2.4　三萃取循环Purex萃取流程中萃取和反萃理论级数的计算示例

　　《Reactor Handbook》^［14］第四章给出了三循环Purex萃取流程中各萃取和反萃取串级的操作图，并据此计算了相应的理论级数，列于表2-6。

下文仅以共去污萃取循环为例，计算HA共去污柱分馏萃取的级数和HC反萃柱的级数。

2.4.1　HA共去污柱分馏萃取理论级数的计算

已知在分馏萃取过程中萃取段理论级数的计算主要取决于欲提取组分（易萃组分）在一定萃取工艺条件下的萃取分配系数和萃取操作条件的流比，以及对被萃取组分的萃取率的要求。其中萃取分配系数是由两相的组成（针对此处讨论的对象包括水相中HNO₃的浓度、有机相中TBP的初始浓度、铀饱和度等）和萃取操作温度决定的。

对HA共去污柱分馏萃取理论级数的计算，应是根据萃取和净化的要求首先按常量组分铀、硝酸的萃取平衡关系和物料平衡关系确定逐级的铀、酸平衡浓度，而后再据此确定微量组分、钚和裂片元素的逐级的萃取平衡关系，并检查它们是否能满足设定的萃取和净化的要求，若不能满足，则需要重新进行试差计算。这一计算过程比较复杂费时，并需要足够的萃取平衡数据，为此下面我们采取了公式计算的方法进行近似计算。

在HA共去污萃取串级中铀、钚为欲提取组分，但由于铀的萃取分配系数大于钚的萃取分配系数，故选定钚为易萃组分进行萃取级数的计算。

在分馏萃取过程中洗涤段理论级数的计算主要取决于欲分离组分（难萃组分）在一定萃取工艺条件下的萃取分配系数和萃取操作条件的流比。在HA共去污萃取串级中Zr、Ru等裂变元素为欲分离去除的组分，由于Zr的萃取分配系数大于Ru以及其他裂片的萃取分配系数，故选定Zr为难萃组分进行洗涤级数的计算。

流比是计算确定理论级数的一个重要参数，在此处铀饱和度则是影响流比确定的主要因素，据计算，图2-1所示流程中的HA共去污串级所达的铀饱和度应为63%。萃取和洗涤两段的具体流比V/（L+L'）和V/L'还要视洗涤液L'的流量而定，图2-1所示流程中所取的L'约为L的3/4，这时的V/（L+L'）=2.36，V/L'=5.5。若取表2-2所列的HNO₃=3mol/L时的萃取平衡数据，D_Pu=1.55，D_Zr=0.02，检验在萃取段nD_Pu=3.66，nD_Zr=0.047，设U、Zr在洗涤段的萃取分配系数与萃取段相同，则在洗涤段n'D_Pu=8.525，n'D_Zr=0.11，符合流比的选择要求。

进一步用分馏萃取级数的计算公式进行近似计算：

取钚的萃取率为99.9%，

取对Zr的去污系数为10⁴，

N'=2.75

若计入萃取级效率80%，则可取实际萃取级数为5.18/0.8=6.48≈7，实际洗涤级数=2.75/0.8=3.44≈4。

以上的公式计算结果只是近似的，还需进一步测定水相中的HNO₃浓度、有机相中铀饱和度以及萃取温度等的变化对萃取分配系数的影响。另外，在实际操作中，为了保证铀、钚的高萃取率，在萃取段应有足够的萃取级数以实现酸的内循环。从上述计算结果判断，可以进一步优化洗涤液和洗涤级数的组合（即减少洗涤液的用量，增加洗涤段的级数）而减少萃取级数。

2.4.2　HC反萃柱反萃取理论级数的计算

此反萃过程是一简单的多级逆流萃取过程。由于钚较铀更易于反萃，故以铀的反萃率为计算HA柱反萃取级数的计算基准。与萃取段萃取级数的计算一样，反萃流比是一重要影响因素，按图2-1所给数据计算，其反萃流比=L/V=488/383=1.274。

对HC反萃柱反萃取理论级数的计算可同样采用简化计算的方法。且为了直观起见，采用图2-4所示的铀、硝酸的萃取平衡进行图解计算。如图2-1所示，有机相进料中铀浓度为0.352mol/L，若取铀的反萃率为99.9%，则经反萃后有机相内的铀浓度应降至0.00352mol/L，又据图2-1所示数据，反萃液进料HNO₃浓度为0.01mol/L，反萃得液HNO₃浓度为0.15mol/L，铀浓度为0.27mol/L，两相流比在有机相进料端为1.2976，在反萃液进料端为1.3746，近似取其均值为1.336。据此利用铀、酸平衡图（图2-4）从反萃得液出口端向上进行逐级计算，直至有机相出口端的铀、酸值近似等于图示值，如此得到反萃理论级数N_反=9，此值与后续的表2-8的1C值相符。近似计算得到的逐级平衡的铀、酸值示于图2-18。

由于图示辨识度的局限性，在铀、酸度低浓区数据是非常近似的。

在初步确定萃取理论级数的基础上，可进行萃取串级和萃取台架试验，以进一步调节所需的萃取级数。