Электротермические процессы в производстве фтороводорода и плавиковой кислоты Зарипова, Людмила Федоровна

Введение к работе

Актуальность работы. Основным промышленным способом получения фтороводорода и плавиковой кислоты до настоящего времени является сернокислотное разложение природного фторсодержащего сырья - плавикового шпата (флюорита) при повышенных температурах. Однако, разведанные запасы сырья ограничены и во всем мире не превышают 130 млн. т, а потребление плавикового шпата к 2000 г. может достигнуть, согласно прогнозам, 14-15 млн. тонн/год. Поэтому в последнее время в производство вовлекаются все более бедные руды, что в свою очередь ухудшает технологические показатели процесса сернокислотного разложения плавикового шпата.

Дефицит плавикового шпата, несовершенство процесса его сернокислотного разложения и необходимость решения вопросов экологии требуют разработки эффективных технологических методов и аппаратуры, позволяющих снизить расходные коэффициенты по сырью, повысить степень разложения плавикового шпата, устранить потери фтора в виде фторсодержащих газов, растворов и пульп, а также поиска других источников сырья. Так, в производстве редких и рассеянных элементов не перерабатываются сбросные фторсернокислые растворы, пульпы и фторидные шлаки, из которых также можно получить фторо-водород.

При любом способе получения фтороводорода необходимо проведение процессов при повышенных температурах: прокалка плавикового шпата, нагрев серной кислоты, сернокислотное разложение плавикового шпата и шлаков, ректификация фтороводорода и его десорбция из фторсернокислых растворов и пульп. Для проведения таких процессов в последнее время широко применяются электротермические процессы, протекающие в аппаратах прямого или косвенного нагрева. Особенно эффективен прямой электрический нагрев, когда тепло выделяется в самом материале, непосредственно включенном в электрическую цепь. Однако, этот метод пока нашел ограниченное промышленное применение, например, для нагревания воды.

Настоящая работа является продолжением и развитием исследований и разработок по использованию электротермических процессов в производстве редких, рассеянных и радиоактивных элементов. Она выполнялась в плане координационной программы по фтору (мб № 669), рекомендаций радиохимической секции НТС Министерства (ЭН-443 от 07.02.84 г.), указаний предприятия А-7545 (ЭН-627/11 от 01.03 84 г.). Выполнению работы предшествовал патентный поиск, проведенный в соответствии с требованиями стандарта ОСТ 95747-79 по классам МКИ: В 01 Д, В 01 G, С 01 В, Н 05 В.

Целью работы является усовершенствование электротермических процессов производства фтороводорода, создание ресурсосберегающих, энергосберегающих технологий и разработка высокоэффективных способов и аппаратуры термической переработки фторсодержащих веществ с применением прямого электрического нагрева.

Задачи исследования

1. Исследование кинетики и механизма процесса сернокислотного разложения плавикового шпата с добавкой фтороводорода и поверхностно-активных веществ (ПАВ).

2. Разработка методов усовершенствования электротермического процесса сернокислотного разложения плавикового шпата.

3. Исследование кинетики и механизма процессов сернокислотного разложения фторидных шлаков металлургических производств редких металлов и термической переработки фторсернокислых пульп.

4. Разработка способов получения фтороводорода путем сернокислотной переработки фторидных шлаков и термической переработки фторсернокислых пульп.

5 Моделирование, разработка методик расчета, а также конструкций
греющих камер электродных аппаратов (аппаратов прямого электрического на
грева) для термической переработки фторсернокислых растворов и пульп.

6 Отработка технологических режимов при использовании электротерми
ческих процессов для разложения плавикового шпата и десорбциифтороводо- -
рода из пульп в промышленных условиях.

Научная новизна работы

5. Автором проведены впервые дериватографические исследования кинетики и механизма сернокислотного разложения плавикового шпата в присутствии фтороводорода и ПАВ, сернокислотного разложения фторидных шлаков, термической переработки фторсернокислых пульп.

6. Предложен вероятный механизм, определены температурные интервалы и кинетические параметры стадий вышеперечисленных процессов.

7. Разработаны методы усовершенствования процесса сернокислотного разложения плавикового шпата в промышленных условиях. Это:

увеличение температуры первой зоны греющей камеры печи разложения;

предварительный нагрев серной кислоты в электродном аппарате проточного типа;

добавление фтороводорода и ПАВ к рабочей смеси кислот перед смешением с плавиковым шпатом.

