用偏心转盘塔萃取纯化含铀废料

万 强，诸方平，谭星星

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000)

核燃料元件生产过程中会产生一些含铀废料，主要包括不同富集度的废芯块、废UO2粉末、废U3O8粉末及氧化料、磨削渣、碱渣、灰渣、地沟泥等。某元件厂对废料的处理方法是将废料氧化焙烧、溶解，然后经萃取、沉淀、还原等制成合格UO2粉末，其中的萃取工序很关键。目前所用的萃取纯化设备是混合澄清器，但这种设备存在一些问题有待进一步优化：1)设备材料要求很高，寿命短；2)生产方式为敞开式，现场环境不好，存在跑、冒、滴、漏现象。因此，有必要研制一种操作简便、密闭且生产成本较低的新型设备加以替代。

铀的液-液萃取工艺中，用TBP萃取硝酸铀酰[1-2]是经典流程，萃取设备主要有混合澄清槽、萃取塔、离心设备[3]等。转盘塔[4-5]在石油、有色冶金及制药等行业应用较广[6-7]。转盘塔各级间设置挡板，可减少轴向混合度，提高传质效率[8]，可在较小转盘直径下获得较高萃取率[9]，可满足浓缩铀过程中对塔内径的严格限制。试验研究了偏心转盘塔在铀的萃取纯化[10-11]方面的应用可行性，并确定相应的工艺参数。

1 试验部分

1.1 偏心转盘塔

试验用偏心转盘塔的材质为316L，可以耐TBP、煤油和硝酸腐蚀，结构参数见表1，主要结构如图1所示。

表1 偏心转盘塔的结构参数

图1 偏心转盘塔装置结构示意

1.2 试验原料

有机相：30%磷酸三丁酯-煤油；

反萃取剂：纯水；

原料液：废芯块溶解液(铀质量浓度128 g/L，酸度3.2 mol/L)，碱渣浸出液(铀质量浓度128 g/L，酸度3.2 mol/L)。2种溶液的杂质组成见表2。

表2 2种溶液的杂质组成

1.3 试验流程

试验流程如图2所示。水相和有机相分别通过输送泵从萃取段接口进入转盘塔，在密度差及转盘、挡板作用下，两相交替螺旋状逆向流动。两相受到转盘剪切力的作用而破碎，然后进入澄清段再聚合，液滴表面不断更新，推动传质进行。最终水相在塔底澄清分层后连续排出，有机相从塔顶连续排出。系统稳定后，分别取萃余水相和饱和有机相分析其中铀质量浓度，计算铀萃取率。

1、7—金属流量计；2、8—料液输送泵；3—原料液贮槽；4—萃余相贮槽；5—偏心转盘塔；6—萃取相贮槽；9—TBP贮槽。图2 偏心转盘塔试验流程示意

在不同转盘雷诺数和通量条件下，测定萃余液组成，考察各因素对转盘塔萃取效果的影响。转盘雷诺数Re表达式[12]为

(1)

式中:d—转盘直径，m；n—转盘转速，r/min；ρc—连续相密度，kg/m3；μc—连续相黏度，Pa·s。

1.4 试验方法

碱渣浸出液组成相对复杂，考虑成本和效率，先针对废芯块溶解液进行试验，然后再对碱渣浸出液进行试验。

萃取时，有机相为连续相，水相为分散相；反萃取时，纯水为连续相，饱和有机相为分散相。连续相与分散相相比为1.2/1。

按式(1)计算转速n对应的Re，见表3。

表3 转盘塔转速n对应的Re

1)萃取试验方法

先往塔内注入有机相至水相加液口，调节转速为设定值，调节有机相流量为12 L/h，原始水相流量为10 L/h。当有机相流出时，取萃余水相和饱和有机相分析铀质量浓度。萃余水相取样3个， 每隔1 h取样1次；饱和有机相样取样3个，每隔1 h取样1次。取样后，调节转速；1 h后，再次取样。

在最佳转盘雷诺数条件下，调节通量在22～88 L/h 之间，控制有机相与原始水相体积比为1.2/1 不变。当有机相流出时，取萃余水相和饱和有机相分析铀质量浓度，计算萃取率。

2)反萃取试验方法

先往塔内注入纯水至加液口，调节转速为设定值，调节纯水流量为12 L/h，饱和有机相流量为10 L/h。 当有机相流出时，取反萃取水相和贫有机相分析铀质量浓度。反萃取水相取样3个，每隔1 h 取样1次；贫有机相样取样3个，每隔1 h取样1次。取样后，调节转速；1 h后，再次取样。

在最佳转盘雷诺数条件下，调节通量在22～88 L/h 之间，控制纯水与饱和有机相体积比为1.2/1 不变。当有机相流出时，取反萃取水相和贫有机相分析铀质量浓度，计算反萃取率。

2 试验结果与讨论

2.1 废芯块溶解液的萃取

2.1.1 转盘雷诺数的影响

2.1.1.1 转盘雷诺数对萃取的影响

转盘雷诺数直接影响分散相液滴的粒径，从而影响相际传质面积。V(有机相)/V(水相)=1.2/1、 通量为55 L/h条件下，转盘雷诺数对萃取的影响试验结果如图3所示。

图3 转盘雷诺数对萃取的影响

由图3看出，随转盘雷诺数增大，铀萃取率提高。转盘所形成的径向环流剪切力不断增大，液滴被进一步分散，单位质量分散相所形成的液滴数增多，两相接触传质表面积增大，传质效率提高。随雷诺数增大到一定水平后，液滴已很小，不易再被进一步破碎，铀萃取率相对提高幅度不大，但没有出现乳化现象。这说明偏心萃取塔在结构上具有优势，正常操作范围更宽。考虑试验塔机械方面的原因，转速只提高到555 r/min，更高转速下的试验没有进行。雷诺数再继续增大，所形成液滴直径会过小，从而发生夹带，甚至乳化现象，综合考虑，确定适宜的转盘雷诺数为13 824，对应的转盘转速为555 r/min。

2.1.1.2 转盘雷诺数对反萃取的影响

V(水相)/V(贫有机相)=1.2/1、通量为55 L/h， 转盘雷诺数对反萃取的影响试验结果如图4所示。

图4 转盘雷诺数对反萃取的影响

由图4看出，转盘雷诺数对反萃取的影响与对萃取的影响趋势基本一致。一般情况下，有机相黏度大于水相黏度，转盘对有机相的破碎效果差于对水相的破碎效果。试验结果表明，反萃取率为97.6%时，雷诺数为23 128，此时未出现乳化现象。综合考虑，确定转盘雷诺数以23 128为宜，对应的转盘转速为555 r/min。

2.1.2 通量的影响

2.1.2.1 通量对萃取的影响

两相在塔内的通量直接影响两相的传质与分离程度，也影响生产效率及生产能力。一次萃取后，萃余水相中铀质量浓度还较高，故须进行二次萃取。在V(有机相)/V(水相)=1.2/1、转盘雷诺数13 824条件下，通量对萃取的影响试验结果如图5所示。

图5 通量对萃取的影响

由图5看出，在一、二次萃取中，铀萃取率均随通量减小而提高：通量由88 L/h降至66 L/h，铀萃取率提高明显；通量由66 L/h降至22 L/h，铀萃取率提高幅度不大，表明萃取已趋于稳定。综合考虑，确定适宜通量为66 L/h，即有机相流量36 L/h，料液流量30 L/h。

2.1.2.2 通量对反萃取的影响

一次反萃取后，有机相中铀质量浓度还较高，需用纯水进行二次反萃取。在V(纯水)/V(贫有机相)=1.2/1、转盘雷诺数约23 128条件下，通量对反萃取的影响试验结果如图6所示。

图6 通量对反萃取的影响

由图6看出：铀的一次、二次反萃取率均随通量减小而明显提高；一次反萃取率比二次反萃取率明显要高。总通量为55 L/h时，反萃取液中铀质量浓度为70 g/L左右；经两级反萃取后，有机相中铀质量浓度仍有1 g/L左右，比较高，但实际生产中，体系是密闭的，反萃取后的有机相中会继续进入下一级萃取，不会影响铀萃取率。综合考虑，确定反萃取时适宜通量为55 L/h，即纯水流量30 L/h，饱和有机相流量25 L/h。

2.2 碱渣浸出液的萃取

针对芯块溶解液的试验结果表明，转盘雷诺数越高，萃取效果越好。所以，针对碱渣浸出液的萃取及反萃取试验在较高转盘雷诺数条件下进行，主要考察通量的影响。

2.2.1 通量对萃取的影响

在V(有机相)/V(水相)=1.2/1、转盘雷诺数约13 824条件下，通量对萃取的影响试验结果如图7所示。可以看出：一次、二次萃取中，铀萃取率均随通量减小而提高；通量由88 L/h降至77 L/h，二次萃取率出现跃升，之后平稳提高，而一次萃取率则逐渐提高；二次萃取率由于溶液中铀质量浓度很低，分配比较低，提高幅度不明显。与废芯块溶解液的萃取效果相比，同等条件下，碱渣浸出液的萃取效果稍差，因为碱渣浸出液中含有大量非金属杂质，在萃取过程中会与铀发生竞争萃取，影响铀酰离子与TBP的结合，从而影响萃取效果。实际生产中，一次萃取率更重要。

图7 通量对萃取率的影响

通量分别为44、55 L/h时，二次萃取后萃余水相中铀质量浓度分别为46、155 mg/L，均满足工艺要求。综合考虑，确定通量以55 L/h为宜，即有机相流量30 L/h，水相流量25 L/h，相比废芯块溶解液的生产能力有所下降。

2.2.2 通量对反萃取的影响

在V(纯水)/V(饱和有机相)=1.2/1、转盘雷诺数约23 128条件下，通量对反萃取的影响试验结果如图8所示。

图8 通量对反萃取率的影响

由图8看出，对于饱和有机相，铀的一次、二次反萃取率都随通量减小而提高，反萃取效果与废芯块溶解液的反萃取效果相差不大。综合考虑，确定反萃取适宜通量为55 L/h，即纯水流量30 L/h， 饱和有机相流量25 L/h。

2.3 综合试验

废芯块溶解液、碱渣浸出液经两次萃取、两次反萃取后，水相中杂质、铀质量浓度分析结果分别见表4、5。

表4 反萃取水相中杂质分析结果

表5 反萃取水相、萃余水相中的铀质量浓度

由表4、5看出，2种原料液通过偏心转盘塔萃取纯化后，铀和杂质质量浓度均满足工艺要求。表明原料液杂质组成对偏心转盘塔萃取性能的影响很小。偏心转盘塔用于萃取纯化铀质量浓度低、杂质质量浓度较高的碱渣浸出液是可行的。

3 结论

用偏心转盘塔取代混合澄清器萃取纯化含铀料液是可行的，其处理能力、铀回收率、溶液纯化效果等各项指标均较好，且生产能力还可进一步提升；设备密封性、操作便捷性更好，有利于生产现场管理。