蒸气间接加热浓缩生产粗硫酸镍工艺应用Ξ余智艳(南昌有色冶金设计研究院,南昌市,330002) 〔摘 要〕介绍蒸气间接加热浓缩法生产粗硫酸镍工艺在铜电解液净化过程中的应用。
对该工艺的工艺原理、操作参数的确定、所用设备特点及配置要求作了论述。
〔关键词〕蒸气间接加热浓缩法 粗硫酸镍 工艺 近年来,为了充分利用铜资源,满足市场需要,以废杂铜为原料生产电铜的铜电解厂日益增加。
由于受资金、原料等客观条件的限制,这些铜冶炼厂的规模一般为1～2万t/a。
而以杂铜为原料产出的阳极板含镍较高,有的高达013%以上,这些镍必须在电解液净化过程中脱除。
因此迫切需要一种适合中小型铜冶炼厂、设备简单、投资省的脱镍工艺。
而蒸气间接加热浓缩生产粗硫酸镍工艺正满足了这一需要。
本人曾在几个工程的设计中运用该工艺,现就其工艺原理、操作参数、设备选择及配置等方面作一些分析和论述。
1 概述镍是铜阳极板中的主要杂质之一,在电解过程中若电解液中的镍离子浓度超过15 g/L,对电铜质量将产生不良影响,必须在电解液的净化过程中除去,以保证电解的正常生产。
电解液中镍的脱除方法主要有结晶法、萃取法、离子交换法等。
而国内主要采用结晶法生产粗硫酸镍,如一些老冶炼厂采用的直火浓缩法和冷冻结晶法、80年代贵溪冶炼厂从日本引进的电热浓缩法等。
直火浓缩法因具有设备简单、镍直收率高等优点曾一度在小型铜冶炼厂广泛采用,但由于其燃烧与蒸发设备不密闭、酸挥发多、能耗大、环境污染严重、操作环境恶劣、劳动强度大,在日益重视环境保护及强调劳动安全卫生的今天已不再推荐使用。
冷冻结晶法由于需要设备多、占地面积大、脱镍率低等因素一直未得到广泛采用。
而电热浓缩法由于自动化程度高、环保效果好、脱镍率高等优点正被越来越多的工厂所采用,但因所需设备复杂、投资大且生产粗硫酸镍成本高,使其在中小型铜冶炼厂的使用受到限制。
所以,蒸气间接加热浓缩法(在某一压强下,第20卷第1期有 色 冶 金 设 计 与 研 究1999年3月Ξ收稿日期:1997-12-17采用蒸气间接加热使溶液蒸发的方法)则受到中小型铜冶炼厂的普遍青睐。
它既解决了操作条件恶劣、劳动强度大等问题,又利于环境保护,且设备简单、投资省,对资金有限的中小型铜冶炼厂是较为适宜的。
2 蒸气间接加热浓缩法的工艺原理及操作参数的确定2.1 蒸气间接加热浓缩法的工艺原理电解液净化系统生产粗硫酸镍的溶液一般为二次脱铜终液,其成份主要为H 2S O 4和NiS O 4。
根据硫酸盐结晶理论,溶液中的硫酸浓度与硫酸盐溶解度在不同温度下存在一定的平衡关系,即溶液中硫酸盐溶解度会随其酸度、温度的变化而改变;同时溶液在不同的酸度、不同的压强下,其沸点也不同,它们之间也存在一定的平衡关系。
图1为溶液中硫酸镍的饱和浓度与酸度在不同温度下的关系曲线。
图2为溶液的沸点与酸度在不同压强下的关系曲线。
图1 溶液中硫酸镍的饱和浓度、酸度及温度的关系曲线 由图1可见,当溶液酸度升高或温度降低时,溶液中镍离子饱和浓度都相应降低,即镍离子形成硫酸镍结晶析出。
例如直火浓缩法及电热浓缩法都是通过加热溶液蒸发水份,提高其酸度,然后再冷却结晶产出粗硫酸镍。
