Математическое моделирование процесса каталитического

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО
ПОЛУЧЕНИЯ ЧЕТЫРЕХВАЛЕНТНОГО УРАНА В АЗОТНОКИСЛЫХ
РАСТВОРАХ В ПРИСУТСТВИИ ГИДРАЗИНА НА ПЛАТИНИРОВАННОМ
ИОНИТЕ ВП-1АП
Теровский В.С., Матюха В.А., Шилов В.П., Балахонов В.Г., Тинин В.В., Буров Ю.В.
ОАО «Сибирский химический комбинат», г. Северск
В последние два десятилетия наиболее перспективным способом получения
растворов четырехвалентного урана является каталитический с использованием
гетерогенных платиновых катализаторов. Актуальной задачей при этом становится
прогнозирование протекания каталитических процессов с использованием методов
математического моделирования.
Целью настоящей работы явилось разработка математического описания процесса
восстановления урана (VI) до урана (IV) в азотнокислых растворах в присутствии гидразина
на высокодисперсной платине, нанесенной на ионит ВП-1АП.
2UO2(NO3)2 + N2H4HNO3 + 3HNO3 = 2U(NO3)4 + N2 + 4H2O.
(1)
В качестве исходных данных для построения математической модели
каталитического процесса восстановления урана (VI) до четырехвалентного состояния
гидразином в азотнокислых растворах в присутствии платинированного катализатора на
основе винилпиридинового ионита ВП-1Ап были использованы результаты лабораторных
исследований на модельных растворах.
Кинетические опыты по восстановлению урана (VI) проводили в статических
условиях при постоянной температуре (622) С. Исходные концентрации компонентов
варьировали в следующих диапазонах: уран (VI) – 0,42…1,05 моль/дм3, азотная кислота
1,0…2,5 моль/дм3, гидразин – 0,31…1,6 моль/дм3, содержание платины в катализаторе
0,8…4,0 % мас. Отношение фаз (Т:Ж) в опытах составляло 1:2,5 г/мл. За протеканием
реакции следили по накоплению в растворе урана (IV), через определенные промежутки
времени отбирали пробы водной фазы, в которых анализировалось содержание урана (IV).
Обработку кинетических данных проводили на ПЭВМ методом наименьших
квадратов с помощью пакета MathCAD.
Результаты исследований показали, что скорость реакции восстановления урана (VI)
до урана (IV) в азотнокислых растворах в присутствии гидразина на высокодисперсной
платине, нанесенной на ионит ВП-1А, удовлетворительно описывается кинетическим
уравнением:
d [U ( IV )
 k  [ Pt ] p1  [ HNO3 ] p 2  [ N 2 H 4 ] p 3  [U (VI )] p 4 ,
dt
(2)
где k – константа скорости химической реакции; [Pt] – содержание платины в катализаторе,
% мас.; [HNO3] – концентрация азотной кислоты, моль/дм3; [N2H4] – концентрация
гидразина, моль/дм3; [U (VI)] – концентрация урана (IV), моль/дм3; р1, р2, р3, р4 – порядки
реакции по компонентам; t – время, мин.
Отклонение экспериментальных значений выхода урана (IV) от рассчитанных по
уравнению (2) в среднем не превышают 25 %.
Значения параметров кинетического уравнения равны: k = 1,710-3, р1 = 1,0,
р2 = – 0,03, р3 = 0,19, р4 = 0,36.
На рисунках 1-4, в качестве иллюстрации, показаны экспериментальные и
рассчитанные по уравнению (2) (сплошные линии) значения выходов урана (IV) по реакции
(1) в зависимости от концентрации исходных компонентов.
90
Выход урана (IV), % масс.
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Время реакции, мин
Рисунок 1 – Зависимость выхода урана (IV) при исходных концентрациях компонентов:
[HNO3] = 1,5 моль/дм3, [N2H4] = 1,0 моль/дм3, U (VI) = 0,84 моль/дм3, [Pt] = 3 % мас.
70
Выход урана (IV), % масс.
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
Время реакции, мин
Рисунок 2 – Зависимость выхода урана (IV) при исходных концентрациях компонентов:
[HNO3] = 1,5 моль/дм3, [N2H4] = 0,309 моль/дм3, U (VI) = 0,84 моль/дм3, [Pt] = 3 % мас.
60
Выход урана (IV), % масс.
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Время реакции, мин
Рисунок 3 – Зависимость выхода урана (IV) при исходных концентрациях компонентов:
[HNO3] = 1,5 моль/дм3, [N2H4] = 1,0 моль/дм3, U (VI) = 0,84 моль/дм3, [Pt]=2,4 % мас.
90
Выход урана (IV), % масс.
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Время реакции, мин
Рисунок 4 – Зависимость выхода урана (IV) при исходных концентрациях компонентов:
[HNO3] = 1,5 моль/дм3, [N2H4] = 1,0 моль/дм3, U (VI) = 0,84 моль/дм3, [Pt] = 4,0 % мас.
Предложенная модель математического описания каталитического получения
растворов урана (IV) позволяет прогнозировать протекание процесса на платинированном
ионите ВП-1Ап.
Список литературы
Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. – М.: Издательство стандартов,
1973. – 191 с.