Міністерство освіти і науки України

НТУ „ХПІ”

Факультет Кафедра

Спеціальність _

(код, найменування)

ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ

освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавра

Тема проекту:

Технологія утилізації нікелю та марганцю у виробництві синтетичних алмазів

Керівник ДП ________________________________________

(посада, прізвище, ім’я, по батькові)

Виконавець ____________________________________________

(прізвище, ім’я, по батькові)

2010

РЕФЕРАТ

Звіт про ДП: 71 стор., 25 табл., 34 джерел, 1 рисун.

Ключові слова: СИНТЕТИЧНИЙ АЛМАЗ, ВИЛУГОВУВАННЯ, КИСЛОТА, З’ЄДНАННЯ, НІКЕЛЬ, МАРГАНЕЦЬ.

У бакалаврській роботі розглянута технологія очищення синтетичних алмазів.

Розглядалася технологія утилізації нікелю та марганцю у виробництві синтетичних алмазів, розрахований матеріальний і тепловий баланс, розрахунок основного апарату, розрахована собівартість продукції. Розглянуті питання з охорони праці.

РЕФЕРАТ

Отчет о ДП: 71 стр., 25 табл., 34 источника, 1 рисун.

Ключевые слова: ИСКУССТВЕННЫЙ АЛМАЗ, ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ, КИСЛОТА, СОЕДИНЕНИЯ, НИКЕЛЬ, МАРГАНЕЦ.

В бакалаврской работе рассмотрена технология очистки синтетических алмазов.

Рассмотренная технология выделения никеля и марганца в производстве искусственных алмазов. В работе описана технологическая схема утилизации соединений никеля и марганца, рассчитан материальный и тепловой баланс, расчет основного аппарата, рассчитана себестоимость продукции. Рассмотрены вопросы по охране труда.

ЗМІСТ

Вступ

1. Літературний огляд

1.1 Загальні відомості про синтез алмазів

1.2 Фізико-хімічні основи процесу синтезу алмазів

1.3 Основні методи утилізації відходів

2. Загальна характеристика сировини і готової продукції

3. Опис технологічної схеми

4. Енергозбереження та екологія

5. Розрахунок матеріального балансу

6. Розрахунок теплового балансу

6.1 Розрахунок приходу тепла

6.2 Витрати тепла

7. Розрахунок основного апарату

8. Охорона праці

8.1 Загальна характеристика умов здійснення технологічного процессу

8.2 Промислова санітарія

8.3 Пожежна безпека

9. Техніко-економічне обгрунтування

9.1. Розрахунок виробничої потужності проектованого цеху

9.2. Розрахунок вартості і потреби сировини і матеріалів

9.3 Визначення витрат по вартості енергоресурсів

9.4 Розрахунок амортизаційних відрахувань

9.5 Розрахунок затрат на оплату праці

9.6 Розрахунок річного фонду оплати праці керівників та спеціалістів

9.7 Розрахунок витрат по утриманню й експлуатації обладнання

9.8 Розрахунок загальновиробничих витрат

9.9 Калькуляція собівартості продукту

Висновки

Список джерел інформації

ВСТУП

Виробництво надтвердих матеріалів є однією з важливих галузей хімічної промисловості, основна частка якої на сьогоднішній день належить синтезу синтетичних алмазів. Завдяки їх особливим властивостям, останнім часом спостерігається деяка тенденція підвищення попиту на синтетичні алмази і алмазний інструмент, тоді як в промисловому виробництві України, загалом, відбувається спад. Розвиток виробництва синтетичних алмазів привело до того, що вони зайняли домінуюче місце у виготовленні алмаз – абразивного інструмента.

В даний час синтетичні алмази зайняли міцне місце в промисловості усього світу, і їхня роль тут безупинно зростає. На жаль, синтезувати великі монокристали алмазів – задача дуже складна. Найбільший розмір випуску серійно технічних монокристалів алмаза складає 1,2 мм, а для багатьох промислових процесів вимагаються більш великі алмази.

В той же час екологічна обстановка як і раніше залишається дуже складною на підприємствах алмазного виробництва.

В даній науковій роботі велика увага була приділена не тільки утилізації шкідливих з’єднань металів–каталізаторів, але й також рух роботи був спрямований на визначання основних оптимальних параметрів очищення синтетичних алмазів, таких як, розмір гранул, тип кислоти та концентрація, час вилуговування.

Тому метою даної дипломної роботи є розробка технологій, яка зменшила б екологічне навантаження на навколишнє середовище, а саме створення технологічної схеми, яка б дозволяла ефективно утилізувати з’єднання нікелю та марганцю. Для цього необхідно вивчити особливості вилуговування цих металів із продукту синтезу різними кислотами та визначити оптимальні умови для тієї кислоти, яка буде найбільш екологічно безпечною.

1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Загальні відомості про синтез алмазів

Синтез синтетичних алмазів був вперше здійснений у 1953 р. у Швеції та Америці, та у 1959 р. в СССР. Однак, отримані на той час кристали алмазу могли бути використані лише у якості абразивного матеріалу, тому як розміри окремих кристалів не перевищували 0,8 мм та мали низьку механічну стійкість. Синтез великих монокристалів, який був реалізований набагато пізніше, був пов’язаний зі складностями технічного та економічного характеру. В цьому відношенні найбільш перспективною для технічного застосування була шаровидна (діаметром 6–7 мм) променево-радіальна форма алмаза або балас, яка володіла стійкістю навіть більш вищою, ніж монокристали алмазу та більш проста у виготовленні.

Одразу ж після успішного синтезу алмазів типа балас почалось їх застосування у промисловість на Московському комбінаті твердих сплавів, Українському інституті надтвердих матеріалів та Полтавському заводі синтетичних алмазів. Дослідження синтетичних баласів у бурильній техніці показало їх високу ефективність при проходженні скважин в різних по характеру ґрунтах, та особливо широко синтетичний балас застосовується зараз при виготовленні волок при виробництві проволоки.

Поряд з роботою над методами синтезу алмазів проводилися дослідження фізико-хімічних властивостей отриманих речовин та вивчення механізму їх синтезу. Останнє питання являє собою науковий інтерес та в повному об’ємі залишається не розібраним і по сьогоднішній день.

Усі відомі способи виготовлення алмазів можна віднести до трьох великих груп.

Перша група об’єднує різні варіанти, які є найбільш розповсюдженими у технології синтезу алмазів при високих статичних тисках. Він утворюється стисненням на нагріванням механічної суміші порошку вуглеграфітового матеріалу у присутності частинок метала-каталізатора в області термодинамічної стійкості алмаза в камері високого тиску. Зазвичай при синтезі алмазів в якості каталізатора застосовують декілька металів або їх сплави [1].

До другої групи відносяться синтез алмазу при високих динамічних тисках, в детонаційних та ударних хвилях із різноманітних вуглецьвмістних матеріалів. Цей метод синтезу у зрівнянні зі статичним дає можливість на декілька порядків скоротити тривалість циклу та застосувати тиски до 10⁴ МПа, у діапазоні температур 2000–4000 К. При цьому на відміну від синтезу при високих статичних тисках, елементи контейнерів із реакційними матеріалами виготовляють зі сталі або інших матеріалів, до яких не входить вольфрам. Вибуховий метод характеризується виготовленням мікрочастинок алмазу у вигляді кристалів із невеликою кількістю дефектів поверхні. Алмази отримують з відносно невеликим виходом по відношенню до всієї маси початкового продукту [2].

Прямий перехід графіту до алмазу при ударному нагруженні Алдером та Християном у 1961 р. У 1975 році був розроблений метод отримання вибухових алмазів у системі метал–вуглець методом ударно–хвильового нагруження. Такі алмази виготовляють у вигляді мікропорошків підвищеної абразивної здатності з розміром 1-80, а іноді й до 200 мкм. Детонаційні алмази отримані шляхом осадження із газової фази, що містить вуглець та плазми при їх високотемпературному детонаційному сжиманні [3]. Такі алмази представляють собою ультра дисперсний порошок із розміром зерен до 20 нм.

Третя група включає до себе засоби синтезу алмазів при низьких тисках із газової середи, що включає в себе вуглець, з плазми та потоків атомів та іонів вуглецю (в області термічної мета стійкості алмазу).

Відомі засоби осадження алмазних плівок із застосуванням високо енергетичних атомних та іонних пучків шляхом лазерного та плазмохімічного осадження. В багатьох випадках отримують не алмазні, а алмазоподібні плівки, тобто такі, в яких атоми вуглецю пов’язані між собою хімічним зв’язком, яка характерна для алмаза, але не утворює достатньо великих областей когерентного розсіювання, як у алмаза [2].

Нарощування затравочних частинок алмазу відбувається у газовій середі, що містить вуглець, та при тисках нижчих за атмосферний та температурах близько 1273 К. Тому як більш стійка в цих умовах фаза вуглецю – графіт блокує поверхню затравочних кристалів, тому й товщина наростаючого слою рідко коли перевищує 1–3 мкм. Тому частіш за все утворюються алмазографітові зони, що по черзі змінюються [2].

Алмазні кристали можуть утворюватися у графітових блоках при дії на них лазерним променем. У цьому випадку атоми вуглецю переходять у збуджений стан до енергії в 1 еВ, а їх конденсат представляє собою вміст вуглецевих фаз із густиною близько 2,48 г/см³. Міцність імпульсу при випромінюванні досягає 10⁹ Вт. Посилаючи такий промінь на графітовий блок, можна досягнути утворення в ньому алмазних мікрочастинок [1].

Таким чином, синтез алмазів із матеріалів, що містять вуглець у присутності металів–каталізаторів при статичному тиску є найбільш ефективним та найбільш розповсюдженим.

1.2 Фізико-хімічні основи процесу синтезу алмазів

Існуючу технологію синтезу алмазів умовно можна розділити на дві стадії: синтез в апарат високого тиску і збагачення одержаного продукту синтезу з виділенням очищеного товарного алмазного продукту. Розглянемо окремо кожну з цих стадій.

1.2.1 Синтез в апаратах високого тиску

В даний час відомо два методи синтезу алмазу в області його термодинамічної стабільності: дія на матеріал, що містить вуглець, високим статичним тиском і температурою у присутності розчинника вуглецю; дія високим статичним тиском і температурою без застосування розчинників (прямий перехід графіту в алмаз). Теорія синтезу алмазу по першому методу вперше була розроблена О.И. Лейпунськім [4].

Алмаз в системах метал–вуглець одержують в апаратах при тиску близько 4000 МПа і температурах понад 1400 К, використовуючи як джерело вуглецю графіт. Розчинники обираються з ряду перехідних металів, в який входять: Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cr, Ta, Mn і ін. [1, 4]. Експериментально встановлено, що для кожного розчинника є своя область утворення алмазу, якою відповідають мінімальна температура та тиск. Якщо розташувати метали-розчинники вуглецю в ряд по зростанню температури плавлення, а саме: Mn, Ni, Co, Fe, Pt, Cr, Nb, Ta, то кореляція між мінімальними параметрами процесу синтезу не спостерігається [4]. Якщо розглянути ці метали залежно від температури плавлення їх евтектичних розчинів, включаючи і карбідні евтектики від величини розчинності вуглецю в них, то мінімальні значення температури плавлення мають в першу чергу такі метали: Fe, Co, Ni, Mn. Мінімальна температура синтезу алмазів декілька відрізняється від мінімальних температур плавлення метал-вуглець, оскільки при високому тиску температура плавлення системи метал-вуглець декілька підвищується. Проте пряма залежність параметрів процесу синтезу від температури плавлення розчинів вуглецю в металах очевидна.

Застосування при синтезі висококапілярноактивних (по відношенню до графіту) металевих розплавів перехідних металів, здатних добре змочувати графіт, позитивно впливає на ступінь перетворення графіту в алмаз. Такі розплави добре обволікають графіт, в результаті збільшується швидкість його розчинення.

Відомі рекомендації по збільшенню ступеня перетворення графіту в алмаз за рахунок заміни чистого нікелю його сплавом з марганцем.

Досягнутий ефект пояснюється зниженням температури плавлення сплавів, крім того слід враховувати зміну капілярних і адгезійних властивостей металевих розплавів по відношенню до графіту і алмазу [1, 2].

Одним з параметрів, що впливають на синтез алмазів є властивості початкового вуглеграфітового матеріалу. В даний час тільки графіт є єдиною сировиною для отримання штучних алмазів в промислових умовах і саме структуру графіту визначає не тільки початковий вуглецевий матеріал, але в значній мірі вид його переробки.

1.2.2 Збагачення продукту синтезу алмазів

Розвиток процесів синтезу алмазів з використанням різних металів-розчинників, таких як: Ni, Mn, Fe, Co і графіту різних родовищ привело до появи продуктів синтезу різних по складу і дисперсності [5]. Відомо, що синтетичні алмази, що виготовляються різними способами витягують з реакційних сумішей, що є агломератами, що містять міцно зчеплені один з одним графіт, алмаз, каталізатор, продукти взаємодії графіту з каталізатором (карбіди).

Різноманітність методів синтезу вимагає застосування різних методів для витягання алмазів. Процес витягання алмазів умовно можна розділити на три основні етапи: розчинення металевої складової з отриманням алмазо-графітової суміші, утилізація неперекристалізованого графіту, контрольне очищення алмазної сировини [2].

Для підвищення ефективності розкриття продукту синтезу на вільні складові перед стадією видалення металів-каталізаторів одержану тверду масу піддають дробленню. Існуюча практика збагачення показала, що оптимальним великим дроблення, що забезпечує збереження великих кристалів алмазів, є дроблення до 2–4 мм.

Результати досліджень і практика збагачення продукту синтезу показали, що тільки механічні або тільки фізичні методи не володіють достатньою селективністю при руйнуванні зростків графіт–алмаз, графіт–метал [2]. Для руйнування зростків застосовується так само короткочасна обробка кислотами. При такій обробці відбувається набухання і відшарування графіту від алмазу і металу.