Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

В производство Cd Потребителю На свинцовый




Введение

Цинк (Zincum) – химический элемент II группы периодической системы, двухвалентный металл синевато-белого цвета. По существующей классификации его относят к тяжелым цветным металлам. Атомный номер 30, атомная масса 65,37. Тип структуры А3. Пространственная группа (гексагональная плотная упаковка). В природе встречаются 5 стабильных изотопов с массовыми числами 64, 66-68, 70. Содержание в земной коре 8,3∙10-3% по массе. Содержится в полиметаллических сульфидных рудах; основные минералы: сфалерит (цинковая обманка) и вюрцит ZnS, смитсонит ZnCO3, каламин Zn4[Si2O7](OH)2∙H2O, цинкит ZnO.

Цинк – легкоплавкий металл с низкой температурой кипения. Чем выше температура отливки и медленнее охлаждение, тем сильнее выражено кристаллическое строение цинка.

Первые сведения о металлическом цинке относятся к V веку до нашей эры. Вначале его получали в Индии, позднее – в Китае. В то время латунь, сплав цинка с медью, получали в небольших горнах, подвергая совместной плавке с углем окисленную цинковую руду и медь.

Цинк – самый “молодой” из тяжелых цветных металлов. Его производство началось в Европе лишь в конце XVIII века, т.е. позднее других цветных металлов.

Крупными производителями цинка являются Россия, Япония, Канада, США, Бенилюкс, Австралия, Германия, Франция, Болгария и Польша.

В России и ближнем зарубежье крупные месторождения цинксодержащих руд расположены в районах Рудного Алтая, Урала, Южного Казахстана, Средней Азии, Красноярского края, северного Кавказа, в Забайкалье и на Дальнем Востоке. За рубежом крупные месторождения расположены в Канаде, США, Австралии, Германии, Швеции, Японии, Зимбабве, Перу.

Холодный цинк ломок и плохо прокатывается. При 100-150 ºС цинк становится пластичным и из него можно прокатывать листы толщиной в сотые доли миллиметра. При температуре 250 ºС цинк теряет свои пластические свойства.

Цинк применяется как компонент латуни, нейзильбера, томпака и др. сплавов. Широкое промышленное значение имеют цинковые сплавы с Al,Cu и Mg. Наличие в цинковых сплавах Sn, Pb и Cd резко ухудшает свойства сплава, так как эти металлы образуют с цинком легкоплавкие эвтектики, располагающиеся по границам зерен. Цинк широко применяется для цинкования стали и чугуна (при этом образуется антикоррозионное покрытие); для изготовления мелких деталей самолетов и автомобилей, электродов химических источников тока; при отделении от Pb, серебра и золота.

Цинк обычно не образует самостоятельных руд, а входит в состав полиметаллических свинцово-цинковых или медно-свинцово-цинковых руд.

Рудные залежи разнообразны по структуре. Обычно залежи сплошных сульфидных руд перемежаются более или менее значительными зонами вкрапленников, а в верхней части переходят в зону окисленных минералов. Сульфидные руды содержат цинк главным образом в форме сфалерита (низкотемпературная модификация ZnS), а иногда и в форме вюрцита (высокотемпературная модификация ZnS). Железистые разновидности ZnS называют марматитом. Содержание железа в марматите существенно влияет на извлечение цинка из сырья при гидрометаллургическом производстве цинка. В окисленных цинковых рудах цинк представлен главным образом в виде карбонатов (смитсонит и гидроцинкит с изоморфными примесями железа и меди) и силикатов (виллемит и каламин).

Руды поступают на обогащение для получения цинковых концентратов, которые в дальнейшем и перерабатываются металлургическими методами. Извлечение цинка в концентрат обычно составляет 70-85% от содержания в сульфидно-цинковых рудах. Содержания технологических важных компонентов в цинковых концентратах обычно укладываются в следующие пределы, %: Zn 40-60; Pb 0,2-3,5; Cu 0,15-2,3; Fe 2,5-13; S 30-35; Cd 0,1-0,5; As 0,003-0,3; Sb 0,01-0,07; Co 0,001-0,013; In 0,001-0,07.

Для извлечения цинка из концентратов применяют два способа: пирометаллургический (дистилляционный) и гидрометаллургический (электролитический). В России основное количество цинка получают гидрометаллургическим способом.

В основе гидрометаллургической схемы заложено выщелачивание оксида цинка из обожженного цинкового концентрата разбавленной серной кислотой.

Целями данной курсовой работы являются расчет процесса выщелачивания обожженного цинкового концентрата; выбор и расчет параметров, технологии и основного оборудования, необходимых для решения поставленной задачи – выщелачивания заданного цинкового огарка.


Краткий аналитический обзор технологии

Главным источником получения цинка является рудное сырье. Наибольшее промышленное значение имеют свинцово-цинковые сульфидные полиметаллические руды, содержащие кроме цинка и свинца, также медь, кадмий, благородные и редкие металлы.

Сульфидное цинковое сырье можно подвергнуть прямому восстановлению с получением металлического цинка, например, по реакции:

ZnS + H2 = Zn + H2S

Однако даже такие активные восстановители, как H2 и CO, при весьма высоких температурах неэффективны. Так, для приведенной выше реакции константа равновесия при температуре 1000 ºС равна 2,1·10-4 и еще меньше для восстановления действием СО. Практически рациональнее проводить раздельно окисление ZnS и восстановление кисленного цинка до металла.

В промышленности окисление ZnS с получением ZnO проводят пирометаллургическим способом, т.е. в газовой среде при высоких температурах. Восстановление цинка из ZnO проводят или пирометаллургическим, или гидрометаллургическим способом. Сейчас более распространенным является гидрометаллургический метод переработки.

Исторически первым способом переработки был пирометаллургический. Технология способа и его аппаратурное оформление связаны с особенностями восстановления цинка из оксида. Восстановление цинка из оксида до металла углеродом и СО происходит при температуре свыше 100-1100 ºС (температура кипения цинка 906ºС).

Реакция восстановления сопровождаются выделением газообразного цинка, его возгонкой (дистилляцией). Компоненты пустой породы остаются при этом в твердом виде. Конденсацией паров можно получить жидкий металлический цинк. Принципиальная схема пирометаллургического способа получения цинка приведена на рис. 1.

Воздух Сульфидный концентрат

 

 

Окислительно-спекающий обжиг

ZnS+1,5O2=ZnO+SO2 SO2 На производство H2SO4


Zn агломерат

Дистилляция


РрH

Черновой цинк

 
 


Вельцевание

Рафинирование

 
 


Черновой Возгоны

Pb Клинкер

       
   
 
 


Пусьера Товарный Zn

На переработку

В производство Cd Потребителю На свинцовый

Завод

Рис. 1. Технологическая схема пирометаллургического получения цинка


 

Дистилляционный способ связан с большой затратой топлива и огнеупорных материалов и дает цинк только низших марок, а для получения высококачественной продукции требуется рафинирование.

Все эти недостатки предопределили поиски другой технологии, построенной на других принципах. Такой технологией оказалась гидрометаллургическая переработка концентратов, внедрение которой в производство началось в начале ХХ века.

Первые попытки освоения гидрометаллургического процесса были неудачными главным образом в связи со стремлением применить его к сложным по составу рудам и концентратам. И только после того, как были получены достаточно богатые и относительно чистые от примесей концентраты, гидрометаллургический процесс дал высокие технологические показатели, обеспечившие за короткий срок его широкое распространение.

В основе гидрометаллургической схемы заложено выщелачивание оксида цинка из обожженного цинкового концентрата разбавленной серной кислотой:

ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O

Водный раствор ZnSO4· aq, полученный кислотным растворением ZnO, подвергают электролизу. Цинк выделяется на катоде путем электролитического восстановления. На аноде в это время регенерируется серная кислота, что позволяет использовать отработанный электролит в качестве растворителя при выщелачивании огарка. Схема гидрометаллургического получения цинка изображена на рис. 2. Эта схема предельно упрощена и отражает лишь принцип технологии.

Воздух Zn-концентрат

 

 

Обжиг

ZnS+1,5O2=ZnO+SO2 SO2

       
   
 


Zn (огарок-порошок) На производство

H2SO4

 
 


Выщелачивание

ZnO+H2SO4·ag=ZnSO4·ag+H2O


РрH

Раствор ZnSO4·ag Кек

 
 


Электролиз

Zn2++2e=Zn; 2SO42—4e=2SO3+O2

2SO3+2H2O=2H2SO4


O2 Металлический Раствор H2SO4

цинк

В атмосферу

Рис. 2. Технологическая схема гидрометаллургического получения цинка


Гидрометаллургический способ получения цинка включает следующие процессы: обжиг цинковых концентратов, выщелачивание обожженного концентрата в отработанном электролите и очистку раствора, электролитическое выделение цинка из раствора в ваннах с нерастворимыми анодами, переплавку катодноосажденного цинка. Особенности способа, обеспечивающие ему широкое распространение, следующие:

1. Перевод железа при обжиге цинковых концентратов в соединения, нерастворимые в слабой серной кислоте.

2. Самоочистка раствора сульфата цинка от гидролизующих примесей при выщелачивании обожженного концентрата, содержащего свободную окись цинка.

3. Использование в качестве основного реагента для очистки цинковой пыли..

4. Замкнутость схемы – реагент, необходимый для перевода соединений цинка из обожженного концентрата в раствор, регенерируется при электроосаждении цинка на нерастворимом аноде

5. Высокая чистота получаемого металла.

6. Попутное извлечение из сырья, кроме цинка, других полезных компонентов: серы, кадмия, меди, свинца, редких, рассеянных, благородных металлов и др.

7. Возможность полной механизации и автоматизации технологических процессов.

Цели первой операции, непосредственно гидрометаллургического цикла - выщелачивательного передела - максимально возможное растворе­ние цинка из исходного материала и отделение его от сопутствующих компонентов. В соответствии с этой основной задачей на цинкэлектролитных заводах решают вопросы о требуемом качестве сырья, о характере и режиме его обжига, о схеме и режиме выщелачивания, а также в известной степени и об аппаратурном оформлении процесса. Это достигается на основе кислотно-основных взаимодей­ствий, вызывающих кислотное растворение оксидов металлов (главным образом цинка) и осаждения сопутствующих компонентов (главным об­разом железа и кремнезема), растворяющихся вместе с цинком.

Выщелачивание — избирательное растворение и всегда дает нераство­римый остаток (кек). Поэтому не только указанные выше химические процессы обеспечивают отделение цинка от сопутствующих компонентов, но и физический процесс разделения жидкой и твердой частей пульпы, образующейся при выщелачивании.

Выщелачивание — гибкий процесс; изменением условий его осущест­вления можно достичь желательной степени и скорости извлечения цинка в раствор, а также нужной степени и скорости разделения цинка и сопутст­вующих компонентов. Чем полней и быстрей достигаются указанные показатели, тем сложней выщелачивание. Поэтому выщелачивательный пе­редел в гидрометаллургии цинка наиболее многообразный и может быть весьма сложным.

Растворителем при выщелачивании в гидрометаллургии цинка служит серная кислота. Общий принцип выщелачивания заключается в замкну­тости технологического цикла, который состоит из сернокислотного вы­щелачивания цинкового окисленного материала и регенерации H2SO4 при электролизе раствора ZnS04 с возвратом регенерированной H2SO4 в виде отработанного электролита на выщелачивание. В этом цикле должен сохраняться материальный баланс по всем компо­нентам: сколько в раствор переходит каждого компонента, столько его надо выводить из раствора, чтобы ни один компонент не накапливался в растворе.

Основными материалами для выщелачивания в металлургии цинка служат (в порядке уменьшения перерабатываемых количеств): огарки, возгоны, концентраты окисленных руд, сульфидные концентраты. Эти материалы различаются по вещественному составу и поэтому схемы их выщелачивания и режимы отдельных операций для них различны.

Обожженный цинковый концентрат содержит свободную окись цинка и некоторое количество соединений цинка, обладающих меньшей скоростью растворения в кислоте, чем окись цинка. Скорость выщелачивания обожженного концентрата при перемешивании с растворителем в основном определяется величиной поверхности твердой фазы и концентрацией серной кислоты в растворе.

Применяют различные по температурным и концентрационным усло­виям типы выщелачивания: нейтральное, кислое, горячее кислое, горячее высококислое, автоклавное. Те или иные совокупности указанных типов выщелачивания (кроме автоклавного) используют как последовательные стадии выщелачивательного передела так, чтобы передача твердого мате­риала и раствора от стадии к стадии была противоточной. При этом непре­менно конечный раствор получают на нейтральной стадии выщелачивания, а конечный твердый остаток (кек) — на стадии с наибольшей кислотно­стью и температурой раствора в пределах выбранной схемы. Таким обра­зом, технологические схемы выщелачивания могут быть одно-, двух-, трехстадийными и т.д.

По назначению технологических схем можно выделить выщелачивание с неполным и выщелачивание с полным растворением цинка.

Технологическая схема выщелачивания с неполным растворением цин­ка ограничивает растворение железа и кремнезема пре­делами, исключающими осложнения при разделении пульп, которые вызы­вают образование гелей этими компонентами. Схема такого типа может быть одностадийной (нейтральное выщелачивание) или двухстадийной (нейтральное и кислое выщелачивание). Продуктами такого выщелачи­вания являются цинковый раствор и цинковый кек, содержащий трудно-растворимые формы цинка, свинца, железа, кремнезема и породообразующих компонентов. Раствор после гидролитической очистки подвергают электролизу, а кек перерабатывают пироспособом. Нейтральное выщелачивание должно заканчиваться при рН = 4,8-5,4, чтобы обеспечить тонкую гидролитическую очистку раство­ра. Необходимость такой очистки делает непременной стадию нейтраль­ного выщелачивания в любой схеме выщелачивательного передела для цинкового огарка.

Технологическая схема выщелачивания с полным растворением цинка не ограничивает степени растворения железа (вредное влияние кремнезе­ма при значительном увеличении кислотности и температуры, характер­ном для этого типа схем, уменьшается). Схемы такого типа всегда много­стадийны и могут включить все из перечисленных выше типов выщелачивания, но непременно нейтральное и горячее кислое выще­лачивание, а также грубую гидролитическую очистку цинковых растворов от значительных количеств железа. Продуктами такого выщелачивания являются цинковый раствор, свинцовые и железистые кеки. Железистые кеки - продукт грубой гидролитической очистки раствора. Свинцовый кек является остатком от выщелачивания по схемам рассматриваемого типа и содержит, кроме PbS04 и благородных металлов, также SiO2 и другие компоненты пустой породы. Свинцовые кеки перерабатывают в свинцовом производстве по основной технологии, а железистые кеки по­ка отправляют в отвал.

Между стадиями выщелачивания, а также грубой гидролитической очистки непременно проводят стадии разделения пульпы (отстой, филь­трация).

Условия выщелачивания цинковых огарков существенно различаются по конечной кислотности растворов (от 200 г/дм3 до рН =4,8-5,4) и тем­пературам (от 45 до 95 °С). Индивидуальная характеристика каждого типа выщелачивания будет приведена далее.

Для окисленных руд применяют выщелачивание, аналогичное нейтраль­ному выщелачиванию огарка, а отдельно потому, что руду об­рабатывают на месте добычи из-за нерентабельности дальних перевозок. Наиболее частым осложнением выщелачивания руды является высокое содержание кислоторастворимого SiO2. Специфика выщелачивания возгонов обусловлена повышенным содержанием в них вредных примесей.

Особое место занимает автоклавное выщелачивание сульфидных кон­центратов. Оно совмещает окисление сульфидного и растворение окис­ленного цинка. Окисление осуществляют кислородом, растворенным в сернокислом водном растворе. Продукты окисления — элементарная се­ра и гидроксид цинка. Последний растворяется кислотой. Автоклавное выщелачивание проводят при 145—155°С и Р=60-70 кПа. Продукты этого выщелачивания — свинцовый и железистый кеки, элементарная се­ра и цинковый раствор. В растворе от выщелачивания цинковых материа­лов всегда содержится Fe(II). Его необходимо окислить, чтобы гидроли­тическим осаждением очистить раствор от железа. Этот процесс имеет большое значение в гидрометаллургии цинка.

Извлечение цинка в раствор при выщелачивании с неполным растворением цинка составляет 75-90 %, а при выщелачивании с полным растворением 92—99 % (в зависимости от числа стадий, режимов выщелачивания и состава огарка). Цинковый раствор, полученный при выщелачивании, должен иметь ограниченное содержание следующих примесей, мг/дм3: Feобщ 15-50; Fe(II) 8-30; As 0,1-0,3; Sb 0,l-2.0, а также твердой взве­си 800 - 2000. Содержание цинка в растворе обычно находится в пределах 130 - 170 г/дм3, а содержание других, загрязняющих цинк примесей, кор­ректируется или составом приготовленной из концентратов шихты, или следующими после выщелачивания операциями по очистке раствора.

Чем мельче зерна обожженного концентрата, тем быстрее происходит процесс выщелачивания. Поэтому практически процессу выщелачивания всегда предшествует классификация обожженного концентрата, т.е. выделение из него крупных частиц, так называемых песков, которые либо измельчают, либо выщелачивают в отдельном цикле при высокой остаточной концентрации серной кислоты.

В зависимости от применяемой на заводе схемы выщелачивания обожженного концентрата, непрерывной или периодической, выбирают и способы классификации. При непрерывной схеме выщелачивания может быть применена сухая и мокрая классификация обожженного концентрата, при периодической схеме выщелачивания применение мокрой классификации невозможно.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...