Стехиометрическое уравнение химической реакции показывает, в каких соотношениях вещества вступают во взаимодействие. Однако очень редко реакция протекает по схеме описываемой таким уравнением. Например:
UF4 + F2 = UF6
Данное стехиометрическое уравнение показывает, что молекула фтора сталкивается с молекулой тетрафторида урана и реагирует с образованием гексафторида урана. В действительности реакция протекает по более сложному механизму через несколько последовательных стадий с образованием промежуточных фторидов, как за счет прямой реакции UF4 с F2, так и за счет побочных реакций UF4 с UF6:
4UF4 + ½ F2 = U4F17
2UF4 + 1/2F2 = U2F9
UF4 + ½ F2 = UF5
7UF4 + UF6 Û U4F17
3UF4 + UF6Û 2U2F9
UF4 + UF6Û 2UF6
Промежуточные фториды с повышением температуры разлагаются или диспропорционируют на UF4 и UF6 , поэтому последние три реакции являются равновесными. Кинетические исследования показали, что при температурах 200 – 4500С лимитирующей (наиболее медленной) стадией суммарного процесса является образование UF4 из U2F9 , который находится в твердом остатке после процесса фторирования.
При температурах выше 4500С скорость процесса фторирования в газовзвеси лимитируется уже реакцией
U4F17 Û U2F9 и протекает по следующему механизму
UF6
медленно
медленно
UF4+UF6
U4F17+UF6
U2F9+UF6
Исследование механизма показали, что существенное значение имеет термическая диссоциация промежуточных фторидов, которая при высоких температурах в газовзвеси протекает с высокой скоростью. Таким образом, высокой интенсивности процесса можно достичь, если обеспечить хороший контакт реагирующих фаз в условиях интенсивного тепло-массообмена и при повышенных температурах.
Не следует думать, что простота написания уравнения химической реакции означает легкость ее протекания. Практически – механизм реагирования устанавливают экспериментально путем подбора вероятных реакций с последующим выбором уравнений, которые лучше всего соответствуют опытным данным.
1. Краткая характеристика процессов используемых в технологии производства урана.
В настоящее время, уран в ядерной технологии применяют в большинстве случаев в виде металла или UO2 для производства конечного продукта – твэлов. Необходимым этапом является этап разделения изотопов. Для этого уран переводят в газообразное соединение UF6, который затем обогащается по легкому изотопу и переводится в UO2. На этом этапе важнейшим соединением является UF4. UF4 получают двумя методами «водный» и «сухой». «водный» – гидрофторирование. «сухой» – фторирование оксидов урана - UO3, UO2, U3O8. Применение «сухих» методов позволило уменьшить число технологических стадий, снизить расход энергии на единицу продукции, повысит производительность и сократить производственные площади.
ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА
В гетерогенных реакциях между реагирующими веществами имеется поверхность раздела. Например, при реакции между твердым веществом и газом поверхностью раздела является поверхность твердого вещества, соприкасающегося с газом. Для системы жидкость – жидкость поверхность их раздела – поверхность соприкосновения между двумя несмешивающимися жидкостями. Все гетерогенные реакции делятся на пять видов реакций по характеру поверхности раздела: твердое тело – газ; твердое – жидкость; твердое – твердое; жидкость – газ; жидкость – жидкость. В таблице 1 приведены примеры различных видов гетерогенных реакций. Во всех этих случаях взаимодействующие молекулы должны быть переведены из одной фазы в другую.