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在旋轉(zhuǎn)生物接觸器中形成的氧化亞鐵硫桿菌生物膜的性質(zhì)
L. Nikolova, D. Karamanevb,?, V. Mamatarkovaa,
D. Mehochev a, D. Dimitrov a
（a. 索菲亞大學(xué)生物系，8 Dr燦可夫大道，1421 So?a, Bulgaria b. 安大略大學(xué)化學(xué)工程與生物工程系，倫敦，安大略，加拿大，N6G 5B9）
2001年三月八日收到；2002年二月二十七日修訂后接受
摘要:本文在穩(wěn)態(tài)條件下對在旋轉(zhuǎn)生物接觸器表面上形成的氧化亞鐵硫桿菌生物膜的理化性質(zhì)進行了研究。主要的獨立變量是生物反應(yīng)器中培養(yǎng)基（鐵）的濃度。研究表明，生物膜的厚度越大，生物膜的密度就越小，當(dāng)輸入的亞鐵濃度為1和2.1克/升之間時，在生物膜中孔的比表面積最大。在培養(yǎng)基濃度在0.49和14.21克/升之間時，生物膜的體積幾乎是相同的，對應(yīng)的氧化率為0.35～8.6 g/m2 .h。
關(guān)鍵詞：生物膜；生物反應(yīng)器；動力學(xué)參數(shù)；氧化亞鐵硫桿菌；鐵氧化
1.前言
細菌氧化亞鐵硫桿菌（最近更名為氧化亞鐵硫桿菌）在固體表面形成生物膜載體的能力被認(rèn)為是高性能的生物反應(yīng)器的開發(fā)來處理金屬浸出技術(shù)、凈化氣體含硫化合物和酸性礦山廢水的需要?！?】生物膜本身一直是眾多研究的課題，包括化學(xué)、生物組成部分【2，3】和與固相載體的相互作用【4】。但是，這里缺少一個關(guān)于生物膜密度，水含量和孔隙度特性的理化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可能對生物反應(yīng)器設(shè)計以及數(shù)學(xué)模型的建立很有幫助【5】。
這項工作的主要目的是揭示Ｔ氧化亞鐵硫桿菌生物膜的主要理化性質(zhì)和亞鐵氧化率，培養(yǎng)基中Fe2+和產(chǎn)物中Fe３+濃度的一個函數(shù)關(guān)系。
２．材料和方法
2.1.生物反應(yīng)器
一種實驗室型的旋轉(zhuǎn)生物接觸器已經(jīng)被使用。這種裝置在以前就被描述過【６】。它由相同的六個2.3L工作容積部分安裝在同一個軸上組成。這樣保證了有一個相同的轉(zhuǎn)速。每個部分包含七個塑料（PVC）盤，直徑0.2m，安裝在水平旋轉(zhuǎn)的不銹鋼軸上。所有實驗均在26轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下進行。從鐵的氧化效率的角度上認(rèn)為這個速度是最優(yōu)的。【７】各部分獨立操作作為一個單獨的生物反應(yīng)器（見表1）。輸入的亞鐵濃度（表1）被選為封面的紅細胞的應(yīng)用范圍。
接種后，初始的生物膜的形成是在第一個20天內(nèi)反復(fù)進行的。初始底物濃度，如表1所示。在第二步中，生物反應(yīng)器被切換到液體停留時間為400min的連續(xù)操作。（對應(yīng)的稀釋率為0.15h-1。在批處理操作期間，輸入的亞鐵濃度與起始的濃度相同。在恒溫槽中液體的溫度保持恒定在18.5℃；環(huán)境空氣溫度為20±2℃。進料的pH值保持在2。生物反應(yīng)器中液體的pH要測量但不控制它的變化。通過測量發(fā)現(xiàn)所有的反應(yīng)器內(nèi)液體的pH值在2.05和2.25之間。所有的結(jié)果報告在接種后的第三十五天和第三十八天期間獲得，這時鐵的氧化速率處于穩(wěn)態(tài)條件。生物膜樣品取自生物膜的不同徑向位置。
表1 在穩(wěn)態(tài)條件下輸入（初始）和輸出底物的濃度
反應(yīng)器#
輸入（起始）亞鐵濃度（g/L）
輸出亞鐵濃度（g/L）
鐵氧化率
(g/L.h)
1
0.49
0.04
0.0675
2
1.01
0.10
0.136
3
2.13
0.32
0.271
4
3.95
0.33
0.543
5
9.06
1.91
1.07
6
14.21
3.27
1.64
2.2.菌株和介質(zhì)
所有的部分都已經(jīng)同100ml從保加利亞中部一個銅礦礦山排水水域收集的含108細胞/毫升的T.氧化亞鐵硫桿菌菌株G-15（索菲亞大學(xué)生物系收集）接種。該菌株在西爾弗曼和倫德格倫的9K培養(yǎng)基【8】上培養(yǎng)。所有使用的化學(xué)品都被分析等級（默克公司，德國）。
2.3. 生物膜特性
在整個實驗過程中目測觀察生物膜的顏色。通過在110℃下干的生物膜和濕的生物膜重量的不同測量生物膜的含水量。用千分尺測量生物膜的厚度。從生物膜的濕重測定生物膜的密度；采用比重瓶測定其體積。在經(jīng)過525或1000℃下烘干使生物膜至恒重后確定在生物膜中揮發(fā)的固體。通過自動孔徑測定儀測定生物膜的孔徑分布和內(nèi)孔表面(Micromeretics auto-pore 9200)。在其溶解在濃鹽酸中測定了生物膜中鐵總含量。使用sulfosalycilic作為指示劑，通過分光光度法測定得到的溶液中鐵的濃度?！?】
3.結(jié)果
在穩(wěn)態(tài)條件下生物膜的厚度（35–38天）作為輸入的鐵濃度的函數(shù)如圖1所示?？梢钥闯?，生物膜的厚度隨著輸入亞鐵濃度從0.49到2.13 g / L的增加而增加，相應(yīng)的鐵的氧化率0.067和0.27 g / L.H之間，并且在達到一個最大值后，高鐵的氧化率值下降。
輸
圖1.鐵濃度與生物膜厚度的關(guān)系
圖2.鐵濃度和生物膜密度的關(guān)系
生物膜的密度(圖2)，當(dāng)輸入的Fe2+的濃度為2.13 g/L時，生物膜的密度下降到一個局部最低點。在鐵濃度的進一步增加下生物膜的密度也增加。通過視覺觀察看出，隨著輸入底物濃度的增加，當(dāng)輸入底物濃度最低時生物反應(yīng)器中（生物反應(yīng)器# 1–3）的生物膜呈現(xiàn)淺黃色，暗黃色（生物反應(yīng)器# 4），褐色（生化反應(yīng)器# 5）和紅棕色（生物反應(yīng)器# 6）。類似的生物膜性能在以前的實驗研究中也被發(fā)現(xiàn)，包括使用逆流流化床生物反應(yīng)器。在生物反應(yīng)器運行過程的6個月中，每個反應(yīng)器的顏色保持不變?！?】黏液（可能是胞外多糖）的形成也可以通過視覺觀察到。只有在輸入亞鐵濃度為0.49和2.13 g / L之間的生物反應(yīng)器才觀察到有黏液的形成（生物反應(yīng)器# 1–3）。在#4生物反應(yīng)器中觀察到有少量的黏液形成，而在#5和#6即輸入鐵濃度較高的生物反應(yīng)器內(nèi)顯然沒有檢查到黏液的形成。生物膜顏色的差異可以歸因于存在或不存在胞外多糖：在較低的鐵含量下，多糖的量較低，生物膜的顏色較淺。然而要得到更確切的結(jié)論需要有更深入的研究。
干的相對恒定的生物膜中鐵的含量與輸入的鐵的濃度函數(shù)關(guān)系（見圖3）。
在525和1000?C下測定的生物膜中的揮發(fā)性固體（見圖4）。在這兩種情況下，當(dāng)輸入鐵濃度為1和2.13個/L之間時觀測到最低值。
圖5所示為生物膜中的含水量。表明其含水量隨著輸入底物濃度的增加而減少，直到達到了一個平穩(wěn)值為60%（W / W）。
生物膜孔比表面也被測定，它與輸入底物濃度的函數(shù)關(guān)系（見圖6）。在2.13 g / L的觀察到最大的表面，此濃度為最佳值。在底物濃度為3.9 g / L或更高濃度時，處于平穩(wěn)時期。
圖3.鐵濃度與生物膜中鐵含量的關(guān)系
圖4.鐵濃度與生物膜中揮發(fā)性固體的關(guān)系
圖5.鐵的濃度與生物膜中含水量的函數(shù)關(guān)系
圖6.鐵的濃度與生物膜孔的比表面積的函數(shù)關(guān)系
4.結(jié)論
通過幾個有趣的觀察，可以得到一個分析的結(jié)果。眾所周知，T.氧化亞鐵硫桿菌的生物膜主要是黃鉀鐵礬，它是一個多孔的無機物質(zhì)，它的化學(xué)通式為AFe3(SO4)2(OH)6，其中A可以是K+,Na+,NH4+ 或 H3O+。黃鉀鐵礬數(shù)量與鐵的氧化量（鐵的氧化率）成比例這一假設(shè)應(yīng)該是合乎邏輯的。然而，在鐵的氧化率近25倍的增加（從0.0675到1.64個/ L .和），對應(yīng)于輸入的鐵濃度為0.49和14.2g/L之間時，結(jié)果是生物膜厚度幾乎相同，具有幾乎恒定的密度（圖1和2）。T.桿菌細胞貼附在黃鉀鐵礬孔隙表面。如果假定一個恒定的細胞底物產(chǎn)率系數(shù)，那么細胞的數(shù)量應(yīng)該與鐵的氧化速率處于一個成比例的穩(wěn)態(tài)。然而，當(dāng)氧化率從0.0675增加到1.64 g / L.h時，無論是生物膜的厚度（圖1）還是孔的表面（圖6）都是同一量級的。因此，生物反應(yīng)器#1和#6總孔表面相似。它表明，T.氧化亞鐵硫桿菌在孔隙表面形式單層【5】，預(yù)計總的固定化細胞在這些生物反應(yīng)器是幾乎恒定的。這可能會導(dǎo)致一個可能的結(jié)論，# 1生物反應(yīng)器產(chǎn)量系數(shù)比# 6高出25倍。然而，很可能有第二個解釋：這項工作的結(jié)果報告可以由先前提出的一種特殊的人口動力學(xué)機制來解釋【5】。假定當(dāng)T.氧化亞鐵硫桿菌的細胞形成單層時，細胞分裂，產(chǎn)生兩個子細胞，在液體介質(zhì)中的一個被驅(qū)逐，而在生物膜中的第二個遺留的結(jié)果。因此，在液體中可以發(fā)現(xiàn)有生物膜產(chǎn)生的顯著數(shù)量的細胞存在?！?】在這種情況下，產(chǎn)量系數(shù)應(yīng)在細胞總量的基礎(chǔ)計算（固定加自由懸?。?，并且在我們所有的生物反應(yīng)器應(yīng)該是相似的。這也可以解釋在不同鐵氧化率下生物膜的厚度是相似的。
本研究的第二個有趣的結(jié)果是大多數(shù)研究的參數(shù)值（生物膜厚度，密度，孔隙比表面）作為鐵的氧化率的一個函數(shù)的一個最佳的存在（無論是最小或最大）。在所有的情況下，在2.1 g / L的相同的輸入的底物濃度時觀察到這個最佳值，對應(yīng)于一個底物氧化率為0.27 g / L.h。在這種情況下，生物膜厚度最大，密度最小，孔的表面最大（圖1–3）。這時，我們無法解釋這一效應(yīng)。這可能與微生物和黃鉀鐵礬的相互作用有關(guān)。
致謝：
這項工作是由北約（批準(zhǔn)號：環(huán)境。crg974643），索菲亞大學(xué)和加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會支持。
參考文獻
[1] L.N. Nikolov, Properties and applications of Thiobacillus ferrooxidans bio?lms, in: L.F. Melo et al. (Eds.), Bio?lms: Science and Technology, Vol. 223, Kluwer Academic Publishers, Dodrecht, 1992, pp. 511–521.
