1、南华大学核资源与核燃料工程学院毕业设计以精制 UF4为原料年产 500t UF6的生产工艺设计继化石燃料（包括煤、石油、天然气等）和水力资源之后，核电已经成为地球上第三种主要能源。核发电在总发电量中所占比重与日俱增。我国的煤、油气和水力资源相当丰富，但分布不均。例如华北的煤储量占全国的 60%，西南和西北的水力资源占全国的 70%以上，而工业发达的华东、华南、东北地区能源相当匮乏。为改变这种状况，发展核电事业也势在必行。随着世界各国核电及其它核动力的发展,对核燃料二氧化铀的需求量越来越大。而且近年来,我国的核电事业及其它核动力蓬勃发展,对二氧化铀的需求量与日俱增。二氧化铀是由六氟化铀转化而成，
2、而六氟化铀是目前唯一的一种既稳定又具有高度挥发性的铀化合物，故迄今为止，一直被用于气体扩散铀同位素分离厂的供料。虽然核工业面临着一些问题和挑战，但面对着常规能源的消耗殆尽，核电必然能有所作为。随着核电的发展，对于低浓度铀的需求不断上升，六氟化铀的生产也会增大。从化学反应上讲，所有的铀化合物和金属铀都能被氟或者氟卤化物氟化为六氟化铀。迄今为止，世界各国以天然铀为原料生产六氟化铀的工业方法，几乎都和四氟化铀与氟气反应有关。这是由于，在研究的方法中，这个方法消耗的氟气最少。而氟气价格高昂，氟化反应的经济性几乎取决于氟气的消耗，但在特定的情况下，用氟气和铀氧化物直接氟化制备六氟化铀也是合理的选择。例如
3、，当动力堆乏燃料后处理回收的 UNH 转化为六氟化铀时，采用脱硝制得的三氧化铀就可以直接氟化为六氟化铀，这种工艺流程可以省去还原和氢氟化两道工序，从而可减少放射性裂变元素对环境的影响。此外，从含高浓度铀-235的废料中回收铀时，用氟转化高价铀氧化物也是合理的。这是由于，加工高浓缩铀时，必须把处理量现在在临界质量一下。因而当生产量给定后，为保持几何安全，有时需由几台较小的设备组成数条平行生产线。在这种情况下，采用三氧化铀直接氟化，由于过程简化，势必将减小若干量的铀因附着于设备表面而引起的损失。因为铀-235 异常珍贵，即使损失减少少许，其价值也足以弥补由于多消耗氟气所增加的费用。况且这种废料的回
4、收量一般是较少的。除氟以外，某些氟的卤化物也是另一种具有工业价值的氟化剂，由于它们的化学反应能力比氟气高，所以即使在较低温度也可以 反应生成六氟化铀。其中三氟化溴南华大学核资源与核燃料工程学院毕业设计的工艺性能最佳。因为三氟化溴的沸点相对最高，在氟化温度下仍为液态，用蒸馏法易于与六氟化铀分离。用气态氟卤化物选择性的对辐照过的氧化铀元件进行氟化反应，使铀生成六氟化铀挥发出来，而钚则转化为不挥发的化合物残留下来。但是，氟卤化物都需要用氟气制备，作为气态氟化剂使用并未显示出比氟的特有优越性，所以一般都用氟气反应。在其他制备六氟化铀的方法中，最引人瞩目的是不用氟的方法，其中最具有实际价值的是四氟化铀高
5、温氧化法，即四氟化铀与氧气反应生成氟化铀酰和六氟化铀，但在研究中发现三个问题难以解决：反应器的严重腐蚀；床料的烧结；六氟化铀的产率低。故相关工作业已终止。在实验室中还有用四氟化硫和高价铀氧化物反应制备六氟化铀的方法，产率可达到 90%。但是否具有工业价值，还待进一步研究。综上所述，目前的主要方法还是四氟化铀与氟气反应制备六氟化铀。目前，工业上主要的生产六氟化铀的方法有两种，精制四氟化铀氟化法和氟化物挥发法。前者指四氟化铀已经由湿法精制达到核纯度，由它制成的六氟化铀符合扩散级纯度规格，可直接送至铀同位素分离厂作为供料。现为大部分公司所采用。后者是一种由矿石浓缩物为原料直接经过干法转化为粗制六氟化
6、铀，再经过分馏法纯化到扩散级规格。它是一种新技术,主要区别在于后者实现了全流程的流化床转化。这种工艺不仅简化了工艺流程，节省了投资，节约了费用，而且消除了产生液体废物的根源，大大减少了废物处理量。本论文的目的是以精制 UF4为原料设计年产 500tUF6的生产工艺，其反应式如下： 2UF 4+F2=2UF52UF5+F2=2UF6 UF4+UF6=2UF5采用精制-转化工艺的原因在于能够在转化过程中根据需要生产用作天然铀的陶瓷二氧化铀和用作金属铀的精制四氟化铀，而且该方法经过长期的生产检验，其性价比较好。四氟化铀与氟气作用生成六氟化铀反应的主要特点,归纳起来主要有以下三点：一是强放热性 ；二是
7、反应过程所生成的中间氟化物的烧结性 ；三是反应物和反应生成物的腐蚀性。工艺流程是氟气经增压预热后从反应炉底部通过气体分布板进入炉内，四氟化铀借助加料器从炉体上部通过输料管加入炉内。众所周知，温度对反应速南华大学核资源与核燃料工程学院毕业设计度的影响很大在室温下四氟化铀与氟气的反应进行得十分缓慢，在 470K 以下时几乎无六氟化铀生成，仅在温度高于 520K 是才会显著反应。故在反应时要在器壁外加上加热电炉，使反应容器内的温度维持在适合的阶段，同时二者间通入压缩空气来进行冷却，电路和冷却装置的启闭由仪表自行控制。氟气与四氟化铀在炉内反应生成六氟化铀，从反应炉排出的气体（主要有 UF6,F2,HF
