Содержание к диссертации
Введение
1 .Литературный обзор 12
2 Принцип работы сепаратора с регулярной зернистой загрузкой 19
2.1 Движение двухфазного потока в зернистом слое сепаратора 19
2.2 Особенности массообмена при движении двухфазного потока в зернистом слое сепаратора 25
3 Разработка технологии и оборудования процесса внутрицикловой регенерации оборотного экстрагента в сепараторе 34
3.1 Техническое и аналитическое обеспечение работы 37
3.2 Описание опытной установки для исследования процесса сепарационной регенерации оборотного экстрагента 42
3.3 Регенерация экстрагента растворами карбоната натрия в сепараторах разной конструкции 47
3.3.1 Выбор способа орошения насадки регенерирующим раствором 47
3.3.2 Выбор параметров режима саморегулирования положения ГРФ для сепаратора с ВКР 48
3.3.3 Задержка водной фазы и эффективность разделения фаз в сепараторах с ВКР и НКР 51
3.3.4 Очистка оборотного экстрагента от дибутилфосфорной кислоты 54
3.4 Очистка оборотного экстрагента от ДБФК растворами карбонатов этилендиамина и моноэтаноламина в сепараторе 59
3.5 Технологические испытания процесса регенерации оборотного экстрагента в сепараторе 66 CLASS 4 Разработка технологии и оборудования процесса концентрирующей реэкстракции плутония в сепараторе 71 CLASS
4.1 Гидродинамические и предпусковые испытания сепаратора для процесса концентрирующей реэкстракции плутония в условиях газообразования 74
4.1.1 Динамика движения органического и водного потоков в сепараторе 76
4.1.2 Предпусковые испытания сепаратора на урановых и уран ториевых экстрактах в режиме концентрирующей реэкстракции карбамидом 80
4.2 Экспериментально-расчетные исследования процесса концентрирующей восстановительной реэкстракции плутония в сепараторе с насыпным сепарирующим слоем 89
4.2.1 Концентрирующая реэкстракция Ри смешанными азотнокислыми растворами карбамида, ДТПА, U (IV) и гидразина 89
4.2.2 Оптимизация технологических параметров процесса концентрирующей восстановительной реэкстракции Ри в сепараторе методом математического моделирования 92
4.3 Технологическая проверка процесса концентрирующей восстановительной реэкстракции Ри азотнокислыми растворами «гидразин-ДТПА» и «U (ГУ)-гидразин» в сепараторе 100
4.3.1 Восстановительная реэкстракция Ри азотнокислым раствором гидразина и ДТПА 100
4.3.2 Восстановительная реэкстракция плутония азотнокислым раствором U (IV) и гидразина 108
Выводы 120
Список использованных источников
- Особенности массообмена при движении двухфазного потока в зернистом слое сепаратора
- Регенерация экстрагента растворами карбоната натрия в сепараторах разной конструкции
- Динамика движения органического и водного потоков в сепараторе
- Оптимизация технологических параметров процесса концентрирующей восстановительной реэкстракции Ри в сепараторе методом математического моделирования
Введение к работе
Аетуальность работы. Экстракционные технологии в переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) являются важной составляющей замкнутого топливного цикла.
Высокая степень очистки регенерированных материалов требует проведения нескольких последовательных циклов экстракционной переработки, что, кроме прямых затрат на их проведение, порождает новые объемы требующих утилизации жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Среди факторов, ограничивающих очистные возможности экстракционного цикла, весьма существенным является эмульсионный унос «загрязняющей» фазы с продуктовым потоком.
Для органического потока это унос водного раствора на операции экстракции, унос плутониевого продукта с урановым экстрактом на операции разделения этих элементов, удержание продуктов разложения органического потока оборотным экстрагентом на операции его внутрицикловой регенерации. Для уранового реэкстракта крайне нежелательно загрязнение органической микроэмульсией, способное дестабилизировать выпарные операции.
К настоящему времени в экстракционной технологии сложился только один подход к минимизации загрязнения потоков экстракционного цикла эмульсионным уносом. Этот подход заключается в управлении типами эмульсии, образующейся в экстракторе (принцип Холлей-Мотта), рециркуляцией малого потока в смесительную камеру экстрактора (при коалесценции в отстойной камере дисперсная фаза всегда содержит меньшее количество эмульсионных загрязнений, чем сплошная).
Однако этот способ, резко увеличивающий нагрузку на экстрактор, применим только к дискретным аппаратам и малоэффективен при наличии в системе стабилизаторов нежелательного типа эмульсии (например, солей алкилфосфорных кислот на операции внутрицикловой регенерации экстрагента).
Таким образом, разработка процесса сепарации потоков экстракционной технологии с целью исключения эмульсионных загрязнений и его аппаратурное оформление с использованием аппаратов нового типа - сепараторов с регулярной зернистой загрузкой является актуальной задачей.
Любое контактирование водной и органической фаз в экстракционном процессе сопровождается межфазным ' массообменном, следовательно аппарат-сепаратор с эффективным разделением фаз является одновременно массообменным экстракционным
аппаратом, способным работать при отношении потоков фаз, недоступных для других типов экстракторов. Исследование особенностей массообмена при сепарации потоков и их целенаправленное использование расширяет возможности экстракционной технологии, что также подтверждает актуальность настоящей работы.
Целью работы является разработка сепарационных массообменных процессов и оборудования для повышения эффективности экстракционных технологий ядерного топливного цикла, а также обоснование их рабочих параметров.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- определить оптимальные технологические решения для предотвращения
эмульсионных загрязнений потоков экстракционной технологии и их аппаратурное
оформление;
провести анализ особенностей структуры потоков и массообмена в сепараторе с регулярной зернистой загрузкой и выбор «кандидатных» технологических операций в экстракционном цикле, для которых использование сепараторов наиболее эффективно;
исследовать закономерности протекания массообменных процессов в сепараторах применительно к операциям регенерации экстрагента и реэкстракции плутония;
исследовать процесс восстановительной реэкстракции плутония в сепараторе при высоком соотношении потоков с использованием различных реагентных систем;
провести технологическую проверку восстановительной реэкстракции плутония в условиях образования газовой фазы в объеме пор насадки сепаратора;
- отработать процесс очистки экстрагента альтернативными «бессолевыми»
регенерирующими агентами - этилендиамином и моноэтаноламином в сопоставлении с
применяемой в настоящее время в технологии переработки ОЯТ, содовой регенерацией
экстрагента;
выбрать и оптимизировать технологические режимы работы сепаратора по регенерации экстрагента на имитаторе с уровнем радиохимического поражения, сопоставимым с достигаемым при реальной переработке ОЯТ; Научная новизна работы состоит в том, что:
предложена и экспериментально подтверждена модель движения двухфазного потока в зернистом сепарирующем слое;
установлены особенности протекания массообмена при движении двухфазного потока в зернистом слое сепаратора, обусловленные высокой удерживающей способностью слоя и различными скоростями движения фаз в двухфазном потоке;
впервые разработан способ внутрицикловой регенерации экстрагента, сочетающий минимизацию потока регенерирующего раствора, высокое качество регенерации и практическое отсутствие эмульсионных загрязнений;
впервые разработан способ вывода плутония из головного экстракционного цикла в виде концентрированного (25-30 г/л) раствора;
- экспериментально установлены основные технологические параметры (время
пребывания фаз в зернистом слое сепаратора, объемная нагрузка на входное сечение слоя,
температура) массообменных процессов в аппаратах - сепараторах.
Практическая значимость работы. Установлена высокая эффективность процессов тонкого разделения фаз (сепарация фаз) и сопровождающего массообмена при пропускании двухфазного потока (очищаемого и вспомогательного) через регулярную зернистую насадку сепарирующего слоя.
Подготовлены и выданы исходные данные для проектирования массообменных сепараторов, включенных в технологическую схему переработки ОЯТ на опытно-демонстрационном центре ФГУП «ГХК». В ОАО «СвердНИИХиммаш» спроектирован и изготовлен опытно-промышленный сепаратор для испытаний и обкатки на стенде ФГУП «ГХК».
Получен патент на изобретение РФ - №2397002 С1 «Способ внутрицикловой регенерации оборотного экстрагента» и получено решение о выдаче патента на изобретение заявка №2010126924/07 от 01.07.2010 на получение патента на изобретение «Способ разделения урана и плутония в экстракционной технологии переработки отработавшего ядерного топлива».
Положения, выносимые на защиту:
-
Модель движения двухфазного потока в зернистом слое сепаратора и особенности происходящего при этом массообмена.
-
Сепарационный способ внутрицикловой регенерации экстрагента, включая регенерацию «бессолевыми» реагентами.
