способ переработки химического концентрата природного урана

Формула изобретения

Способ переработки химического концентрата природного урана с повышенным содержанием кремния, включающий выщелачивание для растворения урана при взаимодействии концентрата с раствором азотной кислоты с получением пульпы из концентрата, экстракцию урана из пульпы трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе, промывку экстракта и реэкстракцию урана, отличающийся тем, что экстракцию осуществляют из свежеприготовленной пульпы, которую получают прямоточным взаимодействием при температуре 20÷65°С предварительно приготовленного потока суспензии концентрата в воде и потока раствора азотной кислоты при соотношении расходов потоков, обеспечивающих концентрацию азотной кислоты в пульпе 25-120 г/л, при этом время от начала выщелачивания до начала экстракции не превышает 10 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам переработки химических концентратов природного урана (ХКПУ) и может быть использовано в технологии экстракционной переработки ХКПУ с повышенным содержанием кремния, с целью получения ядерно-чистых материалов, пригодных для производства гексафторида урана для обогащения.

Известны способы переработки ХКПУ, в которых уран выщелачивают растворами азотной кислоты, и на экстракцию урана трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе направляют пульпу, содержащую нерастворимый остаток гидратированных оксидов железа и других примесей в растворе уранилнитрата. Экстракцию из пульпы проводят, например, по способу (Ч.Харрингтон, А.Рюэле. Технология производства урана. - М.: Госатомиздат, 1961, с.157-162 [1]) или по способу (Ч.Харрингтон, А.Рюэле. Технология производства урана. - М.: Госатомиздат, 1961, с.179-182 [2]).

Положительным моментом экстракции из пульпы является исключение трудоемкой операции разделения суспензии (твердой и жидкой фаз) с целью получения раствора уранилнитрата.

При переработке ХКПУ с повышенным содержанием кремния пульпа содержит, помимо нерастворенных остатков концентрата (преимущественно в виде гидратированных соединений железа и некоторых других металлов), кремниевую кислоту, склонную к полимеризации и образующую гели. Недостатком экстракции из пульпы, содержащей и нерастворимые остатки и кремний в виде кремниевой кислоты, является то, что частицы нерастворимых остатков концентрата, особенно в присутствии гелей кремниевой кислоты, способствуют стабилизации эмульсий, которые образуются при взаимодействии экстрагента с раствором уранилнитрата, это ведет к прекращению расслаивания эмульсий, образованию так называемых медуз, нарушению экстракционного процесса.

Этот недостаток присущ обоим вышеупомянутым способам. Кроме того, получаются рафинаты, содержащие гели кремниевой кислоты, что делает невозможным их подземное захоронение в песчаные пласты-коллекторы из-за низких скоростей фильтрации и вызванной этим обстоятельством кольматацией пластов-коллекторов.

В обоих способах на экстракцию направляют пульпу, полученную в результате нескольких часов взаимодействия кислоты и концентрата.

В способе [1] выщелачивание ХКПУ проводят 60%-ной азотной кислотой в течение 3 часов при температуре 82°С, в результате получают пульпу с содержанием урана 200±10 г/л и азотной кислоты 3,0±0,2 моль/л, которую направляют на экстракцию.

В способе [2] при переработке ХКПУ с повышенным содержанием кремния выщелачивание проводят 40%-ной азотной кислотой при температуре 93-104°С в течение 4 часов. В готовой пульпе урана содержится 350-450 г/л, свободной азотной кислоты 0,8-1,8 моль/л. Пульпу направляют на экстракцию 30%-ным трибутилфосфатом в органическом разбавителе. Способ выбран за прототип.

Задачей изобретения является переработка пульп ХКПУ с повышенным содержанием кремния без образования нерасслаивающихся водно-органических эмульсий на экстракции урана, с получением рафинатов, которые возможно захоронить в подземные песчаные пласты-коллекторы, обеспечение заданной степени очистки урана от примесей.

