CN211435775U - 硝酸铀酰溶液的浓缩系统 - Google Patents

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李志全
刘伟明
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Abstract

本实用新型公开了一种硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其包括热水箱、冷水箱和温差驱动设备,所述温差驱动设备通过疏水性多孔膜分隔为热腔室和冷腔室,所述热水箱通过热水管线与热腔室连接形成热水循环,所述冷水箱通过冷水管线与冷腔室连接形成冷水循环,所述冷腔室上连接有负压管线,所述负压管线上设有真空泵,所述冷腔室通过排水管与产水箱连接。其目的是为了提供一种硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其能够有效地将硝酸铀酰溶液浓缩至400g/L以上,能耗更低,操作压力更低。

Description

硝酸铀酰溶液的浓缩系统
技术领域
本实用新型涉及铀纯化领域,特别是涉及一种用于硝酸铀酰溶液的浓缩系统。
背景技术
在核材料循环领域与核材料制备过程中,铀纯化转化是实现天然铀资源向核能开发应用转化的关键环节之一,不可或缺。铀纯化生产通常采用U3O8为原料硝酸溶解、萃取纯化得到低浓度的核纯级硝酸铀酰溶液,再经机械式蒸汽再压缩技术(MVR)蒸发浓缩制备满足后续工艺条件的高浓度硝酸铀酰溶液。
目前国内硝酸铀酰溶液的浓缩主要以外加热式蒸发器为主,在浓缩硝酸铀酰溶液过程中需不断输入生蒸汽,耗能较大,据计算其成本费用约为3000元/tU;机械式蒸汽再压缩技术(MVR)虽然可以通过对蒸发器产生的原本需要冷却的二次蒸汽循环利用,达到了节能的目的,但在国内的应用还不够成熟,因此亟需开发新的技术手段对硝酸铀酰溶液进行高倍数浓缩。
膜技术因在浓缩物料过程中不涉及相变、在常温或低温下即可进行、且耗能低、装置简单、控制与维护容易等特点近年来被广泛的应用于核工业领域。然而在利用压差式驱动膜分离技术时,最大的应用壁垒在于操作压力。当硝酸铀酰浓度过高时,会在进水侧产水较大的渗透压,尤其是在浓差极化条件下,膜表面渗透压将会达到极高的程度,而为了维持产水,这就需要提高系统的操作压力,使系统的安全性能降低。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其能够有效地将硝酸铀酰溶液浓缩至400g/L以上,与蒸发法相比能耗更低,与压差驱动膜分离方法相比,操作压力更低。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,包括热水箱、冷水箱和温差驱动设备,所述温差驱动设备通过疏水性多孔膜分隔为热腔室和冷腔室,所述热水箱通过热水管线与热腔室连接形成热水循环,所述冷水箱通过冷水管线与冷腔室连接形成冷水循环,所述冷腔室上连接有负压管线,所述负压管线上设有真空泵,所述冷腔室通过排水管与产水箱连接。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述热水管线包括第一热水管线和第二热水管线,所述第一热水管线和第二热水管线均连接于热水箱与热腔室之间,所述热水循环的方向为从热水箱出发经第一热水管线、热腔室和第二热水管线后再回到热水箱,所述第一热水管线上设有热水循环泵和热水阀门。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述第一热水管线和第二热水管线上均设有流量传感器、压力传感器和温度传感器。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述热水箱内设有液位传感器,所述热水箱上连接有排气管、第一补充管和第一排空管,所述排气管、第一补充管和第一排空管上均设有阀门,所述排气管上还设有第一过滤器。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述冷水管线包括第一冷水管线和第二冷水管线,所述第一冷水管线和第二冷水管线均连接于冷水箱与冷腔室之间,所述冷水循环的方向为从冷水箱出发经第一冷水管线、冷腔室和第二冷水管线后再回到冷水箱,所述第一冷水管线上设有冷水循环泵和冷水阀门。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述第一冷水管线和第二冷水管线上均设有流量传感器、压力传感器和温度传感器。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述冷水箱内设有液位传感器,所述冷水箱上连接有第二补充管和第二排空管,所述第二补充管和第二排空管上均设有阀门。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述负压管线上设有压力传感器、第二过滤器和阀门,所述产水箱内设有液位传感器。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统与现有技术不同之处在于本实用新型利用疏水性多孔膜为介质,硝酸铀酰溶液的易挥发组分(主要是水)被加热后以蒸气的形式在疏水性多孔膜两侧蒸气压差的推动下,从膜的热侧(即热腔室)跨膜输运至膜的冷侧(即冷腔室),然后将其冷凝,实现热侧硝酸铀酰溶液的浓缩。同时在膜冷侧施加负压,有效地降低膜两侧的蒸汽压差,并且可减少膜孔内的气体分子,进而使得气体分子在膜孔内的碰撞减少,提高膜通量。综上所述,本实用新型能够有效地将硝酸铀酰溶液浓缩至400g/L以上,与蒸发法相比能耗更低,与压差驱动膜分离方法相比,操作压力更低。
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统包括热水箱5、冷水箱21和温差驱动设备12,所述温差驱动设备12通过疏水性多孔膜分隔为热腔室和冷腔室,所述热水箱5通过热水管线与热腔室连接形成热水循环,所述冷水箱21通过冷水管线与冷腔室连接形成冷水循环,所述冷腔室上连接有负压管线16,所述负压管线16上设有真空泵17,所述冷腔室通过排水管14与产水箱15连接。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述热水管线包括第一热水管线9和第二热水管线13,所述第一热水管线9和第二热水管线13均连接于热水箱5与热腔室之间,所述热水循环的方向为从热水箱5出发经第一热水管线9、热腔室和第二热水管线13后再回到热水箱5,所述第一热水管线9上设有热水循环泵7和热水阀门。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述第一热水管线9和第二热水管线13上均设有流量传感器8、压力传感器10和温度传感器11。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述热水箱5内设有液位传感器6,所述热水箱5上连接有排气管1、第一补充管3和第一排空管4,所述排气管1、第一补充管3和第一排空管4上均设有阀门,所述排气管1上还设有第一过滤器2。第一补充管3用于补充硝酸铀酰溶液,第一排空管4用于排空热水箱5,排气管1用于排出热水箱5内的废气。热水箱5内的液位传感器6用于测量液位。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述冷水管线包括第一冷水管线23和第二冷水管线24,所述第一冷水管线23和第二冷水管线24均连接于冷水箱21与冷腔室之间,所述冷水循环的方向为从冷水箱21出发经第一冷水管线23、冷腔室和第二冷水管线24后再回到冷水箱21,所述第一冷水管线23上设有冷水循环泵22和冷水阀门。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述第一冷水管线23和第二冷水管线24上均设有流量传感器8、压力传感器10和温度传感器11。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述冷水箱21内设有液位传感器6,所述冷水箱21上连接有第二补充管19和第二排空管20,所述第二补充管19和第二排空管20上均设有阀门。第二补充管19用于补充循环冷却水,第二排空管20用于排空冷水箱21。冷水箱21内的液位传感器6用于测量液位。
本实用新型硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其中所述负压管线16上设有压力传感器10、第二过滤器18和阀门。产水箱15内设有液位传感器6用于测量液位。
第一过滤器2和第二过滤器18均为气水分离器,保护大气不受污染。
利用本实用新型浓缩硝酸铀酰溶液的方法如下:
将待处理的硝酸铀酰溶液注入热水箱5并加热,然后通过热水循环泵7将硝酸铀酰溶液泵入温差驱动设备12的热腔室,经循环后返回至所述热水箱5内,
在所述温差驱动设备12的冷腔室采用真空泵17制造负压,
向冷水箱21中注入循环冷却水,在所述真空泵17制造负压的同时,通过冷水循环泵22将所述循环冷却水泵入温差驱动设备12的冷腔室并对从热腔室进入冷腔室的蒸气进行降温,使蒸气冷凝后流入产水箱15。
将待处理的硝酸铀酰溶液注入热水箱5并加热的具体方式为:通过电加热、蒸汽加热或废热利用加热将热水箱5中的硝酸铀酰溶液加热至60℃到80℃之间,
在温差驱动设备12的冷腔室采用真空泵17制造负压时,所述真空泵17的真空度在5kPa到30kPa之间,
向冷水箱21中注入循环冷却水时,所述循环冷却水的温度在10℃到20℃之间。
循环冷却水采用去离子水,避免给浓缩硝酸铀酰溶液及产水中引入新的杂质。
硝酸铀酰溶液在热水箱5经过加热后从热水箱5出发经第一热水管线9、温差驱动设备12的热腔室和第二热水管线13后再回到热水箱5,形成热水循环。循环冷却水从冷水箱21出发经第一冷水管线23、温差驱动设备12的冷腔室和第二冷水管线24后再回到冷水箱21,形成冷水循环。
本实用新型利用疏水性多孔膜为介质,硝酸铀酰溶液的易挥发组分(主要是水)被加热后以蒸气的形式在疏水性多孔膜两侧蒸气压差的推动下,从膜的热侧(即热腔室)跨膜输运至膜的冷侧(即冷腔室),然后将其冷凝,实现热侧硝酸铀酰溶液的浓缩。同时在膜冷侧施加负压,有效地降低膜两侧的蒸汽压差,并且可减少膜孔内的气体分子,进而使得气体分子在膜孔内的碰撞减少,提高膜通量。综上所述,本实用新型能够有效地将硝酸铀酰溶液浓缩至400g/L以上,与蒸发法相比能耗更低,与压差驱动膜分离方法相比,操作压力更低。
