Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние технологий извлечения золота в растворы с помощью различных выщелачивающих агентов 9
1.1 Химизм процесса цианирования золота 9
1.1.1 Свойства золота 10
1.1.2 Химизм растворов цианида 12
1.1.3 Механизм реакции 13
1.1.4 Кинетика растворения золота 16
1.2 Тиосульфатное выщелачивание золота 19
1.2.1 Химизм процесса тиосульфатного выщелачивания золота 20
1.2.2 Детальное исследование процесса растворения золота в тиосульфатных растворах 25
1.2.3 Сорбция золота из тиосульфатных растворов 30
1.2.4 Регенерация использованной смолы 33
Глава 2 Экспериментальное исследование кинетики тиосульфатного выщелачивания 37
2.1 Аналитические исследования материалов 37
2.1.1 Гранулометрический анализ концентрата «К1» 37
2.1.2 Гранулометрический анализ концентрата «КЗ» 41
2.1.3 Анализ концентрата «К 1» на элементный состав 43
2.2 Калориметрические исследования материалов 44
2.2.1 Исследование процесса тиосульфатного выщелачивания золота методом измерения скорости теплового потока 45
2.2.2 Методы и методология калориметрических исследований 49
2.2.3 Результаты калориметрических исследований 50
2.3 Лабораторное исследование процесса тиосульфатного выщелачивания золота 52
2.3.1 Результаты анализа материала для проведения опытов 53
2.3.2 Описание экспериментальной лабораторной установкой 55
2.3.3 Описание последовательности действий при проведении анализа 57
2.3.4 Методика подготовки оборудования для проведения экспериментов и анализа 59
2.3.5 Начальные условия проведения экспериментов 60
2.3.6 Результаты анализа экспериментов 61
Глава 3 Математическое моделирование процессов выщелачивания золота 66
3.1 Математическое моделирование процесса цианирования золота 66
3.1.1 Модель периодического процесса 66
3.1.1.1 Описание модели 67
3.1.1.2 Условия проведения процесса 76
3.1.1.3 Результаты моделирования 82
3.1.1.3 Результаты оценки 85
3.1.2 Модель проточного реактора 87
3.1.2.1 Описание модели проточного реактора
3.1.2.2 Условия проведения процесса 88
3.1.2.3 Результаты и оценка моделирования 89
3.1.3 Каскад реакторов 91
3.1.3.1 Описание модели каскада реакторов 92
3.1.3.2 Условия проведения процесса 93
3.1.3.3 Результаты и оценка моделирования 93
3.2 Разработка математической модели тиосульфатного выщелачивания золота для различного аппаратурного оформления 96
3.2.1 Описание детальной кинетической модели тиосульфатного выщелачивания золота 96
3.2.2 Постановка обратной задачи 97
3.2.3 Сопоставление экспериментально полученных данных с данными моделирования 98
3.2.4 Описание модели в проточном реакторе 99
3.2.5 Исследование модели каскада аппаратов 100
Глава 4 Синтез структуры системы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота 104
4.1 Определение наиболее значимых факторов для модели процесса тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов 104
4.2 Обоснование для создания схемы осуществления процесса с дополнительной подпиткой реагентами 111
4.3 Расчет исходных данных для технико-экономической оценки процессов цианирования и тиосульфатного выщелачивания в каскаде реакторов 115
Заключение 116
Список литературы 117
- Кинетика растворения золота
- Исследование процесса тиосульфатного выщелачивания золота методом измерения скорости теплового потока
- Условия проведения процесса
- Обоснование для создания схемы осуществления процесса с дополнительной подпиткой реагентами
Введение к работе
Актуальность работы.
Одной из важных проблем гидрометаллургических технологий является использование в процессах вредных химических реагентов и осуществление выбросов в окружающую среду, что может быть решено применением более безопасных методов обработки рудных концентратов при извлечении целевых компонентов.
На большинстве предприятий, как в России, так и за рубежом, для перевода золота из руды и концентрата в раствор используется цианирование, которое позволяет осуществлять в ряде случаев довольно полное последующее извлечение золота. Однако данная методика является весьма опасной с экологической точки зрения, так как сопряжена с использованием высокотоксичных реагентов, представляющих опасность для окружающей среды и обслуживающего персонала.
