GEA в России
+7(495) 787-20-20
Перезвоните мне
GEA Refrigeration RUS
Статьи

Использование центробежного оборудования ГЕА в процессах гидрометаллургической экстракции цветных металлов

Специалист по центробежному оборудованию для химической промышленности Рауф Вагифович Мамедов

ПРОЦЕСС ЭКСТРАКЦИЯ-ЭЛЕКТРОЛИЗ

Технология экстракции ионов цветных металлов селективными органическими растворителями с последующим электролизом (SX/EW), насчитывает уже почти полвека промышленного воплощения. Так, в настоящее время с  применением этой технологии производится более 25% мирового объёма меди, и по мере вовлечения в разработку бедных оксидных медных руд её значение неизбежно будет возрастать.   

На первой стадии процесса осуществляется контакт водной фазы продуктивного раствора выщелачивания с органической фазой, представляющей собой раствор селективного растворителя в керосине. При этом, в ходе реакции ионного обмена, происходит переход катионов металла из водного кислого раствора в органическую фазу и накопление в ней, вслед за чем осуществляется разделение фаз. Данные процессы, составляющие первую стадию, протекают в смесителе-отстойнике. После отстаивания, рафинат возвращается на стадию выщелачивания, а органическая фаза экстракта поступает в ёмкость реэкстракции, где при взаимодействии с крепким водным раствором серной кислоты молекулы экстрагента вступают в обратную реакцию ионного обмена с серной кислотой, отдавая в водную фазу катионы металла, замещаемые катионами водорода серной кислоты. Отработавшая органическая фаза возвращается на стадию экстракции. Таким образом, в процессе SX-EW реализуется замкнутый цикл циркуляции экстрагента. Насыщенный ионами меди продуктивный раствор реэкстракции поступает на стадию электролиза, где ионы меди восстанавливаются на катодах с образованием катодной меди, а сернокислый раствор возвращается на стадию реэкстракции.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА СТАДИЯХ ПРОЦЕССА SX-EW.

Требуя значительно меньших капиталовложений, чем пирометаллургический процесс, процесс экстракции-электролиза является более экологичным с точки зрения выбросов в атмосферу и более энергоэфективным, а электролиз раствора реэкстракции в сравнении с процессом  электрорафинирования обеспечивает более высокое качество получаемой катодной меди.

При всех достоинствах процесса, ему присущ ряд сложностей, среди которых следует отметить проблему протекания побочных процессов  происходящих на стадии экстракции. К процессам относятся:

  1. Образование так называемых медуз (иначе именуемых крадом и пр.) представляющих собой коллоидные межфазные системы, образующиеся в процессе диспергирования и состоящих из водной, органической и твёрдой фаз.
  2. Постепенное загрязнение органической фазы ПАВ и продуктами окислительной либо гидролитической деградации селективного растворителя. 

ГЕА производит широкий ассортимент центробежных сепараторов и горизонтальных шнековых центрифуг (декантеров) для процессов переработки минерального сырья и металлургии. В частности это оборудование используется в процессах переработки (обезвоживание и классификация) мелкодисперсного молотого либо химически-осаждённого карбоната кальция,  классификации по размеру и сгущения частиц диоксида титана, а также в процессах переработки борных, марганцевых, сурьмяных и урановых руд, процессах обезвоживания серы. 

В зависимости от требований накладываемых природой продукта и задачами процесса, для проведения этих процессов используются двух- и трёхфазные декантерные центрифуги, а также сопловые тарельчатые сепараторы осуществляющие сепарацию двух либо трёх фаз. В процессах переработки минерального сырья, как правило, применяются декантерные центрифуги и сопловые сепараторы. Также, при невысоких содержаниях твёрдой фазы и невысоких плотностях твёрдой фазы, могут быть использованы саморазгружающиеся тарельчатые сепараторы.

В процессах SX-EW используются четыре семейства машин производимых ГЕА: трёхфазные декантерные центрифуги серии crudMaster CF,  двухфазные декантерные центрифуги серии dryMaster CF, тарельчатые  сопловые центрифуги серии DCC и саморазгружающиеся тарельчатые сепараторы серии DSE.

ДЕКАНТЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГЕА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДУЗ 

Медузы являются сложным побочным продуктом процесса экстракции, на свойства которого в значительной степени влияют такие факторы как природа и состав твёрдых частиц, поступающих с продуктивным раствором выщелачивания, степень его загрязнения поступающей из окружающей среды пылью, дизайн системы перемешивания, возможность захвата воздуха, температура проведения процесса, присутствие ПАВ, тип применяемого флоккулянта, а также природа и состояние селективного растворителя. Как правило, медуза на 50-70% состоит из органической фазы, а на водную фазу и фазу механических примесей приходится соответственно 25-40% и 5-10%. При этом размер твёрдых частиц, редко превышает 15 мкм.

Находясь на границах раздела контактирующих фаз, медузы оказывают негативное влияние на массообмен, а их проникновение на дальнейшие стадии процесса SX-EW влечёт за собою снижение управляемости процесса, ухудшение качества катодной продукции и сокращения срока службы отдельных элементов оборудования.

Существует два основных подхода к решению проблем связанных с накоплением медуз: предотвращение их образования и контроль их объёма в системе. При первом подходе, для предотвращения образования медуз предпринимаются меры по защите экстрактора и иных уязвимые для загрязнения ёмкости от попадания пыли. Другими решениями позволяющими предотвратить или минимизировать их образование являются осветление продуктивного раствора выщелачивания, либо использование комплекса конструкторских решений по оптимизации процесса взаимодействия массообменивающихся фаз в смесителе-отстойнике. 
 
При втором подходе, образующиеся в процессе экстракции медузы перерабатываются с выделением ценной фазы экстрагента и утилизируемых водной и твёрдой фаз. В зависимости от природы образующейся медузы, могут использоваться различные методы разделения фаз, такие как отстаивание, фильтрация и центрифугирование, находящее всё более широкое применение в гидрометаллургических процессах, в частности в процессах переработки медуз. 

Неоспоримыми преимуществами центробежного метода разделения медуз, являются возможность непрерывного и высокоэффективного разделения фаз с минимальными операционными затратами и с неизменным качеством их очистки.  При этом  минимизируются потери органического растворителя, который эффективно удаляется из твёрдой фазы. 
 
Для центробежного разделения фаз медузы применяются горизонтальные шнековые центрифуги (декантеры), разделение в которых происходит на вращающемся с высокой скоростью барабане со сплошной стенкой, имеющем цилиндрическую (зона осветления) и коническую (зона обезвоживания) части. В процессе центрифугирования, непрерывно отбрасываемые под действием центробежных сил твёрдые частицы, оседают на внутренней поверхности цилиндрической части барабана и с помощью шнека, обгоняющего барабан на 1-75 оборотов в минуту, транспортируются в коническую зону обезвоживания, и далее обезвоженная твёрдая фаза удаляется из декантера через шахту выгрузки кека.  
Выделяющиеся из медузы водная и органическая фазы образуют в центрифуги 2 слоя, каждый из которых, проходя цилиндрическую зону осветления, поступает к индивидуальному порту вывода. Вывод фаз осуществляется самотёком, либо посредством центростремительного насоса.    

Для высокоэффективного и непрерывного разделение медуз на фракции концерном ГЕА специально разработаны трёхфазные декантерные центрифуги crudMaster представленные сериями CD, CE и СС и успешно зарекомендовавшие себя в процессах переработки крада образующегося в процессах производства меди, урана и РЗЭ. Новое поколение этого класса оборудования представлено серией CF, машины которой обладают рядом  описываемых ниже преимуществ.

Привода Westfalia Separator ® summationdrive

Одним из основных преимуществ декантеров серии CF является концепция запатентованного и самостоятельно изготавливаемого привода Westfalia Separator ® summationdrive обеспечивающая возможность полного использование крутящего момента во всем диапазоне регулировок дифференциальной скорости (скорость опережения шнеком барабана, для серии CF измеряется в пределах от 1 до 75 об./мин). При этом в систему передаётся именно та мощность, которая действительно необходима, поскольку вторичный двигатель, выполняя исключительно  функции двигателя, не создаёт тормозящий эффект. Не требуя реверса, привод исключает потери мощности за счёт исключения ненужных преобразований, что обеспечивает снижение нагрузки на ременный привод и на вал, и позволило сделать привод компактным и простым в обслуживании. 

Использование привода ®summationdrive обеспечивает постоянство содержания сухого вещества при изменяющейся концентрации подаваемого продукта,  создавая условия для получения на выходе из декантера осадка с минимальной остаточной влажностью, благодаря минимальной разности скоростей.

Привод комплектуется многоступенчатым планетарным редуктором с масляной смазкой с двумя входными валами. Наличие линейки стандартных планетарных редукторов различного типоразмера позволяет конфигурировать каждый типоразмер декантера разными редукторами (от 1 до 3 в зависимости от положения в линейке типоразмеров), различающихся по величине создаваемого крутящего момента. Этот подход даёт возможность  легко конфигурировать декантер,  основываясь на требованиях накладываемых технологическим процессом и природой медузы и создавать оптимальные значения крутящего момента. Конструкционное решение с расположением редуктора вне зоны его возможного контакта с продуктом, позволяет минимизировать коррозионный износ, и значительно снизить воздействие повышенных температур продукта. При этом планетарный тип редуктора имеет высокий эксплуатационный ресурс и позволяет создавать неизменно высокие значения крутящего момента на всём диапазоне варьирования дифференциальной скорости, а значит и возможность работать с высокими содержаниями твёрдой фазы на входе в декантер.

Для осуществления эффективной и экономичной смазки подшипников, декантерные центрифуги серии CF оснащаются автоматизированной системой масловоздушной смазки, позволяющей существенно снизить расход масла.

Все элементы, поверхность которых находится в контакте с продуктом, изготовлены из нержавеющей стали дуплексным методом. Также существует возможность изготовления по запросу элементов декантера контактирующих с продуктом в исполнении из  специальных материалов.

Современным решением для переработки медуз  является использование декантерных центрифуг crudMaster CF.

Эффективность переработки медуз зачастую определяется способностью оборудования адаптироваться к изменению их состава, происходящему в результате изменения состава сырья и условий технологического процесса. Для достижения максимальной эффективности процесса сепарации, положение зоны сепарации должно определяться фазовым составом потока входящей суспензии, который зависит от качества исходного сырья и управления процессом и поэтому подвержен изменениям во времени.

Для автоматизированной регулировки положения границы зон сепарации, необходимо иметь систему, позволяющую осуществлять смещение зоны сепарации в зависимости от значения выбранного управляющего параметра. Важным, преимуществом современных декантерных центрифуг crudMaster является возможность использования патентованной системы управления DControl® осуществляющей непрерывную автоматическую настройку положения зоны сепарации.

Создание подобной системы управления реализуется путём встраивания в линию выгрузки органической фазы, устройства измерения плотности (в дополнение к входящему в объём стандартной поставки датчику давления). В данной системе входным параметром является значение сигнала плотности, позволяющее оперативно выявить загрязнение фазы органического экстрагента и автоматически осуществить управляющее воздействие. При превышении сигналом плотности заданного максимально допустимого значения, происходит срабатывание регулирующего клапана, который снижает расход  на линии вывода органической фазы и увеличивает давление на линии. При этом происходит повышение уровня жидкости в барабане, влекущее за собой смещение  границы раздела фаз по направлению к стенке барабана. В результате такого смещения зоны разделения, объём органической лёгкой фазы в барабане увеличивается и возрастает время её нахождение в поле действия центробежных сил и таким образом увеличивается степень осветления и обезвоживания органической фазы

Применение системы DControl® позволяет достичь максимально возможного извлечения растворителя.

ДЕКАНТЕРНЫЕ ЦЕНТРИФУГИ dryMaster CF ДЛЯ ОЧИСТКИ РЕГЕНЕРИРОВАННОГО ЭКСТРАГЕНТА

Ещё одной решаемой с помощью декантерных центрифуг задачей процесса SX-EW является осветление регенерированного селективного растворителя. При движении органической фазы в цикле экстракции-реэкстракции, происходит её постепенное загрязнение продуктами деградации селективного растворителя, оказывающее негативное влияние на протекание процессов экстракции и разделения и приводящее к снижению производительности процесса. Одной или несколькими  из причин этих процессов могут быть повышенная температура, высокая кислотность, высокий потенциал, солнечный свет либо наличие биодеградирующих бактерий.

Для решения проблемы нежелательных примесей деградировавшего экстрагента, традиционно применяется очистка деградировавшего растворителя активированной бентонитовой глиной, адсорбирующей продукты деградации. Для последующего удаления частиц глины, очищенный растворитель подаётся в осветлительный декантер.

Декантерные центрифуги GEA Westfalia Separator dryMaster CF обеспечивают высокопроизводительное и эффективное осветление растворителя. Для обеспечения эффективного осветления может регулироваться уровень жидкости в барабане, а, следовательно, и протяжённость зоны осветления.

Удаление осветлённой органической фазы экстрагента осуществляется под давлением при помощи погружного диска.

ТАРЕЛЬЧАТЫЕ ЦЕНТРИФУГИ САМОРАЗГРУЖАЮЩЕГОСЯ И СОПЛОВОГО ТИПА.

Наряду с декантерными центрифугами, в процессах SX-EW могут применяться тарельчатые центрифуги способные успешно решать следующие задачи:

  1. Очистка реэкстракта/рафината от остаточных количеств органического растворителя
  2. Осветление продуктивного раствора выщелачивания. Удаляя частицы твёрдой фазы, сопловые сепараторы позволяют минимизировать, либо полностью исключить образование крада.

Присутствие органической фазы в реэстракте на стадии электролиза сокращает срок службы электродов и ванн и снижает качество катодной продукции. Для решения этой проблемы могут использоваться саморазгружающиеся тарельчатые сепараторы.

Разделение на лёгкую фазу органического растворителя и тяжёлую водную фазу чистого реэкстракта происходит в пакете тарелок. При этом твёрдые частицы, накапливающиеся в шламовом пространстве барабана, периодически удаляются под действием центробежных сил во время регулярных автоматических раскрытий барабана. Удаляемая органическая фаза растворителя движется по направлению к центру барабана через пакет тарелок и отводится через отверстия в тарелках, а очищенная тяжёлая фаза реэестракта движется к периферии барабана через разделительную тарелку и отводится самотёком.

Саморазгружающиеся тарельчатые сепараторы нового поколения DSE для сепарации систем типа жидкость-жидкость имеют  высокий КПД двигателя и оптимальные динамические характеристики при низком энергопотреблении, отличаясь при этом высокой надёжностью, а также простотой эксплуатации и обслуживания. Преимуществами этих сепараторов  также являются гидрогерметичная подача продукта и замкнутые системы вывода фаз. При этом, как и в случае декантеров семейства crudMaster, возможно гибкое регулирование положения зоны сепарации в пакете тарелок в зависимости от состава обрабатываемого реэкстракта. Оборудование поставляется во взрывозащищённом исполнении в соответствии с требованиями ATEX и иных норм. Конструкция сепаратора позволяет осуществлять безразборную мойку. 

Другой задачей возникающей в процессе экстракции-реэкстракции является очистка рафината. После проведения экстракции рафинат возвращается на стадию выщелачивания, и содержащиеся в нём  остатки экстрагента накапливаясь в контуре выщелачивания, загрязняют его и своим присутствием снижают эффективность процесса выщелачивания. Применение тарельчатых сепараторов позволяет решить и эту проблему.

​Как уже было отмечено ранее, наряду с подходом, заключающимся в переработке медуз, существует также подход, основанный на предотвращении их образования, либо минимизации их количества в системе. В отличие от саморазгружающихся тарельчатых сепараторов осуществляющих периодическую выгрузку накопленной твёрдой фазы, сопловые тарельчатые сепараторы осуществляют непрерывную выгрузку сгущённой твёрдой фазы через калиброванные сопла, обеспечивая возможность переработки растворов с повышенным содержанием твёрдой фазы.

Непрерывная и высокоэффективная очистка продуктивного раствора выщелачивания от частиц твёрдой фазы различного происхождения может осуществляться сопловыми тарельчатыми сепараторами-осветлителями серии DDC. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Процесс SX/EW представляет собой весьма перспективную область комплексного применения центробежного разделительного оборудования. Декантерные центрифуги успешно используются для переработки крада и могут применяться для осветления отработанного экстрагента после его адсорбционной очистки, а использование тарельчатых сепараторов позволяет решать задачи очистки продуктивных растворов выщелачивания, рафинатов и реэкстрактов.

Концерн ГЕА имеет богатый опыт поставки оборудования для разделения крада и заинтересован в сотрудничестве с компаниями осуществляющими переработку руд цветных и редкоземельных металлов с использованием процесса SX/EW  и иных гидрометаллургических процессов. 

← к статьям