Сырье в химическом производстве

Основные показатели ОПИ (%): 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.

ОПИ существует с древнейших времен как способ извлечения золота путем промывки золотоносных песков и подготовки руд к плавке. Первая в России обогатит. фабрика для извлечения золота была построена на Урале (1760). Описание ряда процессов и методов ОПИ приведено в труде М. В. Ломоносова "Первые основания металлургии или рудных дел" (1763). Его современники И. И. Ползунов, К. Д. Фролов и В. А. Кулибин построили несколько механизированных обогатительных фабрик, оборудованных оригинальными машинами для промывки руд. В 19 в. возникли новые процессы и методы ОПИ Дальнейшее развитие в мире оно получило в первой половине 20 в. До 1917 в России работало всего 20 небольших обогатит. фабрик. Сейчас в СССР функционируют сотни фабрик, перерабатывающих разные руды.

Причины возникновения и развития ОПИ обусловлены тем, что минер. сырье обычно встречается в виде, исключающем возможность его  непосредственного использования вследствие недостаточно высокого содержания полезных компонентов или наличия вредных примесей. Так, среднее содержание Р₂О₅ в фосфоритах составляет 13% по массе, тогда как в получаемой из них фосфоритной муке оно должно быть не менее 20%, а в концентратах, которые необходимы для переработки в фосфорную к-ту,-24-28% при строго регламентированном количестве примесей (не более 2,5% MgO и др.). Наибольшее содержание ценного компонента (в расчете на данный элемент), достигаемое в концентрате, зависит от того, в виде какого химсоединения этот компонент входит в состав обогащаемого. Напр., медные концентраты можно получить более богатыми медью, если они содержат халькозин Cu₂S (79,7% Сu), чем в случае халькопирита CuFeS₂ (34% Сu) и т.д.

ОПИ осуществляется с помощью ряда последовательных подготовительных, основных и вспомогательных операций. Все эти операции составляют т. наз. схему ОПИ (рис. 1), которая выбирается преимущественно в зависимости от минерального состава сырья и содержания в нем полезных компонентов.

Подготовительные операции (рудоподготовка)

Измельчение.

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.

Рис.1. Схема обогащения минерального сырья.

В большинстве случаев - это основная и часто наиб. 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 д р о б л е н и е, крупных кусков руды проводят в щековых, конусных или валковых дробилках; макс. размер кусков 12-18, иногда 2-4 мм.

Дробление. 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 п о м о л, сырья осуществляют в мельницах стержневых, шаровых или самоизмельчения, при этом макс. размер частиц достигает 0,7-0,04 мм, иногда (напр., при ОПИ сильвинитовых руд) 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.

Размалывание. Размалывание представляет собой конечный этап механического отделения полезных минералов от пустой породы. 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.

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.

Грохота. 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?), которой придается вибрация с частотой 500-3600 циклов в минуту.

Грохочение - распространенный технологический процесс в химпромышленности, применяемый в сочетании с дроблением (см. Измельчение), а также как самостоятельная операция. Работа грохота в замкнутом цикле с дробилкой или мельницей обеспечивает повышение их производительности, снижение энергозатрат и получение продукта необходимого качества.

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 (т. наз. надрешетный продукт - обозначается цифрой, указывающей размер отверстия со знаком "плюс", напр. + 50 мм); продукт, прошедший через отверстия, наз. подрешетным и обозначается цифрой со знаком "минус". Для уменьшения износа рабочей поверхности Г. проводят чаще всего через набор сит с последовательно уменьшающимися отверстиями. По размеру частиц продукта различают крупное (300-100 мм), среднее (100-25 мм), мелкое (25-5 мм) и тонкое (5-0,5 мм) Г.

Осн. характеристики грохочения.: т. наз. граница разделения фракций, определяемая размером отверстий в ситах; остатки материала на ситах (см. Ситовой анализ) 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

где А₀ и А₀'-массы пробы соотв. до и после отсева посторонних фракций.

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

Различают след. виды грохотов: неподвижные (напр., колосниковые); с  движением отдельных элементов  рабочей поверхности (напр., с эластичным ситом); подвижные с колебательным (напр., вибрационные, или инерционные), вращательным (напр., барабанные) или волнообразным (напр., спец. инерционные) движением рабочей поверхности; с перемещением материала в струе пульпы. По форме рабочей поверхности грохоты подразделяют на плоские, дуговые, барабанные, многогранные призматические (напр., т. наз. бураты), по расположению - на горизонтальные и наклонные, по числу сит - на одно-, двух- и многоситовые. Преим. применение имеют грохоты с колебательным движением: инерционные со свободными колебаниями - вибрационные, резонансные (частота возмущающих колебаний кратна частоте собственных колебаний системы), самобалансные (см. ниже); гирационные (эксцентриковые) с вынужденными колебаниями короба, сообщаемыми ему через жесткую кинематическую связь. Резонансные грохоты сложны по конструкции, гидрационные вызывают сильную вибрацию опор, которая передается перекрытиям зданий; поэтому указанные типы грохотов постепенно вытесняются более совершенными.

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ

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

Гравитационная концентрация. 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.

Обогащение в тяжелой  среде. 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.

Отсадочные машины. Отсадочная машина - это один из видов гравитационного  концентратора, в котором суспензия  состоит из воды и рудных частиц.

В отсадочных машинах  непрерывного действия имеются по крайней  мере два отделения. Тяжелые частицы, попавшие в приемное отделение, скапливаются на дне; более легкие частицы всплывают. Подаваемый материал захватывается  текущей водой и поступает  в поверхностный слой на нижней части уклона, который стремится выплеснуться через край. Однако тяжелый материал проседает через более легкий и оказывается в придонном слое. Легкий материал смешивается с верхним слоем, и поперечный поток воды сносит его через перегородку в соседнее отделение, где происходит аналогичная сепарация. Автоматические разгрузочные устройства удаляют придонный слой с такой скоростью, чтобы он сохранял необходимую толщину.

Концентрационные столы. 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.

Шлюзы. 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. Для переработки мелкозернистого песка и шлама дно шлюза покрывают мешковиной, брезентом или другим подобным материалом, который обычно прикрепляется металлической решеткой или грубой проволочной сеткой. При переработке золотоносного гравия для сепарации довольно часто используется ртуть благодаря ее способности прилипать к мелким частичкам золота и удерживать их в потоке воды. Ширина шлюза составляет от 0,5 до 2 м, а длина - от 3-6 м до 1,5 км и более. Наклон варьируют в пределах 2,0-12,5 см/м; при этом в нижней части шлюза преобладает тонкозернистый материал с большим количеством воды, а в верхней части - более грубозернистый с меньшим количеством воды. Периодически подачу материала прекращают и создают легкий поток воды, рифли снимают, начиная с выходного конца, осевший песок переворачивают лопатами для отмывки легкого песка, а оставшуюся часть сгребают в бадьи. Очищенный золотоносный продукт затем обрабатывается в промывочном лотке (диаметром 0,45 м и глубиной 5-8 см) с наклонными под углом 45. стенками. Когда песок вместе с водой в лотке встряхивается, тяжелый материал оседает, а легкие отходы смываются через край.

Флотация. Флотация 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.