Дистилляция цинка в горизонтальных ретортах.

Лекция №13. Дистилляционные способы получения цинка

Физико-химические основы дистилляции цинка.

Дистилляция цинка включает следующие основные физико-химические процессы:

· восстановление оксида цинка до металла;

· испарение (возгонка) металлического цинка;

· конденсацию паров металлического цинка.

В качестве восстановителя в шихту вводят кокс. Непосредственный контакт твердого углерода с оксидом цинка сильно затруднен. Взаимодействие может происходить только в местах касания углерода с окисленными соединениями цинка. Поэтому процесс восстановления цинка твердым углеродом по реакциям имеет второстепенное значение.

2 ZnО + C = 2 Zn + СО₂

2 ZnО + C = Zn + СО

При температуре свыше 900–1000 °С создаются благоприятные условия для восстановления и возгонки цинка. В дистилляционном аппарате (реторте, печи) происходит насыщение газовой фазы парами цинка. При восстановлении чистого оксида цинка парциальное давление цинка в парогазовой смеси близко к 50 кПа (так как система сообщается с атмосферой, то общее давление парогазовой смеси составляет около 100 кПа). В парогазовых смесях, получаемых при восстановлении реальных шихт, содержащих, кроме ZnО, оксиды других металлов, парциальное давление цинка при ретортном процессе составляет 40-50 кПа. Во избежание развития процессов разложения СО и окисления парообразного цинка следует быстро отводить из аппарата горячие газы (>1000°С) и быстро охлаждать их в конденсаторе. Чтобы предупредить при этом образование пусьеры, применяют специальные способы конденсации (барботажные и с разбрызгиванием).

Поведение компонентов шихты при дистилляции.Цинк в шихте содержится в основном в виде ZnО, который при дистилляции восстанавливается и возгоняется. Некоторая часть цинка присутствует в шихте в виде ферритов цинка (nZnO^.mFe₂O₃). В результате взаимодействия ферритов цинка с оксидом углерода выделяются пары цинка и низшие оксиды железа. Примером служит реакция

ZnO^. Fe₂O₃ +2 CO = Zn_г+ 2 FeO + 2 CO₂

Из ферритов цинк может быть извлечен полностью. Однако при значительном содержании феррита цинка возможно оплавление шихты, что приводит к потерям цинка в раймовке и к выходу из строя реторт. Разрушение ферритов цинка происходит весьма энергично при 1200°С.

Силикаты цинка присутствуют в агломерате в небольшом количестве. Они восстанавливаются в условиях дистилляции при температуре выше 1000°С. Алюминаты цинка (цинковая шпинель), сульфид и сульфат цинка почти целиком переходят в раймовку.

Алюминаты и сульфид цинка – трудно восстановимые соединения. Сульфат цинка восстанавливается СО до сульфида:

ZnSO₄ + 4 CO = ZnS + 4 CO₂

Некоторая часть сульфата диссоциирует:

ZnSO₄ = ZnO + SO₂+0,5 O₂

Образующийся при этом SO₂ восстанавливается углеродом до элементарной серы, пары которой сульфидируют пары цинка:

SО₂ + С = СО₂ + 0,5 S₂

Zn + 0,5 S2 = ZnS

Поэтому сульфатная сера в шихте так же вредна, как и сульфидная.

Соединения железа (FеО, Fе₂О₃, Fе₃О₄, xFeO^.ySiO₂ и др.) при дистилляции восстанавливаются до FеО или металлического железа:

Fe₂O₃ + CO = 2FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Металлическое железо - сильный восстановитель. Оно может восстанавливать цинк из различных соединений (оксида, ферритов, силиката, сульфида) и способствовать повышению извлечения цинка:

ZnO + Fe = Zn + FeO

ZnO^.Fe₂O₃ + 2 Fe = Zn + 4 FeO

ZnO + 2 SiO₂ + Fe = Zn + FeO^.2SiO₂

ZnS + Fe = Zn + FeS

Оксид цинка восстанавливается металлическим железом в два раза быстрее, чем СО, поэтому смесь оксидов цинка и железа восстанавливается быстрее и при более низкой температуре, чем чистый ZnО. Однако присутствие значительного количества железа в шихте оказывает вредное влияние на дистилляцию.

Металлическое железо, взаимодействуя с углеродом, образует легкоплавкий чугун, а окисленные соединения железа, сплавляясь с кремнеземом, глиноземом и другими компонентами шихты, образуют легкоплавкий шлак. При наличии в шихте серы железо образует штейн. Все эти продукты разрушают стенки реторт.

Свинец в агломерате содержится преимущественно в виде ферритов (nPbO^.mFe₂O₃) и силикатов (nPbO^.m SiO₂). Некоторое количество свинца в шихте присутствует в виде PbО, PbS, PbSО₄. Окисленные соединения свинца восстанавливаются при дистилляции до металлического свинца, сульфат - до сульфида свинца. Металлический свинец и его летучие соединения PbО и PbS частично испаряются и ухудшают качество конденсированного цинка. Большая часть металлического свинца и расплавленного оксида свинца фильтруется через слой шихты и разрушает стенки реторты. Предупреждают вредное действие соединений свинца дополнительной добавкой кокса для их впитывания.

Медь в агломерате находится в виде легковосстановимых оксидов, силикатов и ферритов меди. Восстановленная металлическая медь нелетуча и вся остается в раймовке, а при расплавлении шихты переходит в штейн.

Кадмий в цинковом агломерате присутствует в виде оксида СdО. Восстанавливается СdО при более низкой температуре, чем ZnО:

СdО + СО = Сd + СО₂

СdО + С = Сd + СО

Приведенные реакции протекают с заметной скоростью при 700-750 °С.

Упругость паров кадмия при различных температурах намного превышает упругость паров цинка при тех же значениях температуры. В момент восстановления кадмий, как и цинк, находится в парообразном состоянии и улетучивается из реторты. Часть его конденсируется с цинком, но значительная доля переходит в пусьеру, которая заметно им обогащена и иногда служит источником получения кадмия.

Мышьяк и сурьма содержатся в агломерате в виде нелетучих антимонатов и арсенатов типа МеО^.Sb₂О₅ и МеО·Аs₂О₅. При дистилляции эти соединения восстанавливаются до летучих триоксидов и металлов и частично возгоняются, загрязняя цинк и пусьеру.

Золото и серебро при дистилляции шихты без ее расплавления остаются в твердых остатках процесса - раймовке. При расплавлении шихты золото и серебро переходят в свинец и штейн.

Пустая порода в шихте представлена соединениями кальция и бария, а также кремнеземом и глиноземом. Все компоненты пустой породы оказывают отрицательное влияние на процесс вследствие образования легкоплавких шлаков, склеивающих шихту и разрушающих реторты, что снижает извлечение цинка при дистилляции.

Дистилляция цинка в горизонтальных ретортах.

Печи для дистилляции цинка в горизонтальных ретортах бывают разной конструкции. Реторты в печи расположены рядами (1-8 рядов), общее число реторт в печи колеблется от 200 до 1000. На рис.13.1 изображена трехрядная дистилляционная печь, отапливаемая природным или генераторным газом. Капитальная стена из огнеупорного кирпича, расположенная в центре печи, делит ее на две равные и самостоятельные части.

Рис.13.1 Поперечный разрез трехрядной печи для дистилляции цинка.

1,2 – каналы для газа и воздуха, 3 – реторта, 4 – конденсатор, 5 – полки для конденсаторов,

6 – отверстия для выгрузки раймовки, 7 - алонж

Между капитальной и фасадной стеной находится пространство для циркуляции топочных газов, в котором расположены рядами реторты. В реторту загружают шихту (до 100 кг), испарившийся при 1200-1250 °С цинк охлаждается и скапливается в конденсаторе, пусьера собирается в алонже.

Выход раймовки (остатка от дистилляции) зависит от состава концентрата и составляет до 60 % от массы перерабатываемой шихты. Оборотными материалами при дистилляции цинка являются: часть раймовки, расположенная около устья реторты, дроссы, пусьера (если в ней мало кадмия), конденсаторный бой.

Прямой выход годного цинка составляет около 75 %. Общее извлечение цинка при дистилляции (с учетом возврата в шихту всех оборотных промпродуктов) не превышает 89-92 %. Примерное распределение цинка между продуктами дистилляции следующее, %: черновой цинк 85-86; раймовка 5-7; пусьера 3-5; глина-замазка 3,2; конденсаторный бой 1,1; потери с газами 1,1; ретортный бой 0,7.

Таблица 13.1 Примерный состав продуктов дистилляции, %.

Продукты	Zn	Pb	S	Fe	Cd	С
Конденсаторная пыль	60,7	2,55	0,84	1,83	Q.18	-
Пусьера:	84,8	1,5-2,0	0,08	0,3 - 0,6	0,9 - 1,7	5,7
Раймовка:	14,7	1,05	4,4	14,1	0,06	41,1
Цинк	97,8-98,5	0,8-1,5	-	0,06-0,09	0,01-0,09	-

Расход угля на восстановление шихты и обогрев реторт составляет обычно ~3 т на 1 т получаемого цинка. Дистилляция в горизонтальных ретортах - периодический процесс. Все обслуживание печи ведется вручную. Срок работы печей без капитального ремонта составляет 3-5 лет. На предприятиях расходуют на каждую тонну цинка 2-2,5 реторты и 6-10 конденсаторов.

Недостатки дистилляции цинка в печах, горизонтальными ретортами: периодичность процесса; низкое прямое извлечение цинка; невысокая чистота цинка; значительный расход топлива; недостаточное использование тепла; невозможность использования ретортных газов; большой расход керамики; трудности механизации операций и большая потребность в рабочей силе; вредные условия труда.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 993; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!