В последнее время активно проводятся работы по замене цианидного выщелачивающего агента на более безопасный - тиосульфат натрия. Однако, степень отработанности процесса тиосуль- фатного выщелачивания еще не достаточно велика для создания промышленной технологии этого процесса.
Огромный вклад в развитие и совершенствование технологий извлечения золота внесли такие крупные специалисты как И.Н. Масленицкий, Л.В. Чугаев, В.Ф. Борбат, М.Н. Никитин, Ю.А. Котляр, И.А. Каковский, С.С. Набойченко, М.А. Меретуков, Л.С. Стрижко, В.В. Лодейщиков, И.Н. Плаксин и др. Хорошо известны работы зарубежных авторов G. Senanayake, M.G. Aylmore и D.M. Muir в областях исследования кинетики и математического моделирования процесса выщелачивания золота.
Однако традиционные системы управления процессом выщелачивания не могут быть применены в полной мере по причине отсутствия текущего контроля концентраций ряда компонентов раствора непосредственно в ходе процесса. Математическая модель процесса может служить своеобразным «измерительным устройством», позволяющим выразить неизмеряемые параметры процесса через измеряемые и использоваться для построения прогнозирую-
щей системы управления, обеспечивающей компенсацию поступающих в процесс возмущений.
При этом наиболее трудоемкой задачей является создание промышленных технологий на основании результатов лабораторных исследований. Поэтому детальное исследование кинетики этого процесса и создание кинетической модели тиосульфатного выщелачивания является крайне необходимым для разработки научных основ технологии и выбора подходящей системы управления данным процессом. Эта информация позволит получить исходные данные для проведения сопоставления технико-экономических характеристик процесса тиосульфатного выщелачивания и процесса цианирования, что позволит принять технически обоснованное решение о возможности промышленной реализации процесса тиосульфатного выщелачивания.
Для существенного ускорения этой процедуры в последнее время широко применяется метод математического моделирования. Поэтому разработка экологически безопасного метода выщелачивания золота из рудных концентратов золотосодержащих руд на базе использования метода математического моделирования для определения оптимальных технологических параметров автоматизированной системы управления процессом является актуальной проблемой.
Цель работы - разработка математической модели процесса извлечения золота в раствор из сульфидных руд и синтез схемы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов с дополнительной подпиткой реагентами.
Основные задачи исследований:
-
Научно-технический анализ современного состояния и перспектив развития процесса выщелачивания золота.
-
Проведение экспериментальных исследований кинетики тиосуль- фатного выщелачивания.
-
Решение обратной кинетической задачи для определения кинетических параметров процесса выщелачивания.
-
Разработка математической модели процессов выщелачивания золота в каскаде реакторов с использованием полученной кинетической модели.
5. Синтез схемы управления процессом выщелачивания золота в каскаде реакторов идеального смешения.
Методология и методы исследования. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Экспериментальные данные собраны в ходе исследований, проведенных в лабораторном реакторе периодического действия, а также путем лабораторного физико-химического анализа отобранных технологических проб. Для моделирования процессов, протекающих в процессе тиосульфатного выщелачивания золота, построения системы управления, обработки данных использовался современный пакет компьютерного моделирования ReactOp Cascade. При выборе и разработке системы управления процессом использованы современные методы теории автоматического управления.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:
-
-
Установлено, что в составе руды имеется два типа золота, различающегося по доступности к выщелачиванию.
-
Показано, что реакция между двухвалентной медью и тиосульфатом натрия должна учитываться при разработке детальной кинетической модели.
-
Найдены кинетические параметры тиосульфатного выщелачивания золота - предэкспоненциальные множители и энергии активации основных и побочных реакций, которые находятся в хорошем соответствии с литературными данными.
-
Установлено, что секционирование реакторного объема - применение каскада реакторов из 4-5 аппаратов приводит к увеличению извлечения золота.
-
Математическая модель процесса выщелачивания золота тиосульфатным раствором позволяет определить оптимальное время пребывания реакционной смеси в аппаратах в зависимости от числа реакторов в каскаде.
-
Использование полученной математической модели в контуре управления каскадом аппаратов позволяет увеличить извлечение золота на выходах из второго и третьего реакторов на 2,02 % и 1,58 % соответственно за счет организации оптимальной подпитки реакторов расходуемыми реагентами.
Практическая значимость работы:
-
-
-
Детальная модель процесса тиосульфатного выщелачивания золота, разработанная в программном комплексе ReactOp Cascade, может применяться на практике в системе управления для оперативной корректировки условий выщелачивания золота в каскаде реакторов.
-
Научные результаты могут быть использованы для оценки целесообразности проектирования, реализации и выполнения организационно-технологических мероприятий при создании технологического процесса по переработке золотоносных руд и концентратов методом тиосульфатного выщелачивания.
-
Научные результаты работы могут быть использованы в учебном процессе Национального минерально-сырьевого университета «Горный» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации подтверждаются использованием современных методов исследований и обработки данных. Хорошая сходимость результатов математического моделирования и экспериментальных исследований параметров процесса тиосульфатного выщелачивания золота обоснована использованием современного программного обеспечения.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международном форум-конкурсе молодых ученых «Актуальные проблемы недропользования» в г. Санкт-Петербург в 2010 г., на международном форум- конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» в г. Санкт-Петербург в 2011 г., на конференции молодых ученых в рамках «Петербургской технической ярмарки 2011» 15-17 марта 2011 г., на международной научной специализированной конференции в Германии в г. Фрайберг в 2011 г., на международной научной специализированной конференции «Исследование материалов с использованием методов термического анализа, калориметрии и сорбции газов» в г. Санкт-Петербург 1-2 марта 2012 г., на научных семинарах кафедры АТПП Горного университета 2010-2013 г.г., на научно-технических советах по работе с аспирантами Горного универси-
тета 2010-2013 г.г. и на 23-м Европейском симпозиуме по автоматизированным системам технологического проектирования «ESCAPE 23» в Финляндии в г. Лаппеенранта в 2013 г.
Личный вклад автора состоит в анализе существующих способов выщелачивания золота, проведении лабораторных экспериментальных исследований, компьютерном моделировании кинетики, создании математической модели и схемы управления процессом, обработке и обобщении результатов исследований, в апробации достигнутых результатов и подготовке публикаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 131 страницу машинописного текста, 56 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 128 наименований.
Кинетика растворения золота
Многочисленные исследования показали, что тиосульфатное выщелачивание наиболее простых в технологическом отношении окисленных руд дает результаты, ниже результатов цианистого процесса по различным показателям. В таблице 3 приведены результаты цианирования и тиосульфатного выщелачивания окисленных золотых руд ряда месторождений Австралии [23]. Показано, что извлечение золота и серебра при цианировании существенно выше, чем при тиосульфатном выщелачивании. Для разных типов руд диапазон извлечения золота в тиосульфатный раствор сильно колеблется (условия выщелачивания были идентичными). Это говорит о существовании важных факторов, влияющих на извлечение золота. К одному из них относится образование пленок на поверхности растворяющихся золотин, которые наблюдались во время микроскопических исследований [43].
Результаты выщелачивания золота из австралийских окисленных руд цианистым раствором и разбавленными растворами тиосульфата аммония [231 Руда Содержание Аи, г/т Извлечение Аи,% s2o32- CN W.A.Goldfields (окисл.+l %сульфидов) 3,8 58-69 83 N. Territory (окисл., хвосты гравитации) 1,1 58 90 N. Queensland А (окисленная) 21 77-90 95 N. Queensland В (окисленная) 11 66-85 95 Что касается расхода тиосульфата, то его величина колеблется в диапазоне - от 2 до 50 кг/т и зависит от многих факторов. К ним относится минералогический состав руды или концентрата и наличие сульфидов в исследуемом материале. Сульфиды не взаимодействуют с тиосульфатом и катализируют его окисление кислородом. В результате не только возрастает расход тиосульфата[24, 25], но и снижается извлечение золота, потому что полити он аты, образованные в процессе, замедляют его растворение [43].
Многие исследователи отмечают [29-32], что важным фактором, определяющим расход тиосульфата, является концентрация меди в растворе. Для снижения расхода тиосульфата концентрацию меди в растворе необходимо поддерживать на минимальном уровне, достаточном лишь для выполнения ею функции катализатора при окислении золота. Этому уровню отвечает концентрация меди 0,01-0,02М. Также исследуются иные катализаторы и окислители, меньше влияющие на разрушение тиосульфата. Такими свойствами обладают ионы никеля[26] и ионы Fe(III)EDTA [27]. Не так давно появились работы, в которых описано, что процесс тиосульфатного выщелачивания можно проводить вообще без использования катализаторов, однако, процесс идет с приемлемой скоростью лишь под давлением кислорода [28, 29, 43].
Среди других факторов, влияющих на расход тиосульфата, следует отметить степень аэрации пульпы воздухом. Большинство исследователей отмечают, что степень аэрации должна быть весьма ограниченной и обеспечивать концентрацию кислорода в жидкой фазе пульпы на уровне 0,3-0,5 мг/л, полагая, что более высокая концентрация кислорода способствует бесполезному окислению тиосульфата и увеличению его расхода. Это утверждение не согласуется с общими представлениями о тиосульфатном выщелачивании, согласно которым кислород выполняет функцию окислителя золота. Как бы то ни было, в подавляющем большинстве работ тиосульфатное выщелачивание проводят при минимальной аэрации или даже без нее, что является одним из важных отличий этого процесса от процесса цианирования, где аэрация пульпы является непременным условием успешного проведения процесса [30, 43]. Температура тиосульфатного выщелачивания также влияет на расход тиосульфата и отчасти на извлечение золота. Оптимальная температура процесса близка к комнатной, но не должна превышать 60 С. При температуре выше резко возрастает расход тиосульфата. Результаты, приведенные в [31] дают понять, что повышение температуры выше комнатной приводит не только к повышению расхода тиосульфата, но и к заметному снижению скорости и полноты извлечения золота в раствор. Такой характер влияния температуры на кинетику процесса связан, по-видимому, с интенсификацией образования на золоте пассивирующих пленок [43].
Хотя в большинстве случаев тиосульфатное выщелачивание заметно уступает цианированию, как по извлечению золота, так и по расходу реагентов, тем не менее, наметилась ниша, которую может занять тиосульфатное выщелачивание уже в ближайшем будущем [32]. Это - переработка руд и концентратов, содержащих углистое вещество [20,26,33-36]. Тиосульфатный комплекс золота в отличие от цианистого практически не сорбируется на угле. Это обстоятельство открывает возможности применения тиосульфатного выщелачивания для переработки углистых руд и концентратов, когда применение цианистого процесса CIL не может обеспечить высокого извлечения золота [43].
Другим перспективным объектом применения тиосульфатного выщелачивания являются медистые золотосодержащие руды. Как известно, цианирование таких руд сопровождается высоким расходом цианида и низким извлечением золота. Выполненные в последние годы исследования показали возможность извлечения из таких руд до 85-90 % золота, что недостижимо обычным цианированием [26,37, 43]. Возможности применения тиосульфатного выщелачивания продемонстрировала компания Barrick [33]. На заводе Goldstrike Mine этой компании перерабатываются упорные руды, содержащие тонкодисперсное золото. Для вскрытия этого золота на заводе уже длительное время успешно применяется процесс автоклавного окислительного выщелачивания. В зависимости от содержания карбонатов в руде применяется кислый или щелочной вариант вскрытия. Промытый автоклавный остаток нейтрализуется известняком и известью и подвергается цианированию по методу CIL. Однако свое будущее компания связывает с большими запасами углистых руд, переработка которых этим методом привела бы к большим потерям золота. Поэтому компания изучила возможность применения процесса тиосульфатного варианта переработки таких РУД [43].
Лабораторные испытания проводились в периодическом режиме на нескольких пробах руд, отобранных из разных зон месторождения Goldstrike. Пробы отличались содержанием углистого вещества [43].
Для вскрытия золота пробы подвергались автоклавному выщелачиванию в периодическом режиме в условиях, принятых на действующем предприятии [38] (температура 225С, парциальное давление кислорода 690 кПа, время пребывания пульпы в автоклаве 1ч) и обеспечивающих полное окисление сульфидной серы до сульфатов. Охлажденная до 60С и нейтрализованная пульпа подвергалась тиосульфатному выщелачиванию [43].
Исследование процесса тиосульфатного выщелачивания золота методом измерения скорости теплового потока
Использование калориметрической техники для исследования свойств руд и концентратов помогает оценить различные параметры при организационно-технологических мероприятиях, при планировании и масштабировании технологических процессов. Калориметрические исследования позволяют оценить скорость тепловыделения при протекании того или иного химического превращения. Немаловажной особенностью используемого в данной работе оборудования является, что оно позволяет проводить эксперименты с возможность записи данных о процессе в режиме реального времени. Это крайне важно с точки зрения использования полученных результатов в исследовании, как кинетики, так и управления данным технологическим процессом. Этот этап является достаточно важным при планировании как лабораторных, опытно-промышленных экспериментов в целом.
Фирма SETARAM Instruments выпускает широкий спектр калориметров в разных модификациях с различными техническими характеристиками, что определяется целями и задачами исследований, а также финансовыми возможностями покупателей. На представленном оборудовании имеется возможность измерять скорость тепловыделений химических превращений в процессах с перемешиванием посредством использования дополнительного оборудования для реверсивного перемешивания. Для проведения экспериментов было использовано оборудование, показанное на рисунке 18:
Калориметр С80 является одним из самых мощных легко приспосабливаемым доступным калориметром. Высокая точность Calvet детектора позволяет достигать уникального уровня чувствительности к тепловым эффектам, а возможность проектирования ячеек и сосудов (как на рисунке 19) для моделирования практически любых потенциальных условий протекания процессов: с давлением до 1000 бар, перемешиванием, способностью пропускания потока и смачиванием.
При этом существует множество ячеек, в которые помещается образец для исследования. В данных экспериментах были использованы мембранные двухкамерные ячейки из нержавеющей стали с полезным объемом 2,6 и 2,9 см . Особенностью используемого оборудования является очень высокая точность измерений и контролируемых параметров, которая достигается благодаря наличию 3D датчика по технологии Calvet Design, показанного на рисунке 21. Калориметр С80 использует инновационную технологию Calvet Design для калориметрического датчика, в котором ячейка с образцом и сравнительная ячейка полностью окружены массивами термопар. Этот массив позволяет измерять всё излучаемое (или поглощаемое) тепло, включая излучение, конвекцию и теплопроводность. Датчик Calvet обеспечивает непараллельную точность измерений, независимых от природы пробы или её матрицы - будь то твердый материал, жидкий, газ или порошкообразный и др.
Калибровка любого калориметрического датчика является ключевым параметром в производительности и эффективности, и для датчика Calvet использовался так называемый эффект Джоуля (электрическая калибровка). Специализированный сосуд с встроенным электрическим нагревателем (платиновый термометр сопротивления) использовался для моделирования экспериментальной ячейки, содержащий образец (пробу), и производилась калибровка, используя серию точных тепловых входов. Главные достоинства данной калибровки состоят в следующем: 1. абсолютная калибровка; 2. не требуется использование элемента сравнения из металла; 3. калибровка может быть произведена при постоянной температуре, со сканированием (а также нагревом или охлаждением); 4. это может быть использовано при любом калибровочном объеме. Образец, с измерительной ячейкой, помещен прямо в центр измерительной зоны, каждая из которой имеет в целом 9 концентрических кольца (рисунок 21), Каждое измерительное кольцо содержит 38 термопар (всего 324), образуя цилиндр, который полностью покрывает обе ячейки (с образцом и сравнения). Поэтому всё тепло, измеренное этими датчиками, может быть спроектировано и сконфигурировано для удовлетворения условий изучаемого процесса.
Для исследования скорости теплового потока при выщелачивании золота в тиосульфатных растворах была разработана методика исследования методом калориметрии теплового потока. Требуемый для проведения эксперимента образец концентрата взвешивался и погружался в первую камеру ячейки калориметра. Масса концентрата, необходимая для опыта, определялась исходя из плотности суспензии каждого из экспериментов. Нижняя камера ячейки накрывалась тонкой пленкой из фторопласта с целью избегания контакта исследуемого концентрата с выщелачивающим раствором до начала процесса перемешивания и выщелачивания непосредственно. После этого в ячейку помещалась вторая камера, в которую было налито взвешенное количество необходимого для требуемого соотношения с концентратом раствора. Далее ячейка помещалась в калориметр на время, необходимое для установления температуры ячейки с образцом на заданный уровень. Обычно требовалось около трех часов для выхода на стационарный режим и стабилизации температуры ячеек на заданном уровне [49-52]. Затем начинался непосредственно сам процесс выщелачивания: запускался реверсивный механизм для вращения калориметра с целью постоянного перемешивания суспензии, и разрывалась мембрана с помощью специального устройства. Данные с термопар от ячейки-эталона и ячейки с образцом суспензии сравнивались, записывались на персональный компьютер, подключенный к калориметру, и отображались в режиме реального времени на мониторе компьютера. Это позволяло оперативно получать всю информацию о ходе процесса, измеренную датчиками в калориметре.
Приготовление аммиачно-тиосульфатного выщелачивающего раствора с добавкой меди. В выщелачивающем растворе содержится четыре компонента: вода, кристаллогидрат тиосульфата натрия, кристаллогидрат сульфата меди и гидроксид аммония. Следует кратко описать отдельно приготовление выщелачивающего агента для экспериментов. На практике замечено, что необходимо учитывать последовательность смешения компонентов в связи с их постепенным разложением, а также выпадом в осадок в зависимости от концентрированности некоторых компонентов. Использовался следующий порядок смешения компонентов: вначале к дистиллированной воде добавлялся кристаллогидрат меди, после полного его растворения добавлялся гидроксид аммония, при этом замечено, что желательно добавлять гидроксид аммония постепенно и постоянно перемешивать раствор во избежание выпадения в осадок меди, затем добавлялся последний компонент - кристаллогидрат тиосульфата натрия, после полного растворения которого раствор считается готовым к использованию в экспериментах. Однако, стоит также отметить недолговечность приготовленных раствор, что определялось визуально - изменением цвета раствора, и меньшей выщелачивающей активностью во время экспериментов (при сравнении повторного эксперимента со «свежим» раствором). Скорее всего, это объясняется разложением тиосульфата натрия до политионатов и сульфата натрия, что, безусловно, необходимо учитывать при составлении технического регламента данного процесса.
Условия проведения процесса
Эта глава содержит описание, моделирование, оценку и результаты периодического процесса цианирования, основанные на литературных данных. Результаты непрерывного процесса в одном реакторе и каскаде аппаратов будут представлены также. Главная цель данного моделирования - разработка моделей, которые соответствуют промышленным или лабораторным данным и которые могут быть использованы для оптимизации процесса в целом. Также стоит упомянуть, что все использованные кинетические модели основаны на уравнении Эльснера, представленном в уравнении (8).
Цианирование - это относительно сложные процесс и для его моделирования необходимо сделать определенные допущения при создании модели. В настоящей работе были определены следующие допущения: 1. Изотермическая система 2. Нет ограничения массопереносом 3. Реактор идеального смешения 4. Раствор насыщен кислородом
Обычно реакторы периодического действия используются в лабораториях по причине дешевизны, экономии времени и простоты в использовании. Так как эти эксперименты являются мелкомасштабными, они требуют меньшего количества золотоносного концентрата и других материалов для выщелачивания и, таким образом, обычно требуют меньше времени соответственно. Модель периодического процесса в основном согласовывается с экспериментальными данными, взятыми в литературе. Авторы работы [65] представили исследование по сравнению кинетических моделей для выщелачивания и расхода цианида при цианировании упорного золотоносного концентрата. Основываясь на этой работе, было решено построить модель реактора периодического действия. Принцип работы модели, разработанный в этой работе, описывается на рисунке 31. Данный реактор периодического действия снабжался механическим перемешиванием. Выщелачиваемый материал загружался за один раз целиком при старте экспериментов и после определенного времени для пробоотбора проверялись результаты выщелачивания. Batch Reactor (given temperature)
Авторы работы [65] представили результаты проведения пяти экспериментов в реакторе с механическим перемешиванием и различными условиями выщелачивания при варьировании концентраций кислорода (8, 40, 160 и 400 мг/л) и цианида (3000 и 10000 мг/л). Испытуемый концентрат содержал золота 124,1 г/т, серебра 33,5 г/т, железа 15,5%, меди 1,1 %, мышьяка 1,3% и серы 6,4 % и был измельчен в шаровой мельнице в течение 30 минут до следующего гранулометрического состава: 80 % - 36 мкм и имел средний диметр частиц - 33,88 мкм. Далее концентрат был предварительно окислен при температуре 180 С в течение двух часов. Опыты были проведены при комнатной температуре и при рН 11-12. Пробы были проанализированы на содержание золота, а для определения количества минералов в них с помощью метода определения металла сухим способом при высокой температуре, методами атомной спектрометрии и атомно-эмиссионной спектрометрии. Условия описанных экспериментов представлены в таблице 15: А, площадь одной частицы в течение выщелачивания, м2 порядок реакции для цианида по уравнению (47) аг порядок реакции для кислорода по уравнению (47) а3 порядок реакции для массовой доли золота по уравнению (47) 6, порядок реакции для цианида по уравнению (49) Ь2 порядок реакции для кислорода по уравнению (49)
Используя уравнения (47) и (49) они моделировали процесс цианирования золота и рассчитывали кинетические параметры в программном комплексе Modest [66]. Полученные результаты имеют хорошую достоверность и представлены на рисунке 32, точки - экспериментальные данные об изменении концентрации в жидкости в течение опыта и кривые - результаты работы модели: ICM-1» 3000 m»!
