Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Получение промышленной продукции методом химического осаждения. Учебное пособие
.pdf
81
7.2. Аппараты для разделения, промывки, сушки осадков
Разделение твердой и жидкой фаз может проводиться различными способами. Наиболее простым и наименее затратным является
процесс отстаивания. Отстаивание в сочетании с промывкой осадка
называется декантацией. Этот процесс наиболее эффективен в случае
кристаллических осадков веществ с высокой плотностью.
Во многих случаях химически осажденные продукты представляют собой сильно оводненные малоструктурированные системы,
плохо отделяющиеся от жидкой фазы.
Для фильтрования и обезвоживания, хорошо фильтрующихся
кристаллических суспензий с концентрацией твердой фазы от 50 до
500 г/дм3 и размером более 50 мкм применяют барабанные вакуумфильтры. Они имеют площадь поверхности фильтрования от 1 до
100 м2 и выпускаются промышленностью как в обычном, так и коррозионно–стойком исполнении. Удельная производительность таких
фильтров составляет по фильтрату – 100–4000 дм3/(м2 ·ч), а по сухому
веществу – 50–100 кг/(м2 · ч) при влажности осадка 40–80 % . Возможность применения барабанных вакуум-фильтров определяется
отношением времени фильтрования, промывки и обезвоживания, которое сохраняется постоянным для каждой конструкции фильтра
при любой скорости вращения барабана и составляет примерно
1:(0,6–0,8):(0,1–0,25) соответственно. Если осадок медленно фильтруется, требует тщательной промывки и обезвоживания, то применение
барабанных фильтров неприемлемо.
Для труднофильтруемых осадков с высокой влажностью наиболее подходит фильтрация под давлением с отжимом осадка. Из промышленных серийных фильтров хорошо себя зарекомендовали автоматизированные камерные фильтр-прессы с горизонтальными плитами типа ФПАКМ. Они предназначены для фильтрования суспензий,
содержащих от 5 до 600 г/дм3 твердой фазы. Однако эти аппараты дороги, сложны в эксплуатации и очень требовательны к качеству
фильтровальной ткани.
Рамные фильтр-прессы периодического действия применяют в
малотоннажных производствах, особенно если необходима тщательная промывка осадка и последующий отжим до минимального влагосодержания. Работа такого аппарата состоит из последовательных
операций сборки и зажима комплекта плит и рам, фильтрования суспензии, промывки и отжима осадка, разборки и разгрузки фильтра.
82
Большая трудоемкость операций является главным недостатком
фильтр-прессов. А при фильтровании токсичных и химически активных суспензий их применение недопустимо.
Нутч-фильтры имеют малую поверхность фильтрования, низкую производительность, требуют больших затрат ручного труда.
Они являются типичными аппаратами периодического действия и
используются в производствах малой мощности до 100 т в год.
Фильтрация осадка примеси при очистке технологических растворов проводится на патронных и мембранных фильтрах, а также на
вакуум-фильтрах с намывным слоем фильтрующего материала.
Более подробно принцип действия, особенности конструкции
и методики расчета фильтровальной аппаратуры описаны в специальной литературе [11, 28].
Промывка крупнодисперсных (более 50 мкм) хорошо сформированных осадков не представляет особой сложности и проводится
двумя принципиально различными способами:
а) по методу вытеснения непосредственно на фильтре путем
пропускания через слой осадка промывной воды;
б) по методу разбавления путем репульпации осадка в объеме
промывной воды и повторного фильтрования, для чего необходима
установка бака − репульпатора с механической мешалкой.
Промывка мелкодисперсных суспензий (менее 20 мкм) традиционными методами неэффективна из-за низкой производительности и
плохого качества промывки, обусловленных тонкодисперсной структурой осадка с низкой проницаемостью, образованием трещин в
сжимаемом осадке, высокой трудоемкостью процесса. По этой причине мелкодисперсные суспензии фильтруют и промывают в аппаратах динамического действия, непрерывно разрушая структуру осадка
скоростным напором суспензии, вибрацией, пульсацией, центробежными силами. Некоторые конструкции подобных аппаратов описаны
в [11], а о применении пульсационных аппаратов смотри [19]. Промывка осложняется часто встречающимся явлением пептизации осадков. Во избежание этого промывку проводят не водой, а слабым раствором подходящего электролита.
Сушка и прокалка отфильтрованных осадков являются обязательными операциями в производстве многих видов промышленной
продукции.
Список используемых сушилок и печей различной конструкции
очень обширен. Рекомендации по выбору оптимального способа
83
сушки или прокалки и соответствующего аппарата даны в многочисленных изданиях, например в [29]. Отметим, что некоторые виды сушильного оборудования позволяют существенно сократить число
стадий производства, обеспечить высокую степень механизации и автоматизации. Примером такого аппарата может служить распылительная сушилка, которая рекомендуется для термообработки растворов, суспензий и паст, поскольку позволяет исключить из технологической схемы стадии фильтрования и промывки и получить высушенный продукт в виде однородных частиц сфероидальной формы
размером до 100 мкм. При этом длительность сушки не превышает
нескольких секунд.
Сушилки кипящего слоя отличаются высоким удельным влагосъемом (до 3000 кг/(м2 · ч)), простотой конструкции, легкостью в обслуживании. Они также позволяют с высокой интенсивностью высушивать не только сыпучие, но и влажные и пастообразные материалы
и даже текучие среды (суспензии и растворы).
8. ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ
8.1. Контрольные вопросы
1. В чем состоит различие между процессами кристаллизации и
химического осаждения?
2. Что считают движущей силой процесса химического осаж-
дения?
3. Перечислите стадии химического осаждения?
4. Какие процессы протекают на стадиях химического осаж-
дения?
5. Какие факторы влияют на растворимость осадка химического
соединения?
6. Какими свойствами обладают осадки постоянного состава?
7. Почему осадки переменного состава носят такое определение?
8. Перечислите способы химического осаждения из водного
раствора?
9. Какие способы осаждения могут проводиться периодически, а
какие осуществляются непрерывно?
10. Возможно ли химическое осаждение в стационарном
режиме?
84
11. Содержание каких видов примесей обязательно отмечается в
перечне показателей качества произведенного продукта (ГОСТ, ТУ)?
12. Какие технологические процессы кроме собственно осажде-
ния влияют на показатели качества продукта – осадка?
13. Растворимость каких химических соединений в наибольшей
степени зависит от величины рН раствора?
14. Какое значение в химической технологии играет показатель
«объем конечного отстоя»?
15. В чем состоят преимущества процесса декантации по срав-
нению с фильтрацией?
16. Укажите достоинства репульпационного способа промывки
осадка?
17. Каковы технологические ограничения в применении бара-
банных фильтров при разделении суспензий?
18. Укажите недостатки рамных фильтр-прессов?
8.2. Контрольные задания
1. Сульфид кадмия для производства люминофоров получают
путем осаждения из раствора хлорида кадмия при насыщении его газообразным сероводородом. При этом суммарная концентрация СS в
растворе составляет 10-2 моль/л. Определить, при каких значениях
рН это осаждение будет аналитически полным (С
cd ост
< 10-6 моль/л).
2. Какой из гидроксидов Sn(OH)2 или Sn(OH)4 лучше растворим
в растворе щелочи при рН = 14?
3. Определить, какое количество гидроксида цинка можно растворить в 1 дм3 2 М раствора аммиака.
4. Рассчитать значение рН насыщенного раствора гидроксида
кальция при 5 и 25 оС. Определить величину ПР. Кw считать не зависящей от температуры. Растворимость гидроксида кальция составляет
0,188 и 0,170 % соответственно при 5 и 25 оС.
5. Железо-хромовый катализатор конверсии монооксида углерода состава 79 % Fe2O3 и 21 % Cr2O3 получают прокалкой смеси совместно осажденных гидроксидов из раствора нитратов железа и хрома.
Укажите, каким способом провести совместное осаждение, какой
осадитель следует использовать и при каком значении рН можно получить осадок требуемого состава.