-
Сепарационная концентрирующая реэкстракция плутония (вывод плутония из экстракционного цикла), обеспечивающая минимальный объем ЖРО плутониевой ветки в технологии переработки ОЯТ.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировке выводов, публикации полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на конференциях: «Материалы ядерной техники-2006» (МАЯТ-2006), 20-23 сентября 2006г., п. Агой, Туапсинский р-он; Шестая Российская конференция по радиохимии «Радиохимия-2009», 12-16 октября 2009 г., Москва.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 2-х статьях в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также в 3 тезисах докладов, сделанных на российских и зарубежных конференциях. Получен патент на изобретение №2397002, получено решение о выдаче патента на изобретение заявка №2010126924/07.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на _136_ страницах машинописного текста, включая 28 таблиц и _2JL рисунков. Список литературы содержит 69 наименований.
Особенности массообмена при движении двухфазного потока в зернистом слое сепаратора
Для увеличения эффективности коалесценции эмульсии предлагался сепаратор [16], в котором очистка от микроэмульсии происходит за счет пропускания двухфазного потока через слой зернистого материала, состоящего из смеси угля и алюминия. Недостатком данного сепаратора является его ограниченная применимость для разделения экстракционных потоков радиохимических производств из-за низкой коррозионной стойкости и механической прочности используемых зернистых материалов. Аналогичные задачи может решать аппарат, описанный в работах [17,18].
Сепараторы эмульсий, работающие на принципе коалесценции с использованием фильтрующих патронов [19-30] и использующие принцип фильтрации через пористые (волокнисто-пористые) материалы, близки по конструкции и различаются, в основном, материалом и устройством коалесцентного патрона. Известен аппарат с чередующимися коалесцирующими и фильтрующими слоями [31]. Из литературных данных [32] видно, что применяемый в качестве фильтра мелкопористый фторопласт не позволяет получить нужной скорости фильтрации.
Было разработано устройство [33], состоящее из завихрителя потока и камеры разделения. Реализация данного технического устройства позволяет без использования химического воздействия сократить время отстаивания эмульсии не менее чем в пять раз, тем самым увеличивая производительность и уменьшая габариты камеры разделения.
Зачастую для повышения эффективности процесса механические способы разрушения эмульсии сочетают с химическими. Авторы изобретения [34] пропускали эмульсию через фильтр, сочетая избирательную фильтрацию на олеофильном фильтре в начале и конце процесса с коалесценцией на гидрофильном материале. Для увеличения эффективности разрушения устойчивых мелкодисперсных эмульсий воды на поверхности фильтрующего элемента в углеводородное сырье дополнительно вводили деэмульгаторы.
Известны способы химического разрушения эмульсий введением деэмульгаторов [34-45]. Процесс действия деэмульгаторов на эмульсию сложен и недостаточно изучен. Считается, что обладая большей поверхностной активностью, чем эмульгаторы, деэмульгаторы вытесняют их с поверхностного слоя глобул. Деэмульгатор, адсорбируясь на межфазной поверхности, способствует диспергированию, пептизации или коллоидному растворению эмульсионного слоя. Вытеснив с поверхностного слоя эмульгирующие вещества, деэмульгатор образует адсорбционный слой, не обладающий структурно-механической прочностью. Вытесненные капли дисперсной фазы коалесцируют в более крупные. Для разрушения эмульсий, стабилизированных твердыми частицами, деэмульгатор должен иметь хорошие смачивающие свойства для перевода этих частиц вглубь объема.
Некоторые исследователи считают, что при разрушении эмульсии деэмульгатором происходит обращение фаз, а потому деэмульгаторами являются поверхностно-активные вещества, способные образовывать эмульсию обратного типа по сравнению с той, которую образуют эмульгаторы [42]. Другие убеждены, что деэмульгаторы образуют комплексные соединения с гидрофобными веществами эмульгатора, в следствии чего последние теряют эмульгирующие свойства [43].
Известен способ химического деэмульгирования, отличающийся тем, что вместо равномерного распределения деэмульгатора по всему объему эмульсии достигаемого ее механическим перемешиванием, обеспечивается неравномерное распределение деэмульгатора в объеме эмульсии, способствующее ускорению ее разрушения. Для этого все количество деэмульгатора, рассчитанное на весь объем эмульсии, импульсно вводится в ее первые порции и перемешивается ее вихревым вытекающим потоком, а затем вытесняется в верхние части сосуда последующими порциями эмульсии. Наличие избытка деэмульгатора внутри первых порций эмульсии приводит к быстрому выпадению из нее дисперсной фазы, которая приводят к обращению фаз и быстрому разделению последующих порций эмульсии, протекающих через слой выделенной дисперсной фазы [46]. Недостатком этого способа является периодичность процесса и невысокая производительность.
Известен способ деэмульгирования эмульсии бинарным деэмульгатором, позволяющая купажировать дорогостоящий деэмульгатор с более дешевым [47]. Недостатком этого способа является снижение эффективности разделения эмульсий.
Во всех рассмотренных случаях применение деэмульгаторов не позволяет снизить остаточное содержание эмульсии ниже 0,2% и создает сложности с дальнейшим разрушением деэмульгатора. В некоторых случаях введение деэмульгатора сопряжено с большим расходом реагентов [36].
Метод электрокоалесценции давно и широко используется для обезвоживания и обессоливания нефтей, но лишь в последнее время стал употребляться и для ускорения расслаивания и экстракционных эмульсий в гидрометаллургии. Не существует, однако, принципиальной разницы в этих двух примерах применения электрических полей для указанных целей: в обоих случаях разделяются эмульсии типа «вода в масле», т.е. сплошная фаза является диэлектриком. Это исключает процессы электролиза и позволяет употреблять поля постоянной и большой напряженности, что и обеспечивает успех разделения [48,49].
Общим недостатком данных сепараторов является невозможность перерабатывать в них растворы, при контактировании которых идет интенсивное газовыделение, нарушаюшиее стационарность процесса принудительной коалесценции. Кроме того известно [50], что в случае контактирования в сепараторе двух неравновесных фаз в неподвижном зернистом слое может происходить интенсивный тепло и массобмен.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о привлекательности использования сепаратора с регулярной зернистой загрузкой для снижения остаточного эмульсионного уноса в технологических операциях экстракционной переработки облученного ядерного топлива.
Регенерация экстрагента растворами карбоната натрия в сепараторах разной конструкции
Для варианта "б" важной является высокая удерживающая способность сепарирующего слоя - в межзеренном пространстве Уо.ф.с: Ув.ф.с. 1 (Уо.ф.с. и Ув.ф.с - объемы органической и водной фаз в сепарирующем слое), соответственно отношение скоростей движения фаз в этом слое равно отношению потоков фаз.
Рассмотрим работу сепаратора по схеме "а" при параметрах а=0,025 и пНомин=25 и "симметричном" отклонении текущего значения п от номинального: п=15 для 0,5Vo и, соответственно, п=75 для 0,5Vo. В этом случае Х]=Пі/(1+а п0, х2=п2/(1+а п2), уі=а хі, у2=а х2, уср=(Уі+У2У2.
Проведя соответствующие вычисления для выбранных параметров а и п, получим уср=0,46. При отсутствии колебаний п у=0,38, т.е. приняв в качестве параметра эффективности работы сепаратора уНомин/уСр отмечаем эффективность работы для принятых колебаний п, равную 82%.
Еще большее снижение эффективности отметим при "несимметричных" колебаниях п. При условии п=10для 0,3V0 и п=70 для 0,7Vo (значения аномин и Пномин те же), получим уср=0,3уі+0,7у2=0,51, что соответствует потере эффективности до 74 %.
Предельный случай потери эффективности отвечает ситуации "застоя" водной фазы при больших возвратных потоках (большая длина тракта от СТУ до входного сечения сепаратора, седиментация водной фазы на тракте). Так, при п=2,5 для 0,lVo и п стремящейся к бесконечности для 0,9Vo (движение однофазного потока) уср=0,906, что соответствует снижению эффективности сепаратора до 42%.
Было сделано предположение, что особенности движения потоков фаз в межзеренном слое сепаратора имеют то следствие, что при различной скорости дви жения потоков относительно неподвижный слой водной фазы выполняет функцию «псевдосорбента» для движущейся органической фазы (разумеется, при условии, что обе фазы неравновесны по составу на входе в сепаратор). В этом случае сепаратор (формально - одноступенчатый контактор) может демонстрировать более одной ступени разделения. Для проверки такого предположения было проведено компьютерное моделирование процесса реэкстракции в условиях, при которых эффект «псевдосорбции» должен проявиться в максимальной степени.
