Запасы урана и основные его месторождения в России

Содержание

	Введение
	Аналитический раздел
	1.1 Руды и минералы урана
	1.2 Запасы урана и его основные месторождения
	1.3Выщелачивание урановых руд
	1.4Эльконское месторождение и специфика выщелачивания его руд
	1.5Примение фторидов аммония для фторирования миенрального сырья
	1.6 Свойства гидрофторида аммония
	1.7 Взаимодействие гидрофторида аммония с оксидом кремния
	1.8Переработка отходов процесса фторирования
	1.9Физико-химические основы процесса
	Технологический раздел
	2.1Принципиально-технологическая схема
	2.2Аппаратруно-технологическая схема
	2.3Обоснование выбора основного аппарата
	Расчетный раздел
	3.1Определние степени фторирования
	3.2Материальный баланс
	3.3Тепловая нагрузка аппарата
	3.4Конструктивный расчет
	3.5Расчет мешалки
	3.6Прочностной расчет
	3.7Подбор фланцев
	3.8Подбор опор
	Безопасность и экологичность работы
	Заключение
	Список литературы
	Приложение А1 – Спецификация агитатор (обязательное)

Введение

Целью данной курсовой работы является исследование процесса активации – подготовка к выщелачиванию упорных урансодержащих руд растворами бифторида аммония.

Возрастающая потребность в России в ядерном топливе требует увеличения добычи урана. С связи с этим разрабатываются новые месторождения, такие как Эльконское на юге Якутии. Оно является одним из самых крупнейших месторождений в мире. Но основное количество урана ассоциировано с браннеритом, который практически не растворим в содовых растворах, очень устойчив и трудно растворим в серной кислоте. За счет высокого содержания кварцевого концентрата. Для этого требуется высокая кислотность растворов кислоты, а это достаточно не экономично. Поэтом требуется применение новых эффективных технологий. Например использование фтораммониевой технологии с применением бифторида аммония. Данный реагент приводит к разложению силикатов, с образованием фтораммониевых комплексных солей. А также данный реагент легко регенерируется и возвращается в голову процесса.

Задачами работы является расчет материальных и тепловых потоков, расчет основного аппарата, а также рассмотреть вопросы безопасности и экологичности процесса.

Аналитический раздел

Руды и минералы урана

Уран широко распространен в природе. В довольно значительных концентрациях он обнаружен во многих горных породах, океанах и морях, в лунном грунте, в метеоритах. Почти повсеместное присутствие урана объясняется высокой химической активностью, хорошей растворимостью его солей, способностью принимать участие в разнообразных химических реакциях и образовывать соединения со многими другими элементами. Среднее содержание урана в земной коре составляет (2 – 4)⋅10^–4 %, т.е. в 1 тонне содержится около 3 грамм урана. Содержание урана в мантии земли примерно 10^–6 %.

Всего в относительно тонком 20-километровом слое земной коры содержится около 10¹⁴ т урана. В различных породах земной коры содержание урана неодинаково. Более богаты ураном кислые изверженные породы с высоким содержанием кремнезема SiO₂.

В настоящее время известно около 150 минералов, включающих уран как основной компонент, и еще около 50 других минералов, содержащих незначительные количества урана в качестве примесей. Урановые минералы можно разделить на две большие группы – первичные и вторичные. Первичными называются минералы, образовавшиеся при формировании земной коры (как правило, магматического происхождения). Вторичные минералы – те, которые образовались на более поздних стадиях под действием природных факторов.

Таблица 1 – Важнейшие минералы урана

Название	Формула	Содержание урана, %
Уранинит	(U,Th)O2x	62-85
Настуран	UO2x	52-76
Коффинит	U(SiO 4)1-x (OH)4x	60-70
Нингиоит	CaU(PO4)2 ⋅2H2O	57-65
Уранофан	Ca[UO 2(SiO3OH)] 2 ⋅5H2O	55-58
Цейнерит	Ca(UO2)2(AsO4)2 ⋅12H2O
Отенит	Ca(UO2)2 (PO 4)2 ⋅10H2O	48-54
Казалит	Pb[UO2 SiO4]⋅H2O	42-50
Браннерит	(U,TH)Ti2O6	35-50
Урановые черни	UO2x	11-53

 

Уран в рудах может входить в состав урановых минералов, но может образовывать значительные скопления в залежах фосфатов, залежах лигнитов (лигнит – каменный уголь низкого качества, промежуточная форма между торфом и бурым углём, структура сохраняет структуру дерева) или монацитовых песков.

Наряду с ураном эти руды содержат золото, которое и является основным объектом промышленной добычи. Кроме золота, из урановых минералов извлекают медь, титан, тантал, ванадий и ряд редкоземельных металлов. 12% мирового выпуска урана приходится на производства, где уран извлекается в качестве побочного продукта.

По условиям образования среди урановых руд различают:

· эндогенные руды, отложившиеся при повышенных температурах и давлениях из пегматитовых расплавов и водных (предположительно постмагматических) растворов, характерны для складчатых областей и активизированных платформ;

· экзогенные руды, сформировавшиеся в близкоповерхностных условиях и на поверхности Земли в процессе осадконакопления (сингенетические руды) или в результате циркуляции грунтовых вод (эпигенетические руды), связаны преимущественно с молодыми платформами.

По размерам зёрен урановых минералов выделяются:

· крупнозернистые урановые руды (свыше 25 мм в поперечнике),

· среднезернистые (3–25 мм);

· мелкозернистые (0,1–3 мм);

· тонкозернистые (0,015–0,1 мм);

· дисперсные (менее 0,015 мм).

Размеры агрегатов и зёрен урановых минералов определяют возможность механического обогащения руд.

По химическому составу нерудной составляющей среди урановых руд различают:

· силикатные (в основном из силикатных минералов);

· карбонатные (более 10–15% карбонатных минералов);

· железоокисные, представляющие собой железо-урановые руды;

· сульфидные, содержащие более 8–10% сульфидных минералов;

· каустобиолитовые, состоящие в основном из органического вещества.

Химический состав руд часто имеет решающее значение при выборе способа их переработки. Так, например, из силикатных руд уран выщелачивается кислотами, из карбонатных – содовыми растворами; железо-окисные руды подвергаются доменной плавке, при которой уран концентрируется в шлаках; каустобиолитовые урановые руды иногда обогащаются путём их сжигания и т.д.

По содержанию урана выделяются 5 сортов руд:

· очень богатые руды (свыше 1% урана);

· богатые (1–0,5%);

· средние (0,5–0,25%);

· рядовые (0,25–0,1%);

· бедные (менее 0,1%).

В качестве побочного продукта уран извлекается из руд, содержащих 0,01–0,015% урана (например, из золотоносных конгломератов Витватерсранда, ЮАР) и даже 0,006–0,008% (фосфориты Флориды, США).

Основными технологическими характеристиками урановых руд являются:

· химический состав нерудной составляющей (вмещающей породы);

· «контрастность» руды;

· крупность зёрен урановых минералов и их агрегатов.

Химический состав нерудной составляющей играет решающее значение при выборе способа их химической переработки. Из силикатных руд уран выщелачивают кислотами; из карбонатных – содовыми растворами; сульфидные руды предварительно подвергают обжигу; железо-окисные руды подвергают переплавке, а затем уран выщелачивают из шлака и т.д.

Другой важной характеристикой урановых руд является «контрастность» – степень неравномерности содержания урана в кусковой фракции горной массы. По «контрастности» руды подразделяются:

· «контрастные» – смесь богатых штуфов, содержащих основную массу урана и породы с низким содержанием урана, содержание урана в штуфах превышает в десятки раз среднее содержание урана во всей горнорудной массе;

· «слабоконтрастные» – руды с более или менее равномерным распределением урана по всей горнорудной массе; могут быть руды с небольшим превышением урана в штуфах (в 3 – 5 раз).

