Sinkkirikasteen liuotusprosessin kineettinen mallinnus

Abstract

Työssä on tehty kineettinen simulointimalli sinkkirikasteen liuotusprosessista. Prosessi on pieni osa Kokkolan sinkinvalmistusprosessia, jonka muita osia ovat: pasutus, neutraaliliuotus, konversio, liuospuhdistus ja elektrolyysi. Rikasteen liuotukseen tulee konversioprosessin liuos ja liuotuksesta lähtevä neste menee takaisin neutraaliliuotukseen. Saostunut jarosiitti läjitetään. Kokkolan liuotusprosessi koostuu liettoreaktorista ja kahdesta neljän liuotusreaktorin sarjasta. Liuotukseen syötetään paluuhappoa liettoreaktoriin ja liuotuspiirien ensimmäisiin liuotusreaktoreihin. Happea syötetään kaikkiin liuotusreaktoreihin. Prosessin mallintamiseen käytettiin Aspen Plus-simulointiohjelmaa, johon pystyttiin syöttämään kineettisiä yhtälöitä. Reaktionopeusyhtälöitä käytettiin raudan hapetuksen, sulfidien liuotuksen ja jarosiitiin saostumisen mallintamiseen, eli kaikkiin liuotusreaktoreissa tapahtuviin reaktioihin. Kineettiset yhtälöt etsittiin kirjallisuudesta. Liettoreaktori puolestaan mallinnettiin syöttämällä ohjelmaan reaktioyhtälöt ja antamalla niille etenemisasteet. Jarosiitin liukenemisesta työssä on tehty laboratoriokokeita, koska aiheesta ei kirjallisuudesta löytynyt kineettistä tietoa. Liuotuskokeissa käytetyn kiintoaineen kuitenkin todettiin sisältävän liikaa götiittiä, että tuloksista olisi voitu laskea kinetiikkaa jarosiitin liukenemiselle. Simulointimallilla laskettiin yksi tapaus vertailukohdaksi, johon malliin tehtyjä muutoksia verrattiin. Mallilla tutkittiin konversiosta tulevan jarosiitin määrän vaikutusta, reaktorikoon merkitystä ja rikasteen liuotuksen sekä jarosiitin saostuksen reaktionopeuksien muutoksen vaikutuksia. Käytetyillä kineettisillä yhtälöillä reaktioiden todettiin tarvitsevan vain ¾ käytetystä reaktiotilavuudesta, rikasteen liuotusnopeuden kohtalaisen pienellä hidastamisen todettiin vähentävän sinkin saantoa ja jarosiitin saostuksen reaktionopeuden kasvulla todettiin myös olevan negatiivinen vaikutus sinkin saantoon. Simulointimallissa käytettyjen reaktionopeusyhtälöiden varmentaminen kokeilla todettiin tarpeelliseksi, sillä jo kohtalaisen pienillä muutoksilla havaittiin olevan merkitystä prosessin toimivuuteen. Lisäksi todettiin jarosiitin liukenemisen huomioimisen olevan tarpeen.

A kinetic simulation model was made to model a zinc concentrate leaching process. Leaching is only a small part of the Kokkola zinc plant that includes also roasting, neutral leaching, conversion process, solution purification and electrolysis. The solution for the concentrate leaching step comes from the conversion process and liquid produced by the leaching is fed to the neutral leaching step and the precipitated jarosite is separated. The concentrate leaching process includes a concentrate mixing reactor and eight leaching reactors in two series (4 reactors / series). Sulfuric acid is returned from electrolysis and fed to the concentrate mixing reactor and the first reactor of each series. Oxygen is fed to all leaching reactors. Aspen Plus a simulation program was used to model the process with kinetic equations. Reaction rate equations were used to model iron oxidation, sulfide leaching and jarosite precipitation. In other words kinetic equations were used in all reactions that occurred in the leaching reactors. Those equations were found from the literature. The concentrate mixing reactor was modeled by including conversion rate in the reactions. Some laboratory tests were made to obtain a kinetic equation for the jarosite leaching, because such information was not available in the literature. Solid material that was used in the leaching tests was discovered to contain too much goethite, so it was not possible to calculate the kinetics of the jarosite leaching from the results. One example was calculated with a simulation model to work as a comparison point for changes made to the model. Effect of jarosite coming from conversion process, effect of the reactor size and effect of the reaction rate of the jarosite precipitation and sulfide leaching were studied with the simulation model. Kinetic reactions needed only ¾ of the reaction volume. Decreasing of the reaction rate of sulfide leaching was found to have a big effect on how much of the concentrate was leached and also an increase in the jarosite precipitation rate was found to have negative effect on the concentrate leaching. Since even small changes in the reaction rate of the sulfide leaching and jarosite precipitation had effect on the leaching of the concentrate, the reaction equations should be verified with laboratory tests. Also jarosite leaching should be added to the model to make it more accurate.