Определение основных количественных параметров кинетики выщелачивания и выбор направления интенсификации процесса

Курсовая работа

Определение основных количественных параметров кинетики выщелачивания и выбор направления интенсификации процесса

Задание на курсовую работу

Зависимость степени выщелачивания от времени при различных температурах

Зависимость степени выщелачивания от времени при различных концентрациях

Введение

Металлургия - это область науки и одна из ведущих отраслей промышленности, задачей которых является получение металлов из рудного сырья.

Основателем научной металлургии по праву считают М.В. Ломоносова. Он является автором первого труда по металлургии на русском языке «Первые основания металлургии или рудных дел», изданного в 1763 году.

Металлургические процессы подразделяют на пирометаллургические и гидрометаллургические.

Гидрометаллургические процессы заключаются в извлечении (выщелачивании) металлов из руд, концентратов и других минеральных продуктов путем обработки их водными растворами химических реагентов с последующим выделением из раствора металла или его химического соединения. Эти процессы широко используют в производстве цинка, золота и платиновых металлов, меди, никеля и кобальта, алюминия (получение глинозема), урана, вольфрама, молибдена, тантала и ниобия, ванадия, бериллия, редкоземельных и многих других редких металлов.

Значительное расширение сферы использования гидрометаллургических процессов вызвано рядом их преимуществ:

1.      Применение гидрометаллургических процессов обеспечивает избирательное извлечение металлов из бедных и труднообогатимых руд с минимальными затратами реагентов в простой аппаратуре при низких температурах (например, извлечение золота в цианистые растворы, урана из урановых руд в сернокислые или содовые растворы, меди из руд в сернокислые растворы). В некоторых случаях возможно непосредственное извлечение металлов в раствор из рудного тела (например, подземное выщелачивание меди и урана из руд). Поскольку богатые руды постепенно вырабатываются и в эксплуатацию вводятся все более бедные и сложные руды, значение гидрометаллургии возрастает. Для бедных и труднообогатимых руд высокое извлечение металла из руды в концентрат во многих случаях может быть достигнуто только сочетанием физических методов обогащения (флотация, гравитация и др.) с гидрометаллургическими операциями, в результате которых получают «химический концентрат».

2.      При использовании гидрометаллургических процессов обеспечивается комплексная переработка сырья с высоким извлечением всех ценных составляющих. Примером может служить попутное извлечение кадмия, индия, таллия в производстве цинка, галлия в производстве глинозема, молибдена при переработке вольфрамовых концентратов и др.

3.      Экономическая эффективность гидрометаллургических процессов возросла в связи с разработкой и широким внедрением сорбционных и экстракционных методов извлечения, концентрирования и разделения металлов, бесфильтрационных схем, автоклавного окислительного выщелачивания сульфидного сырья и др.

. Замена пирометаллургических процессов «мокрыми» резко сокращает загрязнение атмосферы вредными выбросами, создает лучшие условия труда (меньше пыление, ниже температура в производственных помещениях).

1. Расчет энергии активации

По экспериментальным данным строим график зависимости степени выщелачивания от времени при различных температурах.

Для того чтобы определить энергию активации  нам нужно определить значения тангенса углов наклона касательных к оси абсцисс, т.к. . Для этого к каждой кривой проводим касательные из начала координат.

Определяем тангенсы углов наклона касательных к оси абсцисс.

tg β = 0,1716

tg β = 0,2623

tg β = 0,3604

tg β = 0,4617

tg β = 0,5626

Данные тангенсы углов являются скоростями процесса выщелачивания при данных температурах (первая производная от степени выщелачивания от времени dα/dτ).

Рассчитываем десятичные логарифмы полученных значений tg β:

lg (tg β) = - 0,7655(tg β) = - 0,5812(tg β) = - 0,4432(tg β) = - 0,3356(tg β) = - 0,2498

Рассчитываем обратную величину от заданных температур:

Строим график зависимости

Определяем тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс:

Рассчитываем значение энергии активации:

2. Расчет порядка реакции

По экспериментальным данным строим графики зависимости степени выщелачивания от времени при различных концентрациях. К каждой кривой проведем касательные, проходящие через начало координат.

Определяем тангенсы углов наклона касательных к оси абсцисс.

tg β = 0,1763

tg β = 0,4333

tg β = 0,7346

tg β = 1,0673

tg β = 1,4269

Данные тангенса углов является скоростями процесса выщелачивания при данных концентрациях (первая производная степени выщелачивания по времени ).

Рассчитаем десятичные логарифмы полученных значений tg β:

lg (tg β) = - 0,7538(tg β) = - 0,3632(tg β) = - 0,1339(tg β) = 0,0283(tg β) = 0,1544

Рассчитаем десятичные логарифмы концентраций:

По полученным данным построим график зависимости

Определяем тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс:

В уравнение  обозначим все постоянные величины через константу  и прологарифмируем данное выражение. Получим уравнение нашей прямой: , где  - тангенс угла наклона графика к оси абсцисс, то есть .

Заключение

Из полученных данных ( и ) можно сделать вывод о том, что процесс протекает в кинетической области и лимитирующей стадией является химическое взаимодействие.

В этом случае скорость выщелачивания сильно зависит от температуры (Е_акт. = 40-300 кДж/моль) и не зависит от условий перемешивания. Вследствие этого обычный путь интенсификации выщелачивания состоит в проведении процесса при повышенных температурах, в том числе при повышенном давлении газообразного реагента.

При нормальном давлении температуру раствора нельзя поднять выше точки кипения (100-105°С в зависимости от концентрации). Для достижения более высокой температуры раствора нужно использовать герметичные сосуды, выдерживающие давление насыщенного пара воды над раствором при требуемой температуре, а если в процессе участвуют газообразные вещества, то суммарное давление пара и газов. Такие сосуды называют автоклавами. Теоретически максимальная температура выщелачивания в автоклаве соответствует критической точке воды (температура 547,3 К, давление 22,1 МПа). Реально выщелачивание проводят при температуре до 200-250°С (давление насыщенного пара до ~3 МПа), в последние годы разработаны процессы, рассчитанные на 275-300°С (давление до 6-7,5 МПа).

В настоящее время автоклавное выщелачивание используют в производстве глинозема по способу Байера, при переработке вольфрамовых концентратов, урановых руд, содержащих UO₂ (уранинит) или U₃O₈ (урановая смолка), сульфидных медно-никелевых материалов и т.д.

выщелачивание газообразный давление реагент

Типичные конструкции автоклавов приведены на рисунке. Автоклавы первого типа с обогревом и перемешиванием острым паром широко используют для выщелачивания бокситов (процесс Байера). Автоклавы второго типа часто применяют для окислительного автоклавного выщелачивания с участием кислорода; перемешивающее устройство обеспечивает интенсивную аэрацию пульпы.

Список литературы

1) Минеев Г.Г., Минеева Т.С., Жучков И.А., Зелинская Е.В. Теория металлургических процессов: учебник / под общ. ред. Г.Г. Минеева. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - 524 с.

) Вольдман Г.М., Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Интермет Инжиниринг, 2009. - 464 с.