Расчет процесса ионообменного извлечения урана

Рассмотрим ход расчета ионообменного процесса на примере противоточного каскада ионообменных пачуков при извлечении урана из сернокислых или карбонатных пульп.

Основной целью является составление материального баланса процесса. На основании заданной годовой производительности и количества рабочих часов каскада в году (с учетом времени на текущий и планово-предупредительный ремонт) определяют часовую производительность каскада по урану. Затем рассчитывают часовой объем (в м³/ч) пульпы, который необходимо пропустить через каскад, чтобы обеспечить часовую производительность по урану:

где Q_час – часовая производительность каскада по урану, кг/ч; С_нач и С_кон – начальная и конечная концентрация урана в пульпе, кг/м³

Начальная концентрация урана в пульпе определяется составом раствора (пульпы) после сернокислотного или карбонатного выщелачивания урана, полного или частичного разделения твердой и жидкой фаз; конечная - из экологических соображений; в настоящее время она не должна превышать 3 мг/л, или 3 г/м³.

Количество ионита, которое нужно при этом использовать, определяется по подобному уравнению:

здесь G_см – часовой расход ионообменной смолы, условная тонна (усл.т); а_раб – рабочая емкость смолы кг/усл.т, берется в пределах 80-90% от равновесной емкости; а_нач – остаточная емкость ионообменной смолы по урану, получаемая после регенерации смолы, обычно составляет 3-5 кгU/усл.т

Понятие «условная тонна» смолы необходимо потому, что при обмене легкого иона на тяжелый масса смолы увеличивается. Условная тонна смолы соответствует 1 т смолы в стандартной форме (для катионита в Н - форме, для анионита в Сl-форме).

Равновесная емкость смолы относительно исходного раствора (пульпы) определяется экспериментально или находится в справочной литературе.

Материальный баланс обычно составляется на часовую производительность.

Предварительно уточняется состав 1 м³ исходной пульпы и 1 усл. т ионообменной смолы. Определяется количество твердой фазы в 1 м³, плотность пульпы, количество катионов и анионов, воды.

При балансировке состава необходимо, чтобы сумма всех катионов (в кг-экв.) равнялась сумме всех анионов в тех же единицах. Сверхэтого необходимо определить количество избыточной серной кислоты по значению рН или количество соды по избыточной карбонатности.

Умножив количество всех компонентов 1 м³ пульпы на V_чяс, получим их часовой приход.

Во всех процессах ионного обмена неизменяемым компонентом является матрица ионита, включая фиксированные ионы. Сначала рассчитаем количество матрицы в 1 усл. т смолы. Для этого необходимо знать табличное значение полной емкости (в кг-экв.) на 1 усл. т. Например, полная емкость карбоксильного катионита СГ-1 составляет 8,9 кг-экв./т. Поскольку стандартной формой катионита является Н-форма, то количество матрицы в 1 усл. т СГ-1 составляет 1000 - 8,9 = 991,1 кг. Можно считать, что количество ионита СГ-1 в любой форме, если в нем содержится 991,1 кг матрицы, соответствует 1 усл. т.

Табличное значение полной емкости сильноосновного анионита AM составляет 3,0-3,5 кг-экв./т. Так как стандартная форма анионита - С1- форма, то количество матрицы в 1 усл. т AM составляет 1000 - 3,1 × 35,45 = 1000 -110 = 890 кг. Считаем, что 1 усл. т анионита AM (при полной емкости 3,1 кг-экв./т) в любой ионной форме содержит 890 кг матрицы.

Так как исходный катионит СГ-1 после кислотной регенерации содержит до 5 кг урана на 1 усл. т, значит, в ней находится 5 × 270/238 = = 5,67 кг иона UO₂²⁺ или 5/(238/2) = 5,67/(270/2) = 0,042 кг-экв.

Количество иона Н⁺ в 1 усл. т регенерированной смолы составляет 8,9 - 0,042 = 8,858 кг.

При этой же остаточной емкости 5 кг урана/уcл. т анионита AM количество урана в 1 усл. т будет 5/(238/4) = 0,084 кг × экв.

В 1 усл. т будет содержаться 5M [UO₂(SO₄)₃]^-4/238 = 5 × 558/238 = 11,72 кг иона [UO₂(SO₄)₃^4- и 110 - 0,084-35,45 = 110 - 2,98 = = 107,02 кг иона Сl. Это в том случае, если регенерация смолы проводилась хлоридными растворами; если же регенерация осуществлена нитратными растворами, то в смоле должно содержаться эквивалентное количество (3,1 - 0,084 = 3,016 кг-экв) нитрат-иона.

