ПРИНЦИПЫ ОБОГАЩЕНИЯ СЫРЬЯ

Важное технико-экономическое значение в рациональной переработке сырья имеет использование концентрированного сырья, обогащенного полезными компонентами. Применение концентрированного сырья снижает стоимость последующей химической переработки и, следовательно, стоимость продукта производства и повышает его качество. Такое сырье способствует интенсификации технологического процесса и экономии топлива. Расходы на транспортировку сырья к месту переработки снижаются пропорциональ­но концентрации ценных компонентов. Возможность получения Концентрированного сырья непосредственно связана со значитель­ным расширением сырьевых запасов, так как позволяет экономич­но перерабатывать бедные руды.

Концентрированное сырье получают его обогащением, под которым понимают совокупность процессов первичной (механиче­ской) обработки минерального сырья, имеющих целью отделение всех полезных минералов (концентрата) от пустой породы. К обо­гащению также относятся процессы взаимного разделения полез­ных минералов. В процессе обогащения отделяют ценные компо­ненты от примесей, используя различия в их физических, физико-химических и химических свойствах, а также разделяют на компо­ненты сложные смеси, полиметаллические руды. Методы обогаще­ния разнообразны и принципиально различны для твердого, жид­кого и газообразного сырья.

Твердое минеральное сырье входит в состав горных пород в виде минералов, представляющих собой физически обособленные вещества или смеси веществ. Горную породу предварительно из­мельчают, чтобы нарушить связь между кристаллами или зернами различных минералов. Измельченная масса поступает на обогаще­ние, в результате которого получают концентрат (фракция, обога­щенная полезными компонентами) и так называемые хвосты. Для твердого сырья чаще всего применяют механические способы обогащения — рассеивание (грохочение), гравитационное разделе­ние, электромагнитную и электростатическую сепарацию, а также физико-химический метод — флотацию.

Рассеивание (грохочение) применяют для разделения твердой породы, содержащей минералы, различной прочности и образующейся при измельчении зерна разной величины. При последо­вательном пропускании измельченного сырья через грохоты — ме­таллические сита с отверстиями разных размеров — происходит раз­деление на фракции, обогащенные определенным минералом. Про­изводительность грохота пропорциональна размеру отверстий сита.

Гравитационное обогащение (мокрое и сухое) основа­но на разной скорости падения частиц измельченного материала, имеющего различную плотность, форму и размеры в потоке жидкости или газа или на действии центробежной силы. Чаще всего проводят мокрое обогащение.

К гравитационным процессам обогащения относятся отсадка, обогащение в тяжелых суспензиях, на концентрационных столах, винтовых сепараторах и др. Один из возможных вариантов грави­тационного обогащения представлен на рис. 1.

К экономичным аппаратам для разделения минералов и мокрого гравитационного
обогащения, основанного
на действии центробежной силы, относится гидроциклон (рис.2).
Гравитационные способы применяют для обогащения сырья в производствах минеральных солей, силикатных материалов, в ме­таллургии, а также при обогащении углей.

Электромагнитное и электростатическое обо­гащение основано на различиях в магнитной проницаемости или в электрической проводимости компонентов сырья. Эти спосо­бы применяют для разделения магнитовосприимчивых частей от немагнитных и электропроводящих от диэлектриков. Разделение осуществляют в электромагнитных и электростатических сепараторах, имеющих сходный принцип действия. Так, в электромагнитном сепараторе (рис. 3) в барабан ленточного транспортера вмонтирован электромагнит. Измельченное сырье, проходя над поверхностью барабана, разделяется: немагнитные частицы падают в бункер для немагнитной фракции; магнитные частицы задерживаются на лен­те, пока лента не выйдет из поля действия электромагнита, а затем попадают в соответствующий бункер.

Электростатические сепараторы вместо магнита снабжены электродом, соединенным с отрицательным полюсом выпрямителя элек­трического тока.

Флотация — широко распространенный способ обогащения, применяющийся для разделения различных сульфидных руд, отделения апатита от нефелина, обогащения каменных углей и многих других минералов. Флотация основана на различии в избирательной смачиваемости водой и прилипании частиц обогащаемо­го минерала к пузырькам пропускаемого через пульпу воздуха. Плотность агрегата минерал — воздух меньше, чем плотность того же объема пульпы, поэтому он всплывает на поверхность.

Большинство минералов природных руд мало отличаются по смачиваемости друг от друга. Для их разделения необходимо создать условия неодинаковой смачиваемости водой отдельных ком­понентов породы, для чего применяют разнообразные химические соединения — флотационные реагенты. Они избирательно усиливают или ослабляют смачиваемость водой, а также прилипаемость к пузырькам воздуха взвешенных минеральных частиц. Внесенные в пульпу флотореагенты, называемые собирателя­ми (коллекторами), адсорбируются поверхностью определен­ного минерала (минералов), образуя гидрофобный адсорбционный слой. Гидрофобизированные частицы прилипают к пузырькам воз­духа и поднимаются на поверхность пульпы в пену, находящуюся на поверхности пульпы, и удаляются вместе с нею. Собирателями служат поверхностно-активные органические вещества, содержа­щие полярную и неполярную группы, например жирные кислоты и их мыла, такие, как олеиновая, нафтеновые, а также ксантогенаты, чаще всего калия — R—О—С—S—К, и т. п.

Полярные группы молекул собирателя при адсорбции направ­лены в сторону поверхности минеральных частиц, а неполярные — в сторону воды, образуя гидрофобную оболочку. Частицы, которые не адсорбируют коллекторы, в частности пустая порода, остаются в пульпе, образуя так называемый камерный продукт. Минерализованная пена, которая и дает фло­тационный концентрат,должна быть устойчивой, плотной и подвижной. Такая пена создается внесением в суспензию пенообразователей, поверхностно-активных веществ, образующих адсорбцион­ные пленки на поверхности пузырьков воздуха. К наиболее эффек­тивным пенообразователям относятся сосновое масло, вспениватели ОПСБ, Т-80 и др.

Для изменения флотируемости минералов путем регулирова­ния действия на их поверхность собирателей применяется группа реагентов, объединяемых под общим названием модификато­ры: к ним относятся депрессоры, активаторы и регуляторы среды. К депрессорам, которые повышают смачиваемость твердых частиц, относятся известь, цианиды, цинковый купорос, силикат натрия (жидкое стекло), сульфит натрия и др. Активаторы (применяют для активации поверхности) — медный купорос, серная кислота, сульфид натрия и др. К регуляторам среды относят известь, соду, серную кислоту.

В зависимости от формы разделения компонентов руды разли­чают коллективную и селективную флотацию.

Коллективной флотацией называют процесс, при кото­ром получают концентрат, содержащий все полезные компоненты, и пустую породу. Коллективный концентрат затем может быть раз­делен на отдельные составляющие. Это разделение можно осу­ществить с помощью избирательной или селективной флотации. При избирательной флотации кроме собирателей и пенообразова­телей в процесс вносят депрессоры, способные усиливать гидрофильность определенных минералов, препятствуя их всплыванию.

Последующим внесением активаторов снимают действие депрессоров и способствуют всплыванию минералов, которые в предыду­щей стадии флотации погрузились в жидкость. Эффективность флотации повышается добавкой регуляторов, изменяющих рН сре­ды и усиливающих воздействие флотореагентов.

Процесс флотации осуществляется во флотационных машинах, где пульпа перемешивается и насыщается воздухом, который дис­пергируется на мелкие пузырьки. По способу перемешивания и аэрации пульпы флотационные машины разделяются на механические, пневмомеханические и пневматические. Широкое применение имеют пневмомеханические флотационные машины, в которых пе­ремешивание пульпы осуществляется одновременно импеллером и сжатым воздухом.

Термическое обогащение твердого сырья основано на различии в плавкости компонентов сырья. Например, нагреванием серосодержащей породы отделяют легкоплавкую жидкую серу от пустой породы, состоящей из более тугоплавких известняков, гип­са и др.

Химическое обогащение основано на различии во вза­имодействии компонентов сырья с химическими реагентами с последующим выделением образовавшегося соединения осаждением, испарением, плавлением и т. п. Примерем химического обогаще­ния могут служить восстановительный обжиг медного колчедана CuFeS₂, в результате чего увеличивается концентрация меди (медный штейн); обжиг для удаления балластных органических приме­сей, кристаллизационной воды и пр.

Основными показателями процесса обогащения являются: 1) из­влечение полезного компонента в концентрат; 2) выход концентра­та; 3) качество концентрата; 4) эффективность флотации.

Извлечениеполезного компонента в концентрат определяется отношением массы полезного компонента в концентрате к его массе в руде и выражается в процентах.

Выход концентрата представляет собой отношение массы полученного концентрата к массе переработанной руды и тоже выражается в процентах.

Качество концентрата характеризуется обычно процент­ным содержанием в нем полезного компонента.

Эффективность процесса флотации характеризуется отношением содержания полезного компонента в концентрате к со­держанию его в исходной руде.

Для выделения ценных компонентов из жидкостей часто при­меняют экстракцию.

Экстракция — процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из водной фазы в жидкую органичес­кую. При этом предполагается, что органическая фаза практически не растворяется в водной. После разделения фаз последующей реэкстракцией извлекаемый компонент вновь переводят в водную фазу в более концентрированном виде и одновременно регенериру­ют экстрагент.

Хорошими экстрагентами являются карбоновые или нафтено­вые кислоты, амины, четвертичные аммониевые основания, кото­рые хорошо растворимы, например, в керосине, гексане.

Экстракция широко применяется в гидрометаллургии, в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Аппараты, в которых осуществляется экстракция, называются экстракторами. Экс­тракторы бывают различной конструкции периодического и непре­рывного действия. В последнее время стали внедряться центро­бежные противоточные непрерывно действующие экстракторы боль­шой производительности.

Газовые смеси разделяют, используя различия компонентов смеси в температурах кипения, растворимости и других свойствах. Разные температуры кипения дают возможность при сжатии и сильном охлаждении последовательно конденсировать отдельные компоненты.

Широкое распространение в промышленности для разделения газовых смесей находят методы сорбции — избирательное пог­лощение компонентов смеси жидкими (абсорбция) или твердыми (адсорбция) веществами. Поглощенные компоненты выделяют (про­цесс десорбции) нагреванием, обработкой водяным паром и т. п. Примером адсорбционного метода служит непрерывный процесс се­лективного разделения газовых смесей при помощи движущегося адсорбента — активированного угля, который называется гиперсорбцией. Высокий коэффициент извлечения компонентов изсмеси и низкий удельный расход пара на десорбцию обусловлива­ют экономичность данного метода.

В связи с появлением новых высокопрочных и достаточно ем­ких адсорбентов гиперсорбция вновь начинает все больше внед­ряться в практику разделения попутных нефтяных газов, смесей этилена, ацетилена и др.