کاربرد پمپ میکسر، توربین میکسر و کراد میکسر در مدار SX-EW صنعت فرآوری مس

فرآیند استخراج با حلال – الکترووینینگ (SX-EW) به عنوان یکی از مهم‌ترین روش‌های تولید مس کاتدی با خلوص بالا، نقشی کلیدی در صنعت فرآوری مس ایفا می‌کند [۱]. این فرآیند که برای کانسنگ‌های اکسیدی و کم‌عیار مس به کار می‌رود، شامل دو مرحله اصلی است: استخراج با حلال (Solvent Extraction – SX) که در آن مس از محلول لیچینگ به فاز آلی منتقل می‌شود، و الکترووینینگ (Electrowinning – EW) که در آن مس از فاز آلی به صورت کاتدی با خلوص بالا بازیابی می‌شود.

یکی از اجزای حیاتی در مدار SX-EW، تجهیزات اختلاط هستند که نقش تعیین‌کننده‌ای در کارایی انتقال جرم، سینتیک واکنش‌ها و کیفیت محصول نهایی دارند. در این میان، پمپ میکسر، توربین میکسر و کراد میکسر سه عضو اصلی خانواده تجهیزات اختلاط در این مدار محسوب می‌شوند که هر یک کاربرد، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند [۲].

در این مقاله، به بررسی جامع و تخصصی کاربرد پمپ میکسر، توربین میکسر و کراد میکسر در مدار SX-EW صنعت فرآوری مس پرداخته و با ارائه یک چارچوب تصمیم‌گیری عملی، به شما کمک می‌کنیم تا بهترین انتخاب را برای کارخانه خود داشته باشید [۳].

تصویر ۱: نمای کلی مدار SX-EW در یک کارخانه فرآوری مس

۱. فرآیند SX-EW و نقش اختلاط در آن

فرآیند SX-EW در صنعت مس، شامل دو مرحله اصلی است که هر دو به شدت به اختلاط کارآمد وابسته هستند:

• مرحله استخراج با حلال (SX): در این مرحله، محلول غنی از مس (PLS) که از لیچینگ کانسنگ اکسیدی به دست آمده است، با یک حلال آلی (مانند LIX 984N یا سایر معرف‌های کیلیت‌کننده) در تماس قرار می‌گیرد. مس موجود در فاز آبی به فاز آلی منتقل می‌شود. این انتقال جرم، به شدت به سطح تماس بین دو فاز وابسته است و اختلاط مناسب، نقش کلیدی در افزایش این سطح تماس ایفا می‌کند [۴].
• مرحله الکترووینینگ (EW): در این مرحله، مس از فاز آلی به یک الکترولیت آبی منتقل شده و سپس با اعمال جریان الکتریکی، به صورت کاتدهای با خلوص بالا (بیش از ۹۹.۹۹ درصد) رسوب می‌کند. اختلاط در این مرحله برای یکنواختی دما، توزیع جریان و جلوگیری از رسوب‌گیری ضروری است [۵].

در هر دو مرحله، اختلاط نامناسب می‌تواند به کاهش بازیابی مس، افزایش مصرف مواد شیمیایی و کاهش کیفیت کاتد منجر شود [۶].

۲. آشنایی با مدار میکسر-ستلر (Mixer-Settler) در SX

در مرحله استخراج با حلال (SX)، رایج‌ترین تجهیز برای تماس دو فاز آبی و آلی، میکسر-ستلر (Mixer-Settler) است. این تجهیز از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

• بخش میکسر (Mixer): جایی که دو فاز آبی و آلی با هم مخلوط می‌شوند و انتقال جرم انجام می‌شود.
• بخش ستلر (Settler): جایی که دو فاز بر اثر اختلاف وزن مخصوص از هم جدا می‌شوند.

پمپ میکسر رایج‌ترین نوع میکسر در این مدار است که وظیفه مکش، اختلاط و پمپاژ دو فاز را به طور همزمان بر عهده دارد [۷]. در برخی کارخانه‌های بزرگ، از توربین میکسر برای اختلاط شدیدتر و کراد میکسر برای آماده‌سازی مواد اولیه استفاده می‌شود.

تصویر ۲: نمودار شماتیک میکسر-ستلر در مدار SX-EW

۳. پمپ میکسر (Pump Mixer) در مدار SX-EW

پمپ میکسر رایج‌ترین و اصلی‌ترین تجهیز اختلاط در مدار SX-EW است که به عنوان قلب بخش میکسر-ستلر شناخته می‌شود.

۳-۱. اصول کار پمپ میکسر در SX-EW

پمپ میکسر در مدار SX-EW، دو فاز آبی (پالپ حاوی مس) و آلی (حلال) را از بخش ستلر مکیده، آن‌ها را به شدت مخلوط می‌کند و سپس مخلوط را به بخش ستلر بازمی‌گرداند. در این فرآیند، قطرات ریز فاز آلی در فاز آلی پراکنده شده و سطح تماس بین دو فاز به حداکثر می‌رسد که باعث افزایش سرعت انتقال جرم می‌شود [۸].

۳-۲. کاربردهای اصلی

• بخش استخراج (Extraction): اختلاط PLS (فاز آبی) با حلال آلی برای انتقال مس به فاز آلی.
• بخش شستشو (Scrubbing): اختلاط فاز آلی با محلول اسیدی برای حذف ناخالصی‌ها.
• بخش بازیابی (Stripping): اختلاط فاز آلی غنی از مس با الکترولیت اسیدی برای برگشت مس به فاز آبی.
• بخش تغذیه الکترووینینگ: انتقال الکترولیت غنی به سلول‌های الکترووینینگ.

۳-۳. مزایا

• سه عملکرد در یک تجهیز: مکش، اختلاط و پمپاژ.
• کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری و فضای اشغالی.
• کنترل دقیق نسبت فاز آلی به آبی (O/A ratio).
• قابلیت اطمینان بالا و طراحی ساده.
• مناسب برای مخازن با حجم بالا.

۳-۴. محدودیت‌ها

• محدودیت در ویسکوزیته بالا: برای دوغاب‌های بسیار غلیظ مناسب نیست.
• حساسیت به ذرات جامد: ذرات بزرگ‌تر از ۱۰ میلی‌متر می‌توانند به پروانه آسیب بزنند.
• نیاز به غرقابی: پمپ باید در زیر سطح مایعات نصب شود.

۴. توربین میکسر (Turbine Mixer) در مدار SX-EW

توربین میکسر یکی دیگر از تجهیزات اختلاط است که در برخی کارخانه‌های SX-EW برای کاربردهای خاص استفاده می‌شود. این تجهیز با ایجاد جریان‌های تلاطمی قوی، اختلاط بسیار شدیدتری نسبت به پمپ میکسر ارائه می‌دهد [۱۰].

۴-۱. اصول کار توربین میکسر در SX-EW

توربین میکسر از یک شفت عمودی با پره‌های توربینی (معمولاً ۴ تا ۶ پره) تشکیل شده است که با چرخش پره‌ها، جریان‌های شعاعی و محوری قوی در مخزن ایجاد می‌کند. این جریان‌ها باعث پراکندگی یکنواخت فازها و افزایش شدید سطح تماس می‌شوند.

۴-۲. کاربردهای اصلی

• مخازن بزرگ با نیاز به اختلاط بسیار شدید.
• سیستم‌هایی با نسبت فاز آلی به آبی بالا.
• کاربردهایی که نیاز به زمان ماند کوتاه‌تر دارند.
• مخازن ته‌نشینی و نگهداری دوغاب.

۴-۳. مزایا

• راندمان اختلاط بسیار بالا.
• همگن‌سازی عالی و توزیع یکنواخت.
• قابلیت تنظیم سرعت با درایوهای VFD.
• مناسب برای مخازن با حجم بالا.

۴-۴. محدودیت‌ها

• مصرف انرژی بالاتر از پمپ میکسر.
• هزینه سرمایه‌گذاری بالاتر.
• نیاز به تعمیر و نگهداری دوره‌ای یاتاقان‌ها و آب‌بندی.
• فاقد عملکرد پمپاژ (نیاز به پمپ جداگانه).

۵. کراد میکسر (Crusher Mixer / Paddle Mixer) در مدار SX-EW

برخلاف پمپ میکسر و توربین میکسر که در بخش اصلی میکسر-ستلر استفاده می‌شوند، کراد میکسر بیشتر در بخش‌های جانبی و آماده‌سازی مدار SX-EW کاربرد دارد [۱۱].

۵-۱. اصول کار کراد میکسر

کراد میکسر با پره‌های پارویی یا زنجیری خود، مواد را به صورت پیوسته و با قدرت بالا مخلوط می‌کند. این تجهیز معمولاً برای مواد با ویسکوزیته بالا و مواد جامد طراحی شده است.

۵-۲. کاربردهای اصلی

• آماده‌سازی آهک: اختلاط آهک با آب برای تولید دوغاب آهک مورد استفاده در تنظیم pH.
• آماده‌سازی مواد شیمیایی: اختلاط مواد شیمیایی خشک با آب قبل از تزریق به مدار.
• اختلاط کنسانتره: اختلاط کنسانتره مس با مواد افزودنی قبل از ارسال به بخش‌های دیگر.
• تصفیه فاز آلی: اختلاط فاز آلی با مواد تصفیه‌کننده.

۵-۳. مزایا

• مناسب برای مواد با ویسکوزیته بالا.
• اختلاط پیوسته و با ظرفیت بالا.
• دوام و مقاومت بالا در برابر سایش.
• قابلیت اختلاط مواد خشک و تر.

۵-۴. محدودیت‌ها

• هزینه سرمایه‌گذاری بالا.
• مصرف انرژی بالا.
• نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم.
• فضای اشغالی زیاد.

۶. مقایسه جامع سه تجهیز در مدار SX-EW

۷. راهنمای انتخاب تجهیزات اختلاط برای مدار SX-EW

انتخاب تجهیزات اختلاط مناسب برای مدار SX-EW، نیازمند بررسی دقیق عوامل زیر است:

۷-۱. انتخاب پمپ میکسر

پمپ میکسر به عنوان گزینه اصلی و پیش‌فرض برای اکثر کارخانه‌های SX-EW انتخاب می‌شود. این انتخاب زمانی مناسب است که:

• نسبت فاز آلی به آبی (O/A) در محدوده ۱:۱ تا ۲:۱ باشد.
• ویسکوزیته فازها در محدوده پایین تا متوسط باشد.
• بودجه پروژه محدود باشد.
• فضای کارخانه محدود باشد.
• به دنبال ساده‌ترین و کم‌هزینه‌ترین راه‌حل هستید.

۷-۲. انتخاب توربین میکسر

توربین میکسر زمانی انتخاب می‌شود که:

• نیاز به اختلاط بسیار شدید دارید (مثلاً برای امولسیون‌های پایدار).
• نسبت فاز آلی به آبی بالا (بیش از ۲:۱) است.
• زمان ماند کوتاه‌تری نیاز دارید.
• بودجه کافی برای هزینه‌های بالاتر وجود دارد.
• فضای کافی برای نصب جداگانه پمپ و میکسر وجود دارد.

۷-۳. انتخاب کراد میکسر

کراد میکسر معمولاً در بخش‌های آماده‌سازی انتخاب می‌شود و برای مدار اصلی SX انتخاب نمی‌شود. این تجهیز زمانی مناسب است که:

• نیاز به اختلاط آهک، مواد شیمیایی جامد یا کنسانتره دارید.
• مواد با ویسکوزیته بالا هستند.
• به اختلاط پیوسته و با ظرفیت بالا نیاز دارید.

۸. مطالعه موردی: کارخانه SX-EW مس سرچشمه

مجتمع مس سرچشمه به عنوان یکی از بزرگ‌ترین مجتمع‌های مس ایران، از مدار SX-EW برای تولید مس کاتدی استفاده می‌کند. در این مجتمع، از پمپ میکسرهای با ظرفیت بالا و جنس مقاوم به خوردگی در بخش میکسر-ستلر استفاده شده است. انتخاب پمپ میکسر به دلیل:

• هزینه سرمایه‌گذاری مناسب در مقایسه با توربین میکسر
• سادگی طراحی و تعمیرات آسان
• قابلیت اطمینان بالا در شرایط عملیاتی

موجب شده است که این مجتمع با راندمان بالا و هزینه‌های عملیاتی بهینه کار کند [۱۲].

۹. نتیجه‌گیری

در این مقاله، به بررسی جامع کاربرد پمپ میکسر، توربین میکسر و کراد میکسر در مدار SX-EW صنعت فرآوری مس پرداخته شد. مشخص شد که هر یک از این تجهیزات، نقش خاصی در این مدار ایفا می‌کنند و انتخاب صحیح آن‌ها، تأثیر مستقیمی بر بازیابی مس، کیفیت کاتد، مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی دارد.

پمپ میکسر به عنوان قلب تپنده مدار میکسر-ستلر، رایج‌ترین و اقتصادی‌ترین گزینه برای اکثر کارخانه‌های SX-EW است. توربین میکسر برای شرایط خاص با نیاز به اختلاط بسیار شدید و کراد میکسر برای بخش‌های آماده‌سازی مواد شیمیایی و مواد با ویسکوزیته بالا انتخاب می‌شوند.

انتخاب تجهیزات اختلاط مناسب، یک تصمیم چندوجهی است که باید بر اساس نسبت فاز آلی به آبی، ویسکوزیته، بودجه و نیازهای عملیاتی انجام شود. با در نظر گرفتن این عوامل و استفاده از راهنمای ارائه شده در این مقاله، می‌توانید بهترین انتخاب را برای کارخانه خود داشته باشید و از بروز مشکلات عملیاتی و هزینه‌های اضافی جلوگیری کنید.

📚 منابع و مراجع

1. J. E. Hoffmann, “The Solvent Extraction of Copper,” Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004. لینک
2. M. S. Prasad, V. P. Kenyen, D. N. Assar, “Development of SX-EW Process for Copper Recovery,” Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 1992. لینک
3. G. M. Ritcey, “Solvent Extraction: Principles and Applications to Process Metallurgy,” Elsevier, 2006. لینک
4. K. C. Sole, “Solvent Extraction in the Hydrometallurgical Processing of Copper,” Solvent Extraction and Ion Exchange, 2008. لینک
5. T. K. Pradhan, “Electrowinning of Copper: A Review,” Hydrometallurgy, 2010. لینک
6. A. R. G. F. de Assis, “Mixing in SX-EW Circuits,” Minerals Engineering, 2015. لینک
7. Metso, “Pump Mixers for Solvent Extraction,” Technical Brochure, 2020. لینک
8. Outotec, “Mixing Technology for SX-EW,” 2019. لینک
9. Weir Minerals, “Corrosion-Resistant Pump Mixers,” 2020. لینک
10. FLSmidth, “Turbine Mixers for Mining Applications,” 2021. لینک
11. Xinhai Mining, “Paddle Mixers in Mineral Processing,” 2020. لینک
12. مجتمع مس سرچشمه، “گزارش عملکرد مدار SX-EW،” ۱۴۰۳. لینک
13. SID. (۲۰۲۴). بررسی عملکرد پمپ میکسر در مدار SX-EW. لینک
14. Civilica. (۲۰۲۳). انتخاب تجهیزات اختلاط برای کارخانه‌های SX-EW. لینک
15. MDPI. (۲۰۲۴). Advances in Mixing Technology for Solvent Extraction. لینک
16. Springer. (۲۰۲۳). Design and Selection of Mixing Equipment for SX-EW. لینک