Переработка отработанного электролита на медный купорос

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Металлургия цветных металлов»

Переработка отработанного электролита на медный купорос

 

 

 

 

 

 

 

                                                                        Преподаватель: Колмачихина О.Б.

                                                        Студент: Абраменко Е.Э.

                                               Группа: Мт-320101

 

 

 

 

Екатеринбург 2014

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Медный купорос – сульфат меди (медь сернокислая пятиводная). Химическая формула CuSO4·5H2O. Молекулярная масса 249,68 г/моль. Окрашен в ярко-синий цвет, на воздухе медленно выветривается, покрываясь белым налетом; хорошо растворим в воде. Относится к веществам 2-го класса опасности.

Медный купорос имеет широкую область применения:

1) металлургическая промышленность (гальваника);

2) блестящее никелирование;

3) для получения некоторых химических соединений служит исходным сырьем;

4) строительство, ремонтные  работы – для ликвидации плесени, пятен ржавчины, для нейтрализации  последствий разных протечек;

5) сернокислая медь  включена в состав некоторых  минеральных красок;

6) садоводство и сельское  хозяйство;

7) животноводство и  др.

Способы производства медного купороса различают главным образом по видам применяемого сырья:

1) из медного лома  и отходов меди (стружки, высечки, проволоки, опилок и т. п.) с окислением  меди кислородом воздуха, электролизом  или раствором хлорной меди;

2) из окиси меди, получаемой  из белого матта;

3) из окиси меди и  сернистого газа;

4) из окисленных медных  руд, содержащих незначительное  количество меди, переработка которых  на металлическую медь плавкой  в печах является неэкономичной;

5) из колчеданных огарков  и других отходов;

6) из отбросных электролитных  растворов медеэлектролитных заводов.

 

Основные схемы переработки отработанного электролита в купоросном отделении цеха электролиза меди

 

 

Основное сырье, используемое для производства медного купороса

 

В производстве медного купороса в качестве основного сырья используется раствор цеха электрорафинирования меди, промышленный раствор, оборотные растворы и медные гранулы.

Раствор передаточный ЦЭМ представляет собой отработанный электролит ЦЭМ, полученный после электролитического рафинирования меди, направляемый в купоросный цех. Содержание золота и серебра в передаточном растворе ЦЭМ определяют, но не нормируют. Зашламленность раствора должна быть не более 0,010 г./дм3.

Раствор промышленный – конденсат ЦЭМ, представляет избыток конденсата из теплообменников, направляемый в гидрометаллургическое отделение химико-металлургического цеха. Обеспечивает получение осветленных растворов.

Оборотные растворы – промывные воды, закачиваемые в аппараты для корректировки концентраций исходных растворов, их состав не нормируют и не определяют. Это могут быть промывные воды медного отделения, раствор с узла подготовки никелевого отделения.

Медные гранулы – гранулы, применяемые на начальной стадии получения медного купороса.

Процесс переработки

 

Медные аноды, получаемые в медеплавильном цехе, подвергаются электролитическому рафинированию в цехе электролиза меди (ЦЕМ). В процессе электролиза медь осаждается на катод, часть примесей переходит в электролит. Продуктом электролитического рафинирования являются медные катоды. Часть медных катодов является товарной продукцией, часть направляется в дальнейшую переработку. Электролит, обогащенный примесями, передается на переработку в купоросный цех. В электролите присутствуют примеси NiSO4, As2O3, FeSO4, ZnSO4, CaSO4 и др. Количество выводимого раствора зависит от степени загрязнения рафинируемой меди. Переработка его на медный купорос является наиболее экономичным способом утилизации, так как стоимость последнего выше, чем стоимость затраченных на его производство меди и серной кислоты.

Так как при электролизе количество меди в циркулирующем электролите постепенно повышается, то для поддержания его на постоянном уровне из ванн отводится такое количество раствора, которое соответствует количеству накопившейся в нем меди. Часть электролита, выводимая ежесуточно из ванн, составляет 1,5-2,0, а иногда и 5% от общего его количества.

Производство медного купороса включает в себе следующие последовательные стадии:

1. Получение насыщенных растворов  и нейтрализация серной кислоты;

2. Выпарная вакуум-кристаллизация;

3. Разделение суспензии медного  купороса и обработка кристаллов;

4. Затаривание и упаковка.

Первая стадия - получение насыщенных растворов сернокислой меди. Процесс производят путём связывания свободной серной кислоты, присутствующей в передаточном растворе цеха электрорафинирования меди и оборотных растворах купоросного производства, с медью в виде мелких гранул.

Химизм реакций растворения меди:

1) сначала идет процесс  окисления гранулированной меди  за счет кислорода, растворенного  в кислоте:

4 Cu + O2 = 2 Cu2O;

2) оксид меди растворяется в серной кислоте с образованием ионов одновалентной меди:

Cu2O + 2 H+ = 2 Cu+ + H2O;

3) Ионы одновалентной  меди окисляются кислородом воздуха  с образованием ионов двухвалентной  меди:

4 Сu+ + O2 + 4 H+ = 4 Cu2+ + 2 H2O;

4) Суммарное уравнение  реакций в молекулярной форме  имеет вид:

Cu + H2SO4 + 1/2 O2 = Cu SO4 + H2O.

Растворение меди осуществляется путём загрузки гранул в аппараты нейтрализации колонного типа, подогреваемые паром. Циркуляция осуществляется за счёт подачи в раствор сжатого воздуха. Образующаяся воздушно-жидкостная эмульсия вытесняется вверх по центральной трубе аппарата раствором, подводящимся по боковой трубе. Скорость циркуляции (объемный расход) поддерживается на уровне от 15 до 30 м3/ч путем регулировки подачи воздуха.

Вторая стадия - выпарная вакуум-кристаллизация. Процесс организован в 3 стадии. Первые две производят медный купорос продукционный, а на третьей  получают медный купорос некондиционный, который отправляется в начало процесса.

Исходный раствор из напорного бака самотёком подают в нижнюю часть вакуум-кристаллизатора. Под давлением напора перегретый маточный раствор, вытекая из сопла струйного насоса, подсасывает суспензию, циркулирующую в аппарате. Поступающий исходный раствор и образовавшаяся смесь поднимаются по центральной циркуляционной трубе вверх и на выходе из неё вскипают. Образовавшиеся кристаллы частично отводятся из вакуум-кристаллизатора. На процесс оказывают влияние температура и растворенные примеси. В выпарном вакуум-кристаллизаторе поддерживается разряжение не менее 092-098 кПа. Суспензию из аппарата, при достижении концентрации 15-25%, сливают в бак-мешалку и закачивают в механические кристаллизаторы для сбора суспензии.

Третья стадия - разделение суспензии медного купороса и обработка кристаллов. Отделение кристаллов медного купороса от маточного раствора и промывку кристаллов производят на центрифугах, в основе работы которых лежит принцип фильтрации под действием центробежных сил. Для отделения маточного раствора II стадии кристаллизации от нерастворимых примесей дополнительно проводят фильтрацию раствора на рамном фильтр-прессе. Отфильтрованный маточный раствор направляют в бак маточного раствора, а кек после выгрузки фильтр-пресса - на площадку хранения медьсодержащих отходов. Кристаллы с I и II стадий кристаллизации отправляют на сушку, а с III стадии - растворяют конденсатом в агитаторе при постоянном перемешивании и нагреве паром через рубашку агитатора. Сушку кристаллов проводят горячим воздухом в барабанной сушилке, откуда купорос поступает на автоматическую линию упаковки и пакетирования или на узел затаривания готового продукта. Для получения мелкодисперсного купороса от общей массы на двуситовой сортировке отделяют мелкую фракцию кристаллов.

Купоросный цех – вспомогательное звено завода, а не основное, как цех электролиза меди, где происходит операция электролитического рафинирования анодов. Тем не менее, купоросный цех необходим для обеспечения стабильной работы цеха электролиза меди и получения качественной катодной меди. Также за счет этого цеха обеспечивается защита окружающей среды.

Готовый медный купорос в соответствии с ГОСТ 19347-99 имеет следующие физико-химические показатели:

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

 

Факторы, влияющие на скорость процесса растворения и качество получаемого медного купороса

 

1) Поверхность меди. Процесс растворения меди в серной кислоте является гетерогенным, при котором скорость прохождения реакции прямо пропорциональна поверхности контакта твердой и жидкой фаз: медь – серная кислота. Кислород, проходя через слой орошающей жидкости, достигает поверхности меди и вступает с ней во взаимодействие. Поэтому, чем больше площадь соприкосновения меди с кислородом, тем выше скорость реакции.

2) Температура процесса растворения. Повышение температуры раствора действует на процесс растворения меди в двух противоположных направлениях. С одной стороны, с повышением температуры скорость растворения меди возрастает (особенно в интервале от 60 до 75 0С). С другой стороны, с повышением температуры раствора, растворимость кислорода в нем уменьшается и примерно при 95 0С кислород почти совсем перестает растворяться, уменьшается и скорость окисления и растворения меди. Повышение температуры влечет за собой повышенный расход пара. Поэтому температура раствора при растворении меди должна быть от 75 до 95 0С.

3) Кислотность раствора. При содержании свободной серной кислоты в конечном нейтрализованном растворе менее 3 г/дм3 наблюдается интенсивная реакция гидролиза с образованием нерастворимых комплексных мышьяковистых соединений, и если раствор не фильтровать, то это приведет к повышенному содержанию мышьяка и нерастворимого осадка в готовом продукте и снижению его качества. Повышенная кислотность насыщенного раствора (8 – 12) г/дм3 приводит к увеличению расхода пара, снижению извлечения меди в медный купорос, повышенному износу оборудования.

4) Содержание ионов  меди в растворе. Присутствие сернокислой меди в кислом растворе ускоряет процесс образования соли медного купороса. Сернокислая медь, находящаяся в растворе, взаимодействует с поверхностью меди и переходит в раствор в виде закисной соли. Закисная соль соприкасается с кислородом, растворенным в кислоте, и переходит снова в окисную соль. Но по мере увеличения концентрации сернокислой меди начинает ощущаться недостаточность кислорода в растворе и растворение замедляется.

Факторы, влияющие на процесс вакуум-кристаллизации

 

1) Температура. Повышение  температуры пересыщенного раствора  увеличивает скорость образования  кристаллических зародышей как  следствие уменьшения их критического  размера, а также и за счет  уменьшения гидратации ионов, что  облегчает объединение их в  зародыши. С повышением температуры  снижается поверхностное натяжение  между раствором и образующимся  зародышем и облегчается работа  по его образованию.