10.4.Химия и использование бактериального окисления сульфидных минералов. Выщелачивание куч и отвалов, подземное выщелачивание

Бактериальное выщелачивание – это выделение металлов из руд путём окисления содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. Универсальным микроорганизмом, окисляющим сульфиды, является бактерия Acidithiobacillus ferrooxidans, которая может использовать в качестве энергетического субстрата практически все сульфид­ные минералы, восстановленные соединения серы (S°, S₂O₃^2- и др.) И другие закисные элементы в растворе, в частности железо.

Механизм бактериального выщелачивания

Все выщелачивающие бактерии (Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans и др.) переводят в ходе окисления металлы в раствор, но не по одному пути. Различают «прямые» и «непрямые» методы бактериального окисления металлов.

Прямое окисление. Процесс окисления железа и серы бактериями является прямым окислительным процессом:

4 FeSO₄ + O₂ + 2 H₂SO₄  2 Fe₂(SO₄)₃ + 2 H₂O,

S₈ + 12 O₂ + 8 H₂O  8 H₂SO₄.

В результате прямого бактериального окисления окисляются пирит:

4 FeS₂ + 15 O₂ + 2 H₂O  2 Fe₂(SO₄)₃ + 2 H₂SO₄

и сфалерит:

ZnS + 2 O₂  ZnSO₄.

Непрямое окисление. Выщелачивание, происходящее при участии иона Fe³⁺, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называется непрямым окислением. Часто в ходе непрямого окисления минералов образуется элементарная сера, которая может непосредственно окисляться бактериями до серной кислоты. Ион Fe³⁺ переводит в раствор многие минералы, например халькоцит:

Cu₂S + 2 Fe₂(SO₄)₃  2 CuSO₄ + 4 FeSO₄ + S⁰

и уранит:

UO₂ + Fe₂(SO₄)₃  UO₂ SO₄ + 2 FeSO₄.

Организация выщелачивания

Существуют два подхода к организации процессов выщелачивания: выщелачивание просачивающимся через слой руды раствором и выщелачивание из взвешенных в растворе частиц. К выщелачиванию просачиванием относятся методы подземного и поверхностного (в кучах, отвалах) выщелачивания, выщелачивание в растворе называется чановым.

Кучи содержат повышенное по сравнению с отвалами содержание металла, извлечение которого в принципе возможно за достаточно короткий срок – несколько месяцев. В то же время выщелачивание отвалов может длиться годами. В кучах и отвалах измельченная руда уложена на наклонное водонепроницаемое основание. Поверхности куч и отвалов орошаются выщелачивающей жидкостью, представляющей собой слабый раствор кислоты и ионов трехвалентного железа. Сбор раствора с извлеченным металлом, профильтровавшегося через слой породы, производят снизу. Поскольку при выщелачивании отвалов в среде, как правило, развиваются природные микроорганизмы, засева не производят. Кислая среда и наличие кислорода способствует повышению каталитической активности Acidithiobacillus ferrooxidans.

При подземном выщелачивании орошение участков рудного тела производится через скважины, пробуренные с поверхности или из выра­боток, а также через трещины в обрушениях и шурфы.

10.5. Конструкции теплообменных аппаратов.

Трубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники.

Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рисунке показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, которая состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4 .В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред I движется внутри труб, а другая II в межтрубном пространстве. Среды обычно направляются противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло,- в противоположном направлении, чтобы направление движения совпадало с направлением соответственной конденсации при изменении плотности. Для интенсификации теплообмена применяют многоходовые теплообменники (Рис.Б). Скорость жидкости в трубном пространстве возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Повышение интенсивности теплообменника сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением конструкции теплообменника. Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные - более просты в эксплуатации и занимают меньшую производительную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.При работе теплообменника кожух и трубы нагреваются неоднократно, что приводит к их к различному удлинению. Это вызывает напряжение в трубных решетках и могут привести к нарушению плотности соединения труб с трубной решеткой и смещение теплоносителей. При разности температур труб и кожуха с выше 50 ⁰С, при значительной длине труб, а также различием материала труб и кожуха возникают температурные

деформации. Для уменьшения температурных деформаций используют линзовый компенсатором. Кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором, у которых на корпусе имеется линзовый компенсатор 1 (Рис В), подвергающийся упругой деформации. Такая конструкция отличается простотой, но применяется при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве, обычно не превышающих 6*10⁵ н/м² (6 атм) .

При необходимости обеспечения больших перемещений труб и кожуха используют теплообменник с плавающей головкой (Рис.Г). Нижняя трубная решетка 2 является подвижной, что позволяет всему пучку труб свободно перемещаться независимо от корпуса аппарата. Этим предотвращается опасная температурная деформация труб и нарушение плотности их соединения с трубными решетками. Однако компенсация температурных удлинений достигается в данном случае за счет усложнения и утяжеления конструкции. В кожухотрубчатый теплообменнике с U –образными трубами (Рис.Д) сами трубы выполняют функцию компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата, имеющего лишь одну неподвижную трубную решетку. Недостатки теплообменников с U –образными трубами: сложность очистки внутренней поверхности труб, сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

В хим промышлен-ности применяются также теплообменники с двойными трубами. С одной стороны аппарата размещены две трубные решетки, причем в решетке 1 закреплен закреплен пучек труб 2 меньшего диаметра, открытых с обоих концов, а в решетке 3 – трубы 4 большего диаметра с закрытыми левыми концами, установленные концентрически относительно труб 2. Среда I движется по кольцевым пространствам между трубами 2 и 4 и выводятся из межтрубного пространства теплообменника по трубам 2. Среда II движется сверху вниз по межтрубному пространству корпуса теплообменника, омывая трубы 4 снаружи. В теплообменниках такой конструкции трубы могут удлиняться под действием температуры независимо от корпуса теплообменника.

Элементарные теплообменники.

Теплообменник типа « труба в трубе » состоит из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами. Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, а другой –по кольцевому зазору между внутренними 1 и наружными 2 трубами. Внутренние трубы (обычно диаметром 57-108 мм) соединяются калачами 3, а наружные трубы, имеющие диаметр 76-159 мм – патрубками 4. Благодаря небольшим поперечным сечениям трубного и межтрубного пространства в двухтрубчатых теплообменниках даже при небольших расходах достигаются довольно высокие скорости жидкости, равные обычно 1-1,5 м/сек. Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей, а также при высоких давлениях. Если требуется большая поверхность теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций.

Змеевиковые теплообменники .

Погружные теплообменники.

В погруженном змеевиковом теплообменнике капельная жидкость, газ или пар движутся по спиральному змеевику 1, выполненному из труб диаметром 15-75 мм, который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе 2 аппарата. В следствие большого объема корпуса скорость жидкости в корпусе незначительна, что обуславливает низкие значения коэффициента теплоотдачи снаружи змеевика. Для его увеличения повышают скорость жидкости в корпусе путем установки в нем внутреннего стакана 3, но при этом значительно уменьшается полезно используемый объем корпуса аппарата. Теплоотдача в межтрубном пространстве погружных теплообменников малоинтенсивна, т.к. тепло передается практически путем свободной конвекции. Поэтому теплообменники такого типа работают при низких тепловых нагрузках. Несмотря на это погружные теплообменники находят довольно широкое применение вследствие простоты устройства, дешевизны, доступности для очистки и ремонта, а также удобства работы при высоких давлениях и в химически активных средах. Они применяются при поверхностях нагрева до 10-15 м².

Оребренные теплообменники.

К числу компактных и эффективных теплообменников относятся разные конструкции теплообменных аппаратов с оребренными поверхностями. Применение оребрения со стороны теплоносителя, отличающегося низкими значениями коэффициентов теплоотдачи (газы, сильновязкие жидкости), позволяет значительно повысить тепловые нагрузки аппаратов.

Спиральные теплообменники.

В спиральном теплообменнике поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, а их наружные концы сварены друг с другом. Спиральные теплообменники весьма компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей, и обладают при равных скоростях сред меньшим гидравлическим сопротивлением, чем трубчатые теплообменники различных типов. Вместе с тем эти аппараты сложны в изготовлении и работают при ограниченных избыточных давлениях, не превышающих 10*10⁵ н/м² (10 атм), т.к. намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов; кроме того, возникают трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками.

10.6. Определить необходимый процент рециркуляции очищенной воды, имеющей БПК₅ =18 мг/л, для снижения БПК₅ поступающей воды на биофильтр с 375 до 150 мг/л.

Решение

Процент рециркуляции n – отношение расхода очищенной воды q, взятой для разбавления, к расходу поступающей воды Q:

n = q/Q

В смеси двух потоков воды (Q + q) масса загрязняющих веществ по условию задачи должна составлять (Q + q) ^.150, следовательно, имеем: Q 375 + q 18 = (Q + q) ^. 150. Откуда

Если, например, на очистку поступает 20 тыс. м³/сут, то рециркуляционный расход очищенной воды составит 34 тыс. м³/сут. Всего на биофильтр будет поступать 54 тыс. м³/сут СВ.

Масса загрязняющих веществ в поступающей сточной воде составляет

375 ^. 20 = 7500 кг/сут (по БПК₅),

в рециркуляционном расходе

18 ^. 34 = 612 кг/сут.

Всего на биофильтр будет поступать загрязнений по БПК₅ 8112 кг/сут при концентрации 150 мг/л.