Изучение и анализ производства медного купороса (стр. 1 из 16)
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 VISTHONTRADINGCORPORATIONLTD, Бему; фирма TRISTARMarketingAssociatesLimited, 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.