Повышение эффективности процессов выщелачивания на основе усовершенствованной математической модели

• Автор: Александров, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 183 с. : ил.

Содержание
Введение.

Глава 1. Состояние изученности вопроса

1.1 Применение системного подхода к математическому описанию закономерностей процессов растворения и выщелачивания.
1.2 Кинетические уравнения, описывающие закономерности процессов растворения и выщелачивания.

1.3. Кинетика и закономерности растворения сферических частиц.

1.4. Полуэмпирические уравнения, применяющиеся для описания кинетики процесса выщелачивания

1.5. Основные математические модели кинетики процессов выщелачивания.

1.6 Аппаратурное оформление процессов растворения и выщелачивания

1.7 Основные типы математических моделей структуры потока в гидрометаллургических аппаратах.
1.8 Распределение времени пребывания элементов потока в гидрометаллургических аппаратах непрерывного действия.
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований и обработка результатов.
2.1 Способы экспериментального определения вида кривых функций распределен ия
2.2 Способы оценки неравномерности распределения времени пребывания .
2.3 Определение структуры потока в аппарате смешения
2.4 Определение параметров модели структуры потоков с использованием программного комплекса ЯТО
Глава 3. Изучение структуры потоков в гидрометаллургических аппаратах
3.1. Способ обработки и анализа моделей структуры потока в аппарате смешения
3.2.Комбинированные математические модели структуры потока
3.3. Определение структуры потока в объеме аппарата непрерывного
действия.
Глава 4. Математическое моделирование гидрометаллургических процессов производства цветных металлов
4.1 Математическое моделирование каскада реакторов по методике ВигдорчикаШейнина
4.2 Моделирование кинетики растворения минералов
4.3 Модель автоклавного окисления пирита
4.4 Моделирование процесса выщелачивания пирротиновых концентратов
4.5 Моделирование процесса выщелачивания цинковых концентратов
4.6 Моделирование процесса выщелачивания золотосодержащего сульфидномышьякового сырья
4.7 Моделирование выщелачивания при использовании автоклавов различного типа.
4.8 Математическое описание гранулометрического состава металлургических пульп
4.9 Усовершенствованная математическая модель процесса выщелачивания
Глава 5. Конструкции перемешивающих устройств.
5.1 Эффективность перемешивания и методы ее оценки
5.2 Циркуляция жидкости в аппарате с мешалкой.
5.3 Совершенствование конструкции мешалки.
Введение
Прогресс современной металлургии цветных, благородных и редких металлов тесно связан с развитием и совершенствованием гидрометаллургических методов извлечения ценных компонентов из рудного сырья.
К наиболее важным преимуществам гидрометаллургии по сравнению с пирометаллургией относятся следующие
1. Значительно меньшее загрязнение окружающей среды в случае применения гидрометаллургических методов. Кроме того, например, при переработке руд радиоактивных металлов эти методы являются единственно приемлемыми
2. Возможность комплексного извлечения всех ценных компонентов, содержащихся в рудном сырье
3. Более высокая экономичность при переработке сложных полиметаллических продуктов например, медноцинковых концентратов с очень тонким прорастанием минералов и т. д.
4. Возможность создания автоматизированных систем управления АСУ начиная с выщелачивания и кончая выделением металлов
Следует также отметить возможное разнообразие конечных форм товарного продукта слитки металла, металлические порошки, соли и т. д.
Все эти преимущества создают широкую перспективу внедрения гидрометаллургии в производство практически всех важнейших цветных, благородных и редких металлов. Уже сейчас металлургия цинка полностью перешла от пиро к гидрометаллургическим методам, В металлургии благородных металлов и при переработке большинства видов редкометалльного сырья также используют только гидрометаллургию.
В последнее время все чаще публикуют материалы, посвященные исследованиям, полупромышленным испытаниям, практике замены в промышленных условиях пирометаллургических методов
гидрометаллургическими с экономической оценкой результатов. Появляются патенты и описания усовершенствованных приборов для проведения гидрометаллургических процессов.
Для успешного практического применения гидрометаллургических процессов необходимо интенсивное развитие их теоретических основ, Как известно, самое практичное на свете хорошая теория, которая четко и ясно объясняет сущность изучаемых явлений, вскрывает пути их интенсификации, предсказывает новые процессы и совершенствует известные. Поскольку гидрометаллургические процессы в основном протекают в водных растворах, в их основе лежат общие закономерности химии, которые можно использовать для извлечения разных ценных компонентов. Гидрометаллургические процессы легче моделировать, чем пирометаллургические, что облегчает перенос найденных закономерностей из лабораторных условий в промышленные.
Гидрометаллургические процессы в цветной металлургии чаще всего проводятся в герметичной аппаратуреавтоклавах, при повышенных температурах и давлениях, Примерами такой технологии могут быть впервые разработанные в нашей стране и хорошо известные процессы извлечения глинозема из бокситов по способу К.И. Байера, получения вольфрамата натрия по способу И. Н. Масленицкого и В.С.Сырокомского и др. Позднее за рубежом автоклавная технология была применена в производстве никеля, кобальта и меди, приготовлении металлических порошков, выщелачивании урана и ряда других металлов, применяются эти процессы и в нашей стране. Интенсивному развитию автоклавной гидрометаллургии, наблюдаемому в последние десятьпятнадцать лет, способствовало бурное развитие химии и техники высоких давлений.
Широкое внедрение автоклавных процессов в металлургию объясняется также рядом их технологических преимуществ. Так, возможность достижения более высоких температур и концентраций газообразных реагентов обеспечивает благоприятный сдвиг химических равновесий и резкое увеличение
скорости большинства химических реакций. По этим причинам автоклавная технология позволяет эффективно осуществлять такие процессы, которые в обычных условиях протекают крайне медленно и неполно, Другие преимущества автоклавной технологии связаны с применением герметичной аппаратуры, уменьшающей потерю газообразных реагентов и существенно улучшающей условия труда. В ряде случаев автоклавная технология позволяет отказаться от пирометаллургических процессов, связанных с получением больших количеств вредных газов, пыли и других оборотных материалов, и в результате использования непрерывных потоков применить широкую механизацию и автоматизацию производства, повысить извлечение ценных компонентов сырья. Эти особенности наряду с высокой производительностью труда выгодно отличают автоклавную гидрометаллургию от пирометаллургии.
Актуальность


