Разработка участка экстракционной переработки ОЯТ, с расчетом экстракторов, производительностью 90 тонн в год

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа 122 страниц, 16 рисунков, 35 таблиц, 21 источник, 2 приложения.

Ключевые слова: отработанное ядерное топливо, уран, плутоний, экстракционная переработка, экстрактор.

Объектом разработки является участок экстракционной переработки отработанного ядерного топлива отработанных тепловыделяющих сборок от реакторов ВВЭР - 1000.

Цель проекта - спроектировать участок экстракционной переработки отработанного ядерного топлива производительностью 90 тонн в год.

В результате разработки был проведен литературный обзор существующих технологий экстракционной переработки ОЯТ. Произведен материальный баланс технологической цепочки, всех технологических параметров, спроектировано здание участка, рассчитана экономическая эффективность проекта.

Основные конструкционные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики разработанного каскада экстракторов: длина экстрактора типа «смеситель-отстойник» составляет 1230 мм, ширина 960 мм, высота с приводом 1752 мм;

Экономическая эффективность: определена себестоимость процесса экстракционной переработки ОЯТ равная 360294630,2 руб.



ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ, НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В данном проекте применены следующие термины с соответствующими определениями:

экстракция: процесс извлечения вещества, в частности - соединений металлов, из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с водой.

реэкстракция: процесс обратного извлечения из органической фазы экстрагированного металла в водный раствор.

экстрагент: органическое вещество, образующее с извлекаемым металлом соединение, способное растворяться в органической фазе. Экстрагентами в гидрометаллургии чаще всего служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны, амины и др.

разбавитель: органическое жидкое вещество, не смешивающееся с водой, служащее растворителем экстрагента. Распространенные разбавители - керосин, ксилол, уайт-спирит и др. Благодаря применению разбавителя можно использовать твердые экстрагенты или улучшить физические характеристики жидких экстрагентов (вязкость, плотность). Разбавитель большей частью химически не взаимодействует с извлекаемым металлом, но он существенно влияет на показатели экстракции (извлечение, избирательность и др.).

высаливатель: неорганическое вещество (обычно электролит), улучшающее показатели экстракции. Добавление в водный раствор высаливателя способствует образованию легче экстрагируемых недиссоциированных молекул или экстрагируемых комплексов.

экстракт: органическая фаза после экстракции, насыщенная извлекаемым компонентом.

рафинат (маточник): водная фаза после экстракции, очищенная от извлекаемого компонента.

В настоящем дипломном проекте использованы следующие сокращения и аббревиатуры:

ОЯТ - отработанное ядерное топливо;

РТ - регенерация топлива;

ОТВС - отработанная тепловыделяющая сборка;

ВВЭР - водоводяной энергетический реактор;

БН - реактор на быстрых нейтронах;

РЗЭ - редкоземельные элементы;

ЧАО - четвертичные аммонийные основания;

ТБФ - трибутилфосфат;

РЭД - разбавитель диароматизированный;

МБФ - монобутилфосфат;

ДБФ - дибутилфосфат;

ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент;

АРП - агрегат резки периодический;

РП - растворитель периодический;

ПД - продукты деления;

ДТПА - диэтилентриаминопентауксусная кислота;

СИЗ - средства индивидуальной защиты;

ПДК - предельно допустимая концентрация;

ОТ - техника безопасности;

ФСА - функциональная схема автоматизации;

ЗП - заработная плата;

ИТР - инженерно-технический работник.

В настоящем дипломном проекте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 1.5 - 2012 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации. 1 (правила построения, изложения, оформления и обозначения).

ГОСТ 2.104 - 2006 Единая система конструкторской документации. Основные надписи.

ГОСТ 2.105 - 95 Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам.

ГОСТ 2.106 - 96 Единая система конструкторской документации. Текстовые документы. 10

ГОСТ 2.301 - 68 Единая система конструкторской документации. Форматы.

ГОСТ 2.316 - 2008 Единая система конструкторской документации. Пра-вила нанесения на чертежах надписей, технических требований и таблиц.

ГОСТ 2.721 - 74 Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения. ГОСТ 3.1102 - 2011 Единая система технологической документации. Стадии разработки и виды документов.

ГОСТ 3.1105 - 2011 Единая система технологической документации. Формы и правила оформления документов общего назначения.

ГОСТ 7.0.5 - 2008 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая ссылка.

ГОСТ 7.1 - 2003 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая запись. Библиографическое описание.

ГОСТ 7.9 - 95 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Реферат и аннотация.

ГОСТ 7.32 - 2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчего научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

ГОСТ 8.417 - 2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.

ГОСТ 19.106 - 78 Единая система программной документации. Требования к программным документам, выполненным печатным способом.

ГОСТ 13372 - 78 Сосуды и аппараты. Ряд номинальных объемов.

ГОСТ 23838 - 89 Здания предприятий.

ГОСТ 12.4.085 - 80 ОСБТ. Костюмы мужские для защиты от нетоксичных веществ.

ГОСТ 12.4.072 - 79 ОСБТ. Сапоги специальные резиновые форменные, защищающие от соды, минеральных масел и механических воздействий.

ГОСТ 12.4.036 - 78 ОСБТ. Костюмы мужские для защиты от кислот. ТУ.

ГОСТ 12.4.127 - 83 ОСБТ. Обувь специальная кожаная.

ГОСТ 12.4.028 - 76 ОСБТ. Респираторы ШБ 200 "Лепесток".

ГОСТ 12.4.003 - 76 ОСБТ. Очки защитные, тип ЭЛ или ЭН.

ГОСТ 12.4.010 - 75 ОСБТ. Средства индивидуальной защиты. Рукавицы специальные. ТУ. ТУ 12.4.028 - 76 Респираторы У2К.

ГОСТ 101 - 82 Противогазы промышленные фильтрующие ТУ.

ГОСТ 24.301 - 80 Система технической документации на АСУ. Общие требования к текстовым документам.

