ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕСОРБЦИОННО-АБСОРБЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦИАНИСТОГО НАТРИЯ ИЗ ОТРАБОТАННЫХ РАСТВОРОВ

АННОТАЦИЯ

Все большее распространение среди методов переработки золотосодержащего раствора во всем мире получило выщелачивание цианистыми растворами. В связи с чем очистка оборотных технологических растворов и сточных вод является приоритетной задачей экологической безопасности золотодобывающих регионов. В данной работе освещены результаты исследований по интенсификации массообменных процессов при очистке циансодержащих растворов посредством применения десорбционно-абсорбционной установки на основе вихревых аппаратов. По результатам проведенных исследований установлены зависимости степени извлечения при десорбции HCN в поток воздуха от скорости подаваемого воздуха и расхода фильтрата, по которым доказана возможность получению растворов с наибольшей концентрацией NaCN.

ABSTRACT

 Increasingly widespread among gold processing methods around the world, leaching with cyanide solutions has been gained. In this regard, the treatment of circulating technological solutions and wastewater is a priority for the environmental safety of gold mining regions. In this paper, the results of studies on the intensification of mass transfer processes during the purification of cyanide solutions through the use of a desorption-absorption unit based on vortex apparatuses are highlighted. According to the results of the studies, the dependences of the degree of extraction during desorption of HCN into the air stream on the velocity of the supplied air and the filtrate flow rate were established, which proved the possibility of obtaining solutions with the highest NaCN concentration.

Ключевые слова: вихревой аппарат, десорбционно-абсорбционной установка, десорбер, вентилятор; абсорбер; емкость раствора NaOH.

Keywords: vortex apparatus, desorption-absorption unit, stripper, fan; absorber; capacity of NaOH solution.

 Введение. Добыча и переработка полезных ископаемых останется и в перспективе одним из стратегических направлений экономики республики. Несмотря на высокую токсичность и стоимость цианистого натрия цианидное выщелачивание на сегодняшний день является основным способом извлечения золота из руд и флотоконцентратов.  Арсенал технологий извлечения металла пополнился такими методами, как «уголь в пульпе», кучное с цианированием и биологическое выщелачивание и др. Рост потребления цианидов вызван увеличением общего объема переработки коренных месторождений, а также ростом использования метода кучного выщелачивания. Золотоизвлекательные заводы, безусловно, могут быть отнесены к сложным химическим производствам с высоким удельным потреблением, как воды, так и химических реагентов.

Сложные геоэкологические условия золотодобывающих регионов, а также возросшие экологические требования к хозяйственной деятельности горных предприятий делают вопросы, связанные с обеспечением экологической безопасности, а именно - инженерной защиты экосистем, прогнозирования, предупреждения и ликвидация последствий загрязнения окружающей среды при строительстве, эксплуатации, консервации и ликвидации горнообогатительных предприятий, важной народнохозяйственной и актуальной научной проблемой.

Наиболее радикальным решением проблемы предотвращения загрязнения водоемов сточными водами горноперерабатывающих производств, в частности предприятий по добыче и переработке рудного золота, является внедрение замкнутых систем производственного водоснабжения с организацией локальных схем очистки оборотных вод. Сточные и оборотные воды таких производств являются многокомпонентными и содержат в своем составе наряду с высокотоксичными соединениями - ионы цветных металлов, флотореагентов, флокулянтов, тиосульфатов и цианиды, тиоцианаты.

Анализ литературных данных и патентных источников, посвященных проблемам очистки цианидсодержащих растворов золотоперерабатывающих предприятий, свидетельствует о перспективности регенерационных технологий очистки отработанных растворов и сточных вод. При этом применение регенерационной технологии, включающей, как правило, стадии десорбции (отдувки) из подкисленного раствора цианистоводородной кислоты, и абсорбции последнего гидроксидом натрия. В связи с этим, целью данного исследования является интенсификация указанных массообменных процессов посредством применения высокоэффективного массообменного аппарата и изучение процессов, происходящих в поле центробежных сил.

