Производство медного купороса

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ «УрФУ имени первого президента России Б.Н. Ельцина»

Химико-технологический институт

Домашняя работа

Производство медного купороса

Екатеринбург, 2018



Характеристика химического продукта

Пятиводный кристаллогидрад сульфата меди CuSO4*5H2O (хальконтит), называемый медным (синим) купоросом, образует асимметричные ярко синие кристаллы триклиноэндрической системы с плотностью 2,29 г/см3. Не имеет запаха, не обладает металлическим вкусом. Хорошо растворяется в воде, в разбавленном спирте и в концентрированном растворе соляной кислоты. При нагревании теряет воду и приобретает серый цвет. Если после остывания накапать на серый порошок воды, он вновь приобретает синюю окраску. При нагревании он плавится (110 градусов) и переходит в трехводный (голубого цвета) и одноводный (белого цвета) сульфат меди. Выше 258 градусов образуется безводный сульфат меди белого цвета, сильно гидроскопичный.

Как и другие соли меди, медный купорос ядовит. Однако токсичность медного купороса для теплокровных животных относительно невысока, в то же время, он высокотоксичен для рыб.

В природе попадается в виде минералов халькантит, бутит,халькокианит. Обладает дезинфицирующими, антисептическими, вяжущими свойствами. Применяется в медицине, в растениеводстве как антисептик, фунгицид или медно-серное удобрение.

Методы получения

1 способ

Башенный способ (получение из медного лома), главным сырьем которого является медь и серная кислота

С целью экономии серной кислоты окисление меди производят кислородом воздуха одновременно с процессом «натравки», т.е. растворения в серной кислоте



2Cu + O2 +H2SO4 >CuSO4 + H2O

Основные стадии башенного способа следующие:

1) гранулирование меди;

2) Растворение меди в серной кислоте (натравка);

3) кристаллизация медного купороса.

При башенном способе производства медь в виде медного лома и других отходов переплавляют в печах для очистки от различных примесей. Расплавленную медь выливают тонкой струей в холодную воду для получения ее в виде полых шариков (гранул), обладающих большой поверхностью, вследствие чего ускоряется растворение меди в серной кислоте. Для растворения гранулы загружают в полую башню, через которую пропускают воздух и обрабатывают слабым раствором медного купороса, содержащим свободную серную кислоту. При этом получается концентрированный раствор медного купороса, из которого при охлаждении выделятся кристаллический медный купорос.

2 способ

Получение медного купороса из окиси меди и сернистого газа

Этот способ производства медного купороса основан на взаимодействии суспензии окиси меди в водном растворе медного купороса со слабым сернистым газом, содержащим S02 и кислород. Отбросный сернистый газ, в случае необходимости, должен разбавляться воздухом. Это ускоряет процесс, так как концентрация S02 в газе не имеет существенного значения, а увеличение содержания кислорода ускоряет реакцию.

Образование медного купороса происходит в результате двух независимо идущих процессов. Первый из них заключается в том, что сернистый газ в присутствии каталитически действующих ионов меди окисляется кислородом в серную кислоту:

2S02 + 02 + 2Н20 = 2H2S04

Образовавшаяся кислота растворяет окись меди, причем получается медный купорос:

H2S04 + CuO = CuS04 + Н20

Второй, параллельно идущий процесс заключается в частичном восстановлении сернистым газом двухвалентной (окисной) меди в одновалентную (закисную) с образованием плохо растворимой в воде соли Шевреля - комплексной окисно-закисной соли сернистой кислоты CuS03 * Cu2S03*2Н20:

3CuS04 + 3H2S03 + 3H20 = CuSO4 * Cu2S03 * 2H20 + 4H2S04

Эта соль в отсутствие кислорода при кипячении суспензии разлагается с выделением закиси меди:

3(CuS03 * Cu2S03 * 2Н20) = CuS04 + 2СuО + SO2

На рис. 1 изображена принципиальная технологическая схема производства медного купороса по этому способу. Окись меди суспендируется в маточном растворе, оставшемся после кристаллизации медного купороса, суспензия нагревается до 85 - 95 и насыщается смесью отбросного сернистого газа с воздухом. Из полученного раствора при охлаждении до 20 кристаллизуется медный купорос. Кристаллы отжимаются на центрофуге и маточник возвращается в процесс. Таким образом, продукт получается без затраты серной кислоты

Рис.1 технологическая схема производства медного купороса

Наиболее промышленное значение имеет башенный способ производства, использующий медный лом и отходы металлообрабатывающих заводов. Он так же и самый основой, поэтому в своей работе я рассмотрю именно этот способ получения химического продукта-медного купороса.

