Соотношение O/A в экстракции растворителем: методика расчёта

В большинстве медных схем практика проектирования держит задачу экстракции в диапазоне 1:1–1.5:1 по объёму. В разобранном ниже примере 200 м³/ч PLS с 4.0 г/л Cu требуют O/A экстракции около 1.07:1 для извлечения 91.3% при органике с 10 об.% оксима, а O/A реэкстракции порядка 1.4:1 прямо следует из медного баланса электролиза.

Ключевые выводы

• O/A — объёмный расход органики, делённый на объёмный расход водной фазы, определяется на ступень и на схему.
• В экстракции меди O/A обычно 1:1–1.5:1; в реэкстракции она выше и задаётся балансом электролиза.
• Наклон рабочей линии Маккейба — Тиле равен отношению водная/органическая, A/O = 1/(O/A).
• Слишком низкая O/A перегружает органику; слишком высокая раздувает объём органики и потери на унос.
• Проверяйте каждую проектную O/A изотермой и минипилотом до фиксации геометрии аппаратов.

Определение и основная формула

O/A сравнивает объёмный расход органической фазы с расходом водной в данной точке схемы. Это безразмерный параметр проектирования и режима, определяющий, сколько меди должен переносить каждый кубометр органики, и рычаг, задающий наклон рабочей линии на диаграмме Маккейба — Тиле. На практике это ещё и переменная регулирования, которую операторы меняют — обычно насосами органики или водной фазы — когда содержания уходят от проекта.

O/A = Q_орг ÷ Q_водн, оба расхода при рабочей температуре. Три уточнения важны:

1. На ступень и на схему. У каждого смесителя своя O/A — расходов, реально входящих в этот смеситель. O/A схемы — отношение общего расхода свежей рециркулирующей органики к общему расходу PLS. В последовательном экстракционном поезде без деления водной фазы они почти совпадают; при делениях (обычно в промывных ступенях) заметно расходятся.
2. Объёмная, не массовая база. Плотность органики 0.80–0.85, PLS — 1.03–1.10, поэтому O/A 1:1 по объёму — это примерно 0.76:1 по массе. Пересчитывайте согласованно.
3. За проход и накопленная. O/A определяет поведение за проход, а общее извлечение — произведение КПД ступеней, поэтому число ступеней и O/A проектируют вместе.

Всё остальное — размер смесителя, площадь отстойника, объём органики, унос — вытекает из этого одного отношения.

Почему это важно: рабочая линия, сплошность, унос

Наклон рабочей линии. На диаграмме экстракции (по оси y — загрузка меди в органике, г/л; по оси x — содержание в водной фазе, г/л) рабочая линия проходит через концы ступеней с наклоном A/O = 1/(O/A). При O/A 1.07:1 наклон 0.93 — почти линия 45°. Снизьте O/A до 0.8:1, и наклон вырастет до 1.25: каждая ступень должна сильнее размахивать загрузкой, а линия может войти в изотерму и задушить движущую силу. Поднимите O/A — линия выполаживается, давая щедрую движущую силу, но требуя большего расхода и объёма органики.

Сплошность фазы. O/A сильно влияет на то, какая фаза становится сплошной в смесителе. Когда органика в большинстве, камера естественно уходит в режим органической сплошности с каплями воды в органике; когда преобладает вода — наоборот. Сплошность влияет на размер капель, коэффициент массопередачи, отстаивание и — критично для электролиза — на то, какая фаза несёт унос на следующую ступень.

Унос. O/A задаёт и абсолютные расходы через смеситель и отстойник, а потери на унос масштабируются с созданной межфазной поверхностью и трудностью отстаивания. Неоправданно высокая O/A означает перекачку и сдвиг большего количества органики на тонну меди, что обычно повышает унос органики в водную фазу (потери в пруд рафината) и перенос водной фазы в органику (хлориды и другие примеси — в цех электролиза).

Перенос кислоты в реэкстракции. Экстракция Cu²⁺ оксимом выделяет H⁺ в рафинат; реэкстракция отработанным электролитом (~150–180 г/л H₂SO₄) обращает реакцию. O/A реэкстракции определяет, сколько меди переносится за проход и насколько меняются содержание меди и свободная кислота между отработанным и обогащённым электролитом.

Типичные диапазоны по задачам

Все значения — типичные отраслевые отправные точки для обсуждения проекта; каждое нужно подтверждать изотермой и минипилотом на вашем растворе и реагенте.

Обратите внимание на закономерность: задачи, где органика должна отдать загрузку быстро в ограниченный водный поток, работают при более высокой O/A, чем задачи экстракции.

Пример расчёта в шесть шагов

Пример только иллюстративный; все цифры проверяйте изотермой и минипилотом на реальном растворе и реагенте.

• Расход PLS: 200 м³/ч при 4.0 г/л Cu
• Целевой рафинат: 0.35 г/л Cu
• Органика: 10 об.% оксима в керосиновом разбавителе (класс LIX 984N); реалистичная максимальная загрузка ≈ 4.5–5.0 г/л Cu при такой концентрации (правило: 1 об.% оксима ≈ 0.4–0.5 г/л Cu ёмкости)
• Отработанный электролит: 150 м³/ч при 35 г/л Cu
• Две ступени экстракции, одна реэкстракции

1. Задать задачу: медь к извлечению = 200 × (4.0 − 0.35) = 730 кг/ч Cu. Извлечение = (4.0 − 0.35) ÷ 4.0 = 91.25% ≈ 91.3%.
2. Задать размах загрузки (Δзагрузки): при 10 об.% максимум около 4.0–5.0 г/л Cu. Насыщенную органику проектируют консервативно на 4.2 г/л — примерно 93% от номинального потолка 4.5 г/л, — чтобы сохранить движущую силу на последней ступени. Реэкстрагированная органика держит 0.6–1.0 г/л; принимаем 0.8. Δзагрузки = 4.2 − 0.8 = 3.4 г/л Cu.
3. Расход органики: 730 ÷ 3.4 = 214.7 ≈ 215 м³/ч. Проверка: 215 × 4.2 = 903 кг/ч ёмкости против 730 кг/ч задачи — органика до потолка не доходит, в чём и смысл запаса 93%.
4. O/A экстракции: 215 ÷ 200 = 1.07:1, уверенно внутри типичной полосы 1:1–1.5:1. Наклон рабочей линии A/O = 200/215 = 0.93.
5. Проверка O/A реэкстракции по балансу электролиза: реэкстракция должна снять те же 730 кг/ч. При 150 м³/ч отработанного электролита O/A = 215 ÷ 150 = 1.43 ≈ 1.4:1, а прирост меди 730 ÷ 150 = 4.9 г/л поднимает электролит с 35 до ~40 г/л Cu — здоровая традиционная рабочая область. Если нужен более крепкий обогащённый электролит, поднимайте O/A, снижая расход электролита: при 2:1 (215 ÷ 107.5) прирост 730 ÷ 107.5 = 6.8 г/л и обогащённый достигает ~42 г/л; проверьте устойчивость цеха и, главное, расслаивание на ступени реэкстракции, поскольку смесители с высокой O/A в режиме органической сплошности на горячей крепкой кислоте требуют хорошего контроля границы.
6. Сверка с изотермой и числом ступеней: нанесите рабочую линию (наклон 0.93, от рафината 0.35 г/л до насыщенной органики 4.2 г/л) на измеренную изотерму. Двух ступеней достаточно, только если каждая даёт размах из таблицы ниже при реалистичном КПД (85–95% для оксимных систем). Если движущая сила второй ступени на диаграмме рушится, добавьте третью или чуть поднимите O/A, приняв больший объём органики.

Баланс двух ступеней: при 215 м³/ч органики против 200 м³/ч PLS на каждой ступени и без делений размах загрузки ступени равен её съёму меди, делённому на 215.

Арифметика сходится: 500 + 230 = 730 кг/ч и 3.13 + 1.07 = 4.20 г/л. O/A по ступеням 215/200 = 1.07:1 в обеих и совпадает со схемной, поскольку делений нет. Реальные КПД 85–95% сдвигают эти концы.

Чувствительность, дрейф и сплошность фазы

При фиксированной задаче (730 кг/ч, 200 м³/ч PLS) и изменении только расхода органики:

Три урока. Первый: выше проектной точки кривая извлечения резко выполаживается — за 1.7 процентного пункта платят 26% больше циркулирующей органики с пропорциональным капиталом в насосах, смесителях и площади отстойников. Второй: ниже проектной точки требуемая Δзагрузки (4.06 г/л при 0.90:1) превышает то, что оксим 10 об.% надёжно даёт при хорошей кинетике, и рафинат быстро портится — строка 81.3% фактически означает нерабочую схему. Третий: любое изменение O/A экстракции передаётся в реэкстракцию и баланс содержаний электролиза, поэтому чувствительность надо считать на всю схему.

Признаки дрейфа: загрузка органики выше ~4.4–4.5 г/л; рафинат, ползущий с 0.35 к 0.6–0.8 г/л за недели без изменений в PLS; инверсия сплошности; всплески уноса. При их появлении:

1. Проверьте расходы на границах поезда: перетарируйте расходомеры органики и PLS; ошибка O/A очень часто оказывается ошибкой прибора. Подтвердите объёмные показания с поправкой на плотность.
2. Отберите пробы и закройте баланс: измерьте PLS, рафинат, насыщенную и реэкстрагированную органику за полную смену и посчитайте фактический съём на м³ органики против проектных 3.4 г/л.
3. Восстановите проектную O/A: если баланс показывает расход органики на 10% ниже проекта, исправьте насос или деление, прежде чем трогать дозирование реагента.
4. Проверьте концентрацию реагента: падение с 10 до 9 об.% срезает номинальную ёмкость примерно на 0.45 г/л Cu.
5. Корректируйте сплошность осознанно: если камера инвертировалась, верните нужную сплошность, меняя O/A этой ступени или обороты мешалки малыми шагами, следя за расслаиванием.
6. Займитесь слоем крада: если унос остаётся высоким после коррекции O/A и сплошности, планируйте удаление крада, прежде чем прибегать к химическим добавкам.

Сплошность фазы. В режиме водной сплошности капли органики диспергированы в водной матрице: перенос Cu²⁺ в капли обычно благоприятствует кинетике экстракции, а унос органики в рафинат обычно ниже на единицу межфазной поверхности. В режиме органической сплошности водные капли сдвигаются в объём органики — обычное предпочтение на ступенях реэкстракции с горячим крепким электролитом, поскольку это ограничивает объём сильно кислой воды в смесителе и снижает перенос кислоты в органику. Около 1:1 сплошность чувствительна к оборотам мешалки, конструкции перегородок и даже переходным колебаниям расхода, поэтому проектировщики часто уводят O/A от единицы или навязывают сплошность внутренним рециклом. Последствия уноса асимметричны: органика в рафинате — это уходящий в пруд объём, а водная фаза в органике несёт хлорид в реэкстракцию и далее в цех электролиза, где даже ~30 мг/л в электролите может влиять на качество катода.

Часто задаваемые вопросы

Какая O/A хороша для экстракции меди?

В оксимной экстракции меди типичны O/A 1:1–1.5:1, и многие крупные схемы держатся около 1.0–1.1:1; пример даёт 1.07:1. «Хорошее» значение — то, что достигает цели по рафинату за две-три ступени, держит насыщенную органику на ~90–95% ёмкости изотермы и минимизирует объём органики. Подтвердите изотермой до фиксации.

Почему O/A реэкстракции выше, чем экстракции?

Реэкстракция концентрирует медь в меньшем водном потоке, чтобы содержание в электролите выросло достаточно для экономичного питания электролиза. В примере O/A = 215/150 = 1.4:1 поднимает электролит с 35 до ~40 г/л Cu. Это не свободный выбор: её диктуют медный баланс электролиза и перепад содержаний, который выдерживает ваш цех.

Всегда ли более высокая O/A даёт лучшее извлечение?

Нет. Прирост извлечения затухает: переход с 1.07:1 на 1.35:1 улучшает извлечение лишь с 91.3% до ~93.0%, а объём органики растёт на 26%. Одновременно очень высокая O/A увеличивает потери на унос и уводит реэкстракцию от баланса электролиза. Существует экономический оптимум, а не максимум.

O/A — это объёмное или массовое отношение?

Всегда объёмное в практике SX. При плотности органики ~0.82 и PLS ~1.05 объёмная O/A 1.07:1 — это лишь 0.83:1 по массе. Смешение баз даёт ошибку 25–30%, достаточную, чтобы скрыть реальную проблему содержаний: указывайте базу на каждой схеме и опросном листе.