[2] M. Nemati, C. Webb, J. Chem. Technol. Biotechnol. 74 (1999) 562.
[3] S.I. Grishin, O.H. Tuovinen, Appl. Microbiol. Biotechnol. 31 (1989)505.
[4] F. Carranza, M.J. Garcia, Biorecovery 2 (1990) 15.
[5] D.G. Karamanev, J. Biotechnol. 20 (1994) 51.
[6] L.N. Nikolov, D. Mehochev, D.K. Dimitrov, Biotechnol. Lett. 8(1986) 707.
[7] S. Slavchev, S. Miladinova, L.N. Nikolov, Biomechanics 24 (1992)166.
[8] M. Silverman, D. Lundgren, J. Bacteriol. 77 (1959) 642.
[9] D.G. Karamanev, L.N. Nikolov, V.A. Mamatarkova, Min. Eng. (inpress).
9
任務(wù)書
學(xué) 院： 核資源工程學(xué)院
題 目： 某堆浸鈾礦山100tU/a
密實移動床離子交換
工藝設(shè)計
論文 (設(shè)計) 內(nèi)容及要求：
一、畢業(yè)設(shè)計原始依據(jù)
南方某鈾礦堆浸浸出液平均濃度為200 mg·L-1，樹脂飽和容量為30mgU/mLR，每年生產(chǎn)時間按300天計，水冶總回收率92%。設(shè)計內(nèi)容從浸出液開始，到“111”產(chǎn)品。
以上述數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計一個年產(chǎn)100t金屬U的密實移動床離子交換回收鈾的水冶廠。
二、畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容
（1）鈾堆浸及離子交換工藝介紹；
（2）密實移動床離子交換工藝流程設(shè)計及參數(shù)選擇；
（3）密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉(zhuǎn)型塔的計算與設(shè)計；
（4）離子交換管路系統(tǒng)計算與設(shè)計；
（5）沉淀工藝及設(shè)備的計算與設(shè)計；
（6）水冶廠平面布置設(shè)計；
（7）繪制從浸出液到“111”產(chǎn)品的密實移動床離子交換水冶廠，包括工藝流程圖、平面布置示意圖、設(shè)備形象系統(tǒng)圖、工藝管線圖和數(shù)質(zhì)量流程圖。圖紙要求采用CAD繪制，A1、A2、A3圖幅。
三、畢業(yè)設(shè)計（論文）基本要求
綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識（包括以前的生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)的實踐知識），在老師指導(dǎo)下獨立地、較系統(tǒng)地完成“某堆浸鈾礦100tU/a密實移動床離子交換工藝設(shè)計”，鞏固所學(xué)的各科知識，提高綜合運用所學(xué)理論知識和專業(yè)技能的能力；學(xué)會分析解決離子交換回收鈾過程中的實際問題，增強獨立思考的能力，為以后走上工作崗位奠定良好的基礎(chǔ)。
（1）按照畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)和幫助下，結(jié)合實際情況，按期、認(rèn)真完成題為“某堆浸鈾礦100tU/a密實移動床離子交換工藝設(shè)計”的內(nèi)容，按時提交畢業(yè)設(shè)計。
（2）翻譯本專業(yè)英文文獻一篇（3000-5000漢字）。
四、畢業(yè)設(shè)計（論文）進度安排
（1） 20**.12.24～20**.2.24，廣泛查閱相關(guān)文獻資料并進行分析、整理,編寫開題報告；
（2）20**.2.25～20**.3.4，根據(jù)所掌握資料，結(jié)合實際情況，認(rèn)真研究、分析，擬定設(shè)計方案；
（3）20**.3.5～20**.4.20，密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉(zhuǎn)型塔、沉淀槽、壓濾機及工藝管線等水冶廠各部分的計算、設(shè)計及選擇；
（4）20**.4.21～20**.4.30，各種圖紙的設(shè)計繪制；
（5）20**.5.1～20**.5.15，編寫設(shè)計說明書；
（6）20**.5.16～20**.5.31，檢查修改，準(zhǔn)備答辯（含預(yù)答辯）。
五、主要參考文獻
（1）《鈾、金、銅堆浸理論與實踐》，1997
（2）《溶浸采鈾（礦）》，1998
（3）《溶浸采礦熱力學(xué)和動力學(xué)》，2003
（4）《濕法冶金》，1998
（5）《鈾礦石的化學(xué)分析》，2006
（6）《鈾礦石加工實驗室試驗手冊》，1992
（7）《鈾提取工藝學(xué)》，2010.1
（8）《選礦廠設(shè)計》，2006.1
（9）《化工工藝設(shè)計手冊》，2007
（10）圖書館、期刊網(wǎng)檢索相關(guān)文獻資料。
指導(dǎo)老師： （簽 名）
年 月 日
開題報告
設(shè)計（論文）題目
某堆浸鈾礦100tU/a密實移動床離子
交換工藝設(shè)計
設(shè)計（論文）題目來源
自選課題
設(shè)計（論文）題目類型
工藝設(shè)計
起止時間
一、 設(shè)計（論文）依據(jù)及研究意義：
依據(jù)：南方某鈾礦堆浸浸出液平均濃度為200 mg.L-1，樹脂飽和容量為30mgU/mLR，每年生產(chǎn)時間按300天計，水冶總回收率92%。設(shè)計容從內(nèi)浸出液開始，到“111”產(chǎn)品。
堆浸是堆置浸出法的簡稱，是通過將稀的化學(xué)溶劑噴淋在預(yù)先堆置好的礦石堆上，經(jīng)過物理化學(xué)作用，選擇性的將礦石中的目標(biāo)溶解（浸出）并轉(zhuǎn)入到溶液中，以便進一步的提取回收有用組分的一種浸出方法。
由于我國鈾礦資源礦床規(guī)模小，分布不均，品位低，能夠更有效的擴大鈾資源利用范圍，降低鈾水冶的成本，提高鈾的生產(chǎn)能力的堆浸成為了中國鈾礦冶研究的重點。我國堆浸提鈾技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代, 經(jīng)過幾代鈾礦冶科技工作者的不斷努力探索, 已經(jīng)在許多技術(shù)領(lǐng)域取得了突破, 一大批科研成果已成功應(yīng)用于堆浸提鈾工業(yè)生產(chǎn), 并且取得了顯著的經(jīng)濟效益。
目前堆浸技術(shù)廣泛的應(yīng)用于礦石浸出。例如井下爆破堆浸技術(shù)、濃酸熟化——高鐵淋濾堆浸技術(shù)、低滲透性礦石制粒堆浸技術(shù)、細粒級礦石堆浸技術(shù)、串聯(lián)堆浸技術(shù)、細菌氧化堆浸技術(shù)等。
意義：通過綜合運用所學(xué)的專業(yè)理論知識與實習(xí)經(jīng)驗，在老師的指導(dǎo)下，根據(jù)設(shè)計依據(jù)完成畢業(yè)設(shè)計。通過畢業(yè)設(shè)計，進一步鞏固所學(xué)的專業(yè)知識，提高綜合運用所學(xué)專業(yè)知識的能力。通過設(shè)計對鈾堆浸的工藝和密實移動床工藝流程有更深的了解，學(xué)會分析解決離子交換回收鈾工藝過程中的實際問題，增強獨立思考與動手的能力，為以后走向工作崗位奠定良好的基礎(chǔ)
二、設(shè)計（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：
內(nèi)容：
（1）鈾堆浸及離子交換工藝介紹；
（2）密實移動床離子交換工藝流程設(shè)計及參數(shù)選擇；
（3）密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉(zhuǎn)型塔的計算與設(shè)計；
（4）離子交換管路系統(tǒng)計算與設(shè)計；
（5）沉淀工藝及設(shè)備的計算與設(shè)計；
（6）水冶廠平面布置設(shè)計；
（7）繪制從浸出液到“111”產(chǎn)品的密實移動床離子交換水冶廠，包括工藝流程圖、平面布置示意圖、設(shè)備形象系統(tǒng)圖、工藝管線圖和數(shù)質(zhì)量流程圖。圖紙要求采用CAD繪制，A1、A2、A3圖幅。
預(yù)期目標(biāo)：
廣泛查閱相關(guān)文獻資料，編寫開題報告和文獻綜述→根據(jù)設(shè)計要求擬定設(shè)計方案→根據(jù)設(shè)計題目參數(shù)進行密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉(zhuǎn)型塔、沉淀槽、壓濾機及工藝管線等水冶廠各部分的計算、設(shè)計及選擇→各種圖紙的設(shè)計繪制→編寫設(shè)計說明書→檢查修改，預(yù)答辯→審核、
三、設(shè)計（論文）的研究重點及難點：
重點：密實移動床離子交換工藝流程設(shè)計及參數(shù)選擇；密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉(zhuǎn)型塔的計算與設(shè)計；離子交換管路系統(tǒng)計算與設(shè)計。
難點：水冶廠平面布置設(shè)計；繪制從浸出液到“111”產(chǎn)品的密實移動床離子交換水冶廠，包括工藝流程圖、平面布置示意圖、設(shè)備形象系統(tǒng)圖、工藝管線圖和數(shù)質(zhì)量流程圖。圖紙要求采用CAD繪制，A1、A2、A3圖幅。
四、設(shè)計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：
（1） 20**.12.24～20**.2.24，廣泛查閱相關(guān)文獻資料并進行分析、整理,編寫開題報告；
（2）20**.2.25～20**.3.4，根據(jù)所掌握資料，結(jié)合實際情況，認(rèn)真研究、分析，擬定設(shè)計方案；
（3）20**.3.5～20**.4.20，密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉(zhuǎn)型塔、沉淀槽、壓濾機及工藝管線等水冶廠各部分的計算、設(shè)計及選擇；
（4）20**.4.21～20**.4.30，各種圖紙的設(shè)計繪制；
（5）20**.5.1～20**.5.15，編寫設(shè)計說明書；
（6） 20**.5.16～20**.5.31，檢查修改，準(zhǔn)備答辯（含預(yù)答辯）。
五、進行設(shè)計（論文）所需條件：
1.設(shè)計所需查閱的資料
（1）《鈾、金、銅堆浸理論與實踐》，1997
（2）《溶浸采鈾（礦）》，1998
（3）《溶浸采礦熱力學(xué)和動力學(xué)》，2003
（4）《濕法冶金》，1998
（5）《鈾礦石的化學(xué)分析》，2006
（6）《鈾礦石加工實驗室試驗手冊》，1992
（7）《鈾提取工藝學(xué)》，2010.1
（8）《選礦廠設(shè)計》，2006.1
（9）《化工工藝設(shè)計手冊》，2007
（10）圖書館、期刊網(wǎng)檢索相關(guān)文獻資料。
2.設(shè)計所需要的計算機軟件
AutoCAD、Word文檔、Excel表格、Powerpoint幻燈片等
3.設(shè)計所需原始資料
南方某鈾礦堆浸浸出液平均濃度為200 mg?L-1，樹脂飽和容量為30mgU/mLR，每年生產(chǎn)時間按300天計，水冶總回收率92%。設(shè)計內(nèi)容從浸出液開始，到“111”產(chǎn)品。
六、指導(dǎo)教師意見：
簽名： 年 月 日
摘要：本文是應(yīng)用密實移動床離子交換技術(shù)對某鈾礦山100tU/a工藝進行設(shè)計，主要的工藝過程為堆浸浸出液 → 過濾 → 吸附 →淋洗 →沉淀 →壓濾→“111”產(chǎn)品。浸出液平均濃度為200 mg.L-1，每年生產(chǎn)時間按300天計，水冶總回收率92%。樹脂飽和容量為30mgU/mLR，貧樹脂殘余鈾量0.50mgU/mLR，淋洗劑采用5g/L H2SO4 + 1mol/L NaCl,沉淀劑采用片堿(固態(tài)NaOH) 。經(jīng)過各個工藝過程的計算確定了所需物料的量、各種設(shè)備的型號數(shù)量、管道尺寸。本設(shè)計采用單塔吸附，三塔串聯(lián)淋洗的操作方式。最終合格液中鈾濃度可達10.03g.L-1。經(jīng)過各個工藝的操作處理最終得到產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞:密實移動床；離子交換；堆浸；鈾
Abstract: Dense moving bed ion exchange technology is the application of a uranium mine 100 t/a process to carry on the design, Main processes is leaching liquid → filter → adsorption → elution → precipitate → filter-press →“111”products.The Leach liquor average concentration is 200 mg. L -1. Every year 300 days production time according to the plan, hydrometallurgy total recovery is 92%. Resin saturation capacity of 30 mgU/mLR, poor resin residual quantity of uranium 0.50 mgU/mLR, Drench lotion with 5 g/L H2SO4 + 1 mol/L NaCl, precipitating agent with alkali (solid NaOH). After each process of the calculate and determine the amount of material required, all sorts of equipment model number, pipe size. This design USES double adsorption, three towers in series elution mode of operation. Finally be handled through the process of the product.
Keywords: Dense moving bed; ?Ion exchange; dump leaching; uranium
文獻綜述
課題名稱
某堆浸鈾礦100tU/a密實移動床離子
交換工藝設(shè)計
指導(dǎo)教師
胡鄂明
系
專業(yè)
班級
學(xué)生姓名
學(xué)號
開題日期
要求：一、說明材料來源情況；二、對課題的研究歷史、研究現(xiàn)狀等進行準(zhǔn)確的分析與歸納并作出簡要評述；三、表達自己的觀點與主張，闡述該課題的發(fā)展動向和趨勢；四、字?jǐn)?shù)要求3000字以上，可另附紙。
文獻綜述正文：
離子交換設(shè)備在鈾提取工藝中的應(yīng)用
離子交換技術(shù)的應(yīng)用至今已經(jīng)有三十年的歷史，但是其新型高效的設(shè)備研究與發(fā)展，是近十幾年來才大規(guī)模的興起的。離子交換法是一種化學(xué)純化技術(shù)。它具有分離選擇性強、濃縮倍數(shù)高、操作方便等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。如在我國鈾提取工藝中離子交換技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
離子交換在工業(yè)上的應(yīng)用是通過離子交換設(shè)備為主體組合配套的離子交換裝置來實現(xiàn)的。隨著我國近些年來核工業(yè)的發(fā)展，對鈾資源的需求日益增加。而隨著鈾的資源銳減。這樣，從低濃度的浸出液中提取鈾成為了關(guān)鍵。這使得離子交換技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并且經(jīng)過對離子交換技術(shù)與裝置的研究，在鈾提取工藝上已經(jīng)取得了很好的效益。與化學(xué)沉淀法相比離子交換技術(shù)具有可以從濃度很低的浸出液中幾乎定量地將鈾提取出來；既能處理清液，又能處理礦漿；試劑的消耗又少的優(yōu)點?！?】離子交換在工業(yè)上的應(yīng)用是通過離子交換設(shè)備為主體組合配套的離子交換裝置來實現(xiàn)的。離子交換設(shè)備的種類繁多、特點各異?！?】目前我國鈾水冶廠及鈾礦山廢水處理廠中應(yīng)用的離子交換設(shè)備鈾: 水力懸浮床、 空氣攪拌床、 密實固定床、塔式流化床以及密實移動床五種。下面對幾種設(shè)備做些介紹。
1. 密實固定床離子交換設(shè)備
1.1設(shè)備介紹
密實固定床，又稱為固定床，也叫做離子交換柱。在我國的鈾水冶廠中有廣泛的應(yīng)用，主要用于清液的處理。按其結(jié)構(gòu)形式可分為：常壓平頂式和加壓圓頂式。
固定床的特點是：料液、淋洗劑、再生劑均從塔頂部進入，從底部排出，塔內(nèi)的離子交換樹脂呈密實固定的狀態(tài)，吸附、淋洗再生均在一個塔內(nèi)進行。固定床一般是采用周期性循環(huán)式操作。通常采用多臺串聯(lián)吸附，多塔串聯(lián)淋洗，取消了工藝中的一次貧和二次貧淋洗液。串聯(lián)塔數(shù)的確定根據(jù)工藝要、淋洗條件以及處理液的要求來確定。一般是三塔串聯(lián)吸附三塔串聯(lián)淋洗。鐘平汝, 等【3】研 制的 ZL X - 1600 固定 床的結(jié)構(gòu)在目前有典型的代表性, 其創(chuàng)新點在于進液與出液結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。ZLX - 1600 型離子交換設(shè)備采用密閉加壓固定床方式操作,料液處理量較大,適用性強,設(shè)備在吸附線速度40 m/h 以內(nèi)能夠穩(wěn)定操作,操作簡單，運行成本較低，具有較高的推廣價值。
1.2 存在的問題
(1)當(dāng)吸附原液中含有較高濃度的鐵、鈣等雜質(zhì)以及存在的淤泥時，會導(dǎo)致床層發(fā)生溝流或堵塞，影響工藝的運行和對樹脂造成損傷。所以，固定床吸附對原液的含固標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，可在吸附前對原液進行預(yù)處理，如過濾等。
（2）上進料布液器易堵。后來多改為直入式給料,并在樹脂床層上面保持一定高度的水墊層,以保證液體均勻地流過床層。
（3）存在設(shè)備管線復(fù)雜、閥門多、樹脂利用率相對較低等弊端。
2.密實移動床離子交換設(shè)備
2.1設(shè)備簡介
目前國內(nèi)應(yīng)用的密實移動床離子交換設(shè)備大致可分為2種類型,即壓力型和非壓力型。密實移動床離子交換設(shè)備是由核工業(yè)北京化工冶金研究院于20世紀(jì)90年代通過消化吸收與自行開發(fā)相結(jié)合的方式研制開發(fā)的?！?】于相浩,等【5】研制的密實移動床吸附--淋洗聯(lián)合操作系統(tǒng)為國內(nèi)首創(chuàng)。密實移動床多采用半連續(xù)式操作。在吸附循環(huán)過程中，樹脂按照“吸附-淋洗——反洗”的順序分別在不同的設(shè)備或在同一個設(shè)備的不同區(qū)段內(nèi)完成的。其吸附塔的結(jié)構(gòu)也與固定床清液吸附塔的結(jié)構(gòu)相似。【1】這種設(shè)備的吸附是在單塔中進行的，塔內(nèi)樹脂床高6～8 m，在吸附時，塔內(nèi)的樹脂保持相對固定，原液從下而上流動，周期性工作，每隔數(shù)小時，從塔內(nèi)排出一部分飽和樹脂，轉(zhuǎn)移到專用的密實移動床進行淋洗、轉(zhuǎn)型等，同時加入等量的貧樹脂。吸附空塔線速度可達50 m .h-1以上，適合處理流量大、鈾濃度低的浸出液。在我國工業(yè)生產(chǎn)中，多采用單塔吸附，多塔串聯(lián)淋洗的工藝。
2.2 存在的問題
（1)只能處理較低濃度的浸出液，否則樹脂的排、加頻繁,運行不夠穩(wěn)定；
（2)需要有配套的樹脂轉(zhuǎn)型和飽和再吸附設(shè)施,這樣就增加了樹脂投入量和投資,并使流程延長；
（3)樹脂需要在設(shè)備間轉(zhuǎn)移,損耗較高。
3.塔式流化床離子交換塔
3.1設(shè)備簡介
塔式流化床,簡稱流化床,一般均是多級流化床【2】。這種設(shè)備在我國的鈾水冶廠和鈾礦山廢水處理廠中均有應(yīng)用,用來處理含有一定量懸浮固體的渾濁液。工業(yè)上已經(jīng)應(yīng)用的流化床有兩種不同的塔板結(jié)構(gòu)：穿流式篩板吸附塔和阻流式篩板吸附塔。前者應(yīng)用比較普遍，不僅已廣泛應(yīng)用于鈾礦山廢水處理廠,而且也已在鈾水冶廠中得到應(yīng)用；而后者僅在少數(shù)鈾礦山廢水處理廠中有應(yīng)用。
流化床的特點是:溶液是從塔底部進入,從頂部排出,而樹脂在塔內(nèi)呈流化狀態(tài)；吸附、淋洗不在同一個塔中進行,樹脂需要在各塔之間轉(zhuǎn)移。這種設(shè)備能夠解決解決傳熱不良、淋洗速度慢的問題。流化床在我國鈾礦冶工程中有較多應(yīng)用,李
啟成,等【6】研制的穿流式篩板塔即屬于流化床。該塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其工作原理為：整個塔被帶孔的篩板分割成若干個隔室。工作時,原液從塔底進入與塔內(nèi)樹脂接觸,并使樹脂流態(tài)化。料液上升過程中,其中的鈾不斷被樹脂吸附,鈾濃度不斷降低,待上升到塔頂時,吸附尾液已達到排放標(biāo)準(zhǔn)而溢流排出。再生 樹脂自塔頂加入,在重力作用下自然下降。下降過程中不斷吸附溶液中的鈾, 其負載鈾量不斷提高, 至塔底呈飽和樹脂排出。穿流式篩板塔不僅可用于從含泥量較高、pH值不同的鈾礦山廢水中回收鈾,也可用于從鈾含量較高的鈾礦石堆浸液中回收鈾,處理能力較大、效率較高。
3.2 存在的問題
（1）穿流式篩板吸附塔經(jīng)過長期的運行,導(dǎo)致細顆粒樹脂在塔頂積聚,特別是在空塔線速度比較高的條件下,甚至?xí)l(fā)生細顆粒樹脂從溢流堰隨尾液跑出的現(xiàn)象。實踐表明可以通過擴大吸附塔的直徑來解決這一問題。
（2）在穿流式篩板吸附塔間斷操作中，在排完樹脂后，在重新開啟進料液時，如果操作不當(dāng)，會導(dǎo)致部分樹脂亂層。所以在操作中應(yīng)該控制流量由小到大，同時在平時運轉(zhuǎn)時也應(yīng)該保證流量的穩(wěn)定。
圖1. 穿流式篩板塔示意圖
4.總結(jié)
離子交換技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于濕法冶金等工業(yè)生產(chǎn)。特別在我國核工業(yè)的發(fā)展下，離子交換技術(shù)更是在鈾提取工藝中發(fā)揮了巨大的作用。同時更多新型先進的離子交換裝置不斷地研究改進。如本文所簡要介紹的固定床離子交換裝置、密實移動床離子交換裝置、流化床離子交換裝置是我國主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的裝置。還有一些其它裝置也在工業(yè)上得到應(yīng)用，如水利懸浮床離子交換裝置、空氣攪拌床離子交換裝置。各種裝置的特點各有不同，下面對本文介紹的三種裝置的特點總結(jié)如下表1.
表1. 三種離子交換裝置的優(yōu)缺點比較
裝置
優(yōu)點
缺點
固定床
1） 樹脂磨損輕，損耗少；
2） 樹脂操作容量高，運行可靠；
3） 便于集中控制。
1） 限于清液吸附，對原液含固量要求嚴(yán)格；
2） 單位生產(chǎn)能力低，設(shè)備占地面積大；
3） 樹脂利用率低，同時不易實現(xiàn)自動控制。
密實移動床
1） 單位生產(chǎn)能力高，占地面積小；
2） 半連續(xù)操作，便于自動化控制；
3） 樹脂利用率高，投放量小。
1） 樹脂床層阻力大,進料需要一定壓力。
2） 限于處理清液；
3） 只適宜處理低濃度的料液。
流化床
1） 能處理稀礦漿或渾濁液；
2） 單位生產(chǎn)能力高，占地面積??；
3） 結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。
1） 為了提高空塔線速度,需要采用密度較高、傳質(zhì)速率較快的樹脂；
2） 對樹脂粒度的均勻性要求嚴(yán)格。
5.展望
在鈾資源緊需的當(dāng)今，出現(xiàn)了各種鈾采冶的新技術(shù)。針對我國的鈾礦發(fā)展與需求和我國鈾礦床的類型，也有很多的采礦與提取的技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。如堆浸、地浸、攪拌浸出等。在提取鈾工藝上也有很多的技術(shù)應(yīng)用與研究。在技術(shù)選擇上，要根據(jù)不同的礦床類型與對處理液的不同要求和工藝要求來恰當(dāng)?shù)倪x擇。在鈾提取工藝上已經(jīng)應(yīng)用的裝置類型有多種，并已取得了豐富的成果，同時也與一些國家存在一些差距，并且現(xiàn)應(yīng)用的裝置存在較多的問題等待進一步的解決。目前也有一些新的設(shè)備研究，如翻板式流化床吸附塔、脈沖淋洗塔、反向流化床吸附塔等?？梢韵嘈?，在鈾提取工藝的大力發(fā)展下，離子交換設(shè)備的研制工作必將取得優(yōu)異的成果并得到應(yīng)用。
參考文獻:
[1] 王清良.鈾提取工藝學(xué)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.
[2] 姜志新,諶競清,宋正孝.離子交換分離工程[M].天津:天津大學(xué)出版社,1992.
[3] 鐘平汝,雷澤勇,曾毅君.ZLX - 1600型離子交換設(shè)備的研制[J] .鈾礦冶, 2006,25(3):144 - 147.
[4] 詹勁,雷澤勇.中國的鈾礦冶水冶的工藝與設(shè)備的分析與討論.[J].南華大學(xué)機械工程學(xué)院,2008,22(4).
[5] 龍紅福,陽弈漢.飽和樹脂再吸附工藝的生產(chǎn)實踐[M].地浸采鈾工藝技術(shù),長沙:國防科技大學(xué)出版社,2007:694 - 695.
[6] 李啟成,張曉文,陳?；?穿流式篩板塔在鈾礦冶的應(yīng)用[J].南華大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版,2004,18(3):59 - 66.
指導(dǎo)教師簽字
年 月 日
物件清單
編號
名稱
件數(shù)
頁數(shù)/規(guī)格
1
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
1
3
2
開題報告
1
4
3
畢業(yè)設(shè)計正文
1
46
4
文獻綜述
1
6
5
外文翻譯
1
15
6
畢業(yè)設(shè)計工作記錄本
1
15
7
CAD圖紙
4
某堆浸鈾礦山100tU/a密實移動床離子交換工藝設(shè)計
摘要：本文是應(yīng)用密實移動床離子交換技術(shù)對某鈾礦山100tU/a工藝進行設(shè)計，主要的工藝過程為堆浸浸出液 → 過濾 → 吸附 →淋洗 →沉淀 →壓濾→“111”產(chǎn)品。浸出液平均濃度為200 mg.L-1，每年生產(chǎn)時間按300天計，水冶總回收率92%。樹脂飽和容量為30mgU/mLR，貧樹脂殘余鈾量0.50mgU/mLR，淋洗劑采用5g/L H2SO4 + 1mol/L NaCl,沉淀劑采用片堿(固態(tài)NaOH) 。經(jīng)過各個工藝過程的計算確定了所需物料的量、各種設(shè)備的型號數(shù)量、管道尺寸。本設(shè)計采用單塔吸附，三塔串聯(lián)淋洗的操作方式。最終合格液中鈾濃度可達10.03g.L-1。經(jīng)過各個工藝的操作處理最終得到產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞:密實移動床；離子交換；堆浸；鈾
The design of Fixed Bed Ion-exchange Process with 100tU/a with A heap leaching uranium mine
Abstract: Dense moving bed ion exchange technology is the application of a uranium mine 100 t/a process to carry on the design, Main processes is leaching liquid → filter → adsorption → elution → precipitate → filter-press →“111”products.The Leach liquor average concentration is 200 mg. L -1. Every year 300 days production time according to the plan, hydrometallurgy total recovery is 92%. Resin saturation capacity of 30 mgU/mLR, poor resin residual quantity of uranium 0.50 mgU/mLR, Drench lotion with 5 g/L H2SO4 + 1 mol/L NaCl, precipitating agent with alkali (solid NaOH). After each process of the calculate and determine the amount of material required, all sorts of equipment model number, pipe size. This design USES double adsorption, three towers in series elution mode of operation. Finally be handled through the process of the product.
Keywords: Dense moving bed; ?Ion exchange; dump leaching; uranium
目錄
引 言 1
1設(shè)計部分 2
1.1設(shè)計主要參數(shù) 2
1.2產(chǎn)品方案及生產(chǎn)規(guī)模 3
1.2.1產(chǎn)品方案 3
1.2.2生產(chǎn)規(guī)模 3
1.3工作制度 3
1.4設(shè)計的指導(dǎo)思想及原則 3
1.4.1指導(dǎo)思想： 3
1.4.2設(shè)計原則： 4
2主要工藝原理介紹 4
2.1堆浸 4
2.1.1堆浸發(fā)展 4
2.1.2堆浸的工藝流程 4
2.1.3堆浸的優(yōu)缺點 5
2.2密實移動床離子交換法 6
2.3離子交換樹脂 7
2.3.1離子交換反應(yīng) 7
2.3.2離子交換樹脂的分類 7
2.4主要反應(yīng)過程 8
3主要工藝流程簡介 9
3.1浸出液過濾 10
3.2吸附 10
3.3淋洗 10
3.4樹脂轉(zhuǎn)型 11
3.5合格液沉淀及壓濾 11
3.6母液回用 11
4初步物料衡算 11
4.1生產(chǎn)方式的選擇 11
4.2生產(chǎn)能力計算 12
5主要工藝過程計算 12
5.1吸附過程的工藝計算 12
5.1.1 物料衡算 12
5.1.2 吸附塔直徑、塔高、塔數(shù)和塔壁的確定 12
5.2淋洗工序計算 17
5.2.1淋洗塔直徑 17
5.2.2塔高 18
5.2.3錐形底部計算 18
5.2.4塔設(shè)備的參數(shù) 18
5.3沉淀工段的計算 18
5.3.1 沉淀過程的計算 19
6工藝過程物料和鈾平衡計算 20
6.1工藝過程所需物料計算 20
7鈾平衡計算 21
8工藝設(shè)備選型與計算 21
8.1管道 21
8.1.1PVC-U管道 21
8.1.2 304不銹鋼無縫管 24
8.2多袋式過濾器 24
8.3管路計算及設(shè)備選型 25
8.3.1集液池到過濾器管路計算 25
8.3.2多袋式過濾器串聯(lián)管路計算 26
8.3.3過濾器到吸附塔管路計算 26
8.3.4淋洗劑管路計算 26
8.3.6轉(zhuǎn)型管路計算 26
8.3.7沉淀槽到板框壓濾機管道計算 27
8.4各工序段集液池的計算選型 27
8.4.1原液池 27
8.4.2淋洗劑配制槽、化鹽池、轉(zhuǎn)型劑池 27
8.4.3合格液池、沉淀池 27
8.4.4硫酸罐 28
8.4.5尾液池 28
8.5產(chǎn)品過濾和干燥設(shè)備的選擇 28
8.5.1板框壓濾機的選型 29
8.6泵的選型 29
8.6.1原液到吸附塔及反沖洗水所需的泵 30
8.6.2淋洗劑到淋洗塔所需的泵 30
8.6.3濃漿泵的選擇 30
8.6.4轉(zhuǎn)型泵、尾液泵 31
9工藝參數(shù)一覽表 31
10設(shè)備一覽表 32
11生產(chǎn)車間布置簡單說明 32
11.1廠區(qū)布置原則 32
11.2吸附塔布置 33
11.3儲槽布置 33
11.4泵布置 34
11.5管道安裝原則 34
12供電要求 35
13環(huán)境保護及安全生產(chǎn) 35
13.1三廢的主要來源及處理方法: 36
13.2 個人安全必須嚴(yán)格遵循的防護規(guī)程 37
14工藝總結(jié) 37
參考文獻 38
謝辭 40
附圖1:工藝-1工藝流程圖。
附圖2:工藝-2設(shè)備形象系統(tǒng)圖。
附圖3:工藝-3車間平面布置圖。
附圖4:工藝-4數(shù)質(zhì)量流程圖。
vi
引 言
鈾資源是與國家安全密切相關(guān)的戰(zhàn)略資源，是核大國地位保障的基礎(chǔ)。根據(jù)國際原子能機構(gòu)的統(tǒng)計全球鈾礦資源總量約為1238萬tU(以可回采礦石中鈾的回收量計算)，其中已查明資源量約547萬tU,待查明資源量約791萬tU。澳大利亞、哈薩克斯坦、俄羅斯、美國、加拿大等是鈾礦資源豐富的國家，也是主要的鈾礦生產(chǎn)國和供應(yīng)國。