Поставленную задачу решают тем, что в способе переработки химического концентрата природного урана с повышенным содержанием кремния, включающем растворение урана выщелачиванием при взаимодействии концентрата с раствором азотной кислоты с получением пульпы из концентрата, экстракцию урана из пульпы трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе, промывку экстракта и реэкстракцию урана, экстракцию осуществляют из свежеприготовленной пульпы, которую получают прямоточным взаимодействием при температуре 20÷65°С предварительно приготовленного потока суспензии концентрата в воде и потока раствора азотной кислоты при соотношении расходов потоков, обеспечивающих концентрацию азотной кислоты в пульпе 25÷120 г/л, при этом время от начала выщелачивания до начала экстракции не превышает 10 минут.

Суть способа состоит в том, чтобы экстракцию производить из свежеприготовленной пульпы, то есть такой пульпы, которую после получения без промедления направляют в экстрактор.

Способ осуществляют следующим образом.

Способом перерабатывают кремнийсодержащие концентраты природного урана, в том числе аммонийуранилтрикарбонат, пероксид урана, октаоксидтриурана, триоксида урана.

Перерабатывали ХКПУ «желтый кек». «Желтый кек» является солью - аммонийуранилтрикарбонатом. «Желтый кек» содержит 36÷42 мас.% U и другие элементы, такие как кремний, железо и алюминий. Содержание в «желтом кеке» балластных примесей составляет:

(мас.%): Si - (0,47÷0,71); SiO₂ - (1,0÷1,52); Fe - (0,58÷1,0); Al - (0,54÷1,0);

(мас.% к U): Si - (1,3÷1,7); SiO₂ - (2,8÷3,6); Fe - (1,6÷2,4); Al - (1,5÷2,4).

Пример.

В опытах серий 1, 2 и 3 перерабатывали «желтый кек», содержащий, мас.%: U - 40,0; Si - 0,60; Fe - 0,79; Al - 0,70. В пересчете на мас.% к U: Si - 1,49; Fe - 1,98; Al - 1,74.

В опытах серий 1 и 2 сначала готовили суспензию «желтого кека» в воде, для этого измельченный концентрат смешивали с заданным количеством воды при соотношении Т:Ж массы концентрата к объему воды (т/м ³) 1:(0,54÷0,60). Перевод «желтого кека» в водную суспензию значительно ускоряет последующий процесс растворения концентрата в кислоте.

Затем поток суспензии вводили во взаимодействие с потоком 40%-ного раствора азотной кислоты (7,9 моль/л) путем подачи потоков в термостатированный при заданной температуре (из интервала 20÷65°С) прямоточный реактор. Соотношения расходов потоков подбирали таким образом, чтобы после растворения урана остаточная концентрация азотной кислоты в пульпе на выходе из реактора (или, что то же самое, на входе в экстрактор) была бы равна 25÷120 г/л, а концентрация уранилнитрата в пульпе в пересчете на уран была бы равна 200÷300 г/л. Пульпа содержала нерастворимые остатки гидратированных соединений металлов. Продолжительность растворения урана при 65°С не превышала 5 минут, при 20°С - 10 минут (об окончании растворения урана свидетельствовало прекращение газовыделения).

Из прямоточного реактора поток реакционной смеси в виде свежеприготовленной пульпы двигался в экстрактор первой ступени экстракции. От начала выщелачивания до начала экстракции проходило не более 10 минут.

В опытах серии 3 «желтый кек» (не суспензию, а в твердом измельченном виде, как в прототипе) смешивали с раствором азотной кислоты. Выщелачивание с получением раствора уранилнитрата и нерастворимых остатков проводили при температуре 65°С, оно завершалось за 15-20 минут. Пульпу через 3 часа после начала выщелачивания концентрата подавали на экстракцию. Экстракцию проводили на том же каскаде и при тех же условиях, что и в опытах серий 1 и 2.

В таблице 1 приведены условия растворения «желтого кека» и составы пульп, полученных в опытах серий 1-3.

Во всех опытах серий 1-3 экстракционный каскад состоял из четырех блоков смесителей-отстойников: экстракции (из 5 ступеней), промывки (из 2 ступеней), реэкстракции (из 6 ступеней) и регенерации оборотного экстрагента (из 2 ступеней). Экстракцию урана проводили 30%-ным трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе. При этом в экстракте поддерживали [U]=100÷105 г/л, получали рафинаты с [U] < 0,1 г/л. Затем осуществляли реэкстракцию урана.

В процессе экстракционной переработки отслеживали накопление межфазных образований на границах раздела фаз в экстракционном блоке и анализировали содержание примесей в реэкстрактах урана.

В опытах серий 1 и 2 на границах раздела фаз в отстойных камерах смесителей-отстойников накопления межфазных образований («медуз») не происходило. Экстракт был прозрачным без видимых следов осадка. Частицы нерастворимых остатков, находясь в водной фазе, уже на первой экстракционной ступени укрупнялись, как это происходит в присутствии коагулянта, и следовали с водной фазой.

Кроме того, не наблюдалось образования гелей кремниевой кислоты в водной фазе всех ступеней экстракции; скорость фильтрации осветленных седиментацией рафинатов (отделение от нерастворимых остатков провели декантацией) через слой песчаного фильтра не менялась в течение одного месяца с момента их получения и была сопоставима со скоростью фильтрации воды. Это делает возможным подземное захоронение осветленных рафинатов в песчаные пласты-коллекторы.

В опытах серии 3 на границах раздела фаз в отстойных камерах смесителей-отстойников экстракционного блока сразу после подачи пульпы на экстракцию началось накопление межфазных образований («медуз»), что привело после десятикратного обмена растворов в экстракционном блоке к прекращению расслаивания эмульсий и остановке каскада. Экстракт, полученный до остановки каскада, был мутным со следами осадка.

Гель кремниевой кислоты, содержащийся в рафинате, после осветления рафината седиментацией с последующей декантацией, забивал песчаный фильтр, что сделало невозможным подземное захоронение рафината.

Из таблицы 1 видно следующее. В опытах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 содержание кремния в водных фазах пульп, направляемых на экстракцию, соответствует процентному содержанию кремния к урану в ХКПУ, равному 1,49%. В опытах 2.3÷2.5 содержание кремния в водной фазе пульпы снижается по сравнению с процентным содержанием кремния к урану, равным 1,49% в ХКПУ, с уменьшением расхода азотной кислоты и остаточной концентрации азотной кислоты в пульпах. Это сопровождается, как показал анализ осадков, выделенных из рафинатов, появлением кремния в осадках в опытах 2.3÷2.5. Объем отстоявшихся осадков в рафинатах увеличивался с 1,2 об % в опыте 2.3 с [HNO₃] в пульпе 47,0 г/л до 11,3 об.% в опыте 2.5 с [HNO₃] в пульпе 25,1 г/л. Выявленная закономерность - увеличение количества твердых отходов при уменьшении расхода азотной кислоты - позволяет выбрать экономически оптимальные расход дорогостоящей азотной кислоты (при соблюдении заявляемого интервала остаточной азотной кислоты в пульпе, подаваемой на экстракцию) и количество получаемых при этом твердых отходов, подлежащих захоронению.

Таким образом, процессу экстракции из свежеприготовленной пульпы не мешают ни нерастворенные остатки, ни кремний; это позволяет не проводить трудоемкую операцию разделения твердой и жидкой фаз.

Реэкстракты урана в опытах серий 1 и 2 имели одинаковый состав, в опытах 3 серии реэкстракты отличались по содержанию отдельных примесей. Содержание примесей в реэкстрактах приведено в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, заявляемый способ (опыты серий 1 и 2) обеспечивает необходимую очистку урана от примесей, а именно качество упаренных реэкстрактов соответствует требованиям технических условий ASTM С 788-03 на раствор или кристаллы уранилнитрата ядерной степени чистоты. В опытах 3 получен реэкстракт урана с содержанием примесей, превышающим нормированные значения, установленные ASTM С 788-03 (превышение по сумме элементов-примесей, не образующих летучих фторидов, и по кремнию).

Таким образом, заявляемый способ позволяет производить экстракцию из пульпы, полученной из концентратов с большим содержанием кремния, без присущих экстракции из таких пульп недостатков, то есть защитить экстракцию от образования нерасслаивающихся эмульсий, обеспечить заданную очистку урана от примесей и получить рафинаты, которые можно удалить в подземные песчаные пласты-коллекторы.