Курсовая работа: Экстракция и реэкстракция урана

Раздел 1. Технологическая часть
Использование экстракции в технологии урана. Мировой опыт.
Экстракция урана — это процесс извлечения его из бедных водных растворов с отделением его от сопутствующих элементов в органическую фазу, не смешивающуюся с водой. Применение экстракции позволяет осуществить непрерывный высокопроизводительный технологический процесс, проводимый в сравнительно простых аппаратах.
К физическим аспектам экстракции относятся в основном диспергирование двух фаз при смешении, характеристика образующихся капель, скорость и полнота разделения фаз или коалесценция.
На скорость массопереноса через границу фаз наряду с другими факторами влияет распределение капель по их размерам или величина межфазной поверхности. Размеры капель в свою очередь зависят от способа перемешивания и типа смесителя, поверхностного натяжения и плотности двух фаз. При прочих равных условиях, чем мельче капли, тем выше скорость массопереноса. Однако с увеличением дисперсности капель требуется большее время коалесценции и, следовательно, больший размер отстойника. Кроме того, с уменьшением размеров капель дисперсной фазы поведение их все более и более приближается к поведению жестких сфер и скорость массопереноса уменьшается. Таким образом, выбор экстракционного оборудования определяют кинетика системы и необходимые условия диспергирования и коалесценции. Например, для систем с малой скоростью массопереноса требуется большее диспергирование, и в данном случае наиболее подходящим может быть смеситель-отстойник. В противоположность этому системы с высокой скоростью массопереноса открывают более широкие возможности для выбора оборудования. Скорость массопереноса будет также зависеть от соотношения фаз и выбора сплошной фазы.
В атомной энергетике, более чем в других отраслях промышленности, используются экстракционные процессы для разделения металлов и их извлечения из руд. В атомной промышленности впервые были использованы многие экстрагенты, которые впоследствии стали применять для извлечения других металлов: сложные полиэфиры, кетоны, фосфорорганические соединения и длинно-цепочные амины. Эти экстрагенты применяли для извлечения урана, плутония и продуктов деления. На рис.1.1.1 представлены кривые, отражающие рост количества заводов урановой промышленности, где применяются экстракционные процессы.
/>
Рис.1.1.1 Рост производства и переработки урана с применением экстракции: 1 — извлечение из руды; 2 — вторичная переработка; 3 — перечистка.
В 1942-1953 гг. при рафинировании урана применяли экстракцию нитрата уранила эфиром. С 1953 г. этот экстрагент заменили ТБФ, который применяется до сих пор. Для извлечения урана из руд экстракцию применяют с 1955 г., используя вначале Д2ЭГФК, а с 1957 г. вторичные и третичные амины (в последние годы).
Процесс экстракции аминами был разработан в Окриджской национальной лаборатории. Он известен как процесс Атех. Третичные амины селективно извлекают уран в присутствии таких примесей, как железо, торий, фосфаты и редкие земли. Процесс Dapex с применением Д2ЭГФК был использован первоначально для извлечения урана из руд. Однако, экстрагент Д2ЭГФК менее селективен по отношению к урану в присутствии примесей, таких как окисное железо и редкоземельные металлы.
При экстракции аминами селективность экстракции зависит от типа амина. Для третичных аминов отмечается более высокое насыщение по сравнению с вторичными аминами (рис.1.1.2)
/>
Рис.1.1.2 Влияние структуры амина на степень насыщения и рН = 1,0 ураном (/>) при концентраций />, равной 0,5 М, 1 — первичный амин; 2 — вторичный амин; 3 — 4 моля на 1 моль урана; 4 — 6 молей на 1 моль урана.
На рис.1.1.3 и 1.1.4 показано влияние рН на экстракцию вторичными и третичными аминами
/>
Рис.1.1.3 Влияние pH на экстракцию урана (/>) вторичным амином 9D-178 при концентрации/>, равной 0,5 М.
/>
Рис.1.1.4 Влияние концентрации сульфата на экстракцию урана (/>) третичным амином при pH = 1
Для реэкстракции можно использовать нитраты и хлориды, но они прочно связываются с аминами и с трудом замещаются ураном при последующей экстракции. Хлориды или нитраты применимы только тогда, если перед экстракцией и после реэкстракции органический раствор промывают карбонатом натрия или едким натром. Процесс Атех с применением аминов наиболее широко применяется для извлечения урана из продуктов переработки руд. Это связано главным образом с лучшей селективностью по сравнению с процессом Dapex, в котором используются алкилфосфаты. Возможность экстракции других металлов совместно с ураном в зависимости от рН и концентрации экстрагента иллюстрирована на рис.1.1.5 и 1.1.6
/>
Рис.1.1.5 Влияние концентрации Д2ЭГФК на экстракцию различных металлов при рН водного раствора, равном 1,0
/>
Рис.1.1.6 Влияние рН водной фазы на значенияЕ для различных металлов (экстрагент — 0,1 М раствор Д2ЭГФК)
Уран из его руд можно перевести в раствор с помощью различных выщелачивающих агентов, но применяются главным образом серная кислота и карбонат натрия. В последнее время используют также карбонат аммония и (по крайней мере, на одном заводе) азотную кислоту. Для щелочных растворов не найден удовлетворительный экстрагент, способный извлекать уран в присутствии больших количеств солей и при высоких рН. Однако после выщелачивания карбонатными соединениями получают хороший продукт осаждения урана каустиком или аммиаком. Продукт осаждения обычно содержит 70-75% />.
Рассмотрена только экстракционная перечистка сернокислотных растворов после выщелачивания руды. Раствор после выщелачивания содержит до нескольких граммов урана в литре, поэтому методы выделения и концентрирования ионным обменом или экстракцией наилучшим образом соответствуют такой ситуации.
Осуществляются и тот и другой процессы, но наиболее был распространен ионный обмен. В конце 1950-х годов он стал вытесняться процессами экстракции. На новом заводе экстракция может быть дешевле ионного обмена, но для очень разбавленных растворов с концентрацией урана ~ 0,1 г/л или для растворов, содержащих такие примеси, как молибден, метод ионного обмена может оказаться предпочтительным. В некоторых случаях возможно сочетание этих технологических процессов. При максимальном объеме производства урана в период с 1950 до 1960 гг. процессы экстракции применялись на ~20 заводах. К концу 1970 г. во всем мире появилось много новых заводов, работающих по экстракционной технологии.
На некоторых предприятиях извлекают уран из растворов после выщелачивания экстракцией раствором Д2ЭГФК в керосине. В качестве модификатора в раствор добавляют ТБФ, и смесь двух фосфорорганических реагентов оказывает синергетное действие на экстракцию. Перед экстракцией железо в растворе восстанавливают до двухвалентного, чтобы предотвратить его экстракцию вместе с ураном.
Уран извлекают из органической фазы реэкстракцией 10% -ным раствором соды.
Затем реэкстракт подкисляют серной кислотой, и осаждают уран аммиаком.
Фирма «Cotter Corporation» для экстракции урана и отделения его от кобальта и никеля использует 5% -ный раствор Д2ЭГФК в керосине, содержащем 5% изодеканола в качестве модификатора. Экстракцию ведут в четыре ступени. Уран реэкстрагируют карбонатом натрия. Схема представлена на рис.1.1.7
/>
Рис.1.1.7 Схема получения урана, разработанная «Cotter Corporations» Л — экстракция, Б — реэкстракция, В — раствор для реэкстракции,Г — извлечение экстрагента,Д — экстрагент, Е — рафинат,Ж — реэкстракт, Я — осаждение урана,К — фильтрация,JI — сушка, М — фильтрация, И — буферная емкость, О — отстаивание, Л — фильтрация, Р — сушка, С — осветленный раствор, Т — фильтрат на осаждение никеля и кобальта
Схема типичного Dapex — процесса представлена на рис.1.1.8.
/>
Рис.1.1.8 Схема получения урана на заводе фирмы "Kerr — Me Gee":