Кроме матрицы и ионов в ионообменной смоле находится вода набухания, для определения количества которой необходимо знать табличное значение удельного объема набухшей смолы. Удельный объем ионита СГ-1 составляет 2,0 - 2,5 мл/г, или 2,0 - 2,5 м³/т.

Набухание максимально, если ионит насыщен однозарядными ионами с наибольшей гидратной оболочкой. В стандартном состоя­нии (Н⁺-форма) смола насыщена именно таким ионом.

Следовательно, 1 усл. т набухшего ионита СГ-1 занимает объем 2,5 м³. Из этого объема нужно вычесть объем матрицы и ионов. Молекулы парафинов представляют собой длинные углеводородные нити. Можно в первом приближении принять за плотность матрицы плотность парафина 0,91 г/см³ = 910 кг/м³.

Объем матрицы 1 усл. т ионита СГ-1 составляет 991,1 кг/910 кг/м³ = 1,09 м³. Так как размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером атома, то объемом иона Н⁺ (чистый протон) можно пренебречь.

Следовательно, вода набухания в 1 усл. т СГ-1 занимает объем 2,5 - 1,09 = 1,41м³, а масса ее составляет 1000 кг/м³ × 1,41 м³ = 1410 кг.

Смола AM - полимеризационная смола на основе стирола, ДВБ и триметиламина, удельный объем ее составляет 3,3 мл/г, или 3,3 м³/т; объем матрицы в 1 усл. т AM - 890 кг/910 кг/м³ = 0,978 м³.

Радиус иона Сl равен 1,81 А = 1,81 × 10^{-8 см = 1,81} × 10^{-10 м.} Тогда объем ионов С в 1 усл. т AM составит 3,1 × 1000N_A(4/3)/πr³ = = 3,1 × 1000 × 6,023 × 10²³(4/3)π × 1,81³ × 10^-30 = 463 × 10^-4 = 0,0463 м³. Следовательно, объем воды набухания в 1 усл. т AM составляет 3,3 - 0,978 - 0,046 = 2,276 м³, а ее масса - 2276 кг.

Умножив количество всех компонентов, содержащихся в 1 усл. т смолы, на G_CM, получим часовой приход этих компонентов и в сумме - часовой приход смолы в реальной исходной форме, т. е.

c₁ = с₂ + с₃ + с₄ + с₅.

Рассчитанные выше величины составляют левую (приходную) часть таблицы материального баланса (табл.). В правой (расходной) части таблицы известны количество твердой фазы пульпы и количество матрицы в смоле (b₂ и с₂).

Сделаем допущение, что количество воды набухания не изменяется в процессе ионного обмена. Теперь остается учесть эквивалентный переход ионов из ионита в пульпу и из пульпы в ионит, а также возможные химические реакции (например, нейтрализация катиона Н⁺ аммиаком при использовании смолы СГ-1). В катионит внедряются ионы UO₂²⁺ Fe³⁺, Fe²⁺, Al³⁺, Mn²⁺ и др. в обмен на эквивалентное количество ионов Н⁺, а в анионит - ионы [UO₂(SO₄)₃]^4-, [UO₂(CO₃)₃]^4-, [Fe(SO₄)₃]^3- и другие анионы в обмен на эквивалентное количество ионов Сl^- или других противоионов.

Для расчета процесса необходимо знать рабочие емкости по урану и примесям.

Если емкости даны в кг/т, то нужно их пересчитать на кг-экв./т. Остаточное количество исходного иона (Н⁺ или Сl^-) находится как разность полной емкости и суммы емкостей (в кг-экв.) всех противоионов.

Количество ионов в пульпе определяют по разности между приходным количеством и количеством данного иона в смоле.

Баланс проводят по каждому иону в отдельности (как показано в табл. на примере различных ионов урана, Fe³⁺, А1³⁺ и др.). После балансировки всех компонентов составляют общий материальный баланс ионообменного процесса.

Вследствие малой величины теплового эффекта диффузионных ионообменных процессов (4 - 8 кДж/моль) тепловой расчет не проводится. К тому же ионообменные процессы из-за низкой термической прочности органических ионообменных смол проводятся при комнатной температуре.

Число ионообменных пачуков в каскаде определяют по числу теоретических ступеней ионного обмена, необходимого для достижения заданной степени извлечения урана, с помощью х - у- диаграмм, где х - концентрация урана в водной фазе (пульпе), у - концентрация урана в органической фазе (смоле). На оси ординат можно откладывать также значения емкости. На у - х-диаграмме строится кривая равновесных концентраций на основе экспериментальных данных и прямая линия рабочих концентраций по координатам двух ее крайних точек (х₀ и a_раб; х_кон и a₀).

