Процессы и аппараты урановых производств Курс лекций

1. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Процессы и аппараты урановых производствКурс лекций Ассистент кафедры ХТРЭ Кантаев Александр Сергеевич

2. Структура и содержание курса • Введение • Трубопроводы и арматура • Оборудование механических процессов • Транспортировка, хранение сыпучих материалов • Дробление и измельчение • Классификация. Основные способы классификации • Обогащение руд • Выщелачивание • Оборудование ионообменных процессов • Оборудование экстракционных процессов • Высокотемпературные процессы  • Процессы в перемешиваемом слое твердого материала • Процессы в псевдоожиженном слое твердого материала • Процессы в пламени • Процессы и аппараты для получения и очистки металлов

3. Основная литература курса • Технология урана: учебное пособие / Маслов А.А., Каляцкая Г.В., Амелина Г.Н., Водянкин А.Ю., Егоров Н.Б. – Томск: Изд-во Томского политехн. университета, 2007. – 97с. • Вольдман Г.М., Зеликман А.Н.. Теория гидрометаллургических процессов – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. – 464 с. • Раков Э. Г. Процессы и аппараты радиоактивных и редких металлов: учебник/Э. Г. Раков, С. В. Хаустов; Под ред. Э. Г. Ракова. — М.: Металлургия. 1993. — 384 с.: ил. — Библиогр.: с. 381-384. • Судариков Б. Н. Процессы и аппараты урановых производств: учебное пособие / Б. Н. Судариков, Э. Г. Раков; Под ред. Б. В. Громова. — М.: Машиностроение, 1969. — 381 с. • Status and trends in spent fuel reprocessing Proceedings of an Advisory Group meetingheld in Vienna, 7-10 September 1998. • Nuclear Fuel Reprocessing Technology/ British Nuclear Fuels pic. Risley, Warrington, 1992. • И.Д. Брус Процессы и аппараты производств урана. Конспект лекций. Томск, изд. ТПУ 2001, 164с • В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов, В.Г. Захаренко, Т.В. Зиновкина, А.Л. Таран, А.Е. Костанян. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, М., Университетская книга; Логос, Физматкнига 2006, кн. 1,2. • С.И. Полькин, З.В. Адамов. Обогащения руд цветных и редких металлов. М., 1975. • А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, 1973. • К.Ф. Павлов, П.Г. Романов, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Издательство «Химия», 1969 г. • Ю.Н. Шаповалов и др. Машины и аппараты общетехнического назначения. • Машины и аппараты химических производств. Л., 1982. Примеры и задачи. Под общей редакцией В.Н. Соколова. • Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. М. Высшая школа. 1989 г. 304. • Тетеревков А.И., Печковский В.В. Оборудование заводов неорганических веществ и основы проектирования.- Минск: Высш. шк. 1981.- 335 с. • Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. – М.: Высш. Шк., 1986.- 279 с. • Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи/ М.Ф. Михалев и др. – Л.: Машиностроение, 1984. – 301с. • Дытнерский Ю.И, Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Высш. шк. 1991.- 368 с. • Косинцев В.И., Михайличенко А.И. и др. Основы проектирования химических производств. – М.: МКЦ «Академкнига», 2005.- 335с. • Дополнительная • Арзамасов Б.Н., Брострем В.А., Буше Н.А. — Конструкционные материалы. «Машиностроение» 1990 г. 688 с. • Криворот А.С. Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. - Н.: Машиностроение, 1967.- 376 с. • Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф., Макарова В.И. Основы материаловедения. М.: Машиностроение, 1976.- 436 с. • Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. М.: Высш.шк., 1981.- 428 с.

4. Лекция №1ВВЕДЕНИЕПредмет и задачи курса. Факторы, влияющие на конструкции аппаратов и машин, их эксплуатацию. Химическая, радиохимическая и ядерная безопасность при конструировании химической аппаратуры и ее обслуживание

5. Технологическое оборудование Понятия и определения. По назначению и принципу действия оборудование химических предприятий подразделяются на МАШИНЫ и АППАРАТЫ. МАШИНЫ - это механизмы или сочетание механизмов, предназначенные для преобразования энергии движения или производства работы. АППАРАТЫ - устройства, предназначенные для проведения химических либо физико-химических, тепловых, гидромеханических процессов, в которых механические операции играют вспомогательную роль.

6. Технологическое оборудование Понятия и определения. По области применения и масштабам производства оборудование подразделяется на: • 1. Универсальное; • 2. Специализированное; • 3. Специальное. Технологическое оборудование по его роли в осуществлении процесса подразделяется на основное и вспомогательное оборудование.

7. Технологическое оборудование Важнейшие факторы, определяющие конструкцию и тип аппарата, это: • агрегатное состояние вещества; • химические свойства; • температура, давление и тепловой эффект процесса. По условиям работы различают оборудование: • Непрерывно действующее; • Периодически действующее оборудование.

8. Отличительные особенности оборудования, применяемого в технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов • Высокая активность веществ вызывает необходимость использования высоко коррозионно-стойких конструкционных материалов; • Высокая температура ряда процессов вызывает необходимость использования тугоплавких материалов; • Герметичность; • Обеспечение мер ядерной безопасности, т.е. предупреждение возможности возникновения СЦР.

9. Трубы. Трубопроводы и трубопроводная арматура На сооружение трубопроводов затрачивается до 30% общей стоимости оборудования. Протяженность его достигает десятков и даже сотен км. С помощью трубопроводов передаются вещества различных физико-химических свойств. Рисунок - 1 зависимость рабочего давления от температуры

10. Расчет диаметров трубопроводов Правильный выбор диаметра имеет большое значение. Производительность трубопровода определяется скоростью движения среды и площадью живого сечения. где w - скорость движения среды; s - площадью живого сечения. • Массовый расход среды: где ρ - плотность среды.

11. Расчет диаметров трубопроводов Произведение ρ·wпредставляет массовую скорость: • Для трубопровода круглого сечения площадь: • Отсюда диаметр трубопровода:

12. Расчет диаметров трубопроводов Если обозначить годовые затраты эксплуатации М, то: М = А + Э • где: • А - затраты на эксплуатацию и ремонт; • Э - энергозатраты (руб/год); • М - затраты (руб/год); • dопт- оптимальный диаметр. Рисунок - 2 зависимость денежных затрат от диаметра трубопровода

13. Скорости жидкостей и газов трубопроводов Скорости маловязких капельных жидкостей не должны превышать 1-З м/с, для вязких капельных жидкостей 1 м/с. При движении капельных жидкостей самотеком, скорости составляют 0,2-1 м/с. В нагнетательных трубопроводах, т. е. при перекачке насосами , w = 1-З м/с. Скорости газов, паров, колеблются в следующих пределах: При небольших избыточных давлениях (при использовании вентиляторов) w = 8-15 м/с. Для случая прокачки газов под давлением w = 15-25 м/с; 2. Для насыщенного водяного пара w = 20-30 м/с; 3. Для перегретого водяного пара w = З0-50 м/с.

14. Трубопроводная арматура АРМАТУРОЙ называется устройство, предназначенное для управления потоками жидкостей и газов, движущимися по трубопроводам. В зависимости от назначения различают: 1. Арматуру запорную, предназначенную для полного перекрытия потока или двухпозиционная арматура, 2. Регулирующую арматуру, предназначенную для регулирования расходу и давления передаваемой среды; 3. Клапаны предохранительные и перепускные. Они служат для выпуска избытка среды при повышенных давлениях, а обратные клапаны для предупреждения движения среды в обратном направлении, 4. Специальную арматуру, предназначенную для химически агрессивных сред. Она выполняется из коррозионно-стойких материалов. Арматура с трубопроводами соединяется либо с помощью фланцев, либо сваркой, либо с помощью резьбовых соединений. Основные параметры арматуры: Dу- условный диаметр; Ру- условное давление.

15. Лекция №2Оборудование для подготовки сырья и вспомогательных материалов к технологическому переделу

16. Назначение и классификация процессов дробления и измельчения В зависимости от характера внешних сил: обычное дробление и измельчение, осуществляемое за счет использования обычных механических сил; самоизмельчениепри взаимном воздействии зерен друг на друга; электрогидравлическоедробление под действием удар­ных волн, возникающих при прохождении электрического за­ряда через жидкость; взрывноедробление или измельчение, основанное на рас­паде пород под действием внутренних сил растяжения при быстром снятии с них внешнего давления; вибрационноеизмельчение в поле вибрационных сил; центробежноеизмельчение в центробежном поле; струйноеизмельчение за счет кинетической энергии движущихся с высокой

17. Назначение и классификация процессов дробления и измельчения Размер максимальных кусков руды, поступающих с горных цехов на обогатительные фабрики, достигает 1000 -1500 мм, тогда как необходимая крупность материала, поступающего на обогащение, обычно менее 10 мм, а при ис­пользовании флотационных методов она может быть меньше 0,1 мм. Добиться сокращения размера кусков с 1500 до 0,1 мм за один прием практически невозможно, поэтому дробление и измельчение осуществляются стадиально. Интенсивность процесса дробления в каждой стадии характеризуется степенью равной отношению размеров максимальных кусков в исходном дробленом продуктах.

18. Назначение и классификация процессов дробления и измельчения Общая степень дробления равна произведению степеней дробления всех стадий: Измельчение также осуществляется обычно в несколько стадий. Степень измельчения при этом оценивают или соот­ношением размеров максимальных зерен в исходном и из­мельченном продуктах, или процентным содержанием опре­деленного класса крупности (+0,100 мм; -0,074 или -0,044 мм) в измельченном продукте. Измельчение считают грубым, если содержание класса -0,074 мм в измельченном продукте составляет 20—40 %tи тонким, если его содержание превышаем 75 %. Дробление и особенно измельчение являются весьма энергоемкими процессами, потребляющими более половины всей энергии, расходуемой на обогатительной фабрике. По­этому при осуществлении их на практике всегда руковод­ствуются принципом: «Не дробить ничего лишнего», И если в исходном продукте содержится достаточное количество гото­вого класса, то его выделяют перед дроблением или измельчением путем грохочения или классификации.

19. Назначение и классификация процессов дробления и измельчения От крупности дробимого материала и дробленого продукта: • крупное дробление (от 1500 - 300 до 350 - 100 мм), или первая стадия дробления (i обычно не более 5); • среднее дробление (от 350 - 100 до 100 - 40 мм), или вторая стадия дробления (i не более 8 - 10); • мелкое дробление (от 100 - 40 до 30 - 5 мм), или третья стадия дробления (i не более 10).

20. Назначение и классификация процессов дробления и измельчения Рисунок - 2 Схемы открытых (а, б) и замкнутых (в, г) циклов дробления и из­мельчения с предварительным (6), поверочным или контрольным (в) и со­вмещенным предварительным и поверочным (г) грохочением или класси­фикацией

21. Лекция №5 Оборудование процессов пирометаллурического обогащения

22. Классификация печей Печи классифицируют: • Термотехнологическим; • Теплотехнологическим; • Механическим характеристикам. Основные показатели работы печи: • Производительность; • Тепловая мощность; • Кпд.

23. Классификация огнеупоров Классификация по огнеупорности - огнеупорные (огнеупорность от 1580 до 1770°С); - высокоогнеупорные (от 1770 до 2000°С); - высшей огнеупорности (более 2000°С). Классификация по пористости - особоплотные (открытая пористость до 3 %); - высокоплотные (открытая пористость от 3 до 10%); - плотные (открытая пористость от 10 до 16 %); - уплотненные (открытая пористость от 16 до 20 %); - среднеплотные (открытая пористость от 20 до 30%); - низкоплотные (пористость от 30 % до 45 %); - высокопористые (общая пористость от 45 до 75 %); - ультрапористые (общая пористость более 75 %). Классификация по химико-минеральному составу - Кремнеземистые; - Алюмосиликатные; - Глиноземистые; - Глиноземоизвестковые; - Высокомагнезиальные; - Магнезиально-известковые; - Известковые; - Магнезиально-шпинелидные; - Магнезиально-силикатные; - Хромистые; - Цирконистые; - Оксидные; - Углеродистые; - Оксидоуглеродистые; - Карбидкремниевые; - Бескислородные.

24. Обжиг молибденита Используют концентрат состава (%): Мо – до 56, Сu – 0,2, Са –0,06, Аl2О3 – до 0,3, S – 37-38, Zn – 0,06, Mg – 0,08, Р – 0,03, Pb – 0,04, Fe – 0,3–0,4, SiО2 – 4,5, Ag – следы. Основная реакция: • MoS2 + O2 = MoO3+ SO2ΔG° = –880кДж/моль Побочные реакции: CuO + MoO3 = CuMoO4 • CuSO4 + MoO3 = CuMoO4 + SO3 (SO2, O2) • Fe2O3 + 3MoO3 = Fe2(MoO4)3 • ZnSO4 + MoO3 = ZnMoO4 + SO3 (SO2, O2) • PbSO4 + MoO3 = PbMoO4 + SO3 (SO2, O2) Рисунок - 4 Распределение температуры по подам механической многоподовой печи для обжига молибденита при подводе воздуха на каждый под и отводе газов с каждого пода в общий газоход