Расчет каскада пачуков для кислотного выщелачивания урана

1. Цель расчета

2. Данные для расчета

3. Материальный расчет

4. Тепловой расчет

5. Конструктивный расчет

Заключение

Литература Приложение А

Приложение В

Выщелачивание — это гетерогенный процесс, скорость которого определяется либо скоростью химической реакции, либо диффузионным массопереносом.

Процесс кислотного выщелачивания применяют для извлечения урана из урановых руд. Разбавленные после измельчения пульпы, сгущают до 50−60% по твердому веществу и направляют на выщелачивание. Большинство урановых руд являются высококремнистыми, поэтому в качестве выщелачивающего агента используют раствор серной кислоты.

Процессы выщелачивания ведут в агитаторах (аппараты с механическим перемешиванием), пачуках (аппараты с пневматическим перемешиванием), в пульсационных перемешивающих устройствах и пульсационных колоннах.

В результате выщелачивания получаются пульпы, урансодержащие растворы с избытком выщелачивающего агента и твердой фазы из пустой породы. Для отделения твердых частиц и получения чистого раствора применяют декантацию (отстаивание) и классификацию.

В данной работе будет произведен расчет каскада пачуков для кислотного выщелачивания урана.

1. Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Технология и оборудование спец. производств» и их приложение к конкретному материальному, тепловому, конструктивному расчету каскада пачуков для кислотного выщелачивания урана.

2. Данные для расчета

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные

Примечание: 1) нагрев осуществляется острым паром; 2) каскад из трех пачуков Основные химические реакции, протекающие в процессе кислотного выщелачивания:

1) UO₃ + H₂SO₄ =UO₂SO₄ + H₂O;

2) UO₂ + MnO₂ + 2H₂SO₄ = UO₂SO₄ + MnSO₄ + 2H₂O;

3) V₂O₅ + H₂SO₄ = (VO₂)₂SO₄ + H₂O;

4) FeO + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂O;

5) CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂.

3. Материальный расчет

Материальный расчет процесса выщелачивания будет сводиться к составлению материального баланса для каждой реакции отдельно, а, затем, к составлению материального баланса для всех реакций совместно. Для удобства, материальный расчет произведем на тонну руды.

а) первая реакция

0,7кг

UO₃ + H₂SO₄ =UO₂SO₄ + H₂O (?_U=90%).

238+48 2+32+64 238+32+32+64 2+16

ММ 286 98 366 18

По реакции определим массы всех компонентов:

Составим таблицу материального баланса для первой реакции.

Таблица 2

Материальный баланс для первой реакции

Поскольку материальный баланс сошелся, значит, расчеты по первой реакции были произведены верно.

б) вторая реакция

0,3кг

UO₂ + 2H₂SO₄ + MnO₂ =UO₂SO₄ + MnSO₄ + 2H₂O (?_U=90%).

238+32 2+32+64 54,9+32 238+32+32+64 54,9+32+64 2+16

ММ 270 196 86,9 366 150,9 36

По реакции определим массы всех компонентов:

Составим таблицу материального баланса для второй реакции Таблица 3

Материальный баланс для второй реакции

Поскольку материальный баланс сошелся, значит, расчеты по второй реакции были произведены верно.

в) третья реакция

10кг

V₂O₅ + H₂SO₄ = (VO₂)₂SO₄ + H₂O (?=100%).

102+80 2+32+64 102+64+32+64 2+16

ММ 182 98 262 18

По реакции определим массы всех компонентов:

Составим таблицу материального баланса для третьей реакции.

Таблица 4

Материальный баланс для третьей реакции

Поскольку материальный баланс сошелся, значит, расчеты по третьей реакции были произведены верно.

г) четвертая реакция

10кг

FeO + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂O (?=50%).

56+16 2+32+64 56+32+64 2+16

ММ 72 98 152 18

По реакции определим массы всех компонентов:

Определим остаток FeO:

Составим таблицу материального баланса для четвертой реакции.

урановый руда выщелачивание пачук Таблица 5

Материальный баланс для четвертой реакции

Поскольку материальный баланс сошелся, значит, расчеты по четвертой реакции были произведены верно.

д) пятая реакция

20кг

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂ (?=100%).

40+12+48 2+32+64 40+32+64 2+16 12+32

ММ 100 98 136 18 44

По реакции определим массы всех компонентов:

Составим таблицу материального баланса для пятой реакции.

Таблица 6

Материальный баланс для пятой реакции

Поскольку материальный баланс сошелся, значит, расчеты по пятой реакции были произведены верно.

