Горенский Б.М., Кирякова О.В., Даныкина Г.Б. Информационные технологии в металлургии. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

реакции; U – скорость химической реакции; j – коэффициент теплопроводно-

сти; F – площадь аппарата.

Анализ влияния изменения технологических параметров на процесс

Рассмотрим влияние основных технологических параметров (кислот-

ность, масса концентрата, расход хлора, плотность раствора, температура

прогрева пульпы и хлорирования и ОВП) на процесс вскрытия сырья.

Кислотность раствора соляной кислоты должна составлять 100120 г/л.

При более высокой кислотности происходит повышенный переход в раствор

родия, иридия, рутения, которые максимально должны остаться в нераство-

римом остатке. При более низкой кислотности происходит увеличение време-

ни хлорирования, снижение производительности, перерасход хлора, недос-

таток комплексообразователя, снижение извлечения платины, палладия и

золота в растворе, перерасход реактивов, перерасход электроэнергии.

Количество концентрата, находящееся в аппарате, равно 120140 кг.

При загрузке менее 120 кг образуются бедные по содержанию платины, пал-

ладия и золота растворы с низкой кислотностью, что ведет к перерасходу ре-

активов и электроэнергии. При загрузке более 140 кг образуются богатые

нерастворимые остатки по содержанию благородных металлов, густая пуль-

па , что затрудняет фильтрацию раствора.

При расходе, хлора более 1015% в начале процесса и более 510%

при окончании происходит проскок хлора в окружающую среду, приводящий

к перерасходу хлора. При низком расходе хлора (менее 2530% в середине

процесса), происходит перерасход энергии.

Плотность раствора после хлорирования должна составить 1,31,6 г/см.

При меньшей плотности образуются бедные растворы по содержанию плати-

ны, палладия и золота, что ведет к перерасходу реактивов. При увеличе-

нии плотности больше 1,6 г/см получаются богатые нерастворимые остат-

ки.

Температура прогрева пульпы без подачи хлора должна находиться в

диапазоне 8590°С. При более высокой температуре происходит выброс

пульпы, загазованность цеха. При более низкой температуре ухудшается

вскрываемость концентрата, и образуются богатые по содержанию нераство-

римые остатки.

Температура хлорирования составляет 6070°С. При температуре выше

70°С хлор хуже усваивается и идет проскок его в абсорбер и окружающую

среду. При температуре менее 60°С существенно снижается скорость про-

цесса и производительность.

Значение ОВП должно находиться в диапазоне 10201040 мВ. При значе-

нии ОВП менее 1020 мВ происходит неполное вскрытие материала, особенно

содержащегося в нем золота. При значении ОВП более 1040 мВ в растворе

образуется большое количество палладия (+4), что негативно влияет на по-

следующие стадии переработки раствора.

Анализ влияния изменения технологических параметров показывает, что

их отклонение от оптимальных значений приводит к ухудшению хода тех-

нологического процесса и, следовательно, необходимо создание как высо-

коэффективных АСУ процессом, так и повышение квалификации обслужи-

вающего персонала.

ОПИСАНИЕ ТРЕНАЖЕРА

Для повышения квалификации обслуживающего персонала и приобрете-

ния навыков оптимального управления процессом хлорирования целесооб-

разно использовать компьютерные тренажеры, реализованные на базе пер-

сональных компьютеров. Основой функционирования компьютерного тре-

нажера является математическая модель, для реализации которой разработано

программное обеспечение.

Программа функционирования тренажера составлена под Windows в

системе Delphi. Delphi относится к системе быстрой разработки приложений,

представляет собой мощный генератор кода, визуальный дизайнер приложе-

ний и средство ведения баз данных с великолепным интерфейсом. Основной

язык программирования Object Pascal.

Компьютерный тренажер включает в себя системный блок, предназна-

ченный для обработки вводимой информации, монитор и органы управления

(клавиатура и мышь). Мнемосхема процесса, реализуемого на компьютерном

тренажере, представлена на экране монитора (рисунок 1.1). Установка хло-

рирования состоит из корпуса 1, крышки 2, системы газоходов 3, трубопро-

водов подачи хлора, раствора, пара, воды 4.

