无机化工生产与化工工艺学[整理]

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 无机化工生产与化工工艺学 合肥四方磷复肥公司陈明信 第一章无机化工简介及无机化工反应单元工艺概述 1.1 化学工业在世界经济发展中的地位 化学工业是以煤炭、石油、 天然气、矿物、生物质等为原料 , 生产农用化学 品、 有机和无机原料、合成材料、精细与专用化学品等产品的重要产业部门。据统 计, 化学工业的产品约60% 用于基础工业和交通运输业, 30% 用于农业和轻工业 , 10% 用于建筑材料等其它工业部门。在欧美俄等化学工业发达国家, 化学工业生产总值一 般占 GDP的 5%-7%; 占工业总产值的7%-10%, 在各工业部门中

2、列2-4 位。从当前中国 的工业来看 , 石油和化学工业的主要经济指标( 销售收入、 利润) 均居全国工业的首 位; 居第二、三位的是电子及通讯设备制造业、电力工业。 1.2 化学工业的进展与新世纪中的发展特点 1.2.1 新世纪的化学工业以技术创新为发展动力 生产竞争力和新产品新技术开发竞争力是构成化学工业的综合国际竞争力的主要 因素。生产竞争力主要指资源优势、成本优势、经营管理优势和产品质量性能服务 的优势。对于化学工业这样的技术密集型产业, 技术创新是取得优势的关键。新世纪 化学工业的技术创新主要包括三个方面: 1 、 跟踪科学研究的前沿 , 在技术深度上开 辟新的生长领域 ; 2 、

3、与相关学科之间的相互交叉渗透, 在技术的广度上经过与新兴 产业的融合获得新的拓展; 3 、 采用新的高科技成果改造传统产业, 以获得更好的生 产结果。 这些现代化工的前沿科学包括纳米技术、生物工程和化学工程交叉、微生物工 程技术、 量子化学和分子模拟技术等。 1.2.2 新世纪的化学工业将是可持续发展的绿色产业 绿色化学的核心是”原子经济”, 提高原子利用率。主要是建立生态工业, 包括 资源和能源的循环利用、可再生物质替代矿物技术等。 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 1.2.3 化学工业的资源 化工的主要原料来自矿产资源、农业和林业资源、空气和水、海洋资源以及工

4、 业副产品和废弃物。最重要的有以下几种化工资源: 化学矿、 煤、 天然气、 生物资 源、 海洋资源。 自然界固体矿物有3000 多种, 它们可分为冶金矿物、建筑矿物和化学矿。化学 矿物有很大一部分是用以制造无机盐的矿物, 特称为成盐矿物。 1.3 无机化工反应单元工艺 1.3.1 焙烧、 煅烧和烧结 1.3.2 浸取 1.3.3 复分解 无机化工的类型 : 1) 无机酸工业 : 硫酸、 盐酸、 硝酸、 磷酸 2) 氯碱工业 : 烧碱、 氯气、 盐酸、 3) 纯碱工业 : 碳酸钠、碳酸氢钠、氯化铵 4) 化肥工业 : 氮肥、 磷肥、 钾肥 5) 无机盐工业。 单元反应的类型 : 1) ”湿法”化

5、学加工 2) ”热法”化学加工 3) 复分解或置换加工 过程单元操作类型 1) 原料准备 : 矿物破碎、磨细、 筛分, 精选、 选矿。 2) 矿物热加工 : 焙烧、 煅烧、 烧结。 3) 矿物浸取 : 从固相转移到液相 ( 物理浸取、化学浸取 ) 。 4) 过滤: 固液分离 ( 压力式、真空式、离心式 ) 。 5) 溶液精制 : 蒸馏、 吸附、 液-液萃取、离子交换、膜分离、沉淀、 结晶。 6) 蒸发: 提高溶液浓度。 7) 结晶: 形成均匀合适粒度的颗粒。 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 8) 干燥: 防止结块或分解。 1.3.1 焙烧、 煅烧和烧结 焙烧:

6、将矿石、 精矿在空气、氯气、氢气、 甲烷、 一氧化碳、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、 还原或其它化学变化 的单元过程。 煅烧: 低于物料熔点的适当温度下, 加热物料 , 使其分解 , 并除去所含结晶水 , 二氧 化碳、 三氧化硫等挥发性物质的过程。 烧结: 高于物料熔点的适当温度下, 加还原剂、助熔剂进行的化学转化过程。 焙烧、 煅烧和烧结的相同点和区别: 相同点: 三者都是高温反应过程。 不同点 : 烧结高于物料熔点 , 焙烧和煅烧低于物料熔点。焙烧和烧结是物料与添加剂 等发生化学反应 , 煅烧是物料发生反应 , 失去结晶水或挥发组分。 1.

