Simulation of complex electrolyte systems

Abstract

Das Phasengleichgewicht wässeriger Lösungen, die Schwermetallsulfat enthalten, hat eine Schlüsselbedeutung in vielen hydrometallurgischen Prozessen, wie Laugung, Lösungsmittelextraktion, Beizsäureregeneration aus der Bearbeitung von rostfreiem Stahl und saure Grubenentwässerung. Während die Prozesssimulation zur Bilanzierung der Sauergasabsorption in Elektrolytlösungen weit verbreitet ist, wird eine Salzausfällung selten berechnet. Daher wird eine grundlegende Studie zu hydrometallurgischen Lösungen mit verschiedenen Mineralien durchgeführt. Eine neue Datenbank für das ENRTL-Modell des Aspen Plus-Softwarepakets wurde durch Anpassung an vorhandene Literaturdaten wie Wärmekapazität, Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht und Löslichkeitsdaten in binären und ternären Systemen entwickelt, um die Berechnung verschiedener Salzhydrate in H2SO4 und HCl enthaltenden Systemen zu ermöglichen. Die entwickelte Datenbank, die vom ENRTL-Modell verwendet wird, ermöglicht die Löslichkeiten von Metallsulfat-Hydraten in verschiedenen Mehrkomponentenlösungen von technologischem Interesse, einschließlich Eisensulfat, Zinksulfat, Mangansulfat, Magnesiumsulfat und Eisenchlorid über einen weiten Bereich von Temperaturen und Konzentrationen präzise zu berechnen. Nach Validierung der Modellresultate gegen Literatur und experimentelle Daten wurde die ENRTL-Datenbank verwendet, um verschiedene Regenerationsprozesse für gebrauchte Beizlösungen einschließlich verschiedener Fällungsschritte zu bilanzieren. Schließlich wurden Möglichkeiten zur Kombination von Fällung und Verdampfung/Destillation in einem Prozessschritt bewertet. Die entwickelte Datenbank für das ENRTL-Modell in Aspen Plus ermöglicht die Berechnung der Massen- und Energiebilanzen von H2SO4-Regeneration aus gebrauchte Beizlösungen. Wegen der Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse ist es möglich, die Prozess in Richtung eines geringeren Energieverbrauchs und höherwertiger Nebenprodukte zu optimieren. Die entwickelte Datenbank wurde auch zur Optimierung der Rückgewinnung von HCl aus gebrauchte Beizlösungen genutzt. Der Gesamtprozess einschließlich der Kristallisation wird in Aspen Plus simuliert und eine detaillierte Gesamtmassen- und Energiebilanz des Prozesses erreicht. Berechnungen zeigen, dass der H2SO4 Stöchiometikfaktor von 1.5 die maximale FeSO4.7H2O.

The phase equilibrium of the aqueous solutions containing heavy metal sulphate has key importance in many hydrometallurgical processes such as leaching, solvent extraction, stainless steel pickling acid regeneration and acid mine drainage. Whereas process simulation is widely used to simulate sour gas absorption in electrolyte solutions, salt precipitation is rarely calculated. Therefore, a fundamental study on hydrometallurgical solutions containing various minerals will be conducted. A new database for the ENRTL model of Aspen Plus software package was developed through fitting of existing literature data such as heat capacity, vapor-liquid equilibrium, and solubility data in binary and ternary systems to enable the calculation of various salt hydrates in H2SO4 and HCl containing systems. The database developed, utilized by the ENRTL model, accurately predict the solubilities of metal sulphate hydrates in various multicomponent solutions of technological interest including ferrous sulphate, zinc sulphate, manganese sulphate, magnesium sulphate, and ferrous chloride over a wide range of temperatures and concentrations. After validation of the model results against literature and experimental data, the ENRTL database was used to balance waste pickling liquor processes including various precipitation steps. Finally, capabilities to combine precipitation and evaporation/distillation in one process step is evaluated. The developed database for the ENRTL model in Aspen Plus enable the accurate calculation of mass and energy balances of H2SO4 regeneration from waste pickling liquor. Based on the good reliability of the simulation results it is possible to optimize the plants towards lower energy consumption and higher valuable by-product. The developed database was also used to optimize the recovery of HCl from waste pickling liquor. The overall process including crystallization is simulated in Aspen Plus and a detailed overall mass and energy balance of the process is achieved. Calculations show that the stoichiometric factor of 1.5 H2SO4 gives the maximum FeSO4.7H2O.