Назначение реэкстракции — извлечение урана из органической фазы с последующим возвращением регенерированного экстрагента в экстракционный цикл для экстракции новых порций исходного водного раствора урана.

Обычно экстракт (органическая фаза, насыщенная ураном в процессе экстракции) перед реэкстракцией промывают чистой или слабо подкисленной водой. В чем смысл такой промывки?

Она обеспечивает как удаление примесей, имеющих меньшие коэффициенты распределения, чем уран, которые дополнительно переходят в водную фазу того же состава, что и рафинат (кроме урана и самих примесей), так и удаление эмульсии рафината, обычно остающейся в экстракте после экстракции.

Объем промывочной жидкости составляет 10—15% объема исходного раствора (или рафината), но с ней удаляется до 80% . захваченных примесей при сравнительно небольшом переходе в нее урана, что не играет особой роли, так как промывной раствор направляется в оборот на предыдущие ступени экстракции (противотоком).

Реэкстракция в физико-химическом отношении - процесс, обратный экстракции. Несмотря на некоторые специфические особенности, реэкстракции присущи закономерности экстракции, но «с обратным знаком». Общее правило - чем эффективнее экстрагент по отношению к урану и чем больше коэффициент распределения при экстракции, тем сложнее и труднее протекает реэкстракция. Из органических фаз, содержащих экстрагенты 1-й группы, например ТБФ, реэкстракция урана происходит сравнительно просто, так как сольваты не очень стойки и сравнительно легко отдают уран. Поэтому в качестве реэкстрагентов достаточно применить обычную или слабо подкисленную азотной кислотой воду, лучше горячую.

       Намного сложнее осуществлять реэкстракцию в присутствии экстрагентов 2-й группы. Как уже отмечалось, кислые алкилфосфаты дают очень устойчивые соли. Реакцию их образования

сдвигает в обратную сторону только избыток ионов Н⁺, что достигают применением концентрированных кислот, например 10 М НСl или 8—10 М НF. Другие кислоты, такие, как азотная или серная, реэкстрагируют плохо и поэтому не применяются.

Однако сода или карбонат аммония и в этом случае чрезвычайно эффективны, поскольку образующийся трикарбонатный комплекс значительно устойчивее органических комплексов. Если экстрагировался четырехвалентный уран, то в органической фазе образуются также довольно устойчивые комплексы. Однако при этом для реэкстракции можно использовать даже разбавленные растворы НF или NH₄F. Осаждение в ходе твердофазной реэкстракции тетрафторида урана сдвигает равновесие в сторону извлечения урана из органической фазы.     

Реэкстракция из фазы алкиламинов напоминает аналогичный ей процесс десорбции из смолы-анионита. Лучшие реэкстрагенты—NН₄Сl и NH₄NO₃, а также NaCl и NaNO₃. Применение карбонатов натрия и аммония эффективно в этом случае, а также для извлечения урана из синергетических смесей экстрагентов.                       

АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ЭКСТРАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Экстракция является типичным примером диффузионного процесса массопередачи в гетерогенной системе Ж—Ж, в которой массопередача протекает на поверхности контакта двух фаз. Экстрагируемое вещество распределяется между двумя жидкими несмешивающимися фазами.

Движущая сила этого процесса - разность между концентрациями распределяемого вещества в данный момент и в состоянии равновесия. Количество вещества при однократном акте экстрагирования определяется коэффициентом распределения, поскольку равновесие при экстракции устанавливается очень быстро.

В настоящее время теория еще не в состоянии заранее определить ход изотермы экстракции в каждом конкретном случае, главным образом из-за отсутствия данных о коэффициентах активности всех компонентов, входящих в систему. Поэтому для практических целей данные о коэффициенте распределения и характере его зависимости от различные факторов определяют экспериментально. Исследуя извлечение веществ при определенной температуре и различных концентрациях, по опытным данным графически строят изотермы экстракции. Изотермы для различных температур (T₁, T₂, T₃ и т. д.) представляют собой семейство кривых, которые описывают закономерности экстракции (рис. 65).

При выбранной нами постоянной температуре (и постоянном давлении) изотерма - это линия равновесия, отвечающая уравнению С_орг=f(С_водн). Уравнение рабочей линии вытекает из дифференциального уравнения материального баланса экстракции Q_оргdС_орг= -Q_воднdС_водн, где Q_орг - расход органической фазы; Q_водн - расход водной фазы; dС_орг - изменение концентрации вещества в органической фазе; dС_водн - изменение концентрации вещества в водной фазе. Интегрируя это уравнение в пределах от 1 до 2, получаем уравнение рабочей линии

С_орг” = [-Q_водн./Q_орг] ^. (С”_водн – С’в_одн) + С’_орг

Обычно экстракционный процесс осуществляют противоточным, что делает расчет более сложным, но все же возможным.

Число ступеней экстракции и реэкстракции определяют с помощью обычного графического метода, аналогичного методу графического определения числа теоретических тарелок ректификационных колонн.

Все это относится к статике процесса экстракции, но необходимо учитывать также и кинетику экстракционного процесса, характеризующую скорость процесса экстракции и скорость приближения к экстракционному равновесию. Эта величина имеет существенное значение, особенно для оценки возможности использования и расчета экстракции в непрерывно действующих аппаратах, так как именно она определяет необходимую скорость прохождения фаз через эти аппараты.

Время, требующееся для установления равновесия или достаточной степени приближения к нему, зависит от скорости диффузии из одной фазы в другую реагирующих или образующихся веществ, а также от скорости протекающих химических реакций (образование сольвата, удаление воды и т. п.). В большинстве случаев при соответствующем дроблении капель жидкости и перемешивании фаз экстракционное равновесие наступает очень быстро, в течение нескольких минут, а иногда и секунд, в чем одно из важных преимуществ экстракции перед другими технологическими процессами.

Основные уравнения скорости процесса экстракции:

Q_водн dC_водн/dt = К_водн (С^*_водн – С_водн);

Q_орг dC_орг/dt = К_орг (С^*_орг – С_орг),

где Q_водн, C_орг – расходы соответственно водной и органической фаз, К_водн, К_орг – общие коэффициенты массопередачи по фазам.

       К настоящему времени создано множество различных конструкций экстракционной аппаратуры. Аппараты для экстракции – экстракторы – должны удовлетворять следующим принципиальным требованиям; ускорять обмен между фазами, т.е. обеспечивать хороший контакт между органической и водной фазами; облегчать осуществление противотока двух фаз, одной по отношению к другой, с минимальным взаимным захватом; быть механически надежными и удобными для работы, обслуживания и ремонта; быть компактными, высокопроизводительными, занимать возможно меньшие площади цехов; быть изготовленными из стойких материалов; быть относительно недорогими по стоимости изготовления и при эксплуатации.

       Все существующие типы экстракторов можно разделить на две основные группы: аппараты с поверхностным контактом, образующемся в процессе движения потоков, главным образом различные колонны (тарельчатые, насадочные, инжекционные и т.п.); аппараты с внешним подводом энергии, к которым относятся аппараты с механическими мешалками, пульсационные колонны, вибрационные колонны, роторно-дисковые экстракторы, горизонтальные смесители-отстойники ящичного типа, центробежные экстракторы.

       На рис. 66-68 изображены принципиальные схемы некоторых наиболее употребительных экстракторов.

       В настоящее время в ядерной технологии экстракцию осуществляют как непрерывный многоступенчатый противоточный процесс по следующей схеме (рис. 69, 70).

       На современных экстракционных установках широко применяют схемы автоматического регулирования процесса. Алгоритмом управления служит стабилизация всех жидких потоков, что бывает вполне достаточно при незначительных отклонениях состава исходных продуктов.