3 мл/мин и 2,25 мл/мин, как видно на фиг. 6. После того как рабочая текучая среда и раствор соли поступили в трубу 1, содержимое трубы 1 нагревалось до температуры около 56°C, вызывающей термическое гелеобразование раствора соли посредством индуцированного HMTA гелеобразования нитрата уранила, чтобы формировать гелевые частицы оксида урана.The working fluid was pumped into pipe 1 of the device in FIG. 1. The working fluid was silicone oil with a viscosity of 100 cP, at an initial temperature of 0-5°C. The flow rate of the working solution was adjusted to maintain the total flow rate generally varying between 1.3 ml/min and 2.25 ml/min, as seen in FIG. 6. After the working fluid and salt solution entered pipe 1, the contents of pipe 1 were heated to a temperature of about 56°C, causing thermal gelation of the salt solution through HMTA-induced gelation of uranyl nitrate to form uranium oxide gel particles.
Данные были записаны с помощью устройства согласно фиг. 1. Диаметр сопла 1 был 1 мм. Обращаясь к фиг. 1, расстояние x1 между датчиками 4 и 5 было 6,35 мм. Расстояние между оптическими волокнами в каждом датчике 4 и 5, например, между волокном 6 и 7 в датчике 4, было 3,2 мм. Каждый волоконно-оптический датчик 6, 7, 8 и 9 имел диаметр 1,6 мм. Красный свет, имеющий длину волны 680 нм, был использован для обнаружения гелевых сфер, когда они проходят мимо волоконно-оптических датчиков.Data was recorded using the device according to FIG. 1. The diameter of nozzle 1 was 1 mm. Referring to FIG. 1, the distance x1 between sensors 4 and 5 was 6.35 mm. The distance between the optical fibers in each sensor 4 and 5, for example, between fiber 6 and 7 in sensor 4, was 3.2 mm. Each fiber optic sensor 6, 7, 8 and 9 had a diameter of 1.6 mm. Red light, which has a wavelength of 680 nm, was used to detect the gel spheres as they passed by fiber optic sensors.
В первой попытке расходы рабочей текучей среды и раствора соли были записаны как функция времени посредством процессора, как показано на фиг. 6. Процессор также записал период P и частоту F гелевых частиц в протекающей рабочей текучей среде. Термическое гелеобразование посредством разложения HMTA, вызванного нагретой рабочей текучей средой, создало гелевые частицы оксида урана. Объем гелевых частиц был вычислен как функция периода P и суммарного расхода, согласно уравнению (8). Процессор был сконфигурирован, чтобы вычислять объем и диаметр спекшихся частиц оксида урана, на основе ожидаемой 65% потери в объеме гелевых частиц при спекании. Вычисленный диаметр спекшихся частиц оксида урана, или сердцевин, был нанесен на график как функция времени, как показано на фиг. 6. Как показано на фиг. 6 и в таблице, манипулирование суммарным расходом и расходом раствора соли изменяет диаметр частиц сердцевины, созданных спеканием гелеобразных частиц.In the first attempt, the flow rates of the working fluid and brine solution were recorded as a function of time by a processor, as shown in FIG. 6. The processor also recorded the period P and frequency F of the gel particles in the flowing working fluid. Thermal gelation through decomposition of HMTA caused by the heated working fluid created uranium oxide gel particles. The volume of gel particles was calculated as a function of the period P and the total flow rate, according to equation (8). The processor was configured to calculate the volume and diameter of the sintered uranium oxide particles based on the expected 65% volume loss of the gel particles upon sintering. The calculated diameter of the sintered uranium oxide particles, or cores, was plotted as a function of time, as shown in FIG. 6. As shown in FIG. 6 and in the table, manipulating the total flow rate and the salt solution flow rate changes the diameter of the core particles created by sintering the gel particles.
Когда отношение потоков Flow/FlowM было нанесено на график как функция диаметра сердцевины, как показано на фиг. 7, была линейная зависимость диаметра сердцевины от отношения потоков Flow/FlowM, когда 0,3 < Flow/FlowM < 0,8, или 0,4 < Flow/FlowM < 0,75. Это показывает, что диаметр сердцевины может управляться посредством манипулирования отношения расхода раствора ионов меWhen the flow ratio Flow/Flow M was plotted as a function of core diameter as shown in FIG. 7, there was a linear dependence of the core diameter on the flow ratio Flow/Flow M when 0.3 < Flow/Flow M < 0.8, or 0.4 < Flow/Flow M < 0.75. This shows that the core diameter can be controlled by manipulating the flow ratio of the me ion solution
--
Claims (13)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16/530,695 | 2019-08-02 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046062B1 true EA046062B1 (en) | 2024-02-02 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11774339B2 (en) | System and method for controlling metal oxide gel particle size | |
| Deelder et al. | Post-column reactor systems in liquid chromatography | |
| Rahman | Triplet correlations in liquids | |
| Park et al. | Flow distribution in the fiber lumen side of a hollow‐fiber module | |
| Costanzo et al. | Plutonium polymerization—IA spectrophotometric study of the polymerization of plutonium (IV) | |
| EA046062B1 (en) | SYSTEM AND METHOD FOR REGULATING THE SIZE OF METAL OXIDE GEL PARTICLES | |
| Kim et al. | Measuring local droplet parameters using single optical fiber probe | |
| Bhatia et al. | Phase‐Doppler‐anemometry and the log‐hyperbolic distribution applied to liquid sprays | |
| CN107064029B (en) | Online nitrous acid and nitric acid concentration measurement system and measurement method | |
| Beard et al. | A wind tunnel investigation of collection kernels for small water drops in air | |
| Parks | A theoretical model for the penetration of a shattered-pellet debris plume | |
| Wentzell et al. | Random walk simulation of flow injection analysis. Evaluation of dispersion profiles | |
| Gampert et al. | The influence of polymer additives on the coherent structure of turbulent channel flow | |
| Johnson et al. | End effect corrections in heat and mass transfer studies | |
| Simpson et al. | Measurements in steady and unsteady separated turbulent boundary layers | |
| Barrett et al. | Aerosol growth by condensation in a well-mixed chamber | |
| Doerffer et al. | An experimental investigation of the Reynolds number effect on a normal shock wave-turbulent boundary layer interaction on a curved wall | |
| Li et al. | Experimental study on Velocity Distribution in Rod Bundle Channels under Flow Fluctuation | |
| Nöpel et al. | Velocity measurement of a free jet in water with shear layer cavitation | |
| Saito | Optical Fibre Probing for Bubble/Droplet Measurement, and Its Possibility of the Application to Biotechnology | |
| Lezius | Study of the far wake vortex field generated by a rectangular airfoil in a water tank | |
| Zheng et al. | Measurement of spray droplet velocity and size distribution by a tapered optical fiber probe | |
| Lehmann | Laser Doppler measurements in a turbulent free jet | |
| Nishihara et al. | Transition to turbulence in constant velocity pipe flow after initial constant-acceleration | |
| Yokoi et al. | Novel phase Doppler method for particle size measurements using a single directional polarized detection |