16

Міністерство освіти і науки України

НТУ „ХПІ”

Факультет Кафедра

Спеціальність _

(код, найменування)

ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ

освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавра

Тема проекту:

Технологія утилізації нікелю та марганцю у виробництві синтетичних алмазів

Керівник ДП ________________________________________

(посада, прізвище, ім'я, по батькові)

Виконавець ____________________________________________

(прізвище, ім'я, по батькові)

2010

РЕФЕРАТ

Звіт про ДП: 71 стор., 25 табл., 34 джерел, 1 рисун.

Ключові слова: СИНТЕТИЧНИЙ АЛМАЗ, ВИЛУГОВУВАННЯ, КИСЛОТА, З'ЄДНАННЯ, НІКЕЛЬ, МАРГАНЕЦЬ.

У бакалаврській роботі розглянута технологія очищення синтетичних алмазів.

Розглядалася технологія утилізації нікелю та марганцю у виробництві синтетичних алмазів, розрахований матеріальний і тепловий баланс, розрахунок основного апарату, розрахована собівартість продукції. Розглянуті питання з охорони праці.

РЕФЕРАТ

Отчет о ДП: 71 стр., 25 табл., 34 источника, 1 рисун.

Ключевые слова: ИСКУССТВЕННЫЙ АЛМАЗ, ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ, КИСЛОТА, СОЕДИНЕНИЯ, НИКЕЛЬ, МАРГАНЕЦ.

В бакалаврской работе рассмотрена технология очистки синтетических алмазов.

Рассмотренная технология выделения никеля и марганца в производстве искусственных алмазов. В работе описана технологическая схема утилизации соединений никеля и марганца, рассчитан материальный и тепловой баланс, расчет основного аппарата, рассчитана себестоимость продукции. Рассмотрены вопросы по охране труда.

ЗМІСТ

Вступ

1. Літературний огляд

1.1 Загальні відомості про синтез алмазів

1.2 Фізико-хімічні основи процесу синтезу алмазів

1.3 Основні методи утилізації відходів

2. Загальна характеристика сировини і готової продукції

3. Опис технологічної схеми

4. Енергозбереження та екологія

5. Розрахунок матеріального балансу

6. Розрахунок теплового балансу

6.1 Розрахунок приходу тепла

6.2 Витрати тепла

7. Розрахунок основного апарату

8. Охорона праці

8.1 Загальна характеристика умов здійснення технологічного процессу

8.2 Промислова санітарія

8.3 Пожежна безпека

9. Техніко-економічне обгрунтування

9.1. Розрахунок виробничої потужності проектованого цеху

9.2. Розрахунок вартості і потреби сировини і матеріалів

9.3 Визначення витрат по вартості енергоресурсів

9.4 Розрахунок амортизаційних відрахувань

9.5 Розрахунок затрат на оплату праці

9.6 Розрахунок річного фонду оплати праці керівників та спеціалістів

9.7 Розрахунок витрат по утриманню й експлуатації обладнання

9.8 Розрахунок загальновиробничих витрат

9.9 Калькуляція собівартості продукту

Висновки

Список джерел інформації

ВСТУП

Виробництво надтвердих матеріалів є однією з важливих галузей хімічної промисловості, основна частка якої на сьогоднішній день належить синтезу синтетичних алмазів. Завдяки їх особливим властивостям, останнім часом спостерігається деяка тенденція підвищення попиту на синтетичні алмази і алмазний інструмент, тоді як в промисловому виробництві України, загалом, відбувається спад. Розвиток виробництва синтетичних алмазів привело до того, що вони зайняли домінуюче місце у виготовленні алмаз - абразивного інструмента.

В даний час синтетичні алмази зайняли міцне місце в промисловості усього світу, і їхня роль тут безупинно зростає. На жаль, синтезувати великі монокристали алмазів - задача дуже складна. Найбільший розмір випуску серійно технічних монокристалів алмаза складає 1,2 мм, а для багатьох промислових процесів вимагаються більш великі алмази.

В той же час екологічна обстановка як і раніше залишається дуже складною на підприємствах алмазного виробництва.

В даній науковій роботі велика увага була приділена не тільки утилізації шкідливих з'єднань металів-каталізаторів, але й також рух роботи був спрямований на визначання основних оптимальних параметрів очищення синтетичних алмазів, таких як, розмір гранул, тип кислоти та концентрація, час вилуговування.

Тому метою даної дипломної роботи є розробка технологій, яка зменшила б екологічне навантаження на навколишнє середовище, а саме створення технологічної схеми, яка б дозволяла ефективно утилізувати з'єднання нікелю та марганцю. Для цього необхідно вивчити особливості вилуговування цих металів із продукту синтезу різними кислотами та визначити оптимальні умови для тієї кислоти, яка буде найбільш екологічно безпечною.

1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Загальні відомості про синтез алмазів

Синтез синтетичних алмазів був вперше здійснений у 1953 р. у Швеції та Америці, та у 1959 р. в СССР. Однак, отримані на той час кристали алмазу могли бути використані лише у якості абразивного матеріалу, тому як розміри окремих кристалів не перевищували 0,8 мм та мали низьку механічну стійкість. Синтез великих монокристалів, який був реалізований набагато пізніше, був пов'язаний зі складностями технічного та економічного характеру. В цьому відношенні найбільш перспективною для технічного застосування була шаровидна (діаметром 6-7 мм) променево-радіальна форма алмаза або балас, яка володіла стійкістю навіть більш вищою, ніж монокристали алмазу та більш проста у виготовленні.

Одразу ж після успішного синтезу алмазів типа балас почалось їх застосування у промисловість на Московському комбінаті твердих сплавів, Українському інституті надтвердих матеріалів та Полтавському заводі синтетичних алмазів. Дослідження синтетичних баласів у бурильній техніці показало їх високу ефективність при проходженні скважин в різних по характеру ґрунтах, та особливо широко синтетичний балас застосовується зараз при виготовленні волок при виробництві проволоки.

Поряд з роботою над методами синтезу алмазів проводилися дослідження фізико-хімічних властивостей отриманих речовин та вивчення механізму їх синтезу. Останнє питання являє собою науковий інтерес та в повному об'ємі залишається не розібраним і по сьогоднішній день.

Усі відомі способи виготовлення алмазів можна віднести до трьох великих груп.

Перша група об'єднує різні варіанти, які є найбільш розповсюдженими у технології синтезу алмазів при високих статичних тисках. Він утворюється стисненням на нагріванням механічної суміші порошку вуглеграфітового матеріалу у присутності частинок метала-каталізатора в області термодинамічної стійкості алмаза в камері високого тиску. Зазвичай при синтезі алмазів в якості каталізатора застосовують декілька металів або їх сплави [1].

До другої групи відносяться синтез алмазу при високих динамічних тисках, в детонаційних та ударних хвилях із різноманітних вуглецьвмістних матеріалів. Цей метод синтезу у зрівнянні зі статичним дає можливість на декілька порядків скоротити тривалість циклу та застосувати тиски до 10⁴ МПа, у діапазоні температур 2000-4000 К. При цьому на відміну від синтезу при високих статичних тисках, елементи контейнерів із реакційними матеріалами виготовляють зі сталі або інших матеріалів, до яких не входить вольфрам. Вибуховий метод характеризується виготовленням мікрочастинок алмазу у вигляді кристалів із невеликою кількістю дефектів поверхні. Алмази отримують з відносно невеликим виходом по відношенню до всієї маси початкового продукту [2].

Прямий перехід графіту до алмазу при ударному нагруженні Алдером та Християном у 1961 р. У 1975 році був розроблений метод отримання вибухових алмазів у системі метал-вуглець методом ударно-хвильового нагруження. Такі алмази виготовляють у вигляді мікропорошків підвищеної абразивної здатності з розміром 1-80, а іноді й до 200 мкм. Детонаційні алмази отримані шляхом осадження із газової фази, що містить вуглець та плазми при їх високотемпературному детонаційному сжиманні [3]. Такі алмази представляють собою ультра дисперсний порошок із розміром зерен до 20 нм.

Третя група включає до себе засоби синтезу алмазів при низьких тисках із газової середи, що включає в себе вуглець, з плазми та потоків атомів та іонів вуглецю (в області термічної мета стійкості алмазу).

Відомі засоби осадження алмазних плівок із застосуванням високо енергетичних атомних та іонних пучків шляхом лазерного та плазмохімічного осадження. В багатьох випадках отримують не алмазні, а алмазоподібні плівки, тобто такі, в яких атоми вуглецю пов'язані між собою хімічним зв'язком, яка характерна для алмаза, але не утворює достатньо великих областей когерентного розсіювання, як у алмаза [2].

Нарощування затравочних частинок алмазу відбувається у газовій середі, що містить вуглець, та при тисках нижчих за атмосферний та температурах близько 1273 К. Тому як більш стійка в цих умовах фаза вуглецю - графіт блокує поверхню затравочних кристалів, тому й товщина наростаючого слою рідко коли перевищує 1-3 мкм. Тому частіш за все утворюються алмазографітові зони, що по черзі змінюються [2].

Алмазні кристали можуть утворюватися у графітових блоках при дії на них лазерним променем. У цьому випадку атоми вуглецю переходять у збуджений стан до енергії в 1 еВ, а їх конденсат представляє собою вміст вуглецевих фаз із густиною близько 2,48 г/см³. Міцність імпульсу при випромінюванні досягає 10⁹ Вт. Посилаючи такий промінь на графітовий блок, можна досягнути утворення в ньому алмазних мікрочастинок [1].

Таким чином, синтез алмазів із матеріалів, що містять вуглець у присутності металів-каталізаторів при статичному тиску є найбільш ефективним та найбільш розповсюдженим.

1.2 Фізико-хімічні основи процесу синтезу алмазів

Існуючу технологію синтезу алмазів умовно можна розділити на дві стадії: синтез в апарат високого тиску і збагачення одержаного продукту синтезу з виділенням очищеного товарного алмазного продукту. Розглянемо окремо кожну з цих стадій.

1.2.1 Синтез в апаратах високого тиску

В даний час відомо два методи синтезу алмазу в області його термодинамічної стабільності: дія на матеріал, що містить вуглець, високим статичним тиском і температурою у присутності розчинника вуглецю; дія високим статичним тиском і температурою без застосування розчинників (прямий перехід графіту в алмаз). Теорія синтезу алмазу по першому методу вперше була розроблена О.И. Лейпунськім [4].

Алмаз в системах метал-вуглець одержують в апаратах при тиску близько 4000 МПа і температурах понад 1400 К, використовуючи як джерело вуглецю графіт. Розчинники обираються з ряду перехідних металів, в який входять: Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cr, Ta, Mn і ін. [1, 4]. Експериментально встановлено, що для кожного розчинника є своя область утворення алмазу, якою відповідають мінімальна температура та тиск. Якщо розташувати метали-розчинники вуглецю в ряд по зростанню температури плавлення, а саме: Mn, Ni, Co, Fe, Pt, Cr, Nb, Ta, то кореляція між мінімальними параметрами процесу синтезу не спостерігається [4]. Якщо розглянути ці метали залежно від температури плавлення їх евтектичних розчинів, включаючи і карбідні евтектики від величини розчинності вуглецю в них, то мінімальні значення температури плавлення мають в першу чергу такі метали: Fe, Co, Ni, Mn. Мінімальна температура синтезу алмазів декілька відрізняється від мінімальних температур плавлення метал-вуглець, оскільки при високому тиску температура плавлення системи метал-вуглець декілька підвищується. Проте пряма залежність параметрів процесу синтезу від температури плавлення розчинів вуглецю в металах очевидна.

Застосування при синтезі висококапілярноактивних (по відношенню до графіту) металевих розплавів перехідних металів, здатних добре змочувати графіт, позитивно впливає на ступінь перетворення графіту в алмаз. Такі розплави добре обволікають графіт, в результаті збільшується швидкість його розчинення.

Відомі рекомендації по збільшенню ступеня перетворення графіту в алмаз за рахунок заміни чистого нікелю його сплавом з марганцем.

Досягнутий ефект пояснюється зниженням температури плавлення сплавів, крім того слід враховувати зміну капілярних і адгезійних властивостей металевих розплавів по відношенню до графіту і алмазу [1, 2].

Одним з параметрів, що впливають на синтез алмазів є властивості початкового вуглеграфітового матеріалу. В даний час тільки графіт є єдиною сировиною для отримання штучних алмазів в промислових умовах і саме структуру графіту визначає не тільки початковий вуглецевий матеріал, але в значній мірі вид його переробки.

1.2.2 Збагачення продукту синтезу алмазів

Розвиток процесів синтезу алмазів з використанням різних металів-розчинників, таких як: Ni, Mn, Fe, Co і графіту різних родовищ привело до появи продуктів синтезу різних по складу і дисперсності [5]. Відомо, що синтетичні алмази, що виготовляються різними способами витягують з реакційних сумішей, що є агломератами, що містять міцно зчеплені один з одним графіт, алмаз, каталізатор, продукти взаємодії графіту з каталізатором (карбіди).

Різноманітність методів синтезу вимагає застосування різних методів для витягання алмазів. Процес витягання алмазів умовно можна розділити на три основні етапи: розчинення металевої складової з отриманням алмазо-графітової суміші, утилізація неперекристалізованого графіту, контрольне очищення алмазної сировини [2].

Для підвищення ефективності розкриття продукту синтезу на вільні складові перед стадією видалення металів-каталізаторів одержану тверду масу піддають дробленню. Існуюча практика збагачення показала, що оптимальним великим дроблення, що забезпечує збереження великих кристалів алмазів, є дроблення до 2-4 мм.

Результати досліджень і практика збагачення продукту синтезу показали, що тільки механічні або тільки фізичні методи не володіють достатньою селективністю при руйнуванні зростків графіт-алмаз, графіт-метал [2]. Для руйнування зростків застосовується так само короткочасна обробка кислотами. При такій обробці відбувається набухання і відшарування графіту від алмазу і металу.

Перший етап витягання алмазів полягає в розчиненні каталізатора кислотами або їх сумішами. Розплави лугів, як правило, руйнують кристали алмазів, тому на Україні і в зарубіжній практиці для розчинення металів при витяганні алмазів використовують частіше різні мінеральні кислоти або їх суміші. Найчастіше для видалення металів, спечи піддають обробці при невеликому нагріванні.

Використання методів флотацій в збагаченні алмазів найефективніше при витяганні дрібних алмазів з проміжних алмазографітових сумішей розміром менше 0,5 мм, а так само при остаточному витяганні алмазів з шламів. Тому цей метод зазвичай використовують у поєднанні з іншими методами, що дозволяє витягувати алмази з алмазографітової суміші з розміром алмазу більше 0,5 мм.

Слід зазначити, що вибір того або іншого методу збагачення алмазів на практиці диктується в основному структурними особливостями, якісним і гранулометричним складом продукту, зернистістю збагачення. Найбільший ефект дають комбіновані схеми збагачення.

Подальше збагачення алмазного концентрату полягає у виборчому доокисленні графіту різними окислювачами. Серед способів окислення графіту слід виділити такі групи: окислення різними газофазними окислювачами, окислення в рідині, окислення з використанням суспензій, окислення розплавами, окислення твердими матеріалами.

На третьому етапі обробки продукту синтезу алмазів віддаляються нерозчинні у воді, кислотах (за винятком HF) і водних розчинах лугів з'єднання, якщо останні присутні у великій кількості (більше 1 %). Зазвичай після видалення графіту в алмазах містяться компоненти літографського каменя. Як правило, для їх видалення використовують сплав алмазів з лугом. Звільнені від домішок кристали алмазів промивають водою і висушують, а рідку фазу, змішують з кислотним потоком і направляють на подальшу нейтралізацію [6].

Таким чином, не дивлячись на використання різних методів збагачення продуктів синтезу алмазів одержаних в системі Mn-Ni-С одним з основних видів відходів є кислі стоки, що містять в своєму складі з'єднання марганцю і нікелю.

1.2.3 Фізико-хімічні характеристики відходів

До складу стічних вод, що утворюються в технологічному циклі синтезу алмазів, входять: з'єднання марганцю, нікелю, шести- і тривалентного хрому, HCl, H₂SO₄ і силікати. Розділення цієї суміші представляє дуже складне технологічне завдання, при цьому одержані шлами у вигляді складних з'єднань в які входять MnO₂, NiO, Cr₂O₃ не є ліквідними на хімічному ринку і достатньо складні в переробці.

Одним з ефективних методів зниження утворення токсичних відходів може бути розділення потоку з'єднання нікелю і марганцю і потоку з'єднання хрому, що містить, що містить, з подальшою утилізацією цих металів. Їх роздільна утилізація дозволяє організувати замкнутий цикл з практично повною відсутністю токсичних відходів. На практиці це можливо при відділенні двох рідких потоків один від одного: потоку що утворюється на стадії витягання металів-каталізаторів і потоку графіту, що утворюється на стадії окислення. Розчини, що одержуються після витягання металів-каталізаторів, містять велику кількість іонів цих металів. В основному це розчини HCl різної концентрації з підвищеним вмістом з'єднань марганцю і нікелю [7].

Слід зазначити, що в розчинах одержуваних в результаті обробки продуктів синтезу алмазів HCl можливі значні коливання концентрацій розчинених компонентів. Причиною цих коливань є з одного боку екзотермічність процесу розчинення металів, а звідси як наслідок неконтрольованість температури проведення процесу, а з іншого боку той факт, що процес витягання металів проводять кілька разів з кінцевою промивкою твердої фази водою. Цей факт слід врахувати при подальшому виборі методу утилізації відходів.

1.3 Основні методи утилізації відходів

Існують багато засобів утилізації нікелю, марганцю та їх суміші, коли неможливо утилізувати окремо.

Серед основних методів утилізації з'єднань нікелю можна виділити наступні: фізичні методи; сорбційні методи; електро-хімічні методи; з використанням цементації; осадження фосфатами; осадження реагентами, що містять сірку; осадження карбонатами; осадження гідроксидами.

Серед методів по утилізації з'єднань марганцю слід зазначити такі: фізичні методи; сорбційні методи; осадження сульфідами; осадження гідроксидами, осадження фосфатами та використання окисників.

Про методи утилізації нікелю та марганцю при їх одночасній присутності описано детальніше.

1.3.1 Фізичні методи

Відомий спосіб виділення хлоридів марганцю і нікелю з розчинів насиченням їх газоподібним хлороводнем. Для цього використовують газ, одержаний при відновленні хлоридів цих металів до металу за допомогою водню. Однак фізичні методи володіють рядом недоліків: використання токсичних і вибухонебезпечних реагентів, високі енергетичні витрати на проведення методу, висока тривалість процесу.

1.3.2 Електрохімічні методи

Застосування гальванокоагуляції для очищення стічних вод від з'єднань нікелю і марганцю. Пропонований метод заснований на використанні ефекту короткозамкнутого гальванічного елементу, поміщеного в оброблюваний розчин. Іде витягання металів як гальванічних пар: Fe-Cu, Fе-C, Mg-C і т.д. При очищенні стічних вод із здійсненням інтенсивної аерації повітрям, концентрація цих металів в очищеній воді досягає по 0,1 мг/л.

З розчинів після стадії витягання металів HCl при збагаченні надтвердих матеріалів запропоновано витягувати нікель, шляхом електрохімічної екстракції на нерозчинних анодах. Оптимальною концентрацією виділення нікелю з розчинів є 10-40 г/л.

Хоча, вживані електрохімічні методи володіють поряд недоліків: проведення процесу при температурі 340-345 К, висока чутливість до концентрацій компонентів розчину, велика тривалість процесу, неможливість досягнення норм гранично допустимі викиди по забруднюваних компонентах за одну стадію і високі енергетичні витрати.

1.3.3 Сорбційні методи

Відомий спосіб очищення стоків металургійних підприємств від марганцю, нікелю і заліза. Спосіб полягає у фільтруванні стічних вод через шар адсорбенту фракцією 0,6-1,25 мм із швидкістю фільтрування 0,6-8 м/ч. Як адсорбенти використовують мінерали кальцію силікатів складу 2CaO·SiO₂ і 3CaO·SiO₂. При початковій концентрації марганцю, заліза і нікелю в стоках 1,3 і 1 мг/л відповідно спосіб дозволяє одержувати в результаті очищення стічні води з концентрацією цих металів 0,045; 0,04; 0,03 мг/л. У разі присутності в стоках тільки одного з трьох металів, кінцева концентрація його знаходиться на тому ж рівні.

Таким чином, використовуваний метод має недоліки: застосування тільки для очищення розбавлених розчинів, велика тривалість процесу.

1.3.4 Використання цементації

Розглядається можливість очищення розчину, що містить 25 г/л марганцю, 0,2 г/л нікелю і 0,02 г/л кобальту з використанням цементації. Очищення від домішок нікелю і кобальту здійснювалося введенням марганцевого пилу або невеликих шматочків. Вивчення проводили для розчинів MnSO₄, що містили, при рН=5-7. В результаті проведених досліджень було одержано, що тільки при тридцятикратному надлишку марганцю, що вводиться, при температурі 298 K концентрація нікелю знизилася до 40 мг/л. При використанні підвищеної температури і як відновник SO₂, зниження концентрації нікелю в розчині не спостерігалося.

