Вспомогательные процессы

Перемешивание

Перемешивание - это обязательное условие успешного проведения многих самых разнообразных технологических операций. При перемешивании частицы жидкости или сыпучего материала многократно перемещаются в объеме аппарата друг относительно друга под действием импульса, который передается перемешиваемой среде от механической мешалки или струи жидкости, пара или газа. Перемешивание может также идти самопроизвольно, например за счет диффузии. Самопроизвольное перемешиваниепроисходит очень медленно, поэтому в технике почти не применяется. На производстве, в зависимости от целей и условий, размешивание проводят в аппаратах с перемешивающими устройствами различных конструкций.

Под степенью перемешивания обычно понимают взаимное распределение двух (или более) веществ после окончания перемешивания всей системы. Существует много статистических методов для оценки степени перемешивания на основе анализа взятых проб. Степень перемешивания (называемая иногда показателем перемешивания или степенью однородности) может быть использована для определения эффективности, а также и интенсивности перемешивания.

Интенсивность перемешивания выражают количественно с помощью следующих величин:

1) частоты вращения мешалки;

2) расходуемой на перемешиваниемощности, приведенной к единице объема или массы перемешиваемой жидкости.

Эффективность перемешивания определяется возможностью достигнуть требуемого технологического результата при совершении определенной работы. Таким образом, из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором необходимое качество перемешивания достигается при более низкой затрате энергии.

Оценку режима движения перемешиваемой cреды производят при помощи безразмерного комплекса величин, называемого критерием Рейнольдса, в котором скорость жидкости выражена через частоту вращения мешалки и ее диаметр. Считают, что критическое значение этого критерия Re» 50.

Если число Рейнольдсадля данной мешалки меньше 50, то это значит, что жидкость перемешивается недостаточно интенсивно и наблюдается так называемый ламинарный режим ее движения. При ламинарном гидродинамическом режиме частицы жидкости движутся параллельно друг другу в направлении движения потока, не переходя из одного слоя жидкости в другой.

При значениях числа Рейнольдса более 50 интенсивность перемешивания возрастает. В жидкости возникают вихри, хаотически перемешивающиеся в объеме движущейся жидкости и вызывающие перемешиваниеотдельных слоев. Такой гидродинамический режим носит название турбулентного. Именно он обеспечивает вынужденную циркуляцию потока в аппарате.

При значениях Re > 10000 вынужденная циркуляция обеспечивает в аппарате с мешалкой интенсивное трехмерное течение всей массы жидкости (наступает развитый турбулентный режим).

Механическое перемешиваниеосуществляют с помощью мешалок различных типов: лопастных, пропеллерных, винтовых, турбинных; пневматическое (аэролифтное) - с помощью сжатого воздуха. Аппараты, в которых проводят перемешивание, обычно называют агитаторами. Так, агитаторы с механическим перемешиванием используют при флотации, с пневматическим - для перемешивания пульпы в процессах выщелачивания (агитаторы Пачука). Известны также перемешивающие пневматические устройства пульсационного типа.

Перемешивание среды применяют и в процессах получения суспензий, экстракции, растворения и др. Электромагнитное перемешиваниежидкого металла осуществляется за счет взаимодействия с электромагнитным полем, создаваемым наводимыми вихревыми токами.

На Николаевском глиноземном заводе при автоклавном выщелачивании бокситов для перемешивания пульпы используют лопастные мешалки. На переделе декомпозиции (разложения) алюминатного раствора с выделением в твердую фазу гидроксида алюминия применяют воздушное перемешиваниечерез центрально установленный в декомпозере аэролифт.

Выпаривание

Растворы после выщелачивания в большинстве случаев бедны по извлекаемому компоненту и, кроме того, содержат в больших или меньших количествах разные примеси. Перед извлечением из них чистых металлов или их химических соединений растворы необходимо очистить от примесей (иначе невозможно затем получить чистый продукт) и осуществить концентрирование по извлекаемому металлу (из бедных растворов металлы извлечь труднее, чем из богатых). Примеси удаляют осаждением в виде малорастворимых соединений, с помощью ионообменных смол или экстракцией. Концентрирование раствора по извлекаемому компоненту также может производиться с помощью ионообменных смол или экстракцией, но чаще используют выпаривание.

Выпаривание (обезвоживание) осуществляют для концентрирования раствора или выделения из него растворенного вещества путем удаления растворителя (чаще всего воды) в виде пара при нагреве раствора. Выпаривание проводят при атмосферном давлении или под вакуумом. В последнем случае даже при меньшей температуре нагрева раствора удается заметно повысить скорость процесса. Нагрев растворов осуществляют электронагревателями, высокотемпературными теплоносителями (маслом, глицерином и др.) и, чаще всего, водяным паром, который называют греющим или первичным. Пар, образующийся при кипении раствора, называют вторичным.

На практике применяют три варианта выпаривания: простое выпариваниев непрерывном или периодическом режимах, многократное непрерывное выпаривание и выпаривание с применением теплового насоса. В последнем варианте вторичный пар сжимают турбокомпрессором или паровым инжектором (повышая таким образом его температуру до температуры греющего пара) и используют для выпаривания. Вываривание - энергоемкий процесс, но его достоинством, в сравнении с другими способами выделения солей, является технологическая простота, универсальность, безреагентность.

Движущая сила выпаривания - разность температур греющего пара и кипящего раствора. Она всегда меньше, чем разность температур первичного и вторичного пара. Это обусловлено тем, что раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель (температурная депрессия, зависящая от концентрации раствора). Кроме того, температура кипения раствора повышается из-за более высокого давления в растворе, чем в паровом пространстве, причиной чему являются гидростатическая, гидравлическая и инерционная депрессии.

Основные показатели процесса: скорость выпаривания (количество воды, удаляемой в единицу времени), удельный расход энергии и структура выделяемой соли - определяются свойствами исходного раствора, поверхностью нагрева, температурой греющего агента и др. По мере выпаривания концентрация раствора возрастает, а скорость выпаривания уменьшается. Зависимость количества выпаренной воды от продолжительности процесса описывается в форме экспоненциальной функции.

Способ обезвоживания в аппаратах кипящего слоя широко используется для интенсивной выпарки растворов с получением гранул солей в схемах производства медного, цинкового купоросов, для ликвидации сточных вод при регулировании водного баланса схемы. Определяющими в производительности установки являются скорость горячего газа, его начальная и конечная температуры.

В схемах производства глинозема после отделении гидроксида алюминия маточные растворы направляют на выпариваниедля получения концентрированного щелочно-алюминатного раствора и сведения водного баланса по всему технологическому циклу. Содержание щелочи в исходном растворе 100-150 г/л, после упаривания - 250-400 г/л.

На Николаевском глиноземном заводе для упаривания маточного раствора установлены три шестикорпусных выпарных батареи. Каждая батарея работает по принципу противотока с пятикратным использованием пара. В состав батареи входит следующее оборудование: выпарные трубчатые аппараты с падающей пленкой и поверхностью теплообмена 1700 м² каждый, контактные подогреватели, самоиспарители раствора, чистого и защелоченного конденсата, барометрические конденсаторы и паровой эжекторный агрегат (последние два агрегата - для создания разрежения в выпарном аппарате). Упаренный раствор после четвертой ступени самоиспарения поступает в промежуточные емкости, где смешивается со щелочными растворами с других технологических переделов и откачивается в передел размола бокситов как оборотный раствор. В качестве исходного теплоносителя используется пар с ТЭЦ и пар самоиспарения чистого конденсата отделения выщелачивания. Образующийся в процессе работы выпарной батареи чистый конденсат вторичного пара возвращается на ТЭЦ, а защелоченный используется, в основном, для нужд производства.

Разделение пульпы

Рабочей системой и продуктом процесса выщелачивания является пульпа - суспензия(взвесь) твердых частиц в жидкости. Твердые частицы в пульпе представляют собой нерастворившиеся минералы подвергавшегося выщелачиванию материала, а жидкая фаза- водный раствор, в который перешли извлекаемый металл и некоторая часть других элементов в виде примесей. Соотношение масс твердых частиц и жидкости (отношение Т: Ж), а также их составы оказываются самыми разнообразными в каждом конкретном случае. Твердые частицы отделяют от раствора, из которого в дальнейшем предстоит выделить чистый металл или его химическое соединение. Разделение пульпы осуществляется сгущением (отстаиванием), фильтрованием и центрифугированием.

