Подготовка химического сырья к переработке

Комплексная переработка сырья - это использование всех минеральных составляющих сырья путем превращения их в полезные продукты за счет совмещения нескольких производств внутри одного предприятия.

Природное сырье в своем составе кроме полезного компонента обычно содержит примеси других веществ, причем количество последних может колебаться в достаточно широких пределах и зачастую во многом превышать содержание полезного компонента. Так, например, количество минеральных примесей (золы) в углях иногда достигает 50 %, а в горючих сланцах эти примеси могут составить 95 %. Апатито-нефелиновые руды как источник фосфатного сырья содержат лишь 15 мас. % Р₂О₅. Остальные 85 % представлены Al₂O₃, TiO₂, SiO₂ и другими компонентами. Поэтому основным направлением в решении проблемы экономии сырья являются разработка и применение комплексных методов его переработки.

Так, при конверсии природного газа наряду с водородом для синтеза NH₃ получают оксид углерода(IV), который в процессе синтеза аммиака не применяется. Поэтому обычно совмещают производство аммиака с получением карбамида (мочевины):

2 NH₃ + CO₂ → CO(NH₂)₂ + H₂O

На основе комплексного использования концентратов цветных металлов организовано крупное производство таких металлов, как кадмий, висмут, индий, рений, селен, теллур, а также других рассеянных элементов.

С комплексным использованием сырья соприкасаются проблема переработки и утилизации побочных продуктов и отходов производств и применение их в качестве вторичных материальных ресурсов. Почти в каждом химическом производстве кроме целевого продукта образуются вещества, которые не находят применения и идут в отходы производства. Причины появления отходов самые различные: примеси в сырье, низкая селективность сложных реакций, многокомпонентность сырья. В отходы идут также отработанные вспомогательные материалы (катализаторы, растворители, экстрагенты). На каждом предприятии обычно образуются три вида отходов: жидкие, твердые и газообразные.

Твердые отходы хранятся в отвалах, постепенно накапливаясь на территории предприятия. Их сжигают, закапывают и сбрасывают в старые выработки. Между тем в отвалах содержатся миллионы тонн веществ, которые путем механической, термической или химической обработки можно превратить в полезные продукты. Интересным примером реализации этой идеи служит использование крупнотоннажного отхода производства целлюлозы - технического гидролизного лигнина. Технический лигнин представляет собой сложный многофазный и полидисперсный твердый материал, в состав которого кроме лигнина входят трудно гидролизуемые полисахариды, смолы, гуминовые вещества, влага. Наиболее интересным компонентом этой смеси является сам лигнин - природный полимер, обладающий сложной структурой, содержащей ароматические циклы.

Его переработка может проводиться в трех направлениях: использование лигнина после механической и тепловой обработки в натуральном виде; термическая переработка (сжигание); химическое модифицирование.

После сушки и измельчения лигниновая мука применяется в качестве наполнителя пластмасс взамен сажи, древесной муки, а также позволяет полностью исключить из рецептуры каркасных резин остродефицитную белую сажу.

Термическое сжигание нецелесообразно, так как компоненты этого отхода обладают определенными потребительскими свойствами, в частности ярко выраженной сорбционной способностью, которая может быть усилена путем химического модифицирования.

Процессами нитрования, хлорирования и сульфирования лигнин перерабатывается в такие продукты, как коллоктивит (аналог активированного угля марки Б), нитролигнин (регулятор структурно-механических свойств бурильных растворов), хлорлигнин (заменитель природных дубителей, адсорбент для извлечения редкоземельных металлов из растворов), лигнофенолформальдегидные смолы (продукт конденсации с фенолом) и т.д.

Отходящие газы содержат такие компоненты, как СО, СО₂, NO, NO₂, SO₂, H₂S. Эти газы отравляют атмосферу, снижают плодородие почвы, губят посевы. Наиболее опасным компонентом отходящих газов считается сернистый ангидрид, который взаимодействует в воздухе с парами воды и выпадает на землю в виде кислотных дождей, что губительно действует на здоровье людей, посевы и постройки. Только промышленные предприятия ежегодно выбрасывают в атмосферу около 160 млн. т SO₂, из них около 70 % поставляют теплоэнергетические установки, 15 % - предприятия черной и цветной металлургии и 15 % - химическая и нефтеперерабатывающая промышленность.

Используя только отходящие газы цветной металлургии, получают серную кислоту - более 25 % всего производства ее в стране.

Сточные воды, сбрасываемые в водоемы, содержат вредные органические и неорганические вещества. Они снижают содержание кислорода в воде, губительно действуют на флору и фауну водоемов. Таким образом, проблема отходов тесно связана с защитой окружающей среды.

Справедливо считают, что в химической промышленности не должно быть отходов. Любые отходы - это химические вещества, которые могут и должны стать сырьем для получения различных продуктов. Поэтому отходы следует рассматривать как вторичные материальные ресурсы. В последние годы благодаря развитию науки и техники постоянно расширяется номенклатура используемых отходов в химической промышленности.

В настоящее время в нашей стране за счет использования вторичного сырья производится около 30 % стали и 20 % цветных металлов. Необходимо отметить, что энергоемкость производства алюминия из вторичного сырья в 20 раз, а стали в 10 раз ниже, чем энергоемкость их производства из первичного. Капитальные вложения при переработке вторичного сырья примерно в четыре раза меньше, чем при переработке первичного.

Сырье, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определенным требованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процесс подготовки сырья к переработке. В этот комплекс входят: классификация, измельчение (или в отдельных случаях укрупнение), обезвоживание и обогащение.

Классификация – это процесс разделения однородных сыпучих материалов на фракции (классы) по размерам составляющих частиц. Классификация осуществляется грохочением, разделением смеси частиц по скорости их осаждения в жидкой фазе (гидравлическая классификация) или воздухе (воздушная классификация).

Грохочение - разделение сыпучих материалов на фракции по размеру или крупности частиц (кусков) просеиванием на грохотах (ситах). Грохотами обычно разделяют зерна, размер которых превышает 3-5 мм; механические классификаторы используются для более тонкой сепарации мокрого материала. Большинство грохотов относится к вибрационному типу. Их главным элементом является сито, пластина с отверстиями или какая-либо другая плоская перфорированная конструкция (обычно устанавливаемая наклонно под углом 20-40 ^о), которой придается вибрация с частотой 500-3600 циклов в минуту. Разделение материала происходит при его движении относительно рабочей поверхности грохота (колосниковые решетки, перфорированные металлические листы - решета, сетки). При этом материал расслаивается - мелкие фракции постепенно проходят сквозь крупные и проваливаются через калибров, отверстия определенных размеров в рабочей поверхности, более крупные частицы остаются на рабочей поверхности и удаляются с нее. Надрешетный продукт - обозначается цифрой, указывающей размер отверстия со знаком «плюс», напр. + 50 мм; продукт, прошедший через отверстия, называется подрешетным и обозначается цифрой со знаком «минус». По размеру частиц продукта различают крупное (300-100 мм), среднее (100-25 мм), мелкое (25-5 мм) и тонкое (5-0,5 мм) грохочение.

Основные характеристики грохочения.: граница разделения фракций, определяемая размером отверстий в ситах; остатки материала на ситах после грохочения; производительность грохота по исходному материалу и готовому продукту; эффективность - отношение массы подрешетного продукта к массе фракции той же крупности в исходном материале.

Показатель качества грохота называется засоренность 3, характеризующая содержание (%) в продукте посторонних фракций:

                                                      (3.1)

где: А₀ и А₀'-массы пробы соответственно до и после отсева посторонних фракций, г.

Грохочение может быть сухим (происходить в среде воздуха или инертного газа) либо мокрым (материал подается на грохот вместе с водой или другой жидкостью). Наиболее распространено сухое, поскольку в большинстве процессов используется обезвоженный продукт. Однако для материалов с повышенной влажностью или содержащих комкующиеся примеси значительно эффективнее, если это допускается технологическим режимом и экономически целесообразно, мокрое грохочение, которое позволяет одновременно промывать материал и предотвращать пылевыделение.

Различают следующие виды грохотов: неподвижные (колосниковые); с движением отдельных элементов рабочей поверхности (с эластичным ситом); подвижные с колебательным (вибрационные, или инерционные), вращательным (барабанные) или волнообразным (инерционные) движением рабочей поверхности; с перемещением материала в струе пульпы. По форме рабочей поверхности грохоты подразделяют на плоские, дуговые, барабанные, многогранные призматические (бураты); по расположению - на горизонтальные и наклонные; по числу сит - на одно-, двух- и многоситовые. Преимущественное применение имеют грохоты с колебательным движением: вибрационные, резонансные, гирационные.

Механические классификаторы. Механические классификаторы представляют собой прямоугольные лотки с наклонным дном, которым сообщается встряхивающее и возвратно-поступательное движение. Материал, подлежащий разделению по крупности зерен, смешивается с водой, подается на верхний край классификатора и перемещается под действием силы тяжести в углубление на нижнем крае лотка. Там более тяжелые и крупные частицы оседают на дно и забираются конвейером. Более легкие и мелкие частички выносятся потоком воды.

Центробежные конусные классификаторы. В центробежных конусных классификаторах для выделения рудных частиц используются центробежные силы в водной среде. Процесс разделения в таких классификаторах позволяет получить мелкозернистую песчано-шламовую фракцию, пригодную для дальнейшего концентрирования методом флотации.

 

 

 

Рис. 3.1. Многосекционный классификатор:

1 - корпус; 2 - сборник; 3 - мешалки; 4 - выгружатeль; 5 - привод.

Измельчение заключается в дроблении природного материала, обычно механическими методами, с получением смеси частиц ценных и ненужных компонентов. Дробление может также дополняться химическим разложением молекул компонентов для освобождения полезных атомов. Выделение, или концентрация, состоит в обособлении полезных частиц одного или нескольких продуктов, называемых концентратами, и исключении ненужных частиц пустой породы (хвостов, или отходов). Частицы, которые не попали ни в концентрат, ни в отходы, называются промежуточным продуктом и обычно требуют дальнейшей переработки.

В большинстве случаев - это основная и часто наиболее энергоемкая операция, предназначенная для разрушения до требуемых размеров сырья, а также для раскрытия взаимно сросшихся агрегатов (зерен) и образования частиц отдельных минералов.

Грубое измельчение, или дробление, крупных кусков руды проводят в щековых, конусных или валковых дробилках; максимальный размер кусков 12-18, иногда 2-4 мм. К дроблению относятся механические процессы, посредством которых добытая в руднике порода разбивается до размеров, подходящих для дальнейшего измельчения посредством размалывания. Устройства, которые разбивают добытое в руднике сырье, относятся к первичным дробилкам; дробилки щекового и конусного типов среди них являются основными. Вторичное дробление осуществляется в один, два, реже в три этапа.

Тонкое измельчение, или помол, сырья осуществляют в мельницах стержневых, шаровых или самоизмельчения, при этом максимальный размер частиц достигает 0.70-0.04 мм, иногда 1 мм. Для получения продуктов размером частиц менее 0.3 мм применяют измельчение в цикле мельница - классификатор. Чтобы «не дробить ничего лишнего» и обеспечить необходимую степень раскрытия структурных компонентов (минералов), дробление и помол сочетают соотв. с грохочением и классификацией гидравлической.

Конечный этап механического отделения полезных минералов от пустой породы - размалывание. Обычно оно производится в водной среде посредством машин, в которых порода измельчается при помощи чугунных или стальных шаров, кремневой гальки, а также гальки, образующейся из твердых кусков руды или вмещающей породы.

Обезвоживание материала достигается методами стекания. Отстаивания (в случае жидких систем) и сушки.

