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在旋轉生物接觸器中形成的氧化亞鐵硫桿菌生物膜的性質
L. Nikolova, D. Karamanevb,?, V. Mamatarkovaa,
D. Mehochev a, D. Dimitrov a
（a. 索菲亞大學生物系，8 Dr燦可夫大道，1421 So?a, Bulgaria b. 安大略大學化學工程與生物工程系，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進行了研究。主要的獨立變量是生物反應器中培養(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，對應的氧化率為0.35～8.6 g/m2 .h。
關鍵詞：生物膜；生物反應器；動力學參數(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為是高性能的生物反應器的開發(fā)來處理金屬浸出技術、凈化氣體含硫化合物和酸性礦山廢水的需要。【1】生物膜本身一直是眾多研究的課題，包括化學、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)可能對生物反應器設計以及數(shù)學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和亞鐵氧化率，培養(yǎng)基中Fe2+和產物中Fe３+濃度的一個函數(shù)關系。
２．材料和方法
2.1.生物反應器
一種實驗室型的旋轉生物接觸器已經被使用。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速。每個部分包含七個塑料（PVC）盤，直徑0.2m，安裝在水平旋轉的不銹鋼軸上。所有實驗均在26轉的轉速下進行。從鐵的氧化效率的角度上認為這個速度是最優(yōu)的?！荆贰扛鞑糠知毩⒉僮髯鳛橐粋€單獨的生物反應器（見表1）。輸入的亞鐵濃度（表1）被選為封面的紅細胞的應用范圍。
接種后，初始的生物膜的形成是在第一個20天內反復進行的。初始底物濃度，如表1所示。在第二步中，生物反應器被切換到液體停留時間為400min的連續(xù)操作。（對應的稀釋率為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)所有的反應器內液體的pH值在2.05和2.25之間。所有的結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
所有的部分都已經同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。【9】
3.結果
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。可以看出，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系
圖2.鐵濃度和生物膜密度的關系
生物膜的密度(圖2)，當輸入的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，當輸入底物濃度最低時生物反應器中（生物反應器# 1–3）的生物膜呈現(xiàn)淺黃色，暗黃色（生物反應器# 4），褐色（生化反應器# 5）和紅棕色（生物反應器# 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器。在生物反應器運行過程的6個月中，每個反應器的顏色保持不變?！?】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之間的生物反應器才觀察到有黏液的形成（生物反應器# 1–3）。在#4生物反應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器內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系
圖4.鐵濃度與生物膜中揮發(fā)性固體的關系
圖5.鐵的濃度與生物膜中含水量的函數(shù)關系
圖6.鐵的濃度與生物膜孔的比表面積的函數(shù)關系
4.結論
通過幾個有趣的觀察，可以得到一個分析的結果。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，它的化學通式為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）成比例這一假設應該是合乎邏輯的。然而，在鐵的氧化率近25倍的增加（從0.0675到1.64個/ L .和），對應于輸入的鐵濃度為0.49和14.2g/L之間時，結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率系數(shù)，那么細胞的數(shù)量應該與鐵的氧化速率處于一個成比例的穩(wěn)態(tài)。然而，當氧化率從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】，預計總的固定化細胞在這些生物反應器是幾乎恒定的。這可能會導致一個可能的結論，# 1生物反應器產量系數(shù)比# 6高出25倍。然而，很可能有第二個解釋：這項工作的結果報告可以由先前提出的一種特殊的人口動力學機制來解釋【5】。假定當T.氧化亞鐵硫桿菌的細胞形成單層時，細胞分裂，產生兩個子細胞，在液體介質中的一個被驅逐，而在生物膜中的第二個遺留的結果。因此，在液體中可以發(fā)現(xiàn)有生物膜產生的顯著數(shù)量的細胞存在?！?】在這種情況下，產量系數(shù)應在細胞總量的基礎計算（固定加自由懸?。?，并且在我們所有的生物反應器應該是相似的。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。這可能與微生物和黃鉀鐵礬的相互作用有關。
