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1、1,核燃料化学工艺学,Part 核燃料后处理第五章 溶剂萃取工艺过程第十三讲聂小琴,2,第五章 溶剂萃取工艺过程,5.1 普雷克斯流程概述5.2 共去污-分离循环5.3 钚的净化循环5.4 铀的净化循环,3,5.1 普雷克斯流程概述,普雷克斯(Purex:Plutonium Uranium Recovery by Extraction萃取回收铀钚)定义：采用磷酸三丁酯(30%)为萃取剂，正十二烷、煤油或烃混合物作稀释剂，硝酸作盐析剂，从乏燃料硝酸溶解液中分离回收铀、钚的溶剂萃取流程。原理：该流程利用TBP易萃取四价钚、六价铀，而不易萃取三价钚和裂变产物的这一化学性能，并采用适当的方法调节钚的价
2、态，经过23个萃取循环，实现铀和钚的分离和回收，以及对裂变产物的净化。有些普雷克斯流程中最后一步用阴离子交换纯化钚，用硅胶吸附纯化铀。,4,5,5.1 普雷克斯流程概述,共去污分离循环装置：1A,1B,1C混合澄清槽任务:实现铀钚与裂片元素的分离，以及铀钚之间的分离。铀的净化循环装置：2D,2E混合澄清槽任务：完成第一循环铀产品液的进一步净化钚的净化循环装置：2A,2B混合澄清槽任务：完成第一循环钚产品液的进一步净化,6,5.1 普雷克斯流程概述,蒸发浓缩器装置：1CU任务：便于对2DF调料调料罐装置：2DF,2AF任务：调酸调价水相废液装置：1AW,2DW,2AW污溶剂装置：1CW,2BW,
3、2EW,7,8,5.2 共去污-分离循环,(一)过程概述(1)共萃取共去污(1A)(2)1B槽(铀钚分离槽)(3)1C槽,9,5.2 共去污-分离循环,(一)过程概述(1)共萃取共去污(1A)1AF:萃取料液1AX:有机萃取剂(30TBP煤油)1AW:水相萃残液1AS：洗涤剂(13mol/L HNO3)1AP：萃取液（有机相）,10,5.2 共去污-分离循环,(一)过程概述(2)1B槽（铀钚分离槽）1BX：还原反萃剂1BS：补充萃取剂1BP：水相反萃液1BU：含U有机相,11,5.2 共去污-分离循环,(一)过程概述(3)1C槽1CX：铀反萃取剂1CU：含铀水相反萃液1CW：污溶剂,12,5.
4、2 共去污-分离循环,(二)工艺条件的选择(1)共萃取共去污(1A)(2)铀钚分离(1B槽)(3)铀的反萃取(1C槽)(4)污溶剂的净化与复用,13,5.2 共去污-分离循环,(二)工艺条件的选择(1)共萃取共去污(1A)料液铀浓度 料液和洗涤剂的硝酸浓度 TBP浓度 铀饱和度 流比 温度,14,5.2 共去污-分离循环,(1)共萃取共去污(1A)料液铀浓度高(生产能力/进料级的铀饱和度)太高(粘度/密度/流动性)加浓铀燃料元件：200-300g/L天然铀或低加浓铀：1.8mol/L,15,5.2 共去污-分离循环,(1)共萃取共去污(1A)料液和洗涤剂的硝酸浓度高酸(3mol/L)进料低酸(
5、1mol/L)洗涤优点：有利于去除钌/锆/铌缺点：降低了设备的生产能力；有机相降解比较严重；提高了试剂消耗量，增加了强放废液处理和贮存费用。,16,5.2 共去污-分离循环,(1)共萃取共去污(1A)料液和洗涤剂的硝酸浓度低酸(0.5-1mol/L)进料高酸(2-3 mol/L)洗涤依据：当1AF料液中锆铌含量比钌多时优点：由于采用较高铀浓度的料液而提高了设备的生产能力；降低了强放废液1AW的硝酸浓度。缺点：增加了铀/钚净化循环除钌的负担。,17,5.2 共去污-分离循环,(1)共萃取共去污(1A)TBP浓度所处理对象高加浓铀燃料元件2%-15%(体积)TBP浓度天然铀及低加浓铀燃料元件 30
6、%(20%-40%)(体积)TBP浓度生产能力水力学性能铀/钚和裂片元素分配系数,18,5.2 共去污-分离循环,(1)共萃取共去污(1A)铀饱和度有利于去除裂片元素增加铀/镎/钚的损失60%-80%,19,5.2 共去污-分离循环,(1)共萃取共去污(1A)流比(1AF:1AX:1AS的流量比)X:F 有机相和料液比X:S 有机相和洗涤剂比流比大降低铀饱和度，对去除裂片元素不利流比小提高铀饱和度，导致运行不稳定，造成铀/钚的流失量增大。,20,5.2 共去污-分离循环,(1)共萃取共去污(1A)温度TBP萃取铀/钚的过程是一个放热反应过程高温有利于除钌，改善澄清分相，对铀/钚的收率有好处低温
7、有利于除锆/铌洗涤段加热到50-55,21,5.2 共去污-分离循环,(2)铀、钚分离（1B槽）原理选择适当的还原反萃剂，将钚由Pu()还原到不被TBP萃取的Pu()，从有机相转入到水相。铀仍以六价状态存在于有机相中，从而实现了铀与钚的分离。关键还原反萃剂的选择还原反萃剂的浓度确定各种干扰因素的排除,22,5.2 共去污-分离循环,(2)铀、钚分离（1B槽）氨基磺酸亚铁用量 硝酸浓度 补充萃取剂用量,23,5.2 共去污-分离循环,(2)铀、钚分离（1B槽）氨基磺酸亚铁用量Fe(NH2SO3)2铀和钚分离的程度，取决于Pu()还原到Pu()的完全程度。Fe()/Pu()10/1-40/1 15
8、/1在保证钚回收率的前提下，亚铁用量尽量少还原反萃剂1BX中的亚铁浓度和1BP的浓缩倍数通过实验确定,24,5.2 共去污-分离循环,(2)铀、钚分离（1B槽）硝酸浓度低太低水相平衡酸度2mol/L裂片元素的走向酸度低，锆铌反萃下来的量多,25,5.2 共去污-分离循环,(2)铀、钚分离（1B槽）补充萃取剂用量 补充萃取的作用是用TBP-煤油洗涤还原反萃后的含钚水相，将与钚同时反萃下来的少量铀重新反萃取到有机相中去，以便提高铀钚分离效果。补充萃取剂1BS可用新鲜的30%TBP-煤油也可以用钚净化循环的污溶剂2BW,26,5.2 共去污-分离循环,(2)铀、钚分离（1B槽）补充萃取剂用量 增大补
9、充萃取剂的用量显然有利于铀/钚的分离，但是，1BS用量太大将使有机相耗量过多，使反萃段的流比(有机物/水)增大，有机相铀饱和度下降，反而使铀中钚分离效果变差。因此其用量的选择以能达到良好的补充萃取为宜。,27,5.2 共去污-分离循环,(3)铀的反萃取（1C槽）硝酸浓度 温度提高温度有利于铀的反萃分相，减少相夹带 流比铀的收率反萃水相的铀浓度不致太低,28,5.2 共去污-分离循环,(4)污溶剂的净化与复用定义目的要求方法,29,5.2 共去污-分离循环,(4)污溶剂的净化与复用 洗涤剂净化污溶剂常用方法酸、碱交替洗涤碱洗作用除去污溶剂中的DBP、MBP等降解产物除去一部分放射性物质酸洗作用破
10、坏乳化剂并将溶剂酸化除去一部分放射性物质,30,5.2 共去污-分离循环,(4)污溶剂的净化与复用 洗涤剂净化污溶剂影响因素洗涤试剂：碳酸钠/氢氧化钠/高锰酸钾/硝酸洗涤顺序：碱酸交替两相接触时间：3-5min连续洗涤/5-10min间歇洗涤相比:有机相(1-10):水1温度：碱洗温度50-60/酸洗温度35洗涤方式：混合澄清槽/球洗洗涤剂的更换：放射性水平/浓度变化/洗涤效果洗涤流程：,31,5.2 共去污-分离循环,污溶剂洗涤流程,32,5.2 共去污-分离循环,(4)污溶剂的净化与复用 用大孔阴离子交换树脂净化污溶剂适用非水的甚至是非极性的溶液作用、类型穿漏解吸：HNO3-HF/NaOH
11、更换树脂优点流程简单，产生的废液量少，净化后的溶剂的物化性质优,33,5.2 共去污-分离循环,(4)污溶剂的净化与复用 溶剂的补充和更换更换方式定期分批更换一次性更换处理方法放到大罐中贮存或烧掉再生(真空急骤蒸馏法),34,(4)污溶剂的净化与复用,真空急骤蒸馏法再生污TBP-煤油原理沸点不同，可通过精馏的方法达到彼此的净化分离。TBP的沸点和煤油的沸点不同污溶剂中得一些杂质、污物和降解产物的沸点与TBP不同低碳链的烷烃和烯烃的沸点比煤油的沸点低TBP是一种热敏性物质，在温度高于150时就开始分解。煤油在较高的温度下也会发生裂解。因此，必须采用真空急骤气化和真空精馏的方法，以便降低TBP、煤
12、油的沸点，缩短他们在气化过程的受热时间，减少它们的热分解损失，从而达到净化和再生的目的。,35,(4)污溶剂的净化与复用,真空急骤蒸馏法再生污TBP-煤油 主要设备TBP精馏塔用途从污TBP中出去高沸点降解产物，精馏回收TBP煤油精馏塔用途从污煤油中除去低沸点的降解产物，精馏回收煤油,36,5.3 钚的净化循环,任务对经过初步分离掉铀和裂片元素的钚中间产品液1BP再进行萃取分离，进一步除去铀和裂片元素，以便得到较纯净的钚的浓缩液。(一)无铀时TBP对钚及裂片元素的萃取(二)钚净化循环工艺过程,37,38,5.3 钚的净化循环,(一)无铀时TBP对钚及裂片元素的萃取(1)TBP萃取Pu()(2)
13、TBP萃取裂片元素,39,5.3 钚的净化循环,(1)TBP萃取Pu()硝酸浓度TBP浓度Pu()浓度温度络合剂(硫酸/草酸/磷酸),40,5.3 钚的净化循环,(2)TBP萃取裂片元素硝酸浓度温度络合剂,41,5.3 钚的净化循环,(二)钚净化循环工艺过程(1)2AF料液的制备 调价亚硝酸钠(NaNO3)硝酸 硝酸浓度的调整,42,5.3 钚的净化循环,(二)钚净化循环工艺过程(2)选择萃取工艺条件 料液硝酸浓度 TBP浓度 洗涤剂的硝酸浓度 流比,43,5.3 钚的净化循环,(二)钚净化循环工艺过程(3)反萃取工艺条件选择 钚的低酸反萃 钚的还原反萃,44,5.4 铀的净化循环,任务对已经初步分离钚和裂片元素的铀溶液1CU再次进行萃取和洗涤，以便进一步除去钚和裂片元素，获得更为纯净的铀溶液。,45,46,5.4 铀的净化循环,(一)工艺过程(二)2DF料液制备(三)选择工艺条件(1)2D槽工艺条件(2)2E槽工艺条件,