ГОСТ 24.302 - 80 Система технической документации на АСУ. Общие требования к выполнению схем.

ГОСТ 24.303 - 80 Система технической документации на АСУ. Обозначения условные графические технических средств.



ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Теория процессов экстракции

1.2 Аппаратурное оформление экстракционных процессов

2. Объект и методы исследования

2.1 Теория выбранного процесса. Разработка и описание аппаратурно-технологической схемы

3. Расчеты и аналитика

3.1 Материальный баланс участка растворения топлива

3.2 Расчет материального баланса процесса экстракции

3.3 Аппаратурный расчёт экстракционного процесса

3.4. Расчёт остальных аппаратов и ёмкостей

3.5 Механический расчёт экстрактора смесителя - отстойника

3.6 Гидравлический расчёт экстрактора

4. Результаты проведенного исследования

4.1 Разработки

4.2 Строительная часть

5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение

5.1 Организация труда

5.2 Расчет годового фонда заработной платы

5.3 Расчет капитальных затрат

5.4 Общепроизводственные расходы

5.5 Расчет технологических затрат

5.6 Калькуляция себестоимости передела

6. Социальная ответственность

6.1 Основные правила работы с радиоактивными веществами

6.2 Средства индивидуальной защиты

6.3 Электробезопасность

6.4 Производственное освещение

6.5 Мероприятия по выполнению норм микроклимата

6.6 Производственная вентиляция

6.7 Пожарная безопасность

6.8 Экологическая безопасность экстракционного процесса

6.9 Заключения по разделу социальная ответственность

7. Автоматизация экстракционного процесса

7.1 Описание функциональной схемы автоматизации процесса экстракционной переработки ОЯТ

7.2 Перечни технологических параметров, подлежащих контролю, регулированию, сигнализации

7.3 Перечень первичных преобразователей

7.4 Автоматизация процесса с использованием ЭВМ

Заключение

Список использованных источников



ВВЕДЕНИЕ

экстракционный переработка ядерный топливо

Стремление перейти к замкнутому топливному циклу всегда было основой атомной отрасли. Сердце этого проекта составляет радиохимическое производство - переработка отработанного ядерного топлива. Основной задачей производственного объединения «Маяк» является расширение технологий и номенклатур перерабатываемого топлива.

Регенерация отработанных тепловыделяющих сборок атомных электростанций с реакторами ВВЭР-440, БН-600, транспортных ядерных установок и исследовательских реакторов осуществляется на единственном в России заводе регенерации топлива (РТ-1).

В рамках решения проблемы накопленных сборок реакторов ВВЭР-1000. Данный проект предлагает схему переработки топлива нового поколения. Одним немаловажным фактором является то, что на заводе РТ-1 есть возможность переработки этого топлива в условиях действующего производства.

Целью данного дипломного проекта является проектирование участка экстракционной переработки ОЯТ от ВВЭР - 1000.

Для достижения цели были поставлены задачи:

1 Рассмотреть теорию выбранного процесса;

2 Оценить и выбрать место расположения данного участка;

3 Произвести расчет процесса экстракции;

4 Выбрать экстракционный аппарат и рассчитать основные характеристики;

5 Произвести расчет необходимых компонентов;

6 Рассчитать вспомогательные аппараты для растворов, участвующих в экстракции;

7 На основе полученных расчетов спроектировать участок и автоматизировать его.



1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Теория процессов экстракции

В технологии урана экстракционные процессы - одни из важнейших. Они служат для извлечения урана из рудных растворов и сорбционных регенератов, аффинажа урановых концентратов, регенерации урана из разнообразных отходов, переработки ОЯТ [1]. Экстракция представляет собой технологический процесс, при помощи которого достигается разделение смесей твердых и жидких тел. Разделение осуществляется путем растворения некоторых компонентов смеси в жидкостях, называемых растворителями. Процесс экстракции проводится в двухфазных системах: твердое тело-жидкость или жидкость-жидкость [2].

Экстракция в системе твердое тело-жидкость представляет собой процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из твердого пористого вещества в жидкий растворитель. Растворителем чаще всего служит вода или водные растворы некоторых неорганических кислот; при этом процесс извлечения, как правило, принято называть выщелачиванием [3]. Выщелачивание считается самостоятельным масштабным процессом гидрометаллургии и не является целью настоящей работы. Должным образом следует сосредоточить внимание на процессах экстракции в системе жидкость-жидкость, которые и подразумеваются при упоминании термина «экстракция».

В ходе процесса жидкостной экстракции переход экстрагируемых компонентов из исходного раствора в растворитель происходит вследствие разности концентраций, и поэтому данный процесс относят к числу диффузионных. Перемещение молекул целевого компонента происходит до тех пор, пока не наступит состояние физического равновесия. Т. о. теория процесса экстрагирования основывается на законах, относящихся к явлению растворимости, состоянию межфазного равновесия и диффузии, по аналогии с теоретическим обобщением закономерностей таких широко распространённых диффузионных процессов, как абсорбция и ректификация [2].

Под экстракцией, в общем случае, понимают процесс распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкостями [4], который предусматривает две технологические операции:

- контактирование исходной смеси с растворителем (массообмен);

- отделение полученного раствора от оставшейся жидкой смеси.

Т. о. экстракция требует неполную взаимную растворимость исходной смеси и растворителя - в противном случае вторая операция неосуществима.

Собственно процесс экстракции включает в себя две упомянутые стадии: смешения и разделения фаз. Однако полная технологическая схема экстракции предусматривает еще стадии выделения целевых компонентов из экстракта с возвращением экстрагента на экстракцию, а также выделения экстрагента из рафината. При этом под регенерацией экстрагента понимают все операции по его возвращению в процесс экстракции. В гидрометаллургии для выделения целевых компонентов из экстракта и регенерации экстрагента обычно применяют реэкстракцию (рисунок 1) [5]; иногда соответствующие компоненты выделяют путем ректификации, кристаллизации, отгонки с водяным паром и другими методами [5].

Рисунок 1 - Принципиальная схема применения экстракции

1.1.1 Термодинамика процесса экстракции

В процессе протекания экстракции для преодоления сил, удерживающих ионы в водной фазе, главным образом вследствие гидратации, необходима химическая связь экстрагента с извлекаемым соединением, но не слишком сильная, так как это затруднит последующую реэкстракцию.

Из правила фаз Гиббса: когда в двухфазной системе растворено два компонента, т.е. нет третьей фазы, то можно фиксировать концентрацию каждого вещества в одной из фаз, т. е. равновесному состоянию соответствует определённое отношение между концентрациями растворённого вещества [7].

Для описания равновесия процесса экстракции используются следующие характеристики:

- коэффициент распределения элемента б;

- константа распределения соединения K_б ,

- коэффициент разделения двух компонентов в.

Коэффициент распределения б есть отношение (2), общей концентрации элемента в органической фазе “у” к общей концентрации его в водной фазе “х” при установлении равновесия.

,	(2)

где х₁, у₁, x_j, у_i - концентрации элемента в различных химических формах.

Константа распределения соединения K_б - отношение концентрации распределяемого соединения в органической и водной фазах. В частном случае, когда в органической и водной фазах соединение экстрагируемого элемента имеет одинаковый состав, то б и K_б совпадают. При постоянных температуре и давлении условием равновесия является равенство химических потенциалов распределяемого вещества в обеих фазах (3), (4).

мводн = морг ,	(3)
м0в.ф + RT ln(aв.ф) = м0о.ф + RT ln(aо.ф),	(4)

где м⁰_в.ф и м⁰_о.ф - стандартные химические потенциалы в водной и органической фазах;

a_в.ф и a_о.ф - активности соединений в водной и органической фазах. Отсюда:

,	(5)

где г_i - коэффициенты активности.

Связь между константой распределения и константой равновесия определяется выражением:

.	(6)

Из данных эксперимента можно определить г_о.ф , если известен г_в.ф.

Коэффициент разделения в - частное от деления отношений количеств разделяемых элементов в органической и водной фазах:

	(7)

то есть коэффициент разделения есть отношение коэффициентов распределения двух элементов.

Важной количественной характеристикой экстракционного процесса является степень извлечения элемента е в органическую фазу от общего количества его в обеих фазах (8) [4].

.	(8)

1.1.2 Кинетика процесса экстракции

Скорость установления равновесного распределения вещества между водной и органической фазами определяется:

- скоростью массопередачи веществ внутри водной и органической фаз и через границу их раздела;

- скоростью химических реакций в каждой фазе или на межфазной границе.

При интенсивном перемешивании фаз массопередача проходит с высокой скоростью. Скорости химических реакций в свою очередь достаточно высокие. Поэтому большей частью равновесие устанавливается в течение 3-5 минут, а при экстракции алкиламинами даже за 0,5-1 минуту.

Движущей силой экстракции является разность между текущими и равновесными концентрациями распределяемого вещества, которое должно преодолеть диффузные сопротивления двух пленок пограничных слоев у поверхности раздела фаз и сопротивление проведению химических реакций.

А. Н. Зеликман, Г. М. Вольдман приводят следующее кинетическое уравнение [8]:

,	(9)

где - степень достижения равновесного состояния;

;	(10)

Здесь F - поверхность раздела фаз;

д_R и д_E - толщина пограничных пленок в рафинате и экстракте;

D_R и D_E - коэффициенты молекулярной диффузии в рафинате и экстракте;

K₁ - константа скорости прямой реакции;

б - коэффициент распределения.

Правый сомножитель (10) представляет сумму диффузионных сопротивлений пограничных пленок в рафинате и экстракте и химического сопротивления протекания прямой реакции. При a = const решение данного уравнения следующее:

.	(11)

Уравнение почти аналогично кинетическому уравнению пленочной кинетики для ионообменного процесса. Лимитирующую стадию процесса можно определить, изучив влияние условий экстракции на коэффициент “а”. Если основное значение имеют диффузионные сопротивления в водной или органической фазе, к увеличению “а” приводит более интенсивное перемешивание в соответствующей фазе; отсутствие влияния перемешивания и сильная зависимость aб/(1+б) от температуры свидетельствует о протекании экстракции в кинетической области.

Но во всех случаях скорость процесса пропорциональна поверхности раздела фаз. Для увеличения поверхности раздела фаз прибегают к дроблению дисперсной фазы. Но здесь нельзя переборщить: чрезмерное дробление может дать выигрыш на первой стадии процесса - смешении, но одновременно может привести к увеличению времени отстоя из-за уменьшения скорости всплытия или оседания мелких капелек дисперсной фазы. Необходимо определить оптимальный размер капель и оптимальную скорость вращения турбинных мешалок в смесителе-отстойнике. При оптимальных условиях время смешения и отстоя при использовании ФОС составляют 3-5 минут и 15-20 минут, а при использовании аминов - 0,5-1 минута и 3-5 минут. Видно, что производительность смесителей-отстойников, а также экстракторов колонного типа определяется, главным образом, продолжительностью разделения фаз [4].

1.1.3 Классификация экстрагентов

В водных растворах ионы гидратированы и прочно удерживаются в водной фазе. Их извлечение в органическую фазу происходит лишь в том случае, если процесс сопровождается убылью энергии Гиббса экстракционной системы. Это условие может быть выполнено при использовании в качестве экстрагентов органических соединений, при взаимодействии которых с извлекаемым ионом будет компенсирована энергия его гидратации. Отвечающие этому условию органические вещества можно подразделить на две группы.

Первая группа - нейтральные экстрагенты: органические вещества, молекулы которых способны к образованию координационных связей (донорно-акцепторного типа) с извлекаемым ионом, более прочных, чем связи молекул воды (т.е. энергия сольватации превышает энергию гидратации).

Вторая группа - жидкие ионообменники (катионо- и анионообменники): органические кислоты и их соли или органические основания и их соли, способные при контакте с водным раствором к обмену неорганического катиона или аниона, входящего в состав экстрагента, на одноименный ион, находящийся в растворе. Из вышесказанного можно заключить, что по типу химического взаимодействия экстрагенты можно классифицировать на три основные группы: нейтральные, катионообменные и анионообменные [8].

К нейтральным экстрагентам относятся органические соединения, в составе которых имеются активные атомы, обладающие электронно-донорной способностью: кислородсодержащие (активный атом ), азотсодержащие (активный атом ?) и серосодержащие (активный атом ). Наибольшее распространение получили органические кислородсодержащие соединения, например простые и сложные эфиры, кетоны, спирты и особенно нейтральные фосфорорганические соединения Характеристика наиболее широко используемых нейтральных экстрагентов приведена в литературе [9].

Нейтральные экстрагенты обладают высокой сольватирующей спо-собностью по отношению к соединениям металлов. Процесс протекает по координационному (сольватному) механизму, когда осуществляется непосредственная координационная связь донорного атома (кислорода) функциональной группы экстрагента с ионом металла или по гидратно-сольватному механизму, когда эта координационная связь осуществляется через молекулу воды. Первый механизм характерен для фосфорорганических соединений, второй - для спиртов, эфиров и кетонов. Процессы экстракции, например, четырехвалентных металлов и иона уранила можно представить уравнениями реакций (12), (13).

,	(12)
.	(13)

При извлечении металлов спиртами, эфирами и кетонами, а также при замене нитрат-ионов более гидратированными анионами (например, Cl-) происходит заметная соэкстракция воды и переход от сольватного к гидратно-сольватному механизму. Например, экстракция уранилнитрата диэтиловым эфиром протекает по уравнению (14) [9].

	(14)

К кислым экстрагентам относятся некоторые органические кислоты (соли этих кислот), способные к образованию нейтрального металлоорганического соединения при контакте с водной фазой содержащей катионы металла. По характеру связи между катионом металла и органическими лигандами в таких соединениях экстрагенты этого класса можно условно разделить на две группы. Первая группа включает слабые органические кислоты, малорастворимые в воде - тетрафенилборную, сульфоновые, карбоновые, нафтеновые и др. К этой же группе обычно относят широко используемые фосфорорганические кислоты. Общим для экстрагентов этой группы является то, что экстракция металлов протекает по механизму катионного обмена и может быть описана уравнением (15).

	(15)

где - катион металла с зарядом m;

- анион органической кислоты. Для экстрагентов характерно образование при экстракции солей металлов с органическим анионом, в которых ионная связь между катионом и анионом не осложнена дополнительным взаимодействием.

Экстрагенты второй группы являются полидентатными (обычно бидентатными) соединениями и содержат, помимо кислотной, другие функциональные группы, способные образовывать координационную связь с катионом металла. Такие экстрагенты называют хелатирующими (рисунок 2). Из них в технологии разделения РЗЭ наиболее широко используют дикетон-теноил-трифторацетон. Основные характеристики кислых экстрагентов, применяемых в технологии радиоактивных и редких металлов, приведены в литературе [9].

Рисунок 2 - Структурные формулы некоторых халатирующих экстрагентов: а) дикетон; б) дитизон; в) монооксим; г) диоксим; д) дикетон-теноил-трифторацетон.

Осномвные экстрагенты - органические основания различного строения, которые могут быть представлены общей формулой RnЭ, или их соли - RnЭА (где R - углеводородный радикал или атом водорода, Э - N, P, S, As и другие, А - анион минеральной кислоты). Из соединений этого класса наиболее широкое применение нашли амины, четвертичные аммониевые основания (ЧАО) и их соли.

На практике в основном используют амины и ЧАО, содержащие алкильные (с числом атомов углерода от 7 до 9), метильные и бензильные углеводородные радикалы.

В большинстве случаев экстракцию солей металлов проводят солями третичных аминов R₃N:HA и солями ЧАО R₄N⁺A-, которые также имеют основные свойства.

Соли металлов MA_m извлекаются солями аминов или ЧАО в результате образования нерастворимых в водной фазе соединений состава (R₃NH)_n[MA_m+n] или (R₄NH)_n[MA_m+n]. Возможны два основных механизма образования экстрагирующихся соединений. По одному механизму соль амина обменивает свой анион на анионный комплекс металла из водной фазы, т.е. реакция (16) протекает по механизму межфазного анионного обмена (поэтому экстрагенты этого класса иногда называют жидкими анионообменниками).

.	(16)

Однако чаще экстракция металлов солями аминов и ЧАО протекает по механизму присоединения с образованием соли, согласно уравнению (17).

.	(17)

Возможно также одновременное протекание реакций присоединения и анионного обмена (18).

.	(18)

Характеристика аминов и ЧАО, применяемых в технологии радиоактивных и редких металлов, приведена в [8].

Обнаружено, что определенные комбинации двух экстрагентов при некоторых условиях лучше экстрагируют ряд металлов, чем можно было ожидать по коэффициентам распределения отдельных компонентов. Это явление, называемое синергетическим эффектом, или синергизмом, зачастую используется в производственных масштабах [5].

1.1.4 Методы промышленной экстракции

Эффективность и рентабельность экстракционной технологии в промышленных масштабах, прежде всего, зависит от аппаратуры. В свою очередь, конструктивное оформление аппаратов основывается на выбранный способ контактирования фаз. По этому признаку можно условно выделить ряд практических методов экстрагирования.

Одноступенчатая периодическая экстракция заключается в однократном смешении отмеренных количеств исходной жидкости и растворителя в смесителе до равновесного состояния, и разделяются либо в том же аппарате либо в отдельном отстойнике. Одноступенчатое экстрагирование можно проводить также и непрерывным способом при постоянном возврате растворителя. Этот метод экстрагирования промышленного значения не имеет, и используется лишь в лабораторных условиях, т. к. степень экстрагирования мала, а неполная регенерация и недостаточная очистка растворителя ведет к большим затратам.

Дифференциальной экстракции подвергается отмеренное количество исходного раствора путем контакта с непрерывно поступающим свежим растворителем. Процесс проводится чаще всего в установке, одна часть которой решена в виде аппарата с мешалкой, а вторая служит для отстаивания экстракта, который отводится отсюда в сборник. Исходным раствором аппарат наполняется один раз, после чего пропускается растворитель до тех пор, пока не будет достигнута требуемая степень экстрагирования исходного раствора. Дифференциальная экстракция применяется главным образом в лабораторной практике, например для аналитических целей, реже в промышленности. Она характеризуется большим расходом растворителя по сравнению с количеством экстрагированного вещества.

Многоступенчатой прямоточной экстракцией называют многократную промывку исходного раствора с использованием на каждой ступени порции свежего растворителя. Она состоит из повторяющихся несколько раз одноступенчатых операций. Рафинат можно очистить от экстракта с любой степенью точности. Однако при этом очень серьёзным недостатком данного метода является перерасход растворителя. Кроме того, получается несколько экстрактов, с различной постепенно уменьшающейся долей экстрагируемого вещества. Средняя доля экстрагируемого вещества в экстрактах низка, расходы на регенерацию растворителя высоки. В связи с этим применение этого типа экстракции ограничивается лишь специальными случаями.

Многоступенчатая противоточная экстракция используется чаще, чем другие типы многоступенчатой экстракции. При противоточном движении жидкостей свежий исходный раствор при входе в аппарат встречается с переработанным растворителем, а при выходе промывается свежим растворителем. Благодаря этому рафинат получается так же хорошо очищенным, как и при прямотоке, но при этом уменьшаются и расход растворителя, и расходы на проведение всей операции. Аппаратурные схемы, применяемые в этой разновидности экстракции, могут представлять как системы, смонтированные из отдельных элементов (аппаратов с мешалкой, отстойников и насосов) установленных либо горизонтально, либо каскадно, так и системы, объединяющие все элементы в одном горизонтальном, либо вертикальном аппарате, называемом многоступенчатым экстрактором.

Также используют многоступенчатую противоточную экстракцию с возвратом. Возврат заключается в частичном направлении продуктов экстракции обратно на ступени, где они соединяются с основными потоками сырых рафината и экстракта. Его можно направить либо на один конец экстракционной системы, либо одновременно на оба, возвращая и экстракт, и рафинат. Возврат положительно влияет на разделение исходного раствора и чистоту продуктов, но вместе с тем вызывает увеличение расхода растворителя, общего числа ступеней и размеров установки, поэтому при определении количества возврата необходимо произвести технико-экономические расчеты. В некоторых ситуациях эффективность многоступенчатой экстракции повышают путём использования смеси растворителей, представляющих собой однородное сочетание двух или нескольких растворителей, но расчёт в этом случае очень сложен и проектирование основывается на предварительно проведённые исследования.

В исключительных случаях проводят фракционированную экстракцию, заключающуюся в экстрагировании двумя несмешивающимися растворителями, каждый из которых растворяет оба компонента исходного раствора, но в различной степени. Ввиду расхода больших количеств растворителей этот вид экстракции дорог, и поэтому его следует применять для таких смесей, которые не поддаются разделению другими способами [2].

Всё большую популярность в экстракционной технологии завоевывает Непрерывная экстракция в колонне. Принцип проведения экстракции заключается в вертикальном непрерывном перемещении реагентов. Характерной особенностью экстрактора колонного типа в идеальном случае является регулярность потока по всей длине аппарата и равенство скоростей всех элементов жидкости. В рабочем состоянии колонна заполняется одной из фаз, которая называется сплошной и занимает бьльшую часть объёма, другая (или другие) фаза распределяется в сплошной. Однако колонные реакторы можно использовать и в гомогенной среде: гомогенизация смесей, разбавление растворов, проведение химических реакций в гомогенной среде. В этом случае разделительные зоны отсутствуют - подача и вывод реагентов производится непосредственно в реакционной зоне. Колонны могут работать при противоточном и прямоточном движении фаз. Использование экстракционных колонн позволяет интенсифицировать процесс экстракции, и провести его гораздо эффективнее и с меньшими затратами, чем при использовании смесительно-отстойному принципу, упрощая, наряду с этим, технологическую схему и конструкционное оформление процесса [10].

1.2 Аппаратурное оформление экстракционных процессов

Классификация экстракторов основана на двух признаках: принципе взаимодействия, или способе контакта фаз, и характере силы, используемой для диспергирования одной фазы в другой. По принципу взаимодействия фаз все экстракторы делятся на дифференциально-контактные и ступенчатые.

В дифференциально-контактных аппаратах контакт между фазами осуществляется непрерывно; концентрация экстрагируемого соединения плавно изменяется вдоль направления движения фаз; равновесие не достигается ни в одной из точек аппарата. Ступенчатые экстракторы состоят из дискретных ступеней в каждой из которых осуществляется противоточное контактирование фаз и затем между фазами достигается состояние, близкое к равновесному.

Диспергирование одной фазы в другой может осуществляться из-за гравитационных сил (разности плотностей фаз) или подвода энергии извне. Введение внешней энергии в экстракторах проводят сообщением жидкости колебательного движения (пульсаций или вибраций), перемешиванием ее мешалками, использованием центробежных сил. Возможно также комбинирование способов.

В практике экстракции используют три типа аппаратов: смесители-отстойники, колонные аппараты и центробежные экстракторы. Первый тип аппаратов относится к ступенчатым экстракторам, а второй и третий - по большей части к дифференциально-контактным. Аппараты некоторых конструкций можно рассматривать как промежуточные между дифференциально-контактными и ступенчатыми [4, 9].

1.2.1 Смесительно-отстойные экстракторы

Одними из самых распространенных промышленных экстракционных аппаратов являются горизонтальные смесители-отстойники (рисунок 3) [9]. Они состоят из камеры смешивания фаз, в которую поступают органическая и водная фазы и где они интенсивно перемешиваются с помощью мешалок или насоса-смесителя, и камеры отстаивания (разделения) фаз, в которую непрерывно поступает эмульсия из камеры смешивания и где происходит ее Смесительно-отстойные экстракторы являются аппаратами со ступенчатым контактированием несмешивающихся жидкостей и с вводом внешней энергии в контактирующие жидкости. В подавляющем большинстве случаев смесительно-отстойные экстракторы работают непрерывно. На каждой

ступени (в камерах смешивания и отстаивания) фазы движутся прямотоком, в то время как аппарат работает по принципу противотока.

Рисунок 3 - Смесительно-отстойный экстрактор ящичного типа

а) принцип работы каскада экстракторов; б) схема ячейки экстрактора; в) схема непрерывной противоточной экстракции в каскаде расслаивание. Состав: 1 - камера смешивания; 2 - камера отстаивания; 3- турбинная мешалка; 4 - гофрированная перегородка; 5 - окно для перетока органической фазы (о.ф); 6 - окно для перетока водной фазы (в.ф); 7 - предкамера;8 - граница раздела фаз.

Смесительно-отстойные экстракторы бывают как горизонтальными, так и (реже) вертикальными. Также подразделяются по способу перемешивания фаз (механическое, пневматическое, пульсационное, барботажное и др.) [9].

Смесительно-отстойные экстракторы обладают следующими основными достоинствами: высокая эффективность ступени контактирования, которая может приближаться к эффективности равновесной (теоретической) ступени; возможность применения для широкого диапазона соотношений объемов фаз; пригодность для работы в широких пределах изменения физических свойств фаз; гибкость конструкции, предоставляющая при необходимости возможность свободно изменять число ступеней и работать при выходе из строя одной ступени; сохранение состава фаз по ступеням после остановки, позволяющее быстро ввести аппарат в рабочий режим; возможность работы при наличии небольшого количества твердой фазы; простота эксплуатации; возможность масштабирования.

Наряду с достоинствами экстракторам этого класса свойственны следующие значимые недостатки: большие производственные площади для установки экстракторов; необходимость снабжения каждой камеры индивидуальным приводом, что усложняет конструкцию; значительные размеры гравитационных отстойных камер (особенно неудобно для переработки радиоактивных веществ); медленное отстаивание жидкостей, что нежелательно при обработке дорогостоящих, взрывоопасных, легковоспламеняющихся и радиоактивных веществ; дороговизна конструирования.

Эти недостатки приводят к относительно высоким капитальным затратам и эксплуатационным расходам, к необходимости работать с большими единовременными объемами жидкостей. В связи с этим за последние годы наметилась тенденция к применению колонных экстракторов с единым приводом для всех устройств дробления диспергируемой фазы и перемешивания жидкостей, расположенных по высоте колонны [3, 9].

1.2.2 Центробежные экстракторы

Центробежные экстракторы принадлежат к наиболее сложным по конструкции экстракционным аппаратам. В этих экстракторах дробление дисперсной фазы, противоточное движение и сепарация фаз происходят под действием центробежных сил, возникающих при быстром вращении ротора. Простейший центробежный экстрактор (рисунок 4) представляет собой укрепленный на валу 1 ротор 2, размещенный в неподвижном корпусе 3 и состоящий из пакета перфорированных концентрически расположенных цилиндров 4, зажатых боковыми стенками 5. Подача и вывод фаз производятся через имеющиеся в валу 1 каналы. Герметичность достигается

с помощью сальников 6. Водная фаза (в.ф) подается в центральную часть ротора, а органическая (о.ф) - в периферийную. Под действием центробежной силы жидкости движутся противотоком, диспергируясь при прохождении через отверстия цилиндров, контактируя и разделяясь в кольцевых каналах между ними. Тяжелая фаза (в.ф) отводится с периферии ротора, а легкая (о.ф) - вблизи его оси. Обе фазы удаляются через раздельные отводные каналы вала [5].

Центробежные экстракторы по принципу их работы можно разделить на две основные группы: ступенчатые и дифференциально-контактные. Ступенчатые экстракторы состоят из отдельных камер, в каждой из которых осуществляются последовательно смешение и разделение фаз. В дифференциально-контактных фазы, движутся в роторе непрерывно и противоточно. В среднем, число оборотов ротора в экстракторах, составляет 800-1400 мин-¹, в некоторых зарубежных реакторах достигает 7500 мин-¹.

К достоинствам центробежных экстракторов можно отнести высокую эффективность, скорость и производительность процесса, малую долю экстрагента в системе; сочетание интенсивного перемешивания и минутного разделения фаз, не требующего большой разницы в плотностях и низкой вязкости жидкостей. Также, применение данной аппаратуры позволяет значительно снизить производственную площадь, а малое время контакта фаз и ограничение объёмов рабочих жидкостей обеспечивает радиационную и ядерную безопасность процесса.



Рисунок 4 - Центробежный экстрактор:

1 - вал; 2 - ротор; 3 - неподвижный корпус; 4 - перфорированные цилиндры; 5 - боковые стенки цилиндров; 6 - сальники; о.ф - органическая фаза; в.ф - водная фаза.

Несмотря на столь примечательные характеристики центробежных экстракторов, имеется ряд существенных недостатков, ограничивающих возможности его использования. В их числе: высокие капитальные затраты на конструирование, эксплуатацию и ремонт оборудования; сложная конструкция аппарата (особенно мест подвода и отвода жидкостей), требующая высокой точности; сложный расчёт и моделирование аппарата; нарушение равновесия даже при кратковременной остановке или прекращении подачи хотя бы одного из растворов; невозможность определения состава эмульсии, и следовательно, время эффективного контакта фаз, что затрудняет расчёт процесса.

Ввиду вышеупомянутого, применение центробежных экстракторов оправдано лишь при извлечении очень ценных компонентов, и при необходимости быстрого проведения экстракции, например, как в случае переработки ОЯТ, для извлечения ценных изотопов и обеспечения радиационной безопасности [4, 5, 9].



1.2.3 Экстракционные колонны

Экстракционная колонна, в общем случае, представляет собой высокий вертикальный цилиндрический аппарат, зачастую переходящий на концах в невысокие цилиндры с бомльшим диаметром (рисунки 5 и 6). Центральная высокая часть аппарата является реакционной зоной, где водная и органическая фазы движутся вдоль оси. Она выполнена в виде трубы, полой, либо заполненной слоями элементов, дробящих диспергируемую фазу и перемешивающих жидкости. Широкие концевые части экстрактора играют роль отстойных зон, в которых происходит разделение фаз. Колонны могут работать как при прямоточном режиме (неглубокое извлечение целевого металла, но высокая производительность), так и при противоточном (тщательное извлечение металла, но особые требования к свойствам реагентов и организации процесса).

Важнейшим признаком классификации экстракторов является отсутствие или наличие подвода энергии извне. При отсутствии подвода энергии (рисунок 5) диспергирование одной из фаз ограничено, как правило, величиной внутренней потенциальной энергии, обусловленной разностью плотностей фаз. Иногда диспергирование осуществляют за счёт неподвижного слоя насадок, либо с помощью специальных устройств (барботеры, форсунки), а также комбинированием этих элементов. Такие колонны называют гравитационными. В экстракторах с подводом механической энергии извне (рисунок 6), называемых интенсифицированными, степень диспергирования и, следовательно, поверхность межфазного контакта существенно повышаются за счет сравнительно небольших затрат механической энергии. Эта энергия обычно сообщается смеси жидкостей либо посредством вращающихся (рисунок 6г) или вибрирующих (колеблющихся) мешалок различных конструкций, либо наложением пульсаций (пульсационное перемешивание).

В качестве насадок в экстракционных колоннах используют: сплошную или секционную засыпку ионита (рисунок 5б и рисунок 6а), ситчатые тарелки различных форм и исполнений (рисунок 5в и рисунок 6б), распределительные насадки (рисунок 6в).

Рисунок 5 - Типичные экстракционные колонны без подвода внешней энергии

а) распылительная колонна; б) насадочная колонна; в) колонна с ситчатыми тарелками.

1 - диспергатор; 2 - рабочая зона; 3 и 5 - концевые отстойники; 4 - поверхность (граница) раздела фаз; 6 - опорные решетки; 7 - слои насадки; 8 - безнасадочные промежутки; 9 - распре-делитель сплошной фазы; о.ф - органическая фаза; в.ф - водная фаза.



Рисунок 6 - Классические примеры экстракционных колонн с подводом внешней энергии

а) насадочная пульсационная колонна; б) пульсационная колонна с ситчатыми тарелками; в) пульсационная колонна с насадкой КРИМЗ; г) роторно?дисковый колонный экстрактор.

1 - корпус колонны; 2 - элемент дробления дисперсной фазы (а-насыпной слой ионита, б-ситчатые тарелки, в-тарелки КРИМЗ, г-диски); 3 - пульсатор; 4 - распределитель (барботер) дисперсной фазы; 5 - кольцевые перегородки; 6 - вал; о.ф - органическая фаза; в.ф - водная фаза; п.р - промывной раствор; о.ф - органическая фаза; в.ф - водная фаза.

К основным достоинствам экстракционных колонн относятся следующие: высокая удельная производительность; сравнительно небольшие производственные площади для размещения аппаратов; малая загрузка экстрагентов; возможность осуществления нескольких ступеней контактирования в одном аппарате; возможность совмещения процессов экстракции, промывки, расслаивания фаз, разделительной реэкстракции в одном аппарате; незначительное образование межфазных пленок (“медуз” или “бород”) и возможность их удаления без остановки аппарата, малый взаимный унос фаз; отсутствие в большинстве типов экстракционных колонн движущихся частей; простота конструкции, монтажа и эксплуатации; не представляет сложности в автоматизации.

Однако экстракционным колоннам присущи и определенные недостатки, к которым относятся: значительная высота; отсутствие надежных методик расчета и существенный масштабный коэффициент перехода (уменьшение эффективности работы при переходе от лабораторной установки к промышленному аппарату), составляющий 1,5-8,0.

Эти преимущества приводят к меньшим капитальным и эксплуатационным затратам, делают экстракторы колонного типа более экономичными относительно других типов экстракционной аппаратуры.

С каждым годом экстракционные колонны привлекают всё большее внимание технологов. В связи с отсутствием надёжных методов расчёта, что относится к важнейшим проблемам в вопросах крупнотоннажного использования, колонные экстракторы представляют огромный интерес и в исследовательской деятельности, и их использование являются актуальным вопросом современной науки [4, 5, 9, 10].



2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Теория выбранного процесса. Разработка и описание аппаратурно-технологической схемы

2.1.1 Технологическая схема экстракции

Рисунок 7 - Принципиальная технологическая схема экстракционной переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ)

В процессе эксплуатации ядерных реакторов на атомных электростанциях накапливаются отработанные тепловыделяющие сборки (ОТВС), конструктивно содержащие тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) с ядерным топливом. Завод РТ предназначен для переработки отработанного топлива водно-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), транспортных установок, промышленных и исследовательских реакторов.

Переработка облученного ядерного топлива производится по следующей схеме.

Транспортирование ОТВС от поставщиков.

Отработанные сборки транспортируются в специальных контейнерах поездом или самолетом. Контейнер обеспечивает надежную биологическую защиту, герметичность, отвод тепла, удаление продуктов радиолиза воды, обеспечение ядерной безопасности [11].

Хранение ОТВС в бассейне, заполненном водой.

ОТВС ВВЭР по конструкции представляют собой пучок ТВЭЛов, упакованный в шестигранную трубу из циркониевого сплава - циркалоя.

Бассейн-хранилище предназначен для приема и хранения ОТВС и выполняет роль накопителя исходной продукции для обеспечения непрерывной работы завода РТ, уменьшения активности, снижения энерговыделения и регулирования изотопного состава.

Отвод воды на очистку из бассейна осуществляют непрерывно. Очистка воды производится вначале на насыпном фильтре, а затем на ионообменных колоннах, работающих последовательно. Очищенную от катионов и анионов воду возвращают в бассейн [11].

Подготовка скомплектованных сборок к растворению ядерного топлива.

Работа в отделении подготовки и резки.

Скомплектованная партия ОТВС направляется из бассейна в отделение подготовки и резки. Перед подачей ОТВС в агрегат резки периодический (АРП) производят отрезку концевых деталей сборки, в которых топливо не содержится, а предназначенные детали сборки служат для крепления к решеткам реактора.

Для отрезки применяют электроконтактный способ под слоем воды, основанный на вырывании частиц металла из анода при постоянном токе. Благодаря постоянной смене точек контакта вращающегося электрода с конструкционным материалом ОТВС износ диска уменьшается в 4-5 раз по сравнению с материалом ОТВС, в которой образуется разрез.

Работа агрегата резки АРП.

Активная зона ОТВС измельчается в АРП. Процесс резки заключается в выполнении операции сплющивания сборки для ликвидации пустот и самой резки, заключающейся в отрыве подвижным ножом кусков.

Растворение нарезанных кусков топлива в аппарате-растворителе РП (растворитель периодический) и выдача партии урана в виде раствора азотнокислого уранила на технологический передел по экстракционной схеме.

Экстракционная переработка раствора урана.

Дальнейшая переработка растворенного урана с целью его очистки от продуктов деления (ПД) и отделения плутония и нептуния осуществляется по способу пурекс процесса. В основе этого процесса лежит экстракция элементов в 30 % раствор ТБФ в предельных углеводородах или нормальных парафинах [11].

Технология цеха

Раствор от растворения ТВС различных реакторов поступает в цех для дальнейшего экстракционного передела. Сначала это раствор с различными твердыми примесями в виде углерода, благородных металлов и других, фильтруют на насыпных фильтрах. Насыпной фильтр это металло-керамический патрон со вспомогательным материалом (асбест, перлит - вулканическое стекло). Осветленный раствор (подразумевается, что он полностью очищен от мешающих примесей) поступает на экстракционную переработку. Экстракцию проводят в несколько циклов.

Головной цикл: разделение урана, плутония, нептуния и продуктов деления. Для отделения концентратов от продуктов деления, создается кислая среда 8М азотной кислотой, в результате чего продукты деления остаются в растворе, а уран, плутоний и нептуний экстрагируются раствором ТБФ.

На втором аппарате промывка слабокислотная (0,5М азотная кислота) в присутствие гидразина и 2-х валентного железа для реэкстракции плутония и нептуния. Плутоний восстанавливается до 3-х валентного слабоэктрагируемого состояния и совместно с нептунием выводится в реэкстракт. Катализатором процесса служит технеций, стабилизатором гидразин. Для разделения эти 2-х компонентов используется избирательная способность ДТПА, образовывать комплексные соединения. ДТПА образует комплекс с нептунием.

На третьем экстракционном блоке при концентрации азотной кислоты 3-5 г/л и при повышенной температуре 70-80°С идет реэкстракция урана. Экстрагент восстанавливается и возвращается в экcтракционный процесс. ТБФ идет в четвертый экстракционный блок, где отмывается содовым раствором и опять возвращается в головной цикл.

Полученные реэкcтракты поступают в разные отделения и цеха завода, где осуществляется дальнейшая обработка растворов и получение конечных товарных продуктов.



3. РАСЧЕТЫ И АНАЛИТИКА

Исходными данными для участка экстракционной переработки ОЯТ из ТВС от реакторов типа ВВЭР - 1000 являются ряд значений, представленных в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные для участка экстракционной переработки ОЯТ

Наименование	Единицы измерения	Численное значение
Производительность	т/год	90
Разовая загрузка в аппарат растворения по диоксиду урана	кг	800
Плотность водной фазы в процессе экстракции	г/см3	1,10
Плотность органической фазы в процессе экстракции	г/см3	0,83
Плотность азотной кислоты с концентрацией 8 моль/л	г/см3	1,25

Исходя из производительности, необходимо растворить 90 тонн в год ОЯТ, при этом разовая загрузка в аппарат растворения 800 кг по диоксиду урана.

3.1 Материальный баланс участка растворения топлива

Растворение ОЯТ осуществляется в азотной кислоте с концентрацией 8 моль/л. Проведем расчет процесса растворения по макрокомпонентам.

1 Растворение диоксида урана будет проходить по следующему уравнению (19). Зная молярные массы веществ можно рассчитать массы всех компонентов участвующих в реакции. Молярная масса диоксида урана

, , , , .

	(19)

Масса азотной кислоты требуемой для растворения 800 кг диоксида урана, рассчитывается по формуле (20):

	(20)

2 Растворение диоксида плутония будет проходить по следующему уравнению (21), , , :

	(21)

Масса азотной кислоты требуемой для растворения 6 кг диоксида плутония, рассчитывается по формуле (22):

	(22)

3 Растворение диоксида нептуния будет проходить по следующей реакции (23). , , , :

	(23)

Масса азотной кислоты требуемой для растворения 0,5 кг диоксида нептуния, рассчитывается по формуле (24):

	(24)

4 Растворение продуктов деления будет проходить по следующей реакции (25). Молярная масса продуктов деления будет складываться из Zr, Nb составляют 77 % от средняя масса 91,5 моль/л, Ru составляет 13 % с молярной массой 102 моль/л и Ce -10% с молярной массой 140 моль/л. Если взять среднюю массу, то получится 97,7 моль/л, это значение и используется в расчете., , , :

	(25)

Масса азотной кислоты требуемой для растворения 30 кг продуктов деления (ПД), рассчитывается по формуле (26):

...