致謝：
這項工作是由北約（批準號：環(huán)境。crg974643），索菲亞大學和加拿大自然科學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
任務書
學 院： 核資源工程學院
題 目： 某堆浸鈾礦山100tU/a
密實移動床離子交換
工藝設計
論文 (設計) 內容及要求：
一、畢業(yè)設計原始依據(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，每年生產時間按300天計，水冶總回收率92%。設計內容從浸出液開始，到“111”產品。
以上述數(shù)據(jù)為依據(jù)，設計一個年產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)設計主要內容
（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計及參數(shù)選擇；
（3）密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉型塔的計算與設計；
（4）離子交換管路系統(tǒng)計算與設計；
（5）沉淀工藝及設備的計算與設計；
（6）水冶廠平面布置設計；
（7）繪制從浸出液到“111”產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、設備形象系統(tǒng)圖、工藝管線圖和數(shù)質量流程圖。圖紙要求采用CAD繪制，A1、A2、A3圖幅。
三、畢業(yè)設計（論文）基本要求
綜合運用所學的基礎理論與專業(yè)知識（包括以前的生產實習、畢業(yè)實習的實踐知識），在老師指導下獨立地、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計”，鞏固所學的各科知識，提高綜合運用所學理論知識和專業(yè)技能的能力；學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。
（1）按照畢業(yè)設計任務書的要求，在指導老師的指導和幫助下，結合實際情況，按期、認真完成題為“某堆浸鈾礦100tU/a密實移動床離子交換工藝設計”的內容，按時提交畢業(yè)設計。
（2）翻譯本專業(yè)英文文獻一篇（3000-5000漢字）。
四、畢業(yè)設計（論文）進度安排
（1） 20**.12.24～20**.2.24，廣泛查閱相關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，結合實際情況，認真研究、分析，擬定設計方案；
（3）20**.3.5～20**.4.20，密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉型塔、沉淀槽、壓濾機及工藝管線等水冶廠各部分的計算、設計及選擇；
（4）20**.4.21～20**.4.30，各種圖紙的設計繪制；
（5）20**.5.1～20**.5.15，編寫設計說明書；
（6）20**.5.16～20**.5.31，檢查修改，準備答辯（含預答辯）。
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）《溶浸采礦熱力學和動力學》，2003
（4）《濕法冶金》，1998
（5）《鈾礦石的化學分析》，2006
（6）《鈾礦石加工實驗室試驗手冊》，1992
（7）《鈾提取工藝學》，2010.1
（8）《選礦廠設計》，2006.1
（9）《化工工藝設計手冊》，2007
（10）圖書館、期刊網檢索相關文獻資料。
指導老師： （簽 名）
年 月 日
開題報告
設計（論文）題目
某堆浸鈾礦100tU/a密實移動床離子
交換工藝設計
設計（論文）題目來源
自選課題
設計（論文）題目類型
工藝設計
起止時間
一、 設計（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，每年生產時間按300天計，水冶總回收率92%。設計容從內浸出液開始，到“111”產品。
堆浸是堆置浸出法的簡稱，是通過將稀的化學溶劑噴淋在預先堆置好的礦石堆上，經過物理化學作用，選擇性的將礦石中的目標溶解（浸出）并轉入到溶液中，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。我國堆浸提鈾技術研究始于20世紀60年代, 經過幾代鈾礦冶科技工作者的不斷努力探索, 已經在許多技術領域取得了突破, 一大批科研成果已成功應用于堆浸提鈾工業(yè)生產, 并且取得了顯著的經濟效益。
目前堆浸技術廣泛的應用于礦石浸出。例如井下爆破堆浸技術、濃酸熟化——高鐵淋濾堆浸技術、低滲透性礦石制粒堆浸技術、細粒級礦石堆浸技術、串聯(lián)堆浸技術、細菌氧化堆浸技術等。
意義：通過綜合運用所學的專業(yè)理論知識與實習經驗，在老師的指導下，根據(jù)設計依據(jù)完成畢業(yè)設計。通過畢業(yè)設計，進一步鞏固所學的專業(yè)知識，提高綜合運用所學專業(yè)知識的能力。通過設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
二、設計（論文）主要研究的內容、預期目標：
內容：
（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計及參數(shù)選擇；
（3）密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉型塔的計算與設計；
（4）離子交換管路系統(tǒng)計算與設計；
（5）沉淀工藝及設備的計算與設計；
（6）水冶廠平面布置設計；
（7）繪制從浸出液到“111”產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、設備形象系統(tǒng)圖、工藝管線圖和數(shù)質量流程圖。圖紙要求采用CAD繪制，A1、A2、A3圖幅。
預期目標：
廣泛查閱相關文獻資料，編寫開題報告和文獻綜述→根據(jù)設計要求擬定設計方案→根據(jù)設計題目參數(shù)進行密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉型塔、沉淀槽、壓濾機及工藝管線等水冶廠各部分的計算、設計及選擇→各種圖紙的設計繪制→編寫設計說明書→檢查修改，預答辯→審核、
三、設計（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計及參數(shù)選擇；密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉型塔的計算與設計；離子交換管路系統(tǒng)計算與設計。
難點：水冶廠平面布置設計；繪制從浸出液到“111”產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、設備形象系統(tǒng)圖、工藝管線圖和數(shù)質量流程圖。圖紙要求采用CAD繪制，A1、A2、A3圖幅。
四、設計（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，結合實際情況，認真研究、分析，擬定設計方案；
（3）20**.3.5～20**.4.20，密實移動床吸附塔、淋洗塔、轉型塔、沉淀槽、壓濾機及工藝管線等水冶廠各部分的計算、設計及選擇；
（4）20**.4.21～20**.4.30，各種圖紙的設計繪制；
（5）20**.5.1～20**.5.15，編寫設計說明書；
（6） 20**.5.16～20**.5.31，檢查修改，準備答辯（含預答辯）。
五、進行設計（論文）所需條件：
1.設計所需查閱的資料
（1）《鈾、金、銅堆浸理論與實踐》，1997
（2）《溶浸采鈾（礦）》，1998
（3）《溶浸采礦熱力學和動力學》，2003
（4）《濕法冶金》，1998
（5）《鈾礦石的化學分析》，2006
（6）《鈾礦石加工實驗室試驗手冊》，1992
（7）《鈾提取工藝學》，2010.1
（8）《選礦廠設計》，2006.1
（9）《化工工藝設計手冊》，2007
（10）圖書館、期刊網檢索相關文獻資料。
2.設計所需要的計算機軟件
AutoCAD、Word文檔、Excel表格、Powerpoint幻燈片等
3.設計所需原始資料
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，每年生產時間按300天計，水冶總回收率92%。設計內容從浸出液開始，到“111”產品。
六、指導教師意見：
簽名： 年 月 日
摘要：本文是應用密實移動床離子交換技術對某鈾礦山100tU/a工藝進行設計，主要的工藝過程為堆浸浸出液 → 過濾 → 吸附 →淋洗 →沉淀 →壓濾→“111”產品。浸出液平均濃度為200 mg.L-1，每年生產時間按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) 。經過各個工藝過程的計算確定了所需物料的量、各種設備的型號數(shù)量、管道尺寸。本設計采用單塔吸附，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。經過各個工藝的操作處理最終得到產品。
關鍵詞: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
交換工藝設計
指導教師
胡鄂明
系
專業(yè)
班級
學生姓名
學號
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、字數(shù)要求3000字以上，可另附紙。
文獻綜述正文：
離子交換設備在鈾提取工藝中的應用
離子交換技術的應用至今已經有三十年的歷史，但是其新型高效的設備研究與發(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純化技術。它具有分離選擇性強、濃縮倍數(shù)高、操作方便等優(yōu)點，被廣泛的應用于工業(yè)生產中。如在我國鈾提取工藝中離子交換技術已經得到廣泛的應用。
離子交換在工業(yè)上的應用是通過離子交換設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鍵。這使得離子交換技術得到了廣泛的應用，并且經過對離子交換技術與裝置的研究，在鈾提取工藝上已經取得了很好的效益。與化學沉淀法相比離子交換技術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。【1】離子交換在工業(yè)上的應用是通過離子交換設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用的離子交換設備鈾: 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。下面對幾種設備做些介紹。
1. 密實固定床離子交換設備
1.1設備介紹
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用，主要用于清液的處理。按其結構形式可分為：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 床的結構在目前有典型的代表性, 其創(chuàng)新點在于進液與出液結構設計合理。ZLX - 1600 型離子交換設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,設備在吸附線速度40 m/h 以內能夠穩(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)當吸附原液中含有較高濃度的鐵、鈣等雜質以及存在的淤泥時，會導致床層發(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準要求嚴格，可在吸附前對原液進行預處理，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）存在設備管線復雜、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備
2.1設備簡介
目前國內應用的密實移動床離子交換設備大致可分為2種類型,即壓力型和非壓力型。密實移動床離子交換設備是由核工業(yè)北京化工冶金研究院于20世紀90年代通過消化吸收與自行開發(fā)相結合的方式研制開發(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備或在同一個設備的不同區(qū)段內完成的。其吸附塔的結構也與固定床清液吸附塔的結構相似?！?】這種設備的吸附是在單塔中進行的，塔內樹脂床高6～8 m，在吸附時，塔內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，從塔內排出一部分飽和樹脂，轉移到專用的密實移動床進行淋洗、轉型等，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型和飽和再吸附設施,這樣就增加了樹脂投入量和投資,并使流程延長；
（3)樹脂需要在設備間轉移,損耗較高。
3.塔式流化床離子交換塔
3.1設備簡介
塔式流化床,簡稱流化床,一般均是多級流化床【2】。這種設備在我國的鈾水冶廠和鈾礦山廢水處理廠中均有應用,用來處理含有一定量懸浮固體的渾濁液。工業(yè)上已經應用的流化床有兩種不同的塔板結構：穿流式篩板吸附塔和阻流式篩板吸附塔。前者應用比較普遍，不僅已廣泛應用于鈾礦山廢水處理廠,而且也已在鈾水冶廠中得到應用；而后者僅在少數(shù)鈾礦山廢水處理廠中有應用。
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移。這種設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用,李
啟成,等【6】研制的穿流式篩板塔即屬于流化床。該塔結構如圖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準而溢流排出。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過長期的運行,導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,甚至會發(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，會導致部分樹脂亂層。所以在操作中應該控制流量由小到大，同時在平時運轉時也應該保證流量的穩(wěn)定。
圖1. 穿流式篩板塔示意圖
4.總結
離子交換技術已經廣泛地應用于濕法冶金等工業(yè)生產。特別在我國核工業(yè)的發(fā)展下，離子交換技術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用于工業(yè)生產的裝置。還有一些其它裝置也在工業(yè)上得到應用，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格；
2） 單位生產能力低，設備占地面積大；
3） 樹脂利用率低，同時不易實現(xiàn)自動控制。
密實移動床
1） 單位生產能力高，占地面積?。?
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） 單位生產能力高，占地面積??；
3） 結構簡單，便于操作。
1） 為了提高空塔線速度,需要采用密度較高、傳質速率較快的樹脂；
2） 對樹脂粒度的均勻性要求嚴格。
5.展望
在鈾資源緊需的當今，出現(xiàn)了各種鈾采冶的新技術。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應用于工業(yè)生產中。如堆浸、地浸、攪拌浸出等。在提取鈾工藝上也有很多的技術應用與研究。在技術選擇上，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?shù)倪x擇。在鈾提取工藝上已經應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，離子交換設備的研制工作必將取得優(yōu)異的成果并得到應用。
參考文獻:
[1] 王清良.鈾提取工藝學[M].哈爾濱工程大學出版社，2009.
[2] 姜志新,諶競清,宋正孝.離子交換分離工程[M].天津:天津大學出版社,1992.
[3] 鐘平汝,雷澤勇,曾毅君.ZLX - 1600型離子交換設備的研制[J] .鈾礦冶, 2006,25(3):144 - 147.
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[6] 李啟成,張曉文,陳?；?穿流式篩板塔在鈾礦冶的應用[J].南華大學學報: 自然科學版,2004,18(3):59 - 66.
