Сделай Сам Свою Работу на 5

Тема 1.2 Технологические схемы получения хлорида магния





ПРОИЗВОДСТВО ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ

Литература:

 

1. Металлургия легких металлов. Николаев И.В. и др. – М.; Металлургия, 1997

2. Металлургия магния и других легких металлов. Стефанюк С.Л. – М.; Металлургия, 1985

3. Металлургия алюминия. Борисоглебский Ю.В. и др. – Новосибирск; Наука, 1999

4. Металлургия легких металлов. Беляев А.И. – М.; Металлургия, 1970

5. Краткий справочник по металлургии цветных металлов. Гудима Н.В., Шейн Я.П. – М.; Металлургия, 1975

6. Производство алюминия. Янко Э.А. – С.-Пб.; Изд-во С.- Пб. Ун-та, 2007

7. Производство цветных металлов. Уткин Н.И. – М.; Интермет инжиниринг,

8. Металлургия алюминия. Троицкий И.А., Железнов В.А. – М.; Металлургия, 1977

9. Общая металлургия. Автор любой.

 

Введение

 

К легким металлам относятся металлы с плотностью менее 5 г/см3 (14). Это металлы в основном 1 и 2 группы ПС Менделеева: литий – Li; натрий – Na; калий – К; рубидий – Rb; цезий – Cs; берилий – Ве; магний – Mg; кальций – Ca; стронций – Sr; барий – Ва; алюминий – Al. (титан – Ti; бор – В; кремний – Si)

В связи с общностью свойств современные способы получения легких металлов основываются на одних принципах. Большинство легких металлов получают электролизом расплавленных солей или электротермическими способами. Их обычно не получают восстановлением углеродом из-за большого расхода энергии и сложности процесса. Электролизом водных растворов получить нельзя из-за выделения водорода на катоде.



Сам раб № 1 Основные свойства легких металлов. Их применение в н/х.

Сделать таблицу с колонками: элемент; порядковый номер; атомная масса; валентность; плотность при н/у; температура плавления; температура кипения, стандартный электродный потенциал.

Основные физико- химические свойства. Их значение в н/х, применение.

 

Раздел 1. Металлургия магния

Тема 1.1 Свойства магния и области его применения

История открытия магния и развития магниевого производства

 

Впервые магний был получен в 1808 г. Хемфри Деви из оксида магния. Он получил электролизом амальгаму магния, отогнал из неё ртуть и выделил элементарный магний. В последующие годы большинство исследователей получали магний восстановлением хлорида магния парами натрия или калия. В 1829 Бюсси провел восстановление магния натрием из безводного хлорида магния MgCl2.



В 1830 г. Фарадей получил первый электролитический магний электролизом расплавленного MgCl2.

1852, Бунзен - электролиз расплава MgCl2 с применением наружной керамической перегородки для отделения капель магния от хлора.

1856, Матиссен – электролизом двойного хлорида KCl * MgCl2

1865, Сент – Клер Девиль – электролизом с добавками CaF2 для улучшения слияния капель магния

К концу XIX века почти полностью была разработана технология электролитического способа производства магния и начато его промышленное освоение сначала в Германии, а затем и в других странах

Промышленное производство магния началось в 60 годах 19 века с метода натриетермического восстановления. С 80 годов основное значение приобрел электролиз расплавленной смеси MgCl2 с KCl и NaCl. К началу первой мировой войны в Европе началось промышленной производство магния. В России в это время 1914 -1915 проводились исследования электролиза магния (Федотьев, Воронин, Антипин, Гребенщиков). Производство началось лишь в 30 годах 20 века. Научные разработки в области магния – ВАМИ (Всесоюзный алюминиево-магниевый институт).

1931 – пуск магниевого цеха Опытного алюминиево - магниевого завода в Ленинграде

1935 – Днепропетровский магниевый завод в Запорожье (ДМЗ)

1936 – Магниевый завод в Соликамске (СМЗ)

1943 – магниевый завод в Березниках

В отличие о производства других цветных металлов производство магния не сталкивается с проблемами истощения природных мировых ресурсов: морская вода, природные и технологические рассолы практически неисчерпаемы. Проблему составляет энергоемкость производства.



 

Основные свойства магния

Элемент 2 группы ПС Менделеева Д.И. Порядковый номер 12

Атомная масса Аr = 24,312 г/моль.

Стандартная степень окисления + 2; в субсоединениях + 1.

Плотность магния при 20 0С ρ = 1,74 г/см3; при температуре плавления 1,57 г/см3.

Температура плавления 650 0С

Температура кипения 1107 0С.

Стандартный электродный потенциал φ0 = - 2,37 В

Электрохимический эквивалент магния q = М / z * F , г / А*ч

 

q = 24,312 / (2 * 26,8) = 0,454 г / А*ч

 

Магний – металл серебристо – белого цвета с гексагональной решеткой и плотной упаковкой.

При нормальной температуре на воздухе магний медленно окисляется, покрываясь тонкой пленкой оксида. С повышением температуры скорость окисления магния увеличивается и особенно быстро при температуре выше 3500 С. Оксидная пленка пористая, поэтому защитными свойствами не обладает. Заметное влияние на скорость окисления магния оказывает влага, содержащаяся в воздухе.

В слитках или изделиях магний не опасен, но легко загорается в расплавленном и порошкообразном состоянии (этим обусловлено его применение в пиротехнике).

С кипящей водой взаимодействует с выделением водорода и с образованием студенистого осадка гидроксида. Магний интенсивно растворяется во всех минеральных кислотах, кроме плавиковой и хромовой. В растворах едких щелочей магний химически стоек вплоть до температуры кипения. На коррозионную стойкость магния сильное влияние оказывают примеси: железо, никель, медь и хлориды.

Является хорошим восстановителем. Имеет сильную химическую активность, вытесняя менее активные металлы из их химических соединений.

Со многими металлами магний образует сплавы, имеющие выгодное сочетание плотности, механических и технологических свойств, хорошо поглощающие вибрацию.

 

Применение магния

 

Одним из главных потребителей магния всегда служила военная промышленность (авиация и ракетная техника). Последнее время магний применяют в гражданской промышленности. Этому способствует открытие новых сплавов на основе магния, обладающих высокой механической прочностью, химической стойкостью и жаропрочностью. Магниевые сплавы используют в авиационной и автомобильной промышленности, машино – и приборостроении, в качестве протекторной защиты и гальванических элементов. Магний благодаря его высокой восстановительной способности применяется при получении редких металлов (титана, циркония, урана и др.), а также бора и мышьяка, как модификатор чугуна.

Порошки из магния и его сплавов применяют в пиротехнике, а также в качестве высококалорийного горючего в ракетах.

 

Руды и минералы магния

 

Магний принадлежит к группе элементов, наиболее распространенных в земной коре, занимая 8 место. Процент содержания магния составляет 2,35 % от массы земной коры. Благодаря высокой химической активности магний в природе встречается только в связанном виде. Часть магния, в основном в виде хлоридов и сульфидов, содержится в морской воде и в воде соляных источников и озер; около 3,7 % общего количества магния, содержащегося в земной коре, находится в морской воде.

Существует около 200 минералов магния: карбонаты, хлориды, сульфаты, силикаты и др. Широкое промышленное применение имеют хлориды и карбонаты.

 

Карбонаты:

- магнезит MgCO3

- доломит MgCO3 * CaCO3

Хлориды:

- бишофит MgCl2 * 6H2O

- карналлит KCl * MgCl2 * 6H2O

Сульфаты:

- кизерит MgSO4 * H2O

- каинит MgSO4 * KCl * 3H2O

- лангбейнит 2MgSO4 * K2SO4 * H2O

Силикаты и другие:

- змеевик 2MgO * 2SiO2 * 2H2O

- оливин MgSiO4

- брусит Mg(OH)2

 

Магниевое сырье бывает 2 видов:

1) рудное (карбонаты и карналлит):

 

а) Магнезит представляет собой природный карбонат магния, загрязненный соединениями кремния, железа, алюминия, кальция и марганца. Месторождения магнезита: Саткинское (Ср.Урал), Халиловское (Оренбургская обл.). Магнезит, используемый в производстве магния почти не должен содержать примесей. К числу наиболее вредных примесей следует отнести оксид кремния и оксид железа. Для удаления примесей магнезит подвергают обогащению в тяжелых суспензиях. Иногда магнезит предварительно обжигают при 700-800 0С для получения оксида магния: MgCO3 → MgO + CO2

Затем сырой или обожженный магнезит в смеси с восстановителем подвергают хлорированию для получения безводного хлорида магния. В настоящее время основное количество магнезита идет на производство огнеупоров.

б) Доломит - двойной карбонат магния и кальция, в которых содержание оксида магния примерно в 1,5 раза меньше, чем оксида кальция . Использовать его для непосредственного получения магния невыгодно, т.к. при хлорировании получается расплав с низким содержанием хлорида магния. Обожженный доломит используется для осаждения гидрокснда магния из хлормагниевых щелоков (отходов, образующихся при производстве калийных солей):

MgCl2 + CaO * MgO + 2H2O = 2Mg(OH)2 + CaCl2/

Полученный гидроксид магния в смеси с восстановителем подвергается хлорированию для получения безводного хлорида магния.

Месторождения доломита: Жигулевское и Никитинское (Добасс), Щелковское и Подольское (Московская обл.), Изваровское (Ленинградская обл.).

в) Карналлит находится в природе в виде залежей, состоящих из смеси различных минералов, в число которых входит галит (NаС1), ангидрит (СаSO4), сильвин (КС1). Карналлит – гигроскопическая ископаемая соль. Естественный карналлит подвергают гидрохимическому обогащению, основанному на меньшей растворимости NaCl по сравнению с KCl и MgCl2.

Карналлит в качестве исходного сырья используется только в России. Для получения чистого карналлита карналлитовую руду после дробления и отделения пустой породы направляют на производство искусственного карналлита. Основным промышленным способом получения искусственного карналита является галлургический способ, основанный на различной совместной растворимости MgCl2

КС1, NаС1 в воде в зависимости от температуры.

Месторождение карналлита: Соликамское (Урал).

 

2 ) природные рассолы (бишофит)

На этом виде сырья работают Америка и Израиль.

Морская вода - это практически неисчерпаемый источник магниевых солей. В одном кубическом метре морской воды содержится примерно 1 кг. магния. Концентрация солей магния в воде соляных озер еще более высока. В некоторых странах хлорид магнгия получают из морской и озерной воды, в нашей стране данное производство незначительно.

Месторождения: Крым, Нижняя Волга, Алтайские озера.

 

ВОПРОСЫ

1. В каком году впервые был выделен магний и каким способом?

2. Почему в настоящее время магний не получают восстановлением парами натрия или калия?

3. Назовите и охарактеризуйте основные минералы магния, используемые в

промышленности.

4. Что такое искусственный карналлит?

5. Как получают искусственный карналлит? Какое свойство карналлита используют при его обогащении?

 


Тема 1.2 Технологические схемы получения хлорида магния

 

 

Исходным сырьем для электролитического получения магния является его хлорид. Поэтому природное сырье необходимо переработать с целью получения данного соединения. Существуют различные технологические схемы, выбор которой зависит от вида перерабатываемого сырья. Основные ТС:

- карналлитовая;

- хлормагниевая.

 

Карналлитовая АТС

 

По данной технологической схеме получают искусственный карналлит. ТС представлена на рисунке 1.1.

Дробление и измельчение являются подготовительными операциями. Служат для уменьшения крупности материала и увеличения реакционной поверхности (повышается скорость реакции). Проводятся в дробилках и мельницах различных конструкций.

Растворение служит для получения пульпы, состоящей из жидкой и твердой фаз. Проводится в вертикальных растворителях, где смешивается с маточным раствором и реагентами при температуре 110 – 115 0С. При этом в раствор переходят MgCl2 и KCl.

NaCl и другие нерастворимые примеси отфильтровываются с помощью операции фильтрации на ситах. Рабочий раствор при этом становится более концентрированным.

Кристаллизация протекает в две стадии:

1 стадия - при температуре 60 – 100 0С в вакуум – кристаллизаторах непрерывного и периодического действия: нагрев пульпы и выпадение первых кристаллов карналлита. Вакуумная кристаллизация в отличие от обычной более производительна, но дает сравнительно мелкие кристаллы. Пересыщение раствора достигается здесь в результате одновременного испарения растворителя и охлаждения раствора. На интенсивное испарение воды затрачивается скрытая теплота испарения. Теряя её, раствор охлаждается.

2 стадия - в вертикальных кристаллизаторах охлаждение пульпы проточной водой до температуры 20 0С.

Сгущение и уплотнение в отстойниках (декантация) – отделение маточного раствора и получение более плотной пульпы.

Фильтрация на центрифугах - окончательное отделение маточного раствора и получение искусственного карналлита. Маточный раствор содержит бром, поэтому поступает на очистку в бромные колонки для извлечения брома, а затем на стадию растворения. Полученный карналлит обладает высокой чистотой и постоянной концентрацией основных компонентов. Имеет состав, %: 31 - 32,5 MgCl2; 5 – 6 NaCl; 34 – 36 H2O.

2 – х стадийное обезвоживание – полное удаление воды:

1 стадия – печи ТВ или КС;

2 стадия – печи СКН или хлораторы.

 

Недостатки схемы:

 

1 Высокие затраты, большой расход тепловой энергии;

2 Большие грузопотоки сырья, отходов и полуфабрикатов;

 


 

Природный карналлит KCl * MgCl2 * 6H2O 1,55 тонн

 

 

Дробление

 
 

 


Измельчение


Вода Пар, коагулянты

Промвода Растворение Маточный раствор

       
   
 
 


Пульпа

 
 


Фильтрация и сгущение на ситах

 
 

 


Шлам Раствор щелока MgCl2 * KCl

       
   

 


Промывка Кристаллизация в вакуум – кристаллизаторах

 
 


Промвода Шлам

Кристаллизация в вертикальных кристаллизаторах

 

В отвал

Сгущение и уплотнение в отстойниках

 
 

 


Пульпа Маточный раствор

 


Фильтрация на центрифугах

 
 

 


Кристаллы искусственного карналлита (1 тонна) Маточный раствор

 

 

2 – х стадийное обезвоживание

Вода

 

 

Обезвоженный искусственный карналлит

 

 

Рисунок 1.1 - Технологическая схема получения искусственного карналлита


Обезвоживание карналлита

 

Химизм обезвоживания

 

При комнатной температуре карналлит кристаллизуется с 6 – тью молекулами воды: MgCl2 * KCl * 6 H2O

При повышении температуры происходит дегидратация, т.е. отдача молекул воды.

 

1 стадия: При температуре 90 0С происходит отсоединение 4 молекул воды по реакции: MgCl2 * KCl * 6 H2O → MgCl2 * KCl * 2 H2O + 4 H2O

 

Степень гидролиза (т.е. процесса, обратного дегидратации) составляет менее 1 %.

 

2 стадия: Начинается при температуре 150 0С, заканчивается при температуре 180 – 200 0С. Отсоединяются 2 молекулы воды:

MgCl2 * KCl * 2 H2O → MgCl2 * KCl + 2 H2O

 

Степень гидролиза составляет около 6 %.

Гидролиз может протекать по реакциям:

 

1) KCl * MgCl2 + H2O → KCl * MgОНCl + HCl при t = 240 0C;

2) KCl * MgCl2 + H2O → KMg(OH)2Cl + HCl при t > 240 0C.

 

Аппаратурное оформление обезвоживания

 

1. Обезвоживание в печи ТВ (трубчатая вращающаяся)

 

АТС представлена на рисунке 1.2.

