Содержание
Введение
1. Характеристика технологии получения цинка
1.1 Характеристика сырья для получения цинка
1.2 Технологические схемы получения цинка. Их описание и сравнение
1.3 Место и роль предварительного обжига в общей схеме
2. Описание заданного процесса
2.1 Характеристика материалов поступающих в процесс
2.2 Теоретические основы процесса
2.2.1 Оборудование. Аппаратная схема и описание
2.3 Практические основы процесса обжига цинковых концентратов
2.3.1 Химизм процесса обжига цинковых концентратов
2.3.2 Термодинамика процессов обжига цинковых концентратов
2.3.3 Кинетика процессов обжига цинковых концентратов
2.4 Усовершенствование процесса обжига цинковых концентратов
3. Расчет процесса обжига цинкового концентрата перед выщелачиванием
3.1 Расчет рационального состава концентрата
3.2 Расчет количества отходящих газов и воздуха для обжига
3.3 Расчет количества и состава пыли и огарка
3.4 Расчет теплового баланса процесса обжига цинковых концентратов
Список использованных источников
Введение
Источником получения цинка является рудное сырье, которое обычно находится в сульфидном состоянии, а цинк представлен преимущественно сфалеритом (ZnS). Руды всегда комплексные, содержат кроме цинка свинец, медь, железо, серебро и др. В последнее время используется вторичное сырье в странах с высоким потреблением.
Примерно 50% мирового производства цинка расходуется на покрытие железных изделий с целью защиты их от ржавления.
Более 30% всего производства в мире цинка употребляется на производство сплавов. Сплав цинка с медью и оловом называется бронзой. Различные сорта бронз широко применяют в машиностроении. Сплавы цинка с медью и никелем называют мельхиором и нейзильбером. Благодаря способности давать сплавы с серебром и золотом, цинк используется в металлургии для извлечения благородных металлов.
Цинковая пыль применяется для осаждения золота и серебра из растворов при их получении гидрометаллургическим путем, для очистки растворов от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка.
Оксид цинка широко используют при производстве резины и ее обработке. Он улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий. Широко используют чистый цинковый купорос при производстве кордоосных шин.
Соединения цинка, в частности его антимонид, используют в качестве интерметаллических полупроводников в приборах для превращения электрической энергии в тепловую. Антимонид цинка применяют также для точечного охлаждения детекторных приборов при изучении космоса.
В промышленности окисленный ZnS перерабатывают, получая ZnO гидрометаллургическим способом. При гидрометаллургическом способе получения цинка обжиг ведут с получением огарка порошка при температуре 800-10000С. Высокая дисперсность огарка способствует быстрому и полному выщелачиванию его в растворе серной кислоты.
Обжиг - гетерогенный процесс термической обработки цинкового сырья. Этот процесс был и остается основным способом окисления сульфидного сырья. Однако обширные исследования показали возможность окисления концентратов растворенным кислородом в подкисленных водных пульпах при T>1000С и Робщ>105 Па (автоклавные условия). Применительно к гидрометаллургической технологии это имеет свои достоинства: совмещение окисления и выщелачивания сырья, получение серы в элементарном виде и др. Но у этого способа есть существенные недостатки, сдерживающие его распространение. Таким образом, обжиг наиболее распространенный и используемый процесс.
В задачи данного курсового проекта входит рассмотрение процесса обжига цинковых концентратов перед выщелачиванием, обеспечивающего высокие технико-экономические показатели, расчет необходимых показателей, выбор основного оборудования для выполнения производственной программы, а также расчет материального и теплового балансов.
Главная задача обжига - быстрей, полней и с наименьшими затратами превратить сульфидный цинк в оксидный, из которого цинк рациональней восстанавливать. При этом огарок надо получить в таком состоянии, чтобы он был наиболее благоприятен для осуществления последующих стадий технологий и, в конечном счете, обеспечил высокие технико-экономические показатели производства в целом.
Характеристика технологии получения цинка
1.1 Характеристика сырья для получения цинка
Сырьем для получения цинка являются цинкосодержащие руды, которые в свою очередь делят на сульфидные и окисленные в зависимости от того, какими минералами представлены в них металлы. В сульфидных рудах цинк обычно находится в виде сфалерита ZnS (67.1% Zn), иногда вюртцита (63% Zn), реже - в виде марматита nZnS • mFeS.
