年產(chǎn)100噸鈾回收工藝設計

精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)一．前言>>我國的鈾資源概況:我國目前已探明的并經(jīng)國家儲委批準的鈾資源儲量約18.8萬噸金屬，已經(jīng)正規(guī)設計開采的約5.8萬噸，尚有約13萬噸有待開發(fā)利用。對于已經(jīng)設計開采的資源，由于受鈾提取加工水平的限制，大多生產(chǎn)企業(yè)長期處于虧損狀態(tài)，有些礦山甚至不得不提前被強制關停，進行儲量注銷，使得大量寶貴的鈾資源重新被判取“死刑”；而對于尚未開發(fā)利用的資源來說，如果仍然采用常規(guī)的破磨—浸出—液固分離工藝進行提鈾處理，按照國際市場現(xiàn)行的天然鈾交易價格，這部分鈾資源幾乎沒有開發(fā)利用的價值?？傮w來講，我國可利用的鈾礦資源相對貧乏，而縱觀我國已探明的鈾礦資源，適合于堆浸處理的硬巖鈾礦不僅種類多，而且儲量比例大。如果能夠通過對鈾礦堆浸工藝技術進行進一步深入系統(tǒng)的研究，充分發(fā)揮堆浸提鈾技術投資省、成本低的特點，將堆浸提鈾技術在我國天然鈾生產(chǎn)領域全面推廣應用，無疑將有效地提高我國鈾礦資源的利用水平，拓展我國可利用的鈾資源范圍，促進我國天然鈾產(chǎn)量的提高。>>國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向在我國，目前大部分鈾礦山采用堆浸法生產(chǎn)，由于部分礦山堆浸的礦石品位較高和采用串聯(lián)堆浸工藝，許多情況下可得到鈾質量濃度在4g/l以上的浸出合格液，這樣一種浸出液再用離子交換法回收難以達到穩(wěn)定操作，而由于溶劑萃取裝置也不現(xiàn)實，因此，用一種成本低高效率工藝方法來處理高濃度的堆浸浸出液對我國的鈾礦堆浸液具有重要的意義。在礦石濕法冶金過程中，由于礦石物組成及性質不同，采用稀硫酸浸出時，除有價組分被浸出外，鐵礦物中的鐵也被浸出，進入浸出溶液中的鐵會造成產(chǎn)品的嚴重污染，必須將鐵從溶液中除去，從鈾浸出液中用沉淀法回收鈾最典型的方法是分步沉淀法即利用鐵礬土---過氧化氫兩步沉淀法，除鐵的目標就是將鐵從浸出液中沉淀出來，而鈾不沉淀，從而實現(xiàn)鈾與鐵的分離，鐵礬法除鐵時溶液仍保持較低的pH值(>2.0)且產(chǎn)生的鐵礬沉淀為結晶體而非無定型體或膠體，克服了普通方法沉淀鐵時鈾的載帶嚴重和沉淀物不易過濾和洗滌的弊端，鐵礬法除鐵就是使弱酸性硫酸鹽溶液中的鐵離子在較高的溫度，壓力和有堿金屬離子或氨離子在的條件下形成礬晶體沉淀，該沉淀易于沉降，過濾洗滌，非常穩(wěn)定且在水中的溶解度很小。加拿大的RiteceyJ．等提出用過氧化氫在性條件下直從浸出液沉淀出過氧化鈾，該方法可以使鈾與大多數(shù)金屬離子良好分離，但仍須預先除鐵，而除鐵的方法仍是常規(guī)的化學沉淀法，因而仍然存在鈾損失率高和沉淀物過濾洗滌困難等問題。核工業(yè)北京化工冶金研究院也用類似方法對從堆浸浸出液中回收鈾進行過試驗研究。核工業(yè)鈾礦開采研究所曾毅君等人對從鈾浸出液中除鐵做了大量試驗研究工作，并取得重要突破，提出了鐵礬沉淀法除鐵再用堿沉淀鈾的新工藝；但沉淀鈾時無法與鋁等雜質有效分離，影響產(chǎn)品質量。本文論述的新工藝是在上述試驗研究的基礎上，對原工藝中鈾的沉淀方法加以改進后提出來的。鈾的除雜工作完成后進行鈾的提取，離子交換技術作為一種先進而獨特的新型化學分離技術，被廣泛應用于鈾的提取工藝中。離子交換法和萃取法是從水相中提取鈾的兩大主要方法。采用離子交換法既能從鈾礦石浸出液及浸出礦漿中提取鈾，也能從鈾礦山廢水中回收鈾。到目前為止，在我國從礦石提取鈾的全部企業(yè)中(不含堿法水冶廠)，離子交換法與萃取法大致上各占一半(其中尚有部分企業(yè)是采用離子交換、萃取聯(lián)合法)，并且隨著今后所處理礦石品位的日益下降，必然會使離子交換法所占比例日益上升；而從礦山廢水回收鈾的所有企業(yè)中，則全部采用離子交換法(這是由于該類廢水中鈾濃度低的緣故)。離子交換法的工業(yè)應用是通過以離子交換設備為主體組合配套而成的離子交換裝置來實現(xiàn)的。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，當今已投產(chǎn)應用的離子交換設備，種類繁多，特點各異。比如：按操作制度分，有間歇式(含周期性循環(huán)式)和連續(xù)式(含半連續(xù)式)；按樹脂床層形態(tài)分，有固定床、攪拌床、流化床和密實移動床等。在我國鈾水冶廠和鈾礦山廢水處理廠中應用的離子交換設備種類也很多，并且在有關廠礦企業(yè)、研究和設計單位的共同努力下，結合我國國情做了大量創(chuàng)造性的工作，取得了豐碩的成果，積累了豐富的經(jīng)驗。目前在我國鈾水冶廠和鈾礦山廢水處理廠中應用的離子交換設備主要有以下5種：水力懸浮床、密實固定床、空氣攪拌床、塔式流化床和密實移動床。[1]堆浸提鈾工藝具有流程簡單、投資少、建設及回收周期短等特點，并且，堆浸尾渣顆粒粗，含水率低，穩(wěn)定性好，易于堆置或回填處理，有利于進行退役治理。在我國，近年來由于堆浸提鈾技術的應用，天然鈾生產(chǎn)的成本已經(jīng)得到了有效的控制和降低，許多礦山企業(yè)也因此而走出了困境，許多因為品位低、儲量小而曾經(jīng)被認為是呆礦的資源也重新獲得了開發(fā)利用的價值。>>我國堆浸提鈾生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀目前，我國核工業(yè)鈾礦冶系統(tǒng)下屬的礦山企業(yè)中已經(jīng)有七個正在進行堆浸生產(chǎn)（794礦、753礦、741礦、771礦、743礦、703礦、719礦），擬采用堆浸技術進行技術改造的企業(yè)及擬采用堆浸技術進行開發(fā)的鈾礦點還有許多（如721礦、745礦、757礦、新疆巴什布拉克鈾礦、福建毛洋頭鈾礦等）。但是由于前期我國對于鈾礦堆浸技術研究的認識不足，研究水平不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，使得大部分堆浸企業(yè)目前仍然只能進行粗放的堆浸作業(yè)，大部分工藝都是盲目照搬，技術配套不合理，浸出工藝與回收工藝脫節(jié)，有的企業(yè)外排尾渣品位甚至不能達到國家的環(huán)保要求，不僅制約了金屬回收率，影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益，浪費了鈾礦資源，而且加大了退役治理工作的難度[2]。國內(nèi)鈾礦石堆浸均是以硫酸作浸出劑，浸出的選擇性較差，在浸出鈾的同時，其它一些非目標元素如鐵、鋁、硅以及重金屬等也溶解到浸出液中。從硫酸浸出液中純化回收鈾的傳統(tǒng)工藝方液中。從硫酸浸出液中純化回收鈾的傳統(tǒng)工藝方法有直接沉淀(包括分步沉淀法)、離子交換法、溶劑萃取法或由后兩者結合而成的淋萃流程。