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年产5000吨硫酸铜的工艺设计.rar

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    年产 5000 硫酸铜 工艺 设计
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    本科毕业论文(设计)题 目 年 产 5000 吨 硫 酸 铜 的 工 艺 设 计 学生姓名 魏婕 专业名称 化学工程与工艺 指导教师 张孟民 2013 年 5 月 27 日教学单位 宝鸡文理学院 学生学号 200992074099 编 号 目录摘 要 ................................................................................................................................................1Abstracts.............................................................................................................................................11.概 述 ...............................................................................................................................................21.1 硫酸铜的性质 ......................................................................................................................21.2 硫酸铜的用途及发展前景 ..................................................................................................21.3 碱式碳酸铜 ..........................................................................................................................31.4 硫酸铜的制备方法简介 ......................................................................................................31.4.1 利用氧化铜矿制硫酸铜 .........................................................................................41.4.2 酸浸出法 ................................................................................................................41. 4. 3 酸浸直接法 ............................................................................................................51. 4. 4 酸浸转化法 ............................................................................................................51.4.5 氨浸出法 ................................................................................................................51.4.6 溶铜沉铁酸浸-化学浓缩法 ..................................................................................61.4.7 酸浸-萃取法 ..........................................................................................................61.5 硫酸铜的包装贮运 ..............................................................................................................72. 除铁法 ...........................................................................................................................................72.1 黄铵铁矾法除铁 .................................................................................................................72.2 氢氧化铁沉淀除铁法 .........................................................................................................82.3 一步结晶除铁法 .................................................................................................................83. 设备及工艺介绍 ...........................................................................................................................93.1 颚式破碎机 ..........................................................................................................................93.2 雷蒙磨 ..................................................................................................................................93.3 工艺流程图 ........................................................................................................................104.工艺计算 ....................................................................................................................................114.1 物料衡算 .........................................................................................................................114. 1. 1 每天所需生产硫酸铜的质量 ..............................................................................114. 1. 2 每天所需处理的碱式碳酸铜矿中含 Cu2(OH)2CO3 的质量 .............................114. 1. 3 每天所需处理的废渣的质量 ..............................................................................114. 1. 4 每天所需处理的碱式碳酸铜矿的总质量 ..........................................................124. 1. 5 每天需要的硫酸量........................................................................................ ......125.浸出反应釜的设计计算 ............................................................................................................125. 1 计算完全反应后反应釜中 CuSO4 溶液的质量 ..............................................................125. 2 反应釜的个数 ..................................................................................................................135. 3 每次每釜处理碱式碳酸铜矿的量 ..................................................................................135. 4 工艺流程中所需反应釜的个数 ......................................................................................146. 反应釜釜体设计 .........................................................................................................................146. 1 确定筒体和封头型式 ......................................................................................................146. 2 确定筒体和封头直径 ......................................................................................................146. 3 确定夹套直径 ..................................................................................................................156. 4 确定夹套高度 ..................................................................................................................157.反应釜搅拌器的型式 ................................................................................................................157. 