Исследование металлотермического способа получения кальция

 

 

 

 

Аннотация

 

В данной работе исследован процесс получения ГМАЛ из хлоридных растворов и приведена технологическая схема получения металлического лития. В работе выполнено технологическое, экологическое и экономическое сравнение способов получения металлического лития. Посчитана себестоимость 1 т лития, получаемого алюминотермическим способом восстановления.

Проведен экологический  анализ потенциально опасных и вредных  производственных факторов и разработаны  методы защиты от них. Выполнен расчет вытяжного шкафа, т.к. он является главной меры защиты при производстве ГМАЛ.

Работа изложена на 102 страницах, имеет 59 таблиц, 52 рисунков, 1 приложение. Список использованных источников включает в себя 36 наименований.

 

 

Содержание

 

Введение 7

1 Аналитический  обзор литературы 8

1.1 Маркетинговые  исследования 8

1.1.1 Источники  лития за рубежом 8

1.1.2 Состояние  и перспективы развития сырьевой  базы лития в России 12

1.1.3 Области  применение лития 15

1.1.4 Цены на  литиевую продукцию 17

1.2 Свойства  солей и области применения 18

1.2.1 Хлорид  лития 19

1.2.2 Гидроксид  лития 19

1.2.3 Карбонат  лития 20

1.2.4 Сульфат  лития 20

1.2.5 Алюминаты  лития 20

1.3 Обзор способов  получения металлического лития 22

1.3.1 Получение  металлического лития электролизом 23

1.3.1.1 Регенерация  отработанного электролита 26

1.3.2 Получение  металлического лития металлотермией 27

1.3.2.1 Алюминотермическое  получение лития из моноалюмината  лития 27

1.3.2.2 Алюминотермическое  получение лития из пятилитиевого  алюмината лития 29

1.3.2.3 Получение  металлического лития совмещенным  процессом «Диссоциация – восстановление» карбоната лития 30

1.3.2.4 Алюминотермическое  получение лития по способу  «Синтез – диссоциация – восстановление»  с применением инертной добавки  в виде ГМАЛ 33

2 Экспериаментальная  часть 36

2.1 Методика  эксперимента осаждение на твердом  гидроксиде алюминия 36

2.1.1 Расчет  количества реагентов для приготовления  алюминатного раствора на твердом  гидроксиде (концентрация по Na₂О=120 г/л, LiCl=40 г/л, α_к=2,2) 38

2.2 Методика  эксперимента осаждения из алюминатного  раствора 41

2.2.1 Расчет  количества реагентов для приготовления  алюминатного раствора 41

2.3 Изучение  кинетики процесса 42

2.3.1 Построение  кинетических кривых 42

2.4 Описание  установки 54

2.5 Материалы 55

3 Сравнительный  анализ способов алюминотермического  получения лития по экономическим  параметрам 57

3.1 Алюминотермическое  получение лития из моноалюмината  лития 57

3.2 Алюминотермическое  получение лития из пятилитиевого  алюмината лития 64

3.3 Совмещенный  процесс «Диссоциация – восстановление» карбоната лития 71

3.4 Алюминотермическое  получение лития по способу  «Синтез-диссоциация – восстановление»  с применением инертной добавки  в виде ГМАЛ 78

4 Безопасность  жизнедеятельности и охрана окружающей  среды 86

4.1 Идентификация  опасных и вредных производственных  факторов 86

4.2 Характеристика  используемых веществ и материалов 87

4.3 Санитарно-технические  требования 88

4.3.1 Требования  к планировке помещения 88

4.3.2 Требования  к микроклимату помещения 89

4.3.3 Требования  к освещению помещения 89

4.3.4 Требования  безопасности при устройстве  и эксплуатации коммуникаций 91

4.4 Разработка  мер защиты от опасных и  вредных факторов 92

4.5 Безопасность  жизнедеятельности в чрезвычайных  ситуациях 93

4.6 Специальные  разработки по обеспечению безопасности 94

4.6.1 Расчет  вытяжного шкафа 94

4.6.2 Расчет  естественной вытяжки вытяжного  шкафа 95

4.7 Выводы  по разделу 97

5 Охрана окружающей  среды 98

5.1 Выводы  по разделу 98

Заключение 99

Список литературы 101

Приложение  А – Диаграмма состояния системы  Li₂O – Al₂O₃ 103

 

Введение

 

В последние десятилетия  все большее значение в науке  и технике приобретает литий. Он первый среди металлов по легкости и удельной теплоемкости, по положению в ряду напряжений металлов. Литий и его соединения используются во многих отраслях промышленности. Наиболее значимой областью использования лития в ближайшее время может быть энергетика в лице её наиболее перспективных направлений – термоядерной энергии и энергии литиевых химических источников тока (ЛХИТ).

