Методы ионного обмена и аппаратура в урановой технологии

30.05.2018
Сорбция из осветленных растворов. Внедрение ионного обмена в урановую технологию началось с применения методов, позволяющих селективно извлекать уран из осветленных растворов.

Проектирование и эксплуатация первых сорбционных установок на урановых заводах особых трудностей не встретили, так как к этому времени богатый опыт по изучению сорбции из растворов был накоплен в других отраслях промышленности и прежде всего в водоподготовке.

Процесс сорбционного извлечения урана из растворов обычно проводят в динамических условиях с помощью нескольких сорбционных аппаратов, работающих в замкнутом цикле.

Чаще всего установка состоит из трех колонн, одна из которых в каждый данный момент работает на стадии регенерации, а в остальных происходит поглощение вещества из раствора.

Исходный раствор последовательно проходит две колонны, фильтруясь через слой мелкозерненного сорбента. Чаще всего раствор подают сверху на слой неподвижного сорбента, но в некоторых случаях процесс ведут при поступлении раствора снизу, а поглощение вещества из него идет во взвешенном слое сорбента.

Интенсивность работы сорбционных колонн характеризуется скоростью фильтрования раствора через слой сорбента, которая обычно находится в пределах 5—10 м/ч при размере зерен сорбента 0,4—2,0 мм.

Насыщение сорбента идет в головной колонне сорбционного каскада (рис. 7.4), в то время как второй аппарат служит для улавливания проскочившего урана после первой колонны. После появления проскока за слоем сорбента в первой колонне она отключается на регенерацию, а в каскад сорбции вводится новая колонна с отрегенерированным сорбентом. При этом колонна, которая работала второй, становится головным аппаратом сорбционного каскада.

В колонне с насыщенным сорбентом проводится ряд операций: взрыхление, десорбция, промывка. Основная задача взрыхления — первой стадии после поглощения — состоит в очистке сорбента от загрязнений, гидравлической сортировке сорбента и вытеснении остатков раствора из слоя сорбента.

Взрыхление осуществляют, пропуская снизу вверх через слой сорбента поток воды. При этом происходит расширение слоя и взвешивание зерен сорбента, которые, двигаясь в потоке воды, оттирают загрязнения с поверхности друг друга, которые выносятся вверх и удаляются из аппарата. Благодаря операции взрыхления улучшается однородность сорбента и обеспечивается более равномерное распределение растворов при регенерации.

Для успешного проведения промывки сорбента при взрыхлении рекомендуется обеспечивать не менее чем 50%-ное расширение слоя.

В некоторых случаях для интенсификации отмывки процесс ведут при одновременной подаче в колонну сжатого воздуха, который, прорываясь через слой сорбента мелкими пузырьками, увеличивает перемешивание зерен сорбента.

Расход воды при взрыхлении выбирают в пределах 30—40 м3/м2*ч, а расход воздуха — около 70 м3/м2*ч для сорбционных колонн обычного размера. Воздух подают под давлением 0,5—1,0 ати.

По окончании взрыхления проводят операцию десорбции, чтобы выделить сорбируемое вещество и возобновить способность сорбента к новому поглощению. При десорбции сорбент обрабатывают жидкостью, содержащей ионы, которые вытесняют поглощенные при сорбции ионы.

Объем регенератов должен быть существенно меньше объема растворов. поступающих на сорбцию, чтобы обеспечивалось максимально возможное концентрирование извлекаемого вещества. Скорость подачи регенерирующего раствора в колонну составляет обычно 3—5 м/ч.

При десорбции сохраняются все закономерности ионного обмена, но смысл показателей процесса здесь иной, чем при сорбции.

Длина работающего слоя при десорбции может быть определена как длина, на которой происходит насыщение сорбента от некоторого минимального значения до максимальной концентрации, возможной при данных условиях.

В ходе десорбции имеют место две стадии: стадия формирования фронта десорбции и стадия параллельного переноса этого фронта, что позволяет использовать при рассмотрении этого процесса уравнение Шилова, которое в данном случае отличается лишь обратным знаком при т:

где 0 — время регенерационного действия, определяемое промежутком времени от момента появления регенерата за слоем сорбента до момента, когда концентрация вещества в нем становится меньше минимального значения, характеризующего практически полное вытеснение поглощенного сорбентом при сорбции вещества.

Эффективность десорбции можно существенно увеличить применением многостадийной схемы процесса, основанной на повторном использовании регенерирующего раствора (рис. 7.5).

В этих условиях процесс десорбции начинается с подачи в колонну дважды используемого регенерирующего раствора. Первые фракции регенерата, разбавленные оставшейся в аппарате после взрыхления водой, возвращаются в процесс, а остальные, товарные, направляются на дальнейшую обработку. Затем в колонну подают однажды использованный регенерирующий раствор, который после прохождения через данный аппарат собирают в сборники дважды использованного раствора. После этого подают свежеприготовленный регенерирующий раствор, собирая раствор на выходе из колонны в сборники однажды использованного регенерирующего раствора.

Такое проведение процесса позволяет существенно сократить объем товарного регенерата и обеспечить высокое концентрирование в нем извлекаемого вещества.

Регенерацию заканчивают промывкой сорбента водой, удаляющей из колонны остатки регенерирующего раствора. После этого аппарат можно вновь использовать в каскаде сорбции для поглощения вещества из новых порций раствора.

Для проведения ионного обмена в динамических условиях чаще всего используют аппараты, имеющие вид открытых или напорных фильтров (рис. 7.6), в которых на дренажной системе уложен слой сорбента. Раствор, поступая в аппарат, распределяется по его сечению, просачивается через слой сорбента и выводится через дренажную систему из аппарата.

Кроме дренажной системы, сорбционный аппарат обычно имеет поддерживающий слой и устройство для подачи воздуха и растворов, а также для их вывода.

Основная задача дренажного устройства состоит в обеспечении равномерного вывода растворов из колонны без уноса сорбента и в распределении воды при обратной промывке сорбента.

Дренажные устройства бывают различных типов — пористые плиты, система труб с щелями, отверстиями или колпачками. Их конструкции подробно рассмотрены в литературе по водоподготовке.

При выборе конструкции и размеров дренажа большое значение имеет создание необходимой величины его напорности, под которой понимается отношение суммарного сечения всех дренажных отверстий к среднему сечению колонны в процентах. В высоконапорных дренажах эта величина достигает 0,07—0,08%.

Удобным дренажем является система труб в виде коллектора с ответвлениями — трубами, располагаемыми на расстоянии 150—200 мм одна от другой по сечению колонны. Трубчатые ответвления имеют отверстия, размер которых должен быть меньше наиболее крупных зерен сорбента при отсутствии поддерживающих слоев.

Диаметры коллектора и ответвлений определяются по величине скорости жидкости, которая должна составлять в коллекторе не более 2 м/сек, а в самом длинном ответвлении — не более 1,5 м/сек.

Под основной системой дренажа часто размещают специальную трубчатую систему для подачи используемого при взрыхлении воздуха. Площадь отверстий для воздуха определяется по выходной скорости воздуха из отверстий, принимаемой равной 25—30 м/сек.

Между сорбентом и дренажным устройством обычно укладывают поддерживающие слои из гравия и других крупнозернистных материалов, которые поддерживают слой сорбента и улучшают равномерность движения жидкости в колонне. Высота этих слоев составляет обычно 300—400 мм.

При конструировании сорбционных колонн необходимо все же стремиться к отказу от поддерживающих слоев, так как они увеличивают высоту колонны и при их некотором смещении могут нарушить режим ее работы. Поэтому в ряде случаев, особенно для напорных сорбционных аппаратов, сорбент загружают непосредственно на дренажное устройство. Распределительные устройства для ввода растворов в колонну необходимо размещать возможно ближе к верхней поверхности слоя сорбента, чтобы обеспечить эффективное распределение жидкости по всему сечению аппарата и избежать размыва верхнего слоя.

Для верхнего слива промывной воды при взрыхлении можно использовать переливные желоба или систему дырчатых труб. При расчете системы дырчатых труб входные скорости жидкости в отверстия труб принимают равными 1—2 м/сек. Расчеты сливных устройств приведены в литературе по водоподготовке.

Сорбционные колонны выполняются диаметром от 1,5 до 5 м. Высота колонн определяется необходимой для обеспечения заданной полноты поглощения длиной слоя сорбента.

В зарубежной практике для сорбции урана из растворов с концентрацией до 1 г/л используются две колонны, высота слоя сорбента в каждой из которых составляет 1,5 м.

При выборе высоты сорбционного аппарата следует учитывать набухаемость сорбента и его расширение при взрыхлении. Обычно высота колонны в два раза больше высоты загрузки сорбента.

При расчете сорбционных колонн исходят из заданной суточной производительности по раствору с известной концентрацией урана, из статической активности используемого сорбента, выбранной скорости фильтрования и допустимой продолжительности цикла.

Расчет аппаратов ведут с использованием уравнений (7.24) и (7.25).

Примером применения сорбции урана из растворов в динамических условиях может служить практика работы урановых заводов Южно-Африканского Союза, где используются колонны диаметром 2,1 м и высотой 3,68 м, в нижней части которых имеются трубчатый дренаж и поддерживающий слой из гравия. Внутренняя поверхность аппаратов гуммирована. Сорбент, каждый кубический метр которого может поглотить до 40 кг урана, имеет высоту слоя 1,5 м.

Сорбционные колонны устанавливают последовательно по три аппарата в секции, один из которых используют на регенерации, а два — на сорбции. Каждая секция позволяет перерабатывать до 30 м3/ч растворов с концентрацией 0,55 г/л урана, обеспечивая поглощение урана до концентрации в сбросном растворе менее 5 мг/л. Для регенерации сорбент можно выгружать в специальную колонну диаметром 3,0 м и высотой 5,7 м. Загружают сорбент сверху, а выгружают снизу, через специальную трубу диаметром 100 мм, которая проходит по центру аппарата, кончаясь на поверхности подстилающего слоя из гравия. Внутри поддерживающего слоя находится дренажное устройство из перфорированных труб. Сорбент загружают до половины высоты аппарата, а остальной объем колонны обеспечивает возможность расширения слоя при взрыхлении.

Регенерирующий раствор подают по системе перфорированных труб, находящихся на расстоянии 300 мм выше уровня слоя сорбента.

Десорбция, проводимая с оборотом регенерирующего раствора, обеспечивает получение на каждый кубический метр сорбента 2—2,5 м3 товарного регенерата при скорости раствора около 4 м3/ч.

Выделение для регенерации самостоятельного аппарата позволяет сократить высоту сорбционных колонн почти в два раза.

В ряде случаев можно проводить процесс ионного обмена во взвешенном или псевдоожиженном слое сорбента. Закономерности и аппаратура сорбции во взвешенном слое в основном такие же, что и при сорбции в динамических условиях на неподвижном слое сорбента. Отличие состоит в том, что при сорбции во взвешенном слое раствор подается в аппарат снизу вверх, а процесс идет с использованием всего объема аппарата, т. е. при расширении слоя сорбента, в результате чего то же количество сорбента занимает почти в два раза больший объем, чем неподвижный слой сорбента. В этом случае раствор подается в аппарат через дренажное устройство, а удаляется из него через переливное устройство, которое ранее использовалось только на операции взрыхления. При этом отсутствует опасность засорения слоя сорбента твердыми частицами, приносимыми с раствором, так как они, не задерживаясь, проходят в пространстве между зернами сорбента и удаляются из аппарата вместе с раствором.

При подаче раствора снизу вверх возрастает опасность смещения поддерживающих слоев сорбционной колонны. В этом случае, очевидно, необходимо стремиться использовать дренажные устройства без поддерживающих слоев и помещать сорбент непосредственно на дренаж колонны.

Режим работы колонны со взвешенным слоем сорбента определяется скоростью восходящего потока жидкости, которая, обеспечивая необходимое расширение слоя сорбента, не должна превышать некоторой критической величины, соответствующей началу гидротранспорта зерен сорбента и их выносу из аппарата.

Гидродинамика взвешенного слоя сорбента в настоящее время достаточно подробно изучена, что позволяет регулировать процесс в заданном режиме .

Ленгборн отмечает перспективность использования метода сорбции во взвешенном слое для организации непрерывного процесса ионного обмена.

Сорбция из пульп. В последнее время на целом ряде урановых заводов применяют методы ионного обмена, позволяющие извлекать уран непосредственно из пульп после выщелачивания руд.

Основные закономерности сорбции урана из пульп обычно полностью идентичны процессам сорбции из осветленных растворов. В отдельных случаях отмечается некоторое изменение лишь кинетики процесса, так как достижение равновесия при сорбции из пульп зависит не только от концентрации урана в жидкой фазе пульпы, но и от интенсивности десорбции его из твердой фазы.

Достоинство метода сорбции из пульп состоит в том, что ликвидируются дорогостоящие и трудоемкие операции декантации или фильтрации. Сорбцию из пульп, очевидно, можно использовать особенно успешно в тех случаях, когда получение осветленных растворов связано с существенными трудностями. Разработка аппаратурного оформления сорбции из пульп оказалась более сложным делом, чем в случае переработки осветленных растворов, потому что в других отраслях промышленности подобная задача ранее не ставилась.

Для проведения процесса сорбционного извлечения урана из пульп можно использовать противоточную схему, состоящую из нескольких ступеней, в каждой из которых пульпа контактирует с сорбентом в реакторах с механическим или воздушным перемешиванием. Этот метод сорбции, очевидно, можно назвать статическим, так как насыщение сорбента при этом может происходить до величины, соответствующей практически его статической активности. Пульпа отделяется от сорбента на грохотах с сеткой, чтобы вновь вступить в контакт с новой порцией сорбента, движущегося навстречу пульпе от одной ступени к другой.

На каждой ступени достигается состояние, близкое к равновесному. Чем больше ступеней, тем больше сорбционная емкость сорбента, так как при этом равновесная концентрация приближается к исходной. Однако значительное увеличение количества ступеней ограничено экономическими соображениями.
Методы ионного обмена и аппаратура в урановой технологии

На рис. 7.7 показана схема установки, в которой сорбент отделяется от пульпы на ситчатых вращающихся барабанах, после чего подъемные лопатки передвигают его на другую ступень сорбции, а пульпа перетекает самотеком. Процесс можно вести также при транспортировке сорбента между ступенями самотеком, что снижает механические потери сорбента из-за его истирания. В этом случае ступени сорбции следует располагать друг над другом, а пульпу транспортировать с помощью аэролифтов или насосов.

Для отделения сорбента от пульпы можно использовать также горизонтальные плоскокачающиеся грохоты с сеткой из нержавеющей стали.

Истирание сорбента в реакторах при воздушном перемешивании меньше, чем при механическом. Регенерацию сорбента, насыщенного в статических условиях, можно проводить в колонне в динамических условиях, после чего вновь возвращать сорбент на сорбцию.

Расчет количества аппаратов для сорбции, очевидно, аналогичен расчету каскада аппаратов для выщелачивания, причем в данном случае следует исходить из необходимой длительности контакта сорбента и пульпы.

Достоинство статического метода сорбции состоит в простоте применяемого оборудования и в высокой степени использования емкости сорбента.

Однако громоздкость схемы, быстрое изнашивание сеток грохотов и существенные потери сорбента в результате механического истирания делают его недостаточно удобным.

В США для сорбции из пульп широкое применение нашли установки контейнерного (корзиночного) типа. Процесс ведется с использованием серии контактных аппаратов, работающих в замкнутом цикле, который включает все операции сорбции и регенерации. Противоток сорбента и пульпы или раствора обеспечивается периодическим «продвижением» аппаратов, переключаемых с одной операции на другую.

Контактные аппараты (рис. 7.8) обычно состоят из ванны, в которой находятся сетчатые контейнеры (корзины) с сорбентом и приводного устройства, заставляющего контейнеры совершать возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. В каждой ванне помещаются два или четыре контейнера, отделенных друг от друга перегородками с отверстиями в нижней части. Контейнеры, как правило, имеют форму куба с открытым верхом, в то время как остальные пять сторон обтянуты сеткой с отверстиями, которые, задерживая зерна сорбента, свободно пропускают твердые частицы пульпы. В каждый контейнер загружается сорбент, высота слоя которого в набухшем состоянии составляет 0,25—0,33 высоты контейнера.

Приводное устройство может быть самой различной конструкции, но обязательно должно обеспечивать возможность регулирования скорости движения контейнеров и их быструю замену или ремонт.

Контейнеры обычно делают около 15 колебаний в минуту при амплитуде, равной 0,3 высоты ванны. Иногда на каждой стороне контейнера делают пояса, которые при вертикальном движении контейнеров производят действие, подобное действию насоса, заставляя пульпу подниматься от дна вверх. Слабое покачивание также улучшает циркуляцию и предотвращает оседание твердых частиц пульпы на дно ванны контейнеров. При возвратно-поступательном движении контейнеров периодическое расширение и уплотнение слоя сорбента, находящегося в контейнерах, что улучшает контакт сорбента с протекающей через аппараты пульпой.

На выходе из каждого аппарата можно установить аэролифт с распределительным устройством, которое позволяет направлять пульпу или раствор, выходящие из ванны, в нужное место (к следующей ванне, в хвостохранилище, в оборот, на дальнейшие операции).

Нормальный режим эксплуатации контейнеров обеспечивается лишь при переработке разбавленных пульп, содержание твердого в которых должно быть порядка 6—7%.

Для извлечения урана из пульпы после выщелачивания руды обычно достаточно использовать на стадии сорбции 6—10 контактных аппаратов. При этом общее время нахождения пульпы в контакте с сорбентом составляет 1,5—2 часа.

Для регенерации используют 4—7 аппаратов, соединенных последовательно. Кроме того, установка должна включать в себя еще две ванны для возможности переключения аппаратов и облегчения регулирования процесса.

Таким образом, вся установка должна состоять из 14—16 контактных аппаратов. Каждый аппарат в результате переключения последовательно проходит все операции сорбции и регенерации и через два-три часа снова подключается на головную операцию.

После подключения на стадию сорбции нового аппарата с отрегенерированным сорбентом головной аппарат, содержащий наиболее обогащенный ураном сорбент, отключается и после промывки водой вводится в качестве хвостового на стадию регенерации. При этом второй аппарат, работающий на стадии сорбции, становится головным и исходная пульпа начинает подаваться в ванну этого аппарата. Аналогичное переключение -одновременно происходит на стадии регенерации.

Выходящий из последнего работающего на стадии регенерации аппарата раствор, являющийся товарным регенератором, направляется на дальнейшую обработку.

Производительность установки, состоящей из аппаратов с известным размером контейнеров, можно определить по формуле

где Q — суточная производительность по пульпе, м3; аР — статическая активность сорбента, кг/м3; V — количество сорбента в одном аппарате, м3; с — содержание поглощаемого вещества в пульпе, кг/м3; х — продолжительность полного цикла установки, включая операции сорбции и регенерации, ч.

Значительное увеличение размеров контейнеров нельзя считать рациональным, так как при этом усложняется конструкция приводных устройств, а сами аппараты становятся очень громоздкими. Кроме того, в этих условиях затрудняется эксплуатация аппаратов. Особенно заметно это сказывается на работе нижней части контейнеров, которая обычно испытывает значительные нагрузки, попеременно воздействующие на нее в противоположных направлениях в вертикальной плоскости.

Практика работы установок контейнерного типа в США говорит об успешном использовании их в урановой технологии. Установка такого типа, состоящая из 14 аппаратов, обеспечивает переработку 240 м3/ч пульпы, содержащей 7% твердой фазы с крупностью твердых частиц 325 меш. При этом 10 соединенных последовательно аппаратов работают на сорбции, а в четырех производится десорбция. На каждой стадии имеется по четыре корзины (контейнера) размером 1,83x1,83х1,83 м, обтянутые проволочной сеткой из нержавеющей стали с размером отверстий 30 меш. В корзине находится 1,12 м3 сорбента крупностью от -10 до +20 меш, емкость которого составляет по урану около 57 кг/м3. Время контакта на сорбции равно 80 мин. Через каждый кубический метр смолы удается до ее насыщения пропускать 70 м3 сернокислой пульпы, содержащей уран в количестве около 0,8 г/л. При десорбции на один объем смолы расходуется 5,85 объема регенерирующего раствора. В результате получают регенераторы, концентрация урана в которых составляет около 9 г/л.

Принцип работы установки контейнерного типа можно использовать также и в случае применения аппаратов другого типа. Например, можно пропускать пульпу через ряд последовательных секций, отделенных друг от друга вертикальными или наклонными решетками (сетками), задерживающими зерна сорбента, но беспрепятственно пропускающими пульпу. Вдоль поверхности решеток снизу непрерывно подается воздух, что предотвращает опасность забивания отверстий твердыми частицами. С помощью воздуха обеспечивается также перемешивание пульпы в каждой секции.

В последние годы было сделано много попыток создать непрерывный установки для проведения сорбции урана из растворов и пульп в условиях противоточного движения сорбента и пульпы (раствора).

Чаще всего эту задачу пытаются решить таким образом, чтобы сорбент, имеющий сравнительно высокий удельный вес, двигался вниз под действием собственной тяжести навстречу жидкости, поднимающейся вверх. Процессы такого типа связаны с необходимостью предварительного значительного разбавления пульпы водой и удаления из нее Песковых фракций твердой фазы, так как в этих условиях удельный вес сорбента превышает удельный вес пульпы и она всплывает вверх.

Для проведения непрерывного процесса сорбции можно использовать аппараты колонного типа, последовательно проводя по их высоте все операции сорбции и регенерации. Отверстия для ввода и вывода используемых на отдельных операциях жидкостей должны быть при этом защищены сетками, удерживающими сорбент внутри аппарата. Проходя через всю колонну сверху вниз, сорбент опускается в нижнюю часть аппарата, откуда его отбирают с помощью эрлифта, эжекторов или других устройств, а затем подают в верхнюю часть колонны.

Некоторые исследователи считают, что процесс извлечения урана из пульп удобно осуществлять в аппаратах, представляющих собой замкнутый контур из нескольких секций, в каждой из которых отдельно ведутся операции сорбции и регенерации. При этом сорбент перемещают внутри контура из одной секции в другую с помощью специальных транспортирующих устройств. Регулируя скорость выгрузки сорбента, можно обеспечить необходимую продолжительность его контакта с растворами.

Весьма рациональным методом сорбционного извлечения урана из пульп является сорбция во взвешенном слое сорбента. При этом имеется возможность перерабатывать пульпу, содержащую до 20% твердого, но при условии, что предварительно осуществлено тщательное выделение из нее песков.

При подаче пульпы в аппарат снизу вверх происходит расширение слоя сорбента, что позволяет пульпе беспрепятственно проходить через аппарат. Коэффициент расширения слоя зависит от скорости восходящего потока пульпы, плотности и вязкости пульпы, а также от зернения сорбента.

Для сорбции во взвешенном слое сорбента можно использовать вертикальные колонны круглого или прямоугольного сечения, снабженные нижним дренажным устройством и верхним переливным устройством. Равномерный восходящий поток пульпы, обеспечивающий получение однородного взвешенного слоя сорбента, можно создать в аппаратах сечением в несколько десятков квадратных метров.

Все операции сорбции и регенерации можно проводить в одной и той же колонне со взвешенным слоем сорбента, последовательно переключая ее с одной операции на другую. Кроме того, имеется возможность организовать полностью непрерывный процесс сорбции из пульп во взвешенном слое сорбента. В этом случае аппараты должны быть снабжены устройствами для транспортировки сорбента меящу ними.

Сорбцию из пульп во взвешенном слое сорбента обычно выполняют с помощью нескольких колонн, работающих в замкнутом цикле.

Многие исследователи делали попытки использовать для сорбции из растворов, или пульп, аппараты с пульсационными устройствами. Описана, например, колонна, состоящая из ряда последовательных секций, образованных тарелками. В нижней части такого аппарата имеется пульсационное устройство диафрагмового типа, которое заставляет пульсировать подаваемый снизу поток пульпы. Сорбент, поступающий в аппарат сверху, перетекает с тарелки на тарелку и движется навстречу пульпе. Движение сорбента обеспечивается пульсацией жидкости с определенной частотой, в результате чего жидкость, проходя через отверстия тарелок, заставляет сорбент находиться в полувзвешенном состоянии. Высоту слоя сорбента на тарелках можно регулировать высотой перегородок у краев тарелок.

Недостатком таких аппаратов является незначительное использование их объема, а также то, что их можно использовать только для переработки разбавленных пульп.

Более удобными для практического использования являются описанные австралийскими исследователями аппараты с пульсационными устройствами, которые позволяют перерабатывать шламовые пульпы, содержащие 20—40% твердого. В этих аппаратах используется пульсирующая подача пульпы или раствора для приведения слоя сорбента во взвешенное состояние. Способность тонких шламов легко проходить через взвешенный слой сорбента позволяет применять этот способ для непрерывного проведения сорбционного процесса. При этом через аппарат навстречу друг другу движутся сорбент и пульпа. Сорбент, насыщенный ураном, на 25—30% тяжелее свежего, после регенерации, а поэтому он опускается в нижнюю часть колонны, навстречу восходящему потоку пульпы. Сбросная пульпа контактирует в верхней части аппарата с более легким свежим сорбентом. Распределение сорбента по сечению колонны и устранение слеживания слоя обеспечиваются пульсацией потока пульпы с помощью пневматической системы. Нижняя часть колонны состоит из конуса усеченной формы и цилиндрической части, образующей кольцевое пространство — пульсационную камеру.

Пульсация осуществляется подачей сжатого воздуха и выпуском его через соответствующие клапаны с помощью автоматического устройства.

Ввод пульпы через усеченный конус позволяет изменять скорость восходящего потока пульпы в месте отбора смолы. Специальных устройств для поддержания слоя сорбента при этом не требуется, так как при содержании в пульпе около 30% твердого сорбент удерживается во взвешенном состоянии независимо от скорости подачи пульпы.

Ввод и вывод сорбента осуществляются равномерно и с постоянной скоростью с помощью дозирующих устройств автоматического действия.

Для предотвращения уноса сорбента, размер зерен которого составляет 0,8—1,6 мм, в верхней части колонны установлена сетка из нержавеющей стали с отверстиями 0,5 мм. При пульсациях уровень пульпы колеблется около сетки, что обеспечивает ее автоматическую очистку от забивания твердыми частицами. Здесь играет роль засос воздуха через отверстия сетки при движении уровня пульпы вниз во время пульсаций. Оседание твердых частиц пульпы на сетку сверху устраняется отбором пульпы через отверстие в стенке аппарата на уровне сетки.

Сорбент подается в колонну по трубе, проходящей через сетку в верхней части аппарата, а выводится снизу в виде взвеси в исходной пульпе.

Эта взвесь должна направляться на грохот, где пульпа отделяется от сорбента и возвращается в колонну.

Отмывку насыщенного сорбента от пульпы и десорбцию можно проводить в отдельном аппарате, где раствор движется вниз навстречу сорбенту, который поднимается вверх по мере регенерации урана. Схема промышленной установки для непрерывного проведения процесса сорбции урана из пульп показана на рис. 7.9.

Для сорбции использовались колонны диаметром 1,32 м, заполненные сорбентом до границы, соответствующей изменению скорости пульпы в результате сужения нижней части аппарата.

Разделение колонны перегородками на четыре квадранта способствует равномерному распределению сорбента по сечению аппарата. В аппарате в каждый момент времени находится 3,4 м3 сорбента, емкость которого по урану составляет около 40 кг/м3.

Для извлечения урана из пульпы с концентрацией урана 1 г/л потребовался слой сорбента высотой 1,52 м. При этом в сбросной пульпе удавалось получить концентрацию урана 2,5 мг/л. Пропускная способность колонны по пульпе, содержащей 20% твердого, при этом составляет около 20 м3/ч. Сорбент вводится порциями четыре раза в час при подаче каждой порции за одну минуту. При этом количество смолы, вводимой в колонну, должно быть равно количеству выведенной смолы за тот же промежуток времени.

Насыщенный сорбент, отделенный от пульпы на грохоте и промытый там же водой, направляется в другую колонну для десорбции. Этот аппарат, имея диаметр 0,76 м и высоту слоя сорбента 4 м, обеспечивал полную регенерацию сорбента за время нахождения его в контакте с регенерирующим раствором около девяти часов. При этом сорбент с помощью пульсационного механизма поддерживался во взвешенном состоянии и поднимался вверх навстречу потоку раствора. Концентрация урана в товарном регенераторе достигала 12 г/л. Смола после регенерации вновь возвращалась на сорбцию.

Однако при дальнейшем увеличении размеров пульсационных колонн, очевидно, резко ухудшается равномерность распределения пульсаций по сечению аппаратов, и эффективность процесса снижается.

Сорбцию из пульп успешно можно проводить в так называемых контакторах-разделителях, где одновременно происходит непрерывное смешивание сорбента с пульпой и их непрерывное разделение.

В 1956 г. в США испытывались сорбционные установки, состоящие из последовательно соединенных контакторов-разделителей.

Для перемешивания смолы и пульпы в контакторах-разделителях используется тот же принцип, что и в агитаторах с воздушным перемешиванием типа Пачука, в то время как разделение смолы и пульпы основано на разности их удельных весов (рис. 7.10). Воздух, подаваемый в аппарат снизу через пористое днище, взвешивает сорбент и твердые частицы пульпы, интенсивно их перемешивает и увлекает вверх, где смесь попадает в кольцевое пространство, образованное вертикальными перегородками. Отсюда сорбент и пульпа опускаются в нижнюю часть аппарата. Основная масса пульпы, имеющая меньший удельный вес, чем сорбент, отделяется от последнего при движении смеси сверху вниз и при подъеме вверх удаляется из аппарата через сливной желоб. Часть пульпы циркулирует в аппарате вместе с сорбентом.

При движении сорбента вниз часть его попадает в концентратор, где происходит гидравлическая сортировка зерен сорбента и твердых частиц пульпы.

В концентраторе происходит уплотнение сорбента до такого состояния, что содержание пульпы между его зернами становится минимальным. Из нижней части концентратора сорбент непрерывно удаляется с помощью эрлифта.

Чем больше разница удельных весов пульпы и зерен сорбента, тем лучше идет отделение сорбента от пульпы в концентраторе и тем меньше сорбента увлекает за собой выходящая из аппарата через сливной порог пульпа. Поэтому контакторы-разделители могут надежно работать только при извлечении урана из пульп, содержащих не более 6—8% твердого и при отсутствии в пульпе Песковых фракций.

Весьма перспективным для проведения процесса непрерывной сорбции является метод, основанный на использовании для разделения смолы от пульпы принципа «всплывание — оседание», аналогичный методам, применяемым при жидкостной экстракции в смесителях-отстойниках. Важно, что при этом имеется возможность проводить сорбцию из выщелоченных пульп без предварительного удаления песков.

Разделение смолы от пульпы основано на том, что зерна смолы с удельным весом 1,1 —1,2 всплывают к поверхности пульпы более высокого удельного веса. Лучшие результаты получены при использовании кислой пульпы с удельным весом 1,3—1,5. При уменьшении удельного веса пульпы ниже 1,3 разделение происходит очень медленно и с меньшей эффективностью, так как разность удельных весов при этом назначительна. Однако увеличение удельного веса пульпы более 1,5 также ухудшает ее отделение от смолы, потому что при этом одновременно возрастает вязкость пульпы.

Использование принципа «всплывание — оседание» для разделения смолы от пульпы в совокупности с предварительным их смешиванием механической мешалкой или воздухом позволяет создать многоступенчатые противоточные сорбционные установки по образцу экстракционных установок из смесителей-отстойников.

Наиболее выгодно использовать большее количество ступеней при меньшем времени контакта смолы и пульпы на каждой из них, чем наоборот. Аппараты целесообразно располагать каскадом, чтобы пульпа могла перемещаться от ступени к ступени самотеком. В идеальном случае, по аналогии с работой экстракторов, и смолу можно перемещать самотеком в направлении, противоположном движению пульпы, имея в виду, что в отстойниках удельный вес смеси меньше, чем в смесителях. Однако при этом встречаются существенные трудности, связанные с регулированием процесса. Поэтому считают, что удобнее передавать сорбент от ступени к ступени с помощью аэролифтов.

