Обзор литературных источников. Целью данного дипломного проекта является изучение и анализ производства медного

Введение

Целью данного дипломного проекта является изучение и анализ производства медного купороса, основанного на переработке отработанного передаточного электролита цеха электролиза меди.

В ходе работы над дипломным проектом был сделан анализ работы аппарата растворения (оксидизера) для растворения гранулированной меди и получения насыщенных растворов сернокислой меди. В результате использования большого количества сжатого воздуха и пара для растворения меди в оксидизере, возникла необходимость внести изменения в технологическую схему, то есть произвести замену аппарата растворения на аппарат колонного типа с целью снижения выхода меди в зашламленные гранулы, снижение расхода энергоносителей.

На протяжении многих десятилетий целями ОАО «Уралэлектромедь» являются:

– быстрое получение прибыли;

– расширение доли предприятия на рынке;

– повышение качества и номенклатуры выпускаемой продукции;

– разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий

производства.

Указанные направления в результате обеспечат экономическую устойчивость и конкурентоспособность продукции ОАО «Уралэлектромедь» на российском и мировом уровне.

В настоящее время ОАО «Уралэлектромедь» является лидером на рынке сбыта медного купороса.

Потребителями медного купороса являются: фирма VISTHON TRADING CORPORATION LTD, Бему; фирма TRISTAR Marketing Associates Limited, Нидерланды, Китай, Молдова, город Кишинев, Германия, Польша, Испания, Канада и другие.

Предлагаемый медный купорос имеет большой спрос на мировом рынке. Это продиктовано тем, что этот продукт является основным сырьем для получения искусственных волокон, органических красителей, минеральных красок, используется в качестве удобрения, как составная часть ядохимикатов.

Расположение предлагаемого производства в условиях ОАО «Уралэлектромедь» также дает ряд преимуществ:

Во-первых производство медного купороса основано на переработке отработан-ного электролита цеха электролиза меди и медных гранул, то есть источниками исходного сырья являются цеха, расположенные на территории данного предприятия, что, в свою очередь, приводит к снижению затрат на транспортировку, закуп сырья и т. д.

Во-вторых большой спрос на медный купорос объясняется отсутствием товаров заменителей, что делает предлагаемый продукт уникальным.

ОАО «Уралэлектромедь» придерживается следующей политики в отношениях с конкурентами: «Привлечь потребителя лучшим качеством и умеренной ценой» [1].

Обзор литературных источников

Основным сырьем для получения медного купороса служат серная кислота и медь: медный лом или отходы металлообрабатывающей промышленности – стружка, опилки и т. д., а также отходы или полупродукты металлургии меди – белый матт и окись меди, ватержакетная пыль, шлаковые отходы, электролитные растворы медеэлектролитных заводов, цементная медь, извлекаемая из рудничных вод, из колчеданных огарков и др.

Важным видом сырья для получения солей меди является ватержакетная пыль, представляющая собой тонкий порошок и содержащая 0, 5 – 5 % Cu в форме сульфида и сульфата, 40 – 50 % Fe, 3 – 6 % Al₂O₃, 3 – 6 % Zn, до 15 % S,

7 – 10 % SiO₂ и др. Перспективным видом сырья являются шлаковые отходы медеплавильных заводов, накапливаемые в течение многих лет в виде отбросов. Медь в этих отходах содержится в окисной, сульфидной и силикатной формах, а также в форме металла и ферритов. Примерный состав шлаковых отходов следующий:

2 – 7 % Cu, 5 – 7 % Fe₂O₃, 15 – 25 % Al₂O₃, 45 – 50 % SiO₂, 1 – 5 % CaO, 5 – 10 % MgO, 1 – 3 % S и 1 – 2 % прочих примесей.

Большим резервом сырья для производства солей меди являются накапливаемые массы огарков от обжига колчедана на сернокислотных заводах. В старых огарках от обжигания рядового колчедана содержится до 1, 5 % меди в виде CuSO₄, CuSO₃, CuO, Cu₂S, CuS, CuFeS₂. Необходимость извлечения соединений меди из огарков диктуется условиями их использования металлургической промышлен – ностью в качестве заменителя железной руды.