«Контрастность» руд играет важную роль при выборе метода их обогащения: «контрастные» руды обогащают исключительно радиометрическим методом; для «слабоконтрастных» руд радиометрический метод обогащения непригоден, их обогащают либо гравитационным, либо флотационным методом.

Размеры зёрен и агрегатов определяют, в основном, степень измельчения руд при их обогащении и гидрометаллургической переработке.

 

Выщелачивания урановых руд

Выщелачивание – это процесс перевода в раствор одного или нескольких компонентов твердого вещества с помощью водного или органического растворителя, часто в присутствии окислителей и восстановителей.

В гидрометаллургических схемах переработки рудного сырья выщелачивание обычно проводят после измельчения руды и ее обогащения. Иногда перед выщелачиванием руды и концентраты обжигают в окислит. атмосфере (на воздухе) или в присутствии добавок (CaO, CaSO₄, H₂SO₄, сульфатов, хлоридов, фторосиликатов и др.), что способствует вскрытию минералов и переводу их в иные, легкорастворимые химические соединения. Вслед за выщелачиванием проводят разделение жидкой и твердой фаз путем отстаивания, фильтрации и другими методами.

Целью выщелачивания является избирательное растворение минералов урана.

Способы выщелачивания:

1) Карбонатное (содовое);

2) Кислотное.

Выбор способа выщелачивания зависит от:

1) Типа урановых минералов;

2) Размера урановых минералов;

3) Состава пустой породы.

Руды урана:

· Первичные (4 валентный уран) – используется кислотное выщелачивание с окислителем;

· Вторичные (6 валентный уран) – используется как кислотное так и содовое выщелачивание.

Минералы урана:

· 1 группа (черни, ванадаты, фосфаты, арсенаты) – легко растворяются без окислителя, поэтому используется карбонатный и кислотный способы;

· 2 группа (уранинит, настуран, различные смолки) – растворяются с добавкой окислителя, используются также оба способа;

· 3 группа (браннерит, давидит) – являются труднорастворимыми, поэтому используется только кислотное выщелачивание.

Состав пустой породы:

· 1 тип (нерастворимые: силикатные породы, граниты) – используется оба типа выщелачивания;

· 2 тип (растворимы в кислых растворах: карбонаты, фосфаты, слюды, биотиты) – используется карбонатный способ;

· 3 тип (растворимы в карбонатных растворах: сульфиды) – применяют кислотный способ.

Основная масса урана из добываемых руд выщелачивается серной кислотой. Основным недостатком серной кислоты при вскрытии урановых руд является необходимость добавления окислителя. В качестве окислителя можно применять HNO₃, MnO₂, KClO₃ и др. Чаще всего в промышленной практике применяют очищенный природный минерал пиролюзит (MnO₂).

При выщелачивании урана из руд, содержащих минералы группы уранинита – настурана, серной кислотой в присутствии MnO₂ протекает следующая реакция:

U₃O₈ + 4H₂SO₄ + MnO₂ → 3UO₂SO ₄ + MnSO₄ + 4H₂O.

Наряду с простым сульфатом в кислой среде образуются комплексные сульфатные анионы уранила [UO₂(SO₄)₂]^2– и [UO₂(SO₄) ₃]^4–.

Простой сульфат существует в растворах, при pH>2. Константа устойчивости простого сульфата К = 50. Дисульфатный комплекс уранила образуется в растворах при рН =1..2. Константа устойчивости этого комплекса К = 350. Трисульфатный комплекс образуется при рН меньше единицы, т.е. в сильнокислых средах.

В процессе выщелачивания урана из кремнистых руд при повышенных температурах примерно 1 % кремнезёма вскрывается серной кислотой с образованием труднофильтрующейся кремневой кислоты, что в значительной степени затрудняет дальнейшую переработку пульп и растворов:

SiO₂ + H₂SO₄ → H₂SiO ₃.

Глинозём в количестве 3 – 5 % от исходного количества переходит в раствор в виде хорошо растворимого сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O.

Железо в рудах может содержаться в виде оксидов или карбонатов. Из оксидов железа в серной кислоте легко растворяется Fe₂O₃ , труднее Fe₃O₄. Карбонат железа FeCO₃ легко растворяется. В присутствии окислителя двухвалентное железо окисляется до трёхвалентного:

2FeSO₄ + 2H₂SO₄ + MnO₂ → Fe₂(SO₄)₃ + MnSO₄ + 2H₂O.

Таким образом, в пульпе железо будет присутствовать в виде Fe₂(SO₄)₃ . Растворимость Fe₂(SO₄)₃ вследствие гидролиза ограничена. В горячей воде растворимость не превышает 5 – 7 г/л, поэтому при большем содержании железа оно будет выпадать в осадок в виде Fe(OH)₃:

Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O → 2Fe(OH)₃ ↓ + 3H₂SO₄.

При выщелачивании других типов руд (фосфатных, ванадатных) фосфор, ванадий и другие элементы количественно переходят в раствор.

 

Таблица 4 – Химический состав исследуемой пробы руды

Элемент	Содержание, %	Элемент	Содержание, %
SiO2	57,55	Na2O	1,08
TiO2	1,5	K2O	7,03
Al2O3	12,12	CaCO3	7,65
Fe2O3	4,34	CaF2	1,22
FeO	1,14	U	0,115
MnO	0,03	Au, г/т	0,76
CaO	5,16	Mo	<0,002
MgO	1,8	Sобщ	2,07
P2O5	0,22	SO4	0,15

Браннерит - хрупкий материал с сильным смолистым блеском и раковистым изломом. Цвет его, в зависимости от степени изменения, варьирует от черного и коричневого разных оттенков до медово-желтого.

Отличительной особенностью месторождения браннеритовых руд является то, что в результате последующих галогенных процессов и брекчирования, в том числе - образования поздних карбонатных брекчий,имело место интенсивное разложение браннерита с выносом основных составляющих его компонентов (урана и титана).

Внешне в процессе окисления браннерит теряет черную окраску. Вначале он становится менее плотным, постепенно теряет свой характерный, жирный блеск, меняет показатель преломления. Химические анализы браннеритов и продуктов его изменения (Белова,1964) показывают, что в процессе окисления четырехвалентный уран, характерный для не окисленного браннерита, превращается в шестивалентный, отношение же U к Тi до определенного момента остается более или менее постоянным, т.е. минерал, видимо, не распадается; затем уран начинает выноситься энергичнее, а вынос титана замедляется.

По данным электронномикроскопического исследования браннерит в процессе окисления претерпевает сложные превращения, следствием которых является образование новых кристаллических фаз. На ранних стадиях изменения образуются продукты естественной раскристаллизации метамиктного браннерита - рутил (Тi0₂) и фаза UO₂(тонкодисперсный уранинит), а также фаза "X" (U⁺⁶Ti₂O₇).

Интенсивно измененный браннерит - медово-желтый - сложен реликтовыми кристаллами браннерита, аморфным веществом с реликтамикристаллов UO₂ и включениями TiO₂ в виде анатаза. Конечные продукты изменения браннерита - охристые, желто-окрашенные руды - состоят в основном из анатаза с тонкодисперсно рассеянным по его поверхности ураном, минеральную форму нахождения которого установить не удалось.

Вышеописанные изменения связаны с окислением браннерита, в основном, в процессе наложения на него карбонатных брекчий. В случае развития по браннериту метасоматического рисовидного кварца, минерал, интенсивно разрушаясь, остается в массе кварца в виде реликтов. Местами окварцевание сопровождается переотложением браннерита с образованием призматических удлиненных кристаллов типа щеток, растущих на колломорфных выделениях браннерита.

 

 

Технологический раздел

Расчетный раздел

Материальный баланс

3.2.1 Материальный баланс процесса фторирования (материальный баланс основного аппарата)

Материальный расчет основывается на законе сохране­ния материи, в данном случае - массы веществ, с учетом условий равновесия, определяемых термодинамикой процесса и ею макрокинетикой:

 

 

где		–	количества реагентов, поступающих в аппарат в единицу време­ни или за одну загрузку;
		–	количества реагентов, удаляемых из аппарата в единицу време­ни или за одну загрузку.

G_руды = 700000 т/год = 1917,8 т/сут

Руда поступает в аппарат в виде пульпы. Пройдя стадию измельчения, классификации и сгущения в пульпе находится 50% воды от массы руды.

Определим сколько воды в пульпе:

1917,8 т – 100%

Х – 50%

Отсюда

G_разб1 = 958,9 т/сут

В сухой руде C_SiO2 = 57,55%. Тогда получим:

Степень фторирования руды α = 10%. Тогда

Реакция, протекающая в аппарате:

SiO₂ + 3NH₄F·HF = (NH₄)₂SiF₆ + 2H₂O + NH₃

М 60 57 178 18 17

По реакции определим массы всех компонентов.

Определим массовый расход БФА (сухого):

 

Концентрация БФА С_БФА = 10%. Т.к. руда подается с водой и для того, чтобы в аппарате не было слишком много воды, мы приготовим раствор БФА более крепкий, чтоб та вода, которая подается с рудой разбавляла раствор БФА до нужной нам концентрации.

Рассчитаем массу воды необходимая для разбавления БФА до 10%:

 

Рассчитаем концентрацию БФА, которую можно получить при разбавлении этой водой:

Концентрация БФА С_БФА = 15%.

Определим массовый расход ГФСА:

 

Массовый расход аммиака:

Массовый расход воды (по реакции):

Массовый расход руды после реакции:

 

На основании расчета материальных потоков составим таблицу мате­риального баланса (таблица 9).

 

Таблица 9 – Материальный баланс процесса

Приход	Расход
Статьи прихода	т/сут	Статьи расхода	т/сут
Руда	1917,8	Руда^*	1807,431
H2Oразб1	958,9	H2Oразб1	958,9
БФА	314,551	H2Oразб2	1872,06
H2Oразб2	1872,06	ГФСА	327,428
		NH3	31,271
		H2O(реакция)	66,22
Σ	5063,311	Σ	5063,311

 

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

 

 

Тепловая нагрузка аппарата

Тепловая нагрузка аппарата определяется на основании теплового балан­са. В общем виде тепловой баланс запишется уравнениями:

 

 

 

 

где		–	количество тепла, вносимое в аппарат с исходными веществами и теплоносителем;
		–	количество тепла, уносимое из аппарата продуктами, идущее на нагрев аппарата и теряемое в окружающую среду;
		–	тепло вносимое в аппарат с рудой,
		–	удельная теплоемкость руды, при t=25°С;
		–	начальная температура при входе в аппарат, tн =25 ^0С;
		–	тепло вносимое в аппарат с раствором БФА,
		–	удельная теплоемкость раствора БФА, при t=25°С;
		–	тепло вносимое в аппарат с водой,
		–	удельная теплоемкость воды, при t=25°С;
		–	тепло химической реакции
		–	энтальпия химической реакции, ;
		–	тепло уходящее из аппарата с рудой,
		–	конечная температура, tк = 80 ^0С;
		–	тепло, необходимое для нагрева аппарата, ;
		–	Энтальпия пара, при Р=0,1МПа;
		–	тепло уходящее из аппарата с водой, ;
		–	удельная теплоемкость воды, при t=80°С;
		–	тепло уходящее из аппарата с раствором ГФСА,
		–	удельная теплоемкость ГФСА, при t=80°С;
		–	количество тепла, уносимое из аппарата продуктами, идущее на нагрев аппарата и теряемое в окружающую среду,
		–	Количество тепла, уносимое из аппарата вместе с аммиаком,
		–	удельная теплоемкость , при t=80°С;
		–	количество тепла, уходящее из аппарата с конденсатом,
		–	удельная энтальпия конденсата греющего пара, iконд =415,2 кДж/кг при Р=0,1МПа.

 

Так как все теплоемкости даны в Дж/(моль∙К) то полученные теплоты необходимо будет разделить на молярную массу. Также нам необходимо все массы перевести из т/сут в кг/сек (таблица 14).

Таблица 14 – Массовые расходы веществ

 

Статьи прихода	т/сут	кг/сек	Статьи расхода	т/сут	кг/сек
Руда	1917,8	22,196	Руда^*	1807,431	20,919
H2Oразб1	958,9	11,098	H2Oразб1	958,9	11,098
БФА	314,551	3,64	H2Oразб2	1872,06	21,667
H2Oразб2	1872,06	21,667	ГФСА	327,428	3,789
			NH3	31,271	0,361
			H2O(реакция)	66,22	0,766

 

Определим количество тепла, вносимое в аппарат с исходными веществами и теплоносителем:

 

 

 

 

Чтоб аппарат не перегрелся, компенсируем тепло химической реакции:

Определим количество тепла, уносимое из аппарата продуктами, идущее на нагрев аппарата и теряемое в окружающую среду:

Определим расход пара

Отсюда расход пара равен:

Определим тепло конденсата:

Определим тепло воды, которая образуется при конденсировании острого пара:

Определим тепло потерь:

 

Результаты теплового баланса сведены в таблицу 15.

 

Таблица 15 – Тепловой баланс процесса

Приход	Расход
Статьи прихода	Количество тепла, кВт	Статьи расхода	Количество тепла, кВт
	2136,57		4430,406
	1160,819		290,406
	170,441		41,56
	2266,308		176,26
	2221,98		2553,803
	10393,04		4985,877
			1298,679
			1610,976
			2961,556
Σ	18349,158	Σ	18349,158

 

 

Конструктивный расчет

Определение объема аппарата

При заданной производительности процесса рабочий объем аппаратов [12] определяют по формуле:

 

 

Где		–	рабочий объем аппаратов, м^3;
		–	массовый расход реагентов, кг/с;
		–	плотность реагентов, кг/м.

 

 

Где		–	плотность руды, при t=80°C;
		–	плотность БФА, при t=80°C;
		–	плотность H2O, при t=80°C.
		–	массовый расход воды для руды,
		–	массовый расход воды для разбавления БФА,
		–	массовый расход руды,
		–	массовый расход БФА,
		–	массовый расход конденсата,

 

 

Определим объем одного аппарата, используя формулу:

 

(1)

 

Где		–	коэффициент заполнения объема аппарата, принимаемый равным 0,7-0,85;
		–	число аппаратов, n=4;
		–	рабочий объем одного аппарата, м^3.

 

Выразим из формулы (1) объем одного аппарата и получим:

 

 

Расчет мешалки

После выбора и расчета основных размеров мешалки определяется мощность, потребляемая на перемешивание, для чего используются критериальные уравнения мощности от модифицированного критерия Рейнольдса и конструктивных особенностей перемешивающего устройства.

 

 

Где		–	плотность перемешиваемой жидкости, кг/м^3;
		–	скорость вращения мешалки, с^-1;
		–	диаметр мешалки, м;
		–	динамический коэффициент вязкости мешалки.

 

Отсюда

 

Согласно [1] .

Расчетная мощность, потребляемая на перемешивание жидкости, определяется по формуле:

 

Тогда

 

 

Мощность привода мешалки рекомендуется рассчитывать по формуле:

 

(2)

 

где		–	коэффициент, учитывающий наличие перегородок, для аппарата без перегородок [7];
		–	коэффициент, учитывающий высоту уровня жидкости в аппарате.
		–	коэффициент, учитывающий наличие в аппарате внутренних устройств, [7];
		–	к.п.д. привода мешалки, [7];
		–	мощность, затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях вала мешалки, Вт.

 

Коэффициент, учитывающий высоту уровня жидкости, находится в соответствии с [7]:

 

гГде

–

уровень жидкости в аппарате,

 

Отсюда

 

Выбираем сальниковые уплотнения [7], используемые при герметизации до 0,6 МПа.

Мощность, затрачиваемая на преодоления трения в уплотнениях вала мешалки [7], находится по формуле: