p { margin-bottom: 0.21cm; }

ЛЕКЦИЯ 31. ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ОГАРКА

31.1. Характеристика растворителей

Выбор растворителя во многом определяет показатели и экономичность процесса; при этом учитывают:

– химический, фазовый составы сырья;

– агрессивность по отношению к материалу используемой аппаратуры;

– селективность воздействия на извлекаемый металл;

– возможность регенерации на стадии осаждения металла;

– токсичность, доступность, стоимость.

Эффективность действия растворителя при выщелачивании определяется температурой, концентрацией, продолжительностью, крупностью сырья.

Вода является наиболее доступным растворителем и эффективна при извлечении растворимых сульфатов, хлоридов металлов, в том числе и из продуктов обжига.

Кислоты. Наиболее часто используют серную кислоту: это доступный реагент, особенно на металлургических предприятиях, перерабатывающих серосодержащее сырье, имеет высокую вскрывающую способность и умеренно агрессивен к материалам, используемым при создании аппаратов. При электрохимическом или автоклавном осаждении металлов из сульфатных растворов удается обеспечить регенерацию кислоты.

Для сырья с повышенным содержанием пород основного характера кислотное вскрытие нецелесообразно из–за повышенного расхода кислоты, интенсивного пенообразования.

31.2. Поведение металлов и их соединений при выщелачивании

Цветные металлы в исходном сырье могут находиться в форме простых и сложных оксидов, солей (сульфаты). Наиболее типичным сырьем, в котором извлекаемый металл являются:

– руды, содержащие металлы;

– вторичное сырье;

– полупродукты производства (цементационные осадки, огарки после обжига).

Электроотрицательные металлы (цинк, кадмий и т. д.) достаточно хорошо растворяются в кислых и щелочных средах:

Me + n Н⁺ = Меⁿ⁺ + Н₂↑ ,

Me + 2n ОН^– = MeO₂^n– + H₂↑.

Использование аэрации исключает накопление взрывоопасных концентраций водорода.

Оксиды. В исходном сырье оксидные формы металла представлены природными минералами или соединениями, полученными в результате окислительного обжига.

Различают простые оксиды типа Ме_xО_y и сложные типа Me_xO_yMe_nO_m .При обжиге неизбежно образование ферритов (МеОFe₂О₃), силикатов (МеОSiO₂); сложные оксиды более трудно вскрываются при выщелачивании.

ZnO + 2Н⁺ = Zn²⁺ + Н₂О

MnO₂ + 2Fe²⁺ + 4H⁺ = Mn²⁺ + 2Fe³⁺ + 2Н₂О.

Извлечение металлов из сложных оксидов сопровождается дополнительными трудностями: необходимостью использования более высоких температур или концентраций растворителя, предварительной термической подготовки, проблемой осветления растворов из–за образования труднофильтруемых силикатов, повышенным расходом растворителя.

Поведение компонентов пустой породы. При обработке сырья с повышенным содержанием минералов основных пород (карбонаты Мg, Са) в кислых средах возрастает расход кислоты, а пенообразование осложняет обслуживание реакторов. В щелочных средах, особенно при повышенных температурах, растворяется кремнезем; это не только увеличивает расход растворителя, но и ухудшает фильтруемость пульп из–за образования взвеси коллоидальных силикатов. Оксиды, ферриты железа плохо растворимы в кислых и тем более в щелочных средах, поэтому цветные металлы, связанные оксидными формами железа, при выщелачивании не доизвлекаются и остаются в кеке.

31.3. Способы и схемы выщелачивания

Выщелачивание осуществляют в периодическом и непрерывном режимах (рис. 7.2). В первом случае исходное сырье и реагенты загружают в реактор, обеспечивая перемешивание при заданных параметрах, и обрабатывают пульпу до тех пор, пока не будут достигнуты требуемые показатели (извлечение, селективность). Затем содержимое реактора выгружают, а его готовят к следующей операции, которую повторяют при тех же параметрах и условиях.

Непрерывный режим выщелачивания осуществляется в серии реакторов; пульпа из расходной емкости с помощью насоса закачивается в первый реактор, а затем непрерывно, один за другим, перетекает в последующие реакторы. Число реакторов и время пребывания пульпы в них выбирают с таким условием, чтобы в последнем реакторе были достигнуты требуемые показатели выщелачивания. Подобные схемы эффективны при большом масштабе производства, поскольку рационально используется аппарат во времени (нет потерь его на загрузку и выгрузку, нагрев и охлаждение, подачу и сброс давления), проще автоматизация и механизация, меньше эксплуатационные затраты (меньше потерь тепла, трудозатраты), но капитальные затраты больше (насосное хозяйство, расходные и приемные емкости, обвязка и арматура).

В зависимости от числа стадий различают одно– и многостадийное (двух–, трех–) выщелачивание. Число стадий выбирают с учетом требований по достижению извлечения металлов, чистоты, кислотности получаемого раствора. Многостадийные схемы используют при обработке полиметаллического трудновскрываемого сырья.

При прямоточном выщелачивании исходная пульпа непрерывно проходит все аппараты каскада, и выгружается из последнего. Противоточное выщелачивание реализуют тогда, когда необходимо достичь более полного извлечения ценного металла (даже в ущерб селективности); с этой целью остатки от первой стадии обрабатываются исходным растворителем (выше концентрация и сильнее вскрывающая способность); получаемый вторичный кек считают отвальным для данного процесса, а раствор возвращают на первую стадию, т.е. обрабатываемое сырье и растворитель перемещают по встречным маршрутам. Однако приходится обезвоживать пульпу после каждой стадии.

Различают открытые и замкнутые по раствору схемы; в первом случае растворы после выщелачивания направляются на выпарку, например при получении солей металлов (купоросы, хлориды, нитраты), при этом ни реагент–растворитель, ни вода не возвращаются на стадию выщелачивания. В случае замкнутой технологии при извлечении металлов одновременно регенерируется растворитель, который возвращается на стадию выщелачивания.

Это более рациональная схема, однако при этом неизбежно накопление сопутствующих примесей в оборотном растворе, что ухудшает показатели выщелачивания и сортность извлекаемого металла. Для поддержания оптимального состава раствора часть его выводят на отдельную переработку (глубокое выпаривание, нейтрализация, сорбционно–экстракционная очистка и др.).

Электрохимическое растворение. Суть процесса заключается в переводе в раствор элементов из токопроводящих материалов (сплавов, штейнов, сульфидных концентратов) при наложении электрического тока (рис. 7.4). Закономерности и химизм процесса подобны теоретическим положениям электролиза. Скорость растворения .возрастает с увеличением плотности тока, интенсивности гидродинамического режима, замедляется вследствие пассивирующего влияния нерастворимых продуктов (оксиды, сульфаты свинца, олова, элементная сера). Осуществляется в кислых (сульфатная, хлоридная) или щелочных (гидроксидная, аммиачно–карбонатная) средах. Исходное сырье отливают в форме анодов, гранул, брикетируют или подают в виде пульпы.

Агитационное выщелачивание. Способ заключается в обработке измельченного сырья (концентрат, руда, огарок и т. п.) растворителем в аппаратах, обеспечивающих интенсивный массообмен пульпы. Перемешивание осуществляется с помощью мешалок с механическим приводом (аппараты емкостью 10–70 м³), сжатого воздуха (пачуки емкостью до 250–300 м³), совместным воздействием мешалок и воздуха, или во вращающемся барабане – выщелачивателе. Обязательным условием перемешивания является создание однородной по плотности пульпы, исключающей застойные зоны. Эта цель достигается при механическом перемешивании изменением числа оборотов и конструкции перемешивающего устройства (лопастная, винтовая, турбинная мешалки, наличие диффузора), расходом и давлением воздуха в пачуках, увеличением числа оборотов барабана, а также варьированием плотности пульп, уменьшаемой при обработке материалов с повышенной удельной массой. Пачуки представляют собой вертикальный цилиндр (Д≤ 3,5 м, Н≤14) с конусным днищем (рис. 7.9). Через соосно расположенную центральную трубу подают энергоноситель (воздух, пар), обеспечивающий циркуляцию пульпы и ее однородность. Перемешивание воздухом менее энергоемко и целесообразно при обработке сырья, связанного с использованием окислителя (цианирование золотосодержащих руд, растворение медного вторсырья, урановых руд). При использовании пара одновременно обеспечивают нагрев пульпы.