По результатам материальных расчетов для каждой реакции составим общую таблицу материального баланса для всего процесса в целом Таблица 7

Общий материальный баланс

Для определения массы конденсата необходимо составить тепловой баланс. После чего продолжить заполнение таблицы материального баланса для всего процесса.

Так как материальный баланс сошелся, то расчеты были произведены верно.

4. Тепловой баланс

Тепловой расчет сводится к составлению теплового баланса процесса выщелачивания, расхода острого пара.

Расчет теплового баланса произведем на тонну руды. Принимаем давление острого пара равным 3 атм.

Уравнение теплового баланса процесса выщелачивания записывается в виде:

где — количество тепла, поступающего в аппарат с рудой и окислителем, Дж;

с =800 -удельная теплоемкость руды, Дж/кг^.К;

t_н =20 — начальная температура при входе в аппарат, ⁰С;

— количество тепла, поступающего в аппарат с острым паром, Дж;

D — расход острого пара, кг/с;

i_.пара =2730 [1, с. 591]- удельная энтальпия острого пара, кДж/кг;

— количество тепла, уходящего из аппарата с газом, Дж;

с =838 [1]- теплоемкость газа CO₂, Дж/кг^.К;

t=60- температура процесса ⁰С;

— количество тепла, поступающего в аппарат с раствором серной кислоты, Дж;

с =4186 -теплоемкость раствора, Дж/кг^.К;

t =20 — начальная температура при входе в аппарат, ⁰С;

— количество тепла, уходящего из аппарата с конденсатом острого пара, Дж;

— количество тепла, уходящего из аппарата с твердой частью пульпы, Дж;

с =800 [1]- теплоемкость твердой части пульпы, Дж/кг^.К;

t=60- температура процесса ⁰С;

— количество тепла, уходящего из аппарата с жидкой частью пульпы, Дж;

с =4186 -теплоемкость жидкой части пульпы, Дж/кг^.К;

t =60 — конечная температура при выходе из аппарата, ⁰С;

— потери тепла в аппарате, Дж.

Определим составляющие уравнения теплового баланса.

Определим расход острого пара из уравнения теплового баланса:

Результаты теплового баланса сведены в таблице 8

Таблица 8

Тепловой баланс

Таким образом, видно, что тепловой баланс сошелся. Значит расчеты были произведены верно.

5. Конструктивный расчет

В конструктивном расчете каскада пачуков определяется объем каждого из трех аппаратов и их основные геометрические размеры.

Суммарный объем каскада пачуков определяется по формуле:

где — суммарный объем каскада пачуков, м³;

— сумма производительностей руды и окислителя, м³/с;

— сумма произв-тей раствора серной кислоты и конденсата, м³/с;

— время выщелачивания, с;

— коэффициент заполнения аппаратов, 0,85;

Определим количество урана в 1000 кг руды:

Тогда производительность по руде определится следующим образом:

По аналогии:

Далее, рассчитаем объемные производительности по твердой и жидкой фазе:

Тогда суммарный объем каскада пачуков определится:

Определим объем одного из трех одинаковых пачук:

По справочным данным выбираем ближайший стандартный пачук, характеристики которого представлены в таблице 9.

Таблица 9

Характеристики стандартного пачука

Далее рассчитываем диметры патрубков, а именно:

— диаметр для подачи руды и окислителя

— диаметр для подачи раствора H₂SO₄

— диаметр для подачи сжатого воздуха

— диаметр для подачи греющего пара

— диаметр сдувки

— диаметр для выхода пульпы

— диаметр сдувки для второго и третьего аппаратов По результатам конструктивного расчета вычерчиваем эскиз аппарата (рисунок 1А) и каскад пачуков (рисунок 2А).

Заключение

В ходе работы были составлен материальный и тепловой балансы, в результате которых были определены массовые расходы всех компонентов, а также установлен расход острого пара.

В результате конструктивного расчета были подобраны стандартные пачуки и определены основные характеристики аппаратов. А также выполнен эскиз одного из каскада трех пачук и сам каскад пачуков.

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1969. — 624с.

2. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. — Л.: Химия, 1968. — 848 с.

Приложение А (справочное)

Рисунок 1 — Эскиз пачука с пневматическим перемешиванием

Приложение Б (справочное) сдувка сдувка сдувка руда+

+окислит.

выщ.агент пульпа сж. воздух гр. пар сж. воздух гр. пар сж. воздух гр. пар Рисунок 2 — Каскад пачуков с пневматическим перемешиванием