Литий один из наиболее активных металлов. Его получение в металлическом  состоянии связано с определенными  проблемами. При повышенных температурах он реагирует практически со всеми  газами. Соединения лития термодинамически весьма устойчивы, поэтому он может быть получен или электролизом расплавленных сред или металлотермией.

Достигнутые мировой практикой  показатели электролиза и удачные  конструкции электролизеров позволяют  считать электролитический способ получения лития достаточно эффективным. Другие способы получения металла  до последнего времени не могли с  ним конкурировать. Однако электролиз имеет некоторые отрицательные  стороны, обусловленные необходимостью получения безводного хлорида лития  высокой чистоты, производство которого связано с определенными трудностями  в связи с коррозией аппаратуры. Это делает безводный хлорид одной  из самых дорогих литиевых солей. При электролизе неизбежно некоторое  загрязнение металла натрием, очистка  от которого представляет значительные трудности. Возможно так же загрязнение  лития примесями из футеровки  ванны. Выделение на аноде хлора  вызывает необходимость его обезвреживания перед выпуском в атмосферу.

Кроме электролитического способа  получения лития, был исследован ряд металлотермических способов.

В ранних работах по металлотермическим способам получения лития были опробованы различные соединения лития –  галогениды, оксид, карбонат, гидроксид, сульфат и др. в качестве восстановителей исследовали Mg, Ca, Ba, Al, Fe, Si, C и даже Ti.

Так как пары лития при  температуре восстановления обладают заметной упругостью, изменение давления в системе существенно влияет на скорость реакции. Поэтому целесообразно проводить восстановление лития в вакууме с отгонкой и последующей конденсацией паров лития. Исходным продуктом могут служить алюминаты лития, так как в этом случае достижимы более высокие результаты. В качестве металла – восстановителя наиболее приемлемым является алюминий. В последние годы появилось значительное число работ в области получения алюминатов лития. 

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Маркетинговые исследования

 

Идентифицированные сырьевые ресурсы лития в мире оцениваются в 12,66 млн. т. При этом 22 % подтвержденных запасов лития сосредоточены в пегматитовых рудах, а 78 % – в различных видах гидроминерального сырья. Открытие и разработка в 90 – х годах прошлого века богатейшего месторождения литиевой рапы в Чили произвели коренной переворот на рынке литиевой продукции. Подземные рассолы становятся во всем мире доминирующим сырьем для производства Li₂CO₃ из – за более низких издержек по сравнению с получением карбоната лития из твердой руды /1/. Структура распределения запасов лития представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Распределение  запасов лития.

1.1.1 Источники лития за рубежом

 

Промышленными источниками  лития за рубежом служат пегматитовые руды и высокоминерализованные рассолы.

В настоящее время переработку  концентратов и соляных растворов  лития осуществляют лишь немногие страны. Чили, Китай и Соединенные Штаты - ведущие производители карбоната  лития. Существенную долю соединений и  концентрата лития производят Аргентина, Австралия, Бразилия, Канада, Португалия, и Зимбабве. Структура производства лития по странам представлена на рисунке 2 /2/.

Известность Конго (Киншаса), Намибии, Руанды, и Южной Африки как  производителей концентратов, уже в  прошлом. Пегматиты с включениями  минералов, содержащих литий, обнаружены в Австрии, Франции, Индии, Ирландии, Мозамбике, Испании и Швеции, но экономические  факторы в этих странах не способствуют разработке месторождений. Литий был  найден в подповерхностных рассолах в Боливии, Китае и Израиле. Компании во Франции, Германии, Японии, на Tайване и в Великобритании производят соединения лития из импортированного карбоната лития. На рисунке 3 представлены основные страны производители литиевой продукции. Структура мирового производства литиевой продукции представлена на рисунке 4 /2/.

Аргентина. Объем производства карбоната лития по оценкам составляет 1000 т, хлорида лития - 4700 т. Производственные мощности компании FMC в Аргентине позволяют производить приблизительно 12000 т карбоната лития и 5000 т хлорида лития в год, однако реальное производство никогда не достигало этого уровня.

Австралия. «Sons of Gwalia Ltd.» - ведущий переработчик литийсодержащих минералов, способный давать до 60 % мирового объема литиевого концентрата. Компания производит концентрат сподумена на шахтах Greenbushes в Западной Австралии. Компания поставляет на рынок от 2,2 до 3,5 % лития в мире.

Бразилия. «Companhia Brasileira de Litio» производит концентрат сподумена на базе подземной шахты Cachoeira. Этот материал используется как сырье для производства карбоната и гидроксида лития на заводе в Aguas Vermelhas в Minas Gerais. В Бразилии соединения лития и содержащие литий минералы используют при производстве смазок, алюминия, керамики, батарей и ядерных реакторов.

Канада. «Tantalum Mining Corp. of Canada Ltd.» (Tanco) (филиал корпорации «Cabot») владеет шахтой, в которой подземным способом добывается сподумен, и заводом по производству концентрата в Bernic Lake (Манитоба). «Tanco» производит несколько сортов концентрата сподумена и два вида концентрата фосфата лития. Компания рассмаривала несколько проектов, связанных с производством лития. Одни из таких проектов предусматривал – разработку месторождения петалита Big Whopper, принадлежащего компании Avalon Ventures Ltd. и являющегося частью ее проекта по производству редких металлов в области Separation rapids в северо-западном Онтарио. За этим проектом последовал проект разработки месторождения петалита Big Mack компании Emerald Fields Resource Corp. Mack, расположенного на том же пласте пегматита, между разработками компаний Avalon и Tanco. Ни одно из месторождений не было использовано для коммерческой разработки из-за отсутствия спроса на новые источники минерала. Компания Avalon предложила использовать месторождение Bid Whopper для добычи богатого литием и содержащего незначительную долю железа полевого шпата, вместо концентрата петалита, как было запланировано изначально. Компания Emerald Fields обратилась к опытному производителю петалита из Зимбабве – компании Bikita Minerals Ltd., для оценки месторождения и разработки цикла производства концентрата, основанного на уже опробованной технологии.

Компания Champion and Gossan Resources Ltd. исследовала потенциальные запасы лития на принадлежащей ей территории в области Separation Rapids. Компания Tanco владела 50,1 % проекта Gossan Resources, но продала часть проекта бостонской компании Angus and Ross PLC. Компания Raymor Industries Inc. намеревалась вести разработки на принадлежащей ей территории Ла Мотт в Квебеке - для производства дешевого металлического лития напрямую из сподумена. Компания Houston Lake Mining Inc. намеревалась оценить месторождение пегматита, содержащего сподумен, в районе Pakegama Lake в Онтарио.

Чили. Имея два больших  предприятия для переработки  литийсодержащих рассолов в Салар-де-Атакама и связанные с ними заводы по производству карбоната лития, Чили является самым крупным производителем карбоната лития в мире. Завод компании Chemetall Foote начал производить карбонат лития в 1984 г., сейчас он способен производить 14500 т карбоната в год. Получаемый карбонат лития используется как сырье для дальнейшего производства других соединений лития в США, а также обеспечивает работу материнской компании в Германии и на Tайване. Обе чилийские компании транспортируют концентрат получаемый из раствора из Салар-де-Атакама на заводы по производству карбоната лития в Антофагасте.

Китай. Единственная страна, которая продолжает производить  карбонат лития из сподумена. Для  этого используется местный сподумен, добываемый на нескольких небольших  шахтах. Импортированный из Австралии  сподумен используется как сырье  для получения карбоната лития  и при производстве керамики и  стекла. Карбонат лития также импортируется  в Китай из США и Чили. Считается, что самые большие запасы лития  в Китае содержатся в солевых  растворах, на которые приходится 80 % запасов лития в стране. Сообщения о переработке солевых растворов впервые появились в 2003 г. Заводы по производству карбоната лития, использующие солевые растворы из соленых озер Qinghai и Xitai Jinaer находятся в стадии развития. Эти месторождения расположены в очень отдаленных областях и содержат больше магния, чем каких-либо других полезных компонентов.

Германия. Компания Chemetall с заводом в Лангельсхайме в течение многих лет остается основным производителем соединений лития. Компании принадлежат предприятия по производству лития в Чили, Германии, на Tайване и в Соединенных Штатах /3/.

 

Рисунок 2 – Структура производства лития по странам (2011 г.)

 

Рисунок 3 – Компании производители литиевой продукции

 

Рисунок 4 – Структура  мирового производства литиевой продукции

1.1.2 Состояние и перспективы развития сырьевой базы лития в России

 

В настоящее время по запасам  лития Россия занимает третье место  в мире, уступая лишь Боливии и  Чили. Запасы лития в основном (63 %) сосредоточены в Восточной Сибири (в том числе 31 % – в Иркутской области, 19 % – в Республике Тыва, 13 % – в Читинской области), в Мурманской области (35 %) и около 2 % – в Приморском крае.

Более 70 % балансовых запасов лития связаны с редкометалльными гранитами с литиевыми слюдами и около 2 % – на слюдисто – флюоритовые метасоматиты. Руды всех без исключения месторождений являются комплексными. В зависимости от геолого – промышленного типа, кроме лития они содержат тантал, ниобий, бериллий, цезий и другие редкие и цветные металлы.