Извлечение таллия из растворов переработки пылей свинцового производства

Задание Тема: «Извлечение таллия из растворов переработки пылей свинцового производства»

1 Выполнить металлургический расчет с составлением материального баланса по всем операциям с получением таллия

2 Выполнить расчет процесса экстракции (число ступеней экстракции, геометрические размеры экстрактора)

3 Графическая часть: экстрактор Исходные данные:

Состав раствора, г/дм3: Zn — 65, Cd — 8,2,Tl — 0,35, In — 0,05,Fe — 0,01,H2SO4 — 18

Извлечение таллия:

— при экстракции 95−98%,

— при реэкстракции 99−99,5%.

Соизвлечение кадмия при экстракции 0,5%, плотность индиевого рафината 1,05 кг/дм3.

Производительность по раствору 150 м3/сут.

Содержание Введение 3

1. Металлургические расчеты 6

1.1. Расчет технологического процесса 6

1.2. Расчет процесса экстракции 10

1.2.1. Расчет числа ступеней экстракции 10

1.2.2. Расчет экстрактора (смеситель-отстойник ящичного типа) 11

1.2.3. Расчет необходимого количества экстракторов 13

2. Мероприятия по технике безопасности 14

Список литературы

15

Содержание таллия в земной коре 3.10−4% (по массе). Известны некоторые минералы таллия, но большая часть его находится в рассеянном состоянии в виде изоморфной примеси в сульфидных минералах свинца, цинка, меди, железа и в таких силикатах, как полевой шпат, слюда, лепидолит, где таллий замещает калий и рубидий. Наибольшие концентрации таллия обнаружены в сульфидах железа (пиритах и марказитах), где его содержание достигает 0,1−0,5%.

Основным сырьевым источником таллия в настоящее время служат отходы и полупродукты получаемые при переработке сульфидных руд. При окислительном и агломерационном обжиге сульфидных концентратов часть таллия уносится с газами и концентрируется в пыли электрофильтров и других пылеулавливающих устройствах. Это объясняется летучестью TlO2 и Tl2S.

При агломерационном обжиге свинцового концентрата более 50% таллия уносится с газами. Пыль электрофильтров обычно содержит десятые доли процента таллия. В процессе шахтной плавки в шлаки переходит до 20% таллия, остальное количество примерно поровну распределяется между свинцом и пылью. При рафинировании свинца большая часть таллия (70−80%) переходит в медистые съемы, 10−15% переходит в щелочной плав, получающийся при очистке свинца от мышьяка и сурьмы.

При обжиге цинковых концентратов большая часть таллия возгоняется и вместе с кадмием попадает в циклонную и котельную пыль. Пыли выщелачивают вместе с огарками, при этом ~ 85% таллия переходит в сернокислые растворы, при очистке которых таллий цементируется вместе с медью и кадмием и извлекается из кеков попутно с кадмием.

При окислительном обжиге медных концентратов весь таллий остается в огарке. В процессе отражательной плавки таллий распределяется между штейном и шлаком.

В процессе конвертирования медных штейнов 50−75% таллия переходит в шлаки, а в процессе фьюмингования шлаков 90−99% таллия концентрируется в возгонах.

Исходные материалы обычно содержат от сотых до десятых долей процента таллия. Из них таллий выщелачивают разбавленной серной кислотой. Для более полного извлечения проводят предварительную сульфатизацию гранулированного материала в кипящем слое при 300−400 0С.

Для получения таллиевых концентратов таллий выделяют из растворов в виде гидрооксида таллия (III), сульфида, хромата, хлорида таллия (I), извлекают ионным обменном или сорбцией, жидкостной экстракцией, цементацией. Выбор способа зависит от концентрации таллия в растворе и содержание сопутствующих элементов.

В курсовой работе таллий извлекают методом экстракции.

Экстракционные способы позволяют существенно упростить технологию извлечения таллия.

