Физико–химические основы процесса

Содержание

Введение. 3

1. Физико–химические основы процесса. 4

2. Характеристика и классификация экстрагентов. 7

Требования к экстрагентам в технологии урана. 10

3. Статика экстракции. 12

4. Аппаратурное оформление экстракции. 14

Заключение. 21

Литература. 22

Введение

За последние три десятилетия сфера применения экстракционных процессов в металлургии значительно расширилась. В настоящее время экстракцию применяют для очистки урана, извлечения его из растворов после выщелачивания его из рудного сырья и переработки облученного урана, также процессы экстракции широко применяют в металлургической переработке медных руд и в других металлургических производствах. Процесс экстракции возник вначале урановой промышленности, по этим причинам ее уже нельзя считать новым технологическим процессом. Однако, как и другие основные технологические процессы, экстракция в своем развитии прошла несколько стадий.

Стратегией развития ядерной энергетики планируется поддержка на протяжении 2006 - 2030 гг. части производства электроэнергии АЭС на уровне, достигнутому в 2005 году (то есть, около половины от суммарного годового производства электроэнергии в Украине).

Такое решение обосновывается, в первую очередь, мировыми тенденциями в энергетике, развитием инновационных ядерных технологий, наличием собственных сырьевых ресурсов урана и циркония, отсюда следует важность изучения всех процессов технологии получения урана и необходимость совершенствования методов экстракции с точки зрения экономической, экологической и технологической значимости.

Физико–химические основы процесса

В технологии производства урана метод экстракционного передела раство­ров и пульп приобретает все большее значение. Основан он на свойстве неко­торых органических растворителей, не смешивающихся с водой (спирты, про­стые и сложные эфиры, кетоны, альдегиды, фосфороорганические кислород­содержащие соединения, амины), селективно образовывать с солями урана и уранила комплексы, растворимые в избытке растворителя. При контактиро­вании водных и органических растворов уран распределяется между водной и органической фазами в зависимости от целого ряда условий процесса экстрак­ции; причем эти условия всегда можно подобрать таким образом, чтобы коли­чественно извлечь уран, оставив примеси в водной фазе. В результате экстрак­ционного передела твердая фаза, как правило, не образуется.

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.

Экстракционный процесс является типичным примером диффузионного процесса массопередачи в системе жидкость — жидкость. Как и для всякого другого диффузионного процесса, его закономерности определяются статикой и динамикой массопередачи. С технологической точки зрения процесс экстрак­ции характеризуется коэффициентом распределения экстрагируемого вещества:

представляющего собой отношение концентраций в органической и водной фазах. Чем выше коэффициент распределения, тем большее количество вещества можно извлечь в органическую фазу за одну операцию экстракции. Резкое различие в коэффициентах распределения двух веществ дает возможность селективно извлекать одно из них.

Другим технологическим фактором процесса экстракции является извле­чение вещества и коэффициент извлечения. Чем больший объем ор­ганической фазы контактируется до равновесия с данным объемом водной фазы, тем большее достигается извлечение:

где µ— коэффициент извлечения; G_opr — количество экстрагируемого веще­ства в органической фазе; G_водн — количество экстрагируемого вещества в водной фазе; V_орг — объем органической фазы; V_вод„ —объем водной фазы; m — соотношение объемов органической и водной фаз.

Извлечение экстрагируемого вещества в органическую фазу равно отно­шению количества вещества, находящегося в органической фазе, к суммар­ному количеству вещества, находящегося во всей системе:

где Е — извлечение, выраженное в процентах.

Проведя элементарные преобразования, для извлечения:

Важным показателем эффективности экстракционного процесса является конечная концентрация экстрагируемого вещества в водной фазе. Если извле­чено в органическую фазу вещества, то в водной фазе его осталось

Это количество вещества, отнесенное к объему водной фазы, и будет представлять собой концентрацию вещества в растворе:

где С_исх — исходная концентрация экстрагируемого вещества в водной фазе.

При использовании противотока органической и водной фаз в многосту­пенчатой равновесной экстракционной системе расчеты несколько усложняются, но смысл их остается тем же самым. При неизменном коэффициенте извлечения (µ=const) для количества вещества, оставшегося в рафинате, получена следую­щая зависимость:

При экстракции двух или нескольких веществ в один и тот же органиче­ский растворитель имеет значение коэффициент разделения, который предста­вляет собой отношение коэффициента распределения хорошо экстрагируемого вещества к коэффициенту (или коэффициентам) распределения плохо экстраги­руемых веществ:

В технологии производства урана пользуются коэффициентом очистки, пред­ставляющим собой отношение коэффициента распределения урана к коэф­фициенту распределения примесей:

Динамика процессов экстракции описывается общим уравнением массопередачи: , где H- высота колонного аппарата, S – сечение колонного аппарата, f – удельная поверхность соприкосновения фаз.

Но количество продиффундировавшего из фазы в фазу вещества равно:

где G —объем водной фазы; у₁ и у₂ — концентрации экстрагируемого веще­ства в водной фазе на входе и выходе соответственно; отсюда имеем

где второй множитель представляет число единиц переноса, а первый — высоту единицы переноса:

Все эти величины в большинстве своем не поддаются теоретическому рас­чету и определяются экспериментально.

Для осуществления процесса экстракции могут быть использованы аппараты периодического и непрерывного действия. Из аппаратов непрерыв­ного действия при экстракции урана нашли применение экстракционные колонны, смесители-отстойники и центробежные экстракторы.