Экспериментальные данные, показанные на рисунке 32, были использованы в данной работе. Было запланировано использование программного комплекса AspenTech Engineering Suite 2006 для моделирования, но создание модели было затруднено отсутствием комплексов в базе данных программы и существованием неподходящей формы для кинетических уравнений для процесса моделирования. Другие доступные программные комплексы не подошли по причине отсутствия требуемых кинетических параметров и свойств компонентов системы. Было решено применить программный комплекс ReactOp Cascade 3.20 для моделирования. ReactOp предназначен для инженеров, занимающихся математическим моделированием в области химии и химической технологии. Это мощный инструмент для кинетической оценки и оптимизации химических реакторов.
ReactOp был разработан на предприятии «Российский Научный Центр «Прикладная химия». Сейчас доступны три модификации ReactOp: ReactOp Standard, ReactOp Pro и ReactOp Cascade. ReactOp Pro предназначен для профессиональных инженеров химии. Это обеспечивает мощные и гибкие средства решения стандартных и нестандартных задач. ReactOp Cascade обладает всеми свойствами ReactOp Pro и дополнительно обеспечивает инженеров мощным средством моделирования процессов в каскаде реакторов [67, 68]. Существует определенная последовательность при создании моделей и моделировании в среде ReactOp. Необходимые процедуры, естественно, зависят от типа процесса, который выбран для исследования и моделирования. Пример процедур для моделирования процесса в периодическом и проточном реакторах, а также в каскаде аппаратов представлен на рисунке 33:
Описание главных процедур и операций в течение процесса моделирования процесса в реакторе периодического действия представлены в таблице 16. Каждый «помощник» содержит определенную запрограммированную неизменяемую последовательность шагов. Это делает процесс создания модели более понятным и логичным для пользователей. Эти шаги требуются для записи данных о процессе. После правильного заполнения всех требуемых полей становится возможным моделирование и оценка.
Обоснование для создания схемы осуществления процесса с дополнительной подпиткой реагентами
Автоматизированные и автоматические системы управления дают возможность значительно интенсифицировать и оптимизировать технологические процессы, сократить трудозатраты на обслуживание установок, повысить надежность работы производства, снизить расход реагентов, повысить степень извлечения целевого компонента и т.о. обеспечить снижение себестоимости готового продукта [105, 106].
Специфика каждого технологического узла требует своей собственной подсистемы управления. Структура и алгоритмы управления каждой такой подсистемы индивидуальны и определяются технологическими процессами, протекающими в узлах. Вместе с тем, работа, например, золотоизвлекательной фабрики (ЗИФ) объединена одной целью - увеличение степени извлечения драгоценных металлов с минимальными затратами. Отсюда следует, что работа автоматизированной системы управления на ЗИФ должна быть скоординирована, согласована и подчинена единой цели, т.к. наибольший эффект дает комплексная автоматизация всех технологических узлов.
В предыдущих главах было исследовано теоретические и практические основы, математическое моделирование по двум процессам - цианированию и тиосульфатному выщелачиванию золота. В данной главе с целью создания схемы управления будет рассмотрен только процесс тиосульфатного выщелачивания золота, поскольку он считается наиболее перспективным и менее токсичным.
Задача исследования в данном разделе состоит в том, что необходимо определить наиболее значимые факторы процесса в виде коэффициентов усиления, которые необходимы для построения системы управления.
С целью исследования факторов процесса, которые имеют наибольшее влияние на процесс и определения значимых и незначимых параметров, была использована методика дробного факторного эксперимента [108]. Основной задачей при использовании этой методики было определение тех параметров, которые оказывают то, или иное воздействие, чтобы использовать их в качестве коэффициентов усиления в системе управления процессом [109,110]. Для исследования было предложено учесть влияние пяти факторов, а именно: Xi плотность суспензии, Х2 - концентрация тиосульфата натрия, Хз - концентрация гидроксида аммония, Хд - концентрация сульфата меди, х5 - температура реакционной смеси. При числе факторов равном 5, количество опытов при полном факторном эксперименте должно составлять 32 опыта [111]. При исследовании влияния пяти факторов можно поставить не 32, а только 8 опытов, поэтому в виду ограниченности в материалах для исследования, материальных средств и времени было решено использовать дробный факторный эксперимент с взятием Л-реплики от 25, далее условно обозначенной как реплика 25"2. Исследуемые факторы, их условные обозначения, единицы измерения и интервалы варьирования представлены в таблице 26. После осуществления исследования модели с обозначенными значениями для факторов проводились расчеты коэффициентов для каждого из факторов. Результаты расчетов коэффициентов bj с тремя, четырьмя и пятью реакторами в каскаде представлены в таблицах 27, 28 и 29 соответственно. Коэффициенты bj - это коэффициенты при независимых переменных и они указывают на силу влияния факторов. Чем больше численная величина коэффициента, тем больше влияние оказывает фактор. Если коэффициент имеет знак плюс, то с увеличением значения фактора параметр оптимизации увеличивается, а если минус, то уменьшается. Величина коэффициента соответствует вкладу данного фактора в величину параметра оптимизации при переходе фактора с нулевого уровня на верхний или нижний.
Как показано в таблице 30 ошибка составляет довольно небольшие значения, поэтому модель можно считать адекватной. Можно было бы осуществить еще расчет критериев Стьюдента и Фишера для более полной оценки адекватности, но, так как основной целью данного раздела является определение коэффициентов усиления для каналов системы управления, то полученных данных вполне достаточно для дальнейшего синтеза структуры управления.
Математическая модель каскада реакторов, основанная на детальной кинетической модели процесса тиосульфатного выщелачивания, была исследована в программном комплексе ReactOp Cascade 3.20 с целью получения информации о влиянии дополнительной подпитки реагентами, оказывающими влияние на процесс извлечения золота в тиосульфатном растворе. Для этого было определено количество расходуемых в каждом реакторе каскада компонентов (рисунок 54):
Выявлено, что в процессе концентрация ионов аммония увеличивается, а концентрации тиосульфат ионов и ионов меди (II) уменьшаются. Полученные значения расходов компонентов добавлялись в каждый следующий реактор каскада. Результаты моделирования процесса в каскаде из пяти реакторов с восполнением расходов реагентов представлены на рисунке 55: A с дополнительным питанием по тиосульфату натрия и сульфату меди — е - - с дополнительным питанием по сульфату меди
Для осуществления управления по схеме с предложенной структурой управления (рисунок 56) необходимо рассчитывать и передавать через персональный компьютер и программируемый логический контроллер значения уставок на регуляторы расходов по сульфату меди и тиосульфату натрия, используя детальную математическую модель процесса, которая учитывает кинетику процесса тиосульфатного растворения золота. Таким образом, математическая модель процесс включена в контур управления процессом.
Данная схема предполагает дополнительную постоянную подпитку, поэтому целесообразно организовать регенерацию основных реагентов. Для исключения ошибки при регулировании необходимо использовать блок с дискретным запаздывающим контролем, который будет исключать ошибку при анализе пробы. Для окисления остатков сернистого натрия фильтрат продувается воздухом и направляется в голову процесса в качестве оборотного раствора.
С целью проведения технико-экономической оценки были рассчитаны исходные данные - расходные коэффициенты процессов цианирования и тиосульфатного выщелачивания золота, которые представлены в таблице ниже:
Данные результаты могут быть использованы для оценки целесообразности проектирования и организационно-технологических мероприятий при создании технологического процесса по переработке золотоносных руд и концентратов методом тиосульфатного выщелачивания.
Похожие диссертации на Моделирование и управление процессом выщелачивания золота в каскаде реакторов
-
-
-