При усредненном соотношении потоков О : В = 25 процесс делится на две стадии, первая из которых - «псевдосорбционная» - протекает при О : В = 49, а вторая - разгрузочная - при О : В = 1. Объем водной фазы на каждой из этих стадий равен объему этой фазы в межзеренном слое сепаратора, при этом объемы фаз в межзеренном слое равны: VB = Vo.
Содержание Pu в органической фазе принято равным единице, а равновесный коэффициент распределения а = 0,025, т. е. равновесные концентрации Pu в условиях однократного контакта составляют Св = 15,3846 и Со = 0,3846 (61,5% Pu переходит в водную фазу).
На рис. 7 представлены расчетные изменения усредненных (нарастающим итогом) концентраций Pu в водном (кривая 1) и органическом (кривая 2) потоках после сепаратора (на ординате - отношение этих концентраций к концентрациям после однократного контакта в номинальных условиях, О : В = 25 и а = 0,025) в зависимости от объемов потоков, пропущенных через сепаратор. Объемы представлены в относительных единицах, равных объему порового слоя сепаратора. 1.1 1Л fe 0.9 0.8 0. _B j дн ОТНЄД 2 і 4 6 8 і і, і 10і 0 50 100 150 2С F- отн, ед. орг Рис. 7. Расчетное содержание Pu в выходных потоках сепаратора Кривая 3 (рис. 7) отражает отношение текущего выхода Pu с водным и органическим потоками к текущему поступлению Pu с органическим потоком. Как видно из рисунка, межфазное распределение Pu в сепараторе носит сложный характер, при этом эффект «псевдосорбции» очевиден: только после 25 циклов работы сепаратора с «псевдосорбционной» и «разгрузочной» стадиями в каждом цикле соотношение выхода и входа Pu на сепараторе приближается к единице.
Очевидно, что преобладающая часть Pu аккумулируется в водной фазе сепаратора и может быть удалена небольшим объемом свежего водного раствора. Процесс демонстрирует существенно большую эффективность по сравнению с однократным контактом, среднее содержание Ри в отработанных потоках выше (в водном потоке) и ниже (в органическом потоке) равновесного при однократном контакте. 20 30 40 орг Г Рис. 8. Расчетное текущее содержание Ри в выходных потоках сепаратора (фаза «псевдосорбции»). X и Y - относительное содержание Ри в водной и органической фазах соответственно.
На рис. 8 представлены расчетные текущие значения концентраций Ри в водной и органической фазах на выходном сечении сепаратора при протекании одной из «псевдосорбционных» стадий процесса (О : В = 49). Как видно из рисунка, при масштабе ординат у/х = а обе зависимости описываются одной кривой, при этом преобладающая часть кривой (и соответствующий этой части объем органического потока) располагается ниже горизонтали, соответствующей равновесным концентрациям однократного контакта.
Таким образом, работа сепаратора в режиме подачи на сепарирующий слой неравновесных потоков с установлением равновесия в сепарирующем слое приводит к эффекту «псевдосорбции», роль которого повышается с ростом соотношения потоков на входе в сепаратор.
Природа этого эффекта такова, что он реализуется при любых отклонениях соотношения потоков на входе в сепаратор от номинального.
Расчеты показывают возможность управления этим процессом. Для проверки приведенных расчетов требуются эксперименты на укрупненном макетном аппарате, на котором возможна точная дозировка потоков при их соотношении О : В = 100 и более.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что при оптимизации движения потоков, сепаратор - массообменный аппарат для систем жидкость - жидкость, демонстрирует качества многоступенчатого массообменного аппарата, работающего при недоступных для других экстракторов соотношениях потоков и при исключении эмульсионного уноса.
Динамика движения органического и водного потоков в сепараторе
На первом этапе работы решалась задача принципиальной организации процесса водной сепарационной регенерации экстрагента на основе 30 % трибутил фосфата в технической смеси н-парафинов C12-Q4 (РЭД-3), включавшая выбор способа подачи регенерирующего раствора в сепаратор (в виде отдельного потока или в виде эмульсии с экстрагентом) и типа конструкции сепаратора.
Сопоставлялись два варианта аппарата - сепаратор с нижней камерой разделения и сепаратор с верхней камерой разделения для ведения процесса регенерации, соответственно, в нисходящем (подача растворов на зеркало насадки) или восходящем (подача растворов под слой насадки) водно-органическом потоке.
