Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Состояние изученности вопроса 11
1.1 Применение системного подхода к математическому описанию закономерностей процессов растворения и выщелачивания 11
1.2 Кинетические уравнения, описывающие закономерности процессов растворения и выщелачивания 13
1.3. Кинетика и закономерности растворения сферических частиц 17
1.4. Полуэмпирические уравнения, применяющиеся для описания кинетики процесса выщелачивания 26
1.5. Основные математические модели кинетики процессов выщелачивания. 31
1.6 Аппаратурное оформление процессов растворения и выщелачивания 34
1.7 Основные типы математических моделей структуры потока в гидрометаллургических аппаратах 46
1.8 Распределение времени пребывания элементов потока в
гидрометаллургических аппаратах непрерывного действия 62
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований и обработка
результатов 66
2.1 Способы экспериментального определения вида кривых функций распределения 66
2.2 Способы оценки неравномерности распределения времени пребывания .68
2.3 Определение структуры потока в аппарате смешения 70
2.4 Определение параметров модели структуры потоков с использованием программного комплекса RTD 73
Глава 3. Изучение структуры потоков в гидрометаллургических аппаратах 76
3.1. Способ обработки и анализа моделей структуры потока в аппарате
смешения 76
3.2.Комбинированные математические модели структуры потока 78
3.3. Определение структуры потока в объеме аппарата непрерывного
действия 89
Глава 4. Математическое моделирование гидрометаллургических процессов
производства цветных металлов 99
4.1 Математическое моделирование каскада реакторов по методике Вигдорчика-Шейнина 100
4.2 Моделирование кинетики растворения минералов 105
4.3 Модель автоклавного окисления пирита 106
4.4 Моделирование процесса выщелачивания пирротиновых концентратов 110
4.5 Моделирование процесса выщелачивания цинковых концентратов 114
4.6 Моделирование процесса выщелачивания золотосодержащего сульфидномышьякового сырья 119
4.7 Моделирование выщелачивания при использовании автоклавов различного типа 121
4.8 Математическое описание гранулометрического состава металлургических пульп 129
4.9 Усовершенствованная математическая модель процесса выщелачивания 143
Глава 5. Конструкции перемешивающих устройств 158
5.1 Эффективность перемешивания и методы ее оценки 158
5.2 Циркуляция жидкости в аппарате с мешалкой 161
5.3 Совершенствование конструкции мешалки 163
Введение к работе
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, медно-цинковых 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 аппаратуре-автоклавах, 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 десять-пятнадцать 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 работы
Математическое описание гидрометаллургических процессов производства цветных металлов является неотъемлемой частью проектирования и создания новых производств. Истощение запасов богатого сырья приводит к снижению эффективности работы существующих производств и росту материальных и энергетических затрат. Разработка усовершенствованной математической модели, учитывающей влияние технологических, эксплуатационных факторов, на показатели процесса позволит оптимизировать существующие производства и сократить издержки при строительстве новых гидрометаллургических производств. Особое значение для оптимизации режимов работы системы аппаратов, применяемых для организации периодических, полунепрерывных и непрерывных процессов выщелачивания, имеют исследования, направленные на изучение закономерностей кинетики, структуры потока и особенностей работы оборудования, для чего широко применяются методы физического и математического моделирования.
Проведенный анализ работы гидрометаллургических установок, применяемых для переработки окисленных и сульфидных руд содержащих цветные и благородные металлы, а также анализ основных методов и моделей гидрометаллургических производств цветных металлов, используемых на российских и зарубежных металлургических предприятиях, показал, что имеют место проблемы, связанные с их неэффективной работой, вызванные несовершенным математическим описанием, использованным при конструировании, и аппаратурном оформлении гидрометаллургических процессов.
Это подтверждает актуальность дальнейшего совершенствования технологии и конструктивного оформления процессов выщелачивания, а также математического, описания и выбора оптимальных режимов ведения процессов гидрометаллургического производства цветных металлов.
Исследования выполнялись в соответствии с Грантом РФФИ «Поддержка ведущих научных школ» (проект № 00-15-99070л), госбюджетной тематикой 6.30.028 «Моделирование процессов, аппаратуры и систем управления промышленных печей и технологического оборудования производства металлов» (1999-2001 г.г.) и 6.30.022 «Исследование теоретических основ и разработка экологически безопасных ресурсосберегающих процессов комплексной переработки металлосодержащего сырья и продуктов» (2002-2004 г.г.).
Цель работы: Совершенствование математического описания непрерывных процессов выщелачивания руд и концентратов, содержащих цветные и благородные металлы, и их конструктивного оформления с разработкой рекомендаций по выбору оптимальных параметров и аппаратурному оформлению процессов выщелачивания на основе усовершенствованной математической модели.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• разработать усовершенствованную модель процессов растворения и выщелачивания, позволяющую комплексно оценить влияние основных технологические параметров на показатели гидрометаллургических переделов;
• обосновать физическую и математическую модели аппарата с целью получения информации для совершенствования конструкции промышленных установок;
• обосновать способ определения закономерностей времени пребывания частиц в объеме аппарата со сложной структурой потока;
• предложить систему уравнений для расчета параметров, оценки эффективности работы, гидрометаллургических переделов цветной металлургии;
• разработать конструкцию перемешивающего устройства, позволяющего улучшить технико-экономические показатели процессов перемешивания.
Методы исследования.
Принятые в работе научные положения базируются на современных представлениях о закономерностях процессов, протекающих в гидрометаллургических аппаратах непрерывного действия. При выводе основных зависимостей применены положения системного подхода к исследованию технологических процессов, а также методы математического и физического моделирования. Анализ влияния параметров на показатели процесса и эффективность работы оборудования осуществлялся с применением персональных ЭВМ, современных метаматематических программ. В экспериментальной части работы использовались методы организации исследований и обработки экспериментальных данных, методы аналитического контроля, математической статистики. Достоверность выводов и уравнений, полученных в диссертационной работе, оценивалась сопоставлением результатов, полученных расчетным путем, с показателями работы укрупнено — лабораторных и промышленных установок.
Научная новизна работы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие результаты:
• предложена усовершенствованная модель непрерывных процессов растворения и выщелачивания, учитывающая влияние кинетических и гидродинамических факторов процесса, физических характеристик материала, а также структуры потока в исследуемом аппарате;
• получена математическая модель для расчета изменения дисперсного состава материала по ступеням каскада реакторов в процесса выщелачивания;
• разработан способ количественной оценки степени отклонения от режима идеального перемешивания в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами.
Практическая значимость работы. На основании проведенных исследований были сделаны следующие практические рекомендации:
• предложена математическая модель, позволяющая учесть распределенные условия в каскаде гидрометаллургических реакторов при проведении процессов растворения и выщелачивания в производстве цветных и благородных металлов;
• обосновано распределение мощности на перемешивание по ступеням каскада в зависимости от изменения гранулометрического состава материала и свойств пульпы;
• разработан метод определения закономерностей времени пребывания частиц в объеме аппарата со сложной структурой потока;
• даны рекомендации по совершенствованию конструктивного оформления аппаратов, применяемых для реализации гидрометаллургических процессов растворения и выщелачивания.
Достоверность полученных результатов. Достоверность приводимых результатов была подтверждена надежной сходимостью с литературными и промышленных данными отечественных и зарубежных
гидрометаллургических предприятий, а также экспериментальными данными,
полученными при проведении лабораторных и укрупненно-лабораторных экспериментов. Основные результаты работы были опробованы в опытно-промышленном масштабе на базе ЗАО НПФ «Миксинг». Защищаемые положения диссертации
1. Усовершенствованная математическая модель каскада реакторов непрерывного процесса выщелачивания позволяет рассчитать значения показателей процесса для каждой стадии и оценить влияние основных технологических параметров: гранулометрического состава материала, структуры потока, кинетики процесса, в каждой ступени каскада на эффективность гидрометаллургического передела в целом.
2. Комбинированное перемешивающее устройство, обеспечивающее сочетание механического и струйного способов перемешивания, позволяет повысить эффективность проведения процессов растворения и выщелачивания.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на 1 международной, 1 общероссийской и 4 внутривузовских научных конференциях: на 1-ой международной научно-практической конференции «Совершенствование технологий, оборудования, систем автоматизации и компьютерных расчетов для обогатительных и металлургических процессов» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), «Общероссийской горно-промышленной декаде» (г. Екатеринбург, 2004 г.), на научных конференциях студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2002-2005 г.г.).
По теме диссертации опубликовано 5 статей и 4 тезисов докладов на международных и российских конференциях, получено два положительных решения о выдаче патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 152 наименований, иллюстрирована 78 рисунками и изложена на 185 страницах машинописного текста.
![Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс]](/i/i/4263/169004.png "Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс] Рябчиков Михаил Юрьевич")