7、3.1.1焙烧 1.3.1.1.1焙烧的分类与工业应用 根据反应性质可分成6 类: 1) 氧化焙烧 硫化精矿在低于物料熔点的温度下氧化, 使矿石中的部分或全部硫化物变成氧化物的 过程。如 , 硫铁矿、硫化铜矿、硫化锌矿、辉钼矿、铬铁矿等。 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2 2CuS+3O2=2CuO+2SO2 2) 硫酸化焙烧 使某些金属硫化物氧化成易溶于水的硫酸盐的焙烧过程。 2MeS+3O2=2MeO+2SO2 ( Me: 亚金, 是一种仿金合金 , 以铜、 铅、 锌、 镍、 锡等为主要原料。 ) 3) 挥发焙烧 将硫化物在空气中加热

8、, 使提取对象变成挥发性氧化物, 并从气态分离出来。 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 290400 2Pb2S3+9O2 = 2Pb2O3+6SO2 4) 氯化焙烧 借助于氯化剂 ( 如 Cl2、 HCl、 NaCl 、 CaCl2 等) 的作用 , 使物料中的某些组分转变 为气态或凝聚态的氯化物 , 从而与其它组分分离。 金属氯化物的特点 : 熔点低、挥发性高、易被还原 , 易溶于水或其它溶剂 , 各种金 属的氯化物生成的难易和性质存在明显区别。 氯化焙烧的特点 : 原料适应性强 , 作用温度低 , 分解率高。 8001000 2TiO2+(1+a)C+2Cl

9、2 = TiCl4+2aCO+(1-a)CO2 5) 还原焙烧 将氯化物预热到一定温度 , 然后用还原气体 ( C、 CO、 H2、 CH4等) 使其中某些氧化 物全部或部分还原。 8001000 2BaSO4+2C = BaS+2CO2 6) 氧化钠化焙烧 向矿石中加入适量的钠化剂( 如 Na2CO3 、 NaCl、 Na2SO4) , 焙烧后生成易溶于水的 钠盐。 Na2CO3+2V2O3+O2 2Na2VO3+2CO2 焙烧过程动力学与影响焙烧速率的因素: 外扩散、内扩散、表面反应。 温度升高 , 反应速率加快 ( 不能太高 ) 原料粒度 : 粒度越小 , 接触表面越大 , 反应加快 (

10、 不能太小 ) 。 氧气含量 : 氧气含量增加 , 反应速率加快。 ( 硫铁矿焙烧制硫酸原料气是典型的氧化焙烧工艺。) 1.3.1.2煅烧 煅烧的工业应用 1) 制备固体原料或气体原料 CaCO3 CaO + CO2 ( 石灰石煅烧生成生石灰。) 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 MgCO3 MgO + CO2 2) 经过焙烧生产产品 2NaHCO3 = Na2CO3+ CO2 +H2O 2KHCO3 = KCO3+ CO2 +H2O H2TiO3 = TiO2 + H2O 1.3.1.3烧结( 以生产钙镁磷肥为例 ) 生产原理 : 磷矿、 硅酸镁矿、 助剂( 蛇

11、纹石、 白云石、 橄榄石等 ) 一起加入电炉 ( 或 高炉、 平炉) 于 13501500熔融 , 用水冷却 , 形成 2mm的玻璃质物料 , 经干燥 磨细后成为钙镁磷肥产品 ( CaO、 MgO 、 P2O5、 SiO2) 。 磷矿与助熔剂混合炉料以3/min 的速度加热 , 在 600700时, 由于助熔剂脱 除结晶水而吸热 , 1100 物料开始熔化 , 1300 完全熔融。然后以10/min 的速度冷 却, 在 1150、 1050 分别出现结晶过程而放热, 焙体冷却后所得结晶的晶相有氟磷 灰石Ca5(PO4)3F 、 镁橄榄石 Mg2SiO4和透辉石 CaMgSi2O6等。 钙镁磷肥

