xác định số bậc chiết uran bằng hệ tbp - dầu hỏa - axit nitric

27 Tạp chí Hóa học, T. 40, số 2, Tr. 27 - 30 (2002) xác định số bậc chiết uran bằng hệ tbp-dầu hỏa-axit nitric Đến Tòa soạn 01-3-2001 Phạm Văn Thiêm 1 , Nguyễn Khang 1 , Phan Đình Tuấn 2 , Nguyễn Minh Tuyển 3 1 Khoa Hóa học, Tr ờng ĐHBK H$ Nội 2 Khoa Hóa học, Tr ờng ĐHBK Tp. Hồ Chí Minh 2 Bộ môn Hóa học, Tr ờng ĐHXD H$ Nội Summary Computing the steps in extraction for uranium solution by TBP - kerosene - HNO 3 is described. Việc tính toán số bậc chiết uran l nhiệm vụ cần giải quyết khi nghiên cứu công nghệ hóa phóng xạ. Với mục đích đ+a ra số thiết bị trong d.y chiết mắc nối tiếp để đạt mức chuyển hóa yêu cầu t+ơng ứng với các điều kiện kỹ thuật công nghệ nhất định. Để giải quyết nhiệm vụ ny, tr+ớc đây ng+ời ta th+ờng dùng ph+ơng pháp đồ thị dựa trên các đ+ờng cong thực nghiệm nh+ng độ chính xác th+ờng không cao. Ngy nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, bi toán ny đ. đ+ợc giải quyết dựa theo các mô hình toán học v đ+ợc tính toán trên máy tính điện tử cho kết quả có độ chính xác rất cao. Trong bi báo ny chúng tôi đ+a ra kết quả tính toán số bậc chiết uran bằng hệ TBP - dầu hỏa - HNO 3 dựa trên mô hình toán học v ph+ơng trình động học phản ứng rút ra từ thực nghiệm. Quá trình chiết uran từ dung dịch bằng hệ TBP - dầu hỏa - HNO 3 đ+ợc thực hiện trong d.y thiết bị khuấy động trộn mắc nối tiếp. ứng với mỗi thiết bị khuấy trộn l một bậc chiết. Do quá trình chiết l lỏng - lỏng, sự khuấy trộn lý t+ởng. Thể tích từng thiết bị bằng nhau v có nồng độ uran đồng nhất trong từng thiết bị. D.y chiết lm việc liên tục với l+u l+ợng dòng không đổi, thời gian l+u i trọng từng thiết bị bằng nhau. Mô hình toán học d.y thiết bị phản ứng hóa học khuấy lý t+ởng mắc nối tiếp viết cho thiết bị thứ i l: () ii C i C i d i dC = 1 1 (1) Trong đó: C i l nồng độ chất phản ứng trong thiết bị thứ i i l thời gian l+u chất phản ứng trong thiết bị thứ i đ+ợc xác định theo công thức: s V i V i = V i - thể tích của thiết bị thứ i, m 3 V s - l+u l+ợng dòng, m 3 /s i tốc độ phản ứng trong thiết bị thứ i đ+ợc xác định theo công thức: i = k.C i P k l hằng số tốc độ phản ứng hóa học p l bậc phản ứng. Do chế độ dòng l khuấy lý t+ởng, nồng độ chất phản ứng đồng nhất trong từng thiết bị, chế 28 độ lm việc trong từng thiết bị ổn định ta có dC i /d = 0, nên từ (1) dẫn tới: i i C i C i = 1 (2) Do 1i = (i=1, n), nên ta có: C i-1 - C i = k 1 C i P (3) Ký hiệu phần chất không phản ứng trong thiết bị thứ i l : 1 = i i i C C (0 i 1) Khi thay C i = i . C i-1 vo (3) v chia hai vế cho C i-1 , ta có: 1 - i = k i C i-1 p -1 i P (4) Viết (4) thnh dạng hm số của i : f ( 1 ) = R i i P + i - 1 = 0 (5) Với R i = k i C i-1 p-1 (6) Để xác định mức độ chuyển hóa trong từng thiết bị X Ai = 1 - i cần phải tìm nghiệm i của ph+ơng trình (5). Bi toán đ+ợc giải bằng ph+ơng pháp nội suy Newton cho nghiệm i : ( ) () im im f f imim . . ' 1 = + Lấy đạo hm (5) có: ( ) 1' 1 += p imiim pRf Vậy: 1 1 1 . . . .1 + + = + p imi i p im im im pR i R (7) Dùng (7) cho phép giải (5) với mọi bậc phản ứng p. B+ớc đầu tiên, có thể chọn gần đúng m.i = 1 Vậy phần chất không phản ứng ở đầu ra d.y thiết bị k l: = == n i n n n nn k i C C C C C C C C C C 1 12 1 1 2 0 1 0 (8) Nếu biết ph+ơng trình động học phản ứng hóa học, thời gian l+u chất phản ứng trong từng thiết bị, nồng độ đầu C 0 của chất phản ứng, mức độ chuyển hóa của cả d.y thiết bị X A n cần đạt đ+ợc, sẽ dựa vo thuật toán trên tìm ra số thiết bị cần thiết n cho d.y. Độ chính xác của việc tính 1 theo công thức (7) đ+ợc chọn tuỳ theo đặc điểm của bi toán. Th+ờng trong tính toán kỹ thuật lấy = 0,001. Để kiểm tra điều kiện logic, xét bất đẳng thức: + im im . .1 Sơ đồ khối của thuật toán giải bi toán cho ở hình 1. Dùng sơ đồ khối ny, chúng tôi đ. lập ch+ơng trình tính toán d.y thiết bị phản ứng hóa học khuấy trộn lý t+ởng bằng ngôn ngữ Pascal. Để tính toán số bậc chiết uran bằng hệ TBP - Dầu hỏa - HNO 3 theo ch+ơng trình đ. lập trên, chúng tôi đ. tiến hnh lm thực nghiệm nghiên cứu động học quá trình chiết ny. Từ thực nghiệm rút ra ch+ơng trình động học của phản ứng chiết uranyl nitrat bằng hệ TBP-Dầu hỏa 30% l: i = 1,12 C u 0,4 (mg/ml.s) Dùng ch+ơng trình động học ny, chúng tôi đ. tính toán số bậc chiết uran n để đạt mức độ yêu cầu l: x un = 0,95. Với các điều kiện đầu: Nồng độ uran trong dung dịch đầu: C u 0 = 75 mg/ml Thể tích các thiết bị chiết: V = 1000 ml. L+u l+ợng dòng liên tục qua d.y chiết: V s = 200 ml/s. Thời gian l+u trung bình trong từng thiết bị: s s V V 5 200 1000 1 === 29 Hình 1: Sơ đồ thuật toán giải bi toán Phần chất không phản ứng ra khỏi d.y chiết yêu cầu k = 1 - X un = 0,05 Độ chính xác của bi toán = 0,001. Với các số liệu đầu ny, sử dụng ch+ơng trình đ. lập trên chúng tôi có kết quả tính toán d.y thiết bị chiết uran bằng hệ TBP - dầu hỏa - HNO 3 nh+ sau: N 1 2 3 4 C un 48,538 27,466 12,223 3,250 0,647 0,556 0,445 0,266 k 0,647 0,375 0,167 0,044 Lấy số liệu đầu k, p, C 0 , 1 , X An , k Tính R i Tính m +1.i Kiểm tra: + im im . .1 Tính i , C i Tính k i Kiểm tra: k - ki 0 Dừng + + - _ 30 Vậy khi số bậc chiết hay số thiết bị trong d.y chiết nối tiếp n = 4 thì có k = 0,044 < 0,05. Mức độ chuyển hóa đạt đ+ợc: X un = 1 - k = 1 - 0,044 = 0,956. Giá trị ny lớn hơn mức độ chuyển hóa yêu cầu l 0,95. Kết quả khi sử dụng 4 thiết bị mắc nối tiếp có thể tích V = 1000 ml, l+u l+ợng dòng V s = 200 ml/s sẽ đảm bảo chiết liên tục uran bằng hệ TBP - Dầu hỏa - HNO 3 từ nồng độ đầu C un = 75 mg/ml xuống nồng độ cuối C ur = 3,25 mg/ml đạt mức độ chuyển hóa X un = 0,956. Các kết quả tính toán trên có thể ứng dụng nghiên cứu cho thực tế chiết tách uran bằng hệ TBP - dầu hỏa - HNO 3 ở các quy mô khác nhau. Sử dụng ch+ơng trình đ. lập cho phép tính toán chính xác số bậc chiết ứng với các điều kiện kỹ thuật công nghệ yêu cầu. Công trình đ ợc sự hỗ trợ của ch ơng trình nghiên cứu khoa học tự nhiên. Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Minh Tuyển, Phạm Văn Thiêm. Kỹ thuật hệ thống công nghệ hóa học, tập 1, Nh xuất bản Khoa học v Kỹ thuật, H Nội (2001). 2. Nguyễn Minh Tuyển, Phạm Văn Thiêm, Đặng Đức Tạo. Kỹ thuật tiến hnh phản ứng hóa học; Nh xuất bản Khoa học v Kỹ thuật, H Nội, 1987. 3. V. V. Kafarov. Các ph+ơng pháp điều khiển học trong hóa học v trong công nghệ hóa học, Nh xuất bản Hóa học, Matxcơva (1985), (tiếng Nga). 4. N. E. Avery. Cơ sở động học v cơ chế phản ứng hóa học. Nh xuất bản Mir Moskva 1978 (Tiếng Nga). 5. Phạm Văn Thiêm, Nguyễn Khang, Phan Đình Tuấn, Nguyễn Minh Tuyển. Tuyển tập báo cáo ton văn Hội nghị ton quốc về Hóa lý thuyết v Hóa tin học, Tp. Hồ Chí Minh 3/1998. . 27 Tạp chí Hóa học, T. 40, số 2, Tr. 27 - 30 (2002) xác định số bậc chiết uran bằng hệ tbp- dầu hỏa- axit nitric Đến Tòa soạn 0 1-3 -2 001 Phạm Văn Thiêm 1 , Nguyễn Khang 1 , Phan. thực tế chiết tách uran bằng hệ TBP - dầu hỏa - HNO 3 ở các quy mô khác nhau. Sử dụng ch+ơng trình đ. lập cho phép tính toán chính xác số bậc chiết ứng với các điều kiện kỹ thuật công nghệ yêu. t+ởng bằng ngôn ngữ Pascal. Để tính toán số bậc chiết uran bằng hệ TBP - Dầu hỏa - HNO 3 theo ch+ơng trình đ. lập trên, chúng tôi đ. tiến hnh lm thực nghiệm nghiên cứu động học quá trình chiết