Моделирование плазменной переработки тощих фосфатных руд

Карпенко Е.И.; Ринчинов А.П.; Ранжуров Ц.В.; Шагдаров В.Б.; Karpenko E.I.; Rinchinov A.P.; Ranzhurov Ts.V.; Shagdarov V.B.

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 | УДК: 661.1

Plasma process modelling of thin phosphate ore

The article presents the results of model studies using the TERRA program, which indicates the possibility of plasma processing in argon and propane-butane thin phosphate ores atmosphere with complete extraction of the desired product. The article highlights the composition of the extracted material and the percentage of them, depending on the temperature of the process.

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