 

Исходный сырой карналлит загружается с помощью транспортера в питающий бункер печи, откуда с помощью питателя подается в головную часть печи. Печь ТВ имеет длину 35 – 40 м, диаметр 3 – 3,5 м. Печь состоит из 3 частей:

1 часть (холодная) – сушка карналлита; 2 часть (средняя) – начало обезвоживания; 3 часть (горячая) – интенсивное обезвоживание. Барабан печи имеет угол наклона 2 – 3 0 .Первая часть печи расположена выше, в нее загружается карналлит, который самотеком движется вниз. Для более лучшего перемещения и равномерного перемешивания печь имеет приваренные внутри барабана спиральные перегребающие уголки. Скорость вращения печи 0,8 – 1,2 об/мин. У разгрузочного конца печи находится топочная камера, где за счет сжигания природного газа образуется парогазовая смесь. Затем эта смесь движется по печи противотоком карналлиту. По мере продвижения по печи газы остывают, поэтому с карналлитом контактируют наиболее холодные топочные газы, что исключает оплавление карналлита.

Показатели и параметры печи:

- производительность по обезвоженному карналлиту – 150 т/сут;

- степень обезвоживания – 90- 95 %;

 

1 - карналлит; 2 – грейферный кран; 3 - транспортеры; 4 - печь ТВ; 5 – смесительная камера и топка; 6 - вентилятор; 7 - грохот; 8 - дробилка; 9 - элеватор; 10 - силосная башня; 11 – переходная камера; 12 - циклон; 13 - дымосос; 14 - скруббера.

 

Рисунок 1.2 – АТС обезвоживания карналлита во вращающейся печи

 

- степень гидролиза – 10 – 12%;

- температура топочных газов, 0С :

на входе в печь – 500 – 600

на выходе из печи – 110 – 130;

- температура карналлита на выходе из печи, 0С – 200 – 250.

Достоинство – стабильность работы.

Недостатки: - высокая степень гидролиза;

- высокий пылеунос;

- необходимость четкого соблюдения температурного режима

(слишком высокая температура – слеживание карналлита, низкая – налипание карналлита на стенки печи и коррозия барабана);

- трудность полной механизации и автоматизации.

 

 

2. Обезвоживание в печи КС (кипящего слоя)

 

Схема печи КС представлена на рисунке 1.3.

 

Печь представляет собой шахту, сваренную из стального листа и футерованную внутри термостойким кирпичом. Для уменьшения уноса пыли печь, начиная от газораспределительной решетки, расширена кверху.

 

1 – стальной кожух; 2 – перегородки камер; 3 – подина; 4 - перегородки отделений; 5 – разгрузочное устройство; 6 – газоотсосные патрубки; 7 – отверстия для подачи топочных газов в печь; 8 – предохранительные клапаны.

 

Рисунок 1.3 – Печь кипящего слоя (КС)

 

 

Газораспределительная решетка изготовлена из толстых стальных плит с отверстиями, в которые вставлены чугунные колпачки. Через эти колпачки подается греющий газ по всему сечению печи. Печь делится на 3 газораспределительные камеры, в которые подается газ и воздух. Вторая камера делится перегородками на 3 отделения, а третья – на 2. В перегородках имеются окна, через которые перетекает карналлит. Движение карналлита за счет перегородок имеет зигзаообразный вид. Температура в первой камере, где происходит подсушивание, 120 – 150 0С. Во второй происходит первая стадия обезвоживания. Температура карналлита 160 – 180 0С. В третье – 210 – 215 0С. Обезвоженный карналлит выпускается через специальный патрубок. Эффект кипящего слоя создается за счет потоков газа, подаваемых снизу. Газы проходят через слой карналлита, создавая эффект «кипения воды». Газ образуется за счет сжигания природного газа в присутствии воздуха в трех топках, расположенных под камерами.

Параметры процесса:

- производительность печи по обезвоженному карналлиту - 9,8 т/ч;

- степень обезвоживания - 92,5 %;

- степень гидролиза - 8 %;

- пылеунос -1,5%;

- расход природного газа - 1240 м3/ч.

 

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.