Wirówki stosowane w procesie ekstrakcji rozpuszczalnikiem zapewniają redukcję strat rozpuszczalnika na poziomie 60%

Proces ekstrakcji rozpuszczalnikiem to operacja wydobywcza, w której metale takie jak miedź, platyna, złoto, kobalt, nikiel, cynk, uran itp. są wydobywane przy użyciu środków chemicznych. Po procesie ekstrakcji rozpuszczalnikiem następuje etap elektrorafinacji (zwanej też elektroekstrakcją) polegający na elektrodepozycji metali, które zostały wprowadzone do roztworu w procesie powszechnie zwanym ługowaniem. Podobny proces towarzyszy elektrorafinacji, która służy do usuwania z metalu zanieczyszczeń. 

Większość komercyjnych zakładów ekstrakcji rozpuszczalnikiem zmaga się z powstawaniem osadu emulsyjnego – emulsji stabilizowanej cząstkami stałymi, która zazwyczaj gromadzi się na styku wody i fazy organicznej w osadnikach w toku ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Jest to spowodowane przedostawaniem się różnych substancji do procesu ekstrakcji rozpuszczalnikiem, takich jak pyły przenoszone przez wiatr, faza stała uwięziona w procesie ługowania, zanieczyszczenia w roztworach, a nawet owady przyciągane przez światła w zakładzie ekstrakcji rozpuszczalnikiem. 

Podczas gdy cienka warstwa osadu emulsyjnego na styku wody i fazy organicznej może wspierać koalescencję drobnych kropel, jego nadmiar może zakłócać oddzielanie faz i znacznie zmniejszać wydajność osadników.  Gromadzący się w osadnikach osad emulsyjny może zacząć przedostawać się do następnego etapu mieszania. Może to w krótkim czasie doprowadzić do uwięzienia dużych ilości osadu emulsyjnego.  Powoduje to zanieczyszczenie elektrolitów roztworem ługującym i fazą organiczną.  

Przeniesienie fazy organicznej do etapu elektrorafinacji może spowodować degradację katody. Przedostanie się elektrolitu do obszaru ekstrakcji rozpuszczalnikiem może spowodować ubytki miedzi do rafinatu (w tym przypadku podczas rafinacji miedzi). Przedostanie się fazy organicznej do rafinatu powoduje wzrost strat fazy organicznej.  Chociaż usuwanie osadu emulsyjnego w zakładach ekstrakcji rozpuszczalnikiem zwykle nie stanowi większego problemu, to jednak zawartość fazy organicznej przekracza w nim 50%. Utrata materiału organicznego wraz z osadem emulsyjnym może kosztować setki tysięcy dolarów rocznie. 

Rozpuszczanie osadu emulsyjnego w procesie ekstrakcji rozpuszczalnikiem z wykorzystaniem technologii

Wirówki pomagają uniknąć strat roztworu organicznego przy jednoczesnym utrzymaniu sprawności ładowania rozpuszczalnika oraz procesu ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Proces ten pomaga utrzymać kontrolę nad wartością pH i wydłużyć żywotność katody w toku elektrorafinacji, tak aby uniknąć przestojów instalacji spowodowanych koniecznością czyszczenia osadnika. 

Regulowana tarcza skórująca umożliwia precyzyjne zmiany parametrów w czasie rzeczywistym. Pozwala to zoptymalizować czystość odzyskanego roztworu organicznego nawet w zmiennych warunkach procesu i zapewnia maksymalną skuteczność odzyskiwania rozpuszczalnika, co przekłada się na zmniejszenie strat rozpuszczalnika nawet o 60%. 

Proces ten znajduje zastosowanie w zakładach rafinacji produkujących co najmniej 20 t miedzi rocznie.  Do tego celu służą także wirówki w małych, średnich i dużych kopalniach miedzi na całym świecie, a szczególnie w kopalniach wykorzystujących proces ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Na zastosowaniu wirówek w tym krytycznym procesie mogą skorzystać także producenci instalacji, biura projektowe i wykonawcy EPC w branży górniczej. 

Studium przypadku 1 – Bwana Mkubwa, Zambia

Dla firmy Bwana Mkubwa, zambijskiego producenta miedzi w mieście Ndola w prowincji Copperbelt, niemożność efektywnego przetwarzania osadu emulsyjnego z osadników doprowadziła do problemów kilku instalacji ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Powodowało to poważne problemy w toku ekstrakcji rozpuszczalnikiem i zmniejszało dyspozycyjność procesu nawet o 10%.  

Zambia i Demokratyczna Republika Konga odpowiadają za 1,2 Mt miedzi rocznie pozyskiwanej w procesach ekstrakcji rozpuszczalnikiem / elektrorafinacji, z czego co najmniej 80% wytwarzane jest z wykorzystaniem wirówek trójfazowych służących do usuwania osadu emulsyjnego. Przy oszczędnościach wynoszących 12 USD/t miedzi oznacza to roczne oszczędności na poziomie 12 mln USD w przypadku tylko jednego zastosowania w tych dwóch krajach. 

Wyzwanie

Dwadzieścia lat temu większość zakładów rafinacji miedzi na świecie zmagała się ze znacznymi stratami finansowymi spowodowanymi powstawaniem osadu emulsyjnego w instalacjach ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Usuwanie osadu emulsyjnego z procesu – choć niezbędne – skutkowało stratami ekstraktantu organicznego i rozcieńczalnika o wartości kilkuset tysięcy dolarów rocznie. Standardowe techniki odzyskiwania przy użyciu pras filtracyjnych były pracochłonne i nieskuteczne. Nawet po zakończeniu filtracji osad emulsyjny nadal zawierał znaczne ilości roztworu organicznego. 

Gromadzenie się osadu emulsyjnego w osadnikach powodowało często poważne problemy w toku ekstrakcji rozpuszczalnikiem i zmniejszało dyspozycyjność procesu nawet o 10%. Pozostałości fazy stałej musiały być traktowane jako odpady niebezpieczne, ponieważ roztwór organiczny jest bardzo niebezpieczny dla środowiska. 

Rozwiązanie

Za pomocą wirówki trójfazowej można było odzyskiwać fazę organiczną w postaci czystego roztworu, który można było wprowadzać z powrotem bezpośrednio do instalacji ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Oszczędności na samym roztworze organicznym wyniosły ponad 12 USD/t wyprodukowanej miedzi. Zakład produkujący 50 000 ton miedzi rocznie mógł zaoszczędzić około 600 000 USD rocznie. Dodatkowe oszczędności wiązały się z kosztami robocizny, tkanin filtracyjnych i konserwacji.  

Ponadto wydajny proces usuwania osadu emulsyjnego umożliwił utrzymanie jego stałego poziomu w instalacjach ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Przyniosło to dodatkowe oszczędności związane z poprawą stabilności pracy i wydajności instalacji ekstrakcji rozpuszczalnikiem. Usuwanie pozostałości fazy stałej stało się również łatwiejsze, ponieważ zmalała zawartość fazy organicznej. 

Przebieg procesu

Usuwanie osadu emulsyjnego należy traktować jako proces cykliczny. Osad emulsyjny jest pobierany z osadników za pomocą pomp membranowych lub perystaltycznych. Jego skład może z dnia na dzień ulec znacznej zmianie. Osad emulsyjny gromadzony jest w zbiorniku zasilającym i mieszany za pomocą mieszadła o niskim współczynniku ścinania. Stężenie fazy stałej w osadzie emulsyjnym wynosi zazwyczaj od 2 do 10%.  

Osad emulsyjny jest podawany do wirówki trójfazowej, a operatorzy regulują parametry pracy tarczy skórującej, aby uzyskać czysty roztwór organiczny. Należy podkreślić, że większość osadu emulsyjnego na świecie nie rozdziela się na trzy fazy podczas odwirowywania, lecz na cztery.  

Stabilna czwarta faza powstaje na styku fazy organicznej i wody. Poprzez prawidłowe wyregulowanie tarczy skórującej wirówki trójfazowej operator może zagwarantować, że ta bardzo drobna frakcja stała zostanie usunięta wraz z fazą wodną. Z tego powodu faza wodna nie jest przezroczysta, ale ma błotnistobrązowy kolor. Faza wodna musi być odprowadzana jako odpad przeróbczy. Nie można jej zwrócić do instalacji ekstrakcji rozpuszczalnikiem, ponieważ stałaby się tam zaczątkiem nowej partii osadu emulsyjnego. 

Podsumowanie

Dwadzieścia lat później większość instalacji ekstrakcji rozpuszczalnikiem miedzi na świecie stosuje wirówkę trójfazową do usuwania osadu emulsyjnego. Obecnie na świecie pracuje ponad 80 tego typu maszyn. Biorąc pod uwagę, że obecnie działa tylko około 59 instalacji ekstrakcji rozpuszczalnikiem, które dostarczają ponad 20 kt miedzi rocznie, sukces wirówki trójfazowej w tym zastosowaniu wydaje się oczywisty. 