{\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}+H_{2}SO_{4}\rightarrow CuSO_{4}+2H_{2}O}}.}Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//



Основной метод получения

Характеристика основного и вспомогательного сырья

Основным сырьем для получения медного купороса служат серная кислота и металлическая медь.

Серная кислота должна употреблять требованиям ГОСТ 2184 - 59 (таблица 1).

Таблица 1. Состав различных сортов серной кислоты (в %)

Составные части	Контактная H2SO4	Башенная H2SO4	Регенерированная H2SO4
	техническая	Техническая улучшенная	олеум
Моногидрат серной кислоты не менее	92,5	92,5 - 94,0	_	75	91
Свободный серный ангидрид(SO3), не менее	_	_	18,5	_	_
Окислы азота (в пересчете на N2O3), не менее	_	0,0001	_	0,03	0,01
Прокаленный остаток, не более	_	0,04	0,15	_	0,2
Железо, не более	_	0,015	_	_	_
Мышьяк, не более	_	0,0001	_	_	_

Металлическую медь употребляют в виде:

1) сортного лома и отходов меди;

2) низкокачественный лом и отходы меди.

Используемая медь должна соответствовать требованиям, предусмотренным ГОСТ 1639 - 48.

В производстве медного купороса применяют: лом и кусковые отходы прокатной меди без полуды и пайки (куски меди, медные проводники, снарядные пояски, обрезки); лом прокатной меди, засоренной не более чем на 10% другими металлами и сплавами; медную стружку; лом и кусковые отходы луженой и паяной меди как не засоренной, так и засоренной другими металлами.

Описание технологической схемы процесса

Медный купорос можно получать периодическим или непрерывным способами.

Периодический способ устарел. В настоящее время медный купорос получают в основном по непрерывному способу.

Схема производства медного купороса непрерывным способом была разработана П. Т. Щеневым и приведена на рис.2.

Рис. 2Схема непрерывного способа производства медного купороса

1, 12-ковшевые элеваторы;

2- натравочная башня;

3- регулятор напора;

4, 5- центробежные насосы;

6- сборник маточных растворов;

7- расходный бак;

8- вращающийся кристаллизатор;

9, 15- вентиляторы;

10- сборник пульпы;

11- центрифуга;

13- сушилка;

14- паровой нагреватель воздуха;

16- разгрузочный бункер.

Гранулированную медь периодически загружают с помощью цепного ковшевого элеватора 1 в непрерывно действующую натравочную башню 2. Количество медных гранул в натравочной башне поддерживается периодическими загрузками на определенном уровне, отстоящем от крышки башни на 0,2 - 0,25 м. Гранулы сверху орошаются смесью маточного раствора медного купороса и серной кислоты. Орошение производится с помощью вращающейся турбинки, установленной на крышке башни.

Серную кислоту по мере надобности перекачивают из заводского хранилища в стальной расходный бак 7, откуда она самотеком, в отмеренном количестве, стекает в сборник маточных растворов 6 для смешения с маточным раствором медного купороса. Сборный бак стальной, опаянный изнутри листовым свинцом. Он оборудован паровым барботером для подогрева раствора.

Из сборника 6 смесь непрерывно перекачивают центробежным насосом 5 в регулятор напора 3, сделанный из нержавеющей стали, откуда смесь с постоянной скоростью поступает самотеком на орошение в натравочную башню. Постоянный уровень жидкости в регуляторе напора поддерживается тем, что избыточное количество смеси сливается обратно по сливной трубе в сборник маточных растворов 6.

Для окисления меди и подогрева раствора в нижнюю часть башни вдувают паро-воздушную смесь. Отработанная паро-воздушная смесь отводится из башни через фаолитовую вытяжную трубу в атмосферу.

Из натравочной баши непрерывно вытекает горячий насыщенный раствор медного купороса, который центробежным насосом 4 подается на кристаллизацию в трубчатый вращающийся кристаллизатор 8 непрерывного действия, сделанный из нержавеющей стали.

Для охлаждения раствора и кристаллизации медного купороса навстречу движущемуся раствору в кристаллизатор вдувают вентилятором 9 воздух. Отработанный воздух на выходе из кристаллизатора отводят через фаолитовую вытяжную трубу в атмосферу. Из кристаллизатора пульпа, содержащая кристаллы и маточный раствор медного купороса, непрерывно поступает в сборник пульпы 10, изготовленный из нержавеющей стали, снабженный механической мешалкой. Пульпу периодически, по мере надобности, спускают самотеком в центрифугу 11 полунепрерывного действия. Кристаллы на центрифуге промывают водой. Промывные воды и маточный раствор направляют самотеком в сборник 6, откуда они снова поступают в круговой процесс производства.

Влажные кристаллы из центрифуги для получения продукта 1-го сорта поднимают ковшевым элеватором 12, сделанным из нержавеющей стали, и по наклонной течке подают для сушки в трубчатую вращающуюся сушилку 13. Вращающаяся труба сушилки стальная, изнутри освинцованная.

Кристаллы сушат подогретым воздухом, который вентилятором 15 предварительно подают в паровой нагреватель воздуха 14. Воздух в сушилке движется в том же направлении, что и высушиваемые кристаллы медного купороса. Отработанный воздух из сушилки отводится через фаолитовую вытяжную трубу в атмосферу. Сухие кристаллы поступают в разгрузочный бункер 16, изготовленный из нержавеющей стали, откуда их направляют на упаковку.

Физико-химические характеристики основных стадий процесса

Очистка и грануляция медного лома

Медный лом и медные отходы представляют собой нечистую медь, содержащую в виде примесей различные металлы. Важнейшими примесями являются: цинк, железо, висмут, мышьяк, сера, свинец, никель, кобальт, олово, алюминий. Большинство этих примесей имеет большое сродство к кислороду, чем медь. Эту особенность используют для очистки меди от загрязняющих ее примесей.

Для этого загрязненную медь расплавляют в пламенных печах и окисляют кислородом воздуха, содержащимся в печных газах. Большая часть примесей при этом окисляется и удаляется в виде шлака с поверхности расплавленной меди, а медь получается более чистой. Процесс очистки металла окислением входящих в него примесей кислородом воздуха при высокой температуре называется окислительной очисткой, или рафинированием.

Чистая медь плавится при 1084°, 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 1100°. Закись меди накапливается на поверхности расплавленной меди в твердом (до 1200°) и в жидком (до 1235°) виде и частично растворяется в меди, а затем вступает во взаимодействие с примесями, например:

Cu2O + Fe = FeO + 2Cu

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 так же переходит в шлак и содержание в нем Cu2O достигает 30 - 40%.

После окисления, ошлакование примесей металлов и удаления шлака, температуру в печи немного снижают с целью окисления присутствующей в меди полусернистой меди:

Cu2S + 2Cu2O - 6Cu + SO2

Эта реакция протекает бурно, и выделяющаяся двуокись серы увлекает брызги меди с образованием «медного дождя» («кипение» массы).

В производстве медного купороса дальнейшая очистка 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 не значительная. Процесс гранулирования с получение 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.

Растворение меди в серной кислоте (натравка)

При взаимодействии гранул меди с разбавленным раствором серной кислоты, содержащий также сульфат меди, в присутствии воздуха, кислород воздуха растворяется в кислоте, диффундирует к поверхности меди и окисляет ее до закиси меди:

4Cu + O2 = 2Cu2O

Закись меди растворяется в серной кислоте:

Cu2O + H2SO4 = Cu2SO4 + H2O

Образующийся сульфат закиси меди легко окисляется в сульфат окиси меди:

2Cu2SO4 + 2H2SO4 + O2 = 4CuSO4 + 2H2O

Общая скорость процесса лимитируется наиболее медленной его стадией - окислением меди до закиси. Это объясняется малой растворимостью кислорода и медленной его диффузией к поверхности гранул меди. Процесс значительно ускоряется, когда в растворе уже присутствует медный купорос. В результате деполяризации

Cu + Cu2+ = 2Cu2+

CuSO4 восстанавливается медью до Cu2SO4, а затем Cu2SO4 вновь окисляется растворенным кислородом до CuSO4. Таким образом, медный купорос играет роль переносчика кислорода.

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 -85°. При этом при окислении меди используется приблизительно ј кислорода, поступающего в башню с воздухом, расход которого составляет 1000 нм3 на 1т медного купороса.

Растворимость кислорода уменьшается с ростом концентрации CuSO4 в растворе. Поэтому при увеличении концентрации CuSO4 скорость растворения меди сначала увеличивается за счет каталитического действия CuSO4, а затем уменьшается вследствие недостатка кислорода. С увеличением концентрации серной кислоты усиливаются ее окислительные свойства. Поэтому повышение кислотности раствора вызывает не очень большое уменьшение скорости растворения меди - всего на 10% при повышении концентрации H2SO4 с 2,5 до 20%.

Существенным является обеспечение равномерного орошения (смачивания) гранул меди раствором. В местах, плохо орошаемых кислотой, образовавшаяся окисная пленка растворяется не полностью, появляется основной сульфат меди CuSO4·2Cu(OH)2, который вследствие малой своей растворимости кристаллизуется из раствора и цементирует при этом гранулы и шлам.

Кристаллизация медного купороса

Медный купорос хорошо растворим в воде. С повышением температуры растворимость его в воде увеличивается. Наоборот, если горячий насыщенный раствор медного купороса охладить, то его растворимость уменьшается, и он выкристаллизовывается из раствора. Чем ниже температура, до которой охлаждают раствор, тем большее количество медного купороса выделяется в виде кристаллов.

Кристаллизация медного купороса зависит от его содержания в растворе, от кислотности раствора и содержания в нем примесей. Чем концентрированнее раствор, тем большее количество медного купороса выкристаллизовывается при охлаждении до одной и той же температуры.

Наличие свободной серной кислоты в растворе уменьшает растворимость медного купороса. Вследствие этого из кислых растворов выделяется большее количество кристаллов. Повышенная кислотность влияет не только на количество выпадающих кристаллов, но и на величину кристаллов. Если кислотность раствора превышает 80 г/л, то получаются мелкие чешуйчатые кристаллы голубого цвета. Поэтому практически кислотность раствора не должна превышать 80 г/л.

Если кристаллизацию производят без перемешивания раствора и при медленном охлаждении, то образуются крупные кристаллы, при быстром охлаждении и перемешивании раствора, наоборот мелкие.

Характеристика используемых химических реакторов

Натравочная башня

Для растворения меди и получения концентрированного раствора медного купороса применяют натравочную башню непрерывного действия, изотермического режима, по фазовому составу реагентов-гетерогенная.

1-турбинка для орошения;

2-кожух башни;

3-люки для чистки;

4-патрубок для выпуска раствора;

5-ложное днище;

6- инжектор;

7- загрузочный люк;

8- вытяжное отверстие;

9- колосниковая решетка;

10- фундамент.

Рис. 3 натравочная башня

Высота башни 5,6 м, диаметр ее 2,5 м. Кожух башни 2 сделан из стали толщиной 8 мм и футерован изнутри слоем кислотоупорной кладки в полкирпича и диабазовыми плитками в один ряд для предотвращения от разъедания кислым раствором медного купороса и уменьшения потерь через стенки.

Нижняя часть башни на высоту 0,85 м имеет футеровку толщиной в один кирпич. Уступ в этой футеровке служит для укладки колосниковой решетки из обрезки стальных освинцованных рельсов. Поверх колосниковой решетки укладывают лист нержавеющей стали, ложное днище 5 с отверстиями для стока жидкости, орошающей башню. На лист насыпают медные гранулы слоем 4 м. Таким образом, до крышки башни остается 0,2 - 0,25 м свободного пространства. Объем, занимаемый гранулами, составляет 15 м3. Вес гранул в этом объеме составляет от 20 до 30 т, в зависимости от их насыпного (объемного) веса. Крышка башни сделана из кислотоупорного бетона и в ней, для загрузки гранул в башню, имеется люк 7 и вытяжное отверстие 8 для выпуска отработанной паро-воздушной смеси.

Для орошения башни смесью серной кислоты и маточного раствора служит турбинка 1 с приводом от электромотора, спущенная в башню на 120 м. Турбинка выполнена из нержавеющей стали Я1Т и вращается со скоростью 45 об/мин.

Трубчатый вращающийся кристаллизатор

Для кристаллизации медного купороса применяют вращающийся трубчатый кристаллизатор непрерывного действия, идеального вытеснения, отличающийся простотой устройства, большой производительностью и надежностью в работе.

Кристаллизатор представляет собой наклонно расположенную вращающуюся трубу 1, изготовленную из нержавеющей стали, длиной 20 м и длиной 1 м.

1-вращающаяся труба;

2-бандаж;

3-опорные ролики;

4-приводная шестерня(венец);

5- вентилятор;

6- колпак с вытяжной трубкой.

Рис. 4трубчатый вращающийся кристаллизатор

При помощи стальных бандажей 2 кристаллизатор опирается на 2 пары опорных роликов3, на которых он вращается вокруг своей оси. Вращение осуществляется при помощи приводной шестерни 4, соединенной цепной передачей через редуктор с электромотором. Боковая поверхность кристаллизатора составляет 63 м2. Для удержания раствора в кристаллизаторе с обоих концов трубы имеются бортовые кольца закраины высотой 0,2 м. Кристаллизатор располагают на такой высоте, которая позволяла бы подавать вытекающую из него самотеком пульпу в центрифугу.

Скорость вращения кристаллизатора 7 об / мин. Суточная производительность кристаллизатора 24 - 30 т медного купороса.Производительность его может быть увеличена за счет подачи количества воздуха и увеличения скорости вращения трубы.

В трубчатом кристаллизаторе одновременно с кристаллизацией медного купороса происходит и перемещение кристаллов к выходному концу. Для продвижения образующихся кристаллов к выходу необходимо соблюдение двух условий:

1) Труба кристаллизатора должна быть установлена с уклоном к выходному концу;

2) Раствор должен находиться в кристаллизаторе по всей его длине.

В этом случае образующиеся кристаллы медного купороса смываются со стенок вращающейся трубы маточным раствором и передвигаются по наклонно расположенной трубе, при ее вращении, к выходному концу. Угол наклона кристаллизатора в этом случае будет составлять 34' (34 минуты). При таком расположении раствор будет находиться по всей длине кристаллизатора, но у верхнего конца слой раствора будет очень тонкий и он сможет смывать со стенок образующиеся кристаллы.

Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

Отходом производства медного купороса являются илы, скапливающиеся в резервуарах с производственными растворами. Количество илов составляет 1 - 2 % от перерабатываемой меди. Состав их различен; они могут содержать до 8,5 % Ag2o, до 5 % Bi2O3, 0,05 - 0,1 % Au, Pt, Pd. Такие илы могут быть переработаны гидрометаллургическими методами, для извлечения из них ценных металлов.

Очистка сточных вод, сбрасываемых в водоемы из производств медного купороса и других медных солей, от ионов меди может быть осуществлена на 70 - 90 % с помощью сульфата алюминия.Удобен тем, что, во-первых, легко добывается (при обработке бокситов или глины серной кислотой), во-вторых, легко растворяется в воде при температуре от 30 до 40 градусов, в-третьих, для первичной очистки достаточно эффективен. Выделяющаяся при гидролизе сульфата алюминия гидроокись алюминия адсорбирует ионы меди.

Перспективы совершенствования процесса получения химического продукта

Рационализация производства медного купороса с целью обеспечить дальнейшую его интенсификацию, снижение трудовых и энергетических затрат на выработку единицы продукта, должно идти, в основном, за счет автоматизации технологического процесса.

Получение медного купороса непрерывным способом обеспечивает необходимые условия для автоматического регулирования процесса, так как все параметры (например, в натравочной башне- температура, концентрация раствора, количество и кислотность раствора, поступающего на орошение гранул в башне) могут сохраняться постоянными в работе.



Список литературы

медный купорос натравка

1. Позин М.Е. Технология минеральных солей Ч 1, Л: 1974. 794 с.

2. Ахметов Т.Г. Химическая технология неорганических веществ, М: 2002. 688с.

3. Вассерман И.М. Производство минеральных солей. 1962.628с.

4. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Технология неорганических веществ»

Размещено на Allbest.ru

...