Наиболее целесообразно использовать в качестве смесителей аппараты с воздушным перемешиванием типа Пачука, отличающиеся простотой конструкции, низкой стоимостью и сравнительно небольшим переизмельчением зерен смолы.

В качестве сепараторов можно использовать вертикальные сосуды с днищем и крышкой конической формы. Смесь из смесителя подается по трубе в середину сепаратора. Пульпа под собственной тяжестью оседает на дно и далее самотеком уходит в следующий смеситель (низ сепараторов находится чуть выше нижней части смесителей). Смола всплывает в сепараторе вверх и удаляется с помощью аэролифта.

К недостаткам сепараторов такого типа относятся трудности, связанные с оседанием Песковых фракций в основании аппарата, а также зависимость эффективности разделения от скорости потоков. С увеличением интенсивности питания более некоторой критической величины обычно связано резкое увеличение потерь сорбента.

Более рациональной конструкцией оказались «наклонные» сепараторы, в которых смесь смолы и пульпы самотеком движется вниз по круто наклоненному каналу определенного сечения. При этом легко можно обеспечить такие условия, когда смола, имеющая меньший удельный вес, поднимается вблизи верхней стенки сепаратора и сгущается, собираясь в высшей точке наклоненного канала, откуда ее непрерывно можно удалять с помощью аэролифта. Наклонные сепараторы, так же как и смесители, можно выполнять из дерева.

Максимальная эффективность разделения смолы и пульпы имеет место при угле наклона канала к вертикали около 20°.

Достоинство наклонного сепаратора состоит в том, что он надежно работает независимо от колебаний скорости потока.

Результаты работы полупроизводственной сорбционной установки, состоящей из смесителей с воздушным перемешиванием и наклонных сепараторов (рис. 7.11), приведены недавно Ридом в работе.

Установка состоит из 12 ступеней, каждая из которых имеет смеситель типа аппарата Пачука диаметром 178 мм и высотой 3350 мм и «наклонный» сепаратор диаметром 76 мм и длиной 2100 мм с наклоном под углом 20°. Сечение канала сепаратора больше сечения отверстия для вывода пульпы из сепаратора.

В верхней части сепараторов имеется аэролифт для транспортировки смолы.

Последний смеситель в каскаде работает по принципу перелива с переменным уровнем, что позволяет изменять в некоторых пределах уровни пульпы в предшествующих аппаратах и регулировать этим эффективность разделения.

Свежая смола подается в одиннадцатый смеситель и идут навстречу пульпе до первой ступени, насыщаясь постепенно ураном.

В двух последних аппаратах (12 и 13) происходит окончательное отделение смолы от сбросной пульпы, чтобы свести потери сорбента к минимуму.

Среднее время удерживания смолы на каждой ступени составляет 10—20 мин. Для пульпы время контакта со смолой можно уменьшить до 5—10 мин на каждой ступени. Это достигается введением в каждую ступень первоначально определенного количества смолы и рециркуляцией смолы с возвращением части ее в тот же смеситель.

Установка обеспечивает извлечение из рудной пульпы более 99% урана от концентрации урана 0,70—0,75 г/л в исходной пульпе до концентрации 2—6 мг/л после одиннадцатой ступени при подаче пульпы со скоростью 240 л/ч.

Полученные результаты позволили произвести расчет оборудования для промышленной установки и оценить экономию, которую можно получить при использовании этого метода сорбции.

Для переработки 4000 т/сутки руды с содержанием урана 0,45 кг/т необходима установка, сорбционная часть которой состоит из двенадцати ступеней с объемом каждой около 34 м3, что соответствует 10-минутному удержанию пульпы на каждой ступени. Для этого можно использовать, например, обычные аппараты Пачука диаметром 3,7 м и общей высотой 5,8 м (при высоте конической части 3,4 м), снабженные «наклонными» сепараторами.

Для перемешивания смолы и пульпы в смесителях и для работы аэролифтов, транспортирующих смолу, требуется не более 28 м3/мин сжатого воздуха при давлении 1,4 кг/см2. При сорбционной емкости смолы 32 кг/м3 и времени удерживания смолы в каждой ступени 30 мин общий объем смолы в сорбционной части установки в любое время должен быть 14,2 м3, т. е. примерно 1,2 м3 на каждой ступени. Такой же объем смолы, т. е. примерно 14,2 м3, должен быть и в регенерационной части установки.

Специальное изучение вопроса о потерях смолы при проведении сорбции на установке такого типа показало, что из общего количества смолы, находящейся на установке, ежемесячно теряется около 3%, что соответствует расходу смолы около 0,1 кг/т руды.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: