[
На правах рукописи
ГРАДОВ Дмитрий Владимирович
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ
КОНСТРУКЦИИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО
РЕАКТОРА НА ОСНОВЕ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
(ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПЕРЕРАБОТКЕ
УПОРНЫХ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ
КОНЦЕНТРАТОВ)
Специальность 25.00.13 – Обогащение полезных ископаемыхАвтореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наукСанкт-Петербург – 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Сизяков Виктор Михайлович
Официальные оппоненты:
Шариков Юрий Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра автоматизации технологических процессов и производств, профессор Ленёв Леонид Александрович кандидат технических наук, ООО “ТОМС инжиниринг”, ведущий специалист
Ведущая организация – ЗАО «НПО РИВС»
Защита состоится 3 июля 2013 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу:
199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1303.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»
Автореферат разослан 03 июня 2013 года.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
БРИЧКИН В.Н.диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Снижение содержания золота в добываемых рудах приводит к необходимости вовлекать в переработку упорные руды и руды с низким содержанием ценного компонента. Тиосульфатное выщелачивание золота рассматривается в качестве перспективной технологии. Одним из основных процессов, определяющих эффективность технологических схем предприятий обогащения и цветной металлургии при переработке упорных золотосодержащих руд и концентратов, является стадия выщелачивания в каскаде газожидкостных реакторов. Выбор типа и конструктивных особенностей аппарата секции выщелачивания напрямую определяет общую эффективность работы предприятия.
Повышение эффективности извлечения золота из руды напрямую зависит от химии процесса, а также массопереноса. Одним из основных критериев, по которому отдается предпочтение тому или иному способу избирательного растворения является экономическая оценка процесса. Тиосульфатное выщелачивание требует больших операционных затрат, вследствие повышенного, по сравнению с цианированием, расхода реагентов, нестабильности и ограниченности повторного использования тиосульфата, а также ограниченности выбора метода экстракции. С другой стороны тиосульфатный процесс работает при атмосферном давлении и температуре до 30°C. После серии техногенных катастроф многие страны начали компанию по отказу от применения цианида путем экономических санкций, что повышает привлекательность альтернативных способов.
В настоящее время ведутся исследования по совершенствованию газожидкостных реакторов. Значительный вклад в решение задач связанных с проектированием реакторов перемешивания внесли: В.М. Семенов, Коровкина Г.П., Л.Н. Брагинский, В.Л. Садовский, В.М. Барабаш, В.Е. Зеленский, А.В. Осипов, В.И. Бегичев. С помощью современных компьютерных систем способных, основываясь на математических моделях, методом конечных объемов просчитывать гидродинамику движения пульпы и газа. Одним из ведущих компьютерных пакетов, разработанных для инженеров, является Workbench компании Ansys. С его помощью возможно произвести оптимизацию реактора с целью получения наибольшей площади контакта трех фаз газ-жидкость-твердое вещество.
Цель работы – разработка конструкции газодинамического реактора и определение операционного режима на основе компьютерного моделирования, обеспечивающего повышение показателя извлечения золота в жидкую фазу.
Идея работы – при помощи современного компьютерного пакета разработать математическую модель гидро- и газодинамики газожидкостного реактора, апробированную методом лазерной трассировки и определить наилучшие режимные настройки для повышения эффективности избирательного растворения золота в реакторе.
Основные задачи исследований:
1. Научно-технический анализ реагентов, процессов и аппаратов, применяемых при выщелачивании золота, предварительной обработке золотосодержащих концентратов, а также методов экстракции.
2. Экспериментальные исследования по исследованию кинетики избирательного растворения окисленного золотоносного концентрата в газожидкостном реакторе.
3. Научно-технический анализ математического описания гидро- и газодинамики и разработка модели трехфазной системы в газожидкостном реакторе с помощью компьютерного пакета Workbench компании Ansys.
4. Апробация и корректировка полученной модели с использованием средств лазерной трассировочной визуализации.
5. Оптимизация конструкции газожидкостного реактора посредством скорректированной модели и определение оптимальных условий работы исследуемого реактора.
Методы исследований. В представленной работе были применены методы планирования, постановки и анализа полученных результатов. При выводе основных зависимостей применены положения системного подхода к исследованию технологических процессов, а также методы математического и физического моделирования.
В экспериментальных исследованиях по избирательному растворению золота из промышленного концентрата, полученного из флотационного передела переработки арсенопиритной золотосодержащей руды, применялись физико-химические методы анализа материала и продуктов. Планирование экспериментов проводилось по методу Бокса-Уилсона. При построении и исследовании модели было применено современное программное обеспечение от ведущей компании, разрабатывающей компьютерные пакеты в области инженерии Ansys. Методика визуализации потоков газа и жидкости, в частности лазерная трассерная визуализация, использовалась для проверки компьютерной модели на адекватность.
Научная новизна:
1. Получены кинетические зависимости и определены технологические показатели процесса аммиачно-тиосульфатного выщелачивания золота в присутствии меди(II) из окисленного промышленного арсенопиритного концентрата и получена зависимость извлечения золота в раствор от расхода реагентов.
2. Разработана система визуализационной апробации математической модели, описывающей поведение газожидкостных потоков в реакторе перемешивания применительно к тиосульфатному выщелачиванию.
3. Построена независимая от геометрии аппарата компьютерная модель газодинамического реактора.
Основные защищаемые положения:
1. При проектировании конструкции газожидкостных реакторов для избирательного растворения необходимо применять компьютерное моделирование с использованием программных пакетов, базирующихся на методе конечных объемов, результаты которого позволят произвести интенсификацию процесса растворения за счет увеличения площади поверхности контакта фаз, участвующих в реакции.
2. С целью повышения эффективности извлечения золота и снижения экологической нагрузки следует применять аммиачнотиосульфатное выщелачивание в реакторе установленного типа перемешивания при оптимальных режимных настройках, полученных с помощью компьютерной модели.
Практическая значимость работы:
1. Разработанная методика оптимизации конструкции и операционного режима газожидкостного с помощью компьютерного моделирования, основанного на методе конечных объемов, может найти свое применение при проектировании газодинамических реакторов.
2. Предложенная конструкция аппарата и режим его работы востребованы при переработке упорных золотосодержащих концентратов.
Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации подкреплены значительным объемом данных полученных экспериментальным путем и их соответствием теории проектирования аппаратов перемешивания для металлургической и обогатительной промышленности, применением современных методов планирования экспериментов и физико-химического анализа технологических продуктов и материалов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий.
Апробация работы.
Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXVII международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Германия, г. Фрайберг) в 2012 г., на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2010-2013 г.г., на европейском конгрессе химической инженерии 2013 г.
Личный вклад автора.
Автор самостоятельно выполнил:
1. Постановку задач и разработку общей методики исследований.
2. Анализ современных методов и оборудования, применяемого для перемешивания в жидких средах, а также обзор известных методов и реагентов, используемых при выщелачивании золота.
3. Весь комплекс экспериментальных исследований в лабораторных условиях по избирательному растворению золотоносного концентрата и лазерной визуализации потоков в реакторе.
4. Разработку математической модели поведения потоков в газожидкостном реакторе с помощью компьютерного пакета Workbench и алгоритма апробации полученной модели.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научные работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка. Содержит 139 страниц машинописного текста, 66 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 85 наименований.
Автор выражает благодарность профессору Турунену И. и доценту Арто Л. за помощь и поддержку, оказанную при работе над диссертацией.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе представлен описание и аналитический анализ методов и оборудования по избирательному растворению, применяемые при выщелачивании золота из руд и промышленных концентратов. Рассмотрены недостатки и преимущества каждого из них.
Описаны механизмы и особенности тиосульфатного выщелачивания.
Приведены характеристика объекта и постановка задачи исследования.
Во второй главе описаны экспериментальные исследования в лабораторном масштабе по тиосульфатному выщелачиванию золота из окисленного промышленного арсенопиритного концентрата в реакторе перемешивания.
Третья глава посвящена описанию основ математического моделирования потоков флюидов. Представлена компьютерная модель на основе пакета Workbench компании Ansys, описывающая движение газожидкостных потоков в реакторе, с целью определения оптимальных режимных настроек аппарата перемешивания.
В четвертой главе описывается основы метода лазерной трассерной визуализации потоков. Показан алгоритм проверки с последующей корректировкой разработанной математической модели реактора, используемого при выщелачивании, на адекватность на основе метода лазерной визуализации газожидкостных потоков.
В пятой главе приводятся результаты исследования полученной модели по определению режимных настроек обеспечивающих оптимальное перемешивание на основе определения максимальной площади соприкосновении трех фаз. Описаны экспериментальные лабораторные исследования с учетом рекомендованных режимных настроек по выщелачиванию арсенопиритного концентрата, предварительно окисленного едким натром. Приведено сравнение эффективности избирательного растворения золота с учетом полученных режимных настроек.
Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследования в соответствии с поставленной целью и решёнными задачами.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. При проектировании конструкции газожидкостных реакторов для избирательного растворения необходимо применять компьютерное моделирование с использованием программных пакетов, базирующихся на методе конечных объемов, результаты которого позволят произвести интенсификацию процесса растворения за счет увеличения площади поверхности контакта фаз, участвующих в реакции.
Компьютерное моделирование осуществляется с использованием программного пакета на языке си Fluent компании Ansys, широко используемого инженерами проектировщиками по всему миру, а также ведущими университетами в учебных и исследовательских целях. Данный программный продукт позволяет с высокой точностью прогнозировать поведение газовых и жидкостных потоков в пределах заданной геометрии и их механическое, тепловое, а также химическое взаимодействие с возможностью корректировки основных законов и параметров прогнозируемого взаимодействия.
Программа Fluent способна оперировать только потоками флюидов, т.е. жидкостями, газами и сыпучими средами, но не жесткими каркасами и движущимися частями механизмов. Расчет движения частиц основывается на уравнениях Навье – Стокса, описывающих гидродинамику ньютоновских жидкостей в элементарной ячейке (Рисунок 1) сетки разбивки.
Рисунок 1 – Принцип расчета элементарной ячейки где x, y, z – координаты точки, м; ui,j,k – мгновенная скорость в направлении x, y, z соответственно, м/c; – плотность жидкости; µ - вязкость жидкости, ij – дельта Кронекера; gi - ; Fi – источник.
Пульпа с содержанием твердого 30 % возможно представить как Бингамовский пластик. Таким образом, определив вязкость пульпы лабораторными методами можно, создав квазижидкость с заданной вязкостью, использовать вышеприведенный подход к описанию гидродинамики пульпы при высоких значениях напряжения сдвига в рассматриваемом реакторе перемешивания.
Описание Эйлера поля течения потока в динамики жидкости рассматривает движение жидкости как пространственные домены, через которые жидкость проходит с течением времени. Такая модель позволяет моделировать множество отдельных и к тому же взаимодействующих друг с другом потоков. Которые в свою очередь могут быть жидкостями, газами или твердыми частицами практически в любой комбинации.
Модель Эйлера в программе Fluent не различает многофазные потоки жидкостей и пульп, моделируя их как жидкостные потоки, при этом есть возможность задавать размер и форму частиц вторичной по отношению к жидкости фазе. При расчете динамики потока единое давление потока делиться между всеми фазами, а уравнения скорости и неразрывности решаются для каждой фазы отдельно.
Весь расчет динамики жидкостных потоков с помощью метода конечных объемов строится на уравнениях сохранения массы:
- массообмен из фазы q в фазу p, - объемная доля фазы q, – плотность фазы q, - источник фазы q, который по умолчанию равен 0, но может быть задан в виде импульса:
где - тензор напряжения фазы q, – сила взаимодействия между фазами, - давление, – внешняя сила фазы, – сила Архимеда, – сила воображаемой массы, – межфазная скорость.
Для расчета турбулентности в пакете имеется три способа: с помощью вычисления кинетической энергии турбулентности и энергии рассеивания -, кинетической энергии турбулентности и ее частоты - и усредненное уравнение Навьера – Стокса.
Чтобы имитировать процесс перемешивания, построенную геометрическую модель необходимо разбить на две основные зоны (Рисунок 2): зону возмущения (она же зона вращения, непосредственно примыкающая к приводу с импеллером) и зону отклика (все оставшееся пространство в пределах геометрии), на которую передается возмущение. Таким образом, жидкость в первой зоне движется вокруг неподвижных привода и импеллера, передавая остаточные возмущения в зону отклика, и тем самым создается эффект вязкой среды, сопротивляющейся возникшему в ней движению. В описанном способе симуляции процесса перемешивания в реакторе есть недостаток, прежде всего связанный с передачей движения между указанными зонами и зависит от качества разбивки на контрольные элементы перед расчетом, что приводит к увеличению либо необходимой мощности компьютера, либо времени расчета. Еще одним недостатком является объем зоны возмущения, чем она больше, тем большее искажение имеет место.
Затем геометрия была помещена в среду Fluent для задания условий симуляции: скорость вращения импеллера 200 об/мин по часовой стрелке, содержание твердой фазы (диаметром частиц 74мкм и плотностью 2970 кг/м3) 30 % от объема жидкой фазы и расход воздуха – 1 л/мин. После обработки данных программным пакетом были получены результаты в виде контуров и векторов полей скоростей (Рисунок 2). На рисунке 2б при увеличении видно, как смесь увлекаемая лопастями импеллера разбивается об отражательные перегородки и, снижая скорость, огибают препятствие. Последствия недостатков описанного способа можно заметить на рисунке 2а на месте стыка зон возмущения и отклика ввиду расхождений в их разбивки сеткой на ячейки. Проблема устраняется путем более детальной разбивки зон и неизбежно ведет к увеличению времени расчета.
С помощью контуров распределения фаз (Рисунок 3) можно отследить поведение подаваемого через клапан воздуха, уменьшая диапазон содержания газа. Сначала подаваемый газ плотным потоком движется к основанию импеллера. Затем, увлекаемый создаваемым импеллером потоком, газ рассеивается, занимая больший объем с меньшим содержанием, постепенно движется к поверхности и достигает содержания 0,04 % Использование описанного выше программного продукта позволяет определить следующие оптимальные режимные настройки проектируемого газожидкостного реактора:
- насоcная мощность импеллера:
где - плотность жидкости, – частота вращения импеллера, диаметр импеллера, g – ускорение свободного падения, – скорость подачи воздуха, - критерий Эйлера, – расход газа, - мощность для перемешивания газожидкостной среды, - мощности, подводимые кинетической и потенциальной энергиями при подаче газа.
- мертвые зоны реактора, форма и расположение отражателей.
Рисунок 4 – Принцип действия метода трассерной визуализации и последующей обработки с помощью программного обеспечения компании Lavision Апробация компьютерной модели на адекватность осуществляется с помощью метода цифровой трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry, PIV). Принцип действия (Рисунок 4) основан на измерении мгновенного поля скорости потока жидкости или газа в заданном сечении. Таким образом, лазер, создающий плоскость в исследуемом потоке, позволяет камере отследить специально подобранные трассирующие частицы, идентичные частицам потока и после обработки изображений софтом построить поля скоростей частиц двигающихся в потоке. Отслеживание движения пузырьков воздуха осуществляется с помощью специального флюоресцирующего вещества.
Процедура апробации требует определить критерии, по которым будет определяться валидность модели. Для определения валидности модели движения флюидных потоков предлагается использовать сравнение шаблонов векторов полей скоростей. Для более точного сравнения необходимо выделить матрицу вектор из общего поля и построить график изменения скорости потока по мере движения от импеллера к стенке реактора. Выборку следует производить по вертикальной оси с тем расчетом, чтобы представить каждую завихрений.
Алгоритм апробации:
Шаг (1): получение набора полей векторов скоростей газа и жидкости с последующим соединением полученных полей в единое целое.
Т.к. рабочее окно установки лазерной визуализации ограничено необходимо выполнить следующую последовательность действий:
- загрузка полей векторов скоростей;
- объединение фрагментов с захлестыванием через соединение радиальной и осевой составляющих векторов скоростей;
- создание симметричного фрагмента половинки реактора относительно оси привода импеллера и соединения фрагментов в единый контур (Рисунок 5);
Шаг (2): определение точек отбора по вертикальной оси с целью отбора репрезентативных матриц векторов (Рисунок 6).
Рисунок 6 – Схема определения точек отбора репрезентативных матриц-векторов Шаг (3): отбор матриц векторов и построение графиков зависимостей осевых и радиальных составляющих векторов скоростей от удаления от оси привода мешалки.
Шаг (4): сравнение общего шаблона движения газожидкостных потоков в реакторе и выделенных графиков с результатами моделирования.
Сравнение результаты лазерной трассерной визуализации и моделирования представлены ниже:
Рисунок 7 – Поля векторов скоростей жидкой фазы, полученные при помощи:
а – программы Fluent компании Ansys, б – техники лазерной трассерной визуализации Рисунок 8 – Радиальная скорость жидкой фазы на уровне 110 мм по вертикальной оси Рисунок 9 – Радиальная скорость жидкой фазы на уровне 145 мм по вертикальной оси Рисунок 10 – Радиальная скорость жидкой фазы на уровне 200 мм по вертикальной оси Современный программный пакет Fluent от компании Ansys обладает достаточным математическим аппаратом для описания, прогнозирования и вывода необходимых параметров системы перемешивания в газожидкостном реакторе. Но, как и любая модель требует апробации на практике через разработанные для каждого отдельного случая критерии. Средства визуализации могут служить для получения контрольных параметров при проведении апробации компьютерной модели перемешивания. При сравнении результатов моделирования и PIV удобно использовать компоненты векторов полей скоростей на плоскости сечения реактора лазером. Критериями проверки модели на адекватность могут служить осевая и радиальная составляющие компоненты векторов полей скоростей, отобранных на контрольных участках изучаемого сечения реактора.
