DE2149089A1

DE2149089A1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven trennen von wertstoffverbindungen mittels elektrolytischer reduktion

Info

Publication number: DE2149089A1
Application number: DE19712149089
Authority: DE
Inventors: Franz Prof Dr Baumgaertner; Hubert Dipl-Ing Goldacker; Helmut Dipl-Chem Hausberger; Helmut Schmieder
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1971-10-01
Publication date: 1973-04-05
Also published as: DE2149089C3; DE2149089B2; US3793177A

Description

GESELLSCHAFT FÜR 75 Karlsruhe, den 30. 9-71

KERNFORSCHUNG MBH PI-A. ⁷¹/^{44 G1}/J^d

Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven Trennen von Wertstoffverbindungen mittels elektrolytischer Reduktion.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven Trennen von in einer der beiden zur Extraktion erforderlichen Phasen befindlichen Wertstoffverbindungen mittels elektrolytischer Reduktion mindestens eines der Wertstoffe und Überführung des oder der abzutrennenden Stoffe in die andere Phase.

Zum Trennen von Uran- und Plutonium-Verbindungen durch Flüssig-Flüssig-Extraktion ist eine mehrstufige Misch-Absetzer-Apparatur bekannt, die zur elektrolytischen Reduktion des Plutoniums Elektroden im Bereich einer Durchmischung beider Phasen aufweist. Hierbei sind die Kathoden in den Mischkammern angeordnet, die Anoden, umgeben von einseitig geschlossenen Diaphragmen, in der Absetzkammer. Die Diaphragmen dienen zum Fernhalten

309814/1027

21A9089

des sich an der Anode bildenden atomaren Sauerstoffs von der organischen· Phase. Die vertikal angeordneten Mischkammern besitzen etwa die siebenfache Länge einer Seite ihres quadratischen Querschnitts, die Absetzen

kammern sind gegsnüber den Mischkammern um 45 geneigt und weisen ungefähr denselben Querschnitt auf wie die Mischkammern. Jede Mischkammer ist mit drei Absetzkammern durch entsprechende öffnungen am Boden der Kammern, in deren unterem Drittel und etwa in ihrer Mitte räumlich verbunden und umgekehrt jede Absetzkammer mit drei Mischkammern.

Bei größerer Dimensionierung einer solchen Vorrichtung treten jedoch erhebliche Schwierigkeiten auf. In Abhängigkeit des Beladungszustandes der Phasen und des Durchsatzes der Flüssigkeitsmengen verschiebt sich die Phasengrenze der einzelnen Stufen, d.h. in einer Stufe am einen Ende des Extraktionsapparates herrscht ein anderes Mengenverhältnis der beiden Phasen vor als in einer Stufe am anderen Ende der Vorrichtung. Außerdem schwankt die Höhe der Phasengrenze einer Stufe während des Betriebes der Vorrichtung unter Umständen verhältnismäßig stark. Hierdurch ist ein Verstopfen eines Teils der Diaphragmas durch die organische Phase in einem Bereich, der normalerweise mit der wäßrigen Phase in Berührung steht, nicht zu vermeiden. Dies wirkt sich aber in negativer Weise auf die Qualität der Trennung und der Extraktion aus, die Optimalisierung der Prozeßbedingungen geht verloren, evtl. kommt die elektrolytische Reduktion in einer solchen Stufe praktisch zum Erliegen.

Wird die Anodenzelle in der Mischkammer angeordnet, so ergeben sich folgende Schwierigkeiten:

Durch die Turbulenz in der Mischkammer kann nicht ausgeschlossen werden, daß eine Teilmenge der mit Sauerstoff gesättigten wäßrigen Phase in den Kathodenraum gelangt und teilweise die reduzierten Wertstoffe reoxidiert. Außerdem wäre durch die Turbulenz das Eindringen von organischer Phase, evtl. mit unerwünschten Oxidationsprodukten, in den Anodenraum nicht vollständig auszuschließen, was eine Reduzierung der effektiven /j,(.:ienober-

309814/102 7

fläche, bzw. eine sogenannte Vergiftung der Anode bewirken würde. Weiterhin ist durch Schwankungen des Durchsatzes der beiden Phasen, bzw. durch unterschiedliche Höhen der Phasengrenze die Gefahr einer Phasenumkehr gegeben, d.h. die in der Mischphase als kontinuierliche Phase erforderliche wäßrige Phase, die die dispergierte organische Phase umhüllt, wird verhältnismäßig schnell zur diskontinuierlichen Phase und somit von der organischen Phase umhüllt. Dies bedeutet aber eine Unterbrechung des Stromdurchganges in der betreffenden Stufe und deren Ausfall für die elektrolytische Reduktion, sowie eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Vorrichtung. Die Möglichkeit zur automatischen Überwachung und Steuerung der Trennvorrichtung werden durch den stark schwankenden Stromverlauf bei der Reduktion in der Mischkammer erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven Trennen von Wert Stoffverbindungen mittels elektrolytischer Reduktion zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und welche eine einwandfreie Durchführung der Prozesse in Bezug auf elektrolytische Reduktion, Extraktion und Trennung gewährleistet. Weiterhin soll die Möglichkeit einer automatischen Überwachung und Steuerung der Vorrichtung durch die konstant sichere Funktion und durch die einfache und kompakte Ausführung der Vorrichtung gegeben sein. Unter Wertstoffverbindungen sollen Metallverbindungen, beispielsweise Verbindungen von Aktiniden, aber auch organische Verbindungen, beispielsweise organische Säuren, verstanden werden.

Die Lösung der Aufgabe wird nun erfindungsgemäß erreicht durch einen mehrstufigen Extraktionsapparat mit als Kathode ausgebildeten Einzelstufen und mit mit einer elektrischen Isolierung versehenen, jedoch mit den Kathodenräumen in direkter, diapragmenloser Verbindung stehenden Anodenzellen.

3098U/1027

Eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung ist ein mehrstufiger Mischab setzer mit als Kathoden ausgebildeten, aus Isoliermaterial bestehende Anodenzellen enthaltenden Elektrolysezellen-Gehäusen. Eine \5teitere Ausbildung der Vorrichtung ist eine Gegenstrom-Extraktionskolonne, bestehend aus einem inneren Rohr mit darin angebrachten Kolonnenboden als Einzelstufen, aus einem zum inneren Rohr koaxial angeordneten, äußeren Rohr, wobei die beiden Rohre unter Einhaltung eines Ringspaltes gegeneinander fixiert sind, sowie aus mindestens an einem der beiden Rohre jeweils in Höhe der Böden angebrachten Anodenzellen. Vorteilhafterweise weisen die Einzelstufen des Mischabsetzers Vertiefungen auf und sind diese Vertiefungen mit Isoliermaterial ausgekleidet. Die Anodenzellen sind in den Absetzräumen, und zwar in den Vertiefungen der Elektrolysezellen - Gehäuse angeordnet und reichen mit ihrem unteren Rand jeweils bis unter das Bodenniveau der Absetzräume hinein. Weiterhin sind in den Absetzräumen zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und der Geometrie der Kathoden Einbauten eingesetzt, die beispielsweise zur Horizontalen geneigte Bleche sind, oder die beispielsweise aus mehreren Bodenrippen parallel zur Längsachse des Elektrolysegehäuse bestehen.

In einer weiteren Ausbildung der Gegenstrom-Extraktionskolonne stehen das innere Rohr und das äußere Rohr im Bereich der Kolonnenboden durch Wanddurchbrüche im inneren Rohr in räumlicher Verbindung und sind diese Durchbrüche jeweils in Höhe des Bodenniveau oder darunter angebracht und mit einer elektrischen Isolierung versehen. Die Anodenzellen reichen bis unter die Wanddurchbrüche. Außerdem stehen das innere Rohr und das äußere Rohr am unteren Kolonnenende im Bereich der Ausflußöffnung der wäßrigen Phase über weitere Wanddurchbrüche im inneren Rohr miteinander in räumlicher Verbindung. In einer vorteilhaften Ausbildung weisen die Kolonnenböden jeweils mindestens einen rohrförmigen Einsatz auf und ragen die Oberkanten dieser Einsätze über die Wanddurchbrüche hinaus.

3098U/1027

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung für jeden Prozeß, in welchem durch Flüssig-Flüssig-Extraktion Wertstoffverbindungen getrennt werden, wobei mindestens ein Wertstoff elektrolytisch reduziert wird, angewendet werden kann und den optimalen Prozeßbedingungen durch geringfügige Änderungen in Bezug auf die Ausbildung der Vorrichtung angepaßt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Vorrichtung darstellen, erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Darstellungen beschränkt.

Figur 1 zeigt in Draufsicht drei der Einzelstufen eines Mischabsetzers, die jeweils aus einer Mischkammer und aus einer Absetzkammer bestehen. Die Mischkammer einer Stufe steht jeweils mit den Absetzkammern der beiden benachbarten Stufen in räumlicher Verbindung.

Figur. 2 zeigt einen Längsschnitt entlang der Linien I - I in der Figur 1 einer Mischabsetzer stufe.

Figur 3 verdeutlicht einen Querschnitt durch eine Absetzkammer entlang der Linie II - II in Figur 2.

Figur 4 stellt einen Längsschnitt durch eine Gegenstrom-Extraktionskolonne dar,

Figur 4a und 4b jeweils einen Ausschnitt "A* mit unterschiedlichen Ausbildungen der Anodenräume.

Ein Mischabsetzer 1 ist aus einer Reihe Einzelstufen 2 zusammengesetzt, die jeweils aus einer Mischkammer 3 und einer Absetzkammer 4 bestehen. Jede Einzelstufe 2 ist umgeben von dem aus elektrisch leitendem Material bestehenden Elektrolysezellen·* Gehäuse 5, das als Kathode ausgebildet ist

3098Ü/1027

ORIGINAL INSPECTED

und somit den Kathodenraum bildet. Die Einzelstufen 2 weisen in den Eelektro-Iyse zellen—Gehäusen 5, und zwar jeweils im Bereich der Absetzkammern 4 Vertiefungen 6 auf, die mit Isoliermaterial 7 ausgekleidet sind und die die aus Isoliermaterial bestehenden Anödenzellen 8 enthalten. Der untere Rand 9 der Anodenzellen 8 reicht bis unter das Bodenniveau 10 der Absetzräume 4 in die Vertiefungen 6 hinein und bildet so zusammen mit dem Isoliermaterial 7 Schlitze 11, durch die die Anodenräume 12 mit den als Kathodenräume zu betrachtenden Absetzräumen 4 verbunden sind. Die Mischkammern 3 stehen mit den Absetzkammern 4 durch Schlitze 13 in der Trennwand 14 in räumlicher Verbindung, wobei die Turbulenz der Mischphase während ihres Durchtrittes durch die Schlitze 13 in die Absetzkammern 4 durch Beruhigungshilfen 15 abgebremst wird. In den Absetzkammern 4 sind zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und der Geometrie der Kathoden Einbauten 16 eingesetzt. Die wäßrige Phase tritt jeweils durch eine-Öffnung 17 am Boden einer Mischkammer 3 in diese ein wird darin mit der organischen Phase vermischt, tritt als Mischphase durch einen Schlitz 13 in die Absetzkammer 4 derselben Stufe 2 und verläßt diese durch eine öffnung 18 am Boden der Absetzkammer Im Gegenstrom tritt die organische Phase durch eine öffnung 19 in die Mischkammer 3 und verläßt die Stufe 2 durch eine öffnung 20 in der Absetzkammer

Die in Figur 4 dargestellte Gegenstrom-Extraktionskolonne 21 besteht aus einem inneren Rohr 22 mit darin angebrachten Kolonnenböden 23 als Einzelstufen und aus einem äußeren Rohr 24. Die beiden Rohre sind unter Einhaltung eines Ringspaltes 25 gegeneinander fixiert. An mindestens einem der beiden Rohre sind in Höhe der Kolonnenböden 23 Anodenzellen 26 anger bracht. Die Zahl der Anodenzellen 26 pro Kolonnenboden 23 ist fü* die Er« findung unwesentlich, sie kann 1 betragen und beispielsweise ringförmig ausgebildet sein, sie kann aber eben sogul^grixfler ale 1 sein. Das innere Rohr 22 steht mit dem äußeren Rohr 24 durch Wanddurchbrüche 27 In räumlicher Verbindung. Die Durchbrüche 27 sind mit einer elektrischen

309814/1027

Isolierung 28 versehen. Außerdem stehen die beiden Rohre über weitere Wanddurchbrüche 29 im inneren Rohr 22 am unteren Kolonnenende im Bereich der Ausflußöffnung 30 der wäßrigen Phase miteinander in räumlicher Verbindung. Die Kolonnenböden 23 weisen jeweils mindestens einen rohr- , förmigen Einsatz 31 auf, dessen Oberkante 32 über die Wanddurchbrüdie hinausragen. Die Kolonnenböden 23 sind als Kathode ausgebildet. Die Anoden. 33 können Ringform besitzen. Die Isolierung 28 kann so geformt sein, daß sie die Anodenzelle 26 darstellt.

Das Kathodenmaterial besteht vorteilhafterweise aus Titan oder aus einer Titanlegierung, bzw. aus einem mit einer Titanschicht überzogenen Werkstoff, wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit beispielsweise Salpetersäure gearbeitet wird. Als Anodenmaterial kann Platin verwendet werden.

Mit gutem Wirkungsgrad wird die Vorrichtung zur Trennung von Plutonium und Uran in einem Prozeß zur Wiederaufbereitung bestrahlter Kernbrennstoffe angewendet.

3098U/1027

Claims

Patentansprüche:

} Vorrichtung zurri'kontinuierlichen, extraktiven Trennen von in einer der beiden zur Extraktion erforderlichen Phasen befindlichen Wertstoffverbindungen mittels elektrolytischer Reduktion mindestens eines der Wertstoffe und Überführung des oder der abzutrennenden Stoffe in die andere Phase, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen Extraktionsapparat mit als Kathoden ausgebildeten Einzelstufen und mit mit einer elektrischen Isolierung versehenen, jedoch mit den Kathodenräumen in direkter, diaphragmenloser Verbindung stehenden Anodenzellen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen Mischabsetzer (1) mit als Kathoden ausgebildeten, aus Isoliermaterial bestehende Anodenzellen (8) enthaltenden Elektrolysezellen -Gehäusen(5).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gegenstrom-Extraktionskolonne (21), bestehend aus einem inneren Rohr (22) mit darin angebrachten Kolonnenböden (23) als Einzelstufen, aus einem zum inneren Rohr (22) koaxial angeordneten, äußeren Rohr (24), wobei die beiden Rohre unter Einhaltung eines Ringspaltes (25) gegeneinander fixiert sind, sowie aus mindestens an einem der beiden Rohre jeweils in Höhe der Böden (23) angebrachten Anodenzellen (26).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstufen (2) Vertiefungen (6) aufweisen, und daß diese Vertiefungen mit Isoliermaterial (7) ausgekleidet sind.
5. Vorrichtung nach denAnsprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenzellen (8) in den Absetzräumen (4), und zwar in den Vertiefungen (6)

309814/1027

der Elektrolysezelle .-η· Gehäuse (5) angeordnet sind und mit ihrem unteren Rand (9) jeweils bis unter das Bodenniveau (10) der Absetzräume hineinrächen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Absetzräume (4) zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und der Geometrie der Kathoden Einbauten (16) eingesetzt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (16) zur Horizontalen geneigte Bleche sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (16) aus mehreren Bodenrippen parallel zur Längsachse des Elektrolysegehäuses bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (22) und das äußere Rohr (24) im Bereich der Kolonnenboden (23) durch Wanddurchbrüche (27) im inneren Rohr in räumlicher Verbindung stehen, und daß diese Durchbrüche (27) jeweils in Höhe des Bodenniveau (23) oder darunter angebracht und mit einer elektrischen Isolierung (28) versehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dfe Anodenzellen (26) bis unter die Wanddurchbrüche (27) reichen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (22) und das äußere Rohr (24) am unteren Kolonnenende im Bereich der Ausflußöffnung (30) der wäßrigen Phase über weitere Wanddurchbrüche (29) im inneren Rohr (22) miteinander in räumlicher Verbindung stehen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolonnenböden (23) jeweils mindestens einen rohrförmigen Einsatz (31) aufweisen, und daß die Oberkanten (32) dieser Einsätze über die Wanddurchbrüche (27) hinausragen.

309814/1027 -

Leerseite