Способ орошения насадки (рис. 11) был выбран по результатам предварительных экспериментов. Экстрагент, содержащий 970 мг/л дибутилфосфорной кислоты, и 5 % раствор карбоната натрия подавались на сепараторы раздельно, без предварительного эмульгирования с соотношением потоков 0:В = 10:1 (капельное орошение насадки).
При нагрузке по сумме потоков 2,5 м /(м ч) остаточная концентрация ДБФК в органической фазе из сепаратора с НКР составила 490-510 мг/л. Коэффициент распределения (ХДБФК равен 0,05. Для сепаратора с ВКР ОЦБФК составил 0,038. С понижением нагрузки до 1,2 м3/(м2ч) (в 2 раза) без изменения соотношения подаваемых потоков коэффициент распределения уменьшился до 0,018-0,022 (извлечение ДБФК 60-65 %). Регенерация экстрагента в режиме капельного орошения насадки оказалась малоэффективной, поэтому в
1 Здесь и далее - коэффициент распределения, реализуемый в эксперименте дальнейшем применяли эмульсионное орошение с помощью эмульгирующего сопла.
Задачей данного этапа исследований являлось экспериментально-расчетное определение оптимального перепада высот перетоков фаз (Ah=hoP-hB), обеспечивающего стабильное саморегулирование высоты границы раздела фаз в пределах видимой области КР (пкра - от 6 до 116 мм) при работе на растворах соды с диапазоном концентраций от 0,5 до 10 %вес и на воде (при промывке сепаратора). На обечайку камеры разделения была помещена вертикальная измерительная шкала (в мм) для замера высоты ГРФ и hop при изменяемой высоте органического перетока. фаз для сепаратора с верхней камерой разделения 1- камера разделения сепаратора, 2- рабочая камера сепаратора, 3- переток водной фазы, 4- переток органической фазы, Пкра - видимая область КР (ПО мм), hjcpe - видимая + нижняя скрытая область КР (116 мм), hop- высота перетока органической фазы (var), hB- высота перетока водной фазы (146 мм - const), пфф-высота ГРФ. Расчетную (ожидаемую) высоту ГРФ (п ф) определяют по уравнению, полученному исходя из принципа сообщающихся сосудов (hi-pi= h2p2): hB-Ap-Ahp0o Пгрф Ар где Ар - разность плотностей выходящих водной и органической фаз (Ар=рВф -РОФ) при hB= const (146 мм), hop=var. Графическим построением зависимости расчетной величины Ь ф от рВф при РОФ=0,82 г/см была найдена оптимальная область значений перепада высот перетоков Дп=20-н28 мм.
Измерение Пгрф (с точностью ± 0,01мм) при работе сепаратора на содовых растворах с концентрацией от 0,5 до 10 % вес. и воде проводили в зависимости от задаваемой (изменением высоты органического перетока) величины Ah и разности плотностей выводимых фаз (Ар) при условии РОФ =const, рВф =const (стационарный режим работы).
При сопоставлении экспериментальных и расчетных значений высоты ГРФ, приведенных в таблице 2, наблюдается их некоторое расхождение ( 4 % отн.), вызванное, по-видимому, даже незначительной погрешностью в изначальном определении hB (0,3 % отн.) и, возможно, гидродинамическим сопротивлением перетока ОФ из-за вязкости экстрагента.
Из полученных результатов следует отметить, что чем больше перепад высот перетоков (Ah), тем значимей становится зависимость h от изменения плотности водной фазы (т.е разности плотностей фаз Ар). С повышением Ah от 24 до 28 мм разность между максимальными и минимальными значениями h при переходе от РВФ=1,09 г/см3 (работа на 10 %-ом растворе соды) к РВФ=0,996 г/см (работа на воде) возрастает с 32,3 мм до 38,8 мм.
Оптимизация технологических параметров процесса концентрирующей восстановительной реэкстракции Ри в сепараторе методом математического моделирования
В экстракционной технологии переработки облученного ядерного топлива одной из ключевых операций является извлечение плутония из уран-плутониевого экстракта в водный раствор (совместное или раздельное). Для извлечения плутония из урана-плутониевого или плутониевого экстракта в водный поток применяют процесс восстановительной или комплексующей реэкстракции с использованием различных восстанавливающих (урана(ІУ), железа (II), гидразина, гидроксиламина) и (или) комплексующих (диэтилентроаминпентауксусной кислоты или ее натриевой соли (ДТПУ, ДТПА), серной кислоты, карбамида) реагентов.
В экстракционной технологии (первом экстракционном цикле) для этих целей применяют процесс восстановительной реэкстракции плутония раствором U (IV) в смеси с гидразином и ДТПА. В водном растворе после восстановительной реэкстракции Ри, проводимой в каскаде смесителей-отстойников, содержание плутония невысоко и составляет не более 5-7 г/л при кратности концентрирования 5-8. Это порождает определённые издержки (экономического и эксплуатационного характера), связанные с увеличением расхода реагентов, возрастанием количества жидких радиоактивных отходов, содержащих плутоний и подлежащих переработке.
Возможности экстракционных аппаратов по концентрированию плутония за счет сжатия реэкстрагирующего потока ограничены. Как правило отношение потоков на операции реэкстракции плутония не превышает О:В=10:1. Повышение кратности концентрирования в результате перехода к 0:В (15-20): 1 может приводить (даже в многоступенчатом экстракторе) к разбалансировке процесса за счет эмульсионного уноса водной фазы (крепкого плутониевого раствора) с урановым экстрактом, неполноте реэкстракции плутония и нарушению стабильности работы экстракторов при малом потоке водного раствора.
Результаты экспериментального изучения сепаратора как аппарата для массообменных процессов показали, что сепаратор способен обеспечивать высокую эффективность экстракционного массообмена и полное разделение органической и водной фаз [67-69]. В отличие от смесителя-отстойника с присущим ему фактором эмульсионного уноса фаз, применение сепаратора на операции реэкстракции плутония позволит выдерживать высокий уровень соотношения потоков растворов и, соответственно, получать более концентрированный реэкстракт по плутонию, обеспечивая при этом полное разделение фаз.
Модельный сепаратор как реэкстрактор плутония прошел технологическую проверку на процессе комплексующей реэкстракции плутония карбамидом из реального уран-плутониевого технецийсодержащего экстракта первого экстракционного цикла завода РТ-1 [67]. В качестве загрузки в сепараторе использовали сорбент АВ-17 (для сорбционного извлечения технеция). В стационарном режиме процесса при О:Висх«30:1 были получены реэкстракты Ри с концентрацией 12-13 г/л, содержавшие 107-125 г/л урана. Выход плутония в реэкстракт составил до 54 % при кратности концентрирования - 11. Извлечение Тс в сорбент достигало 53 %. При этом коэффициент очистки урана (в экстракте) от суммы у-активных продуктов деления составил 2, в том числе: от сурьмы 4,9; от рутения 1,5, от тория 3,1; от протактиния более 3,2. Несмотря на подачу исходных растворов в виде 3-4 % водной эмульсии, разделение фаз в сепараторе было полным.
В экстракционной технологии процесс восстановительной реэкстракции плутония более эффективен, чем реэкстракция комплексообразователем т.к. восстановительный процесс менее чувствителен к наличию конкурентных комплексообразователей в органической фазе. Сепаратор, применявшийся для реэкстракции плутония, имел нижнюю камеру разделения фаз и не был приспособлен для экстракционного массообмена, протекающего с газообразованием (восстановительная реэкстракция плутония), т. к жидкие и газовый потоки в рабочей камере сепаратора будут противодействовать движению друг друга, результатом чего становится образование газовых «пробок» в сепарирующем слое.
Целью выполненного комплекса работ являлось: 1. Исследование закономерностей протекания массообменных процессов в сепараторах применительно к операции реэкстракции плутония в зависимости от технологических параметров и конструкционных особенностей сепаратора. 2. Разработка конструкции сепаратора для реализации процесса экстракционного массообмена в условиях газообразования. 3. Исследование процесса восстановительной реэкстракции плутония в сепараторе при высоком соотношении потоков и выбор реэкстрагирующей системы. 4. Технологическая проверка восстановительной реэкстракции плутония с высокой степенью концентрирования в условиях образования газовой фазы в межзеренном объеме насадки сепаратора. 5. Разработка исходных данных на проектирование массообменных сепараторов для процессов концентрирующей восстановительной реэкстракции плутония и щелочной регенерации экстрагента применительно к экстракционной переработке ОЯТ.