指導教師簽字
年 月 日
物件清單
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名稱
件數(shù)
頁數(shù)/規(guī)格
1
畢業(yè)設計任務書
1
3
2
開題報告
1
4
3
畢業(yè)設計正文
1
46
4
文獻綜述
1
6
5
外文翻譯
1
15
6
畢業(yè)設計工作記錄本
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計
摘要：本文是應用密實移動床離子交換技術對某鈾礦山100tU/a工藝進行設計，主要的工藝過程為堆浸浸出液 → 過濾 → 吸附 →淋洗 →沉淀 →壓濾→“111”產品。浸出液平均濃度為200 mg.L-1，每年生產時間按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) 。經過各個工藝過程的計算確定了所需物料的量、各種設備的型號數(shù)量、管道尺寸。本設計采用單塔吸附，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。經過各個工藝的操作處理最終得到產品。
關鍵詞: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設計部分 2
1.1設計主要參數(shù) 2
1.2產品方案及生產規(guī)模 3
1.2.1產品方案 3
1.2.2生產規(guī)模 3
1.3工作制度 3
1.4設計的指導思想及原則 3
1.4.1指導思想： 3
1.4.2設計原則： 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 7
2.3.2離子交換樹脂的分類 7
2.4主要反應過程 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生產方式的選擇 11
4.2生產能力計算 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產品過濾和干燥設備的選擇 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轉型泵、尾液泵 31
9工藝參數(shù)一覽表 31
10設備一覽表 32
11生產車間布置簡單說明 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 35
13.1三廢的主要來源及處理方法: 36
13.2 個人安全必須嚴格遵循的防護規(guī)程 37
14工藝總結 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)質量流程圖。
vi
引 言
鈾資源是與國家安全密切相關的戰(zhàn)略資源，是核大國地位保障的基礎。根據(jù)國際原子能機構的統(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國和供應國。
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%。目前已探明的并經國家儲委批準的鈾資源儲量約18.8萬噸金屬，已經正規(guī)設計開采的約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。現(xiàn)在純金屬鈾是核反應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，已能供應約17%的世界電能?？上攵?，鈾作為一種新型能源在國民經濟發(fā)展中不可或缺。中國的核電事業(yè)在國家的科技和經濟基礎都十分薄弱的條件下建立的，經過幾十年的建設，中國核電發(fā)展取得了重大突破，近兩年的核電建設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，多年來鈾工業(yè)的調整成效和科技進步，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，必將向技術新、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，為國民經濟的繁榮做出貢獻。
鈾裂變時產生的同位素及其射線，在工農業(yè)生產和科學技術領域中有廣泛的用途。例如，在工業(yè)上利用射線實現(xiàn)生產自動控制，無損傷檢查，給玻璃染色等；在農業(yè)上利用射線培育良種，防止病蟲害等；在醫(yī)學上用于滅菌消毒，臨床診斷及治療；在地質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。目前應用于工業(yè)生產的鈾提取技術有很多種，并取得了良好的效益。目前我國工業(yè)上應用廣泛地鈾提取工藝上應用最多的是離子交換法提取鈾。離子交換技術的應用至今已經有三十年的歷史，但是其新型高效的設備研究與發(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純化技術。它具有分離選擇性強、濃縮倍數(shù)高、操作方便等優(yōu)點，被廣泛的應用于工業(yè)生產中。如在我國鈾提取工藝中離子交換技術已經得到廣泛的應用。
離子交換在工業(yè)上的應用是通過離子交換設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鍵。這使得離子交換技術得到了廣泛的應用，并且經過對離子交換技術與裝置的研究，在鈾提取工藝上已經取得了很好的效益。與化學沉淀法相比離子交換技術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)上的應用是通過離子交換設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用的離子交換設備鈾: 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。本設計采用的是密實移動床離子交換法提取鈾。
1設計部分
1.1設計主要參數(shù)
（1）浸出液平均濃度為200 mg.L-1，每年生產時間按300天計，水冶總回收率92%。產品干基含鈾量為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產品方案及生產規(guī)模
1.2.1產品方案
最終產品為“111”（重鈾酸鈉）即黃餅。
1.2.2生產規(guī)模
年產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設計的指導思想及原則
1.4.1指導思想：
畢業(yè)設計是核化工專業(yè)最重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是專業(yè)教學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手段，是培養(yǎng)學生綜合運用所學專業(yè)知識分析和解決實際生產問題能力的必要教學環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)論文設計的特征能夠使核化工與核燃料專業(yè)的學生初步掌握工藝設計一般過程和方法，經過鈾水冶化工工藝設計的訓練使其具備一定的鈾水冶化工工藝設計能力，對以后不論從事生產、基礎建設、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設計原則：
包括各個專業(yè)、各學科方面的設計原則，如工藝路線的選擇、車間廠房的合理布置、設備選型和材料選用?？偟脑O計原則是：安全、經濟、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的可行性,在工藝設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移到合格液中，并通過一定技術獎合格液提取成產品的一種方法。目前堆浸在世界各國礦石提取工藝中都有廣泛地應用，如銅、金、鈾的堆浸。 我國堆浸技術應用比較早。目前堆浸技術已趨于成熟，應用更加廣泛，從60年代到現(xiàn)在，堆浸技術在我國已經得到廣泛的應用并取得了可觀的成果，特別在鈾的堆浸發(fā)展中已經取得了明顯的效益。如經過堆浸的研究發(fā)展使得鈾的產量逐漸提高、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有了較大的發(fā)展空間，這一技術的廣泛應用，對降低鈾的生產成本，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純化技術。它具有分離選擇性強、濃縮倍數(shù)高、操作方便等優(yōu)點，被廣泛的應用于工業(yè)生產中。目前國內大多使用離子交換法來提取鈾。離子交換在工業(yè)上的應用是通過離子交換設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得到了廣泛的應用，并且經過對離子交換技術與裝置的研究，在鈾提取工藝上已經取得了很好的效益。本設計采用的是密實移動床離子交換設備來提取鈾的。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備或在同一個設備的不同區(qū)段內完成的。這種設備的吸附是在單塔中進行的，塔內樹脂床高6～8 m，在吸附時，塔內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，從塔內排出一部分飽和樹脂，轉移到專用的密實移動床進行淋洗、轉型等，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，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）鈾的化學濃縮物含量高；
（5）回收率高；
（6）操作簡單，吸附尾液可以重復利用。
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
離子交換樹脂可以進行離子交換反應，典型的陽離子交換反應，如：
2NaR +CaCl2（aq）?CaR2 +2NaCl（aq）
典型的陰離子交換反應，如：
2RCl +Na2SO4（aq）?R2SO4 +2NaCl（aq）
一般的離子交換過程是可逆的，在式中，當樹脂上的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量進行的，樹脂從溶液中吸附若干當量的某種離子時，必將有等當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
目前生產上使用的離子交換樹脂，品種繁多。從樹脂的結構出發(fā)，一般按其官能團種類、制備骨架（即聚合體）的材料、骨架的孔結構特性、制備樹脂聚合體的聚合反應種類、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；按樹脂骨架的孔結構特性劃分為：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-，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的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，即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團恢復原來狀態(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+結合而恢復原來的組成。
（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合，從而產生陰離子交換作用。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合，從而產生陰離子交換作用。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。本設計采用的是強堿性陰離子交換樹脂，吸附的主要反應過程為：
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過程為：
(R4N)4 UO2(SO4)3+4 Cl- ? 4(R4N+) Cl- + UO22++3 SO42-
沉淀過程主要反應過程為：
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，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——板框壓濾得到產品。該工藝流程是當代鈾水冶先進技術。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，因而其傳質效率高、生產能力大、樹脂投入量少、易于自動控制。在本設計中采用的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。本設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
在本設計中采用的是密實移動床離子交換設備提取鈾，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樹脂轉型
淋洗結束后一般需要對樹脂轉型,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型后，下一步的操作就是合格液沉淀，在沉淀之前要調節(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”產品。本設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；產品干基鈾含量：61.5%；產品含水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生產方式的選擇
工業(yè)上生產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)點是設備簡單，改變生產品種容易；其缺點是原料消耗定額高，能量消耗大，勞動生產率低產品質量不穩(wěn)定。連續(xù)式操作，原料及能量消耗低，勞動生產率高，因此比較經濟；但總投資較大，占地面積較大，一般單線生產能力為3～5萬噸/年。半連續(xù)操作與連續(xù)操作相比設備費用較少，操作較簡單，改變生產品種較容易，但產品質量不如連續(xù)操作穩(wěn)定，與間歇操作相比，生產規(guī)模更大，勞動生產率也更高，連續(xù)流程和操作比較簡單，用于較大規(guī)模的品種生產。
在本設計中年產鈾量為100tU/a，取工作日為300天采用連續(xù)性操作。
4.2生產能力計算
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，應停止進液，塔內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，塔本身結構也較簡單;操作比較方便;進液的空塔線速度大，達 40～50 m/h，即生產能力大，且有利于液膜擴散控制的吸附過程的傳質;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
由已知的設計參數(shù)和計算的結果可知：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構示意圖
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系式計算，關系式為：
