Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

531

дительность, основываясь на нормах удельных нагрузок на

м ши-

рины питания, с использованием выражения:

Q = qnL, (111.70)

где Q - производительность сепаратора по сухому ИСХОДНОМУ пита-

нию, т/ч; q - удельная производительность, т/(м

•

ч), значения кото-

рой МОГУТ быть найдены в специальной литературе; п - число голов-

ных барабанов, валков или роликов в сепараторе; L

- рабочая длина

барабана, валика или ролика, м.

Ориентировочная оценка производительности (в т/ч) сепарато-

ров при

СУ ХОЙ

сепарации сильномагнитных материалов может быть

сделана по формуле:

Q = 8.82n (L- 0.1) об [(d

- d,) / Ig d

/d,] ab. (III.71)

где п - число головных барабанов. L - длина барабана, м: и - ско-

рость перемещения материала на барабанах (принимается равной 1).

м/с; б - плотность исходного материала, т/м

: d, и d„ - наименьший

и наибольший диаметр зерен питания, мм. а и b - коэффициенты,

значения которых МОГУТ быть найдены в специальной литературе.

Эвакуируемые из магнитного поля зерна сильномагнитных ма-

териалов вследствие остаточной намагниченности МОГУТ агломери-

роваться в разного вида агрегаты. С целью устранения последствий

этого явления, называемого магнитной флокуляцией. используют

многократное перемагничивание таких материалов в переменном

магнитном поле размагничивающих аппаратов.

В процессах переработки твердых отходов широкое применение

находят электромагнитные железоотделители (шкивные. подвесные,

саморазгружающиеся сепараторы), предназначенные для извлече-

ния железных и дру гих ферромагнитных предметов из разрыхлен-

ных немагнитных материалов.

Электрические методы. Электрическое обогащение основа-

но на различии электрофизических свойств разделяемых материа-

лов и включает сепарацию в электростатическом поле, поле корон-

ного разряда, коронно-электростатическом поле и трибоадгезионную

сепарацию. С их помощью решают задачи обогащения, классифика-

ции и обеспыливания как рудного сырья и некондиционных продук-

тов в металлургии черных, цветных и редких металлов, так и многих

неметаллических материалов (тонкодисперсного кварца, формовоч-

ных песков, известняка, песка для стекольной промышленности и др.).

В однородном электрическом поле на заряженную частицу' дей-

532

ствует электрическая (кулоновская) сила F

, обусловленная наличи-

ем на частице заряда:

Fq = Eq, (III.72)

где E - напряженность электрического поля, В/м; q - заряд частицы, Кл.

В неоднородном электрическом поле на таку ю частицу помимо

кулоновской действует пондеромоторная сила F

, обусловленная не-

однородностью электрического поля и различием диэлектрической

проницаемости среды и частицы:

= sr

[(8.-8)/(8. + 2s)] EdE /dx, (111.73)

где dE / dx - градиент поля, В/м

; s и S

- диэлектрическая проница-

емость соответственно среды (для газов s и частицы; г - радиус

частицы, м.

Направление действия F

не зависит от знака заряда электрода.

При 8 >

частица втягивается в направлении уменьшения напряжен-

ности поля, при 8 <

сила F

направлена в сторону ее увеличения.

Электростатическая сепарация основана на различии электро-

проводности и способности к электризации трением (трибоэлектри-

ческий эффект) минеральных частиц разделяемой смеси. По элект-

ропроводности все минеральные частицы делятся на проводники,

полупроводники и диэлектрики. При контакте частиц обогащаемого

материала с поверхностью заряженного металлического электрода

всем им сообщается одноименный с ним заряд, величина которого

зависит от электропроводности частиц. Электропроводные частицы

интенсивно приобретают значительный заряд и отталкиваются от

электрода, частицы диэлектриков сохраняют свои траектории.

При небольшой разнице в электропроводности частиц использу-

ют электризацию их трением (путем интенсивного перемешивания

или транспортирования по поверхности вибролотка). Наэлектризо-

ванные частицы направляют в электрическое поле, где происходит

их сепарация.

Сепарация в поле коронного разряда, создаваемого между коро-

нирующим (заряженным до 20-50 тыс. В и более) и осадительным

(заземленным) электродом, основана на ионизации пересекающих это

поле минеральных частиц оседающими на них ионами воздуха и на

различии интенсивности передачи приобретенного таким образом

заряда частицами проводников, полупроводников и диэлектриков по-

верхности осадительного электрода. Эти различия выражаются в

различных траекториях движения частиц.

533

Трибоадгезионная сепарация основана на различии в адгезии

(прилипании) к поверхности наэлектризованных трением частиц раз-

деляемого материала. Температура процесса сепарации существен-

но влияет на силу адгезии, которая усиливается или ослабляется элек-

трическими силами, вызываемыми трибоэлектрическими зарядами.

Помимо этого, на частицы действуют силы тяжести и центробеж-

ные силы, что в совокупности приводит к разделению частиц по ве-

щественному составу и крупности.

Электрические сепараторы классифициру ют по характеру элек-

трического поля (электростатические и с коронным разрядом), спо-

собу электризации (с электризацией контактным способом, в поле

коронного разряда, трибоэлектризацией и др.) и по констру кции рабо-

чих органов (барабанные, камерные, ленточные, лотковые, пластин-

чатые, полочные и др.).

Подлежащие электрической сепарации материалы обычно под-

вергают подготовительным операциям (классификации, обесшлам-

ливанию, сушке, термообработке при температу рах до 300°С). Наи-

более эффективно процесс сепарации идет при кру пности частиц не

более 5 мм.

Наряду с перечисленными процессами обогащения при перера-

ботке твердых отходов в ряде случаев ИСПОЛЬЗУЮТ и отличные от

них методы (флотогравитация, сепарация по коэффициент} трения и

по форме, отдельные приемы радиометрической и дру гих видов се-

парации).

13.4. Физико-химическое выделение компонентов

при участии жидкой фазы

Многие процессы утилизации твердых отходов в промышленности

основаны на использовании методов выщелачивания (экстрагирова-

ния), растворения и кристаллизации перерабатываемых материалов.

Выщелачивание (экстрагирование). Этот метод широко ис-

пользуется в практике переработки отватов горнодобывающей про-

мышленности, некоторых металлургических и топливных шлаков,

пиритных огарков, древесных и многих других BMP. Метод основан

на извлечении одного или нескольких компонентов из комплексного

твердого материала путем его (их) избирательного растворения в

жидкости-экстрагенте.

В зависимости от характера физико-химических процессов, про-

текающих при выщелачивании, различают простое растворение (це-

534

левой компонент извлекается в раствор в составе присутствующего

в исходном материале соединения) и выщелачивание с химической

реакцией (целевой компонент, находящийся в исходном материале в

составе малорастворимого соединения, переходит в хорошо раство-

римую форму).

Минимальный расход реагентов, необходимый для полного из-

влечения в раствор целевого компонента, и возможность осуществ-

ления процесса определяются величиной концентрационной констан-

ты равновесия реакции K

. Например, для случая выщелачивания

AB + 2CD а=* С,В + AD„ (111.74)

тв р-р 2 р-р Ctb

концентрационная константа равновесия K

выражается следу ющим

образом:

с =IC-BJ

pra4

/[CD]^. (Ш.75)

При достижении равновесия в растворе остается неизрасходо-

ванный реагент CD:

[CDl

равн

= VlC

раин

/ JK

(Ш.76)

Таким образом, необходимый избыток реагента CD на 1 моль

выщелачиваемого компонента AB должен быть равен"

[CDI

/ ,/K

рав||

. (111.77)

а общий расход реагента CD должен составлять 2 + 1/IC

рлн

Константа равновесия реакции К,, например реакции аА + ЬВ =¾

dD + gG. может быть выражена различными способами: через ак-

тивности а. коэффициенты активности у и концентрации [i] компо-

нентов в УСЛОВИЯХ равновесия.

о [DNGI' УУ/'О К УУЛД

Р " . b = — .,

S . .,b

• (111.78)

B [AJ

IBJ

А/В /А

Значения констант равновесия находят в справочной литературе,

рассчитывают по известным величинам термодинамических функ-

ций участвующих в реакции веществ, либо по отношению произведе-

ний растворимости содержащего целевой компонент исходного со-

единения и твердого продукта реакции, сопровождающейся образо-

ванием малорастворимого продукта, или по данным о значениях

электрохимических потенциалов при протекании окислительно-вос-

становительной реакции, а также определяют экспериментально.

Скорость выщелачивания обычно изменяется в ходе процесса и

535

зависит or концентрации реагентов, температуры, интенсивности

перемешивания, величины поверхности твердой фазы и других фак-

торов. Поэтому в общем виде она может быть представлена выра-

жением:

dG/dx

-jS, (111.79)

где G - количество выщелачиваемого вещества в твердой фазе; j -

количество выщелачиваемого вещества, переходящее в раствор в

единицу времени т с единицы поверхности твердой фазы (поток вы-

щелачивания, удельная скорость выщелачивания): S - поверхность

взаимодействия фаз.

При наиболее полной модели взаимодействия твердое - жидкость,

соответствующей растворению с обменной реакцией, которая про-

текает с образованием новой твердой фазы:

\\А В +\'В

А те р-р В р-р

C +v

D .

^ С и D

р-р -

(III.80)

процесс включает диффузию реагента к поверхности твердой фазы

через пограничный слой жидкости, диффузию реагента через слой

твердого продукта реакции или выщелоченный слой инертного ма-

териала, химическую реакцию на поверхности выщелачиваемого ве-

щества, диффузию растворенного вещества от реакционной поверх-

ности через твердый слой и пограничный слой жидкости. Соответ-

ствующее этим условиям выражение для потока выщелачивания j

получено в виде:

J = C

К.

с:

I I

+ — + —

D, k К

в V

К D',

: /

(III.81)

где 6j и б

- величины соответственно пограничного слоя жидкости

и твердого продукта реакции: D

, D

', D

' - коэффициенты диф-

фузии соответственно реагента в растворе и слое продукта реакции

и растворенного продукта в этих слоях; k, K

- константы соответ-

ственно скорости в равновесия прямой реакции; C

, C

' - концентра-

ции соответственно реагента и продукта в растворе; v

. v

- число

молей соответственно реагента и продукта по вышеуказанной реак-

ции.

Выражение (III.81) значительно упрощается, если реакция прак-

тически необратима (т. е. 1/К «0):

/ (5, / D + б / D, +1 / к). (III. 82)

536

Величину D

/ 5. = р. называют коэффициентом массопередачи, а

обратную величину

/ P

= S

/ D

- диффузионным сопротивлением.

Величину' 1/к называют химическим сопротивлением. Таким обра-

зом,

MMa

диффузионных и химического сопротивлений представ-

ляет общее сопротивление процессу:

l/p, + l/p

+l/k

l/p

, (III.83)

откуда общий коэффициент массопередачи

+ 5,'/D, + 1/k (

111

)

и с учетом (II 1.82)

J=P

. (III.85)

При установившемся режиме для потока выщелачивания и его

отдельных стадий справедливо равенство:

j = P

= P

- С,) = P

(С, - С.) = kC

, (111.86)

где С, и С, - концентрации реагента соответственно на границе ра-

створ - инертная твердая фаза и на поверхности ядра выщелачивае-

мого материала.

При P

* к уменьшение концентрации реагента на каждой ста-

дии примерно одинаково: C

- С, ^C

- С

(для необратимой

химической реакции, когда С

падает до нуля).

При1/к»1/р

]

и1/к»1/р,

I = P

• C

= кС

*кС

. (III.87)

Если же

/ Р>>

/ р

/ р>>

/ к или

/ Р

»1 /

/ P

»1 / к, то

соответственно

I=P^C

-C

)-P

. (III.88)

J=P

-C

)-P

. (111.89)

Таким образом, при значительном преобладании одного из со-

противлений общий поток выщелачивания может быть рассчитан как

произведение наименьшего коэффициента массопередачи (или кон-

станты скорости реакции) на C

При образовании в процессе выщелачивания плотной оболочки

твердого продукта наибольшую величину обычно имеет сопротив-

ление

/ P

и процесс, лимитируемый диффузией через этот слой,

537

протекает во внутренней диффузионной области. Если такая оболоч-

ка не образуется

/13

= 0) и величина к достаточно велика, процесс

может происходить во внешней диффузионной области при лимити-

ровании его скорости диффузией через слой раствора. В случае же

лимитирования процесса скоростью химической реакции он протека-

ет в кинетической области.

При выборе экстрагента (растворителя) к нем}' предъявляют ряд

требований в отношении селективности, величины коэффициентов

распределения и диффузии, плотности, горючести, коррозионной ак-

тивности, токсичности и ряда других показателей. На процесс вы-

щелачивания обычно существенное влияние оказывают такие пара-

метры как концентрация экстрагента, размер и пористость зерен

обрабатываемого материала, интенсивность гидродинамики, темпе-

ратура, наложение различных силовых полей (у льтразвуковых, посто-

янных электрических, электромагнитных, высокочастотных, центро-

бежных и др\тих) и в некоторых случаях присутствие различных мик-

роорганизмов (бактериальное выщелачивание).

Процессы экстракции МОГУТ быть периодическими и непрерыв-

ными. Периодические процессы проводят настаиванием (обработ-

кой залитого экстрагентом материала в течение определенного вре-

мени с последующим сливом экстрагента и заменой его свежим)

или вытеснением - перколяцией (образующийся экстракт непрерыв-

но вытесняется из слоя материала чистым растворителем). Более

прогрессивное непрерывное экстрагирование проводят путем мно-

гоступенчатого контакта прямоточным, противоточным и комбини-

рованным способами.

Используемые для реализации процессов экстракции аппараты

характеризуются весьма большим разнообразием конструкций Эк-

стракторы классифицируют по способу действия (периодические и

непрерывнодействующие), по направлению движения растворителя

и твердой фазы (противо- и прямоточные, с процессом полного сме-

шения, с процессом в слое и комбинированные), по характеру цирку -

ляции растворителя (с однократным прохождением, с рецирку ляцией

и оросительные) и по ряду других принципов.

При расчете производительности реактора выщелачивания лю-

бого типа основываются на заданной степени извлечения или оста-

точном содержании целевого компонента в обрабатываемом твер-

дом материале С

ост

, определяя необходимое время выщелачивания

по кинетической кривой C

ocr

= f (т).

538

При этом производительность аппарата по пульпе для заданных

условий выщелачивания определяют по формуле:

Q = V/(т

AT),

(III. 90)

где V - полезная емкость реактора; Ax - суммарное время загрузки,

выхода на режим и выгрузки реактора.

Максимальная производительность непрерывнодействующего ре-

актора выщелачивания полного смешения при непрерывном распре-

делении частиц по времени пребывания и небольших величинах

Q / V и т

может быть определена с использованием выражения:

Q = VG-T/Jf

(т)

dt. .

(Ш91)

Оценка производительности периодически- и непрерывнодейств\то-

щего реакторов, проводимая соответственно по выражениям (П1.90) и

(Ш.91) при равных значениях V и т

, позволяет заключить, что в первом

случае она гораздо выше. Увеличения производительности единичных

непрерывнодействующих реакторов достигают, объединяя их в прямо-

точный каскад, что обеспечивает снижение выхода твердых частиц с

малым временем пребывания. Принципиальные технологические схе-

мы процессов прямоточного и противоточного ступенчатого экстраги-

рования представлены на

рис.

1П-10. Более рациональная с позиций ки-

нетики организация противоточного каскада требует разделения твер-

дой и жидкой фаз после каждого аппарата выщелачивания.

Растворение. Этот метод заключается в реализации гетероген-

ного взаимодействия между жидкостью и твердым веществом, со-

провождаемого переходом последнего в раствор, и широко исполь-

зуется в практике переработки многих твердых отходов.

Возможность самопроизвольного растворения твердого вещества

может быть оценена знаком величины AG (изменения энергии Гиб-

бса), определяемой соотношением:

= AH

-TAS, (111.92)

где AH

- изменение энтальпии; AS - изменение энтропии; T - абсо-

лютная температура.