本实用新型对硝酸铀酰的浓缩倍数主要受到硝酸铀酰溶解度的影响,与压差式膜分离技术相比,不需要提供较高的操作压力,能够实现较高的硝酸铀酰浓缩倍数,浓缩液中硝酸铀酰浓度可以达到400g/L以上;与蒸发技术相比,所需要的硝酸铀酰溶液温度较低,除直接加热方式外还可以有效利用废热,能够实现更低的操作能耗。
本实用新型的有益效果如下:(1)对非挥发性硝酸铀酰具有较高的截留率;(2)与蒸发相比,运行温度较低(30℃-70℃)、操作压力为常压;(3)处理效率受溶液中硝酸铀酰浓度影响较小。
本实用新型对硝酸铀酰的浓缩效果几乎只与硝酸铀酰的溶解度有关,而硝酸铀酰的溶解度如下表1所示,表明硝酸铀酰可以被浓缩至400g/L以上。
表1硝酸铀酰溶解度
温度(℃) 0 10 20 30 40 60 80 90 100
溶解度(g/100g) 98 107 122 141 167 317 388 426 474
下面以处理浓度为100g/L、体积为1m3的硝酸铀酰溶液为例进行说明:
如图1所示,首先将待处理的硝酸铀酰溶液注入热水箱5,热水箱5体积为1.2m3,热水箱5设置液位计用于判断硝酸铀酰溶液体积。然后通过电加热的方式对硝酸铀酰溶液进行加热,使其温度升高至75℃,为了避免在温度升高时,硝酸铀酰溶液挥发造成的空气污染,在热水箱5上设置第一过滤器2对挥发的硝酸铀酰溶液进行分离。然后硝酸铀酰溶液通过热水循环泵7泵入温差驱动设备12的热腔室,在进出水口分别设置压力传感器10、温度传感器11以及流量传感器8,以监测运行状态,热水循环泵7的流量为3m3/h。
然后打开真空泵17,调整真空度为15kPa,同样为了避免汽态的硝酸铀酰溶液进入大气造成环境污染,在真空泵17后设置第二过滤器18进行分离。真空度由负压管线16上的压力传感器10进行测量。冷水箱21体积为0.5m3,采用去离子水进行循环冷却,循环冷却水温度控制为10℃。冷却后液体通过排水管14进入体积为1m3的产水箱15内。
选择的温差驱动设备12中疏水性多孔膜的有效面积为50m3,在上述的运行条件下能够达到的平均膜通量为4LMH,即产水量约为200L/h。随着运行时间的增长,热水箱5中液位不断下降,产水箱15中液位不断上升。当热水箱5中硝酸铀酰溶液体积降低至250L时停止运行本系统,此时硝酸铀酰溶液中硝酸铀酰浓度为400g/L,浓缩4倍,产水箱15中体积为750L,硝酸铀酰浓度低于5mg/L,可以进入下游处理环节。
以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述,并非对本实用新型的范围进行限定,在不脱离本实用新型设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:包括热水箱、冷水箱和温差驱动设备,所述温差驱动设备通过疏水性多孔膜分隔为热腔室和冷腔室,所述热水箱通过热水管线与热腔室连接形成热水循环,所述冷水箱通过冷水管线与冷腔室连接形成冷水循环,所述冷腔室上连接有负压管线,所述负压管线上设有真空泵,所述冷腔室通过排水管与产水箱连接。
2.根据权利要求1所述的硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:所述热水管线包括第一热水管线和第二热水管线,所述第一热水管线和第二热水管线均连接于热水箱与热腔室之间,所述热水循环的方向为从热水箱出发经第一热水管线、热腔室和第二热水管线后再回到热水箱,所述第一热水管线上设有热水循环泵和热水阀门。
3.根据权利要求2所述的硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:所述第一热水管线和第二热水管线上均设有流量传感器、压力传感器和温度传感器。
4.根据权利要求3所述的硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:所述热水箱内设有液位传感器,所述热水箱上连接有排气管、第一补充管和第一排空管,所述排气管、第一补充管和第一排空管上均设有阀门,所述排气管上还设有第一过滤器。
5.根据权利要求4所述的硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:所述冷水管线包括第一冷水管线和第二冷水管线,所述第一冷水管线和第二冷水管线均连接于冷水箱与冷腔室之间,所述冷水循环的方向为从冷水箱出发经第一冷水管线、冷腔室和第二冷水管线后再回到冷水箱,所述第一冷水管线上设有冷水循环泵和冷水阀门。
6.根据权利要求5所述的硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:所述第一冷水管线和第二冷水管线上均设有流量传感器、压力传感器和温度传感器。
7.根据权利要求6所述的硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:所述冷水箱内设有液位传感器,所述冷水箱上连接有第二补充管和第二排空管,所述第二补充管和第二排空管上均设有阀门。
8.根据权利要求7所述的硝酸铀酰溶液的浓缩系统,其特征在于:所述负压管线上设有压力传感器、第二过滤器和阀门,所述产水箱内设有液位传感器。
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