СПОСОБ ВНУТРИЦИКЛОВОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ОБОРОТНОГО ЭКСТРАГЕНТА Российский патент 2010 года по МПК B01D11/04 G21F9/04 

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к технологии экстракционной переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Обычно применяемый в технологии переработки ОЯТ экстрагент - 30 об.% раствор трибутилфосфата в углеводородном разбавителе подвержен процессам гидролитического и радиолитического разложения. Процесс разложения - многостадийный и первичные продукты разложения являются исходными для последующих стадий [З.Новак, М.Новак. Регенерация экстракционных систем, применяемых в Пурекс-процессе. Радиохимия, 1975, т.17, в.3, стр.362-370].

Особую опасность представляют продукты глубокого разложения, обладающие ярко выраженными комплексующими (по отношению к тяжелым поливалентным металлам) и поверхностно-активными свойствами. Даже при незначительном накоплении таких продуктов экстрагент «удерживает» уран, плутоний и продукты деления и практически не расслаивается со щелочными растворами, т.е. теряет технологические качества, выводится из процесса и становится опасным горючим жидким радиоактивным отходом.

В то же время первичными продуктами разложения экстрагента являются алкилфосфорные кислоты (в основном дибутилфосфорная кислота), превращающиеся при смешивании со щелочными или содовыми растворами в водорастворимые натриевые соли, выводимые, таким образом, из органической фазы. Цепь последовательных процессов деградации экстрагента при этом прерывается, и операция содовой или щелочной (содово-щелочной) обработки оборотного экстрагента, называемая операцией внутрицикловой регенерации экстрагента, является неотъемлемой частью любой технологической схемы переработки ОЯТ, базирующейся на экстракционном процессе.

Эта операция с небольшими изменениями (концентрация щелочного реагента, тип применяемого оборудования) переходит из одной схемы в другую.

Наиболее близким решением, взятым в качестве прототипа, является использование карбоната натрия в качестве регенерирующего реагента и смесительно-отстойных экстракторов для аппаратурного оформления процесса (аналогично осуществляется регенерация экстрагента на комплексе РТ-1) [В.И.Землянухин, Е.И.Ильенко, А.Н.Кондратьев, Л.Н.Лазарев и др. Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС. - М., Энергоатомиздат, 1983, стр.97-100].

Недостатком прототипа является недостаточная эффективность, связанная с микроэмульсионным загрязнением очищенного (регенерированного) экстрагента водной фазой, содержащей натриевую соль дибутилфосфорной кислоты (ДБФК). Это соединение, обладая дифильными свойствами, стабилизирует эмульсию «вода в масле» (в/м), включая труднорасслаиваемую микроэмульсию. При контакте регенерированного экстрагента с азотнокислым раствором (потоком питания) натриевая соль ДБФК, содержащаяся в фазе микроэмульсии, превращается в молекулярную (недиссоциированную) органорастворимую форму ДБФК и возвращается в органическую фазу.

Стабилизирующее действие аниона ДБФК (С₄Н₉O)₂РО₂ ^- не подавляется при переходе от гравитационного разделения фаз (смеситель-отстойник, экстракционная колонна) к центробежному, т.е. при любом способе разделения фаз, связанном с вырождением (резким уменьшением) поверхности раздела фаз при переходе от эмульсии к разделенным фазам.

Другим недостатком прототипа является генерирование большого количества солесодержащих среднеактивных отходов (САО), которыми являются отработанные регенерирующие растворы.

Согласно прототипу, на перерабатывающем заводе от операции внутрицикловой регенерации производится 1 тонна «грязного» (категория среднеактивных отходов) нитрата натрия на 10 тонн переработанного ОЯТ, что соответствует использованию обычно применяемого 5% раствора соды при соотношении потоков фаз оборотного экстрагента к регенерирующему раствору (O:В), как O:В=(7÷10):1 (в среднем 8,5:1). Более высокое соотношение O:В, соответствующее снижению расхода регенерирующего раствора, приводит к ухудшению расслаивания (повышает эмульсионный унос водной фазы), понижение содержания щелочного реагента ухудшает очистку от ДБФК.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества оборотного экстрагента и снижение количества солесодержащих радиоактивных отходов.

Для решения поставленной задачи способ внутрицикловой регенерации экстрагента включает контактирование потоков оборотного экстрагента и регенерирующего раствора в пористом слое с сообщающимися порами и разделение потоков очищенного экстрагента и отработавшего промывного раствора, причем оборотный экстрагент и регенерирующий раствор направляют на контактирование при соотношении потоков O:В, составляющем от 15:1 до 35:1, эффективный диаметр поровых каналов слоя не превышает 0,04 см, а время пребывания очищаемого потока в слое составляет не менее 2 минут.

В частном варианте контактирование потоков происходит при их спутном (прямоточном) восходящем движении через пористый слой.

В частном варианте контактирование потоков происходит при их спутном нисходящем движении через пористый слой.

В частном варианте контактирование потоков происходит при их циклически-противоточном (с попеременной подачей потоков) движении через пористый слой.

В частном варианте пористый слой образован спеченным зернистым материалом (металл, стекло, керамика).

В частном варианте пористый слой образован спрессованным зернистым или волокнистым материалом (пластик, нетканые углеродные материалы).

В частном варианте пористый слой образован свободной засыпкой тяжелого зернистого материала (металлосферические частицы, стеклосферические частицы и т.п.).

В частном варианте контактирование фаз в пористом слое осуществляют при температуре 20÷50°С.

Во всех перечисленных вариантах движение потоков в пористом слое протекает в пленочном безэмульсионном режиме, исключающем значимое эмульсионное загрязнение очищаемого потока.

Ниже приводятся примеры конкретного выполнения изобретения.

Пример 1.

Экстрагент, подлежащий регенерации (30 об.% раствор трибутилфосфата в углеводородном разбавителе), содержал 710 г/л дибутилфосфорной кислоты, регенерирующий раствор - 5 вес.% карбоната натрия.

Пористый слой образован металлосферическим порошком из нержавеющей стали, диаметр зерна 0,4÷0,6 мм, объемная пористость слоя 40%, эффективный диаметр порового канала 0,034 см.

Пористый слой размещен в цилиндрическом аппарате с ложным дном и термостатирующей рубашкой, внутренний диаметр аппарата 5 см, высота пористого слоя 30 см, движение органического и водного потоков - совместное, восходящее.

Расход органического потока - 4,7 л/час, расход водного потока - переменный, соответствующий отношению потоков фаз O:В от 40:1 до 10:1. Такие расходы потоков соответствуют нагрузке на свободное поровое сечение слоя ~ 6 м³/м²·час и времени пребывания очищаемого потока в слое ~ 3 минуты.

Температура в пористом слое 50°С.

Очищенный оборотный экстрагент анализировался на наличие и величину эмульсионного уноса (по неэкстрагируемому натрию) и на содержание ДБФК.

Результаты процесса обработки оборотного экстрагента регенерирующим раствором при их совместном восходящем движении через пористый слой сепаратора представлены в таблице 1.

Таблица 1 Соотношение потоков фаз O:В Эмульсионный унос, % Содержание ДБФК после контакта с Nа₂СО₃, мг/л 40:1 ≤0,005 17,5 35:1 ≤0,005 6,5 30:1 ≤0,005 6,2 20:1 ≤0,005 4,9 15:1 ≤0,005 5,3 10:1 ≤0,005 5,1

Пример 2.

Процесс проводили в условиях примера 1.

Отличие состояло в температурных режимах. Регенерацию оборотного экстрагента последовательно проводили при температурах 20°С, 30°С и 50°С. Отмечено, что с ростом температуры величина остаточного эмульсионного уноса понижается с 0,013 (при 20°С) до ≤0,005 об.% (при 50°С). Очистка оборотного экстрагента от ДБФК приблизительно одинакова во всех случаях.

Пример 3.

Процесс проводили в условиях примера 1.

Отличие состояло в том, что обработка оборотного экстрагента регенерирующим раствором происходила при их совместном нисходящем движении через пористый слой сепаратора.

Характеристики процесса обработки оборотного экстрагента регенерирующим раствором при их совместном нисходящем движении через пористый слой сепаратора представлены в таблице 2.

Таблица 2 Соотношение потоков фаз O:В Содержание ДБФК после контакта с Na₂CO₃, мг/л Эмульсионный унос, % 50:1 18,9 0,014 30:1 7,4 0,016 10:1 4,5 0,04

Результаты сопоставительной проверки предлагаемого способа и способа-прототипа показывают:

- предлагаемый способ исключает эмульсионный унос, в отличие от способа-прототипа, что стабилизирует качество оборотного экстрагента;

- предлагаемый способ позволяет минимизировать поток регенерирующего раствора (ограничение только растворимостью дибутилфосфата натрия в регенерирующем растворе);

- возможность эффективной регенерации малым потоком снижает количество солевых радиоактивных отходов в 3÷4 раза.

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к технологии экстракционной переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Способ внутрицикловой регенерации оборотного экстрагента включает контактирование потоков оборотного экстрагента и регенерирующего раствора в пористом слое с сообщающимися порами и разделение потоков очищенного экстрагента и отработавшего промывного раствора, причем оборотный экстрагент и регенерирующий раствор направляют на контактирование при соотношении потоков фаз экстрагента к регенерирующему раствору от 15:1 до 35:1, эффективный диаметр поровых каналов слоя 0,02-0,04 см при нагрузке суммы потоков фаз на свободное поровое сечение слоя до 10 м³/м²·час и времени пребывания оборотного экстрагента в слое не менее 2 минут при температуре 20-50°С. Пористый слой образован спеченным, спрессованным или засыпанным тяжелым зернистым материалом. Технический результат: повышение качества оборотного экстрагента и снижение количества солесодержащих радиоактивных отходов. 6 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ внутрицикловой регенерации оборотного экстрагента в сепараторе, включающий обработку оборотного экстрагента содово-щелочным регенерирующим раствором и последующее разделение очищенного органического раствора и отработанного регенерирующего раствора, отличающийся тем, что оборотный экстрагент и регенерирующий раствор контактируют при соотношении потоков фаз экстрагента к регенерирующему раствору от 15:1 до 35:1 в пористом слое сепаратора с сообщающимися порами, имеющими эффективный диаметр 0,02÷0,04 см при нагрузке суммы потоков фаз на свободное поровое сечение слоя до 10 м³/м²·ч и времени пребывания оборотного экстрагента в слое не менее 2 мин при температуре 20÷50°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку оборотного экстрагента регенерирующим раствором проводят при их совместном восходящем движении через пористый слой сепаратора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку оборотного экстрагента регенерирующим раствором проводят при их совместном нисходящем движении через пористый слой сепаратора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку оборотного экстрагента регенерирующим раствором проводят при их циклически противоточном с попеременной подачей потоков движении через пористый слой сепаратора.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористый слой сепаратора образован спеченным зернистым материалом, например металлом, стеклом, керамикой.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористый слой образован спрессованным зернистым или волокнистым материалом, например пластиком, неткаными углеродными материалами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористый слой образован свободной засыпкой тяжелого зернистого материала, например металлом, стеклом, керамикой.