Дистилляционный способ получения цинка

99,999% Zn).
Исходным сырьем служит цинк марки Ц0 (99,98% Zn). Дистилляцию проводят при 900°С в колоннах, собранных из графитовых тарелок, помещенных в стальной кожух. Нагревается колонна электросопротивлением. Расплавленный цинк поступает на верхнюю тарелку испарительной части колонны, откуда стекает на расположенные ниже тарелки. Азот поступает в нижнюю часть колонны, поднимаясь навстречу цинку и насыщаясь его парами. В средней части колонны происходит конденсация основной массы цинка. Конденсат периодически выпускают в изложницы, а цинк, обогащенный труднолетучими примесями, отбирают в нижней части колонны. Дополнительной очистки цинка от легколетучих примесей не ведут.
Чистота дистиллированного металла характеризуется следующим содержанием примесей:

Наличие искусственных водоемов на приусадебных участках уже давно перестало быть редкостью. К настоящему времени они стали не только красивыми и функциональными, но и.

Скрытые петли – это фурнитура, которая позволяет сделать зазор между полотном и коробом минимальным, а эксплуатацию двери удобной, долговечной и надежной.

Если вы новичок в сварке и только начинаете свой путь, то сегодняшний огромный рыночный ассортимент продукции сварочных аппаратов, поначалу может привести в.

Из одного деревянного бруса сразу несколько досок выпиливаются с помощью многопильных деревообрабатывающих станков. Формы и размеры заготовок задаются заранее. По.

Долговечность и устойчивость строения зависит от качества и прочности фундамента. Специальные блоки нередко используют для того, чтобы создать надежное основание. Со.

Натяжной потолок — отличное решение для современного интерьера, имеющее целый ряд преимуществ.

В сохранности стремятся сохранить свое имущество все люди. Только злые собаки и надежные замки раньше были в распоряжении владельцев частных домов. Дополнительную охрану.

В современных интерьерах все чаще можно увидеть стеклянные элементы. Это козырьки, душевые кабины, перегородки, двери и другие конструкции.

Источник

Дистилляционный способ получения цинка

ЛЕКЦИЯ 29. ДИСТИЛЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИНКА

В рафинировочных процессах используются различия в температурах кипения металлов (металлургия цинка, кадмия, ртути, олова) или их соединений (металлургия титана, кремния, молибдена, никеля).

Известна связь между упругостью насыщенного пара и температурой, которая описывается уравнением Клаузиуса–Клапейрона (в однокомпонентных системах):

где  – скрытая теплота испарения или сублимации.

Для практических применений используют приближенные интегральные формы этого уравнения, позволяющие рассчитать давление пара по термодинамическим данным, приведенным в справочной литературе:

где А, В, С – постоянные, зависящие от химической природы вещества и интервала температур.

Эти интегральные уравнения справедливы и удовлетворительно описывают изменения давления насыщенного пара в области низких давлений, где справедливо уравнение Клапейрона–Менделеева РV= nRT. Большинство технологических процессов в металлургии осуществляется при давлениях порядка 0,1 МПа, поэтому можно использовать приводимые интегральные приближения.

Фазовые равновесия в однокомпонентных, моновариантных системах могут быть представлены графически в виде линий равновесия в координатах
Р – Т (рис. 5.1). Из фазовой диаграммы следует, что кривая aob соответствует равновесному состоянию системы при различных температурах. Характерная точка пересечения кривых в системах «пар – твердое» и «пар – жидкость» соответствует температуре плавления, индивидуальной для каждого конкретного вещества. Точка кипения, находящаяся на участке равновесия «пар – жидкость», соответствует давлению пара, равному внешнему (атмосферному, например) давлению. Однако кипение жидкости фактически начнется при температуре, несколько отличающейся от точки кипения. Это различие определяется тем, что для начала процесса кипения давление пара должно превышать внешнее давление на величину, достаточную для преодоления гидростатического давления жидкости и сил поверхностного натяжения при образовании газового пузыря в объеме жидкости:

где Р° – давление насыщенного пара в жидкости на глубине h_ж, r – радиус парового пузыря, P_ж – гидростатическое давление жидкости на глубине h_ж, зависящее от плотности  _ж и равное h_ж  _ж,  – поверхностное натяжение.

По диаграмме состояния легко определить, что вещество будет стремиться испаряться в газовую фазу, если при данной температуре равновесное давление Р° превышает внешнее: Р° > Р_В. Наоборот, если Р°  ₁ (N) (при постоянной температуре) или изобары
Т =  ₂ (N) (при постоянном давлении). Следовательно, фазовое равновесие в этом случае может быть изображено на плоскостях в координатах «Р – N» при T = const или «Т – N» при Р = const. Состав и выход продуктов в соответствии с такими диаграммами зависят от ряда факторов, в частности от степени взаимодействия компонентов в конденсированной газовой фазе. Например, если два компонента А и В, давления насыщенного пара которых равны соответственно Р°_A и Р°_В, образуют две самостоятельные нерастворимые друг в друге конденсированные фазы, то парциальное давление этих компонентов Р_A и Р_В будет равно, соответственно, давлению насыщенных паров чистых компонентов А и В. Иначе говоря, в данном случае каждый из компонентов будет вести себя так же, как вел себя в отсутствие другого компонента.

Общее давление над системой не зависит от состава смеси и определяется уравнением

где P_общ – общее давление парогазовой смеси.

определяются только давлением насыщенного пара чистых компонентов и, следовательно, температурой процесса, так как Р°_A =  (T) и Р°_В =  (T) не зависит от общего состава конденсированной части системы.

Если же два компонента образуют в конденсированном состоянии растворы друг с другом, т. е. одну конденсированную фазу, то к таким системам применим закон Рауля, определяющий зависимость парциальных давлений каждого компонента от его концентрации в жидкой фазе:

а мольные доли этих компонентов в газовой фазе определяются по уравнениям:

Таким образом, парциальное давление компонентов над смесью будет зависеть не только от температуры, но и от взаимодействия их друг с другом в конденсированном состоянии. Следовательно, разделение двух компонентов из этих смесей будет также определяться названными выше параметрами. Влияние состава и взаимодействия компонентов на процесс перехода в жидкую фазу отображается на диаграмме фазового равновесия (рис. 5.2). Области 1, 3 и 6 представляют собой идеальные растворы. Поэтому и на диаграмме зависимости давления паров компонентов пропорциональны составу в соответствии с законом Рауля. Области 2, 4 и 5 представляют собой механическую смесь, поэтому наблюдается независимость общего давления и, следовательно, парциальных давлений от состава смеси.

Если при постоянном общем давлении вычислить значения Р°_A и Р°_В при ряде температур, а также значения y_А и x_А и построить зависимости состава от температуры (рис. 5.3), то получим диаграмму, на которой нижняя кривая соответствует составу жидкостей, равновесных с паром данного состава, а верхняя кривая дает представление о составе пара, равновесного с жидкостью. Две точки, находящиеся на одной изотерме (например, П₁ и Ж₁), дают составы сосуществующих фаз. Из диаграммы также следует, что если процесс вести многократно, т. е. чередовать испарение и конденсацию, то эффективность разделения резко повышается. Эта особенность используется на практике в процессах ректификации.

Одним из примеров использования дистилляции в металлургии является получение цинка. Из числа присутствующих в цинковом сырье металлов наиболее летучими являются кадмий и цинк (температуры кипения 1040 К и 1180 К соответственно). Металлы–спутники имеют значительно большие температуры кипения, превышающие 1970 К. Если вести восстановление металлов из такого сырья, то в газовой фазе будут присутствовать практически только цинк и кадмий в виде паров, другие компоненты шихты останутся в твердом остатке от дистилляции (раймовке). Шихта для дистилляции представляет собой смесь обожженного агломерированного концентрата и углеродистого восстановителя – кокса. Основные химические взаимодействия сводятся к восстановлению оксидов цинка и кадмия монооксидом углерода, а также к газификации последнего:

Прямое восстановление углеродом имеет подчиненное значение, поскольку процесс идет в твердой фазе, и контакт реагентов затруднен. Полученные пары металлов направляются в конденсатор. Для предотвращения окисления металлов температура в конденсаторе не должна быть выше 870–920 К, а атмосфера – восстановительной.

При конденсации часть металлов (5– 6 % цинка и около 50 % кадмия) получается в виде пыли (пусьеры).

Процесс дистилляционного получения цинка может иметь различное аппаратурное оформление; в практике современных заводов используется дистилляция в вертикальных ретортах и в электропечах.

Вертикальная реторта представляет собой камеру высотой 10–12 м, выложенную из карборундового кирпича на карборундовом цементе, обогреваемую топочными газами. Реторта имеет прямоугольное сечение с размерами 1,5–2 м на 0,3–0,33 м.

Брикетированную шихту загружают в реторту непрерывно сверху с помощью герметичного загрузочного устройства, а раймовку удаляют из нижней части шнековым транспортером с водяным затвором.

Ретортные газы при температуре 1220–1270 К через наклонный газоход отводят в конденсатор. Конденсатор оборудуют импеллером для разбрызгивания жидкого цинка, что обеспечивает эффективную конденсацию паров металлов. Температуру в конденсаторе поддерживают на уровне 830 К с помощью водоохлаждаемого змеевика, погруженного в расплав.

Из конденсатора газы направляют в орошаемый водой скруббер, где улавливают пусьеру. Пусьеру, содержащую 60–65 % Zn, возвращают в шихту агломерации.

Черновой, цинк содержит 99,8 % Zn, 0,15 % Pb и 0,04 % Cd. После выпуска из конденсатора черновой цинк подвергают рафинированию. Извлечение цинка при дистилляции достаточно велико и составляет 92–93 %. Суточная производительность одной реторты достигает 5–7 т цинка; число реторт на заводе средней мощности составляет 15–20.

Другим дистилляционным процессом получения цинка является плавка в шахтных печах, получившая название Imperial Smelting Process. В качестве сырья для этого процесса применяют коллективный свинцово–цинковый концентрат или смесь свинцового и цинкового концентратов при соотношении Zn : Pb в шихте 2:1. Перед плавкой концентрат агломерируют. Основными продуктами плавки являются черновой свинец, черновой цинк и шлак. При наличии в шихте значительного количества меди возможно образование полиметаллического штейна. По характеру атмосферы в печи плавка восстановительная. Жидкие продукты из печи выпускают периодически совместно и разделяют в отстойнике. Черновой свинец (98,5–99,5 % Pb) направляют на рафинирование, а шлак, содержащий 0,5–0,85 Pb и 3–4% Zn, направляют в отвал.

Основное количество цинка переходит в газы, направляемые на конденсацию. Конденсаторы, примыкающие к длинным сторонам прямоугольной печи, оборудованы мешалками, с помощью которых разбрызгивается свинец; он отбирает тепло у газов и служит поглотителем паров цинка. Жидкий свинец циркулирует в замкнутом контуре: «конденсатор — насос — водоохлаждаемый желоб — ликвационная ванна — промежуточный зумпф – конденсатор». На 1 т цинка поток свинца достигает 400 т. В конденсатор из ликвационной ванны поступает свинец при температуре 720 К, насыщенный цинком до содержания 2,15 %. Температура свинца в конденсаторе повышается за счет тепла печных газов до 830 К. Предельная растворимость цинка при этой температуре составляет 2,4%, что позволяет поглотить из паров некоторое количество цинка. Насыщенный цинком свинец перекачивают насосом в ликвационную камеру, где его температура понижается до 720 К. При снижении температуры уменьшается предельная растворимость цинка в свинце и образуется слой цинка на поверхности свинца. По мере накопления черновой цинк выводят из ликвационной камеры на рафинирование. Извлечение цинка при шахтной плавке по этому способу достигает 92–93 %.

Для очистки чернового цинка используют ректификацию. Как и дистилляция, ректификация основана на различной летучести паров основного металла и примесей. Ректификация состоит в многократном повторении испарения и конденсации и позволяет разделять компоненты, имеющие близкие температуры кипения.

Ректификацию проводят в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Колонна состоит из отдельных тарелок, число которых составляет несколько десятков. Тарелки объединены в вертикальную шахту. Каждая из тарелок имеет порог, удерживающий жидкость на определенной высоте, и отверстие для прохода парогазовой смеси. При сборке колонны отверстия в тарелках ориентируют так, чтобы путь парогазовой смеси через колонну был наиболее длинным, зигзагообразным. Колонна по высоте имеет две зоны – обогреваемую и необогреваемую. Тарелки обогреваемой зоны имеют больший объем жидкости, в необогреваемой зоне используют тарелки с более плоским дном, на которых может удерживаться меньший объем жидкости.

Черновой цинк, поступающий на ректификацию, содержит кадмий и свинец, температуры кипения которых соответственно равны 1040 и 2018 К; температура кипения цинка 1180 К. Жидкий черновой свинец подается в среднюю часть ректификационной колонны, на нижнюю тарелку необогреваемой зоны. По мере заполнения объема этой тарелки уровень жидкости на ней превышает порог, и жидкость переливается на ниже расположенную тарелку, последовательно проходя все тарелки обогреваемой зоны сверху вниз. Чем ниже опускается расплав, тем выше его температура и лучше условия для отгонки летучих компонентов, преимущественно кадмия. Одновременно с кадмием испаряется также в меньших количествах и цинк.

Пары металлов поднимаются в верхнюю, не обогреваемую часть колонны, отдают тепло и конденсируются. Полученный конденсат (флегма), переполняя тарелки, вновь сливается вниз.

Тарелки верхней части колонны нагреваются за счет теплоты конденсации, расплав в этой части колонны поддерживается в состоянии кипения. По мере движения паров по тарелкам вверх они обогащаются кадмием, жидкость также обогащается этим компонентом. Вследствие этого температура тарелок понижается.

В результате ректификации с самой верхней тарелки колонны выходят концентрированные пары кадмия, а на самой нижней тарелке собирается жидкий цинк, очищенный от кадмия. Менее летучие, чем цинк, примеси, в частности свинец, переходят в расплав на нижней тарелке.

На практике рафинирование чернового цинка проводят в две стадии: на первой отгоняют цинк и кадмий, стремясь оставить свинец в расплаве на нижней тарелке; на второй разделяют цинк и кадмий.

Схема установки для ректификационной очистки цинка от примесей показана на рис. 5.4. Установка состоит из двух колонн: «свинцовой» и «кадмиевой» (для очистки от свинца и кадмия, соответственно).

Испаряющая и конденсирующая часть колонн содержит по 20–25 тарелок из карборунда размерами 500 х 1000 мм.

В свинцовой колонне испаряется около 80 % поступающего цинка, остальное количество, содержащее не более 6–8 % Zn, выводится на ликвационное разделение. После удаления свинца этот цинк возвращается на ректификацию в свинцовую колонну.

Чистый цинк из нижней части кадмиевой колонны направляют в миксер и далее разливают в чушки.

Конденсат кадмиевой колонны представляет собой сплав цинка и кадмия с содержанием последнего около 40 %.

Извлечение цинка в рафинированный металл составляет 95–96 %, а кадмия в сплав–конденсат – более 90 %. Производительность установки достигает 20 т/сут.

Источник