CC BY
60
г) = 2 г 1 г 2 г; + (г,2 - г ,2>( г 2 + а„ п)'
(г;2 + г|)2ае 0
Если предположить, что импеданс чисто действительный при всех 2, то получим:
(2) = ^ е (г) е'( 2) =-тН^г;'
г 2 г 2; е 0 г ; 0
з е о
(4)
z , _ , 1 1^. z 1'_- 2-е' (z) z 1 --------------
1 Vе (z) V е о 2 и о
а ( z ) _- —є'( z ) z 3 Єо----— _- —є'( z ) 7 _- Є<0 d е
2 ; мо г ;2 2 ; 2^м оео аг
Выражения (3) и (4) могут быть полезны для реализации сред с заданным импедансом, если обозначены граничные условия задачи.
Литература
1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973. - 343 с.
Гантимуров Анатолий Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, лаборатория геоэлектромагнетизма, отдел физических проблем при президиуме Бурятского научного центра СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, e-mail: [email protected]
Башкуев Юрий Буддич, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией геоэлектромагнетизма, отдел физических проблем при президиуме Бурятского научного центра СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, e-mail: [email protected]
Gantimurov Anatoliy Gennadievich, candidate of physics and mathematics, senior researcher, laboratory of geoelectromagnetism, department of physical problems under presidium of Buryat Scientific Center, SB RAS
Bashkuev Yuriy Buddich, doctor of engineering, professor, head of laboratory of geoelectromagnetism, department of physical problems under presidium of Buryat Scientific Center, SB RAS
О ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ АПАТИТА ОШУРКОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Е.И. Карпенко, А.П. Ринчинов, В.Б. Шагдаров
В статье представлены результаты модельных исследований тощих фосфатных руд с полным извлечением целевого продукта, проведенных с помощью программы TERRA, которые показывают возможность плазменной переработки в атмосфере аргона и пропан-бутана. Также определен состав извлекаемого материала и процентное его содержание в зависимости от температуры процесса.
Ключевые слова: фосфаты, апатиты, пропан-бутан, фосфор, плазменная переработка.
ON PLASMA PROCESSING OF APATITE FROM OSHURKOVO DEPOSIT E.I. Karpenko, A.P. Rinchinov, V.B. Shagdarov
The article presents the results of model researches of skinny phosphate ores with complete extraction of the desired product, conducted by means of the program TERRA, which indicate the possibility of plasma processing in atmosphere of argon and propane-butan. Also the composition of the extracted material and its percentage ratio were identified in dependce on temperature of the process.
Keywords: phosphates, apatite, propane, butane, phosphorus, plasma processing.
Введение
Истощение и дальнейшее снижение содержания P2O5 в активной сырьевой базе фосфатных руд России [1] приведет к тому, что уже к 2015 г. сырьевая база не сможет обеспечить потребности производства фосфора [2]. В то же время страна богата залежами бедных и тощих фосфатных руд, которые имеют сложный нестабильный состав и большой процент примесей, что делает их непригодными для традиционных методов переработки [3]. В связи с этим возникает необходимость поиска нового метода переработки.
С помощью программного пакета ТБИКА, который предназначен для расчета произвольных систем с химическими и фазовыми превращениями, были проведены модельные исследования плазменной переработки тощей фосфатной (апатитовой) руды. Справочная база данных этой программы, содержащая в настоящий момент свойства около 3 000 соединений в газообразном, конденсированном и ионизованном состояниях, составлена из сведений систематизированных отечественных и зарубежных справочных руководств [4,5].
Моделирование температурной зависимости состава газа и шлака при плазменной переработке фосфатной руды в условиях нагревания в аргоне и пропан-бутане
Расчеты были произведены в интервале температур 298-6000 К при давлении 0,; МПа.
Таблица 1
Исходный весовой состав шихты
БІО2 ТІО2 А12О3 Ее2О3 ЕеО МпО MgO
39,90 3,72 11,90 3,98 6,92 0,11 6,82
СаО Ыа2О К2О Р2О5 п.п.п. Аг Сумма
12,29 2,49 3,15 4,90 2,10 1 99,28
Такие же расчеты были проведены в атмосфере пропан - бутана. Результаты расчетов представлены на диаграммах 4-6.
Смесь пропан - бутана технического (марки СПБТ по ГОСТу Ю679) содержит ~ 40% пропана (С3Н8) и ~ 60% (С4Н;0) бутана. С учетом процентного содержания пропана и бутана в углеводородной смеси для нее можно записать молекулярную формулу С3.52Н9.;.
На диаграмме ; представлены соединения в газовой фазе, содержащие фосфор, при возгонке в атмосфере аргона. Из нее видно, что раньше всего возгоняются соединения КР03 и №Р03. При больших температурах состав возгоняемых газов обогащается соединением РО.
