Программа дисциплины (Syllabus) PGA 3302 - Производство глинозема и алюминия (стр. 4 )

При кислотных способах в результате выщелачивания алюминиевых руд всегда в большей или меньшей степени растворяются оксиды железа и титана; кремнезем с кислотами почти не реагирует и практически может быть полностью отделен от раствора алюминиевой соли механическим путем. Поведение же солей железа в кислотных растворах очень близко к поведению солей алюминия. Полная очистка растворов алюминиевых солей в этом случае – достаточно трудная операция; поэтому для переработки кислотными способами применимы руды с низким содержанием железа: каолины, белые глины и др.; содержание же кремнезема в них не играет существенной роли.

В настоящее время кислотные способы для производства металлургического глинозема почти не применяются. Это объясняется особенностями самих кислотных способов: 1) полная очистка глинозема от примеси железа представляет значительную сложность; 2) аппаратура должна быть кислотоупорной (свинцовая, керамическая и др.), а следовательно, более дорогой, нежели железная в щелочных способах; 3) регенерация кислот связана с большими затруднениями и потерями, тогда как щелочи сравнительно легко и с достаточной полнотой могут быть возвращены в процесс.

Что касается электротермических способов, то основным условием целесообразности их промышленного осуществления является наличие очень дешевой электроэнергии. Известны только единичные случаи применения электротермических способов производства глинозема. 

Рекомендуемая литература: [6], 44-45 стр.

Тема 5. Получение глинозема из бокситов способом Байера.

Общая схема способа. Физико-химические основы производства глинозема по способу Байера. Основные операции способа: подготовка к выщелачиванию и выщелачивание, сущность операции; взаимодействие основных компонентов боксита с щелочными алюминатными растворами при выщелачивании; технология выщелачивания бокситов и аппаратура; отделение и промывка красного шлама; разложение алюминатных растворов декомпозицией; упаривание  маточного раствора, выделение из упаренного раствора соды и органических примесей; кальцинация гидроксида алюминия, физико-химические превращения и аппаратура.

Общая схема процесса. Способ Байера наиболее распространен в мировой алюминиевой промышленности. Этим способом перерабатывают высококачественные бокситы с относительно невысоким содержанием растворимого в щелочном растворе кремнезема. Примерная технологическая схема производства глинозема по способу Байера показана на рисунке 1.

  Рисунок 1 – Схема производства глинозема по способу

Боксит, поступающий со склада, дробят, после чего размалывают в среде концентрированного щелочного раствора. Этим раствором боксит затем выщелачивают, чтобы перевести оксид алюминия в раствор. Для более полного перевода оксида алюминия в раствор выщелачивание часто ведут в присутствии небольших количеств извести. Полученная в результате выщелачивания пульпа состоит из раствора алюмината натрия и нерастворимого остатка боксита – красного шлама. Шлам отделяют от алюминатного раствора отстаиванием (сгущением), после чего промывают водой и направляют в отвал, а промывные воды используют для разбавления пульпы.

Алюминатный раствор для более полного отделения от него частиц шлама фильтруют. Чистый алюминатный раствор поступает на разложение (декомпозицию), которое достигается длительным перемешиванием алюминатного раствора со значительным количеством затравочного гидроксида алюминия. Полученная
в результате декомпозиции пульпа состоит из выпавшего в осадок гидроксида алюминия и маточного щелочного раствора. Гидроксид алюминия отделяют от маточного раствора сгущением. Часть полученного гидроксида алюминия возвращают в виде затравки в следующие порции раствора, идущего на декомпозицию, остальной гидроксид после фильтрации и промывки 'прокаливают (кальцинируют) при высокой температуре. При прокаливании гидроксид алюминия обезвоживается и превращается и глинозем.

Маточный щелочной раствор упаривают, чтобы повысить его концентрацию, и используют для выщелачивания новых порций боксита. Выпаривание маточного раствора может сопровождаться выделением в осадок некоторого количества соды. Выкристаллизовавшуюся соду отделяют от раствора, а чтобы снова перевести
в каустическую щелочь, обрабатывают гашеной известью (каустифицируют).

Подготовка к выщелачиванию. Подготовка боксита в способе Байера в зависимости от минералогического состава и физико-химических его свойств может включать обогащение, дробление, усреднение, измельчение, сушку и обжиг.

Один из видов обогащения боксита – мойка его проточной водой, освобождающей боксит от примесей глины, песка и т. д.

В большинстве случаев бокситы не подвергают предварительному обогащению. Перед отгрузкой с рудника боксит иногда сушат для удаления влаги, что предупреждает смерзание боксита при транспортировке его зимой.

Боксит с рудников поступает иногда в кусках, достигающих 40-50см в поперечнике. При крупном дроблении размер кусков сокращается до 100-150мм. Для крупного дробления применяют щековые или молотковые дробилки.

Среднее дробление боксита до крупности 40мм осуществляется в конусной дробилке.

Для измельчения боксита применяют мокрый размол его в шаровых или стержневых мельницах, работающих совместно с механическими классификаторами или гидроциклонами. Размол ведут в среде оборотного щелочного раствора.

На рисунке 2а показана схема одностадийного размола боксита в шаровой мельнице, работающей в замкнутом цикле с гидроциклонами. Из бункера 1, расположенного над мельницей 4, боксит пластинчатым питателем 2 подается на ленточный весоизмеритель 3 и далее в загрузочную течку мельницы. Сюда же поступает оборотный раствор, а также известь. Из мельницы размолотый боксит в виде пульпы поступает в мешалку 5, а из нее насосом перекачивается на классификацию в гидроциклоны 6. Пески гидроциклонов возвращаются в мельницу на доизмельчение, а слив направляется на выщелачивание.

На рисунке 2б показана схема двустадийного размола боксита. Здесь мельница первой стадии размола работает на боксите в открытом цикле с классификацией размолотого материала в гидроциклоне, а мельница второй стадии работает на песках в замкнутом цикле с гидроциклонами. Классификация пульпы после второй стадии размола проходит в две стадии в последовательно соединенных гидроциклонах. Неизбежные потери щелочи в процессе компенсируются добавками свежего каустика.

  а)  б)

Рисунок 2 – Схема одностадийного (а) и двухстадийного (б) размола боксита:

а) 1 – бункер, 2 – пластинчатый питатель, 3 – ленточный весоизмеритель, 4 – мельница,  5 – мешалка, 6 – гидроциклоны;

б) 1 – бункер, 2  – тарельчатый питатель; 3 – ленточиыи весоизмеритель,  4 – мельница 1-й стадии, 5 – мельница 2-й стадии, 6 –  мешалки, 7 – гидроциклоны.

Гиббситовые бокситы измельчают до крупности менее 0,2-0,5мм, диаспоровые бокситы до зерен менее 0,07-0,08мм.

Пульпой называют смесь твердой и жидкой фаз, например в производстве глинозема – смесь размолотого боксита с оборотным щелочным раствором или смесь гидроксида алюминия со щелочным маточным раствором. Пульпа характеризуется химическим составом ее составляющих, отношением жидкой и твердой фаз по массе (ж : т) или содержанием твердого в одном литре пульпы.

Выщелачивание боксита. Цель – перевод оксида алюминия из боксита в раствор в виде алюмината натрия. Это достигается обработкой измельченного боксита оборотным щелочным раствором:

Al2O3 ∙ H2O+2 NaOH = 2 NaAlO2+2 H2O

Al2O3 ∙ 3H2O+2 NaOH = 2 NaAlO2+4 H2O

Различные минералогические формы оксида алюминия ведут себя при выщелачивании по-разному. По степени убывания хими­ческой активности при взаимодействии с щелочным раствором минералогические формы А12O3, присутствующие в бокситах, можно расположить в следующий ряд: гиббсит — бемит — диа­спор — корунд.

В соответствии с этим легко выщелачиваются тригидратные бокситы, выщелачивание  достаточно полно протекает при температуре порядка 100 - 110° С для моногидратных бокситов требуется  более высокая темпе­ратура и  концентрация щелочного раствора.

Кроме минералогическою состава, на процесс выщелачивания влияют структура боксита и наличие в нем примесей. Плотные бокситы выщелачиваются медленнее, чем пористые, так как при плотной структуре затрудняется проникновение растворителя в толщу обрабатываемого материала. Имеет значение также крупность глиноземсодержащих минералов в боксите: чем мельче кристаллы глиноземсодержащих минералов, тем больше их удельная поверхность контакта (при одинаковой степени измельчения) с растворителем и тем с большей полнотой и скоростью протекает выщелачивание.

Соединения железа (гематит Fe2O3, магнетит Fe3O4 и др.) хими­чески не взаимодействуют с алюминатно-щелочным раствором и при выщелачивании в него не переходят.

Кремнезем. Аморфный кремнезем (опал) и каолинит, легко растворяются в концентрированном щелочном растворе при температуре ок.100° С с образованием силиката натрия:

SiO2 ∙ nH2O+ 2NaOH =Na2SiO3 + (n+1)Н2O;

Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2Н2О  + 6NaOH= 2NaA1O2 + 2Na2SiO3+5H2O

Кварц является менее активной формой кремнезема и  взаимодействует со щелочью при температуре 120° С и выше. С уменьшением размеров частиц кварца скорость его растворения  возрастает.

Образующийся силикат натрия взаимодействует с алюминатом на­трия с образованием натриевого гидроалюмосиликата:

2NaAlO2 + 2Na2SiO3 + 4H2O=Na2O∙ Al2O3∙ 2SiO2 ∙ 2H2O + 4NaOH

ГАСН плохо растворяется в алюминатно-щелочном растворе и выпадает в осадок, что приводит к очи­стке раствора от кремнезема (обескремниванию). Однако, как следует из формулы гидроалюмосиликата натрия, образование его связано с потерями глинозема и щелочи. Эти потери тем выше, чем выше содержание в боксите растворимого в щелочном растворе кремнезема. По этой причине способом Байера целесообразно перерабатывать только низкокремнистые бокситы.