Карботермический способ получения металлов

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Общие способы получения металлов.

Способы получения металлов обычно разделяют на:

• пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
• гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
• электрометаллургические (электролиз раствора или расплава);
• биометаллургические.

I. Пирометаллургический способ получения металлов.

1. Карботермический способ получения металлов − восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

Mе_xO_y + C = CO + Me,

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением(если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)

3. Металлотермический способ (способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы)

В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:

А) Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)

3BaO + 2Al = 3Ba + Al₂O₃ (получают барий высокой чистоты)

Б) Магниетермия:

Mе_xO_y + Mg = MgO + Me

Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

4. Водородотермия −для получения металлов особой чистоты

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

затем проводят реакцию замещения:

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.

Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:

а) из сульфида – обжигом в кислороде:

б) из карбоната – разложением при нагревании:

СаСО₃ = СаО + СО₂

III. Электрометаллургический способ получения металлов − восстановление металлов электрическим током (электролиз).

1. Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (чаще всего хлоридов):

2NaCl – расплав, электр. ток → 2Na + Cl₂↑

CaCl₂ – расплав, электр. ток. → Ca + Cl₂↑

4NaOH – расплав, электр. ток. → 4Na + O₂↑ + 2H₂O (. используют изредка для Na)

2. Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na₃AlF₆ (из бокситов):

2Al₂O₃ – расплав в криолите, электр. ток. → 4Al + 3O₂↑

3. Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:

Металлы в природе.

Металлы в природе встречаются в трёх формах.

1) В свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро, но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. В самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.

2) Все металлы. Металлы средней и малой активности, которые в ряду напряжений находятся до олова, в природных условиях встречаются только в виде соединений − образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

3) Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

хлоридов сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;

нитратов – чилийская селитра NaNO₃;

карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃•MgCO₃;

сульфидов серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe₂O₃•Н₂О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургию подразделяют на черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство остальных металлов).

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла.

3. Промышленные способы получения металлов.

При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.

Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.

Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.

Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.

Дата добавления: 2017-06-02 ; просмотров: 9856 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Лекция № 20. Карботермическое восстановление металлов

1. Прогнозирование карботермического восстановления металлов по диаграмме ∆G = f (T)

2. Восстановление в жидкой фазе.

3. Восстановление в газовой фазе.

Сродство углерода к кислороду при повышении тем­пературы возрастает, поэтому плазменные процессы позволяют восстанавливать по существу — все металлы из их окислов. На рис. 57, где приведена зависимость ∆G 0 _T — Т при восстановлении окислов углеродом, показа­ны температуры, при которых можно восстанавливать отдельные окислы. Значения, приведенные на диаграм­ме ∆G 0 _T — Т или рассчитанные по закону Гесса, справед­ливы при условии, что исходные продукты берутся в сте­хиометрическом молярном соотношении и стандартном состоянии. Величина ∆G 0 _T связана с константой равнове­сия выражением (64). Это выражение дает возможность при известном значении ∆G 0 _T определить равновесное со­стояние реакции при данной температуре, так как кон­станта равновесия К зависит от равновесного состоя­ния:

(124)

Для карботермической реакции

МeO + С → ← Ме+СО (125)

где а — активность компонента.

Активность чистых веществ в твердом состоянии рав­на 1, а активность газообразной окиси углерода можно ввести в виде парциального давления. Тогда для карбо­термической реакции справедливо

где K =p_CO — парциальное давление окиси углерода.

где ∆G_T, Дж/моль, а — температура Т, К.

Рисунок 57. Температурная зависимость ∆G 0 _T при восстановлении

Уравнения показывают, что в соответствии со значе­нием ∆G_T реакция будет протекать вплоть до достиже­ния равновесного парциального давления окиси углеро­да. Равновесное состояние можно сместить посредством изменения температуры (поскольку от нее зависит ве­личина ∆G) или путем изменения равновесной активности реагентов. Эта альтернатива подходит в том случае, если в реакции участвуют не твердые или жидкие вещества в чистом виде, а смеси, или если изменены стехиометрически равновесные соотношения соответствующих газов.

Удаление восстановительной атмосферы может при­вести к полному протеканию заданной карботермической реакции; для полного протекания реакции необходимо, чтобы давление окиси углерода в газовой фазе было ниже равновесного. С помощью номограммы необходимое для протекания реакции парциальное давление окиси углеро­да можно определить следующим образом: соединив ос­новную точку СО в левой части диаграммы на рис. 57 с точкой, соответствующей данной температуре на линии изменения ∆Gt восстанавливаемого окисла, получим ли­нию, соответствующую равновесном парциальному давлению окиси углерода. Тогда точка пересечения ли­нии р_CO со шкалой в правой части диаграммы дает вели­чину равновесного парциального давления окиси угле­рода для восстановления окисла при данной темпера­туре.

В плазменной металлургии можно использовать ва­куум до 10 -2 Па. Низкие давления можно использовать для достижения очень быстрого и по существу полного восстановления окислов металлов.

При одном из опубликованных способов карботермического восстановления с применением низкотемпера­турной плазмы, разработанных фирмой Vitro, исходят из установленного факта, что дугу высокой напряженно­сти можно сохранить и без выпаривания всего материала анода. Путем регулирования тока в дуге можно поддер­живать температуру на уровне непосредственно ниже температуры кипения пленки расплавленного металла, карбида или другого продукта реакции, который обра­зуется на поверхности оплавляющегося электрода, со­стоящего из углерода и восстановимого соединения. При таких условиях расплавляемый металл равномерно сте­кает в виде шаровидных капель, которые затвердевают прежде, чем упадут на дно камеры плазменного реак­тора. Из этой расплавленной пленки можно удалить ле­тучие примеси еще лучше, чем в обычной вакуумной ле­чи. Если уменьшить давление Пламени и — направить его вниз, чтобы оно попадало на поверхность расплавленно­го металла, то теоретически возможно обеспечить кон­денсацию паров металла с образованием капель, кото­рые бы сразу сливались с поверхностью жидкой ванны металла. Окись углерода можно было бы отводить в дру­гом направлении, а потом откачивать из рабочего про­странства печи. Второй проект, который является по су­ществу модификацией указанного способа, заключается о погружении столба плазменной дуги и плазменного пламени в ванну с расплавом соли либо в слой шлака, плавающий на поверхности металла.

Карботермическое восстановление в газовой фазе. Углерод является наиболее дешевым, доступным и широко употребляемым восстановителем. Путем введе­ния углерода в плазменное пламя можно предотвратить вторичное окисление металла. В истории металлургии переработка обычных металлсодержащих руд осуществ­лялась путем восстановления окислов металлов углеро­дом при довольно высоких температурах. При этом тем­пературу выбирали столь высокой, чтобы преимущест­венная часть примесей могла перейти в жидкий шлак.

Однако существует ряд полезных металлов, окислы ко­торых нельзя обрабатывать с помощью обычных пирометаллургических процессов. Окислы алюминия, магния, бериллия, бора, кремния, марганца, титана, циркония и ряда более редких метал­лов требуют для карботермического восстановления та­ких температур, которые на обычных пирометаллургических установках недостижимы. Однако плазматроны не имеют таких температурных ограничений, поэтому они способны восстанавливать любой из этих металлов, причем в ходе последующего регулируемого охлажде­ния потока паров кислород больше склонен к образова­нию окиси углерода, чем окислов указанных металлов.

Уже доказано, что плазменное пламя, полученное с помощью электрической дуги высокой напряженности, питаемой через сгорающий электрод, который представ­ляет собой стехиометрическую смесь окисла металла и углерода, действительно состоит из паров металла и окиси углерода. Отсутствие определимых количеств па­ров окислов металлов в пламени было подтверждено спектроскопическим исследованием при проведении опытных плазменных плавок для получения алюминия, магния, бериллия,

Основной принцип этой технологии почти такой же, как и процесса Хансгирг, испытания которого без особо­го успеха были проведены в Калифорнии во время вто­рой мировой войны. Фирме Vitro удалось извлечь 40— 70% содержащегося металла в чистом виде такими про­стыми средствами, как направление плазменного пламе­ни на водоохлаждаемую плиту или инжектирование хо­лодного газообразного водорода. Хотя эти результаты и лучше результатов, опубликованных после испытания процесса Хансгирг, достигаемый выход годного является неудовлетворительным. Теоретически степень извлечения можно было бы повысить путем эффективно­го резкого охлаждения, однако о кинетике охлаждения этих систем известно еще настолько мало, что, пока не будет достаточное количество экспериментальных дан­ных, нельзя разработать надежную гипотезу. Несомнен­но, что сравнительно длинное и узкое плазменное пла­мя, обладающее высокой скоростью истечения, обеспе­чиваемой на плазменных установках, создает гораздо более выгодные условия для быстрого охлаждения; кро­ме того, в каждый данный момент в процессе участвует лишь очень малое количество материала, благодаря че­му, очевидно, устраняется опасность ‘взрыва, что сильно затрудняло работу при испытаниях процесса Хансгирг.

В ряде лабораторий уже используются плазматроны для получения карбидов металлов и некоторых иных соединений, для которых мало вероятна реакция с оки­сью углерода, «как это наблюдается в случае активных металлов. Ведутся работы над процессами, которые поз­волят получать чистые металлы, однако эту задачу вы­полнить не так легко. Так, например, предлагается улав­ливать металл, образующийся в результате карботермического восстановления в расплаве совместно с окисью углерода, в вихревом следе дуги. Фирма Vitro вела работы над вариантом этого процесса, три «кото­ром с помощью углерода селективно восстанавливали силикатные руды в жидкой фазе. Проведенные термоди­намические расчеты (которые три этих сравнительно (низких температурах являются более надежными, чем при температурах обычного плазменного пламени) по­казали, что родонит, например, можно перерабатывать таким образом, чтобы пламя в вихревом следе дуги со­стояло из газообразного марганца и окиси углерода, а не путем полного выпаривания родонита, как это осуществ­лялось до сих тор в лабораторных и полупромышленных опытах. При этом расплавляемая двуокись кремния вме­сте с небольшими примесями щелочных металлов стека­ла бы в виде жидкого шлака с пренебрежимо малым давлением ларов. Этот способ имеет серьезные преиму­щества по сравнению с первоначальной технологией раз­деления этой породы, но не приближает к решению проб­лемы получения чистого марганца из образующихся па­ров марганца.

Контрольные вопросы

1. Основные принципы карботермического восстановления металлов в жидкой и газовой фазах.

2. Получение карбидов урана углетермическим восстановлением.

Литература

1. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.

2. Краснов А.Н., Шаривкер С.Ю., Зильберберг В.Г. Низкотемпературная плазма в металлургии. М., «Металлургия», 1970. – 242с.

Источник