alhimikov.net
главная контакты карта сайта гостевая книга

Оглавление

Лекции
1. Предмет и задачи химической технологии.
2. Закономерности химико- технологических процессов.
3. Производство серной кислоты, аммиака, солевые технологии.
4. Электрохимические производства. Силикатные материалы.
5. Основной и тонкий органический синтез.
6.  Экологические проблемы химических производств.

Практикум
1. Получение никелевого покрытия электролизом.
2. Приготовление легкоплавких стекол.
3. Получение металлов. восстановлением их оксидов.
4. Анализ воды и умягчение ионообменным методом.
5. Электролиз раствора NaCl
6. Получение уксусной кислоты.
7. Сухая перегонка дерева.

Словарь терминов и персоналий

Иллюстративное обеспечение

1. Водоподготовка.
2. Производство серной кислоты.
3. Производство азотной кислоты.
4. Производство аммиака.
5. Минеральные удобрения.
6. Производство чугуна.

Видео-обеспечение
1. Конвертерное производство стали
2. Производство серной кислоты.
3. Химическая промышленность и охрана окружающей среды.


Литература


 

 


Лекции

Лекция 4. Электрохимические производства.
Производство силикатных материалов.

        Цель: рассмотреть основы черной, цветной металлургии и производство силикатных изделий.

 

1.    Основные промышленные способы получения металлов.  (Схема).

2.  Способы формирования стеклянных изделий.

Металлургия – отрасль, которая производит металлы и сплавы. Современная металлургия получает 75 металлов и 3000 сплавов. Все сплавы на основе железа: чугун, сталь – чёрные металлы. Все остальные металлы и их сплавы – цветные металлы.

Основные промышленные способы получения металлов.

Все металлы в природе находятся в связанном состоянии. Минералы и горные породы, которые содержат металлы и пригодны для получения этого металла в промышленности – руда. Во всех рудах металлы в окисленной форме: ZnS, Fe2O3, CaCO3. Чтобы выделить металл его необходимо восстановить. Любой металлургический процесс должен сводиться к восстановлению. Нет универсального восстановителя и нет универсальных постоянных условий.

Для каждой руды удобен свой восстановитель и свои условия. В зависимости от того какой используется восстановитель, и какие поддерживаются условия выделяют:

1. Пирометаллургический способ

2. Гидрометаллургический способ

3. Электрометаллургический способ

Пирометаллургический способ – процесс ведётся при высокой температуре, восстановители – различные химические вещества (C, CO, H2, активные металлы: Mg и Al).

SnO2 + C " Sn + CO2

Fe2O3 + 3CO " Fe + 3CO2

Cr2O3 + 2Al " 2Cr + Al2O3

TiCl4 + 2Mg " Ti + 2MgCl2

WO3 + 3H2 " W + 3H2O

Самый дешёвый восстановитель С, СО. Их используют в тех случаях, когда металлы не образуют при высоких температурах карбиды: восстанавливают Fe, Cu, Zn, Pb, Co, Ni, Sn. Если металлы при высоких температурах образуют карбид, то тогда в качестве восстановителя применяют активный металл. Н2 используют для получения чистейших металлов.

Fe2O3 + H2 " Fe + H2O

В металлотермии чаще используют расплавленный магний, например:

TiCl4 (тонко-измельчённый порошок) + 2Mg " Ti (губка) + 2MgCl2 - расплавленный удаляется из печи. Далее MgCl2 подвергается электролизу

«+»А: 2Cl- - 2ē " Cl2

«–»К: Mg2+ + 2ē " Mg (расплавленный) – его снова используют в выделении титана из хлорида титана.

В пирометаллургии легко восстанавливаются оксиды, а карбонаты и сульфиды не восстанавливаются С и СО, поэтому их сначала переводят в оксиды:

ZnS + O2 " ZnO + SO2

ZnCO3 " ZnO + CO2 (t)

 

Гидрометаллургический способ:- металл извлекают из раствора химическим методом или электролизом, например:

ZnS + O2 " ZnO (агар) + H2SO4 " ZnSO4 (переводят в серную кислоту и на растворение новых  порций агарка) + H2O

ZnSO4 – электролиз с нерастворимым анодом:

«+» А: 2H2O – 4ē " O2 + 4H+

«– » К: Zn2+ + 2ē " Zn

2H+ + 2e " H2

Таким способом получают 90% чистого цинка,

10% ZnO + C " Zn + CO

        ZnO + CO " Zn + CO2

Загрязненный цинк – используют на производство сплавов.

 

10% меди получают электролизом:

CuS + O2 " CuO + SO2

CuO + H2SO4 " CuSO4 + H2O

CuSO4 (электролиз) " Сu + O2 + ?

 90% меди получают пирометаллургическим методом

CuS + C " Cu + CO

Получается черновая медь – содержит 2% примесей других металлов, её подвергают электролитическому рафинированию.

Основной металл медь – 2% примесей всех металлов: железо, кобальт, цинк, свинец, драгоценные металлы.

Производство чугуна

Сплав железа с углеродом – содержит 93-95% железа, 2-4% углерода, в примеси: кремний, фосфор, марганец, сера; в стали содержание углерода – 0,2-1,9%; ковкое железо – 0,2%.

90% всего чугуна идёт на выплавку стали. Оставшиеся 10% идут на производство чугунных изделий (трубы, колёса и т.д.).

Чугун получают из железных руд, наша промышленность использует 5 видов железных руд:

- магнитный железняк (магнетит) – руда содержит Fe3O4

- красный железняк (гематит) – руда содержит Fe2O3

- бурый железняк (лимонит) – содержит 2Fe2O3·nH2O

- шпатовый железняк (сидерит) – содержит FeCO3

- марганцовая руда – содержит – содержит Fe2O3 и Fe3O4 + примеси соединений марганца.

Сначала руду обогащают с целью удаления пустой породы, обогащают электромагнитным методом. При пропускании электрического тока внутри возникает электрическое поле. Руду измельчают и на транспортировочную ленту. Пустая порода не притягивается к магниту и отлетает далеко, а соединения железа притягиваются и упадут ближе. Обогащенную руду подвергают агломерации, цель – получить пористые куски концентрата размером 3-8 см в поперечнике. Концентрат – обогащенную руду перемешивают мелочью кокса, добавляют флюсы (CaCO3, доломиты (CaCO3·MgCO3)), увлажняют водой, эту тестообразную массу погружают на движущуюся решётку агломерационной машины. Над лентой горит мазут или газ, вся масса на ленте нагревается, а снизу ленты создаётся вакуум. Воздух через слой сверху проходя, делает сквозные отверстия, потому получается спекшая пористая масса, при прохождении ленты масса выбрасывается в виде кусков, частично железо восстанавливается Fe2O3 " Fe3O4, органика сгорает. Эти куски используют для плавки чугуна в доменной печи.

Делается из стали, диаметр = 12 метров, высота 50-60 м. Изнутри футирована огнеупорными кирпичами. Масса домны150 тыс. тонн. Сверху у домны засыпной аппарат – состоит из двух воронок с двумя конусами. Не дать газам вырваться в атмосферу при загрузке домны. Загружается вагонетками (скипы) по рельсовой дороге (порция = галоша).           Нижний конус автоматически поднимается наверх, зазора не будет; а верхняя воронка опускается и сырьё опрокидывается в нижнюю воронку. Затем верхний конус поднимается, а нижний опускается и сырьё попадает в доменную печь. При каждом опускании нижней воронки, она поворачивается на 60°С, чтобы пол всему сечению равномерно попадало сырьё. Минимальная температура вверху, максимальная над шлаком. Нижняя часть печи – горн. В горн над шлаком подаётся дутьё (воздух) для горения кокса, предварительно нагретый до 800-1200°С и под Р = 3-4 атм. Лежка для выпуска шлака, под шлаком – чугун, отверстие быстро забивают огнеупорной массой. Расстояние от чугунной лежки до верхней засыпки называется полезной высотой печи, а объём этой части печи – полезным объёмом печи.

Объём = 5000 куб.см – самая мощная печь, для обычной – 1000-1500 куб.см.

Какие процессы проходят в доменной печи?

В нижней части, где подаётся дутьё, кокс горит: С + О2 " СО2. Здесь температура самая высокая. Этот СО2 под ним чуть-чуть и встретившись с коксом взаимодействуют:

С + CO2 " 2CO – восстанавливает оксид железа

3Fe2O3 + CO " 2Fe3O4 + CO2  при t = 500°С

600°С: Fe3O4 + CO " 3FeO + CO2

700°C: FeO + CO " Fe + CO2

Железо расплавляется, поэтому сечение печи суживается. Железо стекает вниз и по пути часть железа взаимодействует с коксом:

3Fe + C " Fe3C + CO2

0,01% восстанавливается коксом, если есть дешёвый кислород, то воздух обогащают кислородом – это увеличивает производительность. Если есть природный газ, то с дутьём подают метан.

СH4 + O2 " CO2 + H2O

CO2 + C " 2CO

Экономит кокс.

Углекислый газ не дают в домну, т.к. печь остывает, нет источника сырья.

Примеси: SiO2 + 2C - 1500°C " Si + 2CO

Кремний весь растворяется в чугуне; сера со всеми металлами образует сульфиды: в основном FeS + CaO " FeO + CaS

Весь сульфид кальция переходит в шлак. Шлак:

СaO + SiO2 " CaSiO3 – легкоплавкий, образует шлак, в котором растворяется сульфид кальция. Расплавленный шлак легче чугуна, лежит на верху чугуна, и защищает его от окисления.

Фосфор попадает в исходное сырьё в виде Ca3(PO4)2.

Ca3(PO4)2 + 5C + 2SiO2 " 2P + 5CO - восстановитель + 3CaSiO3шлак.

Фосфор весь попадает в чугун. Если фосфора много в руде – больше 0,15%, то такую руду не используют.

Что выходит из печи: чугун, шлак, доменный газ. Чугун выпускают периодически 8-10 раз в сутки в чугуновозный ковш ёмкостью 100 тонн. Этим ковшом чугун отвозится либо на переплавку на сталь, либо перевозят в хранилище для чугуна (огромный бассейн, футированный огнеупорами, обогревается). В нём весь состав усредняется.

В зависимости от состава руды получают разные чугуны:

1. передельный чугун (в нём много Fe3C цемендита (твёрдый, не поддаётся никакой обработке)) – весь идёт на выплавку стали.

2. литейный (содержит мало цемендита, поддаётся обработке) – изготавливают чугунные изделия – 8-10%

3. 2-3% - специальные чугуны – зеркальный (до 25% марганца)

Если в чугуне много лигирующих добавок (вольфрам, молибден…) – природно-лигирующий чугун – лигированная сталь.

Доменный шлак – его складывают в отвал, либо гранулируют, т.е. небольшими порциями шлак пускают в воду; используют в теплоизоляции, в строительстве дорог. Если шлак содержит  оксид алюминия – ценный, идёт на производство цемента.

Доменный газ содержит много пыли

2СО " С (в виде сажи) + СО2.

Сажу её пыль отделяют в циклонах, а затем загружают в домну. Очищенный от пыли газ содержит по объёму 30% СО (2С + О2 "2СО); 2СО + О2 " 2СО2. Выделяется много тепла, а потому этот доменной газ используют: часть используют как энергоноситель, большую часть доменного газа сжигают в регенераторах (устройство для нагрева воздуха, которое подаётся в домну).

Производство стали

Чтобы получить из чугуна сталь необходимо снизить содержание примесей: С – 1,7%; Si – 0,1-0,5%; Mn – 0,2-0,8%; S – 0,04-0,05%, P – 0,05-0,08%. Необходима высокая температура и кислород.

3 метода получения стали.

1. мартеновский метод

2. кислородно-конверторный

3. метод электроплавки

Печь прямоугольной формы, сверху покрыта сводами, выложена печь из огнеупорных кирпичей. В середине по всей длине ванна (длина = 15-20 м, ширина = 5-7 м, глубина = 2-3 м). Впереди загрузочные окна. В задней части печи отверстия для выпуска стали и шлака из ванны. Через окна с помощью желобов в ванну заливают расплавленный чугун. Через окна загружают металлолом с крапом. Над ванной горит газ и воздух. Т.о. над ванной горит газ непрерывно, t = 1900°С.

В ванне варится сталь. Воздух для горения поддаётся через каналы. Насадка (регенераторы) раскаливается до конца и направление потоков меняется через 2-3 часа (чтобы насадка остывала). Воздух нагревается в регенераторах до 1200°С. Печь работает 6-8 часов. Эту сталь выпускают из задней части печи, а печь снова загружают чугуном с крапом.

Как удаляются примеси?

Часть железа, которая есть в ванне 2Fe + O2 " 2FeO (закись железа)

Эта закись железа очень хорошо растворяется во всём объёме расплава и она окисляет примеси.

C + FeO " Fe + Co (сталь кипит)

Mn + FeO " 2Fe + MnO – в шлак, (оксид марганца в расплаве железа не растворяется)

Si + 2FeO " 2Fe + SiO2 – в шлак (не растворим в расплаве)

S с Fe образует FeS, обязательно в печь добавляют CaCO3 (при t)" CaO + CO2

CaO + FeS " FeО + CaS – в шлак (не растворяется в расплаве)

2Fe3P + 5FeO + 4CaO " Ca4P2O3 (тетракальциевый фосфат – в шлак) + 11Fe

Сера придаёт красноломкость (хрупкость при повышении температуры).

Фосфор придаёт холодноломкость (хрупкость при пониженной температуре).

Когда примеси удалены, в расплаве остаётся FeO, его тоже необходимо убрать, т.к. придаёт стали хрупкость. К концу плавки в расплав вводят ферромарганец или ферросилиций (сплав железа с кремнием). Эти вещества в печи расплавляются и кремний и марганец восстанавливают FeO.

FeO + Mn " Fe + MnO (шлак)

2FeO + Si " 2Fe + SiO (в шлак)

В начале варки, расплав чугуна имеет контакт с О2.

2Fe + O2 " 2FeO

FeO + Mn " MnO + Fe (освобождается)

Потом появляется шлак, который всплывает и изолирует расплав. Как же поступает кислород? Часть FeO диффундирует через шлак на его поверхность и там переходит в Fe2O3 (т.е. обогащается кислородом). Fe2O3 диффундирует вниз Fe2O3 + Fe " 3FeO. Диффузия идёт по всей поверхности – 2/3 FeO диффундирует в объём и окисляет примеси, 1/3 диффундирует наверх . Сначала сливается шлак из одного отверстия, затем сталь из другого отверстия.

Достоинства этого метода:

- можно погружать много металлолома

- варить столько, сколько необходимо – пока не дойдёт до нужного качества.

Недостаток:

- малая производительность, 6-8 ч – 1 раз можно выпустить

Перспективы:

8 тысяч лет назад умели выплавлять чугун из руды, в 1856 г. англичанин Бессемер изобрёл конверторный метод, сталь стала дешёвой; железо – металл №1. В конвертер подавали воздух, со временем копился металл и не знали как его переработать. Конвертер с воздухом металлолом не перерабатывал. Встала проблема!

1864 г. – Мартен решил задачу – дал мартеновский способ и конвертерный метод стал отходить. Основной метод мартеновский.

С 50-х стали получать дешёвый кислород, стали использовать кислород в конвертере, загружать металлолом – преимущество конвертерного метода – становится основным и доминирующим.

Когда потребовались легированные стали – стали использовать электроплавку: 50% - конвертерным, 35% - мартеновским, 15% - электроплавкой.

- железо, сплавы железа – материал №1

- железных руд хватит на столетия

- неповторимые, уникальные свойства

1.                      Будет расти доля конвертерного метода и электроплавки.

2.                      Получит развитие биометаллургия. Суть – раствором, содержащим определённые бактерии, обрабатывают руду, и из раствора может выделяться метал.

3.                      Получит развитие солнечная металлургия.

4.                      Использование ядерной энергии для металлургии, ядерная энергия даёт температуру 750°С.

 
 



© УлГПУ, кафедра химии, доцент Пестова Н. Ю., 2013