无机化工反应单元课件.ppt
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- 无机 化工 反应 单元 课件
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1、1第一节第一节 焙烧与煅烧焙烧与煅烧第二节第二节 浸取浸取第三节第三节 复分解复分解2 无机化工是以天然资源为原料生产硫酸、硝无机化工是以天然资源为原料生产硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等无机酸,纯碱、烧碱等无机碱,酸、盐酸、磷酸等无机酸,纯碱、烧碱等无机碱,合成氨和化肥,以及无机盐等化工产品的工业。合成氨和化肥,以及无机盐等化工产品的工业。无机化学工业包括硫酸工业、纯碱工业、氯无机化学工业包括硫酸工业、纯碱工业、氯碱工业、合成氨工业、化肥工业和无机盐工业等碱工业、合成氨工业、化肥工业和无机盐工业等部门。部门。3v硫酸工业硫酸工业的主要产品有的主要产品有浓硫酸、发烟硫酸、液浓硫酸、发烟硫酸、液态三氧化
2、硫、液态二氧化硫等态三氧化硫、液态二氧化硫等。硫酸生产中涉。硫酸生产中涉及到硫铁矿的焙烧、硫磺的焚烧等固体原料加及到硫铁矿的焙烧、硫磺的焚烧等固体原料加工过程、气体净化过程、二氧化硫催化氧化过工过程、气体净化过程、二氧化硫催化氧化过程和三氧化硫吸收过程等单元工艺。程和三氧化硫吸收过程等单元工艺。v纯碱工业纯碱工业的主要产品是的主要产品是碳酸钠、碳酸氢钠与氯碳酸钠、碳酸氢钠与氯化铵等化铵等。纯碱生产中涉及到母液吸氨过程、氨。纯碱生产中涉及到母液吸氨过程、氨盐水碳化过程、碳酸氢钠的煅烧过程、母液冷盐水碳化过程、碳酸氢钠的煅烧过程、母液冷析盐析过程等单元工艺。析盐析过程等单元工艺。4v氯碱工业氯碱工
3、业的主要产品是的主要产品是烧碱(氢氧化钠)、氯烧碱(氢氧化钠)、氯气、盐酸等气、盐酸等。烧碱生产中涉及到食盐水的电解、。烧碱生产中涉及到食盐水的电解、电解液蒸发浓缩、氢气和氯气合成氯化氢等单电解液蒸发浓缩、氢气和氯气合成氯化氢等单元工艺。元工艺。v合成氨工业合成氨工业的主要产品是的主要产品是氨氨。氨生产中涉及到。氨生产中涉及到天然气、石脑油蒸汽转化过程、渣油部分氧化天然气、石脑油蒸汽转化过程、渣油部分氧化过程、煤气化过程、合成氨原料气脱硫、脱碳过程、煤气化过程、合成氨原料气脱硫、脱碳净化过程、合成气中一氧化碳变换反应过程和净化过程、合成气中一氧化碳变换反应过程和氨的合成过程等氨的合成过程等。5
4、v化肥工业化肥工业的主要产品是的主要产品是氮肥、磷肥和钾肥氮肥、磷肥和钾肥。氮。氮肥涉及到氨的化学加工;磷肥涉及磷矿石的酸肥涉及到氨的化学加工;磷肥涉及磷矿石的酸解过程和热加工过程;钾肥涉及钾矿的酸解、解过程和热加工过程;钾肥涉及钾矿的酸解、碱解与复分解过程。碱解与复分解过程。v无机盐工业产品繁多无机盐工业产品繁多,大多无机盐产品都涉及,大多无机盐产品都涉及到矿物的化学加工,如硼矿、钡矿、钾矿、硅到矿物的化学加工,如硼矿、钡矿、钾矿、硅石、萤石、锰矿、铬矿、钼矿、钛矿、锌矿、石、萤石、锰矿、铬矿、钼矿、钛矿、锌矿、铝土矿、锶矿等的化学加工铝土矿、锶矿等的化学加工。6v无机化工反应的单元工艺中有
5、一些单元工艺,无机化工反应的单元工艺中有一些单元工艺,如如氧化、加氢、脱氢、电解氧化、加氢、脱氢、电解等,已在通用反应等,已在通用反应单元工艺中阐述。本章主要介绍与无机化工各单元工艺中阐述。本章主要介绍与无机化工各类产品均有密切关系的类产品均有密切关系的化学矿物固相加工单元化学矿物固相加工单元工艺。工艺。v化学矿物的固相化学加工单元工艺有化学矿物的固相化学加工单元工艺有三种类型三种类型。一是一是“湿法湿法”化学加工化学加工,即用酸、碱对矿物进,即用酸、碱对矿物进行化学浸取,使其从不溶性物质转化为可溶性行化学浸取,使其从不溶性物质转化为可溶性物质。二是物质。二是“热法热法”化学加工化学加工,即采
6、用煅烧、,即采用煅烧、焙烧或烧结的方法对固相原料进行化学加工。焙烧或烧结的方法对固相原料进行化学加工。三是采用三是采用复分解或置换反应工艺复分解或置换反应工艺,使固相原料,使固相原料发生化学转化。发生化学转化。7 无机化工中化学矿物的固相加工生产化无机化工中化学矿物的固相加工生产化工产品的生产流程一般包括以下过程:工产品的生产流程一般包括以下过程:v(1)原料准备)原料准备:化学矿物首先应加以破碎、:化学矿物首先应加以破碎、磨细与筛分处理,必要时还要对矿物作精选处磨细与筛分处理,必要时还要对矿物作精选处理,选矿的方法有手选、磁选和浮选等方法。理,选矿的方法有手选、磁选和浮选等方法。v(2)化学
7、矿的热处理)化学矿的热处理:采用焙烧、煅烧和烧:采用焙烧、煅烧和烧结工艺对矿物进行热法化学加工结工艺对矿物进行热法化学加工。8v(3)化学矿的浸取)化学矿的浸取:用合适的:用合适的 溶剂对矿物溶剂对矿物进行浸取,使有效组分从固相转移到溶液中进行浸取,使有效组分从固相转移到溶液中来,浸取过程可以是物理浸取或化学浸取。来,浸取过程可以是物理浸取或化学浸取。v(4)过滤)过滤:浸取过程中有效组分进入溶液,:浸取过程中有效组分进入溶液,而其余物质仍留在固相中,需进行过滤将他而其余物质仍留在固相中,需进行过滤将他们分离。常用的过滤设备有压力式过滤、真们分离。常用的过滤设备有压力式过滤、真空式过滤和离心式
8、过滤空式过滤和离心式过滤。9v(5)溶液的精制)溶液的精制:滤液中还可能残留溶解:滤液中还可能残留溶解性杂质,需进行精制和提纯,精制的方法有性杂质,需进行精制和提纯,精制的方法有蒸馏、吸附、液蒸馏、吸附、液液萃取、离子交换、膜液萃取、离子交换、膜分离、沉淀和结晶等单元过程。分离、沉淀和结晶等单元过程。v(6)蒸发)蒸发:用水蒸气加热物料,采用:用水蒸气加热物料,采用23效效真空蒸发装置,使溶剂蒸汽化,提高溶液的真空蒸发装置,使溶剂蒸汽化,提高溶液的浓度。浓度。10v(7)结晶)结晶:溶液在蒸发或结晶的过程中,:溶液在蒸发或结晶的过程中,使产品从溶液中结晶出来。对工业结晶产品使产品从溶液中结晶出
9、来。对工业结晶产品的要求是颗粒粗大、均匀。为此要控制好溶的要求是颗粒粗大、均匀。为此要控制好溶液的过饱和度、搅拌速率和冷却速率。结晶液的过饱和度、搅拌速率和冷却速率。结晶过程在冷却式结晶器、蒸发式结晶器、真空过程在冷却式结晶器、蒸发式结晶器、真空式结晶器或塔式结晶器中进行。式结晶器或塔式结晶器中进行。v(8)干燥干燥:为防止湿物料的结块或有效组分的为防止湿物料的结块或有效组分的分解,需用热空气或烟道气为加热介质对产分解,需用热空气或烟道气为加热介质对产品进行干燥。品进行干燥。11 第一节第一节 焙烧与煅烧焙烧与煅烧 焙烧与煅烧是两种常用的化工单元工艺。焙烧是将矿石、精矿在空气、氯气、氢气、甲烷
10、、一氧化碳和二氧化碳等气流中不加或配加一定的物料,加热至低于炉料的熔点,发生氧化、还原或其他化学变化的单元过程,常用于无机盐工业的原料处理中,其目的是改变物料的化学组成和物理性质,便于下一步处理或制取原料气。煅烧是在低于熔点的适当温度下,加热物料,使其分解,并除去所含结晶水、二氧化碳或三氧化硫等挥发性物质的过程。两者的共同特点是都在低于炉料熔点的高温下进行,不同点是前者是原料与空气、氯气等气体以及添加剂发生化学反应,后者是物料发生分解反应,失去结晶水或挥发组分。12 烧结烧结也是一种化工单元工艺。烧结与焙烧不也是一种化工单元工艺。烧结与焙烧不同,焙烧在低于固相炉料的熔点下进行反应,而同,焙烧在
11、低于固相炉料的熔点下进行反应,而烧结需在高于炉内物料熔点下进行反应。烧结也烧结需在高于炉内物料熔点下进行反应。烧结也与煅烧不同,煅烧是固相物料在高温下的分解过与煅烧不同,煅烧是固相物料在高温下的分解过程,而烧结是物料配加还原剂、助熔剂的化学转程,而烧结是物料配加还原剂、助熔剂的化学转化过程。烧结、焙烧、煅烧虽然都是高温反应过化过程。烧结、焙烧、煅烧虽然都是高温反应过程,但烧结实在物料熔融状态下的化学转化,这程,但烧结实在物料熔融状态下的化学转化,这是它与焙烧、煅烧的不同之处。是它与焙烧、煅烧的不同之处。13焙烧过程与工业应用焙烧过程与工业应用 焙烧过程焙烧过程根据反应性质可以分为根据反应性质可
12、以分为以下六类以下六类,每类都有许多实际工业应用。每类都有许多实际工业应用。(1)氧化焙烧:)氧化焙烧:硫化精矿在低于其熔点的温硫化精矿在低于其熔点的温度下氧化,使矿石中部分或全部的金属硫化物变度下氧化,使矿石中部分或全部的金属硫化物变为氧化物,同时除去易挥发的砷、锑、硒、碲等为氧化物,同时除去易挥发的砷、锑、硒、碲等杂质。硫酸生产中硫铁矿的焙烧是最典型的应用杂质。硫酸生产中硫铁矿的焙烧是最典型的应用实例。硫化铜、硫化锌矿的火法冶炼也用氧化焙实例。硫化铜、硫化锌矿的火法冶炼也用氧化焙烧。烧。14 硫铁矿(硫铁矿(FeS2)焙烧)焙烧的反应式为:的反应式为:生成的生成的SO2就是硫酸生产的原料,
13、而矿渣中就是硫酸生产的原料,而矿渣中Fe2O3与与Fe3O4都存在,都存在,到底哪个比例大,要视到底哪个比例大,要视焙烧时空气过剩量和炉温等因素而定。一般工焙烧时空气过剩量和炉温等因素而定。一般工厂,空气过剩系数大,含厂,空气过剩系数大,含Fe2O3较多;若温度较多;若温度高,空气过剩系数较小,渣成黑色,且残硫较高,空气过剩系数较小,渣成黑色,且残硫较高,渣中高,渣中Fe3O4多。焙烧过程中,矿中所含铝、多。焙烧过程中,矿中所含铝、镁、钙、钡的硫酸盐不易分解,而砷、硒等杂质镁、钙、钡的硫酸盐不易分解,而砷、硒等杂质转入气相。转入气相。243222322268382114SOOFeOFeSSOO
14、FeOFeS15 有时,有时,氧化焙烧过程中除加空气外,还氧化焙烧过程中除加空气外,还加添加剂,使矿物与氧气、添加剂共同作加添加剂,使矿物与氧气、添加剂共同作用。用。如铬铁矿化学加工的第一步是纯碱氧如铬铁矿化学加工的第一步是纯碱氧化焙烧,在工业上广泛采用。原料铬铁矿化焙烧,在工业上广泛采用。原料铬铁矿要求要求w(Cr2O3)35%,在,在10001150下氧下氧化焙烧为六价铬:化焙烧为六价铬:27222323222322COOCrNaOCONaOCr16 (2)硫酸化焙烧)硫酸化焙烧 使某些金属硫化物氧使某些金属硫化物氧化成为易溶于水的硫酸盐的焙烧过程,主化成为易溶于水的硫酸盐的焙烧过程,主要
15、反应有要反应有式中:式中:Me为金属。例如一定组成下的铜的硫化为金属。例如一定组成下的铜的硫化物,在物,在600下焙烧时,生成硫酸铜;在下焙烧时,生成硫酸铜;在800下下焙烧时,生成氧化铜。所以控制较高的焙烧时,生成氧化铜。所以控制较高的SO2气氛气氛及较低的焙烧温度,有利于生成硫酸盐;反之则及较低的焙烧温度,有利于生成硫酸盐;反之则易变为氧化物,成为氧化焙烧。易变为氧化物,成为氧化焙烧。222232SOMeOOMeS4222MeSOMeOOSOMeS42242MeSOOSOMeSOMeO17 (3)挥发焙烧)挥发焙烧 将硫化物在空气中加热,使将硫化物在空气中加热,使矿物中被提取组分变为挥发性
16、氧化物,呈气态分矿物中被提取组分变为挥发性氧化物,呈气态分离出来,例如,火法炼锑中将锑矿石(含离出来,例如,火法炼锑中将锑矿石(含Sb2S3)在空气中加热,氧化为易挥发的)在空气中加热,氧化为易挥发的Sb2O3:2322326292SOOSbOSSb18 4)氯化焙烧)氯化焙烧 借助于氯化剂(如借助于氯化剂(如Cl2,HCl,NaCl,CaCl2等)的作用,使物料中某些组分转等)的作用,使物料中某些组分转变为气态或凝聚态的氯化物,从而与其他组分分变为气态或凝聚态的氯化物,从而与其他组分分离。金属的硫化物、氧化物或其他化合物在一定离。金属的硫化物、氧化物或其他化合物在一定条件下大都能与化学活性很
17、强的氯反应,生成金条件下大都能与化学活性很强的氯反应,生成金属氯化物。金属氯化物与该金属的其他化合物相属氯化物。金属氯化物与该金属的其他化合物相比,具有熔点低、挥发性高、较易被还原,常温比,具有熔点低、挥发性高、较易被还原,常温下易溶于水及其他溶剂等特点。并且各种金属氯下易溶于水及其他溶剂等特点。并且各种金属氯化物生成的难易和性质上存在明显区别。化物生成的难易和性质上存在明显区别。化工生化工生产中,常利用上述特性,借助氯化焙烧有效的实产中,常利用上述特性,借助氯化焙烧有效的实现金属的分离、富集、提取与精炼的目的现金属的分离、富集、提取与精炼的目的。19v氯化焙烧用于火法冶金具有以下优点:氯化焙
18、烧用于火法冶金具有以下优点:对原料适应性强,可处理各种不同类型的原对原料适应性强,可处理各种不同类型的原料;料;作业温度比其他火法反应过程低;作业温度比其他火法反应过程低;分离效率高,综合利用好。在高品位矿石资分离效率高,综合利用好。在高品位矿石资源日趋枯竭的情况下,对储量很大的低品位、源日趋枯竭的情况下,对储量很大的低品位、成分复杂的难选的贫矿来说,氯化焙烧将发成分复杂的难选的贫矿来说,氯化焙烧将发挥更大作用。挥更大作用。v但是但是氯化焙烧要解决以下两个问题氯化焙烧要解决以下两个问题:提高氯的利用率与氯化剂的再生回收问题是提高氯的利用率与氯化剂的再生回收问题是关键问题;关键问题;设备的防腐蚀
19、问题与环境保护问题设备的防腐蚀问题与环境保护问题。20 在无机盐生产中,新建的钛白粉(在无机盐生产中,新建的钛白粉(TiO2)装)装置多采用氯化法置多采用氯化法。金红石矿或钛铁矿渣与适量的。金红石矿或钛铁矿渣与适量的石油焦混合后,加入流态化炉中,通入氯气在石油焦混合后,加入流态化炉中,通入氯气在8001000下进行氯化,其反应式为:下进行氯化,其反应式为:式中式中为排出炉气中的比值。纯为排出炉气中的比值。纯TiCl4是无色是无色透明液体,但此过程所得粗透明液体,但此过程所得粗TiCl4含有杂质,将含有杂质,将杂质分离后,可制金属杂质分离后,可制金属Ti或或TiO2。2422)1(22)1(CO
20、COTiClClCTiO21(5)还原焙烧)还原焙烧:将氧化矿预热至一定温度,然后用还原将氧化矿预热至一定温度,然后用还原气体(含气体(含CO,H2,CH4等)使其中某些氧化等)使其中某些氧化物部分或全部还原,以利于下一步处理。物部分或全部还原,以利于下一步处理。例如贫氧化镍矿预热到例如贫氧化镍矿预热到80800,用混,用混合煤气还原,使铁的高价化合物大部分还原合煤气还原,使铁的高价化合物大部分还原为为Fe3O4,少量还原为,少量还原为FeO及金属铁,镍与及金属铁,镍与钴的氧化物还原成易溶于钴的氧化物还原成易溶于NH3-CO2-H2O溶液溶液的金属镍和钴。的金属镍和钴。22无机盐生产中,无机盐
21、生产中,重晶石(主要含重晶石(主要含BaSO4)的化)的化学加工主要采用还原焙烧法学加工主要采用还原焙烧法,是生产各种钡化合,是生产各种钡化合物最经典、最重要、使用最广的方法。还原焙烧物最经典、最重要、使用最广的方法。还原焙烧所用重晶石矿的品位要高,一般所用重晶石矿的品位要高,一般w(BaSO4)98%,w(SiO2)5)的磁硫铁矿的磁硫铁矿。纯粹的黄铁矿。纯粹的黄铁矿w(硫)(硫)=53.45%,磁硫铁矿磁硫铁矿w(硫)(硫)=36.5%40.8%。硫铁矿有块。硫铁矿有块状和粉状两种。块状硫铁矿是专门从矿山开采供状和粉状两种。块状硫铁矿是专门从矿山开采供制硫酸使用的含硫量符合工业标准的原矿,
22、也包制硫酸使用的含硫量符合工业标准的原矿,也包括从煤矿中捡出的块状含煤硫铁矿;粉状硫铁矿括从煤矿中捡出的块状含煤硫铁矿;粉状硫铁矿包括专门为制硫酸而开采的、经过浮选符合工业包括专门为制硫酸而开采的、经过浮选符合工业标准的硫精矿。对于块矿,在焙烧前要经过破标准的硫精矿。对于块矿,在焙烧前要经过破碎、筛分等作业,一般不需要进行干燥;对于粉碎、筛分等作业,一般不需要进行干燥;对于粉矿,在焙烧前需进行干燥、破碎与筛分。矿,在焙烧前需进行干燥、破碎与筛分。37 硫铁矿焙烧的化学反应是硫铁矿焙烧的化学反应是FeS2的氧化的氧化,它分,它分两步进行,首先是两步进行,首先是FeS2的热分解,而后为分解产的热分
23、解,而后为分解产物的氧化。物的氧化。32222222225.02223222)()(22OFeOFeOSOFeOOFeSSOOgSgSFeSFeS38 实际上焙烧炉中过剩空气较少,故矿渣中的实际上焙烧炉中过剩空气较少,故矿渣中的铁有铁有Fe2O3和和FeO两种形态,两种形态,Fe2O3和和FeO比例比例取决于炉中氧的分压。取决于炉中氧的分压。硫铁矿焙烧的总反应式为:硫铁矿焙烧的总反应式为:243222322268382114SOOFeOFeSSOOFeOFeS39 硫铁矿的焙烧是强放热反应,除可供反应自硫铁矿的焙烧是强放热反应,除可供反应自热外,还需要移走反应余热。在空气中焙烧黄铁热外,还需要
24、移走反应余热。在空气中焙烧黄铁矿获得含矿获得含SO3的炉气,理论最高浓度为的炉气,理论最高浓度为(SO3)=16.2%。现代硫铁矿的焙烧都采用沸腾焙烧技术。现代硫铁矿的焙烧都采用沸腾焙烧技术。40 硫铁矿焙烧工艺流程图硫铁矿焙烧工艺流程图1-贮矿斗 2-皮带秤 3-给料器 4-粉体焙烧炉 5-废热锅炉 6-旋风除尘器7-电除尘器 8-空气鼓风机 9-显形推灰线 10,11-链式运输机 12-矿渣增湿机 13-蒸汽洗涤器41 硫铁矿焙烧工艺流程见图。硫铁矿焙烧工艺流程见图。焙烧工序的主焙烧工序的主要设备有沸腾焙烧炉、废热锅炉和电除尘器要设备有沸腾焙烧炉、废热锅炉和电除尘器。沸。沸腾焙烧炉的出口炉
25、气约腾焙烧炉的出口炉气约900,经废热锅炉降温,经废热锅炉降温至至350。炉气中矿尘部分在废热锅炉中沉降,。炉气中矿尘部分在废热锅炉中沉降,其余大部分在旋风分离器中除去,剩余矿尘在电其余大部分在旋风分离器中除去,剩余矿尘在电除尘器中再除去。送往净化工序的气体含尘量除尘器中再除去。送往净化工序的气体含尘量0.2g/m3。当电除尘器具有更高的捕集效率。当电除尘器具有更高的捕集效率时,也可不用旋风分离器。所有矿渣(矿灰)经时,也可不用旋风分离器。所有矿渣(矿灰)经矿渣增湿器喷水增湿,降温至矿渣增湿器喷水增湿,降温至80以下,以便运以下,以便运输。输。42 典型还原焙烧工艺典型还原焙烧工艺重晶石(硫酸
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