автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование и управление процессом выщелачивания золота в каскаде реакторов

На правах рукописи

005061675

ЖУКОВ Владимир Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗОЛОТА В КАСКАДЕ РЕАКТОРОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (металлургия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ИЮМ 2013

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005061675

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор,

ООО «ЛЕННИИГИПРОХИМ», лаборатория высокотемпературных процессов и аппаратов, заведующий

кандидат технических наук, ООО «Институт Гнпроникель», лаборатория пирометаллургии, старший научный сотрудник

Ведущая организация: ФГУП «Российский Научный Центр «Прикладная химия»

Защита состоится 28 нюня 2013 г. в 12 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 28 мая 2013 г.

Шариков Юрий Васильевич

Официальные оппоненты:

Педро Анатолий Александрович

Блинов Валерий Анатольевич

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одной из важных проблем гидрометаллургических технологий является использование в процессах вредных химических реагентов и осуществление выбросов в окружающую среду, что может быть решено применением более безопасных методов обработки рудных концентратов при извлечении целевых компонентов.

На большинстве предприятий, как в России, так и за рубежом, для перевода золота из руды и концентрата в раствор используется цианирование, которое позволяет осуществлять в ряде случаев довольно полное последующее извлечение золота. Однако данная методика является весьма опасной с экологической точки зрения, так как сопряжена с использованием высокотоксичных реагентов, представляющих опасность для окружающей среды и обслуживающего персонала.

В последнее время активно проводятся работы по замене цианидного выщелачивающего агента на более безопасный - тиосульфат натрия. Однако, степень отработанности процесса тиосуль-фатного выщелачивания еще не достаточно велика для создания промышленной технологии этого процесса.

Огромный вклад в развитие и совершенствование технологий извлечения золота внесли такие крупные специалисты как И.Н. Масленицкий, JT.B. Чугаев, В.Ф. Борбат, М.Н. Никитин, Ю.А. Котляр, И.А. Каковский, С.С. Набойченко, М.А. Меретуков, JT.C. Стрижко, В.В. Лодейщиков, И.Н. Плаксин и др. Хорошо известны работы зарубежных авторов G. Senanayake, M.G. Aylmore и D.M. Muir в областях исследования кинетики и математического моделирования процесса выщелачивания золота.

Однако традиционные системы управления процессом выщелачивания не могут быть применены в полной мере по причине отсутствия текущего контроля концентраций ряда компонентов раствора непосредственно в ходе процесса. Математическая модель процесса может служить своеобразным «измерительным устройством», позволяющим выразить неизмеряемые параметры процесса через измеряемые и использоваться для построения прогнозирую-

щей системы управления, обеспечивающей компенсацию поступающих в процесс возмущений.

При этом наиболее трудоемкой задачей является создание промышленных технологий на основании результатов лабораторных исследований. Поэтому детальное исследование кинетики этого процесса и создание кинетической модели тиосульфатного выщелачивания является крайне необходимым для разработки научных основ технологии и выбора подходящей системы управления данным процессом. Эта информация позволит получить исходные данные для проведения сопоставления технико-экономических характеристик процесса тиосульфатного выщелачивания и процесса цианирования, что позволит принять технически обоснованное решение о возможности промышленной реализации процесса тиосульфатного выщелачивания.

Для существенного ускорения этой процедуры в последнее время широко применяется метод математического моделирования. Поэтому разработка экологически безопасного метода выщелачивания золота из рудных концентратов золотосодержащих руд на базе использования метода математического моделирования для определения оптимальных технологических параметров автоматизированной системы управления процессом является актуальной проблемой.

Цель работы - разработка математической модели процесса извлечения золота в раствор из сульфидных руд и синтез схемы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов с дополнительной подпиткой реагентами.

Основные задачи исследований:

1. Научно-технический анализ современного состояния и перспектив развития процесса выщелачивания золота.

2. Проведение экспериментальных исследований кинетики тиосульфатного выщелачивания.

3. Решение обратной кинетической задачи для определения кинетических параметров процесса выщелачивания.

4. Разработка математической модели процессов выщелачивания золота в каскаде реакторов с использованием полученной кинетической модели.

5. Синтез схемы управления процессом выщелачивания золота в каскаде реакторов идеального смешения.

Методология и методы исследования. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Экспериментальные данные собраны в ходе исследований, проведенных в лабораторном реакторе периодического действия, а также путем лабораторного физико-химического анализа отобранных технологических проб. Для моделирования процессов, протекающих в процессе тиосульфатного выщелачивания золота, построения системы управления, обработки данных использовался современный пакет компьютерного моделирования ReactOp Cascade. При выборе и разработке системы управления процессом использованы современные методы теории автоматического управления.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Установлено, что в составе руды имеется два типа золота, различающегося по доступности к выщелачиванию.

2. Показано, что реакция между двухвалентной медью и тиосульфатом натрия должна учитываться при разработке детальной кинетической модели.

3. Найдены кинетические параметры тиосульфатного выщелачивания золота - предэкспоненциальные множители и энергии активации основных и побочных реакций, которые находятся в хорошем соответствии с литературными данными.

4. Установлено, что секционирование реакторного объема -применение каскада реакторов из 4-5 аппаратов приводит к увеличению извлечения золота.

5. Математическая модель процесса выщелачивания золота тиосульфатным раствором позволяет определить оптимальное время пребывания реакционной смеси в аппаратах в зависимости от числа реакторов в каскаде.

6. Использование полученной математической модели в контуре управления каскадом аппаратов позволяет увеличить извлечение золота на выходах из второго и третьего реакторов на 2,02 % и 1,58% соответственно за счет организации оптимальной подпитки реакторов расходуемыми реагентами.

Практическая значимость работы:

1. Детальная модель процесса тиосульфатного выщелачивания золота, разработанная в программном комплексе ReactOp Cascade, может применяться на практике в системе управления для оперативной корректировки условий выщелачивания золота в каскаде реакторов.

2. Научные результаты могут быть использованы для оценки целесообразности проектирования, реализации и выполнения организационно-технологических мероприятий при создании технологического процесса по переработке золотоносных руд и концентратов методом тиосульфатного выщелачивания.

3. Научные результаты работы могут быть использованы в учебном процессе Национального минерально-сырьевого университета «Горный» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации подтверждаются использованием современных методов исследований и обработки данных. Хорошая сходимость результатов математического моделирования и экспериментальных исследований параметров процесса тиосульфатного выщелачивания золота обоснована использованием современного программного обеспечения.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международном форум-конкурсе молодых ученых «Актуальные проблемы недропользования» в г. Санкт-Петербург в 2010 г., на международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» в г. Санкт-Петербург в 2011 г., на конференции молодых ученых в рамках «Петербургской технической ярмарки 2011» 15-17 марта 2011 г., на международной научной специализированной конференции в Германии в г. Фрайберг в 2011 г., на международной научной специализированной конференции «Исследование материалов с использованием методов термического анализа, калориметрии и сорбции газов» в г. Санкт-Петербург 1-2 марта 2012 г., на научных семинарах кафедры АТПП Горного университета 2010-2013 г.г., на научно-технических советах по работе с аспирантами Горного универси-

тета 2010-2013 г.г. и на 23-м Европейском симпозиуме по автоматизированным системам технологического проектирования «ESCAPE 23» в Финляндии в г. Лаппеенранта в 2013 г.

Личный вклад автора состоит в анализе существующих способов выщелачивания золота, проведении лабораторных экспериментальных исследований, компьютерном моделировании кинетики, создании математической модели и схемы управления процессом, обработке и обобщении результатов исследований, в апробации достигнутых результатов и подготовке публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 131 страницу машинописного текста, 56 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 128 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены основные технологии переработки рудных золотосодержащих концентратов, проанализированы современные системы и методы управления.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию кинетики процесса тиосульфатного выщелачивания золота. При исследовании кинетики применяли метод реакторного выщелачивания с последующим анализом проб с применением аналитических методов, а также метода калориметрии теплового потока.

В третьей главе разработаны математические модели процессов цианирования и тиосульфатного выщелачивания золота в различном аппаратурном оформлении: периодическом и проточном режимах, а также в каскаде реакторов идеального смешения.

В четвертой главе определены оказывающие сильное влияние параметры процесса на основе применения дробного факторного эксперимента для модели процесса тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде аппаратов идеального смешения. Установлено, что целесообразно использовать схему управления на базе разработанной математической модели с осуществлением дополнительной подпитки каждого реактора в каскаде основными расходуемыми в

7

процессе реагентами. Приводятся результаты вычислений исходных данных для проведения технико-экономической оценки показателей по реагентам, расходуемым в процессе.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с поставленной целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. С целью создания детальной кинетической модели процесса тиосульфатного выщелачивания следует принимать во внимание все реакции, происходящие между компонентами выщелачивающей смеси и различную доступность золота в концентрате, что позволит учитывать изменяющуюся активность выщелачивающего агента и извлекаемого золота.

Для оценки изменения скорости тепловыделения в течение процесса тиосульфатного выщелачивания впервые было использовано уникальное калориметрическое оборудование кафедры автоматизации технологических процессов и производств. Калориметрические эксперименты проведены с использованием калориметра Каль-ве С80 CS Evolution SETARAM Instrumentation, оборудованного устройством реверсивного перемешивания и мембранных двухкамерных ячеек из нержавеющей стали с полезным объемом 2,6 и 2,9 см3.

2,5

g 0,5 H

- без выщелачивания с выщелачиванием

30 60 90 120

Время, мин

150

180

Рисунок 1 - Вид экспериментальных кривых скорости тепловыделения при окислительном выщелачивании золота при наличии и отсутствии основных компонентов выщелачивающего агента. Концентрация твердой фазы в суспензии 40 % (вес.)

Анализ данных, полученных с использованием методов калориметрии Кальве экстрактного раствора, позволил сделать выводы, что при проведении выщелачивания наблюдается две группы процессов, сопровождающихся тепловыми эффектами и большая часть тепловыделений в группе «быстрых» процессов обусловлена смачиванием частиц концентрата руды, адсорбцией на частицах концентрата раствора и экстракцией золота. К группе «медленных» процессов относятся экстракция труднодоступного золота и окислительно-восстановительные реакции с участием тиосульфат иона.

Эти выводы подтвердились в лабораторных экспериментах по изучению кинетики процесса в реакторе объемом 1 л при тех же начальных условиях. После проведения атомно-абсорбционного анализа удалось получить экспериментальные кривые экстракции золота, которые имеют ярко выраженную высокую начальную скорость процесса. На рисунке 2 представлен результат одного из опытов при исходных концентрациях реагентов: тиосульфат натрия 0.16 кмоль/м3, гидроксид аммония 0.16 кмоль/м3 и сульфата меди 0.012 кмоль/м3:

-тиосульфат натрия 0.16М, гидроксид аммония 0.16М, сульфат меди 0.012М

100

200

300 Время, мин

400

500

600

Рисунок 2 - Экспериментальная зависимость извлечения золота от времени

Как видно из рисунка 2 более 40 % от общего количества золота переходит в раствор уже после 10 мин после старта процесса. Полученные результаты подтверждают калориметрические исследова-

ния о присутствии экстракции золота в группе «быстрых» процессов.

На основании этих данных был сделан вывод, что при построении модели процесса необходимо учитывать особенность раз-нодоступности золота и наличие побочных реакций. В результате была сформулирована система уравнений процесса тиосульфатного выщелачивания для синтеза модели в программном комплексе Reac-tOp Cascade:

где индексы в и Г - «медленное» и «быстрое» золото соответственно.

Уравнения 1-4 в достаточной мере описывают процесс тиосульфатного выщелачивания золота и учитывают двустадийность растворения непосредственно частиц золота, реакцию разложения тиосульфатного комплекса с образованием тетратионат-иона, а также реакцию перехода ауротиосульфатного комплекса в ауроаммиач-ный.

Кинетические параметры химических реакций рассчитывались по результатам экспериментальных исследований перехода золота из руды и концентрата в раствор путем решения обратной задачи с использованием специализированного программного комплекса ReactOp Cascade. Для учета температурной зависимости процесса тиосульфатного выщелачивания предлагается использовать уравнение Аррениуса:

Aus +Cu(NH3)42+ + 5S20 2~ Aus(S203)2 ~ + Cu(S203)35~ + 4NH3 (1)

Auf + Cu(NH3)42+ + 5S203 ~ Auf (S203)2 ~ + Cu(S203\s~ + 4NH3 (2)

2 Cu(NH3\* +8 S202' ->2Cu(S203\5~ +8 NH3 + S402 Au{S203)2 ~ + 2NH3 <-> Au(NH3\+ + 2S202'

2-

(3)

(4)

где К - константа скорости реакции, (м3/кмоль)2 мин"';

К0- предэкспоненциальный множитель, (м3/кмоль)2-мин

Е - энергия активации, кДж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); Т - температура, К. Кинетические параметры, найденные при решении обратной задачи по экспериментальным данным, приведенным в литературе, представлены в таблице 1. Их использование позволяет создать детальную кинетическую модель процесса тиосульфатного выщелачивания золота. Индекс е обозначает принадлежность к обратной реакции.

Таблица 1 - Кинетические параметры модели

№ реакции Ln(K0) Ln(Keo) Е Ее

мин мин кДж/моль кДж/моль

(1) 8,8 - 58 -

(2) 12,5 - 58 -

(3) 39,5 - 112 -

(4) 20 50 40 30

2. Для построения математической модели процесса выщелачивания золота раствором тиосульфата натрия необходимо использовать кинетическую модель «сжимающегося» ядра и гидродинамические условия каскада аппаратов смешения.

Для решения уравнения (5) необходимо было решить обратную задачу для определения кинетических параметров по экспериментальным данным. В качестве экспериментальных данных использовали кинетические кривые конверсии золота в течение опытов в лабораторном реакторе с рабочим объемом 1 л, а также начальных условия соответствующего опыта. В программном комплексе ReactOp создана подпрограмма Experiment Wizard, позволяющая использовать описанные выше экспериментальные данные для моделирования тиосульфатного выщелачивания с параметрами модели, указанными в таблице 1.

В программном комплексе ReactOp создана подпрограмма Estimation Wizard, позволяющая по экспериментальным данным определять вектор кинетических параметров из условия минимального рассогласования экспериментальных и расчетных данных, полученных из решения системы кинетических уравнений путем численного интегрирования дифференциальных кинетических уравнений. В ка-

честве метода интегрирования использовался метод численного решения LSODA, позволяющий решать «жесткие» системы дифференциальных уравнений, что соответствует разным скоростям одновременно протекающих реакций. Для поиска минимума функции рассогласования использовался метод наискорейшего спуска.

В подпрограмме Estimation Wizard происходило варьирование одновременно трех предэкспоненциальных множителей для реакций 1-3 для каждого отдельного опыта. Для всех проведенных опытов были подобраны множители, которые достаточно точно описывают процесс выщелачивания. Конечные параметры обобщенной модели и результаты статистического анализа представлены в таблице 2: Таблица 2 - Кинетические параметры модели процесса после использования подпрограммы Estimation Wizard

Параметр Реакция (1) Реакция (2) Реакция (3)

Ln(K0), мин 11,65 14,07 42,53

Е, кДж/моль 58 58 112

Пример работы модели с параметрами, указанными в таблице 2 для одного из опытов отражен на рисунке 3:

Время, мин

Рисунок 3 — Пример сравнения экспериментальных и расчетных значений

На рисунке 3 показано сопоставление экспериментальных и расчетных данных и видно, что рассогласование между экспериментальными и расчетными данными лежит в пределах погрешности экспериментальных данных.

Созданная математическая модель, с хорошей точностью описывает процесс выщелачивания золота тиосульфатным раствором в периодическом реакторе.

Статистический анализ подтверждает адекватность модели с вычисленными значениями констант. Следовательно, кинетическую модель можно использовать как основу для создания моделей процесса выщелачивания в реакторах различного типа - в реакторе периодического действия, в проточном реакторе полного смешения и в каскаде аппаратов полного перемешивания, а также для масштабирования процесса на промышленные условия.

Используя модель идеального перемешивания для описания структуры потока в аппарате промышленных размеров, была создана математическая модель процесса выщелачивания с использованием тиосульфатного выщелачивающего агента в следующем виде:

£*/»+*(/)

ш V (6)

1

т = г(г)

где С/ф - концентрация >го компонента на входе, кмоль/м3;

СО') - концентрация >го компонента на выходе, кмоль/м3;

Яф - скорость реакциирго компонента, кмоль/м3/мин;

V - расход реакционной смеси, м3/мин;

V - объем реактора, м3;

Т - температура, К;

г - время, мин.

Решение системы уравнений (6) для установившегося режима было выполнено с использованием метода стационирования. Для этого динамическая модель переходного процесса решалась путем численного интегрирования в программном комплексе ЯеасЮр.

О 200 400 600 800 1000 1200 1400

Время, мин

Рисунок 4 — Кривая переходного процесса в проточном аппарате

На рисунке 4 показана кривая переходного процесса, полученная в программном комплексе ЯеасЮр. Время выхода на стационарный режим должно быть больше времени пребывания частиц в реакторе в 5-10 раз. Из рисунка 4 видно, что это условие соблюдается - выход на стационарный режим составляет примерно 1100 минут.

Полученная модель была использована для оценки влияния секционирования и времени пребывания компонентов системы в реакторах на достигаемую конверсию золота в реакторах каскада. Общий объем аппаратов был принят 500 м3.

Рисунок 5 - Зависимость извлечения золота в каскаде из трех реакторов от времени пребывания частиц в реакторах

С помощью изменения питающего расхода выполнялось варьирование времени пребывания частиц в реакторах. Было исследовано поведение выщелачивания золота в каскаде аппаратов при изменении количества реакторов от 1 до 5 включительно при сохранении постоянным общего реакторного объема. Общее время пребывания реакционной смеси в каскаде изменялось от 30 до 180 минут с интервалом в 30 минут.

Рисунок 6 - Зависимость извлечения золота в каскаде из четырех реакторов от времени пребывания частиц в реакторах

Рисунок 7 — Зависимость извлечения золота в каскаде из пяти реакторов от времени пребывания частиц в реакторах Основные результаты исследования секционирования показаны на рисунках 5-7. Из представленных данных видно, что секционирование реакторного объема благоприятно сказывается на из-

влечении золота. Рекомендуемое число реакторов в каскаде 4+5. Дальнейшее увеличение числа аппаратов нецелесообразно, так как это связано с дополнительными затратами и не приводит к значительному улучшению результатов.

— - 3 реактора

—»- 4 реактора

—А- - 5 реакторов

50 100 150

Время пребывания, мин

Рисунок 8 - Зависимость извлечения золота в каскадах из 3-х, 4-х и 5-ти реакторов в зависимости от времени пребывания частиц в реакторах

Рисунок 8 отражает зависимость перехода золота в раствор в каскаде аппаратов от времени пребывания частиц в реакторах. Начиная с 90-ой минуты, кривые извлечения показывают, что дальнейшее увеличение времени пребывания не приводит к существенному увеличению извлечения золота - наиболее подходящим временем пребывания компонентов в реакторе является диапазон от 90 до 120 минут.

3. Для разработки структуры управления процессом выщелачивания золота в тиосульфатном растворе необходимо использовать математическую модель в контуре управления для определения оптимальных потоков реагентов и задания уставок регуляторам в каждый из аппаратов каскада.

Математическая модель процесса тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов была исследована с помощью дробного факторного анализа. В результате были определены факторы, оказывающие на процесс наибольшее влияние (в порядке убывания значимости): концентрация меди в растворе, концентрация тиосульфат иона в растворе и температура раствора в реакторе.

16

В связи с убылью концентраций этих компонентов с течением времени, было предложено осуществлять подпитку реагентами в каждый реактор каскада. Результаты моделирования схемы процесса с дополнительными входами отражены на рисунке ниже:

Рисунок 9 - Зависимость извлечения золота на выходе из каждого последовательно соединенных реакторов каскада аппаратов в зависимости от наличия дополнительной подпитке реагентами Из рисунка 9 очевидно, что дополнительная подпитка реагентами в каждый из реакторов каскада положительно сказывается на извлечении золота. Результаты вычислений показали, что извлечение золота на выходах из второго и третьего реакторов увеличивается на 2,02% и 1,58% соответственно. На основе представленных результатов была разработана схема структуры системы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов с детальной кинетической моделью в контуре управления.

Для осуществления управления по схеме с предложенной структурой управления (рисунок 10) необходимо рассчитывать и передавать через персональный компьютер и программируемый логический контроллер значения уставок на регуляторы расходов по сульфату меди и тиосульфату натрия, используя детальную математическую модель процесса, которая учитывает кинетику процесса

тиосульфатного растворения золота. Таким образом, математическая модель процесс включена в контур управления процессом.

Данная схема предполагает дополнительную постоянную подпитку, поэтому целесообразно организовать регенерацию основных реагентов. Для исключения ошибки при регулировании необходимо использовать блок с дискретным запаздывающим контролем, который будет исключать ошибку при анализе пробы. Для окисления остатков сернистого натрия фильтрат продувается воздухом и направляется в голову процесса в качестве оборотного раствора.

С целью проведения технико-экономической оценки были рассчитаны расходные коэффициенты процесса тиосульфатного выщелачивания золота, который представлены в таблице ниже:

Таблица 3 - Исходные данные для технико-экономической оценки

Потребление Си804, кг №2820з, кг ЫаСЫ, кг

на кг извлеченного золота 4.94 24,49 128,74

на кг руды/концентрата 153,34 759,49 1037,42

Данные результаты могут быть использованы для оценки целесообразности проектирования и организационно-технологических мероприятий при создании технологического процесса по переработке золотоносных руд и концентратов методом тиосульфатного выщелачивания.

Рисунок 10 - Схема структуры управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов с детальной

кинетической моделью в контуре управления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации содержится решение актуальной для металлургической промышленности задачи по разработке математической модели процесса извлечения золота в раствор из сульфидных руд и синтезу схемы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов с дополнительной подпиткой реагентами.

Основные результаты выполненных исследований состоят в следующем:

1. Предложена уточненная модель, описывающая закономерность кинетики тиосульфатного выщелачивания золота, которая позволяет учитывать разную доступность золота и применять модель сжимающегося ядра для описания лимитирующей диффузионной стадии.

2. Показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, полученных при исследовании процесса тиосульфатного выщелачивания золота методом математического моделирования.

3. Разработана математическая модель процесса выщелачивания в реакторе периодического действия, описывающая закономерности кинетики процесса, которая может быть использована для описания процесса в проточном реакторе.

4. Создана математическая модель процесса в каскаде реакторов, которая позволяет изучать протекание процесса выщелачивания золота тиосульфатным раствором.

5. Применение дополнительной подпитки реакторов реагентами увеличивает извлечение золота на выходах из второго и третьего реакторов на 2,02 % и 1,58 % соответственно, что оправдывает создание структуры системы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Жуков В.В. Влияние предварительного окисления золотоносного концентрата на тиосульфатное выщелачивание / В.В. Жуков, Ю.В. Шариков, М. Неувонен, И. Турунен // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. - № 4. - С. 171-175.

2. Жуков В.В. Разработка математической модели процесса тиосульфатного выщелачивания золота в реакторе периодического действия / В.В. Жуков, Ю.В. Шариков, И. Турунен // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. - № 5. - С. 109-116.

3. Жуков В.В. Моделирование периодического процесса выщелачивания золота цианированием / В.В. Жуков, Ю.В. Шариков, И. Турунен, А. Лаари // Записки Горного института. 2013. Т. 202 С. 178-180.

4. Жуков В.В. Математическое моделирование процесса тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов идеального перемешивания / В.В. Жуков, Ю.В. Шариков, И. Турунен // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельная статья L (специальный выпуск). - № ОС 14 - 2013. - № 5. - 12 с.

5. Zhukov V.V. Modeling of Gold Leaching Process / V.V. Zhukov, Y.V. Sharikov // Scientific Reports on Resource Issues 2011, Volume 1, Freiberg: TU Bergakademie, Germany, 2011, P. 163-166.

6. Шариков Ф.Ю. Исследование процесса окислительного выщелачивания золота из концентрата бедной руды с использованием калориметрии Кальве. Постановка задачи и первые результаты / Ф.Ю. Шариков, В.В. Жуков, М. Лампинен // Исследование материалов с использованием методов термического анализа, калориметрии и сорбции газов. Доклады международной конференции. - Полторак, 2012 - С. 59-61.

7. Zhukov V. Modeling of Gold Leaching with Thiosulphate Solutions in Different Types of Reactor / V. Zhukov, Y. Sharikov, I. Turunen // 23rd European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE-23), ELSEVIER SCIENCE BV, 2013, P. 1045-1050.

20

РИЦ Горного университета. 27.05.2013. 3.304. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201360^ 2 9 на правах рукописи

ЖУКОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗОЛОТА В КАСКАДЕ РЕАКТОРОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (металлургия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -доктор технических наук, профессор Шариков Юрий Васильевич

Санкт-Петербург -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................................4

Глава 1 Современное состояние технологий извлечения золота в растворы с помощью различных выщелачивающих агентов.........................................................9

1.1 Химизм процесса цианирования золота..............................................................9

1.1.1 Свойства золота.............................................................................................10

1.1.2 Химизм растворов цианида..........................................................................12

1.1.3 Механизм реакции.........................................................................................13

1.1.4 Кинетика растворения золота......................................................................16

1.2 Тиосульфатное выщелачивание золота.............................................................19

1.2.1 Химизм процесса тиосульфатного выщелачивания золота......................20

1.2.2 Детальное исследование процесса растворения золота в тиосульфатных растворах.................................................................................................................25

1.2.3 Сорбция золота из тиосульфатных растворов............................................30

1.2.4 Регенерация использованной смолы...........................................................33

Глава 2 Экспериментальное исследование кинетики тиосульфатного выщелачивания..............................................................................................................37

2.1 Аналитические исследования материалов........................................................37

2.1.1 Гранулометрический анализ концентрата «К1»........................................37

2.1.2 Гранулометрический анализ концентрата «КЗ»........................................41

2.1.3 Анализ концентрата «К1» на элементный состав......................................43

2.2 Калориметрические исследования материалов................................................44

2.2.1 Исследование процесса тиосульфатного выщелачивания золота методом измерения скорости теплового потока.................................................................45

2.2.2 Методы и методология калориметрических исследований......................49

2.2.3 Результаты калориметрических исследований..........................................50

2.3 Лабораторное исследование процесса тиосульфатного выщелачивания золота...........................................................................................................................52

2.3.1 Результаты анализа материала для проведения опытов............................53

2.3.2 Описание экспериментальной лабораторной установкой........................55

2.3.3 Описание последовательности действий при проведении анализа.........57

2.3.4 Методика подготовки оборудования для проведения экспериментов и анализа.....................................................................................................................59

2.3.5 Начальные условия проведения экспериментов........................................60

2.3.6 Результаты анализа экспериментов.............................................................61

Глава 3 Математическое моделирование процессов выщелачивания золота........66

3.1 Математическое моделирование процесса цианирования золота..................66

3.1.1 Модель периодического процесса...............................................................66

3.1.1.1 Описание модели....................................................................................67

3.1.1.2 Условия проведения процесса...............................................................76

3.1.1.3 Результаты моделирования....................................................................82

3.1.1.3 Результаты оценки..................................................................................85

3.1.2 Модель проточного реактора.......................................................................87

3.1.2.1 Описание модели проточного реактора...............................................87

3.1.2.2 Условия проведения процесса...............................................................88

3.1.2.3 Результаты и оценка моделирования....................................................89

3.1.3 Каскад реакторов...........................................................................................91

3.1.3.1 Описание модели каскада реакторов....................................................92

3.1.3.2 Условия проведения процесса...............................................................93

3.1.3.3 Результаты и оценка моделирования....................................................93

3.2 Разработка математической модели тиосульфатного выщелачивания золота для различного аппаратурного оформления...........................................................96

3.2.1 Описание детальной кинетической модели тиосульфатного выщелачивания золота...........................................................................................96

3.2.2 Постановка обратной задачи........................................................................97

3.2.3 Сопоставление экспериментально полученных данных с данными моделирования........................................................................................................98

3.2.4 Описание модели в проточном реакторе....................................................99

3.2.5 Исследование модели каскада аппаратов.................................................100

Глава 4 Синтез структуры системы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота................................................................................................104

4.1 Определение наиболее значимых факторов для модели процесса тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов............................104

4.2 Обоснование для создания схемы осуществления процесса с дополнительной подпиткой реагентами................................................................111

4.3 Расчет исходных данных для технико-экономической оценки процессов цианирования и тиосульфатного выщелачивания в каскаде реакторов............115

Заключение..................................................................................................................116

Список литературы.....................................................................................................117

Приложения.................................................................................................................129

Приложение 1 Результаты моделирования (опыты № 2-5) для процесса

цианирования...........................................................................................................129

Приложение 2 Влияние концентрации цианида в каскаде из трех реакторов. С(кислорода)=0,00125 кмоль/мЗ............................................................................131

4

Введение

Актуальность работы

Одной из важных проблем гидрометаллургических технологий является использование в процессах вредных химических реагентов и осуществление выбросов в окружающую среду, что может быть решено применением более безопасных методов обработки рудных концентратов при извлечении целевых компонентов.

На большинстве предприятий, как в России, так и за рубежом, для перевода золота из руды и концентрата в раствор используется цианирование, которое позволяет осуществлять в ряде случаев довольно полное последующее извлечение золота. Однако данная методика является весьма опасной с экологической точки зрения, так как сопряжена с использованием высокотоксичных реагентов, представляющих опасность для окружающей среды и обслуживающего персонала.

В последнее время активно проводятся работы по замене цианидного выщелачивающего агента на более безопасный - тиосульфат натрия. Однако, степень отработанности процесса тиосульфатного выщелачивания еще не достаточно велика для создания промышленной технологии этого процесса.

Огромный вклад в развитие и совершенствование технологий извлечения золота внесли такие крупные специалисты как И.Н. Масленицкий, JI.B. Чугаев, В.Ф. Борбат, М.Н. Никитин, Ю.А. Котляр, И.А. Каковский, С.С. Набойченко, М.А. Меретуков, JT.C. Стрижко, В.В. Лодейщиков, И.Н. Плаксин и др. Хорошо известны работы зарубежных авторов G. Senanayake, M.G. Aylmore и D.M. Muir в областях исследования кинетики и математического моделирования процесса выщелачивания золота.

Однако традиционные системы управления процессом выщелачивания не могут быть применены в полной мере по причине отсутствия текущего контроля концентраций ряда компонентов раствора непосредственно в ходе процесса. Математическая модель процесса может служить своеобразным «измерительным

устройством», позволяющим выразить неизмеряемые параметры процесса через измеряемые и использоваться для построения прогнозирующей системы управления, обеспечивающей компенсацию поступающих в процесс возмущений.

При этом наиболее трудоемкой задачей является создание промышленных технологий на основании результатов лабораторных исследований. Поэтому детальное исследование кинетики этого процесса и создание кинетической модели тиосульфатного выщелачивания является крайне необходимым для разработки научных основ технологии и выбора подходящей системы управления данным процессом. Эта информация позволит получить исходные данные для проведения сопоставления технико-экономических характеристик процесса тиосульфатного выщелачивания и процесса цианирования, что позволит принять технически обоснованное решение о возможности промышленной реализации процесса тиосульфатного выщелачивания.

Для существенного ускорения этой процедуры в последнее время широко применяется метод математического моделирования. Поэтому разработка экологически безопасного метода выщелачивания золота из рудных концентратов золотосодержащих руд на базе использования метода математического моделирования для определения оптимальных технологических параметров автоматизированной системы управления процессом является актуальной проблемой.

Цель работы - разработка математической модели процесса извлечения золота в раствор из сульфидных руд и синтез схемы управления процессом тиосульфатного выщелачивания золота в каскаде реакторов с дополнительной подпиткой реагентами.

Основные задачи исследований:

1. Научно-технический анализ современного состояния и перспектив развития процесса выщелачивания золота.

2. Проведение экспериментальных исследований кинетики тиосульфатного выщелачивания.

3. Решение обратной кинетической задачи для определения кинетических параметров процесса выщелачивания.

4. Разработка математической модели процессов выщелачивания золота в каскаде реакторов с использованием полученной кинетической модели.

5. Синтез схемы управления процессом выщелачивания золота в каскаде реакторов идеального смешения.

Методология и методы исследования

В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Экспериментальные данные собраны в ходе исследований, проведенных в лабораторном реакторе периодического действия, а также путем лабораторного физико-химического анализа отобранных технологических проб. Для моделирования процессов, протекающих в процессе тиосульфатного выщелачивания золота, построения системы управления, обработки данных использовался современный пакет компьютерного моделирования ReactOp Cascade. При выборе и разработке системы управления процессом использованы современные методы теории автоматического управления.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Установлено, что в составе руды имеется два типа золота, различающегося по доступности к выщелачиванию.

