База рефератов

Введение

Целью данного дипломного проекта является изучение и анализ производства медного купороса, основанного на переработке отработанного передаточного электролита цеха электролиза меди.

В ходе работы над дипломным проектом был сделан анализ работы аппарата растворения (оксидизера) для растворения гранулированной меди и получения насыщенных растворов сернокислой меди. В результате использования большого количества сжатого воздуха и пара для растворения меди в оксидизере, возникла необходимость внести изменения в технологическую схему, то есть произвести замену аппарата растворения на аппарат колонного типа с целью снижения выхода меди в зашламленные гранулы, снижение расхода энергоносителей.

На протяжении многих десятилетий целями ОАО «Уралэлектромедь» являются:

– быстрое получение прибыли;

– расширение доли предприятия на рынке;

– повышение качества и номенклатуры выпускаемой продукции;

– разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий      

производства.

Указанные направления в результате обеспечат экономическую устойчивость и конкурентоспособность продукции ОАО «Уралэлектромедь» на российском и мировом уровне.

В настоящее время ОАО «Уралэлектромедь» является лидером на рынке сбыта медного купороса.

Потребителями медного купороса являются: фирма VISTHON TRADING CORPORATION LTD, Бему; фирма TRISTAR Marketing Associates Limited, Нидерланды, Китай, Молдова, город Кишинев, Германия, Польша, Испания, Канада и другие.

Предлагаемый медный купорос имеет большой спрос на мировом рынке. Это продиктовано тем, что этот продукт является основным сырьем для получения искусственных волокон, органических красителей, минеральных красок, используется в качестве удобрения, как составная часть ядохимикатов.

Расположение предлагаемого производства в условиях ОАО «Уралэлектромедь» также дает ряд преимуществ:

Во-первых производство медного купороса основано на переработке отработан-ного электролита цеха электролиза меди и медных гранул, то есть источниками исходного сырья являются цеха, расположенные на территории данного предприятия, что, в свою очередь, приводит к снижению затрат на транспортировку, закуп сырья и т. д.

Во-вторых большой спрос на медный купорос объясняется отсутствием товаров заменителей, что делает предлагаемый продукт уникальным.

ОАО «Уралэлектромедь» придерживается следующей политики в отношениях с конкурентами: «Привлечь потребителя лучшим качеством и умеренной ценой» [1].

1. Обзор литературных источников

Основным сырьем для получения медного купороса служат серная кислота и медь: медный лом или отходы металлообрабатывающей промышленности – стружка, опилки и т. д., а также отходы или полупродукты металлургии меди – белый матт и окись меди, ватержакетная пыль, шлаковые отходы, электролитные растворы медеэлектролитных заводов, цементная медь, извлекаемая из рудничных вод, из колчеданных огарков и др.

Важным видом сырья для получения солей меди является ватержакетная пыль, представляющая собой тонкий порошок и содержащая 0,5 – 5 % Cu в форме сульфида и сульфата, 40 – 50 % Fe, 3 – 6 % Al₂O₃, 3 – 6 % Zn, до 15 % S,

7 – 10 % SiO₂ и др. Перспективным видом сырья являются шлаковые отходы медеплавильных заводов, накапливаемые в течение многих лет в виде отбросов. Медь в этих отходах содержится в окисной, сульфидной и силикатной формах, а также в форме металла и ферритов. Примерный состав 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 % прочих примесей.

Большим резервом сырья для производства солей меди являются накапливаемые массы огарков от обжига колчедана на сернокислотных заводах. 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 диктуется условиями их использования металлургической промышлен – ностью в качестве заменителя железной руды.

Указанные виды сырья в основном перерабатывают в медный купорос, который, помимо непосредственного употребления, служит также исходным материалом для получения всех других солей меди.

Способы производства медного купороса различают главным 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, содержащих незначительное количество меди, переработка которых на металлическую медь плавкой в печах является неэкономичной;

д) из колчеданных огарков и других отходов;

е) из отбросных электролитных растворов медеэлектролитных заводов.

За рубежом основными производителями медного купороса являются Франция и Италия, где в качестве сырья используют главным образом медный лом и окисленные руды. В отличие от этого в США используют в основном электролитные щелоки, из которых производят больше половины всех солей и препаратов меди.

1.1 Производство медного купороса из медного лома

В отсутствие окислителей, в частности кислорода воздуха, в разбавленной серной кислоте медь практически не растворяется. Она с достаточной скоростью растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, но осуществлять этот процесс не рационально, так как при этом половина затрачиваемой кислоты восстанавливается до SO₂, окисляя медь в окись меди, которая и растворяется в серной кислоте, образуя медный купорос. Схема этого 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 меди производят кислородом воздуха одновременно с процессом «натравки», то есть растворения в серной кислоте. Медный лом предварительно переплавляют для рафинирования (очистки от примесей Fe, Zn, Al, Pb и др.) и придания ему формы, удобной для растворения – пустотелых гранул, обладающих большой поверхностью, что ускоряет растворение в кислоте в 5 – 10 раз.

1.1.1 Очистка и грануляция медного лома

Чистая медь плавится при 1084⁰С, а в присутствии примесей – при более низкой температуре. Примеси летучих металлов и окислов – металлический цинк, трехокиси мышьяка и сурьмы – удаляются при нагревании меди до ее расплавления. При расплавлении медь окисляется до закиси меди, устойчивой выше 1100⁰. Закись меди накапливается на поверхности расплавленной меди в твердом (до 1200⁰С) и в жидком (выше 1235⁰С) виде и частично растворяется в меди, а затем вступает во взаимодействие с примесями, например:

Cu₂O + Fe = FeO + 2 Cu         (4)

По мере расходования растворенной закиси меди новые ее количества переходят с поверхности в раствор, и медь подвергается дальнейшему окислению.

Образующиеся окислы железа, магния, кальция и других металлов не растворимы в меди и переходят в шлак, всплывающий на поверхность металла. Вследствие взаимодействия закиси меди с некоторыми окислами (например, с окисью железа с образованием феррита меди) часть ее также переходит в шлак и содержание в нем Cu₂O достигает 30–40 %.

После окисления, ошлакования примесей металлов и удаления шлака температуру в печи немного снижают с целью окисления присутствующей в меди полусернистой меди:

Cu₂S + 2 Cu₂O↔ 6 Сu + SO₂ (5)

Эта реакция протекает бурно, и выделяющаяся двуокись серы увлекает брызги меди с образованием «медного дождя» («кипение» массы).

В производстве медного купороса дальнейшая очистка меди не требуется, а присутствие в ней кислорода и двуокиси серы необходимо для получения пористых и пузыристых гранул. Растворимость газов в расплавленной 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 на быстром выделении газов при внезапном охлаждении и затвердевании расплавленной меди. Это осуществляется выливанием ее тонкой струей в холодную воду.

Серы, содержащейся в меди, обычно недостаточно для образования полных гранул. Поэтому в период «кипения» расплава в него добавляют некоторое количество полусернистой меди или комовой серы (1 – 1,5 %). Образующаяся при этом двуокись серы растворяется в меди, а при ее грануляции выделяется и раздувает капли меди в пустотелые шарики с тонкими стенками.

1.1.2 Растворение меди в серной кислоте (натравка)

При взаимодействии гранул меди с разбавленным раствором серной кислоты, содержащим также сульфат меди, в присутствии воздуха, кислород воздуха растворяется в кислоте, диффундирует к поверхности меди и окисляет 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 окисляется в сульфат окиси меди:

2 Cu₂SO₄ + 2 Cu₂SO₄ + O₂ = 4 CuSO₄ + 2 (8)

Общая скорость процесса лимитируется наиболее медленной его стадией – окислением меди до закиси меди. Это объясняется малой растворимостью кислорода и медленной его диффузией к поверхности гранул меди. Процесс значительно ускоряется, когда в растворе уже присутствует медный купорос.

Повышение температуры, как и в других случаях, ускоряет химические реакции, но вызывает уменьшение растворимости кислорода, что замедляет окисление. Поэтому в натравочной башне поддерживают температуру не выше 80–85⁰С. При этом на окисление меди используется приблизительно ¼ кислорода, поступающего в башню с воздухом, расход которого составляет около 1000 нм³ на 1 тонну медного купороса.

Растворимость кислорода уменьшается с ростом концентрации CuSO₄ в растворе. Поэтому при повышении концентрации CuSO₄ скорость растворения меди сначала увеличивается за счет каталитического действия CuSO₄, а затем уменьшается вследствие недостатка кислорода. Максимум скорости растворения наблюдается при концентрации 120 г./л CuSO₄ (для раствора, содержащего ~ 110 г./л H₂SO₄). Но даже при содержании в растворе 300 г./л CuSO₄ скорость растворения меди в 1,6 раза больше, чем в отсутствие медного купороса. С увеличением концентрации серной кислоты растворимость кислорода в ней уменьшается, но усиливаются ее окислительные свойства. Поэтому повышение кислотности раствора вызывает не очень большое уменьшение скорости растворения меди – всего на 10 % при повышении концентрации H₂SO₄ с 2,5 до 20 %. Растворение меди значительно ускоряется в присутствии в растворе ионов железа вследствие 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 ~110 г./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 при растворении меди раствор с серной кислотой и вследствие растворения оставшихся в меди примесей. Содержание сульфатов железа в растворе непрерывно возрастает и достигает иногда

70 г./л и более. Вследствие этого при кристаллизации медного купороса выделяется также и сульфат железа, загрязняющий продукт. Поэтому, когда концентрация железа в растворе становится столь большой, что создается опасность получения нестандартного по содержанию железа медного купороса, раствор полностью выводят из обращения.

Существенным является обеспечение равномерного орошения (смачивания) гранул меди раствором. В местах, плохо орошаемых кислотой, образовавшаяся окисная пленка растворяется не полностью, вследствие малой своей растворимости кристаллизуется из раствора и цементирует при этом гранулы и шлам.

1.1.3 Производство медного купороса из медного лома

Производство медного купороса из медного лома делится на три стадии:

1) получение гранулированной меди; 2) получение раствора сульфата меди;

3) кристаллизация и сушка медного купороса.

Получение гранулированной меди

Медный лом («тяжелую» медь) плавят в медеплавильной печи. Проволоку, стружку, высечку и т. п. («легкую» медь) перед подачей в печь брекетируют. Плавку лома ведут обычно в пламенных печах из огнеупорного шамотного кирпича, отапливаемых мазутом.

Плавка меди в печи продолжается, в зависимости от количества примесей, 4,5 – 6 часов. После удаления шлака в «кипящую» медь забрасывают серу, затем ее выпускают тонкой струей в воду, находящуюся в гранулировочном бассейне. Он представляет собой бетонированную яму, высотой 1,6