Апаратурне оформлення процесу

Основним апаратом у процесі електролітичного одержання алюмінію є електролізер (рис. 14.1)

Рис. 14.1 Схема електролізеру:

а)-ванна з анодами, що самообпалюються;

б)-блок з попередньо обпаленим анодом;

1 - кожух; 2 - вогнетривка футеровка; 3- футеровка із графітових плит; 4 - глинозем; 5-шар розплавленого електроліту; 6 - гарнісаж; 7- шар алюмінію; 8- робочий блок обпаленого анода; 9-струмопроводи; 10 – блок, що нарощується; 11 - кожух анодної маси; 12- анодна маса.

Електролізер складається із катодного і анодного пристрою. Катодний пристрій - це металічний кожух прямокутної форми із вогнетривкою ізоляцією, футерований із середини вугільними блоками. Нижні (подові) блоки є одночасно і струмопроводами для розплавленого алюмінію, що відіграє роль катода.

Анодний пристрій складається із вугільних анодів, частково занурених у розплавлений електроліт, і запресованих у них струмопроводів. У сучасних електролізерах використовують неперервні аноди двох типів: електроди, що самообпалюються і попередньо обпалені електроди.

Верхній твердий шар електроліту, що називається гарнісажем, утеплює ванну і знижкє витрати енергії.

Виробництво міді

Фізичні та хімічні властивості міді визначають галузі застосування металу в народному господарстві (табл.14.3).

Таблиця 14.3. Галузі використання міді

Властивості металу	Галузь використання
Висока електропровідність	Виготовлення дротів для електропередачі
Висока теплопровідність	Виготовлення хімічного обладнання (теплообмінники)
Легко піддається механічній обробці	Виготовлення художніх та побутових виробів і деталей
Стійкість до дії розбавлених H2SO4, HCl	Виготовлення різноманітного хімічного обладнання та посуду.

Сировиною для виробництва міді слугуює саморідна мідь, мідний блиск Cu₂S, мідний колчедан (халькопірит) CuFeS₂. Вміст міді в руді становить, як правило, 1-5%, шляхом флотаційного збагачення руду переводять у концентрат із вмістом 20% Сu. Концентрат переробляють на мідь двома способами: пірометалургійним та гідрометалургійним.

Пірометалургійний метод

Це найбільш поширений метод, використовується для переробки сульфідних руд. Хімізм процесу включає в себе наступні стадії:

І стадія: обпік концентратів з метою перетворення сульфідів феруму в оксиди і максимального збереження Cu₂S:

4 FeS + 7O₂ = 2Fe₂O₃ + 4SO₂

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

II стадія: плавка на штейн:

Cu₂S + 2FeO +SiO₂ = Cu₂S + 2FeO∙SiO₂

^{штейн шлак}

ІІІ стадія: Продувка штейну:

У реактор продувається повітря, відбувається завершальний етап шлакоутворення:

2 FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂

2FeO + SiO₂ = Fe₂SiO₄

^шлак

В реакторі після продувки повітря залишається лише купрум(І)сульфід Cu₂S.

IV стадія: продувка купрум(І) сульфіду повітрям:

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂ + 185 кДж

+

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂ – 38 кДж

3Cu₂S + 3O₂ = 6Cu + 3SO₂ + 147 кДж:3

Cu₂S + O₂ = 2Cu + SO₂ + 49 кДж

V стадія: рафінування міді:

Очистка міді відбувається двома способами: вогнева очистка та електролітичне рафінування міді.

Вогнева очистка передбачає доокиснення і видалення сторонніх домішок із чорнової міді. У разі проведення електролітичного рафінування міді, чорновий зразок виконує функцію анода і розчиняється за схемою:

Cu - 2ē = Cu²⁺

На мідному катоді відбувається процес відновлення катіонів Cu²⁺ до вільного металу: Cu²⁺ + 2ē = Cu⁰

Пірометалургійний метод одержання міді передбачає використання апаратів двох типів — печей відбивання та ватержакетних печей, що належать до апаратів шахтного типу, мають кожух, в який подається вода для охолодження.

Гідрометалургійний метод

Суть методу полягає у вилученні міді із руди різноманітними розчинниками(розбавленою нітратною кислотою HNO₃, ферум (ІІ) сульфатом FeSO₄, ферум(ІІ) хлоридом FeCl₂, амоніаком, амоній карбонатом (NH₄)₂SO₄) із наступним видаленням металу із розчину шляхом електролізу або безпосереднім витісненням його ферумом у вигляді цементної міді:

Cu²⁺ + Fe⁰ = Fe²⁺ + Cu⁰

Виробництво свинцю

Свинець – метал, що має високу питому вагу (ρ=11,3 г/см³), погану електро- і теплопровідність, низьку температуру плавлення, є м'яким і легко обробляється. З огляду на це, в народному господарстві використовується для виготовлення хімічної апаратури, електротехнічних кабелів, акумуляторів, для захисту від радіоактивного випромінення, виготовлення електротехнічних запобіжників та підшипників.

Сировиною для виготовлення свинцю слугують руди: галеніт або свинцевий (PbS) та церусит або біла свинцева руда (PbCO₃).

В наш час свинець одержують головним чином обпіково-відновлювальною плавкою:

І стадія: обпік руди

2PbS + 3 O₂ = 2PbO + 2SO₂

PbCO₃ = PbО + CO₂

Процес іде вже за температурою 400°С, але для прискорення швидкості реакції та запобігання утворенню плюмбум(ІІ) сульфату PbSO₄ температуру збільшують до 700°С, стежачи, щоб шихта не спікалася.

Процес обпіку відбувається в механічних поличних печах (700°С) або в агломераційних машинах (1000°С).

ІІ стадія: відновлення плюмбум (ІІ) оксиду

Процес відбувається прямим і непрямим методом, в якості відновника і теплоносія використовується кокс також для здійснення процесу необхідні флюси і пісок:

PbO + C = Pb + CO↑

PbO + CO = Pb + CO₂

ІІІ стадія: очистка чорнового свинцю

Отриманий в процесі відновлення продукт носить назву верхблейн, містить 92-99% свинцю та домішки благородних металів, а також Cu, Zn, Sb, As, Bi. Тому метою очистки чорнового свинцю є вилучення благородних металів та очистка свинцю від домішок. Процес здійснюється двома способами: пірометалургійним (90%) та електролітичним (10%). Останній спосіб не набув широкого використання в силу високої вартості та у зв’язку з виділенням токсичної речовини гідроген фториду HF, що згубно діє на довкілля.

Виробництво цинку

Цинк використовується в техніці для виготовлення різноманітних сплавів. Це, насамперед, латунь, олов’яна бронза, мельхіор. Висока хімічна активність металу обумовлює його широке використання в якості протекторного захисту при нанесенні електролітичного покриття із цинку на залізні вироби. Цинк оксид використовуються для виготовлення білила та як наповнювач при виготовленні гуми.

Сировиною для виробництва цинку слугують цинкові концентрати, що одержуються при збагаченні поліметалічних руд, в яких цинк міститься у вигляді цинк сульфіду ZnS, масова частка, як правило, не перевищує десятої частки відсотка.

З огляду на це, варто зауважити, що біля м. Черкаси знаходиться техногенне родовище цинку, яке утворилося у результаті накопичення шламів очисних споруд ВАТ «Черкаське хімволокно». Цинк сульфат, що використовувався для стабілізації віскозної нитки, після хімічної обробки стічних вод гашеним вапном переходить у нерозчинний цинк гідроксосульфат (ZnOH)₂SO₄) і осідає на дні очисних споруд. Вміст цинку у шлакових відвалах складає 6-10%.

 

Процес виробництва цинку включає наступні стадії:

І стадія: обпік концентрату.

У разі реалізації пірометалургійного способу хімізм процесу можна представити наступним рівнянням:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂ + 26 кДж

Гідрометалургійний спосіб передбачає перебіг процесу за іншим варіантом:

ZnS + 2O₂ = ZnSO₄ + 31кДж

Обпік цинкових концентратів здійснюється у багатоподових печах, агломераційних машинах, печах «киплячого» шару.

ІІ стадія: відновлення цинк оксиду.

У разі пірометалургійного способу відновлення обпалений продукт цинк оксид змішується з вуглецем (антрацитом) і нагрівається у ретортних печах за температури 1200-1300°С. При цьому відбувається непряме відновлення цинк оксиду:

ZnO + CO = Zn + CO₂

CO₂ + C = 2CO

Цинк, що утворився за умови високої температури, відганяється із ретортної печі і конденсується при охолодженні.

У разі використання гідрометалургійного способу обпалений цинковий концентрат ZnSO₄ підлягає двостадійній обробці розчинами сульфатної кислоти:

І стадія: 4%- розчин H₂SO₄, T=40-50°C

ІІ стадія: 10-12% - розчин H₂SO₄, Т=80°С

Далі розчин концентрату підлягає електролізу:

І стадія: дисоціація електроліту

ZnSO₄ → Zn²⁺ + SO₄^2-

ІІ стадія: міграція йонів до електродів:

К(-), Al A(+), Pb-Ag сплав

Zn²⁺, HOH SO₄^2-, HOH

ІІІ стадія: Процес окиснення-відновлення:

Zn²⁺ + 2ē = Zn⁰ 2HOH - 4ē = 4H⁺ + O₂

2HOH + 2ē = H₂ + 2OH^-

На катоді осаджується цинк металічний, виділяється дигідроген, в анодному просторі виділяється диоксиген.

РОЗДІЛ 15. ПЕРЕРОБКА ПАЛИВА

Класифікація палив

За типом реакції:

– ядерні (енергія виділяється в результаті поділу ядер важких атомів);

– хімічні (енергія виділяється в результаті екзотермічних окисно-відновних реакцій);

За походженням:

– природні (вугілля, нафта, природний газ, торф);

– штучні або синтетичні (кокс, моторне паливо, бензин, дизельне паливо).

За агрегатним станом:

– тверді;

– рідкі;

– газуваті.