УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСТВОРЕНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ УРАНА
DEVICE FOR URANIUM CONCENTRATE DISSOLUTION

Изобретение относится к радиохимической технологии и может быть использовано в технологии растворения химических концентратов природного урана (ХКПУ), облученного или регенерированного ядерного топлива с целью получения растворов уранилнитрата, направляемых на экстракционный аффинаж для получения ядерно-чистых материалов, пригодных для производства гексафторида урана для обогащения.
Известен аппарат для периодического растворения рудных концентратов урана циркуляционного типа [Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана. - М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2006, с.138-139]. Он представляет собою цилиндр с коническим днищем и пневматическим перемешиванием. Недостаток такого аппарата заключается в больших непроизводительных потерях времени, требующегося на заполнение и опорожнение аппарата. Кроме того, при периодическом процессе требуется больше обслуживающего персонала, так как затруднены механизация и автоматизация процесса.
Известен каскад аппаратов для непрерывного растворения рудных концентратов урана [Тураев, Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана. - М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2006, с.139-140]. Каскад состоит из трех аппаратов с пневматическим перемешиванием пульпы. В головной пачук каскада подают исходную рудную пульпу и выщелачивающий агент. Полученная от смешения пульпа постоянно перемешивается в головном пачуке и непрерывно перетекает во второй пачук. Во втором пачуке пульпа также непрерывно перемешивается и перетекает в третий пачук. Каскад аппаратов непрерывного прямоточного выщелачивания легко автоматизируется. Недостаток такого каскада состоит в переносе недорастворившихся частиц из одного пачука в следующий. Это снижает степень вскрытия урана в концентрате. Кроме того, применение в каскаде трех однотипных аппаратов увеличивает металлоемкость многостадийного процесса.
За прототип предлагаемого устройства выбран аппарат для непрерывного противоточного растворения рудных концентратов урана [Тураев, Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана. - М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2006, с.142-143].
Колонный аппарат имеет переменное сечение по высоте и состоит из трех зон.
Верхняя цилиндрическая зона предназначена для осветления раствора, полученного от растворения рудного концентрата, снабжена штуцером вывода осветленного раствора. В нижней части зоны расположен штуцер вывода илов. Средняя зона, выполненная в виде усеченного конуса, предназначена для классификации твердых частиц. В нее введена линия подачи измельченного рудного концентрата урана. Нижняя цилиндрическая зона предназначена для выщелачивания урана из рудного концентрата и снабжена штуцером ввода выщелачивающего раствора и штуцером вывода песков.
В данном устройстве растворение рудного концентрата урана проводят в противотоке. Мелкораздробленный рудный концентрат урана по линии подачи поступает в среднюю зону колонного аппарата. Выщелачивающий раствор подают в донную часть аппарата. Частицы рудного концентрата, попадая в раствор, опускаются на дно аппарата. Выщелачивающий раствор, наоборот, поступая через штуцер в нижнюю зону аппарата, двигается вверх, противотоком частицам рудного концентрата. Рабочая скорость раствора подбирается так, чтобы в средней конической части колонны происходила классификация твердых частиц - крупные фракции осаждались вниз, а иловые фракции поднимались вверх.
Организовать идеальный режим работы этого аппарата трудно. Это обусловлено тем, что в процессе растворения концентратов урана из-за газовыделения, сопровождающего растворение, осветление раствора от иловых фракций проходит неэффективно. Пузырьки нитрозных газов при растворении оксидов урана (или углекислого газа в случае растворения аммонийуранилтрикарбоната или кислорода при растворении пероксида урана) увлекают илы и недорастворившиеся частицы концентрата урана в верхнюю цилиндрическую часть колонны и в результате целевой раствор уранилнитрата представляет пульпу недорастворившихся частиц концентрата урана и илов нерастворившегося остатка. Перенос недорастворившихся частиц концентрата урана с раствором урана после полного растворения урана при последующей выдержке раствора увеличивает количество нерастворившегося остатка в полученном растворе урана.
Кроме того, данное устройство кроме уранового раствора производит два типа отходов: пески в выщелачивающем растворе, отмытые от урана, и илы, представляющие суспензию нерастворимого остатка в урановом растворе. Для каждого типа отходов требуется своя отдельная технология их переработки и оборудование, что удорожает переработку концентратов урана.
Технические задачи, решаемые настоящим изобретением, - повышение степени выщелачивания урана, увеличение степени осветления раствора урана, а также сокращение числа продуктов растворения концентрата урана.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для растворения концентратов урана, выполненном в виде колонного аппарата с крышкой, состоящего из трех зон: цилиндрических нижней и верхней, имеющей диаметр больший, чем диаметр нижней, и средней в виде усеченного конуса, сопряженного с нижней и верхней зонами, содержащем штуцеры ввода концентрата урана и выщелачивающего раствора, а также штуцеры вывода раствора урана и пульпы нерастворимого остатка, нижняя цилиндрическая зона содержит штуцер ввода концентрата урана, размещенный выше штуцера ввода выщелачивающего раствора, и штуцер вывода пульпы нерастворимого остатка, верхняя - штуцер вывода раствора урана, а в верхней зоне дополнительно расположен полый цилиндрический успокоитель с диаметром больше диаметра нижней зоны, верхняя часть которого соединяется с крышкой устройства и имеет штуцер сдувки газовой фазы, а нижняя часть образует зазор со стенками средней зоны устройства. Штуцеры ввода концентрата урана и выщелачивающего раствора расположены тангенциально. Нижняя зона снабжена нагревающей рубашкой.
На фиг.1 изображен вертикальный разрез устройства, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Устройство для растворения концентратов урана выполнено в виде колонны переменного сечения с тремя зонами: нижней цилиндрической зоной 1, верхней цилиндрической зоной 2, имеющей диаметр больший, чем диаметр нижней цилиндрической зоны 1, и средней зоной 3 в виде усеченного конуса, сопряженного с нижней и верхней цилиндрическими зонами 1 и 2.
Нижняя цилиндрическая зона 1 содержит тангенциальные штуцер 4 ввода концентрата урана и штуцер 5 ввода выщелачивающего раствора, причем штуцер 4 расположен выше штуцера 5. В донной части расположен штуцер 6 вывода пульпы нерастворимого остатка. Нижняя цилиндрическая зона 1 снабжена нагревательной рубашкой 7.
Верхняя цилиндрическая зона 2 имеет крышку 8, к которой присоединен полый цилиндрический успокоитель 9, имеющий диаметр больший, чем диаметр нижней цилиндрической зоны L. Верхняя часть успокоителя 9 снабжена штуцером 10 сдувки газовой фазы. Нижняя часть успокоителя 9 образует зазор со стенками средней зоны 3. Также верхняя цилиндрическая зона 2 содержит штуцер 11 вывода раствора урана.
В качестве примера работы устройства выбрано растворение химического концентрата природного урана - «желтого кека». Процесс идет в непрерывном режиме. Химический концентрат природного урана в виде водной суспензии через штуцер 4 ввода концентрата урана и азотную кислоту через штуцер 5 ввода выщелачивающего раствора тангенциально подают в нижнюю цилиндрическую зону 1. В полученной смеси происходит частичное растворение химического концентрата природного урана с образованием уранилнитрата, нитрата аммония и углекислого газа, которые вместе с суспензией химического концентрата природного урана поднимаются, вращаясь, вверх. В это время происходит дальнейшее растворение химического концентрата природного урана. В зазоре между успокоителем 9 и стенками средней зоны 3 пульпа нерастворимого остатка «желтого кека» в растворе уранилнитрата расслаивается. Осветленный раствор уранилнитрата выводится через штуцер 11 вывода раствора урана. Частицы нерастворимого остатка «желтого кека» опускаются в донную часть нижней зоны 1 и периодически по мере накопления выводятся из аппарата через штуцер 6 вывода пульпы нерастворимого остатка. Углекислый газ удаляется через штуцер 10 сдувки газовой фазы.
Работа устройства происходит аналогичным образом при растворении облученного или регенерированного ядерного топлива.
Предложенное устройство реализует непрерывный процесс растворения концентратов урана в смешанном режиме: в прямоточном режиме, когда частицы концентрата урана, увлекаемые потоком выщелачивающего раствора и пузырьками углекислого газа, флотирующими частицы, поднимаются через нижнюю и среднюю зоны в верхнюю; и в противоточном режиме, когда недорастворившиеся частицы концентрата урана начинают осаждаться в донную часть аппарата и дорастворяются в выщелачивающем растворе.
Полый цилиндрический успокоитель, имеющий диаметр больший, чем диаметр нижней цилиндрической зоны и образующий зазор со стенками средней конической зоны, обеспечивает разделение пульпы нерастворимого остатка концентрата урана и осветленного раствора урана, что приводит к снижению уноса недорастворившихся частиц с раствором урана и обеспечению заданного осветления раствора урана.
Предложенная конструкция аппарата позволяет сократить число продуктовых потоков с трех (осветленный раствор урана, пески и илы) до двух - осветленный раствор урана, который может быть переработан в экстракционном оборудовании, и пульпы нерастворимого остатка.