ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ГОУ ВПО  “Уральский государственный технический  университет -УПИ”

Физико-технический  факультет 
 

      Кафедра редких металлов и наноматериалов

      Оценка     

      Председатель

      комиссии    
 
 

     КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

     240601 53.37.37 809 КП

     Пояснительная записка 

 Отделение переработки урановой руды с получением концентрата 

     Руководитель                                                             канд. техн. наук

                                                                    М.Л. Черный

                                         подпись

     Консультант       доц., канд. экон. наук 

                                                                 Л.А. Романова

                                         подпись

     Нормоконтролер       доц., канд. техн. наук

                                                                 В.Н. Оносов

                                         подпись 

     Студент Фт-53014       Ю.С. Лыгалов

                                         подпись 
 
 
 
 

     Екатеринбург 2008

Реферат

Пояснительная записка 60 с., 38 табл., 11 источников, 5 рис.

     Графическая часть содержит два листа: план здания отделения и

аппаратурно-технологическая  схема отделения.

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ, ПАЧУК, ФИЛЬТРАЦИЯ, СОРБЦИЯ, ЧИСТЫЙ ДИСКОНТИРОВАННЫЙ ДОХОД (ЧДД)

      Предметом курсового проекта является отделение  переработки урановой руды гидрометаллургическим методом производительностью 170 тонн в сутки.

      В ходе работы дано обоснование выбранной  технологической схемы, проведены материальный и энергетический расчеты основной технологической цепочки. На основании расчётов выбрано необходимое оборудование, осуществлено проектирование здания отделения выщелачивания и предложена возможная компоновка оборудования в нем. Произведена оценка возможных чрезвычайных ситуаций и необходимых мер по технике безопасности. Экономическая часть проекта включает расчет капитальных вложений, организацию и планирование заработной платы. Произведен расчет себестоимости передела.

Курсовой проект оформлен согласно ГОСТ 7.32-2001

 Содержание

 Задание на проектирование

       Тема: Отделение переработки урановой руды с получением концентрата производительностью по руде 170 т/сутки 

      Содержание  проекта: Выбор аппаратурно-технологической схемы. Материальный баланс. Графические материалы: Технологическая схема, план и разрез здания отделения по переработке урановой руды.

Особые дополнительные сведения: Руда окружностью 3-5 мм. Химический состав руды, масс.%: U₃O₈ – 0.15; CaO – 21; MgO – 12; Fe₃O₄ – 1,7; V₂O₅ – 1,2; H₂O – 2,1; SiO₂ – остальное.

Введение

    1. Основные страны  – производители  урана (статистика  по добыче, применяемые  технологии, основные  рудники и компании).

    2. В целом по отрасли,  применяемые технологии  добычи и переработки. 
 

    За  последние полвека в ряде стран возникла новая крупная отрасль хозяйства, связанная с добычей и переработкой атомного сырья. Налажено производство ядерного топлива, конструкционных материалов, необходимых в реакторостроении, а также целого ряда вспомогательных продуктов, используемых в ядерных реакторах. Особенно широкий размах получило производство природного урана.

    В настоящее время, как по количеству перерабатываемых руд, так и по количеству получаемой в концентратах окиси уран прочно занял место в группе промышленных металлов.

    Промышленная  добыча и переработка урановых руд  была начата около века назад. С 1906 года перерабатывалась на радий урановая смоляная руда месторождения Яхимово (Чехословакия); уран извлекался в качестве побочного продукта. В 1913 году начата промышленная переработка на радий карнотитовых руд плато Колорадо (США). Крупнейшее урановое месторождение Шинколобве (Республика Конго) разрабатывалось с целью добычи радия с 1923 года. С 1933 года началась промышленная добыча и переработка на радий урановых руд другого крупного месторождения - Эльдорадо на берегу Большого Медвежьего озера (Канада). К 1938 году практически всё производство радия было связано с эксплуатацией этих двух крупнейших месторождений урановых руд.

    За период с 1906 по 1939 год было получено всего 1000 г. радия и выделено попутно около 4000 т. урана. Это количество урана значительно превышало потребности в нём ряда отраслей промышленности (например, в стекольной - для окраски стёкол).

    С открытием цепной ядерной реакции деления в 1939 году положение в урановорудной промышленности резко изменилось. Количество урана, извлекаемое попутно с радием, уже не удовлетворяло все возрастающий спрос. Потребовалось перерабатывать на уран руды, извлечение радия из которых было нецелесообразным. Это послужило началом бурного развития добычи урана в последующие годы. За 10 лет добыча урана увеличилась с 200 до 40000 т. в год.

    В годы наивысшего подъёма добычи урана  в зарубежных странах были построены и действовали многочисленные урановые заводы: в США -28, в Канаде - 19, в ЮАР - 17, в Австралии - 6, во Франции - 6 и, по крайней мере, по одному урановому заводу в Англии, Индии, Аргентине, Швеции, Италии, ФРГ, Испании, Португалии, Габоне, Японии. Мексике, Бразилии, Конго (Заир), некоторых других странах.

    Современная урановая промышленность - новая крупнейшая и быстро развивающаяся отрасль химико-металлургической промышленности, в которой сконцентрированы последние достижения химической технологии, гидрометаллургии, автоматизации, кибернетики, приборостроения, контрольно-измерительной и вычислительной техники. Она является одной из самых передовых среди других отраслей химической индустрии в некоторых промышленно развитых странах. В урановой промышленности широко применяют новые процессы: ионный обмен на синтетических ионообменных смолах; жидкостную экстракцию органическими растворителями; используют высокопроизводительное оборудование, совершенную аппаратуру.

    Во  второй половине 20-го века в СССР создана  совершенно новая отрасль индустрии - атомная промышленность. Построены современные горнорудные предприятия по добыче и обогащению урановых руд. Пущены заводы по переработке урановых руд химическими методами с широким применением ионообменной сорбции и экстракции. Действуют аффинажные заводы по производству металлического урана и некоторых его соединений исключительной чистоты (с содержанием примесей 10-5%). Построены ядерные реакторы, атомные электростанции. Организованы уникальные производства урана-235 и плутония-239. Получены многие трансурановые элементы.

    Быстрому  развитию урановой промышленности в  период 1940 - 1960 гг. способствовали использование урана для военных целей, гонка вооружения и политика холодной войны. Создание огромных запасов неиспользуемого атомного оружия привело к уменьшению спроса на уран и сокращению его производства. Максимальное количество урана было произведено в 1960 году, а к 1966 году его производство снизилось до 43% этого количества, что сопровождалось закрытием и консервацией некоторых урановых заводов или работой их не на полную мощность. Однако примерно с 1967 года наметился, правда, довольно медленный, рост производства урана. Совершенно определённо проявилась качественно новая тенденция развития потребления урана и использования атомной энергии, обусловивших новый подъём производства. Речь идёт о мирном использовании атомной энергии. Теперь уран понадобился для развивающейся атомной энергетики.

    Одна  из важнейших операций получения  высокочистого урана – операция извлечения урановых руд из месторождений, обогащение руд и переведение урана в раствор. Это наиболее дорогостоящие операции из всех этапов, поэтому внимание им уделено особое – качественное и наиболее оптимальное проведение их будет обуславливать дальнейшую цену на системы на основе, как самого металлического урана, так и его соединений для использования в атомной энергетике.

1 Выбор и обоснование технологической схемы

      Основным  методом вскрытия является выщелачивание  урановых руд и рудных концентратов кислотными и карбонатными реагентами. Гидрометаллургическая операция выщелачивания  в технологии производства урана имеет универсальное значение и пременяется для урановых руд, не поддающихся механическому обогащению, для рудных концентратов после радиометрического, гравитационного и флотационного обогащения, а также для обожжённых урановых руд и спеков.

      Основной  целью операции выщелачивания урановых руд является перевод ценного  компонента в раствор для дальнейшего  его очищения и получения в  необходимом виде. Это одна из самых  дорогостоящих операции, обусловленная большими объемами реагентов, а как следствие, и большими размерами оборудования и затратами на транспортировку. Вскрываемая порода состоящая, в основном, из кремнезёма, глинозёма и алюмосиликатов, чрезвычайно устойчивых и трудно вскрываемых как кислыми, так и карбонатными растворами, всегда обнажена в большей степени, чем рудные минералы, поэтому для эффективного вскрытия необходимо предварительное измельчение исходного сырья. Увеличение  вскрытия урана с ростом измельчения несравненно выше, чем пустой породы. Но измельчение – дорогая операция, поэтому необходимо точно установить и обосновать предел помола выщелачиваемого сырья. Существующие на сегодняшний день основные способы выщелачивания – кислотный и щелочной предъявляют различные требования к размеру помола. Кислотное выщелачивание – более «грубое», чем щелочное, поэтому тонина помола отличается в несколько раз.

      Выбор метода вскрытия в основном обусловлен характером урановой минерализации  – если минералы, где уран находится  в форме трехокиси урана и ее производных легко вскрываются и карбонатными растворами, то уранит и настуран главным образом выщелачивается кислотами. Но кислотный метод выщелачивания не универсальный – он не рентабелен для минералов, содержащих большое количество карбонатов – это вещество хорошо реагирует с кислотой и помимо «съедания» дорогостоящего компонента загипсовывает оборудование. Рентабельным признается содержание карбонатов до 5 массовых процента.

      В настоящее время основное количество урана добывается из высококремнистых урановых руд. Содержания карбонатов кальция и магния в этих рудах сравнительно не велико; преобладающим процессом вскрытия таких руд является сернокислотное выщелачивание; в связи с тонкой вкраплённостью урановых минералов методы механического обогащения для них не используются.

      В результате сернокислотного выщелачивания  урановых руд получаются кислые урановые пульпы. Они представляют сложные  системы, состоящие из водного раствора урана и примесей и нерастворённых частичек руды. Соотношение твёрдого и жидкого выщелоченных пульп Т : Ж колеблется в пределах от 1:1 до 1: 3. Следует подчеркнуть, что основная масса твёрдого (50-70%) – это зёрна кварцевого песка и силикатов, практически не содержащие урана и обладающие высокой абразивной способностью; размер их определяется тониной помола исходной руды.

      Что же касается состава водных растворов, то он подвержен значительному изменению  в зависимости от состава исходной руды. В большинстве своём эти  растворы сильно разбавлены; содержание урана в них меньше, чем содержание таких обычных примесей, как железо, алюминий, кремниевая кислота, а иногда и фосфор, ванадий, кальций, магний и т.д. Поэтому требуется, во-первых, сконцентрировать уран, максимально сократив первоначальные объёмы производства, и, во-вторых, очистить уран от основной массы примесей.

      В настоящее время для переработки  выщелоченных урановорудных пульп  ипользуют три метода: осадительный, сорбционный и экстракционный.

      Первый  из них, классический основан на осаждении  урановорудных концентратов; его обязательным условием является предварительное полное выделение твёрдого из пульп и получение осветлённых урановорудных щелоков. Это полное отделение твёрдого достигается либо в системе фильтрации, либо в системе противоточной непрерывной декантации.

      Фильтрация  выщелоченных пульп чаще всего осуществляется  на барабанных и дисковых вакуум фильтрах ; кеки, как правило содержат около 30% влаги. Отмывка сорбированного урана  производится в ряде последовательных репульпаций, после каждой из которых  следует фильтрация.

      Фильтрат  после выщелачивания не бывает прозрачным и содержит некоторое количество твёрдого, которое загрязняет урановые концентраты, полученные в результате осаждения. Поэтому после барабанных или дисковых вакуум фильтров проводится контрольная фильтрация на пресс-фильтрах, где отфильтровывается остаточное количество твёрдого.

      При фильтрации пульп важен выбор  подходящего конструкционного материала  аппаратов и устойчивого фильтрующего материала.

      Сравнительно  малая производительность фильтров, многочисленность обслуживающего персонала с отрицательной стороны характеризуют этот передел, в связи, с чем фильтрация на урановорудных предприятиях постепенно вытесняется более совершенными методами передела.

      До 1952 г. осадительный метод был единственный в переработке осветлённых урановорудных щелоков. С 1952 г. начинает внедряться сорбционный способ передела урановорудных щелоков и пульп, имеющий перед осадительным способом неоспоримое преимущество в связи со значительно более высокой чистотой урановорудных концентратов и меньшим расходованием химикатов.

      Сорбцию ведут в противоточной пульсационной  колонне, в которую смола подаётся сверху, а пульпа поступает снизу. Насыщение смолы и её вывод  в цикл промывки и десорбции осуществляются быстрее, чем при любом другом аппаратурном оформлении ионообменного процесса. Пульсации дают возможность поддерживать в более или менее однородном виде достаточно густые и вязкие пульпы. Таким способом удаётся перерабатывать пульпы с содержанием 20—40% твёрдого.

