Способ экстракционной переработки урансодержащих растворов
Изобретение относится к экстракционным процессам и может быть использовано в технологии переработки ядерного топлива АЭС, обогащенного урана, урансодержащих возвратных изделий, отходов и оборотов. Способ включает экстракцию урана растворами трибутилфосфата (ТБФ) в углеводородном разбавителе и реэкстракцию урана растворами с содержанием карбамида 60-400 г/л. При этом температура проведения процесса реэкстракции и отношение потока органического раствора к потоку реэкстрагирующего раствора выбираются из условий: t (°С) > -0,576 (Yu
N) - 0,316-2,618
(Yн
N)2,114 - 2,835
Хк-1,091+8,844
(Yu
N)1,147
(Yн
N)-0,566 + 1,410
(Yu
N)3,497Хк0,986 + 11,045
(Yн
N)1,619
Xк0,188 - 8,880; N
1+11,312
Yн2,471 - 0,941
Yu0,641 + 0,446
Xк1,296, где t - температура проведения процесса реэкстракции, °С, N - отношение потока исходного органического раствора к потоку исходного реэкстрагирующего раствора; Yu - содержание урана в экстракте, моль/л; Yн - содержание азотной кислоты в экстракте, моль/л; Хк - содержание карбамида в реэкстрагирующем растворе, моль/л. Способ позволяет исключить образование в реэкстрактах урана осадков азотнокислого карбамида, увеличить содержание урана в реэкстрактах при соответствующем уменьшении их объема. 4 табл.
Изобретение относится к экстракционным процессам, в частности к экстракционной переработке урансодержащих растворов, и может быть использовано в технологии переработки ядерного топлива АЭС (атомной электростанции), обогащенного урана, урансодержащих возвратных изделий, отходов и оборотов.
Известен способ экстракционной переработки ядерного топлива с применением в качестве экстрагента 30 об.% ТБФ (трибутилфосфата) в углеводородном разбавителе, где реэкстракцию урана осуществляют 0.05-0.1 моль/л раствором азотной кислоты при температуре 60-70oC [Громов Б.В., Савельева В.И., Шевченко Б. В. Химическая технология облученного ядерного топлива.- М.: Энергоатомиздат, 1983, с.351]. Недостатками данного способа являются: - необходимость применения на стадии реэкстракции относительно большого потока реэкстрагирующего раствора (отношение потока органического раствора к потоку водного N= 1:(1-1.1), вследствие чего содержание урана в реэкстрактах не превышает 100 г/л; - наличие значительного объема водного раствора, выходящего из блока реэкстракции урана, требует при дальнейшей его переработке и утилизации емкостного оборудования относительно больших габаритов и повышенного расхода реагентов. Применение процесса упаривания реэкстрактов урана усложняет аппаратурное оформление процесса переработки урансодержащих растворов за счет введения в технологическую схему выпарного узла, увеличивает численность обслуживающего персонала, приводит к накоплению в упаренном реэкстракте продуктов термического разложения экстрагента, присутствующего в водном растворе как в растворенном состоянии, так и в виде отдельной высокодисперсной органической фазы (микроуноса), что создает опасность возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций и отрицательно влияет на процессы дальнейшей переработки упаренных реэкстрактов урана. Известен способ переработки урансодержащих растворов, по которому реэкстракцию урана осуществляют 10 мас.% раствором карбоната аммония [Громов Б.В. , Савельева В.И., Шевченко Б.В. Химическая технология облученного ядерного топлива.- М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 351]. Недостатками применения раствора карбоната аммония в качестве реэкстрагирующего раствора являются: - возможность образования осадков в карбонатных растворах, обусловленная ограниченной растворимостью карбонатных комплексов урана, в результате чего содержание урана в реэкстрактах не превышает 10-12 г/л; - газовыделение при контакте раствора карбоната аммония с органическим раствором, содержащим азотную кислоту. Известны способы реэкстракции урана, где возможно использование водных растворов щавелевой, уксусной, фосфорной, серной или муравьиной кислот [Громов Б.В., Савельева В.И., Шевченко Б.В. Химическая технология облученного ядерного топлива. -М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 167, патент Франции N 2212610, кл. G 21 С 19/42, публ. 1974]. Применение серной кислоты позволяет получать достаточно концентрированные растворы урана на операции реэкстракции, но высокая коррозионная способность ее по отношению к стали 12Х18Н10Т исключает ее применение в технологических схемах переработки азотнокислых растворов урана. Кроме того, возникают определенные трудности при дальнейшей переработке реэкстрактов, содержащих сульфат-ион. Применение уксусной, муравьиной, фосфорной и щавелевой кислот ограничивается либо низкой растворимостью соответствующих комплексов урана (фосфорная и щавелевая кислоты), либо низкой комплексующей способностью их по отношению к урану в азотнокислых растворах (муравьиная и уксусная кислоты). Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу является способ экстракционной переработки урансодержащих растворов, где реэкстракцию урана осуществляют водными растворами с содержанием карбамида 60-400 г/л; содержание карбамида в реэкстрагирующем растворе и отношение потока органического раствора к потоку реэкстрагирующего раствора выбирают из условий: CK/YU![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
N - отношение потока органического раствора к потоку реэкстрагирующего раствора
[Патент Российской Федерации N 2114469, кл. G 21 F 9/06, G 21 C 19/00, публ. 1998 (прототип)]. Недостатком данного способа реэкстракции является возможность образования осадков при реэкстракции из экстрактов с высоким содержанием азотной кислоты, например, при низком насыщении экстракта ураном и отсутствии промывки экстракта. В этом случае также снижается эффективность процесса реэкстракции урана в результате комплексообразования карбамида с азотной кислотой и снижения его эффективной концентрации. Оба фактора ограничивают соотношение потоков органического и реэкстрагирующего растворов величиной, определяемой выражениями (1, 2), что в результате приводит к увеличению потока реэкстрагирующего раствора, а следовательно, и к снижению урана в реэкстракте. Задачей изобретения является исключение образования осадков азотнокислого карбамида в реэкстрактах урана при содержании в них азотной кислоты выше значений, определяемых выражением (2) при условии максимально возможного содержания в них урана (отношения потока органического раствора к потоку реэкстрагирующего). Решение данной задачи достигается тем, что в экстракционной схеме переработки урансодержащих растворов, включающей экстракцию урана раствором ТБФ в углеводородном разбавителе, реэкстракцию урана растворами с содержанием карбамида 60-400 г/л (1-6.67 моль/л), температуру проведения процесса реэкстракции и отношение потока органического раствора к потоку реэкстрагирующего выбирают из условий:
t(oC) >-5,76
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
N
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где t - температура проведения процесса реэкстракции, oC;
N - отношение потока исходного органического раствора к потоку исходного реэкстрагирующего раствора;
YU - содержание урана в экстракте, моль/л;
YH - содержание азотной кислоты в экстракте, моль/л;
XK - содержание карбамида в реэкстрагирующем растворе, моль/л. Влияние температуры, азотной кислоты, урана и карбамида в растворах на образование осадков азотнокислого карбамида исследовали в термостатированных колбах при постоянном перемешивании раствора механической мешалкой с электрическим приводом. Температуру растворов измеряли ртутным лабораторным термометром с ценой деления 0.1oC и диапазоном температур (0-100)oC. Исследования системы в области температур кристаллизации из растворов азотнокислого карбамида выше 25oC проводили путем нагрева растворов на водяной бане до температуры растворения осадков с последующим охлаждением растворов и фиксацией температуры начала кристаллизации. Исследование системы в области температур кристаллизации из растворов азотнокислого карбамида ниже 25oC проводили путем охлаждения растворов с помощью талого снега и фиксацией температуры начала кристаллизации и растворения осадков. За начало кристаллизации из растворов азотнокислого карбамида принималось появление отдельных частиц осадка (табл. 1). Влияние содержания урана и азотной кислоты в экстракте, карбамида в реэкстрагирующем растворе на отношение потока органического раствора к потоку реэкстрагирующего и остаточное содержание урана в оборотном экстрагенте при максимально возможном его концентрировании в реэкстракте урана исследовали на семи реэкстракционных ступенях эжекционно-струйного типа с КПД ступени, равной 95%. Реэкстракцию проводили при температурах выше температур кристаллизации азотнокислого карбамида (табл.2). Математическая обработка данных табл. 1, 2 позволила получить выражения, описывающие концентрационно-температурную зависимость кристаллизации азотнокислого карбамида в системах UO2(NO3)2 - (NH2)2CO - HNO3 - H220 и отношения потоков органических растворов к потокам реэкстрагирующих растворов в зависимости от содержания урана и азотной кислоты в органических растворах, карбамида в реэкстрагирующих растворах, при которых в азотнокислых растворах урана исключается образование осадков азотнокислого карбамида и достигается максимально возможное концентрирование урана в реэкстрактах при остаточном содержании его в оборотном экстрагенте 0,15 мас.% и менее от содержания в экстракте:
t(oC) = -0,576
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
N=1+11,312
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Пример 1
Имитация противоточной реэкстракции урана. Экстрагент - 30 об.%. ТБФ в углеводородном разбавителе с различным насыщением ураном и азотной кислотой. Реэкстрагирующий раствор, содержащий 5 моль/л карбамида и 0.01 моль/л азотной кислоты. Реэкстракционных ступеней - 7 (эжекционно-струйные пульсационные смесители-отстойники с КПД ступени, равным 95%). В табл. 3 приведены усредненные данные (по 3 отобранным пробам после выхода установки на стационарный режим работы) по содержанию урана, азотной кислоты в реэкстрактах урана и урана в оборотном экстрагенте. При проведении процесса реэкстракции урана при температурах выше температур кристаллизации азотнокислого карбамида осадков его в реэкстрактах урана не наблюдалось. Остаточное содержание урана в оборотном экстрагенте составило 0.03-0.07 мас. % от содержания его в исходном органическом растворе, а выход урана в реэкстракт - более 99.9 мас.%. При проведении процессов реэкстракции урана по способу прототипу при содержании урана и карбамида в исходном и реэкстрагирующих растворах, а также их потоках, аналогичных приведенным в примере 1, в условиях последних двух опытов, но при температурах проведения процессов в интервале (18-25)oC на первых ступенях реэкстракционного блока наблюдалось образование осадков азотнокислого карбамида. Максимальная температура проведения процесса реэкстракции ограничивается температурой вспышки компонентов органического раствора. Незначительные отклонения в потоках органического и водного растворов, а также содержания карбамида в реэкстрагирующем растворе выше регламентируемого выражением (4) приводит к резкому увеличению содержания урана в оборотном экстрагенте (табл. 4), уменьшению содержания урана в реэкстрактах, увеличению содержания урана в карбонатных промывках экстрагента, что может привести к образованию в них осадков карбонатных соединений урана.
Формула изобретения
t(°С)>-0,576
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
N
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где t - температура проведения процесса реэкстракции, °С;
N - отношение потока органического раствора к потоку реэкстрагирующего;
Yu - содержание урана в экстракте, моль/л;
Yн - содержание азотной кислоты в экстракте, моль/л;
Хк - содержание карбамида в реэкстрагирующем растворе, моль/л.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5