3.Общая характеристика способов производства глинозема, их достоинства и недостатки

Способ Байера – самый дешевый и самый распространенный, однако, для его существования требуются высококачественные бокситы. Способ спекания – наиболее дорогой, но более универсальный и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью.

Способ Байера основан на свойствах алюминатных растворов находиться в устойчивом состоянии при повышенных температурах и концентрациях и на самопроизвольном их разложении (гидролизе) с выделением в осадок гидроокиси алюминия при понижении температуры и концентрации.

По способу Байера перерабатывают бокситы с µ_Si больше 7 ед. Способ Байера представляет собой замкнутый цикл, сущность которого может быть описана обратимой хим. реакцией: Al(OH)₃+NaOH↔NaAl(OH)₄.

При протекании реакции слева направо происходит извлечение глинозема из боксита едким натром с образованием раствора алюмината натрия. При протекании реакции в обратном направлении раствор алюмината натрия разлагается с выделением гидрата окиси алюминия в твердую фазу.

Боксит, поступающий из рудников, подвергают предварительной подготовке-дроблению, измельчению, а иногда и сушке или обжигу. В некоторых случаях для улучшения качества боксита его обогащают. После этого боксит выщелачивают в автоклавах раствор мелкого натра для извлечения из боксита глинозема в раствор алюмината натрия. В результате выщелачивания боксита получается пульпа, состоящая из раствора алюмината натрия и нерастворимого остатка-красного шлама. Пульпу разбавляют промывными водами(поступающими от промывки красного шлама) и направляют затем на сгущение для отделения алюминатного раствора от красного шлама. Красный шлам промывают водой и удаляют, а алюминатный раствор, сливаемый из сгустителя, подвергают осветлению(фильтрованию) для полного отделения от него частиц красного шлама. Осветленный алюминатный раствор далее смешивают с частью гидроокиси алюминия от предыдущего цикла (затравкой) и подвергают медленному перемешиванию-выкручиванию. В результате этой операции алюминатный раствор разлагается с выделением в кристаллической гидроокиси алюминия. Полученную таким образом пульпу, состоящую из гидроокиси алюминия и маточного щелочного раствора, сгущают. Промытую гидроокись алюминия подвергают кальцинации(т.е прокаливанию при высокой температуре), получается безводный глинозем, направляемый на электролиз.

Маточный раствор после выкручивания и промывные воды от промывки гидроокиси алюминия поступают на выпаривание для повышения их концентрации.

Из концентрированного маточного раствора обычно выпадает некоторое кол-во кристаллической соды, которая образуется в результате взаимодействия едкого натра с примесями карбонатов в бокситах и углекислотой воздуха. Соду отделяют от раствора и каустифицируют. Этот процесс заключается в обработке раствора соды гашеной известью, в результате чего образуется едкий натр и углекислый кальций. Пульпу, полученную в результате каустификации, сгущают вместе с красным шламом. Концентрированный маточный щелочной раствор поступает в автоклавы для выщелачивания новой порции бокиста.

Способ спекания- наиболее дорогой, но более универсальный, и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью. Сущность способа спекания заключается в переводе кремния из сырья в малорастворимое в щелочных растворах соединение - ортосиликат кальция, а алюминия и железа - в алюминат и феррит натрия при обжиге алюминиевого сырья с содой и известняком.

При спекании такой шихты образуется хорошо растворимый в воде алюминат натрия малорастворимый двухкальциевый силикат и нестойкий к гидролизу феррит натрия по следующим реакциям:

В соответствии с этими реакциями в шихте должна быть выдержаны следующие молекулярные отношения:

Для низкокремнистых бокситов может быть применено спекание боксита с содой без добавки известняка. Этот метод называется термическая каустификация, он позволяет каустифицировать соду, образующуюся в процессе Байера, а также заменить дорогостоящую К. щелочь содой.

Полученные спеки как бокситовые, так и нефелиновые выщелачивают оборотными растворами или промывными водами. При этом Al₂O₃ переходит в раствор в виде алюминатов щелочных металлов; феррит натрия гидролизуется с образованием нерастворимой гидроокиси железа и едкой щелочи, способствующей повышению стойкости алюминатных растворов. Образовавшийся двух кальцевый силикат при взаимодействии с алюминатным раствором частично разлагается, и кремнезем при этом переходит в раствор. Но большая часть двухкальциевого силиката остается в шламе. Шлам отделяют от алюминатного раствора, а алюминатный раствор подвергают обескремниванию и разложению для выделения гидроокиси алюминия. Маточный раствор, получаемый после выделения гидроокиси алюминия, при производстве глинозема из боксита упаривают до определенной концентрации солей и используют для приготовления исходной шихты. Шлам, получающийся при выщелачивании бокситовых спеков, в настоящее время не используют и выбрасывают на шламовое поле.

Способ Байера и способ спекания имеют определенные недостатки, это - ограниченность применения, высокий расход дорогостоящей каустической щелочи и пара (способ Байера), большие материальные потоки, высокий расход топлива (способ спекания). Поэтому в СНГ в отличие от зарубежного производства высококачественные бокситы перерабатывают не чистым способом Байера, а комбинированным со способом спекания в параллельном варианте. В случае переработки высококремнистых бокситов с умеренным содержанием окиси железа (не более 17 - 18%) используют комбинированный способ Байер - спекание в последовательном варианте.

По схеме параллельного варианта комбинированного способа Байер- спекание основную часть боксита перерабатывают по способу Байера, а меньшую часть - по способу спекания. Обе ветви идут параллельно до получения алюминатного раствора, а затем обескремненный алюминатный раствор из ветви спекания смешивают с раствором ветви Байера, и смешанный раствор подвергают декомпозиции.

Моногидрат соды от выпарки маточного раствора (рыжую соду) вместо каустификации направляют в ветвь спекания, где вместе со свежей содой, используют для переработки новой порции боксита.

Основные достоинства такого варианта: возможность переработки на одном заводе высококремнистых и малокремнистых бокситов (первые - в ветви спекания, вторые - в байеровской ветви); для возмещения потерь Na2O мощность ветви спекания по глинозему составляет 10-15% от мощности завода; все потери едкой щелочи в цикле Байера возмещаются содой, которая каустифицируется при спекании с бокситом; так как едкая щелочь дороже соды, то возмещение потерь щелочи содой снижает себестоимость глинозема; ветвь спекания, кроме термической каустификации соды, дает дополнительное количество глинозема; моногидрат соды, выпадающий при упарке, поглощает много органических веществ, которые полностью выгорают в печи спекания, и алюминатные растворы ветви Байера очищаются от них.

Основные недостатки параллельного варианта - его сложность и повышенные затраты на передел спекания.

По схеме последовательного варианта богатый Al2O3 и Na2O красный шлам после безавтоклавного или автоклавного выщелачивания бокситов спекают в смеси с содой и известняком. Обескремненный алюминатный раствор от выщелачивания спека смешивают с разбавленным раствором процесса Байера для совместного разложения.

Последовательный вариант пригоден для переработки высококремнистых бокситов и имеет следующие достоинства: потери каустической щелочи возмещаются эквивалентным количеством соды; высокое суммарное извлечение глинозема из сырья; меньший поток шихты на спекание, чем при способе спекания боксита, так как большая часть глинозема из сырья извлекается в ветви Байера.

Вместе с тем этот вариант характеризуется большими капитальными затратами на одну тонну глинозема и может применяться только для бокситов с умеренным содержанием Fe2O3, так как высокое содержание окиси железа в красном шламе затрудняет и даже может сделать невозможным спекание шлама из-за легкоплавкости такой шихты.

Из приведенных способов можно сделать вывод, что выбор способа и рациональной аппаратурно-технологической схемы переработки боксита и другого алюмосодержащего сырья зависит от многих факторов, основными из которых являются: кремневый модуль ?Si - отношение по массе Al2O3 к SiO2; содержание в сырье сульфидов, карбонатов и органических веществ; минералогический состав соединений алюминия и кремния; содержание окиси железа.

8