Результаты апробации показали высокую сходимость, что говорит о возможности применения модели для оптимизации условий перемешивания в газожидкостном реакторе для повышения уровня массообмена.
2. С целью повышения эффективности извлечения золота и снижения экологической нагрузки следует применять аммиачно-тиосульфатное выщелачивание в реакторе перемешивания при оптимальных режимных настройках, полученных с помощью компьютерной модели.
Тиосульфат – это химическое вещество, широко применяемое в фотографии и фармацевтической промышленности. И в отличие от цианида не обладает отравляющими все живое свойствами.
Главный компонент процесса является по своей сути обычным удобрением, что открывает перспективу использования хвостов в сельском хозяйстве. В реакции образуются два комплекса Au(S2O3)и Au(S2O3)23-, последний из которых более стабилен. Щелочная среда препятствует разложению тиосульфата, что имеет дополнительное преимущество в уменьшении растворимости примесей и в особенности железа. Однако механизм выщелачивания усложняется гомогенными реакциями между Cu(II) и тиосульфатом, что в свою очередь приводит к снижению концентрацию обоих компонентов. К тому же происходит разложение некоторого количества тиосульфата до тетратионата по следующей реакции:
2Cu(NH3)2+ + 8S2O32- 2Cu(S2O3)35- + S4O62- + 8NH3 (6) Тиосульфатное выщелачивание является трехфазным процессом газ, жидкость и твердое (окислитель, растворитель и материал).
Исследования аммиачно-тиосульфатного выщелачивания арсенопиритного концентрата в присутствии двухвалентной меди проводились по схеме на рисунке 11. Полученные результаты позволили описать кинетику реакции (Рисунок 12). На основе метода планирования Бокса-Уилсона на кубе позволили определить оптимальные параметры реакции.
После процедуры апробации математическая модель, описывающая перемешивание трехфазной системы в реакторе была применена к реактору, в котором проводились испытания по выщелачиванию. Время задержки воздуха в реакторе и площадь соприкосновения фаз являлись контрольными параметрами при определении скорректированных аппаратных настроек. Стартовыми условиями были условия проведения опытов по выщелачиванию промышленного арсенопиритного окисленного концентрата. В результате серии симуляций, были определены положение (клиренс) и скорость вращения импеллера.
Рисунок 11 – Схема проведения опытов по выщелачиванию Рисунок 12– Кинетика извлечения золота при выщелачивании тиосульфатноаммиачным раствором арсенопиритного концентрата После проведения серии симуляций на модели детальной разбивки были определены скорректированные условия перемешивания (7 см от поверхности дна реактора и 735 об./мин.), обеспечивающие более равномерное распределение твердой фазы внутри реактора при максимально возможном времени задержки газа.
Выходные данные симуляций были опробованы на поверочных экспериментах в автоклавном выщелачивании и показали рост эффективности извлечения золота в жидкую фазу на 8 % при доверительном интервале 2-3 %. Сравнение результатов исследований по выщелачиванию окисленного арсенопиритного концентрата с учетом корректировки по средствам компьютерного моделирования и без него представлены на рисунке 13.
Рисунок 13 – Эффективность извлечения золота при выщелачивании тиосульфатноаммиачным раствором арсенопиритного концентрата до и после применения компьютерного моделирования. 1 – оптимальные режимные настройки аппарата, найденные с помощью компьютерной модели, 2 – параметры найденные с помощью
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты выполненных исследований:1. Получена кинетика и определены технологические показатели избирательного растворения золота из окисленного арсенопиритного промышленного концентрата.
2. Построена математическая модель гидродинамики гетерогенной смеси в реакторе перемешивания на базе компьютерного пакета Workbench компании Ansys и произведена апробация полученной модели с помощью метода лазерной визуализации путем сравнения полей векторов скоростей.
3. Разработан алгоритм процесса апробации средствами лазерной визуализации и установлены критерии оценки валидности математической модели перемешивания газожидкостного реактора.
4. Определены оптимальные условия процесса аммиачнотиосульфатного выщелачивания золота в газодинамическом реакторе в присутствии двухвалентной меди из окисленного арсенопиритного промышленного концентрата.
5. По результатам лабораторных работ установлено повышение показателя извлечения золота в тиосульфатный раствор после оптимизации режимных настроек процесса и положения импеллера с помощью разработанной компьютерной модели.
«