Дипломная (вкр): Метод сорбционного выщелачивания золота из руд

Рисунок 3 - Изотермы сорбции одного и того же иона на различных ионообменных смолах

3.7 Кинетика ионного обмена

Процесс ионного обмена состоит из пяти стадий:

) диффузия ионов в растворе к поверхности зерна ионита;

) диффузия ионов внутри зерна;

) протекание реакции обмена ионов;

) диффузия вытесненного противоиона изнутри к поверхности зерна;

) диффузия противоиона в объем раствора.

Стадии первая и пятая, вторая и четвертая, по сути, одинаковы, только обратны по знаку. Поскольку процесс ионного обмена - многостадийный, общая скорость обмена определяется скоростью процесса, протекающего наиболее медленно.

Многочисленными исследованиями установлено, что химическая реакция обмена (третья стадия) осуществляется очень быстро и, как правило, не определяет общей скорости ионообменного процесса. Таким образом, в кинетике ионного обмена решающую роль играют диффузионные процессы. Об этом свидетельствует большое число экспериментальных данных, полученных в статических и динамических условиях. Эти данные показывают, что скорость ионного обмена зависит от размера зерна ионита: при уменьшении крупности зерен скорость ионообменного процесса возрастает. Отсюда следует, что скорость ионного обмена определяется скоростью диффузии ионов либо непосредственно в зерне ионита, либо в неподвижном слое жидкости (называемом пленкой), окружающем зерно ионита. Диффузию ионов в зерне ионита принято называть гелевой диффузией, диффузию ионов через пленку раствора - пленочной.

Гелевая диффузия протекает чаще всего медленнее, чем диффузия в растворе. Происходит это по нескольким причинам. Во-первых, часть пространства в ионите занята цепями полимерных молекул и поэтому недоступна для диффузии. Во-вторых, путь диффундирующих ионов в смоле длиннее, так как ионам приходится перемещаться не по прямой, а по сложной траектории.

В реальных условиях процесс гелевой диффузии зачастую сопровождается рядом побочных явлений. Для простейших случаев получены некоторые количественные соотношения. Так, если оба обменивающихся иона обладают одинаковой подвижностью внутри ионита, справедливо следующее соотношение:

τ = r2/ Dn

где τ - время установления равновесия;

Dn - коэффициент диффузии ионов в смоле;

r - радиус зерна смолы.

Из выражения видно, что с увеличением коэффициента диффузии ионов внутри ионита время перемещения ионов уменьшается, следовательно, скорость обмена возрастает. Коэффициент диффузии зависит от процента сшивки ионита: чем больше содержится дивинилбензола в смоле, тем меньше коэффициент диффузии, тем соответственно больше время ионообмена. Формула показывает также, что скорость гелевой диффузии прямо пропорциональна квадрату радиуса зерна смолы, т.е. с увеличением крупности зерен удлиняется путь перемещения ионов внутри ионита, и скорость диффузии уменьшается.

При пленочной диффузии вокруг каждого зерна ионита в растворе находится пленка жидкости, которая благодаря силам молекулярного сцепления относительно прочно связана с поверхностью зерна. В этой пленке перемешивания нет, поэтому перенос ионов через нее идет только вследствие диффузии. Установлено, что скорость диффузии в пленке зависит от ее толщины, разницы концентраций раствора на внешней и внутренней ее границах, а также от коэффициента диффузии в растворе. Все эти факторы связаны следующим соотношением:

τ = (α / Dp) (СH - СB)

где τ - время;

α - толщина пленки;- коэффициент диффузии ионов в растворе;

СH и СB - концентрации ионов на поверхности зерен ионита и на внешней границе пленки.

Из соотношения следует, что скорость диффузии ионов в пленке, окружающей зерно ионита, можно увеличить путем уменьшения ее толщины в результате более интенсивного перемешивания раствора со смолой, а также путем увеличения разницы концентраций ионов на границах пленки благодаря увеличению концентрации ионов в растворе.

В сорбционном процессе извлечения золота из раствора пульпы скорость ионного обмена определяется в основном пленочной диффузией ионов.

На стадии регенерации смолы скорость ионообмена лимитируется, по-видимому, гелевой диффузией, так как процесс идет в неподвижном слое ионита без перемешивания [1, 2,3,10].

4 Описание технологической схемы, пуск и остановка

Пульпа поступает в барабанные вращающиеся грохоты (поз. 1-1-1-6), в которых происходит отделение пульпы от щепы, затем пульпа поступает в пачуки цианирования (поз. 2-1-2-4), в пачуки поз. 2-1 и поз. 2-3 подается 0,2% раствор NaCN и 5% раствор NaOH (для поддержания pH 10-11) из напорных емкостей поз. 7 и 8 соответственно. Перемешивание осуществляется воздухом.

Цель предварительного цианирования - перевести в раствор 30-40% золота, и тем самым обеспечить высокую емкость ионообменной смолы по золоту. Затем частично выщелоченная пульпа поступает в пачуки сорбционного выщелачивания (поз. 5-1-5-16), где происходит дальнейшее выщелачивание золота и его сорбция на анионит АМ-2Б, отрегенерированная или свежая смола подается в пачуки поз. 5-7 и поз. 5-15, автоматически передвигаясь противотоком по отношению к пульпе из последнего аппарата в первый. Насыщенная смола поступает самотеком в отмывочную колонну (поз. 3), в нижнюю часть которой подается вода для частичной отмывки смолы от пульпы, далее смола аэрлифтом подается в барабанный вращающийся грохот (поз. 4), в котором ионит отмывается от илов и песков, после чего поступает в цех регенереции смолы.

Выщелоченная пульпа из поз. 5-8 и поз. 5-16 поступает на контрольные грохоты (поз. 6-1,2,3) для улавливания единичных зерен ионита, выносимых с пульпой при возможном повреждении дренажных сеток. Смолу направляют в поз. 5-7, выщелоченную пульпу - на обезвреживание. Технологическая схема представлена на рисунке 4.

В случае аварии или капитального ремонта, остановку процесса производим в следующем порядке: прекращается подача пульпы, растворов NaCN и NaOH, воздуха. Затем опустошаем пачуки через патрубки, находящиеся в днищах пачуков.

Рисунок 4 - Технологическая схема

5 Расчетная часть

.1.1 Материальный баланс стадии цианирования

Основной частью расчета является составление материального баланса процесса. На основании заданной годовой производительности 1 млн. тонн руды и количества рабочих часов каскада в году (с учетом времени на текущий и планово-предупредительный ремонт) определяется часовая производительность каскада по золоту.

Исходные данные:

Элементный состав, % массовый:

Au - 4,5∙10-4- 1,0- 0,02- 0,05- 0,005

Степень цианирования:- 83%

В виде карбонатов:- 53%- 10%

В виде сульфидов:- 11%- 10%- 5% раствор, CaO - 0,1% от массы руды, рН >10.

Исходя из годовой производительности, рассчитаем часовую производительность на одну линию:

Qч = 0,5×(Qг /365×24×К) = 0,5×(1000000 / 365×24×0,85) = 67,15 т/ч,

где Qч - часовая производительность, т/ч.;

Qг - годовая производительность по руде, тонн;

 - коэффициент использования оборудования с учетом текущих и планово-предупредительных ремонтов.

Вычислим количество NaCN, необходимые для перевода золота в раствор, количество воды, кислорода и образовавшихся веществ по реакциям:

,81 х1 х2 х3 y1 y2

Au + 4NaCN + ½ O2 + H2O = 2Na[Au(CN)2] + 2NaOH

196 16 18 544 80

Количество:x1 = 250,81×196/394 = 124,768 г/ч

О2 x2 = 250,81×16/394 = 10,185 г/ч

Н2О x3 = 250,81×18/394 = 11,458 г/ч[Au(CN)2] y1 = 250,81×544/394 = 346,296 г/чy2 = 250,81×80/394 = 50,926 г/ч

,118 х4 y3 y4 y5

2CuCO3 + 8NaCN = 2Na2[Cu(CN)3] + 2Na2CO3 + (CN)2↑

,248 0,392 0,376 0,212 0,052

Количество:x4 = 7,118 ×0,392/0,248 = 11,251 кг/ч[Cu(CN)3] y3 = 7,118 ×0,376/0,248 = 10,792 кг/чCO3 y4 = 7,118 ×0,212/0,248 = 6,085 кг/ч

(CN)2 y5 = 7,118 ×0,052/0,248 = 1,492 кг/ч

,336 х5 y6 y7 y8

NiCO3 + 8NaCN = 2Na2[Ni(CN)3] + 2Na2CO3 + (CN)2↑

,238 0,392 0,366 0,212 0,052

Количество:x5 = 0,336×0,392/0,238 = 0,553 кг/ч[Ni(CN)3] y6 = 0,336×0,366/0,238 = 0,517 кг/чCO3 y7 = 0,336×0,212/0,238 = 0,299 кг/ч

(CN)2 y8 = 0,336×0,052/0,238 = 0,073 кг/ч

,384 х6 y9 y10CO3 + H2O = 2NaOH + CO2↑

0,106 0,018 0,08 0,044

∑ Na2CO3=6,085+0,299=6,384 кг/ч

Количество:

H2O x6 = 6,384 ×0,018/0,106 = 1,084 кг/ч

NaOH y9 = 6,384 ×0,08/0,106 = 4,818 кг/чy10 = 6,384 ×0,044/0,106 = 2,65 кг/ч

,693 х7 y11 y12+ 4NaCN = Na2[Zn(CN)4] + Na2S

,097 0,196 0,215 0,078

Количество:x7 = 3,693×0,196/0,097 = 7,462 кг/ч[Zn(CN)4] y11 = 3,693×0,215/0,097 = 8,186 кг/ч2S y12 = 3,693×0,078/0,097 = 2,97 кг/ч

,15 х8 х13 х14

FeS + 6NaCN = Na4[Fe(CN)6] + Na2S

,088 0,294 0,304 0,078

Количество:x8 = 67,15×0,294/0,088 = 224,342 кг/ч[Fe(CN)6] y13 = 67,15×0,304/0,088 = 231,973 кг/ч2S y14 = 67,15×0,078/0,088 = 59,519 кг/ч

,489 х9 х10 х11 y15 y16

Na2S + NaCN + H2O + O2=NaCNS + 2NaOH

0,078 0,049 0,018 0,016 0,081 0,08

∑ Na2S=59,519 +2,97 =62,489 кг/ч

Количество:x9 = 62,489×0,049/0,078 = 39,256 кг/чO x10 = 62,489×0,018/0,078 = 14,421 кг/чx11 = 62,489×0,016/0,078 = 12,818 кг/чy15 = 62,489×0,081/0,078 = 64,892 кг/ч

NaOH y16 = 62,489×0,08/0,078 = 64,091 кг/ч

67,15 x12 y17+ H2O = Ca(OH)2

0,056 0,018 0,074

Количество:O x12 = 67,15×0,018/0,056 = 21,584 кг/ч

Ca(OH)2 y17 = 67,15×0,074/0.056 = 88,734 кг/ч

Итого:

Σ NaCN = 282,989 кг/ч

Σ NaOH = 68,96 кг/ч

Σ (СN)2 = 1,565 кг/ч

Σ H2O = 37,1 кг/ч

Σ O2 = 12,818 кг/ч

Σ СО2 = 2,65 кг/ч

Так как цианид для процесса необходим в избытке, то добавляем 10% от полученного количества, т. е. 28,299 кг/ч (Σ NaCN = 311,288 кг/ч).

Полученные результаты сведем в таблицу 4.

Таблица 4 - Материальный баланс стадии цианирования

5.1.2 Материальный баланс стадии сорбции

Определяем часовой объем пульпы, который необходимо пропустить через каскад, чтобы обеспечить часовую производительность:

,

где Vчас - часовой объем пульпы: м3/час;час - часовая производительность каскада по золоту, кг/час;

Снач и Скон - начальная и конечная концентрация Au в пульпе, кг/м3.

Vчас= 0,250/(0,003-0,00003 ) = 87,175 м3/час

Количество ионита, которое нужно при этом использовать, определяется по исходному уравнению:

где Gсм - часовой расход ионообменной смолы в условных тоннах;раб - рабочая емкость смолы, кг/усл. тонну;раб - берется в пределах 80 - 90 % от равновесной емкости;нач - остаточная емкость ионообменной смолы по золоту, получаемая после регенерации смолы, она составляет 0,3 кг Au на условную тонну[10].

В таблице 5 приведено содержание компонентов в анионите АМ-2Б до и после регенерации, кг/т.

Gсм = 0,250/(15,2-0,3) = 0,0168 т/час.

Таблица 5 - Содержание компонентов в анионите АМ-2Б

Полная емкость АМ-2Б составляет 3,2 кг экв/т.

Поскольку стандартной формой анионита является Сl- - форма, то количество матрицы в условной тонне АМ-2Б составляет:

- 3,2 · 35,5 = 886,4 кг.

Считаем, что условная тонна анионита АМ-2Б (при полной емкости 3,2 кг экв/т) в любой ионной форме содержит 886,4 кг матрицы.

При остаточной емкости 0,3 кг золота на тонну анионита АМ-2Б количество килограмм-эквивалентов золота, в условной тонне будет:

,3/197 = 0,0015 кг экв.

В 1 условной тонне будет содержаться: 3,2 - 0,0015 = 3,198 кг - иона OH-. Кроме матрицы и ионов в ионообменной смоле находится вода набухания. Удельный объем набухания анионита АМ-2Б составляет 2,38 м3/т. Из этого объема вычтем объем матрицы.

Объем матрицы 1 условной тонны АМ-2Б составляет:

Vмат = 886,4 / 910 = 0,974 м3

Следовательно, объем воды набухания в 1 условной тонне АМ-2Б составляет: 2,38 - 0,974 - 0,8 = 0,606 м3, а вес ее составляет - 606 кг.

Ионообменные реакции, проходящие в процессе сорбции.

Таблица 6 - Материальный баланс процесса сорбции

5.2.1 Аппаратурный расчёт процесса цианирования

Основной задачей при конструировании пачуков является достижение максимальной интенсивности перемешивания в пачуке при минимальном расходе энергии.

Определение основных размеров чана

Часовая производительность передела по потоку пульпы поступающей на выщелачивание:

V=Q×[(1000/ρт)+(R×1000/ρp)]=67,15×[(1000/2700)+(2×1000/1100)] =146,92м3/ч.

где V - часовая производительность передела по потоку пульпы,м3/ч;- отношение Ж:Т = 2:1;

ρт - плотность частицы, кг/м3;

ρp - плотность раствора, кг/м3.

Оптимальная продолжительность выщелачивания:

ч,

где B - величина, зависящая от сложности технологии переработки руды. Принимается равной 0,2 руб/г;

K1 - часовая себестоимость переработки 1 т руды в пачуках. Принимается равной 0,005 руб/т×час;- константа скорости выщелачивания для данного рудного материала и условий выщелачивания. Величина постоянная, и равная 0,1 т/г×час;

α1, α2 начальная и конечная концентрация золота в руде, г/т.[11]

Определение общего рабочего объема аппаратуры для выщелачивания:общ = V×τ = 146,92×17,33 = 2546,12 м3.

Принимая общее количество пачуков n=8, рассчитаем объем одного пачука:

Vi= Vобщ/n = 2546,12/8 = 318,27 м3

От конструкции чана пачука зависит, насколько эффективно используется восходящий поток перемешивания всего объема пульпы или жидкости в чане. Принимаем пачук с коническим днищем с углом конуса

α = 600; H:D = 2,5:1

Имея в виду, что высота конической части пачука: Нкон=0,5∙D∙tgα, а общий объем пачука определяется по формуле [11]:

V = (π/4) ×D3×[(H-Hкон) + 1/3×Нкон]

вычисляем диаметр чана пачука:

м,

Принимаем D=6 м. Рабочая высота чана пачука: Н = 2,5×D = 2,5×6= 15 м.

Геометрическая высота чана: Нг = Н+1 = 16 м.

Определение скорости восходящего потока в циркуляторе.

Скорость потока воды, при которой начинается взвешивание частиц размером 0,1-0,25 мм Wвз ≥ 0,6 м/сек.

Скорость потока во всасывающем патрубке циркулятора должна быть в 2 - 3 раза больше размывающей скорости. Принимаем скорость восходящего потока в циркуляторе Wц = 2,0 м/сек.

Определение вязкости пульпы:

 ,

где:

где μП - динамическая вязкость пульпы, спз,

μР - динамическая вязкость раствора, спз,- ионная сила раствора, I = 1 г∙ион/литр;

спз

спз;

где μВ - динамическая вязкость воды. При 200С равна 1,002 спз;

К - коэффициент, учитывающий содержание в растворе ПАВ и коллоидных частиц, степень измельчения и минералогический состав выщелачиваемого материала. Принимаем К = 1,5.

Определим скорость осаждения крупных частиц руды в растворе. Для этого необходимо рассчитать критерий Архимеда: