Принципы обогащения сырья
Важное технико-экономическое значение в рациональной переработке сырья имеет использование концентрированного сырья, обогащенного полезными компонентами. Применение концентрированного сырья снижает стоимость последующей химической переработки и, следовательно, стоимость продукта производства и повышает его качество. Такое сырье способствует интенсификации технологического процесса и экономии топлива. Расходы на транспортировку сырья к месту переработки снижаются пропорционально концентрации ценных компонентов.
Концентрированное сырье получают его обогащением. В процессе обогащения отделяют ценные компоненты от примесей, используя различия в их физических, физико-химических и химических свойствах, а также разделяют на компоненты сложные смеси, полиметаллические руды. Методы обогащения разнообразны и принципиально различны для твердого, жидкого и
газообразного сырья.
Твердое минеральное сырье предварительно измельчают, далее измельченная масса поступает на обогащение, в результате которого получают концентрат (фракция, обогащенная полезными компонентами) и пустую породу ‑ хвосты. Для твердого сырья чаще всего применяют механические способы обогащения ‑ рассеивание (грохочение), гравитационное разделение, электромагнитную и электростатическую сепарацию, а также физико — химический метод ‑ флотацию.
Рассеивание (грохочение) применяют для разделения твердой породы, содержащей минералы различной прочности и образующей при измельчении зерна разной величины. При последовательном пропускании измельченного сырья через грохоты ‑ металлические сита с отверстиями разных размеров ‑ происходит разделение на фракции, обогащенные определенным минералом.
Гравитационное обогащение (мокрое и сухое) основано на разной скорости падения частиц измельченного материала различной плотности и величины в потоке жидкости или газа или на действии центробежной силы. Чаще всего проводят мокрое обогащение в потоке воды. Центробежное ускорение в гидроциклонах во много раз выше ускорения при осаждении частиц, поэтому они дают более высокую производительность, чем осадительные камеры; соответственно меньше их габариты. Гравитационные способы применяют для обогащения сырья в производствах минеральных солей, силикатных материалов, в металлургии а также при обогащении углей.
Электромагнитное и электростатическое обогащение основано на различиях в магнитной проницаемости или в электрической проводимости компонентов сырья. Эти способы применяют для отделения магнитовосприимчивых частей от немагнитных и электропроводящих от диэлектриков.
Флотация ‑ широко распространенный способ обогащения, применяющийся для разделения полиметаллических сульфидных руд, обогащения каменных углей и многих других минералов. Флотация основана на различии в смачиваемости водой и прилипании частиц обогащаемого минерала к пузырькам пропускаемого через пульпу воздуха. Плотность агрегата минерал ‑ воздух меньше, чем плотность того же объема пульпы, поэтому он всплывает на поверхность. Большинство минералов природных руд мало отличаются по смачиваемости друг от друга. Для их разделения необходимо создать условия неодинаковой смачиваемости водой отдельных компонентов породы, для чего применяют разнообразные химические соединения ‑ флотационные
реагенты.
Термическое обогащение твердого сырья основано на различии в плавкости компонентов сырья. Например, нагреванием серосодержащей породы отделяют легкоплавкую жидкую серу от пустой породы, состоящей из более тугоплавких известняков, гипса и др.
Химическое обогащение основано на различии во взаимодействии компонентов сырья с химическими реагентами с последующим выделением образовавшегося соединения осаждением, испарением, плавлением и т. п.
Для выделения ценных компонентов из жидкостей часто применяют экстракцию ‑ избирательное растворение их в органических растворителях. При последующей регенерации экстрагента выделяют одновременно и поглощенные вещества.
Газовые смеси разделяют, используя различия компонентов смеси в температурах кипения, растворимости и других свойствах. Разные температуры кипения дают возможность при сжатии и сильном охлаждении последовательно конденсировать отдельные компоненты. Так, из коксового газа, содержащего 53-60 % Н2, получают газообразный водород, последовательно конденсируя и отделяя содержащиеся в газе углеводороды, оксид углерода, кислород и азот. В других случаях газовую смесь сжижают и затем разделяют на компоненты перегонкой в ректификационных колоннах.
Широкое распространение в промышленности для разделения газовых смесей находят методы сорбции ‑ избирательное поглощение компонентов смеси жидкими (абсорбция) или твердыми (адсорбция) веществами. Поглощенные компоненты выделяют (процесс десорбции) нагреванием, обработкой водяным паром и т. п.
Источник
Методы обогащения твёрдых, жидких материалов и газов.
Химические производства стремятся, как правило, применять возможно более концентрированное сырье, что позволяет интенсифицировать процессы и получать продукцию лучшего качества с меньшими затратами. Применение концентрированного сырья в одних процессах уменьшает затраты топлива на нагревание реагирующих масс, а в других процессах позволяет эффективно использовать тепло реакции, например, для производства пара содержание полезных компонентов в природном сырье часто бывает недостаточным для его эффективного применения, поэтому производится предварительное обогащение сырья, т. е. повышение содержания в нем ценного компонента или разделение его на несколько компонентов, являющихся сырьем для различных производств. При обогащении сырья на месте его добычи сокращаются транспортные расходы на перевозку его к месту переработки пропорционально увеличению концентрации полезного компонента в сырье. Обогащение необходимо также потому, что запасы концентрированного сырья в природе постепенно истощаются и промышленность вынуждена отделять полезные компоненты бедного сырья от большого количества еще не используемой пустой породы. В местах добычи сырья нередко строят крупные обогатительные фабрики, комплексно применяющие различные способы обогащения сырья. Методы обогащения принципиально различны для твердых материалов, жидкостей и газов. Рассмотрим их последовательно.
Твёрдое минеральное сырье находится в земной коре в составе горных пород, представляющих собой агрегаты минералов более или менее постоянного состава. Минералами называют физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. Насчитывается более 2500 минералов, включающих органические и неорганические вещества. Одни и те же элементы могут быть в составе различных минералов. Методы механического обогащения твердого сырья основаны на различных физических и физико-химических свойствах минералов, составляющих горную породу. Методы химического обогащения твердого сырья, основанные на различных химических свойствах его составляющих (окисляемость, реакционная способность по отношению к различным реагентам), специфичны и рассматриваются, главным образом, при описании конкретных производств. Методы термического обогащения, основанные на различных температурах плавления компонентов сырья, применяются сравнительно редко.
Для обогащения горная порода измельчается так, чтобы нарушить связь между кристаллами или зернами различных минералов, которые затем и разделяются различными способами. При этом получаются две или несколько фракций. Фракция (или несколько фракций), обогащенная одним из полезных компонентов горной породы, называется концентратом. Фракции, состоящие из минералов, еще не используемых в данном производстве, т. е. из пустой породы, называются хвостами.
Применяются главным образом механические способы обогащения твердых материалов: рассеивание (грохочение), гравитационное разделение, электромагнитная и электростатическая сепарация и флотация. На обогатительных фабриках обычно используют последовательно несколько способов обогащения, например, грохочение, электромагнитный и гравитационный способы.
Рассеивание материалов по крупности их зерен как метод обогащения применяется в тех случаях, если порода состоит из прочных (вязких) и непрочных (хрупких) минералов; последние измельчаются легче, чем прочные и при рассеивании проходят через отверстия сита. Так, например, отделяется фосфорит от пустой породы. Рассеивание минерального сырья называется грохочением, а применяемые металлические сита — грохотами. Можно пропустить материал через несколько грохотов со все уменьшающимися отверстиями и получить несколько фракций. Рассеивание применяется также для сортировки по крупности зерен (ситовая классификация) более или менее однородного (по составу) материала; так, например, делят на несколько фракции уголь и кокс
Гравитационное обогащение (мокрое и сухое) основано на разной скорости падения частиц различной плотности и крупности в потоке жидкости или газа или на действии центробежной силы. Данным способом можно разделить минералы, значительно отличающиеся по прочности (как и при рассеивании) или по плотности.
Мокрое обогащение чаще всего проводится в потоке воды. Если вода может растворить или испортить материал, то применяют другие инертные жидкости или же сухое обогащение. Для сухого обогащения нужен более мелкий помол, чем для мокрого. Сухое обогащение обычно проводят в потоке воздуха или реже применяют инертный газ. Гравитационные способы широко применяются для обогащения сырья в производствах силикатных материалов минеральных солей и в металлургии.
Электромагнитное обогащение применяется для отделения магнитовосприимчивых материалов от немагнитных, например магнитного железняка, хромистого железняка, рутила и других магнитных минералов от пустой породы. Часто магнитные сепараторы применяются для извлечения из материала, поступающего на дробление, различных стальных предметов, попадающих в породу при добыче. Попадание таких предметов в дробилки вызвало бы их поломку.
Флотация — один из наиболее распространенных способов обогащения, применяемый в крупнейших масштабах. На обогатительных фабриках флотационным методом разделяют на несколько фракций полиметаллические сульфидные руды, отделяют апатит от нефелина, получают серный концентрат из серной руды, обогащают каменные угли и многочисленные минералы для производства различных солей. Флотация основана на различной смачиваемости минералов водой.
