Электролизер для получения металлов

Полезная модель относится к электролитическому получению металлов, а также к области обращения с радиоактивными материалами и направлена на повышение чистоты получаемого продукта и экономичности производства. Кроме того использование полезной модели позволит снизить потребность в площадях складов-хранилищ ТРО, освободить действующие хранилища и соответственно снизить нагрузку на системы обслуживания, в том числе численность персонала, обслуживающего системы. Электролизер для получения металлов содержит ванну, анод-корзину, катод, а также теплоизолированную надстройку и расположенную в ней проходную печь предпочтительно омического нагрева. Анод-корзина выполнена с возможностью перемещения вдоль своей вертикальной оси. В ванне между анодом и катодом может быть установлена перегородка, которая разделяет их объемы, способствуя тем самым повышению чистоты получаемого продукта. В конструкцию устройства могут быть введены технологические сдувки в верхней части ванны и на боковой поверхности надстройки, а также штуцер, установленный на верхней части ванны, для удаления отработанного электролита.

Полезная модель относится к электролитическому получению металлов, а также может быть применена в области обращения с радиоактивными материалами, в особенности, с механической смесью фрагментированного оболоченного материала и решеток, дистанцинирующих тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) в отработанной тепловыделяющей сборке реакторов (ОТВС) типа ВВЭР и РБМК.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано, в частности, при получении чистого металлического циркония из твердых радиоактивных отходов (ТРО), содержащих циркониевый сплав с 1,5% ниобия, термостойкую хромоникелевую сталь и активность, адсорбированную на часть поверхности обрабатываемого материала (анодная масса).

Известна конструкция электролизера [А.И. Алушкин и др. «Цветные металлы», 11, 2012, стр. 37-40] для получения особочистой меди (электрораффинирование) состоящая из коррозионностойкого корпуса, который имеет коробчатую форму, электродного блока выполненного из параллельно закрепленных на токоподводящей балке листов черновой меди (анод) и конструктивно аналогичного блока из тонколистовой чистой меди (катод). Блоки располагаются в ванне таким образом, что листы чистовой меди находятся между листами черновой меди параллельно. В качестве электролита используется раствор медного купороса (CuSO₄ ).

Наиболее сходным с предлагаемым техническим решением является известное устройство [Патент US 8177952 от 15.05.2012, приоритет от 11.01.2006 по заявке КК10-2006-0003317, МПК C25C 3/34] для электрорафинирования металлического урана из металлического отработанного ядерного топлива, которое состоит из теплоизолированного корпуса, ванны из нержавеющей стали с расплавом солей, анодной секции, выполненной из металлического урана с токоподводом, катода, выполненного из графита с токоподводом, коллектора для сбора чистого урана, а также содержащее вентиль для подачи аргона, источник питания и термоэлектрический элемент.

При замыкании электрической цепи электролиза исходный («грязный») уран в анодной секции растворяется в расплаве солей и в ходе электроосаждения на катоде стекает с последнего в коллектор (сборник чистого урана).

Во время анодного растворения основного продукта, а также при извлечении коллектора электролит загрязняется остатками анодной массы, что снижает чистоту получаемого в результате электролиза продукта.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в расширении технологических возможностей выделения чистого металла (аффинаж) из ТРО и повышении экономичности производства. Кроме того использование предлагаемого электролизера позволит снизить потребность в площадях складов-хранилищ ТРО, освободить действующие хранилища и соответственно снизить нагрузку на системы обслуживания, в том числе численность персонала, обслуживающего системы.

Достигаемый при использовании полезной модели технический результат заключается в повышении чистоты получаемого продукта.

Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит ванну, анод-корзину и катод.

От прототипа устройство отличается тем, анод-корзина выполнена с возможностью перемещения вдоль своей вертикальной оси, а также тем, что дополнительно в конструкцию введена теплоизолированная надстройка с диаметром предпочтительно равным диаметру ванны, и расположенная в надстройке проходная печь преимущественно омического нагрева, использование которой позволяет уменьшить объем твердых отходов, снижает расход электролита и исключает загрязнение катодного продукта.

В ванной между анодом и катодом может быть установлена перегородка, которая разделяет их объемы, способствуя тем самым повышению чистоты получаемого продукта.

В конструкцию устройства могут быть введены технологические сдувки в верхней части ванны и/или на боковой поверхности надстройки, а также штуцер, установленный на верхней части ванны, для удаления отработанного электролита.

Сущность полезной модели поясняется фигурой, где представлена схема конструкции предлагаемого устройства.

Модель электролизера содержит терморегулируемую ванну 1 для наполнения электролитом 9, в качестве которого может быть использован расплав хлоридов щелочных металлов, анод-корзину 2 с токоподводами (на фигуре не указаны), крышку 6 верха теплоизолированной ванны 1, блок катодов 7 преимущественно стержневого типа из чистого циркония, а также возможно применение цилиндрического, пластинчатого или листового типов катода.