В качестве массообменных аппаратов, как правило, применяется традиционное оборудование барботажного и насадочного типов. Однако такое оборудование допускает устойчивую работу только при низких скоростях газовой фазы, обычно не превышающих 1–2,0 м/с, что при высокой производительности обуславливает либо большие габаритные размеры аппаратов, сложность их монтажа и транспортировки, снижение эффективности из-за неравномерности распределения фаз в поперечном сечении, либо приводит к необходимости использования большого количества параллельно работающих аппаратов.

Указанные проблемы можно избежать при использовании массообменной техники, работающей в интенсивных режимах развитой турбулентности с высокими относительными скоростями потоков газа и жидкости и малым временем пребывания обрабатываемых фаз в рабочей зоне аппарата. К таким аппаратам относят аппараты вихревого типа, устойчиво работающие при скоростях газа до 30 м/с, имеющие малые габаритные размеры и широкий спектр применения.

Основным элементом вихревого скруббера является вихревая камера. Высокая эффективность вихревых аппаратов обеспечивается развитой поверхностью контакта фаз, обусловленной возникновением относительных скоростей фаз, интенсивным перемешиванием и высокой дисперсностью вращающегося газожидкостного слоя.

Однако применение вихревых аппаратов для массообменных процессов сдерживается отсутствием надежных научно обоснованных методик расчета. В связи с этим исследование гидродинамики и интенсивности тепломассообмена газожидкостных вихревых аппаратов, а также разработка методов его конструктивного расчета и определения основных гидродинамических характеристик являются актуальными.

Исследование массопереноса при десорбции из подкисленного раствора цианистоводородной кислоты, и абсорбции последнего гидроксидом натрия изготовлена и испытана установка, схема которой приведена на рис. 1. Она оснащена необходимыми приборами и приспособлениями, специально разработанными для проведения данных исследований. Установка состоит из вихревого десорбера 1 и абсорбера 3; вентилятора высокого давления 2; емкости для поглотителя 4; центробежного насоса 5; запорно-регулирующих арматур; средств измерения и контроля (6-8). В качестве десорбера и абсорбера были использованы вихревые аппараты диаметром 10a0 и высотой контактной зоны 1000 мм.

Испытания проводятся при давлении воздуха 1600 … 2200 Па и температуре рабочих сред 10-20 °С. В экспериментах изменяются расходы рабочих сред в пределах: воздуха 250÷600 м³/ч; подкисленного фильтрата 0,05÷0,2 м³/ч; поглотителя -  щелочного раствора 1÷1,8 м³/ч.

Рабочими средами при проведении испытаний установки были фильтрат цеха обжига, воздух и 3-% раствор гидроксида натрия.

В экспериментах измеряются: рН исходного раствора от 2 до 3, концентрация цианистого натрия в исходном фильтрате цеха обжига перед его подкислением, рН раствора NaOH, концентрация HCN на выходе из десорбера, концентрация NaCN в жидкости после абсорбера - в лаборатории, по общепринятым методикам; расход воздуха перед десорбером вихревым расходомером Prowirl 6; расход исходного фильтрата цеха обжига и раствора щелочи расходомерами Prowirl 7 и 8.

Принцип работы вихревого аппарата заключается в образовании закрученного газожидкостного потока с последующим разделением фаз в поле центробежных сил. Наличие жидкой фазы позволяет осуществить процессы абсорбции и десорбции с высокой интенсивностью [1-4].

Рисунок 1. Схема десорбционно-абсорбционной установки: 

1 - десорбер; 2 - вентилятор; 3 - абсорбер; 4 - емкость раствора NaOH; 5 - насос; 6, 7, 8 - расходомеры

Поток пылегазовоздушных выбросов поступает в корпус вихревого аппарата, через верхний патрубок. Проходя через завихритель, газ получает спиральное (вихревое) движение и направляется в нижнюю часть аппарата, откуда отделяется от жидкости и выводится из сепарационной части аппарата через соосный штуцер.

Поток жидкости поступает в аппарат через две боковые тангенциальные патрубки и тоже вихревым движением направляется вниз по внутренней поверхности стенки аппарата. Поток газа интенсивно взаимодействует с жидкостью, благодаря постоянного обновления поверхности пленки жидкости. Под действием центробежной силы жидкость осаждается на стенке аппарата и стекает по ней в виде плёнки. При этом создаётся дополнительная зона контакта газовой и жидкой фазы. Отработанная жидкость удаляется через боковой патрубок.

Основным достоинством данного аппарата является высокая производительность, и эффективность тепломассообмена (абсорбции, десорбции) при низком гидравлическом сопротивлении.

Фильтрат поступает из цеха обжига в емкость исходного раствора (в схеме не указана), в которой перед испытаниями подкисляется концентрированной серной кислотой до рН≤3. Далее содержащий извлекаемый компонент фильтрат подается в десорбер 1 через тангенциальные патрубки, и вращательно-поступательным движением стекает по внутренние стенки аппарата сверху вниз. Подкисление исходного раствора, содержащий извлекаемый компонент, осуществляется перед подачей в установку. Воздух, подаваемый сверху вентилятором высокого давления 2, проходит через тангенциальный завихритель и вращательно-поступательным движением направляется вниз. В десорбере летучий цианистый водород из раствора переходит в газовую фазу. Освобожденный от цианистого водорода раствор возвращается обратно в производство. Далее поток газа, содержащий цианистый водород поступает в абсорбер 3, где встречается абсорбентом - раствором гидроксида натрия, который поступает из емкости 4. В процессе испытаний последний циркулируется по контуру емкость-абсорбер-емкость.

Очищенный газовый поток после абсорбера выбрасывается в атмосферу за пределы помещения установки.

При работе установки закрученный поток газовой смеси активно взаимодействует с жидкостью на внутренней поверхности стенки вихревых аппаратов, где протекают процессы отдувки HCN из подкисленного фильтрата в воздух в десорбере и хемосорбция HCN 3-% раствором NaOH в абсорбере. Вращательно-поступательное движение газожидкостного потока и возникающее при этом поле центробежной силы обеспечивают высокую интенсивность процессов массообмена как в десорбере, так и абсорбере, а также качественную сепарацию очищенного газа от жидкости в бункерах аппаратов. Степени извлечения при десорбции HCN в поток воздуха, которая равна отношению количества десорбированного газа к его начальному количеству в исходном растворе, определяли по формуле [3, 4]: 

ψ=(С_н-С_к)/С_н

где С_н и С_к - начальная и конечная массовые объемные концентрации, кг/м³.

Следует отметить, что наиболее «узким» местом регенерационного извлечения цианистого натрия из отработанных растворов, является стадия отдувки из подкисленного раствора цианистоводородной кислоты, имеющего большое сопротивление массопереносу в жидкой фазе, за счет бесконечной растворимости HCN в воде [5-9].

Результаты.  Результаты испытаний в виде зависимости степени извлечения в условиях десорбции цианистого водорода из исходного раствора с водородным показателем рН=3÷4 потоком воздуха от скорости газа в вихревом десорбере при расходах фильтрата 50 и 100 л/ч представлены на рис. 1.1. Видно, что с ростом скорости воздуха от 10 до 18 м/с степень десорбции незначительно увеличивается. При расходе фильтрата 50 л/ч и скорости газа w>10 м/с достигается практически полное удаление HCN из фильтрата. Следует отметить, что в изученном диапазоне изменения скорости воздуха при расходе фильтрата 100 л/ч степень десорбции существенно ниже и достигала ~90%.

На рисунке 1.2 представлена зависимость степени извлечения в условиях десорбции цианистого водорода из исходного раствора (фильтрата) потоком воздуха от объемного расхода жидкости в вихревом десорбере. Как видно, что с ростом расхода фильтрата степень десорбции существенно уменьшается. Такая картина обусловлена тем, что при увеличении расхода раствора растет концентрация HCN в воздухе и соответственно снижается движущая сила.

Рисунок 1.1. Зависимость степени извлечения при десорбции HCN в поток воздуха от скорости воздуха:  расход сточных вод, л/ч: 1- 50; 2 - 100

Испытания по поглощению цианистого водорода из воздуха раствором гидроксида натрия, полученного растворением твердого, проводили во втором вихревом аппарате.

Рисунок 1.2. Зависимость степени извлечения при десорбции HCN в поток воздуха от расхода фильтрата: скорость воздуха 17 м/с

Су­ще­ст­во­ва­ние раз­ви­той мгно­вен­но об­нов­ляю­щей­ся по­верх­но­сти кон­так­та фаз в ап­па­ра­те с вра­щаю­щим­ся газожидкост­ным сло­ем де­ла­ет воз­мож­ным ин­тен­си­фи­ка­цию про­цес­сов как де­сорб­ции циа­ни­сто­го во­до­ро­да, так и абсорбции циа­ни­сто­го во­до­ро­да раствором щелочи. 

Рисунок 1.3. Зависимость общей степени регенерационного извлечения NаCN от скорости воздуха при расходе фильтрата, V_ф, л/ч:  1-50; 2 - 100; 3-200

Как видно из рис. 1.3. наиболее полное извлечение достигается при скорости газа 18-20 м/с и расхода исходного фильтрата 50 - 70 л/ч для аппаратов диаметром 100 мм. Однако, с ростом расхода фильтрата степень регенерационного извлечения существенно снижается, что связано со снижением скорости десорбции цианистоводородной кислоты из фильтрата в воздух. Полученные данные свидетельствуют о том, что поглощающая способность раствора NaOH при реализации регенерационного извлечения NaCN составляет 60 - 65% от теоретически возможного, что практически согласуются с литературными данными [8, 9].

Выводы. Таким образом, для сокращения объемов щелочных цианистых растворов, получаемых в процессе регенерационного извлечения, были проведены испытания по получению растворов с наибольшей концентрацией NaCN.  Полученные данные свидетельствуют о том, что при реализации метода регенерационного извлечения возможно получение цианистых растворов с концентрацией NaCN более 3%. Отметим, что при этом концентрация самого поглотителя по NaOH должна быть не менее 3%.

Список литературы:

1. Войнов Н.А., Жукова О.П., Ледник С.А., Николаев Н.А. Массоотдача в газожидкостном слое на вихревых ступенях // Теоретические основы химической технологии. 2013. Т.47, -№ 1. - С. 1-6.
2. Апарушкина М.А. Исследование процессов в вихревых скрубберах и разработка инженерных методов расчета. Автореферат дисс. ... канд. техн. Наук. –М.: Московский государственный текстильный университет, 2010. -17 с.
3. Рамм В.М. Абсорбция газов. -М.: Химия, 1976. 665 с.
4. Кафаров В. В. Основы массопередачи: Системы газ - жидкость, пар - жидкость, жидкость - жидкость. 3-е изд, перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 1979. - 439 с.
5. Смирнов Д. Н., Генкин В. Е. Очистка сточных вод в процессе обработки металлов. - М.: Металлургия, 1980. -196 с.
6. Милованов Л. В. Очистка и использование сточных вод предприятий цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1971. - 325 с.
7. Милованов Л. В., Банденок Л. И. Очистка сточных вод от цианидов на обогатительных фабриках цветной металлургии. - М.: Цветметинформация, 1972. - 125 с.
8. Кочанов А.А. технология очистки сточных вод предприятий по переработке золотосодержащих концентратов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск: 2003. - 212 с.
9. Батоева А.А. Перспективные методы очистки цианидсодержащих оборотных и сточных вод / Вестник ИрГТУ, 2011. №10. -С. 57-63.
10. Санакулов К.С., Бахронов Х.Ш., Ахматов А.А. Новые вихревые аппараты для решения экологических проблем в металлургии. Материалы научно-практической конференции «Современное состояние и направления развития технологий, машинного и аппаратного обеспечения, эколого-безопасного природопользования и переработки промышленных отходов горнопромышленных комплексов на территории евразийского экономического пространства». 5-6 сентября 2019 г. -Минск-Солигорск, Республика Белорусь. -С. 101-107.