В верхней части экрана расположены основные элементы управления,

выведенные на экран дисплея и позволяющие управлять процессом хлориро-

вания в диалоговом режиме. К ним относятся кнопки «начало процесса хло-

рирования», «конец процесса хлорирования», «мешалка отключена», «крыш-

ка открыта», «подача концентрата» и «кислотность раствора».

Эти кнопки являются рабочими при ведении процесса. В верхней части

экрана также находятся следующие функциональные кнопки:

«технология» (изложены краткие технологические сведения процесса

хлорирования);

«демонстрация» (знакомит обучаемого с правилами ведения процесса и

управления);

«таймер времени» (поле начала процесса при запуске таймера).

Автоматически включается отсчет времени, затрачиваемого на весь

процесс хлорирования от начала и до конца, в масштабе, выбранном опера-

тором;

«выход» – выход из тренажера по желанию оператора;

На мнемосхеме процесса также расположены элементы управления;

«хлор» – регулирует подачу хлора (∆ увеличивает подачу хлора, V

уменьшает подачу хлора);

«раствор» – открывает или прекращает подачу раствора в аппарат (име-

ет 2 положения: открыто - закрыто);

«пар» – регулирует подачу пара (∆увеличивает, V уменьшает, на дис-

плее высвечивается окно со значением от (X до 100%);

Рис. 1.1 – Мнемосхема компьютерного тренажера «Вскрытие сырья жидкофазным

хлорированием»

«вода» – регулирует подачу воды (∆увеличивает. V уменьшает, на

дисплее высвечивается окно со значением количества подаваемой воды);

заслонки А, Б, В имеют 2 положения: открыта – закрыта (А – выгруз-

ка пульпы на нутч-фильтры; Б – хлоратор-технологическая вентиляция; В –

хлоратор-абсорбер).

Используя описанные выше элементы управления, можно изменять

входные параметры процесса; G

KOH

– расход концентрата; G

Cl2

– расход хло-

ра; G

HCL

– расход соляной кислоты; О

об.р

– расход оборотных растворов; G

пap

–

расход пара; С

вод

– расход воды.

Выходные параметры процесса будут изменяться в зависимости от при-

ложенного управления. К ним относятся: Т

пр

– температура прогрева; Т

хл

–

температура хлорирования; ОВП – окислительно-восстановительный потен-

циал ; С

бл.м

– концентрации платины, палладия и золота в растворе; Р

– ки-

слотность; Р

р-ра

– плотность раствора после хлорирования.

Изменение ОВП раствора и изменение температуры раствора, в зависи-

мости от приложенных управляющих воздействий, будут отслеживаться на

графиках, представленных на мнемосхеме тренажера.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

1. Ознакомиться с процессом вскрытия сырья жидкофазным хлориро-

ванием.

2. Нажать кнопку «начало процесса хлорирования». При этом появля-

ется доступ ко всем функциям, автоматически включается отсчет времени,

которое фиксируется на дисплее.

3. Установить заслонки:

Б – хлоратор - технологическая вентиляция – «закрыто»;

В – хлоратор - абсорбер – «открыто».

4. Загрузить необходимое количество концентрата (120кг), используя

кнопку «подача концентрата». При этом автоматически происходит загрузка

120 кг концентрата.

5. Задать кислотность раствора (100-120 г/л).

6. Подать раствор в хлоратор до метки. Закрыв крышку хлоратора,

включить мешалку.

7. Поднять температуру в хлораторе до 80-85 С. Для этого открыть кран

пара на 100% , пока температура не достигнет заданного предела.

8. При достижении заданной температуры необходимо уменьшить

подачу пара до 2-5% (3%) и вести подогрев в течение 40-60 мин. Когда про-

грев закончен, необходимо закрыть кран с паром (0%) и открыть воду (10-

20%) для охлаждения пульпы до температуры 60-70С.

9. Подать хлор около 10-15% (на расходомере поплавок должен нахо-

диться напротив этой цифры).

10. Уменьшить расход воды (7-10%).

11. При достижении ОВП=400мВ необходимо увеличить подачу хлора до

40-50% и, соответственно, увеличить подачу воды.

12. Когда ОВП достигнет 800-850 мВ, расход хлора нужно уменьшить

до 8-15%. Температуру необходимо поддерживать около 60-70°С, изменяя

подачу воды на охлаждение.

13. При достижении значения ОВП= 1040-1080 мВ прекращают подачу

хлора и подогревают пульпу в течение нескольких минут. Если ОВП стало

меньше 1030 мВ, то необходимо подать 5-10% хлора и повторить эту опера-

цию, пока не стабилизируется ОВП (1030-1040 мВ). После стабилизации

ОВП пульпу надо охладить до 30°С и выгрузить на фильтр.

14. Выключить мешалку и закончить процесс хлорирования

15. После окончания процесса тренажер по имеющейся математической

модели и алгоритму оценки действий обучаемого анализирует все ошибки, до-

пущенные им при ведении процесса (если они есть), выдает основные характе-

ристики полученного раствора и производит оценку действий обучаемого по

управлению процессом.

Контрольные вопросы и задания

1. Приведите достоинства и недостатки метода хлорирования по срав-

нению с другими методами вскрытия платино-палладиевого сырья.

2. Поясните, для чего производится прокалка концентрата, при какой

температуре.

3. Перечислите основные реакции при прокалке.

4. Перечислите основные реакции, описывающие химические превра-

щения в процесс хлорирования.

5. Назовите цель процесса хлорирования.

6. В каких аппаратах идет процесс хлорирования?

7. Назовите, по каким элементам процесса хлорирования составляется

материальный баланс. Приведите пример одного из них.

8. Поясните, как составляется тепловой баланс процесса. Выделите ос-

новные приходные и расходные части.

9. Приведите основные параметры процесса. Как влияет их изменение

на ход технологического процесса?

10. Приведите основные входные и выходные параметры процесса. Ка-

кие из них являются управляющими?

11.Назовите основные элементы управления реальным объектом и тре-

нажером.

12. Опишите структуру и области применения компьютерного тренажера.

13. Приведите порядок процесса хлорирования.

14. Поясните, какие основные ошибки могут быть допущены при управ-

лении процессом хлорирования.

15.Поясните, каким образом производится регулирование кислотности

раствора.

16. Какие основные факторы влияют на температуру процесса хлорирова-

ния, как производится регулирование температуры?

17. Влияет ли порядок проведения технологических операций на техно-

логический процесс?

18. Какие основные ошибки могут быть допущены при работе с трена-

жером?

Лабораторная работа №2

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРВОЙ

СТАДИИ АФФИНАЖА ПАЛЛАДИЯ

Цель работы. Закрепление теоретических знаний, знакомство с цехом

аффинажа палладия, формирование умения и навыков управления процес-

сом. Приобретение опыта действия в экстремальных и аварийных ситуациях.

Научиться проводить анализ нарушения технологии в проведенных сеансах

обучения и использовать тренажер для исследования и совершенствования

технологических режимов.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

Процесс аффинажа палладия представляет собой многостадийную обра-

ботку раствора реагентами, приводящую к растворению и осаждению компо-

нентов с последующей очисткой от примесей.

Палладиевый раствор из отстойников по трубопроводу с помощью насо-

са закачивается в термостатированный типовой аппарат РТ760, емкостью 760

л. Степень заполнения составляет 0,4 объема аппарата. При достаточно ин-

тенсивном перемешивании в раствор добавляют аммиак. В процессе обра-

ботки хлоридного комплекса палладия первоначально протекает следующая

реакция:

[PdCl

] + 4NH

OH = [Pd(NH

)

]Cl

+ 2NaCl + 4H

O (2.1)

Получающийся при действии аммиака катионный комплекс палладия по

мере образования реагирует с исходным хлоридным комплексом:

