Извлечение урана из неосветленных растворов и пульп

16.07.2020

В связи со снижением содержания полученного компонента в перерабатываемых рудах и повышением стоимости производства концентратов урана в последние 10 лет в основных уранпроизводящих странах проводились научно-исследовательские и опытноконструкторские работы по созданию эффективных методов извлечения урана из неосветленных шламовых пульп, растворов после подземного и кучного выщелачивания и рудничных вод, содержащих в небольших количествах взвешенные твердые частицы. Создание таких методов будет способствовать резкому сокращению капитальных затрат путем устранения дорогостоящих процессов фильтрации и осветления растворов. Кроме того, на экономику процесса благоприятно повлияет возможность извлечения полезных компонентов, обычно теряемых с кеком фильтров.

К настоящему времени создано несколько разновидностей колонных аппаратов со взвешенным слоем сорбента для осуществления процесса сорбции из пульп и неосветленных растворов: противоточная колонна Горнорудного управления США, колонна Химсли, пригодные также и для сорбции из осветленных растворов, колонна Клота-Стрита. Принцип действия всех колонн одинаков — они представляют собой колонны со взвешенным (псевдоожиженным) слоем сорбента, но отличаются друг от друга конструктивными особенностями. Наиболее близкой к промышленной реализации оказалась колонна Химсли, разработанная и запатентованная канадской фирмой «Химсли энджиниринг», используемая на заводе Агнью Лейк (Канада).

В ионообменной установке данной конструкции (рис. 9.5) представляется возможность осуществить непрерывный процесс сорбции из неосветленных растворов. Установка включает сорбционную колонну, дозировочно-промывочную камеру и десорбционную колонну. Сорбционная колонна состоит из нескольких вертикальных камер, в каждой из которых содержится определенный объем смолы. Исходный раствор поступает в нижнюю часть колонны, движется вертикально вверх и выходит в верхней части колонны. Смола в камерах под действием потока раствора вверх переходит в псевдоожиженное (взвешенное) состояние, но скорость потока регулируется с таким расчетом, чтобы исключить унос смолы в следующую камеру. Из третьей камеры снизу отбирается проба раствора, и при обнаружении проскока ионов урана смола из самой нижней камеры выгружается в дозировочную камеру. В дозировочной камере объем смолы измеряется, и избыток возвращается в нижнюю камеру, после этого смола из расположенной выше камеры перемещается в нижнюю. Таким образом смола во всех камерах сорбционной колонны последовательно и полностью перемещается в освободившуюся камеру, расположенную ниже, поток раствора не прерывается. Так как продолжительность пребывания всех частиц смолы в колонне одинакова независимо от размера частиц и скорости их осаждения, достигается максимальное использование смолы. Система рассчитана таким образом, что во всех камерах, за исключением камеры А, находится один и тот же объем смолы. Загрузка сорбента в камеру А может быть на 5—10% больше. Это позволяет использовать для десорбции постоянный объем десорбирующего раствора. Излишнее количество смолы в камере образуется за счет смолы, возвращенной из дозировочной камеры. При освобождении самой верхней камеры от смолы в нее подается отрегенерированная смола из десорбционной колонны, а в последнюю поступает новая порция насыщенной ураном и промытой смолы (в псевдооожиженном состоянии).

При необходимости измеренный объем смолы в измерительной камере продувается воздухом и взрыхляется для удаления взвешенных частиц, которые могут быть захвачены смолой. В десорбционной колонне содержатся несколько порций смолы, расположенных одна над другой, так что в действительности эти порции десорбируются последовательно противотоком. При подаче порции смолы в нижнюю часть десорбционной колонны смола поднимается, как пробка, и объем смолы, эквивалентный объему вновь поданной, движется вверх до точки, расположенной над окном для выгрузки смолы из колонны. Этот объем смолы в верхней части колонны промывают и перемещают в верхнюю часть сорбционной колонны. Колонна Химсли имеет следующие преимущества: могут быть использованы ионообменные смолы со стандартным размером зерен; объем загружаемой смолы уменьшается более чем на 50% по сравнению с загрузкой смолы в существующих конструкциях колонн с фиксированным слоем сорбента; обеспечивается более высокая концентрация урана в регенерате; меньший диаметр колонны, а следовательно, меньшая потребность в производственной площади и более низкие капитальные затраты (до 35% по сравнению со стандартными колоннами). Перепад давления в системе очень невелик, поскольку слои смолы находятся в псевдоожиженном состоянии.

Так как в настоящее время при переработке рудного сырья наблюдается тенденция к более широкому применению гидрометаллургических операций, можно полагать, что ионообменные процессы найдут широкое распространение при извлечении не только урана, но и других металлов, например молибдена, никеля, цинка, меди, золота, платины и серебра. Кроме того, ионообменные системы, способные перерабатывать неосветленные растворы, могут применяться и для извлечения полезных компонентов из рудничных вод и сбросных растворов.

Практика показывает, что при извлечении урана из осветленных растворов с низким содержанием урана (порядка нескольких: миллиграммов в литре) более выгодно использовать колонны с фиксированным слоем сорбента, в то время как в случае переработки неосветленных растворов и растворов с более высокой концентрацией урана целесообразнее с экономической точки зрения применять колонны псевдоожиженного слоя непрерывного действия.

В американской колонне и колонне Клота—Стрита поток раствора также направлен вверх и колонны разделены на отдельные секции ситчатыми тарелками. Площадь отверстий тарелок составляет ~5% площади поперечного сечения колонны. Расход раствора 420—840 л/мин/м2. При таком расходе сорбент в каждой секции приводится в псевдоожиженное состояние, но ситчатые тарелки препятствуют падению смолы в ниже расположенную секцию. При идеальном рабочем режиме каждая секция заполнена псевдоожиженной смолой в равновесии с потоком раствора. Смола может перемещаться вниз только в том случае, если скорость движения растворов (или шламовой пульпы) через отверстия в тарелках меньше конечной скорости оседания частиц смолы.

Разработанная в США колонна работает в режиме непрерывной подачи раствора, за исключением запланированных коротких перерывов. Во время этих перерывов клапан для подачи раствора закрывается на 10—20 с и определенная порция смолы выгружается из нижней секции. Одновременно с этим эквивалентный, объем смолы быстро перемещается через перфорированную тарелку в следующую секцию, после чего клапан для выгрузки смолы закрывается, поток раствора возобновляется и подается соответствующая порция смолы (отрегенерированная смола в сорбционную, а насыщенная ураном — в десорбционную колонну), причем регенерированная смола подается в верхнюю секцию автоматической системой.

Частота выгрузки и подачи смолы определяется расходом раствора и емкостью смолы по урану. Например, если в колонну поступает 0,5 кг/мин урана при емкости смолы по урану 64 кг/м3, для типичного цикла сорбции потребуется выгружать из колонны и подавать в нее 0,21 м3 смолы через каждые 30 мин. Единственными движущими узлами в системе являются клапаны с приводным механизмом для подачи раствора и выгрузки смолы в нижней части колонны. Колонны большого диаметра следует оборудовать несколькими окнами для подачи раствора и выгрузки смолы.

Преимущество многосекционных колонн заключается в том, что каждая секция действует как самостоятельный аппарат с псевдоожиженным слоем. Одна колонна имеет такую же эффективность, какая достигается при использовании нескольких последовательно установленных колонн обычного типа.

Согласно расчетам, капиталовложения в завод, работающий по схеме сернокислотного выщелачивания с непрерывной сорбцией в колоннах, разработанных Горнорудным управлением США, примерно на 26% ниже, чем в завод с экстракцией из осветленных растворов. Эксплуатационные расходы также снижаются на ~20%.

На рис. 9.6 показана схема многосекционной колонны, на рис. 9.7 — принципиальная схема системы сорбционного и десорбционного узлов, использованных в опытно-промышленном масштабе.


Американские специалисты проводят научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по определению параметров многосекционных колонн и условий их эксплуатации. В процессе работы было установлено, что оптимальная высота каждой секции сорбционной колонны высотой 4,8 м может составлять 0,3—0,6 м при расходе раствора 420 л/мин/м2. В десорбционной колонне, состоящей из секций высотой 0,3 м каждая, оптимальный расход раствора 84—125 л/мин/м2. Содержание U3O8 в полученном регенерате 10—20 г/л. Продолжаются дополнительные исследования в целях получения данных для разработки математической проектной модели многосекционной колонны. Английские специалисты также разработали многосекционную колонну, названную колонной Клота — Стрита (рис. 9.8). Их колонна разделена на отдельные ступени распределительными тарелками специальной конструкции (в этом она отличается от американской). В колонне Клота — Стрита смола на каждой ступени задерживается в момент отсутствия движения потока раствора, в то время как в американской колонне смола свободно перемещается в нижнюю часть колонны при прекращении подачи раствора. По мнению английских специалистов, это является важным преимуществом, особенно в колоннах с большим числом ступеней, так как благодаря этому удается исключить короткие периоды пуска. Распределительные полки состоят из двух тарелок с отверстиями в них, так что зерна смолы диаметром 450—140 мкм при прекращении потока задерживаются, не проходят через отверстия, но при изменении направления движения представляется возможным переместить больший объем смолы или без труда задержать всю ступень. Изменение направления потока на обратный достигается сжатым воздухом, создающим повышенное давление в нижней части колонны, с последующим выпуском его в атмосферу. Смола перемещается из нижней части колонны за счет гидростатического давления питающего насоса и водоструйного эжектора. Порция рудной пульпы, перемещаемая вместе со смолой, вытесняется в колонну для промывки, работающую в режиме колонны с псевдоожиженным слоем.
Извлечение урана из неосветленных растворов и пульп

В колонне Клота — Стрита с точки зрения эксплуатационных характеристик колонны с псевдоожиженным слоем первостепенное значение имеет плотность сорбента, поскольку это определяет режим оседания смолы и псевдоожижения. По-видимому, более удовлетворительные результаты при сорбции из пульп могут быть получены с использованием сильноосновных ионитов, так как относительно низкая плотность слабоосновных ионитов типа «амберлит ХЕ-270» ограничивает диапазон их применения, в частности для переработки пульп.

Проводятся исследования по созданию ионитов высокой плотности, основанных на адсорбции органических мономеров на неорганических подложках. Существуют планы разработки ионитов с плотностью 3,0—4,0.

Данные, полученные при эксплуатации опытной колонны Клота — Стрита, дают основание полагать, что в этой системе можно успешно перерабатывать пульпу после кислотного выщелачивания с последующим выделением и промывкой песков в классификаторах или гидроциклонах.

Колонна Клота—Стрита была взята за основу в ЮАР при разработке противоточной ионообменной колонны для переработки растворов после выщелачивания бедных руд и в 1977 г. установлена на заводе «Блейфурейсих».

Одной из задач, поставленных перед исследователями, является разработка системы противоточной секционированной колонны.

Наилучшие результаты были получены при работе с ионитом «амберлит ХЕ-299». Извлечение урана составляло >99%, концентрация урана в регенерате достигала ~10 г/л. Расход раствора 0,057 л/мин на литр смолы. При промывке смолы чистота регенерата была гораздо выше, чем при сорбции на сильноосновном ионите типа «ИРА-400», и сопоставима с чистотой реэкстракта после жидкостной экстракции. Опытная установка работала на растворах, содержащих 0,02—0,03% взвешенных твердых частиц. Данные предварительной работы на более плотных пульпах (10% твердого) при крупности частиц 99% — 0,074 мм показали, что указанная система без труда может перерабатывать пульпы такой плотности. Загрузка смолы для данной системы требуется в два раза меньше, чем на установку эквивалентной производительности с фиксированным слоем сорбента.