12、由 CaO 、 MgO 、 P2O5 和 SiO2 四个主要成分组成。其中CaO 、 P2O5来 自磷矿, MgO、 SiO2 来自助熔剂。大多数磷矿中CaO/P2O5 的摩尔比为 3.4 3.8, 而 MgO/SiO2的摩尔比主要取决于磷矿与助熔剂中MgO 与 SiO2 含量。 磷矿与助熔剂配制成 矿料, 应使制得的产品中含P2O5尽可能高 , 而熔点最低 , 熔体粘度最小。 钙镁磷肥的 组分常见 (CaO+P2O5)- MgO-SiO2三元系相图来表示。 1.3.2 浸取 浸取: 利用溶剂将固体原料 ( 成分含可溶的溶质和不可溶的惰性物质) 中可溶组分提 取出来的单元过程。 1.3.2.1

13、浸取的几个概念 1) 浸取的种类 酸浸取: 硫酸、 盐酸、 硝酸、 亚硫酸等无机酸或有机酸。 碱浸取: 氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、 氨水、 硫化钠、 氰化钠等无机碱或有机 碱。 水浸取: 水 盐浸取: 氯化钠、硫酸铜、氯化铜等无机盐。 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 2) 浸取剂的选择 对溶质的浸取有选择性 对溶质的饱和度大 适当的物性 价格、 毒性、 燃烧、 爆炸、 腐蚀等性质。 3) 固体的预处理 粉碎、 湮没、 切片、 造型、 煅烧、 焙烧。 4) 浸取的条件 固液反应 温度、 浸取剂、粒径、 孔隙率、 搅拌等。 温度上升 , 浸取速度提高 , 杂质含量

14、增加。合适的浸取速度。 浸取剂浓度降低 , 浸取速度提高 , 杂质含量增加。合适的浸取剂浓度。 粒度下降 , 浸取速度提高 , 成本增加。合适的粒度。 搅拌强度提高 , 浸取速度提高。充分搅拌。 5) 浸取液的处理 除去悬浮物 , 过滤, 得澄清浸取液 , 获取有用物质。 处理方法 : 结晶法、吸附法、 离子沉淀法、金属沉淀法、气体沉淀法、离子浮选 发、 沉淀浮选法、离子交换法、溶剂萃取法、固体或液体阴极电积法。 1.3.2.2几种典型的浸取过程 ( 略) 酸浸取、 碱浸取、盐浸取 1.3.2.3硫酸浸取磷矿制磷酸 1) 生产原理 Ca5F(PO)3+5H2SO4+11H2O 3H3PO4+H

15、F+ 5CaSO4 n H2O 2) 生产工序 磷矿的破碎 磷矿的浸取 料浆的冷却 料浆的过滤 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 回磷酸系统 湿法磷酸的浓缩 含氟尾气的吸收 再结晶系统 1.3.2.3复分解 复分解 : 不同离子的两种盐在液相或液- 固相中进行离子交换生成另外两种盐的反应 过程。 1.3.2.3.1复分解反应的过程原理 AX+BY BX+AY 如: KCl+NaNO3 KNO3+NaCl 1.3.2.3.2复分解反应的应用 两种反应物在水中的溶解度较大, 生成物的溶解度较小 , 且在一定范围内能成为固体 析出。 析出固体结晶物 ( 如产物 KNO3

16、) 溶液产物需进一步处理 ( 如产物 (NH4)2SO4) 生成两种沉淀 ( 如产物 ZnS 、 BaSO4) 第二章固体化学矿的初加工及液固相间的化工过程概述 2.1 液固两相处理过程的一般规律 2.1.1 液固两相处理的总括流程 工业生产中有许多情况下所需要的物质包含在固体物质中, 加工过程中要固相中 的有用物质不断转移到液相中。涉及固液两相过程的生产有许多共性, 最基本的化学 矿物作为原料的生产总括流程为: 矿石 经过选矿提高矿石品位, 能够减少能耗和其它原材料消耗。选矿一般采用物理方 破选浸结分 中间环节干 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 法进行, 如重力选、磁选、 浮选等。对于难选的矿物 , 可直接采用化学办法加工。 矿石准备好后便可进行化学加工提取其中的有用成分, 一般可分为热法过程 ( 热法生 产) 和湿法过程 ( 湿法生产 ) 。 热法生产是在高温下 , 将矿物与助剂进行烧结、熔融、 还原、 水热法处理等使其变 成