При AG < 0 возможно растворение, AG = 0 соответствует равно-

весию в системе, при AG > 0 вероятен процесс кристаллизации. Ра-

створимость твердых веществ в жидкостях обычно ограничена кон-

центрацией насыщения С .

539

Рис.

111-10.

Схемы прямоточного (а)

противоточного

(б)

ступенчатого экст-

рагирования:

1,2,3,п - ступени; А+В - твердый материал;

S,, S,, S

- потоки раствори-

теля; R

.... R

- потоки рафината;

E „

....

- потоки экстракта

Скорость растворения как массообменного процесса может быть

выражена уравнением:

dG/dx= К

F(C

-CX

(III.93)

где G - количество растворенного вещества, кг; K

- коэффициент

массопередачи (константа скорости процесса); F - общая поверх-

ность растворяемых частиц в момент времени т. м

; C

- концентра-

ция раствора в момент времени т, кг/м

В практике встречаются случаи, когда скорость растворения ли-

митируется не диффузией растворенного вещества от поверхности

твердой фазы в раствор, а скоростью межфазного перехода веще-

ства в раствор (например, для солей K

•

2MgS0

, MgSO

•

O).

Для веществ, растворение которых не осложняется этой скоростью

(диффузионнорастворяющихся веществ, к числу которых принадле-

жит большинство солей), величина K

может быть определена по

формуле:

=KAp

(D^f

, (III. 94)

где К - коэффициент массоотдачи (для диффузионнорастворяющих-

ся солей К = 70±10); Ap - разность плотностей твердой и жидкой

фаз; |х

- динамическая вязкость жидкости; Djx

- эффективный (при

ц,

= 1) коэффициент диффузии растворенного вещества.

Время х, необходимое для полного растворения данного количе-

ства G вещества, может быть оценено при известной для данной

540

температуры и гидродинамических условии реализации процесса ве-

личине К с использованием отношения:

т = G31п(АС

ДС

)

(AC

ДС

(111.95)

где ДС , ДС - вычисляемые через величину С движущие силы со-

H' К * -S-

ответственно в начале и конце процесса; F

- суммарная поверх-

ность подлежащих растворению частиц материала.

Более подробно расчеты процессов растворения освещены в спе-

циальной литературе.

Процессы растворения осуществляют в аппаратах периодичес-

кого (при небольших производительностях - в стационарном слое

твердых частиц или с перемешиванием) и непрерывного (во взве-

шенном слое или с перемешиванием) действия разнообразных кон-

струкций. Для интенсификации растворения в ряде случаев ИСПОЛЬ-

ЗУЮТ различные способы наложения полей колебаний.

Кристаллизация. Выделение твердой фазы в виде кристаллов

из насыщенных растворов, расплавов или паров имеет большое рас-

пространение при переработке различных твердых отходов.

Для оценки поведения растворов при их кристаллизации и рацио-

нального выбора способа проведения этого процесса ИСПОЛЬЗУ ЮТ

диаграммы состояния растворов, выражающие зависимость раство-

римости соответствующих солей от температуры. Скорость процес-

са кристаллизации зависит от многих факторов (степени пересыще-

ния раствора, температуры, интенсивности перемешивания, содер-

жания примесей и др.) и изменяется во времени, проходя через

максимум. Соотношение скоростей основных параллельных процес-

сов возникновения зародышей кристаллов и их роста определяет ве-

личину суммарной поверхности зерен образующейся твердый фазы.

Создание необходимого для кристаллизации пересыщения раство-

ра обеспечивают двумя основными приемами - охлаждением горя-

чих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация) и уда-

лением части растворителя путем выпаривания (изотермическая

кристаллизация) или их комбинацией (вакуум-кристаллизация, фрак-

ционированная кристаллизация, кристаллизация с испарением раство-

рителя в токе воздуха или

дру

гого газа-носителя). Наряду с ними в

практике кристаллизации из растворов иногда используют кристал-

лизацию высаливанием (введение в раствор веществ, понижающих

растворимость соли), вымораживанием (охлаждением растворов до

отрицательных температур с выделением кристаллов соли или их

концентрирование удалением части растворителя в виде льда) или