Process and Cost Optimized Agitator Solutions for Hydrometallurgical Base Metals Processing

摘要

Atmosphärisch begaste Rührkesselkaskaden in kontinuierlicher Fahrweise erfüllen in vielen hydrometallurgischen Laugungsprozessen eine Schlüsselfunktion. Neben der Kos-tendegression durch Bau immer größerer gerührter Einheiten und Verbesserungen der Prozesse, ist die Gesamtkostenoptimierung ein wesentliches Ziel. Ein Nebeneffekt bei der Maßstabsvergrößerung (Scale-up) ist die Verringerung der Rührwellendrehzahlen, wodurch das Risiko einer „Überflutung" bei Verwendung konventioneller Rührorgane steigt. Die Auslegungskriterien zur Dimensionierung der Motorleistung richten sich dann nicht mehr allein nach der Stoffübertragungsleistung, sondern nach den zusätzlichen Leistungsanforderungen, die notwendig sind, um ein „Überfluten" des Rührorgans zu verhindern und den Feststoff in Suspension zu halten. In diesem Artikel wird eine neue Art von Rührorgan zum Gasdispergieren und Feststoffsuspendieren vorgestellt, das sehr hohe Gasmengen handhaben kann, aber ein Überdimensionieren umgeht. Bei vielen dieser begasten Rührkesselkaskaden ist die Kompressorleistung des Luftversorgungssystems oftmals signifikant höher im Vergleich zur Antriebsleistung der Rührwerke. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass Hochdruckbegasungssysteme aus ökonomischer Sicht unwirtschaftlich sind und der Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zu modernen Rührwerkslösungen niedrig ist. Abrieb an den Düsenauslässen ist aufgrund der hohen Gasaustrittsgeschwindigkeiten ein häufig anzutreffendes Problem. Im schlimmsten Fall kann es durch Verblocken einiger Auslässe zu einer ungleichmäßigen Gasverteilung am Rührorgan kommen. Die Folgen sind zusätzliche dynamische Beanspruchungen des Rührwerks, aber auch eine Verringerung der chemischen Ausbeute bedingt durch einen reduzierten Stofftransport von der gasförmigen in die flüssige Phase. Um diese Nachteile zu überwinden, ist eine gänzlich neue Lösung für begaste Rührwerke entwickelt worden. Eine einzige Gasleitung versorgt das Begasungsrührorgan, wobei das Gas über hohle Holme direkt zu den Rührorganblättern in die Zonen mit höchster Scherung eingeleitet wird. Gleichzeitig wird der Gesamtdruckverlust minimiert, während die Gasdispergierleistung maximiert wird, weil der Gasstrom ungedämpft bleibt. Der Stofftransport und die Gasausbeute sind auch dann wichtig, wenn reine Gase verwendet werden. Ein Beispiel ist die Verwendung von reinem Sauerstoff anstelle von Luft, um die Löslichkeit und damit das treibende Gefälle für den Stofftransport zu erhöhen. Die Wirtschaftlichkeit eines solchen Prozesses kann weiter optimiert werden, indem spezielle mehrstufige Rührorgananordnungen in Kombination mit einer angepassten Behältergeometrie verwendet werden.%Stirred tank reactors under continuous atmospheric operating conditions fulfill an important key function for many gassed hydrometallurgical leaching processes. Apart from realizing "economies of scale" and implementing advances in process performance, achieving a cost optimization of such systems is a fundamental goal. One side effect of scale-up is that the agitator shaft speeds are reduced, which increases the risk of "flooding" with conventional impeller types. To prevent "flooding", the design criteria for the installed motor power of such agitators is then not driven by the gas mass transfer rate but by the additional power requirements for keeping the three-phase gas-slurry mixture suspended. This paper presents a new type of impeller for gas dispersion and solids suspension that can handle very high gas loads and that avoids unnecessary agitator overde-sign. - In many gassed applications, such as base metals processing in atmospheric leaching tanks, the compressor power of the air supply system often exceeds the agitator power. A detailed analysis shows that high pressure gas sparging is not justified from an economic standpoint and that the over-all efficiency is low when compared to modern agitator solutions. Abrasion at the nozzles is a common issue due to high gas velocities. In the worst case this can lead to an unbalanced gas distribution, which causes additional impeller loads and lowers the chemical yield due to the reduced mass transfer. A completely new gassed agitator solution has been developed to overcome these disadvantages. A single gas pipe feeds the gassed impeller where the gas is distributed by hollow spars directly to the impeller blades in the zones of highest shear. The overall pressure loss is thereby minimized and gas dispersion is maximized as no dampening of the gas flow occurs. - Mass transfer and gas utilization is also important if pure gases are used. One example is the use of pure oxygen instead of air to increase the solubility and therefore the driving force for the mass transfer. The economies of such processes can be further optimized by using special multiple impeller stage agitators together with adapted vessel geometries.