Моделирование гидродинамики перемешивания двухкомпонентного раствора в головном реакторе каскада осаждения полиураната аммония

В статье представлены результаты исследования процессов перемешивания сернокислого раствора урана и углеаммонийного раствора в головном реакторе каскада осаждения полиураната аммония на предприятии АО «Далур» с модернизированным перемешивающим устройством. Исследования проводились методами вычислительной гидродинамики на базе программного комплекса “ANSYS CFD” с помощью математической модели, основанной на уравнениях Навье – Стокса в многокомпонентной постановке Маннинена, стандартной k–ε модели турбулентных пульсаций (k-epsilon) и методе скользящих сеток.
Для частот вращения перемешивающего устройства 180–1 020 об/мин получены распределения скоростей и объемных долей компонентов в головном реакторе каскада осаждения полиураната аммония. Показано, что продолжительность перемешивания в головном реакторе каскада лимитируется временем, необходимым для достижения равномерного распределения объемной доли углеаммонийного раствора. Установлено, что при использовании предложенного модернизированного перемешивающего устройства в рассмотренном диапазоне частот вращения равномерное распределение объемной доли углеаммонийного раствора в головном реакторе достигается за 15–20 мин.
Получены установившиеся линии тока смеси компонентов в головном реакторе с предложенным модернизированным перемешивающим устройством в непрерывном режиме работы. Определено, что для рассмотренных режимов работы характерно интенсивное перемешивание во всем объеме реактора. Показано, что использование модернизированного перемешивающего устройства позволит сократить время пребывания реагентов в головном реакторе, а также снизить расход углеаммонийной соли на осаждение полиураната аммония. Определены дальнейшие направления исследований.

Ключевые слова: осаждение полиураната аммония, перемешивающее устройство, вычислительная гидродинамика.

Язык статьи: русский. С. 5–17. DOI: 10.26277/SECNRS.2023.107.1.001.

---

Simulation of a stirring hydrodynamics of a two-component solution in the head reactor of the ammonium polyuranate precipitation cascade.

Khomyakov A. P., Ponizov A. V., Mordanov S. V., Naskina D. R., Khomyakova T. V., Lavrov A. S., Gushshamova V. N.

The paper shows the research results of the uranium sulfate solution and ammonium carbonate solution mixing processes in the JSC “Dalur” ammonium polyuranate precipitation cascade head reactor with the modernized mixing device. The research was performed using computational fluid dynamics methods in the “ANSYS CFD” software package using a mathematical model based on the Navier-Stokes equations in the multicomponent Manninen formulation, the standard k-ε turbulence model and the sliding mesh method.
For a stirrer speed of 180–1 020 rpm, the distributions of the velocities and the volume fractions of components in the head reactor of the ammonium polyuranate precipitation cascade were obtained. It was shown that the cascade head reactor mixing time is limited by the distribution duration of the ammonium carbonate solution volume fraction. It was found that the uniform distribution of the ammonium carbonate solution volume fraction in the head reactor takes 15–20 min, when the proposed modernized mixing device is used in the considered stirred speed range.
The steady-state path lines of the component’s mixture in the head reactor with the proposed modernized mixing device were observed under continuous operation mode. It was found that an intensive mixing throughout the reactor volume is typical for all the considered stirring regimes. It was demonstrated that the using of modernized mixing device will allow reducing the residence time for chemical agents in the head reactor and decreasing the ammonium carbonate consumption for the ammonium polyuranate precipitation. The further research directions were determined.

Keywords: ammonium polyuranate precipitation, mixing device, computational fluid dynamics.

Article language: Russian. Pp. 5–17. [in Russian]. DOI: 10.26277/SECNRS.2023.107.1.001.