Экстракционное извлечение редких металлов из отвалов ГОК

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена жидкостная экстракция ценных и редких металлов из отвалов горно-металлургических комбинатов в экстракторе с увеличенным временем контакта. Даны конструкция, принцип работы барботажного экстрактора с увеличенным временем контакта на основе пневмоперемешивания. Изучены гидродинамические параметры непрерывного извлечения без потерь ценных металлов в аппарате.

ABSTRACT

The article investigates the liquid extraction of valuable and rare metals from dumps of mining and metallurgical plants in an extractor with an increased contact time. The design, the principle of operation of a bubbler extractor with an increased contact time based on pneumatic mixing are studied. The hydrodynamic parameters of continuous extraction without loss of valuable metals in the apparatus are studied.

Ключевые слова: жидкостная экстракция, редкие металлы, увеличенное время контакта, расход энергии, барботаж, непрерывный режим, удельные затраты энергии, многоступенчатый барботажный экстрактор, эффективность процесса массообмена.

Keywords: liquid extraction, rare metals, increased contact time, energy consumption, bubbling, continuous operation.

При извлечении тяжелых, редких, рассеянных и благородных металлов методами гидрометаллургии основополагающими критериями выбора типа экстракционного аппарата являются небольшие удельные затраты энергии для осуществления процесса экстракции, а также обеспечение требуемого для проведения процесса времени контакта реагирующих жидкостей [1].

Этим требованиям в полной мере отвечают жидкостные экстракторы с пневмоперемешиванием или барботажные экстракторы. С точки зрения затрат удельной энергии на осуществление процесса экстракции подобные аппараты расходуют до 3,5–4,0 раз меньше электрической энергии по сравнению с экстракторами, в которых перемешивание жидкостей осуществляется с помощью различных мешалок [4; 3].

Второму условию обеспечения достаточно длительного времени контакта реагирующих жидкостей для наиболее полного извлечения целевого компонента, с нашей точки зрения, полностью отвечает разработанная нами конструкция многоступенчатого барботажного экстрактора с увеличенным временем контакта фаз [5].

Устройство и принцип работы многоступенчатого барботажного экстрактора представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Многоступенчатый барботажный экстрактор

Многоступенчатый барботажный экстрактор включает вертикальный корпус 1, разделенный перегородками 2 на отдельные секции-отстойники. На перегородках между внутренним 3 и наружным 4 патрубками смесительного устройства расположены дополнительные внутренний (нечетный) 5 и наружный (четный) 6 концентрические патрубки. Внутренний патрубок 5 закреплен в полотне верхней перегородки секции-отстойника и расположен с зазором к нижней перегородке секции-отстойника. Наружный патрубок 6 закреплен в полотне нижней перегородки секции-отстойника и расположен с зазором к верхней перегородке секции-отстойника. В нижней части внутреннего патрубка 3 смесительного устройства расположена газораспределительная насадка 7 с отверстиями 8 в боковой стенке. В полотне перегородки 2 крепятся также переточные трубки 9 для тяжелой жидкости, которые в нижних заглушенных концах имеют отверстия 10. Верхний срез переточных трубок 9 поднят над перегородкой 2 и перекрыт колпачками 11 с прорезями 12 в нижней части и отверстиями 13 в верхних крышках.

Работает экстрактор следующим образом. Легкая жидкость через нижний срез газораспределительной насадки 7 поступает во внутрь патрубка 3. Туда же через отверстия 10 переточных трубок 9 из отстойной части вышележащей секции-отстойника поступает тяжелая жидкость. При совместном движении смеси жидкостей снизу вверх внутри патрубка 3, далее сверху вниз между патрубками 3 и 5, затем снизу вверх между патрубками 5 и 6, наконец сверху вниз между патрубками 4 и 6 жидкости интенсивно перемешиваются барботирующим инертным газом, который поступает в патрубок 3 через отверстия 8 газораспределительных насадок 7. В верхней части пространства между патрубками 5 и 6 пузырьки газа отделяются от смеси жидкостей и газ выходит в зазор между верхней перегородкой секции-отстойника и верхним срезом патрубка 4, откуда поступает в смесительные устройства вышележащей секции-отстойника. Смесь жидкостей выходит между патрубками 4 и 6 в отстойную часть секции-отстойника, где капли тяжелой жидкости оседают в сплошной слой, границу которого определяет высота поднятия переточных трубок 9 над перегородкой 2, которая делит корпус экстрактора 1 на отдельные секции-отстойники.

Перекрытие верхних срезов переточных трубок 9 колпачками 11 с прорезями 12 в нижней части гарантирует попадание в трубки 9 только полностью отстоявшейся тяжелой жидкости. Отверстия 13 служат для выхода воздуха из колпачков 11 при заполнении экстрактора жидкостями перед пуском.

Устанавливая между патрубками 3 и 4 любое четное число дополнительных концентрических патрубков, каждый нечетный из которых, начиная с самого внутреннего, устанавливается с зазором к нижней перегородке секции, а каждый четный – с зазором к верхней перегородке секции, можно обеспечить любое необходимое время контакта реагирующих жидкостей.

Нормальная работа экстрактора будет обеспечена в том случае, когда кольцевые каналы между патрубками 3 и 5, а также 4 и 6 будут иметь такое поперечное сечение, при котором скорость движения смеси жидкостей там будет больше скорости всплытия газовых пузырей в смеси жидкостей.

Эксперименты по установлению основных гидродинамических показателей аппарата, а также эффективности процессов массообмена были проведены нами на лабораторной установке, схема которой представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема установки

Зоны смешения экстрактора моделируют стеклянные обечайки 4, 14 и 15, сквозь которые можно визуально наблюдать протекающие в них процессы (дробление капель дисперсной фазы, поведение пузырей воздуха на перемешивание и др.). Легкая фаза, расход которой регулируется ротаметром 7 и вентилем 6, подается в аппарат из емкости ЛФ с помощью насоса 2, а тяжелая фаза, расход которого регулируется ротаметром 15 и вентилем 13, поступает из емкости ТФ через отверстия в нижнем конце трубки 10. При совместном движении фаз снизу вверх внутри обечайки 4, сверху вниз внутри обечайки 14 и снизу вверх внутри обечайки 15 жидкости интенсивно перемешиваются подаваемым от воздуходувки 28 инертным газом, расход которого регулируется ротаметром 9 и вентилем 8. Смесь жидкостей после аппарата собирается в емкости ТФ. Смесь жидкостей разделяется на легкую и тяжелую фазы в емкости 31, в которой также отделяется от жидкостей инертный газ, который выводится из установки через патрубок 16.

Для определения истинных размеров капель дисперсной фазы и пузырей газа используется фотоаппарат 22, а уровень расслаивающихся в емкости 31 жидкостей контролируется с помощью уровнемера 17 для регулирования стока тяжелой жидкости в емкость 30 вентилем 29.

На данной установке были осуществлены эксперименты по определению многих гидродинамических показателей многоступенчатого барботажного экстрактора. Скорость истечения тяжелой жидкости в смесь жидкостей и газа через отверстия трубки можно рассчитать по следующему уравнению [2]:

,                                                                        (1)

где r_см – плотность смеси легкой и тяжелой жидкостей, кг/м³;

j – объемное газосодержание;

r_Т – плотность тяжелой жидкости, кг/м³;

x – коэффициент сопротивления отверстия в трубке 10.

Поскольку для конкретной жидкостной системы все величины, входящие в (1), будут постоянными, кроме j, то производительность экстрактора по тяжелой жидкости зависит именно от газосодержания j .

При прямоточном движении жидкости и инертного газа объемное газосодержание определяется по зависимости [6]:

 ,                                                               (2)

а при противоточном движении жидкости и инертного газа объемное газосодержание можно определить по зависимости:

,                                                          (3)

где ω_ж – приведенная скорость жидкости, м/с;

 φ¹ – газосодержание в неподвижной жидкости.

 Для расчета φ¹ предложено эмпирическое уравнение:

,                                                                         (4)

где ω_г – приведенная скорость газа в зоне смешения, м/с.

Выводы. Перемешивание несмешивающихся жидкостей проводилось в зоне смешения типа зиг-заг. Это позволит увеличить время интенсивного перемешивания и повысить эффективность процесса экстракции. Объемные параметры газа в зоне смешения экстрактора j важны для проектирования аппарата, поэтому размеры зон аппарата определяются в зависимости от них. В результате проведенных научных исследований выведены уравнения для определения газосодержания и скорости в зоне смешения в новом созданном аппарате.

Список литературы:
1. Алиматов Б.А. Развитие научно-технических основ конструирования жидкостных экстракторов с пневмоперемешиванием : дис. … д-ра техн. наук. – Ташкент, 2003.
2. Алиматов Б.А., Соколов В.Н., Хурсанов Б.Ж. Влияние газосодержания на производительность барботажного экстрактора по тяжелой жидкости // НТЖ ФерПИ, Scientific-technical journal (STJ FerPI). – 2001. – № 2. – C. 93–94.
3. Затраты энергии при пневматическом и механическом перемешивании несмешивающихся жидкостей / Б.А. Алиматов, Б.Ж. Хурсанов [и др.] // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – C. 111–112.
4. К затратам энергии на пневмоперемешивание жидкостей в экстракционной установке с барботажным экстрактором / Х.М. Садуллаев, Д.М. Матбабаев, Б.А. Алиматов, Б.Ж. Хурсанов // НТЖ ФерПИ, Scientific-technical journal (STJ FerPI). – 2003. – № 4. – C. 85–88.
5. Многоступенчатый барботажный экстрактор // Патент РФ № 2658053, кл. В01д11/04. 2018. / Алиматов Б.А., Хурсанов Б.Ж.
6. Шендеров Л.З., Дильман В.В. Движение газа в барботажных реакторах // Теоретические основы химической технологии. – 1988. – № 4. – С. 496–510.