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 Стокса справедлив 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 пульпа после 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 шлам подвергается 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 фаза пульпы 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) сгущение пульп, 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 фаза перемещается по направлению от оси вращения, а жидкая фаза - к оси вращения.