萬 強(qiáng)，諸方平，譚星星

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000)

核燃料元件生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一些含鈾廢料，主要包括不同富集度的廢芯塊、廢UO2粉末、廢U3O8粉末及氧化料、磨削渣、堿渣、灰渣、地溝泥等。某元件廠對廢料的處理方法是將廢料氧化焙燒、溶解，然后經(jīng)萃取、沉淀、還原等制成合格UO2粉末，其中的萃取工序很關(guān)鍵。目前所用的萃取純化設(shè)備是混合澄清器，但這種設(shè)備存在一些問題有待進(jìn)一步優(yōu)化：1)設(shè)備材料要求很高，壽命短；2)生產(chǎn)方式為敞開式，現(xiàn)場環(huán)境不好，存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。因此，有必要研制一種操作簡便、密閉且生產(chǎn)成本較低的新型設(shè)備加以替代。

鈾的液-液萃取工藝中，用TBP萃取硝酸鈾酰[1-2]是經(jīng)典流程，萃取設(shè)備主要有混合澄清槽、萃取塔、離心設(shè)備[3]等。轉(zhuǎn)盤塔[4-5]在石油、有色冶金及制藥等行業(yè)應(yīng)用較廣[6-7]。轉(zhuǎn)盤塔各級間設(shè)置擋板，可減少軸向混合度，提高傳質(zhì)效率[8]，可在較小轉(zhuǎn)盤直徑下獲得較高萃取率[9]，可滿足濃縮鈾過程中對塔內(nèi)徑的嚴(yán)格限制。試驗(yàn)研究了偏心轉(zhuǎn)盤塔在鈾的萃取純化[10-11]方面的應(yīng)用可行性，并確定相應(yīng)的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 偏心轉(zhuǎn)盤塔

試驗(yàn)用偏心轉(zhuǎn)盤塔的材質(zhì)為316L，可以耐TBP、煤油和硝酸腐蝕，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 偏心轉(zhuǎn)盤塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 偏心轉(zhuǎn)盤塔裝置結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗(yàn)原料

有機(jī)相：30%磷酸三丁酯-煤油；

反萃取劑：純水；

原料液：廢芯塊溶解液(鈾質(zhì)量濃度128 g/L，酸度3.2 mol/L)，堿渣浸出液(鈾質(zhì)量濃度128 g/L，酸度3.2 mol/L)。2種溶液的雜質(zhì)組成見表2。

表2 2種溶液的雜質(zhì)組成

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如圖2所示。水相和有機(jī)相分別通過輸送泵從萃取段接口進(jìn)入轉(zhuǎn)盤塔，在密度差及轉(zhuǎn)盤、擋板作用下，兩相交替螺旋狀逆向流動。兩相受到轉(zhuǎn)盤剪切力的作用而破碎，然后進(jìn)入澄清段再聚合，液滴表面不斷更新，推動傳質(zhì)進(jìn)行。最終水相在塔底澄清分層后連續(xù)排出，有機(jī)相從塔頂連續(xù)排出。系統(tǒng)穩(wěn)定后，分別取萃余水相和飽和有機(jī)相分析其中鈾質(zhì)量濃度，計算鈾萃取率。

1、7—金屬流量計；2、8—料液輸送泵；3—原料液貯槽；4—萃余相貯槽；5—偏心轉(zhuǎn)盤塔；6—萃取相貯槽；9—TBP貯槽。圖2 偏心轉(zhuǎn)盤塔試驗(yàn)流程示意

在不同轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)和通量條件下，測定萃余液組成，考察各因素對轉(zhuǎn)盤塔萃取效果的影響。轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)Re表達(dá)式[12]為

(1)

式中:d—轉(zhuǎn)盤直徑，m；n—轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min；ρc—連續(xù)相密度，kg/m3；μc—連續(xù)相黏度，Pa·s。

1.4 試驗(yàn)方法

堿渣浸出液組成相對復(fù)雜，考慮成本和效率，先針對廢芯塊溶解液進(jìn)行試驗(yàn)，然后再對堿渣浸出液進(jìn)行試驗(yàn)。

萃取時，有機(jī)相為連續(xù)相，水相為分散相；反萃取時，純水為連續(xù)相，飽和有機(jī)相為分散相。連續(xù)相與分散相相比為1.2/1。

按式(1)計算轉(zhuǎn)速n對應(yīng)的Re，見表3。

表3 轉(zhuǎn)盤塔轉(zhuǎn)速n對應(yīng)的Re

1)萃取試驗(yàn)方法

先往塔內(nèi)注入有機(jī)相至水相加液口，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為設(shè)定值，調(diào)節(jié)有機(jī)相流量為12 L/h，原始水相流量為10 L/h。當(dāng)有機(jī)相流出時，取萃余水相和飽和有機(jī)相分析鈾質(zhì)量濃度。萃余水相取樣3個， 每隔1 h取樣1次；飽和有機(jī)相樣取樣3個，每隔1 h取樣1次。取樣后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；1 h后，再次取樣。

在最佳轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)條件下，調(diào)節(jié)通量在22～88 L/h 之間，控制有機(jī)相與原始水相體積比為1.2/1 不變。當(dāng)有機(jī)相流出時，取萃余水相和飽和有機(jī)相分析鈾質(zhì)量濃度，計算萃取率。

2)反萃取試驗(yàn)方法

先往塔內(nèi)注入純水至加液口，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為設(shè)定值，調(diào)節(jié)純水流量為12 L/h，飽和有機(jī)相流量為10 L/h。 當(dāng)有機(jī)相流出時，取反萃取水相和貧有機(jī)相分析鈾質(zhì)量濃度。反萃取水相取樣3個，每隔1 h 取樣1次；貧有機(jī)相樣取樣3個，每隔1 h取樣1次。取樣后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；1 h后，再次取樣。

在最佳轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)條件下，調(diào)節(jié)通量在22～88 L/h 之間，控制純水與飽和有機(jī)相體積比為1.2/1 不變。當(dāng)有機(jī)相流出時，取反萃取水相和貧有機(jī)相分析鈾質(zhì)量濃度，計算反萃取率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 廢芯塊溶解液的萃取

2.1.1 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)的影響

2.1.1.1 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對萃取的影響

轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)直接影響分散相液滴的粒徑，從而影響相際傳質(zhì)面積。V(有機(jī)相)/V(水相)=1.2/1、 通量為55 L/h條件下，轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對萃取的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對萃取的影響

由圖3看出，隨轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)增大，鈾萃取率提高。轉(zhuǎn)盤所形成的徑向環(huán)流剪切力不斷增大，液滴被進(jìn)一步分散，單位質(zhì)量分散相所形成的液滴數(shù)增多，兩相接觸傳質(zhì)表面積增大，傳質(zhì)效率提高。隨雷諾數(shù)增大到一定水平后，液滴已很小，不易再被進(jìn)一步破碎，鈾萃取率相對提高幅度不大，但沒有出現(xiàn)乳化現(xiàn)象。這說明偏心萃取塔在結(jié)構(gòu)上具有優(yōu)勢，正常操作范圍更寬?？紤]試驗(yàn)塔機(jī)械方面的原因，轉(zhuǎn)速只提高到555 r/min，更高轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)沒有進(jìn)行。雷諾數(shù)再繼續(xù)增大，所形成液滴直徑會過小，從而發(fā)生夾帶，甚至乳化現(xiàn)象，綜合考慮，確定適宜的轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)為13 824，對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為555 r/min。

2.1.1.2 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對反萃取的影響

V(水相)/V(貧有機(jī)相)=1.2/1、通量為55 L/h， 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對反萃取的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對反萃取的影響

由圖4看出，轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)對反萃取的影響與對萃取的影響趨勢基本一致。一般情況下，有機(jī)相黏度大于水相黏度，轉(zhuǎn)盤對有機(jī)相的破碎效果差于對水相的破碎效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，反萃取率為97.6%時，雷諾數(shù)為23 128，此時未出現(xiàn)乳化現(xiàn)象。綜合考慮，確定轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)以23 128為宜，對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為555 r/min。

2.1.2 通量的影響

2.1.2.1 通量對萃取的影響

兩相在塔內(nèi)的通量直接影響兩相的傳質(zhì)與分離程度，也影響生產(chǎn)效率及生產(chǎn)能力。一次萃取后，萃余水相中鈾質(zhì)量濃度還較高，故須進(jìn)行二次萃取。在V(有機(jī)相)/V(水相)=1.2/1、轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)13 824條件下，通量對萃取的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 通量對萃取的影響

由圖5看出，在一、二次萃取中，鈾萃取率均隨通量減小而提高：通量由88 L/h降至66 L/h，鈾萃取率提高明顯；通量由66 L/h降至22 L/h，鈾萃取率提高幅度不大，表明萃取已趨于穩(wěn)定。綜合考慮，確定適宜通量為66 L/h，即有機(jī)相流量36 L/h，料液流量30 L/h。

