3.4.3. Производство глинозема

Как видно из схемы на рис. 1, для производства алюминия сна­чала нужно получить чистую окись алюминия. Современная алюми­ниевая промышленность использует используют два способа переработки:

способ Байера;

способ спекания.

3.4.3.1. Получение глинозема по способу Байера

Способ Байера получил наиболее широкое распростра­нение в мировой практике. Он был предложен в конце 19 столетия австрийским химиком К. Н. Байером, работавшим в России. По имени автора этот процесс был назван способом Байера.

Способ Байера относится к щелочным гидрохимическим процессам. В основе способа лежит обратимая химическая реакция

В условиях обработки (выщелачивания) исходной руды раствором едкого натра эта реакция идет вправо, т. е. алю­миний переходит в раствор в форме алюмината натрия.

При разложении (декомпозиции) полученных растворов равновесие реакции сдвигается в обратную сторону и про­исходит гидролиз алюминатного раствора с образованием кристаллического осадка гидроксида алюминия.

В способе Байера технологический цикл по щелочи замкнут. Затраченная на выщелачивание щелочь освобож­дается при декомпозиции и возвращается в голову процес­са на обработку новых порций руды.

Способ Байера обычно применяют для переработки высококачественных бокситов с относительно низким содер­жанием кремнезема. На рис. 3 приведена схема получения окиси алюминия по способу Байера. Согласно этой схеме исходный боксит дробят и затем измельчают в среде концентрированного оборотного раствора щелочи.

Боксит

Смешение ← NaOH

Обработка в автоклаве

250⁰С, 40 ат

Алюминат натрия + красный шлам

←Красный шлам Сгущение Выпаривание

→Щелочной алюминат

Декомпозиция

Охлаждение

Раствор едкого натрия +

Гидроокись алюминия

(Al(OH)₃)

Затравка Фильтрация Возврат

Al(OH)₃ NaOH

Гидроокись алюминия

Al(OH)₃

Кальцинация

1300⁰С

Al₂O₃

Рис. 3. Схема производства глинозема по способу Байера

Далее пульпу выщелачивают с целью перевода оксида алюминия в раствор.

Al₂O₃ * n H₂O + 2 NaOH ↔ 2 NaAlO₂ + (n + 1) H₂O

Одновременно с природными гидроксидами алюминия со щелочью взаимодействуют свободный кремнезем и раз­личные алюмосиликаты. Этот процесс идет вначале с обра­зованием силиката натрия по реакции

Силикат натрия реагирует затем с алюминатом натрия с образованием нерастворимого в щелочных растворах на­триевого гидроалюмосиликата:

Образование больших количеств нерастворимого гидро­алюмосиликата натрия при выщелачивании бокситов недо­пустимо, так как ведет к неизбежным потерям щелочи и к снижению извлечения в раствор алюминия. По этой причине бокситы с повышенным содержанием кремнезема перерабатывать способом Байера нецелесооб­разно.

Для выщелачивания бокситов и особенно бокситов, со­держащих алюминий в форме моногидроксида, требуются температуры не ниже 180 -240 'С. Выщелачивание бокситов проводят в специальных аппаратах - автоклавах, работающих под давлением, рис. 4.

Вертикальный автоклав диаметром 1,6 – 2,5 м и высотой 13,5 -17,5 м, представляют собой стальные сосуды 1, ра­ботающие при давлениях до 3 МПа и температуре до 250 °С. Обогрев автоклавов может производиться острым паром, вдуваемым непосредственно в пульпу через барботер 7, или с по­мощью обогреваемых змеевиков.

Он снабжен трубой передавливания для разгрузки пульпы 2. Загружают пульпу в автоклав через штуцер в верхнем днище. Аппарат устанавли­вают на несущую конструкцию с помощью четырех опор 8, приваренных к корпусу.

Выщелачивание бокситов в автоклавах можно проводить как в периодическом, так и в непрерывном автоматизирован­ном режимах.