Обогащение - совокупность процессов и методов первичной переработки сырья с целью получения конечных товарных продуктов или продуктов, пригодных для последующей технически возможной и экономически целесообразной химической, металлургической либо иной переработки. При обогащении структура, химический состав или агрегатное состояние минералов либо др. компонентов не изменяются, а происходит отделение (или взаимное разделение) всех полезных компонентов от пустой породы - горной массы, не представляющей практической ценности. В результате обогащения получают один или несколько концентратов, содержащих основную массу полезных составляющих, и отходы - хвосты, включающие большую часть пустой породы.

Основные показатели обогащения (%): выход концентратов и хвостов; кондиционное (соответствующее требованиям дальнейших технологических переделов) содержание полезных компонентов и вредных примесей; степень извлечения (или просто извлечение) целевых продуктов в концентрат.

Выбор метода обогащения зависит от агрегатного состояния и различия свойств компонентов сырья.

При обогащении твердого сырья используют механические, физико-химические и химические методы.

Механические методы обогащения позволяют отделить ценные рудные частицы от частиц пустой породы с использованием чисто физических процессов, без химических превращений. К ним относятся:

- гравитационная концентрация основана на использовании разной плотности различных минералов. Частицы разной плотности вводятся в жидкую среду, плотность которой имеет промежуточное значение между плотностями минералов, подлежащих разделению. Этот принцип можно проиллюстрировать отделением песка от опилок, когда их бросают в воду; опилки всплывают, а песок тонет в воде.

- метод обогащения в тяжелой среде основан на использовании суспензии, состоящей, помимо частиц руды, из воды и твердого компонента. Плотность суспензии варьируется от 2.5 до 3.5 в зависимости от свойств разделяемых минералов. При этом используются конические или пирамидальные емкости.

- концентрационные столы представляют собой гравитационные концентраторы, приспособленные для переработки материала песчаной фракции с размером зерна менее 2.5 мм. Главный их элемент - это покрытая линолеумом прямоугольная дека шириной 1.2-1.5 м и длиной около 4.8 м. Она устанавливается с небольшим регулируемым поперечным уклоном и испытывает возвратно-поступательное движение вдоль длинной стороны с частотой 175-300 циклов в минуту и амплитудой от 6 до 25 мм. Дека имеет рифленую поверхность; при этом высота ее гребней уменьшается в направлении диагонали деки от края стола, где производится подача материала, к его выгрузочному концу. Водная суспензия попадает в бороздки и там расслаивается: более тяжелый материал оседает на дно, а более легкий оказывается наверху. Под воздействием возвратно-поступательного движения легкий материал передвигается по деке. Поскольку высота гребней к выгрузочному концу стола уменьшается, верхний слой смывается потоком воды, идущим поперек стола, и уносится вниз к его боковой стороне, тогда как более тяжелый материал переносится к выгрузочному концу.

- концентрационный шлюз представляет собой наклонный желоб с шероховатым дном, вдоль которого перемещается гравий россыпи (золотоносной или оловоносной), увлекаемый потоком воды; при этом тяжелые минералы оседают на дне углублений и удерживаются там, тогда как легкие выносятся. Шероховатость дна создается деревянными брусками, рейками, рифленой резиной, небольшими жердями и даже железнодорожными рельсами, устанавливаемыми вдоль или поперек желоба.

Наиболее распространенным физико-химическим методом обогащения является флотация, которая основана на различиях физико-химических свойств поверхности минералов в зависимости от их состава, что вызывает селективное прилипание частиц к пузырькам воздуха в воде. Агрегаты, состоящие из пузырьков и прилипших частичек, всплывают на поверхность воды, тогда как не прилипшие к пузырькам частицы оседают, в результате чего происходит разделение минералов.

Прилипание к пузырькам усиливается при селективном покрытии частиц одного из минералов поверхностно-активным веществом. Примером такого вещества может служить парафин. Погрузите покрытую парафином частицу в газированную воду, и пузырьки выделившегося углекислого газа прилипнут к нему. Если частица достаточно маленькая, то она всплывет. Углеводородные ионы, в которых химически активная группа представлена производными тиокислот (ксантогенаты, тиофосфаты, меркаптаны и подобные им соединения), взаимодействуют предпочтительно с ионами тяжелых металлов.