1 桨式桨叶搅拌器 ..............................................................................................................157. 2 框式和锚式搅拌器 ..........................................................................................................167. 3 推进式搅拌器 ..................................................................................................................167. 4 涡轮式搅拌器 ..................................................................................................................167. 5 搅拌器的选型 ..................................................................................................................168.设计结果 ....................................................................................................................................16结束语 ..............................................................................................................................................17参考文献 ..........................................................................................................................................18致 谢 ................................................................................................................................................190年产 5000 吨硫酸铜工艺设计——浸出反应釜的设计魏婕(宝鸡文理学院 化学化工院 陕西 宝鸡 721007)摘 要:硫酸铜是一种很重要的无机化工原料,在纺染、电镀、医药等方面都有很大的用途。本文论述了硫酸铜的生产工艺的发展概况、用途及产品市场分析,大致介绍了在工业上生产硫酸铜常用的除铁方法,主要探索了年产五千吨硫酸铜的工艺设计。设计中采用含铜量为 20.02%的碱式碳酸铜矿为原料来生产硫酸铜。着重描述浸出工序中的反应釜的工艺设计,通过控制条件制得纯度较高的硫酸铜饱和溶液,再经过结晶工序得到产品。在浸出工序中控制温度在 90℃以上,采用间歇操作的方法制得硫酸铜饱和溶液。通过物料衡算,进行设备选型及浸出反应釜工艺尺寸的计算,设计出符合要求的浸出反应釜。关键词:硫酸铜 除铁 搅拌机 工艺设计 浸出反应釜The process design of Cupric sulfate of 5,000 tons per year—the process design of the continuous rectifying towerWeiJie(College of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721007 )Abstracts:The cupric sulfate is one kind of very important inorganic industrialchemicals, is spinning dyes, aspect and so on galvanization, medicineall has the very big use. This article summarized the cupric sulfate production craft development survey, the use and the produce market analysis, Approximately introduced commonly methods of eliminate the iron in the industry of producing the cupric sulfate, mainly explored The process design of cupric sulfate of 5,000 tons per year. In the design uses contains the copper quantity is 20.02% copper-concentrated ore produces he cupric sulfate for the rawmaterial. This article mainly undertakes in the leaching working rocedure response cauldron technological design, results in the purity higher cupric sulfate saturated olution through the control condition, again obtains the product after the 1crystallization working procedure. Controls the temperature in the leaching working procedure in 90℃ above, uses the batch eration the side legal system to result in thecupric sulfate saturated solution. Through calculation of mass alance and energy balance, carry on the selection of equipment and calculation of process size of he bodies of leaching responds the cauldron, the leaching responds the cauldron that meets the request is designed.Keywords: Cupric sulfate Eliminates the iron Mixer Technological design The leaching responds the cauldron1 概 述1.1 硫酸铜的性质硫酸铜(CuSO 4·5H2O) ,俗称胆矾或蓝矾,英文名称为 Copper sulfate;bule vitriol;Roman vitriol,蓝色三斜晶系晶体,密度为 1.28×103kg/m3,分子量为249.68,易溶于水,其水溶液呈微酸性,也溶于稀乙醇,不溶于无水乙醇,液氨。当加热到 45℃时开始失去一个结晶水,102℃时失去二个结晶水,加热到113℃时失去四个结晶水,加热到 258℃时失去全部结晶水而成浅白色无水硫酸铜粉末。当加热到 650℃时,即分解为氧化铜(黑色粉末):2CuSO4 ====2CuO+2SO2+O21.2 硫酸铜的用途及发展前景硫酸铜是一种重要的化工产品,有广泛的用途 [1]。染料工业中用作生产含铜单偶氮染料,如活性艳蓝,活性紫;医药工业直接或间接地用作收敛剂和生产异烟肼、乙胺嘧啶的辅助原料;涂料工业用于油酸铜作为船底防污漆的毒害剂;电镀工业中用于硫酸盐镀铜和宽温度全光亮酸性镀铜离子添加剂;食品工业中用作抗微生物剂,营养增补剂;农业上用作杀虫剂及含铜农药;在地质矿山工业中,用于选矿。由于硫酸铜有着如此广泛的用途,据分析,近年来硫酸铜在国内市场一直比较紧销,价格也逐渐上涨。此外,随着复微肥工业的发展,也需大量使用硫酸铜,2使硫酸铜供求矛盾更加突出。国内目前虽然有许多家硫酸铜生产厂家,但由于我国是一个铜资源比较短缺的国家,生产受到限制,传统上以有限铜资源为原料生产硫酸铜的方法,其产品已远远不能满足市场日益增加的需求。人们正将注意力转向用铜矿来制取硫酸铜。1.3 碱式碳酸铜化学式为 Cu2(OH)2CO3,又名孔雀石(主要成分是 Cu2(OH)2CO3,非纯净物),英文名:Basic cupric carbonate,是一种名贵的矿物宝石,属于碱式碳酸盐,是盐的一种。它是铜与空气中的氧气、二氧化碳和水等物质反应产生的物质,又称铜锈(铜绿)。在空气中加热会分解为氧化铜、水和二氧化碳。铜绿(铜锈)也是碱式碳酸铜(主要成分是 Cu2(OH)2CO3,非纯净物)。由溶液中所得沉淀物初显绿色,放置后在溶液中变成暗绿色,它不溶于水,溶于酸。却溶于氰化物、铵盐和碱金属碳酸盐水溶液而形成铜的络合物;深天蓝色很亮的单斜系晶体,或紧密的结晶团状物。它不溶于水,溶于氨水和热而浓的碳酸氢钠溶液而成蓝色。美观的绿色粉末状晶体,加热至 220℃时分解。不溶于水和乙醇,可溶于氨水生成二价铜的氨配合物。溶于酸形成相应的铜盐,溶于氰化物、氨水、铵盐和碱金属碳酸盐的水溶液中,形成铜的配合物。在水中煮沸或在强碱溶液中加热时则可生成褐色的氧化铜。可与硫化氢反应生成硫化铜。在自然界中以孔雀石的形式存在。在空气中长时间放置,则吸湿并放出二氧化碳,慢慢的变为绿色的孔雀石。在自然界则以蓝铜矿的形式存在。1.4 硫酸铜的制备方法简介 表 1 常见的含铜矿物矿 物 分子式 成 分( %)Cu Fe S As Sb1 硫化矿辉铜矿 Cu 2S 79.9 20.1铜 蓝 CuS 66.5 33.5黄铜矿 CuFeS 2或 Cu2S·Fe2S3 34.6 30.5 34.9斑铜矿 Cu 3FeS3 或 3Cu 2S · Fe2S3 55.6 16.3 25.1 3斜方硫砷铜矿 Cu 3AsS4 或 3Cu 2S · As2S5 48.4 32.6 19.0黝铜矿 Cu 2SbS2 或 3Cu 2S· Sb2S3 46.7 23.5 29.8砷黝铜矿 Cu 2AsS3或 Cu2S ·As2S3 52.7 26.6 20.7 2.氧化矿赤铜矿 Cu 2O 88.8黑铜矿 CuO 79.9孔雀石 CuCO 3· Cu(OH)2 57.5石 青 2CuCO 3 ·Cu(OH)2 55.1胆 矾 CuSO 4· 5H2O 25.5 水胆矾 CuSO 4· 3Cu(OH)2 56.2氯铜矿 CuCl 2· 3Cu(OH)2 59.5钠铜矿 CuSO 4·Na2SO4· 3Cu(OH)2 48.2 利用上述铜矿石生产硫酸铜,因其物相成分不同而采用不同的工艺条件。一般而言,上述矿石按其地质形成、化学性质及工艺性质可分为四大类:A 、自然铜;B、硫化铜矿(黄铜矿、砷黝铜矿、硫砷铜矿) ;C、次生硫化铜矿(辉铜矿、斑铜矿、铜蓝、黝铜矿) ;D、氧化铜矿(孔雀石) 。A 类矿石为稀酸难溶铜;B 、C 类矿石为稀酸不溶铜;D 类矿石为稀酸易溶铜。利用 B、C 两类矿石制硫酸铜,一般是采取硫酸化或氧化焙烧,将不溶铜转变为水溶性硫酸铜和稀酸易溶的氧化铜﹝2、3﹞。而对 D 类矿石则用酸浸,铁粉置换制取粗铜,然后入炉氧化焙烧转变成氧化铜,制成氧化铜后再酸浸除杂,蒸发、结晶得硫酸铜﹝4、5﹞。还有一些方法是在上述方法的基础上经过改良的催化氧化溶解法﹝6、7、8、9﹞。1.4.1 利用氧化铜矿制硫酸铜 氧化铜矿是游离和结合氧化铜矿的总称 [2]。前者易浸出,是湿法冶铜制硫酸铜的主要原料。后者则是在目前的技术条件下进行湿法冶铜制硫酸铜,但是很不经济。因此,在用氧化铜矿制硫酸铜时,查明铜的赋存状态及伴生的脉石矿物很重要。根据氧化铜矿的物相类别,制硫酸铜的方法可归纳为两大类。1.4.2 酸浸出法酸法浸出是矿物原料化学处理中最常用的方法之一。稀硫酸是铜矿原料中最重要的浸出试剂,浸出时,铜按下列反应进入浸出液中:孔雀石:CuCO 3Cu(OH)2+2H2SO4 = 2CuSO4+CO2+3H2O蓝铜矿:2CuCO 3Cu(OH)2+3H2SO4 = 3CuSO4+2CO2+4H2O4黑铜矿:CuO+H 2SO4 = CuSO4+H2O赤铜矿:Cu 2O+H2SO4 = CuSO4+H2O+CuCu2O+H2SO4 + O2=CuSO4+2H2O1硅孔雀石:CuSiO 3·2H2O+H2SO4 = CuSO4+SiO2+3H2O但在浸取过程中,矿石中的铁、钙、镁等亦同时进入浸出液,为获得合格产品,必须从浸液中除去铁等杂质,根据除杂方法的不同,酸浸法又分为:(1)海绵铜法这种方法是以铁屑置换出液中的铜为海绵铜,净化后进行高温氧化焙烧,焙烧再经酸溶、除杂转化为硫酸铜溶液,最后蒸发浓缩、冷却制得硫酸铜晶体。该工艺成熟,但要制得高纯度的产品,需经较复杂的净化除杂工序,这不仅使流程复杂,同时也影响铜总回收率。此外,置换用铁量大,两次酸浸增加了酸耗;焙烧、蒸发浓缩能耗高,焙烧放出尾气;置换后滤液中含多种金属离子,污染环境,须净化后才能排放,这都会使成本增加。(2)氧化除铁法这种方法是直接将浸出液氧化除铁,滤液蒸发烘干,再重结晶除杂。该法工艺复杂冗长,蒸发能耗高,产生大量酸雾,污染环境,操作过程恶劣,且该法不适于含 Mg、Ca、Fe 高的氧化铜矿 [3]。(3)碱式硫酸铜法这种方法主要针对含镁、钙高的氧化铜矿,浸出液经过氧化除铁后,再添加一种添加剂使铜水解成以碱式硫酸铜沉淀形式与钙镁杂质分离,富集的铜经酸溶、蒸发、冷析得到硫酸铜。该工艺简短,废水可回收,有利于环境保护。1.4.3 酸浸直接法该方法是用氧化铜矿细粉与硫酸作用直接生产硫酸铜。浸出液氧化除铁后蒸干,渣再磨细、水浸、过滤,滤液蒸发浓缩、冷折制得产品,产品纯度可达96%以上。此法工艺路线短,生产工艺易于控制,可连续大规模生产;耗酸少,但蒸发浸出液耗能极高,且产生大量酸雾,环境污染十分严重,加之浸出液中往往含有多种杂质,必须强化除杂才能得到合格产品。1.4.4 酸浸转化法浸出液分离铁铝后,用石灰乳将铜沉淀为碱式碳酸铜与镁等杂质分离。然5后用浓硫酸溶解碱式碳酸铜沉淀为高浓度富铜液,经少量蒸发、分析即得产品。此法与前面两种方法相比具有不少优点:用廉价的石灰乳水解沉淀铜离子,比用铁屑置换不仅可降低成本,而且排出水为中性,减少了环境污染,可回收利用;用硫酸铜溶解沉淀铜可大大提高浓缩比,降低蒸发所需能耗。但该法耗酸量大,两段过滤使流程复杂,不利于自动化和大规模生产。1.4.5 氨浸出法氨水是金属铜的有效浸出剂,对自然铜含量较高的氧化铜矿采用氨浸出法生产硫酸铜是合适的。其浸出机理属于金属电化腐蚀过程。属于铜与氨形成稳定的可溶络合物,扩大了铜离子在溶液中的稳定区,降低了铜的还原电位,使其较易转入浸出液中 [4]:铜表面氧阴极还原: O2+H2O+2e=2OH-1在氨参与下,铜阳极氧化溶解:Cu+4NH 3=[Cu(NH3)4]2++2e铜氨络离子被铜还原为亚铜氨络合物:Cu(NH 3)4]2++Cu=2Cu(NH3)2]+2Cu(NH3)2]++4NH3+ O2+H2O=[Cu(NH3)4]2++2OH-1铜氨络离子经加热分解得到氧化铜(回收氨) ,再经酸溶剂制取硫酸铜。这种方法是将氨浸矿石所得之浸出液加热分解为氧化铜,再经酸溶制取硫酸铜。此法除杂容易,杂质去除率高,但需蒸氨回收系统,投资大,蒸氨耗能高且难免造成对环境的污染。1.4.6 溶铜沉铁酸浸-化学浓缩法溶铜沉铁酸浸-化学浓缩法(简称 AD-CEC 法)为武汉化工学院研究开发,目的是解决混合铜矿的综合利用。该工艺在用稀硫酸浸出过程中添加溶铜沉铁剂,一步获得合格的硫酸铜溶液,浸出液加入添加剂可进行化学浓缩,稍加蒸发,自然冷却即可获得硫酸铜产品。此法在浸出时添加溶铜沉铁剂,铜的提取率高,除去了铁等杂质,浸出液纯度高,浸出净化一步完成,简化了工艺,操作容易;浸出液采用化学浓缩无需大量蒸发,能耗低;排放废水为中性,可循环利用。与前几种方发相比,溶铜沉铁酸浸-化学浓缩法具有工艺简单、操作方便、节省能源、有利于环境保护等优点,因而更具实用性。但此法只能浸出矿中的氧化态铜,对混合铜矿还需采用浮选等方法回收硫酸态铜,对于以混合铜矿为原料生产硫酸铜的小厂,由于投资较大,产品分散,因而不宜采用。61.4.7 酸浸-萃取法此法仅适用于处理氧化铜矿石。矿石经稀硫酸浸取,浸出液中的铜以Lix984N 萃取进入有机相,继而以高浓度的硫酸溶液在 50~55℃下反萃取获得富铜液,富铜液冷却即得含 CuSO4·5H2O~96%的粗品(含酸 3.0~3.2%) 。粗品加温再溶并加调整剂中和游离酸即可获得 CuSO4·5H2O~98.8%的优质硫酸铜产品。此法大大简化了工艺,产品纯度高,可处理品位较低的氧化铜矿,萃取剂可再生,硫酸也可部分再生,加热耗能低,无污染。1.5 硫酸铜的包装贮运硫酸铜的内包装可用塑料袋,防潮纸,外包装可用麻袋、编织袋或木箱。贮存时严防潮湿和日晒,不得与食物、种子、饲料及其它杂物混放,堆放时每码不得超过十袋(包) 。运输时要防雨、防晒,并要小心轻放,以免散包。表 2 硫酸铜质量指标指 标 名 称 一 级 品 二 级 品硫酸铜(CuSO 4·5H2O)含量%≧ 96.0 93.0水 不 溶 物 含 量% ≦ 0.2 0.4游 离 硫 酸 含 量% ≦ 0.1 0.2外观:蓝色或蓝绿色晶体(若呈现为绿白色粉末,仍有效 ) ,没有可见杂质。2 除铁法2.1 黄铵铁矾法除铁黄铵铁矾法是碱式盐沉淀除铁法的典型例子,在实际沉淀过程中,可能产生氢氧化物沉淀,也可能产生碱式盐沉淀,具体决定于溶液 pH 的相对大小;而温度的高低对沉淀速率的快慢起着重要的作用 [5]。通过试验的方法可以看出随着温度升高,除铁率在逐渐增加,当大于 80℃后,除铁率增加明显,温度达到 95℃时,除铁率可以达到 91.2%;当温度超过95℃,除铁率总体呈增加趋势,但增加缓慢。由此看出,黄铵铁矾的生成与温
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