4. Разработаны способы переработки шлаков и фторсернокислых пульп для получения фтороводорода.

5. Разработаны методики расчета греющих камер электродных аппаратов и их конструкции.

Научная новизна работы подтверждена авторскими свидетельствами СССР№№ 1247031, 1274698, 1530197, 1771090. Практическое значение работы

1. В производстве плавиковой кислоты сернокислотным разложением плавикового шпата установлено положительное влияние увеличения температуры первой зоны греющей камеры печи и предварительного нагрева серной кислоты в электродном проточном нагревателе на процесс. Получены обобщенные зависимости степени разложения плавикового шпата и кислотности отвального гипса от соотношения подаваемых в печь реагентов, температуры кислоты и температуры первой зоны греющей камеры.

2. В производстве безводного фтороводорода сернокислотным разложением плавикового шпата установлено положительное влияние добавки фтороводорода и ПАВ к рабочей смеси кислот, найдено оптимальное содержание фтороводорода в рабочей смеси кислот в заданных условиях.

3. Установленные режимы процесса сернокислотного разложения плавикового шпата включены в технологический регламент производства безводного фтороводорода на СХК (Сибирский химический комбинат, г. Северск) и производства плавиковой кислоты на ПО УМЗ (Ульбинский металлургический завод, г. Усть-Каменогорск) и внедрены в производство.

4. Разработаны алгоритм, программы расчета и конструкции электродных аппаратов для термической переработки фторсернокислых растворов и пульп.

5. Разработаны способы переработки фторсернокислых бросовых пульп и фторидных шлаков с использованием электродных аппаратов.

6. Усовершенствованы аппаратурно-технологические схемы производства безводного фтороводорода и плавиковой кислоты сернокислотным разложением плавикового шпата с добавкой фтороводорода и ПАВ в рабочую смесь кислот или в серную кислоту и предварительным нагревом серной кислоты в электродном проточном нагревателе.

7. Разработана схема переработки фторсернокислых пульп для извлечения фтороводорода в производстве ниобия и тантала на ПО УМЗ.

Положения, которые защищаются в работе

1. Кинетика и механизм сернокислотного разложения плавикового шпата с добавкой фтороводорода и поверхностно-активных веществ; сернокислотного разложения фторидных шлаков; термической переработки фторсернокислых пульп.

2. Методы усовершенствования сернокислотного разложения плавикового г шпата и термической переработки фторсодержащих отходов с получением фтороводорода.

3. Методика и алгоритм расчетов, а также конструкции греющих камер аппаратов прямого электрического нагрева.

4. Практическое применение методов усовершенствования процесса сернокислотного разложения плавикового шпата с добавкой фтороводорода и ПАВ к серной кислоте, увеличением температуры первой зоны греющей камеры печи, прямым электрическим нагревом серной кислоты.

5. Практическое применение прямого электрического нагрева для десорбции фтороводорода из фторсернокислых пульп.

7 Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на объединенном семинаре СТИ ТПУ и СХК, а также были представлены на:

IX-X Всесоюзных симпозиумах по химии неорганических фторидов (г. Череповец, 1990 г., г. Москва, 1998 г.);

Международной научно-технической конференции: Экология химических производств (г. Северодонецк, 1994 г.);

Международной конференции: Редкоземельные металлы: Переработка сырья, производство соединений и материалов на их основе (г. Красноярск, 1995 г.);

Межрегиональном семинаре-выставке: Автоматизация и прогрессивные технологии (г. Новоуральск, 1996 г.);

Научно-технических семинарах: Энергетика: Экология, надежность, безопасность (г. Томск, 1994 и 1996 г.г.);

Научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых: Современная техника и технологии (г. Томск, 1997 и 1998 г.г.);

3-5 Научно-технических конференциях СХК (г. Северск, 1994, 1996 и 1998 г.г.).

Публикации. По теме данной работы опубликовано 23 статьи, 23 тезиса докладов, 7 научных отчетов, 1 информационный листок, получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 179 наименований, 3 приложений. Диссертация содержит 237 страниц машинописного текста, включая 34 таблицы и 36 рисунков.