диплом. А. Г. Никитина доц., канд техн наук Ф. А. Прищепов
 Скачать 237.63 Kb.
|
|
Технологический раздел Технологическая часть выпускной бакалаврской работы заключена в расчете установки для выщелачивания минерального концентрата. В данном разделе необходимо произвести тепловой и материальный балансы, выбрать наиболее продуктивный штамм продуцента, произвести подбор оптимальных условий культивирования, а так же подбор основного технологического оборудования предлагаемой установки бактериального выщелачивания, на основе заданного объема производства. Выбор и обоснование технологической установки бактериального выщелачивания Технологический процесс бактериального выщелачивания медно-цинкового концентрата, рассматриваемый в данной работе, является полунепрерывным процессом. Стадии культивирования введутся периодическим способом, стадии выделения, очистки целевого продукта - непрерывно. Технологический процесс включает в себя такие стадии как: - приготовление раствора питательной среды; - подготовка воздуха для аэрации; - приготовление раствора серной кислоты; - получение глубиной посевной культуры; - получение посевного материала в посевном аппарате; - биовыщелачивание в чане; - отстаивание в радиальном отстойнике; - осаждение меди на железном скрапе; - осаждение цинка гидрооксидом аммония. Технологическая схема рассматриваемого процесса бактериального выщелачивания медно-цинкового концентрата приведена в «Приложение А». Определение химического состава руд является предварительным этапом работ. Пригодность руд для биовыщелачивания определяют по их минералогическому и химическому составу. Например, некоторые разновидности сфалерита содержат высокие концентрации ртути. Она может вызвать повышение уровня токсичности выщелачивающих растворов [18]. Процесс чанового бактериального выщелачивания проводится в нестерильных условиях. Это связано с низким значением рН (1,5-2,5) и высокими концентрациями ионов тяжелых металлов, которые обеспечивают определенную элективность среды, используемой для выщелачивания. Концентрат, предназначенный для бактериального выщелачивания, необходимо измельчить. Процесс измельчения увеличивает удельную поверхность частиц, приводит к раскрытию зерен минералов и создает дефекты в кристаллической решетке, что в свою очередь способствует увеличению доступности сульфидных минералов для бактерий [19]. Выбор штамма микроорганизмов и обоснование В окислении двухвалентного железа, сульфидных минералов и серы принимают участие главным образом бактерии родов Acidithiobacillus, Leptospirillum, Sulfolobus, Sulfobacillus и Acidianus. Особое значение для гидрометаллургии имеют ацидофильные бактерии, поскольку при низких значениях рН металлы после их вскрытия, благодаря окислению сульфидных минералов, переходят в раствор и могут быть в дальнейшем извлечены в товарный продукт [20]. В качестве продуцента для данной установки выщелачивания использован штамм Acidithiobacillus ferrooxidans. Этот штамм является облигатным аэробом, хемолитоавтотрофом, строго ацидофилин (рН=1-4). Данный представитель растет на различных минеральных средах. Он получает энергию для жизнедеятельности окисляя железный (II), марганцевый (II) ион, элементарную серу, тиосульфат, сульфид иона. Так же субстратом могут служить минералы, как пирит, пирротин, халькопирит, халькозин, сфалерит, в качестве единственного источника энергии [21]. Закисное железо – наиболее легко окисляемый субстрат для Acidithiobacillus ferrooxidans. Реакция окисления протекает по вероятной схеме: 4Fe2+ + O2 + 4H + + бактерии → 4Fe3+ + 2H2O Самая распространенная из питательных сред для тионовых бактерий является среда Сильвермана и Люндгрена, или среда 9К, в которой содержатся все необходимые для их жизнедеятельности минеральные соли, такие как сульфат аммония, фосфат калия, сульфат магния, хлорид калия, нитрат кальция. Добавление этих солей интенсифицирует рост и окислительную активность Acidithiobacillus ferrooxidans [22]. В данной работе используется питательная среда БИР 1. Способ является более рентабельным по сравнению с известными способами и позволяет за сокращенные сроки получить большую биомассу культивируемых бактерий [23]. Основные производственные стадии биовыщелачивания 2.3.1 Приготовление питательной среды В данном технологическом процессе для выращивания микроорганизмов в посевных и рабочих аппаратах использована питательная среда БИР 1. Питательная среда БИР 1 для выращивания культуры Acidithiobacillus ferrooxidans имеет следующий состав г/л: H2SO4- 5,0; Пирофорные сульфиды железа – 50,0; (NH4)2SO4- 1,5; NH4H2PO4- 0,3; (MgSO4)×6H2O- 0,1; KCl- 0,05; вода водопроводная, отстоянная- 1 л [23]. Для приготовления производственной питательной среды предварительно растворяют вышеперечисленные компоненты в воде. Полученный раствор тщательно суспендируют, в связи с присутствием нерастворимых компонентов. После приготовления питательная среда сразу может быть направлена с помощью насосов в посевной аппарат, ферментер, так как стерилизация питательной среды не нужна. В данной технологической схеме не требуется соблюдение асептических условий. 2.3.2 Подготовка воздуха для аэрации Важным условием выщелачивания является высокий уровень диффузии кислорода в клетки, что достигается интенсивной аэрацией процесса биовыщелачивания [24]. Использовать для аэрации кислород можно, но экономически и по технике безопасности это нецелесообразно. Поэтому используется воздух, который под давлением поступает в ферментер непосредственно с территории предприятия. Технологическая схема получения, очистки сжатого воздуха, включает следующие стадии: предварительную (грубую) очистку от механических примесей, сжатее, охлаждение, отделение сконденсированных паров от влаги и масла. Забор воздуха из атмосферы производится через специальные шахту, которая имеет высоту более 8-10 м и расположенная на наименее загрязненном участке территории завода. В качестве предфильтров грубой очистки воздуха применяем фильтр непрерывного действия – самоочищающийся масляный с непрерывной регенерацией фильтрующей поверхности в ванне с маслом. При начальной концентрации пыли 1-2 мг/м3 степень очистки составляет 90 – 98%, пылеемкость фильтра исчерпывается через 300 – 500 ч. Чтобы преодолеть сопротивление системы очистки воздуха и столба жидкости в культиваторе, а также создать в нем некоторое избыточное давление, воздух необходимо сжать до давления не менее 0,2 МПа. Сжатие воздуха до 350 – 500 кПа осуществляется в компрессоре. При сжатии воздух нагревается до температуры 100 – 200 °С. При охлаждении сжатого воздуха выпадает 50 -70 % исходной влаги, которая увлажняет волокна аэрозольных фильтров, и эффективность их действия резко снижается. Чтобы насадки аэрозольных фильтров не увлажнялись, воздух после компрессора охлаждается до 25 – 30 °С в холодильнике с последующим отделением образующегося аэрозоля во влагоотделителе. После отделения влаги воздух нагревается до (29  1) °С. Далее воздух очищается от пыли в головном фильтре ФТО производительностью 380 м³/мин. В качестве фильтрующего материла используют стекловолокно с волокнами диаметром 12 мкм. [25].Постоянное использование фильтров, стерилизующих технологический воздух, требует также периодической стерилизации самих фильтров, так как задержанные фильтром микроорганизмы могут при благоприятных условиях размножаться. Стерилизация фильтров может быть проведена обработкой антисептиками, ионизирующим облучением и, горячим паром. Температура при обработке паром 120— 125 °С, время обработки 20-30 мин [26]. 2.3.3 Приготовление раствора серной кислоты Для приготовления раствора серной кислоты в емкость вносят 1,4 м³ водопроводной воды и добавляют 0,6 м³ концентрированной серной кислоты при постоянном перемешивании. Раствор используют на стадии подготовки инокулянта и основного выщелачивания для доведения рН среды. 2.3.4 Получение глубинной посевной культуры Acidithiobacillusferrooxidans Для получения посевного материала используют исходную музейную культуруштаммы вида Acidithiobacillusferrooxidans, которая поступает в заводскую лабораторию из научно – исследовательского института. Культура имеет паспорт, в котором указан продуцент и его коллекционный номер, серии и дата изготовления, средняя активность серии и срок годности. Проверку на продуктивность проводят культивированием в колбах на качалке. После проверки на продуктивность отбирают пробирки с культурами, имеющими наибольшую продуктивность, которые затем используют в качестве маточной культуры [22]. Для получения глубинной посевной культуры жидкую питательную среду в колбах (V = 100 мл) засевают суспензией маточной культуры. Выращивание культуры осуществляют в колбах на качалке при температуре (29±1) °С в течение 14-16 часов до накопления титра клеток не менее 106 кл/мл [22]. О готовности посевного материала для передачи его в посевной аппарат судят по совокупности следующих данных: 1) отсутствие посторонней микрофлоры; 2) накопления титра клеток не менее 106 кл/мл; 3) значение рН в пределах (1,6 – 1,8) [22]. Штамм хранится в жидкой питательной среде в холодильнике при температуре (4±1) °С с пересевом на свежую среду через 1-2 месяца [22]. Способ культивирования штаммов тионовых бактерий заключается в том, что суспензию штамма А. ferrooxidans вводят в питательную среду БИР 1, состав которой представлен в таблице 1[23]. Таблица 2.3.1 – Состав питательной среды БИР 1
2.3.5 Получение глубинной посевной культуры в посевном аппарате Перед посевом в инокулятор проводят проверку посевного аппарата с помощью мыльного раствора на герметичность, затем загружают раствор питательных солей и начинают стерилизацию аппарата в течение одного часа при температуре от 135 до 140 °С и давлении от 0,22 до 0,27 МПа подачей пара в рубашку аппарата. Питательная среда БИР 1 для выращивания культуры имеет состав, приведенный в таблице 1. Введение суспензии штаммов осуществляют в соотношении питательная среда: суспензия штамма, равном 8-10:1. Количество посевной культуры, выращенной в колбах на 100 мл на 1л питательной среды [24]. О готовности посевного материала для передачи его в посевной аппарат судят по совокупности следующих данных: 1) отсутствие посторонней микрофлоры; 2) накопления титра клеток не менее 106 кл/мл; 3) значение рН в пределах (1,6 – 1,8) [22]. Для засева аппарата содержимое 20-25 колб сливают в асептических условиях в стерильную стеклянную ёмкость. Количество полученной смеси не должно быть менее 2 л. Посевной материал в колбах можно хранить в холодильнике при температуре (5±1)°С не более 1 месяца. Выращивание посевного материала осуществляют при температуре (29±1) °С с постоянно работающей мешалкой (200 об/мин) и расходом воздуха в количестве от 0,2 до 0,5 литров на литр среды в минуту при значение рН в пределах (1,8 – 2). 2.3.6 Получение выщелачивающего раствора в чане объемом 60 м3 Перед началом основной стадии биовыщелачивания пустой аппарат тщательно моют, проверяют герметичность. Все вентили перед установкой проверяют гидравлическим опрессовыванием при давлении 0,3 МПа. Герметичность проверяют при избыточном давлении 0,15-0,2 МПа. Рабочий объем ферментера загружаем питательной средой БИР 1 без добавления пирофорных соединений железа (FeS, FeS2, FeS3), бактериальной суспензией из посевного аппарата и производим загрузку медного концентрата. Объем бактериальной суспензии составляет 1 литр на 100 кг руды. При содержании бактерий A. ferrooxidans в инокуляте 106-107 клеток/мл его расход составляет лишь 1 л на 10 тонн пульпы [27]. Передачу посевного материала из посевного аппарата осуществляют по посевной линии за счет разницы давлений в посевном аппарате и ферментере. Посевная культура составляет 10% от объема среды. Процесс выщелачивания осуществляется при температуре 30°С с постоянно работающей барботером и расходом воздуха в количестве 0,2 литра воздуха на литр среды в минуту, при значение рН в пределах (1,8 – 2,0). Продолжительность процесса ферментации в основном аппарате составляет 120 часов, до накопления в растворе ионов меди и цинка. Переход металлов в раствор определяют на атомно-абсорбционном спектрометре. Начальный титр клеток должен быть не менее 104 . После окончания культивирования и выгрузки раствора ферментер подвергают тщательной обработке. Через люк заполняют реактор на 2/3 объема питьевой водой и, соблюдая правила техники безопасности, тщательно промывают и готовят к следующей загрузке. 2.3.7 Отстаивание раствора По окончании процесса выщелачивания необходимо удалить взвеси пустой породы из целевого выщелачивающего раствора отстаиванием. С этой целю в процессах гидрометаллургии используют радиальные отстойники. Крупные частицы осаждаются под действием силы тяжести. Эффект осветления 50%. При этом влажность осадка составляет 95%. Отработанную руду выгружают и нейтрализуют СаСО3 [28]. 2.3.8 Осаждение меди на железном скрапе Осадителем служат железная стружка, обрезки проволоки и жесть из старых консервных банок. Для цементации применяют прямолинейные или зигзагообразные бетонные желоба длиной в несколько десятков метров, шириной до 2 м и глубиной до 1,5. Раствор подают под напором перфорированной трубой, лежащей на дне желоба, струйки его смывают цементную медь с поверхности скрапа. Извлечение меди из раствора цементацией в желобах достигает 96% при расходе железа 1,52-кратном от ее массы. В отработанных растворах остается немного меди, серная кислота и железо (II), их выгодно возвратить на выщелачивание; однако перед этим необходимо окислить Fе2+ и удалить его избыток СаСО3 [29]. 2.3.9 Осаждение цинка гидроксидом аммония Для выделения цинка из раствора применяется метод осаждения гидроксидом аммония. Вводят гидроксид аммония в рудничный раствор и доводят рН = 6. При этом в осадок выпадает гидроокись железа, которая осаждаясь увлекает за собой твердые взвеси и примеси, что приводит к улучшению качества продукта, так как повышается содержание цинка в продукте при довольно высоком его извлечении. После отделения осадка раствор направляют на осаждение цинка, где рН раствора доводят гидроксидом аммония до 9. Образовавшуюся гидроокись цинка отделяют от раствора и направляют на фильтрацию. Кек фильтрации подают в автоклав, где нагревают до 130°С. После охлаждают до 100°С оставшуюся влагу удаляют сушкой [30]. 2.3.10 Сушка и упаковка готового продукта Для сушки продукта используется вихревая сушилка производительностью 330 кг/ч по испаряемой влаге [31]. Сушка материала осуществляется в вихревом потоке теплоносителя, где материал находится во взвешенном состоянии, при этом каждая частичка движется отдельно от других, комки (агломераты) отсутствуют. Это приводит к обдуву частиц получаемого продукта со всех сторон и уносу молекул воды (преодолению сил поверхностного натяжения) с затратами меньшими, чем в традиционной сушилке. Удельный расход тепла в таких установках составляет 2800-4000 кДж на кг испаренной влаги при теоретически необходимом (мольная энтальпия испарения) 2259 кДж/кг влаги. Главная часть аппарата – это сушильная камера, в которой происходит дезинтеграция сырья и испарение влаги. Через верхнюю часть цилиндрической камеры уходит отработанный воздух. Начальная температура теплоносителя при сушке кека достигает 100 ºС. Полученный конечный продукт идет на переработку на металлургический завод [31]. 2.3.11 Переработка побочных потоков Представленная принципиальная технологическая схема не имеет газовых выбросов и технологических стоков и является экологически чистой. Единственным отходом в ней является осадок после биовыщелачивания, состоящий в основном из пустой породы и основного сульфата железа – ярозита, который нетоксичен и может быть использован после нейтрализации известью в составе дорожных покрытий [27]. 2.4 Расчет материальных потоков На основе заданного объема производства - Q т/г медно- цинкового концентрата рассчитываем годовую потребность цеха в основных и вспомогательных материалах и реагентах. Исходные данные для расчета материального баланса и оборудования представлены в таблице 2.4.1. Для расчета выбирает медный концентрат марки К5 [32]. Таблица 2.4.1 – Исходные данные для расчета материального баланса и оборудования
Один цикл бактериального выщелачивания в аппарате длится не более 120 часов (5 суток). Количество производственных циклов (К) за год составляет:   Необходимо время для загрузки и разгрузки реактора, а так же обязательный осмотр всего промышленного оборудования и учесть вероятность ремонта. Поэтому на перечисленные факторы отводим 3 недели. С учетом разного выхода целевого продукта в процессе производства произведем расчет необходимого количества медно - цинкового концентрата(Q0) для получения 600 т меди. На стадии выщелачивания выход меди и цинка 96%: Q0 = (600 *100)/96=625 т. На стадии осаждения потери целевого продукта 2%: Q0=625*0,02=12,5 т; Q0=625+12,5=637,5 т. На стадии сушки выход продукта 99%: Q0=637,5*0,01= 6,375 т; Q0 = 6,375+637,5 = 643, 875 т. Полученные данные сведены в таблицу 2.4.2. Таблица 2.4.2- Расчет количества медно- цинкового концентрата
Количество необходимого количества медного концентрата, с учетом содержания меди в концентрате не менее 20% составит: Q0 =   Количество обрабатываемого медного концентрата в год Q0=3219 т. С учетом количества производственных циклов К=70, количество обрабатываемого концентрата за 1 цикл (Q1) составит: Q=   Объем необходимой бактериальной суспензии (Vбс) в процессе биовыщелачивания составляет один литр на 100 кг руды. Исходя из этого, объем бактериальной суспензии на один производственный цикл составляет Vбс = 460 литров. Суспензия для выщелачивания приготавливается из расчета 100 мл выращенной культуры на 1 литр питательной среды [29]. Таким образом, в 460 литрах бактериальной суспензии содержится: - Объем питательной среды Vпс= 460/1,1= 418 л; - Объем выращенной культуры Vвк = 460-418=42 л. Питательная среда объемом Vпс= 418 л включает в себя соли и воду. В расчете на Vпс=1л масса солей mc=56,95 г, что составляет 5,4 % от массы питательной среды. В Vпс=418 л содержание солей составляет mc=22,572 кг. Следовательно, содержание воды: Vв = Vпс - Vc; Vв = 418-22,572=395,428 л. Объем питательной среды (Vпс) с учетом содержания в ней бактериальной суспензии (Vбс) для медного концентрата в количестве 46 т составит 92 м3 (при условии отношения пульпа : жидкость =1:2) [27]. Объем питательной среды без учета бактериальной суспензии (Vпс1) за один цикл составит: Vпс1 = 92000-460=91540 л. По полученным результатам произведем расчет материального баланса. Таблица 2.4.3 – Материальный баланс стадии ферментации на один производственный цикл
После стадии бактериального выщелачивания необходимо отделить полученный раствор от твердых взвесей. Для этого проводится осаждение в радиальном отстойнике. Радиальный отстойник предназначен для отделения твердых частиц от выщелачивающего раствора. Количество медно-цинкового концентрата (mм-ц) в выщелоченном растворе составляет mм-ц = 11960 кг. Содержание в концентрате марки К5 меди составляет не менее 20%, цинка не более 5% [32]. Соотношение медь- цинк составляет 4:1 или 80% меди и 20% цинка. Масса меди в полученном растворе (mм) составляет: mм= 11960*0,8=9568 кг. Масса цинка в полученном растворе mц составляет: mц= 11960*0,2=2392 кг. Однако необходимо предусмотреть вероятность неполного выщелачивания, а так же потери извлекаемого металла в шлам (около 3%). mм= 9568* 0,97=9280,96 кг; mц= 2392 к*0,97=2320,24 кг. Материальный баланс протекания стадии в радиальном отстойнике приведен в таблице 2.4.4. Таблица 2.4.4 – Материальный баланс радиального отстойника
После удаления пустой породы осветленный раствор подают на стадию осаждения меди. В качестве осадителя для меди можно использовать железную стружку, обрезки проволоки и жесть из старых консервных банок. Выход меди из раствора с применением данного метода позволяет извлечь металл на 94% . Масса меди извлекаемой цементацией в желобах (mм1) за один производственный цикл: mм1 = mм * 0,94= 9280,96*0,94 = 8723,2 кг. Масса необходимого железа (mж) составляет 1,52-кратный от содержания меди. mж= mм1*1,52; mж= mм1*1,52=8723,2*1,52 = 13259,3 кг. Материальный баланс осаждения меди приведен в таблице 2.4.5 Таблица 2.4.5 – Материальный баланс осаждения меди
Остаточный раствор после осаждения меди подают на стадию осаждения цинка. В качестве осадителя для цинка выступает гидроксид аммония. Его вводят в раствор из расчета 100 мг щелочи на 1 литр рудничной воды. Количество остаточного раствора (Vост) после стадии осаждения меди Vост = 94877,8 л. Масса необходимого количества гидроксида аммония (mга) на данное количество раствора составит: mга= Vост*0,0001= 94877,8*0,0001=9,488 кг. Материальный баланс осаждения цинка приведен в таблице 2.4.6. Таблица 2.4.6 – Материальный баланс осаждения цинка
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||