Флотация обеспечивает получение высокосортных концентратов. При этом флотационные реагенты составляют главную статью расходов. Этот процесс позволяет разделить практически любые два минерала, которые содержат существенно разные химические элементы или ионные группы.

Электрическая и магнитная сепарация. Сепарация такого рода основана на различной поверхностной проводимости или магнитной восприимчивости разных минералов.

Магнитная сепарация применяется для обогащения руд, содержащих минералы с относительно высокой магнитной восприимчивостью (магнетит, франклинит, ильменит, пирротин). Сепарация производится как в водной, так и в сухой среде. Сухая сепарация больше подходит для крупных зерен, мокрая - для тонкозернистых песков и шламов. Обычный магнитный сепаратор представляет собой устройство, в котором слой руды толщиной в несколько зерен перемещается непрерывно в магнитном поле. Магнитные частицы вытягиваются из потока зерен лентой и собираются для дальнейшей переработки; немагнитные частицы остаются в потоке.

Электростатическая сепарация основана на различной способности минералов пропускать электроны по своей поверхности, когда они находятся под поляризующим воздействием электрического поля. В результате частицы разного состава заряжаются в разной степени при определенных значениях напряженности этого поля и времени его воздействия и, как следствие, по разному реагируют на одновременно действующие на них электрические и другие силы, обычно гравитационные. Если таким заряженным частицам предоставить возможность свободно перемещаться, то направления их движения будут различаться, что и используется для разделения.

Химические методы обогащения включают, в качестве предварительного этапа, измельчение руды, которое открывает доступ химическим реагентам к ценным компонентам руды, после чего облегчается извлечение этих компонентов. Химические методы могут быть применены как непосредственно к рудам, так и к концентратам, полученным в результате обогащения руд механическими методами. Терминология методов химического обогащения до некоторой степени запутана. В рамках этой статьи разделение в расплаве относится к процессу плавления, а разделение путем селективных химических реакций – к процессу выщелачивания.

Плавление – это химический процесс, происходящий при высоких температурах, в ходе которого ценный металл и пустая порода переходят в расплавленное состояние. Поскольку металл имеет более высокую плотность и нерастворим в расплавленной пустой породе, он отделяется от последней и погружается на дно. Метод плавления имеет свои специфические особенности для каждого металла. Например, свинцовый концентрат смешивается с твердыми реагентами в определенных соотношениях, чтобы получить загрузку печи такого состава, которая при нагревании до достаточно высоких температур приводит к образованию за счет пустой породы сложных силикатов (шлака), остающихся на поверхности расплавленного металлического свинца. При выпускании металла со дна печи получается черновой свинец. При наличии в свинцовом концентрате меди образуются три слоя: нижний слой свинца, средний слой сульфида меди (штейн) и верхний слой шлака. Они выпускаются из печи раздельно. Штейн затем перерабатывается в другой печи (конвертере), через которую продувают воздух для удаления серы, получая в результате черновую (пористую) медь.

Обжиг применяется либо для изменения химического состава полезных составляющих, что делает их пригодными для выщелачивания, либо для удаления некоторых примесей, присутствие которых значительно затрудняет и удорожает процесс выщелачивания ценных компонентов. Например, некоторые руды золота, содержащие мышьяк и серу, перед выщелачиванием подвергают обжигу для удаления этих составляющих.

При выщелачивании ценные компоненты руды растворяются и отделяются от нерастворимого остатка посредством подходящего растворителя. В некоторых случаях для перевода ценного компонента в растворимую форму добавляется реагент. Эффективность (скорость и полнота протекания) процесса зависит от размера частиц, свойств реагентов, применяемых для выщелачивания, температуры и метода приведения в соприкосновение руды с растворителем или реагентами. Обычно чем меньше размер частиц, выше температура и концентрация выщелачивающих химических соединений, тем быстрее идет процесс.

Кучное выщелачивание применяется для переработки руд, содержащих легко растворимые полезные компоненты; такие руды должны быть относительно пористыми и недорогими (обычно они добываются в открытых разработках). Иногда кучное выщелачивание используется для переработки отвалов, возникших в результате процессов предшествующей добычи и утилизации руды, когда затраты на добычу уже произведены. Для загрузки руды подготавливается слабо наклонная поверхность, непроницаемая для выщелачивающих растворов. Вдоль и поперек этой поверхности создаются водосборные углубления для дренажа. После загрузки руда заливается большим количеством выщелачивающего раствора, достаточным для того, чтобы пропитать всю ее толщу. Раствор проникает между частицами руды и производит растворение полезных компонентов. Через некоторый период времени материал высушивают и извлекают корку, образованную растворившимися ценными составляющими, а обработанную рыхлую породу смывают в дренажную систему.

Выщелачивание путем просачивания используется при переработке руд, которые при дроблении измельчаются плохо и не содержат природного шлама или глины. Это довольно медленный процесс. Оно осуществляется главным образом в баках, хорошо приспособленных для загрузки и разгрузки. Дно бака должно быть эффективным фильтром, позволяющим производить через него закачку и откачку раствора. Баки загружаются раздробленной рудой определенной фракции крупности. Затем выщелачивающий раствор закачивается в бак и впитывается в руду. По истечении необходимого времени выдержки раствор с выщелоченными компонентами откачивается, а руда промывается для удаления остатков выщелачивающего раствора.

Выщелачивание с перемешиванием обычно применяется при переработке высокосортных руд или концентратов с относительно небольшим объемом материала, подлежащего выщелачиванию, а также руд, содержащих тонкую рассеянную вкрапленность полезных компонентов либо измельченных до весьма мелкозернистой фракции. Выщелачивание с перемешиванием позволяет сократить время взаимодействия растворов с рудой до нескольких часов по сравнению с сутками, которые требуются для выщелачивания при просачивании.

Извлечение ценных компонентов из растворов после выщелачивания, содержащих растворенные полезные составляющие, может осуществляться путем химического осаждения, экстракции растворителем, ионообменным методом или электролизом.

Для химического осаждения раствор после выщелачивания подвергается воздействию соответствующих химических реагентов, в результате чего ценные компоненты переходят в форму нерастворимых соединений, которые выпадают в осадок, а затем отделяются путем отсадки или фильтрования.

Экстракция растворителем представляет собой сравнительно новый метод, предложенный для переработки урановых руд. Раствор, содержащий выщелоченные ценные компоненты (называемый водной фазой), взаимодействует с несмешивающимся органическим растворителем (называемым органической фазой), в результате чего полезная составляющая переходит из водной фазы в органическую. Затем органическая фаза, несущая ценные компоненты, отделяется и взаимодействует с другой водной фазой, куда компоненты и переходят; этот процесс называется десорбированием. Новая водная фаза с извлеченными ценными компонентами обрабатывается с целью их осаждения. Органической фазой служит какой-либо органический растворитель, например, трибутилфосфат, а в качестве разбавителя обычно используется керосин.

Ионообменный процесс извлечения из руды ценных компонентов разработан сравнительно недавно. Он основан на том явлении, что синтетические смолы могут селективно экстрагировать нужные компоненты из содержащих их растворов. Ионообменные смолы синтезируются путем полимеризации с отщеплением воды.

Большинство технико-экономических расчетов, связанных с физико-химическими и химическими процессами переработки сырья и водоподготовки, сводятся либо к обычным стехиометрическим вычислениям, либо к определению уже известных параметров эффективности химических производств (расходный коэффициент сырья, выход продукта, производительность аппаратов и т. д.). Вместе с тем расчёты многих специфических процессов требуют знания основных понятий и расчётных формул, помогающих вести вычисления.

 

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2067; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!