一种用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器及方法与流程

本发明属于核工业，具体涉及一种用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器及方法。

背景技术：

1、四价铀在核化工过程中应用广泛，例如在乏燃料后处理purex流程中，四价铀是高效的铀-钚还原分离的还原剂，具有不引入其他盐类杂质的优点。四价铀的高效制备是核化工过程中的重要问题。

2、目前，四价铀的制备方法主要有电解法、催化肼还原法和催化氢还原法。国内主要采用电解法制备四价铀，存在还原率不够高、处理量小、装置较大等问题。催化氢还原法由法国开发，并且已经在法国的商业后处理厂内成功运行多年，具有转化率高、反应速率快的优点。

3、催化氢还原法制备四价铀是气-液-固三相反应过程，具体为在催化剂(固相)作用下使用氢气(气相)将六价铀溶液(液相)还原为四价铀。对于气-液-固三相反应过程，关键在于通过反应器的合理设计，实现气液固三相的高效接触。为实现此目的，法国开发的催化氢还原工艺先后使用了固定床、流化床两种反应器，其中：固定床反应器的原料液体由反应器底部进入，之后产品液由反应器上部的溢流口流出，催化剂浸泡在反应液中，氢气也由反应器底部进入，氢气和原料液体以并流向上方式在反应器内流动，固定床反应器是以液相为连续相，气液固接触效果不够好，

4、同时，与催化剂直接接触的不锈钢过滤网腐蚀较严重，需要每300h更换一次；流化床反应是将反应液和催化剂混合为浆态，在氢气的带动下上升，在反应器内形成循环，并发生反应，流化床反应器仍是以液相为连续相，气-液-固接触效果有限，且催化剂磨损较严重。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的以上不足，提供一种用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器及方法，该滴流反应器能够在催化剂表面形成较薄的液膜，促进传质过程，提高气液固接触效果。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案是：

3、根据本发明的一个方面，提供一种用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，包括反应器主体、催化剂床层、气液分布器，所述催化剂床层和所述气液分布器均设于所述反应器主体内，且气液分布器处于催化剂床层的上方，反应器主体上设有催化剂进口、硝酸铀酰进口、以及氢气进口，催化剂进口与催化剂床层相连通，用于向催化剂床层填装催化剂，氢气进口和硝酸铀酰进口的位置均处于气液分布器的以上位置，氢气和硝酸铀酰进入反应器主体后经气液分布器均匀分布后再流入催化剂床层。

4、优选的是，催化剂床层的上部设有上填料层，其下部设有下填料层。

5、优选的是，所述反应器主体内设有支架，所述支架上设有网兜，所述催化剂床层、所述上填料层、以及所述下填料层均置于所述网兜内。

6、优选的是，所述网兜上设有提拉环，所述反应器本体包括反应腔体和封头，所述封头通过法兰可拆卸地安装在反应腔体上。

7、优选的是，所述支架为具有若干通孔的不锈钢板，通孔的孔径为3-30mm。

8、优选的是，所述支架上还设有过滤网，所述过滤网采用钛、钛合金、锆、锆合金制成。

9、优选的是，所述滴流床反应器还包括冷却机构，所述冷却机构包括外冷却夹套和冷却内管，所述外冷却夹套和所述冷却内管均用于流通冷却介质，其中，外冷却夹套设于所述反应器本体外，冷却内管设于反应器本体内并从所述催化剂床层穿过。

10、优选的是，所述冷却内管的半径为所述反应器本体的半径的20-80％。

11、优选的是，所述催化剂包括载体和活性组分，活性组分均匀分散在载体中，所述载体的材质为二氧化硅、二氧化钛、三氧化铝、活性炭中一种或多种；

12、所述活性组分为铂、钯、钌、镍中的一种或多种。

13、根据本发明的另一个方面，提供一种催化氢还原制备四价铀的方法，其采用以上所述的滴流反应器，其步骤包括：

14、按一定的体积比将氢气和硝酸铀酰溶液从反应器主体的上部分别通入到滴流反应器内，并维持反应器本体内压力，使氢气、硝酸铀酰溶液经过气液分布器均匀分布后，以并流形式向下流入到催化剂床层，使硝酸铀酰与氢气在催化剂作用下反应生成四价铀，反应结束后，从反应器本体的底部出口排出产物四价铀。

15、本发明的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器及方法，属于行业内首创，相比于传统技术，至少具有以下有益效果：

16、(1)可以有效促进传质过程，实现高效气液固接触，反应速率快，转化率高，处理量。

17、(2)通过设置气液分布器上和填料层，可配合实现对气液进行两次分布，避免形成催化剂床层死区，保证催化剂被完全润湿起作用，可极大地提高催化剂的使用效率。

18、(3)通过设置下填料层，可以在催化剂发生破损(如粉化)的情况下防止催化剂颗粒漏出进入下游工段。

19、(4)通过设置网兜，可以实现催化剂床层的快速模块化更换，极大地方便了催化剂的检修、更换，尤其是放射性环境下催化剂的检修、更换，减少了人员直接接触放射性物质，安全性高。

20、(5)通过设置过滤网，可在催化剂发生破损(如粉化)时进一步防止催化剂粉化后的残渣进入后续工段，并且，过滤网采用钛、钛合金等不易与贵金属形成原电池的材料制成，可以减轻过滤网的腐蚀，防止频繁更换过滤网。

21、(6)通过设置冷却机构，可以导及时出硝酸铀酰与氢气反应放出的热量，维持最佳的反应温度，有利于提高反应速率和转化率。

技术特征：

1.一种用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，包括反应器主体(10)、催化剂床层(40)、气液分布器(14)，

2.根据权利要求1所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，催化剂床层的上部设有上填料层(41)，其下部设有下填料层(42)。

3.根据权利要求1所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，所述反应器主体内设有支架(15)，所述支架上设有网兜(60)，

4.根据权利要求3所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，所述网兜上设有提拉环(61)，所述反应器本体包括反应腔体和封头，所述封头通过法兰(13)可拆卸地安装在反应腔体上。

5.根据权利要求4所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，所述支架为具有若干通孔的不锈钢板，通孔的孔径为3-30mm。

6.根据权利要求4所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，所述支架上还设有过滤网(50)，所述过滤网采用钛、钛合金、锆、锆合金制成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，所述滴流床反应器还包括冷却机构，

8.根据权利要求7所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，所述冷却内管(30)的半径为所述反应器本体(10)的半径的20-80％。

9.根据权利要求8所述的用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，其特征在于，所述催化剂包括载体和活性组分，活性组分均匀分散在载体中，

10.一种催化氢还原制备四价铀的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的滴流反应器，其步骤包括：

技术总结
本发明公开一种用于催化氢还原制备四价铀的滴流床反应器，包括反应器主体、催化剂床层、气液分布器，所述催化剂床层和所述气液分布器均设于所述反应器主体内，且气液分布器处于催化剂床层的上方，反应器主体上设有催化剂进口、硝酸铀酰进口、以及氢气进口，催化剂进口与催化剂床层相连通，用于向催化剂床层填装催化剂，氢气进口和硝酸铀酰进口的位置均处于气液分布器的以上位置，氢气和硝酸铀酰进入反应器主体后经气液分布器均匀分布后再流入催化剂床层。本发明还公开一种采用上述滴流反应器的催化氢还原制备四价铀的方法。本发明能够在催化剂表面形成较薄的液膜，促进传质过程，提高气液固接触效果。

技术研发人员：马敬,宋淼,侯留东,张涛,侯学锋,张晓腾,纪雷鸣,蔡梦琦,侯宝林,郭咏雪
受保护的技术使用者：中国核电工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13