從鈾浸出液中用沉淀法回收鈾最典型的方法是分步沉淀法，即用堿(苛性鈉、氧化鈣、氨水等)首先控制pH在3.5將鐵沉淀，再將pH調到6.5～7.5沉淀鈾。在這種工藝中，由于鐵沉淀時的載帶造成鈾損失量大，且生成的沉淀是無定形的氫氧化鐵，難以過濾和洗滌；而沉淀鈾時仍有其它雜質如鋁和少量鈣等一起沉淀出來，沉淀產(chǎn)品的質量不高，往往需要進一步精制。在鈾礦冶中也用過其它一些沉淀方法,磷酸鹽沉淀法和綠泥法等，但前者三價鐵、鈾酰和鋁離子的pH沉淀范圍部分重合在一起，而不能有效地進行分離；而后者沉淀以后的分離工作過于復雜。采用傳統(tǒng)的沉淀法從浸出液回收鈾不可避免地存在以下問題：1)如果直接沉淀鈾，大量的雜質也會同時沉淀；2)當用選擇性沉淀分離雜質時，鈾會載帶沉淀，降低了鈾的回收率。兩者所得的鈾濃縮物純度都不高，不能滿足產(chǎn)品質量要求；因此，自從樹脂離子交換法和溶劑萃取法應用到鈾的濕法冶金中以后，上述沉淀法幾乎完全被取代。但離子交換法和溶劑萃取法對品位高、規(guī)模小的礦點而言，存在投資高、工藝流程長、鈾的濃縮作用不明顯等問題?？梢钥隙?，要改變我國天然鈾供應緊張的被動局面，出路只有兩個：一是盡快找到大量的可地浸開采的砂巖鈾礦資源，改變這部分資源目前只占總儲量不到5%的現(xiàn)狀，這在短期內(nèi)顯然是難以實現(xiàn)的；二是加緊進行鈾礦堆浸工藝技術的研究，開發(fā)出適應我國礦性多變、品位相對較低的硬巖鈾礦堆浸技術。只有通過進行深入系統(tǒng)的鈾礦堆浸工藝技術的研究，加緊提高我國天然鈾堆浸生產(chǎn)的技術水平，才有可能有效地擴大我國鈾礦資源可開發(fā)利用的范圍，降低我國天然鈾生產(chǎn)成本，從而提高我國天然鈾產(chǎn)量，滿足我國國防建設的需要[3]。>>國外堆浸提鈾工藝現(xiàn)狀世界上的各產(chǎn)鈾大國包括加拿大、美國、澳大利亞以及非洲、中亞和東歐的一些國家，無一不是立足于本國的鈾資源特點，來研究和開發(fā)適合本國國情的鈾堆浸提取工藝與裝備。美國、中亞的烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦、東歐的捷克等國家的砂巖鈾礦資源豐富，所以主要采用地浸提鈾工藝。加拿大的鈾礦不僅資源量大（可回收的鈾資源量達41.9萬噸），而且品位高（平均生產(chǎn)開采品位為3.8%，其中麥克阿瑟河礦床的鈾品位達18.7%，西加湖礦的品位也高達13.6%），因此，他們研究重點是輻射防護和環(huán)保，通過將礦石的破磨工序轉入井下和提高操作的自動化程度等手段，將礦石的放射性對環(huán)境及人體的危害降低到最低限度。澳大利亞西部公司所屬的奧林匹克壩鈾礦屬于多金屬共生礦，他們采用的處理工藝是在經(jīng)過浮選分離并富集后再進行浸出提鈾。目前，俄羅斯唯一的天然鈾生產(chǎn)企業(yè)是位于赤塔洲的紅石鈾礦，礦石開采的平均品位約為0.2%，年生產(chǎn)天然鈾能力為2600噸，其中地浸產(chǎn)鈾約2025噸，地表堆浸產(chǎn)鈾約400噸，常規(guī)浸出產(chǎn)鈾約100噸，在不易開采的礦體邊角采用原地爆破浸出產(chǎn)鈾約75噸。對于細菌氧化提鈾，葡萄牙、西班牙、加拿大、法國等國家都先后進行了研究并已經(jīng)部分投入生產(chǎn)，據(jù)初步統(tǒng)計，作為世界上第一產(chǎn)鈾大國的加拿大，細菌浸鈾的規(guī)模最大，已經(jīng)占其目前鈾生產(chǎn)總量的10～20%?？偟膩碚f，盡管受資源特性和其他一些因素的影響，近年來國外對于鈾礦堆浸工藝技術的研究力度有所減弱，但是，由于起點較高，并且在其他相關行業(yè)研究的帶動下，國外在鈾礦堆浸的設備及材料研制開發(fā)、多金屬伴生鈾礦的綜合利用、堆浸的規(guī)模和自動化控制、堆浸礦山的環(huán)境保護等方面均已經(jīng)達到了較高的研究水平[4]。>>對于難處理硬巖鈾礦的堆浸研究由于以前長期采用常規(guī)攪拌浸出工藝進行提鈾生產(chǎn)，在難處理硬巖鈾礦堆浸研究方面，我國的起步時間較晚，而在我國已探明的鈾資源中，難處理硬巖礦不僅種類多，而且儲量比例大。目前，除了已經(jīng)對相對容易處理的花崗巖鈾礦進行了較好的堆浸生產(chǎn)和一定的研究之外，浙江大茶園鈾礦的流紋巖、粵北地區(qū)下莊礦田的輝綠巖、黃斑巖等的堆浸研究工作才剛剛著手進行，而贛南地區(qū)的會昌、尋鄔、瑞金等鈾礦的安山巖、玄武巖等的堆浸研究及開發(fā)則還是一片空白，這些鈾礦的品位相對較高，礦床規(guī)模也屬中等偏上，但由于礦石中Ca、Al、Fe、Mg的含量過高，浸出酸耗大，堆浸過程中發(fā)生結垢板結，降低礦堆的滲透性，因此也長期被認定是難處理礦而得不到有效的利用。>>對于含泥鈾礦的制粒堆浸研究在含泥鈾礦制粒堆浸研究方面，核工業(yè)第六研究所從二十世紀八十年代末期就開始對有色金屬的含泥氧化礦進行酸法制粒堆浸研究，到目前為止已經(jīng)取得了一定的突破，從制粒粘合劑的合成開發(fā)到制粒工藝研究，均已經(jīng)達到了國際先進水平。在此基礎上對含泥鈾礦的制粒堆浸進行研究，重點是根據(jù)鈾礦浸出的特點，對粘合劑的適應性及制粒工藝條件進行必要的改進。在我國已探明的鈾資源中，含泥量高、過濾或滲透性能差的難處理礦占有相當?shù)谋壤鐝V東的希望礦床、江西的鄒家山礦床和山南礦床、東北的下馬塘礦床、廣西的雙滑江礦床和大新礦床、云南的臨滄礦床、新疆的巴什布拉克礦床等，有些因為處理成本高，企業(yè)長期虧損而不得不被迫關停注銷，有些資源則長期沒有得到開發(fā)利用[5]。>>國內(nèi)外天然鈾需求分析及預測由于天然鈾的消費量長年持續(xù)超過生產(chǎn)量，到1998年，世界天然鈾的產(chǎn)量只能滿足需求的60%，因此，目前各國的天然鈾庫存量急劇減少，超庫存量即將全部用完，使得近年來天然鈾的國際交易價格不斷回升。據(jù)E/MJ提供的資料介紹，到1999年初，國際市場的天然鈾期貨價已經(jīng)上漲到11.75$/lb，相比1998年上漲了23%。美國能源信息所的調查信息表明，近幾年來，世界天然鈾消費量的年增長速度約為1.5%，并且在未來的幾年中還將保持1%以上的增長。在生產(chǎn)量持續(xù)不足，鈾價不斷上揚的形勢下，目前世界各國都在增加對天然鈾生產(chǎn)的投入，致力于尋找新的鈾資源和擴大天然鈾的產(chǎn)量。加拿大是世界最大的鈾生產(chǎn)國，預計在相當長的時期內(nèi)仍將保持這種地位，因為位于薩斯喀徹溫省的一個規(guī)模大、品位高、費用低的天然鈾生產(chǎn)中心已經(jīng)開工建設；澳大利亞自從工黨下臺以后，保守聯(lián)盟政府很快取消了“三礦”政策，并且通過采取擴展蘭杰礦水冶廠、對奧林匹克壩鈾礦再投入10億美元資金等手段，有望將其天然鈾年產(chǎn)量在目前約5000噸的基礎上再進一步作大的提高；此外，納米比亞的羅辛廠正致力于擴大生產(chǎn)規(guī)模，美國的KingsvilleDome工程也已經(jīng)重新開工，哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦等國則正致力于大范圍的低品位礦床的原地浸鈾工程。