Процессы и аппараты урановых производств Курс лекций Доцент кафедры ХТРЭ Кантаев Александр Сергеевич МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 1
Структура и содержание курса 1. Введение 2. Трубопроводы и арматура 3. Оборудование механических процессов 4.Транспортировка, хранение сыпучих материалов 5. Дробление и измельчение 6.Классификация. Основные способы классификации 7. Обогащение руд 8. Выщелачивание 9. Оборудование ионообменных процессов 10. Оборудование экстракционных процессов 11. Высокотемпературные процессы 12. Процессы в перемешиваемом слое твердого материала 13. Процессы в псевдоожиженном слое твердого материала 14. Процессы в пламени 15. Процессы и аппараты для получения и очистки металлов 2
Основная литература курса 1. Технология урана: учебное пособие / Маслов А.А., Каляцкая Г.В., Амелина Г.Н., Водянкин А.Ю., Егоров Н.Б. – Томск: Изд-во Томского политеха. университета, – 97 с. 2. Вольдман Г.М., Зеликман А.Н.. Теория гидрометаллургических процессов – М.: Интермет Инжиниринг, – 464 с. 3. Раков Э. Г. Процессы и аппараты радиоактивных и редких металлов: учебник/Э. Г. Раков, С. В. Хаустов; Под ред. Э. Г. Ракова. М.: Металлургия с.: ил. Библиогр.: с Судариков Б. Н. Процессы и аппараты урановых производств: учебное пособие / Б. Н. Судариков, Э. Г. Раков; Под ред. Б. В. Громова. М.: Машиностроение, с. 5. Status and trends in spent fuel reprocessing Proceedings of an Advisory Group meetingheld in Vienna, 7-10 September Nuclear Fuel Reprocessing Technology/ British Nuclear Fuels pic. Risley, Warrington, И.Д. Брус Процессы и аппараты производств урана. Конспект лекций. Томск, изд. ТПУ 2001, 164 с 8. 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. 9. С.И. Полькин, З.В. Адамов. Обогащения руд цветных и редких металлов. М., А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, К.Ф. Павлов, П.Г. Романов, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Издательство «Химия», 1969 г. 12. Ю.Н. Шаповалов и др. Машины и аппараты общетехнического назначения. 13. Машины и аппараты химических производств. Л., Примеры и задачи. Под общей редакцией В.Н. Соколова. 14. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. М. Высшая школа г Тетеревков А.И., Печковский В.В. Оборудование заводов неорганических веществ и основы проектирования.- Минск: Высш. шк с. 16. Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. – М.: Высш. Шк., с. 17. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи/ М.Ф. Михалев и др. – Л.: Машиностроение, – 301 с. 18. Дытнерский Ю.И, Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Высш. шк с. 19. Косинцев В.И., Михайличенко А.И. и др. Основы проектирования химических производств. – М.: МКЦ «Академкнига», с. Дополнительная 1. Арзамасов Б.Н., Брострем В.А., Буше Н.А. Конструкционные материалы. «Машиностроение» 1990 г. 688 с. 2. Криворот А.С. Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. - Н.: Машиностроение, с. 3. Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф., Макарова В.И. Основы материаловедения. М.: Машиностроение, с. 4. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. М.: Высш.шк., с. 3
Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Предмет и задачи курса. Факторы, влияющие на конструкции аппаратов и машин, их эксплуатацию. Химическая, радиохимическая и ядерная безопасность при конструировании химической аппаратуры и ее обслуживание 4
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. 5
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. 6
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. 7
Отличительные особенности оборудования, применяемого в технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов 1. Высокая активность веществ вызывает необходимость использования высоко коррозионностойких конструкционных материалов; 2. Высокая температура ряда процессов вызывает необходимость использования тугоплавких материалов; 3.Герметичность; 4. Обеспечение мер ядерной безопасности, т.е. предупреждение возможности возникновения СЦР. 8
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. 9 Рисунок - 1 зависимость рабочего давления от температуры
Расчет диаметров трубопроводов Правильный выбор диаметра имеет большое значение. Производительность трубопровода определяется скоростью движения среды и площадью живого сечения. 10 где w - скорость движения среды; s - площадью живого сечения. Массовый расход среды: где ρ - плотность среды.
Расчет диаметров трубопроводов Произведение ρ·w представляет массовую скорость: 11 Для трубопровода круглого сечения площадь: Отсюда диаметр трубопровода:
Расчет диаметров трубопроводов Если обозначить годовые затраты эксплуатации М, то: М = А + Э 12 где: А - затраты на эксплуатацию и ремонт; Э - энергозатраты (руб/год); М - затраты (руб/год); d опт - оптимальный диаметр. Рисунок - 2 зависимость денежных затрат от диаметра трубопровода
Скорости жидкостей и газов трубопроводов 13 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: 1. При небольших избыточных давлениях (при использовании вентиляторов) w = 8-15 м/с. Для случая прокачки газов под давлением w = м/с; 2. Для насыщенного водяного пара w = м/с; 3. Для перегретого водяного пара w = З0-50 м/с.
Трубопроводная арматура 14 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: D у - условный диаметр; Р у - условное давление.
Лекция 2 Оборудование для подготовки сырья и вспомогательных материалов к технологическому переделу 15
Назначение и классификация процессов дробления и измельчения В зависимости от характера внешних сил: обычное дробление и измельчение, осуществляемое за счет использования обычных механических сил; самоизмельчение при взаимном воздействии зерен друг на друга; электрогидравлическое дробление под действием ударных волн, возникающих при прохождении электрического заряда через жидкость; взрывное дробление или измельчение, основанное на распаде пород под действием внутренних сил растяжения при быстром снятии с них внешнего давления; вибрационное измельчение в поле вибрационных сил; центробежное измельчение в центробежном поле; струйное измельчение за счет кинетической энергии движущихся с высокой 16
Назначение и классификация процессов дробления и измельчения Размер максимальных кусков руды, поступающих с горных цехов на обогатительные фабрики, достигает 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. 17
Назначение и классификация процессов дробления и измельчения Общая степень дробления равна произведению степеней дробления всех стадий: 18 Измельчение также осуществляется обычно в несколько стадий. Степень измельчения при этом оценивают или соот ношением размеров максимальных зерен в исходном и из мельченном продуктах, или процентным содержанием опре деленного 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 % t и тонким, если его содержание превышаем 75 %. Дробление и особенно измельчение являются весьма энергоемкими процессами, потребляющими более половины всей энергии, расходуемой на обогатительной фабрике. По этому при осуществлении их на практике всегда руковод ствуются принципом: « Не дробить ничего лишнего », И если в исходном продукте содержится достаточное количество гото вого класса, то его выделяют перед дроблением или измельчением путем грохочения или классификации.
Назначение и классификация процессов дробления и измельчения От крупности дробимого материала и дробленого продукта: крупное дробление (от до мм), или первая стадия дробления (i обычно не более 5); среднее дробление (от до мм), или вторая стадия дробления (i не более ); мелкое дробление (от до мм), или третья стадия дробления (i не более 10). 19
Назначение и классификация процессов дробления и измельчения Рисунок - 2 Схемы открытых (а, б) и замкнутых (в, г) циклов дробления и из мельчения с предварительным (6), поверочным или контрольным (в) и со вмещенным предварительным и поверочным (г) грохочением или класси фикацией 20
Классификация печей Печи классифицируют: Термотехнологическим; Теплотехнологическим; Механическим характеристикам. Основные показатели работы печи: Производительность; Тепловая мощность; Кпд. 21
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. 22
Обжиг молибденита 23 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 Используют концентрат состава (%): Мо – до 56, Сu – 0,2, Са – 0,06, Аl 2 О 3 – до 0,3, S – 37-38, Zn – 0,06, Mg – 0,08, Р – 0,03, Pb – 0,04, Fe – 0,3–0,4, SiО 2 – 4,5, Ag – следы. Основная реакция: MoS 2 + O 2 = MoO 3 + SO 2 ΔG° = – 880 к Дж/моль Побочные реакции: CuO + MoO 3 = CuMoO 4 CuSO 4 + MoO 3 = CuMoO 4 + SO 3 (SO 2, O 2 ) Fe 2 O 3 + 3MoO 3 = Fe 2 (MoO 4 ) 3 ZnSO 4 + MoO 3 = ZnMoO 4 + SO 3 (SO 2, O 2 ) PbSO 4 + MoO 3 = PbMoO 4 + SO 3 (SO 2, O 2 )