2. Показано, что реакция между двухвалентной медью и тиосульфатом натрия должна учитываться при разработке детальной кинетической модели.

3. Найдены кинетические параметры тиосульфатного выщелачивания золота - предэкспоненциальные множители и энергии активации основных и побочных реакций, которые находятся в хорошем соответствии с литературными данными.

4. Установлено, что секционирование реакторного объема - применение каскада реакторов из 4-5 аппаратов приводит к увеличению извлечения золота.

5. Математическая модель процесса выщелачивания золота тиосульфатным раствором позволяет определить оптимальное время пребывания реакционной смеси в аппаратах в зависимости от числа реакторов в каскаде.

6. Использование полученной математической модели в контуре управления каскадом аппаратов позволяет увеличить извлечение золота на выходах из второго и третьего реакторов на 2,02 % и 1,58 % соответственно за счет организации оптимальной подпитки реакторов расходуемыми реагентами.

Практическая значимость работы:

1. Детальная модель процесса тиосульфатного выщелачивания золота, разработанная в программном комплексе ReactOp Cascade, может применяться на практике в системе управления для оперативной корректировки условий выщелачивания золота в каскаде реакторов.

2. Научные результаты могут быть использованы для оценки целесообразности проектирования, реализации и выполнения организационно-технологических мероприятий при создании технологического процесса по переработке золотоносных руд и концентратов методом тиосульфатного выщелачивания.

3. Научные результаты работы могут быть использованы в учебном процессе химико-металлургического факультета Горного университета для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Достоверность научных результатов

Приводимые результаты, выводы и рекомендации подтверждаются использованием современных методов исследований и обработки данных. Хорошая сходимость результатов математического моделирования и экспериментальных исследований параметров процесса тиосульфатного выщелачивания золота обоснована использованием современного программного обеспечения.

Апробация работы

Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международном форум-конкурсе молодых ученых «Актуальные

проблемы недропользования» в г. Санкт-Петербург в 2010 г., на международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» в г. Санкт-Петербург в 2011 г., на конференции молодых ученых в рамках «Петербургской технической ярмарки 2011» 15-17 марта 2011 г., на международной научной специализированной конференции в Германии в г. Фрайберг в 2011 г., на международной научной специализированной конференции «Исследование материалов с использованием методов термического анализа, калориметрии и сорбции газов» в г. Санкт-Петербурге 1-2 марта 2012 г., на научных семинарах кафедры АТПП Горного университета 2010-2013 г.г., на научно-технических советах по работе с аспирантами Горного университета 2010-2013 г.г. и на 23-м Европейском симпозиуме по автоматизированным системам технологического проектирования «ESCAPE 23» в Финляндии в г. Лаппеенранта в 2013 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 131 страницу машинописного текста, 56 рисунков, 31 таблицу и список литературы из 128 наименований.

Огромную благодарность автор выражает научному руководителю доктору технических наук, профессору Шарикову Юрию Васильевичу за помощь и поддержку, оказанную при работе над диссертацией.

Глава 1 Современное состояние технологий извлечения золота в растворы с помощью различных выщелачивающих агентов

1.1 Химизм процесса цианирования золота

Золото, символ Аи, является первым металлом известным и используемым человеком. Он встречается в природе как очень чистый метал и сохраняет цвет в виду его экстраординарным мягкости и сопротивлению коррозии. Поиск золота был важным фактором в освоении мира и развитии мировой торговли.

В общем, золота существует как природный металл и в различных формах золота, например, как кварцевые рудные жилы, рассеянные залежи и случайные зерна. Руды могут включать серебро, ртуть и другие элементы, как теллур. Золотые руды значительно измельчаются, что позволяет разделять золото, извлекая 92-96 % содержащегося золота в руде. После уменьшения размеров частиц, происходят различного рода обработки и процессы обогащения, такие как гравитационное концентрирование, флотация, обжиг, хлорирование и цианирование [1].

Амальгамация, которая широко применялась, была в основном прекращена из-за неэффективности и экологических соображений. Золото в ассоциации с металлами, такими как медь, никель и свинец, в основном следует за ними в процессах концентрации и, в конечном счете, может быть отделено и экстрагировано.

Несмотря на хорошо известные некоторые гидрометаллургические техники, более чем 85 % золотоносных руд и концентратов в мире обрабатывается путем цианирования [2]. В цианировании руды выщелачиваются раствором цианида натрия (0,02+0,05 %) или эквивалентными растворами цианида кальция вместе с известью. Выщелачивающий раствор аэрируется для обеспечения кислородом, и золото растворяется с образованием комплекса ауроцианида натрия [1].

Кислород, как доминирующий реагент, играет важную роль в выщелачивании золота в цианистых растворах. Было установлено, что скорость

растворения золота в растворах цианида варьируется, напрямую завися от концентрации кислорода. Количество растворенного кислорода в воде обычно 8^9 мг/л. Кислород может быть потреблен и другими