Классификация процессов экстракции в урановой технологии

Общая классификация. Из большого количества известных процессов жидкостной экстракции в практике урановой технологии обычно используют следующие:

1) одноступенчатый процесс;

2) многостадийный процесс с подачей свежего растворителя в каждую ступень;

3) процесс противоточный многоступенчатой экстракции.

Из этих процессов в промышленных условиях чаще всего применяют противоточную многоступенчатую экстракцию, так как она обеспечивает возможность непрерывного проведения процесса.

Одноступенчатый процесс экстракции. Этот процесс состоит в том, что жидкость, содержащая экстрагируемое вещество, и растворитель перемешивают до установления экстракционного равновесия. После этого фазы разделяют, получая рафинат, обедненный по ценному компоненту, и экстрагент, обогащенный экстрагируемым веществом.

Общее количество поступающего на экстракцию вещества должно быть равно произведению Lxн, если L — количество исходного раствора, а хн — начальная концентрация ценного компонента в нем.

Уравнение материального баланса одноступенчатой экстракции имеет вид

где G — количество экстрагента; х — состав рафината; у — состав экстракта.

Преобразовав выражение (8.2), получим уравнение

которое можно использовать для определения состава рафината и экстракта.

Чаще всего одной ступени процесса недостаточно для получения необходимой полноты разделения, а поэтому процесс обработки раствора экстрагентом многократно повторяют.

Многократная экстракция подачей свежего растворителя в каждую ступень. Этот процесс характеризуется тем, что на каждой ступени используется свежий экстрагент, а процесс ведется до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава.

При этом для каждой ступени можно написать уравнение, аналогичное выражению (8.3).

Число ступеней, необходимое для получения рафината с заданной концентрацией, легко определяется графически с помощью диаграммы у—х (см. рис. 8.1.), если для данной системы известна кривая равновесного распределения. Согласно уравнению (8.3) из точки на оси абсцисс, соответствующей составу исходного раствора хн для первой ступени, проводится линия, тангенс угла наклона которой равен соотношению потоков L/G, до пересечения с кривой равновесия в некоторой точке 1. Координаты точки 1 определяют состав рафината х1 и состав экстракта у1 после одной ступени экстракции. Аналогично определяются составы фаз после последующих обработок рафината свежим экстрагентом. Количество точек пересечения с кривой равновесия указывает на количество ступеней.

В случае прямолинейного характера равновесной зависимости в соответствии с уравнением

количество ступеней экстракции, необходимое для получения заданного состава рафината, можно найти из аналитического выражения, не прибегая к графическому построению. В этом случае состав рафината на n-й ступени определяется из выражения

Теоретическое количество ступеней контакта при многократной экстракции с введением свежего экстрагента в каждую ступень определяется из уравнения

которое показывает, что результат экстракции в каждом конкретном случае определяется величиной коэффициента распределения kp, соотношением фаз L/G и количеством ступеней экстракции n.

Один из существенных недостатков многоступенчатой экстракции с добавкой свежего растворителя в каждую ступень — низкая средняя концентрация экстракта, так как при этом получают несколько порций экстракта, концентрация распределяемого вещества в которых понижается от порции к порции в соответствии с увеличением количества ступеней. Недостатками этого метода экстракции являются также большой расход экстрагента и увеличенный унос на каждой стадии какой-то части раствора с экстрагентом. Несмотря на это многократная экстракция с добавкой свежего растворителя часто применяется, особенно при проведении исследований в лабораторных условиях с использованием делительных воронок, так как этот метод удобен для быстрой оценки эффективности экстракционного разделения, например, при сравнении различных экстрагентов.

Наиболее распространенным методом экстракции является противоточный многоступенчатый процесс.

Противоточная многоступенчатая экстракция отличается от метода экстракции с введением свежего экстрагента в каждую ступень тем, что здесь для получения рафината заданного состава необходимо большее количество ступеней. При этом меньше расход экстрагента на единицу перерабатываемого раствора. Кроме того, при противоточной экстракции образуется только один экстракт, а поэтому концентрация распределяемого вещества в нем выше, чем в смеси экстрагентов при многократной экстракции с введением свежего растворителя в каждую ступень. Готовым продуктом непрерывной экстракции является только экстракт с первой ступени, в то время как экстракт с каждой следующей ступени служит экстрагентом на предыдущей ступени.

Известно несколько различных вариантов непрерывной противоточной экстракции (рис. 8.2) В промышленных условиях процесс ведется в колоннах или в каскадах смесителей-отстойников. В обоих случаях с противоположных концов вводятся раствор и экстрагент, а с обратной стороны соответственно выводятся рафинат и экстракт.

Получение экстракта высокой концентрации при противоточной экстракции обеспечивается тем, что по мере своего насыщения экстрагент встречается все с более концентрированным раствором, идущим ему навстречу.

Проведение противоточной экстракции в колоннах характеризуется тем, что установление стационарного состояния равновесия происходит здесь лишь через некоторое время, по истечении которого на каждой ступени равновесия в любой момент сохраняются одни и те же составы фаз.

Для проведения противоточной многоступенчатой экстракции в лабораторных условиях удобно использовать делительные воронки, соединенные по схеме, изображенной на рис. 8.2. Материальный баланс противоточной экстракции выражается уравнением

преобразовав которое можно получить уравнение рабочей линии процесса

Количество ступеней контакта при противоточной экстракции обычно определяют с помощью графического метода. При этом, зная состав исходного раствора хн и конечного экстракта ук, находят точку А, из которой, согласно уравнению (8.8), проводят прямую рабочую линию с наклоном L/G. Затем, начиная от точки А, строят ступени до другого конца рабочей линии, точки В, размещая их между кривой равновесия и рабочей линией. Каждая такая ступень соответствует одной теоретической ступени экстрагирования.