Указанные виды сырья в основном перерабатывают в медный купорос, который, помимо непосредственного употребления, служит также исходным материалом для получения всех других солей меди.

Способы производства медного купороса различают главным образом по видам применяемого сырья:

а) из медного лома и отходов меди (стружки, высечки, проволоки, опилок и т. п.) с окислением меди кислородом воздуха, электролизом или раствором хлорной меди;

б) из окиси меди, получаемой из белого матта;

в) из окиси меди и сернистого газа;

г) из окисленных медных руд, содержащих незначительное количество меди, переработка которых на металлическую медь плавкой в печах является неэкономичной;

д) из колчеданных огарков и других отходов;

е) из отбросных электролитных растворов медеэлектролитных заводов.

За рубежом основными производителями медного купороса являются Франция и Италия, где в качестве сырья используют главным образом медный лом и окисленные руды. В отличие от этого в США используют в основном электролитные щелоки, из которых производят больше половины всех солей и препаратов меди.

Получение медного купороса электролизом

При проведении электролиза с растворимым медным анодом в растворе любой соли щелочного металла получающаяся на аноде медная соль, реагируя с образующейся на катоде щелочью, дает гидроокись меди с одновременной регенерацией электролита.

Можно получать электролизом и непосредственно раствор медного купороса, осуществляя процесс в ванне, в которой анод, находящийся на дне ванны, состоит из спрессованных или сплавленных обрезков меди. Через полый катод, помещенный сверху, подается серная кислота. Движением раствора от катода к аноду не допускается нежелательное в данном случае осаждение меди на катоде.

При проведении электролиза с растворимым медным анодом в растворе сульфата натрия в ванне с диафрагмой можно одновременно получать медный купорос и едкий натр. Особый интерес это может представить при применении ртутного катода с получением из образовавшейся амальгамы натрия концентрированной щелочи. Анодная жидкость, кроме медного купороса, будет содержать сульфат натрия, однако медный купорос и сульфат натрия могут быть легко отделены друг от друга (как известно, трудность разделения серной кислоты и сульфата натрия является одним из сложных вопросов в проблеме электролиза сульфата натрия). Таким образом, этот способ позволяет получать щелочь и медный купорос без затраты кислоты.

Получение медного купороса при окислении меди хлорной медью

Этот метод основан на образовании хлористой меди из хлорной и металлической меди:

Cu + CuCl₂ = 2 CuCl (11)

(Хлористую медь получают также хлорированием цементной меди в растворе поваренной соли). Хлористую медь окисляют воздухом с образованием оксихлорида меди:

6 CuCl +1, 5 O₂ + 3 H₂O = 3 [Cu(OH)₂ ∙ CuCl₂] (12)

Оксихлорид растворяют в серной кислоте, в результате чего образуется раствор сульфата меди и регенерируется хлорная медь:

3 [Cu(OH)₂ ∙ CuCl₂] + 3 H₂SO₄ = 3 CuSO₄ + 3 CuCl₂ + 6 H₂O (13)

Получение оксихлорида меди осуществляют в бетонном баке, куда загружают медь и заливают раствор хлорной меди. После этого продувают массу воздухом, пока вся металлическая медь не перейдет в нерастворимый оксихлорид. После отстаивания и декантации пульпу растворяют при нагревании в серной кислоте. Приточный раствор возвращают в процесс.

Производство медного купороса из окиси меди

До распространения способа получения медного купороса из медного лома в натравочных башнях медный лом предварительно окисляли в печах в окись меди, которую затем перерабатывали в медный купорос.

В настоящее время медный лом перерабатывают в медный купорос только методом «натравки», а производство медного купороса растворением окиси меди в серной кислоте базируется на окиси меди, получаемой из полупродуктов и отходов медеплавильных заводов.

Характеристика сырья

а) Раствор цеха электролиза меди (ЦЭМ).

Раствор передаточный ЦЭМ представляет собой отработанный электролит ЦЭМ, полученный после электролитического рафинирования меди, направля-емый в купоросный цех. Химический состав передаточного раствора ЦЭМ, указанный в табл. 2.1 обеспечивает получение медного купороса в соответствии с СТП 00194429–071–2003 [3].

