Министерство образования и науки Республики Казахстан
Восточно-Казахстанский Государственный Технический Университет
им. Д. Серикбаева
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Металлургия свинца и цинка»
Тема: «Выщелачивание цинкового огарка»
Выполнил студент Группы 240740
Срок обучения 3г 10 мес Шифр:
Усть-Каменогорск, 2008 г.
Введение. 3
1. Расчет технологического процесса.. 6
2. Расчет теплового баланса выщелачивания.. 11
3. Расчет необходимого оборудования.. 15
Список литературы.. 17
Цинковая промышленность для получения металлического цинка пользуется двумя способами: пирометаллургическим и гидрометаллургическим. При пирометаллургическом (дистилляционном) способе цинковые концентраты предварительно обжигают, а затем нагревают их с углем в специальных ретортных печах. Под действием угля при высокой температуре цинк улетучивается в виде паров. Пары улавливаются и охлаждаются в сосудах, называемых конденсаторами, превращаясь в жидкий цинк. Получаемый этим способом цинк имеет низкое качество, так как загрязнен различными примесями. Недостатками метода также являются высокие расходы на топливо, ремонт оборудования, сложная подготовка материала, тяжелые условия труда.
Гидрометаллургический способ получения цинка появился намного позже пирометаллургического, однако за короткое время он получил широкое распространение, особенно в тех регионах, где имеется дешевая электроэнергия. Цинковая промышленность СНГ применяет в основном гидрометаллургический способ как наиболее прогрессивный.
Сущность гидрометаллургического способа производства цинка заключается в предварительном обжиге цинковых концентратов с последующей обработкой получаемого огарка слабым раствором серной кислоты с переводом цинка в раствор в виде сернокислой соли и электролитическом выделении металлического цинка из очищенных сульфатных растворов. Полученный катодный цинк переплавляется в электропечах и разливается в изложницы. По сравнению с дистилляционным методом, гидрометаллургический способ имеет много преимуществ. Основные из них: высокое извлечение и высокая чистота металла, комплексное извлечение металлов, механизация трудоемких процессов, улучшение условий труда.
Производственный процесс получения цинка гидрометаллургическим методом состоит из следующих стадий:
подготовка материала к обжигу;
обжиг концентратов;
классификация продуктов обжига;
выщелачивание продуктов обжига;
очистка растворов от примеси;
электролиз сульфатных растворов;
переплавка катодного цинка
Подготовка материала к обжигу требует соблюдения определенных условий их транспортировки и хранения. Для получения расчетного соотношения частей в шихте необходимо раздельное хранение разных сортов на складе.
Цель обжига сульфидных цинковых концентратов – перевод сернистых соединений цинка в окисленные, удаление серы и получение продукта, пригодного для выщелачивания.
Полученный огарок направляется на выщелачивание, цель которого – возможно полное извлечение в раствор цинка и других ценных компонентов огарка при минимальном загрязнении раствора вредными примесями. Растворителем служит слабый раствор серной кислоты. При перемешивании огарка с кислотой происходит растворение окиси цинка и частично окислов других металлов. В раствор переходит цинк, кадмий, железо, медь, мышьяк, сурьма, индий и другие. Нерастворимые соединения (окись железа, сульфат свинца, и другие) остаются в твердом остатке – цинковом кеке. Цинковый раствор отделяют отстаиванием или фильтрацией и подают на очистку от примесей, а кек промывают и направляют на дальнейшую переработку.
В качестве аппаратов для выщелачивания применяют чаны с пневматическим или механическим перемешиванием. Каждая операция выщелачивания состоит из: загрузки кислоты, оборотных растворов и огарка, перемешивание, выгрузка пульпы. На современных заводах используется двухстадийная схема выщелачивания. На первой стадии происходит нейтральное выщелачивание, на второй – кислое. Двухстадийное выщелачивание позволяет провести более полный перевод примесей в кек.
Чистота растворов имеет важное значение для всего гидрометаллургического передела.
Присутствующие в растворе примеси можно разделить на несколько групп:
железо, медь, мышьяк, сурьма, кремнезем, олово, талий – удаляются из раствора гидролизом, соосаждением, адсорбцией и коагуляцией;
медь, кадмий, кобальт, талий – удаляются методом цементации;
кобальт, хлор, фтор – удаляются методом химической очистки с образованием нерастворимых соединений;
калий, натрий, магний, марганец накапливаются в растворах. Избавиться от них можно только путем вывода части раствора из производственного цикла.
Электролиз – завершающая стадия гидрометаллургического производства цинка
Целью электролиза является получение катодного цинка из раствора. Показатели электролиза зависят от качества выполнения предыдущих операций. Очищенный нейтральный раствор сульфата цинка с содержанием цинка 100-150 г/л непрерывно подается в электролизные ванны. Аноды ванны выполнены из свинца, катоды – из алюминия. В ходе электролиза раствор обедняется цинком и обогащается серной кислотой. Отработанный электролит поступает на выщелачивание.
Полученные при электролизе листы катодного цинка отвечают требованиям по химическому составу всех потребителей. Предусматривается выпуск цинка в чушках. Чушковый металл получают методом переплавки катодного цинка. Для переплавки применяют электрические индукционные низкочастотные печи.
Произвести металлургический расчет процесса, составить материальный баланс, осуществить конструктивный расчет и выбор основного оборудования процесса выщелачивания огарков.
Состав огарка,%: ZnO 64,0; ZnSO4 11,4; ZnS 1,5; PbO 2,0; PbSO4 1,6; CuO 2,2; CdO 0,4; Fe3O4 0,8; Fe2O3 8,6; CaSO4 0,6; SiO2 5,9; прочие – 1,6.
Производительность 400 т/сут.
1 Расчет материального баланса
Подсчитаем выход и состав цинковых кеков – твердых остатков от выщелачивания. Принимаем, что при выщелачивании:
цинк в виде ZnО и ZnSО4 растворяется полностью,
цинк в виде ZnS остается в кеке,
медь наполовину растворяется и наполовину остается в кеках,
кадмий полностью растворяется,
PbO сульфатезируется полностью,
Fe3O4 и Fe2O3 остаются в кеке.
Результаты подсчета химического и рационального состава цинковых кеков сведем в таблицу 6.
Таблица 6 – Рациональный и химический состав цинковых кеков, кг
| соединение | всего | В том числе | |||||||||
| Zn | Fe | Pb | SS | SSO4 | Cu | SiO2 | CaO | О2 | прочие | ||
| ZnSPbSO4CuOSiO2CaSO4Fe2O3Fe3O4Прочие | 1,54,321,15,90,68,60,81,6 | 1,0 | 6,00,58 | 2,95 | 0,5 | 0,460,14 | 0,88 | 5,9 | 0,25 | 0,910,220,212,60,22 | 1,6 |
| Итого | 24,42 | 1,0 | 6,58 | 2,95 | 0,5 | 0,6 | 0,88 | 5,9 | 0,25 | 4,16 | 1,6 |
Примем, что в цинковых кеках содержится 35% влаги, или:
24,42 * 35 / 65 = 13,15 кг Н2О
Количество влажных кеков:
24,42 + 13,15 = 37,57 кг
Всего в огарке цинка
51,42 кг в виде ZnО
4,62 кг в виде ZnSО4
1,0 кг в виде ZnS
Итого 57,04 кг
Не растворится при выщелачивании 1,0 кг цинка (1,8%). Количество растворенного цинка составит:
100 – 1,8 = 98,2%
Примем, что цинк, перешедший в дроссы при переплавке катодных осадков возвращается в процесс выщелачивания, и тогда на долю безвозвратных потерь можно принять 1,5%. Извлечение цинка в чушковый металл:
98,2 – 1,5 = 96,7%
Примем, что из катодного цинка 4% перейдет в дросс и 4% будет израсходовано для производства цинковой пыли.
Рассчитаем количество катодного цинка образуется на в сутки:
400 * 0,967 * 0,5704 = 220 т
Выход катодного цинка:
220 * 100 / 92 = 239 т
Суточное количество цинковых кеков определим из следующего соотношения:
Из 100 кг огарка получается 24,42 кг кеков
Из 400000 кг огарка получается х кг кеков
Х = 97680 кг или 97,68 т
Влаги в кеках содержится 35% или:
97,68 * 35 / 65 = 52,6 т
Суточное получение влажных кеков:
97,68 + 52,6 = 150,28 т
Для подсчета нейтрального раствора, поступающего на электролиз, необходимо задаться количеством цинка, осаждаемого с катодного литра раствора. Считаем, что в нейтральном растворе содержится 150 г/л Zn, а в отработанном электролите 45 г/л Zn и 158 г/л H2SО4. В этом случае с каждого литра раствора будет осаждаться на катоде:
150 – 45 = 105 г Zn
Поэтому ежесуточно потребуется пропускать через электролитные ванны:
239*103 / 105 = 2276,19 м3 нейтрального раствора
Т. к. плотность раствора при 200С равна 1380 кг/м3, то это составит:
2276,19 * 1380 = 3141142 кг нейтрального раствора
Для компенсации потерь серной кислоты в процессах выщелачивания и электролиза в обожженном концентрате оставляют некоторое количество сульфатной серы. Количество сульфатной серы в огарке:
11,4 * 32 / 161,38 = 2,26 кг в виде ZnSО4
Расход сульфатной серы, кг
На сульфатизацию в кеке:
PbO в виде PbSO4:
2,0 * 32 / 223,2 = 0,29
На растворение 0,74 кг Cu:
0,88 * 32 / 63,55 = 0,44
На растворение 0,4 кг CdО:
0,4 * 32 / 128,4 = 0,1
С 1,5% теряемого цинка в виде ZnSО4:
57,04 * 0,015 * 32 / 65,38 = 0,42
Итого 1,25 кг
Т. к. в процесс вводится 2,26 кг SSO4, то при расходе 1,25 кг добавлять серную кислоту в процесс не требуется.
Рассчитаем количество и состав медно-кадмиевых кеков. В течение суток в раствор перейдет
400 * 0,0088 = 3,52 т Cu
400 * 0,0035 = 1,4 т Cd.
Очистка растворов осуществляется по реакциям:
CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu
CdSO4 + Zn = ZnSO4 + Cd
Теоретический расход цинковой пыли составит:
Для осаждения меди 3,52 * 65,4 / 63,6 = 3,62 кг
Для осаждения кадмия 1,4 * 65,4 / 112,4 = 0,81 кг
Итого 4,43 т
Практически было принято, что 4% от всего катодного цинка будет расходоваться для этой цели, или:
239 * 0,04 = 9,56 т
Т. е. расход цинковой пыли будет примерно вдвое больше теоретически необходимого количества.