Wirówka trójfazowa staje się opłacalną opcją dla zakładów rafinacji miedzi pozyskiwanej w procesach ekstrakcji rozpuszczalnikiem / elektrorafinacji w ilości co najmniej 20 t rocznie. Dzięki oszczędnościom uzyskanym w procesie odzyskiwania fazy organicznej zwrot inwestycji w wirówkę trójfazową następuje w ciągu około czterech miesięcy. Dużą zaletą jest również niezawodność maszyn, z których większość jest montowana w odległych lokalizacjach. Wirówki trójfazowe, które zostały uruchomione w Zambii 16 lat temu, nadal zachowują sprawność. 

Chociaż usuwanie osadu emulsyjnego w toku ekstrakcji rozpuszczalnikiem miedzi pozostaje głównym zastosowaniem wirówki trójfazowej w obszarze hydrometalurgii, z powodzeniem stosuje się ją również w procesach ekstrakcji rozpuszczalnikiem uranu, molibdenu, litu i cynku. Wirówka trójfazowa stała się standardem w obszarze urządzeń do usuwania osadu emulsyjnego na świecie. 

Studium przypadku 2 – wiele projektów produkcji miedzi w Chinach

Chińskie przedsiębiorstwa eksploatujące instalacje usuwania osadu emulsyjnego w Afryce i Mjanmie nadal stosują filtry komorowe do usuwania osadu emulsyjnego w procesie ekstrakcji miedzi. Komorowa prasa filtracyjna jest cieszy się ogromną popularnością. Jednak w toku prób przeprowadzonych w kilkunastu instalacjach inżynierowie procesów ustalili, że zastosowanie wirówki trójfazowej pozwala zaoszczędzić ponad 60% rozpuszczalnika w porównaniu z filtrami komorowymi.  

Wyzwanie

Wiele wirówek trójfazowych było z powodzeniem wykorzystywanych w Ameryce Południowej, USA, Australii i Afryce do usuwania osadu emulsyjnego w procesie ekstrakcji miedzi. Jednak w tamtym okresie chińskie przedsiębiorstwa nie korzystały jeszcze z wirówek, nadal polegając na filtrach komorowych.  

Rozwiązanie

W 2013 r. spotkanie techniczne z zespołem projektu Wanbao Mining Myanmar YangTse Copper Mining w Chinach wywołało zainteresowanie technologią wirówek. Nie byliśmy jednak w stanie przekonać klienta, ponieważ firma China Nerin Engineering opracowała wcześniej proces z wykorzystaniem technologii filtracji komorowej oraz miała budżet ograniczony do 30 000 euro.  

W 2015 r. komorowa prasa filtracyjna nie mogła spełnić oczekiwań. W kwietniu 2016 r. na potrzeby usuwania osadu emulsyjnego w procesie ekstrakcji miedzi wprowadzono w Mjanmie wirówkę trójfazową.  Ponieważ było to pierwsze zastosowanie w Chinach, konieczne było szybkie pokonanie nowych trudności. Pojawiły się wyzwania związane z niewielką ilością osadzonej drobnej frakcji stałej oraz wyższym niż oczekiwano zużyciem spowodowanym nadmierną prędkością obrotową bębna. 

Zmodyfikowano konstrukcję tarczy oddzielającej, a modernizacje ślimaka przyniosły lepszą ochronę przed zużyciem. W efekcie po zastosowaniu wirówki trójfazowej uzyskano oszczędności rozpuszczalnika na poziomie 60% w porównaniu z filtrem komorowym. Podążając tym śladem, oddalona o 10 kilometrów sąsiednia kopalnia Wanbao Mining w Mjanmie również wdrożyła technologię wirówek.

Zakończenie

W 2018 r. firma YangTse zakupiła drugą wirówkę do wykorzystania w istniejących zadaniach.  Trzecia instalacja ekstrakcji rozpuszczalnikiem została wykonana w 2022 r. z wykorzystaniem wirówek trójfazowych.

Studium przypadku 3 – różne projekty firmy Fishtec Ltda., Chile

W Chile przedsiębiorstwa górnicze od wielu dziesięcioleci stosują ekstrakcję rozpuszczalnikiem w procesie rafinacji miedzi. Chilijska branża górnicza nie była zaznajomiona z technologią wirówek trójfazowych i stosowała albo prasy filtracyjne, albo musiała pozbywać się zbyt dużej ilości rozpuszczalnika. Traciła produkt i generowała dużą ilość odpadów na końcowym etapie (w postaci osadu emulsyjnego – mieszaniny fazy organicznej, wody, powietrza i zawiesin).  

Poprzez wprowadzenie nieprzerwanego usuwania osadu emulsyjnego za pomocą wirówek trójfazowych przedsiębiorstwa odkryły, że udało im się zmniejszyć ilość ekstraktantu dostarczanego do procesu ekstrakcji rozpuszczalnikiem o 40–60%, co przyniosło znaczne oszczędności finansowe.

Wyzwanie

Stosując technologię pras filtracyjnych, chilijska branża górnicza mierzyła się z koniecznością usuwania zbyt dużej ilości rozpuszczalnika. Traciła produkt i generowała dużą ilość odpadów na końcowym etapie (w postaci osadu emulsyjnego – mieszaniny fazy organicznej, wody, powietrza i zawiesin).  

Rozwiązanie

Działająca od lat 90. XX w. w branży przetwórstwa rybnego chilijska firma Fishtec Ltda. miała w tym obszarze szerokie doświadczenia. W 1995 r. została poproszona o przetestowanie próbki osadu emulsyjnego pochodzącego z niewielkiego przedsiębiorstwa górniczego w Pudahuel.  Okazało się, że produkt do złudzenia przypominał ten znany z produkcji sardynek. Podobieństwo polegało na obecności w mieszaninie czterech faz, które należało rozdzielić na trzy. Wirówka trójfazowa osiąga doskonałe wyniki dzięki przestawnej tarczy skórującej. Oddzielanie czwartej fazy odbywało się z wykorzystaniem ciężkiej cieczy, a odzyskana faza organiczna była całkowicie czysta. Zastosowanie wirówki trójfazowej okazało się najlepszym wyborem w tym procesie oraz przyniosło poprawę jakości produktu, obniżając jednocześnie koszty utylizacji odpadów, eksploatacji oraz konserwacji. 

Po przeprowadzeniu próby oraz w związku z faktem, że ekstrakcja rozpuszczalnikiem cieszyła się na świecie rosnącą popularnością jako najczęściej stosowany proces w kopalniach miedzi, nowe wirówki trójfazowe wprowadzono w kopalniach Escondida Coloso (BHP Coloso, 1995) i Quebrada Blanca (Teck, 1995).   

Wcześniej firma Fishtec nie miała ani doświadczenia, ani maszyny odpowiedniej do zadania.  Wprowadzono dekantery dwu- lub trójfazowe, które nie sprawdziły się, w związku z czym nigdy nie były używane.  Dlatego w chilijskiej branży wydobywczej zaczęło utrwalać się negatywne postrzeganie wirówek wykorzystywanych do usuwania osadu emulsyjnego w procesie ekstrakcji miedzi. 

Strategią firmy Fishtec było „oszołomienie” klientów niezmiennie najwyższymi wynikami. Od tego czasu w niemal 95% instalacji do ekstrakcji rozpuszczalnikiem firmy Fishtec zastosowanie znajdują wirówki trójfazowe.  

W 2020 r. uruchomiono jednostkę pilotażową w firmie Codelco w Salwadorze. Codelco to chilijskie przedsiębiorstwo państwowe z sześcioma aktywnymi zakładami wydobywczymi. W dwóch z nich do ekstrakcji rozpuszczalnikiem służą wirówki trójfazowe.  Wyniki okazały się bardzo obiecujące, a klient podjął decyzję o zakupie nowej wirówki trójfazowej. Odzyskiwanie rozpuszczalnika za pomocą wirówki trójfazowej na miejscu jest najlepszym rozwiązaniem w zastosowaniach ze stanem stabilnym i przewidywalną wydajnością.  

Przebieg procesu

Firma Fishtec zapewnia klientom kompletne rozwiązanie, dostosowując wirówkę trójfazową do miejsca eksploatacji. Dotyczy to zarówno nowych, jak i istniejących zakładów przy uwzględnieniu wszystkich powiązań i aspektów istotnych z punktu widzenia klienta – od pomp po wirówkę.

Zakończenie

Doświadczenie w tej dziedzinie dostarczyło pozytywnych wyników, które stanowią potwierdzenie oszczędności i prostoty obsługi. Nieprzerwane usuwanie osadu emulsyjnego stanowi gwarancję zmniejszenia ilości nowego ekstraktantu dostarczanego do procesu ekstrakcji rozpuszczalnikiem.  Oszczędności można łatwo obliczyć, ale zazwyczaj redukcja zużycia nowego roztworu mieści się w przedziale od 40% do 60%. 

Zwrot z inwestycji zależy od sposobu eksploatacji maszyny.  Eksploatacja całodobowa jest najlepszym scenariuszem, w którym osiągnięcie zwrotu nastąpi w ciągu od 6 do 9 miesięcy. W innym zastosowaniu z usuwaniem materiału odpadowego typu „borra” następuje spadek objętości o niemal 60%, a od 15% do 40% materiału odzyskuje się w postaci osadu emulsyjnego. Dzięki temu system stanowi cenne dopełnienie instalacji usuwania osadu emulsyjnego. 

Autor

Robert Klug jest inżynierem sprzedaży terenowej i ekspertem w obszarze technologii oddzielania firmy Flottweg dla górnictwa.