Таблица 2.1. Химический состав передаточного раствора ЦЭМ

Содержание, г/дм³
Серной кислоты	не менее	не более
Серной кислоты	меди	Ni	As	Sb	Fe	Zn	Mg	Na	Ca	K	N
140, 0 – 170, 0	37, 0	15, 0	3, 5	0, 7	0, 5	0, 5	0, 1	0, 35	0, 3	0, 02	0, 3

Содержание золота и серебра в передаточном растворе ЦЭМ определяют, но не нормируют.

Зашламленность раствора должна быть не более 0, 010 г./дм³.

б) Раствор промышленный – конденсат ЦЭМ (далее промраствор ЦЭМ) – представляет избыток конденсата из теплообменников, направляемый в ГМО ХМЦ. Содержание примесей в промрастворе ЦЭМ, указанное в табл. 2.2, обеспечивает получение осветленных растворов, в соответствии с требованиями СТП 00194429–031–2002 [4].

Таблица 2.2. Химический состав промраствора ЦЭМ

Содержание, мг/дм³
не менее	не более
pH 1, 5	серной кислоты	меди	никеля	мышьяка
pH 1, 5	2000, 0	300, 0	10, 0	1, 0

в) Гранулы медные.

Гранулы изготавливают в соответствии с требованиями настоящего стандарта по СТП 00194429 – 080 – 2002 [5]. Химический состав, структура и размеры гранул должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Физико-химические свойства гранул

Гранулы медные
Кремневые	Бескремневые
Химсостав, %
– медь, не менее 99, 0; – кремний, не более 0, 11.	– медь, не менее 99, 0.
структура пластинчатая	структура пластинчатая
Размеры
– отдельные пластины непра- вильной формы размером от 15 мм до 25 мм; – пластинчатые сростки от 30 мм до 100 мм.	– отдельные пластины неправильной формы размером от 3 мм до 15 мм; – допускается наличие частиц размером менее 3 мм, без образования из них отдельного слоя; – пластинчатые сростки 20 – 25 мм.

Гранулы медные принимают партиями. Партией считают количество гранул, полученных от одной плавки.

д) Оборотные растворы.

Перечень оборотных растворов, используемых на операции растворения, приведен в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Оборотные растворы купоросного производства

Наименование растворов	Предыдущая операция
Раствор с узла подготовки никелевого отделения	Отстаивание и кристаллизация никеля сернокислого из маточного раствора чернового цикла никелевого отделения
Воды промывные участка производства антисептика «Ултан»	Промывка осадков на фильтр-прессе и растворение кристаллов медного купороса в производстве антисептика «Ултан»
Воды промывные медного отделения	Промывка кристаллов медного купороса при разделении, растворение донных осадков в баковой аппаратуре, смывы полов

Воды промывные закачивают в аппараты для корректировки концентраций исходных растворов, их состав не нормируют и не определяют.

е) Медный купорос.

Медный купорос должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологической инструкции.

Медное отделение купоросного цеха выпускает два вида товарной продукции:

- купорос медный марки А1 в соответствие с ГОСТ 19347–99 [6];

- медный купорос мелкодисперсный марки А сорт 1 по ТУ 2141–368–100–97 [7].

Медный купорос окрашен в ярко-синий цвет, на воздухе медленно выветривается, покрываясь белым налетом; хорошо растворим в воде (с повышением температуры растворимость увеличивается) и почти не растворим в спирте; не горюч, пожаровзрывоопасен. Относится к веществам 2‑ го класса опасности. Попадая в организм человека, вызывает желудочно-кишечные расстройства.

Медный купорос обладает следующими физико-химическими свойствами: кристаллы ярко-синего цвета, растворимые в воде и выветривающиеся на воздухе, гигроскопичны. Формула CuSO₄∙ 5H₂O. Молекулярная масса 249, 68 г./моль.

Химический состав медного купороса приведен в табл. 2.5.

Табл. 2.5. Химический состав медного купороса

Наименование

Показателя

Норма марки, %

Высший

Первый

Высший

Первый

Второй

Массовая доля медного купороса в пересчете на CuSO₄_· ∙ 5H₂O, в% не менее: в пересчете на медь, в% не менее

99, 1 25, 22

98, 0 24, 94

98, 1 24, 97

96, 0 24, 43

93, 1

23, 67

Массовая доля железа, в% не более

0, 02

0, 04

0, 05

0, 10

Массовая доля свободной серной кислоты, в% не более

0, 20

0, 25

0, 20

0, 25

Массовая доля нерастворимого в воде остатка, в% не более

0, 03

0, 05

0, 10

Массовая доля мышьяка, в% не более

0, 002

0, 012

0, 028

По физико-химическим свойствам мелкодисперсный купорос должен соответствовать требованиям ГОСТ 19347–99 [6] марки А сорт 1 кроме массовой доли медного купороса в пересчете на медь и массовой доли нерастворимого в воде остатка.

Массовая доля медного купороса в пересчете на медь – 24, 5 %.

Массовая доля нерастворимого в воде остатка – 1, 05 %.

Медный купорос является важнейшей солью меди и находит широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. Он служит исходным материалом для производства различных соединений меди. Как многие другие соли меди, медный купорос ядовит.

В сельском хозяйстве он применяется для предохранения растений от вредителей и некоторых заболеваний и является составной частью ядохимикатов; бордосской жидкости и препарата АБ.

Бордосская жидкость представляет собой водную суспензию, получаемую при смешении 0, 5 – 1, 0 %-ного раствора медного купороса с 0, 5–1, 0 %-дым известковым молоком.

Препарат АБ – основная сернокислая соль меди с примесью основных углекислых солей меди. Получается в результате взаимодействия pacтвора медного купороса и мела при нагревании.

В красильном деле он применяется как протрава; в гальванопластике – для покрытия металлов слоем меди и т. д. Препарат вырабатывают двух сортов, отличающихся по содержанию основного вещества и по количеству допускаемых примесей.

Отстой раствора

Полученный насыщенный раствор сернокислой меди содержание остаточной серной кислоты (6 – 3) г/ дм³ сливают в бак-отстойник О 1 и, после отстоя в течение 40 мин перепускают в бак исходного раствора И 1, а шлам смывают конденсатом в бак-отстойник О 4. Раствор, полученный в результате глубокой нейтрализации, сливают в бак-отстойник О 2.

Образование и использование растворов и промывной воды

Промывные растворы, образующиеся после промывки и растворения купороса, пропарки и промывки оборудования, полов и площадок через зумпфы собирают в баки Пв 1, Пв 2, Пв 4, Пв 5 и расходуют на технологические нужды (растворение медных гранул и некондиционного медного купороса).

В бак Пв 3 принимают растворы с участка производства антисептика и расходуют так же в процессе растворения медных гранул.

Таблица 2.10. Режимные параметры процесса сушки медного купороса

Наименование параметра	Ед. изм.	Норма	Периодичность контроля
Температура на входе в сушильный барабан, не более	⁰С	130	Ежечасно
Температура на выходе из сушильного барабана, не более	⁰С	60	Ежечасно

Система управления

Система управления предназначена для контроля технологических параметров и для управления процессом нейтрализации. Система управления находится в герметичных шкафах. Она включает в себя:

а) Управляющий контроллер;

б) Аппаратура сбора информации: оптомодули ввода, оптомодули вывода, оптодоска ввода для нейтрализатора; оптодоска ввода для баков;

в) Аппаратура сбора данных. Модули сбора данных АДАМ‑ 4017;

г) Интерфейсная аппаратура: модули конвертеры RS 232‑ RS485 АДАМ‑ 4520, соединительные провода и кабели;

д) Аппаратура контроля технологических параметров: систему датчиков измерения уровня, систему датчиков измерения расхода воздуха и электролита, систему датчиков измерения давления;

е) Блоки питания на 24V и на 5V;

ж) Программу и программное обеспечение приема и обработки информации с датчиков и исполнительных устройств, управления исполнительными устройствами и технологическим процессом.

Принцип работы системы управления

Управляющий сигнал для исполнительных механизмов формируется при помощи логических функций на основании сигналов с датчиков и сигналов управляющих воздействий от оператора или управляющего контроллера. Управляющий сигнал управляет модулем оптической развязки, который коммутирует подачу напряжения на исполнительный механизм.

Функции системы управления

1) Система автоматического контроля и управления обеспечивает:

а) Контроль и управление заданными технологическими параметрами с выводом информации на экран монитора: расход электролита, расход воздуха, температуру в нейтрализаторе, температуру электролита в баке, давление в нейтрализаторе, температура воздуха, расход пара, скорость циркуляции, уровень электролита в нейтрализаторе, уровень электролита в баках, температура в сливной трубе;

б) Визуальную сигнализацию о ходе технологического процесса;

* Автоподогрев электролита в нейтрализаторе;

* Автоуправление расходом воздуха;

* Перевод аппаратуры установки в исходное состояние (переход в состояние СТОП нейтрализатора);

* Перевод аппаратуры баков в исходное состояние (переход в состояние СТОП баков).

2) Задачи контроля и регулирования заданных технологических параметров, индикации состояния системы, приведение системы в исходное состояние.

– Контроль и регулирование технологических параметров;

– Контроль технологических параметров осуществляется с применением стандартных датчиков;

– Система управления обеспечивает управление исполнительными механизмами и регулирование параметров технологического процесса.

Система управления обеспечивает ручнойи автоматический режимы управления процессом нейтрализации серной кислоты. «Ручной» – управление задвижками, клапанами, насосами с пульта оператора согласно рабочей инструкции для аппаратчика-гидрометаллурга медного отделения купоросного цеха и используя руководство оператора.

«Автоматический» –управление задвижкой воздуха (для поддержания определенного расхода воздуха в нейтрализаторе, заданного оператором), клапаном пара нейтрализатора (для поддержания определенной температуры в нейтрализа-торе, заданной оператором).

Система управления технологическим процессом, система отображения технологического процесса и аппарат нейтрализации колонного типа предназначены для эксплуатации внутри помещения с температурой окружающей среды от +5 °С до +30 °С и влажностью до 80 % без конденсата влаги.

Для принятия решения по управлению аппаратом нейтрализации колонного типа оператор должен руководствоваться показаниями приборов, показателем концентрации H₂SO₄, рабочей инструкцией для аппаратчика-гидрометаллурга медного отделения купоросного цеха Р.И. 0400–22–98 [12].

Система отображения

Система отображения предназначена для отображения технологических параметров и для управления процессом нейтрализации. Система отображения включает в себя: персональный компьютер тип IBM, промышленный манипулятор, блок бесперебойного питания, программу отображения информации и управления.

Материальные расчеты

Фильтрация смеси

На стадию фильтрации поступает смесь после глубокой нейтрализации, на выходе имеем нейтральный раствор и медно-мышьяковистый кек, который отгружают и используют в других производствах.

Состав медно – мышьяковистого кека: 20 % Cu, 15 % As, 2 % Ni, 60 % H₂O, 3 % нерастворимый остаток.

Тогда m_кека = 350/0, 2 = 1750 кг,

m _As = 1750 ∙ 0, 15 = 262 кг,

m _As^{в р-ре} = 382 – 262 = 120 кг,

m_Ni = 1750 ∙ 0, 02 = 35 кг,

m_Ni^{в р-ре} = 871 – 35 = 836 кг,

m _влаги = 1750 ∙ 0, 6 = 1050 кг,

m_{нераств. ост.} = 1750 ∙ 0, 03 = 53 кг.

Исходный раствор имеет массу m_общ (CuSO₄ + H₂SO₄ + H₂O) = 200621 кг

ω _CuSO4 = 58402/200621 ∙ 100 = 29, 1 %,

ω _H2SO4 = 774/200621 ∙ 100 = 0, 4 %,

ω _H2O = 141445/200621 ∙ 100 = 70, 5 %.

Отсюда m _CuSO4 = 1050 ∙ 0, 291 = 306 кг,

m _H2SO4 = 1050 ∙ 0, 004 = 4 кг,

m _H2O= 1050 ∙ 0, 705 = 740 кг.

Найдем массу CuSO₄ в нейтральном растворе

m _CuSO4 = 58402 – 306 = 58097 кг,

m _H2SO4 = 774 – 4 = 770 кг,

m _H2O= 141445 – 740 = 140705 кг.

Результат расчетов по стадии фильтрации представлен в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Фильтрация смеси

Приход			Расход
Статья	кг/сут	%	Статья	кг/сут	%
1. Смесь, в том числе H₂SO₄ CuSO₄ Ni As H₂O Cu нерастворимый остаток	202403 774 58402 871 382 141445 350 179	100, 0 0, 4 28, 8 0, 4 0, 2 69, 9 0, 2 0, 1	1. Нейтральный раствор, в том числе H₂SO₄ CuSO₄ Ni As H₂O 2. Кек, в том числе Cu Ni As нерастворимый остаток H₂SO₄ CuSO₄ H₂O	200527 770 58096 836 120 140705 1750 350 35 262 53 4 306 740	100, 0 0, 4 29, 0 0, 4 0, 1 70, 1 100, 0 20, 0 2, 0 15, 0 3, 0 0, 2 17, 4 42, 4
Итого	202403		Итого	202277

Невязка баланса 0, 06 %.

Смешение

В процессе данной стадии происходит смешение двух растворов, а именно, нейтрального раствора массой 151043 кг и оборотного раствора – растворенный медный купорос третьей стадии кристаллизации, массой 14501 кг.

Берем 8, 76 % оборотного раствора и 91, 24 % нейтрального раствора.

m_общая = 200527/0, 9124 = 219876 кг,

m_{оборотного раствора} = 219876 ∙ 0, 0876 = 19253 кг,

m _CuSO4 = 58096 + 4482 = 62578 кг,

m _H2SO4 = 770 + 73 = 843 кг,

m _H2O= 140705 + 14686 = 155391 кг,

m_Ni = 836 + 8 = 844 кг,

m _As = 120 + 4 = 124 кг.

Данные расчетов занесены в табл. 4.4.

Таблица 4.4. Смешение нейтрального и оборотного растворов

Приход			Расход
Статья	кг/сут	%	Статья	кг/сут	%
1. Нейтральный раствор, в том числе H₂SO₄ CuSO₄ Ni As H₂O 2. Оборотный раствор, в том числе H₂SO₄ CuSO₄ Ni As H₂O	200527 770 58096 836 120 140705 19253 73 4482 8 4 14686	100, 0 0, 4 29, 0 0, 4 0, 1 70, 1 100, 0 0, 34 23, 3 0, 04 0, 02 76, 3	1. Смешанный раствор, в том числе H₂SO₄ CuSO₄ Ni As H₂O	219780 843 62578 844 124 155391	100, 0 0, 4 28, 45 0, 4 0, 05 70, 7
Итого	219780		Итого	219780

Заключение

Подводя итог работы над курсовым проектом, необходимо отметить, что производство медного купороса сопровождается постоянно действующей системой развития и совершенствования технологического процесса. В связи с этим, проводятся мероприятия, программы, опытные работы и внедрение нового оборудования и технологии, а именно, разработка и внедрение принципиально нового оборудования для технологии производства медного купороса – аппарата растворения колонного типа; ресурсо- и энергосберегающие технологии на всех стадиях купоросного производства; повышение качества и конкурентоспособ-ности на российском и мировом уровне выпускаемой продукции.

Замена малопроизводительного аппарата – оксидизера на современный аппарат колонного типа для растворения меди, позволила уменьшить расход сжатого воздуха на 474 м³, потребление пара с 2, 11 м³ до 1, 96 м³на тонну готового продукта, в связи с этим предприятие ОАО «Уралэлектромедь» сократило расход электроэнергии.

В ходе рассмотрения экономического вопроса производства и сбыта медного купороса, можно сказать, что деятельность купоросного цеха является прибыльной: себестоимость 1 тонны сернокислой меди снизилась на 296, 6 руб., вследствие этого завод получил прибыль в размере 8319 тыс. руб. Немаловажен и тот факт, что технологический процесс является замкнутым, это в свою очередь отражается на экологии – позволяет не использовать чистую воду из вне, сокращает стоимость готовой продукции и не ухудшает качества самого медного купороса на выходе из технологического процесса.

В дипломном проекте рассмотрены различные способы получения сернокислой меди, приведено описание действующей технологии производства, рассчитаны материальный и тепловой балансы, дана технико-экономическая оценка проекта, а также рассмотрены вопросы безопасности и экологичности процесса получения медного купороса.