CC BY
34
УДК 66.061
Галиева Ж.Н., Волобуев О.И., Ячменев А. А., Игумнов М.С., Геря В.О., Быданов Б. А., Дронов Д.В., Семенов А. А.
УНИВЕРСАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ (РЗК) В КАСКАДАХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ: РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ, ОСВОЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА
Галиева Жанетта Николаевна, зам. генерального директора по науке, научный руководитель проекта e-mail: zgalieva@gmail.com;
Волобуев Олег Иванович, технический руководитель проекта e-mail: v-oleg1@yandex.ru;
Ячменев Андрей Анатольевич, главный конструктор проекта, начальник тех. отдела e-mail: andr005@yandex.ru;
Игумнов Михаил Степанович, научный консультант проекта e-mail: igmike@yandex.ru;
Геря Владимир Олегович, начальник экспериментального производства e-mail: boba.excellent@gmail.com;
Быданов Борис Александрович, главный технолог экспериментального производства e-mail: bidanov.boris@yandex.ru;
Дронов Дмитрий Валерьевич, ведущий инженер-технолог экспериментального производства e-mail: dronov92.92@mail.ru;
Семенов Андрей Александрович, начальник лаборатории разделительной экстракции e-mail: nolven-rock@mail.ru;
Общество с ограниченной ответственностью «Лаборатория Инновационных Технологий (ООО «ЛИТ») «ГК «Скайград», г. Королев, Россия
141090, Московская обл., г. Королев, мкр-н. Юбилейный, ул. Пионерская, ХА, помещение XXXIX
Представлены результаты по разработке универсальной технологии разделения РЗК в каскадах центробежных экстракторов. По результатам исследований организовано экспериментальное производство (ЭП) по разделению РЗЭ с получением индивидуальных соединений РЗЭ.
Ключевые слова: РЗК, разделение, экстракция, центробежный экстрактор.
UNIVERSAL TECHNOLOGY OF RARE-EARTH CONCENTRATES (REC) SEPARATION IN CASCADES OF CENTRIFUGAL EXTRACTORS: DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY AND EQUIPMENT, PRODUCTION DEVELOPMENT
Galieva G.N., Volobyev O.I., Yachmenev A.A., Igymnov M.S., Gerya V.O., Bidanov B.A., Dronov D.V., Semenov A.A . Limited Liability Company "Laboratory of Innovative Technologies"GK "Skygrad" , Moscow region, Korolev, Russia
The results of the development of a universal technology of rare-earth concentrates separation in cascades of centrifugal extractors are presented. On the results of the investigations, an experimental production (EP) of REE separation with the formation of individual compounds of REE was organized.
Key words: separation, extraction, centrifugal extractor.
В период с 2011 по 2017 г.г. в ЛИТ были проведены комплексные исследования по разработке электрохимической и экстракционной технологии разделения редкоземельных концентратов (РЗК) с получением индивидуальных соединений РЗЭ -церия, лантана, неодима, празеодима, концентрата среднетяжелой группы РЗЭ, самария, иттрия, европия и др.
Для реализации этой технологии в промышленном масштабе было разработано уникальное оборудование - электролизер для окисления церия (восстановления европия) с керамической корундовой диафрагмой (Skysel-500) и центробежный экстрактор из
высокомолекулярного полиэтилена для работы в
высокоагрессивных средах окисленного церии (ЭЦ-100ПБ). Для экспресс-контроля состава редкоземельных концентратов в каскадах разделения был разработан атомно-эмиссионный спектрометр с микроволновой плазмой (Спектро-Скай). Исследования были завершены созданием и освоением экспериментального производства по разделению групповых концентратов РЗЭ производства ОАО «СМЗ» с получением индивидуальных соединений РЗЭ - церия, лантана, неодима, празеодима и концентрата среднетяжелой группы.
Рисуно 1 - Электролизер для окисления церия 8ку«е1-500
Разделение РЗК проводят из слабокислых нитратных растворов с использованием
разбавленного в углеводородном разбавителе экстрагента ТБФ, относящегося к классу нейтральных фосфорорганических соединений в каскадах центробежных экстракторов собственной конструкции и изготовления (патенты РФ №№150234, 2566137). Предварительно из концентрата выделяется церий путем его окисления до состояния Се(+4) и последующим экстракционным выделением с получением карбоната или оксида. Процесс электроокисления церия проводится в электролизере собственной конструкции и изготовления (патент РФ № 2605751), экстракционного извлечения - в каскаде центробежных экстракторов (патент РФ №2623542).
Лантан, концентрат среднетяжелой группы (СТГ), неодим и празеодим последовательно выделяют экстракционным разделением РЗК по линиям Pr-Ce, Sm-Nd и после извлечения
церия. Оксиды индивидуальных РЗЭ получают осаждением карбонатов из соответствующих рафинатов/реэкстрактов с дальнейшей фильтрацией, сушкой и прокалкой осадка.
Технология реализована на экспериментальном производстве ООО «ЛИТ» (объем переработки РЗК -140 т в год по XГREO) при содействии Министерства Промышленности и финансовой поддержке Российского фонда технологического развития (РФТР) - в конце 2016 года проект получил льготный займ на сумму 179 млн. руб. по флагманской программе «Проекты развития». Общий объем финансирования, включая средства инвесторов, составил около 800 млн. руб. Производство полностью автоматизировано.
Рисунок 2 - Фрагмент каскада разделения по линии Nd/Pr, число ступеней - 93
Конкурентные преимущества разработки:
первые промышленные технологии разделения использовали экстракцию РЗЭ из нитратных растворов с высаливателем 100% ТБФ и были реализованы в каскадах смесительно-отстойных экстракторов ящичного типа, которым свойственны невысокая производительность и низкий КПД при расслоении водноорганических эмульсий из концентрированных водных растворов с плотностью
>1,5 г/дм3 и насыщенной вязкой органической фазой экстрагента.
По этим причинам существующие производства РЗЭ ведущих мировых держав (США, Канада, Китай), построенные еще в 80-90 годах, характеризуются высокой материало- и энергоемкостью: занимают большие площади, требуют масштабного технического обеспечения, колоссальных капитальных вложений и оборотных
средств, имеют значительный объемом незавершенного производства.
Россия, лишившаяся в 90-е годы всех своих предприятий по производству и разделению РЗЭ, пытается инициировать создание новых мощностей по получению и разделению РЗК. Очевидно, что в сложившейся ситуации финансирование проектов, основанных на возрождении устаревшего оборудования и технологических подходов, экономически нецелесообразно.
В аспекте вышесказанного, конкурентные преимущества универсальной технологии разделения редкоземельных концентратов в каскадах центробежных экстракторов по сравнению с существующими промышленно реализованными технологиями имеет ряд преимуществ:
1) разделение РЗЭ осуществляется в каскадах центробежных экстракторов, которые по сравнению со смесителями-отстойниками ящичного типа при сопоставимых габаритных размерах имеют в 25-30 раз меньший объем загрузки экстрагента и рабочих растворов (объем незавершенного производства), и одновременно, в 30 раз большую производительность по сумме фаз.
2) позволяет более чем в 10 раз снизить производственные площади производства при равном объеме переработки редкоземельных концентратов;
3) в качестве экстрагента используется не 100%, а оптимально разбавленный ТБФ (70-75% в инертном разбавителе), что способствует значительному увеличению скорости расслоения эмульсии концентрированных нитратных растворов РЗЭ и экстракта, и следовательно, снижает прямые потери экстрагента при сохранении производительности процесса;
4) полупродукционные растворы выводятся из экстракционного каскада через сепарирующие
(работающих только по одной фазе) экстракторы, в которых происходит дополнительная очистка водной фазы от эмульгированного экстрагента.
Данное технологическое решение снижает потери экстрагента, повышает чистоту продукции и позволяет избежать затрат на дополнительное отстойное оборудование;
5) каскады центробежных экстракторов имеют малую инерционность, что при возникновении необходимости перехода на другое сырье позволяет в сжатые сроки производить перенастройку и изменять режим работы каскада без угрозы снижения качества получаемой продукции. Эта особенность оборудования расширяет спектр исходного сырья, потенциально применимого для дальнейшей переработки, и присваивает разработанной технологии статус универсальной;
6) окисление церия проводится в двухкамерных электролизерах, в которых катодная камера отделена от анодной пористой керамической диафрагмой, изготовленной плазмохимическим методом, а в качестве анодов используются титановые пластины с активирующим покрытием из диоксида иридия. Указанные элементы конструкции электролизеров являются отличной альтернативой полимерным ионообменным мембранам, характеризующимся высоким электрическим сопротивлением, низкой механической прочностью и термической устойчивостью, дорогостоящим платиновым сеткам и платинированным титановым пластинам.
Принятые технологические решения и использование нестандартного оборудования собственной разработки позволили создать полностью автоматизированное экспериментальное производство 1 -й очереди разделения РЗЭ производительностью 140 т/год на площади около 1500 м2
Рисунок 3 - Выпускники РХТУ (1974-2019 годы) на фоне каскада центробежных экстракторов ЭЦ-1000ПБ