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)其他有關資料可知，在所測定范圍內樹脂床層阻力與空塔線速度基本呈正比關系,所以為了提高空塔線速度,必須相應提高進液壓力。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；而當采用高位槽供液時，就要看工程建設現(xiàn)場地形能否提供所需要的高差了。
總括而論，當條件具備時，吸附塔的空塔線速度偏高一些選取(如40～50 m/ h)比較有利，既能提高生產能力又可以達到高的傳質效率。本設計選定為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——傳質段即吸附段高度（m）Hf——反應段高度（m）；
HB——保護層高度（m）
a) 反應段高度(Hf)
鑒于目前尚不具備采用按比例放大方法計算的條件，例如采用傳質單元法或理論級法等計算傳質高度的條件尚不成熟，因此在目前設計中宜采用以設備擴大試驗或半工業(yè)試驗資料提供的傳質高度為基礎，再參照類似生產企業(yè)同類設備的經驗數(shù)據(jù)加以調整的方法(已知國內外用于處理地浸液的密實移動床吸附塔其傳質段高度一般在6～7 m)。其中應考慮布液的非均勻性、縱向混合等因素對傳質效率帶來的不利影響。這種影響最好通過放大設備的水力學模擬試驗來解決。
因此本設計選取反應段高度為7m。
b) 保護層高度(HB)
關于保護層高度，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，
在本設計中取密實移動床的生產周期為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。
當計算出的Hp小于0.5m時，HB取0.5m；當計算出的Hp大于0.5而小于0.75 m時，HB取0.75 m；當計算出的Hp大于0.75m而小于1.0 m時，HB取 1.0 m；當計算出的Hp大于1.0m時，一般應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塔底布液器的設計
布液器鈾很多種結構，分為環(huán)管式、倒錐式、排管式、輻射式以及組合式等等。目前我國主要應用于生產的是倒錐式和排管式兩種。
根據(jù)實際經驗，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，
在實際應用中，應考慮余量等情況，所以布液器的高度在設計中取0.5m。
塔底部設計成傾角為30°的錐形結構，底部樹脂排口得直徑應比頂部立管（見立管的設計）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按不小于每次補入塔內樹脂體積的2倍計算;貯槽的高徑比一般可取1 ：1或 3 ：2，本設計取1:1。
在本設計中的密實移動床生產周期為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，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）立管的設計
立管的規(guī)格設計要考慮一下問題：
①樹脂壓實層的阻力應該大于排液裝置以及其周圍樹脂層的阻力；
②在設計的時間內需要補加的樹脂要下落完畢。
根據(jù)經驗立管內樹脂的下落速度為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
設計淋洗劑的用量為產生飽和樹脂體積的2.5倍。可知淋洗劑的流量為;
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，不應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。因此一般工藝中設定淋洗塔的空塔線速度要低于3m/h。由此，本設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。經淋洗后的合格液由泵打入沉降槽。本設計采用的沉淀劑為片堿(固態(tài)NaOH)，通過調節(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)產品干基鈾含量：61.5%；黃餅比重：2.5×103 kg/m3；
6)產品含水：30%。
可知沉淀效率為：（10030-5）÷1030=99.95%；
則由年產100tU可知，年產鈾濃縮物Na2U2O7為：
100÷61.5%=162.6，取值為163t；
則可得日產量為:163÷300=544 kg/d；
小時產量為：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
（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反應：
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%，所以一天內沉淀下來的U為：
36×10.03×99.95%=360.90kg
由化學反應方程式可知：
2UO2SO 4 ～ 6NaOH ～ NaU2O7↓
2 6
360.90/238 x/40
解得NaOH質量x=181.97 kg
H2SO2～2NaOH
1 2
612/98 y/40
解得NaOH質量y=499.6 kg
故，一天內NaOH的用量為181.97+499.6=681.57 kg，即1.9t（NaOH）/ tU。
7鈾平衡計算
①鈾產量
年產鈾量為：100t/a
日產鈾量為：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，它是氯乙烯單體經聚合反應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、質輕，搬運裝卸便利：
PVC管材材質很輕，搬運，施工便利，可節(jié)省人工。
2、耐化學藥品性優(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、電纜的導管，與建筑上的電線配管。
6、不影響水質
PVC管由溶解試驗證實不影響水質，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
近似質量
（kg／m）
壁厚/mm
近似質量
（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是得到最廣泛應用的不銹鋼、耐熱鋼。用于食品生產設備、昔通化工設備、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、不銹鋼濾袋加強網等主要部件組成，濾液由過濾機外殼的旁側入口管流入濾袋，濾袋本身是裝置在加強網籃內，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、 濾袋側漏機率小，有效地保證了過濾質量；
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、 濾袋清洗后可反復使用、節(jié)約成本；
7、 袋式過濾應用范圍廣，使用靈活，安裝方式多樣。
多袋式過濾器技術參數(shù)見表8.3
表8.3 多袋式過濾器技術參數(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）
標準進出口
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）一般管內液體流速不超過1.5m/s，設集液池到過濾器管路中液體流速為v=1.5m/s，管路內徑為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，則內徑d1=142mm。
3） 流速驗算：V1=4Q1/(πd12)=1.32 m/s，小于1.5m/s，符合要求。