Цинк обычно не образует самостоятельных руд, а входит в состав полиметаллических свинцово-цинковых или медно-свинцово-цинковых руд.
В этих рудах наряду со сфалеритом, присутствуют сульфиды свинца, меди, кадмия, марганца, серебра, мышьяка, сурьмы, кобальта. В сфалерите зачастую в виде примесей содержатся редкие элементы - индий, таллий, галлий и германий, а также золото в количестве от тысячных до сотых долей процента.
В сульфидных рудах цинк обычно находится в виде сфалерита ZnS (67.1% Zn), иногда вюртцита (63% Zn), реже - в виде марматита nZnS • mFeS. Содержание железа в марматите существенно влияет на извлечение цинка из сырья при пирометаллургическом производстве цинка. В окисленных цинковых рудах цинк присутствует главным образом в виде карбонатов и оксидов: ZnO (80.3% Zn), франклинита (Zn, Mn) O•Fe2O3 (6-18% Zn), виллемита 2ZnO • SiO2 (58.6% Zn), каламина 2ZnO • SiO2 • H2O (57.1% Zn), смитсонита ZnCO3 (52.1% Zn) и гидроцинкита 3Zn(OH)2 • 2ZnCO3 (47.6% Zn) с изоморфными примесями железа и меди. Из породообразующих компонентов в цинковых рудах содержатся кварц, глина, карбонаты кальция и магния, барит и другие.
Низкое содержание цинка (1-3%) и сложность состава цинкосодержащих руд обуславливают необходимость их предварительного обогащения. Селективная флотация полиметаллических руд обеспечивает получение высококачественных цинковых концентратов, содержащих,%: (51± 3.5) Zn; (32 ± 2.5) S; (8.0 ± 3.5) Fe; (0.2 ± 0.05) Cd; (1 ± 0.5) Cu; (2.5 ± 1.5) карбонатов и силикатов.
Содержания технологически важных компонентов в цинковых концентратах обычно укладывается 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 0.03-0.3; Sb 0.01-0.07; Co 0.001-0.013; In 0.001-0.07.
Таким образом, цинковые концентраты представляют собой комплексное сырье. Предприятиями освоено извлечение около 20 элементов с высокой экономической эффективностью.
Важнейшие минералы приведены в таблице 1.
Таблица 1
Главнейшие минералы цинка
| Минерал | Химическая формула | Содержание Цинка,% | |
| Сфалерит или цинковая обманка | ZnS | 67.1 | |
| Вюртцит | ZnS | 67.1 | |
| Марматит | nZnS•mFeS | 60.0 | |
| Цинкит (красная цинковая руда) | ZnO | 80.3 | |
| Ганит (цинковая шпинель) | ZnO•Al2O3 | 44.3 | |
| Франклинит | (Fe, Zn, Mn) O•(Fe, Mn2O3) | переменное | |
| Смитсонит | ZnCO3 | 64.8 ZnO | |
| Монгеймит | (Zn, Fe)CO3 | ||
| Гидроцинкит | 2•ZnCO3•3•Zn(OH)2 | переменное | |
| Аурихальцит | 2(Zn, Cu) CO3•(Zn, Cu) | - | |
| Виллемит | Zn2SiO4 | 73.0 ZnO | |
| Каламин | H2Zn2SiO2 | 67.5 ZnO | |
| Галмей | Смесь каламина и смитсонита | - | |
| Цинкозит | ZnSO4 | Редко встречается в природе | |
| Госларит… | ZnSO4•7H2O | 28.2 | |
1.2 Технологические схемы получения цинка. Их описание и сравнение
Для извлечения цинка из концентратов применяют два способа: пирометаллургический и гидрометаллургический. На данный момент основное количество цинка получают по гидрометаллургической схеме.
Принципиальная схема гидрометаллургического процесса приведена на рисунке 1.1.
Гидрометаллургический способ переработки обожженных цинковых концентратов заключается в растворении окиси цинка водным раствором серной кислоты и в последующем осаждении цинка электролизом. Поэтому гидрометаллургический способ называют иногда электролитическим. При производстве цинка электролизом цинковый концентрат предварительно подвергают окислительному обжигу. Полученный огарок выщелачивают отработанным электролитом, содержащим серную кислоту. Получаемый раствор сернокислого цинка очищают от вредных примесей и направляют на электролиз. При этом цинк осаждается на катоде, а в растворе регенерируется серная кислота, возвращаемая вновь на выщелачивание.
Если обжиг цинкового концентрата предшествует выщелачиванию, то целью его является возможно более полный перевод сернистого цинка в оксид цинка, растворимую в разбавленных растворах серной кислоты.
Выщелачивание огарка осуществляется отработанным электролитом, содержащим серную кислоту и получаемым при электролизе раствора цинка. В процессе передела неизбежны потери серной кислоты (как механические, происходящие вследствие потери раствора, так и химические, вызванные тем, что серная кислота непроизводительно затрачивается на растворение примесей). Эти потери пополняют тем, что получают в огарке некоторое количество сульфата цинка, легко растворяющегося в воде. Для этой цели достаточно бывает иметь в обожженном концентрате около 2-4% сульфатной серы.
Этим способом получают около 70% всего мирового производства цинка. Объясняется это тем, что электролитическим способом при хорошей механизации трудоемких процессов и высоком проценте извлечения получают цинк более чистый, чем дистилляционным. Кроме того, облегчается возможность комплексного использования ценных составляющих концентрата.
Сырьем является цинковый концентрат. В качестве исходного материала используют не только минеральное и вторичное, но также и цинкосодержащие продукты других производств: шлаки и пыли металлургических производств свинца, меди, олова, чугуна. Эти продукты гораздо бедней по цинку, чем цинковые концентраты и все же их включают в цинковое сырье. Цинковистые шлаки до недавнего времени считались отвальными продуктами, хотя в них содержится значительное количество цинка, особенно в свинцовых шлаках (10-17% цинка).
Технологическая схема получения цинка включает в себя обжиг, который проводят для получения огарка для последующего выщелачивания. Кроме огарка получают также и газ, который отправляют на переработку для получения серной кислоты, которая в свою очередь участвует в процессе выщелачивания. Полученный огарок-порошок отправляют на выщелачивание. Он должен удовлетворять следующим требованиям:
1. Иметь достаточно низкое содержание сульфидной серы (<0.1-0.3%).
2. Умеренное содержание растворимых сульфатов (<=2-4%).
3. Высокое содержание мелкой фракции (- 0,15мм).
4. Умеренное содержание ферритного и силикатного цинка.
Эти требования вытекают из технологических задач гидрометаллургической переработки огарка. Чтобы достичь указанных целей, необходимо подобрать подходящий состав исходной шихты, температуру и состав газовой фазы для обжига Большое значение имеет аппаратурное оформление.
Высокая дисперсность огарка способствует быстрому и полному выщелачивании его в растворе серной кислоты. Целью процесса является- максимально возможное растворение цинка из исходного материала и отделение его от сопутствующих компонентов. Это избирательное растворенное и всегда дает нерастворимый осадок (кек). Применяют различные по температурным и концентрационным условиям типы выщелачивания: нейтральное, кислое, горячее кислое, горячее высококислое, автоклавное. Продуктами являются цинковый раствор и цинковый кек, содержащий трудно растворимые формы цинка, свинца, железа кремнезема, и породообразующих компонентов.
Из очищенного раствора ZnSO4 металлический цинк получают путем электролиза. Этот передел по существу является завершающим технологию, так как после переплавки электролитически восстановленного цинка получают товарный металл. Электролиз наиболее дорогой передел в производстве цинка (51-56% общих затрат на технологические процессы). Поэтому восстановление окисленного цинка из раствора ZnSO4 c получением качественного металла при возможно низких затратах - основная цель электролиза.
Основными показателями процесса являются удельный расход электроэнергии, кВт/ч катодного цинка; выход цинка по току, т.е. к.п.д. использования тока, %; качество катодного цинка. Полученный металл проверяют на качество, маркируют и отправляют на реализацию или на другие цели.
Исторически первым способом был пирометаллургический (см. рис. 1.2).
Технология способа и аппаратурное оформление процесса связаны с особенностями восстановления цинка из оксида. Восстановление оксида цинка до металла углеродом и СО происходит при температуре 1000-1200°С, а температура кипения получаемого при этом цинка - 906°С.
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема гидрометаллургического способа получения цинка
Принципиальная схема пирометаллургического процесса приведена на рисунке 1.2.
Реакции восстановления,
ZnO + C? Znг + CO
ZnO + CO? Znг + CO2
сопровождаются выделением газообразного цинка, его возгонкой (дистилляцией). Компоненты пустой породы остаются при этом в твердом виде. Конденсацией паров можно получить жидкий металлический цинк.
Достоинствами пирометаллургической схемы получения цинка являются ее малостадийность, сравнительно высокое прямое извлечение цинка в металл (93%), использование высокопроизводительного оборудования непрерывного действия и возможность перерабатывать низкокачественное сырье с высоким содержанием железа, мышьяка, сурьмы и кремнезема.
Рисунок 1.2 - Принципиальная схема пирометаллургического способа получения цинка
Недостатки этой схемы - большой расход кокса (до 25% от массы агломерата), большой расход электроэнергии при использовании электропечей, малая комплексность использования сырья и получение цинка низших марок, требующего рафинирования. В настоящее время в мировой практике по пирометаллургическому способу получают не более 15% цинка. Эта технология обычно применяется для переработки бедных цинковых концентратов с высоким содержанием примесей железа, мышьяка, сурьмы, кремнезема и с невысоким содержанием редких металлов (кадмия, индия, таллия и других), а также при небольшом объёме производства и при потребности в цинке низших марок.
В настоящее время большое внимание уделяется более полному использованию составляющих цинксодержащего сырья, внедрению безотвальной технологии, получению цинка высших марок. Для решения указанных задач в производстве цинка используют гидрометаллургический метод переработки цинковых концентратов.
Таким образом, гидрометаллургическое получение цинка имеет ряд преимуществ перед пирометаллургическим:
1) большие возможности полно и комплексно перерабатывать сырьё;
2) с большей рентабельностью применим к бедному и сложному сырью;
3) используется удобный вид энергии - электрический;
4) требует меньших затрат энергии;
5) легче осуществимы природоохранные меры;
6) лучшие условия труда;
7) доступней механизация и автоматизация процессов;
8) получается цинк лучшего качества.
Перечисленные преимущества гидрометаллургии цинка особенно важны в современных условиях, когда обострился энергетический кризис, ужесточились экологические ограничения, потребовалось улучшение условий труда и сокращение ручного труда, возросла необходимость полно и комплексно использовать сырьё, которое становится бедней, сложнеё и дороже (стоимость цинкового концентрата составляет около 65% от общих затрат на производство).
1.3 Место и роль предварительного обжига в общей схеме
Обжиг является начальной стадией в гидрометаллургической схеме, так и в пирометаллургической. В нашем случае процесс будет рассматриваться по гидро- схеме, так как тема курсового проекта - обжиг цинковых концентратов перед выщелачиванием. Процесс обжига состоит в нагревании твердых зерен материала в контакте с другими веществами, обеспечивающими необходимые физико-химические превращения при соответствующей температуре, не допускающей заметного накопления жидкой фазы. Поскольку в процессе обжига происходит взаимодействие не менее чем двух фаз - твердой и газообразной, такие системы называются гетерогенными.
Сульфид цинка ZnS практически нерастворим в разбавленных кислотах. Выщелачивание его в концентрированной серной кислоте (60-65% H2SO4) возможно при 150-1700С. Перед выщелачиванием цинковые сульфидные концентраты подвергают окислительному обжигу, продукты которого хорошо растворимы в разбавленных растворах серной кислоты при низких температурах. Обжиг позволяет применить к переработке цинковых концентратов гидрометаллургическую технологию.
При осуществлении окислительного обжига цинковых концентратов стремятся получить огарок, как можно полнее соответствующий требованиям последующих гидрометаллургических процессов. Очень важно, чтобы продукт обжига был порошкообразным. Чем меньше порошок, тем выше скорость его выщелачивания. Обжиг следует вести с получением оксида ZnO и некоторого количества сульфата ZnSO4.
Обжиговые газы должны быть достаточно концентрированными по SO2 для получения серной кислоты контактным способом (? 3.5% SO2). Наиболее полно удовлетворяет требованием обжиг в печах кипящего слоя.
цинк обжиг концентрат выщелачивание