При периодическом выщелачивании пульпу с начала до конца обрабатывают в одном автоклаве. Оно включает сле­дующие операции: загрузку пульпы, нагрев ее до необходи­мой температуры, выщелачивание и разгрузку автоклава. Длительность процесса при этом составляет около 3 ч, в том числе на выщелачивание затрачивается 1,5 – 2 ч.

Рис.4. Автоклав для выщелачивания бокситов:

1 - корпус; 2 - загрузочный шту­цер; 3 - труба передавливания (разгрузочная); 4 - штуцер сдувки; 5 - штуцер для подключения кон­трольно-измерительных приборов: 6 - люк; 7 - барботер; 8 - опоры

Периодическое выщелачи­вание в настоящее время поте­ряло свое практическое значе­ние.

Непрерывный процесс осу­ществляется в автоматизиро­ванных автоклавных батареях (рис. 5), объединяющих в зависимости .от технологичес­ких требований по 6 - 10 авто­клавов.

Бокситовая пульпа из мешалок 1 с помощью поршневого насоса 3 нагнетается в теплообменники 4, где на­гревается сепараторным паром I ступени сепарации. Из теплообменника пульпа поступает в греющие реакционных автоклавов 6, в которых протекает и завершается процесс выщелачивания. Из последнего автоклава пульпа вводится в сепараторы I и 11 ступеней 7,8, где давление сни­жается до атмосферного (соответственно снижается и тем­пература до 80 – 90⁰ Савтоклавы 5 и далее передавливается последовательно через батарею

Рис. 5 . Схема непрерывного выщелачивания бокситов в автоматизированной батарее:

1- мешалка; 2 - воздушный компенсатор; 3 - поршневой насос; 4 - теплообменник; 5 - греющие автоклавы; 6- реакционные автоклавы; 7 - сепаратор пульпы I ступени; 6 - сепаратор пульпы II ступени; 9 - мешал­ка разбавления; 10 - самоиспаритель конденсата; 11 - распределитель; 12 - бак с конденсатной водой

Вследствие резкого снижения давления пульпа в сепа­раторе I ступени вскипает, образовавшийся в нем пар на­правляют в подогреватели первичного нагрева 4 исходной пульпы. Низкотемпературный пар сепаратора второй сту­пени используют для подогрева воды, необходимой для промывки шлама.

Время пребывания пульпы в автоклавах составляет око­ло 2 ч. Из сепаратора пульпа, состоящая из алюминатного раствора и красного шлама, поступает на разбавление в мешалку 9, а затем в отделение сгущения и промывки красного шлама. Сгущение пульпы проводят чаще всего в однокамерных сгустителях диаметром 30 - 40 м.

Выпущенный из сгустителей шлам подвергают много­кратной промывке по принципу противотока, что позволяет более полно отмыть его от остатков алюминатного раствора и получить промывные воды более высокой концентрации. Промытый красный шлам откачивают в хранилище. Выход шлама в зависимости от вида и качества перерабатываемо­го боксита составляет 20—50 % от исходной массы. При­мерный состав красного шлама следующий, %: 12-15 А1₂0₃; 45-50 Fe₂O₃; 6 -11 SiO₂.

На Николаевском глиноземном заводе внедрена новая технология высокотемпературного трубчатого выщелачивания, позволяющая повысить извлечение глинозема из боксита на 1,5%, повысить производительность на 140 тыс.т глинозема в год и снизить капитальные затраты на строительство на 10 – 15 %. Особенность процесса заключается в том, что выщелачивание трудновскрываемых бокситов проводят при температуре 270 ⁰С и нагрев пульпы проводят глухим паром с использованием кожухотрубных теплообменников специальной конструкции, рассчитанных на высокое давление с площадью теплообмена F = 100 м²; и в перспективе 400 м², работающих в режиме «глухого» нагрева.

Рис. Установка высокотемпературного выщелачивания на ООО НГЗ

Рис. Модель установки высокотемпературного выщелачивания

Алюминатный раствор после сгущения обрабатывают на фильтрах, работающих под давлением или под разрежени­ем. Раствор после фильтрации должен содержать Fe₂O₃ не более 10 г / м³ и SiO₂ не более 5 -6 г / м³. Температура рас­твора около 90 °С. Далее раствор подвергают декомпозиции (разложению).

Процесс декомпозиции, получивший название «выкручи­вание». основан на обратимой реакции:

Его цель - кристаллизация из раствора А1(ОН)₃. Для того чтобы осуществить процесс разложения алюминатного раствора, т. е. сдвинуть равновесие реакции вправо, необходимо разбавить раствор, охладить его, ввести «затравку» (ранее полученные мелкие кристаллы гидроксида алюминия) и перемешивать пульпу в течение 50 - 90 ч, чтобы вырастить достаточно крупные кристаллы.

Выкручивание алюминатных растворов прово­дят в аппаратах, называемых декомпозерами рис. 6 и 7, с меха­ническим или пневматичес­ким (воздушным) переме­шиванием в периодическом или непрерывном режимах

Рис. 6. Декомпозер с механическим пере­мешиванием:

1 - вал; 2 - лопасть; 3 - цепь; 4 - волоку­ша; 5 - сифон

Декомпозер с механиче­ским перемешиванием (рис. 6) представляет собой стальной бак высотой и диа­метром по 8 м, внутри кото­рого вращается цепная ме­шалка 3, состоящая из вала с лопастями и свободно под­вешенных на них цепей с во­локушами 4.

Декомпозеры с воздуш­ным перемешиванием (рис. 7) являются наиболее со­вершенными и крупными ап­паратами 1 вместимостью до 3000 м³. Для перемешивания пульпы, обеспечивающей хо­рошую циркуляцию затрав­ки, служит циркуляционный аэролифт (пневмоподъемник) 2. Он состоит из двух концентрически установлен­ных вертикальных труб. По внутренней трубе сверху в коническую часть декомпозера, где оседает кристаллизующийся гидроксид алюминия, подают сжатый воздух. Выходя из центральной трубы, воз­дух способствует образованию воздушно-пульповой взвеси, которая, обладает значительно меньшей плотностью, уст­ремляется в кольцевой зазор аэролифта и, поднимаясь, сливается через верхний открытый конец наружной трубы.

Рис. 7. Схема декомпозера с воздуш­ным перемешиванием:

1 - корпус; 2 - аэролифт для переме­шивания; 3 - транспортный аэролифт;

4 - боковая барботажная трубка; 5 - водяные рубашки; 6 - люк; 7 - разгрузочный клапан; 8 - вытяжная труба

Кроме циркуляционного аэролифта в пневматическом декомпозере имеется транспортный аэролифт, с помощью которого осущечтвляется переток пульпы из одного декомпозера в другой.

После декомпозиции пульпа поступает в сгустители, где гидрооксид отделяют от раствора.

Полученный гидрооксид в гидросепараторах разделяют на фракции с размером частиц – 40- 100 мкм и мелкую фракцию (размером меньше 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

Цель кальцинации – обезвоживание гидроксида алюминия по реакции:

2 Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O

Это достигается сушкой и прокалкой гидроксида при температуре  1200⁰С. При этом получают негигроскопический α – глинозем.

На большинстве заводов кальцинацию глинозема осуществляют в трубчатых вращающихся печах длиной 35 – 110 м и диаметром 2,5 – 4,5 м Прокаленный глинозем охлаждают в трубчатых холодильниках длиной 25- 50 м и диаметром 2, 5 – 3,5 м. Конструктивная суть установки для кальцинации аналогична для спекания глиноземсодержащего сырья, рассматривается позже.

Рис. Печи прокалки глинозема

Рис. Глинозем металлургический; кристаллы гидроксида алюминия, мелкодисперсный глинозем