На отечественных предприятиях используют способ экстракции таллия из сернокислых растворов раствором иода в трибутилфосфате (ТБФ 50% -ный раствор в керосине). При контакте органической фазы с таллийсодержащим раствором некоторая часть йода переходит в раствор в виде ионов иода вследствии присутствия в растворе восстановителей: As (III), Fe (II) (если необходимо в раствор вводят восстановитель Na2SO3). Образующийся в растворе TlJ переходит в органическую фазу, образуя комплекс TlJ3.3ТБФ:

Tl+водн + J-водн + (J2.3ТБФ) орг? TlJ3.3ТБФ При небольшой концентрации ионов иода в растворе кадмий, медь, мышьяк, сурьма и цинк экстрагируются в малой степени. Индий необходимо предварительно извлечь из раствора, например, экстракцией Д2ЭГФК (ди-2-этилгексин фосфорной кислотой).

Таллий реэкстрагируют из органической фазы раствором 350 г/л H2SО4 с добавлением пероксида водорода для окисления ионов иода до элементарного иода, что приводит к разрушению комплекса и регенерации экстрагента:

2 (TlJ3.3ТБФ) + H2SО4 + Н2О2 + 3ТБФ = Tl3SO4 + 3(J2.3ТБФ) + 2 Н2О При соответствующих отношениях объемов органической и водной фаз на стадиях экстракции и реэкстракции из исходных растворов, содержащих 0,2−0,6 г/л таллия, получают реэкстракты с концентрацией таллия 20−35 г/л, из которых выделяют черновой таллий цементацией на цинке.

Технологическая схема извлечения таллия из сернокислых растворов приведена на рисунке 1.

1. Металлургические расчеты

1.1. Расчет технологического процесса

Пересчитаем содержание компонентов раствора на заданную производительность 150 м3/сутки (150 000 дм3/сутки).

Zn 65.150 000 / 1000 = 9750 кг

Cd 8,2.150 000 / 1000 = 1230 кг

Tl 0,35.150 000 / 1000 = 52,5 кг

In 0,05.150 000 / 1000 = 7,5 кг

Fe 0,01.150 000 / 1000 = 1,5 кг Н2SО4 18.150 000 / 1000 = 2700 кг

1) Экстракция индия

Рассчитаем необходимые массы Д2ЭГФК и керосина при экстракции индия Объем раствора на экстракцию 150 000 дм³, содержание индия 0,05 г/дм3. при экстракции О: В = 1: 30. Плотность электролита 0,8 кг/дм3.

Объем экстрагента:

150 000 / 30 = 5000 дм³

Масса экстрагента

5000.0,8 = 4000 кг Экстрагент используется в виде 20% раствора в керосине, тогда масса Д2ЭГФК составит

4000.0,2 = 800 кг Масса керосина

4000 — 800 = 3200 кг В растворе, поступающего на экстракцию содержится 7,5 кг In. Извлечение индия в экстракт 99%. Тогда содержание индия в экстракте составит

7,5.0,99 = 7,43 кг Рассчитаем массу исходного раствора сраствора = 65 + 8,2 + 0,35 + 0,05 + 0,01 + 18 + 1000 = 1092 г/дм3 = 1,1 кг/дм3

mраствора = V. сраствора = 150 000.1,1 = 165 000 кг По результатам расчетов составляем таблицу 1 материального баланса экстракции индия.

Таблица 1 — Материального баланса экстракции индия

2) Экстракция таллия

Плотность индиевого рафината ~1,05 кг/дм3

VРАФ = m/с = 164 992,57 / 1,05 = 157 136 дм³

Содержание таллия в исходном растворе

52,5.103 / 157 136 = 0,3 г/дм3

В реэкстракте содержание таллия 20−35 г/дм3 (примем 30 г/дм3) следовательно, обогащение

30 / 0,3 = 100 раз На реэкстракции О: B = 10: 1, следовательно при экстракции О: B = 1: 10

Рассчитаем объем экстрагента

157 136 / 10 = 15 714 дм³

Экстрагент используется в виде 50% раствора ТБФ в керосине + 80 г/дм3 J2. При плотности экстрагента 0,8 кг/дм3 его масса составит

mэкстрагента = 15 714.0,8 = 12 571,2 кг рассчитаем добавку J2 на экстракцию

15 714.80 = 1 257 120 г = 12,57,12 кг

30% J2 надо восстановить сульфитом натрия по реакции

1257,12.0,30 = 377,13 mNa2SO3

J2 + Na2SO3 + Н2О = Na2SO4 + 2НJ

2.126,90 126

mNa2SO3 = (377,13.126) / (2.126,90) = 187,23 кг

Na2SО3 подается в виде раствора с содержанием 250 г/дм3. Примем плотность раствора 1 кг/дм3.