Одним з недоліків використання цементації є велика витрата металевого марганцю. Крім того, даний метод не дозволяє досягати гранично допустимих викидів по нікелю.

1.3.5 Осадження сірковмісними реагентами

Існує процес очищення розчинів, що містять 25 г/л марганцю, 150 г/л (NH₄)₂SO₄, 0,25 г/л нікелю. Як сульфіди використовували сульфіди марганцю, амонію і натрію. При очищенні з використанням MnS були отримані результати, згідно яким, для повного очищення (відсутність) оптимальними умовами проведення процесу є рН=5-7, температура 293 К і перемішування протягом 1 ч, відстоювання до 18 ч. Підвищення температури до 365-375 К значно прискорює очищення і зменшує кількість MnS, що вводиться. Вміст сульфідної сірки в розчині після очищення - близько 0,015-0,017 г/л. Одержуваний осад NіS практично не містить в своєму складі з'єднань марганцю.

Існує спосіб очищення хромвмісних розчинів від важких металів, зокрема від марганцю і нікелю з використанням Na₂S. Він полягає в обробці розчинів, що містять важкі метали натрію сульфідом в декілька стадій при рН=6,5-9,0 і пониженні до рН=2-4 після кожної стадії. При вмісті марганцю і нікелю в початковому розчині 1,2 і 1,65 г/л спосіб забезпечує очищення до 0,06 і 0,05 мг/л відповідно.

Таким чином, використання сульфідів для осадження не дозволяє розділяти марганець і нікель, при цьому воно приводить до утворення опадів, що містять сульфіди нікелю і марганцю, які складні в подальшому розділенні. Крім того, використання цього методу обмежене із-за здатності сульфідів піддаватися гідролізу і виділяти токсичний сірководень.

1.3.6 Осадження гідроксидами

Був досліджений процес очищення марганцевого електроліту, що містить 24-26,5 г/л MnSO₄, CoSO₄ 0,02 і 0,2 г/л NiSO₄, і електроліту, до складу якого окрім перерахованих з'єднань входив 150-180 г/л (NH₄)₂SO₄ від нікелю і кобальту з використанням NаOH. Було одержано, що при рН=8,7 кінцевий розчин містить 2-2,5 мг/л нікелю і спостерігається повна відсутність кобальту.

Відмітною особливістю процесу осадження марганцю у вигляді Mn(OH)₂ від осадження гідроксидів деяких інших металів є схильність його до співосадженню з цими гідроксидами. Наприклад, при осадженні з розчинів, що містять іони марганцю і цинку, причиною співосадження є утворення малорозчинного ZnMnO₃.

Були вивчені термічні перетворення системи гідроксидів при співвідношенні Ni(OH)₂:Mn(OH)₂=2:1. При нагріванні суміші цих гідроксидів до 473-525 К спостерігається утворення суміші переважно шаруватих аморфних оксидів. Далі при нагріванні до 673 К спостерігається утворення суміші оксидів Mn(III,IV) і NіO. При 573 К спостерігається початок кристалізації з'єднання складу. Далі при нагріванні до 773 К спостерігається існування окрім Ni₆MnO₈, ще і NiMnO₃. При подальшому нагріванні до 1073 К Ni₆MnO₈ і NiMnO₃ перетворюються на NiMn₂O₄ і NіO.

Таким чином, найбільш прийнятним методом утилізації металів - каталізаторів синтезу алмазу, який вміщує Ni та Mn є вилуговування його мінеральною кислотою з подальшим осадженням у вигляді гідроксидів. До теперішнього часу найбільш не вивченою є стадія вилуговування мінеральними кислотами та вибір кислоти є одним із важливіших питань, які визначають подальші умови отримання товарних продуктів солей нікелю та марганцю.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА СИРОВИНИ І ГОТОВОЇ ПРОДУКЦІЇ

Сірчана кислота - H₂SO₄ - сильна двоосновна кислота. Її маса складає 98. Прозора, масляниста рідина, що немає запаху. Змішується з Н₂О та SO₃ у будь-яких відносинах.

Температура кипіння водних розчинів H₂SO₄ збільшується зі збільшенням концентрації. Вона досягає максимуму при вмісті кислоти 98,3%.

H₂SO₄ - сильний окислювач, особливо при нагріванні, при цьому вона відновлюється до SO₂ [8].

Окислювальні властивості для розбавленої кислоти не характерні. Розбавлена кислота взаємодіє з усіма металами, що знаходиться у ряду електричної напруги металів до водню з його виділенням.

На технічну сірчану кислоту існує стандарт по ГОСТ 2184-77*. За фізико-хімічним показникам сірчана кислота повинна відповідати нормам, які вказані у таблиці 2.1 [8].

Таблиця 2.1 - Фізико-хімічні характеристики сірчаної кислоти

Найменування показника	Контактна	Олеум
	Покращена	Технічна	покращений	технічний
		1-й сорт	2-й сорт
1	2	3	4	5	6
Масова частка моно-гідрата (H2SO4), %	92,5-94,0	Не менш 92,5	Не нормується
Масова частка віль-ного ангідрида (SO3), %	-	-	-
Масова частка заліза (Fe), %	0,006	0,02	0,1	0,006	Не нор-мується
Масова частка залиш-ку після прокалки, %	0,02	0,05	Не нор-мується	0,02	0,02
Масова частка свинця (Pb), %	0,001	Не нормується	0,0001	Не нор-мується
Прозорість	Прозора	Не нормується

Азотна кислота - HNO₃ - негорюча пожежонебезпечна рідина, сильний окислювач. Її маса складає 63. При контакті спричиняє самозагорання, сильно димить на повітрі, виділяючи оксиди азоту і пари HNO₃, які утворюють з вологою повітря туман; необмежено розчиняється у воді. Пари кислоти в 2,2 рази важче за повітря згідно з даними.

Випускається марки А і Б. Застосування марки А: у виробництві виробів електронної та радіоелектронної промисловості, в процесах нітрування органічних сполук, у виробництві вибухових речовин, при хімічній обробці металів, в медицині, у виробництві пластмас і інших цілях. Застосування марки Б: використовується для гальванічних робіт у виробництві хімічних реактивів, для розчинення домішок виробничих продуктів, в процесі нітрування органічних сполук, у виробництві вибухових речовин і ін.

На технічну азотну кислоту існує стандарт по ГОСТ 701-89 [9]. За фізико-хімічним показникам азотна кислота повинна відповідати нормам, які вказані у таблиці 2.2 [9].

Таблиця 2.2 - Фізико-хімічні характеристики азотної кислоти

Найменування показника	Норма для марки
	А (ОКП 21 21 31 0200)	Б (ОКП 21 21 31 0300)
Мас. доля HNO3, %, не меньше	98,6	97,5
Мас. доля H2SO4, % не більше	0,05	0,06
Мас. доля окислів азоту (N2O4), % не більше	0,2	0,3
Мас. доля залишку після прокалювання, % не більше	0,014	0,025

Соляна кислота - HCl - їдка, важка до горіння рідина. Молекулярна маса 36. Утворює дим на повітрі. Її пари не утворюють вибухонебезпечної суміші з повітрям. ГДК в робочій зоні 5 мг/м³. Клас небезпеки 2. Випускається марки А та Б.

На технічну соляну кислоту існує стандарт ГОСТ 857-95 [10]. За фізико-хімічним показникам соляна кислота повинна відповідати нормам, які вказані у таблиці 2.2.

1. Масову долю Hg нормують в кислоті, яку отримують ртутним електролізом із H₂ та Cl₂;

2. Допускається для харчової промисловості по узгодженню зі споживачем виготовлення кислоти з масовою доле хлористого водню н.б. 26%;

3. В кислоті, що поставляють для травлення металів, масова доля Fe не нормується.

Таблиця 2.3 - Фізико-хімічні характеристики соляної кислоти

Найменування показника	Норма для марки
	А (ОКП 21 22 11 0100)	Б (ОКП 21 22 11 0200)
		Вищий сорт (ОКП 21 22 11 0220)	Перший сорт (ОКП 21 22 11 0230)
Зовнішній вигляд	Прозора безкольорова або жовтувата рідина	Прозора жовтувата рідина
Мас. доля HCl, % не менше	35	33	31,5
Мас. доля Fe, % не більше	0,001	0,002	0,015
Мас. доля залишку після прокалювання, % не більше	0,01	0,015	0,1
Мас. доля вільного Cl, % не більше	0,002	0,002	0,008
Мас. доля As, % не більше	0,0001	0,0001	0,0002
Мас. доля Hg, % не більше	0,0003	0,0004	0,0005

Неочищений алмаз

Як сировина використовується графіт і каталізатор. Графіт - мінерал темно-сірого або чорного кольору, твердість 1-2, щільність 2,2 г/см³, вогнеупорний, електропровідний, хімічно стійкий, структура шарувата, гексагональна, довжина між атомами в базисній площині складає 1,42 А, а між атомами сусідніх базисних 3,38 А. (Порівняно великі відстані між базисними площинами, а отже і мала енергія зв'язку, що обумовлюють здатність графіту залишати сліди при натисканні).

Графіт одержують також штучно - нагріванням антрациту без доступу повітря, утворюючи щільні блоки.

Каталізатор - сплав нікелю (40%) з марганцем (60%), таке співвідношення (евтектичне) відповідає мінімальній температурі плавлення даного сплаву.

Після сплавки паці піддають гострінню на токарських верстатах, з метою одержання стружки.

Механічна суміш часточок графіту та каталізатора з розмірами від 1200 до 100 мкм (у залежності від режиму синтезу) застосовуються як спорядження.

Матеріалами контейнера можуть служити суміш вапняків, окислів алюмінію, магнію.

Порошкоподібна суміш графіту й алмаза, що утворилася в процесі синтезу має різні фізичні і хімічні властивості. Алмази, що одержуються статичним методом мають більший розмір часток, чим отриманих динамічним методом і являють собою моно кристали. Вибухові алмази - це частки розміром 20-30 мкм, що складаються з полікристалів поверхні та мають складну форму. Алмази, отримані динамічними методами характеризуються більш високою реакційною здатністю.

Алмаз по своєму хімічному складу є чистим вуглецем, так само як і графіт, що таким чином, є поліморфними модифікаціями того самого елемента, однак властивості їх різні. Це пояснюється відмінністю в будівлі їхніх кристалічних структур. Алмаз володіє кубічними гранецентрованими решітками з відстанями між атомами 0,356 нм. Графіт має шаруваті гексагональні решітки; відстані між атомами в шарі дорівнює 0,142 нм, а між шарами 0,339 нм. Такі великі відстані між шарами обумовлюють слабість хімічного зв'язку по цьому напрямку, завдяки чому графіт є пухкою, м'якою речовиною, шари легко сковзають і відокремлюються друг від друга. Алмаз же, як відомо, є самим твердим з усіх відомих нам речовин. Ця властивість в основному визначає цінність алмаза, як матеріалу в найрізноманітніших галузях промисловості (різці, фрези, абразивні кола, шліфувальні порошки і пасти, бурові долота і коронки, волоки протягання дроту, пилки для розрізування каменів).

Щільність алмаза дорівнює 3,5 г/см³, щільність графіту 2,26 г/см³. Порівняння цих чисел показує, що одержанню алмаза буде сприяти високий тиск (збільшення щільності, відповідно до принципу Ле Шател'є).

При низьких температурах теплоємності графіту та алмазу сильно відрізняються за своїм значенням, у міру ж підвищення температури ця різниця в їхніх розмірах зменшується та після Т=600 К значення стають однаковими і складають 16,30 Дж/(моль·К).

Фізико-хімічні властивості алмазів залежать від наявності в кристалічних решітках атомів домішок, наявності сторонніх фаз, мікротріщин та інших дефектів. У природних алмазах домішки знаходяться у виді окремих атомів і їхніх сполучень, а також входять до складу великих і субмікроскопічних з'єднань різних мінералів. Домішки металів і неметалів розподіляються по обсягу кристалів нерівномірно, у поверхневому шарі їхня концентрація вище. Наявність металевих внутрішньокристалічних з'єднань і поверхневих домішок характеризується величиною питомої сприйнятливості.

Поверхневі домішки впливають також на питомий електричний опір алмазу, причому, чим більше, тим електричний опір менше. Внутрішньокристалічні і поверхневі домішки істотно погіршують експлуатаційні властивості алмазів. Для видалення домішок використовують хімічний і термохімічний методи очищення, однак при їхній допомозі не завжди вдається одержати алмази з високим питомим опором.

Очищений продукт синтезу.

Розвиток виробництва синтетичних алмазів привів до того, що вони зайняли домінуюче місце у виготовленні алмаз -абразивного інструмента.

У новому стандарті усунуті недоліки, якими страждав попередній ДСТ, а також врахований багатий вітчизняний і закордонний досвід виробництва синтетичних і природних алмазів та їхнього застосування, накопичений в останні десятиліття у всіляких галузях промисловості. Новим ДСТУ передбачені марки алмазних порошків, їхня зернистість, вимоги до них і методи контролю, гарантуючи відповідності порошків, що випускаються, цим вимогам.

Стандарт поширюється на порошки, як із природних, так і синтетичних алмазів, призначений для виготовлення алмазів абразивного інструмента і застосування в незакріпленому стані у виді паст і суспензій. Алмазні порошки в залежності від розміру зерен, методу їхнього одержання і контролю поділяються на дві групи: шліф порошки, одержувані шляхом розсіву на ситах з контролем зернової сполуки ситовим методом та мікропорошки, одержані шляхом класифікації з використанням рідини і контролем зернової сполуки під мікроскопом.

Одержати алмазний порошок, що складається тільки з зерен одного розміру, не представляє можливим. Крім основної фракції, що переважає в складі порошку, ДСТ передбачає наявність побічних фракцій. При цьому зміст зерен основної і побічної фракцій у шліф порошках встановлюється у відсотках від маси контрольованого порошку, а в мікропорошках - від загального числа зерен, підданих контролю під мікроскопом.

Новий стандарт передбачає випуск шліф порошків із синтетичних алмазів п'яти марок: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС.

АСО - зерна із шорсткуватою найбільш розвинутою поверхнею, що ріже, і підвищеною крихкістю, що забезпечує їхнє гарне утримання в зв'язуванні і самозагострювання в процесі роботи.

Вони володіють прекрасними властивостями, що ріжуть, працюють з мінімальними витратами енергії і виділенням тепла. Алмази цієї марки рекомендуються для використання в інструментах на органічному зв'язуванні з застосуванням охолодної рідини і без неї.

АСР - зерна з меншою крихкістю і більшою міцністю, чим зерна АСО, також мають розвиту поверхню і добре утримуються в зв'язуванні. Рекомендуються для виготовлення інструмента на металевих і керамічних зв'язуваннях, можуть використовуватися і для інструмента на органічному зв'язуванні.

АСВ - зерна з меншою крихкістю, більшою міцністю, мають більш гладку поверхню в порівнянні з зернами АСО й АСР. Рекомендуються для виготовлення інструмента на органічних зв'язуваннях, що працюють при підвищених питомих поверхнях.

АСК - зерна з меншою крихкістю і меншою міцністю в порівнянні з зернами АСО, АСР, АСВ. Рекомендуються для виготовлення інструмента на твердих металевих зв'язуваннях, які застосовуються в особливо тяжких умовах роботи - різання й обробки природного каменю, граніту, мармуру, вапняку, а також інших твердих матеріалів.

АСС - зерна великої форми, що мають невелику міцність у порівнянні із синтетичними алмазами всіх перерахованих марок, а також з перерахованими алмазами. Рекомендуються для виготовлення бурового інструмента, виправлення абразивних кіл, різання й обробки корунду й інших особливо твердих матеріалів.

Шліф порошки з природних алмазів випускаються однієї марки - А і призначаються для інструмента на металевих зв'язуваннях.

Новим стандартом вперше у світі регламентується міцність зерен шліф порошків із синтетичних алмазів. При цьому якість шліф порошків із природних алмазів, як звичайно, характеризується тільки зерновою сполукою, а шліф порошків із синтетичних алмазів - зерновою сполукою і міцністю.

Міцність на стиск шліф порошків із синтетичних алмазів варіюються в широких бокових вівтарях. Наприклад, для зернистості 160/125 міцність зерен алмаза марок АСО, АСР, АСК і АСС виражається співвідношенням 1,00:2,14:2,96:5,35:10,70. Це дозволяє для кожного конкретного випадку обрати оптимальну марку алмаза і тим самим значно збільшити ефективність використання синтетичних алмазів і розширити сферу їхнього застосування.

Алмазні порошки у відповідність з новим ДСТУ випускаються таких марок: АСМ і АСН - із синтетичних алмазів; АМ і АН - із природних алмазів.

Мікропорошки марок АСМ і АМ - нормальної абразивної здатності; рекомендуються для виготовлення алмаз-абразивного інструмента, паст і суспензій, для обробки твердих сплавів, скла, кварцу, порцеляни, германія, кремнію й інших найбільш твердих і тендітних матеріалів. А також обробки деталей сталі, чавуна, кольорових металів і сплавів інших усіляких матеріалів, при необхідності одержання чистоти поверхні 9-14 класів.

Мікропорошки марок АСН і АН мають підвищену абразивну здатність і рекомендуються в основному для виготовлення інструмента, паст і суспензій, застосовуваних при обробці кристалів природних (брильянтових і інструмента) і синтетичних алмазів, корунду, рубіна, спеціальної кераміки й інших понад твердих, тендітних важко оброблювані матеріали.

Новим ДСТ також вперше у світовій практиці регламентується абразивна здатність мікропорошків із природних і синтетичних алмазів і шорсткість обробленої ними поверхні.

Мікропорошки зернистістю 3/2 і 1/0 перевірці на абразивну здатність не піддаються і випускаються тільки марок АСМ і АМ.

Перевірці мікропорошків на шорсткість обробленої ними поверхні перевіряється при обробці твердого сплаву Т15ДО6 чи ВК6 за ДСТ 3882-67. Досягається при цьому шорсткість поверхні і клас чистоти незалежно від марки мікропорошку повинні бути не нижче прийнятих за ДСТ.

Домішки в природних і синтетичних шліф порошках не повинні перевищувати 1,5 %, а в мікропорошках - 2,5 %. Вміст вологи в шліф і мікропорошках і із синтетичних, і природних алмазів не допускається більш 0,2 %.

Новий стандарт передбачає наступні позначення шліф і мікропорошків: марка алмаза, величина зернистості і ДСТ 9206-70.

Як приклади приводяться умовні позначки шліф порошків із синтетичного алмаза АСО зернистістю 125/100, природного алмаза А зернистістю 400/250 і мікропорошку АСН зернистістю 10/7.

Порошки розфасовуються у флакони ємкістю від 10 до 500 каратів. Точність зважування при розфасовці наступна: від 10 до 50 каратів - 0,05 карата, від 100 до 100 каратів - 0,10 карата, від 2500 до 5000 каратів - 0,20 карата.

Упровадження ДСТ 9206-70 на порошки алмазні, безумовно, буде сприяти подальшому підвищенню якості алмазних порошків і інструмента з них і підвищенню ефективності використання синтетичних і природних алмазів у народному господарстві.

Для визначення якості алмазних порошків необхідно:

- визначити зернову сполуку порошків;

- визначити міцність шліф порошків із синтетичних алмазів;

- визначити абразивну здатність алмазних мікропорошків;

- випробувати алмазні мікропорошки на шорсткість обробленої ними поверхні;

- визначити зміст домішок в алмазних порошках;

- визначити зміст вологи в порошках.

Склад очищеного продукту синтезу наведений у таблиці 2.4.

Таблиця 2.4 - Склад очищеного продукту синтезу

Мас. доля алмазу, % н/м	27,0
Мас. доля графіту, % н/м	54,0
Мас. доля Ni та Mn% не більше	1,5
Мас. доля S (у перерахунку на SO3, % не більше	0,5
Вологість, % не більше	3,0

2.3.1 Фізико-хімічні властивості сульфату марганцю

Сульфат марганцю MnSO₄ - має температуру плавлення 973 К, приблизно при 1123 К розкладається на Mn₃O₄, SO₃ і SO₂. Розчинність у воді (г у 100 г): 52,9 (273 К), 64,8 (298 К), 35,5 (373 К), 20,5 (393 К), 3,9 (433 К). Відомі гідрати MnSO₄ з 1,2,4,5 і 7 молекулами води. Моногідрат MnSO₄·H₂O утворюється при нагріванні інших гідратів сульфату марганцю до ~473 К, випадає із водних розчинів при 423 - 433 К. Дігідрат MnSO₄·2H₂O і тетрогідрат MnSO₄·4H₂O метастабільні. Дігідрат випадає з водних розчинів 298 - 313 К, тетрогідрат - при 300К. Пентогідрат MnSO₄·5H₂O має температуру плавлення 328 К. Гептогідрат MnSO₄·7H₂O - рожеві кристали, температура плавлення 281,6 К. Сульфат марганцю утворює аміакат з шістьма, а моногідрат з п'ятьма молекулами NH₃. Сульфат марганцю зустрічається в природі у вигляді мінералів смікіту MnSO₄·H₂O, малардиту MnSO₄·7H₂O, джококуіту MnSO₄·5H₂O, ілезіту MnSO₄·4H₂O.

Одержують сульфат марганцю обробкою піролюзиту MnO₂ горячою концентрованою H₂SO₄, розчиненням Mn і MnO у H₂SO₄, прокалюванням піролюзіту з безводним FeSO₄, безводний сульфат марганцю - нагріванням його гідратів до 553 К.

Сульфат марганцю - проміжний продукт при переробці марганцевих руд і шламів. Його використовують для синтезу інших сполук Mn, як компонент електроліту при одержані MnO₂ і Mn, компонент фарбників у текстильній промисловості, каталізатор у органічному синтезі, мікродобриво.

2.3.2 Фізико-хімічні властивості сульфату нікелю

Сульфат нікелю NiSO₄ - лимонно-жовті кристали, що розкладаються вище 973 К з утворенням NiO і SO₃, тиск дисоціації 7,5 кПа (1033 К); гігроскопічний; розчинність у воді (г у 100 г): 21,4 (273 К), 29,94 (303 К), 33,39 (323 К), 43,42 (372 К). Утворює гідрати, найважливіший з них - нікелевий купорос NiSO₄·7H₂O, який кристалізується з водних розчинів в інтервалі 276,4 до 304,5 К; температура плавлення 304,5 К; розчинність у воді 101 г у 100 г (283 К). Моногідрат NiSO₄·H₂O стійкий вище 357,8 К, збезводнюється при 553 К. Гідрати з 2, 3, 4, і 5 молекулами води метастабільні, кристалізуються з водних розчинів при 363 - 371 К.

Нікелевий купорос одержують взаємодією Ni, NiO, Ni(OH)₂ або гідрокарбонату Ni з H₂SO₄; розчиненням Ni у розбавленій H₂SO₄, що вміщує трохи HNO₃, з наступною нейтралізацією гідроксокарбонатом нікелю і упарюванням.

Сульфат нікелю зустрічається у природі: мінерали мореіозіт NiSO₄·7H₂O, ретгерсит б - (NiSO₄·6H₂O), нікельгексогідрит в - (NiSO₄·6H₂O).

Нікелевий купорос, а також суміш гепта- і гексагідратів використовують для одержання чистого електролітичного Ni, інших сполук Ni і нікельвмістних каталізаторів; нікелевий купорос - компонент електролітів у гальванотехніці для нанесення покриттів на метали; нікелевий купорос застосовують також як фунгіцид.

3. ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ

На рисунку 3.1 наведено принципову технологічну схему технології утилізації нікелю та марганцю у виробництві синтетичних алмазів.

Неочищений продукт синтезу подається на сита С, де розділяється на три фракції: d=0,75 мм; d=0,375 мм та d=0,125 мм.

Гранули, діаметр яких d>0,75 мм подаються знову на подрібнення у дробарку Д та знову повертаються на сита. Після сит неочищений продукт синтезу йде на вилуговування у реактор-вилужувач ВЛ1, куди також подається сірчана кислота з цеху приготування розчину.

Після закінчення циклу вилуговування, що складає 2 години, рідка фаза що являє собою розчини H₂SO₄ з концентрацією =5-15 % ваг., що містять в своєму складі MnSO₄ і NiSO₄, декантується та подається в збірник ЗБ1.

Із ВЛ1 нижня частина суспензії подається на фільтр Ф1, де розділяється на тверду фазу та маточний розчин. Тверда частина - алмазографітова шихта, йде на подальшу переробку та отримання алмазу.

Відфільтрований розчин після фільтра Ф1 подається у збірник ЗБ1.

У ЗБ1 відбувається осадження сполук нікелю та марганцю за допомогою розчинів NaOH та H₂O₂, які подаються з цеху приготування розчинів. Крім того тут використовується розчин NaOH, що утворюється на стадії кінцевого очищення алмазів від домішок, що містять близько 1 % з'єднань кремнію.

Отримана суспензія після ЗБ1 відстоюється у відстійнику ВТ. Очищена рідина - водно-сольовий розчин з відстійника ВТ йде на переробку, а суспензія на фільтрування до фільтра Ф2.

При фільтруванні на фільтрі Ф2 утворюється очищена рідина і осад, що містять в своєму складі з'єднання таких елементів як: марганець, нікель, натрій, кремній та органічні сполуки.



Відфільтрована рідина прямує на подальшу переробку, а тверда фаза, яка містить переважно гідроксиди і оксиди марганцю і нікелю спрямовується у вилужувач ВЛ2, де піддається обробці NH₄OH з концентрацією 20-24 %. В результаті такої обробки з'єднання нікелю переважно переходять в розчин, а з'єднання марганцю та заліза залишаються в нерозчиненому вигляді.

Отримана суспензія фільтрується на фільтр-пресі Ф3. Після чого тверда фаза, що містить з'єднання марганцю і 5-10 % нікелю, в перерахунку на чистий метал, прямує на металургійну переробку.

Після відділення твердої фази на фільтрі Ф3 із розчину, що містить аміачні комплекси нікелю відгоняють аміак разом з парою за допомогою кип'ятіння у КЛ. Далі аміак з парою прямує на конденсацію у АТ, а після чого знову потрапляє на стадію вилуговування сполук нікелю у ВЛ2. В результаті відгонки пари з аміаком нікель випадає в осад у вигляді Ni(OH)₂, який відділяється від розчину фільтруванням на фільтрі Ф4. Обробкою осаду Ni(OH)₂ за допомогою H₂SO₄ одержують розчин NiSO₄ у ЗБ2, який є товарним продуктом. Після фільтрування розчин NaOH прямує на отримання нікелю (II) гідроксиду у КЛ.

Таким чином, запропонована схема дозволяє значно поліпшити екологічний стан у промисловому районі і дозволяє повернути цінний нікель у вигляді додаткової ліквідної хімічної продукції.

Для існуючого виробництва синтетичних алмазів запропоновано принципову технологічну схему очищення стічних вод, що містять з'єднання марганцю і нікелю, з двома способами утилізації водно-сольового розчину; електродіаліз з отриманням NaClО і H₂ або спрямовування розчину у водооборотну систему підприємства.

4. ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ ТА ЕКОЛОГІЯ

Запропонована схема утилізації нікелю та марганцю значно скорочує кількість необхідних енергоресурсів за рахунок використання енергії розігріву реакційної суміші при розчиненні сірчаної кислоти та за рахунок реакції взаємодії металів з кислотою. Додатково для скорочення кількості енергоресурсів проводиться автоматичне регулювання температури і підігрів вмикається на останній стадії.

За рахунок використання H₂SO₄ зменшується кількість газо образних викидів та спрощена схема утилізації твердих відходів у вигляді суміші солей нікелю та марганцю.