Сгущение - процесс, основанный на естественном осаждении твердых частиц под действием сил тяжести. Сгущение пульп, особенно разбавленных, широко используют как подготовительную операцию перед фильтрацией. Его проводят в отстойниках или сгустителях. При расчете процессов отстаивания используют скорость осаждения твердых частиц, которая зависит от плотности пульпы.

По высоте отстаиваемой пульпы выделяют три зоны:

- зона свободного падения частиц, для которой действует уравнение Стокса (закон Стоксасправедлив при объемном содержании твердой фазы не более 0,1-1,0 %, размере частиц 10-100 мкм, при ламинарном потоке и отсутствии агрегирования частиц);

- зона стесненного падения, в которой движению частиц препятствуют взаимное влияние частиц и встречное движение жидкости;

- зона сгущенной пульпы, в которой происходит агрегирование частиц и появляется граница между осветленным слоем жидкости и уплотненным слоем твердого.

В показателях отстаивания пульпы определяющими являются процессы, происходящие во второй зоне: скорость движения частиц в ней всегда меньше, чем в зоне свободного падения. Характеристики отстаивания концентрированных пульп определяют экспериментально. Для разбавленных пульп скорость осаждения частиц шарообразной формы определяют из зависимости между числами Рейнольдса (Re) и Архимеда (Ar). При расчете отстойников используют зависимость, справедливую для самых мелких шарообразных частиц (Ar < 36). Для частиц неправильной формы вводят поправочный коэффициент, учитывающий отклонение формы от шарообразной.

Скорость осаждения зависит от крупности и плотности частиц, температуры, вязкости пульпы; последняя во многом определяется содержанием твердого и свойствами раствора. В концентрированных растворах, отличающихся повышенной вязкостью, скорость отстаивания твердой фазы можно увеличить путем подогрева. Для ускорения отстаивания частиц меньше 10-20 мкм используют вещества, способствующие агрегированию дисперсных частиц и увеличению скорости осаждения. Различают агрегирование частиц коагуляцией (сцеп­ление частиц под действием Ван-дер-Ваальсовых сил) и флокуляцией (образование агрегатов в результате химической связи между твердыми частицами и активными группировками флокулянта). В качестве коагулянтов применяют известь, едкий натр, серную кислоту, сульфаты металлов, квасцы и др., в качестве флокулянтов - поверхностно-активные высокомолекулярные органические соединения: полиакриламид, сепаран, полиоксиэтилен и др.

Расчет сгустителя основан на использовании величин скорости уплотнения пульпы и скорости слива осветленной жидкости. Степень уплотнения сгущенной пульпы должна быть максимальной и в то же время достаточной для ее перекачки насосом; в среднем конечное уплотнение характеризуется величиной Ж: Т = 0,8: 2,1.

В условиях Николаевского глиноземного завода пульпапосле выщелачивания боксита подается в сгустители для отстаивания красного шлама. Сгустители работают по принципу использования седиментационных свойств шлама в ламинарном потоке и представляют собой однокамерные отстойники диаметром 40 и высотой 5,5 м с центральным приводом гребкового устройства и периферийным отбором шлама. Сгущенный шламподвергается шестикратной промывке водой в промывателях и затем откачивается в шламонакопитель. Для интенсификации процесса отстаивания шлама применяется коагулянт, в качестве которого используется ржаная или пшеничная обойная мука, которая предварительно репульпируется холодной водой.

Фильтрование или фильтрация - распространенный прием разделения пульпы в гидрометаллургии. Сущность фильтрации заключается в перемещении жидкой фазы пульпы через поры перегородки под влиянием разности давлений по обе ее стороны; при этом твердая фазапульпы задерживается на фильтровальной перегородке, образуя слой осадка (кека).