图2 某浓度硫酸镍溶液中不同压强下酸度与沸点关系曲线 从图2曲线可以看出,当压强一定时溶液的沸点随着酸度的增加而升高;而当酸度一定时,溶液的沸点又随压强的降低而降低。
例如在常压下,溶液含酸850g/L ,其沸点高达138℃左右,而当溶液在真空度01074MPa (绝对压力为01026MPa )条件下,其沸点下降为95℃左右。
也就是说,在负压条件下,由于溶液的沸点降低,增加了被蒸发溶液与加热源之间的温差,强化了蒸发作用;而蒸发出的气体被及时抽走,避免了液面上蒸气压强的升高,从而提高了蒸发速度,蒸气间接加热浓缩法就是基于这两个特性,在一定真空度下,可使用温度不太高(一般130℃)而来源较方便的蒸气作加热源间接加热使溶液蒸发浓缩,然后再经过水冷结晶产出粗硫酸镍。
2.2 操作参数的确定根据硫酸盐溶解度与酸度的关系,若溶液酸度越高,硫酸镍的溶解度就越低,・91・第1期余智艳:蒸气间接加热浓缩生产粗硫酸镍工艺应用结晶率也越高;但另一方面,随着溶液酸度的提高,其沸点也相应升高,而且升高幅度不断增加。
表1为硫酸镍溶液中酸度每增加20%,其沸点升高之差。
表1 硫酸镍溶液中酸度与沸点的变化对应关系表酸浓度增加0%～20%20%～40%40%～60%60%～80%80%～100%沸点升高之差41291527195814104 由于溶液沸点随酸度的增加而升高,减少了加热蒸气与溶液之间的传热动力———温度差,因而使传热效率降低,蒸发速度减慢。
因此,必须选择合理的终液酸度,以保证一定的结晶率和蒸发速率。
根据理论数据和经验,当蒸气温度为130℃左右时,一般控制终液的硫酸浓度在850～950g/L ,真空度为01066～0108MPa 。
表2为真空蒸发浓缩工艺操作参数实例。
表2 蒸气间接加热浓缩法工艺操作参数实例项目名称单 位工厂(1)工厂(2)工厂(3)处理溶液量m 3/d 518841302170进液含镍g/L 151811017130进液含酸g/L 256270267真空度MPa 010740107401074蒸发水量m 3/d411121931187起始沸点℃65～7065～7065～70终液沸点℃95～10095～10095～100蒸发时间h 14129终液含镍g/L 505654终液含酸g/L 850850850终液密度kg/m 3～1550～1550～15503 设备特点及配置要求3.1 设备特点蒸气间接加热浓缩法生产粗硫酸镍采用的设备及相互连接关系见图3。
从图3可以看出,蒸气间接加热浓缩法所用设备比较简单,主要可分为真空蒸发结晶槽、真空设备及过滤设备。
3.1.1 真空蒸发结晶槽近年来,钛材外加热循环式真空蒸发器由于传热效率高、蒸发效果好等优点广泛应用于铜电解净化系统的硫酸铜生产,但用于粗硫酸镍生产还存在一些问题。
硫酸铜真空蒸发浓缩后液酸度低于400g/L ,蒸发温度为80℃左右,而硫酸镍真空蒸发浓缩后液酸度达850g/L 以上,蒸发温度在100℃左右,而钛材质在溶液酸度超过500g/L ,特别是在汽、液相并存的条件下,腐蚀比较严重。
虽然能耐这种高温、高酸介质的其它金属材料也有,但价格昂贵,同时由于外加热循环式真空蒸发器结构复杂、设备加工困难、造价高,因此用于硫酸镍生产在国内还存在一定的困难。
搪瓷反应釜虽然传热效率偏低,但它具有耐高温、高酸等特性,而且能耐温急变性,既可用于加温蒸发又可兼做水冷结晶。
因其内壁光滑,结晶物不易粘着器壁且易于清洗,同时由于搪瓷反应釜采用夹套冷却,不会出现采用盘管形式因结晶物堵塞盘管的缝隙而影响冷却效果的现象。
所以采用搪瓷反应釜作为硫酸镍蒸发结晶槽在目前还是较为理想的设备。
由于蒸发后液溶液量少、酸度高、比重大,结晶容易沉于槽底,故对搅拌桨形式和速度有特殊要求,搅拌桨一般选用锚式较好,这样搅拌时不易出现死角。
3.1.2 真空设备真空设备以往一般选用水环式真空泵。
近年来,水喷射泵由于具有结构简单、便于加工、设备费用低及节能等优点而广泛用于真空系统,特别是在真空蒸发操作中,水喷射泵内高速喷射的水流在汽室与蒸发的汽体接触,可将蒸气冷凝并随冷却水一同排出系统。
・02・ 有 色 冶 金 设 计 与 研 究第20卷由于水喷射泵造真空要求一定的水量,为了节约用水,需循环使用。
在蒸发过程中蒸发的汽体被冷凝,使排出的水温升高,而喷射泵所用水的温度太高,会使其真空度下降,因此,循环水必须经冷却后才能循环使用。
由于蒸发汽体会带入一些酸雾,所以循环水使用后酸度会升高,必须定期定量送废水处理。
图3 蒸气间接加热浓缩法设备连接图1-贮液槽;2-输送泵;3-真空蒸发结晶槽;4-水喷射泵;5-冷却塔;6-中间水槽;7-冷水槽;8-冷水输送泵;9-热水输送泵;10-热水槽;11-镍过滤槽;12-回收酸槽;13-酸泵3.1.3 过滤设备粗硫酸镍过滤设备可采用离心机或真空吸滤盘。
离心机过滤处理量大、分离因素高,过滤后的粗硫镍含吸附酸少,但离心机易产生溶液飞溅,使用不太安全。
而采用真空吸滤盘,虽过滤出的粗硫酸镍含吸附酸高些,但操作方便,使用安全,而且在有真空源的条件下设备投资费用相对较低,所以一般多采用真空吸滤。
过滤时真空度应尽可能高些,以降低粗硫酸镍所含吸附酸,便于粗硫酸镍的进一步处理。
若生产粗硫酸镍较少,且不再精制,也可考虑采用自然过滤。
3.2 设备配置要求蒸气间接加热浓缩法生产粗硫酸镍工艺所用设备少,配置较简单,占地面积小。
虽然水喷射泵由于造真空要求需配置在一定的高度(一般不低于10m ),但可露天放置,因此可同冷却塔一起配置在厂房的屋顶上,减少厂房投资。
由于整个过程是在较高酸度下进行,为了防止结晶物堵塞和减少跑冒滴漏,所以在配置上一般按工序由上向下,使溶液在设备之间实现自流。
图4为真空蒸发浓缩系统的配置实例。
・12・第1期余智艳:蒸气间接加热浓缩生产粗硫酸镍工艺应用图4 真空蒸发浓缩系统配置实例1-酸泵;2-回收酸槽;3-滤渣槽;4-真空蒸发结晶槽;5-冷水槽;6-冷水输送泵;7-热水槽;8-热水输送泵;9-冷却塔;10-水喷射泵4 结语蒸气间接加热浓缩法生产粗硫酸镍的最大优点是设备简单、投资省、操作方便,且环保条件好、工人劳动强度小。
但该工艺采用蒸气为加热源,因受加热蒸气温度的限制,使蒸发终液酸度不可能太高,所以结晶母液含镍高,镍的直收率偏低,并且蒸发速度也较慢,因此比较适合处理量小的工厂使用。
但另一方面,若能在真空蒸发设备材质与结构上有较大改进,提高传热效率,加快蒸发速度,增加处理量,这将为蒸气间接加热浓缩法生产粗硫酸镍工艺的广泛应用提供良好的前景。
・22・ 有 色 冶 金 设 计 与 研 究第20卷。