我國是鈾礦資源不甚豐富的國家，自1955年開展鈾礦普查勘探工作以來，全國共探明了200多個鈾礦床，其主要的鈾礦床類型有花崗巖型、火山巖型、砂巖型、碳硅泥巖型、含鈾煤型等，在已探明的鈾資源中花崗巖型占38%，火山巖型占22%，砂巖型占19%，碳硅泥巖型占16%，其它類型占5%。目前已探明的并經(jīng)國家儲委批準(zhǔn)的鈾資源儲量約18.8萬噸金屬，已經(jīng)正規(guī)設(shè)計開采的約5.8萬噸，尚有約13萬噸有待開發(fā)利用。在探明的鈾礦床中，礦床金屬總量大于2000t的占礦床總數(shù)的12.9%，金屬量約占一半。礦床金屬量在1000～2000t的占礦床總數(shù)的17.5%，金屬量占26%，礦床金屬量在1000t以下的占礦床總數(shù)的69.6%，金屬量占27.2%，鈾礦床規(guī)模普遍偏小，鈾礦體的埋藏深度較淺，一般小于300米。鈾礦的平均品位偏低。
時至今日，鈾的用途已廣為人知，并具有更大的發(fā)展?jié)摿?。鈾的主要用途是用來制造核武器和用于核發(fā)電。核武器是一個國家軍事實力的重要體現(xiàn)，它直接影響國家在世界政壇的地位。核發(fā)電在日常生活中的比例越來越大，最高的法國已經(jīng)達到了80%。核發(fā)電方便簡潔，沒有太多的限制條件，極大的滿足了人們的多方需要?，F(xiàn)在純金屬鈾是核反應(yīng)堆和原子彈中使用的核燃料。美國用貧化鈾制造的一種高效的燃燒穿甲彈——“貧鈾彈”，能燒穿30厘米厚的裝甲鋼板。少量用于電子管制造業(yè)中的除氧劑和惰性氣體提純（除氧、氫），國外非軍事工業(yè)中貧鈾用量最多的是制造乏燃料及高放廢液運輸容器和放射源屏蔽容器。此外，現(xiàn)在用鈾作為燃料的核電站，已能供應(yīng)約17%的世界電能?？上攵?，鈾作為一種新型能源在國民經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺。中國的核電事業(yè)在國家的科技和經(jīng)濟基礎(chǔ)都十分薄弱的條件下建立的，經(jīng)過幾十年的建設(shè)，中國核電發(fā)展取得了重大突破，近兩年的核電建設(shè)更清晰的顯示出加快的趨勢。中國鈾工業(yè)正面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。核電工程的批量建設(shè)，多年來鈾工業(yè)的調(diào)整成效和科技進步，國家和核工業(yè)總公司正在推行的一系列改革措施，以及世界鈾市場的復(fù)蘇，都為中國鈾工業(yè)的發(fā)展提供了新的機遇。中國鈾工業(yè)跨入新的世紀(jì)，必將向技術(shù)新、隊伍精、規(guī)模大、效益好的方向持續(xù)發(fā)展，保證核工業(yè)的需求，為國民經(jīng)濟的繁榮做出貢獻。
鈾裂變時產(chǎn)生的同位素及其射線，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的用途。例如，在工業(yè)上利用射線實現(xiàn)生產(chǎn)自動控制，無損傷檢查，給玻璃染色等；在農(nóng)業(yè)上利用射線培育良種，防止病蟲害等；在醫(yī)學(xué)上用于滅菌消毒，臨床診斷及治療；在地質(zhì)勘探工作中用來找礦等等。
鑒于鈾的廣泛用途與對國家國防工業(yè)的重要性，鈾提取工藝的研究也就顯得格外重要。目前應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的鈾提取技術(shù)有很多種，并取得了良好的效益。目前我國工業(yè)上應(yīng)用廣泛地鈾提取工藝上應(yīng)用最多的是離子交換法提取鈾。離子交換技術(shù)的應(yīng)用至今已經(jīng)有三十年的歷史，但是其新型高效的設(shè)備研究與發(fā)展，是近十幾年來才大規(guī)模的興起的。離子交換法是一種化學(xué)純化技術(shù)。它具有分離選擇性強、濃縮倍數(shù)高、操作方便等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。如在我國鈾提取工藝中離子交換技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
離子交換在工業(yè)上的應(yīng)用是通過離子交換設(shè)備為主體組合配套的離子交換裝置來實現(xiàn)的。隨著我國近些年來核工業(yè)的發(fā)展，對鈾資源的需求日益增加。而隨著鈾的資源銳減。這樣，從低濃度的浸出液中提取鈾成為了關(guān)鍵。這使得離子交換技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并且經(jīng)過對離子交換技術(shù)與裝置的研究，在鈾提取工藝上已經(jīng)取得了很好的效益。與化學(xué)沉淀法相比離子交換技術(shù)具有可以從濃度很低的浸出液中幾乎定量地將鈾提取出來；既能處理清液，又能處理礦漿；試劑的消耗又少的優(yōu)點。離子交換在工業(yè)上的應(yīng)用是通過離子交換設(shè)備為主體組合配套的離子交換裝置來實現(xiàn)的。離子交換設(shè)備的種類繁多、特點各異。目前我國鈾水冶廠及鈾礦山廢水處理廠中應(yīng)用的離子交換設(shè)備鈾: 水力懸浮床、 空氣攪拌床、 密實固定床、塔式流化床以及密實移動床五種。本設(shè)計采用的是密實移動床離子交換法提取鈾。
1設(shè)計部分
1.1設(shè)計主要參數(shù)
（1）浸出液平均濃度為200 mg.L-1，每年生產(chǎn)時間按300天計，水冶總回收率92%。產(chǎn)品干基含鈾量為61.5%；
（2）樹脂飽和容量為30mgU/mLR，貧樹脂殘余鈾量0.50mgU/mLR；
（3）吸附空塔線速度50m/h，吸附尾液鈾濃＜0.5mg.L-1 ；
（4）淋洗劑：5g/L H2SO4+ 1mol/L NaCl,淋洗空塔線速度3 m/h；
淋洗溫度：常溫
淋洗劑用量：2.5VR
（5）沉淀劑：沉淀PH7.0～7.5，片堿(固態(tài)NaOH),沉淀母液鈾濃度 ＜5 mg.L-1；
(6) 沉淀PH:7.0～7.5,沉淀時間24小時。
1.2產(chǎn)品方案及生產(chǎn)規(guī)模
1.2.1產(chǎn)品方案
最終產(chǎn)品為“111”（重鈾酸鈉）即黃餅。
1.2.2生產(chǎn)規(guī)模
年產(chǎn)100tU/a
1.3工作制度
年工作日為300天，每天三班，每班三小時
1.4設(shè)計的指導(dǎo)思想及原則
1.4.1指導(dǎo)思想：
畢業(yè)設(shè)計是核化工專業(yè)最重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是專業(yè)教學(xué)計劃的重要組成部分，是培養(yǎng)實際工作和動手能力的重要教學(xué)手段，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識分析和解決實際生產(chǎn)問題能力的必要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)論文設(shè)計的特征能夠使核化工與核燃料專業(yè)的學(xué)生初步掌握工藝設(shè)計一般過程和方法，經(jīng)過鈾水冶化工工藝設(shè)計的訓(xùn)練使其具備一定的鈾水冶化工工藝設(shè)計能力，對以后不論從事生產(chǎn)、基礎(chǔ)建設(shè)、還是從事科研或管理方面的工作都有著十分重要的意義，對核化工過程有更深一層的理解。
1.4.2設(shè)計原則：
包括各個專業(yè)、各學(xué)科方面的設(shè)計原則，如工藝路線的選擇、車間廠房的合理布置、設(shè)備選型和材料選用。總的設(shè)計原則是：安全、經(jīng)濟、環(huán)保、方便易行等。即：
（1）遵循因地制宜、高效快速的原則。在工藝流程的選擇上要考慮到技術(shù)的可行性,在工藝設(shè)備的布置上盡量使物料自流,這樣可以節(jié)省能源動力消耗；
（2）盡可能多地采用新工藝、新材料；
（3）遵循在保證工藝要求的前提下盡可能節(jié)約投資的原則,使礦山開發(fā)建設(shè)的投資額度控制在較低的水平；
（4）遵循將安全與環(huán)境保護放在第一位的原則。
2主要工藝原理介紹
2.1堆浸
2.1.1堆浸發(fā)展
堆浸是一種對于不在原地的礦石進行破碎、筑堆，通過噴淋浸出劑將礦石中的目的組分轉(zhuǎn)移到合格液中，并通過一定技術(shù)獎合格液提取成產(chǎn)品的一種方法。目前堆浸在世界各國礦石提取工藝中都有廣泛地應(yīng)用，如銅、金、鈾的堆浸。 我國堆浸技術(shù)應(yīng)用比較早。目前堆浸技術(shù)已趨于成熟，應(yīng)用更加廣泛，從60年代到現(xiàn)在，堆浸技術(shù)在我國已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用并取得了可觀的成果，特別在鈾的堆浸發(fā)展中已經(jīng)取得了明顯的效益。如經(jīng)過堆浸的研究發(fā)展使得鈾的產(chǎn)量逐漸提高、堆浸的規(guī)模也逐漸增大、入堆礦石的品位降低等成果。鑒于我國鈾礦床的特點與核工業(yè)的迅速發(fā)展，鈾的需求必然增加，這就要求鈾水冶技術(shù)要有所提高。這就使得低能耗、低水耗、入堆礦石品位低的堆浸技術(shù)有了較大的發(fā)展空間，這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對降低鈾的生產(chǎn)成本，提高鈾資源的利用率、擴大資源的利用率都有很大的促進作用。
2.1.2堆浸的工藝流程
堆浸工藝包括礦石的破碎、筑堆、淋浸、離子交換或萃取、淋洗或反萃取、沉淀等工序，得到最終產(chǎn)品。其工藝流程如圖2.1
鈾礦石
破碎
筑堆
淋浸
浸出液
渣處理
離子交換或萃取
尾液 飽和液
淋洗或反萃
合格液
沉淀
鈾化學(xué)濃縮物
圖2.1筑堆浸礦法工藝流程
2.1.3堆浸的優(yōu)缺點
堆浸提取鈾的工藝過程主要有兩個特點：一是進出的過程不用加氧化劑，浸出時間一般較長；二是溶浸液一般處于非飽和流狀態(tài)。
優(yōu)點：1、低水耗、低能耗、工藝簡單、成本較低；
2、礦堆既可在井下，也可以在地面、尾渣可以回用、作業(yè)安全；
3、入堆礦石品位低，提高了資源利用率。
缺點：1、浸出的周期長、回收率較低；
2、受氣候的影響較大、生產(chǎn)不均衡；
3、不易采取強化手段。
2.2密實移動床離子交換法
離子交換法是一種化學(xué)純化技術(shù)。它具有分離選擇性強、濃縮倍數(shù)高、操作方便等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。目前國內(nèi)大多使用離子交換法來提取鈾。離子交換在工業(yè)上的應(yīng)用是通過離子交換設(shè)備為主體組合配套的離子交換裝置來實現(xiàn)的。隨著我國近些年來核工業(yè)的發(fā)展，對鈾資源的需求日益增加。這使得離子交換技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并且經(jīng)過對離子交換技術(shù)與裝置的研究，在鈾提取工藝上已經(jīng)取得了很好的效益。本設(shè)計采用的是密實移動床離子交換設(shè)備來提取鈾的。密實移動床多采用半連續(xù)式操作。在吸附循環(huán)過程中，樹脂按照“吸附-淋洗——反洗”的順序分別在不同的設(shè)備或在同一個設(shè)備的不同區(qū)段內(nèi)完成的。這種設(shè)備的吸附是在單塔中進行的，塔內(nèi)樹脂床高6～8 m，在吸附時，塔內(nèi)的樹脂保持相對固定，原液從下而上流動，周期性工作，每隔數(shù)小時，從塔內(nèi)排出一部分飽和樹脂，轉(zhuǎn)移到專用的密實移動床進行淋洗、轉(zhuǎn)型等，同時加入等量的貧樹脂。吸附空塔線速度可達50 m .h-1以上，適合處理流量大、鈾濃度低的浸出液。在我國工業(yè)生產(chǎn)中，多采用單塔吸附，多塔串聯(lián)淋洗的工藝。
離子交換是溶液中的離子在固-液兩相之間的平衡，固相是離子交換劑，液相為需要處理的溶液。離子交換法是一種從溶液中提取和分離元素的技術(shù)，利用離子交換劑在特定體系中對不同離子親和力的差異，可以有效分離包括稀土元素在內(nèi)的難分離元素。
離子交換法的優(yōu)點：
（1）選擇性高，可以從濃度很低的浸出液中幾乎定量地將鈾提取出來；
（2）既能處理清夜，又能處理礦漿；
（3）試劑的消耗少；
（4）鈾的化學(xué)濃縮物含量高；
（5）回收率高；
（6）操作簡單，吸附尾液可以重復(fù)利用。
離子交換法的缺點：
（1）離子交換樹脂的交換速度慢；
（2）樹脂對鈾的吸附容量也較??；
（3）樹脂容易破裂變細，造成損失；也增大了鈾的損失。
2.3離子交換樹脂
2.3.1離子交換反應(yīng)
離子交換樹脂可以進行離子交換反應(yīng)，典型的陽離子交換反應(yīng)，如：
2NaR +CaCl2（aq）?CaR2 +2NaCl（aq）
典型的陰離子交換反應(yīng)，如：
2RCl +Na2SO4（aq）?R2SO4 +2NaCl（aq）
一般的離子交換過程是可逆的，在式中，當(dāng)樹脂上的Na+消耗殆盡時，可用鈉鹽溶液使其再生，樹脂再次轉(zhuǎn)變成型Na+。
在離子交換過程中，不論是正過程還是逆過程，樹脂及溶液均保持電中性，即交換過程是按等當(dāng)量進行的，樹脂從溶液中吸附若干當(dāng)量的某種離子時，必將有等當(dāng)量的相同電荷符號的另一種離子從樹脂上進入溶液。
2.3.2離子交換樹脂的分類
目前生產(chǎn)上使用的離子交換樹脂，品種繁多。從樹脂的結(jié)構(gòu)出發(fā)，一般按其官能團種類、制備骨架（即聚合體）的材料、骨架的孔結(jié)構(gòu)特性、制備樹脂聚合體的聚合反應(yīng)種類、樹脂的品級與使用場合等加以分類。按組成樹脂骨架的材料劃分可把離子交換樹脂分為：苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、環(huán)氧系、乙烯吡啶系、脲醛系及氯乙烯系；按樹脂骨架的孔結(jié)構(gòu)特性劃分為：凝膠和大孔兩類；按制備樹脂聚合體的聚合反應(yīng)種類劃分為：加成聚合體和縮合聚合體；按樹脂的品級胡分為：工業(yè)醫(yī)藥級、分析純度、色層分離級以及核子級等；按樹脂的官能團劃分為：強酸性樹脂、弱酸性及中等酸性樹脂、強堿性樹脂、弱堿性樹脂、螯合樹脂、兩性樹脂、氧化還原樹脂，其中強酸性樹脂、弱酸性及中等酸性樹脂均為陽離子樹脂，強堿性樹脂、弱堿性樹脂均成為陰離子樹脂。其中最常用的是強酸性樹脂、弱酸性及中等酸性樹脂、強堿性樹脂、弱堿性樹脂。
（1）強酸性陽離子樹脂
這類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基-SO3H，容易在溶液中解離出H+，故呈強酸性。樹脂解離后，本體所含的負電基團，如SO3-，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽離子。這兩個反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的解離能力很強，在酸性或堿性溶液中均能解離和發(fā)生離子交換作用。樹脂在使用一段時間后，要進行再生處理，即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反方向進行，使樹脂的官能基團恢復(fù)原來狀態(tài)，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結(jié)合而恢復(fù)原來的組成。
（2）弱酸性陽離子樹脂
這類樹脂含弱酸性基團，如羧基-COOH，能在水中解離出H+而呈酸性。樹脂解離后余下的負電基團，如R-COO-(R為碳氫基團)，能與溶液中的其它陽離子吸附結(jié)合，從而發(fā)生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性較弱，在低pH值下難以解離和進行離子交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。這類樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易再生)。
（3）強堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有強堿性基團，如季胺基(亦稱四級胺基)-NR3OH(R為碳氫基團)，能在水中離解出OH－而呈強堿性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂的離解性很強，在不同pH下都能正常工作。它用強堿(如NaOH)進行再生。
（4）弱堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有弱堿性基團，如伯胺基(亦稱一級胺基)-NH2、仲胺基(二級胺基)-NHR、或叔胺基(三級胺基)-NR2，它們在水中能離解出OH-而呈弱堿性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如pH=1～9)下工作。它可用Na2CO3、氨水進行再生。
2.4主要反應(yīng)過程
在使用硫酸浸出鈾的浸出液中，鈾大多數(shù)是以UO2(SO4)34-絡(luò)離子的形式存在，其次是UO2(SO4)32-，最后是UO2SO4中性分子。在離子交換提取鈾過程中，鈾是以UO2(SO4)34-的形式被樹脂吸附的。本設(shè)計采用的是強堿性陰離子交換樹脂，吸附的主要反應(yīng)過程為：
4(R4N)+Cl-+ UO22++3 SO42- ? (R4N)4[UO2(SO4)3] +4Cl-
2(R4N)+Cl-+ UO22++2 SO42- ? (R4N)2[UO2(SO4)2] +2Cl-
淋洗過程的主要反應(yīng)過程為：
(R4N)4 UO2(SO4)3+4 Cl- ? 4(R4N+) Cl- + UO22++3 SO42-
沉淀過程主要反應(yīng)過程為：
酸堿中和：H2SO4+2NaOH→Na2SO4+2H2O
鈾的沉淀：2UO2SO4+6NaOH→Na2U2O7↓+2Na2SO4+3H2O
3主要工藝流程簡介
根據(jù)堆浸特點和工藝技術(shù)，確定鈾提取主要工藝流程為：浸出液輸送——密實移動床吸附——淋洗——中和沉淀——板框壓濾得到產(chǎn)品。該工藝流程是當(dāng)代鈾水冶先進技術(shù)。解吸時樹脂床層呈密實狀態(tài)作活塞式移動，基本無軸向返混，實現(xiàn)了樹脂逆流接觸，連續(xù)操作，因而其傳質(zhì)效率高、生產(chǎn)能力大、樹脂投入量少、易于自動控制。在本設(shè)計中采用的D201×7強堿性陰離子樹脂。其工藝流程簡圖如圖3.1。
圖3.1工藝流程圖
3.1浸出液過濾
在浸出液吸附之前要對浸出液進行過濾，出去浸出液總的雜質(zhì)。本設(shè)計在過濾工序中采用袋式過濾機兩組并聯(lián)完成。
3.2吸附
在本設(shè)計中采用的是密實移動床離子交換設(shè)備提取鈾，所以采用單塔進行吸附，空塔線速度可達50m/h，處理原液量大，原液流量為75.42 m3/h。
3.3淋洗
淋洗目的就是把吸附在樹脂上的鈾淋洗下來成為合格液。本設(shè)計中采用三塔串聯(lián)淋洗，淋洗劑由塔底進入，合格液從塔上部排出，淋洗空塔線速度為3 m/h，淋洗后的合格液濃度為10.03 g/L，采用的淋洗劑為5g/L H2SO4+ 1mol/L NaCl。
3.4樹脂轉(zhuǎn)型
淋洗結(jié)束后一般需要對樹脂轉(zhuǎn)型,目的是為了防止淋洗劑陰離子進入吸附尾液，對吸附造成影響。
3.5合格液沉淀及壓濾
在對淋洗后的樹脂轉(zhuǎn)型后，下一步的操作就是合格液沉淀，在沉淀之前要調(diào)節(jié)合格液的pH值，處理后將合格液泵入沉淀槽，加入沉淀劑通過沉淀槽攪拌機攪拌、沉淀。沉淀老化后的漿體用濃漿泵入板框壓濾機壓濾得到“111”產(chǎn)品。本設(shè)計采用的沉淀劑為片堿（固體NaOH），沉淀及老化時間為24小時。采用板框壓濾機進行處理。最終沉淀母液鈾濃度：5 mg/L；產(chǎn)品干基鈾含量：61.5%；產(chǎn)品含水30%。
3.6母液回用
沉淀過后的母液中含有鈾，除部分外排處理外，部分沉淀母液返回淋洗劑配制槽進行淋洗劑的配置。
4初步物料衡算
4.1生產(chǎn)方式的選擇
工業(yè)上生產(chǎn)的操作一班可分為全間歇，半間歇，連續(xù)，半連續(xù)四種。在全間歇操作中，整批物料投在一個設(shè)備單元中處理一定時間，然后整批輸送到下一個工序。半間歇操作過程是間歇操作過程的連續(xù)操作過程。全間歇與半間歇（統(tǒng)稱間歇式操作）的優(yōu)點是設(shè)備簡單，改變生產(chǎn)品種容易；其缺點是原料消耗定額高，能量消耗大，勞動生產(chǎn)率低產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。連續(xù)式操作，原料及能量消耗低，勞動生產(chǎn)率高，因此比較經(jīng)濟；但總投資較大，占地面積較大，一般單線生產(chǎn)能力為3～5萬噸/年。半連續(xù)操作與連續(xù)操作相比設(shè)備費用較少，操作較簡單，改變生產(chǎn)品種較容易，但產(chǎn)品質(zhì)量不如連續(xù)操作穩(wěn)定，與間歇操作相比，生產(chǎn)規(guī)模更大，勞動生產(chǎn)率也更高，連續(xù)流程和操作比較簡單，用于較大規(guī)模的品種生產(chǎn)。
在本設(shè)計中年產(chǎn)鈾量為100tU/a，取工作日為300天采用連續(xù)性操作。
4.2生產(chǎn)能力計算
① 年理浸出液量:100÷92%÷（200×106）=5.43×105m3。
② 小時浸出液處理量為：5.43×105m3/300×24=75.42m3/h。
5主要工藝過程計算
5.1吸附過程的工藝計算
吸附過程就是從浸出貧液中提取鈾，通過吸附塔中離子交換樹脂上進行富集。本設(shè)計采用的是密實移動床離交換裝置，液從而上。塔身為圓筒體;下部有進液裝置;上部有能攔截樹脂的排液篩網(wǎng)系統(tǒng)；塔頂有樹脂貯存斗，其下端中心處有一立管插入塔頂部。樹脂裝于貯存斗中并充滿整個塔體。吸附時溶液自塔底通入，其速度很大，將整個樹脂床層稍稍托起，在溶液入口處的上方形成水墊層，使樹脂層形成向上的壓實狀態(tài)，而且它十分有利于吸附液在塔載面上的均勻分布。吸附運行一定時間后，應(yīng)停止進液，塔內(nèi)樹脂床層整體式下落 ,開啟塔底的樹脂排放閥，適量負載樹脂排入計量罐，相應(yīng)地塔頂貯存斗中的貧樹脂自立管進入吸附塔上層，即可繼續(xù)吸附。計量罐中的負載樹脂用水力輸送進入專門的解吸系統(tǒng)處理。貧樹脂再返回吸附塔頂?shù)馁A存斗中備用。
密實移動床單塔即可完成吸附，塔本身結(jié)構(gòu)也較簡單;操作比較方便;進液的空塔線速度大，達 40～50 m/h，即生產(chǎn)能力大，且有利于液膜擴散控制的吸附過程的傳質(zhì);占地面積小;易實現(xiàn)自動化操作等。其主要缺點是:樹脂磨損量較大;樹脂床層阻力大 ,宜采用顆粒度均勻且強度大的樹脂;供液的壓力也較大，為 0.5MPa 左右。
5.1.1 物料衡算
由已知的設(shè)計參數(shù)和計算的結(jié)果可知：平均每小時處理浸出液的體積為75.42 m3/h，原液中的鈾濃度為200 mg.L-1、尾液中的鈾濃度為0.5mg.L-1,則有：
1)樹脂實際吸附的鈾量為：75.42×（200-2）=14.94 kg/h；即358.56kg/d
樹脂的飽和容量30mgU/mlR、貧樹脂殘余鈾含量為0.5mgU/mlR,則有：
2)產(chǎn)生的飽和樹脂的量為:14.94÷(30-0.5) =0.51 m3.R/h。
5.1.2 吸附塔直徑、塔高、塔數(shù)和塔壁的確定
吸附塔示意如圖5.1。
圖5.1 密實移動床吸附塔結(jié)構(gòu)示意圖
1——樹脂儲槽；2——管立；3——塔頂；4——排液裝置；5——布料器；
6——工作床層；7——塔身；8——布液器；9——塔底
①吸附段(傳質(zhì)段)直徑
吸附段直徑根據(jù)所需處理原液流量及選定的空塔線速度按已知的關(guān)系式計算，關(guān)系式為：
Dk=K×Qπ4×V×24 ………………①
式中：
Q=吸附塔日處理溶液量
K=溶液波動系數(shù)（一般取1.15）
V=吸附空塔線速度（密實移動床取40～50 m/ h）
樹脂層有效截面S，則q=S×V。
一般說來，首先應(yīng)具備由試驗資料提供的空塔線速度的選取范圍;然后再根據(jù)均勻布液、壓實床層的需要以及供液設(shè)施的位差(或揚程)等因素來選定空塔線速度的具體數(shù)值。
若采用倒錐式布液器布液，已有資料提供:當(dāng)進水空塔線速度達32 m/h時，形成界面清晰的水墊層?！敖缑媲逦乃畨|層”意味著水墊層中已基本無樹脂顆粒懸浮 ,整個樹脂床層已被向上壓實，在這種狀況下運行，無疑可以避免樹脂床層的軸向混合。所以，當(dāng)采用倒錐式布液器時，空塔線速度以不低于32 m/h為宜。
另外，樹脂床層的阻力隨著空塔線速度的提高而增大。
根據(jù)其他有關(guān)資料可知，在所測定范圍內(nèi)樹脂床層阻力與空塔線速度基本呈正比關(guān)系,所以為了提高空塔線速度,必須相應(yīng)提高進液壓力。因此，在選定空塔線速度時，還必須考慮到供液設(shè)施能否滿足進液壓力的要求。若采用泵供液，由于揚程選擇余地較大，一般不成問題；而當(dāng)采用高位槽供液時，就要看工程建設(shè)現(xiàn)場地形能否提供所需要的高差了。
總括而論，當(dāng)條件具備時，吸附塔的空塔線速度偏高一些選取(如40～50 m/ h)比較有利，既能提高生產(chǎn)能力又可以達到高的傳質(zhì)效率。本設(shè)計選定為50m/h。
每小時處理浸出液的體積為q：75.42m3/h。根據(jù)公式①密實移動床吸附塔塔經(jīng)的計算過程如下：
Dk=1.15×75.42×24π4×50×24 =1.49m
取值為Dk=1.50m
再進行反計算： S=πD2 4= 1.77m2
由q=S×V，所以V=q/S=75.42/1.77=42.61m/h，在40～50m/h之間，符合要求。
②塔高
塔高由吸附段(樹脂工作床層)、布液段(含錐底)和排液段(含塔頂)等幾部分的高度組成。
（1） 吸附段高度的計算。
吸附段高度可用下式表示:
Hc =Hf＋HB ………（1）
式中: Hc——傳質(zhì)段即吸附段高度（m）Hf——反應(yīng)段高度（m）；
HB——保護層高度（m）
a) 反應(yīng)段高度(Hf)
鑒于目前尚不具備采用按比例放大方法計算的條件，例如采用傳質(zhì)單元法或理論級法等計算傳質(zhì)高度的條件尚不成熟，因此在目前設(shè)計中宜采用以設(shè)備擴大試驗或半工業(yè)試驗資料提供的傳質(zhì)高度為基礎(chǔ)，再參照類似生產(chǎn)企業(yè)同類設(shè)備的經(jīng)驗數(shù)據(jù)加以調(diào)整的方法(已知國內(nèi)外用于處理地浸液的密實移動床吸附塔其傳質(zhì)段高度一般在6～7 m)。其中應(yīng)考慮布液的非均勻性、縱向混合等因素對傳質(zhì)效率帶來的不利影響。這種影響最好通過放大設(shè)備的水力學(xué)模擬試驗來解決。
因此本設(shè)計選取反應(yīng)段高度為7m。
b) 保護層高度(HB)
關(guān)于保護層高度，建議采用以下簡化的計算方法，即近似按每個吸附周期排放樹脂的床層高度來確定。每個吸附周期排放樹脂的床層高度可按下式計算:
Hp =Vc/0.785Dk2 ………(2)
式中：Hp——每個吸附周期排放的樹脂床層高度 （m）；
Vc——每臺吸附塔每個吸附周期達到飽和的樹脂體積 （m3）；
Dk——設(shè)備吸附段直徑 （m）。
Vc可按下式計算：
Vc= nKV (t+t0)/24 ………（3）
式中: V——每天達到飽和的樹脂體積(由物料衡算部分得出)；
t——每個吸附周期的吸附時間（h）；
t0——每個吸附周期的停止進液時間（h）；
n——并聯(lián)工作的吸附塔數(shù)量；
K——物料不均衡系數(shù)（取 1.10～1.15）。
由計算可知產(chǎn)生的飽和樹脂的量為: 14.94÷(30-0.5) =0.51 m3.R/h。
可得：V=0.51×24=12.24，
在本設(shè)計中取密實移動床的生產(chǎn)周期為2小時，
由（3）有：Vc= nKV (t+t0)/24 =1.15×12.24×2/24=1.173，
由（2）有：Hp =Vc/0.785Dk2=1.173/0.785×1.5×1.5=0.66m。
當(dāng)計算出的Hp小于0.5m時，HB取0.5m；當(dāng)計算出的Hp大于0.5而小于0.75 m時，HB取0.75 m；當(dāng)計算出的Hp大于0.75m而小于1.0 m時，HB取 1.0 m；當(dāng)計算出的Hp大于1.0m時，一般應(yīng)縮短吸附周期的吸附時間 ,使Hp小于1.0 m。
由上有HB取值為0.75m。
由（1）有：
Hc =Hf＋HB =7+0.75=7.75m,最終取吸附塔高為8.0m。
⑵塔底布液器的設(shè)計
布液器鈾很多種結(jié)構(gòu)，分為環(huán)管式、倒錐式、排管式、輻射式以及組合式等等。目前我國主要應(yīng)用于生產(chǎn)的是倒錐式和排管式兩種。
根據(jù)實際經(jīng)驗，對于粒度在6～12mm的樹脂，宜采用底面直徑為2/3塔徑、底角為30°的布液器。則可知布液器的高度為：
Hw=Dk/3×=0.29m，
在實際應(yīng)用中，應(yīng)考慮余量等情況，所以布液器的高度在設(shè)計中取0.5m。
塔底部設(shè)計成傾角為30°的錐形結(jié)構(gòu)，底部樹脂排口得直徑應(yīng)比頂部立管（見立管的設(shè)計）略大。所以取值為0.2m。則錐底的高度為：
HD= （1.5-0.2)/2=0.37m，取0.4m。
③頂部樹脂貯槽及與其相連的立管計算
(1)樹脂貯槽
樹脂貯槽的有效容積應(yīng)按不小于每次補入塔內(nèi)樹脂體積的2倍計算;貯槽的高徑比一般可取1 ：1或 3 ：2，本設(shè)計取1:1。
在本設(shè)計中的密實移動床生產(chǎn)周期為2小時，可知每個周期需補加的樹脂量為：
V=0.51×2=1.02
則貯槽的有效容積為：
V1=2×v=2.04
考慮樹脂能順利進入吸附塔內(nèi)，同時貯槽為錐形，高徑比為1:1，可以計算出貯槽的半徑為0.786m，取值為0.80m
（2）立管的設(shè)計
立管的規(guī)格設(shè)計要考慮一下問題：
①樹脂壓實層的阻力應(yīng)該大于排液裝置以及其周圍樹脂層的阻力；
②在設(shè)計的時間內(nèi)需要補加的樹脂要下落完畢。
根據(jù)經(jīng)驗立管內(nèi)樹脂的下落速度為0.05～0.07m/s，下落時間為20～30min；立管的高度為0.5～1.0m。（吸附塔直徑大、液流速度高者取大值，反之取小值）根據(jù)設(shè)計計算：吸附塔直徑為1.5 m，原液流量為75.42 m3/h。所以選取立管的高度為0.5m、下落速度為0.05 m/s、下落時間為20 min。
則有h=V/πr2
式中h——立管的高度 m；
r ——立管的半徑 m；
V——每個周期需補加樹脂的體積。
可得立管的直徑為=0.8m。
5.2淋洗工序計算
由已知計算可知，吸附過程中產(chǎn)生的飽和樹脂的量為510 L.R/h。又由樹脂飽和容量為30 mgU/ml.R，貧樹脂殘余鈾量為0.5 mgU/ml.R可知：淋洗劑中鈾量為：
510×（30-0.5）=15.045 kg/h
設(shè)計淋洗劑的用量為產(chǎn)生飽和樹脂體積的2.5倍?？芍芟磩┑牧髁繛?
2.5×510=1.275m3/h，取1.5m3/h
所以合格液中鈾的濃度為:15.045÷1.5=10.03 g/L。
淋洗效率為：（10.03-0.2）÷10.03=98%
5.2.1淋洗塔直徑
一般淋洗劑的流速要控制在一定范圍內(nèi)，不應(yīng)很大以保持樹脂床層的密實狀態(tài)，一般要將空塔線速度控制在臨界流化速度以下。常用樹脂的臨界流化速度為為3—4m/h。因此一般工藝中設(shè)定淋洗塔的空塔線速度要低于3m/h。由此，本設(shè)計選取空塔線速度為3m/h，脫水樹脂床層高1m。采用三塔串聯(lián)聯(lián)進行淋洗
，由已知計算知，淋洗劑的流量為1.5m3/h，
則塔的截面積S=1.5m3/h÷3m/h=0.5m2
由 S=3.14D2/4可得直徑D=0.8 m
5.2.2塔高
已知淋洗空塔線速度為3m/h，樹脂孔隙率為40%，貫穿時間為,3小時，采用三塔串聯(lián)淋洗，所以可知4小時內(nèi)淋洗劑流過的總長度為：
3÷40%×3=22.5m。
所以單塔高度為22.5÷3=7.5 m，加上上下封頭高度，最后取淋洗塔高度為9 m。
5.2.3錐形底部計算
錐形底部的計算可參見吸附塔底部布液器的計算過程，取其傾角為30°，樹脂排料口直徑為0.3m，則有：
錐底高度為：（Dk-0.3）/2=0.25m，取0.3m。
5.2.4塔設(shè)備的參數(shù)
塔用途
吸附塔
淋洗塔
空塔線速度（m/h）
50
3
塔高（mm）
8000
9000
塔徑（mm）
1500
800
樹脂儲槽高（mm）
800
立管高（mm）
500
立管管徑（mm）
800
5.3沉淀工段的計算
沉淀過程用于從合格淋洗液中沉淀鈾，并獲取最大顆粒。經(jīng)淋洗后的合格液由泵打入沉降槽。本設(shè)計采用的沉淀劑為片堿(固態(tài)NaOH)，通過調(diào)節(jié)沉淀過程中溶液的pH，從而確定沉淀的終點（pH=7～7.5）。母液中的鈾濃度小于5mg/L，母液一部分返回配置淋洗劑，一部分排到廢水處理車間。沉淀的主要反應(yīng)式為：
2UO2SO4 + 6NaOH → Na2U2O7↓+2Na2SO4+3H2O
5.3.1 沉淀過程的計算
沉淀工序流程圖見圖5.1
溢流清液
片堿
合格液
沉淀槽
濃漿
濃漿
濃漿
濃漿
濃漿
濃漿
濃漿
濃漿
圖5.1 沉淀過程流程圖
已知條件為： 1)沉淀劑：片堿(固態(tài)NaOH)；
2)合格液鈾濃度：10.03g/L；
3)沉淀槽濃漿固液比為：R=50%，密度：1050kg/m3；
4)沉淀母液鈾濃度：5 mg/L；
5)產(chǎn)品干基鈾含量：61.5%；黃餅比重：2.5×103 kg/m3；
6)產(chǎn)品含水：30%。
可知沉淀效率為：（10030-5）÷1030=99.95%；
則由年產(chǎn)100tU可知，年產(chǎn)鈾濃縮物Na2U2O7為：
100÷61.5%=162.6，取值為163t；
則可得日產(chǎn)量為:163÷300=544 kg/d；
小時產(chǎn)量為：544÷24=23kg/h；
體積為23÷（1-30%）÷2.5×103=0.013m3；
所以: 濃漿的量為：23÷50%=46 kg/h；
濃漿的體積V漿=46÷1050=43.8 L/h。
6工藝過程物料和鈾平衡計算
6.1工藝過程所需物料計算
按一天為基準(zhǔn)
（1） 吸附原液
入料=出料=75.42 m3/ h=1810.08m3/ d
（2） 淋洗工序
a) 淋洗劑用量：已知淋洗劑為：5g/L H2SO4+ 1mol/L NaCl,用量為36m3/d；
b) 淋洗劑的用量=合格液產(chǎn)生的量；
c) H2SO4的用量：5×36=180 kg，H2SO4的比重為：1.84×103kg/m3，所以需H2SO4的體積：180÷1.84×103=0.098m3；取0.1m3
d) NaCl的用量：36×58.5=2106kg /d。
（3） 沉淀工序
a) 沉淀劑的用量M
根據(jù)鈾沉淀過程的主要化學(xué)反應(yīng)：
鈾的沉淀：2UO2SO4+6NaOH→Na2U2O7↓+2Na2SO4+3H2O
酸堿中和：H2SO4+2NaOH→Na2SO4+2H2O
有計算可知沉淀效率為99.67%，所以一天內(nèi)沉淀下來的U為：
36×10.03×99.95%=360.90kg
由化學(xué)反應(yīng)方程式可知：
2UO2SO 4 ～ 6NaOH ～ NaU2O7↓
2 6
360.90/238 x/40
解得NaOH質(zhì)量x=181.97 kg
H2SO2～2NaOH
1 2
612/98 y/40
解得NaOH質(zhì)量y=499.6 kg
故，一天內(nèi)NaOH的用量為181.97+499.6=681.57 kg，即1.9t（NaOH）/ tU。
7鈾平衡計算
①鈾產(chǎn)量
年產(chǎn)鈾量為：100t/a
日產(chǎn)鈾量為：0.33t/a
②吸附尾液鈾含量
吸附尾液的鈾濃度為0.2 mg/L，
年損失鈾量為:75.42×24×300×2×10-7=0.11t/a；
③沉淀母液的鈾濃度為5mg/L，年損失鈾量為：
36×300×5×10-6=0.054t/a；
④鈾平衡表見附表7.1
表7.1 鈾平衡表
進料
出料
序號
名稱
吸附原液
鈾量
序號
名稱
產(chǎn)量
鈾量
m3/a
U濃度mg/L
t/a
m3/a
U濃度mg/L
t/a
1
543000
200
108.6
1
吸附尾液
543000
0.2
0.11
2
沉淀母液
10800
5
0.054
3
產(chǎn)品
163干基
61.5%干基
100
4
其它
8.436
總計
543000
200
108.6
108.6
8工藝設(shè)備選型與計算
8.1管道
8.1.1PVC-U管道
PVC-U又稱硬PVC，它是氯乙烯單體經(jīng)聚合反應(yīng)而制成的無定形熱塑性樹脂加一定的添加劑（如穩(wěn)定劑、潤滑劑、填充劑等）組成。除了用添加劑外，還采用了與其它樹脂進行共混改性的辦法，使其具有明顯的實用價值。這些樹脂有CPVC、PE、ABS、EVA、MBS等。UPVC的熔體粘度高，流動性差，即使提高注射壓力和熔體溫度，流動性的變化也不大。另外，樹脂的成型溫度與熱分解溫度很接近，能夠進行成型的溫度范圍很窄，是一種難于成型的材料。
PVC-U管道具有如下性能：
1、質(zhì)輕，搬運裝卸便利：
PVC管材材質(zhì)很輕，搬運，施工便利，可節(jié)省人工。
2、耐化學(xué)藥品性優(yōu)良
PVC管具有優(yōu)異的耐酸、耐堿、耐腐蝕性，對于化學(xué)工業(yè)之用甚為合適。
3、流體阻力小
PVC管的壁面光滑，對流體的阻力小，其粗糙系數(shù)僅為0.009，較其他管材為低，在相同的流量下，管徑可予縮小。
4、機械強度大
PVC管的耐水壓強度，耐外壓強度，耐沖擊強度等均甚良好，適用于各種條件之配管工程。
5、電氣絕緣性佳
PVC管富有優(yōu)越的的電器絕緣性，適用于電線、電纜的導(dǎo)管，與建筑上的電線配管。
6、不影響水質(zhì)
PVC管由溶解試驗證實不影響水質(zhì)，為目前自來水配管的最佳管材
7、施工簡易
PVC-U管道規(guī)格見表8.1。
表8.1 PVC-U管道規(guī)格
外徑/mm
輕型管
重型管
壁厚/mm
近似質(zhì)量
（kg／m）
壁厚/mm
近似質(zhì)量
（kg／m）
10
－
－
1.5
0.06
12
－
－
1.5
0.07
16
－
－
2.0
0.13
20
－
－
2.0
0.17
25
1.5
0.17
2.5
0.27
32
1.5
0.22
2.5
0.35
40
2.0
0.36
3.0
0.52
56
2.0
0.45
3.5
0.77
63
2.5
0.71
4.0
1.11
75
2.5
0.85
4.0
1.34
90
3.0
1.23
4.5
1.81
110
3.5
1.75
5.5
2.71
125
4.0
2.29
6.0
3.35
140
4.5
2.88
7.0
4.38
160
5.0
3.65
8.0
5.72
180
5.5
4.52
9.0
7.26
200
6.0
5.48
10.0
8.95
225
7.0
7.2
－
－
250
7.5
8.56
－
－
280
8.5
10.88
－
－
315
9.5
13.68
－
－
355
10.5
17.05
－
－
400
12.0
21.94
－
－
備注：在常溫下使用壓力：輕型管為0.6MPa，重型管為1.0MPa。
8.1.2 304不銹鋼無縫管
304不銹鋼是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設(shè)備和機件，防銹性能比200系列的不銹鋼材料要強，具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕、抗震動性能和較好的抗晶間腐蝕性能。對堿溶液及大部分有機酸和無機酸亦具有良好的耐腐蝕能力。304含鉻19%，含鎳9%。 304是得到最廣泛應(yīng)用的不銹鋼、耐熱鋼。用于食品生產(chǎn)設(shè)備、昔通化工設(shè)備、核能等。部分304不銹鋼無縫管的規(guī)格如表8.2。
表8.2 304不銹鋼無縫管的規(guī)格
規(guī)格mm
規(guī)格mm
規(guī)格mm
規(guī)格mm
48×10
49×10
50×2
54×10
60×3
68×3
70×4
70×8
83×11
89×7
95×12
95×20
102×5
102×10
114×4
114×10
121×5
121×10
127×6
133×15
152×5
152×20
168×8
168×10
8.2多袋式過濾器
袋式過濾機是一種壓力式過濾裝置，主要有過濾筒體、過濾筒蓋和快開機構(gòu)、不銹鋼濾袋加強網(wǎng)等主要部件組成，濾液由過濾機外殼的旁側(cè)入口管流入濾袋，濾袋本身是裝置在加強網(wǎng)籃內(nèi)，液體滲透過所需要細度等級的濾袋即能獲得合格的濾液，雜質(zhì)顆粒被濾袋攔截。該機更換濾袋十分方便，過濾基本無物料消耗。?
袋式過濾機主要有優(yōu)點如下：
1、 濾袋側(cè)漏機率小，有效地保證了過濾質(zhì)量；
2、 可承載更大的工作壓力，運行費用低；
3、 濾袋過濾精度高；
4、 處理量大、體積小，容污量大；
5、 更換濾袋時方便快捷，而且過濾機免清洗，省工省時;
6、 濾袋清洗后可反復(fù)使用、節(jié)約成本；
7、 袋式過濾應(yīng)用范圍廣，使用靈活，安裝方式多樣。
多袋式過濾器技術(shù)參數(shù)見表8.3
表8.3 多袋式過濾器技術(shù)參數(shù)
型號
濾袋編號
濾袋數(shù)量
過濾面積(m2)
最大流量（m3/h）
工作壓力（MPa）
標(biāo)準(zhǔn)進出口
ZF-1P1S
1
1
0.25
20
0.5
Φ50
ZF-1P1S
2
1
0.50
40
0.5
Φ50
ZF-2P2S
2
2
1.0
70
0.5
Φ50
ZF-3P2S
2
3
1.5
100
0.5
Φ50
ZF-4P2S
2
4
2.0
140
0.5
Φ100
ZF-5P2S
2
5
2.5
175
0.5
Φ150
ZF-6P2S
2
6
3.0
210
0.5
Φ200
ZF-7P2S
2
7
3.5
240
0.5
Φ200
ZF-8P2S
2
8
4.0
280
0.5
Φ250
ZF-10P2S
2
10
5.0
350
0.5
Φ250
ZF-12P2S
2
12
6.0
420
0.5
Φ300
ZF-14P2S
2
14
7.0
490
0.5
Φ300
ZF-16P2S
2
16
8.0
560
0.5
Φ300
ZF-18P2S
2
18
9.0
630
0.5
Φ350
ZF-20P2S
2
20
10.0
700
0.5
Φ350
8.3管路計算及設(shè)備選型
8.3.1集液池到過濾器管路計算
1）根據(jù)5.2生產(chǎn)能力計算可知，小時處理浸出液的量為：Q1=75.42 m3/h。
2）一般管內(nèi)液體流速不超過1.5m/s，設(shè)集液池到過濾器管路中液體流速為v=1.5m/s，管路內(nèi)徑為D1，
則由Q1=πdD12v/4可得D1=133.39mm，選擇外徑為152mm，壁厚為5 mm的不銹鋼無縫管，則內(nèi)徑d1=142mm。
3） 流速驗算：V1=4Q1/(πd12)=1.32 m/s，小于1.5m/s，符合要求。