Моделирование плазменной переработки тощих фосфатных руд

Автор: Карпенко Е.И., Ринчинов А.П., Ранжуров Ц.В., Шагдаров В.Б.

Журнал: Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления @vestnik-esstu

Статья в выпуске: 1 (32), 2011 года.

Бесплатный доступ

В статье представлены результаты модельных исследований, проведенных с помощью программы TERRA, которые показывают возможность плазменной переработки в атмосфере аргона и пропан-бутана тощих фосфатных руд с полным извлечением целевого продукта. Также определен состав извлекаемого материала и процентное содержание в них в зависимости от температуры процесса.

Фосфаты, апатиты, пропан-бутан, фосфор, плазменная переработка

Короткий адрес: https://sciup.org/142142289

IDR: 142142289

Текст научной статьи Моделирование плазменной переработки тощих фосфатных руд

Истощение и дальнейшее снижение содержания P 2 O 5 в активной сырьевой базе фосфатных руд России и отсутствие на доступных горизонтах в Хибинах новых месторождений нефелин-апатитовых месторождений [1] приведет к тому, что сырьевая база уже к 2015 г. не обеспечит потребности производства получения фосфора [2]. В то же время Россия богата залежами бедных и тощих фосфатных руд, которые имеют сложный и нестабильный состав и большой процент примесей, что делает их непригодными для традиционных методов переработки [3]. В связи с этим возникает необходимость поиска нового метода переработки, например, плазменной.

С помощью программного пакета TERRA, который предназначен для расчета произвольных систем с химическими и фазовыми превращениями, были проведены модельные исследования плазменной переработки тощей фосфатной (апатитовой) руды. Справочная база данных этой программы содержит в настоящий момент свойства около 3000 соединений в газообразном, конденсированном и ионизованном состоянии, сведения составлены из систематизированных отечественных и зарубежных справочных руководств [4,5].

I. Моделирование температурной зависимости состава газа и шлака при нагревании в аргоне и пропан-бутане при плазменной переработке фосфатной руды

Расчеты были произведены в интервале температур 298-6000 К, при давлении 0,1 МПа. Верхний расчетный температурный предел ограничен 6000 К самой программой. Расход шихты составлял 0,9 кг/ч.

Исходный массовый процентный состав шихты представлен в таблице 1.

Таблица 1

SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	FeO	MnO	MgO
39,90	3,72	11,90	3,98	6,92	0,11	6,82
CaO	Na2O	K2O	P2O5	п.п.п.	Ar	Сумма
12,29	2,49	3,15	4,90	2,10	1	99,28

Эти значения были введены в программу TERRA, т.к. нормирование массового содержания химических элементов и приведение его к 1 кг или 100% не требуется, это будет выполнено программно в ходе расчета. Поэтому программа производит расчет для исходного состава шихты, массовые значения которого пересчитаны на 1 кг и приведены в таблице 2. Аргон введен в состав шихты, т.к. программа не производит расчеты только для конденсированного состава.

Таблица 2

SiO 2	TiO 2	Al₂O₃	Fe 2 O 3	FeO	MnO	MgO
40,19	3,75	12,0	4,00	6,97	0,11	6,87
CaO	Na 2 O	K 2 O	P 2 O 5	п.п.п.	Ar	Сумма
12,38	2,50	3,17	4,94	2,12	1,00	100

Такие же расчеты были проведены в атмосфере пропан - бутана. Результаты расчетов представлены на диаграммах 4-6.

Смесь пропан - бутана технического (марки СПБТ по ГОСТ 10679) содержит ~ 40% пропана (С 3 Н 8 ) и ~ 60% (С 4 Н 10 ) бутана. С учетом процентного содержания пропана и бутана в углеводородной смеси можно для нее записать молекулярную формулу С 3.52 Н 9.1 . При расчете по программе ТERRA в поле состава исходных веществ записываем эту формулу. Значение для этого вещества, также как и для аргона, задаем равным единице.

На диаграмме 1 представлены соединения в газовой фазе, содержащие фосфор, при возгонке летучих соединений в атмосфере аргона. Из нее видно, что раньше всего возгоняются соединения KPO 3 и NaPO 3 . При больших температурах состав возгоняемых газов обогащается соединением РО.

На диаграммах 2 и 5 показаны составы газовой фазы, не содержащие фосфора. Из них видно, что при температуре больше 3000 К их процентное содержание в общем составе газовой фазы резко увеличивается.

На диаграмме 4 представлены соединения в газовой фазе, содержащие фосфор, при возгонке летучих соединений в атмосфере пропан-бутана. Расчет в форме таблицы Excel показывает, что кроме таких же соединений которые возникают при возгонке в аргоне, в этом случае возникают летучие соединения с НР, НР 2 , НРО, СР, на диаграмме они не видны т.к. их содержание мало.

На диаграммах 3 и 6 представлены составы конденсированного состояния, образующие шлак. Также из диаграмм видно, что исходный состав в обоих случаях полностью возгоняется при температуре ~3650 К.

II. Моделирование температурной зависимости доли фосфора в отходящих газах в аргоне и пропан-бутане при плазменной переработке фосфатной руды

Программа TERRA определяет равновесный фазовый состав в молях на килограмм (моль/кг) исходного вещества в зависимости от температуры. Также определяет массовую долю конденсированных фаз z, т.е. отношение массы всех конденсированных веществ к массе системы в целом (кг/кг). Следовательно, разность 1-z покажет массовую долю газовой фазы. Поэтому для определения степени извлечения фосфора в зависимости от температуры проще определить массовую долю фосфора в конденсированных соединениях, содержащих фосфор, и затем пересчитать его долю в газовых соединениях. Фосфор остается в шлаке до 2200 К лишь в составе соединения Ca 3 P 2 O 8 . При большей температуре фосфора в шлаке не остается, т.е. фосфор полностью извлекается из исходной шихты (см. диаграмму 7).

Для определения массовой доли фосфора в соединении Ca 3 P 2 O 8 необходимо мольное содержание Ca 3 P 2 O 8 умножить на его молярную массу и на долевое содержание фосфора в этом соединении. Результаты этих вычислений при различных температурах приведены в таблице 3.

Для определения массовой доли фосфора в газовой фазе необходимо найти отношение массы фосфора в газовой фазе к массе всего возгоняемого газа Р г /(1-z). Массу фосфора в газовой фазе Р г найдем как разность Р 0 -Р с массы фосфора в исходном расчетном составе Р 0 и массы фосфора Р с , входящей в конденсированное соединение Ca 3 P 2 O 8 . Масса фосфора в исходном апатитовом порошке Р и составляет 42,769∙10^-3 кг при содержании в образце 4,9% Р 4 О 10 и массовой сумме всех элементов 98,28%. В пересчете на 1 кг (или 100%) смеси при содержании в смеси 10,05*10^-3 кг аргона содержание Р 4 О 10 станет равным 4,936%, а масса фосфора Р 0 будет составлять 43.083∙10^-3 кг. Массу газовой фазы найдем как разность массы исходного вещества и массу конденсированного состояния, 1-z. Результаты этих вычислений приведены в таблице 4.

Диаграмма 1 . Соединения, содержащие фосфор при возгонке в аргоне

Диаграмма 2 . Соединения, не содержащие фосфор при возгонке в аргоне

Диаграмма 3 . Шлак, образующийся при возгонке в аргоне

Диаграмма 4 . Cоединения, содержащие фосфор при возгонке в пропан - бутане

Таблица 3

Т, К	1248	1348	1448	1548	1648	1748
Ca₃P₂O₈, моль/кг	0,400348	0,400346	0,400333	0,400275	0,400072	0,399478
Ca 3 P 2 O 8 , 10^-3 кг/кг	124,1811	124,1804	124,1764	124,1584	124,0954	123,9112
Р с ,10^-3 кг/кг	24,8005	24,80004	24,7996	24,7960	24,7835	24,7104
Т, К	1848	1948	2048	2148	2198	2200
Ca₃P₂O₈, моль/кг	0,397728	0,391818	0,374089	0,318721	0,236061	1Е-30
Ca 3 P 2 O 8 , 10^-3 кг/кг	123,3684	121,5352	116,0360	98,8617	73,2220	0
Р с ,10^-3 кг/кг	24,6382	24,2721	23,1738	19,7439	14,6234	0

Диаграмма 5. Соединения, не содержащие фосфор при возгонке в пропан - бутане

Диаграмма 6 . Шлак, образующийся при возгонке в пропан - бутане

Диаграмма 7. Температурный интервал существования соединения Ca 3 P 2 O 8

Из таблицы 5 видно, что доля фосфора в газовой фазе начиная с 2000 К постепенно уменьшается, хотя масса извлекаемого фосфора, отнесенная к массе исходного состава, увеличивается. Это связано с тем, что быстрее увеличивается массовая доля всей газовой фазы, за счет возгонки соединений, не содержащих фосфора. В интервале порядка 2000-2200 К происходит полное извлечение и некоторое уменьшение долевого содержания фосфорсодержащих соединений в газовой фазе.

Таблица 4

Соединение	P	P 2	P 3	P 4	PO	PO 2
Молярная масса, 10^-3 кг/моль	30,97376	61,94752	92,92128	123,89504	46,97316	62,97256
Доля фосфора	1	1	1	1	0,659393	0,491861
Соединение	P 2 O 3	P 2 O 4	P 2 O 5	P 3 O 6	NaOP	NaPO 2
Молярная масса, 10^-3 кг/моль	109,9457	125,9451	141,9445	188,9177	69,96293	85,96233
Доля фосфора	0,563437	0,491861	0,436421	0,491861	0,442717	0,360318
Соединение	NaPO 3	KPO 3	HP	PH 2	HPO	CP
Молярная масса, 10^-3 кг/моль	101,9617	118,0703	31,98171	32,98966	47,98111	42,97376
Доля фосфора	0,303778	0,262333	0,968484	0,938893	0,645541	0,720760
Соединение	Сa 3 P 2 O 8 (с)
Молярная масса, 10^-3 кг/моль	310,18272
Доля фосфора	0,199713

Таблица 5

Т, К	1248	1348	1448	1548	1648	1748
Р_г, кг/кг	0,018282	0,018283	0,018283	0,018287	0,0183	0,018336
1-z, кг/кг	0,01029	0,010291	0,010294	0,010307	0,010354	0,010491
Р г /(1-z), кг/кг	0,001777	0,001777	0,001776	0,001774	0,001767	0,001748
Т, К	1848	1948	2048	2148	2198	2200
Р_г, кг/кг	0,018445	0,018811	0,019909	0,023339	0,02846	0,043083
1-z, кг/кг	0,010891	0,012227	0,01621	0,028621	0,047125	0,100022
Р г /(1-z), кг/кг	0,001694	0,001538	0,001228	0,000815	0,000604	0,430735

Статья научная