Агитационное выщелачивание осуществляют в крупнотоннажном производстве в непрерывном режиме, для чего используют несколько последовательно установленных (предпочтительно каскадом) реакторов (см. рис. 7.2).

Аппараты для агитационного выщелачивания изготовляют из стали, футеруют резиной, эмалью, кислотоупорным кирпичом; иногда проводят гомогенное свинцевание или лакирование титаном. Аппараты небольшой емкости изготовляют из нержавеющей стали или титановых сплавов.

При агитационном выщелачивании для ускорения процесса и повышения извлечения металлов нередко используют нагрев пульпы; при активном развитии экзотермических окислительных реакций для поддержания заданной температуры требуется охлаждение пульпы. Используют прямой (непосредственное введение в пульпу пара, воды) или косвенный (с помощью встроенных холодильников, наружных рубашек, выносных теплообменников) способы регулирования температуры. Способ прямого нагрева или охлаждения наиболее эффективен и прост, однако приводит к разбавлению или упариванию раствора, что не всегда увязывается с последующей схемой извлечения металлов.

При использовании теплообменников эффективность теплопередачи меньше, возникает опасность образования накипи, что существенно осложняет обслуживание аппаратов. Внешние теплообменники используют при обработке сильно перегретых пульп больших объемов, однако из–за заметной эрозии срок их службы резко сокращается.

31.4. Отстаивание

Пульпы, получаемые после выщелачивания, осаждения металлов, кристаллизации, подвергаются обезвоживанию с целью количественного разделения жидкой и твердой фаз.

Наиболее простым и достаточно эффективным приемом является сгущение, которое осуществляется за счет оседания твердой фазы под действием силы тяжести. В результате образуются осветленный раствор (верхний слив) и сгущенный продукт (нижний слив), содержащий до 50–80 % твердой фазы. Показатели сгущения зависят от свойств твердой фазы (крупность, удельная плотность), вязкости раствора, наличия коагулянтов и флокулянтов.

Введение последних в пульпу в количестве 10–40 г/т твердого позволяет увеличить скорость отстаивания в 10–30 раз; в качестве флокулянтов чаще всего используют гидролизованный полиакриламид, столярный клей, крахмал.

Операцию сгущения проводят в сгустителях с периферическим и чаще с центральным приводом (рис. 7.15, а). Пульпу подают в центр аппарата. Осевшая твердая фаза перемещается с помощью вращающихся (0,2–0,5 об/мин) граблин к разгрузочному отверстию в центре конического днища сгустителя. Осветленный раствор сливается в кольцевой желоб. Скорость питания подбирают из расчета получения практически прозрачного верхнего слива. Многоярусные сгустители (рис. 7.15, б) более компактны и производительны. Автоматическое регулирование работы сгустителей предполагает поддержание постоянной плотности нижнего слива; это достигается изменением его выхода или расхода поступающей пульпы и обеспечивается за счет варьирования производительности песковых насосов.

В гидроциклоны (рис. 7.16) пульпа поступает по питающему патрубку тангенциально по отношению к цилиндрической верхней части аппарата под большим напором (30–250 кН/м²), который обеспечивается с помощью насоса. Пульпа приобретает вращательное движение, и под действием центробежной силы твердая фаза отбрасывается на внутреннюю поверхность аппарата и стекает в нижнюю часть конуса; осветленный раствор вытекает через верхний патрубок.

Показатели работы гидроциклона зависят от давления и постоянства дозировки объема поступающей пульпы, поэтому схема их обвязки включает установку насосов и буферной расходной емкости пульпы (рис. 7.17).

Для увеличения производительности, повышения эффекта сгущения или при обработке пульп, содержащих измельченный материал, используют батарейный гидроциклон. Это простые по конструкции и в эксплуатации, относительно дешевые и неэнергоемкие аппараты.

31.5. Фильтрование

С помощью фильтрования достигают сгущение разбавленных пульп, обезвоживание плотных пульп, осветление растворов. Составляющие пульпы разделяют через проницаемую перегородку (ткани, сетка, керамические материалы) за счет перепада давлений по обе стороны фильтровальной перегородки. Последнее достигают различными путями:

– созданием вакуума (–0,1 МПа) за перегородкой;

– давлением воздуха (0,5–1,0 МПа) над перегородкой;

– гидростатическим давлением пульпы (~ 0,05 МПа);

– напором пульпы от питающего насоса (0,5–1,2 МПа).

Скорость фильтрации возрастает с увеличением крупности частиц твердой фазы, ее содержания в пульпе, температуры, в присутствии флокулянтов. Увеличение давления (или вакуума) при фильтрации сказывается менее заметно из–за способности ряда осадков сжиматься, что ухудшает их проницаемость. Цикл фильтрования включает набор осадка, его промывку (иногда подсушку воздухом или паром), отделение осадка и очистку фильтровальной перегородки. Фильтрование проводят в аппаратах–фильтрах, которые подразделяют на периодические (нутчи, фильтр–прессы, свечевые, листовые) и непрерывно действующие (барабанные, дисковые, ленточные).

В фильтрах периодического действия фильтровальная перегородка неподвижна и на ней осуществляются все процессы (набор осадка, его промывка, удаление).

В фильтрах непрерывного действия фильтровальная перегородка перемещается по замкнутому маршруту, и в зависимости от места ее нахождения на конкретном участке осуществляется определенная операция, но все операции проходят одновременно: и набор осадка, и его промывание, и подсушка, и удаление, и регенерация фильтрующей перегородки.

Фильтры непрерывного действия более производительны: отсутствуют вспомогательные операции (выгрузка кека, переборка фильтра, закачка пульпы), можно поддерживать меньшую толщину кека, что ведет к меньшему сопротивлению осадка.

На гидрометаллургических предприятиях наибольшее значение получили нутч–фильтры, вакуумные барабанные, дисковые, ленточные, свечевые фильтры, фильтр–прессы (рис. 7.18, 7.19). Принцип их действия, конструкция изложены в специальных курсах. На рис. 7.20 приведена схема установки фильтровального аппарата, а в табл. 7.4 – показатели работы аппаратов.

На фильтрах проводят промывку осадка, разбрызгивая на поверхность свежую воду или промывной раствор.

Центрифугирование – способ обезвоживания пульп, содержащих мелкозернистую твердую фазу, основанный на разделении фаз пульп под воздействием центробежных сил. Эту операцию проводят в аппаратах, называемых центрифугами. Последние разделяют:

– по характеру действия (периодического и непрерывного);

– технологическому принципу – на фильтрующие и осадительные (рис. 7.21);

– способу разгрузки – с ручной и механической выгрузкой;

– расположению оси ротора – вертикальные, горизонтальные, реже – наклонные.

Таблица 7.4

Характеристика и показатели работы промышленных фильтров

В фильтрующих центрифугах разделение фаз происходит через фильтрующую перегородку, уложенную на внутреннюю поверхность перфорированного ротора. Они предназначены для обработки пульп, содержащих более 10 % твердой фазы и с крупностью ее частиц не менее 30 мкм.

Наиболее эффективно обезвоживание пульп растворимых солей (купоросы, сода, поваренная соль), т. к. при этом существенно упрощается регенерация фильтрующей перегородки.

Осадительные центрифуги используют для разделения плохо фильтруемых пульп с нерастворимой твердой фазой (крупность частиц 5–40 мкм); они имеют сплошной ротор, промывка осадка в них не предусмотрена.

Центрифуги обеспечивают наименьшую (в сравнении с фильтрами) остаточную влажность осадка (не более 8–15%); они компактны, высокопроизводительны, однако энергоемки, сложны в эксплуатации; с фугатом выносятся тонкие фракции.