Производство глинозема
Глинозем – чистый оксид алюминия А1203 – является основным исходным материалом при производстве алюминия электролизом.
Существуют три группы процессов получения глинозема: щелочные, кислотные и кислотно-щелочные. В настоящее время практически весь глинозем получают щелочными методами, которые в свою очередь подразделяются на способ Байера, способ спекания и комбинированный способ.
За рубежом в основном используют способ Байера, в России - и способ Байера, и способ спекания.
Способ Байера целесообразнее применять при небольшом содержании SiO2 в сырье (Al2O3 : SiO2 > 5-7). При кремневом модуле < 5-7 экономичнее способ спекания.
Способ Байера
Способ Байера относится к щелочным гидрохимическим процессам. В его основе лежит обратимая реакция:
Al(OH)3 + NaOH ↔ NaAlO2 + 2H2O.
Метод основан на выщелачивании, цель которого растворить содержащийся в боксите глинозем, не растворяя остальные составляющие боксита. В условиях выщелачивания равновесие реакции идет вправо, т.е. алюминий переходит в раствор в виде алюмината натрия. В условиях декомпозиции (разложения) растворов равновесие сдвигается влево, приводя к гидролизу алюминатного раствора с образованием кристаллического осадка гидроксида алюминия. Таким образом, технологический цикл по щелочи замкнут.
Способ Байера применяют для переработки высококачественных бокситов с относительно низким содержанием кремнезема. Упрощенная схема производства глинозема по способу Байера приведена на рисунке 19. Согласно технологии исходный боксит дробят и затем измельчают. Выщелачивание бокситов проводят в вертикальных автоклавах (рисунок 20).
Автоклавы представляют собой стальные сосуды, работающие под давлением до 3 МПа и температуре до 250 ºС. Такие условия позволяют выщелачивать даже трудные бокситы. В отечественном производстве применяют автоклавы емкостью 25-72 м3, обогреваемые острым паром (вдуваемым непосредственно в пульпу).
Диаметр автоклава 1,6-2,5 м, высота 13,5-17,5 м.
Выщелачивание проводится и в непрерывном, и в периодическом режимах.
Рисунок 19 – Схема производства глинозема по способу Байера
При периодическом выщелачивании пульпу с начала до конца обрабатывают в одном автоклаве. Длительность процесса составляет около 3 ч. Более современным является непрерывное автоматизированное выщелачивание, которое проводится в автоклавных батареях. В зависимости от технологических требований батарея может объединять 6-10 автоклавов. Общее время пребывания пульпы в автоклавах составляет около 2 ч.
Пульпа, состоящая из алюминатного раствора и красного шлама, затем поступает на разбавление и далее в отделение сгущения и промывки красного шлама.
Алюминатный раствор после сгущения обрабатывают на фильтрах и отправляют на разложение (декомпозицию). Цель декомпозиции – кристаллизовать из раствора Al (OH)3.
Для осуществления процесса разложения алюминатного раствора его охлаждают и вводят «затравку» (ранее получение мелкие кристаллы Al (OH)3). Для наращивания крупных кристаллов пульпу непрерывно перемешивают в течение 50-90 часов.
Процесс проводится в аппаратах, называемых декомпозерами, с механическим или воздушным перемешиванием. Режим работы аппаратов может быть периодическим или непрерывным.
Декомпозер с механическим перемешиванием представляет собой стальной бак высотой и диаметром по 8 м, внутри которого вращается цепная мешалка.
Наиболее совершенными и крупными аппаратами являются декомпозеры с воздушным перемешиванием (рисунок 21).
1-зонт; 2-отверстиве для сдува пара; 3-лапы для крепления автоклава;
4-горловина нижнего днища; 5-теплоизоляция; 6-разгрузочная труба;
7-верхнее днище; 8-отверстие для манометра; 9-загрузочное отверстие
Рисунок 20 – Вертикальный автоклав
Вместимость декомпозеров с воздушным перемешиванием до 3000 м3. Для перемешивания пульпы служит циркуляционный аэролифт. Он состоит из двух концентрически установленных вертикальных труб. По внутренней трубе сверху подают сжатый воздух. Образуется воздушно-пульповая взвесь, которая сливается через верхний конец наружной трубы. Декомпозеры с воздушным перемешиванием устанавливаются в серии по 16-28 аппаратов.
Гидратная пульпа из декомпозеров направляется на сгущение и классификацию. Годной продукцией считается фракция с размером частиц 40-100 мкм, которую далее отправляют на кальцинацию. Мелкая фракция используется в качестве «затравки».
Цель кальцинации – термическое обезвоживание гидроксида алюминия по реакции:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O.
1-корпус; 2-аэролифт для перемешивания; 3-транспортный аэролифт; 4-боковая барботажная трубка; 5-водяные рубашки; 6-люк; 7-разгрузочный клапан; 8-вытяжная труба
Рисунок 21 – Схема декомпозера с воздушным перемешиванием
На практике кальцинацию проводят в трубчатых вращающихся печах длиной 35-110 м, диаметром 2,5-4,5 м. Печи кальцинации имеют наклон 2,5-3% к длине. Скорость вращения трубы 1-2 об/мин.
На некоторых зарубежных заводах кальцинацию глинозема проводят в печах кипящего слоя.
При способе Байера извлечение глинозема из бокситов составляет около 87%.
Способ спекания
Способ спекания относится к термическим методам производства глинозема.
Применяется в основном для высокосремнистых руд (SiO2 > 6-8%) с кремнистым модулем <5-7, но вообще пригоден для переработки любого алюминиевого сырья.
Сущность способа спекания – образование алюмината натрия при высокой температуре в результате взаимодействия алюминиевой руды, соды и известняка. В процессе получают спек, который выщелачивают водой. Затем алюминатный раствор разлагают углекислотой с выделением гидроксида алюминия. При прокаливании гидроксида получают глинозем.
Схема способа спекания представлена на рисунке 22.
Рисунок 22 – Схема производства глинозема из бокситов по способу спекания
Цель спекания – перевести алюминий руды в форму водорастворимого алюмината NaAlO2 и связать кремнезем в малорастворимые кальциевые силикаты. Спекание проводится в трубчатых вращающихся печах длиной до 185 м и диаметром до 5 м. Печи оборудованы холодильниками.
Полученный спек на выходе из холодильника дробится до крупности 6-8 мм и отправляется на выщелачивание. Выщелачивание проводят водой в диффузорах (рисунок 23), перколяторах или трубчатых выщелачивателях.
Диффузоры высотой 5 м и диаметром 1,5 м группируют в батареи по 12-15 шт. Диффузорная батарея работает по принципу противотока.
Перколяторы и трубчатые выщелачиватели имеют более высокую производительность, но пока предпочтение отдают диффузорам.
Продуктами выщелачивания являются алюминатный раствор и красный шлам. Полученный алюминатный раствор загрязнен примесями, особенно кремнеземом. Поэтому перед осаждением гидроокиси алюминия необходимо провести очистку раствора от примесей методом обескремнивания.
1-крышка загрузочного люка; 2-стальной корпус; 3-гидравлическое устройство для прижима нижней крышки; 4-ввод растворителя; 5-решетка откидной крышки; 6-крышка загрузочного люка
Рисунок 23 – Диффузор
На практике обескремнивание растворов осуществляют длительным нагревом без добавок или в присутствии извести в автоклавах.
Чистые алюминатные растворы подвергают карбонизации, т.е. осаждению гидроксида алюминия в специальных аппаратах – карбонизаторах (рисунок 24). Для этого через алюминатный раствор пропускают топочные газы печей спекания, содержащие углекислоту (10-14% СО2). Процесс карбонизации протекает быстрее декомпозиции в способе Байера и завершается в течение 10-12 час.
Карбонизаторы применяют двух типов: цилиндрической и цилиндроконической формы. Чаще используется аппарат второго типа. Он имеет диаметр цилиндра 11 м, общую высоту 16 м и емкость 600 м3. Газ поступает в коническую часть аппарата через 8 барботеров, расположенных по окружности. Перемешивание пульпы с газом происходит посредством циркуляционного аэролифта.
После карбонизации пульпу отстаивают, фильтруют. Гидроксид алюминия тщательно промывают и прокаливают в трубчатых печах для обезвоживания.
1-корпус; 2-барботер; 3-центральный аэролифт; 4-транспортный аэролифт; 5-регулирующая заслонка; 6-вытяжная труба; 7-нижний люк; 8-клапан
Рисунок 24 – Карбонизатор с коническим днищем
Как уже отмечалось выше, способ спекания является более универсальным способом производства глинозема. Тем не менее, когда качество бокситов позволяет, предпочитают способ Байера, как более простой и дешевый.