85
6. Определить, возможно ли совместное осаждение из раствора,
содержащего по 0,5 м/л Al(NO3)3 и Zn(NO3)2, с достижением мольного соотношения Al:Zn в осадке 1:1 при: а) рН = 4,5; б) рН = 8,5.
7. При каком минимальном значении рН возможно осаждение
сульфида никеля NiS из 0,1 М раствора соли Ni2+ , насыщенного
по Н2S
газ
? Растворимость сероводорода при 20 оС составляет
0,378 г/100 г воды.
8. Определить величину рН и концентрацию иона S2- в водном
растворе, насыщенном по сероводороду при 25 оС, если растворимость его равна 0,356 г/100 г Н2О.
9. Сливают 1л 0,1 М раствора NaHCO3 с рН = 6 и 1л 0,1 М раствора CaCl2. Определить, возможно ли осаждение карбоната кальция.
Как будет меняться величина пересыщения по CaCO3 при увеличении и уменьшении величины рН раствора?
10. Определить, возможна ли очистка раствора нитрата калия с
концентрацией 100 г/ л от примеси цинка (100 мг/л Zn) методом химического осаждения до остаточной концентрации 2 мг/л Zn. Осаждение цинка проводится в виде гидроксида Zn(OH)2 ПР = 7,1·10
-18
или основного карбоната Zn2(OH)2CO3 ПР= 6,3·10
-29
. Какой из вари-
антов осаждения даст лучшие показатели очистки?
11. Определить, при каком значении рН возможно селективное
осаждение гидроксида индия ПР = 10
-33
из раствора, содержащего 100
г/л сульфата цинка и 2 г/л сульфата индия.
12. Возможна ли очистка технологической воды от примеси меди химическим осаждением гидроксида ПР = 2,2·10
-20
или основного
карбоната Cu2(OH)2CO3 ПР = 1,7·10
-34
до показателя ПДК = 2 мг/ л?
Осаждение какого соединения даст лучший показатель очистки?
Осаждение гидроксида проводить раствором едкого натра, а карбоната – раствором кальцинированной соды.
13. Раствор вольфрамата натрия (120 г/л Na2WO4) содержит
примесь фосфора 1 г/л в виде ионов PO4. Возможна ли очистка раствора путем осаждения фосфора в составе ортофосфата кальция без
осаждения вольфрамата кальция CaWO
4
ПР = 9·10-9? Если да, то ка-
кой показатель очистки будет достигнут.
14. Можно ли предложить отмывку осадка сульфида цинка от
растворимых примесей путем промывки 0,1 М раствором соляной кислоты?
15. Раствор молибдата натрия (100 г/л Na2MoO4) содержит примесь сульфата натрия с концентрацией 30 г/л. Определить степень
86
осаждения молибдена в виде молибдата кальция без выделения в осадок сульфата кальция.
16. Возможна ли очистка раствора с рН = 6 от примеси свинца
путем фильтрации раствора через слой карбоната кальция до показателя 1 мг Pb/л?
17. Промывные воды гальванического цеха содержат 0,1 г/л
Na2CrO4 и 1,0 г/л H2SO4. Предложена очистка от хрома (6+) сульфатиона путем восстановления хрома (6+) до хрома (3+) гидросульфитом
натрия NaHSO3 и осаждения в виде гидроксида. Осаждение сульфатиона проводится в виде сульфата кальция. Какие показатели очистки
могут быть достигнуты при применении двукратного избытка NaOH
и CaCl2?
18. Раствор хлорида никеля 200 г NiCl2/л содержит примесь железа в виде FeCl
2
с концентрацией 1 г Fe/л. Каким образом можно
достичь очистки от железа до остаточной концентрации 0,05 мг Fe /л?
19. Сточные воды содержат ионы кобальта (2+), кадмия (2+) и
сульфат-ионы (10 г SO4/л). Определить, возможно ли совместное
осаждение гидроксидов кобальта и кадмия до остаточного содержания по кобальту – 1,0 мг/л, по кадмию – 0,1 мг/л. Каким осадителем
следует воспользоваться?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Процесс химического осаждения из растворов – один из старейших методов препаративной и промышленной химии – прошел
большой путь своего развития, расширяя свою сферу применения и
практические возможности. Одновременно произошло формирование
его теоретических основ, что во многом определило достижения химического осаждения как метода получения разнообразных продуктов химической технологии.
Однако в настоящее время процесс химического осаждения продолжает все ещё находиться на пути своего становления в качестве
типового процесса химической технологии. В значительной степени
это связано с недостатком количественных данных, непосредственно
связывающих физико-химические и технологические свойства осадков с параметрами самого процесса осаждения.
87
По-прежнему химическое осаждение является предметом интереса специалистов различных научных дисциплин (аналитической,
физической, коллоидной химии) и отраслей промышленности (химической, гидрометаллургии, производства строительных материалов и
др.). В результате накопленный объем теоретических и практических
знаний оказался очень сильно разбросан по отдельным наукам и производствам и до сих пор почти не обобщен и не систематизирован.
По этой причине работа по анализу и теоретическому обобщению опытного материала по химическому осаждению является насущной необходимостью на современном этапе развития химической
технологии.
В качестве важнейших последующих шагов следует отметить
необходимость развития методик математического описания, моделирования и оптимизации процесса химического осаждения. Наиболее эффективны эти методики будут для процесса непрерывного осаждения. Однако техническое оснащение установок непрерывного химического осаждения сложнее и предусматривает использование
точных и быстродействующих датчиков и измерительных устройств
для определения параметров процесса осаждения (рН, концентрация
компонентов, температура, расход), исполнительных механизмов и
регулирующих органов (регулирующие клапаны) и программируемых регуляторов.
Дальнейшее развитие технологии химического осаждения требует углубленных физико-химических исследований самого процесса
осаждения в следующих направлениях:
1) определение ионного состава растворов осаждения, установление строения растворимых комплексов и определение их констант устойчивости;
2) изучение растворимости осадков и определение равновесных значений параметров растворения;
3) установление корреляций между составом растворов, режимами осаждения и составом и свойствами полученных осадков.
В решение поставленных задач свой вклад вносят специалисты
различных отраслей химической науки: физической, аналитической
химии и химической технологии, а также специалисты-процессники и
специалисты по автоматизации технологических процессов.
88
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вассерман И. М. Химическое осаждение из растворов /
И. М. Вассерман. Л. : Химия, 1980. 208 с.
2. Лайнер А. И. Производство глинозема / А. И. Лайнер. М. :
Металлургиздат, 1961. 619 с.
3. Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология: в 3-х
кн.: учебник для вузов/ С. С. Коровин [и др.]; под общ.ред. С. С. Коровина. М. : МИСИС, 1996. Кн. 1. 376 с.
4. Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология: в 3-х
кн.: учебник для вузов / С. С. Коровин [и др.]; под общ.ред. С. С. Коровина. М. : МИСИС, 1999. Кн. 2. 464 с.
5. Громов Б. В. Химическая технология облученного ядерного топлива : учебник для вузов / Б. В. Громов, В. И. Савельева,
В. Б. Шевченко. М. : Энергоатомиздат, 1983. 352 с.
6. Методы получения особо чистых неорганических веществ /
Б. Д. Степин [и др.]. М. : Химия, 1969. 480 с.
7. Родионов А. И. Техника защиты окружающей среды : учебник для вузов / А. И. Родионов, В. Н. Клушин, Н. С. Торочешников.
2-е изд. перераб. и доп. М. : Химия, 1989. 512 с.
8. Стриклэнд-Констебл Р. Ф. Кинетика и механизм кристаллизации: пер. с англ. / Р. Ф. Стриклэнд-Констебл. Л. : Недра, 1971.
412 с.
9. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии /
Ю. Ю. Лурье. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Химия, 1971. 456 с.
10. Хамский Е. В. Кристаллизация в химической промышленно-
сти / Е. В. Хамский. М.: Химия, 1969. 344 с.
11. Технология катализаторов / И. П. Мухленов [и др.]. 2-е изд.,
перераб. Л. : Химия, 1979. 328 с.
12. Осадительный метод синтеза неорганических соединений.
Основы технологии и методы решения практических задач: метод.
указ. / авт.-сост. В. Р. Миролюбов, С. Ф. Катышев. Екатеринбург:
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2004. 36 с.
13. Вассерман И. М. Получение дикальцийфосфата стехиомет-
рического состава непрерывным процессом осаждения с автоматическим регулированием значения рН среды / И. М. Вассерман,
Н. И. Силантьева // Ж. прикл. химии. 1967. Т. 40, № 3. С. 577.
89
14. Тройные твердые растворы на основе ZrO2 / В. Н. Филатова
[и др.] // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1975. Т. 11, № 8.
С. 1427.
15. Позин М. Е. Технология минеральных удобрений: учеб. для
вузов / М. Е. Позин. 5-е изд., перераб. Л. : Химия, 1983. 336 с.
16. Марковский Л. Я. Люминофоры : монография / Л. Я. Мар-
ковский, Ф. М. Пекерман, Л. М. Петошина. М.−Л. : Химия, 1966. 232
с.
17. Патент 2146226 РФ. МКИ С01П/18. Способ получения кар-
боната кальция / Дмитревский Б. А., Треущенко Н. Н., Сукманов В. Е.
[и др.]; заявл. 17.07.1998. опубл. 10.03.2000.
18. Таиров Ю. М. Технология полупроводниковых и диэлектри-
ческих материалов : учебник для вузов / Ю. М. Таиров, В. Ф. Цветков. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1990. 423 с.
19. Раков Г. Э. Процессы и аппараты производства радиоактив-
ных и редких металлов : учебник для вузов / Г. Э. Раков, С. В. Хаустов. М. : Металлургия, 1993. 384 с.
20. Пасынков В. В. Материалы электронной техники / В. В. Па-
сынков, В. С. Сорокин. М. : Высш. шк., 1986. 367 с.
21. Вольдман Г. М. Теория гидрометаллургических процессов:
учебник для вузов / Г. М. Вольдман, А. Н. Зеликман. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Интермет Инжиниринг, 2003. 426 с.
22. Чеботин Д. Н. Электрохимия твердых электролитов: моно-
графия / Д. Н. Чеботин, И. В. Перфильев. М. : Химия, 1978. 311 с.
23. Мишин Д. Д. Магнитные материалы : учеб. пособие для ву-
зов / Д. Д. Мишин. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1986.
367 с.
24. Получение и анализ веществ особой чистоты : сб. тр. / под.
ред. Г. Г. Девятых. М.: Наука, 1978. 256 с.
25. Марков В. Ф. Гидрохимическое осаждение пленок сульфи-
дов металлов: моделирование и эксперимент : монография / В. Ф.
Марков, Л. Н. Маскаева, П. Н. Иванов. Екатеринбург : УрО РАН,
2006. 217 с.
26. Изучение кинетики «гомогенного химического осаждения»
дигидрата сульфата кальция / В. Р. Миролюбов [и др.] // Химия и химическая технология: сб. научн. тр. Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ–
УПИ, 2006. С. 318.
27. Фетисова Т. Н. Исследование совместного химического оса-
ждения гидратированных оксидов олова (II) и сурьмы (III) / Т. Н. Фе-
90
тисова, В. Р. Миролюбов, С. Ф. Катышев. // Журн. общей химии.
2007. Т. 77, № 9. С. 1572.
28. Генкин А. Э. Оборудование химических заводов : учебник
для вузов / А. Э. Генкин. 4-е изд. М. : Высш. шк., 1986. 280 с.
29. Муштаев В. И. Сушка дисперсных материалов / В. И. Муш-
таев, В. М. Ульянов. М. : Химия, 1988. 352 с.
30. Baes C. F. The Hydrolysisof Cations / C. F. Baes, R. E. Mesmer.
New York: John Wiley & Sons. A WileyInterscience Publication, 1976.
H. 316.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]