Стічні води, та газові викиди, що містять іони нікелю та марганцю - токсичні речовини з досить різноманітним впливом на організм: можуть викликати зміни в кровообігу, органах подиху, нервовій системі, обмін речовин; загальну реактивність організму.

Екологічна обстановка залишається дуже складною. Проводиться багато досліджень з метою створення безвідходних технологій, що дозволять ліквідувати чи забезпечити мінімальні шкідливі викиди у водоймища, ґрунт і атмосферу.

Весь комплекс проведених досліджень і запропонована технологічна схема дозволяють скоротити кількість викидів та кількість необхідних енергоресурсів до мінімально можливих величин.

5. РОЗРАХУНОК МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ

Вихідні дані:

Концентрація H₂SO₄ = 15 %;

Співвідношення Ni/Mn = 40/60;

Ступінь перетворення () - 97 %;

Продуктивність - 20 млн. карат/місяць або 4000 кг/місяць;

Співвідношення (алмаз+графіт) / (Ni+Mn) = 50/50.

Маса суміші алмазів, що подається на очистку:

(5.1)

Сумарна маса Ni+Mn:

(5.2)

Визначаємо масу Ni:

(5.3)

Визначаємо масу Mn:

(5.4)

Процес очищення алмазу від солей Ni представляємо у вигляді рівняння:

Ni + H₂SO₄ = NiSO₄ + H₂. (5.1)

По цьому рівнянню розрахуємо кількість H₂SO₄, необхідну для взаємодії з нікелем:

. (5.5)

Тоді кількість отриманого NiSO₄ складатиме:

. (5.6)

Кількість одержаного H₂ за результатами реакції (5.1) складе:

або

. (5.7)

Залишилось Ni після реакції:

. (5.8)

Процес очищення алмазу від солей Mn представляємо у вигляді рівняння:

Mn + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂. (5.2)

По цьому рівнянню розрахуємо кількість H₂SO₄, необхідну для Mn:

. (5.9)

Тоді кількість отриманого MnSO₄ складатиме:

.

Кількість одержаного H₂ за результатами реакції (5.2) складе:

або

.

Залишилось Mn після реакції:

.

Усього по реакції (5.1) та (5.2) необхідно H₂SO₄:

.

Залишилось H₂SO₄ після реакцій (5.1-5.2):

.

Усього по реакції (5.1) та (5.2) необхідно H₂:

або

.

Розрахуємо кількість води, необхідної для отримання 15 % H₂SO₄:

.

Результати розрахунків зводимо у таблицю 5.1.

Таблиця 5.1 - Матеріальний баланс

Прихід	Витрати
Компонент	m, кг	м3	Компонент	m, кг	м3
Алмаз+графіт	4000		Алмаз+графіт	4000
Ni	1600		Ni	48
Mn	2400		Mn	72
H2SO4	6934		H2SO4	208,02
H2O	39293		H2O	39293
NiSO4			NiSO4	4077,3
MnSO4			MnSO4	6391,4
H2			H2	137,3	1537,5
Усього:	54227	-	Усього:	54227

6. РОЗРАХУНОК ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ

Вихідні дані приведені в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 - Теплоємність та тепловий ефект речовин [11]

Компонент	Теплоємність при 25 °С, Дж/моль·град	Тепловий ефект при 25 °С, кДж/моль

Подобные документы

• Хімічні методи визначення сполук нікелю

  Якісний аналіз нікелю. Виявлення нікелю неорганічними та органічними реагентами, методи його відділення від супутніх елементів. Гравіметричні методи та електровагове визначення. Титриметричний метод визначення нікелю з використанням диметилдіоксиму.
  
  курсовая работа [42,5 K], добавлен 29.03.2012
  

• Технологія переробки шламів у виробництві кальцієвої селітри

  Технології одержання кальцієвої селітри в Україні та в світі. Чинники які впливають на якість продукції. Шляхи її поліпшення та зниження витрат на виробництво. Шляхи утилізації шламів і відходів промисловості. Дослідження процесу кінетики сушки шламу.
  
  магистерская работа [176,7 K], добавлен 07.04.2014
  

• Темні та світлі сторони синтетичних миючих засобів

  Склад сучасних пральних порошків. Поверхнево-активні речовини, їх функції, призначення, механізм дії. Дослідження питання безпечності синтетичних миючих засобів, їх головна небезпека, рівень. Наслідки тривалого використання товарів побутової хімії.
  
  презентация [764,2 K], добавлен 07.10.2014
  

• Розрахунок сушильної установки з псевдозрідженим шаром

  Огляд способів сушіння твердих матеріалів та сушіння у псевдозрідженому шарі. Опис технологічної схеми дії установки. Визначення матеріального і теплового балансу апарату. Розрахунок та підбір допоміжного устаткування: циклону, газодувки, дозатора.
  
  курсовая работа [313,1 K], добавлен 14.07.2015
  

• Відділення спалювання сірчаного колчедану у виробництві сірчаної кислоти

  Ознайомлення із технологічними основами методу спалювання сірчаного колчедану, розрахунок теплового та матеріального балансів даного хімічного процесу. Представлення принципової апаратно-технічної схеми печі киплячого шару, опис принципу її роботи.
  
  реферат [515,6 K], добавлен 22.10.2011
  

• Штучні і синтетичні волокна

  Природні волокна рослинного, тваринного та мінерального походження. Види штучних та синтетичних хімічних волокон. Схема виробництва волокна, його переваги та недоліки. Розчинники целюлози. Полімери синтетичних волокон. Реакції добування полімерів.
  
  презентация [2,6 M], добавлен 12.10.2014
  

• Розробка відділення одержання осаду у виробництві залізохромового каталізатора СТК

  Характеристика сировини, готової продукції та вимоги до них. Сучасні дослідження в області виробництва каталізаторів парової конверсії СО. Вирішення проблеми сірки в технології залізохромового каталізатора. Тепловий та матеріальний розрахунок реактора.
  
  курсовая работа [151,0 K], добавлен 09.11.2014
  

• Розрахунок реактора

  Класифікація хімічного устаткування й види реакторів. Технологічні і конструктивні вимоги до устаткування. Складання рівняння реакції, розрахунок матеріального і теплового балансу для розчинення речовини, геометричних розмірів реактора і вибір його типу.
  
  контрольная работа [69,4 K], добавлен 24.03.2011
  

• Проект установки гідроочищення дизельного палива потужністю 2050 тис т/рік

  Характеристика сировини, реагентів і готової продукції. Розрахунок матеріального і теплового балансів процесу гідроочищення дизельного палива. Засоби його контролю і автоматизації. Норми утворення відходів. Оптимізація схеми теплообміну установки.
  
  дипломная работа [355,4 K], добавлен 08.03.2015
  

• Одержання сірчаної кислоти контактним методом. Матеріальний і тепловий баланс процесу окисного випалу сірки

  Обґрунтування вибору методу виробництва сірчаної кислоти. Вивчення фізико-хімічних закономірностей проведення окремих технологічних стадій та методів керування їх ефективністю. Розрахунок матеріального та теплового балансу процесу окисного випалу сірки.
  
  контрольная работа [126,2 K], добавлен 28.04.2011
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам