Электролитическое рафинирование меди

Введение

      Медь  совместно с никелем, свинцом, цинком и оловом образуют группу основных тяжелых цветных металлов. Медь служит человеку на протяжении почти всей истории развития человеческого  общества. Значение меди для современного общества трудно переоценить.

      В периодической системе элементов  Д. И. Менделеева медь расположена в 1 группе 4-го периода, порядковый номер 29. Как элемент первой группы медь одновалентна. В этом состоянии она  наиболее широко представлена в рудных минералах, штейнах, шлаках и других продуктах пирометаллургии. В продуктах  их окисления в природе и в  технологических процессах более  устойчивым является двухвалентное  состояние.

      Медь  – мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета. Она легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку. По электропроводности медь уступает только серебру.

      В химическом отношении медь малоактивный металл, хотя она в определенных условиях может непосредственно  соединяться с кислородом, серой, галогенами и другими элементами.

      При обычной температуре сухой воздух и влага в отдельности не действуют  на медь, но во влажном воздухе, содержащем СО₂, медь окисляется и покрывается зеленой пленкой основного карбоната CuCO₃·Cu(OH)₂.

      В ряду напряжений медь более электроположительна, чем водород. Поэтому в растворах  таких кислот, как серная и соляная, не растворяется в отсутствии окислителя. В кислотах-окислителях медь растворяется легко.

     Цели  курсовой работы: изучить и описать процесс электролитического рафинирования меди, рассмотреть пути его совершенствования, выбрать и обосновать технологические параметры процесса; рассчитать материальный  и  тепловой баланс процесса; рассчитать основное оборудование и его количество; расчитать напряжение на ванне; определить ведущую примесь. Производительность отделения электролитического рафинирования 350000 тонн катодной меди в год.

 

     

     1 Общие сведения  о металле

     1.1  Нахождение в природе

     Медь  – наиболее ценный и один из самых  распространенных цветных металлов. Благодаря своим свойствам, среди  которых пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, высокие  эстетические свойства и относительно невысокая стоимость производства и извлечения меди, позволяет применять  ее в различных отраслях промышленности, начиная от медицины и заканчивая электроникой.

     Содержание  меди в земной коре (4,7^.5,5)^.10^-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3^.10^-7% по массе, в речной —1^.10^-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7^.10^-3%. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2^.10^-4% по массе, в крови человека около 0,001мг/л [6].

     В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых  запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречается редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов.

     Таблица 1.1 Минералы меди и её содержание в  минерале 

     Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения – концентраты –  и вторичное сырьё. На долю вторичного сырья в настоящее время приходится ~ 40 % от общего выпуска меди.[1, 2]

     Медные  руды практически полностью относятся  к полиметаллическим. Монометаллических  руд меди практически нет. Возможными природными спутниками меди, как и  других тяжёлых цветных металлов, являются большинство элементов 4-6-го длинных периодов Периодической  системы Д. И. Менделеева.

     Ценными спутниками меди в рудном сырье являются примерно 30 элементов. Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт, золото, серебро, платиновые металлы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий, талий, молибден, железо.

       Одновременное присутствие в  медных рудах всех указанных  элементов не является обязательным, но все они в различных комбинациях  могут встречаться в тех или  иных типах руд.

     В медном производстве используются все  типы руд: сульфидные (сплошные и вкрапленные), окисленные, смешанные и самородные. Однако основным медным сырьём являются сульфидные вкрапленники, запасы которых  в недрах являются наибольшими. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85-90 % всей первичной меди.

     В современной практике обычно разрабатывают  руды с содержанием меди 0,8-1,5 %, а  иногда и выше. Однако для крупных  месторождений вкрапленных руд  минимальное содержание меди, пригодное  для разработки в современных  условиях, составляет 0,4-0,5 %.[2]

     Наряду  с медными минералами в рудах  находятся в больших или меньших  количествах сульфиды других тяжелых  цветных металлов (цинка, свинца, никеля) и железа. Железо может присутствовать как в форме самостоятельных, так и в виде комплексных сульфидов  типа халькопирита и борнита. Основными  природными сульфидами железа являются пирит FeS₂ и пирротин Fe₇S₈ (Fe_1-xS). Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных металлов и ряда редких и рассеянных элементов: селена, теллура, рения, висмута и др.

     Халькопирит, ковеллин, борнит и пирит относятся  к высшим сульфидам. Они содержат избыток серы сверх стехиометрического содержания, соответствующего валентным  отношениям. При нагреве высшие сульфиды диссоциируют с образованием низших сульфидов и выделением паров  элементарной серы.[7]

     Кроме рудных минералов в медных рудах  содержится пустая порода в виде кремнезёма, глинозёма, кальцита, различных силикатов  и др. В практике медного производства встречаются кислые руды, в пустой породе которых преобладает кремнезём  SiO₂ и основные руды со значительными количествами известняка и других минералов.

     Вследствие  низкого содержания меди и комплексного характера руд в большинстве  случаев непосредственная металлургическая переработка невыгодна, поэтому  они предварительно подвергаются флотационному  обогащению.

     При обогащении медных руд основным продуктом  являются медные концентраты, содержащие до 55 % Cu (чаще 10-30 %). Извлечение меди к концентраты при флотации колеблется от 80 до 95 %. Кроме медных, при обогащении руд получают пиритные концентраты и иногда концентраты ряда других цветных металлов (цинковый, молибденовый и др.). Отходами обогащения являются отвальные хвосты. Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью 89-95 % -74 мкм с влажностью 8-10 %.

     1.2 Физические свойства  меди 

     Медь  — пластичный метелл золотисто-розового цвета, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра). Имеет два стабильных изотопа — ⁶³Cu и ⁶⁵Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, ⁶⁴Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.

     Металл  имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром, а = 3,6074 Å; плотность 8,96 г/см³ (20 °С). Атомный радиус 1,28 Å; ионные радиусы Cu⁺ 0,98 Å; Сu²+ 0,80 Å; t_пл1083 °С; t_кип 2600 °С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), т.е. 0,092 кал/(г·°С). Наиболее важные и широко используемые свойства Меди: высокая теплопроводность - при 20 °С 394,279 вт/(м·К.), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С); малое электрическое сопротивление - при 20 °С 1,68·10^-8 ом·м. Термический коэффициент линейного расширения 17,0·10^-6. Давление паров над медью ничтожно, давление 133,322 н/м² (т.е. 1 мм рт.ст.) достигается лишь при 1628 °С. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27·10^-6. Твердость Меди по Бринеллю 350 Мн/м² (т. е. 35 кгс/мм²); предел прочности при растяжении 220 Мн/м² (т. е. 22 кгс/мм²); относительное удлинение 60%, модуль упругости 132·10³ Мн/м²(т.е. 13,2·10³ кгс/мм²). Путем наклепа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м², при этом удлинение уменьшается до 2% , а электропроводность уменьшается на 1-3.

     1.3 Химические свойства  меди

     Медь  относится к малоактивным металлам. Стандартный электродный потенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, в кислотах-сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной)-медь растворяется:

Сu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃ )₂ + 2NO + 4Н₂O   (1.2.1) 
разбавленная 
Сu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂+ 2Н₂O   (1.2.2) 
концентрированная 
Сu+ 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2 Н₂O    (1.2.3) 
концентрированная

     Как малоактивный металл медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии, влажной  атмосфере, содержащей углекислый газ, медь покрывается зеленоватым налетом  карбоната меди:

     2 Сu + O₂ + СO₂ + Н₂O =Сu (ОН)₂ • СuСO₂  (1.2.4)

     В большинстве известных соединений медь проявляет степень окисления + 2. Соединения меди (II)-оксид СuО и гидроксид Си(ОН)₂-довольно устойчивы. Этот гидроксид амфотерен,хорошо растворяется в кислотах:

     Cu(OH)₂ + 2НС1 = СuСl₂ + 2Н₂O    (1.2.5)

     и в концентрированных щелочах.

     Гидроксид меди (II)-труднорасворимое в воде вещество голубого цвета. При нагревании разлагается,образуя оксид меди (II) черного цвета:

     Сu(ОН)₂ =СuО + Н₂O      (1.2.6)

     Темный  цвет окисленных медных изделий обусловлен наличием на их поверхности этого  оксида. Для ионов меди (II) Сu2+ характерно образование комплексных соединений, например K2[Cu(CN)4]-тетрацианокупрат (II) калия:

     CuCl₂ + 4KCN = К₂ [Cu(CN)₄] + 2КСl   (1.2.7)

     Из  других комплексных соединений меди (II) отметим соединение с аммиаком. Если к раствору хлорида меди (II) прилить небольшое количество раствора аммиака, то выпадет осадок гидроксида меди (II):

     CuCl₂ + 2NH₃ + 2Н₂O = Сu(ОН)₂ + 2NH₄Cl  (1.2.8)

     Если  добавить избыток аммиака, то гидроксид  растворится с образованием комплексного соединения темно-синей окраски, характерной  для аммиачного комплекса меди:

     Сu(ОН)₂+ 4NH₃ = [Cu(NH₃)₄] (ОН)₂    (1.2.9)

     Эта реакция является качественной на ион  меди (II).

     Растворимость гидроксида меди (II) в щелочах также  связана с образованием комплексных  соединений:

     Cu(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ [Cu(OH)₄]    (1.2.10)

     Образованием комплексных соединений объясняется цвет растворов солей меди (II). Почему, например, безводный сульфат меди (II)-вещество белого цвета, а раствор этой соли имеет голубую окраску? При растворении происходит химическое взаимодействие ионов соли с водой, и образуются так называемые аквакомплексы меди, имеющие голубую окраску: