Аппараты выщелачивания золота: расчёт и выбор

Аппарат выщелачивания золота обычно рассчитывают на общее время пребывания 24–48 часов — это единственная цифра, которая задаёт объём батареи, мощность перемешивания и капитал схемы CIL. Время берут из кинетических испытаний, делят на 6–8 аппаратов, затем подбирают мешалки, материалы и межступенчатые сита.

Ключевые положения

• Время пребывания определяется испытаниями — типично 24–48 h — и никогда не копируется с другого завода.
• Шесть–восемь аппаратов последовательно приближаются к режиму идеального вытеснения и дают больше извлечения, чем один реактор того же объёма.
• Перемешивание рассчитывают на 40–50% твёрдого по массе; удельная мощность падает с ростом диаметра.
• Тихоходные гидрокрыльчатки и мешалки с двойным приводом ограничивают истирание угля при 10–20 g/L.
• Гуммированная углеродистая сталь — базовый материал корпуса; на 316L или дуплекс переходят только по требованию химии.

Что это и какие есть варианты

Это аппарат с мешалкой и отражательными перегородками, в котором тонкоизмельчённая руда в виде пульпы 40–50% твёрдого контактирует с разбавленным NaCN, золото переходит в раствор, а кислород и реагент распределяются равномерно. В схеме CIL тот же аппарат содержит гранулированный активированный уголь, сорбирующий комплекс золото-цианид по ходу движения пульпы. Типичные установки — открытые стальные аппараты с плоским днищем, отношение диаметра к высоте 1:1–1:1.1, в цепочке из шести–восьми.

Перемешивание создаёт вертикальный вал с одной-двумя крупными тихоходными крыльчатками — гидрокрыльчатка или наклонные лопасти — через редуктор с горизонтальным валом. Там, где механика не применяется, аппарат Пачука представляет собой колонну с воздушным перемешиванием: проще механически, но выше, шумнее и труднее в настройке, поэтому современные заводы выбирают механические машины.

Межступенчатое сито — статический дуговой сепаратор, удерживающий уголь в каждом аппарате и пропускающий пульпу дальше. Ближайший вариант — CIP, где сначала идёт выщелачивание, а сорбция выполняется в отдельных ступенях: выбор меняет время пребывания, запас угля и число сит. По сравнению с кучным выщелачиванием аппараты меняют капитал на скорость и извлечение: 85–95% золота за один–два дня из измельчённой руды против недель и месяцев перколяции.

Параметры расчёта

Время пребывания. Это удерживаемый объём, делённый на расход пульпы, и единственный параметр, который нельзя брать с чужого проекта. Испытания в бутылках и в реакторе с мешалкой дают кривую растворения, испытания CIL или непрерывный пилот добавляют сорбцию. Большинство свободнообогатимых руд достигают основной части растворения в первой половине, а хвост кривой обходится непропорционально дорого.

Плотность твёрдого. 40–50% по массе уменьшает объём, расход реагента на тонну и энергию перекачки, но повышает вязкость и мощность. Выше примерно 50% качество суспендирования резко падает, а движение угля становится неустойчивым; точку расчёта ставят чуть ниже вязкостного перегиба.

Геометрия и число ступеней. По конструктивным и гидродинамическим причинам крупные аппараты строят близко к 1:1; диаметр ограничен толщиной стенки, нагрузками на крышу и моментом мешалки. Число ступеней — кинетическое решение.

Интенсивность перемешивания. Обзоры отрасли приводят удельную мощность от примерно 1 kW/m³ в малых реакторах до менее 0.05 kW/m³ в самых крупных аппаратах диаметром 10–15 m, поскольку задача суспендирования масштабируется благоприятно. Окружная скорость крыльчатки ограничена, обычно 3–5 m/s, чтобы снизить деградацию угля.

Уголь и сита. В CIL поддерживают 10–20 g/L угля во взвеси — компромисс между скоростью сорбции и потерями на истирание. Сита с отверстиями порядка 600–800 µm удерживают уголь (обычно 6×12 mesh) и пропускают измельчённую пульпу.

Химия. Свободный NaCN 0.2–0.5 g/L, pH 10.5–11.0 на извести и растворённый кислород выше 5–10 mg/L задают химическую рамку. Лучшая дисперсия кислорода сокращает время пребывания: это самый дешёвый объём, который можно купить.

Как считать по шагам

Расчёт — каскад простых вычислений, где каждый шаг ограничивает следующий, и вести его нужно от измеренных данных вперёд, а не от чужого чертежа назад. Пример для 2,500 t/d с иллюстративными цифрами.

1. Задать время по испытаниям. Строят кривые растворения и сорбции золота от времени по данным бутылочных, реакторных и — при необходимости — непрерывных пилотных испытаний CIL. В примере принимаем 30 h.
2. Перейти от тоннажа к расходу пульпы. При 2,500 t/d сухого твёрдого 104 t/h; при 45% масс, плотности руды 2.7 и пульпы около 1.45 объёмный расход примерно 166 m³/h. Эта цифра, а не сухой тоннаж, определяет все объёмы.
3. Умножить расход на время. 166 m³/h × 30 h ≈ 4,980 m³ рабочей пульпы. Добавить 10–15% на вытесняемый уголь, воздух и аварийный запас.
4. Выбрать число ступеней. Каждый аппарат в цепочке приближает схему к вытеснению; шесть–восемь — практический оптимум. Деление 4,980 m³ на семь даёт около 715 m³ на аппарат.
5. Задать геометрию. При отношении 1:1–1:1.1 это диаметр около 9.5 m при 10.5 m слоя жидкости. Проверить толщину стенки, ветровые и сейсмические нагрузки до фиксации диаметра.
6. Подобрать мешалки. Требовать суспендирования самой крупной фракции в самой плотной пульпе и проверить окружную скорость по пределу истирания угля. Для аппаратов этого класса типично 0.08–0.15 kW/m³ установленной мощности: в примере около 55 kW на мешалку.
7. Замкнуть контур по углю, ситам и перетоку. Проверить запас угля (10–20 g/L), площадь сита под поток пульпы и выбрать насосный или безнасосный переток по профилю высот.

Две завершающие проверки: перевести прогнозную кривую в расчёт извлечения, чтобы на защите проекта была видна ценность батареи, а не только её стоимость; и проверить схему на план горных работ — если на пятом году придёт более твёрдая и медленная руда, запас по времени, заложенный сейчас, определит, будет ли завод гибким.

Мешалки и материалы

Механика или воздух. Механические мешалки выигрывают в управлении суспензией, передаче кислорода и занимаемой площади; колонны Пачука выживают там, где воздух дешёв, а напор щедр. В современном CIL по умолчанию механический вариант, а интересен выбор внутри него: две крупные тихоходные крыльчатки (обычно нижняя осевая, качающая вниз, и верхняя радиальная или качающая вверх) при 8–15 rpm.

Двойной привод. Это схема, распределяющая момент между двумя независимыми мотор-редукторами на одном валу: отказ одного оставляет частичное перемешивание вместо остановленного вала, погружающегося в песок. Надбавка покупает страховку: внеплановая остановка иначе означает запесоченные аппараты, ручную выемку и недели потерь. Двойной привод оправдан при слабом электроснабжении, долгой поставке запчастей или быстром осаждении пульпы.

Материалы. При pH 10.5–11.0 цианидный раствор не очень агрессивен к стали, поэтому обычно определяет абразивный износ, а не коррозия. Поэтому углеродистая сталь с гуммированием 4–6 mm — отраслевой стандарт: резина гасит удары частиц, стойка к цианиду и ремонтируется холодным способом, что даёт реальное преимущество по безопасности. 316L подходит для малоабразивных сред — раствор, реагент, малые аппараты; дуплекс 2205 оправдан в горячих пульпах с высоким хлоридом.

Что ломается и как исправлять

1. Запесочивание днища. Ток мешалки скачет или падает, крупность в разгрузке растёт, при пуске слышен скрип. Причина — мощность ниже требуемой для суспензии, плотность выше проекта или крупный хвост мельничного контура. Решение: вернуть плотность, проверить погружение и скорость по кривым, рассмотреть крыльчатку с придонным потоком до того, как песок потребует выемки.
2. Засорение или разрыв сита. Уголь уходит в последующие ступени и хвосты либо пульпа подпирает и переливается. Причина — забивание посторонними включениями или усталостный разрыв полотна. Решение: сетка-уловитель мусора выше по схеме, плановая промывка и запас полотен под спецификацию угля.
3. Повышенное истирание угля. Мелкий уголь в ситах и хвостах, рост потерь золота с мелочью, увеличение подпитки. Причина — высокая окружная скорость, острые кромки сит или чрезмерное число циклов регенерации. Решение: ограничить скорость, скруглить и осмотреть поверхности контакта, вести учёт образования мелочи за цикл.
4. Низкий КПД ступени и байпасирование. Профиль растворённого золота плоский, сорбция ниже лабораторной. Причина — переток пульпы мимо ступеней, недостаток угля или обратный поток через неплотные сита. Решение: посмотреть анализы по ступеням, вернуть 10–20 g/L и уплотнить обводные пути.
5. Кислородное голодание. Кинетика медленнее прогноза, DO ниже цели. Причина — неравномерная раздача воздуха, высокая плотность или химическая и биологическая потребность руды. Решение: перебалансировать коллекторы, снизить плотность, проверить потребность на свежих пробах.
6. Износ и отслоение гуммирования. Открытые участки металла, пузыри, рост железа в растворе. Причина — скорость или крупность вне службы покрытия, либо отказ адгезии. Решение: плановой ультразвуковой контроль, холодные заплаты, устранение режима, создавшего картину износа.
7. Течи уплотнений и сальников. Пульпа сочится у патрубка крыши, масло в редукторе загрязнено. Причина — износ пар трения, прогиб вала от дисбаланса или несоосность после ремонта. Решение: контроль биения при каждом ремонте, балансировка после замены покрытия, переход на улучшенные уплотнения.

Затраты и энергия

Ниже — типичные диапазоны предпроектного уровня с явными допущениями, не коммерческие предложения. В капитале батарея аппаратов обычно входит в крупнейшие статьи после измельчения, а стоимость растёт с массой стенки, моментом и числом сит, а не с объёмом: удвоение диаметра учетверяет объём, но более чем удваивает металл и привод, поэтому выбор «ступени или диаметр» действительно экономический. Средний гуммированный аппарат с мешалкой, приводом и ситом обычно измеряется сотнями тысяч долларов за единицу (ориентировочно).

По энергии для класса 700 m³ на аппарат при 0.08–0.15 kW/m³ ожидается примерно 2–5 kWh на тонну руды (30 h пребывания, 45% масс). Барботаж добавляет умеренную нагрузку компрессора, если не выбрано кислородное обогащение. По реагентам NaCN 0.25–0.6 kg/t и известь 0.5–2.5 kg/t — обычные конверты для свободнообогатимых руд. Подпитка активированного угля обычно составляет десятки граммов на тонну и напрямую зависит от дисциплины по окружной скорости и ситам.

Главный рычаг операционных затрат: поскольку время пребывания прямо превращается в установленный объём, каждый час, снятый с обоснованной испытаниями цифры, экономит металл, мощность и сита на весь срок службы.

Полевые данные: батарея CIL 2,500 t/d

Кейс — иллюстративное обобщение проектной практики, цифры округлены и анонимизированы. Завод перерабатывает 2,500 t/d свободнообогатимой руды в семи аппаратах по 715 m³ — диаметр 9.5 m, слой жидкости 10.5 m, гуммированная углеродистая сталь, мешалки с двойным приводом по 55 kW. При 45% масс расход пульпы около 166 m³/h, измеренное среднее время пребывания 29.6 h против проектных 30 h. Установленная мощность перемешивания 385 kW, или 0.078 kW/m³ рабочего объёма, расход по батарее около 3.7 kWh на тонну руды.

В работе уголь держали на 14–16 g/L в аппарате, общий запас около 74 t; сита 700 µm пропускали полный поток без перелива на проектной нагрузке. Растворённое золото падало с более 2 mg/L в первой ступени до менее 0.2 mg/L к шестой, общее извлечение с гравитацией составило около 91%. Истирание, учитываемое как образование мелочи за цикл сорбции, держалось на 3–4% после снижения окружной скорости в начале выхода на режим — самая прибыльная корректировка первого года.

Три урока обобщаются: проектный запас дал консервативный контроль плотности, а не лишний объём; скорость выщелачивания в первых трёх ступенях определял профиль кислорода, а не скорость мешалки; метрики сит и истирания предсказали потери угля за месяцы до отчётных цифр подпитки.

Часто задаваемые вопросы

На какое время пребывания рассчитывать?

Пусть решают испытания, а не отраслевые средние. Бутылочные и реакторные тесты дают кривую растворения, CIL или пилот добавляют сорбцию. Большинство заводов попадает в 24–48 h, но упорные и медленные руды могут требовать существенно больше. Время, скопированное с соседнего завода, стоит либо извлечения, либо капитала на весь срок работы.

Сколько аппаратов должно быть в цепочке CIL?

Шесть–восемь последовательно — практический оптимум. Каждая дополнительная ступень приближает схему к вытеснению и даёт больше золота на единицу объёма, но добавляет мешалки, сита и высоту. Ниже примерно пяти ступеней кинетический проигрыш заметен; выше десяти прирост извлечения редко оплачивает дополнительное оборудование и обслуживание.

Почему гуммированная углеродистая сталь — базовый материал?

При pH 10.5–11.0 цианидная пульпа слабоагрессивна, поэтому срок службы определяет абразив песчаной фракции. Резина гасит удар частиц, стойка к цианиду и ремонтируется холодными заплатами — без огневых работ в цианидном производстве. Нержавеющая сталь остаётся для малоабразивных сред, дуплекс — для горячих и хлоридных пульп.

См. также

• Выщелачивание простыми словами
• Калькулятор объёма реактора выщелачивания по времени пребывания на практике
• Выщелачивание в чанах или кучное выщелачивание на практике
• Проектирование агитационных чанов выщелачивания: правила выбора