Курсовая работа: Очистка промывных вод производства аккумуляторных батарей для извлечения сульфата аммония
Процесс заключается в обработке промывных вод, загрязненных свинцом и серной кислотой, с получением воды, пригодной для повторного использования в процессе производства аккумуляторных батарей. Процесс обработки включает на первой стадии добавку в сточные воды карбоната свинца при перемешивании с образованием воды, углекислого газа и нерастворимого
Схема процесса очистки сточных вод и выделения сульфата аммония в процессе производства аккумуляторных батарей:
1 — 14, 17—40 (в тексте); 15 — процесс производства аккумуляторных батарей; 16 — сточные воды, загрязненные свинцом и серной кислотой; 41 — кристаллический сульфат аммония; 42 — товарный продукт
сульфата свинца и последующую фильтрацию для отделения воды от сульфата свинца с возвратом воды в производство. Отфильтрованный сульфат свинца добавляется в раствор аммиака, сульфата аммония, углекислого газа и воды во втором реакторе для образования сульфата аммония и карбоната свинца.
Раствор сульфата аммония отфильтровывается от карбоната свинца и подается в резервуар для последующего использования во втором реакторе. Отфильтрованный карбонат свинца высушивается для удаления остаточного аммиака, после чего в порошкообразном виде подается в первый реактор. Углекислый газ и аммиак из сушилки могут возвращаться в резервуар для раствора сульфата аммония. Избыточное количество раствора сульфата аммония может подаваться в кристаллизатор для получения кристаллического сульфата аммония. Схема этого процесса представлена на рис. 17.
Производство аккумуляторов требует большого количества воды, загрязняющейся в процессе производства свинцом и серной кислотой. Загрязненная вода, содержащая свинец в различных формах и серную кислоту, по трубопроводу 1 подается на фильтр грубой очистки 2. Фильтр предназначен для удаления крупных твердых частиц, например металлического свинца и других соединений. После фильтрации вода содержит серную кислоту и растворенные соединения свинца и по трубопроводу 3 подается в резервуар 4. Поскольку последующий процесс происходит с периодической загрузкой, резервуар позволяет накапливать воду в период питания реактора из другой аналогичной емкости. В соответствующий момент времени выходной трубопровод резервуара 4 подключается к реакционному сосуду о. Реактор 6 может представлять собой большой резервуар с мешалкой 7, связанной через вал 8 с мотором 9. После заполнения реактора 6 водой из емкости 4, порошкообразный карбонат свинца подается в б из бункера 29 и масса интенсивно перемешивается.
Карбонат свинца растворим в водном растворе серной кислоты и превращается в сульфат свинца, который выпадает из раствора вследствие его низкой растворимости (на этой стадии происходит отделение сульфат-ионов от молекул воды). Другим продуктом реакции является углекислый газ. Количество карбоната свинца, необходимого для добавления в реактор 6, эквивалентно суммарному количеству растворенных веществ (СРВ) в подаваемой воде.
Например, если в воде после фильтра грубой очистки СРВ составляет 15 000 ррт или 15 г/л, то для проведения реакции требуется также 15 г/л карбоната свинца. Хотя достаточно отношения реагентов 1:1, любое увеличение количеств PbCO3 выше этой величины пропорционально увеличивает скорость реакции.
В характерном примере, когда в подаваемой воде содержится 15 ООО ррт СРВ, 25 ррт свинца и рН ~ 2,3, уже после 10 мин рН возрастает до 6 и суммарное количество растворенных веществ составляет 1200 ррт, а количество свинца уменьшается до 3 ррт. В течение последующих 30 мин рН достигает значения равного 7 и концентрация растворенных веществ составляет 1000 ррт или менее. Из полученных данных видно, что уже после десятиминутной обработки в реакторе 6 качество воды позволяет возвращать ее в цикл производства. При открывании выходного вентиля 10 раствор подается на фильтр 11.
Фильтр может быть вращающимся барабанным фильтром, центрифугой или любым другим аналогичным устройством для отделения твердого осадка от раствора, в данном случае воды от сульфата свинца. Отфильтрованная вода содержит 1000 (или менее) СРВ и 3 ррт (или менее) свинца и проходит по трубопроводу 12 к фильтру 13 для последующего отделения твердых частиц. После выхода из 13 вода подается назад в цикл основного производства.
Хотя требуется около 40 мин для достижения рН = 7 в реакторе 6,реакция протекает и после остановки мешалки до тех пор, пока в смеси остается карбонат свинца и серная кислота. Поэтому раствор перемешивается в реакторе только 10 минут, что вместе с реакциями на последующих стадиях обеспечивает достаточную глубину реакции и достижение удовлетворительного качества оборотной воды.
Газообразный диоксид углерода из реактора 6 подается по трубопроводу 17 в сборник 18. Влажный сульфат свинца с фильтра // добавляется к раствору аммиака, сульфата аммония и С02 , находящемуся во втором реакторе 19. Реактор 19 идентичен по своему устройству реактору 6 и также имеет лопастную мешалку 20, связанную посредством вала 21 с мотором 22. Реактор 19 заполняется сначала раствором сульфата аммония, аммиаком и углекислым газом из резервуара 26. Сульфат свинца легко растворим в растворе сульфата аммония, но в присутствии СОг свинец моментально реагирует с образованием нерастворимого карбоната свинца. Реакция описывается уравнением
Реакция наиболее легко протекает в избытке сульфата аммония.
Взвесь, содержащая около 15 г PbSО4 в литре раствора сульфата аммония, аммиак и СОа, подвергается реакции в течение 10—15 минут. Раствор должен содержать 15—100 г/л сульфата аммония, минимум 2 г/л СОа и достаточное количество аммиака для поддержания щелочной среды. Реактор 19 может заполняться по линии ведущей с фильтра //, в то время как по другой линии раствор с фильтра поступает в реактор 6. Примерно через 10 мин открывается выходной вентиль 23 реактора 19 и реакционная масса направляется на фильтр 24, идентичный фильтру // для отделения твердых частиц от раствора. На фильтре 24 происходит отделение раствора сульфата аммония от выпавшего карбоната свинца. Раствор сульфата аммония по линии 25 подается в резервуар 26.
Влажный карбонат свинца, выделенный на фильтре 24, подается в сушилку 27. Необходимость проведения этой операции обусловлена тем, что при фильтрации захватывается аммиак, загрязняющий карбонат свинца. В сушилки 27 осадок нагревается до температуры около 100°С, при этом аммиак отгоняется по трубопроводу 32 в сборник 18. Сухой порошкообразный карбонат свинца из сушилки 27 по трубопроводу 28 отправляется назад в бункер 29 для повторного использования в реакторе 6.
Если количество карбоната свинца, выделенного в сушилке 27, соответствует количеству этого соединения необходимому для реакции в реакторе 6,то в этом случае карбонат свинца просто рециркулирует образуя замкнутый цикл в рамках полной системы очистки. Однако может возникнуть ситуация, при которой количество карбоната свинца из сушилки недостаточно или избыточно относительно требуемого количества для реакции в 6.В случае недостатка некоторое количество его дополнительно вводится в бункер 29 из внешнего источника по линии 30. Избыток РЬСОз удаляется по линии 31 в качестве товарного продукта.
Сульфат-анионы, отделяемые от водного раствора в 6 и соединяющиеся со свинцом с образованием PbS04 , затем снова отделяются в реакторе 19 и накапливаются в резервуаре 26 в виде водного раствора сульфата аммония. Щелочная реакция раствора в 26 поддерживается за счет подачн дополнительных количеств углекислого газа и аммиака из емкостей 34 и 35 соответственно. Аммиак по линии 32 из сушилки 27 и С02 по линии 17 из реактора 6 также подаются в сборник 18 и по трубопроводу 33 возвращаются в 26 для регулирования рН содержащегося там раствора.
При стабильном проведении процесса раствор в емкости 26 становится настолько концентрированным, что начинают выпадать кристаллы сульфата аммония, забивающие трубопроводы. Избыточный сульфат аммония из 26 частично отбирается по линии 37 в кристаллизатор 38, где непрерывно протекает процесс кристаллизации. Кристаллический сульфат аммония постепенно удаляется через выпускное отверстие 40 в виде товарного продукта. Остающийся маточный раствор по трубопроводу 39 подается в сборник 18 для последующего возврата по трубопроводу 33 в резервуар 26.
Таким образом, процесс очистки сточных вод осуществляется без сброса загрязненного раствора, подаваемого по трубопроводу /. Принципиально важно, что большие количества воды, загрязненной свинцом и серной кислотой, очищаются и возвращаются в основной процесс, создавая замкнутый цикл производства. Побочные продукты процесса очистки — кристаллический сульфат аммония и карбонат свинца — представляют интерес с экономической точки зрения. При использовании этого метода тысячи тонн загрязненной воды ежедневно не выбрасываются в виде отходов в окружающую среду и все содержащиеся загрязнения выделяются в виде полезных продуктов.
Просушка мокрого остатка с фильтра 24 в сушилке 27 с целью удаления аммиака является принципиально важной операцией, поскольку в противном случае аммиак попадает вместе с карбонатом свинца в реактор 6 с последующим образованием сульфата аммония в трубопроводе 12. Это делает воду непригодной для повторного использования.
Времена проведения процесса в реакторах 6 и 19 сравнимы, и обе эти стадии могут осуществляться одновременно. Например, слив из обеих емкостей происходит одновременно, раствор с фильтра 24 подается в резервуар 26, а раствор с фильтра // проходит фильтр тонкой очистки 13 и возвращается в основное производство. В момент полного опорожнения реакторов 6 и 19 вентили 10 и 23 закрываются и реакторы снова заполняются исходными компонентами — реактор 6 промывными водами по трубопроводу 5 из емкости 4 и реактор 19 раствором сульфата аммония, аммиаком и углекислым газом по линии 36 из емкости 26. В момент полного заполнения в реактор 6 подается определенное количество карбоната свинца из бункера 29, а в реактор 19 — сульфат свинца из фильтра 11. В это же время мокрый остаток с фильтра 24 может загружаться в сушилку 27, что позволяет реакторам 6 и 19 и сушилке 27 работать синхронно.
Глава 3. СИСТЕМА СБОРА И УТИЛИЗАЦИИ АККУМУЛЯТОРОВ
Во всем мире утилизация аккумуляторного лома представляет относительно обособленный процесс в заготовке и переработке вторичного металлосодержащего сырья. Это определяется, с одной стороны, экологической опасностью свинца и его соединений для здоровья человека и окружающей среды, с другой - масштабами применения свинцово-кислотных аккумуляторов. На их изготовление в мире расходуется до 70% производимого свинца. Однако развитие вторичного производства переработки свинецсодержащего лома сдерживается относительно низкими, по сравнению с другими цветными металлами, ценами на свинец на мировом рынке.
По оценкам экспертов [5] Россия располагает запасами свинца в ломе аккумуляторов на уровне 1 млн. т, при ежегодном приросте 250-300 тыс. т (без учета собираемых и перерабатываемых), что связано с существенным ростом автомобильного парка в стране (в московском регионе на 10-12% в год).
Наибольший процент собираемых аккумуляторных батарей достигнут в Москве и Московской области (соответственно 80% и 60% от количества выходящих ежегодно из эксплуатации АКБ), где на небольшой территории проживает 10% населения всей России. Однако и здесь сбор осуществляется губительным для природы образом: сборщики аккумуляторов принимают их без электролита, вынуждая их владельцев самим производить его слив на необорудованных под эти цели площадках, что приводит к загрязнению этих территорий электролитом и взвесями свинца. Только несколько фирм в Москве ведут прием аккумуляторов с электролитом, собирая его в емкости и оправляя затем на переработку.
С переработкой АКБ дело обстоит также не лучшим образом. Ручная разделка лома путем раскалывания весьма трудоемка. Материал моноблоков идет в отвальный продукт, а хлорсодержащие органические материалы остаются в сырье. В основном в виде шламов безвозвратно теряется, загрязняя окружающую среду, 10-12 % свинца
Заводы - производители АКБ предпринимают активные действия по организации сбора и дальнейшей переработке отработанных батарей на вновь создаваемых производственных предприятиях. В 2006 году одновременно две крупнейшие компании на российском аккумуляторном рынке - компания "АкТех" (г. Иркутск) и "Тюменский аккумуляторный завод" запускают два новых завода по утилизации отработанных АКБ суммарной мощностью около 30 тыс. тонн свинца и сплавов в год. Компании намерены почти полностью обеспечить производство аккумуляторных батарей собственным свинцовым сырьем. В перспективе планируется построить аналогичный завод в европейской части России. Его предполагаемые мощности - до 15 тыс. тонн свинца в год. Единичная мощность перерабатывающих предприятий 10-15 тыс. тонн свинца в сырье в год максимально ограничена транспортными затратами. В США, где самый большой в мире автопарк, мощность заводов составляет 30-150 тыс. тонн свинца в год.