用偏心轉盤塔萃取純化含鈾廢料

萬 強，諸方平，譚星星

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000)

核燃料元件生產過程中會產生一些含鈾廢料，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，然后經萃取、沉淀、還原等制成合格UO2粉末，其中的萃取工序很關鍵。目前所用的萃取純化設備是混合澄清器，但這種設備存在一些問題有待進一步優化：1)設備材料要求很高，壽命短；2)生產方式為敞開式，現場環境不好，存在跑、冒、滴、漏現象。因此，有必要研制一種操作簡便、密閉且生產成本較低的新型設備加以替代。

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

1 試驗部分

1.1 偏心轉盤塔

試驗用偏心轉盤塔的材質為316L，可以耐TBP、煤油和硝酸腐蝕，結構參數見表1，主要結構如圖1所示。

表1 偏心轉盤塔的結構參數

圖1 偏心轉盤塔裝置結構示意

1.2 試驗原料

有機相：30%磷酸三丁酯-煤油；

反萃取劑：純水；

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

表2 2種溶液的雜質組成

1.3 試驗流程

試驗流程如圖2所示。水相和有機相分別通過輸送泵從萃取段接口進入轉盤塔，在密度差及轉盤、擋板作用下，兩相交替螺旋狀逆向流動。兩相受到轉盤剪切力的作用而破碎，然后進入澄清段再聚合，液滴表面不斷更新，推動傳質進行。最終水相在塔底澄清分層后連續排出，有機相從塔頂連續排出。系統穩定后，分別取萃余水相和飽和有機相分析其中鈾質量濃度，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—偏心轉盤塔；6—萃取相貯槽；9—TBP貯槽。圖2 偏心轉盤塔試驗流程示意

在不同轉盤雷諾數和通量條件下，測定萃余液組成，考察各因素對轉盤塔萃取效果的影響。轉盤雷諾數Re表達式[12]為

(1)

式中:d—轉盤直徑，m；n—轉盤轉速，r/min；ρc—連續相密度，kg/m3；μc—連續相黏度，Pa·s。

1.4 試驗方法

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

萃取時，有機相為連續相，水相為分散相；反萃取時，純水為連續相，飽和有機相為分散相。連續相與分散相相比為1.2/1。

按式(1)計算轉速n對應的Re，見表3。

表3 轉盤塔轉速n對應的Re

1)萃取試驗方法

先往塔內注入有機相至水相加液口，調節轉速為設定值，調節有機相流量為12 L/h，原始水相流量為10 L/h。當有機相流出時，取萃余水相和飽和有機相分析鈾質量濃度。萃余水相取樣3個， 每隔1 h取樣1次；飽和有機相樣取樣3個，每隔1 h取樣1次。取樣后，調節轉速；1 h后，再次取樣。

在最佳轉盤雷諾數條件下，調節通量在22～88 L/h 之間，控制有機相與原始水相體積比為1.2/1 不變。當有機相流出時，取萃余水相和飽和有機相分析鈾質量濃度，計算萃取率。

2)反萃取試驗方法

先往塔內注入純水至加液口，調節轉速為設定值，調節純水流量為12 L/h，飽和有機相流量為10 L/h。 當有機相流出時，取反萃取水相和貧有機相分析鈾質量濃度。反萃取水相取樣3個，每隔1 h 取樣1次；貧有機相樣取樣3個，每隔1 h取樣1次。取樣后，調節轉速；1 h后，再次取樣。

在最佳轉盤雷諾數條件下，調節通量在22～88 L/h 之間，控制純水與飽和有機相體積比為1.2/1 不變。當有機相流出時，取反萃取水相和貧有機相分析鈾質量濃度，計算反萃取率。

2 試驗結果與討論

2.1 廢芯塊溶解液的萃取

2.1.1 轉盤雷諾數的影響

2.1.1.1 轉盤雷諾數對萃取的影響

轉盤雷諾數直接影響分散相液滴的粒徑，從而影響相際傳質面積。V(有機相)/V(水相)=1.2/1、 通量為55 L/h條件下，轉盤雷諾數對萃取的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 轉盤雷諾數對萃取的影響

由圖3看出，隨轉盤雷諾數增大，鈾萃取率提高。轉盤所形成的徑向環流剪切力不斷增大，液滴被進一步分散，單位質量分散相所形成的液滴數增多，兩相接觸傳質表面積增大，傳質效率提高。隨雷諾數增大到一定水平后，液滴已很小，不易再被進一步破碎，鈾萃取率相對提高幅度不大，但沒有出現乳化現象。這說明偏心萃取塔在結構上具有優勢，正常操作范圍更寬。考慮試驗塔機械方面的原因，轉速只提高到555 r/min，更高轉速下的試驗沒有進行。雷諾數再繼續增大，所形成液滴直徑會過小，從而發生夾帶，甚至乳化現象，綜合考慮，確定適宜的轉盤雷諾數為13 824，對應的轉盤轉速為555 r/min。

2.1.1.2 轉盤雷諾數對反萃取的影響

V(水相)/V(貧有機相)=1.2/1、通量為55 L/h， 轉盤雷諾數對反萃取的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 轉盤雷諾數對反萃取的影響

由圖4看出，轉盤雷諾數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，有機相黏度大于水相黏度，轉盤對有機相的破碎效果差于對水相的破碎效果。試驗結果表明，反萃取率為97.6%時，雷諾數為23 128，此時未出現乳化現象。綜合考慮，確定轉盤雷諾數以23 128為宜，對應的轉盤轉速為555 r/min。

2.1.2 通量的影響

2.1.2.1 通量對萃取的影響

兩相在塔內的通量直接影響兩相的傳質與分離程度，也影響生產效率及生產能力。一次萃取后，萃余水相中鈾質量濃度還較高，故須進行二次萃取。在V(有機相)/V(水相)=1.2/1、轉盤雷諾數13 824條件下，通量對萃取的影響試驗結果如圖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，表明萃取已趨于穩定。綜合考慮，確定適宜通量為66 L/h，即有機相流量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，有機相中鈾質量濃度還較高，需用純水進行二次反萃取。在V(純水)/V(貧有機相)=1.2/1、轉盤雷諾數約23 128條件下，通量對反萃取的影響試驗結果如圖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，反萃取液中鈾質量濃度為70 g/L左右；經兩級反萃取后，有機相中鈾質量濃度仍有1 g/L左右，比較高，但實際生產中，體系是密閉的，反萃取后的有機相中會繼續進入下一級萃取，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結果表明，轉盤雷諾數越高，萃取效果越好。所以，針對堿渣浸出液的萃取及反萃取試驗在較高轉盤雷諾數條件下進行，主要考察通量的影響。

2.2.1 通量對萃取的影響

在V(有機相)/V(水相)=1.2/1、轉盤雷諾數約13 824條件下，通量對萃取的影響試驗結果如圖7所示。可以看出：一次、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77 L/h，二次萃取率出現躍升，之后平穩提高，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，因為堿渣浸出液中含有大量非金屬雜質，在萃取過程中會與鈾發生競爭萃取，影響鈾酰離子與TBP的結合，從而影響萃取效果。實際生產中，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，即有機相流量30 L/h，水相流量25 L/h，相比廢芯塊溶解液的生產能力有所下降。

2.2.2 通量對反萃取的影響

在V(純水)/V(飽和有機相)=1.2/1、轉盤雷諾數約23 128條件下，通量對反萃取的影響試驗結果如圖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， 飽和有機相流量25 L/h。

2.3 綜合試驗

廢芯塊溶解液、堿渣浸出液經兩次萃取、兩次反萃取后，水相中雜質、鈾質量濃度分析結果分別見表4、5。

表4 反萃取水相中雜質分析結果

表5 反萃取水相、萃余水相中的鈾質量濃度

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

3 結論

用偏心轉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均較好，且生產能力還可進一步提升；設備密封性、操作便捷性更好，有利于生產現場管理。