За рубежом был проведен большой объем работ по определению оптимальных параметров процесса сорбции урана в колонных аппаратах псевдоожиженного слоя. Было установлено что размер зерен смолы и плотность пульпы определяют максимальный размер твердых частиц в пульпе, которые могут пройти вверх через взвешенный слой сорбента. В табл. 9.1 приведены данные о допустимых рабочих параметрах сорбции из пульп.

Экспериментальные и расчетные данные показывают, что при сорбции в многоступенчатых колоннах псевдоожиженного слоя пористость ионита должна быть в пределах 0,75—0,90 при плотности пульпы 10% твердого и скорости подачи пульпы 9,7—17,0 м3/ч/м2, причем емкость сорбента должна быть невысокой и объем выгружаемого из колонны сорбента должен быть менее одного объема, находящегося на ступени. Основные трудности осуществления процесса сорбции в многоступенчатых колоннах псевдоожиженного слоя заключаются в регулировании потока пульпы, конструкции внутренних перфорированных тарелок в сорбционной колонне и каналообразовании в насыщенной ураном смоле, подаваемой в верхнюю часть десорбционной колонны, вследствие ее высокой плотности относительно регенерированной смолы.

Разработаны технологические схемы переработки урановой руды с сорбцией урана из шламовой пульпы с массовым содержанием твердого 10% (рис. 9.9). В данной схеме предусматриваются сернокислотное выщелачивание и выделение песков и шламов в системе гидроциклонов для получения пульпы с крупностью частиц 100% — 0,053 мм. Затем пульпу разбавляют оборотными растворами до массового содержания 10% твердого при pН=1,8. После сорбции хвостовая пульпа нейтрализуется известью до рН=9, сгущается до 55% твердого и нижний слив сбрасывают в отвал. Неосветленный верхний слив при рН = 9 возвращают в цикл для разбавления пульпы.

Разработан ряд других аппаратов для процесса сорбции с псевдоожиженным слоем сорбента. Так» например, американским исследователем Р. Портером предложена ионообменная система, в которой сорбция осуществляется в нескольких последовательно установленных аппаратах.

Модифицированный вариант системы Портера применяется на заводе в Россинге (Намибия), на котором установлены 4 нитки сорбционных колонн по шесть аппаратов в каждой.

Возобновился интерес к колонне Хиггинса, которая была разработана Ок-Риджской национальной лабораторией в 1951 г. и применялась в основном для умягчения воды. До 1977 г. в урановой промышленности аппарат этого типа применялся на опытном заводе Нинге — Тоге в Японии (рис. 9.11), а с 1977 г. внедрен на американской установке по извлечению урана из растворов после выщелачивания меди.


Современные колонны Хиггинса можно отнести к аппаратам третьего поколения. В их систему внесен ряд конструктивных новшеств. При использовании аппаратов для умягчения воды можно перерабатывать 7,5 м3 воды. Аппарат представляет собой одну колонну, разделенную на нижнюю и верхнюю секции вращающимся: клапаном, расположенным в середине секции и связанным с обеими секциями петлей. Петля также оборудована клапанами, так что при действии связанного с ней поршневого насоса сорбент из верхней части колонны вытесняется в петлю и затем во второй фазе вновь возвращается в колонну, одновременно вытесняя весь слой сорбента кверху. Промывной и десорбирующий растворы подаются через окно над центральным клапаном, сбросной раствор и регенерат выводятся через окно, расположенное над нижней частью. Таким образом, весь цикл непрерывно протекает в одной колонне. Благодаря этому производственная площадь, необходимая для ионообменного процесса, сравнительно невелика.

На рис. 9.10 показана схема аппарата Хиггинса, применяемого для умягчения воды, а на рис. 9.11 — схема колонны Хиггинса на японском заводе Нингё — Тоге для переработки растворов после выщелачивания руды.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна