Участок карбонизации алюминатных растворов в аппаратах с механическим перемешиванием глиноземного цеха

Второй способ. Алюминатный раствор подвергают продолжительному нагреванию при этом происходит связывание соединений кремния в малорастворимое соединение - гидроалюмосиликата натрия, который выпадает из раствора в осадок. Реакция образования ГАСН может быть представлена в виде

Образующийся осадок ГАСН имеет пространственную сетчатую структуру, состоящую из каркаса и пронизывающих его в определенном порядке полостей. Эти полости могут заполняться ионами, присутствующими в растворе, в частности , , , что приводит к изменению соотношения , , в формуле ГАСН. Обычно состав образующихся в производственных условиях осадков отвечает формуле . Количество химически связанной воды в осадке зависит от температуры его получения: с повышением температуры количество воды в осадке уменьшается. В зависимости от условий обескремнивания (температура, концентрации раствора и др.) образуются гидроалюмосиликаты натрия неодинаковой кристаллической структуры, чем можно объяснить различие их физических свойств, в частности разную способность растворяться в алюминатном растворе.

На рисунке 2 показано изменение содержания SiO2 в алюминатных растворах в зависимости от содержания Al2O3 и времени выстаивания при 70°С, Кривую АС можно считать равновесной, ниже ее (область I) растворы не насыщены кремнеземом и способны растворять его. В области II (между кривыми АС и АВ) растворы находятся в метастабильном состоянии. Из них медленно выделяется натриевый алюмосиликат; процесс ускоряется в приcутствии затравки. В области III находятся пересыщенные кремнеземом растворы, из которых избыток кремнезема мгновенно выпадает в осадок.

 

АВ - через 1-2 часа, АС - через 5-6 суток

Рисунок 4.1 - Изменение содержания SiO2 в алюминатных растворах при 70°С в зависимости от содержания Al2O3 и времени выстаивания

На рисунке 4.2 приведена кривая равновесной концентрации SiO2 в алюминатных растворах, на которой видно, что возможная степень обескремнивания зависит от концентрации раствора. Так, с повышением концентрации Al2O3 в растворе растворимость кремнезема в нем увеличивается и достигаемая степень обескремнивания понижается. С повышением концентрации каустической щелочи в растворе при постоянной концентрации Al2O3 глубина и скорость обескремнивания уменьшаются.

Обескремнивание ускоряется в присутствии твердых частиц гидроалюмосиликата натрия белого или красного шлама. Однако присутствующий в красном шламе в-2CaO·SiO2 при обескремнивании разлагается, что сопровождается потерями Al2O3 и Na2O из-за связывания Al2O3 в гидроалюмосиликат натрия, выпадающий в осадок. Красный шлам попадает в алюминатный раствор при выщелачивании спека и находится в растворе в виде взвеси. Содержание этой взвеси в растворе должно быть минимальным.

 

Рисунок 2 - Кривая равновесной концентрации SiO2 в алюминатных растворах

Присутствие в алюминатных растворах соды и сульфата натрия способствует лучшему обескремниванию, что можно объяснить образованием более плотной и менее растворимой структуры гидроалюмосиликата натрия. Поташ оказывает отрицательное влияние на обескремнивание, так как гидроалюмосиликат калия обладает большей растворимостью по сравнению с гидроалюмосиликатом натрия. Начальная концентрация кремнезема в растворе практически не влияет на степень его обескремнивания.

В практике обескремнивания большое значение имеет время, затрачиваемое на очистку растворов: чем оно меньше, тем, следовательно, выше скорость обескремнивания растворов. Существенное влияние на этот фактор оказывает температура, скорость перемешивания, количество и удельная поверхность затравки, ее природа.

На заводах обескремнивание алюминатных растворов ведут при 140-170°С. Дальнейшее повышение температуры мало влияет на кинетику и глубину процесса обескремнивания и поэтому экономически нецелесообразно. Чем ниже температура, тем больше должно быть время обескремнивания. Наиболее интенсивно обескремнивание идет первые 2-3 ч, причем для достижения одного и того же кремниевого модуля для более концентрированных алюминатных растворов требуется более длительное время. В практических условиях обескремнивание при 150-170°С ведут в течение 2-3 ч, при дальнейшем увеличении времени выдержки при этой температуре мало повышается кремниевый модуль и требуется дополнительная аппаратура, что связано с большими капитальными затратами.

Показатели обескремнивания при данной температуре могут значительно изменятся от изменения скорости перемешивания: чем интенсивнее перемешивании, тем меньше времени требуется для обескремнивания. Имеется, однако, предел, выше которого увеличение интенсивности перемешивания не оказывает никакого влияния.

Поскольку процесс обескремнивания представляет собой по существу частный способ кристаллизации, введение затравки при обескремнивании значительно увеличивает скорость кристаллизации ГАСН. Вводимая затравка не должна вызывать дополнительных потерь , свыше стехиометрических количеств при связывании в ГАСН и не загрязнять алюминатные растворы примесями переходящими в конечный продукт - глинозем. Необходимая продолжительность процесса обескремнивания определяется формирование кристаллов ГАСН до таких размеров при которых они начинают выделятся из раствора это требует определенного промежутка времени. Скорость кристаллизации любого вещества определяется скорость возникновения центров кристаллизации и скорость их роста. Можно исскуственно ввести центры кристаллизации, тем самым увеличив скорость обескремнивания. [1; с.244]

Затравкой для обескремнивания может служить ранее выделенный алюмосиликат натрия, т.е. увеличив число центров кристаллизации в растворе, повышается скорость кристаллизации. Также затравкой могут служить мельчайшие частички шлама оставшиеся после выщелачивания спека в сливе с выщелачивателя.

Поэтому в настоящие время на ПАЗ-е в алюминатный раствор перед обескремниванием добавляют до 80-100г/л твердого ГАСН полученный после сгущения алюминатного раствора и обескремнивания.

3. Описание аппаратурно-технологической схемы узла обескремнивания алюминатного раствора

Назначение узла обескремнивания - выделить из алюминатного раствора вредную примесь SiО2 и тем самым повысить кремневый модуль раствора со 100 до 450-480 единиц. Алюминатный раствор из мешалок обескремнивания направляется высоконапорными насосами в первые автоклавы батареи, в которых алюминатный раствор подогревается острым паром с ТЭЦ. Параметры греющего пара: давление - 12 атм, температура 2500С.

Автоклавная батарея состоит из восьми автоклавов, два из которых греющие, а шесть - реакционные, из сепаратора-самоиспорителя, буферного бака, полочного подогревателя и гидрозатвора.

Расход пара на батареи обескремнивания обусловлен заданной температурой обескремнивания, которая в первых автоклавах должна быть не ниже 140-1450С.

Из последнего автоклава раствор поступает в сепаратор-самоиспоритель где давление снижается до 0,7 атм. Раствор вскипает в сепараторе и отделяется от пара. Увлеченные паром капли раствора улавливаются ловушкой (инертным каплеотделителем). Ловушка располагается в верхней части сепаратора или над сепаратором. Сепараторный пар используется для подогрева раствора в мешалках перед обескремниванием и для подогрева горячей воды в гидрозатворе. Из сепаратора раствор поступает буферный бак, где давление снижается до атмосферного. Вторичный пар буферного бака используется в полочном подогревателе для подогрева подшламовой воды, которая из подогревателя поступает в гидрозатвор и далее самотеком в баки горячей воды.

Обескремненый раствор из буферных баков самотеком поступает в распределительную коробку сгустителя белого шлама. После обескремнивания кремниевый модуль должен быть не менее 450 единиц. Раствор находится в автоклавной батарее от 1,5-2,5 часов. [2]

 

4. Расчетная часть

4.1 исхдные данные

В процессе обескремнивания алюминатного раствора должны соблюдаться определенные нормы, обеспечивающие безопасное его ведение, а также способствующие получению необходимой степени обескремнивания.

1) Химический состав боксита, %: Al2O3 = 47,9; Fe2O3 = 26,8; SiO2 = 9,8;

CaO = 0,9; CO2 = 1,9; W = 16,2; акр = 3,93; п.п.п = 24; прочие = 0,71.

2) Химический состав известняка, %: SiO2 = 0,8; CaO = 54,7; CO2 = 42,98; прочие = 0,52; W = 1,11.

3) Химический состав кальцинированной  соды, %: Na2CO3+K2CO3 = 96,1;

W = 1,0; прочие = 2,9.

4) Химический состав твердой  фазы алюминатного раствора до  обескремнивания, гр/л: Al2O3 = 99,9; Na2Ok = 93,2; SiO2 = 0,98; H2O = 1006; акр = 111; плотность = 1200; ак = 1,53.

5) Разбавление алюминатного раствора  ветви спекания при обескремнивании 2,38%.

6) Химический состав оборотного  раствора, гр/л,: Al2O3 = 122,95; Na2Ok = 219; Na2Oy = 24,2; СО2 = 17,7; H2O = 1066,15; плотность = 450; ак = 2,93.

7) С оборотной содой увлекается  оборотного раствора в количестве 25% от массы влажной соды.

8) Топливом для печей спекания  служит уголь с содержанием  золы 5,8%. Состав золы, %: Al2O3 = 22,6; Fe2O3 = 9,4; SiO2 = 50,5; CaO = 3,1; W = 14; прочие = 6,7.

9) Влага шихты спекания -38,7%.

10) Дозировка компонентов шихты  спекания аизв=1071? СаО/SiO2 = 2; дозировка Na2O в соде на Al2O3 в шихте, ащел= 1,645 , Na2O/Al2O3 = 1,37.

11) Выход Al2O3 в обескремненом алюминатном растворе ветви спекания составляют 72,9%.

12) Влага отвального шлама ветви  спекания равна 60%.

13) Химический состав алюминатного  раствора ветви спекания после  обескремнивания и подщелачивания, гр/л: Al2O3 = 98,8; Na2Ok = 90,98; SiO2 = 0,21; H2O = 1010,01; акр =4 70,48; плотность 1200.

14) Влага кека красного шлама равна 43%, влага красного шлама на спекании равна 52,5%(шлам репульпирован содовым раствором).

15) Белый шлам с конуса сгустителей  содержит 600гр/л твердого, плотность  твердой фазы 2500 кг/м3.

16) Химический состав оборотного  раствора с содоотстойника, гр/л:

Al2O3 = 125; Na2Ok = 121; Na2Oy = 24,5; СО2 = 17,39.

17) СО2 поглощаемый из атмосферы воздуха 2,5кг на тонну глинозёма.

18) Потери Al2O3 в обеих ветвях составит 109,72кг.

19) Безвозвратные потери Al2O3 в ветви  Байера:

- транспортировка и дробление -2,85кг;

- при размоле боксита -6,37кг;

- с железистыми песками -17,47кг;

- при кальцинации -9,44кг.

20) Количество красного шлама  поступаемого на спекание -1422,01кг:

состав, кг: Al2O3 = 363,59; Na2Ok = 231,2; Fe2O3 = 440,06; SiO2 = 269,68; CaO = 18,39; п.п.п = 83,78; прочие = 15,31.

21) Состав пром. воды увлекаемой кеком, кг: Al2O3 = 17,5; Na2Ok = 5,09;

Na2Oy = 0,8; СО2 = 0,57; H2O = 1072,74.

22) СО2 поступающий с бокситом -48,9кг.

23) Потери Na2O по заводу равны 78кг  на тонну глинозёма.

24) Товарный глинозём содержит, % : Al2O3 = 98,78; Na2O = 0,37; п.п.п = 0,81; прочие = 0,04.

25) Потери воды во время технологического  процесса:

- во время спекания шихты 1818,68кг;

- при кальцинации 622,04кг.

26) Суммарный товарный выход Al2O3 составляет 90%.

4.2 Материальный баланс производства

Расчеты материальных потоков, т.е. составление материальных балансов ведется на одну тонну получаемого глинозема.

Расчет боксита вводимого в процесс.

Общий товарный выход Al2O3 равен 90% (пункт 4.1, 26), следовательно для получения 1 тоны глинозёма необходимо подать в процесс боксита

987,8/(0,4249*0,9) =2583 кг

Который содержит Al2O3

2583?0,4249 = 1097,52 кг,

где 987,8 - содержание Al2O3 в 1 тонне глинозёма, кг;

0,4249 - содержание Al2O3 в глинозёме, кг (пункт 4.1,1).

Расчет потерь во время технологического процесса.

1) Потери воды составят

1818,68+622,04=2440,72 кг,

где 1818,68 - потери воды во время спекания шихты, кг (пункт 4.1,25);

622,04 - потери воды при кальцинации, кг (пункт 4.1,25).

Кроме того потери воды происходят за счет испарения растворов и выброса паров через вытяжные трубы, так же при охлаждении и испарении воды на шламовом поле, поэтому рассчитанные потери на спекание и кальцинации увеличить в 1,5 раза, тогда необходимо ввести в процесс свежей воды

=2440,72?1,5=3661,08кг.

2) Расчет потерь Al2O3 и Na2O в ветви  спекания.

Таблица 6.1 - Потери Al2O3 и Na2O в ветви спекания.

Статьи потерь	Al2O3 % от суммы потерь	Na2O, кг (пропорционально) кг
При размоле шихты	0,6	1,63	1,73
При спекании и дроблении	1,31	3,55	3,76
При выщелачивании	24,45	66,39	70,37
При промывке шлама	0,45	1,22	1,29
При обескремнивании	0,29	0,8	0,85
Итого	27,1	73,59	78

Процент потерь Al2O3 составит (пункт 4.1, 11)

100-72,9=27,1 %

Сумма потерь Al2O3 равна 109,72 (пункт 4.1, 18), а на спекании теряется (за вычетом безвозвратных потерь ветви Байера)

109,72-2,85-6,37-17,47-9,44=73,59 кг,

где 2,85; 6,37; 17; 47; 9,44 - безвозвратные потери в ветви Байера (пункт 4.1, 19)

Потери Al2O3 при размоле шихты составят

73,59*0,6/27,1=1,63 кг.

Остальные статьи потерь рассчитываются аналогично.

Потери Na2O по заводу в сумме составляют 78 кг на тонну глинозёма (пункт 6.1, 23) по статьям рассчитывают пропорционально потерям Na2O на 1кг Al2O3.

Потери при размоле шихты

78*1,63/73,59=1,73кг.

Остальные статьи потерь рассчитываются аналогично.

Расчет шихты спекания и ее компонентов.

1) Расчет количества жидкой фазы, увлекаемой красным шламом, подаваемым  на спекание.

Поступает красный шлам из ветви Байера, состав которого дан в нормах технологического режима пункт 20. Он поступает на спекание с влагой равной 52,5%, которая складывается из влаги кека - 43%, представляющую собой промывную воду и оборотную воду, восстанавливающую 52,5-43=9,5%. Тогда количество воды передаваемая на спекание красного шлама составит

1422,01*0,525/0,475=1571,7 кг,