بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبيه سازي و بهينه سازي فرایند استخراج نيکل از سنگ معدن اکسيدي لاترايت
چکيده
براي استخراج نيکل از سنگ معدن اکسيدي لاترايت هنوزفرایند بي عيب وبهينه اي وجود ندارد. در طي ۴۵ سال گذشته فرایند Pressure Acid Leaching براي اين عمل مورد تحقيق قرار گرفته است در اين صنايع بخشي از سنگ معدن نيکل که غلظت بالايي از منيزيم دارد ( ساپرولايت ) به دليل مصرف بالاي اسيد مورد بهره برداري قرار نمي گيرد.دراين مقاله ابتدا به بررسي سينتيک استخراج نيکل مي پردازيم . مباحث مربوط به شبيه سازي و بهينه سازي (توسط نرم افزارAspen Plus١١١)و مباحث اقتصادي واحد اصلي فرایند استخراج نيکل از قسمتي از سنگ معدن لاترايت که غلظت کمي از منيزيم دارد (ليمونيت ) در ادا مه مطرح مي شود .به منظور استفاده از ساپرولايت فرآيندي در ۲۵ سال پيش پيشنهاد شد که در اين مقاله استفاده شده است . شبيه سازي و بهينه سازي (توسط نرم افزار ١١.١ Aspen Plus) و مباحث اقتصادي فرایند استخراج نيکل از سنگ معدن ساپرولايت نيز مورد بحث قرارمي گيرد.دراين فرایند ابتدا در يک راکتور اتمسفريک مقداري ازنيکل استخراج مي شود و سپس قسمت واکنش نداده به همراه سنگ معدن ليمونيت وارد راکتور فشار بالا مي شود تا تقريبا تمام نيکل استخراج شود. سپس نسبت برگشت سرمايه را که معيار اقتصادي مناسبي براي مقايسه دو واحدمي باشد براي ۲ واحد درحالت بهينه در انتها با هم مقايسه مي کنيم .دراين مقاله نشان داده شده است که استفاده از ترکيب استخراج درفشار اتمسفريک براي سنگ معدن با غلظت بالاي منيزيم و استخراج درفشار بالا براي سنگ معدن با غلظت کم منيزيم نسبت به استخراج نيکل از سنگ معدن ليمونيت در راکتور فشار بالا نسبت برگشت سرمايه بالاتري دارد.
کلمات کليدي :نيکل ، leaching،شبيه سازي ،بهينه سازي
مقدمه
درصد توليد نيکل ساليانه ۴%افزايش دارد. در سال ۱۹۵۰ تنها ۱۰%ازنيکل توليدي از لاترايت (سنگ معدن اکسيدي ) بود در سال ۲۰۰۳ اين مقداربه ۴۲%رسيد در حاليکه ۷۲%از منابع نيکل لاترايت مي باشد، با وجود اين درصد منابع پيش بيني مي شود که در سال ۲۰۱۲ مقدار نيکل توليدي از لاترايت به ۵۱%برسد[١] . اين موضوع نشاندهنده اهميت بررسي استخراج نيکل اراين سنگ معدن مي باشد.
قسمت ليمونيت سنگ معدن داراي ۱.۲ تا ۱.۷ درصد نيکل و۱ تا ۲ درصد منيزيم مي باشد در حاليکه ساپرولايت آن داراي ۱.۵ تا ۳ درصد نيکل و۱۰ تا ۲۰ درصدمنيزيم مي باشد.[٢]
در صد وزني مواد مختلف در نمونه اي از سنگ معدن ليمونيت و ساپرولايت فيليپين که در شبيه سازي نيز از آن استفاده کرديم در جدول (۱)آورده شده است .
با توجه به در صد نيکل ، ۲ فرایند HPAL(ليچينگ با اسيد در فشار بالا) و فرایند کارون (Caron)توصيه شده اند.[١] دراين مقاله ازفرایند HPAL استفاده شده است .
اما مهمترين دستگاه عملياتي دراين فرایند راکتورمي باشد. به همين دليل لازم است که اطلاعات جامعي ازسينتيک واکنش استخراج نيکل در راکتور فشاربالاو اتمسفريک در دسترس باشد .
سينتيک واکنش استخراج نيکل :
اولين عاملي که بايد بررسي شود توزيع ذرات سنگ معدن اکسيدي لاترايت مي باشد. اندازه ذرات در مقالات مختلف که کارهاي آزمايشي روي آن انجام دادند تقريبا در حديک ميکرومتر گزارش شده است . بنابراين با توجه به يکنواخت بودن توزيع ذرات ، بحث جدا کردن ذرات مختلف و بررسي توزيع آنها در سرعت واکنش استخراج راکتور مطرح نمي باشد.
اثر همزن نيز مورد بررسي قرار گرفته و متوجه شدند که اين اثرنيز برروي درصد استخراج نيکل تاثيرکمي دارد لذا مورد بررسي قرارنمي گيرد.[٢]
حال با توجه به اينکه واکنش سنگ معدن لاترايت و اسيد سولفوريک از نوع جامد- سيال مي باشد بايد انواع مدل هاي هسته ترکيب نشده (SCM)را براي استخراج نيکل در مقابل زمان با داده هاي موجود منطبق کرد تا بهترين حالت بدست آيد. اين نمودارها در شکل (۱) نشان داده شده اند.[٢] نمودار آخري در شکل (۱) بهترين تطابق را با داده هاي تجربي دارد.[٢] که مربوط به حالتي است که اندازه ذره کروي ثا بت مي ماند و نفوذ از ميان خاکستر کنترل کننده مي باشد. فرم کلي اين معا دله به صورت زيرمي باشد.
که X درصد تبديل نيکل و زمان اتمام واکنش بر حسب دقيقه مي باشد.
ذرات سنگ معدن داراي درصد تخلخل بالا (۰.۷۰۸) مي باشند. همچنين مي دانيم که ذره هاي اکسيد آهن (goethite )از تجمع دانه هاي سوزن مانند به هم فشرده تشکيل شده اند. ذرات سوزني شکل سنگ معدن مادامي که در طول عمل استخراج حل مي شوند هيچ لايه خاکستري بر روي سطح آنها تشکيل نمي شود.(شکل (۲)) بنابراين نتيجه مي گيريم که هرچند معادله (۱) از نظر رياضي به خوبي با داده هاي تجربي تطابق دارد اما از نظر فيزيکي توجيهي ندارد.
حال به بررسي مدل هاي ديگر مربوط به واکنشهاي سيال - جامد که معادله آنها مشابه معادله (۱) مي باشد مي پردازيم .
اين معادلات عبارتند از :
۱-مدل همگن (homogeneous model) در حالتي که نفوذ کنترل کننده باشد .
۲-مدل حفره يکنواخت (uniform pore model)وقتي که واکنش شيميايي کنترل کننده باشد.
۳- مدل دانه (grain model): مطابق اين مدل ذرات جامد به صورت حبه هايي که شامل
دانه هاي متراکم که به هم فشرده شده اند مي باشند که هر دانه جداگانه مطابق مدل هسته ترکيب نشده واکنش مي دهد و سيال واکنش دهنده تا زماني که در حال واکنش مي باشد از بين درزهاي دانه ها نفوذ مي کند، واکنش روي سطح انجام مي شود.
اگر مرحله نفوذ از ميان حفره ها کنترل کننده باشد مدل زير براي ذرات کروي بدست مي آيد
شکل (۱): منطبق کردن داده هاي تجربي با انواع شکل هاي مدل هسته ترکيب نشده (SCM)
که در آن Fg ضريب شکل دانه ها مي باشد که برابربا ١، ٢ و٣ به ترتيب براي دانه هاي مسطح ، استوا نه اي و کروي مي باشد. Ag سطح دانه بر حسب سانتيمتر مربع و Vg حجم دانه بر حسب سانتيمتر مکعب مي باشد. RP شعاع ذره برحسب سانتيمترو k ثابت واکنش بر حسب دانسيته مولي بر حسب مول بر سانتيمتر مکعب مي باشند.
شکل (۲) :شکل جامد در مدت زمان استخراج - بزرگنمايي ١٢٢٠٠٠ مرتبه
مشاهده مي شود که معادله اين مدل نيز با معادله مدل هسته ترکيب نشده وقتي که نفوذ از ميان خاکستر کنترل کننده مي باشد تطابق دارد.
مدلي که ما نيز براي انحلال نيکل سنگ معدن ليمو نيت در اسيد سولفوريک پيشنهاد مي کنيم اين مدل مي باشد و مرحله نفوذ از حفره ها مرحله کنترل کننده مي باشد.
با استفاده از معادله (۲) معادله زير براي استخراج نيکل بدست مي آيد .[٢]
در معادله مورد نظر داريم :
اما استفاده از اين سينتيک با توجه به اينکه در زمانهاي مختلف بايد عواملي چون ضريب نفوذ، در صد تخلخل ، چگالي و اندازه ذره را داشته باشيم ، زيادمفيد نمي باشد .
در شبيه سازي راکتور فشار بالاازسينتيک زيرکه در دماي 250 C مي باشد استفاده مي کنيم . در اين معادله جزء جرمي نيکل درجامد و مولاليته يون هيدروژن مي باشد.
سينتيک استفاده شده اين مزيت را دارد که ضريب واکنش بر خلاف معادله (۳) در زمانهاي مختلف ثابت مي باشد و همچنين تطابق خوبي با داده هاي تجربي دارد.[٣]
در خصوص سينتيک واکنش استخراج نيکل در راکتور اتمسفريک کار زيادي نشده است و از تنها رابطه داده شده که فرم آن مشابه سينتيک راکتور فشار بالامي باشد استفاده مي کنيم .[٣]
شبيه سازي وبهينه سازي واحداستخراج نيکل از ليمونيت
کار شبيه سازي و بهينه سازي توسط نرم افزار ١١.١ Aspen plus انجام شده که در شکل (۳) دياگرام آن آورده شده است .[٤]
همانطوريکه در دياگرام نشان داده شده است ابتدا سنگ معدن با حدود ۵۰%وزني آن آب وارد راکتورمي شود و با اسيد سولفوريک که به اندازه ۱۸%وزني سنگ معدن خشک مي باشد واکنش مي دهد. با توجه به اينکه واکنش استخراج نيکل کندترين واکنش مي باشد لذا حجم راکتور را واکنش نيکل تعيين مي کند. واکنش مواد ديگر که در تعيين حجم راکتورتاثيري ندارند را در راکتور اول انجام مي دهيم . استخراج نيکل در راکتور CSTR با سينتيک معرفي شده در معادله (۴) انجام مي شود. زمان اقامت را ۱ ساعت در نظر مي گيرم . در اينجا حدود ۹۵% نيکل استخراج مي شود .مايع غليظ خروجي از راکتورکه يونهاي مورد نظر در آن مي باشد وارد CCD Wash مي شود. دراين واحد، ضمن جداسازي مايع غليظ از ذرات جامد، شستشوي ذرات جامد با آب نيز انجام مي شود.[٤]
مقدار آب بايد به اندازه اي باشد که حدود ۹۵% يونهاي نيکل وارد جريان مايع شود .CCD wash شامل ۷ مرحله مي باشد که هرمرحله مثل يک تغليظ کننده (thickener )عمل مي کند.[٥] مايع غليظ سپس به منظور خنثي سازي وارد يک راکتورمي شود. اين مرحله راکتور به جهت تهيه يک محيط خنثي به منظور رسوب سولفيد در مرحله بعدي مي باشد. خنثي سازي توسط کربنات کلسيم انجام مي شود که مقدار کربنات کلسيم با توجه به مقدار يون هيدروژن تنظيم مي شود. دوغاب سنگ گچ توليد شده براي جدا سازي به CCD Wash برگردانده مي شود. مايع مورد نظر به منظور رسوب نيکل آن وارد يک راکتور مي شود که با H2S در دماي 120 Cو فشار ١٠٠٠ کيلو پاسکال واکنش داده ، نيکل آن به صورت سولفيد نيکل رسوب مي کند. [٥] سپس در يک تغليظ کننده NiS جدا مي شود. چون در مرحله رسوب سولفيد ،يون هيدروژن زيادي توليد مي شود به منظور خنثي سازي آن يک راکتور خنثي کننده در انتها قرار داده شده که خنثي سازي با کربنات کلسيم درآن انجام مي شود.
بعد از شبيه سازي فرایند استخراج نيکل ، بهينه سازي بايستي انجام شود. دراينجا تابعي که براي بهينه کردن در نظرمي گيريم نسبت برگشت سرمايه (ROI) مي باشدکه داريم :
سرمايه گذاري کل .سود ساليانه پس از کسر ماليات =نسبت برگشت سرمايه دراينجا چند متغيير وجود دارد که مي توان بهينه سازي را بر حسب آنها انجام داد که عبارتند از مقدار اسيد سولفوريک در خوراک ورودي ، مقدار آب در واحد CCD wash، مقدار کربنات کلسيم در مراحل خنثي سازي و مقدار سولفيد هيدروژن . بعضي از مواد مثل سولفيد هيدروژن و کربنات کلسيم حدود ۲۰% بيش از استوکيومتري وارد مي شوند، به اين علت در بهينه سازي تاثيري ندارند. مقدار نهايي اين مواد را مي توان بعد از بهينه سازي ، با استفاده از Sensitivity بدست آورد. دراينجا براي بهينه سازي فرایند را بر حسب ۲ متغيير، مقداراسيد سولفوريک وآب مصرفي در CCD Wash انجام مي دهيم .
با توجه به ضريب لانگ براي فرایند جامد و سيال ، سرمايه ثابت ۴.۱ برابرقيمت تجهيزات و سرمايه گذاري کل ۴.۹قيمت تجهيزات مي باشند.[٨] درنتيجه ، اولين موردي که بايد تعيين شود قيمت تجهيزات مي باشد.در جدول (۲) تابع قيمت دستگاهها آورده شده است .
نکته اي که در اينجا بايد توجه شود اين مي باشد که قيمت بعضي از دستگاهها را به طور مستقيم نمي توان به دست آورد .به عنوان مثال قيمت تغليظ کننده ( thickener)در کتابها بر حسب سطح مقطع مي باشد اما نرم افزار سطح مقطع را براي اين دستگاه محاسبه نمي کند. تابع قيمت اين دستگاهها بر حسب پارامترهايي که نرم افزارمحاسبه مي کند همراه تابع قيمت معمول آنها در جدول (۲)آورده شده است .[٨],[٧],[٦].