250 г — 1 дм³

187,23.103 — х х = 187,23.103 / 250 = 748,92 дм³

масса раствора

mраствора = V. с = 748,92.1. = 748,92 кг содержание Tl в исходном растворе 0,3 г/дм3 или 52,5 кг извлечение таллия при экстракции 95−98%, следовательно, в экстракте содержание таллия

52,5.0,95 = 49,88 кг Соэкстракцией кадмия пренебрегаем

Масса экстракта составит

mэкстракта=m (50%ТБФ в керосине) +mTl+mJ=12 571,2+ 49,88 + 1257,12 = 13 878,2 кг по результатам расчета составляем таблицу 2 материального баланса экстракции таллия Таблица 2 — Материальный баланс экстракции таллия

3) реэкстракция таллия Условия О: В = 10: 1

Объем экстракта (? = 0,8 кг/дм3)

13 878,2 / 0,8 = 17 347,75 дм³

Объем реэкстрагента составит

17 347,75 / 10 = 1734,78 дм³

Реэктсрагент используется в виде 350 г/дм3 Н2SО4 + 3% Н2О (от массы экстракта)

Масса Н2SО4

350.1734,78 = 607 173 г = 607 кг В пересчета на 96% Н2SО4

607 / 0,96 = 632 кг Плотность реэкстрагента 1,21 кг/дм3, тогда

mреэкстрагента = 17,34,78.1,21 = 2099,1 кг масса воды в реэкстрагенте

2099,1 — 632 = 1467,1 кг Масса Н2О2

13 878,2.0,03 = 416,35 кг В пересчете на 30% Н2О2

416,35 / 0,3 = 1387,83 кг Содержание таллия в экстракте 79,88 кг. Извлечение при реэкстракции 99%, тогда содержание таллия в реэкстракте

mTl = 49,88.0,99 = 49,38 кг (60,98 кг Tl2SО4)

масса реэкстракта составит

mреэкстракта = mреэкстрагента + mTl = 2099,1 + 1387,83 + 49,38 = 3536,31 кг Составляем таблицу 3 материального баланса реэкстракции.

Таблица 3 — Материальный баланс реэкстракции Tl

Цементация таллия на Zn пластине

60,98 mZn mTl mZnSO4

Tl2SO4 + Zn = 2 Tl + ZnSO4

504,74 65,38 2. 204,37 161,38

mZn = 60,98.65,38 / 504,74 = 7,90 кг

mTl = 60,98.2. 204,37 / 504,74 = 49,38 кг

mZnSO4 = 60,98.161,38 / 504,74 = 19,5 кг

1.2. Расчет процесса экстракции

1.2.1. Расчет числа ступеней экстракции

Рассчитаем число ступеней экстракции при экстракции таллия 50% раствором ТБФ в керосине + 80 г/дм3 J2, содержание таллия в исходном растворе 0,3 г/дм3, извлечение в органическую фазу 95%, О: В = 1: 10. По литературным данным КР = 50.

Vводн = 157 136 дм³

Vорг = 157 136 / 10 = 15 714 дм³

Начальная концентрация таллия

m0 = 0,3 / 204,37 = 1,47.10−3 моль/дм3,

где 204,37 — мольная масса таллия.

Конечная концентрация таллия при извлечении 95% равна

0,3.0,05 = 0,015 г/дм3 или

m1 = 0,015 / 204,37 = 0,73.10−4 моль/дм3

число ступеней экстракции определим по формуле

где р — теоретическое число ступеней экстракции,

m0 — начальная концентрация экстрагируемого вещества в водной фазе, моль/дм3,

m1 — конечная концентрация экстрагируемого вещества в водной фазе, моль/дм3,

V1 — объем водной фазы, дм3

V2 — объем органической фазы, дм3

КР — коэффициент распредления Практическое число ступеней экстракции рпрак = р / 0,9 = 1,7 / 0,9 = 1,9

Принимаем 2 ступени экстракции

1.2.2. Расчет экстрактора (смеситель-отстойник ящичного типа)

Для расчета геометрических размеров экстрактора надо вычислить общий объем потока водной и органической фаз по формуле

где VВ — объем водной фазы, м3/сут

VО — объем органической фазы, м3/сут Тогда

м3/ч Объем камер определяем по формулам

где VСМЕС и VОТСТ — объемы смесительной и отстойной камер, м3

VОБЩ — общий поток водной и органической фаз, м3/ч фСМ и? ОТСТ — время смешивания и время отстаивания, мин

0,8 — коэффициент заполнения экстрактора фСМ = 6 мин, фОТСТ = 10 мин тогда

м3

м3

Соотношение размеров смесительной камеры обычно принимают

ВС: lС: НС = 1: 1: 1,5,

где ВС — ширина смесительной камеры,

lС — длина смесительной камеры, НС — высота смесительной камеры.

Тогда м

НС = 1,5 ВС = 1,5.0,84 = 1,26 м Соотношение размеров отстойной камеры: высоту и ширину отстойной камеры можно принять равными высоте и ширине смесительной камеры, тогда

VОТСТ = ВС. НС. z

Следовательно, длина отстойной камеры

z = VОТСТ / (ВС. НС) = 1,5 / (0,84.1,26) = 1,42 м, общая длина аппарата

lОБЩ = lC + z = 0,84 + 1,42 = 2,26 м

1.2.3. Расчет необходимого количества экстракторов

Объем одного экстрактора вычисляется по формуле

V1 = (Вс + НС + lОБЩ). рПРАКТ

V1 = (0,84 + 1,26 + 2,26).2 = 4,78 м³

Необходимое количество экстракторов будет найдено из соотношения

n = VОБЩ / V1

n = 7,2 / 4,78 = 1,5

Принимаем 2 экстрактора.

Схема экстрактора приведена на рисунке 2.

2. Мероприятия по технике безопасности

При получении таллия используются следующие вредные вещества:

1) Сернокислые растворы Общий характер действия на организм. Раздражает и прижигает слизистые оболочки верхних дыхательных путей. При попадании на кожу вызывает ожоги.

Первая помощь. Ингаляция содового раствора. При попадании на кожу обильное промывание водой.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) — 0,002 мг/л.

Индивидуальные защитные приспособления. Промышленный фильтрующих противогаз марки В с дополнительным противодымным фильтром. Защитные очки и маска, резиновая одежда и обувь при сливе растворов, резиновые перчатки, сапоги, передники.

2) Перекись водорода Н2О2

При постоянной работе с Н2О2 нередко наблюдаются воспалительные заболевания кожи. Индивидуальные защитные приспособления: перчатки, спецодежда.

3) керосин Керосин сильно раздражает слизистые оболочки и кожу. При работе с керосином наблюдаются головные боли, головокружения, расстройство пищеварения, слабость. При непосредственном соприкосновении с жидким керосином действие может выражаться в дерматитах.

ПДК (в пересчета на углерод) — 300 мг/м3.

При высоких концентрациях фильтрующие противогазы малопригодны. Должны использоваться шланговые, изолирующие с принудительной подачей чистого воздуха. Защита кожи рук пастами типа «биологических перчаток».

Меры предупреждения заключаются в максимальном устранении выделения паров, аэрозоля и контакта кожи с керосином.

Зеликман А.Н., Коршунов Б. Г. Металлургия редких металлов. — М.: Металлургия, 1991

Вредные вещества в промышленности. Неорганические и элементорганические соединения (под ред. Н.В. Лазарева). — Л.: Ленгосхимиздат, 1954

Вредные вещества в промышленности. Органические вещества (под ред. Н. В. Лазарева и Э.Н. Левиной). — Л.: Химия, 1976