Теория диффузии в пористых средах развита лишь для сравнительно простых случаев. В реальных системах частицы имеют весьма сложную пористую структуру, причем величина и форма пор, а также распределение невыщелоченного компонента по объему частицы изменяются во времени и имеют весьма неопределенный характер . При этом вводится ряд упрощающих предположений. Наиболее широко принимаются следующие упрощения для описания процесса используются простые кинетические зависимости, поверхность частиц постоянна, частицы имеют сферическую форму и одинаковый размер, диффузионные сопротивления отсутствуют и растворитель присутствует в избытке, вследствие чего радиус частиц линейно изменяется во времени. Полученные таким путем результаты позволяют выяснить общие закономерности растворения. Однако введенные допущения сужают круг рассматриваемых процессов и в ряде случаев не соответствуют реальной физической картине. Принципиально другой подход к математическому описанию макрокинетики процессов непрерывного растворения и выщелачивания был предложен в работах . В качестве такой обобщающей кинетической характеристики для полидисперсного продукта было предложено использовать кинетическую функцию со0, представляющую собой зависимость доли нерастворившсгося компонента от безразмерного относительного времени 0, при постоянной температуре и концентрации активного реагента. Кинетическая функция может быть легко определена экспериментально в обычном периодическом опыте. Безразмерное относительное время О Т То, где т значение текущего времени в периодическом опыте, а То время полного растворения компонента. Важнейшим свойством кинетической функции является ее инвариантность относительно концентрации активного реагента и температуры. Это значит, что для любых постоянных значений концентрации активного реагента и температуры кинетическая функция имеет один и тот же вид. Влияние технологических параметров сказывается только на величине времени полного растворения. Объем необходимой кинетической информации о процессе растворения и методы экспериментального определения кинетической функции рассмотрены в работах . Метод математического моделирования непрерывных процессов выщелачивания, основанный на понятии кинетической функции растворяемого продукта, прошел многократную экспериментальную проверку. Практика показала хорошую сходимость экспериментальных результатов с расчетными, полученными на основании математической модели процесса, однако данный метод не дает представления о механизме растворения. Для описания нскаталитических реакций твердых частиц, окруженных газом или жидкостью, ограничиваются двумя простыми идеализированными моделями квазигомогенной и частицы с невзаимодействующим ядром. При этом скорость реакции одинакова на различных участках частицы. Модель частицы с невзаимодействующим ядром предполагает, что реакция в первую очередь протекает на внешней поверхности частицы. Зона реакции постепенно продвигается внутрь ее, оставляя за собой полностью превращенный продукт и инертную часть твердого вещества. В ходе реакции ядро твердого материала постепенно уменьшается. Практика показывает, что в подавляющем большинстве случаев модель частицы с невзаимодействующим ядром значительно точнее отражает действительную картину явления. Диффузия реагента Л через поверхностный слой, окружающий частицу, к поверхности вещества. Проникновение и диффузия реагента А через слой образовавшегося продукта Б к поверхности свежего вещества В. Химическое взаимодействие реагента А с веществом В. Диффузия продуктов реакции Р через слой продукта 8 обратно к поверхности частицы. Диффузия продуктов Р реакции через поверхностный слой обратно в основной поток вещества, окружающий частицу. В реальных условиях некоторые из указанных этапов обычно отсутствуют. Поскольку влияние перечисленных стадий происходит в соответствующей последовательности, можно считать их суммой сопротивлений, тормозящих реакцию. Вследствие этого, где бы ни находилась стадия с максимальным сопротивлением, ее надо рассматривать как фактор, лимитирующий скорость процесса.