Кинетика экстракции в урановой технологии

30.05.2018
Изучение кинетики жидкостной экстракции имеет большое значение, так как правильное решение этой проблемы позволяет дать четкое представление о механизме процесса и облегчает его анализ.

В урановой технологии обычно используется экстракция, сопровождающаяся гетерогенной химической реакцией на поверхности фазового контакта. Этот процесс включает следующие стадии:

1) перенос экстрагируемого вещества в сплошной фазе к поверхности капель дисперсной фазы;

2) перенос распределяемого вещества внутри капель дисперсной фазы — внутренняя циркуляция;

3) химическая реакция на поверхности раздела фаз.

Большинство известных попыток описать кинетику жидкостной экстракции базируется на использовании данных, полученных при изучении экстракции из одиночных капель или в колоннах с орошаемыми стенками. Однако такие работы не представляют практического интереса, так как в них не воспроизводится полностью механизм процесса, идущего в современных типах экстракционной аппаратуры при наличии интенсивной турбулизации потоков жидкости.

Кинетика процессов, идущих на свободной поверхности фазового контакта, очевидно, должна характеризоваться совместным влиянием скоростей диффузионного переноса в каждой из фаз и скоростью химической реакции на поверхности их контакта. До определенного момента кинетика является диффузионной, а затем решающую роль начинает играть скорость химической реакции. Чем позднее начнет проявлять себя скорость реакции, тем больше возможность интенсификации массообмена между фазами в результате использования средств, ускоряющих диффузионный перенос экстрагируемого вещества. Если скорость процесса, характеризуемого диффузионной кинетикой, можно увеличить, изменяя гидродинамическую обстановку процесса, то на скорость химической реакции так повлиять нельзя. Поэтому при достаточно малой скорости реакции она является фактором, лимитирующим экстракцию.

Анализируя определяемый диффузионной кинетикой процесс жидкостной экстракции с учетом гидродинамической обстановки процесса, можно объяснить кажущееся противоречие результатов, полученных при изучении кинетики этого процесса различными исследователями.

Наличие зависимости коэффициента массопередачи от коэффициента молекулярной диффузии, отмеченное при изучении экстракции в колонне с орошаемыми стенками, очевидно, объясняется тем, что здесь процесс проводится в области малых значений критерия Рейнольдса. При этом имеет место ламинарный характер движения потоков жидкости, капли дисперсной фазы сравнительно велики и скорость внутренней циркуляции может оказаться решающей.

В случае проведения экстракции в условиях достаточно интенсивного перемешивания влияние молекулярной диффузии становится менее заметным, хотя внутренняя диффузия носит ламинарный характер. Перенос вещества в сплошной фазе происходит при наличии сильной турбулизации и сопровождается значительным ростом поверхности фазового контакта и соответствующим увеличением скорости массопередачи. Увеличение эффективности экстракции связано при этом не только с уменьшением размера капель дисперсной фазы, но и с возрастанием интенсивности обновления поверхности контакта. Последнее объясняется тем, что с уменьшением размера капель возрастает их устойчивость к внешним воздействиям и увеличивается подвижность. При этом сплошная фаза пронизывается множеством мельчайших подвижных капель дисперсной фазы. Co стороны сплошной фазы перенос вещества к поверхности этих капель, очевидно, проходит в условиях четкого проявления турбулентной диффузии, ускоряющей этот процесс. Co стороны дисперсной фазы проявляется молекулярная диффузия, но роль ее сводится к минимуму, так как при существенном уменьшении величины капель уменьшается разность концентраций между центром каждой капли и ее поверхностью и сокращается путь внутренней циркуляции. Все это приводит к дополнительному увеличению интенсивности массообмена.

С учетом сохранения роли молекулярной диффузии внутри капель дисперсной фазы даже в условиях существенной турбулизации при движении капель в сплошной фазе, очевидно, выгодно выбирать в качестве дисперсной фазы жидкость, в которой скорость молекулярного переноса экстрагируемого вещества наибольшая. При этом процесс экстракции целесообразно проводить в условиях интенсивной турбулизации, значительно ускоряющей диффузионный перенос вещества в сплошной фазе и снижающей до минимума роль внутренней циркуляции, приближая скорость процесса к скорости химической реакции на поверхности фазового контакта.