Pd(NH

)

+ PdCl

= [Pd(NH

)

] [PdCl

] (2.2)

Данная соль, известная в химии палладия как соль Вокелена, является

малорастворимой. После достижения значения рН 44,5 пульпу нагревают до

8090С. Это способствует завершению превращений, а также переводу об-

разовавшейся соли Вокелена в еще менее растворимую соль палладия-транс-

дихлоридиа минпалладий (ДДП), являющуюся изомером соли Вокелена:

[Pd(NH

)

] [PdCl

]

= 2[Pd(NH

)

] (2.3)

При более низкой температуре и малом времени выдержки пульпы изо-

мерное превращение не завершается, что служит причиной потерь палладия с

маточным раствором вследствие большей физической растворимости соли

Вокелена по сравнению с ДДП. Значение температуры больше 95С нежела-

тельно, т.к. может приводить к выбросу пульпы из реактора, а также к ухуд-

шению качества палладия по основной примеси – платине. Это обусловлено

тем, что образование соли Вокелена – Магнуса – основной формы осаждения

платины (2) и соли ГПХА – основной формы осаждения платины (4) из ее ак-

вокомплекса [РtH

ОCl

]

–

способствует прогрев при высокой температуре.

В реальных условиях аффинажа, особенно на концетрированных рас-

творах, образуются густые трудноперемешиваемые пульпы. Вследствие это-

го для усреднения состава пульпы и значения рН по всему объему необходи-

мо интенсивное перемешивание и выдержка после достижения нормативных

значений рН, при ее снижении необходима корректировка.

Поведение примесных элементов при обработке раствором аммиака до

рН 44,4 производственных хлоридных растворов палладия неоднозначно.

Так, элементы с высоким значением pН начала гидролиза (Са, Mg, Ni,

, Zn, Se, Ag, Mn) преимущественно остаются в растворе. Sn, Fe

, Pb, Al,

Sb, Cr, Те, Bi, Сu переходят в осадок в форме гидроксидов или основных со-

лей. Платина переходит в осадок на 4060%, a Rh, Ir, Ru – на 3050%, Аu –

на 7080%. Основными формами осаждения металлов в интервале значений

рН 44,5 являются:

для меди – Cu(ОH)

;

для свинца – PbOHCl, Pb(OH)

;

для олова – (H

SnO

)n, H

[Sn(OH)

];

для сурьмы – SbOCl, H[Sb(OH)

], Sb

;

для висмута – BiOCl, H[Вi(ОН)

];

для мышьяка – M

AsO

, где М – (Са, Mg, Sb, Bi и др.);

для молибдена – (NH

)

[Mo

]

для вольфрама – (NH

)

]  ХН

О;

для железа – Fe(OH)

;

для алюминия – Аl(ОН)

;

для теллура – ТеО

Данные соединения фиксируются для чистых индивидуальных систем.

При совместном же присутствии элементов в растворе формы осаждения мо-

гут быть иные, причем гораздо более сложные и многокомпонентные. Пла-

тиновые металлы из хлоридных комплексных солей переходят в аминные

комплексы как в форме осадков, так и в форме растворимых соединений.

Платина преимущественно осаждается в форме (NH

)

[PtCl

]. Аквафор-

ма Pt

, например [PtH

OCl

]

–

, также осаждается на 50% в форме ГПХА, но

при нагреве растворов (рН = 4. Из растворов [PtCl

]

2–

, [РtH

ОС1

]

–

степень

осаждения не превышает 35%, также лишь при прогреве растворов, а твер-

дый продукт представлен солью Магнуса [Pt (NH

)

] [PtCl

В присутствии палладия поведение платины несколько иное. Степень

сосаждения Pt

в соль [Pd(NH

)

] зависит от концентрации платины и при

ее значении менее 21 г/л не превышает 20%. Соосаждение Pt

практически

не зависит от ее концентрации и составляет 5070%, а преимущественная

форма существования – соль Вокелена-Магнуса:

[PdCl

] + 4NH

OH = [Pd(NH

)

]Cl

+ 2NaCl + H

O (2.4)

[Pd(NH

)

]Cl

+ Na

[PtCl

] = [Pd(NH

)

] [PtCl

] + 4NaCl (2.5)

Образовавшаяся соль, в отличие от соли Вокелена, мало растворима в

аммиаке. Родий осаждается преимущественно в форме [Rh(NH

)Cl

], а в при-

сутствии палладия образуются комплексные соли типа [Pd(NH

)

]

[RhH

OCl

После завершения прогрева пульпы при pН = 44,5 ее охлаждают до

температуры не выше 40С и обрабатывают соляной кислотой. Проведение

этой операции преследует две основные цели: растворение основной части

гидроксидов цветных металлов, образовавшихся в процессе аммиачной обра-

ботки и осаждение палладия, находящегося в форме растворимого аминного

комплекса:

[Pd(NH

)

]Cl

+ 2HCl = [Pd(NH

)

] + 2NH

Cl (2.6)

Оптимальное значение рН после обработки пульпы соляной кислотой

составляет от – 0,2 до + 0,5. Значение более + 0,5 приводит к существенному

загрязнению осадка соли ДДП элементами с низким рН гидрообразования:

Sn, Sb, As, Fe

, Те. Значения менее – 0,2 нежелательны из-за заметного рас-

творения ДДП:

[Pd(NH

)

]

+ 4HCl = H

[PdCl

] + 2NH

Cl (2.7)

и трудностей при обезблагораживании растворов с высокой кислотностью.

Более высокая кислотность раствора и повышение температуры способствует

образованию труднорастворимых солей платины [Pt(NH

)

] и родия

[Rh(NH

)

], соосаждающихся с солью ДДП. Этому же способствует уве-

личение продолжительности процесса, поэтому после охлаждения пульпы до

40 – 50

С ее немедленно фильтруют.

При введении всех примесей, кроме меди, соль ДДП(1) приобретает

цвет от красного и темно-коричневого до черного. Основными формами со-

осаждения являются, вероятно, гидроксид и основные соли, но прямое опре-

деление форм оказалось невозможным.

Построение математической модели управления процессом рассмот-

рим на примере построения математической модели первой стадии. Наиболее

перспективно применение так называемых полных моделей, включающих в

себя и динамическую, и статическую модели. Поэтому для моделирования

процессов, происходящих в аффинажном аппарате, выберем именно ее.

Для построения динамической модели изменения кислотности в аф-

финажном аппарате примем следующие допущения:

Химические реакции, протекающие в аффинажном аппарате, являются

гомогенными реакциями. При гомогенных реакциях исходные вещества и

продукты взаимодействия находятся в одной и той же фазе (газовой или

жидкой), при этом молекулы, атомы или ионы могут взаимодействовать по

всему занятому объему.

Диффузионный поток в аппарате является турбулентным.

Изменение кислотности в аппарате целесообразно рассмотреть в виде

суммы потоков:





dpH

(2.8)

Суммарный поток Ф

раскроем следующим образом:

= Ф

вх

+ Ф

х.в

+ Ф

диф

(2.9)

где Ф

вх

– входной поток; Ф

х.в

– поток химического взаимодействия; Ф

диф

–

поток реагента, диффундирующего к реакционной поверхности.

Расшифруем составляющие этих потоков:

вх

= V



NH4OH

+ V



HCl

+ V



рН

р-p

(2.10)

где V

– количество залитого в аппарат аммиака; V

– количество залитой в

аппарат соляной кислоты; V

– количество залитого в аппарат палладиевого

раствора; pH

NН4OH

– кислотность аммиака; pH

HCl

– кислотность соляной ки-

слоты; рН

p-p

– кислотность исходного раствора

х.в

= к (Т) C



НС1

= k(T)



pH(t),

(2.11)

где к (Т) = к

* ехр (– E/RT) – константа скорости реакции; R – универсальная

газовая постоянная; Е – энергия активации Дж/моль; Т – температура процес-

са; к

– коэффициент пропорциональности.

