книги / Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности.-1

Фильтрпрессование. Отечественной промышленностью серийно выпускается автоматизированный фильтрпресс с горизонтальными камерами ФПАКМ, разработанный УкрНИИхиммашем. Фильтр состоит из нескольких фильтровальных плит и фильтрующей ткани, протянутой между ними с помощью направляющих роликов. Поддерживающие плиты связаны между собой четырьмя вертикальными опорами, воспринимающими нагрузку от давления внутри фильтровальных плит. В натянутом состоянии ткань поддерживается с помощью гидравлических устройств.

Обезвоживание отхода на фильтрпрессах позволяет получить кек влажностью 70–75 %. При этом концентрация взвешенных веществ в фильтрате достаточно высока и составляет 1000–1300 мг/л. Пропускная способность фильтрпресса по сухому веществу отхода равняется 20–25 кг/ч на 1 м2 площади фильтрования при давлении прессования

0,2 МПа.

ГЛАВА 14. РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ

ИПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

14.1.РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ

ДЛЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Выщелачивание – извлечение одного или нескольких компонентов из твердых тел водным раствором, содержащим щелочь, кислоту или другой реагент, а также с использованием определенных видов бактерий; частный случай экстрагирования из твердой фазы. Обычно выщелачивание сопровождается химической реакцией, в результате которой извлекаемый компонент переходит из формы, не растворимой в воде, в растворимую.

В гидрометаллургических схемах переработки рудного сырья выщелачивание обычно проводят после измельчения руды и ее обогащения. Иногда перед выщелачиванием руды и концентраты обжигают в окислительной атмосфере (на воздухе) или в присутствии добавок (CaO, CaSO4, H2SO4, сульфатов, хлоридов, фторосиликатов и др.), что способствует вскрытию минералов и переводу их в иные, легкораство-

331

римые химические соединения. Вслед за выщелачиванием проводят разделение жидкой и твердой фаз путем отстаивания, фильтрации и другими методами.

Чаще всего применяют агитационное выщелачивание, его проводят в реакторах с механическим (с помощью мешалок), пневматическим (путем подачи воздуха, острого пара или других газов) или комбинированным перемешиванием. Важное значение имеют размер частиц твердого вещества и его концентрация в системе. Увеличение степени измельчения до определенного предела повышает скорость процесса и конечную степень извлечения благодаря росту поверхности контакта фаз и большей доступности заблокированных пустой породой включений растворяемого минерала. Однако слишком тонкий помол приводит к повышению вязкости смеси, резко усложняет последующее разделение фаз и требует большого расхода энергии. Средний размер частиц при выщелачивании редко бывает менее 50–75 мкм. При понижении концентрации твердой фазы облегчается перемешивание, однако при этом повышается расход выщелачивающего реагента и затрудняется последующая фильтрация. При малом количестве жидкости система становится слишком вязкой и плотной. Обычно соотношение по массе жидкой и твердой фаз при выщелачивании составляет от 0,7 до 6 (чаще всего 1–2) и зависит от состава выщелачиваемого материала, растворимости извлекаемого соединения и других факторов [7].

Для снижения расхода реагентов и повышения степени извлечения агитационное выщелачивание проводят в прямоили противоточных каскадах из 3–5 аппаратов (ступеней). Применяют также процессы в псевдоожиженном слое твердого материала, при котором сжижающим агентом служит выщелачивающий раствор, и в движущемся с большой скоростью потоке пульпы.

Выщелачивание проводят также при повышенном давлении в автоклавах. При этом повышаются температура процесса, его скорость, увеличивается степень извлечения, снижается расход реагентов, резко сокращается длительность процесса. Кроме того, повышение давления увеличивает растворимостъ О2, что ускоряет окисление извлекаемых компонентов воздухом. Так, при окислительном выщелачивании сульфидов металлов в автоклавах в присутствии воздуха они окисляются до сульфатов, в результате чего сокращается расход необходимой для выщелачивания H2SO4. Автоклавы для выщелачивания могут работать при 200–300 ° С и давлении 16–80 МПа. Они бывают горизонтальными

332

(с механическим перемешиванием) и вертикальными (с перемешиванием и обогревом острым паром).

Выщелачивание – сравнительно медленный процесс, поэтому его интенсифицируют путем механического, ультразвукового и термического активирования твердых веществ, наложением электрических полей, с помощью вибраций и пульсаций. С целью интенсификации выщелачвание иногда проводят одновременно с ионным обменом.

Выщелачивание, осуществляемое путем просачивания раствора через слой твердого пористого материала, называют перколяционным. Скорость просачивания зависит от пористости (отношение объема пор к общему объему), содержания мелких (иловых) частиц в твердом материале и высоты слоя. При проведении процесса в специальных аппаратах – перколяторах скорость просачивания должна быть не ниже 2 см/с. Выщелачивание в перколяторах – малоинтенсивный процесс; используют его редко [7, 20].

Более широко применяют перколяционный процесс для кучного и подземного выщелачивания в сочетании с ионообменным извлечением металла. При кучном выщелачивании материал (например, старые отвалы, гранулированный рудный концентрат), уложенный в бурты на водонепроницаемом, слегка наклонном основании, обрабатывают жидким реагентом. По истечении длительного времени (от суток до месяцев) накопившийся в сборниках раствор перерабатывают. Более интенсивный процесс этого типа – выщелачивание с замесом. Жидкий реагент и твердый материал перемешивают в винтовом конвейере, который одновременно служит и для укладки материала в бурты.

Подземное выщелачивание состоит в подаче выщелачивающего раствора под землю непосредственно в рудное тело или в слой специально подготовленной руды и выкачивании раствора, просочившегося через слой руды, на поверхность. Известны два основных варианта подземного выщелачивания – скважинный (бесшахтный) и шахтный. В первом случае используют систему определенным образом расположенных скважин для подачи выщелачивающего раствора и выкачивания продукционного раствора, во втором – старые или специально созданные шахты, подготовленные подземные камеры с обрушенной рудой, а для сбора продукционного раствора– штольни или штреки. При разработке месторождений руд радиоактивных и цветных металлов часто применяют комбинированные системы подземного выщелачивания: из элементов скважинных и шахтных

333

систем выщелачивания; из элементов систем шахтного выщелачивания икакого-либодругого типавыщелачивания [7].

14.2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Под кристаллизацией понимают образование твердой кристаллической фазы из любой фазы, в том числе из другой кристаллической. В промышленности кристаллизацию осуществляют из расплавов, растворов и паров [20].

Кристаллизация идет с достаточной скоростью лишь в пересыщенных растворах, в которых образуются зародыши кристаллов. Начиная с некоторого критического размера, происходит быстрый рост зародышей и образуется большое число кристаллов различного размера.

Рис. 14.1. Принципиальная технологическая схема кристаллизационной установки с псевдоожиженным слоем: 1 – насос; 2 – испаритель; 3 – кристаллораститель; 4– 6 – барометрические конденсаторы;

7–10 – эжекторы

Критический размер кристалла может быть определен из уравнения

где С, С* – концентрации пересыщенного и насыщенного растворов, кг/м3; σ– поверхностное натяжение, Н/м; ρ – плотность кристаллов, кг/м3.

334

Впромышленности используют три метода кристаллизации из растворов: изотермический, в котором пересыщение раствора достигается удалением части растворителя путем выпаривания при постоянной температуре; изогидрический, при котором пересыщение раствора достигается охлаждением раствора при сохранении массы растворителя; комбинированный (комбинация первых двух методов) – кристаллизация под вакуумом, при которой происходит отгонка растворителя с одновременным понижением температуры.

Всоответствии с указанными методами создания пересыщенного раствора различают три типа промышленных кристаллизаторов:

шинство аппаратов, предназначенных для кристаллизации из растворов, является кристаллизаторами со стационарным или циркулирующим по замкнутому контуру псевдоожиженным слоем. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь кристаллизацию в псевдоожиженном слое.

Кристаллизационные установки с псевдоожиженным слоем, работающие под атмосферным давлением, используют в тех случаях, когда температура кристаллизации ниже нуля или равна нулю (0 ° С). Вакуумные кристаллизаторы используют при температуре кристаллизации не ниже 6 ° С.

В типичной схеме вакуумной кристаллизационной установки исходный раствор поступает во всасывающую линию циркуляционного насоса, где смешивается с циркулирующим раствором и направляется в испаритель. В испарителе, находящемся под вакуумом, происходит понижение температуры раствора вследствие испарения части растворителя до точки кипения, соответствующей остаточному давлению в аппарате. Пересыщенный в результате охлаждения раствор поступает по барометрической трубе в кристаллораститель, где происходит кристаллизация. Образовавшаяся суспензия кристаллов удаляется из нижней части кристаллорастителя. Вакуум в кристаллизационной установке создается с помошью барометрических конденсаторов и паровых эжекторов.

335

14.2.1. Расчет кристаллизационного аппарата с псевдоожиженным слоем кристаллов

14.2.1.1. Материальный и тепловой балансы кристаллизации

Массу кристаллической фазы (Gx) определяют из уравнений материального баланса кристаллизации:

Gн = Gх + Gк +W ,

GнYн = Gх′ + GкYк,

где Gк – расход начального и конечного маточного растворов, кг/с; Gx, G'x – расход соответственно кристаллогидрата (т.е. кристаллической фазы, включающей растворитель) и кристаллической фазы в пересчете на чистое растворенное вещество, кг/с; W – расход удаляемого растворителя, кг/с; YнYк – концентрации начального и конечного маточного растворов, масс. доли.

Поскольку число молей в кристаллической фазе без растворителя и в форме кристаллогидрата одно и то же, расход безводной кристаллической фазы G'x может быть выражен через расход кристаллогидрата:

Gx′ = Gx М / M кг,

где М, Мкг – молекулярная масса соответственно кристаллов (без растворителя) и кристаллогидрата.

Из уравнений получают расход кристаллической фазы:

G= Gн ( yк − yи ) −WYк .

xYк − М / M кг

Тепловой баланс для всех трех методов кристаллизации из растворов может быть выражен единым уравнением:

Gнcрунtн + Gхq ± Q = Gхcрхtк + (Gн − Gк −W )cрукtк +Wt ± Qпот,

где Gрук, Gрун, Gрх – теплоемкости начального раствора, маточного раствора и кристаллов; tн, tк – температуры исходного и маточного растворов, ° С; q – теплота кристаллизации, Дж/кг [7]; Т – энтальпия вторичных паров, Дж/кг; Qпот – потери тепла, Вт; Q – тепло, подводимое при термической кристаллизации.

336

14.2.1.2. Определение высоты псевдоожиженного слоя

После того как пересыщенный раствор поступает в кристаллорастворите.пь, начинается процесс кристаллизации, в течение которого масса веществаизраствора переходит к поверхностикристалловидалеевключается

вкристаллическую решетку. В ходе образования твердой фазы выделяется тепло кристаллизации. Таким образом, по мере передвижения раствора

взонекристаллизациименяютсяегоконцентрацияитемпература. Скорость увеличения массы кристаллов зависит от интенсивности

внешнего массо-обмена (уравнение массоотдачи] и скорости включения молекул растворенного вещества в кристаллическую решетку [кинетическое уравнение]:

i = β c(С – Сп), i = Kω (Сп – С),

где β c – коэффициент массоотдачи, м/с; Kω – константа скорости роста кристаллов, м/с; Сп, С – концентрации вблизи поверхности кристалла и в ядре жидкости, кг/м3; i – плотность потока массы, кг/(м2·с).

Из уравнений найдем плотность потока массы, входящей в кристаллическую фазу:

i = Kc(С – С*),

где Kc – коэффициент массопередачи, м/с, Kc = (1/β c +1/ Kω )–1 . Принимая, что скорость массопередачи кристаллизации в псевдо-

ожиженном слое контролируется внешней массоотдачей Kc = β c, получили следующее уравнение для определения объемного коэффициента

Материальный и тепловой балансы кристаллизации в псевдоожиженном слое в дифференциальной форме могут быть записаны следующим образом:

где αυ – объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3·К), ρ сл – прочность псевдоожиженного слоя, Сρ .сл – усредненная теплоемкость псевдоожиженного слоя, Дж/(кг·К), tп – температура поверхности, ° С.

337

Поскольку температура в кристаллорастителе меняется незначительно, равновесная концентрация С* может быть описана линейной функцией температуры:

C* = at + b,

где a, b – константы.

Из системы уравнений для стационарного процесса найдем зависимости концентрации и температуры раствора от высоты слоя:

центрация (кг/м3) и температура (° С) раствора, входящего в кристаллораститель. Константа А в уравнениях определяется как

A = q/[cpyρ yε + ρ xcpx(1 – ε )].

Высоту аппарата определяют из равенства подэкспоненциального выражения уравнения единице:

Kvc(1 + aA) H/w = 1,

поскольку при этом наблюдается наиболее предпочтительный вид зависимости концентрации раствора от высоты, близкий к линейному.

14.2.1.3. Расчет вакуум-кристаллизатора

Задание на проектирование

Рассчитать вакуум-кристаллизатор с псевдоожиженным слоем для кристаллизации MgSO4 из водного раствора по следующим данным:

–производительность по исходному раствору С = 18 000 кг/ч;

–содержание MgSO4 в исходном растворе Y = 27 мас. %;

–температура исходного раствора T = 50 ° С,

–температура маточного раствора на выходе из кристаллизатора

Tк = 15 ° С;

– средний размер кристаллов P = 2·10–3 м.

338

Концентрация раствора на выходе из кристаллизатора

Равновесная растворимость MgSO4 в воде в рабочем интервале температур 10–30 ° С хорошо описывается линейной функцией темпера-

туры (рис. 14.2):

С* = at + b (a = 4,8; b = 257) ,

где данные по растворимости пересчитаны из г/100 г воды в кг/м3.

Рис. 14.2. Зависимость равновесной растворимости MgSO4 от температуры

Концентрацию раствора на выходе из кристаллорастителя можно определить из условия, согласно которому кристаллизация при пересыщении, составляющем 5 % от предельного, практически прекращается:

Ск = 0, 05Sпр + atк + b,

где Sпp – предельное пересыщение раствора, кг/м3. Его находят, зная предельное переохлаждение, определяемое по эмпирическому уравнению

∆ tпр= 62, 59q−0,772 exp (− 0, 027q),

где q – теплота кристаллизации, q = 65,7 кДж/моль (3,87 ккал/моль). Получим

∆ tпр= 62, 59 3,87−0,772 exp (− 0, 027 3,87)= 19,83° С.

По температурной зависимости равновесной растворимости найдем предельное пересыщение Sпp = 91 кг/м3. Подставив это значение в уравнение, получим концентрацию раствора на выходе из кристаллизатора:

Ск = 0, 05 91+ 4,8 15 + 257 = 333, 6 кг/ м3.

339

Определение рабочей высоты кристаллорастителя

Для определения рабочей высоты кристаллорастителя необходимо располагать значениями порозности слоя, скорости раствора и коэффициента массопередачи.

Оптимальное значение порозности в кристаллизаторах с псевдоожиженным слоем ε = 0,75.

В литературе имеется ряд зависимостей для определения скорости раствора в кристаллорастителях с псевдоожиженным слоем. Используем уравнение, дающее наиболее близкую сходимость с экспериментальными данными [2]:

ω = 2,33(ε/1,05)3 r(ρх − ρу ) / ρу ,

ω = 2,33(0,75/1,05)3 2 10−3 (1680 −1300) /1300 = 0, 021 м/ с,

где ρ х – плотность кристаллической фазы, ρ х= 1680 кг/м3; ρ у – плотность раствора при Ск, ρ у = 1300 кг/м3.

Объемный коэффициент массопередачи определяется уравнением Входящие в него величины найдем следующим образом:

–кинематическая вязкость маточного раствора при T = 25 ° С

С= Ск = 333,6 кг/м3;

–коэффициент диффузии MgS04 в воде при концентрации Ск и температуре 25 ° С

D25 = 0,447 м2/с;

– коэффициент диффузии при 15 ° С можно определить следующим образом:

Подставив значения, найдем коэффициент массопередачи:

Рабочую высоту псевдоожиженного слоя можно рассчитать по уравнению. Для этого определим константу А в уравнении.

Теплоемкость кристаллов с = 945 Дж/(кг·К). Теплоемкость маточного раствора

cρy = cρxYк + 4190(1−Yк ) = 945 0, 257 + 4190(1− 0, 257) = 3356 Дж / (кг К).

340