Анод-корзина 2 представлена на фигуре в двух рабочих положениях: анод-корзина 2(1) с загруженным ТРО, установленная для проведения термообработки, анод-корзина 2(2) - в процессе электролиза. Стенки корзины 2 выполнены мелкоячеистыми, что исключает попадание загрязнений вторичного ТРО в рабочий объем ванны 1.

На крышке 6 ванны 1 располагаются теплоизолированная надстройка 4 с электронагревом, диаметр которой преимущественно равен ширине ванны. Внутри надстройки 4 и на одной вертикальной оси с ней имеется проходная печь 3 предпочтительно омического нагрева для термообработки исходного, «первичного» и «вторичного» ТРО. Такая конструкция обеспечивает безопасность ввода анод-корзины 2 с нагретой анодной массой.

Для вывода паров и газов из парогазового объема на верхней части ванны 1, а также на боковой поверхности надстройки 4 могут быть расположены технологические сдувки 5(1) и 5(2) соответственно.

В верхней части ванны 1 также может быть выполнен штуцер 8, через который с помощью вакуум-ковша (не изображен на фигуре) производится извлечение отработанного электролита 9, содержащего делящиеся материалы и продукты их деления.

Для герметичного разделения газовых объемов анода 2 от катода 7 на крышке 6 установлена перегородка 10, которая заглублена под зеркало расплава 9.

Устройство работает следующим образом.

В ванну 1 загружается электролит 9, предпочтительно порошкообразные хлориды щелочных металлов, и производится их нагрев - расплавление.

Затем с помощью средства цеховой механизации, подготовленный к работе на специальном участке катодный блок 7 через проем в крышке 6 вводится в ванну 1 и погружается в расплавленный электролит 9 ниже зеркала расплава, так что катодный блок 7 параллелен правой торцевой стороне ванны 1 и перегородке 10. Проем герметизируется крышкой 6.

На специализированном участке в анод-корзину 2 загружают навалом ТРО (анодная масса), извлеченным со склада - хранилища.

С помощью средств механизации цеха анод-корзину 2 с загруженной в ней анодной массой через проем (не указан на фигуре) вводят в печь 3 и нагревают до температуры до 150-250 градусов, для того, чтобы исключить влагу, масла и т.д., оставшиеся на анодной массе после ее извлечения со склада-хранилища.

Нагретую в печи анод-корзину 2 медленно погружают в расплав хлоридов 9. Проем, через который анод-корзина 2 вводилась в аппарат, герметизируют крышкой (на фигуре не указана).

Предпочтительно катодный блок 7 и анод-корзина 2 заглублены под зеркало электролита 9 на одну глубину по горизонтам, которая выше низа перегородки 10.

После включения тока электролиза в потенциометрическом режиме идет технологический процесс электрорафинирования, который завершают путем отключения тока.

Раскрывается герметизирующая проем крышка и с помощью средств механизации анод-корзина 2 с «вторичным» ТРО поступает в печь 3.

В печи 3 устанавливается температура выше, чем температура электролита, предпочтительно на 50-60°, так чтобы электролит, находящийся в анод-корзине 2 вытек обратно в ванну 1. Такой температурный режим позволит предупредить газообразование в расплаве. При этом шлам «вторичного» ТРО остается в анод-корзине 2, благодаря ее мелкоячеистой структуре.

Затем анод-корзина 1 с «вторичным» ТРО с помощью средств механизации передаются на специализированный технологический участок. Разгерметизируется проем ввода катодного блока 7 и с помощью средств механизации катодный блок 7 передается на последующую технологическую обработку.

Предлагаемая конструкция модели электролизера обеспечивает безопасность ввода и вывода анод-корзины 2 с нагретой анодной массой, а также полноту отделения электролита, что приводит к его экономии и сокращению объема «вторичного» ТРО.

Таким образом, использование полезной модели за счет введения в ее конструкцию проходной печи позволяет повысить чистоту получаемого продукта.

Следует иметь ввиду, что используя предлагаемую модель электролизера, можно селективно получать особо чистые металлы (аффинаж) из фракционированных, гранулированных ТРО, содержащих торий, гафний и редкоземельные элементы, в том числе из металлических сплавов, оставляя в шламе легирующие их элементы.

Модель электролизера ремонтопригодна для дистанционных средств обслуживания, а ее радиационная защита обеспечивает экологическую безопасность на рабочих местах.

Герметичность и высокая степень теплоизоляции модели электролизера минимизирует величины удельных показателей по энергопотреблению и материалоемкости.

1. Электролизер для получения металлов из твердых радиоактивных отходов (ТРО), содержащий ванну, анод-корзину и катод, отличающийся тем, что он снабжен теплоизолированной надстройкой с расположенной в ней проходной печью для термообработки ТРО, а анод-корзина выполнена с возможностью перемещения вдоль своей вертикальной оси.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве проходной печи используется печь омического нагрева.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что диаметр надстройки равен диаметру ванны.

4. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что между анодом-корзиной и катодом установлена перегородка.

5. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что он содержит технологическую сдувку на верхней части ванны и/или на боковой поверхности надстройки.

6. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что на верхней части ванны размещен штуцер для извлечения отработанного электролита.

РИСУНКИ