8、,N2)经过过滤出去其中的灰分进入冷凝器，此时绝大部分的六氟化铀气体冷凝成固体，经过液化转移到六氟化铀容器中，其余不凝气体进行尾气净化。过滤器工作一段时间后，用 N2进行吹洗以减小其阻力。过程中产生的炉渣在炉内积累一段时间后，可通过反转气体分布板，直接排入与反应炉相连的渣罐内。采用 SP-27气相自动色谱仪进行检测分析，以了解反应炉内的反映情况，及时调整 F2和UF4的合理配比。生产设备主要包括立式氟化炉、氟气增压装置、固体加料装置、加热电炉、过滤器和冷凝器。反应炉由锰合金制成，炉体部分设有 5 个测温孔，插入WREU-112X 型热电偶，测定炉体内各部分温度。氟气的增压由 G2V-10/13
9、 型膜片式压缩机进行。固体加料装置由贮料斗、加料器和输料管组成。加料电机采用 JZT41-4 型无级变速电机。加热电炉分为 5 个区段，每个区段设置相同，电炉的开闭由仪表自行控制。过滤器采用与立式氟化炉直接相连的内装式过滤器，以便使吹洗出来的粉尘能直接入反应炉内继续反应。对于六氟化铀生产所用的六氟化铀冷凝收集方法还是以冷凝固化法为最适宜，世界各国生产六氟化铀的国家都是采用此法。立式氟化炉的操作程序如下：先启动加热电炉进行升温当温度达到规定值时,先向炉内通入氟气。待间隔一定时间后，启动加料电机向炉内间断加入四氟化铀，进行反应开始的“点火” 。当炉体各测温点所示温度达一定值以后，开始连续向炉内加入
10、四氟化铀，反应随即转入正常运行。运行期间,视色谱分析仪的分析结果,随时调整进入炉内的氟与四氟化铀的合理配比。采用这样的操作程序的目的是使四氟化铀与氟气能及时反应，避免在炉内积存较多量的四氟化铀及较多量的中间氟化物，从而可防止炉内中间氟化物烧结的产生。反应的速度与温度成正相关关系。因此,采用较高温度氟化时,既可以增加氟化反应的速度,又可以增加歧化反应的速度,达到减少中间氟化物的生成及缩南华大学核资源与核燃料工程学院毕业设计短其存留时间、避免中间氟化物的烧结的目的。当温度高于 600K 时，可基本上消除中间氟化物的烧结。但是必须看到,虽然提高温度可以收到一定的益处，但将温度提得太高也是不适：首先,
11、高温能加剧设备的腐蚀,缩短设备的使用周期；其次,冷却炉壁的操作过程也是繁琐的。总之，如将温度选择太高势必增加操作费用并给操作造成一定的困难，故在本设计中选取 570K 左右为反应温度。由于反应后的不凝气体中含有 HF 等有毒气体，故在排放前必须进行尾气处理，以回收其中的铀和防止铀、氟对环境的污染。废气处理的方法有：固体化学阱法；四氟化铀吸收法和碱液洗涤法。四氟化铀吸收法的优点是能把铀和氟直接回收并再利用。碱液洗涤法作为回收铀和最终保证处理步骤仍然是目前被广泛使用的方法。本设计采用 KOH-K2CO3碱液洗涤尾气，再从碱洗液中回收铀，用石灰水沉淀氟为 CaF2 渣。氟化工艺要满足两点基本要求：最
12、大限度提高四氟化铀的转化率和氟气的利用率。为此，氟化反应要求使用超过化学计量数的氟气，以便使铀的直接收率大于 98%，由于立式氟化炉的使用，只需将氟气过量 5%，故流程中不用再设置进行气体循环和氟气净化的装置，这简化了工艺流程。由于已知反应的年产量，故要通过化学反应速率公式计算该反应的速度，以此来进行诸如塔式氟化反应器、冷凝器等设备的尺寸计算，以及相关的能量和物料衡算。在设计的过程中参考了很多的文献资料：在铀转化工艺学 、 铀氟化物的制备中查得铀转化的主要过程和转化过程的工艺特点，工艺参数、影响因素等；在六氟化铀转化工艺探讨中了解了目前铀转化发展现状和趋势；从厉炳祥的关于六氟化铀冷凝器的设计和
13、计算中了解到了当前铀转化车间对冷凝器的使用要求等等。面对着日益严峻的能源问题，石化资源消耗即将殆尽而太阳能、风能等可再生资源规模较小难以解决目前的难题，核能的发展势在必行，对六氟化铀的需求将会更加强劲.就国内而言，我国六氟化铀的生产主要在四 0 四厂和五 0 四厂，但由于各种因素的影响，目前的产能仍不足。到 2020 年我国对六氟化铀的需求将达到 8500t 每年，这要求我们在增加产能和革新技术上作出努力。故本设计有一定的现实意义，期望能够对六氟化铀生产技术的革新有一定的促进作南华大学核资源与核燃料工程学院毕业设计用。参考文献：1王清良.铀转化工艺学M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009：
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