диф

= Д * (рН

- рН(t)), (2.12)

где Д – коэффициент диффузии реагентов, упрощенно он пропорционален

числу оборотов двигателя мешалки (1300 об/мин); pH

– средняя из возмож-

ных в аффинажном аппарате кислотность.

Тогда изменение кислотности запишется в виде:



dpH



NH4OH

+ V



HCl

+ V



рН

р-p

+ k(T)



pH(t) +

+ Д * (рН

- рН(t)),



)(

3241

tpHpHVД

tpHkpHpVpHHClVOHpHNHV

dpH





(2.13)

Запишем данное уравнение в виде:

ΔpH = (V

* pH NH

OH + V

* pH HCl + V

* рН р +

+ Д * рН V – k(T) – Д * P

) Δt,

где ΔрН – изменение кислотности за интервал времени; Δt – дискретность

времени (в данном тренажере l c); P

– значение кислотности в предыдущий

момент времени.

Качественно оценить, как прошел процесс аффинажа на первой стадии

можно по величине содержания палладия в маточном растворе от его средне-

го значения с помощью статической модели. Повышенное содержание

палладия говорит о потерях металла и, следовательно, о неправильном про-

текании процесса. Концентрация палладия в соли ДДП(1) не может служить

величиной для оценки качества, так как сырье, на котором работает цех, по-

стоянно меняется. Один концентрат может быть богат палладием, другой бе-

ден.

Еще одной величиной качества процесса служит процентное содержание

примесей в финишной соли ДДП. По технологии видно, что в этой соли

главной примесью является платина. Это происходит потому, что платина –

элемент той же группы, что и палладий, и освобождение от нее затруднено.

Для проверки адекватности модели можно построить гистограмму рас-

пределения остатков. Модель считается адекватной, если распределение

близко к нормальному распределению.

В результате расчетов по вышеизложенной методике получились сле-

дующие уравнения, позволяющие рассчитать значения основных параметров,

характеризующих процесс.

Зависимость концентрации палладия в маточном растворе от рН окон-

чания процесса имеет вид:

= 14 – 5,6 * (рН

)

+ 0,57 * (рН

)

Зависимость содержания платины в финишной соли ДДП от рН окон-

чания процесса определяется формулой:

= 1 / (76,2 + 0,2 *

Зависимость концентрации палладия в маточном растворе от температу-

ры прогрева:

= 4,85 – 0,09 * T

+ 0,0005 * Т

Зависимость содержания платины в финишной соли ДДП от рН окон-

чания процесса вычисляется по формуле:

= 0,25 – 0,006 * рН

+ 0.000038 * (рН

)

Зависимость содержания платины в финишной соли ДДП от рН оконча-

ния процесса равна:

= 0,007 – 0,002 * рН

+ 0,002 * (рН

)

Данные зависимости используются для построения обобщенной матема-

тической модели процесса.

ОПИСАНИЕ ТРЕНАЖЕРА

Тренажер реализован в виде программного продукта, мнемосхема функ-

ционирования которого представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Мнемосхема компьютерного тренажера «Аффинаж палладия»

Элементы управления программой: 1 – регулятор интенсивности потоков: максимальному

потоку соответствует значение 100, минимальному – 0; 2 – измеритель уровня вещества в

аппаратах. В аффинажном аппарате бордовым цветом показывается уровень раствора. В

фильтре бордовым цветом показывается уровень раствора, а красным цветом – уровень

полученного осадка; 3 – кнопка включения/выключения устройства; если она окрашена

красным цветом, то устройство включено, если коричневым – выключено; 4 – кнопки

«начать аффинаж» и «закончить аффинаж»; 5 – функциональные кнопки

В верхней части экрана находятся окна: ускорение/замедление таймера,

лабораторный анализ рН, устранение аварийных ситуаций, расчет реагентов.

Для экономии времени, затраченного на обучение, целесообразно произво-

дить ускорение таймера. Делается это с помощью кнопок «ускоре-