隨著印巴核試驗的進行和中東及巴爾干半島局勢的持續(xù)緊張，世界各國對于天然鈾生產(chǎn)的重視程度已經(jīng)上升到了一個新的高度。據(jù)統(tǒng)計，美國地浸提鈾的成本約為15$/lb，已經(jīng)高于國際市場鈾的交易價格，但他們?nèi)栽谂U大自己的天然鈾生產(chǎn)能力；烏克蘭的情況更有代表性，盡管目前他們的天然鈾生產(chǎn)成本甚至已經(jīng)超過國際市場鈾交易價格的兩倍以上，但卻并不影響他們發(fā)展自己鈾礦冶工業(yè)的決心。因此可以認為，各國對于天然鈾生產(chǎn)的認識，已經(jīng)完全超出了經(jīng)濟概念的范疇[6]。在我國，除了已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電的秦山和大亞灣核電站以外，十.五期間還將有約660萬kW的核電站陸續(xù)投入運行，并且此后還將繼續(xù)建設6-7個裝機容量100萬kW左右的新核電站，所有這些，都將極大地削弱我國的核戰(zhàn)略儲備。因此，在未來較長的一段時間內(nèi)，我國對天然鈾的需求量將保持一個較大的增長速度，并且，按照通常情況，天然鈾的生產(chǎn)還應當比使用需求提前兩年左右。照此預計，到2000年，我國天然鈾的產(chǎn)量至少應達到1500t/a，到2010年，則應當達到2350t/a以上，這對于我國目前的生產(chǎn)能力來說，缺口非常大。面對國際鈾交易市場日漸微妙的緊張局勢，靠購買來滿足需求顯然是不現(xiàn)實的，唯一的出路是通過技術與機制的創(chuàng)新，改變我國鈾水冶的落后面貌，提高我國鈾礦資源的利用水平，拓展我國鈾礦資源的范圍，降低提鈾成本，增加天然鈾產(chǎn)量。二．設計部分1.除雜工段的方法及原理1.1方法的提出目前國內(nèi)大部分鈾礦山用堆浸法處理礦石并生產(chǎn)黃餅產(chǎn)品。由于有時處理較高品位的礦石，加之采用串聯(lián)堆浸的方式，能夠獲得較高鈾濃度的浸出液，這種浸出液直接用沉淀法來回收鈾是合理的。由于硫酸浸出時的選擇性較差，與鈾一起被溶解出來的還有許多其它雜質離子。當在pH為7左右沉淀鈾時，浸出液中的鋁也將會沉淀。因此，用沉淀法回收鈾，關鍵問題是在沉淀鈾之前，使鈾和鐵、鋁等雜質從溶液中有效分離[7]。本設計是先用鐵礬法除鐵，即控制一定的條件并在pH=1.8左右將鐵以黃鐵礬形式沉淀出來，此時鈾的載帶沉淀量很少，且鐵礬沉淀為結晶體，易于過濾洗滌，鈾的夾帶損失也小，從而使鐵和鈾有效分離。然后在pH=2.8-3.5用過氧化氫沉淀得到過氧化鈾，作為最終產(chǎn)品黃餅。在此pH范圍內(nèi)，包括鋁在內(nèi)的其它雜質不形成沉淀而留在浸出液中，從而與鈾分離。在過氧化氫沉淀鈾前，必須將鐵除去，原因是：1)在過氧化氫沉淀的pH范圍內(nèi)，鐵也將沉淀；2)大量鐵離子的存在，會與過氧化氫反復發(fā)生氧化和還原反應，消耗大量過氧化氧。1.2鐵礬法除鐵原理除鐵的目標是將鐵從浸出液中沉淀出來，而鈾不沉淀，從而實現(xiàn)鈾與鐵的分離。鐵礬法除鐵時溶液仍保持較低的pH值(<2.O)，且產(chǎn)生的鐵礬沉淀為結晶體而非無定形體或膠體，克服了普通化學法沉淀鐵(pH=3.5)時鈾的載帶嚴重和沉淀物不易過濾和洗滌的弊端。鐵礬或稱黃鐵礬是一種堿式硫酸鐵復鹽，分子式通?？梢詫懗葾2O·3Fe2O·4SO3·6H2O或者是AFe3(SO4)2(OH)6，或A2[Fe6(SO4)4(OH)12]，式中A代表一價陽離子K+、Na+、NH+，并分別稱為黃鉀鐵礬、黃鈉鐵礬、黃銨鐵礬等。鐵礬法除鐵就是使弱酸性硫酸鹽溶液中的Fe3+離子在較高溫度、常壓和有堿金屬離子或銨離子存在的條件下形成礬晶體沉淀。該沉淀易于沉降、過濾、洗滌，非常穩(wěn)定，水中溶解度很低。反應式可表示如下：6Fe3++12H2O+2K++4SO4==K2[Fe6(SO4)4(OH)12]↓+12H+由式可知鐵礬形成時有酸產(chǎn)生，為了保障反應的不斷進行，反應過程中要將酸中和，只有三價鐵離子才能夠形成黃鐵礬，故浸出液中若有亞鐵離子必須先將其氧化，形成鐵礬必須有一價屬金屬陽離子或NH存在[8]。1.3過氧化氫沉淀鈾過氧化氫可以從含鈾酸性溶液中將鈾以結晶的水合過氧化鈾(UO4·xH2O)沉淀出來。反應的pH范圍通常為2.8～3.5，此時除鐵外的其它大部分雜質均不沉淀，從而與鈾分離。該法是對溶液中的鈾具有高選擇性，因此過氧化氫的耗量幾乎只與溶液中的總鈾量有關，而與溶液的鈾濃度無關。反應式如下：UO2SO4+H2O2+2H2O===UO4·2H2O+H2SO4反應過程中產(chǎn)生酸，須不斷加堿中和，以保證使pH維持在所要求的范圍內(nèi)。在過氧化氫沉淀鈾之前，必須將溶液中的鐵除去，除上述的理由外，在過氧化氫沉淀時，鐵還會起催化劑的作用，使過氧化氫分解：Fe3++H2O2===Fe2++H2O+1/2O2Fe2++1/2H2O2+H+===Fe3++H2O2.鐵礬一過氧化氫沉淀法的影響因素(1).鐵礬法除鐵的影響因素1.1.鐵礬結晶的形成需要的是Fe3+，而工業(yè)生產(chǎn)中的浸出液總是含有比例不等的Fe2+，因此氧化是鐵礬結晶前的首要步驟。Fe3+／Fe2+的標準電極電位為0.77V，因此H2O2(標準電極電位為1.77V)和KClO3(1.44V)等均是Fe2+的良好氧化劑。試驗中發(fā)現(xiàn)，要保證Fe2+的完全氧化，用H2O2時，用量約為理論量的2倍，而以氯酸鉀作為氧化劑時用量則為理論量的3～4倍。1.1.2黃鐵礬的生成條件是溶液中必須有K+、Na+、NH+等離子，理論需要量是這些離子與三價鐵離子比值為1:3，但試驗結果表明，一價陽離子的量要達到理論量的1.5倍以上才會有好的效果。實際工業(yè)生產(chǎn)浸出液中總是含有K+、Na+離子的，而且由于過氧化氫沉淀鈾時所用中和劑是NaOH或NH4OH，返回浸出的沉淀母液中也含有一定量的Na+或NH4+，因此，實際生產(chǎn)中鐵礬沉淀時，可不再另外加入一價陽離子。1.1.溶液pH值對鐵礬的穩(wěn)定性和沉淀率有重要影響。鐵礬在形成過程中產(chǎn)生大量酸，酸度增高會降低鐵的沉淀量和速率。pH值低時，必須在較高溫度下鐵礬才能穩(wěn)定存在。加中和劑調節(jié)pH值時操作必須細心，特別是pH為1.4～1.9范圍是成礬的主要階段，中和劑應緩慢加人。若結晶過快，顆粒太細，而溶液局部酸度過低，則導致無定形Fe(OH)3生成。為使溶液中最終p(Fe)低于200mg／L，終點pH值一般應控制在2.2～2.5。工業(yè)試驗中，以粉狀輕質碳酸鈣為中和劑。下圖示出了鐵礬形成的溫度一pH值關系，圖中陰影部分是鐵礬的穩(wěn)定存在區(qū)域，表明pH值低時，必須在較高溫度下鐵礬才能穩(wěn)定存在[10]。鐵礬形成時的溫度—pH圖：1.1.鐵礬在室溫下形成的速度非常緩慢。如在25℃、pH值為0.8～1.7范圍內(nèi)，沉淀黃鉀鐵礬需要1～6個月。實際生產(chǎn)中，沉礬的操作溫度要求高于85℃(2).過氧化氫沉淀鈾的影響因素2.2加過氧化氫沉淀鈾的過程中會產(chǎn)生酸，需加堿中和。酸度過高，鈾的沉淀將不完全；而酸度太低，除多消耗堿并降低沉淀效果外，還可能使其它雜質沉淀，影響產(chǎn)品質量。根據(jù)試驗結果(表2)并結合資料介紹，2.8～3.5是合適的范圍。H2O2沉淀時pH值對沉淀效果的影響：2.2.2SO42-SO42-由于能與UO22+形成配合離子而抑制鈾的沉淀，p(SO42-)過高會使鈾的沉淀不完全。鐵礬法除鐵過程中除去了部分SO42-對過氧化氫沉淀鈾是有利的。2.2.試驗和試生產(chǎn)的數(shù)據(jù)都表明，使鈾沉淀完全(母液P(U)<10mg／L)的過氧化氫用量只與溶液中的總鈾量有關而與鈾濃度無關。但鐵離子濃度有重要影響，當p(Fe)超過400mg／L時，過氧化氫用量會成倍增加，而小于200mg／L時，影響較小。2.2反應時間對沉淀效果有重要影響，但它還與過氧化氫用量以及溶液中有關離子如硫酸根濃度密切相關。溶液中p(SO42-)超過40g／L時，必須有較長的反應時間(>1.5h)；低于20g／L時，反應0.5h沉淀母液JD(U)就能達到10mg／L以下。而增大過氧化氫加入量，反應時間可以縮短。如下表：攪拌時間對沉淀效果的影響[12]2.2過氧化氫沉淀鈾反應控制在40℃三.工藝流程p(U)在4g／L以上的浸出液加氧化劑將可能存在的亞鐵完全氧化，然后在耐腐蝕夾套反應釜中用蒸氣直接加熱到85℃后開始加碳酸鈣中和，保持pH值在1.6～2.0，鐵礬沉淀溫度90～95℃。反應4h后，控制終點pH值在2.2～2.5。在夾套中通冷水將物料冷卻到60～70℃后放到冷卻池繼續(xù)冷卻到約50℃，用板框壓濾機過濾，濾餅用1～2倍體積的酸化水洗滌。濾液和洗液合并用過氧化氫沉淀鈾，反應過程中不斷加入氫氧化鈉或氨水，控制pH在2.8～3.5范圍內(nèi)，反應時間約1h，過氧化氫(w(H2O2)為27.5%,下同)用量為每t鈾0.6～0.8t。沉淀母液p(U)小于10mg／L后，物料用板框壓濾機過濾，濾餅用壓縮空氣吹干即得翻產(chǎn)品黃餅工藝工藝流程圖如上四.物料衡算根據(jù)設計任務規(guī)定年產(chǎn)量為100噸鈾，取工作日300天，一天工作24小時，由實際的反應時間，進料時間，加熱冷卻時間等，每天可按3班輪流操作，操作周期為τ=8h則有：ρu=10g/LV浸出液=Mu/ρu=100×103/10=10在沉礬過程和沉淀過程中，鈾的損失為1%，所以要保證鈾的年產(chǎn)量，則有：V浸出液=104/（1-1%）=1.0101×104每班處理的浸出液的量：V0=V浸出液/300×3=11.224.1沉礬工段的物料衡算[13]基準：每班處理的浸出液的體積：11.22計算中需用的物質的摩爾質量如表1表1各物質的摩爾質量物質UH2O2FeNaFe3(SO4)2(OH)6摩爾質量238.033455.8484.3輸入：mu=10g/L×11.22×1000L=112.2kgρFe=7.0g/L/MFe=7.0/55.8=0.1254mol/LnFe=0.1254×11.22×103=1406.99molρFe3+=2.0g/L/55.8=0.03584mol/LnFe3+=0.03584×11.22×103=402.12molρFe2+=5.0g/L/55.8=0.08960mol/LnFe2+=0.08960×11.22×103=1005.31mol氧化劑的用量：2Fe2++H2O2+2H+=Fe3++2H2ON理=1/2×nFe2+據(jù)設計條件n=2N理=2×1/2×nFe2+=1005.31mol=34.18kgH2O2(30%)的體積：M=34.18/0.3=113.93kgV=0.11393m輸出：鈾在此工段的損失為0.5%mu=112.2×99.5%=111.64kg鐵礬法除鐵的除鐵率為96%m鐵礬=nFe×96%×M鐵礬/3=1406.99×96%×484.3/3=218.049kg輸出液體中的鐵含量mFe=1406.99×4%×55.8=3.140kgNaOH的用量沉礬反應方程式：6Fe3++12H2O+2K++4SO42+→2[Fe6(SO4)4(OH)12]↓，+12H+隨著反映的進行產(chǎn)生的[H+]需用CaCO3中和nNaOH=2×1406.99=2813.98molmNaOH=40×2813.98=112.559kg4.2沉淀工段的物料衡算對沉降槽進行物料衡算（連續(xù)式操作）[14]溢流清液溢流清液合格液NaOH溶液沉降槽合格液NaOH溶液沉降槽底流濃漿底流濃漿對底流濃漿排量進行計算已知：濃漿密度p漿=1020kg/m3；含液體量為50％（wt）由除雜段在一次操作中輸出的鈾質量為111.68kg，可求得：濃漿中干料（即UO4）為:111.68kg×302.03/238.03×8h=17.7kg/h由于含液體量為50％（wt），所以W漿=17.7kg/h／50%=35.4kg/hV漿=W漿／p漿=35.4kg/h／1020kg/m3=0.0347m3/h=34.7L[U]的物料衡算基準：1h設合格液進料量為xm3/h，[U]在液體中的損失為y，[U]得損失率：0.5%輸入：合格液 x·a[U] 8x 堿液 0輸出：濃漿 固：17.7kg/hxMU／MCaCO313.950 液： y 清液可列得：y=0.5(1-0.5%)x8x(1-0.5%)8x=13.950+(1-0.5%)x8xx0.5%x=1.76m在除雜工段中輸入的原液14.03／8=1.754于沉淀工段的需求基本相同。雙氧水的用量由化學方程式：UO2SO4+H2O2+2H2O—UO4·2H2O+H2SO4可得：UO2SO4……H2O2 238 .03 348（1-0.5%）x y得：y＝2.001kg/h WH2O2＝20.0kg/hVH2O2＝WH2O2／ρH2O230%Wt＝20.0L/h其中ρH2O230%Wt＝1.000kg/m3清液排放量[15]清液自動溢流，監(jiān)控[U]，若[U]<10mg/L時，作廢水處理，如[U]>10mg/L時，返泵入沉降槽中。4.3主要設備的選擇與計算1)間歇操作釜式反應器根據(jù)設計的原理和反應器的操作方式，本次設計采用間歇式反應操作方式，反應釜的設計如下：工業(yè)上充分攪拌的間歇釜式間歇釜式反應器反應器的性能和行為接近于理想間歇反應器，它是化學工業(yè)中廣泛應用的反應器之一，尤其在精細化學品，高分子聚合物和生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)中，間歇釜式反應器約占反應器總數(shù)的90%，其應用之廣泛是因為這類反應器的結構簡單，操作方便。主要結構：釜體，換熱裝置，攪拌裝置，軸封裝置，傳動裝置，工藝接管[16]。2)間歇釜式反應器體積和數(shù)量的計算：由物料衡算求出每小時需處理的物料體積后，即可進行反應釜體積和數(shù)量的計算，從提高勞動生產(chǎn)效率和降低設備投資來考慮，選用體積大而只數(shù)少的設備比選用體積小而之數(shù)多的設備有利。1）每天需操作的批次：α=24V1/VR=24V1/Vφ式中：α—每天操作批次V1—每小時處理的物料體積，m3/hVR—反應器的有效體積，即反應區(qū)域，m3V—反應器的體積，m3φ—裝料系數(shù)設備中物料所占體積即反應器有效體積VR與設備實際體積V之比稱為設備裝料系數(shù)，以符號φ表示，其具體數(shù)值根據(jù)實際情況而變化。如下表2：表2裝料系數(shù)條件φ條件φ不帶攪拌或攪拌很慢的反應器0.8～0.85易起泡沫在沸騰下操作的設備0.4～0.6帶攪拌的反應器0.7～0.8貯槽和計量槽0.85～0.9其中：V1=1.754m3α=2β=2x24式中：t－操作周期.hβ－每天每只釜操作批次－反應時間.hT－輔助時間.h=5h,T=2.2h,t=7.02h,β=24÷7.2=3.33輔助進料時間包括：進料時間：0.6h加熱時間：1h放料時間：0.6h所以α=2β=6，VR=24V1／α=7.02m2）反應器體積的計算VR=Vφ3)間歇操作釜式反應器直徑和高度的計算:一般攪拌反應器的高度和直徑之比H/D=1.2，釜蓋與釜底采用橢圓形封頭，封頭體積V=0.131D3不包括直邊高度（25～50）的體積[17]。種類釜內(nèi)物料類型H/D一般反應器液-固相或液-液相型1～1.3氣液相型1～2攪拌缸氣液體系1.7～2.5表3幾種反應釜H/D值由工藝計算決定了反應器的體積，即可求得其直徑與高：圖4：反應器的主要尺寸：V=0.131D3H1=0.25D

V=π/4×D2H2+0.131D3其中：H/D=1.2H2=H－H1H1=0.25DV=0.131D3V=0.25π×D2（H-H1）+0.131D3=0.25π×D2（1.2D-0.25D）+0.131D3=9.29877D3=9.29D=2.20m∴D=2.2mH1=D/4=0.55mH=2.64mH2=1.65m將D，H整圓得：D=2200mmH=2640mmH1=550mmH2=1650mmV=πD2H2/4+0.131D3=π×(2.2)2×(2.640/4)+0.131×(2.2)3=10.664m將V圓整得：V=10mφ=VR/V=7.02/10=0.70∴符合裝備系數(shù)的要求[18]。4)反應器的選型:由于鐵礬法除鐵是在酸性條件下進行的，所以反應器的設計要求是耐腐蝕性強的反應設備。本設計選擇搪玻璃攪拌設備。搪玻璃設備的性能：搪玻璃設備是將以二氧化硅為主體加上其他多種元素制成的玻璃質瓷釉，經(jīng)920～960℃多次高溫燒結，使瓷釉牢固地密著于金屬鐵胎表面而制成。因此它既具有類似玻璃的化學穩(wěn)定性，又具有金屬強度的雙重優(yōu)點，是一種優(yōu)良的耐腐蝕設備。廣泛地應用于化工、石油、冶金、醫(yī)藥、染料、合成橡膠、合成纖維、塑料、食品飲料和國防工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中的反應、蒸發(fā)、濃縮、合成聚合、皂化、磺化、氯化、硝化、換熱、分離、計量、貯存等、以代替不銹鋼和有色金屬設備。綜合性能優(yōu)良，具有以下優(yōu)越的性能[19]。①耐腐蝕性能耐無機酸、有機酸、有機溶劑及pH小于或等于12的堿溶液，但對強堿、氫氟酸及溫度大于180℃②不粘性光滑的玻璃表面對介質不粘且容易清洗。③絕緣性適用用于介質在過程中易產(chǎn)生靜電的場合。④隔離性玻璃層將介質與容器鋼胎隔離、鐵離子不溶入介質。⑤保鮮性玻璃層對介質具有優(yōu)良的保鮮性能。搪玻璃閉式攪拌設備（HG/T2372）[20]①技術參數(shù)適用于筒體內(nèi)公稱壓力≤1.0Mpa、公稱容積2500～20000L,夾套內(nèi)公稱壓力≤0.6Mpa,筒體及夾套內(nèi)介質溫度－20℃～200℃②結構型式及基本參數(shù)已知：本設備DN=2200mm、VN=9290m3反應器的型號：FI0.6-11-G-PTASHG/T2372-92[21]表4技術特性:設備序號公稱容積VN/L公稱直徑DN/mmL系列計算容積VJ/L夾套傳熱面積/m2介質溫度/℃111000022001167421.35殼體材料為Q235-A:允許溫度為0～200攪拌軸公稱直徑DN/mm電動機功率/Kw攪拌軸公稱直徑/r,min-1電動機型式傳動裝置支座型式規(guī)格及數(shù)目11011125YB型系列機型ⅠCWS200-500懸掛式A10×4攪拌軸密封（機械密封）放料閥參考質量/Kg單端機械密封（適用于PN≤0.6Mpa搪玻璃上展式放料閥DN為1008100表5管口尺寸/mm設備序號公稱直徑封頭L系列帶視鏡人孔m燈孔s壓力表口p溫度計套管口t備用口加料口abcd攪拌孔e罐蓋h112200400×300125125200150150150150200800表6管口尺寸/mm設備序號公稱容積VN/L公稱直徑DN封頭蒸汽進口或液體出口液體噴嘴管口及噴嘴規(guī)格液體出口不凝氣體排放口放料閥L系列l(wèi)1l2n1n2n3n4gf111000022008080808080803/4ˊ150表7主要尺寸/mm設備序號公稱容積VN/L公稱直徑L系列D0D1D2D3D4DNd111100002200154024002734170080011095其中H0=6330H1=1770表8主要尺寸/mm設備序號公稱容積VN/L公稱直徑L系列H1H2H3H4H5H6H7H8H911100002200153313001978501850360280053093B1=550B2=420B3=770表9主要尺寸設備序號公稱容積VN/L公稱直徑DN攪拌葉直徑Bδδ1δ2z-φL系列漿式111000022009502012124-36反應器型號：FI0.6-11-G-PTASHG/T2372-92說明：搪玻璃閉式攪拌設備配機型Ⅰ傳動裝置，筒體內(nèi)公稱壓力0.6Mpa,公稱容積10000L，筒體直徑2200mm,佩戴視鏡和平衡人孔，軸密封選用單端面機械密封，帶溫頭的翹片式溫度計套管，懸浮式支座，配上展式放料閥[22]。4.4夾套的計算：1）夾套直徑的確定：表10夾套直徑的確定Dj/mm500～600700～8002000～3000Dj/mmDi+50Di+100Di+200從表中可得到：Dj=Di+200=2200+200=2400夾套封頭也采用橢圓形并與夾套筒體相同的直徑。2）夾套高度的確定：夾套高度一般應高于材料液的高度，應比釜內(nèi)液面高出50～100mm左右，以保證充分傳熱：H2=2740mm3)傳熱面積的確定：表11夾套傳熱面積公稱直徑DN/mm夾套傳熱面積/㎡220021.35∵反應釜的DN=2200,∴夾套的傳熱面積 S=21.35㎡4.5釜體及夾套強度的計算：選擇設備材料，確定設備的壓力：由已知條件并分析工藝要求，選GB6654鋼板在100～150℃下的允許的應力為[δ]t=132Mpa,夾套筒體和封頭為內(nèi)壓容器[23]。釜體的筒體和封頭既受內(nèi)壓作用，又受外壓的作用，查表：可取釜體的內(nèi)壓P=0.5Mpa,夾套的內(nèi)壓Pˊ=0.5Mpa.1)夾套的筒體和封頭壁厚的計算：①夾套筒體壁厚：筒體壁厚設計公式：Sc=PDj/{2[δ]tφ-P}+C2對夾套式中：Dj=2400P=0.5Mpa[δ]t=132Mpaφ為焊縫系數(shù)由于采用單面的對接焊縫，在焊接過程中沿焊縫根部全長有點緊貼基本金屬墊板，不進行無損探傷檢查得：φ=0.8表12焊接接頭系數(shù)φ焊接接頭形式檢驗要求焊縫系數(shù)φ備注雙面焊的對接焊縫100%無損探傷局部無損探傷1.000.85單面焊的對接焊縫100無損探傷0.90.8在焊接過程中沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板壁厚的附加量C由鋼板負偏差C1腐蝕裕量C2兩部分組成，即C=C1+C2初步?。篊1=KSBB=10～15當材料腐蝕速率KS為0.05～1mm/a時，單面腐蝕C2=1～2mm,雙面腐蝕C2=2～4mm.∴C1=0.75夾套為單面腐蝕，則有：夾套壁厚：Sc=PDj/{2[δ]tφ-P}+C2=0.5×2400/[2×132×0.8-0.5]+2=7.69mm根據(jù)鋼板規(guī)格取Sc=10mm②夾套封頭的厚度：由封頭壁厚設計公式：Sc=KPDj/{2[δ]tφ-0.5P}+C2式中：Dj/Hj=2400/（0.55×2）=2,可以認為此封頭為標準封頭∴K=1.0∴Sc=KPDj/{2[δ]tφ-0.5P}+C2=(1×0.5×2400)/(2×132×0.8-0.5×0.5)=5.2根據(jù)鋼板規(guī)格取Sc=6mm3)釜體筒體和封頭壁厚的計算：①釜體筒體的厚度：筒體為雙面腐蝕設備，查表9得：φ=1.0C1=0.75C2=2C=C1+C2=2.75P=0.5Mpa筒體壁厚設計公式：Sc=PDi/{2[δ]tφ-P}+C2=0.5×2200/[2×132×1.0－0.5]+2=7.2根據(jù)鋼板規(guī)格取Sc=8mm②釜體封頭的厚度：封頭的設計公式：Sc=KPDi/{2[δ]tφ-0.5P}+C2=1.0×0.5×2200/[2×132×1.0-0.5×0.5]=7.2根據(jù)鋼板規(guī)格?。篠c=8mm③筒體的較核：圓筒長度：L=2640+8=2648mm圓筒外徑：D0=Di+Sc=2216mm有效壁厚：Te=Sc-C2=5.75mm由L/D=2648/2216=1.19D0/Te=2216/5.75=385.39查幾何參數(shù)圖3-14得：A=0.00011E=2.00×105Mpa由A查壁厚計算圖：無交點?！郟=B/(D0/Te)=(2/3)EA/(D0/Te)=(2/3)2.00×105×0.00011（1/385.39）=0.041Mpa可見：P=0.041Mpa<0.5Mpa∴筒體壁厚tn=8mm不符合穩(wěn)定要求。④按穩(wěn)定確定壁厚：由表10查得：Tn=20mmC1=0.75C2=2有效壁厚：Te=Tn－C1－2C2=20-0.75-2×2=15.25D0=2200+20×2=22400由：L/D0=2648/2216=1.19D0/Te=146.89查幾何算圓A=0.00018由A查得B得B=116所以[P]=B/（D0/Te）=106/146.89=0.79Mpa≥0.5Mpa故Tn=20mm符合要求所以D0=2200+40=2240mm4.6保溫材料的選?。罕貙邮菫榱朔乐股a(chǎn)過程中的設備和管道周圍環(huán)境散發(fā)或吸收熱量而進行絕熱過程，主要用來減少設備，管道及其附近的熱量損失，以及保證操作人員的安全，改善勞動環(huán)境，本設計采用150℃表13超細玻璃棉板毯的技術參數(shù)類別適用溫度容積密度導熱率w/（m·℃）超細玻璃棉板毯-100～40064～1200.033+0.00023tcp保溫層厚度的計算:對圓筒型設備進行保溫，且外徑大于1m則δ=λ（Ts－Ta）/a1（Tf－Ts）δ—保溫厚度λ—絕熱材料在平衡溫度下的導熱系數(shù)kcal/mh·℃a1—總的傳熱系數(shù)Tf—釜外壁表面溫度℃Ts—夾套外表面溫度℃對保溫層外表面一般取50Ta—環(huán)境溫度℃加熱劑選用150℃水蒸汽所以T1=已知Ta=25℃，Ts=50℃，a1=a1=8+0.05Tw=8+0.05×50=10.5w/m2·℃Tcp=（Tf+Ts）/2=100λ=0.033+0.00023×100=0.056w/m·℃δ=λ（Ts－Ta）/a1（Tf－Ts）=0.056×（50-25）/（10.5×150-50）=0.0213m=21.3mm圓整后得：δ=22mm表14攪拌反應釜主要結構尺寸表型號帶攪拌器的反應釜臺數(shù)1容積10m筒體高度2640mm夾套直徑2400mm夾套高度2840mm總傳熱面積21.35m保溫材料超細玻璃棉板毯保溫層厚度22mm筒體鋼板厚度20mm五．熱量衡算熱量衡算通常是針對一個設備（包括它所處理物料）進行的，熱量衡算的理論基礎是能量守衡：輸入的熱量+反應過程的熱效應==輸出的熱量+累積的熱量Q1+Q2+Q3==Q4+Q5+Q6式中：Q1—初始物料的焓；Q2—加熱劑傳給設備的熱量；Q3—物理變化及化學變化的熱效應；Q4—反應終了時物料的焓；Q5—消耗于提高設備本身溫度的熱量Q6—從設備表面向環(huán)境散失的熱量；Q7—物料蒸汽從設備中帶走的熱量；①Q(mào)1(物料的焓)及Q4（反應終了時物料的焓）的計算：Q1及Q4可由輸入、輸出反應體系物料的數(shù)量及物料的焓值求取,物料的焓可由物料手冊查得[24]，對于一種新產(chǎn)物在物性數(shù)據(jù)難以獲得的情況下在滿足工程要求情況下可利用下面的經(jīng)驗公式計算：對于固體或液體的比熱容C==4.184∑CpaN/MCpa—元素的原子比熱容，kJ/Kg·℃N—分子中同一元素的原子個數(shù)M—化合物的分子量表15原子熱容表（20℃，cal/mol·K元素固體液體元素固體液體CHBSiO1.82.32.73.84.02.62.74.75.86.0FPS其他5.05.45.46.27.07.47.48.0反應前有：Cp(H2O2)=4.184×（4.3×2+6.0×2）/（16+2）=4.79kJ/Kg·℃Cp(FeSO4)=4.184×（8.0+7.4+6.0×4）/（32+56+64）=1.08kJ/Kg·℃Cp(Fe2（SO4）3)=4.184×[8.0×2+（7.4+6.0×4）×3]/[56×2+（32+64）×3]=1.15kJ/Kg·℃Cp(MSO4)=4.184×[8.0+7.4+6×4]/[30+32+16×4]=1.30kJ/Kg·℃M—Al3+Mg2+Ca2+C平=（4.79×0.61+1.08×5+1.15×3+1.30×3.7）=16.58kJ/Kg·℃所以Q=Q4-Q1=C平×△t×V=（95-25）×16.58×6.95×103=8066.17kJ②Q5（消耗于提高設備本身溫度的熱量）計算：在間歇過程中，通常Q5的數(shù)值非常小在計算中可以忽略不計③Q6（從表面向環(huán)境散失的熱量）計算：Q6可按下述公式計算：Q6=∑Aα（Tw-T）t式中：A—設備的散熱面積；m2α—設備表面散熱對流傳熱系數(shù)；kJ/（m2·h·）Tw—設備外表面溫度；℃T—環(huán)境介質的溫度；℃t—操作過程中的持續(xù)時間；h當環(huán)境介質為自然對流空氣，設備外表面溫度為50~350℃時，可按下述公式計算αα=33.472+0.2092Tw其Tw取50α=33.472+0.2092×50=43.932kJ/（m2·h·℃）A=21.35m所以：Q6=∑Aα（Tw-T）t=21.35×43.932×（50-25）×6=.23kJ④Q7（物料蒸汽從設備帶走的熱量）的計算：由于物料反應在95℃⑤Q3(物理變化及化學變化的熱效應）的計算：Q3=Qr+QsQr—化學變化Qs—物理變化由原料及產(chǎn)物生成焓計算化學反應，根據(jù)蓋斯定律：qr=∑（qi）p-∑（qi）m本設計中涉及到兩個化學反應：Fe2+的氧化和鐵礬法除鐵對亞鐵的氧化有：Fe2++2H++H2O2=Fe3++2H2OQ1=∑△Hf生成物-∑△Hf反應物=n[△Hf（Fe3+）+△Hf（H2O）－△Hf（Fe2+）－2△Hf（H+）－△Hf（H2O2）]=124.405×[－48.5+2（－285.83）－（－89.1）－0－（－187.8）]=－42703.3kJ對于鐵礬法除鐵有：6Fe3++12H2O+2Na++4SO42-==Na2O·Fe2O3·4SO3·6H2O↓+12H+所以Q2=n[∑ViHf生成物-∑ViHf反應物]=746.43/6[-5596.4+48.5×6+285.83×12+252.4×2+909.27×4]=.5kJ所以：Q3=Q1+Q2=-42703.3+.5=.2kJ∵此過程中物理變化所需要的能量可以忽略不計Qs=0∴Q3=.2kJ⑥Q2的計算：由能量守衡可知：Q1+Q2-Q3-Q4-Q5-Q6-Q7=0所以:Q2=Q3+Q4+Q5+Q6+Q7-Q1=.2+8066.17+0+.23-0=.6kJ所以：加熱劑向系統(tǒng)輸入的熱量為：.37kJ表16反應過程的熱量衡算表名稱熱量（kJ）輸入Q2(加熱劑傳給設備的熱量).6輸出Q3(物理變化及化學變化的熱效應).2Q4-Q1(反應過程物料焓的變化量)8066.17Q5(消耗于提高設備本身溫度的熱量)0Q6(從設備表面向環(huán)境散失的熱量).23Q7(物料蒸汽從設備帶走的熱量)0⑦傳熱面積的核算攪拌設備的傳熱與普通換熱器的換熱機理是相同的，攪拌器內(nèi)物料的熱量傳遞到夾套的熱載體上，必須通過被攪拌物料對傳熱面的對流傳熱、被攪拌物料側壁面污垢熱阻、筒體的熱傳導、熱載體側污垢的熱阻等環(huán)節(jié)傳熱過程可用傳熱速方程表示如下：Q=KAΔT式中：Q—攪拌釜內(nèi)物料傳遞的熱量，W；K—總傳熱系數(shù)，W/（㎡·K）；A—傳熱面積，㎡；ΔT—物料和傳熱載體之溫差，K；總傳熱系數(shù)可由下式進行計算：1/K=+Rs1+Rs2式中：λi—i層壁面的厚度，m;δi—i層壁面的電導率，W/（m·K）;Rs1—被攪拌側的污垢熱阻，（㎡·K）/W；Rs2—熱載體側的污垢熱阻，（㎡·K）/W。1)計算污垢熱阻Rs。傳熱表面污垢熱阻的存在，將會嚴重影響傳熱效果。對長期使用的攪拌設備，一般不可忽略污垢熱阻。常見流體的污垢熱阻Rs1、Rs2可由表19查取。對被攪拌物料一側污垢熱阻Rs1，如果是間歇操作，且每次清洗干凈，允許不考慮；但對連續(xù)操作切不帶刮壁結構，則應計及污垢熱阻Rs1，夾套側的污垢熱阻Rs2也應計入。本設計才用間歇式操作方式，加熱劑為水蒸氣，所以：Rs2=0.09（㎡·K）/kW =0.09×10-3（㎡·K）/W，Rs1忽略不計。表17常見流體的污垢熱阻流體污垢熱阻/（㎡·K）/kW流體污垢熱阻/（㎡·K）/kW水1m/st>℃蒸餾水0.09水蒸汽優(yōu)質（不含油）0.052海水0.09劣質（不含油）0.09硬水、井水0.58往復機排出0.176氣體空氣0.26～0.53液體有機物0.176溶劑蒸汽0.14焦油1.056㈡計算總熱阻及各層固體的熱阻。對于搪玻璃容器包括搪玻璃層和碳鋼層。所以：=其中：λ鋼=15.25mmδ鋼=48.85W/（㎡·K）λ搪璃=4.75mmδ搪璃=0.99W/（㎡·K）=W/（m·K）所以：1/K=+Rs1+Rs2=5.11×10-3+0.09×10-3=5.2×10-3所以：K=192.31（㎡·K）/W由傳熱速率方程可知：Q=KAΔT由能量衡算可得：Q=.6kJΔT=150-25=125所以：.6×103/1×3600=192.31×A×125A=4.49㎡<21.3㎡夾套的傳熱面積符合要求。⑧水蒸汽的用量Q2=.37KJ用循環(huán)水蒸汽加熱：進口溫度：150℃；出口溫度：T平均=（150+100）/2=125水蒸汽在125℃比熱容：CP=1.84KJ/(kg/℃)則水蒸汽的用量：G=Q2/CP（t出－t進）=3.88×105/1.84·（150－100）=4217kg/h5.1反應釜其它輔助設備的選擇①接管和法蘭的選取蒸汽進口和液體出口管口采用:φ80×4.5無縫鋼管，法蘭Pg6·Pg70·HG5010-58壓料管采用:φ57×3.5無縫鋼管法蘭Pg6·Pg40·HG5010-58②攪拌軸系攪拌軸是直軸的一種，它主要是用來固定攪拌器并從減速裝置的輸出軸取的動力，在帶動攪拌器的同時，將功率傳給它以克服其旋轉時遇到的阻力偶矩而對液體做功，本裝置采用懸臂式攪拌軸。③電動機電動機是整個轉動裝置的關鍵，選用電動機主要是確定其功率和轉速，本設計采用YB型系列。④減速機的選取目前我國公布的標準釜用式減速機有：三角皮帶減速機，兩極齒輪減速機。擺線針齒型星減速機和諧波減速機四種，分析它們的特點最后確定，本設計采用BLD15-2-29Q減速機，⑤連軸器連軸器的作用是將兩個獨立設備的軸牢固地連在一起，以進行傳遞旋轉運動和功率，本設計采用剛性連軸器和夾套連軸器。⑥軸封裝置由于攪拌器是動的，而釜體封頭是靜的，在攪拌軸伸出封頭處必須進行密封因而軸封裝置的作用是保持設備器的壓力，防止反應物逸出和雜物滲入得以完成軸帶動攪拌裝置，通常采用填料密封和機械密封，本設計采用機械密封。⑦支座的選?。河杀?技術特性可知：反應器的支座選擇懸掛式A10×4。5.2沉降槽的工藝計算與設備選型5.2.1工藝計算沉降槽面積A(m2)的計算根據(jù)工業(yè)或半工業(yè)試驗選定單位面積處理量q，參考文獻資料取q為0.5t·(m2·d)-1進行計算：A=Gf/q=0.4248/0.5=0.8496mGf——給入沉降槽的固體量,t/d沉降槽直徑D(m)的計算D=1.13A1/2=1.13×0.84961/2=1.042m5.2.2熱量衡算熱量衡算的理論基礎是能量守衡：輸入的熱量+反應過程的熱效應=輸出的熱量+累積的熱量⑴輸入的熱量Q1：Q1=τ其中T1為合格液T2為反應溫度Cp為合格液定壓熱容，約為水的定壓熱容M為進料的質量流量，等于其體積流量與其密度⑵反應過程的熱效應Q2：由于物料在此設備中末發(fā)生化學翻譯能夠，故Q2=0⑶累積的熱量Q4：在連續(xù)過程中，通常Q4的數(shù)值非常小在計算中可以忽略不計。綜合以上數(shù)據(jù)可知，輸出的熱量Q3即等于輸入的熱量Q1，即Q3=1.10。5.2.3設備選型國內(nèi)沉淀槽（濃密機）的設計和制造已成系列生產(chǎn)，根據(jù)沉降槽面積A(m2)、沉降槽直徑D(m)從文獻中，查出：表18中心傳動式型號內(nèi)徑/m深度/m沉降面積/m2刮臂每轉時間/min電動機設備重量/t生產(chǎn)廠功率/kW轉速/r·min-1TNT-1.81.81.82.252.01.19301.211遼源重型機器廠復核檢驗耙式沉降槽深度H等于H=H1+H2+H3+H4式中H1——澄清區(qū)高度，m；H2——自由沉降區(qū)高度，m；H3——壓縮區(qū)高度，m；H4——濃縮物區(qū)高度，m； 過渡區(qū)高度通常不單獨考慮。為保證溢流液質量，澄清區(qū)高度應保持在0.5~0.8m，自由沉降區(qū)高度應為0.3~0.6m。壓縮區(qū)高度H3可通過液固比、沉降時間等求得設從底流口排出1kg干固體時，排出的濃縮漿料體積為Vsp(m3/kg(固))，VSP=(1+R)/ρSL式中R——料漿在壓縮區(qū)內(nèi)的液固比，kg(液)/kg(固) ρSL——料漿在壓縮區(qū)內(nèi)的密度，kg/m3令VSL為料漿在壓縮區(qū)下降的密度，則 VSL=VSP /ASP 因此 H3=VSL×△t3=(1+R)△t3∕(ρSLASP)式中ASP——濃縮1kg/s干物料所需濃密得面積，m3/(kg/s)。從相關文獻查出ASP≈0.019~0.047m3把R＝0.5，△t3＝20min＝1/3h，ρSL≈1020kg/m3代入上式， 得：H3≈0.026~0.011m濃縮物區(qū)高度H4可由下式求得H4＝D/2tanα＝1.8/2tan30°＝0.52m式中D——沉降槽直徑，m； α——沉降槽錐底傾角，（°）。H=H1+H2+H3+H4≤1.8m驗算通過。5.3板框式壓濾機本次設計是利用板框式壓濾機來進行過濾，設定過濾壓強為105Pa，由《分離工程》（袁惠新主編，中國石化出版社出版）查得過濾常數(shù)為5×10-5m2/s，由經(jīng)驗值得濾渣體積和濾液體積之比為0.02m3/m2。底流的密度為：（含UO450％，ρ清夜≈1000kg則 ρuo4≈1020kg/m3V固≈327L由于所處理的UO4水懸浮液，其濾液無揮發(fā)性，也無毒性，故宜采用明流式手動板框壓濾機（BMS）。根據(jù)處理固體量，由BMS型明流式手動板框壓濾機技術規(guī)格表查出可選擇型號為BMS30—635/25的壓濾機，具體技術規(guī)格如表19：型號過濾面積/m2框內(nèi)尺寸/mm濾框厚度/mm濾框數(shù)（片）濾板數(shù)（片）框內(nèi)總容積/L工作壓力/Pa螺桿壓緊力/N頭板最大位移/mm外形尺寸/mm機器總指質量/kg長寬高BMS30-635/25302538373808×1065×10550038101260120052005.3.1過濾時間：濾框全部充滿濾渣時送出的濾液量為：V＝框內(nèi)總容量/0.02＝0.38/0.02＝19m單位面積的濾液量為：q＝V/A＝19m3/30m2＝0.64m由上述過濾常數(shù)代入過濾方程可得：q2＝K×t0.642＝5×10-5×tt＝8192s＝2.3h5.3.2洗滌時間：濾餅洗滌2次，洗滌比1:2。則有Tw＝2×8AwV2/KA2＝2×8×0.5×0.642/5×10-5＝65536s＝18.2h5.3.3壓濾機的生產(chǎn)能力：間歇式過濾機其生產(chǎn)能力以一個操作循環(huán)為基準進行計算，其操作循環(huán)通常包括三個過程；過濾、洗滌、和卸裝、卸渣、清洗等輔助過程，所以沒個循環(huán)所需要的時間是這三個部分時間之和。[25]Tt＝T+Tw+Td式中Tt——每個循環(huán)所需的時間，hT——每次過濾的時間，hTw——每次洗滌的時間，hTd——每個操作循環(huán)中拆裝、卸餅等輔助操作所需的時間，hT和Tw可按前面所介紹的方法確定，Td需根據(jù)過濾機的具體操作情況由經(jīng)驗確定，求出了每個循環(huán)所需的時間Tt，即可根據(jù)下式計算板框式壓濾機的生產(chǎn)能力；Q＝V/T+Tw+Td式中Q——過濾機的生產(chǎn)能力；m3/sV——每個操作循環(huán)所需的濾液量；m3。若洗滌后卸渣、清洗、重裝等輔助操作共需1h則 Tt＝T+Tw+Td＝2.3h+18.2h+1h＝21.5h<24h生產(chǎn)能力為：Q＝V/Tt＝19m3/21.5h＝0.88m35.3.4濾框數(shù)量所用濾框尺寸與數(shù)量，必須正好容納一個操作循環(huán)所形成餅。若以n表示板框數(shù)，以b表示框內(nèi)的邊長，以表示框厚，則濾框容積為：V固＝nb2δ＝0.327(m3)故所需濾框數(shù)為H2O2n=V固/b2δ＝0.327/0.6352×0.03＝27.03≈28BMS30—635/25型壓濾機，每臺有38個濾框，可見一臺即可。操作中使用框數(shù)28個，其余可做備用，該過濾機型號（BMS30—635/25）意義如下：B——板框壓濾機M——明流式；S——手動壓緊30——過濾面積；635——框內(nèi)邊框長25——框厚；六．環(huán)境保護及安全衛(wèi)生化工生產(chǎn)中廢棄的污染物一般隨廢水、廢氣排出，或以廢渣的形式排放。污染物排入環(huán)境可造成水體，環(huán)境和大氣的污染。在進行工藝設計和工程設計時，要把“三廢”的治理作為重要的環(huán)節(jié)，作到“三同時”，即同時設計，同時施工，同時投產(chǎn)。治理“三廢”的積極思路就是改造工藝，不產(chǎn)生無法治理或難以治理的，其次是“三廢”的資源化，回收利用或生產(chǎn)出新的產(chǎn)品[26]。七．設備一覽表及公用工程1.設備年產(chǎn)100噸鈾水冶車間需要的設備及其規(guī)格如下表所示：表20主要生產(chǎn)設備一覽表序號項目規(guī)格數(shù)量1H2O2液貯槽V=４L,材質為Q235-A碳素鋼12板框壓濾機BMS30—635/2523沉降槽TNT-1.814預處理罐V=12m15真空泵型號2WLD-25往復式，抽速25L/s16換熱器固定管板式27反應釜V=10m3,18動力泵2BA-6A型，流量20m34注：需配套管道閥門若干；100～150噸風冷水塔2個，作為冷卻水循環(huán)使用裝置2.公用工程規(guī)格(1)