專利名稱：一種鈉凈化工藝及其凈化系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于堿金屬的凈化領域，具體涉及一種反應堆用核級鈉的凈化工藝及其凈化系統。
背景技術：
工業鈉中大量存在氧、碳、氫、氮等非金屬雜質和鈣、鎂、鐵、錳等金屬雜質，這些雜質以單質或化合物狀態溶解或以顆粒狀態懸浮在鈉中，容易在核系統或非核系統中形成沉淀。這些沉淀物聚集在一起會妨礙冷卻劑的正常流動，影響裝置的正常工作。因此，必須將工業鈉進行凈化，除去鈉中的鈣、氧、氫、碳等雜質以滿足反應堆的需要。
前蘇聯的Baklushin，-R.P.等人在Atomnaya-Ehnergiya-USSR.(Mar 1978).v 44(3)p.224-228上報道了快堆的主回路和二回路鈉的凈化。但該文獻公開的凈化工藝是快堆用鈉的在役凈化，其凈化的主要目的是除去經過長時間運行的核級鈉中新出現的氧、氫、輻照產物等雜質，因此，其工藝和系統同直接將工業鈉凈化成核級鈉的不同。
邢朝青等人在《核動力工程》第16卷第5期第476-480頁公開了一種快堆用鈉的除鈣技術。該技術是將適當的Na2O2通過加料器充入靜態反應器中后，在350℃溫度下同工業級鈉反應24小時，過濾，然后壓入儲鈉罐中，等待綜合鈉凈化回路的進一步處理。該技術主要是將工業鈉中的鈣除去，系統簡單，并不能有效地將工業鈉中的其它雜質有效地除去，以達到核級鈉的標準。而且，該文獻提供的技術只能用于實驗研究階段，難以應用于工業規模。

發明內容
本發明在現有除鈣技術的基礎上，提供了一種能規模化地將工業鈉凈化成核級鈉的工藝及其相應的凈化系統。
一種鈉凈化工藝，其工藝流程是1.除鈣反應將OAC系數為1.2～1.5的反應試劑Na2O2加入到除鈣反應器中，再壓入待處理的工業鈉，攪拌，并維持反應溫度為300℃～360℃，反應15～30小時。
OAC為氧量系數，定義是OAC＝(外加氧量+原有氧量)/等當量需氧量。
2.一級沉降待反應完的鈉冷卻到190℃～210℃后，進入一級沉降器中沉降雜質40～50小時。在一級沉降器內底部維持130℃～150℃的低溫，并保持一級沉降器上部溫度高于下部溫度。
3.一級過濾將經沉降后的鈉通過135℃～145℃的絲網填充型冷阱，進行過濾。
4.二級沉降將一級過濾的鈉轉移至二級沉降器中沉降雜質40～50小時。在二級沉降器內底部同樣維持130℃～150℃的低溫，并保持上部溫度高于底部溫度。
5.二級過濾將經二級沉降后的鈉在110℃～130℃的溫度下通過不銹鋼絲網、不銹鋼陶瓷雙重過濾器過濾。過濾后將合格的鈉充入到終貯罐中。
另外是鈉渣排放。運行一段時間后的一、二級沉降器底部沉積區的雜質，在密閉條件下，可以采用負壓排放、正壓排放或反沖攪拌排放等方式排放。
同上述工藝相配套的是鈉凈化系統，包括鈉接收罐、除鈣反應器，在除鈣反應器和鈉接收罐之間通過管道和閥門順次連有一級沉降器、一級過濾器、二級沉降器、二級過濾器、鈉貯存罐，且除鈣反應器、一級沉降器和二級沉降器上連有蒸汽阱。
為了防止經過二次過濾的產品不合格，在二級過濾器和納貯存罐之間設有一個小回路。
除鈣反應器呈桶形，上部設有鈉進、出口，頂部中間設有攪拌裝置，攪拌裝置周圍設有加熱部件，外壁設有冷卻夾套。攪拌裝置，可以是通過磁力驅動密封和防汽溶膠凝固結構，帶動葉輪轉動，起到攪拌的作用。還可以是一根底部密封、側壁開孔的導管，該導管同氬氣系統相通，通過吹入氬氣，起到攪拌的目的。
蒸汽阱呈桶形，內設不銹鋼絲網和熱電偶，底部為錐形，并設有鈉蒸汽進入管道。蒸汽阱的上部分別設有氬氣進、出口，與氬氣系統相連，通過氬氣將鈉蒸氣冷卻成液態鈉，順蒸汽阱的內壁回流。
一、二級沉降器上部呈柱形，底部呈錐形，其頂部開有鈉的進、出口，并同蒸汽阱相連，底部與鈉渣排除管道通過閥門相連，內設溫度探測器、液位計和加熱棒。其加熱方式還可以是在外壁上設有環形底加熱絲，且分布是上密下疏。
一級過濾器，可以是絲網填充型冷阱，或類似于絲網填充型冷阱。絲網填充型冷阱呈桶形，內設環形不銹鋼絲網，環形不銹鋼絲網的下部同一級過濾器的內壁相連，上部為內管封接。外壁設置有冷卻夾套。冷阱的頂部設置鈉的入口和出口管，其中出口管穿過環形不銹鋼網絲，伸入到冷阱的底部。類似于絲網填充型冷阱過濾器的結構是，在桶形容器的底部設立鈉的入口，頂部設立鈉的出口。內設上、下分流孔板，上、下分流孔板與桶形容器的內壁相連，中間設有中心支承柱，中心支承柱分別固定在上、下分流孔板上。上、下分流孔板之間交叉設置環形分流擋板和圓形分流擋板，其中環形分流擋板固定在桶形容器的內壁上，圓形分流擋板固定在中心支承柱上。在每層環形分流擋板和圓形分流擋板之間放置不銹鋼絲網。
二級雙重過濾器呈桶形，容器的下部設置鈉的入口，頂部設置鈉的出口，中間設有4～7個不銹鋼陶瓷過濾管，不銹鋼陶瓷過濾管組用筐狀不銹鋼絲網相環繞，不銹鋼陶瓷過濾管組和筐狀不銹鋼絲網的頂部與分流孔板相連，分流孔板與雙重過濾器內壁相連。
將工業鈉凈化成核級鈉，其主要的指標是，將鈣的含量由0.045％降到0.001％以下，將氧的含量由0.025％降至0.003％以下。本發明所提供的方法是通過物理和化學的方法，除去鈉中的鈣、氧等雜質。在一、二級沉降器內，維持低溫和上下溫度梯度，除使鈣的反應產物直接沉降外，還使那些溶解度隨溫度變化的雜質能均勻地結晶、成核、長大，并向冷區擴散沉積，并最終除去。類似于絲網填充型冷阱過濾器的分級擋板既滿足了鈉在過濾器內橫向流的分配，又增加了鈉流經過濾器的時間，提高了凈化效率。絲網填充型冷阱的過濾效果比類似于絲網填充型冷阱更好，適合于大規模凈化工藝。二級雙重過濾器在110℃～130℃溫度下起到了很好的凈化效果。鈉渣排放可在密閉條件下，采用負壓排放、正壓排放或反沖攪拌排放等方式排放，既經濟又安全，尤其是反沖攪拌排放能很好地解決鈉渣結塊問題。在本發明所提供的凈化系統上運行本發明提供的凈化工藝，可使工業鈉中的鈣、氧的含量分別降至0.001％和0.003％以下的指標。


圖1單回路鈉凈化系統流程圖；圖2除鈣反應器結構示意圖；圖3除鈣反應器中的氬氣攪拌器結構示意圖；圖4蒸汽阱結構示意圖；圖5沉降器結構示意圖；圖6外壁纏有加熱絲的沉降器示意圖；圖7絲網填充型冷阱結構示意圖；圖8類似于絲網填充型冷阱結構示意圖；圖9二級雙重過濾器的結構示意圖。
其中1，除鈣反應器、2，一級沉降器、3，一級過濾器、4，二級沉降器、5，二級雙重過濾器、6，鈉貯藏罐、7，鈉接罐、8，小回路、9，冷卻夾套、10，加熱絲導管、11，加熱絲、12，磁力驅動密封和防氣溶膠凝固結構、13，磁力電機、14，葉輪、15，蒸汽阱、16，加料口、17，擋板、18，熱電偶、19，不銹鋼絲網、20，鈉蒸汽進入管道、21、22、23，液位計、24，溫度探測器、25，散熱片、26，鈉渣排放管道、27、28、29，加熱絲、30，環形分流擋板、31，不銹鋼絲網、32，中心支撐柱、33，分流孔板、34，圓形分流擋板、35，冷卻夾套、36，環形不銹鋼絲網、37，分流孔板、38，密封孔板、39，不銹鋼陶瓷過濾管組、40，筐狀不銹鋼絲網。
具體實施例方式
下面將通過具體實施例對本發明作進一步闡述。
實施例1一種鈉凈化工藝，其工藝流程是步驟1 除鈣反應將OAC系數為1.4的反應試劑Na2O2加入除鈣反應器1中，再從鈉接收罐7壓入待處理的工業鈉，攪拌，并維持反應溫度為350℃，反應28小時。
步驟2 一級沉降當反應完的鈉冷卻到200℃時，打開閥門使之進入到一級沉降器2中沉降雜質45小時。在一級沉降器2內底部維持140℃的低溫，并保持一級沉降器2上部與底部的溫差。
步驟3 一級過濾使經沉降后的鈉通過140℃的絲網填充型冷阱3，進行過濾。
步驟4 二級沉降使經過絲網填充型冷阱3的鈉進入到二級沉降器4中，沉降雜質45小時。在二級沉降器內底部維持140℃的低溫，并保持二級沉降器4上部與下部的溫差。
步驟5 二級過濾使經過二級沉降器4沉降后的鈉通過120℃的二級雙重過濾器5過濾。
過濾后將合格的鈉充入到鈉貯存罐6中。不合格的鈉再經過一個備用的冷阱凈化回路8凈化，合格后再充入到鈉貯存罐6中。
步驟6 鈉渣排放運行一段時間后的一、二級沉降器的底部沉積區的雜質，在密閉條件下，采用反沖攪拌排放方式排放。
與所述凈化工藝配套實施的凈化系統為一種鈉凈化系統，由鈉接收罐7、除鈣反應器1、一級沉降器2、一級過濾器3、二級沉降器4、二級過濾器5、鈉貯存罐6和管道、閥門、供氣系統、儀控電系統組成，且前一個儀器的鈉出口與后一個儀器的鈉進口相連。
其中除鈣反應器1如圖2所示，呈桶形，上部分別設有鈉進、出口和加料器16，內壁設有防止因攪拌產生渦流的擋板17，頂部有管道與蒸汽阱15相連。桶體中間設有機械攪拌裝置，該攪拌裝置由磁力電機13通過磁力驅動密封和防汽溶膠凝固結構12，帶動葉輪14轉動，起到攪拌的作用。6根開有豎槽的加熱絲導管10貫穿除鈣反應器1頂部，均勻分布在除鈣反應器1內，每根加熱絲導管10內貫穿加熱絲11。在除鈣反應器1的外壁設置冷卻夾套9，內通空氣加快除鈣反應器1的冷卻。
蒸汽阱15如圖4所示，呈桶形，內設熱電偶18和不銹鋼絲網19，底部為錐形，并設有鈉蒸汽進入管道20。蒸汽阱14的上部分別設有氬氣進、出口，與氬氣系統相連，通過氬氣將鈉蒸氣冷卻成液態鈉，并順蒸汽阱14的內壁回流。
一級沉降器2、二級沉降器4均如圖5所示，是上部呈柱形、底部呈錐形的容器，其頂部開有鈉的進、出口，并由管道同蒸汽阱14相連，底部與鈉渣排放管道26通過閥門相連。一級沉降器2、二級沉降器4內設溫度探測器24和長短不同的液位計21、22、23。為了更好地達到溫差沉降的目的，一級沉降器2、二級沉降器4內均勻布置有長短不等的加熱絲27、28，上部的加熱部分多于下部，同時，在一級沉降器2、二級沉降器4的底部加上散熱片25，這樣可以保證頂部溫度高于底部溫度，形成溫度梯度。
一級過濾器3如圖7所示，是絲網填充型冷阱，呈桶形。內沒環形不銹鋼絲網36，環形不銹鋼絲網36的下部同一級過濾器3的內壁相連，上部為內管封接。一級過濾器3的頂部設置鈉的進、出口，其中出口管穿過環形不銹鋼絲網36的上密封，伸入到冷阱的下部。在一級過濾器3的外壁設置有冷卻夾套35，內通空氣來加快一級過濾器3的冷卻。
二級雙重過濾器5如圖9所示，呈桶形，容器的下部設置鈉的入口，頂部設置鈉的出口，中間設置有4～7個不銹鋼陶瓷過濾管組39，不銹鋼陶瓷過濾管39用筐狀不銹鋼絲網40環繞，筐狀不銹鋼絲網40的頂部與密封孔板38相連，不銹鋼陶瓷過濾管39穿過密封孔板38。在密封孔板38和鈉出口之間設有分流孔板37。
使用上述凈化工藝和相應的凈化系統，使鈣的含量由0.0395％降到0.0004％，將氧的含量由0.0071％降至0.0021％，符合核級鈉的要求。
實施例2一種鈉凈化工藝，其工藝流程是步驟1 除鈣反應將OAC系數為1.2的反應試劑Na2O2加入除鈣反應器1中，再從鈉接收罐7壓入待處理的工業鈉，攪拌，并維持反應溫度為300℃，反應15小時。
步驟2 一級沉降當反應完的鈉冷卻到190℃時，打開閥門使之進入到一級沉降器2中沉降雜質40小時。在一級沉降器2內底部維持130℃的低溫，并維持上部溫度高于下部溫度。
步驟3 一級過濾使經沉降后的鈉通過135℃的絲網填充型冷阱3，進行過濾。
步驟4 二級沉降使經過絲網填充型冷阱3的鈉進入到二級沉降器4中，沉降雜質40小時。在二級沉降器內底部維持130℃的低溫，并維持上部溫度高于下部溫度。
步驟5 二級過濾使經過二級沉降器4沉降后的鈉通過110℃的二級雙重過濾器5過濾。
過濾后將合格的鈉充入到鈉貯存罐6中。不合格的鈉再經過一個備用的冷阱凈化回路8凈化，合格后充入到貯存罐6中。
步驟6 鈉渣排放運行一段時間后的一、二級沉降器的底部沉積區的雜質，在密閉條件下，采用正壓排放方式排放。
與所述凈化工藝配套實施的凈化系統為一種鈉凈化系統，由鈉接收罐7、除鈣反應器1、一級沉降器2、一級過濾器3、二級沉降器4、二級雙重過濾器5、鈉貯存罐6和管道、閥門、供氣系統、儀控電系統組成。其中鈉接收罐7、二級雙重過濾器5、鈉貯存罐6等同實施例1，與實施例1不同的地方在于除鈣反應器1中的攪拌裝置是一條底部密封、側壁開孔的導管如圖3所示。該導管同氬氣系統相通，通過吹入氬氣，起到攪拌的目的。
一級沉降器2、二級沉降器4的加熱部件是環繞在一級沉降器2、二級沉降器4外壁上的加熱絲29，如圖6所示。該加熱絲的分布是上密下疏，以保證一級沉降器2、二級沉降器4上部溫度高于底部溫度。
一級過濾器3，是類似于絲網填充型的冷阱，如圖8所示，為桶形結構，其底部設有鈉入口，頂部設有鈉出口。內設上、下分流孔板33，上、下分流孔板33與一級過濾器3的內壁相連，中間設置中心支承柱32，中心支承柱32分別固定在上、下分流孔板33上。上、下分流孔板33之間交叉設置環形分流擋板30和圓形分流擋板34。其中環形分流擋板30固定在一級過濾器3的內壁上，圓形分流擋板34固定在中心支承柱32上。在每層環形分流擋板30和圓形分流擋板34之間放置不銹鋼絲網31。
使用上述凈化工藝和相應的凈化系統，可使鈣的含量由0.0395％降到0.0006％，將氧的含量由0.0071％降至0.0024％，符合核級鈉的要求。
實施例3一種鈉凈化工藝，其工藝流程是步驟1 除鈣反應將OAC系數為1.5的反應試劑Na2O2加入除鈣反應器1中，再從鈉接收罐7壓入待處理的工業鈉，攪拌，并維持反應溫度為360℃，反應30小時。
步驟2 一級沉降當反應完的鈉冷卻到210℃時，打開閥門使之進入到一級沉降器2中沉降雜質50小時。在一級沉降器2內底部維持150℃的低溫，并保持一級沉降器2上部與下部的溫差。
步驟3 一級過濾使經沉降后的鈉通過145℃的絲網填充型冷阱3，進行過濾。
步驟4 二級沉降使經過絲網填充型冷阱3的鈉進入到二級沉降器4中，沉降雜質50小時。在二級沉降器內底部維持150℃的低溫，并保持二級沉降器4上部與下部的溫差。
步驟5 二級過濾使經過二級沉降器4沉降后的鈉通過130℃的二級雙重過濾器5過濾。
過濾后將合格的鈉充入到終貯罐6中。不合格的鈉再經過一個備用的冷阱凈化回路8凈化，合格后充入到鈉貯存罐6中。
步驟6 鈉渣排放運行一段時間后的一、二級沉降器的底部沉積區的雜質，在密閉條件下，采用負壓排放方式排放。
一種鈉凈化系統，各部件的構成同實施例1，不同之處是該系統由兩條回路組成，即在如圖1所示的流程圖中再在另一側連接除鈣反應器1直到二級雙重過濾器5和小回路8的并列回路。
使用上述凈化工藝和相應的凈化系統，使鈣的含量由0.0395％降到0.0001％，將氧的含量由0.0071％降至0.0015％，符合核級鈉的要求。
權利要求
1.一種鈉凈化工藝，具體步驟為(1).除鈣反應將OAC系數為1.2～1.5的反應試劑Na2O2加入到除鈣反應器(1)中，再從鈉接收罐(7)中壓入待處理的工業鈉，攪拌，并維持反應溫度為300℃～360℃，反應15～30小時；(2).一級沉降待反應完的鈉冷卻到190℃～210℃后，進入一級沉降器(2)中沉降雜質40～50小時，在一級沉降器內底部維持130℃～150℃的低溫，并維持一級沉降器上部溫度高于下部溫度；(3).一級過濾將經沉降后的鈉通過135℃～145℃的一級過濾器(3)，進行過濾；(4).二級沉降將一級過濾的鈉轉移至二級沉降器(4)中沉降雜質40～50小時。在二級沉降器(4)內底部同樣維持130℃～150℃的低溫，并保持上部溫度高于底部溫度；(5).二級過濾將經二級沉降后的鈉在110℃～130℃的溫度下通過二級雙重過濾器(5)過濾，過濾后將合格的鈉充入到鈉貯存罐(6)中。
2.根據權利要求1或2所述的一種鈉凈化工藝，其特征在于步驟(1)中OAC系數為1.2～1.4，反應溫度為350℃，反應時間為24小時；步驟(2)中當反應完的鈉冷卻到200℃時，轉移至一級沉降器(2)中，在140℃的低溫沉降雜質45小時，并保持一級沉降器(2)上部與下部的溫差；步驟3中，絲網填充型冷阱(3)的溫度為140℃的；步驟4中，在140℃的低溫下沉降雜質45小時，并保持二級沉降器(4)上部與下部的溫差；步驟5中，雙重過濾器5過濾的溫度為120℃。
3.根據權利要求1或2所述的一種鈉凈化工藝，其特征在于機進行一級過濾時使用絲網填充型冷阱或類似于絲網填充型冷阱。
4.根據權利要求1或2所述的一種鈉凈化工藝，其特征在于經過兩次沉降，兩次過濾還不合格的鈉再經過一個備用冷阱凈化小回路(8)凈化。
5.一種鈉凈化系統，包括鈉接收罐(7)、除鈣反應器(1)，其特征在于在除鈣反應器(1)和鈉接收罐(7)之間通過管道和閥門順次連有一級沉降器(2)、一級過濾器(3)、二級沉降器(4)、二級過濾器(5)、鈉貯存罐(6)，且除鈣反應器(1)、一級沉降器(2)和二級沉降器(4)上連有蒸汽阱(15)。
6.根據權利要求5所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的除鈣反應器(1)呈桶形，上部分別設有鈉進、出口和加料口(16)，并與蒸汽阱(15)相連，中間設有攪拌裝置，其周圍設有加熱部件，外壁設置空氣冷卻夾套(9)。
7.根據權利要求6所述的一種鈉凈化系統，其特征在于攪拌裝置由磁力電機(13)、磁力驅動密封防汽溶膠凝固結構(12)和葉輪(14)組成，在除鈣反應器(1)的內壁設有防止渦流產生的擋板(17)，加熱部件是由開有豎槽的加熱棒導管(10)和加熱絲(11)構成，加熱絲(11)伸入加熱絲導管(10)中。
8.根據權利要求6所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的攪拌裝置是一條底部密封、側壁開孔且與氬氣相連的導管。
9.根據權利要求5所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的蒸汽阱(15)內設有熱電偶(18)和不銹鋼絲網(19)，蒸汽阱(15)底部為錐形，并設有鈉蒸汽進入管道(20)，上部設有氬氣進、出口，與氬氣系統相連。
10.根據權利要求5所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的沉降器(2)、(4)上部呈柱形，底部呈錐形，其頂部設有鈉的進、出口，底部與鈉渣排放管道(26)相連，內設溫度探測器(24)、長短不同的液位計(21)、(22)(23)和加熱部件。
11.根據權利要求10所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的加熱部件為長短不同、均勻分布的加熱絲(27)、(28)，或者是上密下疏、纏繞于沉降器(2)、(4)外壁的加熱絲(29)，沉降器(2)、(4)底部設有散熱片(25)。
12.根據權利要求5所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的一級過濾器(3)為絲網填充型冷阱，呈桶形，內設環形不銹鋼絲網(36)，環形不銹鋼絲網(36)的下部同一級過濾器(3)的內壁相連，其上部為內管封接，外壁設置有冷卻夾套(35)，頂部設有鈉的進、出口，且出口管穿過環形不銹鋼絲網(36)底部，伸入到一級過濾器(3)的下部，并與環形不銹鋼絲網(27)上部封接。
13.根據權利要求5所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的一級過濾器(3)是類似于絲網填充型的冷阱，其底部和頂部分別設有鈉進、出口，內設上、下分流孔板(33)，上、下分流孔板(33)與一級過濾器(3)的內壁相連，中間設置中心支承柱(32)，中心支承柱(32)分別固定在上、下分流孔板(33)上，上、下分流孔板(33)之間交叉設置環形分流擋板(30)和圓形分流擋板(34)，其中環形分流擋板(30)固定在一級過濾器(3)的內壁上，圓形分流擋板(34)固定在中心支承柱(32)上，在每層環形分流擋板(30)和圓形分流擋板(34)之間放置不銹鋼絲網(31)。
14.根據權利要求5所述的一種鈉凈化系統，其特征在于所述的二級雙重過濾器(5)呈桶形，其下部和頂部分別設有鈉的進、出口，中間設置有4～7個不銹鋼陶瓷過濾管組(39)，不銹鋼陶瓷過濾管組(39)用筐狀不銹鋼絲網(40)相環繞，不銹鋼陶瓷過濾管組(39)和筐狀不銹鋼絲網(40)的頂部與分流孔板(37)相連，分流孔板(37)與二級雙重過濾器(5)內壁相連，不銹鋼陶瓷過濾管(39)穿過密封孔板(38)，分流孔板(37)在密封孔板(38)和鈉出口之間。
全文摘要
本發明屬于堿金屬的凈化領域，具體涉及一種反應堆用核級鈉的凈化工藝及其凈化系統。該工藝包括除鈣反應、兩級沉降、兩級過濾。該凈化系統主要包括鈉接收罐、除鈣反應器、一級沉降器、一級過濾器、二級沉降器、二級過濾器、鈉貯存罐以及備用的冷阱凈化回路。利用該凈化系統，該凈化工藝將工業鈉中鈣的含量由0.045％降到0.001％以下，將氧的含量由0.025％降至0.003％以下。
文檔編號C22B26/00GK1594615SQ0315678
公開日2005年3月16日 申請日期2003年9月11日 優先權日2003年9月11日
發明者邢朝青, 禹春利, 謝淳 申請人:中國原子能科學研究院