На диаграммах 2 и 5 показаны составы газовой фазы, не содержащие фосфора. Из них видно, что при температуре больше 3 000 К их процентное содержание в общем составе газовой фазы резко увеличивается.
На диаграмме 4 представлены соединения в газовой фазе, содержащие фосфор, в атмосфере пропан-бутана. Кроме таких же соединений, которые возникают при возгонке в аргоне, появляются соединения НР, НР2, НРО, СР.
На диаграммах 3 и 6 представлены составы конденсированного состояния, образующие шлак. Видно, что исходный состав в обоих случаях полностью возгоняется при температуре ~3650 К.
Моделирование температурной зависимости доли фосфора в отходящих газах в аргоне и пропан-бутане при плазменной переработке фосфатной руды
Программа ТБККА определяет равновесный фазовый состав в молях на килограмм (моль/кг) исходного вещества в зависимости от температуры, а также массовую долю конденсированных фаз 2, т.е. отношение массы всех конденсированных веществ к массе системы в целом (кг/кг). Следовательно, разность ;-2 покажет массовую долю газовой фазы. Таким образом, для определения степени извлечения фосфора в зависимости от температуры проще определить его массовую долю фосфора в конденсированных соединениях и затем пересчитать его долю в газовых соединениях. Фосфор остается в шлаке до 2200 К лишь в составе соединения Са3Р208, при большей температуре его не остается, фосфор полностью извлекается из исходной шихты (диаграмма 7).
Диаграмма 1. Соединения, содержащие фосфор,
3.2
2.+
1.6
0.8
при возгонке в аргоне
Зі02(с5
I 1 ГаСіті'\- '1
МдЗіОЗІс) 1 Д 1 Гр0Й> \
Идй1204Сс) (Іга25і(Жс>І П.' 11- Ъ 2їіСі4<с>
щииийиІЛ-- ТдЛ-. С ' ■ ч Гі" К 2 3 І4 0 9 <с ) 1 ' 1 С а 3 Т І2 0 ? (с >
Диаграмма 2. Соединения, не содержащие фосфор, при возгонке в аргоне
л ПС моль/кг
0.75 --
0.6
0.15
0.3
0.15
1000 2000 3000 1000 5000 Т, К
р-0.1 МПа
Диаграмма 3. Шлак, образующийся при возгонке в аргоне
0 1000 2000 3000 1000 5000 Т, К
р-0.1 МПа
Диаграмма 4. Соединения, содержащие фосфор, при возгонке в пропан-бутане
0 1000 2000 3000 1000 5000 Т, К
Диаграмма 5. Соединения, не содержащие фосфор, Диаграмма 6. Шлак, образующийся
при возгонке в пропан-бутане при возгонке в пропан-бутане
0 .5 МОЛЬ/КГ
0 Л СаЗР208<с)
0 .3
0 .2
0.1
0
0 500 1000 1500 2000 Т, К
Диаграмма 7. Температурный интервал существования соединения Са3Р2О8
Для определения массовой доли фосфора в соединении Са3Р208 необходимо мольное содержание Са3Р208 умножить на его молярную массу и на долевое содержание фосфора в этом соединении. Результаты этих вычислений при различных температурах приведены в таблице 2.
Таблица 2
Т, К 1248 1348 1448 1548 1648 1748
Са3Р 2O8, моль/кг 0,400348 0,400346 0,400333 0,400275 0,400072 0,399478
Са3Р 2^ 10-3 кг/кг 124,1811 124,1804 124,1764 124,1584 124,0954 123,9112
Рс,10-3 кг/кг 24,8005 24,80004 24,7996 24,7960 24,7835 24,7104
Т, К 1848 1948 2048 2148 2198 2200
Са3Р 2O8, моль/кг 0,397728 0,391818 0,374089 0,318721 0,236061 1Е-30
Са3Р2О8, 10-3 кг/кг 123,3684 121,5352 116,0360 98,8617 73,2220 0
Рс,10-3 кг/кг 24,6382 24,2721 23,1738 19,7439 14,6234 0
Для определения массовой доли фосфора в газовой фазе необходимо найти отношение его массы к массе всего возгоняемого газа Рг/(;-2). Массу фосфора в газовой фазе Рг найдем как разность Р0-Рс массы фосфора в исходном расчетном составе Р0 и массы фосфора Рс, входящей в конденсированное соединение Са3Р208. Масса фосфора в исходном апатитовом порошке Ри составляет 42,769-!0"3 кг при содержании в образце 4,9% Р4О;0 и массовой сумме всех элементов 98,28%. В пересчете на ! кг (или ;00%) смеси при содержании в ней ;0,05*;0-3 кг аргона, содержание Р4О;0 станет равным 4,936%, а масса фосфора Р0 будет составлять 43.083-Ш"3 кг. Массу газовой фазы найдем как разность массы исходного вещества и массы конденсированного состояния (!-2). Результаты этих вычислений приведены в таблице 3.
Таблица 3
Соединение Р Р2 Р3 Р4 РО РО2
Молярная масса, 10-3 кг/моль 30,97376 61,94752 92,92128 123,89504 46,97316 62,97256
Доля фосфора 1 1 1 1 0,659393 0,491861
Соединение Р2О3 Р2О4 Р2О5 Р3О6 ЫаОР ЫаРО2
Молярная масса, 10-3 кг/моль 109,9457 125,9451 141,9445 188,9177 69,96293 85,96233
Доля фосфора 0,563437 0,491861 0,436421 0,491861 0,442717 0,360318
Соединение ЫаРО3 КРО3 НР РН2 НРО СР
Молярная масса, 10-3 кг/моль 101,9617 118,0703 31,98171 32,98966 47,98111 42,97376
Доля фосфора 0,303778 0,262333 0,968484 0,938893 0,645541 0,720760
Соединение Са3Р2О8(с)
Молярная масса, 10-3 кг/моль 310,18272
Доля фосфора 0,199713
Из таблицы 4 видно, что доля фосфора в газовой фазе начиная с 2000 К уменьшается, хотя масса извлекаемого вещества, отнесенная к массе исходного состава, увеличивается. Это связано с тем, что массовая доля всей газовой фазы быстрее увеличивается за счет возгонки соединений, не содержащих фосфора. В интервале порядка 2000-2200 К происходит полное извлечение и некоторое уменьшение долевого содержания фосфорсодержащих соединений в газовой фазе.
Таблица 4
Т, К 1248 1348 1448 1548 1648 1748
Рг, кг/кг 0,018282 0,018283 0,018283 0,018287 0,0183 0,018336
1-z, кг/кг 0,01029 0,010291 0,010294 0,010307 0,010354 0,010491
РУО-z), кг/кг 0,001777 0,001777 0,001776 0,001774 0,001767 0,001748
Т, К 1848 1948 2048 2148 2198 2200
Рг, кг/кг 0,018445 0,018811 0,019909 0,023339 0,02846 0,043083
1-z, кг/кг 0,010891 0,012227 0,01621 0,028621 0,047125 0,100022
Рг/0-z), кг/кг 0,001694 0,001538 0,001228 0,000815 0,000604 0,430735
Литература
1. Файзулин Р.М., Карпова М.И., Садыков И.С. Возможности освоения резервных месторождений фосфатных руд Российской Федерации // Разведка и охрана недр. - 2000. № 6.
2. Сычев В.Г. Минеральные удобрения в сельском хозяйстве России: потребность и реальность // Журнал Рос. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 2005. Т. 49, № 3.
3. Парфенов О.Г. Фосфорсодержащие удобрения и экология // Новосибирск: Изд-во ГПНТБ СО АН СССР, 1990. - 102 с.
4. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справочное издание: в 4 т. - М.: Наука, 1978-1982.
5. JANAF Termochemical Tables (Third Edition). J. Phis. Chem. Ref. Data. Vol. 14 (1985) Suppl. No. 1.
Карпенко Евгений Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией плазменных процессов отдела физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН.
Ринчинов Александр Пурбуевич, старший преподаватель кафедры физики, Восточно-Сибирский государственный университет.
Шагдаров Валерий Баторович, кандидат технических наук, зав. кафедрой физики, Восточно-Сибирский государственный университет.
Karpenko Evgeniy Ivanovich, doctor of engineering, professor, head of laboratory of plasm processes of physical problems department, Buryat Scientific Center, SB RAS.
Rinchinov Alexandr Purbuevich, senior lecturer, department «Physics», East-Siberian Technological University.
Shagdarov Valeriy Batorovich, candidate of engineering, head of department «Physics», East- Siberian Technological University.
УДК 661.1
ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Е.И. Карпенко, А.П. Ринчинов, В.Б. Шагдаров
В статье представлены конструктивные особенности электроплазменной установки для обработки порошковых материалов, в том числе и порошков фосфатных руд. Описан ход работы установки и некоторые ее параметры в ходе выполнения экспериментов по плазменной обработке фосфатной руды.
Ключевые слова: фосфаты, реактор, электрическая дуга, температура, возгонка.
ELECTROPLAZMIC INSTALLATION FOR THE POWDERS PROCESSING E.I. Karpenko, A.P. Rinchinov, V.B. Shagdarov
The article presents structural features of elektroplazmic installations for the treatment of powder materials, including powders and phosphate ores. The progress of installation and some of its parameters during experiments on plasma processing of phosphate ore were described.
Keywords: phosphates, reactor, arc, temperature, distillation.