Основным показателем смачиваемости минералов служит величина краевого угла смачивания 
, образующегося на твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т. е. вдоль линейной границы раздела твердое тело — жидкость — воздух. Положение на границе трех фаз твердое тело — жидкость — газ показано на рис.125. Жидкость образует с несмачиваемой частицей 1 тупой краевой угол 
, а со смачиваемой 2 — острый. Силы поверхностного натяжения стремятся выровнять уровень жидкости, в результате этого несмачиваемая (гидрофобная) частица выталкивается из жидкости (всплывает), а смачиваемая (гидрофильная) погружается в жидкость. Чем мельче частицы, тем больше отношение их поверхности к объему (и массе) и тем сильнее сказывается смачивание. Поэтому флотации предшествует тонкое измельчение минералов в пределах размеров частиц 0,1-0,3 мм. Мелкие гидрофобные частицы всплывают независимо от плотности; таким образом, при флотации нередко всплывают более тяжелые гидрофобные частицы полезного минерала, а более легкие частицы пустой породы тонут, поскольку они все же тяжелее воды.
Для ускорения флотации применяют ряд технологических приёмов. Через смесь твёрдого измельчённого материала с водой пропускают снизу мелкими пузырьками воздух. На границе пузырька происходят уже рассмотренные явления (см. рис.125). В результате пузырьки, поднимаясь в воде, захватывают с собой гидрофобные частицы. Чем больше несмачиваемость (гидрофобность) частиц минерала и краевой угол , тем больше периметр прилипания пузырька воздуха к частице и вероятность её всплывания.
В результате подъема пузырьков на поверхность жидкости обязуется слой так называемой минерализованной пены, наполненной частицами гидрофобного минерала. Частицы же других, более смачиваемых минералов остаются в объеме пульпы во взвешенном состоянии и постепенно опускаются вниз. Однако динамическая пена создаваемая только за счет гидродинамических условий (барботаж), легко разрушается, пузырьки ее быстро сливаются. Кроме того природные минералы редко обладают природной флотируемостьо т.е., как правило, мало отличаются по смачиваемости. Поэтому для создания благоприятных условий флотации в пульпу вводят различные флотационные реагенты. Для увеличения стойкости воздушных пузырьков и образования из них стабильной пены на поверхности пульпы в нее вносят пенообразователи, т. е. поверхностно-активные вещества, образующие адсорбционные пленки на поверхности пузырьков. В качестве пенообразователей применяют сосновое масло, некоторые фракции каменноугольной смолы, древесный деготь и т. п.
Для повышения гидрофобности частиц отдельных минералов в пульпу вводят коллекторы (собиратели), т. е. вещества, которые адсорбируются на одних минералах, покрывая их поверхность гидрофобной пленкой, и не адсорбируются на других. В результате гидрофобные частицы собираются на поверхности пузырьков и всплывают. Применение флотореагентов-коллекторов позволяет осуществлять флотацию сложного минерального сырья селективно т е. последовательно выделять всплывающие фракции концентратов. Для увеличения гидрофильности других минералов, входящих в состав разделяемой породы, к пульпе добавляют подавители, которые подавляют возможность всплывания. Собирателями служат в зависимости от выделяемого минерала олеиновая кислота нафтеновые кислоты, ксантогенаты и другие органические вещества со сложной и несимметричной структурой, имеющие небольшую полярную и большую неполярную части. При адсорбции полярные группы избирательно закрепляются на поверхности минерала, а неполярные ориентируются в сторону воды, создавая гидрофобную оболочку. Применение поверхностно-активных реагентов-пенообразователей и собирателей резко изменяет поверхностное натяжение и краевой угол смачивания , т. е. смещает равновесие на границах фаз и увеличивает скорость флотационного процесса. В качестве подавителей применяют различные электролиты, способные усиливать гидрофильность лишь определенных минералов: известь, сульфиты, цианистые соли и т. п. При повторной флотации, проводимой для разделения тех минералов, которые потонули при первой применяют активаторы — вещества, разрушающие действие подавителей, например серную кислоту. Часто в пульпу добавляют регуляторы (сульфаты, соду и т. п.), которые способствуют воздействию других флотационных реагентов.
Флотация растворимых минералов применяется взамен более сложных и менее экономических методов. Основная особенность флотации растворимых минералов (как правило, солей) заключается в том, что средой для флотации служит насыщенный раствор солей, входящих в состав обогащаемого сырья. Разделение солей ведется при аэрировании пульпы и при помощи селективных флотореагентов – собирателей. Реагенты-пенообразователи при флотации растворимых солей применяются: не всегда, так как многие насыщенные солевые растворы сами по себе обладают пенообразующей способностью. Особо важное значение имеет регулирование рН среды при помощи реагентов-регуляторов, которая способствует действию реагентов-коллекторов. Этот метод применяется, например, для получения хлорида калия из сильвинита.
Термическое обогащение основано на различной плавкости материалов, входящих в смесь. При нагревании легкоплавкие материалы вытекают из породы в жидком виде. Так выплавляют серу из породы, состоящей в основном из сравнительно тугоплавких известняка, гипса и пр. Так же отделяют битумы от неорганических примесей.
Химические способы обогащения основаны на применении реагентов, которые избирательно растворяют одно из веществ составляющих смесь, или образуют с одним из веществ соединения, легко отделяемые от других при плавлении, испарении, осаждении из раствора и т. п. К операциям химического обогащения относят также обжиг минералов для разложения карбонатов, удаления кристаллизационной влаги, выжигания органических примесей и другие процессы, увеличивающие концентрацию полезного компонента в продукте обогащения. Все эти операции проводят не на обогатительных фабриках, а на заводах, производящих химическую переработку сырья.
Жидкости, точнее жидкие растворы, концентрируются выпариванием растворителя, донасыщением раствора полезным компонентом, наконец, выделением каких-либо компонентов (примесей) в осадок (кристаллизация) или в газовую фазу (десорбция, испарение примесей). Для разделения жидких смесей применяется также жидкостная экстракция.
Выпаривание воды часто применяют в производстве минеральных солей и щелочей, в цветной металлургии, а также для концентрирования труднолетучих кислот (серной, фосфорной, органических). Для концентрирования природных рассолов используют испарение воды (летом) или вымораживание ее в зимнее время. При нефтепереработке, в производстве спиртов, эфиров, анилина и многих других органических продуктов применяют дистилляцию и ректификацию, при которых из смеси испаряется (с последующей конденсацией) наиболее ценный компонент (продукт), а в жидкой фазе остаются менее ценные, высококипящие компоненты (тяжелые углеводороды, вода и т. п.).
Насыщение исходных и циркулирующих растворов растворением в них твердых или газообразных компонентов широко распространено в химических производствах. Например, в содовом производстве донасыщается природный рассол за счет растворения твердой поваренной соли. Донасыщение производится во многих производствах с циркулирующими растворами, например, при электролизе раствора поваренной соли, в производстве глинозема и др. Для осаждения из жидкостей вредных и балластных примесей к ним добавляют такие вещества, которые реагируют с примесями с образованием кристаллических осадков; затем осадки отделяют. Иногда добавки вызывают коагуляцию и осаждение коллоидных примесей или полимеров. Осаждение примесей из раствора применяется во многих производствах органического синтеза, минеральных солей, соды и т. п. В других случаях из раствора кристаллизуют (осаждают) основной компонент, оставляя примеси в растворе. Так получают в концентрированном виде многие соли; этот метод часто применяется в гидрометаллургии для выделения концентратов цветных металлов из полиметаллических руд.
Жидкостная экстракция (или экстрагирование) заключается в избирательном растворении некоторых компонентов жидкой смеси. В результате получаются две жидкие фазы, а именно: раствор извлеченных компонентов и оставшаяся часть смеси. Этот метод широко применяется в технологии органических веществ.
Газовые смеси разделяются на отдельные компоненты, главным образом, следующими способами: 1) последовательной конденсацией газов при сжатии (компрессии) и понижении температуры; 2) последовательным испарением газов из предварительно сжиженной их смеси; 3) абсорбционно-десорбционным и 4) адсорбционно-десорбционным методами.
Наиболее часто применяется абсорбционно-десорбционный способ. При абсорбционно-десорбционном способе один компонент газовой смеси абсорбируют (поглощают) холодным растворителем, который избирательно растворяет только данный компонент. В результате из абсорбера выходит газовая смесь, освобожденная от поглощенного жидкостью компонента, и вытекает раствор, содержащий абсорбированный компонент. Вытекающий из абсорбера раствор нагревают в теплообменнике и подают в десорбер, где десорбируют (испаряют) из него поглощенный газ при нагревании. Растворитель охлаждается и снова поступает в абсорбер; он совершает многократную циркуляцию. Так получают концентрированный сероводород при очистке генераторного, коксового и нефтяных газов, концентрированную двуокись серы из отходящих газов цветной металлургии, сырой бензол и пиридиновые основания из коксового газа, разделяют углеводородные газы и т. п. Адсорбционно-десорбционный способ отличается от предыдущего тем, что газовый компонент поглощается (адсорбируется) твердым поглотителем, а затем десорбируется из него при нагревании. Десорбция нередко заменяется экстракцией, т. е. растворением поглощенного компонента в жидкости, не растворяющей твердый поглотитель.
Источник
