Расчет материального баланса производства глинозема способом Байера. Оценка распределения в нем органических примесей

 

Федеральное Агентство по образованию  Российской Федерации

Санкт-Петербургский  Государственный  Горный  Институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

 

Курсовой проект

 

По дисциплине:                       Металлургия легких металлов

            ^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

 

 

Тема:     Расчет материального баланса производства глинозема способом Байера. Оценка распределения в нем органических примесей

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент  гр. МЦ-06          ______________         /Гордюшенков Е. Е./

                                                                                                          ^{(подпись)                                   (Ф.И.О.)}  

ОЦЕНКА: _____________

 

Дата: __________________

ПРОВЕРИЛ:

Руководитель:         ассистент             ____________               /Цыбизов А.В./

                                                 ^{(должность)                                 (подпись)                                          (Ф.И.О.)}

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2010

 

Оглавление

 

Способ Байера. Общие сведения

Промышленные способы получения  глинозема

Из различных алюминиевых руд  глинозем можно получать щелочными  и кислотными способами вследствие наличия у него амфотерных свойств. В промышленности применяются пока только щелочные способы; чисто кислотные и кислотно-щелочные способы находятся в стадии лабораторных и полузаводских исследодваний.

Промышленные щелочные способы  производства глинозема из бокситов, нефелинов и алунитов подразделяют на:

1. гидрохимический (способ Байера);
2. способ спекания;
3. комбинированный способ (сочетание способа Байера со способом спекания в параллельном или последовательном варианте).

Для нефелиновых руд применяется  только способ спекания с известняком  или с известняком и содой. выбор же способа переработки  бокситов определяется следующими основными факторами:

1. кремневым модулем;
2. содержанием Fe₂O₃;
3. содержанием вредных примесей: карбонатов, сульфидов и органических веществ;
4. минералогическим составом сырья.

При прочих благоприятных условиях бокситы с кремневым модулем >6-7 целесообразно перерабатывать по способу Байера, бокситы с кремневым модулем <6 и с умеренным содержанием оксида железа (не более 20% Fe₂O₃) – по последовательному варианту комбинированного способа Байер-спекание и, наконец, бокситы с модулем <6, но с повышенным содержанием Fe₂O₃ – по способу спекания. Под благоприятными условиями имеется в виду малое содержание в бокситах карбонатов и сульфидов (особенно FeCO₃ и FeS₂). Из-за повышенного содержания этих примесей может оказаться невыгодным способ Байера для бокситов с кремневым модулем >6-7 вследствие больших потерь каустической щелочи (переход ее в соду и сульфат натрия), плохого отстаивания красного шлама и загрязнения алюминатных растворов двухвалентным железом.

Способ Байера – самый дешевый  и самый распространенный, однако лдя его осуществления требуются высококачественные бокситы. Способ спекания – наиболее дорогой, но более универсальный и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью. С большим успехом применяются комбинированные щелочные способы. Параллельный вариант используют для термической каустификации соды и компенсации потерь дорогой каустической щелочи более дешевой содой; для спекательной ветви этого варианта может применяться как высококачественный байеровский боксит, так и спекательный. Последовательный вариант комбинированного способа по технико-экономическим показателям занимает промежуточное положение между способом Байера и способом спекания и применяется для высококремнистых бокситов для максимального извлечения из них глинозема.

Основы способа Байера

Способ Байера основан на свойстве алюминатных растворов находится  в устойчивом состоянии при повышенных температурах и концентрациях и  на самопроизвольном их разложении (гидролизе) с выделением в осадок гидроксида алюминия при понижении температуры и концентрации. В основу этого способа положены патенты К. Байера (Германские патенты № 43977 от 3 августа 1889 г. и № 65604 от 3 сентября 1892 г.), работавшего в России на химическом заводе в Санкт-Петербурге. Согласно этим патентам получение глинозема из бокситов заключается в выщелачивании их оборотными алюминатно-щелочными растворами, отделении красного шлама и разложении насыщенных алюминием алюминатных растворов при перемешивании с затравкой – свежеосажденным гидроксидом алюминия.

Принципиальная схема способа Байера представлена на рис. 1. В зависимости от состава боксита и местных условий могут быть различные варианты этой схемы.

Поступающий на склад боксит после  крупного и среднего дробления смешивают  с небольшим оъемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8-1,2) 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 реечными или спиральными классификаторами, которые иногда заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа из мельниц собирается в сборниках, куда подают остальное количество оборотного раствора. Здесь ее нагревают паром сепарации до 90-100°С и выдерживают несколько часов при перемешивании для предварительного обескремнивания боксита, т. е. перевода большей части кремнезема из боксита в раствор и далее в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия. Этим достигается меньшее зарастание алюмосиликатной накипью трубок подогревателей, через которые проходит пульпа в автоклавы.

Далее пульпа нагревается в системе  подогревателей и подается в автоклавную  батарею для выщелачивания боксита. Из последнего автоклава батареи  «варения» пульпа перетекает в систему  сепараторов (пароотделителей), где от самоиспарения алюминатного раствора образуется пар, используемый для предварительного нагрева пульпы в подогревателях перед автоклавами. из последнего сепаратора охлажденная пульпа поступает в мешалки для разбавления промывной водой и далее на отделение и промывку красного шлама в систему сгустителей, работающих по принципу противотока. Промытый и сгущенный в последнем сгустителе красный шлам откачивается в отвал на шламовое поле, а алюминатный раствор (слив) из первого (основного) сгустителя подается на контрольную фильтрацию для полного отделения взвеси шлама. Чистый алюминатный раствор охлаждается до 55-60°С в теплообменниках и поступает вместе с затравочным гидроксидом на разложение (декомпозицию) в батарею декомпозеров.

После разложения в течении 40-100 ч полученная пульпа гидроксида алюминия поступает 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 ¾ всего гидроксида) используют в качестве затравки. Иногда затравочный гидроксид также предварительно промывают, но не так тщательно, как товарый (для кальцинации).

Маточный алюминатный раствор с и воду от промывки гидроксида (промводу) направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, где концентрацию Na₂O_к в растворе повышают до 200-300 г/л. Так как растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде одноводной 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.

Для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации  известковым молоком. 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 для возмещения химических и механических потерь ее, и раствор направляют на выщелачивание боксита.

Готовый гидроксид  алюминия фильтруют и прокаливают  при температуре около 1200°С во вращающихся  трубчатых печах, топочные газы которых  тщательно очищают от глинозема.

Взаимодействие органических веществ  с растворами NaOH

Помимо основных составляющих – Al2O3, Fe2O3, SiO2 и TiO2, входящих в состав различных минералов, в бокситах могут содержаться многочисленные примеси органических веществ, соединений серы, фосфора, ванадия, хрома, галлия, фтора и др. в малых или незначительных количествах.

В производстве глинозема по способу  Байера маточные растворы – оборотные, поэтому даже незначительные примеси  в боксите постепенно могут накапливаться  в процессе, осложняя его и загрязняя Al(OH)₃.

Органические вещества содержатся в бокситах в форме гуминов и битумов. Гуминовые вещества состоят главным образом из гуминовых кислот – продукта превращения лигина. Они хорошо реагируют с растворами щелочей, образуя различные соединения щелочных гуматов, превращающихся в легко растворимый оксалат натрия и в разные смолистые вещества, дающие с едкой щелочью коллоидные растворы.

Гумины имеют сложный состав, химическая формула которых до настоящего времени не установлена. Элементарный состав гуминов может быть выражен  следующими средними цифрами: 58% С, 36% О₂, 4% Н₂, 2% N₂ и некоторых др.

Битумы отличаются от гуминов большим  содержанием углерода и водорода, они мало растворяются в щелочных растворах. Следовательно, не вся органика, содержащаяся в бокситах, должна рассматриваться как одинаково вредная примесь.

Хотя содержание органических веществ  в бокситах составляет только сотые  доли процента, а в раствор переходит  только гуминовая доля и то лишь часть ее, но, как показала практика, через определенное число циклов в растворах накапливаются значительные количества этих веществ. Многие органические вещества оказывают вредное влияние на выщелачивание бокситов, на сгущение и промывку красного шлама вследствие заметного повышения вязкости алюминатных растворов, причем гидроксид алюминия получается более мелкий. Наконец, эти вещества ухудшают работу выпарных аппаратов и кристаллизацию соды из оборотных растворов.

Основной источник органических веществ  – боксит; кроме того, они попадают в растворы в результате взаимодействия их с фильтровальным полотном и органическим флокулянтом (ржаной мукой). Органические вещества частично удаляются на разных переделах, больше всего с красным шламом, готовым гидроксидом алюминия, моногидратом соды (рыжей содой), выделяющимся при выпарке маточных растворов, и с известковым шламом от каустификации рыжей соды. Чем больше органических веществ, тем больше их выходит из цикла этими путями.

По достижении в цикле определенного  количества органических веществ наступает  равновесие между их поступлением и  выводом. При таком равновесии содержание этих веществ должно оставаться ниже предельного, в противном случае нужны дополнительные меры для очистки растворов. Обжиг, а в некоторых случаях и промывка бокситов могут снизить предельную концентрацию органических веществ в алюминатных растворах.

Среди упомянутых выше поглотителей органических веществ из алюминатных  растворов на разных переделах наилучшая  адсорбционная способность у  моногидрата соды. Из-за адсорбции  быстро прекращается рост кристалликов моногидрата; выпадающий осадок состоит из мельчайших частиц, следовательно, имеет большую удельную поверхность, а концентрация органических веществ в выпарном растворе до начала кристаллизации соды наибольшая. Моногидрат соды окрашен органикой, поэтому на заводах его называют «рыжей содой». Гидроксид алюминия, полученный декомпозицией, тоже окрашен органическими веществами: он розоватый в отличие от белоснежного гидроксида, получаемого по способу спекания.

Количество органических веществ, адсорбируемых красным шламом, зависит  от его выхода, минералогического и дисперсионного состава, т. е. от активной поверхности шлама, а так же от концентрации органических веществ в алюминатном растворе.

 

Материальный баланс производства глинозема из бокситов по способу  Байера

Исходные данные

1. химический состав боксита, %:

Al₂O₃ 54,0; Fe₂O₃ 23,6; SiO₂ 4,0; TiO₂ 2,2; CaO 2,0; CO₂ 1,6; п.п.п. 11,0; прочие 1,6 (всего 100%); влага (H₂O) 7,0;

2. химический состав извести, %:

CaO_акт 86,4; CaO_связ 2,6; SiO₂ 3,6; CO₂ 2,0; прочие 5,4 (всего 100%); влага (H₂O) 7,0;

3. товарный выход Al₂O₃ 89,0%;
4. расход извести 3,0% от массы сухого боксита;
5. состав оборотного раствора, г/л:

Na₂O_к 300,0; Al₂O₃ 129,87; Na₂O_у 26,10; CO₂ 18,52; H₂O 945,50; плотность 1420 кг/м³; α_к=3,8;

6. состав алюминатного раствора Al₂O₃ 145,15 г/л; плотность 1240 кг/м³; α_к=1,7;
7. потери Na₂O 62,9 кг;
8. ж:т в уплотненной пульпе со сгустителя 3,0; с последнего промывателя 2,5;
9. содержание Na₂O в жидкой фазе отвального шлама 2,145 г/л;
10. разбавление пульпы при выщелачивании с учетом самоиспарения в сепараторах составляет 1,5%;
11. затравочное отношение (З.О.) 2,0; влажность затравочной гидроокиси алюминия 20,0%; в сгущенной гидроокиси алюминия ж:т=1,0;
12. расход воды на промывку гидроокиси алюминия 1 т, влажность отфильтрованной гидроокиси 10,0%;
13. с моногидратом соды увлекается оборотного раствора 25% от массы влажного осадка;
14. количество извести при каустификации 125% от стехиометрического; степень каустификации 90%;
15. Na₂O_общ в растворе известковой пульпы 10,0%, содержание влаги в отвальном известковом шламе 25,8%.