Задание
Тема: “Извлечение таллия из растворов переработкипылей свинцового производства”
1 Выполнить металлургический расчет с составлениемматериального баланса по всем операциям с получением таллия
2 Выполнить расчет процесса экстракции (число ступенейэкстракции, геометрические размеры экстрактора)
3 Графическая часть: экстрактор
Исходные данные:
Состав раствора, г/дм3: Zn – 65,Cd – 8,2,Tl – 0,35, In – 0,05,Fe – 0,01,H2SO4 – 18
Извлечение таллия:
— при экстракции 95-98%,
— при реэкстракции 99-99,5%.
Соизвлечение кадмия при экстракции 0,5%, плотность индиевогорафината 1,05 кг/дм3.
Производительность по раствору 150 м3/сут.
Содержание
Введение… 3
1. Металлургические расчеты… 6
1.1. Расчет технологического процесса… 6
1.2. Расчет процесса экстракции… 10
1.2.1. Расчет числа ступеней экстракции… 10
1.2.2. Расчет экстрактора (смеситель-отстойникящичного типа)… 11
1.2.3. Расчет необходимого количества экстракторов… 13
2. Мероприятия по технике безопасности… 14
Список литературы… 15
Введение
Содержание таллия в земной коре 3.10-4% (по массе). Известнынекоторые минералы таллия, но большая часть его находится в рассеянномсостоянии в виде изоморфной примеси в сульфидных минералах свинца, цинка, меди,железа и в таких силикатах, как полевой шпат, слюда, лепидолит, где таллийзамещает калий и рубидий. Наибольшие концентрации таллия обнаружены в сульфидахжелеза (пиритах и марказитах), где его содержание достигает 0,1-0,5%.
Основным сырьевым источником таллия в настоящее время служатотходы и полупродукты получаемые при переработке сульфидных руд. Приокислительном и агломерационном обжиге сульфидных концентратов часть таллияуносится с газами и концентрируется в пыли электрофильтров и другихпылеулавливающих устройствах. Это объясняется летучестью TlO2и Tl2S.
При агломерационном обжиге свинцового концентрата более 50%таллия уносится с газами. Пыль электрофильтров обычно содержит десятые долипроцента таллия. В процессе шахтной плавки в шлаки переходит до 20% таллия,остальное количество примерно поровну распределяется между свинцом и пылью. Прирафинировании свинца большая часть таллия (70-80%) переходит в медистые съемы,10-15% переходит в щелочной плав, получающийся при очистке свинца от мышьяка исурьмы.
При обжиге цинковых концентратов большая часть таллиявозгоняется и вместе с кадмием попадает в циклонную и котельную пыль. Пыливыщелачивают вместе с огарками, при этом ~ 85% таллия переходит в сернокислыерастворы, при очистке которых таллий цементируется вместе с медью и кадмием иизвлекается из кеков попутно с кадмием.
При окислительном обжиге медных концентратов весь таллийостается в огарке. В процессе отражательной плавки таллий распределяется междуштейном и шлаком.
В процессе конвертирования медных штейнов 50-75% таллияпереходит в шлаки, а в процессе фьюмингования шлаков 90-99% таллияконцентрируется в возгонах.
Исходные материалы обычно содержат от сотых до десятых долейпроцента таллия. Из них таллий выщелачивают разбавленной серной кислотой. Дляболее полного извлечения проводят предварительную сульфатизациюгранулированного материала в кипящем слое при 300-400 0С.
Для получения таллиевых концентратов таллий выделяют из растворовв виде гидрооксида таллия (III), сульфида, хромата,хлорида таллия (I), извлекают ионным обменном илисорбцией, жидкостной экстракцией, цементацией. Выбор способа зависит отконцентрации таллия в растворе и содержание сопутствующих элементов.
В курсовой работе таллий извлекают методом экстракции.
Экстракционные способы позволяют существенно упроститьтехнологию извлечения таллия.
На отечественных предприятиях используют способ экстракцииталлия из сернокислых растворов раствором иода в трибутилфосфате (ТБФ 50% -ныйраствор в керосине). При контакте органической фазы с таллийсодержащимраствором некоторая часть йода переходит в раствор в виде ионов иода вследствииприсутствия в растворе восстановителей: As (III), Fe (II)(если необходимо в раствор вводят восстановитель Na2SO3). Образующийся в растворе TlJпереходит в органическую фазу, образуя комплекс TlJ3.3ТБФ:
Tl+водн + J-водн+ (J2.3ТБФ) орг ↔ TlJ3.3ТБФ
При небольшой концентрации ионов иода в растворе кадмий,медь, мышьяк, сурьма и цинк экстрагируются в малой степени. Индий необходимопредварительно извлечь из раствора, например, экстракцией Д2ЭГФК(ди-2-этилгексин фосфорной кислотой).
Таллий реэкстрагируют из органической фазы раствором 350 г/лH2SО4 с добавлением пероксидаводорода для окисления ионов иода до элементарного иода, что приводит кразрушению комплекса и регенерации экстрагента:
2 (TlJ3.3ТБФ) + H2SО4 + Н2О2 + 3ТБФ = Tl3SO4 + 3(J2.3ТБФ) + 2 Н2О
При соответствующих отношениях объемов органической и воднойфаз на стадиях экстракции и реэкстракции из исходных растворов, содержащих0,2-0,6 г/л таллия, получают реэкстракты с концентрацией таллия 20-35 г/л, изкоторых выделяют черновой таллий цементацией на цинке [1].
Технологическая схема извлечения таллия из сернокислыхрастворов приведена на рисунке 1.
1. Металлургические расчеты
1.1. Расчет технологического процесса
Пересчитаем содержание компонентов раствора на заданнуюпроизводительность 150 м3/сутки (150000 дм3/сутки).
Zn 65.150000 / 1000 = 9750 кг
Cd 8,2.150000 / 1000 = 1230 кг
Tl 0,35.150000 / 1000 = 52,5 кг
In 0,05.150000 / 1000 = 7,5 кг
Fe 0,01.150000 / 1000 = 1,5 кг
Н2SО4 18.150000 / 1000 = 2700 кг
1) Экстракция индия
Рассчитаем необходимые массы Д2ЭГФК и керосина при экстракциииндия
Объем раствора на экстракцию 150000 дм3, содержание индия0,05 г/дм3. при экстракции О: В = 1: 30. Плотность электролита 0,8 кг/дм3.
Объем экстрагента:
150000 / 30 = 5000 дм3
Масса экстрагента
5000.0,8 = 4000 кг
Экстрагент используется в виде 20% раствора в керосине,тогда масса Д2ЭГФК составит
4000.0,2 = 800 кг
Масса керосина
4000 – 800 = 3200 кг
В растворе, поступающего на экстракцию содержится 7,5 кг In. Извлечение индия в экстракт 99%. Тогда содержание индия вэкстракте составит
7,5.0,99 = 7,43 кг
Рассчитаем массу исходного раствора
ρраствора = 65 + 8,2 + 0,35 + 0,05 + 0,01 + 18 + 1000 =1092 г/дм3 = 1,1 кг/дм3
mраствора = V.ρраствора = 150000.1,1 = 165000 кг
По результатам расчетов составляем таблицу 1 материальногобаланса экстракции индия.
Таблица 1 — Материального баланса экстракции индияЗагружено Получено Наименование Всего, кг В нем In, кг Наименование Всего, кг В нем In, кг
Раствор
Д2ЭГФК
Керосин
165000
800
3200
7,50
-
-
Экстракт
Рафинат
4007,43
164992,57
7,43
0,07 Итого 169000 7,50 Итого 169000 7,50
2) Экстракция таллия
Плотность индиевого рафината ~1,05кг/дм3
VРАФ = m/ρ = 164992,57/ 1,05 = 157136 дм3
Содержание таллия в исходном растворе
52,5.103 / 157136 = 0,3 г/дм3
В реэкстракте содержание таллия 20-35 г/дм3 (примем 30г/дм3) следовательно, обогащение
30 / 0,3 = 100 раз
На реэкстракции О: B = 10: 1,следовательно при экстракции О: B = 1: 10
Рассчитаем объем экстрагента
157136 / 10 = 15714 дм3
Экстрагент используется в виде 50% раствора ТБФ в керосине +80 г/дм3 J2. При плотности экстрагента 0,8 кг/дм3 егомасса составит
mэкстрагента = 15714.0,8 = 12571,2кг
рассчитаем добавку J2 на экстракцию
15714.80 = 1257120 г = 12,57,12 кг
30% J2 надо восстановить сульфитомнатрия по реакции
1257,12.0,30 = 377,13 mNa2SO3
J2 + Na2SO3+ Н2О = Na2SO4 + 2НJ
2.126,90 126
mNa2SO3 =(377,13.126) / (2.126,90) = 187,23 кг
Na2SО3подается в виде раствора с содержанием 250 г/дм3. Примем плотность раствора 1кг/дм3.
250 г — 1 дм3
187,23.103 — х
х = 187,23.103 / 250 = 748,92 дм3
масса раствора
mраствора = V.ρ = 748,92.1. = 748,92 кг
содержание Tl в исходном растворе0,3 г/дм3 или 52,5 кг
извлечение таллия при экстракции 95-98%, следовательно, вэкстракте содержание таллия
52,5.0,95 = 49,88 кг
Соэкстракцией кадмия пренебрегаем
Масса экстракта составит
mэкстракта=m(50%ТБФв керосине) +mTl+mJ=12571,2+49,88 + 1257,12 = 13878,2 кг
по результатам расчета составляем таблицу 2 материальногобаланса экстракции таллия
Таблица 2 – Материальный баланс экстракции таллияЗагружено Получено Наименование Всего, кг В нем Tl, кг Наименование Всего, кг В нем Tl, кг
Раствор
50% р-р ТБФ в керосине
J2
Р-р Na2SO3
164992,57
12,571,2
1257,12
748,92
52,5
-
-
-
Экстракт
Рафинат
13878,2
165691,61
49,88
2,62 Итого 179569,81 52,5 Итого 179569,81 52,5
3) реэкстракция таллия
Условия О: В = 10: 1
Объем экстракта (ρ = 0,8 кг/дм3)
13878,2 / 0,8 = 17347,75 дм3
Объем реэкстрагента составит
17347,75 / 10 = 1734,78 дм3
Реэктсрагент используется в виде 350 г/дм3 Н2SО4 + 3% Н2О (от массы экстракта)
Масса Н2SО4
350.1734,78 = 607173 г = 607 кг
В пересчета на 96% Н2SО4
607 / 0,96 = 632 кг
Плотность реэкстрагента 1,21 кг/дм3, тогда
mреэкстрагента = 17,34,78.1,21 =2099,1 кг
масса воды в реэкстрагенте
2099,1 – 632 = 1467,1 кг
Масса Н2О2
13878,2.0,03 = 416,35 кг
В пересчете на 30% Н2О2
416,35 / 0,3 = 1387,83 кг
Содержание таллия в экстракте 79,88 кг. Извлечение приреэкстракции 99%, тогда содержание таллия в реэкстракте
mTl = 49,88.0,99 = 49,38 кг (60,98кг Tl2SО4)
масса реэкстракта составит
mреэкстракта = mреэкстрагента+ mTl = 2099,1 + 1387,83 + 49,38 = 3536,31 кг
Составляем таблицу 3 материального баланса реэкстракции.
Таблица 3 – Материальный баланс реэкстракции TlЗагружено Получено Наименование Всего, кг В нем Tl, кг Наименование Всего, кг В нем Tl, кг
Экстракт
Реэкстрагент:
Н2SО4 (96%)
Н2О
Н2О2
13878,2
632
1467,1
1387,83
49,88
-
-
-
Реэкстракт
Экстрагент
3536,31
13828,82
49,38
0,5 Итого 17365,13 49,88 Итого 17365,13 49,88
Цементация таллия на Zn пластине
60,98 mZn mTl mZnSO4
Tl2SO4 + Zn = 2 Tl + ZnSO4
504,74 65,38 2. 204,37 161,38
mZn = 60,98.65,38 / 504,74 = 7,90 кг
mTl = 60,98.2. 204,37 / 504,74 = 49,38 кг
mZnSO4 = 60,98.161,38/ 504,74 = 19,5 кг
1.2. Расчет процесса экстракции
1.2.1. Расчет числа ступеней экстракции
Рассчитаем число ступеней экстракции при экстракции таллия50% раствором ТБФ в керосине + 80 г/дм3 J2, содержаниеталлия в исходном растворе 0,3 г/дм3, извлечение в органическую фазу 95%, О: В= 1: 10. По литературным данным КР = 50.
Vводн = 157136 дм3
Vорг = 157136 / 10 = 15714 дм3
Начальная концентрация таллия
m0 = 0,3 / 204,37 = 1,47.10-3моль/дм3,
где 204,37 – мольная масса таллия.
Конечная концентрация таллия при извлечении 95% равна
0,3.0,05 = 0,015 г/дм3 или
m1 = 0,015 / 204,37 = 0,73.10-4моль/дм3
число ступеней экстракции определим по формуле
/>,
где р — теоретическое число ступеней экстракции,
m0 – начальная концентрацияэкстрагируемого вещества в водной фазе, моль/дм3,
m1 – конечная концентрацияэкстрагируемого вещества в водной фазе, моль/дм3,
V1 – объем водной фазы, дм3
V2 – объем органической фазы, дм3
КР – коэффициент распредления
/>
Практическое число ступеней экстракции
рпрак = р / 0,9 = 1,7 / 0,9 = 1,9
Принимаем 2 ступени экстракции
1.2.2. Расчет экстрактора (смеситель-отстойник ящичного типа)
Для расчета геометрических размеров экстрактора надовычислить общий объем потока водной и органической фаз по формуле
/>,
где VВ – объем водной фазы, м3/сут
VО — объем органической фазы, м3/сут
Тогда
/> м3/ч
Объем камер определяем по формулам
/>
/>,
где VСМЕС и VОТСТ– объемы смесительной и отстойной камер, м3
VОБЩ — общий поток водной иорганической фаз, м3/ч
τСМ и τОТСТ – время смешивания и времяотстаивания, мин
0,8 – коэффициент заполнения экстрактора
τСМ = 6 мин, τОТСТ = 10 мин
тогда
/> м3
/> м3
Соотношение размеров смесительной камеры обычно принимают
ВС: lС: НС = 1: 1: 1,5,
где ВС – ширина смесительной камеры,
lС — длина смесительной камеры,
НС — высота смесительной камеры.
Тогда
/>м
НС = 1,5 ВС = 1,5.0,84 = 1,26 м
Соотношение размеров отстойной камеры: высоту и ширинуотстойной камеры можно принять равными высоте и ширине смесительной камеры,тогда
VОТСТ = ВС. НС. z
Следовательно, длина отстойной камеры
z = VОТСТ /(ВС. НС) = 1,5 / (0,84.1,26) = 1,42 м,
общая длина аппарата
lОБЩ = lC + z = 0,84 + 1,42 = 2,26 м
1.2.3. Расчет необходимого количества экстракторов
Объем одного экстрактора вычисляется по формуле
V1 = (Вс + НС + lОБЩ).рПРАКТ
V1 = (0,84 + 1,26 + 2,26).2 = 4,78м3
Необходимое количество экстракторов будет найдено изсоотношения
n = VОБЩ / V1
n = 7,2 / 4,78 = 1,5
Принимаем 2 экстрактора.
Схема экстрактора приведена на рисунке 2.
2. Мероприятия по технике безопасности
При получении таллия используются следующие вредные вещества:
1) Сернокислые растворы
Общий характер действия на организм. Раздражает и прижигаетслизистые оболочки верхних дыхательных путей. При попадании на кожу вызываетожоги.
Первая помощь. Ингаляция содового раствора. При попадании накожу обильное промывание водой.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) – 0,002 мг/л.
Индивидуальные защитные приспособления. Промышленныйфильтрующих противогаз марки В с дополнительным противодымным фильтром.Защитные очки и маска, резиновая одежда и обувь при сливе растворов, резиновыеперчатки, сапоги, передники.
2) Перекись водорода Н2О2
При постоянной работе с Н2О2 нередко наблюдаютсявоспалительные заболевания кожи. Индивидуальные защитные приспособления:перчатки, спецодежда.
3) керосин
Керосин сильно раздражает слизистые оболочки и кожу. Приработе с керосином наблюдаются головные боли, головокружения, расстройствопищеварения, слабость. При непосредственном соприкосновении с жидким керосиномдействие может выражаться в дерматитах.
ПДК (в пересчета на углерод) – 300 мг/м3.
При высоких концентрациях фильтрующие противогазымалопригодны. Должны использоваться шланговые, изолирующие с принудительнойподачей чистого воздуха. Защита кожи рук пастами типа “биологических перчаток”.
Меры предупреждения заключаются в максимальном устранениивыделения паров, аэрозоля и контакта кожи с керосином [3].
Список литературы
1. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редкихметаллов. – М.: Металлургия, 1991
2. Вредные вещества в промышленности. Неорганические иэлементорганические соединения (под ред. Н.В. Лазарева). – Л.: Ленгосхимиздат, 1954
3. Вредные вещества в промышленности. Органическиевещества (под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н. Левиной). – Л.: Химия, 1976