      Существенные недостатки процесса заключаются в самой специфике сорбции – взаимодействии жидкого и твёрдого.

      Прежде  всего, сорбция – это довольно длительный процесс, и возвращение  смолы после сорбции, промывки и  десорбции вновь на сорбцию (полная рециркуляция сорбента) даже в случае применения противоточных контакторов совершается за несколько часов. Это обусловливает вводить в процесс большое количество сорбента.

      Экстракционной  переработке подвергаются кислые урановорудные  щелока; карбонатные растворы не могут быть переработаны экстракционным способом. Перед операцией экстракции выщелоченные урановорудные пульпы осветляются, это обусловлено значительными потерями экстрагента за счёт его захвата шламами и образованием устойчивых трудно расслаивающихся эмульсий. При характеристике экстракционного процесса всегда учитываются потери экстрагента на стадиях экстракции, промывки и реэкстракции как за счёт растворимости, так и за счёт захвата.

      При технико-экономическом сопоставлении  сорбционного и экстракционного  методов передела необходимо учитывать:

• время цикла
• ёмкость реагентов
• цену реагентов
• потери реагентов
• характеристики перерабатываемых материалов
• аппаратурное оформление процесса

      Обобщённым  показателем первых трёх пунктов  является стоимость того количества реагента, которое необходимо для обеспечения заданной производительности по урановорудным концентратам. Здесь безусловное преимущество на стороне экстракционного передела; по приблизительным оценкам стоимость экстрагента в 20-30 раз меньше стоимости сорбента.

      В ионообменном процессе почти отсутствуют  потери реагента за счёт растворимости; только лишь при переработке пульп  наблюдается незначительное истирание  смолы. Экстракция сопряжена с небольшой, но достаточно ощутимой потерей реагента за счёт растворимости и захвата; эти потери резко возрастают при переработке неосветлённых пульп. С этой точки зрения более выгоден сорбционный процесс.

      В связи с малой ёмкостью сорбентов  ионообменный процесс выгоднее использовать для переработки бедных урановых руд, напротив экстракция более предпочтительна при извлечении урана из богатых руд.

          Для данной руды был  выбран именно метод кислотного вскрытия по ряду причин – высокое содержание оксида кремния, относительно невысокое содержание оксидов кальция и магния, низкая цена и распространенность главного компонента – серной кислоты, высокая степень вскрытия по урану, низкое время вскрытия, меньшие энергетические затраты на измельчение. Состав руды:

      Основная  проблема данной руды – очистка  урана от ванадия и железа. Поэтому  для дальнейшей переработки выщелоченной урановой пульпы был выбран сорбционный  метод. Сорбентом был выбран анионит  АМП.

Подробно  обосновать выбор  АМП, отразить основные свойства анионита, его применимость в отрасли. 
 
 

Рисунок 1 – Технологическая схема

2 Материальный баланс

2.1 Измельчение

     Для оптимальной степени вскрытия выбрана  величина помола – 100 мкм. Руда поступает по шнековому питателю на шаровую мельницу. Туда же подаются пески с классификации. Проводится сухое измельчение:

Таблица 2.1 - Материальный баланс стадии измельчения

2.2 Классификация

    На  этой стадии отделяются частицы, размеры которых больше установленных 100 мкм (они возвращаются обратно на измельчение), и размеры которых меньше 100 мкм (они переходят на следующую стадию – выщелачивание). Производительность классификатора и шаровой мельницы настраиваются таким образом, чтобы циркуляционная нагрузка шаровой мельницы была равна 500%.

Таблица 2.2 –  Материальный баланс стадии классификации

2.3 Выщелачивание.

     В реактор подаётся измельчённая руда с классификатора, туда же добавляется окислитель пиролюзит и кислота – H₂SO₄ , так чтобы её остаточная концентрация составляла 5 г/л. Выщелачивание ведём в каскаде пачуков при Т:Ж=1:10 и pH 1.

Таблица 2.3 – Характеристики вскрытия руды (на 170т руды/сутки)

Основные реакции  стадии выщелачивания в расчёте  на 7083,33 кг руды: 

Таблица 2.4 – Общий материальный баланс стадии выщелачивания