Получение глинозема способом Байера

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Введение

1. Способ Байера

2. Технология способа Байера

3. Технология получения глинозема по способу спекания

4. Приготовление шихты

Список литературы

Введение

Целью курсового проектирования является приобретение навыков в расчете и конструировании специфических узлов производства глинозема, а также выработка умения применять теоретический материал при решении практических задач.

Одной из важнейших проблем, стоящих перед российской алюминиевой промышленностью, в обозримой перспективе остается обеспечение алюминиевых заводов России глиноземом. Особенно резко возросла зависимость России от импорта глинозема после распада СССР и прекращения поставок глинозема из Югославии и Венгрии, которая осуществлялась по долгосрочным соглашениям в рамках бывшего содружества стран-членов СЭВ.

Способ Байера - это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Этот способ был открыт в России Карлом Иосифовичем Байером в 1895-1898 гг.

Большой вклад в разработку способа, особенно для выщелачивания бокситов диаспор-бемитового типа, внесли ученые Д.П.Манойлов, Ф.Н.Строков, Ф.Ф. Вольф, И.С. Лилеев, С.И. Кузнецов и др.

В настоящее время более 95 % глинозема получают способом Байера.

Отличительной особеностью способа спекания от чисто гидрометаллургического является операция спекания - пирометаллургический передел. Цель этой операции - связать кремний в малорастворимые при последующей гидрометаллургической переработке соединения, чтобы затем на стадии выщелачивания спека вывести кремний из процесса.

С увеличением содержания SiO₂ переработка боксита по способу Байера становится экономически невыгодной, т.к. значительно увеличиваются потери щелочи и алюминия с красным шламом в виде соединения гидроалюмосиликата натрия

Глинозем - это технический оксид алюминия Al₂O₃ - белый кристаллический порошок, состоящий из модификаций б-Al₂O₃ и г-Al₂O₃. Нерастворим в воде; содержит небольшое количество примесей: SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂, V₂O₅, Сr₂O₃, MnO, ZnO, P₂O₅, Na₂O, K₂O, H₂O - в сумме не более 0,95-1,88 %.

1. Способ Байера

Основан на свойстве алюминатных растворов находиться в метастабильном (относительно устойчивом) состоянии при повышенных температурах и концентрациях (Na₂O_K и Al₂O₃) и на самопроизвольном разложении (гидролизе) растворов с выделением в осадок гидроксида алюминия с понижением температуры и концентрации Na₂O_K.

Суть способа Байера состоит в выщелачивании предварительно измельченного боксита щелочно-алюминатным раствором и дальнейшем выделении из раствора гидроксида алюминия. Алюминийсодержащие минералы взаимодействуют с раствором каустической щелочи (NaOH), в результате чего алюминий переходит в раствор в виде алюмината натрия.

В основе способа лежат реакции

Al₂O₃·nH₂O_тв + 2NaOH_р-р + (3-n)H₂O_р-р> 2NaAl(OH)_4р-р (1)

NaAl(OH)_4р-р - Al(OH)_3тв + NaOH_р-р (2)

По реакции (1) происходит растворение минералов боксита (гиббсита, бёмита, диаспора) в щелочном растворе. Реакция (2) соответствует процессу разложения насыщенного алюминатного раствора.

В зависимости от состава боксита и местных условий могут быть различные варианты этой схемы.

Технологические параметры способа Байера (температуры, концентрации растворов и т.д.) могут колебаться в относительно большом диапазоне, в зависимости от типа и качества боксита.

2. Технология способа Байера

Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим объемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8_1,9) и направляют в мельницу мокрого размола. Такое низкое отношение ж:т в мельнице обеспечивает максимальную ее производительность. К диаспоровому бокситу добавляют 3-5 % извести. Мельницы обычно работают в замкнутом цикле с классификаторами, которые иногда заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа из мельниц - «сырая» пульпа -собирается в сборниках, куда подают остальное количество оборотного раствора с Na₂O_K = 300 г/л. Здесь ее нагревают паром сепарации до 90-100 °С и выдерживают 4-8 часов при перемешивании для предварительного обескремнивания боксита, т. е. перевода большей части активного кремнезема из боксита в раствор:

SiO_2тв + 2NaOH_р-р = Na₂SiO_3р-р + H₂O_р-р (3)

и далее в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия (ГАСН):

1,7Na₂SiO_3р-р+2NaAl(OH)_4р-р= Na₂O·Al₂O₃·1,7SiO₂·nH₂Ov_тв+3,4NaOH_р-р+1,3H₂O_р-р.(4)

Этим достигается меньшее зарастание алюмосиликатной накипью трубок подогревателей, через которые пульпа проходит в автоклавы.Далее «сырая» пульпа поршневыми насосами подается в систему подогревателей, где пульпа сепараторным паром (или вареной пульпой) нагревается до 140-160 °С. Такое ограничение нагрева пульпы связано с тем, что при более высокой температуре на внутренних поверхностях греющих трубок интенсифицируется процесс выделения осадков, содержащих соединения титана, хрома, кальция, фосфора, в результате чего существенно снижается теплопередача.

После нагрева «сырая» пульпа поступает в батарею автоклавов колонного типа для выщелачивания боксита по реакции (1). В первые два автоклава, называемые греющими, поступает «острый» пар с ТЭЦ (Р_пар= 28-30 атм/2,8-3 МПа, t = 300 °С), нагревающий пульпу до 230-240 °С. В последующих реакционных автоклавах (8-10 шт.) батареи производится выдержка пульпы, в зависимости от типа боксита, в течение 1,5-2,5 часов. Автоклавы работают в режиме, близком к идеальному вытеснению. Продуктом выщелачивания является так называемая «вареная» пульпа, которая состоит из взвеси: раствора алюмината натрия и нерастворимого остатка боксита - красного шлама.Из последнего автоклава батареи «вареная» пульпа (Na₂O = 290-295 г/л, Al₂O₃ = 250-270 г/л) перетекает в систему сепараторов (пароотделителей) последовательно - сначала в сепаратор I ступени, затем в сепаратор II ступени, где от самоиспарения «вареной» пульпы образуется пар - процесс дросселирования. Высокотемпературный пар сепаратора I ступени (Р = 2,25>0,6-07 МПа, t = 165-170 °С) используется для предварительного нагрева «сырой» пульпы в подогревателях перед автоклавным выщелачиванием, пар сепаратора II ступени (Р = 0,6-0,7>0,16-0,2 МПа, t = 125-130 °С) используется для подогрева «сырой» пульпы или нагрева промводы. (Для более эффективного использования тепловой энергии сепараторного пара рекомендуется использовать 3- , 4- и т.д. кратную сепарацию.)Из последнего сепаратора пульпа поступает в агитатор «вареной» пульпы, где давление снижено до атмосферного, а температура - до 95-100 °С. Пар с агитатора используется для подогрева в полочном подогревателе барометрической воды до 90 °С, используемой при промывке красного шлама.«Вареная» пульпа из агитатора насосом подается в мешалки для разбавления промывной водой c Na₂O_общ = 45-50 г/л и б_К = 1,7-1,8 до состава Na₂O_общ = 140-150 г/л, Al₂O₃ = 125-135 г/л, б_К = 1,6-1,7 и µ_Si = 250-300 и далее на отделение и промывку красного шлама в систему 4-5 сгустителей, работающих по принципу противотока при t = 100-105 °С. Разбавление «вареной» пульпы осуществляют для уменьшения вязкости и дополнительного обескремнивания раствора. Процесс сгущения красного шлама очень медленный, обусловлен осаждением очень мелких частиц и наличием одноименных электрических зарядов на их поверхности. Для ускорения сгущения добавляются специальные вещества - коагулянты и/или флокулянты, которые обеспечивают укрупнение мелких частиц с образованием более крупных агрегатов. Промытый и сгущенный в последнем сгустителе красный шлам откачивается в отвал на шламовое поле; промывные воды используют для разбавления «вареной» пульпы. Алюминатный раствор (слив) из первого (основного) сгустителя с содержанием твердого 1-5 г-тв/л подается на контрольную фильтрацию для отделения взвеси шлама, полученный раствор должен содержать не более 0,01 г-тв/л. Чистый алюминатный раствор (Na₂O_общ = 150-160 г/л, Al₂O₃ = 125-135, б_К = 1,65-1,7, µ_Si = 250-300) охлаждается до 60-75 °С в теплообменниках и поступает вместе с затравочным гидроксидом алюминия на декомпозицию (разложение) в батарею декомпозеров; температура в «хвостовом» декомпозере - 47-55 °С.

Для ускорения процесса декомпозиции вводят свежеосажденные кристаллы гидроксида алюминия - затравочный гидроксид. Происходит разложение по реакции:

NaAl(OH)_4(р-р) + хAl(OH)_{3(затравка)} - (х+1)Al(OH)₃v_{(осадок)} + NaOH_(р-р) (5)

После декомпозиции, по реакции (5) в течение 40-100 часов, получается пульпа, состоящая из выпавшего в осадок гидроксида алюминия и маточного щелочного раствора. Пульпу направляют на сгущение, отделяется маточный раствор (слив), а сгущенный гидроксид алюминия после классификации по крупности (или без нее) делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае классификации) тщательно отмывают от щелочи и отправляют на кальцинацию; другую часть (около 3/4 всего гидроксида) используют в качестве затравки. Иногда затравочный гидроксид также предварительно промывают, но не так тщательно, как товарный (для кальцинации). глинозем выщелачивание алюминий байер

Маточный алюминатный раствор с б_К = 3,4-3,65 и Na₂O_общ = 155-165 г/л и воду от промывки гидроксида (промводу) направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, чтобы удалить лишнюю воду и повысить концентрацию Na₂O_K. Концентрацию Na₂O_K в растворе повышают до 300 г/л. Поскольку растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде моногидрата (Na₂CO₃·H₂O) по мере выпаривания маточного раствора. При установившемся процессе выпариванием выделяется столько же соды, сколько ее накапливается за весь процесс. Этим предотвращается накопление соды в растворе, и концентрация ее поддерживается в определенных пределах. Кроме того, кристаллы соды увлекают из раствора с собой органические соединения, удаляемые с оборотной содой, - происходит очистка раствора от органических веществ.При работе предприятия только по способу Байера для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации известковым молоком (раствор + взвесь Ca(OH)₂) по реакции

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ - 2NaOH + CaCO₃ (6)

Получающийся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежую едкую щелочь (гидроксид натрия - NaOH) для возмещения химических и механических потерь NaOH, и полученный оборотный раствор вновь направляют на выщелачивание новых порций боксита - схема Байера работает в замкнутом цикле по щелочи. Готовый гидроксид алюминия Al(OH)₃ прокаливают при температуре около 1200 °С во вращающихся барабанных печах или в печах «кипящего слоя» при температуре 1050 °С, топочные газы печей тщательно очищают от глинозема.

Процесс кальцинации можно описать выражением:

(гидроксид алюминия) Al(OH)₃ > Al₂O₃ (глинозём) (7)

Способ Байера - самый дешевый и распространенный в мире. Однако для его осуществления необходимо использовать высококачественные бокситы с относительно невысоким содержанием кремнезема - SiO₂. Байеровский боксит должен иметь высокий кремневый модуль µ_Si ? 6-8 и не содержать больших количеств серы и CO₂, которые осложняют переработку боксита по этому способу.

В настоящее время способ Байера - основной способ производства глинозема во всем мире.

3. Технология получения глинозема по способу спекания

Отличительной особеностью способа спекания от чисто гидрометаллургического является операция спекания - пирометаллургический передел. Цель этой операции - связать кремний в малорастворимые при последующей гидрометаллургической переработке соединения, чтобы затем на стадии выщелачивания спека вывести кремний из процесса.

С увеличением содержания SiO₂ переработка боксита по способу Байера становится экономически невыгодной, т.к. значительно увеличиваются потери щелочи и алюминия с красным шламом в виде соединения гидроалюмосиликата натрия по реакциям:

SiO_2тв + 2NaOH_р-р = Na₂SiO_3р-р + H₂O_р-р

2Na₂SiO_3р-р+2NaAl(OH)_4р-р=Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂Ov_тв+4NaOH_р-р

Бокситы с кремневым модулем меньше 6-7 единиц экономически целесообразнее перерабатывать по способу спекания.

Способом спекания перерабатывают бокситы (с получением бокситового спека), нефелиновые концентраты и руды (нефелиновый спек), байеровские шламы последовательного способа Баер-спекание (шламовый спек) и каолины или алюмокальциевые шлаки (алюмокальциевый саморассыпающийся спек).

Суть способа спекания заключается в термической обработке шихты с получением спека, с образованием алюмината натрия Na₂O·Al₂O₃, феррита натрия Na₂O·Fe₂O₃ и двухкальциевого силиката 2CaO·SiO₂ (ортосиликата кальция).

Идеи связать минералы алюминия в растворимую форму - алюминат натрия (Ле-Шателье), а основную наиболее вредную примесь SiO₂ - в малорастворимый силикат (Мюллер) имеют более чем 150-летнюю историю. Эти идеи лежат в основе способа переработки глиноземсодержащего сырья - бокситов, нефелинов, каолинов - спеканием.

Получаемый спек выщелачивают, и в раствор переходят полезные компоненты Al₂O₃ и Na₂O. Однако в связи с тем, что ортосиликат кальция, частично взаимодействуя с алюминатным раствором, разлагается и загрязняет алюминатный раствор кремнеземом SiO₂, требуется передел двухстадииного обескремнивания с удалением из раствора: на первой стадии - гидроалюмосиликата натрия и на второй - гидрограната кальция. Очищенный от кремния раствор подвергается разложению карбонизацией (или декомпозицией), в ходе которой образуются А1(ОН)₃ и раствор карбонатов. Гидроксид алюминия направляется на кальцинацию с получением оксида алюминия, а карбонатный маточник после выпарки идет в начало процесса на приготовление шихты (для бокситов) или на глубокую выпарку с получением соды и поташа как конечных продуктов. Также применяется и остающийся после выщелачивания белитовый шлам, который идет на получение цемента, что создает условия для создания комплексной безотходной технологии переработки нефелинов.

Способ спекания включает в себя следующие технологические операции:

1) приготовление шихты;

2) спекание шихты с получением спека;

3) измельчение и выщелачивание спека;

4) обескремнивание выщелоченной пульпы;

5) отделение алюминатного раствора от красного шлама и промывка красного шлама;

6) разложение алюминатного раствора;

7) отделение маточного раствора от гидроксида алюминия;

8) упаривание спекового раствора и выделение содо-сульфатной смеси;

9) прокалка гидроксида алюминия с получением глинозема;

10) узел выгрузки, хранения и ввода в процесс кальцинированной соды.

Конечным продуктом, как и в способе Байера, является глинозем.

4. Приготовление шихты

Приготовление шихты сводится к дроблению и измельчению исходных материалов, дозировке компонентов шихты и корректировке химического состава шихты - приготовлению шихты с требуемыми физико-химическими характеристиками: химический состав, влажность, крупность, соотношение компонентов шихты.

Руды поступают на завод в виде крупных кусков. В зависимости от крупности, твердости и влажности дробление руды ведут в молотковых, щековых и конусных дробилках. Боксит и известняк дробятся до крупности 35-40 мм, нефелиновая руда - до20 мм, после чего поступают на склад дробленых материалов; нефелиновый концентрат в дроблении не нуждается. Затем с помощью питателей, ленточных весов и автоматических весовых дозаторов проводится дозировка компонентов шихты для обеспечения нужного соотношения компонентов в исходной шихте. Мокрый размол ведут в многокамерных шаровых мельницах, работающих в открытом цикле или вместе с гидроциклонами.

При измельчении используется оборотный раствор, куда входит упаренный карбонатный раствор, белый шлам с передела обескремнивания и скрубберная пульпа с отделения спекания. Дозировка оборотного раствора должна обеспечить получение требуемой влажности пульпы: для бокситовых пульп (подача их осуществляется распылом и наливом) - 40 %; для нефелиновых (подача наливом) - 30 %. Подготовленная таким образом пульпа подается в коррекционные бассейны (цилиндро-конический резервуар с аэролифтным перемешиванием). Из этих бассейнов пульпа после анализа и соответствующей дозировки поступает на заключительную операцию - корректировку состава.

Корректировка производится на основе анализа путем смешения необходимых количеств пульпы из коррекционных бассейнов. Готовая пульпа нужного состава и качества - так называемая "паспортная" пульпа - хранится в сборных бассейнах, откуда подается непосредственно на спекание.

При переработке боксита по способу спекания используют двух- и трехкомпонентную шихту - боксит+сода+известь или боксит+сода.

К боксито-содовой шихте (пульпе) предъявляются следующие требования:

влажность шихты - не более 35,5 максимум 40 % (нефелиновой - 30 %);

тонина помола - не более 25 % фракции + 100 меш (0,147 мкм), (не более 5 % фракции более 74 мкм);

состав шихты после окончательной корректировки должен отвечать щелочному модулю шихты (м_щ) (молярному отношению).

Список литературы

1. Кафедра металлургии и легких металлов Логинова Ирина Викторовна, Кырчиков Алексей Владимирович.

2. http://media.ls.urfu.ru/201/584/1331/

Размещено на Allbest.ru