Фильтрация обеспечивает решение одной из следующих задач: 1) разделение суспензий, содержащих в среднем 10-20 % твердой фазы с накоплением осадка - это наиболее распространенный тип фильтрации; 2) сгущениепульп, содержащих 0,1-1 % твердой фазы; 3) осветление растворов, содержащих менее 0,1 % твердой фазы. При выборе фильтра учитывают цель фильтрации, свойства пульпы и осадка, эксплуатационные характеристики аппарата.

Различают несжимаемые (сопротивление проходу жидкости остается постоянным при фильтрации) и сжимаемые (сопротивление проходу жидкости с увеличением перепада давления возрастает за счет уплотнения слоя и уменьшения размеров капилляров) осадки. Требуемый перепад давления создают, подавая пульпу под давлением или поддерживая вакуум под фильтрующей перегородкой. Для выбора и расчета производительности фильтра необходимо определить гидравлические сопротивления осадка и фильтрующей перегородки.

Сопротивление осадка определяется его физическими свойствами (дисперсность, кристаллическая или коллоидная структура), а сопротивление фильтрующей перегородки - ее типом и пористостью. По мере фильтрации возрастает толщина слоя осадка, который играет роль дополнительной фильтрующей перегородки.

Скорость фильтрования суспензий (дисперсных систем, состоящих из твердой и жидкой фаз, где мелкие твердые частицы взвешены в жидкости) зависит от физических свойств и крупности твердых частиц.

По степени крупности твердых частиц суспензии делятся на:

- грубые (размер частиц более 100 мкм);

- тонкие (размер частиц от 100 до 0,5 мкм);

- мути (жидкости с размерами твердых частиц до 0,5 мкм);

- коллоидные растворы (размер твердых частиц от 100 мкм и меньше).

На практике встречаются все виды суспензий, большей частью с разными размерами частиц, то есть полидисперсные системы.

Работа фильтра во многом зависит от свойств фильтрующей перегородки. Фильтрующие перегородки изготавливают из различных хлопчатобумажных и шерстяных тканей, тканей из синтетических волокон, тканей из волокон минерального происхождения и т.д. В последнее время все шире начинают применять пористые металлические, керамические и металлокерамические фильтрующие перегородки.

Выбор той или иной фильтрующей перегородки обусловлен: пористостью (размеры пор должны быть такими, чтобы частицы осадка задерживались на перегородке); химической стойкостью к действию фильтрующей среды; достаточной механической прочностью; теплостойкостью при температуре фильтрования.

Процесс фильтрования осуществляется в аппаратах различной конструкции. Различают фильтры периодического и непрерывного действия. К первым относятся фильтры с двойным дном (нутч-фильтры) и фильтр-прессы, которые имеют небольшую производительность и применяются в основном для фильтрования разбавленных и агрессивных пульп. К фильтрам непрерывного действия относятся барабанные, дисковые и ленточные вакуум-фильтры. Вспомогательным оборудованием являются насосы, рессиверы, ловушки между фильтром и вакуум-насосом, емкости для пульпы, фильтрата и промывных вод. Нередко процесс фильтрации пульпы завершают промывкой осадка на фильтре, реализуя последовательный или противоточный (чаще всего двух- или трехстадийный) режим операции.

На Николаевском глиноземном заводе фильтрация используется многократно. Для отделения красного шлама, образующегося при выщелачивании бокситов, используются фильтры ЭПАС, работающие под давлением, фильтрующим материалом в которых является бокситовая крошка различной крупности (от 0,7 до 40 мм). На переделе так называемой белой фильтрации, предназначенной для фильтрования затравочного гидрата и являющейся также первой стадией фильтрации продукционного гидрата, установлены дисковые вакуум-фильтры с поверхностью фильтрации 220 м² каждый. Вторая стадия фильтрации продукционного гидроксида алюминия с промывкой слоя гидроксида на поверхности фильтра конденсатом, подаваемым через форсунки, осуществляется на барабанных вакуум-фильтрах с поверхностью фильтрации 40 м² каждый, а также на свечевом фильтре.

Центрифугирование является наиболее производительным, но и самым энергоемким способом разделения пульп. В основе способа находится выделение твердых частиц из пульп в центрифугах под действием центробежных сил.

Наибольшее распространение получили фильтрующие и отстойные (осадительные) центрифуги. Первые используют для отделения грубодисперсных кристаллических, аморфных материалов и их промывки. Обезвоживание пульп осуществляется через фильтрующую перегородку и накапливающийся слой осадка. В зависимости от конструкции аппарата выгрузку раствора и осадка осуществляют периодически или непрерывно.

В отстойных центрифугах разделяют плохо фильтрующиеся пульпы. Основой таких центрифуг служит ротор цилиндрической или конической формы, в гнезда которого вставляют сосуды с пульпой. При вращении ротора происходит разделение пульпы: твердая фазаперемещается по направлению от оси вращения, а жидкая фаза - к оси вращения.

Промывка осадков

Промывку применяют для уменьшения потерь ценных элементов с отвальным кеком или повышения чистоты товарного продукта. Снижение концентрации отмываемого вещества происходит за счет разбавления или вытеснения маточного раствора промывным раствором. Указанные процессы подчиняются закономерностям молекулярной и конвективной диффузии: они во многом зависят от природы обрабатываемой твердой фазы (степень кристалличности, дисперсности, гидрофильности), температуры, условий массообмена, использования ПАВ, повышающих степень гидрофильности. Особые трудности возникают при промывке осадков, проявляющих сорбционную способность (гидроксиды железа, хрома, марганца).

Различают промывку декантацией (разбавление маточного раствора промывной жидкостью) и вытеснением (маточный раствор вытесняется промывной жидкостью). Декантациявключает репульпацию твердой фазы в объеме промывного раствора и его последующее отделение фильтрацией - отстаиванием.

Различают декантацию периодическую и непрерывную, одно- и многостадийную, прямоточную и противоточную. Наиболее распространены схемы непрерывной многостадийной прямо- и противоточной промывки.

Если необходимо очень хорошо отмыть твердую фазу, применяют прямоточную схему, однако в этом случае возрастает объем разбавленных промывных вод (промвод), что осложняет их использование. При противоточной промывке объем промвод гораздо меньше и они концентрированнее, но хуже качество отмывки твердой фазы. Этот способ промывки применяют для обработки полупродуктов производства, при напряженном водном балансе схемы, особенно для легко сгущаемых пульп.

Расчеты по промывке осадков предполагают составление материальных балансов жидкой (вода, растворы реагентов) и твердой фаз; расчеты обычно ведут на одну тонну твердой фазы, используя не более 4-6 стадий.

При периодической системе отмывки рассчитывают степень отмывки (при заданном числе стадий) и число ступеней (при требуемом извлечении металлов).

При непрерывной противоточной декантации определяют концентрацию металла в жидкой фазе промытого осадка для n -ной стадии отмывки, эффективность отмывки при заданном числе ее стадий и число стадий отмывки при заданном извлечении металлов.

В глиноземном производстве промывкакрасного шлама осуществляется водой путем декантации шлама с последующим его отстаиванием в промывателе.

Сушка

Сушка - последняя стадия обезвоживания, в которой процесс удаления влаги происходит путем испарения под действием тепла. Сушка материалов обеспечивает улучшение качества их транспортабельности, предохранение от слеживания. Используется, в частности, в производствах медного и никелевого купоросов, порошков металлов, гидроксидов кобальта и никеля, а также многих полупродуктов, направляемых в смежное производство.

В процессе расчета сушки определяют физические характеристики высушиваемого материала и сушильного агента, материальный баланс сушки, тепловой баланс и расход теплоносителя, продолжительность сушки. При расчете сушилок учитывают их тип, влажность и количество (т/сут) исходного материала, параметры и показатели сушки (температуру, скорость процесса, свойства теплоагента, конечную влажность материала).

Основными типами сушилок являются барабанные, распылительные, пневматические, сушилки кипящего слоя, трубы-сушила. Сушилки комплектуются вентилятором для подачи газа, калорифером для подогрева воздуха или выносной топкой для сжигания газа или мазута, пылеулавливающим устройством (циклон, рукавный фильтр, электрофильтр и др.).

В производстве глинозема на переделе кальцинации используется двухстадийное подсушивание гидроксида алюминия в сушилках Вентури, в которых гидроксид смешивается с потоком горячих газов. Разделение газов и гидроксида происходит в электрофильтрах и циклонах.