Экстракция и реэкстракция урана (стр. 9 из 13)
При разработке нового экстракционного оборудования основные усилия были направлены на повышение его производительности без снижения достигнутой эффективности или же на увеличение эффективности без уменьшения производительности.
Все представленные на рис.1.1.26 экстракционные аппараты можно для удобства разделить на четыре основных типа: смесители - отстойники, аппараты без разделения ступеней, не имеющие устройства для принудительного перемешивания, аппараты без разделения ступеней с устройствами для принудительного перемешивания, центробежные Ниже перечислены основные преимущества и недостатки аппаратов каждого типа.
Преимущества смесителей - отстойников; хорошее контактирование фаз, возможность изменения в широкие пределах соотношения фаз, малая высота, большая эффективность, большое число ступеней, надежность моделирования, низкая стоимость, невысокие эксплуатационные затраты. Недостатки: большая длительность процесса, высокие энергозатраты, большая единовременная загрузка экстрагента, большая производственная площадь, необходимость в отдельных случаях перекачки между ступенями.
Преимущества аппаратов без разделения ступеней и перемешивания: низкая стоимость, недорогое обслуживание, простота конструкции. Их недостатки; ограниченная производительность при переработке фаз с малой разностью плотностей, ограниченное соотношение объемов фаз, большая высота, низкая эффективность в ряде случаев, трудность моделирования.
Рис.1.1.26 Классификация экстракторов
Преимущества аппаратов без разделения ступеней с устройствами для принудительного перемешивания: хорошее диспергирование, умеренная стоимость, большое число ступеней, относительная простота моделирования. Недостатки: ограниченная производительность при переработке фаз с малой разностью плотностей, невозможность использования для систем, склонных к эмульгированию (исключение иногда составляют пульсационные колонны), невозможность работы при высоких скоростях потоков. Преимущества центробежных экстракторов: возможность переработки фаз с малой разностью плотностей, небольшой объем, малый объем удерживания, небольшая производственная площадь, малая единовременная загрузка экстрагента.
Недостатки: высокая начальная стоимость, высокие эксплуатационные затраты, ограниченное число ступеней, хотя некоторые аппараты имеют 20 ступеней.
1.2.1 Смесители-отстойники
За последние 20 лет предложено большое число разнообразных конструкций смесителей - отстойников. Разработка их велась с целью уменьшения величины потребной производственной площади при сохранении высокой производительности и эффективности.
Смешение фаз происходит обычно в камерах с мешалками, насосах - смесителях или других устройствах Отстойники могут быть простыми камерами в 2-3 раза больших размеров, чем смесители, или же иметь более сложную конструкцию, например, содержать насадку, перегородки и другие устройства, способствующие коалесценции. Для быстрого отстаивания предлагали использовать гидроциклон, в котором объединялись функции разделения фаз и массопередачи.
Первые смесители - отстойники имели отдельные камеры для смешивания фаз и их отстаивания, смесь фаз из одной камеры и другую переливалась самотеком. После отстаивания фазы перекачивались на следующую стадию смешения по принципу противотока. Схема смесителя-отстойника показана на рис.1.2.1 Показатели работы таких смесителей - отстойников мало зависят от изменения производительности и соотношения объемов фаз, обеспечивая гибкость их эксплуатации.
Позднее было введено перекачивание между ступенями. Примером такой конструкции является экстрактор с насосами-смесителями. В этом случае гибкость работы аппарата, естественно, значительно уменьшается, так как всякое изменение скоростей потоков фаз пли соотношения их объемов требует корректировки работы насоса для предотвращения инверсии фаз в смесителях. Экстрактор с насосами - пульсаторами обладает высокими рабочими характеристиками, обеспечивает хорошие условия для отстаивания и не требует большой единовременной загрузки экстрагента. Созданы образцы этого аппарата производительностью до 16 м/ч. Поскольку смесители-отстойники с пульсационным перемешиванием не имеют движущихся деталей, их удобно использовать для переработки ядерного топлива и в производственных помещениях, недоступных для обслуживающего персонала.
Рис.1.2.1 Схема ящичного смесительно-отстойного экстрактора: 1 - смеситель; 2 - отстойник
Объем отстойника является критическим фактором в конструкциях смесителей - отстойников. Он определяется ограничениями, налагаемыми скоростью коалесценции дисперсной фазы. Обычно дисперсная фаза стекает из смесителя в отстойник и образует эмульсионный слой над поверхностью раздела. Толщина этого слоя характеризует производительность отстойника для данного процесса экстракции. Производительность на единицу поверхности раздела для данной глубины эмульсионного слоя называется удельной скоростью отстаивания, хотя фактически контролирующим фактором является коалесценция, а не отстаивание. Толщина эмульсионного слоя увеличивается экспоненциально с ростом скорости потока, и размеры отстойников при моделировании можно увеличивать в 1000 раз. Мощность смесителя, очевидно, мало влияет на удельную скорость отстаивания. Однако было найдено, что в системе ТБФ - HNO3 - керосин скорость отстаивания изменяется с изменением химического состава, соотношения фаз и температуры.
Для уменьшения размеров отстойника необходимо увеличить скорость коалесценции. Отдельными фирмами предложены различные типы смачивающихся устройств, которые необходимо устанавливать в отстойниках для облегчения коалесценции с целью уменьшения времени отстаивания.
Важнейшим фактором является скорость отстаивания и что применение насадочных материалов, например сетки из тефлона и стали, может повысить ее, способствуя тем самым увеличению производительности и сокращений затрат. показана необходимость периодической очистки сетки.
Для данного раствора при различном соотношении объемов фаз любая из них может быть дисперсной. Так как массопередача и кинетика процесса часто зависят от того, какая из фаз является дисперсной, очень важно начинать работу, имея желаемую фазу в качестве дисперсной. Это достигается предварительным введением двух растворов в чан смесителя. Затем в центре выбранной сплошной фазы устанавливают импеллер смесителя и постепенно увеличивают частоту его вращения от нуля до рабочей величины. В результате этого происходит засасывание другой фазы в зону смешения, и если соотношение фаз и вязкость соответствуют необходимым значениям, то при дальнейшей работе дисперсная фаза так и будет оставаться дисперсной. Если дисперсной является тяжелая фаза и импеллер расположен в нижней части смесителя, то сначала нужно ввести легкую фазу, включить импеллер и затем подавать тяжелую фазу. По данным замеров типичная скорость смешения в дисперсной фазе составляет 10 объемов в минуту при удельной мощности смесителя 2 кВт/м3 Смесители - отстойники относительно легко эксплуатировать, они имеют довольно простую конструкцию, надежны и гибки в работе, в них отсутствует обратное перемешивание и эффективность ступени обычно всегда выше 90%. При достаточных длительности и мощности перемешивания, а также времени отстаивания, может быть достигнута фактически 100% -ная эффективность ступени. Основными недостатками смесителей - отстойников являются большая производственная площадь, которую они занимают, большое число трубопроводов технологической обвязки и высокая единовременная загрузка экстрагента, необходимая для их работы.
1.3 Использование экстракции для очистки урановых растворов ГМЗ ГП "ВостГОК"
1.3.1 Экстракция и реэкстракция урана
Экстракция урана из сернокислых водных растворов производится смесью экстрагентов: ди-2-этилгексилфосфорной кислоты (Ди-2-ЭГФК) и трибутилфосфата (ТБФ). Использование смеси экстрагентов обусловлено тем, что определенные комбинации двух экстрагентов экстрагируют извлекаемое вещество лучше, чем каждый экстрагент в отдельности (синергетический эффект).
В качестве разбавителя экстрагентов используется углеводородное сырье.
Процесс экстракции осуществляется в экстракторе - горизонтальном смесителе - отстойнике ящичного типа с механическим перемешиванием, состоящим из 11-ти камер.
Товарный регенерат из отделения десорбции насосами подается в буферную емкость, где подогревается острым паром до температуры 40°С и насосами подается в 4-ю камеру экстрактора. В 9-ю камеру экстрактора насосом из приемного зумпфа подается бедная по урану (после реэкстракции) органическая фаза (органика). Процесс экстракции идет в режиме противотока в камерах с 4-ой по 9-ю. Камеры 1, 2, 3, 10, 11 экстрактора выполняют вспомогательные функции: камеры 2-я и 3-я служат для отмывки насыщенной органики от кислоты; 1-я камера играет роль отстойника для разделения насыщенной органики и промывной воды.10-я и 11-я камеры служат для улавливания органики из маточников (рафинатов).
Отмывка насыщенной органики от кислоты производится предварительно подогретой до 40 °С технической водой, которая подается в 3-ю камеру экстрактора и, после разделения с органикой в 1-й камере, выходит из экстрактора и объединяется с маточниками.
Маточники после отстаивания в 10-й и 11-й камерах экстрактора для дополнительного улавливания органики самотеком поступают последовательно в отстойник, затем в сборник-ловушку органики, откуда насосами подаются для утилизации на выщелачивание. Отмытая от кислоты насыщенная органика из 1-й камеры экстрактора самотеком поступает на реэкстракцию.