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.