ООО «РУСАЛ ИТЦ», Санкт-Петербург, Россия:

Голубев В. О., начальник отдела математического моделирования, эл. почта: Vladimir.Golubev2@rusal.com

Чистяков Д. Г., ведущий инженер отдела математического моделирования, эл. почта: Dmitriy.Chistiakov@rusal.com

Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия:

Бричкин В. Н., зав. кафедрой металлургии, эл. почта: Brichkin_VN@pers.spmi.ru

Постика М. Ф., студент, эл. почта: kafmet@spmi.ru

Метод баланса популяции частиц является наиболее разработанным способом математического моделирования процесса разложения алюминатного раствора на затравке гидроксида алюминия и имеет большое научное и прикладное значение. Решение уравнения популяционного баланса дает возможность проследить влияние условий процесса на технологические показатели декомпозиции, включая: степень разложения растворов, концентрацию твердого в пульпе, каустический модуль, фракционный состав осадка и др. Для настройки функциональных зависимостей, определяющих в этом уравнении скорость роста, интенсивность процессов зародышеобразования и агломерации, применяют периодический и полупериодический опыт. Путем физического опыта и математического моделирования показано, что режим перемешивания в лабораторном реакторе значительного объема (5 л) далек от идеального и характеризуется заметными флуктуациями плотности пульпы. Этот эффект является источником существенных отклонений от положений популяционного баланса и может стать причиной пониженной точности прогноза показателей декомпозиции. Проведено лабораторное исследование процесса декомпозиции в условиях, моделирующих производственный режим разложения высокомодульных алюминатных растворов на отечественных заводах, работающих по способу Байера. Установлены существенное отличие механизма изучаемого процесса от послойного роста затравки, низкая значимость стадии агломерации и повышенная скорость вторичного зародышеобразования. На начальной стадии процесса декомпозиции продолжительностью до 1 ч после загрузки затравки замечено существенное рассогласование между экспериментальными результатами и модельным расчетом, обусловленное индукционным периодом. В остальное время точность моделирования оказалась приемлемой. Реализованная в ходе исследования процесса декомпозиции комплексная методика физического моделирования и настройки модели популяционного баланса в целом показала ее пригодность для описания и анализа экспериментальных результатов независимо от начального состояния системы. В то же время имеется необходимость дальнейшего ее развития с целью корректного описания показателей декомпозиции для всех этапов и режимов технологического процесса.

Работа проведена при финансовой поддержке Российского научного фонда по Соглашению № 18-19-00577 от 26.04.2018 о предоставлении гранта на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований.

Авторы посвящают статью Уральской школе гидрометаллургии.

1. Golubev V. O., Chistiakov D. G., Brichkin V. N., Litvinova T. E. Systems and aids mathematical modeling of the alumina refinery methods: problems and solutions // Non-ferrous Metals. 2019. No. 1. P. 40–47. DOI: 10.17580/nfm.2019.01.07
2. Sweegers C., de Coninck H. C., Meekes H., van Enckev ort W. J. P., Hiralal I. D. K., Rijkeboer A. Morphology, evolution and other characteristics of gibbsite crystals grown from pure and impure aqueous sodium aluminate solutions // Journal of Crystal Growth. 2001. Vol. 233. P. 567–582.
3. Бричкин В. Н., Кремчеева Д. А., Матвеев В. А. Количественное влияние затравки на показатели массовой кристаллизации химических осадков // Записки Горного института. 2015. Т. 211. С. 64–70.
4. Прокопов И. В. Эффективность оборота щелочи в производстве глинозема // Цветные металлы. 2017. № 9. С. 59–62.
5. Anisonyan K. G., Kopyev D. Yu., Olyunina T. V., Sadykhov G. B. Influence of Na₂CO₃ and CaCO₃ additions on the aluminate slag formation during a single-stage reducing roasting of red mud // Non-ferrous Мetals. 2019. № 1. DOI: 10.17580/nfm.2019.01.03

6. Dubovikov O. A., Brichkin V. N., Ris A. D., Sundurov A. V. Thermochemical activation of hydrated aluminosilicates and its importance for alumina production // Non-ferrous Мetals. 2018. № 2. DOI: 10.17580/nfm.2018.02.02
7. Логинова И. В., Шопперт А. А., Крючков Е. Ю. Изучение кинетики и нахождение оптимальных параметров извлечения глинозема при выщелачивании бокситов Среднего Тимана // Цветные металлы. 2018. № 1. С. 63–68. DOI: 10.17580/tsm.2018.01.08
8. Ramkrishna D. Population balances. Theory and Applications to Particulate Systems in Engineering. London : Academic Press. 2000. — 355 p.
9. Livk I., Ilievski D. A macroscopic agglomeration kernel model for gibbsite precipitation in turbulent and laminar flows // Chem. Eng. Sci. 2007. Vol. 62. P. 3787–3797.
10. Li T. S., Rohl A. L., Ilievski D. Modelling non-stationary precipitation systems: sources of error and their propagation // Chem. Eng. Sci. 2000. Vol. 55. P. 6037–6047.

11. Stoykov S., Margenov S. Scalable parallel implementation of shooting method for large-scale dynamical systems. Application to bridge components // Journ. of Comp. and App. Math. 2015. Vol. 293. P. 223–231.
12. Litster J. D., Smit D. J., Hounslow M. J. Adjustable Discretized Population Balance for Growth and Aggregation // AlChE Journal. 1995. Vol. 41, No. 3. P. 591–603.
13. Bramley A. S., Hounslow M. J., Ryall R. L. Aggregation during Precipitation from Solution: A Method for Extracting Rates from Experimental Data // Journal of colloid and interface science. 1996. Vol. 183. P. 155–165.
14. Nocedal J., Wright S. J. Numerical Optimization. Second Edition. — Вerlin : Springer, 2006. — 664 p.
15. White E. T., Bateman S. H. Effect of caustic concentration on the growth rate of Al(OH)₃ particles // Light Metals 1988 : proceedings of the technical sessions presented by the TMS Aluminum Committee at the 177^th TMS annual meeting. Phoenix, 1988. P. 157–162.
16. Misra C. The precipitation of Bayer aluminiumtrihydroxide. Ph.D. thesis, University of Queensland, Australia. 1970. — 236 p.
17. Freij S. J., Parkinson G. M. Surface morphology and crystal growth mechanism of gibbsite in industrial Bayer liquors // Hydrometallurgy. 2005. Vol. 78. P. 246–255.
18. Бричкин В. Н., Краславски А. Явление изотермического перехода метастабильных алюминатных растворов в лабильную область и перспективы его промышленного использования // Записки Горного института. 2016. Т. 217. С. 80–87.