Исследование процесса цементационной очистки в производстве цинка методом математического моделирования

УДК 519.87:699.1

© Е.А. Хадзарагова, Д.Н. Дюнова, 2015

Е.А. Хадзарагова, Д.Н. Дюнова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦИНКА МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Разработана математическая модель процесса цементационной очистки растворов в производстве цинка, основанная на уравнениях материального баланса по расходам технологических сред и концентрациям отдельных компонентов. Модель позволяет определять количество получаемых продуктов рассматриваемого производственного передела на основе информации о количестве поступающих на переработку материальных потоков и их химических составах, а также оценивать его текущее и прогнозировать будущие состояния.

Ключевые слова: математическая модель, уравнение материального баланса, цементационная очистка цинковых растворов.

Одним из основных переделов цинкового производства является цементационная очистка цинковых растворов. Использование качественно очищенных растворов обусловливает увеличение производительности оборудования, снижение расхода электроэнергии при последующем электролизе цинка, и, в конечном итоге, уменьшение себестоимости его производства. В процессе производства цинка гидрометаллургическим способом цементационная очистка цинковых растворов осуществляется в две стадии в непрерывном режиме. В качестве основного реагента применяется тонкодисперсная цинковая пыль. Процесс цементации основан на электрохимическом замещении в растворе одних металлов другими:

Ме2+ + гп° ^ Ме0 + гп2+

С его помощью производят очистку растворов от ряда металлов, в том числе меди и кадмия. Анализ процесса цементации как объекта управления позволил выделить его основные параметры. Входными параметрами процесса являются расход верхнего слива нейтральных сгустителей (ВСНС) и цинковая пыль. Выходными - расход нейтрального раствора и расход медно-кадмиевого кека. Возмущающее воздействие на ход цементационной очистки оказывает химический состав ВСНС.

С целью исследования процесса цементационной очистки, изучения его характеристик разработана математическая модель, позволяющая определять количество получаемых продуктов на основе информации о количестве поступающих на переработку материальных потоков и их химических составах. Математическую модель цементационной очистки представим в виде совокупности балансовых соотношений по твердой и жидкой фазам, а также по компонентам, образующим «медно-кадмиевый» кек.

Баланс по твердой фазе определяется соотношением:

( ( А(7„\ \\

Гп - 0,001двшс

А (гвснс + А (гвснс

ССи + Л /^А С Сё

/у

Р V_у А

= С«п ,

где Рк - количество «медно-кадмиевого» кека, т/ч; Рп - количество цинковой "ВСНС - расход ВСНС, м3/ч; С^нс - содержание меди в ВСНС, г/л; -С6 - содержание кадмия в ВСНС, г/л; Ск2п - содержание цинка в кеке, %; А(1п), А(Си), А(С6) - атомные массы соответствующих элементов. Количество цинковой пыли определяется зависимостью:

С&Нс т/ч; Ъ С

С

вснс^гп

вснс,

а

¥п = 0,0010

где а1 - расход цинка в цинковой пыли на 1 т цинка в растворе, кг/т; С содержание цинка в ВСНС, %. Баланс по жидкой фазе:

@нррнр = Еп + вснсрвснс - ^к ,

вснс

2п

где Qнр - количество нейтрального раствора, м3/ч; рнр - плотность нейтрального раствора, т/м3; рВСНС - плотность ВСНС, т/м3.

Балансовые соотношения по компонентам имеют вид:

ГкСКа = 0,001двснсСа

ВСНС

КС" = 0.00Ю

С

вснс^а

ВСНС

(

0н,СТп =

^ 7

+ Св

Л

Л

г

где сСи, с" - содержание меди и кадмия в медно-кадмиевом кеке соответ

А

ск

С

ственно, %; С^ - содержание цинка в нейтральном растворе, г/л.

На рис. 1 представлен сигнальный граф, вершины которого соответствуют переменным модели, а ветви - коэффициентам или передаточным функциям, характеризующим связь между ними.

Коэффициентам передач графа соответствуют соотношения:

0,001Свснс

с0 = Свснс а

с1 =

С

с2 =

А

2п

С

2п

0,001Свснс

с3 = --

А

Ск

^ 7

с4 = ±,

Рнр

с5 =

Р ВСНС

ССс1(к) Он.р.

Рис. 1. Сигнальный граф процесса цементационной очистки

Рис. 2. Simulink-модель процесса цементации

с6 = --

0 001Свснс

0 001Свснс с8 = и'ии1ССи

Свснс

с9 =

Q

^ нп

Свснс

ССи

с10 =

А

Q

н

Свснс

с11 =

А

Q

н

нп

Полученная топологическая модель объекта была реализована в приложении 81шиНпк вычислительной среды МДТЬДВ (рис. 2).

На рис. 3-6 показаны статические характеристики процесса цементации, полученные на основе модели.

овснс

Рис. 3. График зависимости расхода нейтрального раствора от расхода ВСНС

еи 50 Рк 40

згшо ззоо дот

«Звене

Рис. 4. График зависимости расхода медно-кадмиевого кека от расхода ВСНС

Рис. 5. График зависимости содержа- Рис. 6. График зависимости содержания меди в медно-кадмиевого кеке от ния кадмия в медно-кадмиевого кеке от содержания меди в ВСНС содержания кадмия в ВСНС

Разработанное математическое описание процесса цементации позволяет прогнозировать количественные значения массовых расходов выходных материальных потоков медно-кадмиевого кека и нейтрального раствора, а также их компонентов на основе измерительной информации о массовых расходах и составах входных потоков. Полученная модель может быть использована при проектировании новых и анализе функционирования действующих гидрометаллургических систем, а также для решения вопросов по установлению расходных норм по сырью, технологическим показателям и определению неучтенных потерь компонентов сырья в условиях промышленной эксплуатации.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Хадзарагова Елена Александровна - доктор технических наук, доцент, профессор, e-mail: hadzaragova@mail.ru,

Дюнова Диана Николаевна - кандидат технических наук, доцент, e-mail: Dunovadn@mail.ru, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет).

UDC 519.87:699.1

THE STUDY OF THE CEMENTATION PROCESS OF PURIFICATION

IN THE PRODUCTION OF ZINC BY THE METHOD OF MATHEMATICAL MODELING

Khadzaragova E.A., Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, Professor, e-mail: hadzaragova@mail.ru,

Dyunova D.N., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: Dunovadn@mail.ru, North Caucasus Mining-and-Metallurgy Institute (State Technological University).

A mathematical model of the process cement cleaning solutions in the production of zinc has been developed. It is based on the equations of the material balance of expenditure technological media and concentrations of individual components. The model allows determining the quantity of the products under consideration of the production of redistribution on the basis of information on the number of applicants for processing of material flows and their chemical compositions, as well as to assess its current and predict future states.

Key words: the cementation process of cleaning, method of mathematical modeling, the equations of material balance.