DE2149089C3

DE2149089C3 - Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven Trennen von Verbindungen mittels elektrolytischer Reduktion

Info

Publication number: DE2149089C3
Application number: DE2149089A
Authority: DE
Inventors: Franz Prof. Dr. 7501 Groetzingen Baumgaertner; Hubert Dipl.- Ing. 7500 Karlsruhe Goldacker; Helmut Dipl.-Chem. 7521 Bad Langenbruecken Hausberger; Helmut 7500 Karlsruhe 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: 1975-04-03
Also published as: DE2149089B2; US3793177A; DE2149089A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven Trennen von in einer der beiden zur Extraktion erforderlichen Phasen befindlichen Verbindungen mittels elektronischer Reduktion mindestens einer der Verbindungen und Überführung des oder der abzutrennenden Stoffe in di~ andere Phase.

Zum Trennen von Uran- und Plutonium-Verbind'ngen durch Flüssig-Flüssig-Extraktion ist eine mehrstufige Misch-Absetzer-Apparatur bekannt, die zur elektrofytischen Reduktion des Plutoniums Elektroden im Bereich einer Durchmischung beider Phasen aufweist. Hierbe: ;:nd die Kathoden in den Mischkammern angeo; J ' *e Anoden, umgeben von einseitig geschlossenen Diaphragmen, in der absetzkammer. Die Diaphragmen dienen zum Fernhalten des sich an der Anode bildenden atomaren Sauerstoffs von der organi sehen Phase. Die vertikal angeordneten Mischkammern besitzen etwa die siebenfache Länge einer Seite ihres quadratischen Querschnitts, die Abset/kammern sind gegenüber den Mischkammern um 45' geneigt und weisen ungefähr denselben Querschnitt auf wi" 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 verHunden und umgekehrt jede Absetzkammer mit drei Miochkarnmern.

Bei größerer Dimensionierung eine· solchen Vorrichtung treten jedoch erhebliche Schwierigkeiten auf. In Abhängigkeit des Beladungszustandes der Phasen und des Durchsatzes der Flüssigkeitsmengen ver schiebt 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 schwenkt die Höhe der Phasengrenze einer Stufe wahrend des Betriebes der Vorichtung unter Umständen verhältnismäßig stark. Hierdurch ist ein Verstopfen eines Teils der Diaphragmas durch organische Phasen in einem Bereich, der normalerweise mit der wäßrigen Phase in Berührung steht.

nicht fXl vermeiden. D:cs wnki 3u.11 nrnri in negativer Weise auf die Qualität der Trennung und der Extraktion aus. die Optimilisierung der Prozeßbedingungen geht verloren, eventuell kommt die elektrolyiische Reduktion in einer solchen Stufe praktisch /um 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 Kathodenriium gelangt und teilweise die reduzierten Verbindungen reoxidiert. Außerdem wäre durch die Turbulenz das Eindringen von organischer Phase, eventuell mit unerwünschten Oxidationsprodukten, in den Anodenraum nicht vollständig auszuschließen, was eine Reduzierung der effektiven Anodenoberfläche, 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 ⁿhase 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 dh '-!ektrolytische Reduktion sowie eine Versch!°~h_s-->ir.? des Wirkungsgrades der Vorrichtung. Die ·-=? /ur automatischen

Überwachung and "-' · ,„· Trennvorrichtung

werden durch den ν ·· . ν · ': :nden Stromverlauf bei der Reduktion in ur Mischkammer erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven Trennen von Verbindungen mittels elektrolytischer Reduktion zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und welche eine einwandfreie Durchführung der Prozess? ..ι bezug auf elektrolytische Reduktion, Extraktion und Trennung gewährleiste:. Weiterhin soll die Möglichkeit einer automatischen Überwachung und Steuerung der Vorrichtung dur -h die konstant sichere Funktion und durch die einfache und kompakte Ausführung der Vorrichtung gegeben sein. Unter Verbindungen 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 m ι als Kathode ausgebildeten Einzelstufen und mit mit einer elektrischen Isolierung versehenen, jedoch mit den Kathodenräumen in direkter, diaphragmenloser Verbindung stehenden Anodenzeller

Eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung ist ein mehrstufiger Mischabsetzer mit als Kathoden ai-g bildeten, aus Isoliermaterial bestehende Anodenzelien enthaltenden Elektrolysen-Gehäusen. Eine weitere Ausbildung der Vorrichtung ist eine Gegenstrom-Extraktionskolonns, bestehend aus einem ^:ineren Rohr mit darin angebrachten Kolonnenboden als Einzelstuk-n, 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. Vor-'eilhafterweise weisen die Ein/elstufen des Mischabsetzers Vertiefungen auf und sind diese Vertieft ngc/i mit Isoliermaterial ausgekleidet. Die Anodenzellen sind in

Elektrolysen-Gehäuse angeordnet und reichen mit ihrem unteren Rand jeweils bis unter das Bodenniveau der Absetzräume hinein. Weiterhin sind in den Absetzräumen / .ι· Verbesserung der Strömurigsverhältnisse unu der Geometrie der Kathoden Einbauten eingesetzt, die beispielsweise /ur Horizontalen geneigte Bleche sind oder die beispielsweise aus mehreren Bodenrippen parallel /ur Längsachse des Elekt.olysegehäuse bestehen.

In einer wnieren Ausbildung der ."»tgenstiom-Exiraktionskolonne stehen das innere Rohr und das äußere Rohr im iieicuh der Kolonnenboden durch Wanddurcr'Türh·.¹ in ,.,neren Rohr in räumlicher Verbindung ind sirH diese Durchbrüche jeweils in Höhe des ßodcnniviMii > >der darunter angebracht und mit einer elektrischen Isolierung versehen. Die Anodenzelien reichen bis unter die Wanddarchbrüche. 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 rjumlicher Verbindung. In einer vorteilhaften Ausbildung weisen die Kolonnenboden jeweils mindestens einen rohrförmigen Einsatz auf und ragen die Oberkanten dieser Einsätze über die Wand-J.O durchbrüche hinaus.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besieht darin, daß die Vr-richtung für jeden Prozeß, in welchem durch Flüssig-Flüssig-Extraktion Verbindungen getrennt werden, wobei mindestens eine Verbindung 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 an Hand der Zeichnungen, die Ausführung'beispiele der Vorrichtung darstellen, erläutert. Die Li imdung ist jedoch nicht auf diese Darstellungen beschränkt.

F i g. I zeigt in Draufsicht drei der Einzelstufen dnes Mischabsetzers, die jeweils aus einer Mischkammer und aus einer Absetzkammer bestehen. Die Mischkammer einer Stufe steht jeweils mit den Abs; /kammern der beiden benachbarten Stufen in räumlicher Verbindung;

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt entlang der Linien !-I in der Fig.! einer Mischabsetzerstute;

F i g. 3 verdeutlicht einen Querschnitt durch eine Absetzkammer entlang der Linie H-II in F i g. 2;

Fig.4 s'ellt einen Längsschnitt durch eine Gegenstrom-Extraktionskolonne 'ar:

Fig· ^a ^und 4b jeweils einen Ausschnitt »A« mit unterschiedlichen Ausbildungen der Arodenräume.

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 Eiektrolysezellen-Gehäuse 5, das als Kathode ausgebildet ist und somit den Kathodenraum bildet. D>e Einzelstufe!. 2 weisen in den Elektrolysezel-Ien-Gehäusen 5, und zwar jeweiis im Bereich der Absct/kammern 4 Vertiefungen 6 auf. die mit Isoliermatcsral 7 ausgekleidet sind und die die aus Isoliermaterial bestehenden Anodenzellen 8 enthalten. :>er untere Rand 9 der Anodenzellen 8 reicht bis unter das Bodennivcau 10 der Absetzräume 4 in die Vertiefungen 6 hinein und bildet so zusammen mit dem Isoliermaterial 7 Schlitze 11. durch die die Anodcnräurne !2 mit den als Ka'.hoduiräume zu betrachtenden Absetzräumen verbunden sind. Die Mischkammern 3 stehen mit den Absetzkammern 4 durch Sch'itze 13 in der I :ennwand 14 in räumlicher Verbindung, wobei die Turbulenz di.-r Mischphase während ihres Durchtrittes durch die Schlitze 13 in die Absetzkammern 4 durch Beruhigungshilfen 15 abgebremst wird. In den Abset/kammcrn 4 sind zur Verbes-vcrung der Stromun^verhalt nisse und der Geometrie der Kathoden Einbauten eingesetzt. Die wäßrige Phase tritt jeweils durch eine Öf.nung 17 am Boden einer Mischkammer } in diese ein. wird darin mi', der organischen Phase vermischt. tritt als Mischphase durch einen Sjhlii/ Π in die Absetzkammer 4 derselben Stufe 2 und verlaßt diese durch eine Öffnung 18 am Boden der Absetzkammer 1 Im Gegenstrom tritt die organische Phase durch eint Öffnung 19 in die Mischkammer 3 und verlaßt die Stufe

2 durch eine Öffnung 20 in der Absetzkammer 4.

Die in Fig.4 dargestellte Gegenstrom-Extraktionskolonne 21 besteht aus einem inneren Rohr 22 mit darin angebrachten Kolonnenböden 23 als Einzelstufcn und aus einem äußeren Rohr 24. Die beiden Rohre sind unter Einhaltung eines Ringspaltes 25 gegeneinander fixier· An mindestens einem der beiden Rohre sind in Höhe der Kolonnenböden 23 Anodenzeilen 26 angebracht. Die Zahl der Anodenzellen 26 pro Kolonnenboden 13 ist für die Erfindung unwesentlich, sie kann 1 betragen und beispielsweise ringförmig ausgebildet sein, sie kann aber ebensogut größer als 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 Isolierung 28 versehen. Außerdem stehen die beiden Rohre über weitere Wanddurchbrüche 29 im inneren Rohr 22 am unteren Kolonnenende im Bereich der Ausflußöffnung

J«

30 der wäßrigen Phase miteinander in räumlicher Verbindung. Dip Kolonnenböden 23 weisen jeweils mindestens einen rohrförmigen Einsatz 31 auf, dessen Oberkante 32 Ur-^r die Wanddurchbrüche 27 hinausragen. Die Kolonnenböden 23 sind als Kathode ausgebildet. Die Anoden 33 können Ringform besitzen. Die Isolierung 28 kann so geformt sein, daß sie die Anodcnzel-Ie 26 darstellt.
Das Kalhodenmatcrial besteht vorteilhaflerweise aus Titan oder aus einer Titanlegierung bzw. aus einem mit einer Titanschicht überzogenen Werkstoff, wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mii beispielsweise Salpetersäure gearbeitet wird. Als Anodenmaterial kann Platin verwendet werden.

•5 Mit gutem Wirkungsgrad wird die Vorrichtung zur Trennung von Plutonium und Uran in finem Pro/eß zur Wiederaufbereitung bestrahlter Kernbrennstoffe angewendet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen, extraktiven Trennen von in einer der beiden zur Extraktion erforderlichen Phasen befindlichen Verbindungen mittels elektrolylischer Reduktion mindestens einer der Verbindung und Überführung des oder der abzutrennenden Stoffe in die andere Phase, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen Extraktionsapparat mit als Kathoden ausgebildeten Einzelstufen mit mit einer elektrischen Isolierung versehenen, jedoch mit den Kathodenräumer, in direkter, diaphragmenloser Verbindung stehenden Anodenzellen. ¹S

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen Mischabsetzer (!) mit als Kathoden ausgebildeten, aus Isoliermaterial bestehendr Anoder zellen (8) enthaltenden Elektrolysezellen-uehäusen (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 angeord- as neten. äußeren Rohr (24). wobei die beiden Rohre unter Einhaltung eines Ringspaltes (25) gegeneinander fixiert sind, sowie aus mindestens an einem der beid π Rohre jeweils in Höhe der Böden (23) angebrachten Anodenzellen (26).

4. Vorrichtung nach .* nspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Einzustufen (2) Vertiefungen (6) aufweisen und daß diese Vertiefungen mit Isoliermaterial (7) ausgekleidet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dL-durch gekennzeichnet, daß die Anodenzelien (8) in den Absetzräumen (4), und zwar in den Vertiefungen (6) der Elektrolysezelie-Gehäuse (5) angeordnet sind und mit ihrem unteren Rand (9) jeweils bis unter das Bodenniveau (10) der Absetzräume hineinreichen.

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 Elektrolyse-Gehäuses bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch J, daduren gekennzeichnet, daß das innere Rohr (22) und das äußere Rohr (24) im Bereich der Kolonnenböden (23) durch 5s Wanddurchbrüche (27) im inneren Rohr in räumlicher Verbindung stehen und daß diese Durchbräche (27) jeweils in Höhe des Bodenniveaus (?3) oder darunter angebracht und mit einer elektrischen Isolierung (28) versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenzelien (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 rohrfömisen Einsatz (31) aufweisen und daß die Oberkanten (32) dieser Einsätze über die Wanddurchbrüche (27) hinausragen.