Материальный баланс ионообменного процесса

На ступени 1 концентрация урана в растворе (пульпе) уменьшается от х₀ до x₁, в то же время емкость смолы возрастает от а₂ до а _раб. На ступени 2 концентрация урана в растворе уменьшается от х₁ до х₂, а емкость смолы увеличивается от а ₃ до а₂. Так продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто х_п < х_кон.

Для уменьшения концентрации урана до х_кон необходимы четыре теоретические ступени ионного обмена. Реальное число пачуков находят путем деления числа теоретических ступеней на КПД реальной ступени (в обычных условиях 0,6 - 0,9).

Для определения объема каждого пачука необходимо знать время достижения равновесного состояния. Оно уменьшается с увеличением константы диссоциации исходной формы ионита. Так, для слабокислотных катионитов и слабоосновных анионитов время достижения равновесия составляет ~ 1 ч, а для сильнокислотных катионитов и сильноосновных анионитов - примерно 40 мин.

Время пребывания пульпы в пачуке принимается равным времени установления равновесия, время пребывания смолы - в 2 - 5 раз больше. Хотя в каскад подают столько смолы, сколько определено в материальном балансе, но при запуске в каждом пачуке загружено такоеколичество смолы, что обновление ее идет в 2 - 5 раз медленнее, чем обновление пульпы.

Рабочий объем пачука определяют по формуле

где τ — время достижения равновесия, ч; V_ул — удельный объем набухшего ионита, м³ /т.

Реальный объем цилиндрической части пачука (т. е. без дренажной части) находим путем деления рабочего объема на коэффициент заполнения (0,8 - 0,9).

При определении линейных размеров пачука рекомендуется, что­бы его высота была в 3 - 3,5 раза больше диаметра.

Для предотвращения накопления твердой фазы в нижней части аппарата необходимо, чтобы:

угол нижнего конуса не превышал 60 °С;

нижний край циркуляционной трубы перемешивания находился не далее 0,5 м от низа аппарата.

Расход воздуха на перемешивание должен составлять 4 - 8 м³/ч на каждый кубометр объема пульпы; диаметр циркулятора – 10 - 20 % от диаметра пачука.

В верхней части аппарата (чаще всего прямоугольного сечения) устанавливаются дренажные сетки, необходимые для разделения пульпы и смолы при организации их противотока. В соответствии с тем, что время пребывания смолы в пачуке в 2 - 5 раз больше времени пребывания в нем пульпы, на 1 сетку, работающую на выдачу смолы, ставится 2 - 5 сеток, работающих на выдачу пульпы. Подъем пульпы на дренажные сетки осуществляют одним или двумя (при 12 сетках) эрлифтами.

При расчете производительности эрлифта нужно учитывать, что примерно 20 % пульпы скатывается вместе со смолой обратно в пачук, поэтому суммарная производительность эрлифтов должна составлять 120 % от производительности по пульпе:

Примем, что скорость движения смеси в эрлифте ~1 м/с [66]. По номограмме можно определить диаметр трубы эрлифта.

Минимальный расход воздуха на поднятие пульпы отвечает следующему требованию: гидростатическое давление пульпы должно превышать (в крайнем случае быть равным) гидростатическое давление столба пульповоздушной смеси в эрлифте:

где h₁ – глубина погружения трубки эрлифта в пульпу, м; ρ_п и ρ_см – плотности пульпы и пульповоздушной смеси, кг/м³; h₂ – высота эрлифта, м

Из уравнения определяем плотность пульповоздушной смеси:

Если учесть, что плотность воздуха на 3 порядка меньше плотности пульпы, можно считать, что общая масса соответствует массе пульпы. Тогда объемная доля пульпы в смеси будет равна отношению плотностей смеси и пульпы:

объемная доля воздуха в смеси

Минимальный расход воздуха составит:

Реальный расход воздуха находится как частное от деления V_min на КПД эрлифта (0,20) V_в = V_min/0,20.

Низкое значение КПД эрлифта связано с явлением проскальзывания воздушных пузырьков относительно пульпы при продвижении пульповоздушной смеси в эрлифте.

Подвод пульпы к каждой сетке проводится с помощью щелевого делителя пульпы или трубчатого делителя (типа «паук»). Минимальное превышение дренажных сеток и ящиков над уровнем пульпы в пачуке должно быть больше суммарного гидравлического сопротивления труб, соединяющих пачуки, включая динамический напор, потери на трение, местные сопротивления. На механическую прочность проверяются корпус и крышка аппарата, тяги циркулятора, эрлифта, балки, на которые опираются дренажные ящики.

Дата добавления: 2014-01-07