Введение
Целью данногодипломного проекта является изучение и анализ производства медного купороса,основанного на переработке отработанного передаточного электролита цехаэлектролиза меди.
В ходе работынад дипломным проектом был сделан анализ работы аппарата растворения(оксидизера) для растворения гранулированной меди и получения насыщенных растворовсернокислой меди. В результате использования большого количества сжатого воздухаи пара для растворения меди в оксидизере, возникла необходимость внестиизменения в технологическую схему, то есть произвести замену аппаратарастворения на аппарат колонного типа с целью снижения выхода меди взашламленные гранулы, снижение расхода энергоносителей.
На протяжениимногих десятилетий целями ОАО «Уралэлектромедь» являются:
– быстроеполучение прибыли;
– расширениедоли предприятия на рынке;
– повышениекачества и номенклатуры выпускаемой продукции;
– разработкаи внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий
производства.
Указанныенаправления в результате обеспечат экономическую устойчивость иконкурентоспособность продукции ОАО «Уралэлектромедь» на российском и мировомуровне.
В настоящеевремя ОАО «Уралэлектромедь» является лидером на рынке сбыта медногокупороса.
Потребителямимедного купороса являются: фирма VISTHON TRADING CORPORATION LTD, Бему; фирма TRISTAR Marketing Associates Limited, Нидерланды, Китай,Молдова, город Кишинев, Германия, Польша, Испания, Канада и другие.
Предлагаемыймедный купорос имеет большой спрос на мировом рынке. Это продиктовано тем, что этотпродукт является основным сырьем для получения искусственных волокон,органических красителей, минеральных красок, используется в качестве удобрения,как составная часть ядохимикатов.
Расположениепредлагаемого производства в условиях ОАО «Уралэлектромедь» также дает рядпреимуществ:
Во-первыхпроизводство медного купороса основано на переработке отработан-ного электролитацеха электролиза меди и медных гранул, то есть источниками исходного сырьяявляются цеха, расположенные на территории данного предприятия, что, в своюочередь, приводит к снижению затрат на транспортировку, закуп сырья и т. д.
Во-вторыхбольшой спрос на медный купорос объясняется отсутствием товаров заменителей,что делает предлагаемый продукт уникальным.
ОАО «Уралэлектромедь»придерживается следующей политики в отношениях с конкурентами: «Привлечьпотребителя лучшим качеством и умеренной ценой» [1].
1. Обзорлитературных источников
Основным сырьем для получения медного купоросаслужат серная кислота и медь: медный лом или отходы металлообрабатывающейпромышленности – стружка, опилки и т. д., а также отходы илиполупродукты металлургии меди – белый матт и окись меди, ватержакетная пыль,шлаковые отходы, электролитные растворы медеэлектролитных заводов, цементнаямедь, извлекаемая из рудничных вод, из колчеданных огарков и др.
Важным видом сырья для получения солей медиявляется ватержакетная пыль, представляющая собой тонкий порошок и содержащая0,5 – 5 % Cu в форме сульфида и сульфата, 40 – 50 % Fe, 3 – 6 % Al2O3, 3 – 6 % Zn, до 15 % S,
7 – 10 % SiO2 и др. Перспективнымвидом сырья являются шлаковые отходы медеплавильных заводов, накапливаемые втечение многих лет в виде отбросов. Медь в этих отходах содержится в окисной,сульфидной и силикатной формах, а также в форме металла и ферритов. Примерныйсостав шлаковых отходов следующий:
2 – 7 % Cu, 5 – 7 % Fe2O3, 15 – 25 % Al2O3, 45 – 50 % SiO2, 1 – 5 % CaO, 5 – 10 % MgO, 1 – 3 % S и 1 – 2 % прочихпримесей.
Большим резервом сырья для производства солеймеди являются накапливаемые массы огарков от обжига колчедана на сернокислотныхзаводах. В старых огарках от обжигания рядового колчедана содержится до 1,5 %меди в виде CuSO4, CuSO3, CuO, Cu2S, CuS, CuFeS2. Необходимость извлечения соединений меди из огарков диктуетсяусловиями их использования металлургической промышлен – ностью в качествезаменителя железной руды.
Указанные виды сырья в основном перерабатывают вмедный купорос, который, помимо непосредственного употребления, служит такжеисходным материалом для получения всех других солей меди.
Способы производства медного купороса различаютглавным образом по видам применяемого сырья:
а) из медного лома и отходов меди (стружки,высечки, проволоки, опилок и т. п.) с окислением меди кислородом воздуха,электролизом или раствором хлорной меди;
б) из окиси меди, получаемой из белого матта;
в) из окиси меди и сернистого газа;
г) из окисленных медных руд, содержащихнезначительное количество меди, переработка которых на металлическую медьплавкой в печах является неэкономичной;
д) из колчеданных огарков и других отходов;
е) из отбросных электролитных растворовмедеэлектролитных заводов.
За рубежом основными производителями медногокупороса являются Франция и Италия, где в качестве сырья используют главнымобразом медный лом и окисленные руды. В отличие от этого в США используют восновном электролитные щелоки, из которых производят больше половины всех солейи препаратов меди.
1.1 Производство медного купороса из медного лома
В отсутствие окислителей, в частности кислородавоздуха, в разбавленной серной кислоте медь практически не растворяется. Она сдостаточной скоростью растворяется в горячей концентрированной серной кислоте,но осуществлять этот процесс не рационально, так как при этом половиназатрачиваемой кислоты восстанавливается до SO2, окисляя медь в окисьмеди, которая и растворяется в серной кислоте, образуя медный купорос. Схемаэтого процесса может быть выражена следующими уравнениями реакций:
Cu + H2SO4 = CuO + H2O + SO2 (1)
/> CuO +H2SO4 = CuSO4 + H2O (2)
Cu + 2 H2SO4= CuSO4 + 2 H2O + SO2 (3)
С целью экономии серной кислоты окисление медипроизводят кислородом воздуха одновременно с процессом «натравки», то естьрастворения в серной кислоте. Медный лом предварительно переплавляют длярафинирования (очистки от примесей Fe, Zn, Al, Pb и др.) и придания ему формы, удобной для растворения– пустотелых гранул, обладающих большой поверхностью, что ускоряет растворениев кислоте в 5 – 10 раз.
1.1.1 Очистка и грануляция медного лома
Чистая медь плавится при 10840С, а вприсутствии примесей – при более низкой температуре. Примеси летучих металлов иокислов – металлический цинк, трехокиси мышьяка и сурьмы – удаляются принагревании меди до ее расплавления. При расплавлении медь окисляется до закисимеди, устойчивой выше 11000. Закись меди накапливается на поверхностирасплавленной меди в твердом (до 12000С) и в жидком (выше 12350С)виде и частично растворяется в меди, а затем вступает во взаимодействие спримесями, например:
Cu2O + Fe = FeO + 2 Cu (4)
По мере расходования растворенной закиси мединовые ее количества переходят с поверхности в раствор, и медь подвергаетсядальнейшему окислению.
Образующиеся окислы железа, магния, кальция идругих металлов не растворимы в меди и переходят в шлак, всплывающий наповерхность металла. Вследствие взаимодействия закиси меди с некоторымиокислами (например, с окисью железа с образованием феррита меди) часть ее такжепереходит в шлак и содержание в нем Cu2O достигает 30–40 %.
После окисления, ошлакования примесей металлов иудаления шлака температуру в печи немного снижают с целью окисленияприсутствующей в меди полусернистой меди:
Cu2S + 2 Cu2O↔ 6 Сu + SO2 (5)
Эта реакция протекает бурно, и выделяющаясядвуокись серы увлекает брызги меди с образованием «медного дождя» («кипение»массы).
В производстве медного купороса дальнейшаяочистка меди не требуется, а присутствие в ней кислорода и двуокиси серынеобходимо для получения пористых и пузыристых гранул. Растворимость газов врасплавленной меди возрастает с повышением температуры. В твердой меди,нагретой даже до температуры плавления, растворимость газов незначительная.Процесс гранулирования с получением пузыристой и пористой меди основан набыстром выделении газов при внезапном охлаждении и затвердевании расплавленноймеди. Это осуществляется выливанием ее тонкой струей в холодную воду.
Серы, содержащейся в меди, обычно недостаточнодля образования полных гранул. Поэтому в период «кипения» расплава в негодобавляют некоторое количество полусернистой меди или комовой серы (1 – 1,5 %).Образующаяся при этом двуокись серы растворяется в меди, а при ее грануляциивыделяется и раздувает капли меди в пустотелые шарики с тонкими стенками.
1.1.2 Растворение меди в серной кислоте(натравка)
При взаимодействии гранул меди с разбавленнымраствором серной кислоты, содержащим также сульфат меди, в присутствии воздуха,кислород воздуха растворяется в кислоте, диффундирует к поверхности меди иокисляет ее до закиси меди:
4 Cu + O2 = 2 Cu2O (6)
Закись меди растворяется в серной кислоте:
Cu2O + H2SO4 = Cu2SO4 + H2O (7)
Образующийся сульфат закиси меди легко окисляетсяв сульфат окиси меди:
2 Cu2SO4 + 2 Cu2SO4 + O2 = 4 CuSO4 + 2 (8)
Общая скорость процесса лимитируется наиболеемедленной его стадией – окислением меди до закиси меди. Это объясняется малойрастворимостью кислорода и медленной его диффузией к поверхности гранул меди.Процесс значительно ускоряется, когда в растворе уже присутствует медныйкупорос.
Повышение температуры, как и в других случаях,ускоряет химические реакции, но вызывает уменьшение растворимости кислорода,что замедляет окисление. Поэтому в натравочной башне поддерживают температуруне выше 80–850С. При этом на окисление меди используетсяприблизительно ¼ кислорода, поступающего в башню с воздухом, расход которогосоставляет около 1000 нм3 на 1 тонну медного купороса.
Растворимость кислорода уменьшается с ростомконцентрации CuSO4 в растворе. Поэтому при повышении концентрации CuSO4 скорость растворениямеди сначала увеличивается за счет каталитического действия CuSO4, а затем уменьшаетсявследствие недостатка кислорода. Максимум скорости растворения наблюдается приконцентрации 120 г./л CuSO4 (для раствора, содержащего ~ 110 г./л H2SO4). Но даже при содержаниив растворе 300 г./л CuSO4 скорость растворения меди в 1,6 раза больше, чем в отсутствиемедного купороса. С увеличением концентрации серной кислоты растворимостькислорода в ней уменьшается, но усиливаются ее окислительные свойства. Поэтомуповышение кислотности раствора вызывает не очень большое уменьшение скорости растворениямеди – всего на 10 % при повышении концентрации H2SO4 с 2,5 до 20 %.Растворение меди значительно ускоряется в присутствии в растворе ионов железавследствие деполяризации
4 Fe2+ + O2+ 4 H+ = 4 Fe3+ + 2 H2O (9)
2 Cu + 4Fe3+ =2 Cu2+ + 4 Fe2+ (10)
Ионы Fe2+ вновь окисляются в Fe3+ и служат, таким образом,катализатором процесса. Доля растворяющейся меди под действием ионов Fe3+ в растворе, содержащем ~110г./л H2SO4, 60 г./л CuSO4 и 20 – 22 г./л FeSO4, составляет около 60 %от всего количества меди, перешедшей в раствор.
Ионы железа попадают в циркулирующий прирастворении меди раствор с серной кислотой и вследствие растворения оставшихсяв меди примесей. Содержание сульфатов железа в растворе непрерывно возрастает идостигает иногда
70 г./л и более. Вследствие этого прикристаллизации медного купороса выделяется также и сульфат железа, загрязняющийпродукт. Поэтому, когда концентрация железа в растворе становится стольбольшой, что создается опасность получения нестандартного по содержанию железамедного купороса, раствор полностью выводят из обращения.
Существенным является обеспечение равномерногоорошения (смачивания) гранул меди раствором. В местах, плохо орошаемыхкислотой, образовавшаяся окисная пленка растворяется не полностью, вследствиемалой своей растворимости кристаллизуется из раствора и цементирует при этомгранулы и шлам.
1.1.3 Производство медного купороса из медноголома
Производство медного купороса из медного ломаделится на три стадии:
1) получение гранулированной меди; 2) получениераствора сульфата меди;
3) кристаллизация и сушка медного купороса.
Получение гранулированной меди
Медный лом («тяжелую» медь) плавят вмедеплавильной печи. Проволоку, стружку, высечку и т. п. («легкую»медь) перед подачей в печь брекетируют. Плавку лома ведут обычно в пламенныхпечах из огнеупорного шамотного кирпича, отапливаемых мазутом.
Плавка меди в печи продолжается, в зависимости отколичества примесей, 4,5 – 6 часов. После удаления шлака в «кипящую» медьзабрасывают серу, затем ее выпускают тонкой струей в воду, находящуюся вгранулировочном бассейне. Он представляет собой бетонированную яму, высотой 1,6 ми диаметром 2,5 м.
В бассейн помещают стальную корзину с дырчатымистенками высотой 1 м и диаметром 1,6 м; в последней собираютсягранулы. При подъеме корзины с гранулированной медью вода стекает черезотверстия в стенках корзины. Образующиеся гранулы имеют диаметр 5 – 15 мм.Вес 1 л гранул не должен превышать
2 кг. 1 кг таких гранул имеет поверхность до 1500 см2.
Получение раствора сульфата меди
Гранулированную медь загружают в натравочнуюбашню, высотой около 6 м, диаметром 2,5 м. Башня изготовлена излистовой стали, внутри футерована кислотоупорным кирпичом и диабазовымиплитками. На высоте 0,5 – 0,9 м от дна в башне имеется ложное днище, лежащеена колосниковой решетке из стальных балок, опаянных свинцом. На ложном днищенаходится слой меди, высоту которого поддерживают периодическими загрузками науровне 0,25 м от крышки башни. Под крышкой помещена турбинка, с помощьюкоторой медь непрерывно орошается смесью серной кислоты с маточным раствором.Количество находящейся в башне меди составляет 22 – 28 т.
В башне происходит одновременно окисление ирастворение меди. Эти процессы идут с выделением тепла, достаточным дляповышения температуры до необходимого уровня, то есть до 70 – 850С.Для окисления меди в башню под колосниковую решетку вдувают воздух в смеси спаром. Пар подают для нагревания воздуха. Вдувание холодного воздуха вызвало быохлаждение щелока и выделение из него кристаллов медного купороса, что привелобы к закристаллизовыванию нижнего слоя гранулированной меди. Подачей парарегулируют и температуру в башне. Уходящая из нее паро-воздушная смесь выбрасываетсяв атмосферу. С 1 м3 натравочной башни можно получить в суткиболее 1,3 т. медного купороса.
Орошающий щелок имеет температуру 55 – 600Си содержит 20 – 30 % CuSO4 ∙ 5 H2O, и 12 – 19 %свободной H2SO4. Оптимальная плотность орошения натравочной башни, равная 1,5 – 2,1 м3/(м2∙ ч), обеспечивает образование на поверхности медных гранул оченьтонкой жидкостной пленки, через которую кислород диффундирует к меди сдостаточной скоростью. При большей плотности орошения [4 – 5 м3(м2∙ ч)] происходит снижение производительности башни, котороепроисходит после кратковременного ее возрастания, башня как бы «вымывается».
Вытекающий из натравочной башни горячий щелок (74– 760С) представляет собой почти насыщенный раствор медного купороса– он содержит 42-49 % CuSO4 ∙ 5 H2O и 4 – 6 % свободнойH2SO4. Этот щелок подают центробежнымнасосом из хромоникелевой стали во вращающийся кристаллизатор непрерывногодействия с воздушным охлаждением раствора. Смесь кристаллов медного купороса сматочным раствором через сборник с мешалкой поступает в центрифугу изнержавеющей стали, где кристаллы, отжатые от маточного раствора, промываютсяводой. На центрифугирование поступает пульпа с соотношением Т: Ж от 1: 2 до 1:1,5. Отфугованный продукт, содержащий 4 – 6 % влаги и 0,15 – 0,2 %кислоты, высушивают в барабанной сушилке воздухом при 90–1000С.Маточный раствор и промывную воду после смешения с серной кислотой возвращают впроизводственный цикл.
В маточном растворе происходит постепенноенакопление примесей, все больше загрязняющих продукт. Содержащийся в медномкупоросе сульфат никеля можно удалить с достаточной полнотой при однократнойперекристаллизации. Для удаления FeSO4 необходима многократная перекристаллизация. Получениемедного купороса с содержанием 99,9 % CuSO4 ∙ 5 H2O однократной перекристаллизациейиз раствора, насыщенного при 700С, возможно при содержании в нем неболее 0,3 % NiSO4 и не более 0,15 % FeSO4.
Если в растворе больше 40 г./л FeSO4, то количество железа впродукте больше 0,4 %, то есть выше нормы, допускаемой ГОСТом для продуктаIII сорта. Из растворов,содержащих больше 100 – 120 г./л FeSO4, выделяются смешанные кристаллы железного имедного купоросов с характерной сине-зеленой окраской.
Содержание железа в кристаллах медного купоросаможно уменьшить предварительным окислением Fe2+ в Fe3+. Окислителем можетслужить воздух (длительный барботаж), азотная кислота, перекись водорода и др.Степень очистки повышается в 2 – 4 раза при добавке к раствору незначительногоколичества HF (плавиковой кислоты), что приводит к образованию фторидныхкомплексов Fe3+. Установлено также, что при усилении перемешивания в процессекристаллизации получаются кристаллы с меньшим содержанием железа, но и размерыих уменьшаются. Присутствие ионов никеля также уменьшает размеры кристаллов, амышьяка – увеличивает.
На производство 1 т. кристаллического медногокупороса расходуют: 0,27 – 0,29 т. металлической меди и 0,39 – 0,40 т. сернойкислоты (100 %).
На заводе имени Войкова общие затраты тепла напроизводство медного купороса составляли 0,76 мгкал на 1 т. продукта. Расходтепла распределяется следующим образом. В натравочную башню через инжекторывводится 47 % тепла, на подогрев воздуха в калориферах сушильного агрегатазатрачивается 26 % тепла и 27 % тепла расходуется на подогревраствора в сборниках, на разогрев мазута в цистернах и т. д.Количество тепла, выводимого с паро-воздушной смесью, больше тепла, вводимого спаром вследствие дополнительного парообразования, обусловленного выделениемтепла реакцией. Поэтому вместо паро-воздушной смеси можно вдувать в башнютеплый воздух из кристаллизатора с добавкой 20 – 25 % пара от обычногоколичества, при температуре смеси, исключающей закристаллизовывание нижнегослоя гранул в башне.
Ввод пара в натравочную башню может быть и вовсеисключен при осуществлении процесса с рециркуляцией паро-воздушной смеси.Отходящую из башни паро-воздушную смесь с температурой ~ 800Снаправляют при помощи вентилятора из нержавеющей стали под ложное дно башни.При осуществлении процесса по такой схеме возможно введение в циклгазообразного кислорода, что значительно интенсифицирует растворение меди.
Отходом производства медного купороса являютсяилы, скапливающиеся в резервуарах с производственными растворами. Количествоилов составляет 1 – 2 % от перерабатываемой меди. Состав их различен; онимогут содержать до 8,5 % Ag2O, до 5 % Bi2O3, 0,05 – 0,1 % Au, Pt, Pd. Такие илы могут бытьпереработаны гидрометаллургическими методами для извлечения из них ценных металлов.
