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

Подождите немного. Документ загружается.

ние/замедление таймера», расположенных в верхнем правом углу экрана.

При этом максимальная величина ускорения времени 50 раз. Для ускорения в

100 раз существует окно в верхней части экрана с изображением часов

(«максимальное ускорение таймера»). Данным ускорением рекомендуется

пользоваться тогда, когда процесс долгое время не претерпевает каких-либо

изменений (например, залив реагентов в аппарат).

Лабораторный анализ рН необходим для того, чтобы определить точное

значение рН в аппарате, поскольку автоматический датчик рН, показания ко-

торого Вы видите на экране, может выдавать неправильные значения рН из-

за обрастания стенок датчика. Данные анализа появляются на экране через 10

мин. После получения этих значений необходимо делать поправку показаний

прибора на величину разницы рН лабораторного анализа и прибора (в мо-

мент взятия пробы на анализ).

В процессе аффинажа могут возникнуть различные аварийные ситуа-

ции, например закипание раствора в аффинажном аппарате в момент макси-

мального его заполнения. При этом программой выдается соответствующее

сообщение. Для устранения неполадок необходимо нажать кнопку «ремонт».

Если обучаемому известен точный состав палладиевого раствора на вхо-

де в отделение аффинажа, то он может сразу рассчитать количество необхо-

димых реагентов. Для этого нажмите кнопку «расчет реагентов». На экране

появится панелька, на которой вы можете установить значения основных

примесных элементов. После нажатия кнопки «рассчитать количество реа-

гентов» будет произведен расчет реагентов на то количество раствора, кото-

рое уже содержится в реакторе.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

1. Ознакомиться с технологией первой стадии аффинажа палладия.

2. Включить компьютер и запустить программу.

3. Начать кнопку «начать аффинаж».

4. Вся стадия длится 3 – 4 часа. Если вы хотите ускорить процесс, то это

производится нажатием кнопки «ускорение таймера».

5. Включить перемешивание, нажатием кнопки «перемешивание».

6. Подать палладиевый раствор в аффинажный аппарат до уровня ~ 0,4

общего объема.

7. Произвести точное измерение рН. Для этого нажать кнопку «лабора-

торный анализ» рН». Через 10 мин (по таймеру) на экране появится таблица с

измеренным рН. Разница между показаниями прибора и измеренным рН яв-

ляется корректирующим значением. В процессе аффинажа прибор показыва-

ет не точно (сказывается обрастание датчика кислотности) и поэтому необ-

ходимо делать сноску на корректирующее значение.

8. Добавить аммиак (кнопка NH

OH) до достижения необходимой по

технологии кислотности.

9. Если пульпа не прогрелась за счет тепла химических реакций, ее не-

обходимо подогреть подачей пара в рубашку аппарата до 80-90

С.

10. Выдержать раствор некоторое время (30-40 минут).

11. После завершения прогрева пульпы ее охлаждают до 40

С и обраба-

тывают соляной кислотой до достижения заданного значения рН=-0.2+0.5.

12. Включить кнопку «насос», подать отмывку и раствор на фильтр и

отфильтровать раствор (подача воды на отмывку на 10-15% больше подачи

пульпы).

13. Нажать кнопку «закончить аффинаж».

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните преимущества процесса обучения специалистов на

компьютерных тренажерах.

2. Какие величины можно считать качественными показателями

процесса аффинажа палладия?

3. Назовите основные этапы первой стадии аффинажа палладия.

4. Каковы допустимые пределы изменения кислотности при об-

работке раствора аммиаком, соляной кислотой?

5. Что произойдет, если кислотность не будет поддерживаться в со-

ответствующих пределах?

6. Каковы допустимые пределы изменения температуры при обра-

ботке раствора аммиаком, соляной кислотой, прогреве?

7. К каким последствиям приведет несоблюдение температурного

режима?

8. Перечислите основные трудности автоматизации аффинажа пал-

ладия.

9. Из каких потоков складывается суммарный поток вещества в ап-

парате? Расшифруйте составляющие этих потоков.

Лабораторная работа 3

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

АФФИНАЖА ПЛАТИНЫ

Цель работы. Получение теоретических знаний о процессе аффинажа

платины; изучение технологической линии аффинажного производства; при-

обретение навыков управления процессом аффинажа платины

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

Исходным объектом для получения аффинированных платины и пал-

ладия являются обычно хлоридные растворы после вскрытия концентратов

или вторичного сырья. Основной аффинажной операцией, известной еще с

XIX века, является селективное осаждение из растворов сложного состава

труднорастворимых солей - гексахлорплатината аммония (NH

)

[PtCle

] и

транс-дихлордиаминпалладия [Рd(NНз)

]. Этот метод сохраняется в каче-

стве основного и практически единственного в наше время, т. к. прост, эф-

фективен, дешев и обеспечивает высокое качество готовой продукции. Прак-

тически все технологии, кроме экстракционных, вначале предусматривают

выделение грязной (технической) соли гексахлорплатината аммония (ГХПА-

1) и платино-палладиевых растворов, а затем из маточного раствора - соли

транс-дихлордиаминпалладия (ДДП).

Осаждение соли ГХПА проводят обычно хлоридом аммония. Раство-

римость (NH

)

[PtCl

] в воде при комнатной температуре составляет 0,5%, а в

растворе NH

Cl еще меньше (25 г/л NH

Cl -0,007%).

Остальные металлы не образуют с NH

Cl труднорастворимых солей,

однако получаемые осадки ГХПА существенно загрязнены примесями. При-

чиной этого является изоморфное, адсорбционное соосаждение, механиче-

ское включение раствора и т. д. Степень соосаждения зависит в основном от

содержания примесей и их форм, избытка NH

Cl, кислотности раствора и его

потенциала.

Процесс аффинажа состоит из следующих стадий: осаждение ГХПА-1;

прокаливание ГХПА-1; хлорирование; контрольная фильтрация; осаждение

ГХПА-2; прокаливание ГХПА-2.

Первой стадией аффинажа является операция осаждения платины, ко-

торую проводят следующим образом. В отфильтрованный раствор тонкой

струей с распылением вводят раствор хлорида аммония (25%). Расход реа-

гента задает автоматическая система, контролирующая его по максимально-

му скачку температуры, что соответствует 100%-му расходу NH

Cl по сте-

хиометрии на реакцию взаимодействия:

[PtCl

]+2NH

CI -> (NH

)

[PtCl

]↓+2NaCl (3.1)

Далее автоматическая система обеспечивает ввод избытка NHjCl из

расчета 20-25 г/л раствора, после чего лабораторией дополнительно контро-

лируется избыток хлорида аммония в реакторе. При недостатке NH

Cl до-

полнительно вводят определенное количество избытка. Экспериментально

показано, что избыток NH

Cl менее 20 г/л приводит к недостаточно полному

осаждению, а более 25 г/л - к резкому увеличению содержания примесей в

соли ГХПА. Недостаточно полное осаждение крайне негативно влияет на по-

казатели последующего выделения и аффинажа палладия из раствора. Уве-

личение же примесей в растворе ГХПА осложняет ее дальнейший аффинаж.

Показано, что в нормальных условиях степень соосаждения в соль ГХПА

наиболее значительна для Rh - до 30%, 1г - до 50%, Sb - 6%, Bi - 30%.

Как показано на технологической схеме (рис. 3.1), с целью очистки

соль ГХПА при завершении первой стадии отмывают на фильтре 5%-м рас-

твором NH

Cl от маточного раствора. Количество промвод невелико и не

превышает 0,5% массы соли, но при этом отмывается 50-70% МПГ, содер-

жащихся во влаге осадка.

Вторая стадия аффинажа - прокаливание. Эту операцию проводят с

целью переведения соли в металл для последующего растворения металла с

получением концентрированных растворов платины. Прокаливание соли ве-

дут в противнях из палладия, которые помещают в печь сопротивления. Тем-

пературу в печи поднимают ступенчато до 1000 С и выдерживают в течение

времени, необходимого для полного прекращения выделения возгонов NH

(6-10 часов):

(NH

)

[PtCl

] ->Pt+NH

Cl+HCl+N

(3.2)

Операция прокаливания является аффинажной, т. к. в ходе ее в возгон

удаляется до 80-95% Se, Sb, Bi, Sn, Cu, Ni, Pb, As, до 60-80% Те и Ag. При-

месные МПГ практически полностью остаются в платиновой губке. Степень

улетучивания платины в виде пыли, соли и металла не превышает 0,2-0,5%.

Полученная губка платины серого цвета измельчается до 1-2 см и направля-

ется на растворение.

Третья стадия аффинажа платины - хлорирование - заключается в рас-

творении измельченной платины газообразным хлором в среде концентриро-

ванной соляной кислоты при Ж:Т=3:1. Оптимальная температура хлорирова-

ния (60-80

С) поддерживается изменением расхода хлора. Параметром окон-

чания процесса является достижение плотности раствора 1,82-1,85 г/см , что

соответствует концентрации платины 500-600 г/л. Раствор декантацией отде-

ляют от нерастворимого осадка и передают на операцию "доводки". Сле-

дующей операцией является разбавление растворов и восстановление осаж-

дением золота из раствора при 100

С действием сахара или целлюлозы. Мяг-

кий восстановитель вводят порционно с анализом раствора на золото. Избы-

ток реагента вреден, т. к. потенциал раствора не должен снижаться менее 580

мВ, что приводит к частичному восстановлению платины (IV) до (II). Раствор

отфильтровывают от полученного осадка, который направляют на извлече-

ние сначала платины, затем палладия и его спутников, и золота.

Четвертая стадия аффинажа - контрольная фильтрация. Раствор пла-

тины разбавляют и направляют на контрольную фильтрацию для достижения

полной очистки от взвеси, что определяется аппаратчиками по пробе раство-

ров.

Пятая стадия аффинажа необходима для осаждения финишной, чис-

той соли платины раствором хлорида аммония (ГХПА-2). Пульпу после оса-

ждения фильтруют, соль отмывают тщательно водой, а маточный раствор и

промводы направляют на доосаждение платины совместным действием

окислителя и дополнительного количества хлорида аммония. Осадки перера-

батывают по схеме "грязной" соли ГХПА, а раствор направляют в цех обо-

гащения на растворение футеровки.

Шестая стадия - прокаливание ГХПА-2. Чистую соль ГХПА-2 прока-

ливают в платиновых противнях, губку измельчают, прессуют и плавят в ин-

дукционной печи с получением слитков. Для получения платины в виде по-

рошка губку измельчают, просеивают, проваривают в соляной и плавиковых

кислотах, сушат и комплектуют в партии.

Основными технологическими стадиями из приведенных выше, явля-

ются первые три стадии, которые и рассматриваются в дальнейшем.

Материальный и тепловой балансы первой стадии аффи-

нажа платины

Синтез математических моделей основан на дифференциальных урав-

нениях мгновенных балансов веществ, принимающих участие в процессе, и

различных видов энергии.

Материальный баланс первой стадии процесса аффинажа плати-

ны. Методику составления материального баланса покажем на примере ма-

териального баланса первой стадии. Перед составлением материального ба-

ланса процесса аффинажа платины следует сделать следующие замечания о

протекании данного процесса.

Здесь имеет место основная химическая реакция

[PtCl

]+2NH

Cl ->(NH

)

[PtCl

]↓+2NaCl, (3.3)

3процесс аффинажа экзотермический и ведется с избытком хлорида

аммония.

Реакция осаждения платины является гетерогенной. При гетерогенных

реакциях взаимодействующие вещества находятся в различных фазах (агре-

гатных состояниях), а процесс химического превращения протекает на гра-

нице раздела этих фаз.

Гетерогенная реакция протекает в несколько стадий:

диффузия жидких реагентов к активной поверхности реакции;

адсорбция исходных реагентов на активной поверхности и частичная

десорбция;

поверхностная химическая реакция с образованием жидких и газооб-

разных продуктов реакции в адсорбированном состоянии;

десорбция продуктов реакции с активной поверхности;

обратная диффузия жидких продуктов реакции в объеме аппарата.

Составим материальные балансы по основным элементам процесса

аффинажа платины:





(3.4)

где n - число исходных компонентов; G - количество вещества в аппарате; G

- суммарный поток веществ. Поток по платине

/dt = G

ВХ

+ G

Х.В

+ G

ВЫХ

(3.5)

где G

ВХ

- входной поток; G

Х.В

- поток химического взаимодействия; G

ВЫХ

выходной поток.

Платина поступает на аффинаж в растворе, математическая модель

входного потока по платине представлена формулой

ВХ

= V

исх

(3.6)

где V

исх

- объем хлоридного раствора, поступающего на аффинаж платины, л;

- концентрация платины в хлоридном растворе, г/л.

Математическая модель потока химического взаимодействия имеет вид

Х.В

= k

NH4Cl

(3.7)

где k - константа скорости реакции; C

NH4Cl

- концентрация хлорида аммония в

растворе, г/л; V

- величина активного объема, м

Платина содержится в продуктах взаимодействия реагентов - осадке и

частично в растворе, поэтому математическое описание выходного потока

имеет вид

ВЫХ

,+V

p-рa*

) (3.8)

где b - коэффициент, зависящий от режима отвода реагентов из аппарата; V

объем осажденной соли, м ; С

, - концентрация платины в осажденной соли,

г/л; V

p-pa

- объем выходного раствора, л; С

- концентрация платины в вы-

ходном растворе, г/л.

Материальный баланс по платине имеет вид:

/dt=V

исх*

р-р

+ k

NH4Cl*

– b (V

p-pa*

) (3.9)

Составим материальный баланс по аммонию.

Поток по аммонию

NH4

/dt= G

вх

– G

вых

(3.10)

Аммоний поступает на аффинаж в растворе, математическая модель

входного потока по аммонию будет выглядеть следующим образом:

вх

-C

р-р

NH4

(3.11)

где V

- объем заливаемого хлорида аммония, л; С

р-р

NH4

- концентрация аммо-

ния в заливаемом растворе хлорида аммония, г/л.

Аммоний содержится в осаждаемой соли; математическую модель

входного потока можно представить в виде формулы

вых

NH4

(3.12)

где C

NH4

- концентрация аммония в осажденной соли, г/л..

Таким образом, материальный баланс по аммонию будет иметь вид

NH4

/dt=V

р-р

NH4

- b

NH4

(3.13)

Суммарный материальный баланс по платине и аммонию выглядит

следующим образом:

dG/dt=V

исх*

р-р

–k

NH4*

–b

p-pa*

р-р

NH4

-b

NH4

(3.14)

Тепловой баланс первой стадии процесса аффинажа платины.

Общий тепловой баланс первой стадии имеет вид

dQ/dt=∑ Q

(3.15)

где n - число тепловых потоков; Q - количество тепла в аппарате; Q

- сум-

марные потоки тепла в реакторе.

Дифференциальное уравнение теплового баланса также необходимо

выразить через переменные процесса аффинажа платины.

Уравнение суммарного теплового потока процесса аффинажа платины

выглядит следующим образом:

= Q

ВХ

+ Q

Х.В

+ Q

ВЫХ

+ Q

ТП

+ Q

(3.16)

где Q

- входной тепловой поток; Q

X.B

- количество тепла, выделяемое при

химических взаимодействиях; Q

BЫX

- выходной тепловой поток; Q

ТП

- тепло-

вые потери; Q

- тепловой поток от внешних источников.

Входными потоками являются поток хлоридного раствора и хлорида

аммония. Уравнение входного теплового потока примет вид

ВХ

= λ

p-pa

1 p-p

p-pa

+ λ

NH4Cl

(3.17)

где λ

p-pa

- удельная теплоемкость хлоридного раствора; V

1p-p

-объем заливае-

мого хлоридного раствора, л; - T

p-pa

температура хлоридного раствора, °С; λ

NH4Cl

- удельная теплоемкость хлорида аммония; V

NH4Cl

- объем заливаемого

хлорида аммония, л; T

NH4Cl

- температура хлорида аммония, °С.

Для поддержания температурного режима подается горячая вода, по-

этому тепловой поток

г.в.*

г.в*

г.в

(3.18)

где λ

г.в

- удельная теплоемкость горячей воды; G

г.в

- расход горячей воды, л;

г.в

- температура горячей воды,

С.

Тепло из аппарата отводится с получаемым раствором и с осажденной

солью, выходной поток

ВЫХ

= λ

соли

+ λ

NaCl

(3.19)

где λ

соли

- удельная теплоемкость осаждаемой соли; m

- масса осаждаемой

соли, кг; Т

- температура соли, °С; λ

NaCl

- удельная теплоемкость получае-

мого раствора; V

NaCl

- объем получаемого раствора, л; T

NaCl

- температура по-

лучаемого раствора,

С.

Тепловые потери

TП

=λ

m-(T

-T

) (3.20)

где λ

- удельная теплоемкость реактора; m - масса реактора, кг; Т

и Т

внутренняя и наружная температура стенок реактора, °С. В результате хими-

ческой реакции выделяется тепло:

Х.В

v (3.21)

где q - тепловой эффект реакции, отнесенный к молю исходного вещества; v -

число молей исходного вещества.

Таким образом, тепловой баланс первой стадии имеет вид

dQ/dt=λ

p-pa *

1p-p*

p-pa

+λ

NH4Cl*

NH4Cl

+λ

г.в.*

г.в*

г.в

соли*

- λ

NaCl*

NaCl

- λ

-T

) + q

(3.22)

Полученные уравнения материального и теплового балансов использо-

ваны для построения математической модели функционирования первой ста-

дии аффинажа платины.

Математические модели функционирования остальных стадий по-

строены по реализованной выше методике и позволяют исследовать процес-

сы, протекающие на данных стадиях в диалоговом режиме.

Анализ влияния изменеий основных технологических параметров

на процессе аффинажа палладия

Анализ проведем с учетом технологических параметров на основных

стадиях производства.

На стадии осаждения ГХПА-1 наиболее важным управляющим пара-

метром является величина избытка хлорида аммония, подаваемого в раствор.

При отклонении от оптимального значения (20-25 г/л) в меньшую сторону

(<20 г/л) происходит недостаточно полное осаждение платины из раствора, а

при отклонении в большую сторону (>25 г/л) происходит резкое увеличение

содержания примесей а соли ГХПА-1, что является основными выходными

показателями процесса.

На этапе прокаливания важен момент изменения физических свойств

платиновой губки. Если после окончания выделения возгонов платиновая

губка имеет темный цвет и при ударе крошится, то это говорит о том, что

еще большая часть примесей не удалена. Поэтому необходимо продолжить

процесс прокаливания до тех пор, пока платиновая губка не примет серый

цвет и не будет мяться при ударе.

Процесс хлорирования характеризуется двумя важными управляющи-

ми технологическими параметрами: расходом хлора и количеством подавае-

мой воды для охлаждения реактора. И тот и другой параметры пажны для

поддержания оптимальной температуры хлорирования. Уменьшение расхода

хлора ведет к понижению температуры в реакторе, а его увеличение приво-

дит к резкому температурному скачку, что может вызвать аварийную ситуа-

цию - выброс хлора в производственное помещение. Расход воды во время

процесса хлорирования не должен уменьшаться, т.к. это может привести к

описанной выше ситуации.

ОПИСАНИЕ ТРЕНАЖЕРА

Компьютерный тренажер состоит из трех подпрограмм (объединенных

головной программой): осаждения соли ГХПА-1; прокаливания ГХПА-1;

хлорирования ГХПА-1.

Головная программа представляет собой меню выбора запуска той или

иной подпрограммы (ознакомительный режим работы). Также предусмотре-

на возможность выбора варианта задания начальных или промежуточных ис-

ходных данных (если процесс аффинажа ведется не с первой стадии). Для

этого необходимо в головной программе выбрать пункт меню «Задания».

Программа предложит ввести фамилию и группу студента, выбрать номер

варианта задания и начальную стадию обучения (любую из трех стадий). По-

сле окончания работы с тренажером можно просмотреть результаты работы,

выбрав пункт меню «Результаты».

Все компьютерные тренажеры реализованы с помощью имитационных

моделей, работающих в диалоговом режиме, в котором возможен выбор ре-

ального времени работы моделей или ускоренного масштаба.

Компьютерный тренажер исследования влияния основных техно-

логический параметров на процесс осаждения гпха-1

В программе представлена условная схема реактора РТ-630 (рис 3.1), в

котором производится процесс осаждения, а также все кнопки управления

процессом. Первоначально, как и во всех последующих стадиях, нужно уста-

новить ускорение таймера, которое показывает, с какой скоростью будет

протекать процесс - либо в реальном процессе времени (значение "О" или

"1"), либо с заданным ускорением. ')то делается с помощью переключателя

"Ускорение таймера".' Затем необходимо заполнить реактор исходным рас-

твором (около 340 л), включить перемешивание и подать хлорид аммония.

Это выполняется с помощью следующей последовательности нажатий

управляющих кнопок: "подача раствора", "включить перемешивание", "пода-

ча хлорида аммония".

Рис. 3.1 – Мнемосхема компьютерного тренажера

«Аффинаж платины»

Перед тем как нажимать кнопку "подача хлорида аммония", необходи-

мо выбрать режим подачи хлорида аммония (с помощью переключателя "ре-

жим подачи хлорида аммония"). Существует два режима: ручной и автома-

тический.

Ручной режим позволяет вручную выключать поступление хлорида

аммония в реактор с помощью кнопки "стоп" (появляется после нажатия на

кнопку "подача хлорида аммония").

Автоматический режим предусмотрен в случае использования на про-

изводстве реальной автоматической системы, прекращающей подачу хлорида

аммония после проявления теплового эффекта химической реакции в реакто-

ре.

Изменение температуры в реакторе можно наблюдать в окне "Тепловой

эффект химической реакции". После этих действий берется химическая про-

ба для проверки избытка хлорида аммония в растворе. Это делается с помо-

щью нажатия кнопки "результаты пробы". В диалоговом окне показывается

значение избытка хлорида аммония. Подтвердив увиденное значение на-

жатием на кнопку "Ok", можно скорректировать значение с помощью пере-

ключателя "Избыток NbUCi". Установив недостающее значение избытка

хлорида аммония (см. с.32), необходимо нажать кнопку "добавить". После

этого нужно выключить перемешивание в реакторе, что делается нажатием

кнопки "стоп". На этом первая стадия считается оконченной. Нажатием на

кнопки "состав раствора" и "помощь" вызываются окно состава первичного

раствора и, соответственно, окно помощи.

С помощью кнопки "перезапуск" можно перезапустить весь процесс

заново. Выход из программы осуществляется нажатием на кнопку "выход".

Компьютерный тренажер для исследования процесса прокаливания

Процесс прокаливания является наиболее простым в технологической

цепочке аффинажа платины. Процесс начинается с нажатия кнопки "запуск"-

Далее температура в печи ступенчато повышается с помощью кнопок "уве-

личение/уменьшение температуры в печи" до ~!000 С. После того, как газо-

вые составляющие перестают выделяться из заготовок, помещенных в печь

(определяется визуально на условной схеме печи), нажимается кнопка "фи-

зические характеристики платиновой губки".

Если появляется сообщение, что губка имеет серый цвет и мнется при

ударе. то процесс прокаливания заканчивается нажатием кнопки «Стоп». В

противном случае процесс прокаливания продолжается еще некоторое время.

Компьютерный тренажер исследования процесса хлорирования

Процесс хлорирования начинается с загрузки в реактор измельченной

платины после процесса прокаливания (кнопка "загрузка платины", прибли-

зительно 100 кг). Затем платина заливается соляной кислотой (кнопка "пода-

ча НСГ, около 300 л). После этого смесь подогревается за счет подаваемого

пара (кнопка "подогрев реактора"). Далее включают подачу хлора (кнопка

"подача хлора").

Как только температура в реакторе начинает расти, необходимо вы-

ключить подогрев (кнопка "выключить подогрев" (появляется после нажатия

на кнопку "подогрев реактора")) и включить водяное охлаждение (переклю-

чатель "подача воды").

При установившемся химическом процессе (температура в реакторе

принимает постоянное значение с течением времени), необходимо следить за

понижением температуры (примерно через 3 часа, после начала процесса

хлорирования). Как только температура начинает понижаться, проверяют

плотность раствора в реакторе,