đồ án nhập môn kỹ thuật hóa học công nghệ sản xuất kim loại đồng ở quy mô công nghiệp

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.94 MB, 16 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

____________TRƯỜNG HĨA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG______________

ĐỒ ÁN NHẬP MƠNKỸ THUẬT HĨA HỌC

Tên đề tài: Cơng nghệ điện phân tinh chế đồng

Công nghệ sản xuất kim loại đồng ở quy mô công nghiệp

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Nhóm 06NGUYỄN THẾ

NGUYỄN ĐỨC HUYHuy.NĐ

LÊ QUỲNH HƯƠ

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

Chươnại Đồng

Câu 1: Các tính chất hóa học và vật lý của kim loại đồng

Tính chất vật lý : - Đồng là kim loại có tính dẻo, độ dẫn nhiệt cao,dẫn nhiệt cao,bề mặt đồng có màu cam đỏ rất đặc trưng. -Đồng có khối lượng riêng là 8,98 g/cm3 và nhiệt độ nóng chảy 1083 oC.

Tính chất hóa học:

Đồng là kim loại có tính khử yếu hơn các kim loại khác.Đồng có thể tác dụng được với phi kim,tác dụng với các axit và tác dụng với các dung dịch muối.

Tác dụng với Phi Kim -Tác dụng với O2,Cl2,Br2,S...

2Cu + O => CuO (đun nóng nhiệt độ từ 800-1000 độ C)2

2.Tác dụng với các axit

-Tác dụng được với một số axit mạnh như HNO3,H2SO4 đặc ...,nhưng không thể tác dụng với các axit yếu như HNO3 và H2SO4

Cu + 2 H2SO4(đ) => CuSO +SO +H O422

Cu + 4HNO (đ) => Cu(NO +2NO33)22+2H O2

3.Tác dụng với các dung dịch muối

-Cu có thể khử các kim loại đứng sau nó trong dung dịch muối Cu +AgNO => Cu(NO +2 Ag3 3)2

-Trạng thái tự nhiên:Đồng có 29 đồng vị; với 63 Cu và 65 Cu là đồng vị của đồng với đồng 63Cu thì chiếm khoảng 69% đồng trong tự nhiên.

-Ước tính tổng lượng đồng trên Trái Đất lên tới khoảng 1014 tấn trong vòng khoảng vài km của vỏ Trái Đất. Tổng trữ lượng đồng lớn như vậy nhưng chỉ một tỷ lệ nhỏ trong số chúng là có giá trị kinh tế trong điều kiện công nghệ như hiện nay.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Bảng độ phổ Biến một số nguyên tố trong vỏ trái đất(%)

-Kim loại Cu có độ phổ biến là 0,01%(kim loại đứng thứ 14)trong vỏ trái đất.

Câu 2:

-Phân loại đồng :chia thành đòng đỏ và hợp kim của đồng.

1) Đồng đỏ : là đồng có màu đỏ đặc trưng người ta thường dùng phương pháp

nhiệt phân để luyện đồng,đạt gần như 100% chất lượng đồng ,có độ bền trung bình,chống lại sự ăn mịn của kim loại và có tính thẩm mĩ cao.2) Hợp kim đồng:chia thành 2 hợp kim đó là hợp kim latơng và hợp kim

brong.Chúng cấu thành từ các kim loại khác như: Zn,Al,Pb...được sử dụngrộng rãi và cũng có tính thẩm mĩ trong đồ công nghệ,độ bền cao.

-Phân loại và 3 tính chất phổ biến của quặng đồng:

1) Phức tạp:ngồi đồng ra nó cịn có chứa các hợp chất của các kim loại màu khác như Ni,Zn,Pb,As,Sb,....các hợp chất kim loại hiếm như

Độ phổ biến của Cu

OSiAlFeCaNaKMgCu

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

Te,Se,Bi,U ...,các loại kim loại quý Au,Ag;các đất đã chay như SiO2,CaCO3,Al2O3....

2) Đa kim:thường gặp quặng đồng đi liền với Zn....

Co,Ni,Zn,Cu-Ni,Cu-Co,Cu-3) Nghèo:hàm lượng trung bình của quặng là 1-2% Cu

STT Tên khống vật Kí hiệu Hàm lượng Cu(%) Tỉ trọngg/cm3

-Một số hình ảnh mẫu quặng đồng thường dùng:

Hình 1 Hình 2

-NHững vùng tụ khống quặng đồng quan trọng

-Vùng tụ khoáng Bản Phúc (Sơn La)-Vùng tụ khoáng Vạn Sài (Sơn La)-Điểm quặng Bản Giàng (Sơn La)-Vùng tụ khoáng Suối Nùng (Quảng Ngãi)

Ngồi các vùng quặng chính như trên,cịn rất nhiều điểm quặng khác phân bố rải rác ở các tỉnh Thanh Hóa,Lạng Sơn,Lào Cai.

-Ứng dụng của đồng trong thực tế:

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

+)Đồng là 1 trong những kim loại đã được sử dụng sớm nhất vào khoảng 8000 trước công nguyên. +)Kim loại đồng là loại có khả năng dẫn nhiệt,dẫn điện tốt,nó cótính dẻo,mềm ,dễ uốn và dễ dát mỏng,dó đó đồng được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống của chúng ta.

1) Trong ngành sản xuất điện:chuyên dùng để sản xuất các loại dây điện,que hàn ,bo mạch điện từ,châm điện ,ống chân không,tản nhiệt,các chất bán dẫn,các kết nối điệntử hay điện cực... Rơ le điện,dây dẫn điện,các nguồn nam châm điện 2) Trong ngành xây dựng: dùng đồng để làm các ống thủy lợi,động cơ hơi

+) 25% SẢN LƯỢNG ĐỒNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG NGÀNH XÂY DỰNGỐng đồng là vật liệu tiêu chuẩn cho các cơng trình xây dựng vì vó tính mềm dẻo,dễ tạo hình và lắp ráp.Đồng cũng có khả năng chống ăn mòn cao,rất lý tưởng cho vận chuyển nước uống. Một phần cũng là do đồng có khả năng ức chế sự phất triển của các vi khuẩn,virus trong nước.Một số ứng dụng trong việc này là làm ống thủy lợi và hệ thống phun nước công nghiệp,ống dẫn dầu khí tự nhiên

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

+)7% SẢN LƯỢNG ĐỒNG ĐƯỢC DÙNG TRONG NGÀNH GIAO THÔNG VẬN TẢI

Đồng là thành phần quan trọng trong các thiết bị cốt lõi của máy bay,tàu hỏa,thuyền,ơ tơ dựa vào tính dẫn điện,dẫnnhiệt của nó.Các thành phần chứa đồng trên xe như dây chuyền thủy lực,ốc vít,đinh vít,phụ kiện trên xe,dây của hệ thống kính rã đơng.Các hệ thống định vị trên tàu,chống bẻ khóa,ghế ngồi,....Hệ thống dây điện bằng đồng chiếm khoảng hai phần trăm trọng lượng của một chiếc máy bay.Các chân vịt,linh kiện tàu cũng được làm từ hợp kim đồng để chống sự ăn mòn nướcmuối.

+) 3% SẢN LƯỢNG ĐỒNG DÙNG TRONG CÁC NGÀNH KHÁC

Dụng cụ nồi chảo trong bếp,các đơn vị cấu tản nhiệt,điều hịa khơng khí cho điện lạnh.Đồng trong các tác phẩm nghệ thuật như tượng nữ thần tự do.Đồng là thành phần tiền đúc của một số nước.Và ứng dụng đồng thau trong cácnhạc cụ....

Câu 3 : -Đối với đất nước Việt Nam:Theo kết quả tham dò địa chất,trữ lượng đồng của Việt Nam có khoảng 1.87.382 tấn đồng kim loại,trong đó,cấp trữ lượng là 441.002tấn,cấp tài nguyên khoảng 983.83 tấn và tài nguyên dự báo khoảng 49.536 tấn đồng .

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

-Từ năm 2008,sản lượng 10.000 tấn đồng kim loại/năm,đã thay thế một phần lượng đồng kim loại nhập khẩu để cung cấp cho các ngành công nghiệp trong nước.Dưới đây là bảng khai thác kim loại đồng của một số tỉnh trên cả nước

Tên tỉnh thành phố(Số mỏ có trữ lượng và

tài nguyên)

Tổng(tấn kim loại

Quặng đồng(tấn kim loại Cu)Trữ lưỡng Tài nguyên TN dự báoLào Cai (6) 85.672,06 355.189,74 462.82,32 28.000,00Yên Bái(3) 321.32,72 21.014,56 108.241,16 192.177,00Sơn La(19) 305.305,45 35.664,00 134.345,45 135.396,00

Tổng 18009.874,71 421.299,49 708.837,57 1796.193,00Bảng số liệu về trữ lượng,tài nguyên,tình hình dự báo của một số tỉnh nước VN

Tuy nhiên,so với thế giới trữ lưỡng cũng như số lượng sản xuất của VN là không đángkể.

Biểu đồ phần trăm số lượng sản xuất đồng trên thế giới

ChilePeruTrung QuốcMỹÚcZambiaCác nước cịn lại

Chương 2:Các Cơng Nghệ Để Sản Suất Đồng Hiện Nay

Hiện nay có rất nhiều các phương pháp công nghệ sản xuất đồng:hỏa luyện cổ điển,hỏa luyện hiện đại,thủy luyện cổ điển,thủy luyện hiện đại.Trong đó phương pháp hỏa luyện cổ điển là phương pháp lâu đời và cho hiệu quả cao

1.Công nghệ nhiệt luyện:

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Các bước tiến hành:

-Quặng được làm giàu bằng công nghệ rửa nước,tuyển từ( tác dụng là tác các kim loại có từ tính và khơng từ tính với nhau),tuyển nổi(tác các chất lơ lửng,chất hoạt tính bề mặt,dầumỡ,....trong nước cấp bằng bọt khí nổi trên nguyên tắc:lợi dụng sự chênh lệch giữa khối lượng riêng của hạt và pha lỏng để tách hạt rắn ra).

Hình 1: Máy tuyển từ Hình 2:Máy tuyển nổi-Đầu tiên quặng tinh sulphua đồng được khử bớt lưu huỳnh nhận được thiêu phẩm và khí SO2 Quá trình luyện nếu tiến hành đồng thời trong lị phản xạ hoặc lị điện thì hiệu suất khử S rất thấp do đó Sten thu được có hàm lượng Cu khơng cao,các q trình luyện Sten sau đó sẽ rất tốn kém.Do vậy phải tiến hành thiêu đốt để cháy bớt lưu huỳnh,biến một phần sắt sunfua thành dạng oxit dạng xỉ(xảy ra ở nhiệt độ 1050-1100 độ C)

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Phương trình khử lưu huỳnh:

4CuFeS2 +9O => 2CuS + 2FeO +6SO22

Sau đó có các phản ứng oxy hóa một phần S 2

3Fe3O4 +FeS + SiO2 => 5[(FeO)2.SiO2] +SO2

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Sơ đồ mô hình tạo xỉ trong phản ứng luyện đồngXỉ thường sẽ có thành phần:

(CaOx)(FeOy)(SiO2)z thường thì xỉ có thành phần 45% FeO,32-35% SiO2, 5%CaO,còn lại là các chất khác.

Ban đầu phản ứng oxy hóa tạo xỉ sắt:

Phương trình tạo xỉ sắt :2FeS +O2+SiO2 => 2 FeO.SiO +2SO22

Giai đoạn thổi luyện thứ hai: 2Cu S + O2=> 2Cu O +2SO222

Giai đoạn thổi luyện thứ ba: Cu S + Cu O => 6Cu +2SO222

-Với thiêu phẩm ta đem đi nhiệt luyện ra sten đồng(ngun liệu lỏng đồng chứa 75%),cịn khí SO đem đi sản suất axit sulfphuaric.Đem sten( hỗn hợp các sunfua tạp ) đi2

45-thổi luyện ra đồng thơ,sau đó đem đồng thô đi tinh luyện bầng phương pháp tinh luyện đểnhận đồng dương.

Tinh luyện đồng thô bằng phương pháp hỏa tinh luyện nhận đồng dương cực:Khử các tạpchất dựa vào ái lực hóa học khác nhau của các kim loại đối với oxy và độ hòa tan thấp của đa số các oxy tạp chất trong đồng lỏng.Ái lực(thuộc tính điện tử mà các chất hóa học khơng giống nhau có khả năng kết hợp thành các chất hóa học) của các tạp chất với oxy ở 1200 độ C được sắp xếp theo thứ tự như

sau:Zn,Fe,Sn,As,Ni,Sb,Pb,Bi,S,Cu,Te,Se,Ag,Au.Chín ngun tơa đầu có ái lực với oxy lớn hơn đồng.Khi oxy hóa đồng lỏng bằng phương pháp thổi luyện khơng khí,do hàm lượng các tạp chất rất nhỏ so với hàm lượng đồng nên xảy ra phản ứng axy hóa đồng trước:

-Điện phân đồng dương cực nhận đồng catot thương phẩm

Điện phân tinh luyện đồng nhằm mục đích nâng cao chất lượng đồng từ (99,1-99,% Cu),đồng thời thu hồi thêm kim loại quý như vàng.Áp dụng

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

phương pháp điện phân trong dung dịch axit.Khi điện phân cực dương là đoòng dương cực,cực âm là cái tấm đồng.Các phản ứng điện hóa xảy ra như sau:

Khi điện phân tại cực dương các nguyên tố có điện thế dương lớn đồng như:

Ag,Au,chúng ở lại cực dương ở dạng hợp kim hoặc hợp chất không bị hịa tan vì khó oxyhóa đi vào dung dịch,trở thành bùn dương cực

-Đem đồng dương đi đúc thành tấm đồng dương cực.

+)Nhược điểm của phương pháp hỏa luyện:-Thải phát tán khí SO2

-Bão hịa thị trường axit sulphuaric-Chi phí đầu tư cao

-Sản sinh các tạp chất như As,Sb,Bi-Khả năng xử lí tinh quặng chất lượng thấp cững như tinh quặng nhiều tạp chất là chưa cao.

-Không thể xây nhà máy ngay tại mỏ Hình1 :Máy đúc đồng dương cực

Vấn đề cần được giải quyết: Hằng năm các nhà máy luyện đồng thải ra khoảng trên 20 ngàn tấn xỉ thải có hàm lượng Au =0,2 g/t Ag =0,2g/t và Cu 0,9% ngồi ra cịn nhiều ngun tố khác nhau như REO,S....Vì vậy cần tìm ra giải pháp công nghệ để thu hồi2. Công nghệ thủy luyện cổ điển:

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

-Phương pháp này thường được dùng với các quặng:quặng đồng oxit nghèo chứa ít vàng bạc,quặng đồng tự nhiên và nước mỏ ở vùng khoáng sảnđồng

-Đây là cơng nghệ chủ yếu để xử lí quặng đồng oxit và quặng đồng hỗn hợp.Cơng nghệ này có các cơng đoạn: Nghiền quặng,hịa tách trong dung dịch axit sulphuric(thường sẽ có 3 loại dung mơi chính:axit sunfuric lỗng 5%,dung dịch muối sắt III sunfat,và dung dịch amon [NH OH-4

(NH ) CO4 23])và phụ hia.Cụ thể với từng dung mơi hịa tách như sau:

a. Với axit sunfuric lỗng:CuCO3.Cu(OH) ,CuSiO .2H2O,CuO,Cu232O bị hịa tan trong mơi trường,dung mơi này được dùng để hịa tách quặng oxit đồng chứa ít tạpchất bazo.Nó rất dễ tái sinh khi điện phân để kết tủa đồng cực âm.Các phản ứng chủ yếu

CuCO .Cu(OH)32 +H2SO =>2CuSO44+ CO2+3H O2

CuSiO .2H32O +H2SO4=>CuSO +SiO +3H422O CuO +H SO4=> CuSO +H O242

b. Với dung dịch muối sắt III sunfat:dung mơi này được dùng để hịa tách quặng đồng tự nhiên,đồng oxit và cả đồng sunfua đơn giản,nó hịa tách rất yếu đối với chalcopyrit(CuFeS2).Trong mơi trường nước Fe2(SO4)3 bị thủy phân mạnh.Vì vậy trong thực tế người ta dùng nó cùng với các axit H2SO4 để chống thủy phân.Dung mơi này hịa tan rất tốt Cu S vad CuS.Các phản ứng này xảy ra rất chậm(10-12 2

ngày đêm)

Cu2S +2Fe2(SO4)3 =>2CuSO4+4FeSO +S4

c. Với dung dịch amon:dung môi này dùng để tách quặng đồng tự nhiên,đồng oxit chứa nhiều tạp chatas tính bazo.Do đặc tính dễ bay hơi của NH3 và các hợp chất của nó,việc tái sinh và rửa bã rất dễ dàng.Các phản ứng chủ yếu

CuCO .Cu(OH) +NHOH+(NH CO) => 2Cu(NH)CO +8H O

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

CuO + 2 NH OH +(NH44) CO3=>Cu(NH CO33)43 +H O2

Cu O+2NH24OH +(NH4 2) CO3 +2 NH OH =>Cu42(NH CO +3H O3)43 2

-Làm sạch dung dịch khỏi các tạp chất,điện phân chiết tách nhận được đồng Catot.Nói chung trong quặng đồng oxit thường có của các khoảng vật sau.

2CuCO3.Cu(OH)2 CuO.SiO2.2H2O CuFeS2

Khi hòa tách bằng H2SO4 xảy ra các phản ứng cơ bản sau:CuCO .Cu(OH)32 +2H2SO4 +2H O => 2CuSO24.5H O+CO22

CuSiO .Cu(OH)32 +3H2SO4 +H O => 3CuSO24.5H2O +2CO2

Từ đó nhận được dung dịch 3CuSO4.5H2O.Tuy nhiên dung dịch này còn chứa nhiều tạp chất ví dụ như SiO ,Fe,Cl-,nên cần phải làm sạch trước khi điện phân. 2

-Thiết bị và công nghệ thủy luyện đồng:

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Hình 1+2 .Cơ chế và hình ảnh thùng hịa tách thường dùng

-Q trình hịa tách xỉ đồng sẽ diễn ra tốt nhất với nhiệt độ hòa tách là:a) 65 độ C

b) Độ pH khi hòa tách pH=4,5c) Tỉ lệ rắn/lỏng:1/5

Đối với q trình hịa tách bằng axit: Thiết bị hòa tách phổ biến nhất là các thùng hòa tách theo phương pháp thẩm tràn qua lớp liệu dạng cục nhỏ,cỡ hạt trung bình 10mm.Thùng hịa tách này có dạng hình chữ nhật,dài 30-50m,rộng 20-35m,cao 5-6m.Nó được làm bê rơng cốt thép,bên trong lót gạch chịu axit.

Dung dịch được tuần hoàn từ dưới lên trên hoặc ngược lại.Thời gian hịa tách thường kéodài 10-15 ngày.Có thể tiến hành hòa tách liên tục hay gián đoạn.Để hòa tách liên tục ,người ta đặt một dãy các thùng nối tiếp nhau.Dung dịch và quặng được tuần hoàn theo ngun tắc ngược dịng:dung mơi tươi,mạnh tiếp xúc với bã quặng nghèo đồng ở dưới thùng .Còn dung dịch giàu đồng từ thùng cuối lại tiếp xúc với quặng tươi.

Đối với q trình hịa tách bằng amon:Thiết bị hịa tách thường là các thùng thép,tiết diện trịn,có nắp đậy kín.Phương pháp tách cũng theo phương pháp thẩm tràn tương tự như hòa tách bằng axit.Mối thùng chứa được 500 tấn quặng,kích thước thùng:dường kính 9-16cm,cao ,5-5 m

Đối với q trình xi măng hóa kết tủa đồng:Thiết bị dùng có hiệu quả hơn cả là máng xi măng hóa làm bằng gỗ hay bê tơng.Máng có chiều rộng 0.3-3 m;sâu 0,5-1,5 m;chiều dài phụ thuộc vào lượng dung dịch,nồng độ dd và hoạt động bột sắt.Dọc theo chiều dài của máng có đáy giả dạng lưới,trên đó đổ bột sắt hay phôi vụn.dung dịch được thấm qua đáy giả từ dưới lên.

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Người ta còn dùng bể xi măng hóa bằng gỗ hay xi măng,tiết diện hình chữ nhật;rộng 3m; dài 3-5m; sâu 0,8-2,5m.

1,5-Cũng có thể dùng thùng xi măng hóa bằng gỗ,có máy khuấy,tiết diện trịn có đường kính khoảng 7,5m,cao xấp xỉ 3m.

-Hiện nay thủy luyện đồng mới chiếm khoảng 10-15% lượng đồng sản xuất ra hằng năm.Tuy nhiên,cùng với yêu cầu xử lí ngày càng nhiều quặng đồng oxit nghèo,sự dồi dàocủa các sản phẩm hóa học và u cầu bảo vệ mơi trường,phương pháp thủy luyện sẽ ngàycàng hoàn thiện và phát triển hơn.

Cả hai phương pháp trên đều được sử dụng để sản xuất đồng tuy nhiên mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm nhất định.

</div>