Предложено получать медный купорос изнатравочного щелока добавкой к нему серной кислоты (башенной, купоросногомасла, олеума или SO3) до содержания свободной H2SO4 60 % и более. Приэтом быстро осаждается мелкокристаллический белый безводный сульфат меди,примеси же остаются в растворе. CuSO4 отфуговывают и растворяют в чистом маточномрастворе медного купороса, из которого кристаллизуется CuSO4 ∙ 5 H2O. Кислый щелок послеосаждения безводного CuSO4 возвращается на растворение меди. Посленакопления в нем значительного количества ценных примесей (никель, цинк,серебро и др.) их можно извлечь. Преимущество этого способа – в простой и быстройкристаллизации медного купороса без затраты тепла и холода и высокой чистотепродукта.
Можно вообще отказаться от выпуска пятиводногосульфата меди и выпускать безводный продукт, концентрация меди в котором больше(39,8 % вместо 25,5 % в CuSO4 ∙ 5 H2O). Производство итранспорт его будут дешевле, хотя он и потребует более тщательной упаковкииз-за гигроскопичности. Впрочем, даже при небрежной упаковке на поверхностибелого порошка появится лишь синеватая окраска вследствие гидратации влагойвоздуха, но это не ухудшит качества продукта, который предназначен длярастворения в воде. Однако, во избежание слеживания, упаковка должна бытьгерметичной.
Очистка сточных вод, сбрасываемых в водоемы изпроизводств медного купороса и других медных солей, от ионов меди может бытьосуществлена на 70 – 90 % с помощью сульфата алюминия. Выделяющаяся пригидролизе сульфата алюминия гидроокись алюминия адсорбирует ионы меди.
1.2 Получение медного купороса электролизом
При проведении электролиза с растворимым медныманодом в растворе любой соли щелочного металла получающаяся на аноде меднаясоль, реагируя с образующейся на катоде щелочью, дает гидроокись меди содновременной регенерацией электролита.
Можно получать электролизом и непосредственнораствор медного купороса, осуществляя процесс в ванне, в которой анод,находящийся на дне ванны, состоит из спрессованных или сплавленных обрезковмеди. Через полый катод, помещенный сверху, подается серная кислота. Движениемраствора от катода к аноду не допускается нежелательное в данном случаеосаждение меди на катоде.
При проведении электролиза с растворимым медныманодом в растворе сульфата натрия в ванне с диафрагмой можно одновременнополучать медный купорос и едкий натр. Особый интерес это может представить приприменении ртутного катода с получением из образовавшейся амальгамы натрияконцентрированной щелочи. Анодная жидкость, кроме медного купороса, будетсодержать сульфат натрия, однако медный купорос и сульфат натрия могут бытьлегко отделены друг от друга (как известно, трудность разделения серной кислотыи сульфата натрия является одним из сложных вопросов в проблеме электролизасульфата натрия). Таким образом, этот способ позволяет получать щелочь и медныйкупорос без затраты кислоты.
1.3 Получение медного купороса при окислении медихлорной медью
Этот метод основан на образовании хлористой медииз хлорной и металлической меди:
Cu + CuCl2 = 2 CuCl (11)
(Хлористую медь получают также хлорированиемцементной меди в растворе поваренной соли). Хлористую медь окисляют воздухом собразованием оксихлорида меди:
6 CuCl +1,5 O2 + 3 H2O = 3 [Cu(OH)2 ∙ CuCl2] (12)
Оксихлорид растворяют в серной кислоте, врезультате чего образуется раствор сульфата меди и регенерируется хлорная медь:
3 [Cu(OH)2 ∙CuCl2] + 3 H2SO4 = 3 CuSO4 + 3 CuCl2+ 6 H2O (13)
Получение оксихлорида меди осуществляют вбетонном баке, куда загружают медь и заливают раствор хлорной меди. После этогопродувают массу воздухом, пока вся металлическая медь не перейдет внерастворимый оксихлорид. После отстаивания и декантации пульпу растворяют принагревании в серной кислоте. Приточный раствор возвращают в процесс.
1.4 Производство медного купороса из окиси меди
До распространения способа получения медногокупороса из медного лома в натравочных башнях медный лом предварительноокисляли в печах в окись меди, которую затем перерабатывали в медный купорос.
В настоящее время медный лом перерабатывают вмедный купорос только методом «натравки», а производство медного купоросарастворением окиси меди в серной кислоте базируется на окиси меди, получаемойиз полупродуктов и отходов медеплавильных заводов.
1.4.1 Получение окиси меди из белого матта
Белый матт образуется при извлечении меди изсульфидных руд в результате дальнейшей переработки штейна, состоящего из сульфидовмеди и железа и получающегося после первой плавки сырья с отделением пустойпороды. При добавке к штейну кварца и продувке воздухом сульфид железаокисляется и переходит в силикат. После удаления шлака остается полусернистаямедь, имеющая в изломе серебристый белый цвет, поэтому ее называют белымметаллом или белым маттом.
Белый матт получается в виде плит толщиной 6 – 8 см.Он содержит, кроме Cu2S, до 10 % металлической меди и 0,5 – 3 % железа; общеесодержание меди 75 – 78 %. Он служит для получения черновой, а затемрафинированной меди.
Для переработки на медный купорос белый маттизмельчают и подвергают обжигу в печах, с целью окисления сульфида в окисьмеди. Для обжига используют печи разных конструкций. Разрез одной из нихпоказан на рис. 1. Печь имеет четыре пода, из которых два неподвижны, адва, находящиеся между ними, вращаются вокруг предполагаемой вертикальной оси,совпадающей с осью печи. Все металлические части печи вынесены наружу.Подвижные поды 2 опираются на ролики и опоясаны зубчатыми кольцами, с помощьюкоторых приводятся во вращение. Поды выложены в форме пологих сводов изкислотоупорного кирпича. В каждый свод при кладке печи вставляются гребки 3,расположенные таким образом, что при вращении подвижных подов материалперемещается по сводам от периферии к центру или в обратном направлении ипересыпается со свода на свод.
Разогрев печи производится топочным илигенераторным газом, поступающим под нижний свод печи. Наиболее распространеныпечи с диаметром 4,5 м. Производительность печи составляет 6 – 7 тобожженного матта в сутки при продолжительности пребывания материала в печи 10 –12 ч. Обжиг белого матта ведут с добавкой 1,75 – 2 % угля,обеспечивающего снижение температуры воспламенения сульфида меди, что ускоряетего окисление. Для предотвращения спекания в шихту добавляют до 15 % измельченного«нагара». (Нагар – комочки спекшегося, плохо обожженного белого матта,отделяемые при просеивании обожженного матта). Температурный режим в печиустанавливается за счет тепла, выделяющегося при горении белого матта и угля.Обычно температуру поддерживают в следующих пределах: 670 – 7000С напервом поде (сверху), 740 – 7600С на втором, 650 – 6750Сна третьем и 450 – 4750С на четвертом.
При обжиге белый матт превращается в окись медипо реакции:
Cu2S + 2 O2 = 2 СuO + SO2 (14)
Небольшая доля сернистого газа, в связи сприсутствием в белом матте железа, каталитически окисляется до SO3, который сульфатизируетокись меди. Поэтому в продукте обжига белого матта, помимо основного компонента– окиси меди, а также остатков сульфида, содержится некоторое количество CuSO4. С учетом этого общаяреакция окисления белого матта может быть записана так:
2 Cu2S + 4,5 O2= 2 СuO + SO2+ СuO ∙CuSO4 (15)
При недостатке кислорода или при плохомперемешивании может образоваться некоторое количество закиси меди:
2 Cu2S + 3 O2 = 2 Cu2O + SO2 (16)
Закись меди растворяется в серной кислоте хуже,чем окись, поэтому наличие ее в обожженном матте (огарке) нежелательно.Обожженный продукт содержит 87 – 90 % СuO и 8 – 10 % Cu2S или 70 – 72 % Cu и 2 – 2,5 % S. В нем несколько меньшемеди, чем в исходном белом матте, что объясняется загрязнением продукта нагароми золой угля. Основная масса серы уходит из обжиговой печи в виде сернистогогаза, содержащего 1,5 – 2 % SO2, 0,5 – 1 % CO2, 15 – 17 % О2,имеющего температуру 250 – 3000С.
Растворение окиси меди в серной кислоте
Продукт обжига белого матта, огарок – окись меди– просеивают для отделения спекшихся комочков – «нагара» и продают в варочныйчан для растворения в серной кислоте рис. 2. Отсеянный «нагар» послеизмельчения возвращают в печь, добавляя его к идущему на обжиг белому матту.Варочный чан изготавливают из андезитовых плит с внутренней свинцовойфутеровкой. Используют также чаны из нержавеющей стали, выложенные кислотоупорнымкирпичом и футерованные внутри листовым свинцом толщиной 5 мм.
Вначале в чан загружают маточный раствор,содержащий 28 % сульфата меди, а затем серную кислоту до полученияраствора с концентрацией 15 – 20 % H2SO4. Массу подогревают докипения острым паром, подаваемым через опущенные в раствор свинцовые трубы. Вкипящий раствор загружают огарок небольшими порциями в течение 30 – 40 минутпри перемешивании массы острым паром. Растворение ведут до образованияраствора, содержащего 43 % CuSO4 и 3-4 % H2SO4.
Окись меди легко растворяется в серной кислоте.Содержащиеся в огарке металлическая медь и неокислившийся белый матт (Cu2S) практически не растворяютсяв серной кислоте и образуют нерастворимый шлам. В шлам частично переходит иплохо растворяющаяся в серной кислоте закись меди. По окончании варкиотстоявшийся раствор направляют на кристаллизацию. В зависимости от качестваобжига белого матта очистку реакционного чана от шлама производят или послекаждой варки, или после 3 – 4 варок. В сухом веществе шлама содержится ~ 50 %меди, а также некоторые количества золота и серебра, зависящие от содержания ихв исходной руде. Этот шлам возвращают для переработки на медеплавильные заводы.
1.4.2 Получение медного купороса из окиси меди исернистого газа
Этот способ производства медного купоросаявляется весьма экономичным. Однако применение его целесообразно главнымобразом в районах расположения медеплавильных заводов, где имеетсясоответствующее сырье – окись меди и отбросный сернистый газ.
В связи с этим особый интерес приобретаетполучение медного купороса из белого матта. При окислительном обжиге белый маттпревращается в окись меди. Выделяющийся при этом сернистый газ рациональноиспользовать для превраще-ния полученной окиси меди в медный купорос. Недостающееколичество SO2 может быть пополнено за счет сернистых газов медеплавильныхпечей. Таким образом, белый матт может быть переработан на медный купорос без затратысерной кислоты и с полным использованием его компонентов – меди и серы.
Способ производства медного купороса из окисимеди и сернистого газа основан на взаимодействии при 85 – 950суспензии окиси меди в водном растворе медного купороса со слабым сернистымгазом, содержащим SO2 и кислород.
Отбросный сернистый газ, в случае необходимости,должен разбавляться воздухом. Это ускоряет процесс, так как концентрация SO2 в газе не имеет существенногозначения, а увеличение содержания кислорода ускоряет реакцию.
Образование медного купороса происходит врезультате двух независимо идущих процессов. Первый из них заключается в том,что сернистый газ в присутствии каталитически действующих ионов меди окисляетсякислородом в серную кислоту:
2 SO2 + O2 + 2 H2O = 2 H2S (17)
Образовавшаяся кислота растворяет окись меди,причем получается медный купорос:
H2SO4 + СuO = CuSO4 + H2O (18)
Второй, параллельно идущий процесс заключается вчастичном восстановлении сернистым газом двухвалентной (окисной) меди водновалентную (закисную) с образованием плохо растворимой в воде соли Шевреля –комплексной окисно-закисной соли сернистой кислоты Сu(CuSO3)2 ∙ 2 H2O или CuSO3 ∙ Cu2SО3 ∙ 2 H2O:
3 CuSO4 + 3 H2SO3+ 3 H2O = CuSO3 ∙ Cu2SО3 ∙ 2 H2O+ 4 H2SO4 (19)
Эта соль в отсутствие кислорода при кипячениисуспензии разлагается с выделением закиси меди:
3 (CuSO3 ∙Cu2SО3 ∙ 2 H2O) = CuSO4 + 2Cu2О + 5 SO2 (20)
Однако под действием сернистого газа и кислородав результате дальнейшего образования серной кислоты закись меди снова переходитв раствор, и осадок соли Шевреля постепенно исчезает из суспензии, такжепревращаясь в медный купорос:
CuSO3 ∙Cu2SО3 ∙ 2 H2O + SO2 + 2 O2= 3 CuSO4 + 2 H2O (21)
Окисление соли Шевреля при действии SO2 и O2 протекает с образованиемвначале основного сульфата меди:
2 (CuSO3 ∙ Cu2SО3 ∙ 2 H2O) + 3 O2 = Cu(OH)2 ∙ Cu SO4 + 3 CuSO4 + 2 H2O (22)
Эта реакция идет с большей скоростью, чемобразование серной кислоты под каталитическим влиянием ионов меди. По меренакопления H2SO4 основной сульфат меди переходит в раствор:
2 Cu(OH)2 ∙Cu SO4 + 2 H2SO4 = 3 CuSO4 + 4 H2O(23)
В результате этих процессов из суспензии исчезаютвсе твердые фазы – и СuO и CuSO3 ∙ Cu2SО3 ∙ 2 H2O и 2 Cu(OH)2 ∙ Cu SO4 – и суспензияпревращается в раствор медного купороса. Таким образом, в общем процессысводятся к окислению четырехвалентной серы (SO2) в шестивалентную и могутбыть выражены суммар-ным уравнением:
2 СuO + 2 SO2 + O2= 2 Cu SO4 (24)
Растворимость соли Шевреля возрастает сповышением температуры и содержанием в растворе CuSO4. При 200Срастворимость этой соли в воде равна 0,042 %, а при 60 – 0,14 %. В 30 %растворе CuSO4 ∙ 5H2O при 200С растворимость повышается до0,1 %, а при 600С – до 0,379 %. Поэтому, будучисуспензирована в растворе медного купороса, комплексная соль окисляетсябыстрее, чем в водной суспензии. Следовательно, для приготовления исходнойсуспензии окиси меди целесообразно брать не воду, а раствор медного купороса.
Скорость окисления соли Шевреля возрастает суменьшением концентрации SO2 в газе. Последнее объясняется, вероятно, тем,что в газовых смесях с высоким содержанием SO2 количество кислороданедостаточно для окисления. При содержании в газе 1 – 4 % SO2 и температуре 950Ссоль Шевреля окисляется полностью за 15 – 20 минут. Однако длительностьпроцесса увеличивается за счет времени, необходимого для предварительногорастворения окиси меди и образования соли Шевреля. При 950С идостаточном содержании кислорода в газе (при объемном отношении O2: SO2 > 4) степеньиспользования меди за 1 час составляет 94 – 97 %, а за 1,5 ч больше 99 %.
Технологическая схема производства медногокупороса этим способом весьма проста. Окись меди суспендируют в маточномрастворе, оставшемся после кристаллизации медного купороса, суспензию нагреваютдо 85 – 950и насыщают отбросным сернистым газом, разбавленнымвоздухом. Из полученного раствора при охлаждении до 200С кристаллизуетсямедный купорос. Кристаллы отжимают на центрифуге, и маточный раствор возвращаютв процесс.
1.4.3 Получение медного купороса сульфатизирующимобжигом белого матта
Существенным недостатком способа получениямедного купороса из белого матта путем его окислительного обжига и последующегорастворения полученной окиси меди в серной кислоте является то, что основноеколичество серы, содержащейся в белом матте, не используется. Между тем за счетэтой серы теоретически возможно было бы перевести в медный купорос 50 %меди, находящейся в белом матте, и тем самым снизить в 2 раза расход сернойкислоты при последующей обработке продукта обжига. С этой целью белый маттдолжен подвергаться не простому окислительному, а сульфатизирующему обжигу, тоесть длительной прокалке при сравнительно невысоких температурах (400 – 5000С)при достаточном избытке кислорода. В этих условиях реакции:
2 SO2 + O2 ↔ 2 (25)
СuO + SO3 ↔ CuSO4 (26)
смещены направо и 60 – 70 % сульфидной серыпереходят в сульфатную, что соответствует превращению 30 – 35 % меди всульфат меди. Для обработки продукта обжига расходуется в 1,5 раза меньшесерной кислоты, чем при простом окислительном (не сульфатирующем) обжиге, аобщее использование меди достигает 90 %.
Механизм образования сульфата меди присульфатирующем окислении белого матта можно представить следующимиэлементарными реакциями. Часть сульфида непосредственно окисляется в сульфат:
Cu2S + 2,5 O2 = CuSO4 + СuO (27)
Наряду с этим происходит окисление сульфида медис образованием двуокиси серы и окиси меди:
Cu2S + 1,5 O2= Cu2О + SO2 (28)
Cu2О + 0,5 O2 ↔2 СuO (29)
Окись меди далее реагирует с серным ангидридом,образующимся при каталитическом окислении SO2 в присутствиисодержащейся в белом матте окиси железа, частично сульфатизируется по реакциям:
СuO + SO2 = CuSO3 (30)
4 CuSO3 = 3CuSO4 + CuS (31)
с последующим окислением образующегося CuS. Для успешной сульфатизациибелого матта необходимо обеспечить достаточно высокую концентрацию кислорода вгазовой фазе. Этого можно достигнуть или использованием обогащенного кислородомвоздуха, или применением добавок, обогащающих высоким равновесным давлениемкислорода в температурных условиях обжига.
Степень перехода серы в газовую фазу в видедвуокиси серы значительно возрастает при добавке окиси меди. Степень окислениясульфида меди при 4500С в течение 60 минут в отсутствие добавкисоставляет 29,5 %. С увеличением температуры выше 4500С в этихусловиях степень перехода сульфидной серы в сульфатную резко падает и при 750 –8000С практически равна нулю. В присутствии добавок окиси медиувеличивается степень перехода сульфидной серы в сульфатную, а температура,отвечающая максимуму сульфатообразования, сдвигается в сторону более высокихтемператур. При добавке 25 % СuO в интервале 500–5500С за 60 минут 35 –40 % сульфидной серы переходит в сульфатную, а общее количествоокислившейся серы достигает 90 – 95 %.
Наиболее интенсивно сульфатизирующий обжигсульфидов и окислов меди идет в кипящем слое, особенно при предварительноммелком измельчении материала.
Изучена сульфатизация Cu2S крепкой серной кислотой.До 3000С она идет по реакциям:
Cu2S + 2 H2SO4= CuS + CuSO4 + SO2 + 2 H2O (32)
CuS + 2 H2SO4= CuSO4 + SO2 + 2 H2O (33)
S + 2 H2SO4 = 3 SO2 + 2 H2O (34)
Наибольший выход CuSO4 достигается при 2000С.При высоких температурах частично улетучивается серная кислота и в результатевзаимодействия Cu SO4 с Cu2S образуется Cu2SО4, а затем Cu2О.
Изучены условия превращения Cu2S в CuSO4 путем автоклавноговыщелачивания белого матта слабой серной кислотой в присутствии кислорода. Приэтом паралельно идут следующие реакции:
Cu2S + 0,5 O2+ H2SO4 = 2 CuSO4 + H2O (35)
Cu2S + O2+ 2 H2SO4 = 2 CuSO4 + S + 2 H2O (36)
Скорость растворения Cu2S пропорциональна давлениюкислорода в степени 0,5. Для преимущественного (на 93 %) осуществленияпроцесса по реакции (35), то есть с полным использованием серы и с меньшимрасходом серной кислоты, оптимальными условиями являются: давление кислорода ~4 ат, концентрация серной кислоты 0,01 моль/л, температура 1400С.
Аналогичным способом можно получать медныйкупорос из водной суспензии халькопиритного концентрата (Т: Ж = 1: 3) сдобавкой СаOили СаСO3 для регулирования гидролиза образующегося сульфата железа и выделенияH2SO4.
1.4.4 Получение медного купороса из окисленных медныхруд
Из больших запасов медных руд 10 – 15 %составляют руды, содержащие медь в окисленной форме. При незначительномсодержании меди в руде извлечение металлической меди методами плавкиоказывается зачастую неэкономичным. В таких случаях целесообразноперерабатывать эти руды гидрометаллургическими методами, заключающимися визвлечении (выщелачивании) меди каким-либо растворителем. Содержащаяся в окисленныхрудах окись меди хорошо растворяется в серной кислоте. Полученные разбавленныерастворы сульфата меди или выпаривают, или выделяют из них медь цементацией. Извыпаренных растворов получают кристаллизацией медный купорос, а цементную медьтакже перерабатывают в медный купорос.
Выщелачивание измельченной руды 10 – 15 %-нойсерной кислотой осуществляют в растворителе, снабженном мешалкой, кудапредварительно заливают разбавленную кислоту, подогревают ее глухим паром до 50– 800С, а затем загружают руду в таком количестве, чтобы отношение Т:Ж в пульпе составляло 1: 3. Растворение ведут при перемешивании и 60 – 700Св течение 30 – 40 мин. При содержании в руде 3 – 5 % Cu выщелачивание ведут 3 –5 %-ной серной кислотой в течение ~ 2 ч.
Очистку раствора медного купороса перед егодальнейшей переработкой от примесей сульфатов железа, алюминия и др. можно осуществлятьс помощью известняка и обожженной медной руды, пропуская его затем черезгравийный фильтр для отделения образовавшихся осадков.
1.4.5 Производство медного купороса изколчеданных огарков
Медь в колчеданных огарках содержится в видеразличных соединений – Cu SO4, CuS, Cu2S, СuO, Cu2О, CuSO3, CuFeS2. Это затрудняет полное ее извлечение каким-либоодним простым методом.
Сульфат и сульфит меди легко выщелачиваютсяводой, а окись меди – разбавленной серной кислотой. Сульфиды меди, в видекоторых находится до 20 % меди огарков, не растворяются в воде и врастворах серной кислоты, но переходят в раствор при нагревании в результатевзаимодействия с сульфатом (или хлоридом) трехвалентного железа:
CuS + Fe2 (SO4)3= CuSO4 + 2 FeSO4 + S (37)
Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 = 2 CuSO4 + 4 FeSO4 +S (38)
Этим же способом извлекают медь из сульфидныхмедных руд. Интенсивность выщелачивания увеличивается при бактериальномокислении сульфидов. Из получаемого раствора медного купороса удаляют железоокислением Fe2+ в Fe3+ пиролюзитом или кислородом воздуха и обработкой известняком:
Fe2 (SO4)3+ 3 СаСO3+ 3 H2O = 2 Fe (OH)2 + 3 CаSO4 + 3 СO2 (39)
Халькопирит с помощью сульфата железа растворитьнельзя. Его можно превратить в растворимые соединения хлорированием:
2 CuFeS2 + 7Cl2 = 2 CuCl2 + 2 FeCl3 + 2 S2Cl2(40)
Наиболее разработанными способами получениямедного купороса из огарков и являются водно-кислотное выщелачивание,применяемое на некоторых заводах, и хлорирующий обжиг в присутствии NaCl.
Выщелачивание меди из огарка
При выщелачивании огарка 1 % растворомсерной кислоты на холоду в течение 1 ч при отношении Т: Ж, равном 1: 3,переходит в раствор от 60 до 80 % меди. В результате шестикратноговыщелачивания могут быть получены щелоки, содержащие 15 – 18 г./л меди. Этищелоки загрязнены соединениями железа (5 – 6 г/л Fe), которые удаляются израствора осаждением мелом, после их окисления бертолетовой солью или хлором.Выпариванием очищенного щелока от железа получается продукт, содержащий 2 – 2,5 %Fe. Непосредственноеполучение фунгицидных препаратов из щелока может оказаться более экономичным,чем переработка его на медный купорос.
Извлечение водо- и кислоторастворимых соединениймеди из огарка можно осуществлять, орошая свалку огарка подкисленной водой (3 –5 % H2SO4). Для сбора образующегося раствора, содержащего 5 – 15 г./л CuSO4 ∙ 5H2O, необходим колодец,откуда раствор откачивается на цементацию. Аналогичным образом можнопроизводить выщелачивание огарка, находящегося в плоских прямоугольных ямах,имеющих большую площадь. Загрузку и выгрузку огарка можно осуществлять при этомс помощью мостового крана, движущегося по опорам, уложенным вдоль краев ямы.
Хлорирующий обжиг огарка
Хлорирующий обжиг огарка заключается в обработкеего хлористым натрием при высокой температуре с целью превращения нерастворимыхсульфидов меди в водорастворимые соединения:
CuS + NaCl + 2 O2= CuCl2 + Na2SO4 (41)
К огарку добавляют 4 – 5 % NaCl (в зависимости отсодержания в нем меди), смесь измельчают на вальцовой мельнице до размера частицне более 2 мм и обжигают в механической колчеданной печи при температуре550 – 6000С. Развитие требуемой температуры обеспечивается сжиганиемгенераторного газа или другого горючего. В качестве горючего можно применятьсеру или серный колчедан. В этом случае шихту составляют с соблюдениеммолярного отношения Cu: 3 S: 6 NaCl. Огарок состоит из окислов железа и CuCl2, CuCl, СuO, CuSO4 и Na2SO4. Часть хлорида натрияреагирует с серой и водяными парами, образуя хлористый водород. В отходящихгазах, помимо продуктов сгорания топлива и хлористого водорода, содержитсянекоторое количество Cl2, SO2, SO3 SO3, водяных паров и мышьяковистых соединений. Газыиз печи поступают в башню, орошаемую водой. Здесь получается 10 %-наясоляная кислота с примесью серной кислоты и хлора. Ее используют длявыщелачивания обожженного огарка.
Медноколчеданные огарки, содержащие 0,5 – 1 %меди, можно хлорировать газообразным хлором. Систематическое выщелачиваниерастворимых соединений меди из обожженного огарка ведут при 20 – 250С.Общая продолжительность выщелачивания составляет 4 – 5 дней.
Извлечение меди из отходов медеплавильных заводов
К отходам производства меди относятся:ватержакетная пыль, шлаки, рудничные отвалы и др. Эти материалы содержат, как иколчеданные огарки, различные соединения меди и перерабатываются аналогичнымиметодами – непосредственным выщелачиванием или выщелачиванием послесульфатизирующего или хлорирующего обжига. Полученные растворы подвергаютцементации. При наличии отбросного тепла их можно выпаривать для кристаллизациииз них медного купороса.
Водное выщелачивание ватержакетной пыли при 75 – 800Спозволяет извлечь из нее в течение 4 ч от 20 до 70 % меди в раствор ввиде сульфата меди. При последующей обработке остатков от выщелачивания водой втечение 4 ч 4 %-ной серной кислотой в раствор переходит еще 15 – 30 %меди.
Выщелачиванием шлаков 5 %-ной сернойкислотой при 90 – 950С и Т: Ж, равном 1: 1, и 6000С втечение 1 ч можно увеличить извлечение меди в раствор до 80 %.
В рудничных отвалах обычно содержится 1 – 2 %меди. Она может быть извлечена в раствор теми же методами, как и из другихотходов, а также обработкой водной пульпы сернистым газом. Степень извлечениямеди достигает при этом 98 % в течение 1 ч, если предварительнопроизвести хлорирующий обжиг материала при 3000С, с добавкой к нему20 % NaCl.
Выделение меди из разбавленных растворов
При извлечении меди из колчеданных огарков,отходов медеплавильных заводов, рудничных отвалов, а также из окисленных медныхруд получаются разбавленные растворы медного купороса (или хлорной меди).Рудничные воды, образующиеся на медных рудниках в результате медленногоокисления сернистой меди кислородом воздуха, также представляют собой слабыйраствор медного купороса. Так как концентрирование таких слабых растворов неэкономично, медь выделяют из них цементацией. Этот процесс заключается ввытеснении меди из растворов железными стружками и железным ломом:
Cu2+ + Fe = Fe2+ + Cu (42)
Электродный потенциал меди значительно выше, чемжелеза в маточных растворах, содержащих ионы Cu2+ или Fe2+, при обычной температуреи давлении водорода 1 ат он равен для Cu + 0,34 в, для Fe – 0,44 в. Поэтому железовытесняет медь из раствора в виде тонкого металлического шлама, называемогоцементной медью.
Цементацию осуществляют в стальном футерованномили освинцованном баке, куда загружают очищенный от грязи и ржавчины железныйлом. Затем в бак подают разбавленный раствор сульфата меди. Для полнотыосаждения меди раствор не должен содержать значительных количеств серной кислоты.
Оптимальная концентрация серной кислоты равна ~0,05 % или около 5 ∙ 10-5 г-ионов/л.
Образующийся в результате цементации разбавленныйраствор сульфата железа спускают в канализацию, а в реактор заливают другуюпорцию исходного раствора, содержащего медь. Обработку одной и той же загрузкижелеза проводят 10 – 12 раз. После этого оставшееся железо удаляют и выгружаютосевшую на дно цементную медь, которую затем промывают от частиц железа 10 – 15 %-нойсерной кислотой при непрерывном перемешивании. По удалению железа медьпромывают водой до полной отмывки от серной кислоты. Промытая цементная медьполучается в виде пасты красновато-бурого цвета; она содержит 65 – 70 % Cu, до 35 % влаги иоколо 1 % примесей и перерабатывается в медный купорос теми же методами,что и медный лом. Дисперсность цементной меди возрастает с увеличением pH раствора и приуменьшении концентрации в нем CuSO4 и Cl- Цементацию меди можно осуществлять и впсевдоожиженном слое железных гранул. Разработан способ извлечения цементноймеди флотацией. Порошкообразную медь можно получить из кислых растворов солеймеди, добавляя к ним растворимые в воде полисахариды (~1 %) и обрабатываягазообразным восстановителем под давлением, например, водородом при 30 ат и 1400С.
Медь может быть извлечена из разбавленныхрастворов CuSO4 обработкой их слабой аммиачной водой. При этом образуется осадок Cu(OH)2 ∙ Cu SO4, который после отделенияот раствора можно растворить на фильтре серной кислотой для получения медногокупороса. Если в растворе присутствуют, кроме меди, ионы железа и никеля(например, при переработке полиметаллических руд), возможно ступенчатоеосаждение их аммиаком при нейтрализации раствора последовательно до pH = 3, а затем 4,5 и 6.
1.5 Получение медного купороса из электролитныхрастворов медеэлектролитных заводов
При электролитическом рафинировании медиприменяют электролит, содержащий в 1 л 30 – 45 г. меди в виде сульфата иоколо 200 г. свободной серной кислоты. Помимо этого, в электролите присутствуютпримеси NiSO4, FeSO4, As2O3, ZnSO4, CaSO4 и др. В связи с накоплением этих примесей и переходом в раствормеди часть электролита должна выводиться из процесса. Наиболее экономичнымспособом утилизации выводимого из цикла электролитного раствора являетсяпереработка его на медный купорос, так как стоимость последнего выше, чем стоимостьзатраченных на его производство меди и серной кислоты.
Поэтому находящуюся в выделенном электролитесерную кислоту нейтрализуют материалами, содержащими медь, катодным скрапом,стружкой, гранулированной катодной и анодной медью, шлаком анодных печей и т. п.Нейтрализацию производят при циркуляции раствора через слой материала,содержащего медь, загруженного в резервуары, называемые окислителями. В нихвдувают воздух, требующийся для окисления меди в процессе ее растворения всерной кислоте. Здесь происходит тот же процесс, что и описанный выше, идущий внатравочных башнях. Температуру раствора поддерживают около 70 – 800Снагреванием через паровые змеевики или острым паром. После снижения содержаниясвободной серной кислоты в растворе до 0,5 %, для чего обычно требуется от12 до 24 часов, раствор поступает на выпаривание, причем из него частично выделяютсясоли железа и кальция. Затем раствор охлаждается в кристаллизаторах, где изнего выделяются кристаллы медного купороса. Из оставшегося маточного раствораизвлекают никелевый купорос, загрязненный сульфатом меди.
Содержащиеся в меди примеси при рафинированиипереходят в шлам, в котором находятся значительные количества меди. Извлечениемеди из шлама производят выщелачиванием серной кислотой при 850С спродувкой воздухом. Несмотря на длительность этой операции (до 18 ч), вшламе остается 8 – 10 % меди. Для ускорения этого процесса предложеноприменять в качестве интенсивного окислителя меди персульфат аммония [2].
Рассмотрев технологии различных способовполучения медного купороса можно отметить, что, как и у любого процессаполучения есть свои плюсы и минусы.
Так, например, недостатком способа получениямедного купороса сульфатизирующим обжигом белого матта является то, чтоосновное количество серы, содержащейся в белом матте, не используется. Хотя засчет этой серы возможно было бы перевести 50 % меди, находящейся в беломматте и, тем самым снизить в 2 раза расход серной кислоты. Но этот метод хороштем, что при длительной прокалке при невысоких температурах и при избыткекислорода, для обработки продукта обжига – белого матта расходуется в 1,5 разаменьше серной кислоты, чем при простом окислительном обжиге. Однако обеспечениедостаточно высокой концентрации кислорода в газовой фазе и предварительноеизмельчение материала требует либо значительных затрат энергии, либо рабочейсилы, либо длительного периода времени, что в свою очередь ведет к удорожаниюпроцесса.
В производстве медного купороса из колчеданныхогарков трудностью является извлечение меди, которая содержится в этих огаркахв виде различных солей. А также из получаемого раствора медного купороса надобудет удалять железо, что соответственно требует введения дополнительных стадийи увеличения количества времени. Так, например, выщелачивание растворимыхсоединений меди протекает в течение 4 – 5 дней.
Одним из дорогих составляющих, являетсягенераторный газ или другое горючее, необходимое в ходе данного методаполучения медного купороса из медного лома, то в нем использовать горячуюсерную кислоту нецелесообразно, так как при этом половина затрачиваемой кислотывосстанавливается до SO2, окисляя медь в окись меди, которая ирастворяется в серной кислоте, а в заводском методе кислоту нагревают до 950С.
На предприятии ОАО «Уралэлектромедь» выбранметод получения медного купороса из медного лома и передаточного раствора,являющегося отходом цеха электролиза меди. Купоросный цех – лишьвспомогательное звено завода, а не основное, как цех электролиза меди, гдепроисходит операция электролитического рафинирования анодов, то естьрастворение меди под действием постоянного тока в растворе серной кислоты иосаждение ее на медной основе, с получением медных катодов, которые являютсядостаточно дорогим, ценным товарным продуктом.
В связи с этим, для обеспечения стабильной работыцеха электролиза меди и получения качественной катодной меди часть электролитавыводят из технологического цикла и направляют в купоросный цех.
В большинстве рассмотренных зарубежных иотечественных методов получения медного купороса, отработанные загрязненныерастворы выводят из обращения в окружающую среду, что неблагоприятноскладывается на экологической ситуации. В отличие от других методов, потехнологии получения на ОАО «Уралэлектромедь» отработанные растворы не сливают,а направляют на очистку в гидрометаллургическое отделениехимико-металлургического цеха (ГМО ХМЦ), а затем, полученный после очисткираствор направляют вновь на нужды цехов то есть образуется замкнутый цикл, чтов свою очередь экономит расход воды, обеспечивает охрану окружающей среды.
В заключении хочется сказать, что наиболееэкономичным способом утилизации выводимого из цикла электролитного раствораявляется переработка его на медный купорос так как стоимость последнего выше,чем стоимость затраченных на его производство меди и серной кислоты.
Поэтому находящуюся в выделенном электролитесерную кислоту нейтрализуют материалами, содержащими медь – стружкой,гранулированной катодной и анодной медью, шлаком анодных печей. В ходедипломной работы нейтрализацию будем проводить в аппарате колонного типа.
2. Технологическая схема производства медногокупороса
Получение насыщенных растворов сернокислой меди(медного купороса) производят путем связывания свободной серной кислоты,присутствующей в передаточном растворе ЦЭМ, и оборотных растворах купоросногопроизводства, с медью, подаваемой в процесс в виде медных гранул.
2.1 Характеристика сырья
а)Раствор цеха электролиза меди (ЦЭМ).
Растворпередаточный ЦЭМ представляет собой отработанный электролит ЦЭМ, полученныйпосле электролитического рафинирования меди, направля-емый в купоросный цех.Химический состав передаточного раствора ЦЭМ, указанный в табл. 2.1обеспечивает получение медного купороса в соответствии с СТП 00194429–071–2003[3].
Таблица2.1. Химический состав передаточного раствора ЦЭМ
Содержание, г/дм3
Серной
кислоты не менее не более меди Ni As Sb Fe Zn Mg Na Ca K N 140,0 – 170,0 37,0 15,0 3,5 0,7 0,5 0,5 0,1 0,35 0,3 0,02 0,3
Содержаниезолота и серебра в передаточном растворе ЦЭМ определяют, но не нормируют.
Зашламленностьраствора должна быть не более 0,010 г./дм3.
б)Раствор промышленный – конденсат ЦЭМ (далее промраствор ЦЭМ) – представляетизбыток конденсата из теплообменников, направляемый в ГМО ХМЦ. Содержание примесейв промрастворе ЦЭМ, указанное в табл. 2.2, обеспечивает получение осветленныхрастворов, в соответствии с требованиями СТП 00194429–031–2002 [4].
Таблица2.2. Химический состав промраствора ЦЭМ
Содержание, мг/дм3 не менее не более
pH
1,5
серной
кислоты меди никеля мышьяка 2000,0 300,0 10,0 1,0
в)Гранулы медные.
Гранулыизготавливают в соответствии с требованиями настоящего стандарта по СТП00194429 – 080 – 2002 [5]. Химический состав, структура и размеры гранул должнысоответствовать нормам, приведенным в табл. 2.3.
Таблица2.3. Физико-химические свойства гранулГранулы медные Кремневые Бескремневые Химсостав, %
– медь, не менее 99,0;
– кремний, не более 0,11. – медь, не менее 99,0. структура пластинчатая структура пластинчатая Размеры
– отдельные пластины непра-
вильной формы размером от
15 мм до 25 мм;
– пластинчатые сростки от 30 мм
до 100 мм.
– отдельные пластины неправильной формы размером от 3 мм до 15 мм;
– допускается наличие частиц размером менее 3 мм, без образования из них отдельного слоя;
– пластинчатые сростки 20 – 25 мм.
Гранулымедные принимают партиями. Партией считают количество гранул, полученных отодной плавки.
д) Оборотные растворы.
Перечень оборотных растворов, используемых наоперации растворения, приведен в табл. 2.4.
Таблица 2.4. Оборотные растворы купоросного производстваНаименование растворов Предыдущая операция Раствор с узла подготовки никелевого отделения Отстаивание и кристаллизация никеля сернокислого из маточного раствора чернового цикла никелевого отделения Воды промывные участка производства антисептика «Ултан» Промывка осадков на фильтр-прессе и растворение кристаллов медного купороса в производстве антисептика «Ултан» Воды промывные медного отделения Промывка кристаллов медного купороса при разделении, растворение донных осадков в баковой аппаратуре, смывы полов
Водыпромывные закачивают в аппараты для корректировки концентраций исходныхрастворов, их состав не нормируют и не определяют.
е) Медный купорос.
Медныйкупорос должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящегостандарта по технологической инструкции.
Медное отделение купоросного цеха выпускает двавида товарной продукции:
- купоросмедный марки А1 в соответствие с ГОСТ 19347–99 [6];
- медныйкупорос мелкодисперсный марки А сорт 1 по ТУ 2141–368–100–97 [7].
Медныйкупорос окрашен в ярко-синий цвет, на воздухе медленно выветривается,покрываясь белым налетом; хорошо растворим в воде (с повышением температурырастворимость увеличивается) и почти не растворим в спирте; не горюч,пожаровзрывоопасен. Относится к веществам 2‑го класса опасности. Попадаяв организм человека, вызывает желудочно-кишечные расстройства.
Медныйкупорос обладает следующими физико-химическими свойствами: кристаллыярко-синего цвета, растворимые в воде и выветривающиеся на воздухе,гигроскопичны. Формула CuSO4 ∙ 5H2O. Молекулярнаямасса 249,68 г./моль.
Химический состав медного купороса приведен втабл. 2.5.
Табл. 2.5. Химическийсостав медного купороса Наименование показателя Норма марки, % А Б
Высший Первый Высший Первый Второй
Массовая доля медного купороса в пересчете на
CuSO4· ∙ 5H2O, в% не менее:
в пересчете на медь, в% не менее
99,1
25,22
98,0
24,94
98,1
24,97
96,0
24,43
93,1
23,67 Массовая доля железа, в% не более 0,02 0,04 0,04 0,05 0,10 Массовая доля свободной серной кислоты, в% не более 0,20 0,25 0,20 0,25 0,25 Массовая доля нерастворимого в воде остатка, в% не более 0,03 0,05 0,05 0,05 0,10 Массовая доля мышьяка, в% не более 0,002 0,012 0,012 0,012 0,028 /> /> /> /> /> /> />
Пофизико-химическим свойствам мелкодисперсный купорос должен соответствоватьтребованиям ГОСТ 19347–99 [6] марки А сорт 1 кроме массовой доли медногокупороса в пересчете на медь и массовой доли нерастворимого в воде остатка.
Массовая долямедного купороса в пересчете на медь – 24,5 %.
Массовая долянерастворимого в воде остатка – 1,05 %.
Медныйкупорос является важнейшей солью меди и находит широкое применение впромышленности и сельском хозяйстве. Он служит исходным материалом для производстваразличных соединений меди. Как многие другие соли меди, медный купорос ядовит.
В сельском хозяйстве он применяется для предохранения растений отвредителей и некоторых заболеваний и является составной частью ядохимикатов;бордосской жидкости и препарата АБ.
Бордосская жидкость представляет собой водную суспензию, получаемуюпри смешении 0,5 – 1,0 %-ного раствора медного купороса с 0,5–1,0 %-дымизвестковым молоком.
Препарат АБ – основная сернокислая соль меди с примесью основныхуглекислых солей меди. Получается в результате взаимодействия pacтвора медного купороса имела при нагревании.
В красильномделе он применяется как протрава; в гальванопластике – для покрытия металловслоем меди и т. д. Препарат вырабатывают двух сортов, отличающихся посодержанию основного вещества и по количеству допускаемых примесей.
2.2 Химизмпроцесса растворения меди
Раствор,содержащий свободную серную кислоту и сульфат меди, пропущенный через слойгранулированной меди, растворяет последнюю за счет прохождения следующиххимических реакций:
1) Кислород, растворенныйв кислоте, окисляет медь до оксида меди.
4 Cu + O2 = 2 Cu2O (43)
2) Оксид медирастворяется в серной кислоте с образованием ионов одновалентной меди:
Cu2O + 2 H+ = 2 Cu+ + H2O (44)
3)Ионы одновалентной меди окисляются кислородом воздуха с образованием ионовдвухвалентной меди:
4Сu + O2 + 4 H+ = 4 Cu2+ + 2 H2O (45)
4) Суммарное уравнениереакций в молекулярной форме имеет вид:
Cu + H2SO4 + 1/2 O2 = Cu SO4+ H2O (46)
Наскорость процесса растворения и качество получаемого медного купороса влияютниже перечисленные факторы:
а)Поверхность меди
Процессрастворения меди в серной кислоте является гетерогенным, при котором скоростьпрохождения реакции прямо пропорциональна поверхности контакта твердой и жидкойфаз: медь – серная кислота. Кислород, проходя через слой орошающей жидкости,достигает поверхности меди и вступает с ней во взаимодействие. Поэтому, чембольше площадь соприкосновения меди с кислородом, тем выше скорость реакции.
б)Скорость окисления поверхности меди
Применениегранулированной меди с хорошо развитой поверхностью является одним из важнейшихусловий ускорения процесса растворения меди, так как одновременно всоприкосновение с поверхностью меди приходит большее количество молекул сернойкислоты.
в)Содержание ионов меди в растворе
Присутствиесернокислой меди в кислом растворе ускоряет процесс образования соли медногокупороса. Сернокислая медь, находящаяся в растворе, взаимодействует споверхностью меди и переходит в раствор в виде закисной соли. Закисная сольсоприкасается с кислородом, растворенным в кислоте, и переходит снова в окиснуюсоль. Но по мере увеличения концентрации сернокислой меди начинает ощущатьсянедостаточность кислорода в растворе и растворение замедляется.
г)Температура процесса растворения
Повышениетемпературы раствора действует на процесс растворения меди в двухпротивоположных направлениях.
Содной стороны, с повышением температуры скорость растворения меди возрастает(особенно в интервале от 60 до 75 0С).
Сдругой стороны, с повышением температуры раствора, растворимость кислорода внем уменьшается и примерно при 95 0С кислород почти совсем перестаетрастворяться, уменьшается и скорость окисления и растворения меди. Повышениетемпературы влечет за собой повышенный расход пара. Поэтому температурараствора при растворении меди должна быть от 75 до 95 0С.
д)Кислотность раствора
Присодержании свободной серной кислоты в конечном нейтрализованном растворе менее3 г/дм3 наблюдается интенсивная реакция гидролиза с образованиемнерастворимых комплексных мышьяковистых соединений, и если раствор нефильтровать, то это приведет к повышенному содержанию мышьяка и нерастворимогоосадка в готовом продукте и снижению его качества.
Повышеннаякислотность насыщенного раствора (8 – 12) г/дм3 приводит кувеличению расхода пара, снижению извлечения меди в медный купорос, повышенномуизносу оборудования.
Операциюпроводят в аппаратах растворения двух типов:
– ваппарате растворения периодического действия Ар;
– ваппарате колонного типа – АКТ.
2.2.1Ведение процесса растворения меди
Вколонну (башню) аппарата растворения Ар 1 (Ар 2 – Ар 6) загружаютгранулированную медь. Передаточный растворзакачивают в аппаратрастворения колонного типа Ар 1 (Ар 4, Ар 5, Ар 6) до рабочего уровня (поуровнемеру), в аппарат растворения Ар 2 (Ар 3) – до расчетного.
Затемв аппараты Ар 2 (Ар 3) закачивают промводу из бака Пв 4, кислые растворы избака Пв 3 и, для проведения в аппарате растворения Ар 1 (Ар 4, Ар 5, Ар 6)глубокой нейтрализации, закачивают кислые растворы из бака Р 6.
Расчетныйуровень определяют, исходя из того, что оптимальная начальная концентрациясерной кислоты должна соответствовать (70 – 100) г/ дм3. Исходноесодержание серной кислоты следует определять как сумму произведений объемараствора на содержание серной кислоты на единицу объема (всех видовзакачиваемых растворов).
Растворнагревают паром через регистры до температуры (75 – 95) 0С припостоянном расходе сжатого воздуха для Ар (500 – 800) м3/ч, дляаппарата колонного типа АКТ (150 – 170) м3/ч.
Ведениепроцесса растворения меди в аппарате Ар 2 (Ар 3)
Скоростьпроцесса растворения меди определяется по замерам плотности раствора. К концупроцесса через (8 – 11) часов плотность должна составлять (1380–1440) кг/м3.
Завремя прохождения операции концентрацию свободной серной кислоты снижают спервоначального значения (70 – 100) г/дм3 до (3 – 6) г/дм3.
Скоростьпроцесса растворения регулируют изменением расхода пара и сжатого воздуха,контролируют изменение плотности раствора, и содержание серной кислоты Режимныепараметры процесса растворения меди в аппарате растворения представлены в табл.2.6.
Таблица2.6. Режимные параметры растворения меди в аппарате растворенияНаименование параметра Ед. изм. Норма Периодичность контроля Температура
0С 75 – 95 Каждые 2 ч работы Расход сжатого воздуха
м3 / ч 500 – 800 Каждые 2 ч работы
Концентрация H2SO4 (начальное значение)
г / дм3 70 – 100 Через 30 минут после закачки
Концентрация H2SO4 (конечное значение)
г / дм3 6 – 3 Каждые 2 ч работы Плотность раствора (конечное значение)
кг / м3 1380–1440 Каждые 2 ч работы Продолжительность операции ч 8 – 11
Ведениепроцесса растворения меди в аппарате растворения АКТ
Аппаратрастворения колонного типа работает на растворах двух видов, состоящих из:
- передаточногораствора и промводы купоросного производства;
- растворапосле охлаждения с участка подготовки никелевого отделения, элюата послесорбции растворов никелевого отделения и промводы купоросного производства.
Ваппарате колонного типа можно также проводить глубокую нейтрализацию сизвлечением мышьяка из растворов. Режимные параметры процесса растворения медии глубокой нейтрализации в аппарате колонного типа представлены в табл. 2.7.
Таблица2.7. Режимные параметры процесса растворения меди в аппарате колонного типа
Технологические
параметры
Ед.
изм. Норма Периодичность контроля растворение меди глубокая нейтрализация Температура
0С 80 – 90 80 – 90 Каждые 2 ч работы Расход сжатого воздуха
м3 / ч 100 – 200 100 – 200 Каждые 2 ч работы
Концентрация H2SO4 (начальное значение)
г/дм3 110 – 150 110 – 150 Через 30 мин после закачки
Концентрация H2SO4 (конечное значение)
г/дм3 6 – 3 0 тсутствие Каждый 2 ч работы Плотность раствора
кг/м3 1330–1390 1320–1360 Каждые 2 ч работы Время процесса гидролиза ч - 0,5 – 1,5 Каждую операцию
Придостижении конечного значения содержания серной кислоты
(6– 3) г/дм3 раствор направляют на выпарную вакуум-кристаллизацию.
Приведении глубокой нейтрализации протекает процесс гидролиза с образованием нерастворимыхкомплексных соединений (арсенатов) меди и мышьяка. При достижении конечныхзначений параметров раствор сливают в бак О2.
2.2.2Отстой раствора
Полученныйнасыщенный раствор сернокислой меди содержание остаточной серной кислоты (6 – 3)г/ дм3 сливают в бак-отстойник О 1 и, после отстоя в течение 40 минперепускают в бак исходного раствора И 1, а шлам смывают конденсатом вбак-отстойник О 4. Раствор, полученный в результате глубокой нейтрализации,сливают в бак-отстойник О 2.
2.2.3 Фильтрация суспензиипосле глубокой нейтрализации
Процесс разделениясуспензии, полученной в результате глубокой нейтрализации, с целью отделенияраствора от кека медно-мышьякового и нерастворимых примесей производят нарамном фильтр-прессе Фп 3 (Фп 4).
В основе фильтрации лежитпринцип разделения неоднородных сред при помощи пористой перегородки,пропускающей жидкость (фильтрат) и задерживающей взвешенные в ней частицы.
Подачусуспензии на фильтрацию производят насосом из бака О 2. Отфильтрованный растворнаправляют в бак исходного раствора И 2, а кек, после выгрузки фильтр-пресса,на производство антисептика «Ултан».
2.2.4Выпарная вакуум-кристаллизация медного купороса
Процессвыпарной вакуум-кристаллизации организован в три стадии. На первых двух стадияхпроизводят медный купорос продукционный, на третьей стадии ведут кристаллизациюмедного купороса с целью извлечения его из маточных растворов после второйстадии (для возврата в начало процесса вакуум – кристаллизации). Маточныйраствор после третьей кристаллизации, содержащий значитель-ное количествоникеля, направляют на участок подготовки растворов никелевого отделения.
Исходный раствор из напорного бака непрерывносамотеком подают в нижнюю часть вакуум-кристаллизатора, где он смешивается сциркулирующей суспензией. Под действием напора, создаваемого циркуляционнымнасосом перегретый маточный раствор, поступающий из греющей камеры, вытекая изсопла струйного насоса с большой скоростью, подсасывает суспензию, циркулирующуюв аппарате. Поступающий исходный раствор и образовавшаяся смесь поднимается поцентральной циркуляционной трубе вверх и на выходе из нее вскипает, вследствиеналичия разряжения в сепараторе вакуум-кристал-лизатора (1,5 – 1,9) кПа.
При кипении раствор теряет тепло перегрева иохлаждается до равновесной температуры кипения раствора при данном остаточномдавлении. В результате охлаждения, а также за счет испарения при кипении частирастворителя в растворе создается пересыщение и происходит выделение зародышейкристаллической соли медного купороса и рост кристаллов на зародышах, которыепоступили ранее из центральной циркуляционной трубы в зону кипения.
Образовавшиеся кристаллы в виде продукционнойсуспензии частично выводят из вакуум-кристаллизатора.
Настройка, вывод ВВК на технологический режим иконтроль режимных параметров в процессе работы производят с помощьюконтрольно-измерительных приборов и средств автоматизации.
Факторы, влияющие на процессвакуум-кристаллизации
а) Температура.
Повышение температуры пересыщенного раствораувеличивает скорость образования кристаллических зародышей как следствиеуменьшения их критического размера, а также и за счет уменьшения гидратацииионов, что облегчает объединение их в зародыши. С повышением температурыснижается поверхностное натяжение между раствором и образующимся зародышем иоблегчается работа по его образованию.
б) Растворимые примеси.
Примеси, присутствующие в растворе, оказываютразличное влияние на скорость образования центров кристаллизации, одни из нихзначительно сокращают индукционный период кристаллизации и резко повышаютскорость, другие действуют как поверхностно-активные вещества адсорбируются наповерхности микрозародышей и повышают устойчивость пересыщенных растворов.
Для поддержания циркуляции суспензии в корпусевакуум-кристаллиза-тора при внезапном отключении циркуляционного насоса или принарушении ее по другим причинам предусмотрена подача атмосферного воздуха вцентральную трубу для создания эффекта аэролифта, а также подача пара в зонуструйного насоса.
Конденсат греющего пара подается на промывкусмотровых окон вакуум-кристаллизатора, и в нижнюю часть корпуса для растворениякристаллов при нарушении циркуляции.
Выпарнаявакуум-кристаллизация I стадии
ИзбакаИ 1 (И 2) исходный раствор закачивают в напорный бак
Нб2–2 (3–2), и подают в вакуум-выпарной кристаллизатор (ВВК) 2–2 (3–2) дорабочего уровня (контроль по смотровому стеклу) при постоянной циркуля-ции.Нагрев раствора проводят паром в греющей камере Гк 2–2 (3–2) до температуры (40– 58) оС.
Вакуумнаясистема, состоит из пароэжекторного блока ПЭБ 2–2 (3–2), вакуумного насоса 223(224, 235) и поверхностного конденсатора Пк 2–2 (3–2).ВВВКподдерживаетсяразрежение не менее (0,92 – 0,98) кПа.
Впроцессе выпарной вакуум – кристаллизации получают кристаллы медного купороса,часть которых, при достижении концентрации (17 – 27)%, выводят из аппарата ввиде продукционной суспензии.
Отводпродукционной суспензии из вакуум-кристаллизатора можно осуществлять непрерывнодвумя способами. Основным способом является отвод продукционной суспензии с доннойчасти аппарата. Суспензию направляют в бак – мешалку Бм 2–2 (3–2)иперекачивают в пульпосборник Пс 1 (4).
Выпарнаявакуум-кристаллизация II стадии
ИзбакаМ 1 (М 2) исходный раствор закачивают в напорный бак
Нб2 – 1 (3 – 1), откуда его подают в корпус выпарного вакуум-кристаллизатора ВВК2 – 1 (3 – 1) до рабочего уровня (контроль по смотровому стеклу).
Нагревраствора проводят паром в греющей камере Гк 2 – 1 (3 – 1) до температуры (42 – 58)оС.
Вакуумнаясистема, состоит из пароэжекторного блока ПЭБ 2 – 1 (3 – 1), вакуумного насоса226 (227, 228) и поверхностного конденсатора
Пк2 – 1 (3 – 1). В ВВКподдерживается разрежение не менее (0,92 – 0,98)кПа.
Впроцессе выпарной вакуум – кристаллизации получают кристаллы медного купороса,часть которых, при достижении концентрации (15 – 25)%, выводят из аппарата ввиде продукционной суспензии в бак-мешалку
Бм2 – 1 (3–1)и перекачивают в пульпосборник Пс 2 (4).
2.2.4.4.Выпарная вакуум-кристаллизация III стадии
Даннаястадия предназначена для доизвлечения меди из маточных растворов второй стадиив виде некондиционного медного купороса.
Исходныйраствор из бака М 3 закачивают в напорный бак Нб 1 – 4 третьей стадии выпарнойвакуум-кристаллизации и подают в корпус ВВК 1 – 4 до рабочего уровня (контрольпо смотровому стеклу).
Нагревраствора проводят паром в греющей камере Гк 1 – 4 до температуры (46–60) оС.
Вакуумнаясистема состоит из пароэжекторного блока ПЭБ 1 – 4, вакуумного насоса 2 (86) иповерхностного конденсатора Пк 1 – 4.
ВВВК поддерживается разрежение не менее (0,92 – 0,98) кПа. Суспензию изаппарата, при достижении концентрации кристаллов (15 – 25)%, сливают в бак – мешалкуБм 1 – 4 и закачивают в механические кристаллизаторы Мк 1, Мк 2 для сборасуспензии.
Определениеобъемной концентрации кристаллов в продукционной суспензии производят поутвержденной методике. Параметры процесса выпарной вакуум-кристаллизации указаныв табл. 2.8.
Таблица2.8. Параметры настройки процесса выпарной вакуум-кристаллизацииНаименование параметров Ед. изм. Параметры настройки и вывода ВВК на технологический режим I стадия II стадия III стадия Объемный расход воды на ПК
м3/ч
200–300 настройка по t0C в ВВК
200–300 настройка по t0C в ВВК
200–300 настройка по t0C в ВВК Температура охлаждающей воды на входе в ПК и ПЭБ
0С 15–25 15–25 15–25 Температура охлаждающей воды на выходе из ПК и ПЭБ
0С 19–30 19–30 19–30 Объемный расход оборотной воды на ПЭБ
м3/ч
настройка по t0C в ВВК
настройка по t0C в ВВК
настройка по t0C в ВВК Расход пара на ГК кг/ч 800 – 3000 800 – 3000 800 – 2000 Разрежение кПа 0,82 – 0,98 0,82 – 0,98 0,82 – 0,98
Таблица 2.9. Режимные параметры выпарнойвакуум кристаллизацииНаименование параметров Ед. изм. Режимные параметры Периодичность контроля I стадия II стадия III стадия Объемный расход исходного раствора
м3/ч 9 – 15 6 – 12 4 – 8 Ежечасно Плотность исходного раствора
кг/м3 1320–1440 1300–1360 1360–1420 При каждой закачке Температура в нижней части ВВК до греющей камеры
0 С 36 – 48 40 – 48 40 – 50 Ежечас-но Температура в нижней части ВВК после греющей камеры
0 С 40 – 58 42 – 58 46 – 60 Ежечас-но Разность температур (перегрев)
0 С 4 – 10 4 – 10 6 – 10 Ежечас-но Объемная концентрация кристаллов в продукционной суспензии % 17 – 27 15 – 25 15 – 25 Ежечас-но Плотность маточного раствора
кг/м3 1300–1360 1360–1420 1460–1540 Ежечас-но
2.2.5Разделениесуспензий медного купороса
Процесс разделениясуспензии – отделение кристаллов медного купороса от маточного раствора ипромывку кристаллов производят на центрифугах, в основе которых лежит принципфильтрации под действием центробежных сил.
Разделение суспензиимедного купороса первой стадии
Разделение суспензиимедного купороса проводят на центрифуге Цф 1 (Цф 5) для отделения и отмывкикристаллов медного купороса от маточного раствора конденсатом, с предварительнымсгущением на турбоциклоне Тц 1 (Тц 5).
Маточный раствор сливаютв бак маточного раствора М 1 (М 2). В зависимости от требований технологии,маточный раствор частично направляют в бак исходного раствора И 2 длядополнительной выпарки. Кристаллы медного купороса из центрифуги шнеком иковшовым элеватором подают на операцию сушки в сушильный барабан Сб 1 (Сб 3).
Разделениесуспензии медного купороса второй стадии кристаллизации проводят на центрифугеЦф 2 (Цф 5) для отделения и отмывки конденсатом кристаллов медного купороса отматочного раствора, с предварительным сгущением на турбоциклоне Тц 2 (Тц 5).Маточный раствор сливают в бак маточного раствора М 3 или направляют в бак О5на операцию фильтрации.
Маточныйраствор можно частично направлять в бак маточного раствора М 1 (М 2) длядополнительной выпарки растворов. Для уменьшения количества примесей,попадающих с маточным раствором, кристаллы направляют в бак-мешалку надополнительную отмывку. Отмывку производят конденсатом и осветленным маточнымраствором с турбоциклона первой стадии Тц 1 – 2 (Тц 5 – 2).
Отмытыйкупорос с раствором подают через Тц 1 – 2 (Тц 5 – 2) в центрифугу Цф 1 (Цф 5)первой стадии. Кристаллы медного купороса из центрифуги подают шнеком иковшовым элеватором на операцию сушки в сушильный барабан Сб 2 (Сб 3).
Сцелью отделения маточного раствора второй стадии кристаллизации отнерастворимых примесей дополнительно проводят фильтрацию раствора на рамномфильтр – прессе ФП 1 (ФП 2). Отфильтрованный раствор направляют в бак маточногораствора М 3, а кек после выгрузки фильтр-пресса – на площадку хранениямедьсодержащих отходов.
Разделениесуспензии медного купороса третьей стадии кристаллизации проводят на центрифугеЦф 3 (Цф 4) для отделения кристаллов медного купороса от маточного раствора, спредварительным сгущением на турбоциклоне Тц 3. Осветленный раствор, послесгущения на турбоциклоне, и маточный раствор, после разделения на центрифуге, сливаютв агитатор Аг 1, где осаждают шлам и выносимый из центрифуги мелкодисперсныйкупорос.
Послеотстоя в баке О 3 осветленную часть направляют через пульпосборник Пс 3 наоперацию фильтрации на рамный фильтр-пресс ФП 1 (ФП 2). Отфильтрованный растворнаправляют в бак М 4 для дальнейшей переработки в производстве никелясернокислого, а медьсодержащие отходы, после выгрузки фильтр-пресса – наплощадку хранения медьсодержащих отхо-дов. Осевший в агитаторе Аг 1 купоросрастворяют конденсатом. Кристаллы медного купороса из центрифуги подают вагитатор Аг 2.
2.2.6Растворение некондиционного медного купороса
Растворениепроводят конденсатом в агитаторе Аг 2 при постоянном перемешивании и нагревепаром через рубашку агитатора. Полученный раствор медного купороса подвергаютфильтрации на ФП 1 (ФП 2) и направляют в бак И 1 (И 2, О 2) для повторного извлечениямеди.
2.2.7Образование и использование растворов и промывной воды
Промывные растворы,образующиеся после промывки и растворения купороса, пропарки и промывкиоборудования, полов и площадок через зумпфы собирают в баки Пв 1, Пв 2, Пв 4,Пв 5 и расходуют на технологические нужды (растворение медных гранул и некондиционногомедного купороса).
Вбак Пв 3 принимают растворы с участка производства антисептика и расходуют также в процессе растворения медных гранул.
2.2.8 Сушка кристалловмедного купороса
После отделения ипромывки кристаллов первой и второй стадии кристаллизации купорос содержит ещезначительное количество свободной влаги, которую требуется удалить, дляпридания готовому продукту свойств, соответствующих требованиям ГОСТ 19347–99[6]. Сушку кристаллов медного купороса проводят горячим воздухом в сушильномбарабане Сб 1 (2, 3). Горячий воздух подают в сушильный барабан нагнетающимвентилятором. Подогрев воздуха в калорифере ведут насыщенным паром.
Нагретый в калорифере дотемпературы 130 0С воздух, проходит противотоком через барабан и,через отводящий короб передается в систему вентиляции. Температуру воздуха навыходе из сушильного барабана поддерживают не более 60 0С. Режимныепараметры процесса сушки медного купороса приведены в табл. 2.10.
Запыленный воздух послесушильного барабана поступает на установку очистки газа, где вытяжнымвентилятором протягивается через циклон и скруббер мокрого пылеулавливания.Очищенный от пыли медного купороса воздух выбрасывается в атмосферу.
Просушенныекристаллы медного купороса ссыпают в бункер-накопитель готового продукта,откуда купорос поступает на автоматическую линию упаковки и пакетирования илина узел затаривания готового продукта.Таблица 2.10. Режимные параметры процесса сушки медного купоросаНаименование параметра Ед. изм. Норма Периодичность контроля Температура на входе в сушильный барабан, не более
0 С 130 Ежечасно Температура на выходе из сушильного барабана, не более
0 С 60 Ежечасно
2.2.9 Описание процессаполучения мелкодисперсного купороса
Для получениямелкодисперсного купороса по ТУ 2141–368–100–97 [7] необходимо отделить отобщей массы купороса мелкую фракцию кристаллов.
Разделение кристалловпроводят на двуситовой сортировке. При этом крупную фракцию подают на узел затариванияУз 2, а мелкодисперсную фракцию после смешивания с антислеживателем подают наузел затаривания Уз 1. Антислеживатель дозируется в пределах от 0,5 до 1 %в поток продукта шнеком с электроприводом, на котором опытным путем подобранаскорость вращения, обеспечивающая требуемое соотношение.
2.2.10Упаковка, пакетирование и транспортировка медного купороса
Упаковку ипакетирование готового продукта производят на оборудовании двух типов.
Линияупаковки и пакетирования АЛУПМК, состоящая из комплекса машин и механизмов,работает в автоматическом режиме, где упаковку производят в полиэтиленовые илибумажные с полиэтиленовым вкладышем мешки.
Упаковку купороса вмягкий контейнер типа «Big-Bag» производят с применением траверсы и специальнооборудованного шнеком и течкой, узла затаривания Уз 1 (Уз 3).
Укладку мешков,пакетирование производят по ГОСТ 19347–99 [6], маркировку готового пакетапроизводят контролеры ОТК по ГОСТ 19347–99 [6].
Готовые пакеты взвешивают, устанавливают навагонетку и отправляют на склад готовой продукции.
Полученныймедный купорос должен соответствовать ГОСТ 19347–99 [6], а медный купоросмелкодисперсный – ТУ 2141–368–100–97 [7].
Приполучении продукции с отклонением от требуемого химического состава проводятпереработку несоответствующей продукции, при отклонении от нормируемого весаили нарушении упаковки проводят повторную упаковку продукции.
3.Аппаратурное оформление технологического процесса
3.1 Описаниеосновного оборудования
а)Фильтр-пресс ЧМ.
Фильтрованиес образованием осадков, обладающих высоким гидравлическим сопротивлением,эффективная экономическая промывка отфильтрованного осадка непосредственно нафильтре, получение осадков с пониженной влажностью, обработка больших потоковжидкостей – все перечисленные задачи наиболее рационально решать с применениемфильтр-пресса.
Фильтр-прессЧМ 140 оснащен полипропиленовыми плитами. Это могут быть обычные камерныеплиты, а также смешанные пакеты, состоящие из чередующихся камерных имембранных (содержащих отжимные мембраны) плит. Максимальная рабочаятемпература суспензии может достигать 900С.
Фильтр-прессЧМ представляет собой набор фильтровальных плит, размещенный между переднейстойкой фильтр-пресса и его нажимной плитой. Механизм зажима плит монтируется взадней стойке фильтр-пресса, а также оснащен гидроцилиндром для создания рабочегоусилия сжатия плит, но в обоснованных случаях возможно использование электромеханическогозажима плит. Данный фильтр-пресс с боковой подвеской, фильтровальные плитыимеют по бокам специальные кронштейны-ручки, которые выполняют сразу двефункции: с их помощью плиты опираются на продольные стяжки, и они же служатрабочими органами для механизма перемещения плит.
Длявыполнения механизма выгрузки достаточно легко отделяющегося от фильтровальнойткани осадка, применяется блочный способ раздвижки плит. Все фильтрующие плитыделятся на два и более пакетов, и механизм выгрузки осадка поочереднораздвигает первый и последующие пакеты, при этом отфильтрованный осадок подсвоим весом падает на транспортер для его удаления.
Во избежаниеобливов персонала и оборудования при аварийных разгерметизациях, плитыфильтр-пресса ЧМ оснащены поворотными панелями-шторками. Шторки автоматическиперекрывают стыки между плитами при их сжатии и открывают зазоры между плитами приих раздвижке для выгрузки осадка.
Дляподдержания фильтрующих салфеток в рабочем состоянии и продления срока ихслужбы фильтр-пресс комплектуется автоматическим устройством для регенерацииткани без ее демонтажа.
Устройствосодержит горизонтальную трубу с соплами специальной конструкции, через которыеподается вода под высоким давлением для смыва с ткани загрязнений. При блочнойсистеме разгрузки поочередно выполняется регенерация каждого раскрытого пакетаплит.
Данныйфильтр-пресс выбран в связи с тем, что имеет следующие преимущества:
– высокаяпроизводительность фильтр-пресса за счет фильтрования под давлением 16 атм.;
– оснащенэффективным механизмом выгрузки осадка, позволяющим сократить время этойоперации более чем в три раза;
– максимальновозможный срок службы фильтровальных салфеток за счет высокоэффективногоустройства для регенерации фильтровальной ткани без демонтажа ее сфильтр-пресса при незначительном расходе воды;
– сравнительнос фильтрами других конструкций фильтр-прессы ЧМ характеризуются в 8…12 разменьшим расходом электроэнергии;
– минимальныйрасход промывных жидкостей за счет увеличения эффективности промывок при ихравномерном прохождении через всю толщину осадка и отжима осадка мембранами;
– полипропиленовыефильтровальные плиты устойчивы во всех коррозионоактив-ных жидкостях;
– отжимныемембраны позволяют отпрессовать осадок и получить его с минимальной влажностью,что значительно снижает энергозатраты на сушку осадка;
— шторызащищают обслуживающий персонал и производственные помещения при аварийных инештатных разгерметизациях фильтр-прессов;
– наборосадка на полную толщину камеры, устранение размывов осадка за счет егоподжатия мембранами;
– сравнительнонебольшой вес и габариты;
– приобслуживании не возникает потребности в высококвалифицированном технологическоми ремонтном персанале.
б) Сушилка
Послеотделения от маточного раствора и промывки кристаллы медного купороса содержатсвободную влагу, которую удаляют для придания готовому продукту свойствсоответствующих требованиям стандарта. Для этого предприятие применяет сушилкубарабанную, вращающуюся, непрерывного действия. Диаметр сушилки составляет 1200 мм,длина 8 м. Она оснащена приемным бункером, вентилятором типа Ц4–70,калорифером КСК 4–10, шнеком с приводом, ковшевым элеватором ЭЛМ‑160.
Для сушкикристаллов применяют конвекционную сушку, в качестве теплоносителя используютгорячий воздух, используя принцип противотока. Нагнетающий вентилятор подаетвоздух для нагрева в паровой калорифер, затем в сушильный барабан.
Поддерживаюти регулируют заданную температуру с помощью вентилей на подаче пара вкалорифер. Внутри наклонного вращающегося барабана установлены продольные полкии при вращении барабана готовый продукт пересыпается с них, попадает в горячийвоздушный поток, сушится и ссыпается в приемный бункер узла упаковки ипакетирования медного купороса.
Воздух,запыленный мелкими частицами, из сушильного барабана с помощью вытяжноговентилятора протягивают через циклон, где оседает большая часть мелкодисперсныхчастиц, затем через установку очистки газа очищенный от пыли воздух выбрасываютв атмосферу. Собранную в конвейр под циклоном пыль готового продуктапериодически растворяют и направляют в технологический процесс. Данный аппаратвыбран в связи с тем, что высушиваемый медный купорос является сыпучим.Благодаря наклону и врашению барабана материал непрерывно перемещается внутринего, минимально измельчается и имеет хороший контакт с рабочими газами. Даннаясушилка может работать не только на смеси топочных газов и воздуха, но также ина нагретом воздухе.
в) Центрифуга
Центрифугиданного типа ½ ФГП‑801 К, горизонтальная, пульсирующая, фильтрующая,непрерывного действия, производительностью по осадку 10 т/ч, предназначена длянепрерывного разделения суспензий, содержащих твердую фазу в виде крупно исредне измельченных кристаллов.
Конструктивнойособенностью центрифуг типа ФГП является консольное расположение ротора спульсирующим толкателем.
Центрифугапредставляет собой фильтрующую машину непрерывного действия с двухкаскаднымротором. Ротор состоит из двух дырчатых обечаек сварной конструкции с днищем, вкоторых укреплены щелевидные колосниковые сита. Внутри ротора укрепленыприемный и защитный конуса. Внутрь ротора подведена питающая труба,закрепленная на кожухе. На приемном конусе установлено уравнительное кольцо,служащее для формирования слоя осадка, на защитном – съемное кольцо, служащеедля перемещения осадка вдоль ротора.
Возвратно-поступательноедвижение толкателя осуществляется от гидравли-ческого цилиндра, поршень которогоприводится в движение путем подвода под давлением масла из маслосистемы.
Суспензия попитающей трубе поступает в пространство между питающим и защитным конусами,раскручивается и центробежной силой отбрасывается, равномерно распределяясь наситах Iкаскада. Жидкая фаза суспензии проходит через сита в кожух, а твердая накапливаетсяна ситах.
При движениитолкателя с обечайкой и ситами I каскада в сторону станины осадок наталкивается нанеподвижное съемное кольцо и останавливается, а очищенные сита уходят подкольцо. При движении толкателя от станицы осадок перемещается вместе с ситами,а на очищенные сита поступает новая порция суспензии.
За несколькоходов осадок продвигается по всей длине I каскада ротора и пересыпаетсяна сита II каскада.
При движениитолкателя от станины прижимное кольцо сит I каскада наталкивается наосадок на ситах II каскада и перемещает его вдоль ротора к выгрузочному бункеру. Придвижении толкателя к станице осадок пересыпается с первого каскада на второй.
Приперемещении осадка вдоль ротора вначале происходитосновной отжим жидкой фазы,затем просушка, в случае необходимости – промывка осадка и окончательная просушкаосадка.
В случаенеобходимости промывки осадка в ротор вводится труба промывки с форсункой.Положение трубы регулируется в процессе пуско-наладочных работ. Влажностьосадка регулируется количеством пульсов толкателя.
3.2 Расчетаппарата растворения колонного типа [9]
Аппарат длярастворения металлической меди в сернокислых растворах является нестандартнымоборудованием.
Рассмотримизвестные из уровня техники решения, касающиеся устройств аппаратов длярастворения.
Известнаконструкция натравочной башни (Вассерман И.М. Производство минеральныхсолей. Л.: Госхимиздат, 1962, с. 167 – 169), содержащая корпус, турбинкудля орошения, инжектор, патрубок для выпуска раствора, ложное днище.
Недостаткомэтой конструкции является низкая производительность, отсутствие возможностииспользования порошкообразных материалов, низкий коэффициент использованиякислорода воздуха, как следствие, высокий удельный расход энергоносителей приэксплуатации (пар, воздух), большой выход непрореагированного твердого осадка.
Наиболееблизким изобретением по технической сущности и достигаемому результату являетсяустройство для растворения твердых и жидких частиц (Патент РФ № 2048870,МПК6 В 01 F 1/100), которое принято в качестве прототипа. Устройствопредставляет собой корпус, днище которого выполнено в виде конусообразнойвинтовой поверхности с вершиной по оси корпуса, снабженный каплеуловителем,расположенным под крышкой корпуса и выполненным из жалюзи переменного диаметра,улиткой, размещенной над корпусом, при этом патрубок подачи газа расположен наверхнем срезе днища, подача газовоздушной смеси и ее удаление осуществляетсяодним вентилятором.
Однако и этоизвестное техническое решение не может быть использовано для осушествленияпоставленной задачи – интенсификации процесса, снижения эксплуатационныхзатрат, повышения извлечения металла в раствор и готовую продукцию, автоматизациитехнологического процесса.
Недостаткиданного устройства:
– невозможностьрастворения твердого гранулированного материала;
– отсутствиеподогрева раствора;
– невозможностьподдержания определенной температуры процесса;
– малыйобъем реакционной зоны;
– низкаяпроизводительность.
Анализописанных выше аналога и прототипа выявил, что ни в одном из них не достигаетсяжелаемый результат – создание устройства, позволяющего интенсифицироватьпроцесс растворения металлической меди, снизить эксплуатационные затраты,повысить извлечение металла в раствор и готовую продукцию.
В дипломномпроекте предлагаю ввести разработанную и запатентованную конструкцию аппаратадля растворения металлической меди в сернокислых растворах с достижениемуказанного технического результата [9].
Предлагаемыйаппарат, как и конструкция-прототип, содержит цилиндрический корпус, выноснуюциркуляционную трубу, патрубки ввода и вывода раствора.
Устройствоаппарата для растворения металлической меди отличается от устройства –прототипа тем, что оно снабжено в нижней части корпуса камерой смешенияциркулирующего раствора со сжатым воздухом, определенной от реакционной зоныперфорированной перегородкой; реакционной зоной, соединенной через коническуюцаргу с пеногасителем, который имеет отстойную зону, образованнуюцилиндрическим защитным экраном и корпусом аппарата, газоотводящие трубки идиаметрально расположенные для отвода осветленного раствора сливные патрубки,входящие через сливной коллектор в циркуляционную трубу.
Аппаратколонного типа предназначен для получения насыщенного раствора сернокислоймеди. Процесс получения насыщенного раствора заключается в нейтрализациисвободной серной кислоты, содержащейся в отработанных электролитах.Нейтрализация идет при многократном прохождении по нейтрализационной колоннеподогретого электролита смешанного с воздухом через толщу медных гранул снизувверх. При этом происходит растворение медных гранул и насыщение растворасернокислой медью.
Аппаратколонного типа изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и представляет собойколонну (верхняя часть – диаметр 2380 мм, высота 3000 мм, нижняячасть – диаметр 1280 мм, высота 4300 мм, соединенные коническойобечайкой). Рабочий объем – 12 м3.
В составустановки входят: нетрализационная колонна и циркуляционная система.
Техническаяхарактеристика.
– Концентрациясерной кислоты в электролитах:
начальная 140– 160г/л
конечная 3 – 6г/л
– Скоростьциркуляции 25 – 30 нм3/час;
– Расходсжатого воздуха 150 – 170 нм3/час;
– Рабочаяемкость нейтрализационной колонны 12м3;
— Количествозагружаемых медных гранул (максимум) 10,2т (ρ=1,7 т/м3);
– Количествоисходного раствора 11т (ρ=1,2т/м3);
– Веснейтрализационной колонны в рабочем режиме 25,7 т;
– Мощностьпривода насоса циркуляционной системы 4 кВт;
– Материалосновных элементов установки. 12Х18Н10Т
Общий видустройства показан на рис. 3.
Аппаратсостоит из цилиндрического вертикального корпуса 1 в нижней части которогорасположена камера смешения 2 сжатого воздуха с циркулирующим раствором. Подачасжатого воздуха осуществляется через патрубок 3 соосно потоку циркулирующегораствора и через патрубок 4 под перфорированную перегородку 5, отделяющуюкамеру смешения от реакционной зоны 6, которая через коническую царгуподсоединена к пеногасителю 7. Пеногаситель представляет собой расширеннуюцилиндрическую часть аппарата, соотношение диаметра которого к диаметруреакционной зоны составляет (2,94 – 2,98): 1. В пеногасителе расположентеплообменник в виде змеевика для подогрева раствора и обеспечения оптимальнойтемпературы процесса с вводом пара через патрубок 11 и выводом конденсата черезпатрубок 26. В этой же части аппарата расположены: отстойная зона 9,образованная цилиндрическим защитным экраном 10 и корпусом аппарата 1;газоотводящие патрубки 12; для отвода осветленного раствора – диаметральнорасположенные сливные патрубки 13, входящие через сливной коллектор 14 вциркуляционную трубу 15.
Описанноевыше устройство работает следующим образом.
Медь в видегранул или порошка загружают через верхний загрузочный люк 16, затем аппаратзаполняют сернокислым раствором до рабочего уровня через патрубок 17. В подогреватель– змеевик 8 подается пар для обеспечения заданной температуры процесса растворения.Через патрубки 3, 4 подается сжатый воздух. Запускается циркуляционный насос 18для создания циркуляции раствора через слой твердого растворяемого вещества.Рабочая жидкость подается в донную часть аппарата 25 циркуляционным насосом 18через вентили 21, 22, 24 либо, минуя насос, через вентиль 23. Затем поступает вкамеру смешения 2 со сжатым воздухом и за счет подъемной силы сжатого воздухавыбрасывается в реакционную зону 6, где идет основная реакция твердофазноговзаимодействия – газ – жидкость – твердое. Далее раствор поднимается врасширенную часть колонны – пеногаситель 7, где гасится образующаяся наповерхности раствора пена. Попадая в отстойную зону 9, раствор осветляется оттвердых частиц и через сливной патрубок 13 и сливной коллектор 14 поступает вциркуляционную трубу 15.
По истеченииопределенного времени, готовый раствор анализируют и выдают из системыциркуляции через ловушку 19 и вентиль 20 на дальнейшую переработку.
В нижнейчасти имеется люк для чистки аппарата и осмотра элементов опорной решетки.
Оборудованиеустановки обвязано технологическими трубопроводами, подающими и отводящимираствор, пар, конденсат, сжатый воздух. Установка оснащена запорнойрегулирующей арматурой, приборами КИП и А.
Предлагаемаяконструкция аппарата позволяет использовать для растворения медь как в видегранул, так и в виде порошка; увеличить скорость процесса по сравнению спрототипом в 6 – 10 раз за счет повышения коэффициента использования воздуха с30 до 70 %, снизить расход сжатого воздуха в 3 раза, пара – в 2 раза,повысить извлечение меди в готовую продукцию и ее качество [9].
3.2.1Определение размеров аппарата [10]
Диаметрверхней части колонны совпадает с диаметром оксидизера и равен 2380 мм.Размеры царг определяются размерами листа дорогостоящей стали 2000/>1000. Высота нижнейчасти колонны определяется количеством медных гранул, необходимых для проведенияпроцесса растворения.
/>,(1)
где V – объем занимаемыймедными гранулами, м3;
F – площадь поперечногосечения обечайки, м2.
/>, (2)
где d =1,268 – внутреннийдиаметр обечайки;
π =3,14.
/>, (3)
где m=13330 – масса медныхгранул, кг;
/>=4540 – удельныйвес медных гранул, кг/м3
Тогда поформулам (3) и (1):
/>,
/>.
Принимаем высотунижней части аппарата 3 м, с учетом увеличения объема медных гранул припрохождении раствора вверх исходящим потоком.
Далеепроизведем расчет толщины стенки корпуса.
Корпусаппарата сварной. Верхняя часть колонны состоит из 3 царг цилиндрической формы(наружный диаметр 2380 мм, толшина стенки 6 мм) и одной коническойформы.
Нижняя частьколонны состоит из 4 цилиндрических царг, внутренний диаметр которых 1268 мм.В местах крепления опор и решетки, для увеличения жесткости царги с толщинойстенки 8 мм, а остальные с толщиной стенки 6 мм.
Рассчитаемтолщину стенки нижней обечайки:
/>, (4)
где Sp- расчетная толщинастенки, м;
с – прибавкак расчетной величине стенки.
/>, (5)
где С1– прибавка для компенсации коррозии;
С2и С1 – технологическая прибавка.
/>, (6)
где Р – внутреннеедавление, Па;
D = 1268 – внутреннийдиаметр обечайки, мм;
/> = 174 – допускаемоенапряжение для материала корпуса аппарата
12Х18Н10Т,МПа [10];
/>= 0,9 – коэффициент прочностисварных швов [10].
Аппаратнаходится под давлением столба жидкости и медных гранул.
Давлениестолба жидкости [11]:
/>, (7)
где Н = 6,75– высота уровня раствора, м;
ρ = 1400– плотность исходного раствора кг/м3;
g = 9,81 – ускорениесвободного падения м/с2.
Р1= 6,75 ∙ 1400 ∙ 9,81 = 92704,5 Па = 92,70 кПа.
Давление на 1 см2от медных гранул:
Н = 5,2 –высота слоя медных гранул, м;
ρ = 1700– плотность медных гранул кг/м3.
Р2= 5,2 ∙ 1700 ∙ 9,81 = 86720,4 Па = 86,72 кПа.
Суммарноедавление на стенки обечайки:
Р = 92704,5 +86720,4 = 179424,9 Па = 179,42 кПа.
Расчетнуютолщину стенки найдем по формуле (6):
/>= 0,3 мм.
Произведемрасчет объемов различных частей аппарата колонного типа.
Объемцилиндрической части башни (закачка раствора на высоту 1,8 м от крышкиаппарата, что соответствует линии сливной трубы):
V1 = h ∙ π ∙ d2/4, (8)
где h = 2,8 – 1,8 = 1,0 м= 100 мм,
V1 = 1,0 ∙ 3,14 ∙2,3682/4 = 4,402 м3.
Рассчитаемобъем усеченного конуса башни
V2 =π ∙ h/3 ∙ (r12 + r1 ∙ r2 + r22), (9)
V2 = 3,14 ∙ 0,55/3 ∙(0,6342 + 0,634 ∙ 1,184 + 1,1842) = 1,470 м3.
Определимобъем колонны для загрузки гранул
V3 = h ∙ π ∙ d2/4, (10)
V3 = 4,8 ∙ 3,14 ∙1,2682/4 = 6,058 м3.
По формуле(9) рассчитаем объем усеченного конуса колонны
V4 = 3,14 ∙ 0,48/3 ∙(0,152 + 0,15 ∙ 0,634 + 0,6342) = 0,261 м3.
По формуле(10) найдем объем цилиндрической части колонны
V5 = 0,10 ∙ 3,14 ∙0,2612/4 = 0,005 м3.
Рассчитаемобъем цилиндрической части сепаратора по формуле (10)
V6 = 0,048 ∙ 3,14 ∙0,2612/4 = 0,002 м3.
Объемусеченного конуса сепаратора найдем, подставив данные в формулу (9)
V7 = 3,14 ∙ 0,159/3 ∙(0,132 + 0,13 ∙ 0,625 + 0,6252) = 0,081 м3.
Объем отводакрутоизогнутого рассчитаем, подставив данные в формулу (10)
V8 = 0,39 ∙ 3,14 ∙0,1252/4 = 0,0048 м3.
Аналогичнонайдем объем патрубка
V9 = 1,9 ∙ 3,14 ∙0,1252/4 = 0,023 м3.
Объем вертикальнойчасти циркуляционной трубы равен
V10 = 6,45 ∙ 3,14 ∙0,1252/4 = 0,079 м3.
Объемсливного коллектора равен 0,07 м3, тогда суммарный объемциркуляционной системы равен
V∑ = V6 + V7 + V8 ∙ 2 + V9 + V10 + V11,
V∑ = 0,002 + 0,081 + 0,0048 ∙2 + 0,023 + 0,079 + 0,07 = 0,2646 м3.
Расширениеверхней части вертикального участка циркуляционной трубы учли в виде 5 %от суммарного объема циркуляционной системы, с учетом этого имеем
V∑ = 0,2646 ∙ 0,05 +0,2646 = 0,278 м3.
3.3Описание и расчет вакуум-выпарного кристаллизатора
Выделениемедного купороса из медеэлектролитных растворов предусматривается в три стадиивыпарной кристаллизации. Это один из основных процессов производства медногокупороса на предприятии ОАО «Уралэлектромедь».
Отработанный электролитзавода «Уралэлектромедь» содержит повышенное количество примесей NiSO4,FeSO4, As2O3, ZnSO4, CaSO4и др. Выведенный из электролитных ванн передаточный электролит направляют на нейтрализациюсвободной серной кислоты черновой медью с последующей трехстадийной упаркойраствора и кристаллизацией медного купороса.
На рядедействующих медеэлектролитных заводов этот процесс осуществля-ется ввакуум-выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой, которые работаютпериодически, так как на теплопередающей поверхности происходит интенсивноеобразование нерастворимой и механически прочной накипи, состоящейпреимущественно из сульфата.
СверНИИхиммашембыли проведены исследования вакуум-кристаллизации производственного раствора вопытных циркуляционных кристаллизаторах разных конструкций. На основанииполученных результатов была разработана и успешно внедрена в эксплуатацию вцехе медного купороса ОАО «Уралэлектромедь» выпарнаявакуум-кристаллизационная установка, а также были приняты следующие техническиерешения:
· процессупаривания на «кристалл» проводится непрерывно в выпарном вакуум – кристаллизаторедвухконтурного типа;
· температураупарки раствора и кристаллизации медного купороса поддерживается в интервале 30– 500С;
· греющаякамера установлена в наружном циркуляционном контуре вакуум-кристаллизатора нанагнетательной линии циркуляционного насоса. Через греющую камеруосуществляется циркуляция осветленного маточного раствора, отбираемого извнутренней отстойной камеры кристаллизатора;
· размеркристаллов в циркулирующей суспензии регулируется изменением скорости истеченияструй маточного раствора из сопла струйного насоса (до 20,5 м/с) итемпературы перегрева осветленного маточного раствора в греющей камере (от 5 до150С);
· работаустановки непрерывная;
· длягарантированного достижения заданной производительности по кристаллическомумедному купоросу Генпроектировщику предусмотрена резервная нитка,обеспечивающую работу любой из выпарок I ой — IIIойстадий при остановке ее (нитки) на ремонт или ревизию.
Вакуум-кристаллизационнаяустановка включает в себя следующее оборудование: вакуум-кристаллизатор ВВК;напорный бак Нб; бак-мешалку Бм; поверхностный конденсатор ПК; пароэжекторныйблок ПЭБ; циркуляционный насос Нц; вакуумный насос Нв; конденсатный бак К;систему воздуховодов для отвода сокового пара и создания разряжения в корпусеВВК; автоматизированную систему управления технологическим процессом.
Характеристикаоборудования вакуум-кристаллизационной установки представлена в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Характеристикаоборудования выпарной вакуум-кристаллизационной установкиN Наименование Характеристика Назначение 1 Напорный бак, (Н)
Рабочий обхъем – 8,0м3, теплообменник-змеевик паровой Накопление исходного раствора 2 Выпарной вакуум-кристал-лизатор, (ВВК)
Емкость полная – 50м3
рабочая – 20м3 Выпаривание растворителя с одновременной кристаллизацией медного купороса 3 Греющая камера (Гк)
3‑ходовый горизонтальный кожухотрубный теплообмен-ник с теплопередающими трубками из титана ВТ! – 0 размерами (38х2х4000) мм или (38х2х3000) мм.
Поверхность теплообмена (по наружному диаметру теплообменных трубок) 50м2 Циркуляция и нагрев осветленного маточного раствора, отбираемого из отстойной камеры 4 Поверхностный конденсатор (Пк)
Трубчатый теплообменник, площадь теплообмена -136м2 Поддержание необхо-димого разряжения в сепараторе за счет конденсации вторич-ного (сокового) пара 5 Двухступенчатый пароэжекторный блок (ПЭБ) Эжектор, теплообменник, производительность по отсасываемой парогазовой смеси – 75 кг/ч Для удаления неконденсирующихся газов из поверхност-ного конденсатора 6 Вакуум-насос (Нв)
Тип ВВН‑3Н, производительность по отсасываемой парогазовой смеси 3м3/мин. Для удаления в атмосферу неконденсирующихся в ПК и ПЭБ газов 7 Циркуляционный центробежный насос (Нц)
Тип Х‑280/29 – КСД, подача 200м3/ч, напор -29 м, частота вращения рабочего колеса – 1500 об/мин Транспортировка рабочего раствора по наружному циркуляционному контуру 8 Бак-мешалка (Бм)
Аппарат с перемешивающим устройством, рабочий объем 2м3 Емкость для отбора суспензии из аппарата 9 Центробежный насос
Тип АХ‑65–40–200‑КСД, подача 25м3/ч, напор -50 м,
Тип АХ‑50–32–206 КСД, подача 12,5м3/ч, напор -50 мм Транспортировка суспензии на центрифугу для разделения 10 Механический кристаллизатор (Мк)
Аппарат с перемешивающим устройством и водяной рубашкой, поверхность охлаждения 8,3м2, рабочий объем -2,95м3 11 Бак конденсатный (К)
Рабочий объем -4м3 Для приема конденсата греющего и вторичного пара с переливной колонкой гидрозатво-ром, бак является общим с ВВКII, III стадии 12 Центробежный насос (Нц)
Тип ОХ‑50–125–160 КСД, подача – 25м3/ч, напор – 32 м Для откачки конденсата греющего и вторичного пара, общий с ВВК II и III стадии /> /> /> /> />
Медныйкупорос является продуктом процесса кристаллизации сернокислой меди из насыщенныхсернокислых растворов.
Процессвыпарной вакуум-кристаллизации организован в три стадии. На первых двух стадияхпроизводится медный купорос продукционный, на третьей стадии ведетсякристаллизация медного купороса с целью извлечения его из маточных растворовпосле второй стадии (для возврата в начало процесса вакуум – кристаллизации).
Маточныйраствор после третьей кристаллизации, содержащий остаточную медь до 60 г./л изначительное количество никеля, направляется в отделение обезмеживания и впроизводство никеля сернокислого реактива марки «ч».
Принципработы вакуум-выпарного кристаллизатора следующий: исходный раствор изнапорного бака Нб непрерывно самотеком поступает в нижнюю частьвакуум-кристаллизатора через штуцер (поз. 8) и смешивается с циркулирующейсуспензией.
Под действиемнапора, создаваемого циркуляционным насосом (поз. 11), перегретый маточныйраствор, поступающий из греющей камеры (поз 12), вытекая из сопла (поз. 9)струйного насоса с большой скоростью, подсасывает суспензию, циркулирующую ваппарате.
Поступающийисходный раствор и образовавшаяся смесь поднимается по центральнойциркуляционной трубе (поз. 3) вверх и на выходе из нее вскипает вследствиеналичия разряжения 1,5–1,9 кПа в сепараторе (поз. 2) вакуум – кристаллизатора.
При кипениираствор теряет тепло перегрева и охлаждается до равновесной температуры кипенияраствора при данном остаточном давлении. В результате охлаждения, а также засчет испарения при кипении части растворителя, в растворе создается пересыщениеи происходит выделение зародышей кристаллической соли медного купороса и росткристаллов на зародышах, которые поступили ранее из центральной циркуляционнойтрубы (поз. 3) в зону кипения.
Образовавшиесякристаллы в виде суспензии частично выводятся из вакуум – кристаллизатора.Основная часть образовавшейся в зоне кипения суспензии движется по кольцевомузазору между стенкой корпуса, цилиндрической отстойной перегородкой (поз. 4) ицентральной циркуляционной трубой (поз. 3), опускаясь в нижнюю частькристаллизатора.
По мередвижения вниз, происходит снятие остаточного пересыщения раствора на поверхностиготовых кристаллов и сгущение кристаллов, путем отвода части осветленногоматочного раствора и мелкодисперсной фракции из отстойной камеры (поз. 15) внаружный циркулярный контур (поз. 7, 11). При этом осветленный маточный растворс мелочью из отстойной камеры по обратной циркуляционной трубе (поз. 7)засасывается циркуляционным насосом (поз. 11) и нагнетается им в греющую камеру(поз. 12).
Далеенагретый в греющей камере маточный раствор поступает в сопло струйного насоса(поз. 9), где он используется в качестве рабочей жидкости. Струя нагретогораствора, вытекая из сопла с большой скоростью, подсасывает исходный раствор,подаваемый в эту зону сепаратора, и суспензию, движущуюся вниз, и нагнетаетобразовавшуюся смесь в центральную трубу. Цикл многократно повторяется.
Такимобразом, суспензия, непрерывно движущаяся в корпусе кристаллизатора поцентральной трубе (поз. 3) вверх и вне центральной трубы вниз, образуетвнутренний циркуляционный контур, здесь происходит рост и укрупнение кристалловдо определенной величины с последующим выводом готовых кристаллов из аппарата.
Осветленныйматочный раствор, непрерывно отбираемый из отстойной камеры (поз 15) идвижущийся по обратной циркуляционной трубе (поз 7) во всасывающий патрубокциркуляционного насоса, а затем нагнетаемый через трубки греющей камеры (поз.12) в сопло (поз. 9), образует наружный циркуляционный контур, здесь происходитперегрев раствора с одновременным растворением зародышей.
С цельюдостижения определенной интенсивности теплопередачи в греющей камере иисключения солевых отложений на теплопередающих поверхностях греющих трубок, засчет высокой скорости движения раствора по трубкам, греющая камера выполнена 6‑ходовойпо раствору.
Отводпродукционной суспензии из вакуум–кристаллизатора может
осуществлятьсянепрерывно тремя способами:
· на Iстадии с донной части аппарата – через стакан (поз. 24);
· на IIстадии с уровня кипящего раствора – через «фонарь»;
· наIII стадии – через пульпоотводящую трубу (поз. 10).
Этипульпоотводящие узлы выполнены таким образом, что при работе их в вакуум –кристаллизаторе автоматически поддерживается рабочее положение уровня раствора.Основным является отвод продукционной суспензии с донной части аппарата.
На процесскристаллизации оказывают влияние следующие факторы:
а)Температура
Повышениетемпературы пересышенного раствора увеличивает скорость образованиякристаллических зародышей. С повышением температуры снижается поверхностноенатяжение между раствором и образующимся микрозародышем и облегчается работа пообразованию мелких кристаллов.
Для созданияусловий роста кристаллов необходимо регулировать процесс (снижать) образованиямикрозародышей. На практике это достигается путем поддержания разницытемператур на входе и выходе из греющей камеры, для того, чтобы микрозародышиуспевали раствориться, проходя по трубкам греющей камеры.
б)Растворимые примеси
Примеси,присутствующие в растворе, оказывают различное влияние на скорость образованияцентров кристаллизации, одни из них резко повышают скорость кристаллизации,другие действуют как поверхностно – активные вещества на поверхностимикрозародышей и препятствуют кристаллизации пересыщенных растворов.
Дляопределения расчетных технологических параметров работы оборудования проведеныматериально – тепловые расчеты. В расчетах приняты номинальные значенияпараметров.
Уравнениематериального баланса
ύ0iρ0i = ύsi ρci + W, (11)
где ύ0,ύs– объемный расходисходного раствора и суспензии, м3/ч;
ρ0,ρc– плотностьисходного раствора исуспензии, кг/м3;
W – массовый расходвторичного пара, кг/ч;
i – индекс, обозначающийстадию кристаллизации.
Расходвторичного пара после преобразования уравнения
Wi = ύ0iρ0i – ύsi ρci (12)
Расходвторичного пара на каждую стадию равен:
Первая стадияW1 = 4,69 х 1155 – 1,85х1395 = 2836 кг/ч;
Вторая стадияW2 = 1,49х1200 – 0,75х1400= 738 кг/ч;
Третья стадияW3 = 2,44х1255 – 1,63х1380= 813 кг/ч/
Уравнениетеплового баланса кристаллизатора:
S0iC0i t0i + λ Sкр.i + φгр.i = Wiίi + (S0i – Sкр. i – Wi)*Cмi ti+ Sкр.i Cкр ti+ φгрCкi tкi (13)
откуда расходгреющего рара с учетом его неполноты конденсации равен
φгр.i = 1,05 />, (14)
где S0i, Sкрi – массовый расходисходного раствора и кристаллического медного купороса, кг/ч.
S0 = υ0 ρ0(15)
λ = – 315,3кДж/кг – теплота кристаллизации медного купороса;
C0i, Cмi, Cкр, Cкi– теплоемкость исходногораствора, маточного раствора, кристаллов медного купороса, конденсата греющегопара, кДж/кгС0;
t0i – температура исходногораствора, 0С;
ti = 450С,температура кристаллизации;
tк = tгр – 2 = 105 – 2 = 103 0С;
tni = ti – δ – температуравторичного пара, 0С;
tni = 45 – 5 = 400С;
δ = 50С – температурная депрессия упаренного раствора;
ϊ= 2574кДж/кг – теплосодержание вторичного пара при температуре;
ϊг= 2684,1 кДж/кг – теплосодержание греющего пара;
1,05 –коэффициент, учитывающий неполноту конденсации греющего пара.
По формуле(14) рассчитаем расход греющего пара на каждую стадию кристаллизации.
I стадия выпарки
φгр.1= 1,05*/>= 3048,5 кг/ч;
φгр.2= 1,05/>= 832 кг/ч;
φгр.3= 1,05/>=990 кг/ч.
Определимнапор и выберем циркуляционный насос.
Циркуляционныйнасос, установленный в наружном циркуляционном контуре, должен обеспечитьтребуемую подачу раствора для преодоления гидростатического давления,возникающего за счет разности плотностейй суспензии внутри аппарата и маточногораствора в наружном контуре.
В днище кристаллизатораустановлено сопло, которое вместе с центральной циркуляционной трубой образуетструйный насос, обеспечивающий циркуляцию суспкнзии по внутреннему контуру.
Определяющимгеометрическим параметром струйного насоса является отношение площади поперечногосечения камеры смешения (центральной циркуляционной трубы) к площадипоперечного сечения выходного отверстия сопла. Оптимальное значение отношенияэтих сечений для струйного насоса без диффузора определяем из уравнения
/>, (16)
n= />, (17)
где υн– удельный объем инжектируемой среды – суспензии на входе в сечение междусоплом и нижним торцом циркуляционной трубы, м3/кг.
υн=1/ρс, (18)
где υс– удельный объем смешанного потока на выходе из центральной циркуляционнойтрубы
υс =1/ρс, (19)
υр– удельный объем рабочей среды, маточного раствора, подаваемого циркуляционнымнасосом в сопло, м3/кг
Подставляязначения в формулы (18, 19) имеем
υс/υр = ρм/ ρс = 0,786;
υн/υр = ρм/ ρс = 0,786.
φ2= 0,975 – коэффициент скорости в центральной циркуляционной трубе (камересмешения)
φ4 =0,925 – коэффициент скорости во входном сечении камеры смешения (во входном нижнемпоперечном сечении центральной трубы).
Подставляязначения параметров в формулу (16) имеем
/>=
=1,612 (1+7,27)2– 0,628*1,013 *7,272= 76,6.
Расходциркулирующей по внутреннему контуру суспензии равен
υц= (1 + u)υн.ц=(1+7,27) 92,5 = 765 м3/ч,
где u – коэффициент инжекции,кг/кг;
υн.ц– подача насоса, м3/ч.
Расчетноерасстояние от выходного сечения сопла до входного сечения камеры смешенияопределим из следующего уравнения
l с= />= />,
d – опытная константа.
Рассчитаемдлину цилиндрической части камеры смешения
lкц = (6 – 10) dm = (6 – 10) 350 = 2100 –3500 мм,
где dm – диаметр центральнойциркуляционной трубы, мм.
Найдемрабочий объем зоны кристаллизации
υк =υ3 – υо.к = 11 – 2,5 = 8,5 м3,
где υ3= 11 м3 – общий объем, заполненный раствором в рабочемрежиме;
υо.к= 2,5 м3 – объем осветленного маточного раствора.
Общийтепловой поток в конденсаторе равен
Q1= r /> = 2406,5/>1895,8 кВт;
Q2 = 2406,5/> кВт;
Q3 = 2406,5/> кВт.
Производительностьвакуум насоса следующая
υвн= />=/>м3/с = 0,7м3/мин,зимой;
υвн=/> м3/с = 1,3 м3/мин,летом,
где Rв = 288,4 Дж/кг*град –газовая постоянная для воздуха;
Р – давлениеабсолютное паровоздушной смеси на выходе из эжектора, Па;
РH2O – парциальное давлениеводяных паров при температуре паровоздушной смеси, Па.
Прирассмотрении работы вакуум-выпарной установки были замечены следующие зависимости:
– среднийразмер кристаллов, получаемых в выпарном вакуум – кристаллизаторе с двойнымконтуром, зависит от гидравлического и температурного режимов в аппарате;
– похимическому составу готовый продукт, как правило, отвечает требованиям соответствующегосорта, отклонения могут возникать из-за повышенного содержания мышьяка висходном растворе;
– минимальныйрасход осветленного маточного раствора, при котором обеспечивается устойчиваяциркуляция суспензии в корпусе аппарата, зависит от диаметра сопла струйногонасоса, концентрации и крупности циркуляционных кристаллов;
– отложенийнакипи на поверхности теплообмена в греющей камере не обнаружено;
– одинраз в смену должна осуществляться промывка стенок сепаратора небольшим количествомводы, подаваемой в разбрызгивающие устройства;
– сцелью понижения содержания мышьяка требуется контрольная фильтрация исходногораствора от дисперсных взвесей.
В результатерасчетов можно сделать вывод о том, что рассматриваемый аппарат способенобеспечить требуемую мощность и может использоваться для получения медногокупороса.
3.4Автоматизация и контроль производства
Автоматизацияпроизводства позволяет увеличить производительность оборудования, снизитьрасходные коэффициенты исходного сырья и материалов, а также обеспечитьбезопасность персонала на рабочих местах.
3.4.1Технические данные, контролируемые СУТП
Нейтрализация меди в сернокислых растворах предназначена дляполучения насыщенного раствора сернокислой меди (медного купороса). Процессполучения насыщенного раствора сернокислой меди – глубокая нейтрализациясвободной серной кислоты, содержащейся в отработанном электролите ЦЭМ иматочных растворов никелевого отделения купоросного цеха.
3.4.2 Система управления
Система управления предназначена для контроля технологическихпараметров и для управления процессом нейтрализации. Система управлениянаходится в герметичных шкафах. Она включает в себя:
а) Управляющий контроллер;
б) Аппаратура сбора информации: оптомодули ввода,оптомодули вывода, оптодоска ввода для нейтрализатора; оптодоска ввода длябаков;
в) Аппаратура сбора данных. Модули сбора данныхАДАМ‑4017;
г) Интерфейсная аппаратура: модули конвертеры RS 232‑RS485 АДАМ‑4520, соединительныепровода и кабели;
д) Аппаратура контроля технологических параметров: системудатчиков измерения уровня, систему датчиков измерения расхода воздуха иэлектролита, систему датчиков измерения давления;
е) Блоки питания на 24V и на 5V;
ж) Программу и программное обеспечение приема и обработкиинформации с датчиков и исполнительных устройств, управления исполнительными устройствамии технологическим процессом.
Принцип работы системы управления
Управляющий сигнал для исполнительных механизмов формируется припомощи логических функций на основании сигналов с датчиков и сигналовуправляющих воздействий от оператора или управляющего контроллера. Управляющийсигнал управляет модулем оптической развязки, который коммутирует подачунапряжения на исполнительный механизм.
Функции системы управления
1) Система автоматического контроля и управления обеспечивает:
а) Контроль и управление заданнымитехнологическими параметрами с выводом информации на экран монитора: расходэлектролита, расход воздуха, температуру в нейтрализаторе, температуруэлектролита в баке, давление в нейтрализаторе, температура воздуха, расходпара, скорость циркуляции, уровень электролита в нейтрализаторе, уровеньэлектролита в баках, температура в сливной трубе;
б) Визуальную сигнализацию о ходетехнологического процесса;
* Автоподогрев электролита в нейтрализаторе;
* Автоуправление расходом воздуха;
* Перевод аппаратуры установки в исходноесостояние (переход в состояние СТОП нейтрализатора);
* Перевод аппаратуры баков в исходное состояние(переход в состояние СТОП баков).
2) Задачи контроля и регулирования заданных технологическихпараметров, индикации состояния системы, приведение системы в исходноесостояние.
– Контроль и регулирование технологическихпараметров;
– Контроль технологических параметровосуществляется с применением стандартных датчиков;
– Система управления обеспечивает управлениеисполнительными механизмами и регулирование параметров технологическогопроцесса.
Система управления обеспечивает ручнойи автоматическийрежимы управления процессом нейтрализации серной кислоты. «Ручной» – управлениезадвижками, клапанами, насосами с пульта оператора согласно рабочей инструкциидля аппаратчика-гидрометаллурга медного отделения купоросного цеха и используяруководство оператора.
«Автоматический» –управление задвижкой воздуха (для поддержанияопределенного расхода воздуха в нейтрализаторе, заданного оператором), клапаномпара нейтрализатора (для поддержания определенной температуры внейтрализа-торе, заданной оператором).
Система управления технологическим процессом, система отображениятехнологического процесса и аппарат нейтрализации колонного типа предназначеныдля эксплуатации внутри помещения с температурой окружающей среды от +5 °Сдо +30 °С и влажностью до 80 % без конденсата влаги.
Для принятиярешения по управлению аппаратом нейтрализации колонного типа оператор долженруководствоваться показаниями приборов, показателем концентрации H2SO4,рабочей инструкцией для аппаратчика-гидрометаллурга медного отделениякупоросного цеха Р.И. 0400–22–98 [12].
3.4.3 Система отображения
Система отображения предназначена для отображениятехнологических параметров и для управления процессом нейтрализации. Системаотображения включает в себя: персональный компьютер тип IBM, промышленный манипулятор,блок бесперебойного питания, программу отображения информации и управления.
3.4.4 Автоматизация вакуум-выпарногокристаллизатора
Нормальныйрежим работы установки может быть обеспечен автоматическим регулированием и контролемосновных технологических параметров.
Для этого приразработке проекта КИП и А необходимо предусмотреть:
1)автоматическое регулирование наиболее ответственных параметров, от соблюдениякоторых зависит режим работы всей установки в целом;
2) дистанционныйи местный контроль параметров, измерение которых необходимо для своевременногорегулирования работы установки;
3) необходимуюсигнализацию.
Регулирование
Переченьпараметров, подлежащих регулированию приведен в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Параметры,подлежащие регулированию
Регулируемый
параметр Рамерность Номинальное значение Наиболшее возможное отклонение Регулирующее воздействие 1. Расход исходного раствора кг/с 1,61 ± 0,2 Стабилизация 2. Давление в сепараторе кристаллизаторе МПа 0,0059 ± 0,001 Расход охлаждающей воды на конденсатор КВ3
3. Давление рабочего пара перед греющей камерой
перед эжектором Э12 на общей
линии
4. перед эжектором Э2 МПа
0,1
0,25
0,25
± 0,02
± 0,01
± 0,01
Стабилизация
Стабилизация
Стабилизация 4. Массовое содержание кристаллов в крислаллизаторе - 0,4 ± 0,1 Расход греющего пара в греющую камеру кристаллизатора при постоянной температуре раствора.
Сигнализация
Аварийнаясигнализация (световая на щите, звуковая по месту) должна срабатывать при:
а)прекращение подачи: исходного раствора; охлаждающей воды в конденсаторы КВ3,КВ1, КВ2; воды на торцевые уплотнения насосов; вакуумнасосов, греющего пара накристаллизатор, эжекторы;
б) остановканасосов: циркуляционного, перекачивающих, вакуум-насоса.
Должныосуществляться сигнализации верхнего и нижнего предельных уровней в емкостях Б1и Б2.
Должна бытьсветовая сигнализация для всех насосов «работает – не работает».
Характеристикарабочих сред параметры которых измеряются и регулируются представлена в таблице3.2.
Таблица 3.2
Характеристикарабочих средНаименование среды
Температура,
0С
Абсолютное давление
МПа Соотношение Т: Ж, масс / доли
Плотность,
кг/м3 Материал, стойкий в данной среде 1. Исходный раствор 80 0,3 - 1400 ВТI – 0 2. Охлажда-ющая вода 28 0,3 - 1000 12х18хН10Т 3. Пульпа 50 - до 30 1570–1600 ВТI‑0 4. Пар ТЭЦ 112 0,25 - 0,88 12х18хН10Т 5. Конденсат в баке Б2 40 - - 998 12х18хН10Т
Таблица 3.3
Наименование
электрооборудования Тип
Мощность,
кВт Частота тока, питающего источник Напряжение, В Частота вращения, об/мин
1. Насос
АХ125–100–400б‑5‑У2 4АММ200 4 45 50 380 1450
2. Насос
АХ 8/30‑И‑2Г 4А100 2 4 50 380 2900 3. Насос К8/18 4А80 2 1,5 50 380/220 2900 4. Вакуум-насос ВВН‑3Н 4А132 4У3 1,5 50 380/220 1500
5. Задвижка ЗКЛПЭ – 16
ДУ 200,250
(эл. привод
ЭВ -25М)
В80В4У2 или
ВАОА‑13–4‑У2 1,5 50 380/220 1400 6. Задвижка 30 нж 97 бк (эл. привод БО99.098–03 М0 4АХ ОЛ4УЗ 1,3 50 380/220 1400 7. Вентиль РХ26324.01 (электропривод ТЭ0099.058–08М) 0,25 50 380/220 1380
Перечень ихарактеристика примененного электрооборудования
Контроль
Режим работыустановки контролируется путем измерения технологических параметров, переченькоторых с указанием вида контроля и максимально возможных отклонений приведен втаблице 3.4.
Таблица 3.4 Технологическиепараметры установки, подлежащие контролюПараметр Точка контроля Размерность Расчетное значение Максимально возможное отклонение Допустимая потеря давления от уст. приб. Вид контроля Место установки вторичных приборов 1. Исходный раствор Трубопровод подачи исходного раствора кгс 1,61 ± 0,2 0,05 Показание, запись Щит 2. Охлаждающая вода на конденсатор КВЗ Трубопровод подачи воды на конденсатор КВЗ кгс 104 ± 25 0,05 Показание, запись Щит 3. Вода на торцевое уплотнение циркуляци-онного насоса Трубопровод подачи воды на циркулирующий насос кгс 1,25
10-2 ± 4∙10-3 0,05 Показание По месту 4. Вода на тор-цевое плотнение насоса Н1 Трубопровод подачи воды на насос Н1 кгс 1,25
10-2 ± 4∙10-3 0,05 Показание По месту 5. Охлаждающая вода на установку Трубопровод подачи воды на установку кгс 110 ± 25 0,05 Запись показания Щит 6. Рабочий пар в греющую камеру кмристаллизатора Трубопровод подачи пара на установку кгс 1800 ± 500 0,025 Показание, запись Щит 7. Рабочий пар на установку Трубопровод подачи пара на установку кгс 1800 ± 500 0,025 Показание, запись Щит 8. Пульпа с установки Трубопровод подачи пульпы на центрифугирование кгс 1,16 ± 0,5 0,05 Показание, запись Щит
Давление:
1. Рабочий пар на ристаллизатор Трубопровод пода чи пара в кристаллизатор МПа 0,1 ± 0,02 - Покание, запись Щит по месту 2. Рабочий пар на эжектор Э1 Трубопровод подачи рабочего пара на эжектор Э1 МПа 0,25 ± 0,01 - Показания По месту 3. Рабочий пар на эжектор Э2 Трубопровод подачи рабочего пара на эжектор Э2 МПа 0,25 ± 0,01 - Показания По месту 4. Вторичный пар в кристал-лизаторе Сепаратор кристаллизатора МПа 0,0059 ± 0,001 - Показания По месту
Температура
1. Исходный раствор Трубопровод подачи исходного раствора
0С 80 ± 5 Показание, запись Щит 2. Раствор в аппарате Сепаратор кристаллизатора
0С 50 ± 5 Показание, запись Щит 3. Вода на входе в установку Трубопроводподачи воды на установку
0С 28 ± 5 - Показание, запись Щит 4. Вода на выходе из конденсатора КВ3 Трубопровод выхода воды из конденсатора КВЗ
0С 30,6 ± 5 - Показание, запись Щит 5. Вода на выходе из конденсатора КВ1 Трубопровод выхода воды из конденсатора КВЗ
0С 35,9 ± 5 - Показание, запись Щит 6. Вода на выходе из конденсатора КВ2 Трубопровод выхода воды из конденсатора КВ2
0С 41,5 ± 5 - Показание, запись Щит
4.Материальные расчеты
4.1Приготовление исходного раствора
Составырастворов рассмотрены в разделе 2.1. Раствор электролита из цеха электролизапосле очистки от железа, сурьмы и частично от мышьяка объединяется с промывнымиводами и кислыми растворами печи «КС».
Берем 85 %масс электролита, 6 % масс промвод и 9 % масс кислого раствора. Данныесведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. СмешениерастворовПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Электролит, в
том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Промводы, в
том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
3. Кислый раствор,
том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
153354
26069
14722
461
307
111795
10893
22
567
22
22
10260
16167
970
194
388
53
14562
100,0
17,0
9,6
0,3
0,2
72,9
100,0
0,2
5,2
0,2
0,2
94,2
100,0
6,0
1,2
2,4
0,3
90,1
1. Усредненный
раствор, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
180414
27061
15483
871
382
136617
100,0
15,0
8,6
0,5
0,2
75,7 Итого 180414 Итого 180414
4.2 Стадиянейтрализации серной кислотой [14]
Полученныйусредненный раствор направляется на стадию нейтрализации свободной сернойкислоты до остаточного содержания 5 – 15 г./л. Нейтрализация осуществляется гранулированноймедью с использованием в качестве окислителя кислорода воздуха.
Cu+ H2SO4 + ½ O2 = CuSO4 + H2O(43)
M 64 98 16 16018
m 17518 268244380 43795 4927
где М –молярная масса вещества, г/моль;
m – массавещества, кг/сут.
По реакции(43) находим массы веществ. Содержание меди в гранулах 98,99 %, отсюда
mcu =17697 ∙ 0,9899 =17518 кг,
m H2SO4= 17518 ∙ 98/64 = 26824 кг,
m O2=17518 ∙ 16/64 = 4380 кг,
m CuSO4= 17518 ∙ 160/64 = 43795 кг,
m H2O= 17518 ∙ 18/64 = 4927 кг.
Степеньразложения CuSO4 98 %, тогда с учетом этого
m O2исп= 4380 ∙ 0,98 = 4292 кг,
m H2SO4исп=26824 ∙ 0,98 = 26287 кг,
m CuSO4исп=43795 ∙ 0,98 = 42919 кг,
m H2Oисп=4927 ∙ 0,98 = 4828 кг,
mcuисп= 17518 ∙ 0,98 = 17168 кг,
mвозд= 4380/0,231 = 18961 кг,
mN2= 18961 – 4380 = 14581 кг,
m H2O =4828 + 136617 = 141445 кг,
mcu= 17518 – 17168 = 350 кг,
m H2SO4израсх= 27061 – 26287 = 774 кг,
m CuSO4получ= 15483 + 42919 = 58402 кг,
mнераств.примесей = 17697 – 17518 = 179 кг,
m O2израсх= 4380 – 4292 = 88 кг.
Полученныеданные в ходе нейтрализации представлены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. СтадиянейтрализацииПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Усреднен-ный раствор, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Гранулы, в том числе
Cu
нерастворимые
примеси
3. Воздух, в том числе
O2
N2
180414
27061
15483
871
382
136617
17697
17518
179
18961
4380
14581
100,0
15,0
8,6
0,5
0,2
75,7
100,0
99,0
1,0
100,0
23,1
76,9
1. Пульпа, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
– Твердый остаток, в том числе
Cu
нерастворимые примеси
2. Отходящие газы, в том числе
O2
N2
201874
774
58402
871
382
141445
529
350
179
14669
88
14581
100,0
0,4
28,8
0,4
0,2
69,9
0,2
0,1
100,0
0,6
99,4 Итого 217072 Итого 217072
4.3 Фильтрация смеси
На стадию фильтрации поступает смесь послеглубокой нейтрализации, на выходе имеем нейтральный раствор имедно-мышьяковистый кек, который отгружают и используют в других производствах.
Состав медно –мышьяковистого кека: 20 % Cu, 15 % As, 2 % Ni, 60 % H2O,3 % нерастворимый остаток.
Тогда mкека= 350/0,2 = 1750 кг,
m As= 1750 ∙ 0,15 = 262 кг,
m Asв р-ре = 382 – 262 = 120 кг,
mNi= 1750 ∙ 0,02 = 35 кг,
mNiв р-ре = 871 – 35 = 836 кг,
m влаги= 1750 ∙ 0,6 = 1050 кг,
mнераств.ост. = 1750 ∙ 0,03 = 53 кг.
Исходныйраствор имеет массу mобщ (CuSO4 + H2SO4+ H2O) = 200621 кг
ω CuSO4 = 58402/200621 ∙ 100 = 29,1 %,
ω H2SO4 = 774/200621 ∙ 100 = 0,4 %,
ω H2O = 141445/200621 ∙ 100 = 70,5 %.
Отсюда m CuSO4= 1050 ∙ 0,291 = 306 кг,
m H2SO4= 1050 ∙ 0,004 = 4 кг,
m H2O =1050 ∙ 0,705 = 740 кг.
Найдем массуCuSO4 в нейтральном растворе
m CuSO4= 58402 – 306 = 58097 кг,
m H2SO4= 774 – 4 = 770 кг,
m H2O =141445 – 740 = 140705 кг.
Результатрасчетов по стадии фильтрации представлен в табл. 4.3.
Таблица 4.3. ФильтрациясмесиПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Смесь, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
Cu
нерастворимый остаток
202403
774
58402
871
382
141445
350
179
100,0
0,4
28,8
0,4
0,2
69,9
0,2
0,1
1. Нейтральный раствор, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Кек, в том числе
Cu
Ni
As
нерастворимый остаток
H2SO4
CuSO4
H2O
200527
770
58096
836
120
140705
1750
350
35
262
53
4
306
740
100,0
0,4
29,0
0,4
0,1
70,1
100,0
20,0
2,0
15,0
3,0
0,2
17,4
42,4 Итого 202403 Итого 202277
Невязка баланса 0,06 %.
4.4Смешение
В процессе данной стадии происходит смешение двухрастворов, а именно, нейтрального раствора массой 151043 кг и оборотногораствора – растворенный медный купорос третьей стадии кристаллизации, массой14501 кг.
Берем 8,76 % оборотного раствора и 91,24 %нейтрального раствора.
mобщая = 200527/0,9124 = 219876кг,
mоборотного раствора = 219876 ∙ 0,0876= 19253 кг,
m CuSO4 =58096 + 4482 = 62578 кг,
m H2SO4 = 770+ 73 = 843 кг,
m H2O = 140705+ 14686 = 155391 кг,
mNi = 836 + 8= 844 кг,
m As = 120 + 4 = 124 кг.
Данные расчетов занесены в табл. 4.4.
Таблица 4.4. Смешение нейтрального и оборотногорастворовПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Нейтральный раствор, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Оборотный раствор, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
200527
770
58096
836
120
140705
19253
73
4482
8
4
14686
100,0
0,4
29,0
0,4
0,1
70,1
100,0
0,34
23,3
0,04
0,02
76,3
1. Смешанный раствор, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
219780
843
62578
844
124
155391
100,0
0,4
28,45
0,4
0,05
70,7 Итого 219780
Итого 219780
4.5 Вакуум-выпарная кристаллизация I
На упаркупосле фильтрации поступает 219780 кг раствора, который содержит CuSO4– 62578 кг, H2SO4 – 843 кг, Ni – 844 кг, As – 124 кг, H2O– 155391 кг.
Влажностькупороса после отделения его от маточника на центрифуге – 5 %.
Рассчитаемколичество образовавшихся кристаллов и маточного раствора.
mр-ра ∙Ср-ра = mкр ∙ Скр + mмат ∙Смат.,
mр-ра =mкр + mмат.,
где mр-ра– масса смешанного раствора, кг/сут;
Ср-ра– концентрация CuSO4;
mкр– масса кристаллов, кг/сут;
Скр– отношение молярных масс CuSO4 и CuSO4 ∙ 5 H2O;
Смат.– концентрация CuSO4 в маточном растворе на 100 г. H2O.
С CuSO4= 62578/219780 = 0,285,
Скр= М CuSO4/М CuSO4 ∙ 5 H2O = 160/250 = 0,64.
Рассчитаемконцентрацию CuSO4 в маточном растворе, исходя из растворимости при450С, которая равна 8,7 г на 100 г. H2O.
С CuSO4= 8,7/(100+8,7) = 0,08,
219780 ∙0,285 = mкр ∙ 0,64 + mмат ∙ 0,08,
mкр= 219780 – mмат,
219780 ∙0,285 = (219780 – mмат) ∙ 0,64 + mмат∙ 0,08
mмат= 139325 кг,
mкр= 219780 – 139325 = 80455 кг.
Мы нашлимассу влажных кристаллов, а так как нам известен процентный состав кристаллов 95 %,следовательно
mкр= 80455/0,95 = 84689 кг,
mмат= 139325 – (84689 – 80455) = 135091 кг,
m CuSO4крист= 80455 ∙ 0,64 = 51491 кг,
m H2Oкрист= 80455 – 51491 = 28964 кг,
m CuSO4вмат = 62578 – 51491 = 11087 кг,
m H2Oвмат= 155391 – 28964 = 126427 кг.
Сведем всемассы в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Вакуум-выпарнаякристаллизация IПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Смешанный раствор, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
219780
843
62578
844
124
155391
100,00
0,40
28,45
0,40
0,05
70,70
1. Пульпа, в том числе
CuSO4∙5 H2O
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
219780
80455
843
11087
844
124
126427
100,00
36,60
0,40
5,00
0,40
0,05
57,55 Итого 219780 Итого 219780
4.6 Фильтрация пульпы, полученной после первойстадии кристаллизации
Рассчитаем процентный состав и найдем массыкомпонентов в маточном растворе.
ω CuSO4 = 11087/139325 ∙ 100 = 7,96 %,
ω H2SO4 = 843/139325 ∙ 100 = 0,61 %,
ω H2O = 126427/139325 ∙ 100 = 90,74 %,
ω Ni = 844/139325 ∙ 100 = 0,60 %,
ωAs = 124/139325 ∙100 = 0,09 %.
Тогда mкр = 84689 –80455= 4234 кг,
m H2SO4= 4234 ∙ 0,0796 = 337 кг,
m CuSO4= 4234 ∙ 0,0061 = 26 кг,
m H2O= 4234 ∙ 0,9074 = 3842 кг,
mNi = 4234 ∙0,006 = 25 кг,
m As = 4234 ∙ 0,0009 =4 кг.
На стадии фильтрации получаем кристаллы свлажностью 5 % и маточный раствор, который направляют на вторую стадиювакуум-выпарной кристаллизации. Данные представлены в табл. 4.6.
Таблица 4.6. Фильтрация пульпы IПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Пульпа, в том числе
CuSO4 ∙5 H2O
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
219780
80455
843
11087
844
124
126427
100,00
36,60
0,40
5,00
0,40
0,05
57,55
1. Кристаллы, в том
числе
– CuSO4∙5 H2O
– Маточный раствор
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Маточный раст-вор I, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
84689
80455
4234
337
26
25
4
3842
135091
506
11061
819
120
122585
100,00
95,00
0,40
0,03
0,03
0,005
4,54
100,0
0,40
8,20
0,60
0,10
90,70 Итого 219780 Итого 219780
4.7 Вакуум-выпарная кристаллизация II
На вторуюстадию кристаллизации поступает маточный раствор 1, который содержит H2SO4– 506 кг, CuSO4 – 11061 кг, Ni –819 кг, As –120 кг, H2O –122585 кг.
Рассчитаемколичество образовавшихся кристаллов и маточного раствора.
mр-ра ∙Ср-ра = mкр ∙ Скр + mмат ∙Смат,
mр-ра =mкр + mмат,
С CuSO4= 11061/135091= 0,08,
Скр= М CuSO4/М CuSO4∙5 H2O = 160/250 = 0,64,
Рассчитаемконцентрацию CuSO4 в маточном растворе II, исходя израствори-мости при 500С, которая равна 3,09 г. на 100 г. H2O.
С CuSO4= 3,09/(100+3,09) = 0,03,
135091 ∙0,08= mкр ∙ 0,64 + mмат ∙ 0,03,
mкр= 135091 – mмат,
135091 ∙0,08 = (135091 – mмат) ∙ 0,64 + mмат∙ 0,03,
mмат= 124018 кг,
mкр= 135091 – 124018 = 11073 кг.
Мы нашлимассу чистых кристаллов, а так как нам известен процентный состав кристаллов 95 %,следовательно
mкр= 11073/0,95 = 11656 кг,
mмат= 124018 – (11656 – 11073) = 123435 кг,
m CuSO4крист= 11073 ∙ 0,64 = 7087 кг,
m H2Oкрист= 11073 – 7087 = 3986 кг,
m CuSO4вмат = 11061 – 7087 = 3974 кг,
m H2Oвмат= 122585 – 3986 = 118599 кг.
Полученныепосле расчетов массы представлены в табл. 4.7.
Таблица 4.7. Вакуум-выпарнаякристаллизация IIПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Маточный раствор I, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
135091
506
11061
819
120
122585
100,0
0,40
8,20
0,60
0,10
90,70
1. Пульпа, в том числе
CuSO4 ∙5 H2O
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
135091
11073
506
3974
819
120
118599
100,0
8,2
0,4
2,9
0,6
0,1
87,8 Итого 135091 Итого 135091
Рассчитаем процентный состав и найдем массыкомпонентов в маточном растворе II.
ω CuSO4= 3974/124018 ∙ 100 = 3,25 %,
ω H2SO4=506/124018 ∙ 100 = 0,4 %,
ω H2O=118599/124018∙ 100 = 95,6 %,
ω Ni= 819/124018 ∙ 100 = 0,66 %,
ωAs = 120/124018∙ 100 = 0,09 %,
mкр= 11656 – 11073 = 583 кг.
m CuSO4= 583 ∙ 0,0325 = 19 кг
m H2O =583∙ 0,956 = 557 кг
m H2SO4= 583 ∙ 0,004 = 2 кг
mNi = 583 ∙0,0066 = 4 кг
m As = 583 ∙0,0009 = 1 кг
Полученные массы представлены в табл. 4.8.
Таблица 4.8. Фильтрация пульпы IIПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Пульпа, в том числе
CuSO4 ∙5 H2O
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
135091
11073
506
3974
819
120
118599
100,0
8,2
0,4
2,9
0,6
0,1
87,8
1. Кристаллы, в том
числе
– CuSO4 ∙ 5 H2O
– Маточный раствор
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Маточный раствор II, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
11656
11073
583
2
19
4
1
557
123435
504
3955
815
119
118042
100,00
95,0
0,02
0,15
0,03
0,01
4,79
100,0
0,4
3,2
0,7
0,1
95,6 Итого 135091 Итого 135091
4.9 Сушка кристаллов с получением товарногопродукта
На стадию сушки поступает суммарное количествопродукта с первой и второй стадий кристаллизации. Сушку проводят горячимвоздухом в сушильном барабане. Температура воздуха на входе 1300С,на выходе – 600С. Влажность исходного продукта 5 %, готовыйпродукт выходит с влажностью 2 %.
Сводный баланс веществ, поступающих на сушкупредставлен в табл. 4.9.
Таблица 4.9. Материальный баланс сушкиПриход кг/сут % Расход кг/сут %
1. Кристаллы, в том числе
– CuSO4∙5 H2O
– маточник
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
96345
91528
4817
339
45
29
5
4399
100,0
95,0
0,35
0,04
0,03
0,005
4,58
1. Кристаллы, в том числе
– CuSO4 ∙5 H2O
– маточник
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Испаренная вода
93396
91528
1868
339
45
29
5
1450
2949
100,0
98,0
0,35
0,04
0,03
0,005
1,5 Итого 96345 Итого 96345
m CuSO4∙5H2O = 91528/0,98 = 93396 кг,
m маточника = 93396 – 91528 = 1868 кг,
m H2O = 1868 – (339 + 45 + 29 + 5) = 1450 кг,
m H2Oисп = 4399 – 1450 = 2949 кг.
4.10 Третья стадия вакуум-выпарной кристаллизации
На третьюстадию кристаллизации поступает маточный раствор II, который содержит H2SO4– 504 кг, CuSO4 – 3955 кг, Ni – 815 кг, As – 119 кг, H2O– 118042 кг.
Рассчитаемколичество образовавшихся кристаллов и маточного раствора.
mр-ра ∙Ср-ра = mкр ∙ Скр + mмат ∙Смат,
mр-ра =mкр + mмат,
С CuSO4= 3955/123435= 0,03,
Скр= М CuSO4/М CuSO4∙5 H2O = 160/250 = 0,64.
Рассчитаемконцентрацию CuSO4 в маточном растворе III, исходя израствори-мости при 550С, которая равна 0,806 г. на 100 г. H2O.
С CuSO4= 0,806/(100+0,806) = 0,008,
123435 ∙0,03 = mкр ∙ 0,64 + mмат ∙ 0,008,
mкр= 123435 – mмат,
123435 ∙0,03 = (123435 – mмат) ∙ 0,64 + mмат∙ 0,008,
mмат= 119138 кг,
mкр= 123435 – 119138 = 4297 кг.
Мы нашлимассу чистых кристаллов, а так как нам известен процентный состав кристаллов 95 %,следовательно
mкр= 4297/0,95 = 4523 кг,
mмат= 119138 – (4523 – 4297) = 118912 кг,
m CuSO4крист= 4297 ∙ 0,64 = 2750 кг,
m H2Oкрист= 4297 – 2750 = 1547 кг,
m CuSO4вмат = 3955 – 2750 = 1205 кг,
m H2Oвмат= 118042 – 1547 = 116495 кг.
Результатрасчетов сведем в табл. 4.10.
Таблица 4.10.Вакуум-выпарная кристаллизаци IIIПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Маточный раст-вор II, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
123435
504
3955
815
119
118042
100,0
0,4
3,2
0,7
0,1
95,6
1. Пульпа, в том числе
CuSO4 ∙5 H2O
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
123435
4297
504
1205
815
119
116495
100,0
3,4
0,4
1,0
0,7
0,1
94,4 Итого 123435 Итого 123435
4.11 Фильтрация пульпы после третьей стадиикристаллизации
медный купорос сырье кристаллизация
Рассчитаем процентный состав и найдем массыкомпонентов в маточном растворе III.
ω CuSO4 = 1205/119138 ∙ 100 = 1,01 %,
ω H2SO4 = 504/119138 ∙ 100 = 0,42 %,
ω H2O = 116495/119138 ∙ 100 = 97,80 %,
ω Ni = 815/119138 ∙ 100 = 0,68 %,
ωAs = 119/119138 ∙100 = 0,09 %.
Тогда m H2SO4= 226 ∙ 0,0101 = 2 кг,
m CuSO4= 226 ∙ 0,0042 = 0,9 кг,
m H2O= 226 ∙ 0,978 = 221 кг,
mNi = 226 ∙0,0068 = 1 кг,
m As = 226 ∙0,0009 = 0,2 кг.
Полученные данные представлены в табл. 4.11.
Таблица 4.11. Стадия фильтрации пульпы ШПриход Расход Статья кг/сут % Статья кг/сут %
1. Пульпа, в том числе
CuSO4 ∙5 H2O
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
123435
4297
504
1205
815
119
116495
100,0
3,4
0,4
1,0
0,7
0,1
94,4
1. Кристаллы, в том числе
– CuSO4∙5 H2O
– Маточный раствор
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
2. Маточный раст-
вор Ш, в том числе
H2SO4
CuSO4
Ni
As
H2O
4523
4297
226
2
0,9
1
0,2
221
118912
502
1204,1
814
118,2
116274 100 Итого 123435 Итого 123435
Маточник с треьей стадии фильтрации отправляетсяв отделение обезмеживания. Купорос третьей стадии растворяют в конденсате доконцентрации меди 120 г./л и направляют на первую вакуум-выпарнуюкристаллизацию.
Заключение
Подводяитог работы над курсовым проектом, необходимо отметить, что производствомедного купороса сопровождается постоянно действующей системой развития исовершенствования технологического процесса. В связи с этим, проводятсямероприятия, программы, опытные работы и внедрение нового оборудования итехнологии, а именно, разработка и внедрение принципиально нового оборудованиядля технологии производства медного купороса – аппарата растворения колонноготипа; ресурсо- и энергосберегающие технологии на всех стадиях купоросногопроизводства; повышение качества и конкурентоспособ-ности на российском имировом уровне выпускаемой продукции.
Заменамалопроизводительного аппарата – оксидизера на современный аппарат колонноготипа для растворения меди, позволила уменьшить расход сжатого воздуха на 474 м3,потребление пара с 2,11 м3 до 1,96 м3 на тоннуготового продукта, в связи с этим предприятие ОАО «Уралэлектромедь»сократило расход электроэнергии.
Входе рассмотрения экономического вопроса производства и сбыта медного купороса,можно сказать, что деятельность купоросного цеха является прибыльной: себестоимость1 тонны сернокислой меди снизилась на 296,6 руб., вследствие этого заводполучил прибыль в размере 8319 тыс. руб. Немаловажен и тот факт, чтотехнологический процесс является замкнутым, это в свою очередь отражается наэкологии – позволяет не использовать чистую воду из вне, сокращает стоимостьготовой продукции и не ухудшает качества самого медного купороса на выходе изтехнологического процесса.
Вдипломном проекте рассмотрены различные способы получения сернокислой меди,приведено описание действующей технологии производства, рассчитаны материальныйи тепловой балансы, дана технико-экономическая оценка проекта, а такжерассмотрены вопросы безопасности и экологичности процесса получения медногокупороса.