2.1.2.2 通量對反萃取的影響

一次反萃取后，有機(jī)相中鈾質(zhì)量濃度還較高，需用純水進(jìn)行二次反萃取。在V(純水)/V(貧有機(jī)相)=1.2/1、轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)約23 128條件下，通量對反萃取的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 通量對反萃取的影響

由圖6看出：鈾的一次、二次反萃取率均隨通量減小而明顯提高；一次反萃取率比二次反萃取率明顯要高。總通量為55 L/h時，反萃取液中鈾質(zhì)量濃度為70 g/L左右；經(jīng)兩級反萃取后，有機(jī)相中鈾質(zhì)量濃度仍有1 g/L左右，比較高，但實(shí)際生產(chǎn)中，體系是密閉的，反萃取后的有機(jī)相中會繼續(xù)進(jìn)入下一級萃取，不會影響鈾萃取率。綜合考慮，確定反萃取時適宜通量為55 L/h，即純水流量30 L/h，飽和有機(jī)相流量25 L/h。

2.2 堿渣浸出液的萃取

針對芯塊溶解液的試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)越高，萃取效果越好。所以，針對堿渣浸出液的萃取及反萃取試驗(yàn)在較高轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)條件下進(jìn)行，主要考察通量的影響。

2.2.1 通量對萃取的影響

在V(有機(jī)相)/V(水相)=1.2/1、轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)約13 824條件下，通量對萃取的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯阂淮巍⒍屋腿≈?，鈾萃取率均隨通量減小而提高；通量由88 L/h降至77 L/h，二次萃取率出現(xiàn)躍升，之后平穩(wěn)提高，而一次萃取率則逐漸提高；二次萃取率由于溶液中鈾質(zhì)量濃度很低，分配比較低，提高幅度不明顯。與廢芯塊溶解液的萃取效果相比，同等條件下，堿渣浸出液的萃取效果稍差，因?yàn)閴A渣浸出液中含有大量非金屬雜質(zhì)，在萃取過程中會與鈾發(fā)生競爭萃取，影響鈾酰離子與TBP的結(jié)合，從而影響萃取效果。實(shí)際生產(chǎn)中，一次萃取率更重要。

圖7 通量對萃取率的影響

通量分別為44、55 L/h時，二次萃取后萃余水相中鈾質(zhì)量濃度分別為46、155 mg/L，均滿足工藝要求。綜合考慮，確定通量以55 L/h為宜，即有機(jī)相流量30 L/h，水相流量25 L/h，相比廢芯塊溶解液的生產(chǎn)能力有所下降。

2.2.2 通量對反萃取的影響

在V(純水)/V(飽和有機(jī)相)=1.2/1、轉(zhuǎn)盤雷諾數(shù)約23 128條件下，通量對反萃取的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 通量對反萃取率的影響

由圖8看出，對于飽和有機(jī)相，鈾的一次、二次反萃取率都隨通量減小而提高，反萃取效果與廢芯塊溶解液的反萃取效果相差不大。綜合考慮，確定反萃取適宜通量為55 L/h，即純水流量30 L/h， 飽和有機(jī)相流量25 L/h。

2.3 綜合試驗(yàn)

廢芯塊溶解液、堿渣浸出液經(jīng)兩次萃取、兩次反萃取后，水相中雜質(zhì)、鈾質(zhì)量濃度分析結(jié)果分別見表4、5。

表4 反萃取水相中雜質(zhì)分析結(jié)果

表5 反萃取水相、萃余水相中的鈾質(zhì)量濃度

由表4、5看出，2種原料液通過偏心轉(zhuǎn)盤塔萃取純化后，鈾和雜質(zhì)質(zhì)量濃度均滿足工藝要求。表明原料液雜質(zhì)組成對偏心轉(zhuǎn)盤塔萃取性能的影響很小。偏心轉(zhuǎn)盤塔用于萃取純化鈾質(zhì)量濃度低、雜質(zhì)質(zhì)量濃度較高的堿渣浸出液是可行的。

3 結(jié)論

用偏心轉(zhuǎn)盤塔取代混合澄清器萃取純化含鈾料液是可行的，其處理能力、鈾回收率、溶液純化效果等各項指標(biāo)均較好，且生產(chǎn)能力還可進(jìn)一步提升；設(shè)備密封性、操作便捷性更好，有利于生產(chǎn)現(xiàn)場管理。