Получение цинка дистилляцией

Существуют два метода извлечения цинка из концентратов: пирометаллургический (дистилляционный) и гидрометаллургический (электролитический).

В пирометаллургическом процессе оксид цинка восстанавливают до металлического состояния при использовании углерода и сопровождают его температурой от 1000 до 1100 °C. Кипение полученного цинка возникает при температуре 906 °C.

Реакция восстановления сопровождается выделением газообразного цинка, который затем подвергается дистилляции. Пустые компоненты остаются в твёрдом состоянии. Путем конденсации паров можно получить жидкий металлический цинк.

Что такое получение цинка дистилляцией

Некоторые авторы, не ссылаясь на достоверные источники, сообщают о получении чистого цинка в Индии и Китае еще в V в. до н. э.

Наряду с этим Аристотель упоминает лишь о латуни как о медном сплаве неизвестного состава, который мог быть получен восстановительной плавкой медно-цинковой руды.

Свойства соединений цинка — впервые описал Парацельс (XVI в.). Получение металла дистилляцией из галмея (смесь смитсонита и каламина) разработал А. С. Маргграф в начале XVIII в.

Далее Д. Чемпион в 1739 г. получил патент на способ производства цинка из окисленных руд, а в сороковых годах того же столетия построил завод с производительностью около 200 т/год.

Общая схема дистилляционного способа производства цинка показана на рис.

Рис. Общая схема получения цинка дистилляцией из твердой шихты

Восстановление цинка твердым углеродом протекает через газовую фазу и слагается из двух реакций:

ZnO + СО = Zn + СО₂,

СО₂ + С = 2СО,

ZnO + С = Zn_nap + СО, ΔH⁰₂₉₈= 238 кДж.

Равновесие суммарной реакции, достигаемое при температуре несколько выше 900° С, мало зависит от парциального давления СО и СО₂

Равновесное состояние неприемлемо для производства, его необходимо сдвинуть вправо, повышая температуру и отведя конденсацией пары цинка.

Из уравнения видно, что р_Zn = р_CO, приближенным вычислением получены следующие данные:

Температура, °С … . 927 1027 1327

p_Zn, кН/м² ……         91,2 124,4 860,0

Давления на первый взгляд кажутся невероятно высокими, однако зона реакции сообщается с конденсатором, где пары цинка ожижаются, а газы удаляются в атмосферу.

Эндотермичность восстановления вызывает необходимость постоянного подвода тепла от источника, который, естественно, должен иметь более высокую температуру.

Сжигать топливо в реакционном пространстве нельзя из-за окисления и разбавления паров металла дымовыми газами. Приходится передавать тепло через стенку, разность температур на поверхностях которой 50—100 град.

Механическая прочность огнеупорных материалов при 1400° С уже заметно снижается, и нагревать шихту выше 1200—1300° С трудно. Скорость восстановления цинка контролируется диффузией СO₂ к поверхности углерода.

Она зависит от температуры и теплопередачи, которая с уменьшением интервала температур снижается почти независимо от способа поступления теплоты через шихту или конвекцией.

В конечном счете кинетика дистилляции определяется скоростью подвода тепла.

Примеси

Железо, медь, свинец и многие другие металлы в условиях дистилляции цинка также восстанавливаются, примем образование FeO подобно образованию ZnO эндотермично.

Присутствие окислов железа, которых в сравнении с другими примесями, всегда много, замедляет восстановление, отнимая необходимое тепло, и разбавляет пары цинка дополнительным количеством СО.

Примеси свинца и кадмия не только восстанавливаются, но испаряются и конденсируются вместе с цинком; металл, получаемый дистилляцией, загрязнен этими элементами.

Его необходимо рафинировать для улучшения свойств и извлечения примесей, особенно дорогого кадмия.

Конденсация цинка

Охлаждение газов, необходимое для конденсации цинка, сопровождается диспропорционированием СО на углекислоту и сажистый углерод.

Возникающие при этом взвешенные мелкие капли металла, покрываясь с поверхности слоем ZnO, ZnCО₃ и сажи, теряют способность сливаться.

Они выносятся газами в зону сравнительно низких температур и затвердевают, образуя пусьеру.

Перед дистилляцией ZnS надо полностью окислить: сульфат цинка тоже % не восстанавливается, а вновь переходит в сульфид:

ZnSО₄ + 4СО = ZnS + 4СО₂

Кроме того, необходимое условие реакции — контакт СО со свободной поверхностью окиси цинка, огарок должен быть легко проницаем для газов.

Обжигом в многоподовых печах или печах КС удается полностью выжечь серу, но шихта получается мелкой и ложится плотным слоем.

Агломерация дает пористый гозопроницаемый спек, но в нем остается сера.

Учитывая эти требования огарок получают в две стадии: концентрат обжигают в печах КС на порошок, оставляя немного серы.

Затем его смешивают с оборотным агломератом и спекают на спекательных машинах. Для увеличения объемной массы кусковой спек измельчают до крупности около 1 мм.

Полученные таким образом мелкие пористые частицы направляют на дистилляцию. Дополнительная газопроницаемость шихты достигается смешиванием огарка с зернистым углем-восстановителем.

Рис. 2. Схема установки для дистилляции цинка в горизонтальной реторте:

1 — алонжа; 2 — конденсатор; 3 — реторта

Дистилляция в горизонтальных ретортах

Смесь обожженного концентрата с антрацитом или коксовой мелочью загружают в реторты из шамота (рис. 2). К устью каждой из них примазан глиной керамический конденсатор, из которого периодически вычерпывают жидкий цинк.

Из-за большой скорости газов, медленного отвода тепла и по другим причинам, о которых сказано ниже, часть паров металлов проходит через конденсатор; ее улавливают в железной алонже в виде пусьеры.

После окончания дистилляции, длящейся до 18 ч, конденсатор и алонжу снимают, а из реторты выгребают остаток — раймовку.

В последней содержится еще 6—12% цинка, который дополнительно извлекают особой переработкой.

Работы по выгрузке и загрузке реторт, требующие суммарно около 6 ч, на заводе называют маневром, вместе с ним цикл-дистилляции составляет 24 ч.

Попытки изменить форму и увеличить емкость горизонтальных реторт, подобрать для них другой —более прочный и теплопроводный материал, укрупнить конденсаторы, соединив их с несколькими ретортами, приносили лишь небольшие частные успехи без коренного усовершенствования передела.

Быстрые ответы?